三軸龍門機械手

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1、摘要 工業(yè)機器手由操作機 （機械本體 ）、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是 一種仿人操作，自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動 化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高 生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。生產(chǎn)中應(yīng)用機械 手可以提高生產(chǎn)的自動化水平，可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn)機械 手的結(jié)構(gòu)形式比較簡單，通用機械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強，所以它在不 斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。 本課題將設(shè)計一個三軸龍門機械手，需完成 X 、Y 、Z 三維空間內(nèi)的移動

2、要求，以 及對工件的安全抓緊和釋放，將倉庫出庫的工件搬運到生產(chǎn)線的輸送帶上。 關(guān)鍵詞： 機器人；效率；龍門；三軸 I Abstract Industrial machine by hand CaoZuoJi (mechanical body)， controller， servo drive system and detection senso，r which is a kind of copy operation ， automatic control， can repeat programming in 3 d space， can finish all kinds of as

3、signmentselectromechanical integration of the automatic production equipment. Particularly suitable for many varieties ， change of flexible production batch. It to help stabilize， improve product quality ， raise efficiency in production ， improve working conditions and product rapid renewal plays a

4、very important role. Production application manipulator can be used to increase production of automation level， can reduce labor intensity， ensure the quality of products， and realize safe production of the manipulator structure form began comparing simple， general manipulator can quickly change wor

5、king procedures， good daptability， so it continues to transform the production of medium and small batch production of a wide range of references. Key Words: a manipulator，Efficiency; Simple; adaptability # 目錄 摘 要 I Abstract II 目 錄 I.I.I.. 第 1 章 緒論 1 1.1 機器人概述 1... 1.2 機器人的歷史、現(xiàn)狀 2

6、... 1.3 機器人發(fā)展趨勢 3... 第 2 章 機械手總體設(shè)計方案 4... 2.1 機械手基本形式的選擇 4... 2.1.1 直角坐標(biāo)系機器人 4... 2.1.2 圓柱坐標(biāo)系機器人 4... 2.1.3 極坐標(biāo)系機器人 4... 2.1.4 多關(guān)節(jié)機器人 5... 2.2 驅(qū)動裝置的選擇 6... 2.2.1 液壓驅(qū)動 6... 2.2.2 氣壓驅(qū)動 7... 2.2.3 電動機驅(qū)動 7... 第 3 章 三軸機械手的總體方案設(shè)計 8... 3.1 設(shè)計參數(shù) 8 3.2 方案設(shè)計 8 3.2.1 X 軸方案設(shè)計 9..

7、. 3.2.2 Y 軸方案設(shè)計 錯.. 誤！未定義書簽。 3.2.3 Z 軸方案設(shè)計 錯.. 誤！未定義書簽。 3.2.4 機械手爪方案設(shè)計 錯.. 誤！未定義書簽。 第 4 章 三軸龍門機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計 錯.. 誤！未定義書簽。 4.1 X 軸設(shè)計 錯... 誤！未定義書簽。 4.1.1最大工作載荷Fm的計算 錯誤！未定義書簽。 4.1.2 齒輪齒條結(jié)構(gòu)設(shè)計計算 錯. 誤！未定義書簽 4.1.3 步進電機減速箱的選用 錯. 誤！未定義書簽 4.2 Y 軸設(shè)計 錯... 誤！未定義書簽 4.3 Z 軸設(shè)計 錯.. 誤！未定義書簽 第 5 章 機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

8、 錯... 誤！未定義書簽 5.1 夾持器設(shè)計的基本要求 錯.. 誤！未定義書簽 5.2 夾緊裝置設(shè)計 錯... 誤！未定義書簽 5.2.1 夾緊力計算 錯.. 誤！未定義書簽 5.2.2 驅(qū)動力計算 錯.. 誤！未定義書簽 5.2.3 氣缸驅(qū)動力計算 錯.. 誤！未定義書簽 5.2.4 選用夾持器氣缸 錯.. 誤！未定義書簽 5.2.5 手爪的夾持誤差及分析 錯. 誤！未定義書簽 5.2.6 材料及連接件選擇 錯.. 誤！未定義書簽 結(jié)論 錯 誤！未定義書簽 參考文獻 錯... 誤！未定義書簽 致 謝 錯 誤！未定義書簽 3 第1章緒論

9、 1.1機器人概述 在現(xiàn)代工業(yè)中，機械化和自動化的生產(chǎn)過程中已成為一個突出的主題。生產(chǎn)過程的 自動化化學(xué)連續(xù)性已基本得到解決。但在機械行業(yè)，加工，裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專 用機是一種有效的方式來大規(guī)模生產(chǎn)自動化，程控機床，數(shù)控機床，加工中心等自動化 機械是有效地解決了多品種小批量的生產(chǎn)自動化的重要途徑。但在鑿除本身，也有很多 裝卸，搬運，裝配作業(yè)，有待于進一步實現(xiàn)機械化。機器人的出現(xiàn)并得到應(yīng)用，為這些 作業(yè)的機械化奠定了良好的基礎(chǔ)。 工業(yè)機器人”（Industrial Robot）:多數(shù)是指程序可變（編）的獨立的自動抓取、 搬運工件、操作工具的裝置（國內(nèi)稱作工業(yè)機器人或通用機器人）。

10、機器人是一種機體功能，程序自動固定裝置的上部。機器人具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低, 易維護等優(yōu)勢，但功能較少，適應(yīng)性差。目前我國常把具有上述特點的機器人稱為專用 機器人，而把工業(yè)機械人稱為通用機器人。 總之，機器人是用機器代替人手，將工件從所述位置指定的作業(yè)移到某個位置，或 按照以操縱工件加工用的工作要求。 機器人拿起東西，最簡單的是具有相似的基本條件，手段，抓住并移動手腕的機構(gòu)， 手臂，關(guān)節(jié)等部位-執(zhí)行機構(gòu)，如肌肉的驅(qū)動臂運動 -傳輸;像指揮和控制大腦系統(tǒng)的 手部動作。這些系統(tǒng)的性能將決定機器人的性能。一般而言，機器人通常就是由執(zhí)行機 構(gòu)、驅(qū)動-傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如圖 1所示。

11、 圖1機器人的一般組成 1.2機器人的歷史、現(xiàn)狀 機器人首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機器人。 它的結(jié)構(gòu)特點是機體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是 示教型的。 日本是工業(yè)機器人發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自 1969年從美國引進兩種典型機 器人后，大力從事機器人的研究。 目前工業(yè)機器人大部分還屬于第一代，主要依靠手動控制；相比，開環(huán)控制模式， 沒有承認；改善方向主要是降低成本，提高精度。 第二代機器人正在加緊制定。它有一個微電腦控制系統(tǒng)，具有視覺，觸覺能力，甚 至聽，思考的能力。研究各種傳感器的安裝，把感覺到的信息進行反饋，

12、使機器人具有 感覺機能。 第三代機器人（機器人）能夠獨立工作，以完成該過程的任務(wù)。它保持與電腦和電 視設(shè)備的接觸，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS和柔性制造單元FMC是一個重要的 組成部分。 隨著工業(yè)機器人拓展國際學(xué)術(shù)交流活動的研究和應(yīng)用都非?；钴S， 歐洲和美國等國 家進行學(xué)術(shù)交流很多。國際機器人產(chǎn)業(yè) ISIR會議決定召開一次年會，討論開發(fā)和應(yīng)用 問題和研究機器人。 目前，主要的工業(yè)機器人裝卸，搬運，焊接，鑄造，鍛造和熱處理等，無論數(shù)量， 品種和性能不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。而是采用一種工業(yè)機器人，主要是在危險的 操作（寬），多塵的手動操作的，隔熱，隔音，并且工作環(huán)境不適合窄的空間

13、，例如手 動操作。 在國外機械制造，工業(yè)機器人使用較多，發(fā)展較快。目前應(yīng)用于機床，鍛壓機下料， 以及點焊，噴漆等工作，也可以完成提前開發(fā)所需遵循的操作程序，但沒有感覺反饋能 力，無法應(yīng)付外界世界的變化。如果出現(xiàn)某些偏差時，機器人會損壞部件，甚至本身。 隨著科學(xué)技術(shù)和社會，研究應(yīng)用在這些領(lǐng)域的現(xiàn)代進步的機器人系統(tǒng)，以系統(tǒng)的快速發(fā) 展本身也提出了更多的要求。制造要求機器人系統(tǒng)具有更大的靈活性和更強大的編程環(huán) 境，以適應(yīng)不同的應(yīng)用和多品種，小批量的生產(chǎn)過程。計算機集成制造（ CIM ）的機器 人系統(tǒng)需要能源等自動化設(shè)備在車間內(nèi)進行整合。研究人員的水平，以提高性能和智能 機器人系統(tǒng)，該機器人需要一個

14、開放系統(tǒng)架構(gòu)和各種外部傳感器集成的能力。然而，多 機器人系統(tǒng)的商業(yè)化，目前使用的專用控制器封閉結(jié)構(gòu)，通常使用專用的計算機作為上 主計算機，使用專用的離線機器人編程語言作為一種工具，使用一個專用的微處理器和 控制算法固化在EPROM這種專用系統(tǒng)很難（或不可能）整合外部硬件和軟件。封閉系 統(tǒng)改裝費用是非常昂貴的，如果不重新設(shè)計，在大多數(shù)情況下，它在技術(shù)上是不可能的 解決這些問題的根本途徑是學(xué)習(xí)和使用機器人系統(tǒng)具有開放式體系結(jié)構(gòu)。 我國雖然開始研制工業(yè)機器人僅比日本晚 5-6年，但是由于種種原因，工業(yè)機器人 技術(shù)的發(fā)展比較慢。目前我國已開始有計劃地從國外引進工業(yè)機器人技術(shù)，通過引進、 仿制、改造、

15、創(chuàng)新，工業(yè)機器人將會獲得快速的發(fā)展。 1.3機器人發(fā)展趨勢 隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機器人設(shè)計生產(chǎn)能力進一步得到加強，尤其當(dāng)機器人 的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合， 從而改變目前機械制造的人工操作狀 態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。 就目前來看，總的來說現(xiàn)代工業(yè)機器人有以下幾個發(fā)展趨勢： a） 提高運動速度和運動精度，減少重量和占用空間，加速機器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化 和模塊化，將機器人的各個機械模塊、控制模塊、檢測模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機器人； b） 開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類型的場合，如開發(fā)微動機構(gòu)用以保證精度；開發(fā)多 關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機器人，以適應(yīng)不同的場合；

16、 c） 研制各類傳感器及檢測元器件，如，觸覺、視覺、聽覺、味覺、和測距傳感器等， 用傳感器獲得工作對象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識別、狀 態(tài)檢測。并采用專家系統(tǒng)進行問題求解、動作規(guī)劃，同時，越來越多的系統(tǒng)采用微機進 行控制。 3 第2章 機械手總體設(shè)計方案 2.1機械手基本形式的選擇 常見的工業(yè)機械手根據(jù)手臂的動作形態(tài)，按坐標(biāo)形式大致可以分為以下 4種，如圖 2所示：(1)直角坐標(biāo)型機械手；(2)圓柱坐標(biāo)型機械手；(3)極坐標(biāo)型機械手；(4)多 關(guān)節(jié)型機械手。 2.1.1直角坐標(biāo)系機器人 直角坐標(biāo)型機器人，它在x，y，z軸上的運動是獨立的，3個關(guān)節(jié)都是移

17、動關(guān)節(jié)， 關(guān)節(jié)軸線相互垂直，它主要用于生產(chǎn)設(shè)備的上下料，也可用于高精度的裝卸和檢測和作 業(yè)。這種形式的主要特點是： (1) 在三個直線方向上移動，運動容易想象。 (2) 計算比較方便。 (3) 由于可以兩端支撐，對于給定的結(jié)構(gòu)長度，其剛性最大。 (4) 要求保留較大的移動空間，占用空間較大。 (5) 要求有較大的平面安裝區(qū)域。 (6) 滑動部件表面的密封較困難，容易被污染。 2.1.2圓柱坐標(biāo)系機器人 圓柱坐標(biāo)型機器人，R、B和x為坐標(biāo)系的三個坐標(biāo)，其中 R是手臂的徑向長度，0 是手臂的角位置，x是垂直方向上手臂的位置。這種形式的主要特點是： (1) 容易想象和計算。 (2

18、) 能夠伸入形腔式機器內(nèi)部。 (3) 空間定位比較直觀。 (4) 直線驅(qū)動部分難以密封、防塵及防御腐蝕物質(zhì)。 ⑸手臂端部可以達到的空間受限制，不能到達靠近立柱或地面的空間。 2.1.3極坐標(biāo)系機器人 極坐標(biāo)型機器人又稱為球坐標(biāo)機器人， R， 0和B為坐標(biāo)系的坐標(biāo)。其中0是繞手 臂支撐底座垂直軸的轉(zhuǎn)動角，B是手臂在鉛垂面內(nèi)的的擺動角。這種機器人運動所形成 的軌跡表面是半球面。其特點是： (1) 在中心支架附近的工作范圍較大。 (2) 兩個轉(zhuǎn)動驅(qū)動裝置容易密封。 ⑶覆蓋工作空間較大。 (4)坐標(biāo)系較復(fù)雜，較難想象和控制。 ⑸直線驅(qū)動裝置仍存在密封問題。 (6)存在工作死

19、區(qū)。 2.1.4多關(guān)節(jié)機器人 多關(guān)節(jié)機器人，它是以其各相鄰運動部件之間的相對角位移作為坐標(biāo)系的。 a a 和為坐標(biāo)系的坐標(biāo)，其中a是繞底座鉛垂軸的轉(zhuǎn)角，是過底座的水平線與第一臂之 間的夾角，a是第二臂相對于第一臂的轉(zhuǎn)角。這種機器人手臂可以達到球形體積內(nèi)絕大 部分位置，所能達到區(qū)域的形狀取決于兩個臂的長度比例。其特點是： (1) 動作較靈活，工作空間大。 (2關(guān)節(jié)驅(qū)動處容易密封防塵。 (3) 工作條件要求低，可在水下等環(huán)境中工作。 (4) 適合于電動機驅(qū)動。 (5) 運動難以想象和控制，計算量較大。 (6) 不適于液壓驅(qū)動。 5 7 圓柱坐標(biāo)型

20、 直角坐標(biāo)型 # 極坐標(biāo)型 多關(guān)節(jié)型 圖2工業(yè)機械手基本結(jié)構(gòu)形式 本課題要求機械手為直角坐標(biāo)型。 2.2驅(qū)動裝置的選擇 機器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式有液壓式、氣動式、和電動式。下面將三種驅(qū)動方式進行分 析比較。 2.2.1液壓驅(qū)動 機器人的驅(qū)動系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動，有幾個優(yōu)點： （1） 容易實現(xiàn)高水壓（水壓一般為2.5~6.3MPa的），體積小，可能會更好推力或扭 矩； （2） 介質(zhì)的液壓系統(tǒng)的壓縮性小，平滑和可靠，并能獲得更高的位置精度； （3） 液壓傳動，功率，速度和方向是比較容易實現(xiàn)自動控制； （4） 液壓系統(tǒng)采用油作為介質(zhì)，具有防銹性和自潤滑性能，能提高機械效

21、率，使 用壽命長。 不足的液壓系統(tǒng)有： （1） 油品粘度隨溫度變化，影響工作性能，高溫燃燒爆炸可能造成的危險； （2） 液體難以克服的，液壓元件的泄漏，需要更高的精度和質(zhì)量，成本較高； （3） 需要相應(yīng)的供應(yīng)體系，特別是電液伺服系統(tǒng)需要嚴(yán)格過濾的設(shè)備，否則故障。 液壓驅(qū)動模式下的輸出功率和更大的權(quán)力，可以構(gòu)成一個伺服機構(gòu)，大型機器人關(guān) 節(jié)驅(qū)動器常用 222氣壓驅(qū)動 與液壓傳動相比，氣壓傳動的特點是： （1） 壓縮空氣粘度小，容易實現(xiàn)高速； （2） 利用壓縮空氣工廠集中的加油站沒有加電設(shè)備； （3） 空氣介質(zhì)對環(huán)境的污染，使用安全，可直接應(yīng)用到高溫作業(yè)； （4） 氣動元件的

22、工作壓力低，它也比液壓元件的制造要求低。 它的缺點是： （1） 空氣壓力用0.4~0.6MPa的，以獲得一個較大的力，就必須相對地增加的結(jié)構(gòu); （2） 壓縮空氣大，表面光滑，可憐的速度控制很難實現(xiàn)精確的位置控制難度大； （3） 壓縮空氣是一個非常重要的問題，處理不當(dāng)級鋼鐵機件會生銹，造成機是人 類的失敗。此外，排氣也能引起噪聲污染。 用于位置控制，采集，開關(guān)控制和順序控制機器人氣動驅(qū)動器。 2.2.3電動機驅(qū)動 電機驅(qū)動，可分為普通交流和直流馬達驅(qū)動，交流和直流伺服電機驅(qū)動器和步進電 機驅(qū)動器。 通用的交，直流馬達驅(qū)動器需要減速裝置，輸出扭矩大，但控制性能較差，慣性， 適合中型

23、或重型機器人。伺服和步進電機的輸出力矩比較小，良好的控制性能，可實現(xiàn) 精確控制速度和位置，適合中小型機器人。交流伺服電機一般用于直接閉環(huán)控制系統(tǒng)中， 步進電機是主要用于開環(huán)控制系統(tǒng)，一般用于速度和位置精度并不重要。 9 第3章 三軸機械手的總體方案設(shè)計 本課題來源于亞龍YL-221型自動化柔性生產(chǎn)系統(tǒng)項目，該機械加工自主創(chuàng)新實訓(xùn) 系統(tǒng)模擬了實際工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，根據(jù)生產(chǎn)機械加工的不同階段設(shè)置了多個工作站：自動 存取型高架倉庫、搬運機械手站、直線輸送機站、90度轉(zhuǎn)彎輸送機站、綜合機械加工站、 裝配站、工件碼堆站。 本課題將設(shè)計一個三軸龍門機械手，需完成 X、Y、Z三維空間內(nèi)的移動要求，以

24、 及對工件的安全抓緊和釋放，將倉庫出庫的工件搬運到生產(chǎn)線的輸送帶上。 3.1設(shè)計參數(shù) 機械手即為三軸。確定為X軸、丫軸、Z軸。X軸為水平方向有效行程為800mm， 丫軸為水平面上垂直于X軸的方向有單效行程為1000mm，Z軸為豎直方向垂直于XY 軸，有效行程為240mm。 工件形狀： 50x 50m的鋁制圓柱體；或 50x 50m的塑料圓柱體。 定位精度：mm ; 運動速度：＞2m/min; 工作要求：X、丫軸引動器用于機械手在水平方向上的精確定位， Z軸引動器則完 成對工件提起或放下操作，機械手爪則完成對工件抓緊或釋放操作。 3.2方案設(shè)計 本次設(shè)計的三軸龍門機械手總體方案結(jié)構(gòu)圖如下所示：該機械手采用直角坐標(biāo)系， X軸采用齒輪齒條傳動方式，丫軸采用同步帶傳動方式，Z軸采用滾珠絲杠副傳動?，F(xiàn) 將各軸的驅(qū)動方案詳細說明如下： 321 X軸方案設(shè)計 需要完整圖紙及論文，請聯(lián)系 QQ545675353,另接定做畢業(yè)設(shè)計 11