多关节工业机器人总体设计

曲膏录我梢汗羌#说天啊# itlianhe College ofGuangDong Polytechnic Normal University毕业论文（设计）题目：机床上料多关节工业机器人总体设计（英文）： Overall design of machine tool feedingmulti-joint industrial robot二级学院：机电工程学院专 业：机械设计制造及其自动化姓 名： 黄景鑫学号：20160301430411指导教师： 曹照均日期：广东技术师范大学天河学院毕业设计(论文)2机械手的概述2.1机械手的定义机械手(mechanical hand)顾名思义就是和人类的手相似，具有人类手臂的各种结构能实现模仿人手的各种功能。机械手能够根据编辑好的程序去执行各种动作，例如抓取，搬运物件，或者操作工具等，是一种自动操作装置。2.2机械手的原理机械手是由pic、单片机等控制系统进行控制，多关节机械手有着五个大的部分，底座，腰部，肩部，腕部以及手部，每一个部位都基本有一个驱动装置，底座的电机通过联轴器和减速器驱动腰部的转动，腰部的电机驱动肩部的转动，肩部的电动机驱动大臀的转动，小臂的电动机驱动腕部的转动。由控制系统进行控制而达到模拟人手的功能，进行作业。底座电机*械手对_二肩部电机 嚣嵩本林手房 ,肘部电机手晶2-1机械手的原理2. 3机械手的结构2-2机械手的结构简图广东技术师范大学天河学院毕业设计（论文）输入部分，动作执行部分和程序控制部分共同组成了机械手。1、动作执行部分：底座，腰部，肘部，手腕和夹持部分。a、底座：底座是支撑整个机械手的重要部位，机械手各部件的运动都离不开底座的支撑，底座内部设有传动机构（齿轮和轴）与电机相连接推动机械手腰部进行转动。b、腰部：腰部主要连接底座和肘部，通过电机和联轴器以z轴为转轴，带动机身旋转。C、肘部：通过大臂支撑与腰部连接，通过小臂连接手腕和夹持部分，可较为准确的对手腕进行定位。d、手腕：手腕是机械手控制的末端，机械手的精度受它的影响是最大的，手腕由两个电机控制其上下转动，手腕末端连接着夹持部分。C、夹持部分：夹持部分为手爪，本次设计是机床上料机器人，夹持的是棒料，所以夹持部分使用手抓而不是负压吸盘式的。2、动力输入部分：动力输入时机械手能够动起来的基础，动力输入时不能直接与动作执行部件相连，而是需要减速机构或者是联轴器。3、程序控制部分：程序控制是机械手的灵魂，空有骨架和动力没有运动的目标的话亦是无用的，机械手能够发挥出其巨大的优势，和控制系统分不开，现阶段主要是用单片机和pic来为机械臂开发控制系统。2.4机械手的工作特点机械手有以下几个优势：1、机械手能够在恶劣的环境下进行工作而不受其影响，是人类劳动无法企及的；2、机械手能够稳定地进行高强度和高重复性工作；3、机械手能够达到极高的精度，在要求高精度的工作场合下，机械手的运用及其重要；4、对于人力成本，机械手的成本更低，亦能够提高效率，增加企业的效益；5、机械手可编程，能够根据程序的设置而去运动，所以能够适应多种不同的工作；2. 5机械手种类的选取按使用的方式分类，机械手可以分为专用机械手和通用机械手两种，通用机械手顾名思义就是能够运用在多种场合的机械手，所以适应能力极强，能够能够进行独立控制，可编程，其有着极大的灵活性，占地面积小，能够适应多种产品的生产，多关节机械手就是一种通用型机械手。专用机器人就是一种专业性极强，为某一个工步专门设计的机械手，其结构简单，有着固定的程序而不像通用型机械手一样有独立的控制系统，不能适应其它产品种类的需求,但其有着稳定性高，结构简单，造价低等优势。根据需求，本次设计的是通用型机械手，多关节机械手更能够适应机床上下料的环境和要求，末端的执行机构采用夹持式。图2-3专用型机械手图2-4通用型机械手2. 6本章小结本章主要对机械手的定义进行了阐述，对机械手的原理和结构进行了分析，明确了本次毕业设计是设计一种通用型机械手，末端的执行机构采用夹持式，能够更好的夹取棒料。广东技术师范大学天河学院毕业设计（论文）3机械手的机械设计部分3.1机械手的整体结构设计机械手的整体设计的好坏决定机械手是否实用，本次设计的5自由度机械手包含底座、减速器，连接块，大小手臂，及腕部等机械手的重要部分，每一个机构都有着不可或缺的作用，就像底座看似简单，但其作用不小，底座的底部与地板固定，防止机身发生抖动等不良状况，对机械手的稳定工作具有着及其重要的作用。各个部件的组合形成了功能完善的机械手，以下是机械手的自由度简图和三维模型。图3-2机械手的整体建模模型广东技术师范大学天河学院毕业设计（论文）3. 2机械手各部件的结构设计及选型3. 2.1机械手的底座设计机械手的底座的主要功能有以下几点：1、将机械手装置固定，使机械手在运动时能够有所支撑，避免机械手的振动。2、放置电路及简单的控制系统。3、与腰部及电机进行连接，为腰部提供支撑。根据以上几点初步将机械手的结构设计为如图3-2所示。底座的材料选择:机械手底座承受的载荷较大，机械手的运动会对底座的强度刚度和减震性能进行巨大的考验，所以要选取减震性能好，强度较高的材料，HT200灰铸铁能够很好地符合这个要求，其常被用于制造机床底座，发动机气缸，汽车车身等承受压力和振动的部件，所以综上所述底座材料选择HT200灰铸铁最为合适。图3-2机械手的低座的结构设计3. 2.2机械手腰部的设计机械手腰部主要有以下部分组成：电机，传动机构，连轴器和连接块.唯有确定好输入广东技术师范大学天河学院毕业设计（论文）形式和传动机构的形式才能够更好地对腰部连接块进行结构设计，接下要对传动机构进行确定。3.2.2. 1机械手腰部传动机构的确定多年以来，机械手的发展和运用逐渐成熟，有着很多能够借鉴的经验，为机械手的设计提供了大量基础的数据，根据前人的经验能让人们设计难度大大降低，避免了很多不必要的错误，通过查阅资料，我得知机械手腰部的传动形式有以下两种：谐波减速器传动，和RV减速器传动。通过对这两种传动机构的分析，选出最为合适的本次设计的传动机构。1、谐波减速速器传动谐波减速器是一种较为特殊的齿轮传动机构，主要运用于军工和对传动机构的精度有较高要求的行业，有着以下特点：1、不仅承载能力强，其精度亦是很高，因其特殊的结构，其传动误差只有普通齿轮的1/4左右，意味着其传动精度要比普通齿轮精确四倍。2、其有着极其平稳的传动性能，因为柔轮和钢轮的啮合过程都是渐进、渐出的所以谐波减速器有着噪音小，无冲击的特点。3、谐波减速器只有三个基本部件，分别为柔轮、刚轮、波发生器，和其他的传动机构对比其结构过分简单，而且它体积小使用寿命长是运用于机械极好的装置。4、谐波减速器的传动比极大，传动效率有着其他传动机构无可比拟的优势。5、安装调整方便。图5.1-1谐波减速器的基本结构1 一谐波发生器2柔轮3刚轮图3-3谐波减速器的结构2、RV减速器传动RV减速器是由摆线针轮和行星支架组成的，其有着传动比大，负载能力高，能够抵抗较高的冲击力，传动精度高，定位精度高，减速性能好，传动平稳，RV减速器的各种性能参数基本都要比谐波减速器要好，可是其定位精度要求很高，安装比较困难，结构复杂，设计难度高，且价格昂贵。m6.2-ll HVMifB 的内l-M 2- 3出承 4一充体侦轮)-1 1.5（$澄 + 丫度）5S,=、玲 + 0.2Tm&温广东技术师范大学天河学院毕业设计（论文）Zr，分别表示正应力的应力幅及平均应力幅玲,Zm一分别表示切应力的应力幅及平均应力幅S。一正应力安全系数Sr切应力安全系数= 0.55b_iYz计算轴向应力影响的系数，i般偷一正应力应力集中系数虬一切应力应力集中系数，匕= （0.70.9）&将各数值代入计算得：岛=*捉5Sr = 4.132虬Ta + 02以S（y + SrS = 1.9 1.5?205（S/+YzS*）满足疲劳强度需求。4.7本章小结本章主要对谐波减速器的内部的三个主要结构进行设计对其尺寸进行计算，并对其进行疲劳强度校核。参考文献1 杜祥瑛.机械手及其应用M.北京：机械工业出版社，1991:52-57P.2 曲道奎张念哲.机械手技术的新进展EB3 罗辑，杜柳青，袁冬梅，曾宇丹.机电一体化技术在机械工程上的应用及发展趋势J.机床与液压，2006, 9(1)： 25-28P.4 卞正岗.动化技术和机电一体化技术发展趋势J.国内外机电一体化技术，2006,9(1)： 25-28P.5 欧坚.机电一体化技术的现状和发展趋势J.广西电业，2005, 10(10)： 99-100P.6 黄纯颖.设计方法学国.北京：机械工业出版社，1991： 12-26P.7 马香峰.机械手结构学M.北京：机械工业出版社，1991： 23-40P.蒋新松.机械手M.北京：科学出版社，1997： 88-92P.9 高峰，刘辛军.机械手机构CAD的研究J.机械工程报：2000, 36(4)： 9-13P.10 王天然.机械手M.北京：化工业出版社，2002： 2-9P.11 R. 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1机械手在国内的发展以及研究现状21.2.2机械手在国外的发展以及研究现状213本论文设计的方向和思路32机械手的概述42. 1机械手的定义42.2机械手的原理42.3机械手的结构42.4机械手的工作特点52.5机械手类型的选择62. 6本章小结73机械手的机械设计部分83. 1本体结构布局设计83. 2机械手各部件的结构设计93. 2. 1机械手机座机构93.2.2机械手大臂123.2.3机械手Z轴与X轴的连接块163. 2.4机械手X轴手臂部分163. 2. 5机械手手腕部分173. 3本章小结184机械手的驱动控制部分194. 1各关节驱动传动方案确定194. 1. 1减速传动方案的确定234. 3. 2驱动方案的确定错误!未定义书签。4.2谐波减速器减速驱动错误!未定义书签。4.3联轴器的选择错误!未定义书签。4.4电动机的选型284.4. 1手臂电机选型错误!未定义书签。4.4.2联轴器的验算214.5底座电机的选型错误!未定义书签。4.6底座齿轮传动设计和校核错误!未定义书签。4.7本章小结285基于UG机械手仿真错误!未定义书签。29参考文献致谢311.1研究背景以及意义21世纪是高度信息化的时代，而制造业也不例外，工业机器人与工业自动化的发展和需求息息相关，工业机器人已经运用到了制造业的各个领域，给人们的生活带来翻天覆地的变化。自1962年美国制造了第一台工业机器人，人们对工业机器人的探索就从未停止，经过多年的发展，工业机器人变得更加灵活和具有更多样化的功能，能够很好的适应生产线的工作，工业机器人是生产线十分常见的自动化设备，代替了繁重枯燥的重复性劳动，增加了工作效率，减轻了工人的劳动强度，对生产经营活动有着重大的影响。因工业机器人有着人们所不具有的特殊性，工业机器人可以在一些恶劣的环境下进行高强度工作，亦可不受时间影响所以其优越特性使人们将工业机器人运用在了各个领域，也极大地使机器人在各大领域中得到很好的发展和应用。我国是当今世界上制造业最为发达的国家，随着社会的发展，人口老龄化劳动力不足的问题开始在我们国家出现，而发展自动化，使用机器人来代替人工的劳动变得不可或缺，机械手在操作精度方面亦大大超越人类，是人们不可企及的，使用机器人亦有助于提高产品的质量，提高工作效率，降低人力成本，使企业的利润大大提升，百利而无一害，自动化的发展才是我们国家制造业发展的未来。工业机器人亦能够在人们难以忍受的环境下无障碍地工作，工业机器人的程序是预设好的，所以不需要灯光，能够给企业省下很多的资源，工业机器人还可以在高危险的环境下工作，在焊接，喷涂作业等作业中有着巨大的作用。在需要大量人力和重复性劳动中工业机器人亦发挥着重大的作用，例如：码垛机器人，它有着无可比拟的优势，不仅比人力更加的快捷，而且工业机器人的出错率会更低。正是因为工业机器人相对于人力来说有着众多无可比拟的优越性，所以工业机器人的发展前景一片大好，研充和设计工业机器人亦有着很重大的意义，我们国家想要产业升级，发展的更快的话，大力发展工业机器人是个绝对正确的选择。广东技术师范大学天河学院毕业设计(论文)1.2机械手在国内外的发展以及研究现状1.2.1机械手在国内的发展以及研究现状我国的工业机器人在20世纪70年代初期起步，发展到现在国内研发出了一大批具有优秀性能的工业机器人，如切料机器人、点焊机器人、搬运机器人、上料机器人等等。国家对高新科技的发展也十分重视2015年5月19 S,国务院发布了中国制造2025计划，该规划指出，为了加快智能化自动化产品的开发。提高国家的科技水平实力，有必要研发出具有较高人机交互功能的智能机器人，使工业机器人更广泛地应用在制造业领域和高端研发领域。2016年5月4日，工业和信息化部、国家发展和改革委员会以及财政部联合印发机器人产业发展规划(2016-2020年)为国内机器人的发展指明了方向。现阶段随着5G技术和AI技术的发展工业机器人的性能将会更加强大，在国内科技高速发展的和政策扶持的沃土上工业机器人的发展前景无可估量，即使现在国内机器人的应用和发展还比不上发达国家，但有国内技术、大量的人才储备和政策的扶持国内的工业机器人亦会奋起直追，达到世界领先水平。1.2.2机械手在国外的发展以及研究现状自1985年，美国的联合控制公司研制了第一款机械手UNIMATE,工业机器人的发展就从未停歇，经过50多年的发展，世界各国对工业机器人的研究开发日益成熟。目前工业机器人发展较为先进的国家有：美国、德国、法国和日本，其中美国在工业机器人的研究当中一直处于国际领先地位。进入20世纪后，世界上的各个工业强国都意识到机器人在未来各个领域的发展有着及其重大的作用，各个工业强国都制定了相应的计划和战略，德国提出了 “工业4.0”的发展战略，这个战略得到了外界的强烈的反响“工业4.0”也成为了德国生产力的一个标签，这个概念在全球范围内掀起了一轮工业转型的狂潮，美国在2011年推出了 “先进制造伙伴计划”，2014年美国互联网巨头和传统制造业联手成立了 “工业互联网同盟”，2012年韩国推出了 “机器人未来战略展望2022”期望增强韩国机器人产业实力，2013年日本提出了 “日本产业重振计划”以期待能够通过设备和研发来重振制造业,“火花”由欧盟提出，目的是研发明用机器人。美国工业机器人的发展现状工业机器人是由美国率先研发的，当时的美国并不很重视工业机器人的实际应用。广东技术师范大学天河学院毕业设计（论文）1980年后，政府开始重视工业机器人在制造业中的应用，高端技术在美国一直有着深厚的积累，加上政府的鼓励投资，使得美国的工业机器人能够快速发展，并占有着全球市场，现阶段比较优秀的工业机器人公司有爱德普机器人公司日本工业机器人的发展现状日本工业机器人的发展要比美国晚上几年，但是其发展毫不逊色。由于日本的特殊国情，缺乏劳动力，使得工业机器人在日本的各个领域飞速发展，日本对工业机器人的发展有着举足轻重的地位，日本有众多优秀机器人公司例如：安川电机、发那科、川崎重工业，那智公司，日本有着强大的工业体系，工业机器人的关键零部件都能够生产，使得日本拥有着世界第一的工业机器人产量及安装量，而且日本也是工业机器人的主要零部件的供应国，为工业机器人的发展做出了巨大的贡献，也为自己创造了巨大的利润。德国工业机器人的发展现状德国工业机器人的发展亦是和其当时的基本国情密切相关的，德国的劳动力短缺使得政府更加重视和发展工业机器人，为机器人的发展应用提供了有力的条件，此外德国规定一些有毒、危险、有害环境的岗位必须要以机器人来代替人来操作，这使得工业机器人很快在的国发展起来，德国的“工业4.0”战略使得德国的工业机器人更加具有发展前景,德国的工业机器人在国际市场上也具有着重要的地位，在国际上比较有竞争力的公司有库卡公司。1.3本论文设计的方向和思路设计的机械手内部传动系统中的传动方式主要以齿轮传动方式为主，其运动形式为关节式，包括机身的旋转运动、大臂以及小臂的转动以及手腕的转动。本设计的机床上料多关节机械手外形尺寸值为：高1000mm、宽650mni、长450mm,重约为28kg；具体的要求如下所示：1、了解机械手的原理、结构和工作特点，最终完成总体方案的设计；2、对总体设计包括机械设计部分和控制驱动装置设计；3、要求结构整体紧凑，机械手内部结构传动效率高且传动过程平稳；4、用ug建立一个三维模型，并在相关软件下完成运动的工作仿真分析。研究思路：了解机械手实际应用中的意义和该类机械手的发展现状，对6个自由度小型机械手的原理、构造、运动轨迹有全面的认识，以及控制系统设计和总体配置。深入了解和分析本课题，选择一个方便、稳定、安全、高效的方案，可应用于实际批量生产中，完成机械手爪的设计。