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無(wú)錫太湖學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 論 文 ） 題目： 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì) 機(jī) 電 系 機(jī) 械 工 程 及 自 動(dòng) 化 專 業(yè) 學(xué) 號(hào)： 0923195 學(xué)生姓名： 白文杰 指導(dǎo)教師： 黃敏 （職稱：副教授 ） 2012 年 5 月 25 日 無(wú)錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 誠(chéng) 信 承 諾 書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì) 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文）不包含任何其他個(gè)人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。 班 級(jí)： 機(jī)械 94 學(xué) 號(hào)： 0923195 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 無(wú) 錫 太 湖 學(xué) 院 機(jī) 械 系 機(jī) 電 一 體 化 專 業(yè) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 任 務(wù) 書 一、題目及專題： 1、題目 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì) 2、專題 二、課題來(lái)源及選題依據(jù) 工業(yè)機(jī)器人對(duì)于人類來(lái)說(shuō)是當(dāng)今世界最為突出的發(fā)明之一，人類對(duì)機(jī)器 人深入的進(jìn)行研究。在上個(gè)世紀(jì)的 70 年代以后，計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、 傳感技術(shù)和人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的研究也進(jìn)入了高速發(fā)展 的階段，成為綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、 仿生學(xué)等多門學(xué)科而形成的高新技術(shù)。其本質(zhì)是感知、決策、行動(dòng)和交互四 大技術(shù)的綜合，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的一項(xiàng)技術(shù)。機(jī)器人應(yīng) 用水平是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。 本課程通過(guò)對(duì)工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)，幫助自身加深對(duì)的理解和提高對(duì)其專業(yè) 知識(shí)機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、材料力學(xué)機(jī)器人、傳動(dòng)、實(shí)體建模、有限元分析 等方面的相關(guān)內(nèi)容的運(yùn)用能力。 3、本設(shè)計(jì)（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求： ①了解工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)原理，國(guó)內(nèi)外的研究發(fā)展現(xiàn)狀； ② 完成工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)的總體方案設(shè)計(jì)； I ③完成有關(guān)零部件的選型計(jì)算、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核及氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)； ④熟練掌握有關(guān)計(jì)算機(jī)繪圖軟件，并繪制裝配圖和零件圖紙，折合 A0 不少 于 2.5 張； ⑤完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書的撰寫，并翻譯外文資料 1 篇 。 四、接受任務(wù)學(xué)生： 機(jī)械 94 班 姓名 白文杰 五、開始及完成日期： 自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)（或顧問(wèn)）： 指導(dǎo)教師 簽名 簽名 簽名 教 研 室 主 任 〔學(xué)科組組長(zhǎng)研究所所長(zhǎng)〕 簽名 系主任 簽名 2013 年 11 月 12 日 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì) II 摘 要 在生產(chǎn)過(guò)程工業(yè)機(jī)械手是模擬人手動(dòng)作的機(jī)械設(shè)備，它可以替代人工搬運(yùn)重物或單 調(diào)，在高粉塵，高溫，有毒，易燃，放射性和其他相對(duì)較差的工作環(huán)境。機(jī)器人可用于 在生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化抓住并移動(dòng)工件自動(dòng)化設(shè)備，它是在生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化和自動(dòng)化， 開發(fā)出一種新的類型的設(shè)備。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)，特別是計(jì)算機(jī)的廣泛使用機(jī)器人 的開發(fā)和生產(chǎn)的高科技領(lǐng)域已成為迅速發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新興技術(shù)，它更促進(jìn)機(jī)器人的發(fā) 展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手能夠代替人類完成 危險(xiǎn)、減輕人類勞動(dòng)強(qiáng)度、重復(fù)枯燥的工作，提高勞動(dòng)生產(chǎn)力。 本設(shè)計(jì)是關(guān)于三自由度的圓柱形機(jī)械手。利用 Auto CAD 軟件對(duì)制件進(jìn)行設(shè)計(jì)繪圖。 其包括夾持器、小臂、大臂和底座。明確合理的設(shè)計(jì)思路，確定了機(jī)械手工作原理并對(duì) 然夾持器、氣缸、步進(jìn)電機(jī)、軸承進(jìn)行了校核計(jì)算并附帶了簡(jiǎn)圖并對(duì)零件的質(zhì)量、重心、 慣性主軸和慣性力矩進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)計(jì)算，可以大大減輕在設(shè)計(jì)過(guò)程中繁瑣計(jì)算及校核步 驟。 關(guān)鍵字：機(jī)械手，氣缸，校核。 III Abstract Industrial manipulator is the mechanical equipment which is used in the production process and simulate to the behave of hands with electrical integration. It can carry heavy objects and work in the harsh environment which is high temperature, poisonous ,full of dust, flammable and combustible monotonous and full of radioactive substance instead of people. Manipulator is a automatic device which is used in the automatic production process and it can carry and move things. It is a new device which is developed in the mechanization and automatic production process. In recent years , with the widely used of electronic technique especially the electronic computer. The research and production of robot has became a new technology which is developing rapidly in the high-tech industry . It promotes the development of manipulator. It makes the combination of the manipulator with mechanization and automation become easier . Manipulator can complete the dangerous and boring work instead of people. It can reduce labour intensity of people and raise the labour productivity . This design is a cylindrical manipulator which is related to delta degrees of freedom. It designs and draws the picture with Auto cad software ,it includes holder, a small arm, the big arm and the base. The clear and reasonable thinking determines the working principle of the manipulator . This also checks and calculates the holder, cylinder, stepper motor and bearing. Apart from this , it contains some pictures and design and measure the quality , barycentre principal axis of inertia and force of parts. It can greatly reduce the complicated calculation and check in the design process. Keywords: robot, cylinder, checking IV 目錄 摘 要 .....................................................................III ABSTRACT ...................................................................IV 目錄 ........................................................................V 1 緒論 ......................................................................1 1.1 本課題研究的內(nèi)容和意義 .................................................1 1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況 .........................................................1 1.3 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)內(nèi)容 .....................................................2 1.4 機(jī)械手設(shè)計(jì)的作用 .......................................................2 1.5 工業(yè)機(jī)械手的分類和組成 .................................................2 2 手部的設(shè)計(jì) ................................................................5 2.1 機(jī)械手設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)方案 ...............................................5 2.1.1 運(yùn)動(dòng)方案 ............................................................5 2.1.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和位置檢測(cè)裝置的選擇： ......................................5 2.2 手部設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和計(jì)算 ...................................................6 2.2.1 機(jī)械手的基本要求 ....................................................6 2.3 手部力的計(jì)算 ...........................................................7 2.3.1 夾緊力的計(jì)算 ........................................................7 2.3.2 手爪驅(qū)動(dòng)氣缸的設(shè)計(jì) ..................................................8 2.3.3 手部誤差的分析 .....................................................10 3 機(jī)械手臂的設(shè)計(jì) ...........................................................12 3.1 機(jī)械小臂設(shè)計(jì) ..........................................................12 3.1.1 小臂驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 ...................................................12 3.1.2 小臂驅(qū)動(dòng)氣缸的設(shè)計(jì) .................................................13 3.1.3 氣缸筒壁厚 的計(jì)算 .................................................14? 3.1.4 氣缸的選用 ........................................................14 3.1.5 校核活塞的穩(wěn)定性 ...................................................14 3.1.6 小臂剛度校核 .......................................................15 3.1.7 端蓋的連接方式及強(qiáng)度計(jì)算 ...........................................15 3.2 大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ........................................................17 3.2.1 大臂的結(jié)構(gòu)和要求 ...................................................17 V 3.2.2 驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 .......................................................17 3.2.3 大臂驅(qū)動(dòng)氣缸的設(shè)計(jì) .................................................17 3.2.4 氣缸的選擇 .........................................................18 3.2.5 校核活塞的穩(wěn)定性 ...................................................18 3.2.6 大臂剛度校核 .......................................................19 4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) .............................................................20 4.1 軸承的設(shè)計(jì) ............................................................20 4.1.1 軸承的選擇 .........................................................20 4.1.2 軸承的計(jì)算： .......................................................20 4.1.3 軸承的壽命校核： ...................................................21 4.2 電機(jī)的基本情況和選擇 ..................................................22 4.2.1 電機(jī)的選則與計(jì)算 ...................................................22 4.2.2 注意事項(xiàng) ...........................................................23 4.2.3 工作原理 ...........................................................24 4.2.4 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) .....................................................24 4.3 諧波減速器 ............................................................24 4.3.1 諧波減速器的簡(jiǎn)介 ...................................................24 4.3.2 諧波減速器的設(shè)計(jì) ...................................................25 4.4 腰座的結(jié)構(gòu) ............................................................26 5 總 結(jié) ..................................................................28 致 謝 ....................................................................29 參考文獻(xiàn) ...................................................................30 附 錄 .....................................................................31 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì) 6 1 緒論 1.1 本課題研究的內(nèi)容和意義 機(jī)械工業(yè)是國(guó)民的基本部分。工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合設(shè)計(jì)與機(jī)械制造，機(jī)電 工程等專業(yè)聯(lián)系一起。通過(guò)這次設(shè)計(jì)提高學(xué)生的機(jī)構(gòu)分析能力，機(jī)電一體化機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)的設(shè)計(jì)能力提升。來(lái)學(xué)習(xí)一些生產(chǎn)時(shí)的設(shè)計(jì)方法。 工業(yè)機(jī)械手是近十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的，一種高科技自動(dòng)生產(chǎn)。這體現(xiàn)了人類智能和適 應(yīng)性，機(jī)械手能在各個(gè)環(huán)境下完成作業(yè)能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著重要的作用，具有 很廣闊的前景。近 20 年來(lái)，氣動(dòng)技術(shù)的運(yùn)用領(lǐng)域迅速拓寬，尤其在各個(gè)生產(chǎn)線上的應(yīng)用。 可編程控制和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合，使整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)更高級(jí)。控制更加的靈敏，性能更佳 的可靠。 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)，機(jī)電一體化，機(jī)械制造等我們學(xué)習(xí)的專業(yè)中一個(gè)重要 的環(huán)節(jié)，是學(xué)完有關(guān)專業(yè)課和教學(xué)基礎(chǔ)課程的一次專業(yè)的綜合設(shè)計(jì)。學(xué)生的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)和分析綜合能力都得到了有效的提高。通過(guò)這次學(xué)習(xí)得到了掌握生場(chǎng)自動(dòng)化的設(shè)計(jì)技 能。 經(jīng)過(guò)這次設(shè)計(jì)，可以把有聯(lián)系的課程（氣動(dòng)技術(shù)，機(jī)械設(shè)計(jì)，機(jī)械原理，測(cè)試技術(shù)， 危機(jī)計(jì)算機(jī)原理等）中我們所知道的理論性知識(shí)加以運(yùn)用，從而得到鞏固和發(fā)展，讓理 論和實(shí)際得到了更好的結(jié)合。所以說(shuō)機(jī)械手設(shè)計(jì)是一門比較綜合的設(shè)計(jì)。 經(jīng)過(guò)這次設(shè)計(jì)，培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立分析機(jī)械設(shè)計(jì)的能力，樹立了正確的設(shè)計(jì)思想和思 維，掌握了機(jī)電一體化一些機(jī)電產(chǎn)品的步驟和基本設(shè)計(jì)方法，這樣為今后自動(dòng)化的設(shè)計(jì) 打下了良好的基礎(chǔ)。 通過(guò)本次的機(jī)械手的設(shè)計(jì)，讓學(xué)生熟練的去掌握和運(yùn)用一些相關(guān)的知識(shí)，比如參考 資料還有范文章結(jié)構(gòu)。是學(xué)生具有一個(gè)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該具有的基本設(shè)計(jì)技能 [1]。 1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況 現(xiàn)在對(duì)于國(guó)內(nèi)的情況，機(jī)械手大部分的使用在各個(gè)領(lǐng)域。比如：在冷加工工業(yè)里還 有在機(jī)床的加工上。當(dāng)然我們?cè)谏a(chǎn)過(guò)程中會(huì)有很多的困難。比如說(shuō)：形式復(fù)雜和環(huán)境 溫度過(guò)于高這些都影響著生產(chǎn)。但我們可以提供這方面的技術(shù)解決困難，讓機(jī)械手更好 的工作為了更好的得機(jī)械手的能力，我們要提高它的性能和速度。在其它行業(yè)和工業(yè)部 門，也隨著工業(yè)技術(shù)水平的不斷提高，而逐步擴(kuò)大機(jī)械手的使用。 現(xiàn)在對(duì)于國(guó)外在行業(yè)中運(yùn)用機(jī)械手有很多。美國(guó)首先把機(jī)械手運(yùn)用于搬運(yùn)一些對(duì)人 體具有傷害的放射性物質(zhì)。國(guó)外實(shí)質(zhì)上是使用的是定位控制機(jī)械手，他沒有視覺上和觸 覺上的反饋。世界各地正在積極地研究視覺和觸覺上有反饋的機(jī)械手，讓他能夠準(zhǔn)確的 來(lái)定位工件的位置和準(zhǔn)確的夾持工件。為了判斷機(jī)械手抓取的是否是工件，她有視覺傳 感器輸入 三個(gè)方向的視覺的信息，因此，在計(jì)算機(jī)圖形分析，以確定是否抓取工件。目前主要運(yùn) 用在機(jī)床，壓力機(jī)的下料和橫斷壓力機(jī)的下料，以及噴漆和點(diǎn)焊等作業(yè)。在國(guó)外發(fā)展機(jī) 械手的趨勢(shì)是加大力度研制具有某種智能能力的機(jī)械手。讓其具有一定的傳感的能力， 7 對(duì)于外界的變化能夠反饋，并相應(yīng)的做出反應(yīng)和變更。如果有一個(gè)位置稍有偏差，即是 能夠自我糾正，但也可以檢測(cè)，強(qiáng)調(diào)視覺功能和觸覺功能的研究。已經(jīng)取得了一些成果。 世界高端工業(yè)機(jī)器人，高精密，高速，多軸，輕量級(jí)的趨勢(shì)。符合要求的微米和亞微米 級(jí)的定位精度，它的運(yùn)行速度可達(dá)到 3M/S 的新產(chǎn)品，以實(shí)現(xiàn)六軸負(fù)載 2KG 生產(chǎn)系統(tǒng)量 已超過(guò)總重量為 100KG。更重要的是，機(jī)器人手的柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合， 從根本上改變當(dāng)前系統(tǒng)的手動(dòng)操作的機(jī)械制造狀態(tài)。同時(shí)，隨著機(jī)器人和小型化再小型 化，其應(yīng)用將超過(guò)傳統(tǒng)的機(jī)械領(lǐng)域，向電子，生物，生命及科學(xué)，航空和航天等高端產(chǎn) 業(yè)方向上發(fā)展。 1.3 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)內(nèi)容 機(jī)電一體化技術(shù)是集合機(jī)械工程、傳感技術(shù)、信息處理技術(shù)等形成的一種綜合的技 術(shù)。盡管機(jī)電一體化的產(chǎn)品種類比較多，但由于他們形式和復(fù)雜程度還有功能的不同， 做工的機(jī)械本體部分是最基本的，必不可少的因素。工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)在內(nèi)容和知識(shí)還 有深度上都是適中的。 我們所要設(shè)計(jì)的是擬定整體的方案，驅(qū)動(dòng)裝置和傳動(dòng)裝置的方案。根據(jù)自由度選擇 和合適的參數(shù)選擇合適的手部和腕部還有臂和機(jī)身的結(jié)構(gòu)。完成各部分的計(jì)算。工業(yè)機(jī) 械手工作裝配圖的設(shè)計(jì)與繪制。氣壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)分析。最后寫上說(shuō)明書。 1.4 機(jī)械手設(shè)計(jì)的作用 機(jī)械手的廣泛運(yùn)用可以歸納為以下幾方面： 1）建造軸類、盤類、環(huán)類的自動(dòng)線。一般采用的都是機(jī)械手在傳送帶之間或機(jī)床之 間傳送工件。深井泵廠自動(dòng)生產(chǎn)線在沈陽(yáng)和大連軸承 4 軸和 5 軸加工自動(dòng)馬達(dá)線軸等， 已成為國(guó)內(nèi)汽車生產(chǎn)線。 2）在實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化方面。各種的半自動(dòng)化機(jī)床都有夾緊、進(jìn)刀、切削、退刀和松 開等反面的功能。不過(guò)還需要人去上下料。如果實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化只需要一個(gè)人去看管機(jī)器。 現(xiàn)在機(jī)械手在這方面運(yùn)用的有很多。一些國(guó)產(chǎn)機(jī)在出廠時(shí)附帶機(jī)械手，安裝機(jī)器人的用 戶提供了條件。 3）國(guó)內(nèi)大規(guī)模生產(chǎn) 3T，5T，10T 鍛造錘，轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)爐下部，兩個(gè)機(jī)器人放置在爐子前 有一定的角度，從而使材料的自動(dòng)化。 總的來(lái)說(shuō)：對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，能代替危險(xiǎn)的事物和對(duì)人有害的操作，長(zhǎng)時(shí)間工作 對(duì)人有害的場(chǎng)所，對(duì)于機(jī)械手是沒有影響的。只要合理的設(shè)計(jì)，合理的選材就可以在高 溫、有害氣體、放射性物質(zhì)、滅火等環(huán)境中都能自如的工作。 機(jī)械手的持久度和耐勞性能強(qiáng)，可以把人們從單調(diào)的勞動(dòng)中解救出來(lái)。甚至擴(kuò)大了 人的功能，他進(jìn)行適當(dāng)?shù)木S修、檢修即能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的單調(diào)重復(fù)的工作，有與機(jī)械手工 作精確度高，可以避免認(rèn)為的操作錯(cuò)誤。 機(jī)械手靈活性好，能適應(yīng)產(chǎn)品的變化。因?yàn)闄C(jī)械手的運(yùn)動(dòng)程序和運(yùn)動(dòng)位置能夠十分 靈活的改變。因?yàn)樗淖杂啥?，又能提供迅速改變作業(yè)內(nèi)容。在小批量生產(chǎn)中，起著重 要的作用。采用機(jī)械手能明顯提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本。