工业机器人结构设计含全套CAD图纸和WORD说明书.docx

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工业机器人结构设计含全套CAD图纸和WORD说明书

工业机器人结构设计

00

（陕理工机械工程学院机自专业000班，陕西汉中723003）

指导教师：

000

[摘要]本文简要介绍了工业机器人的概念，机器手硬件和软件的组成，即plc控制的机械手的系统工作原理，机械手各个部件的整体尺寸设计，plc控制的特点。

本文对机械手进行总体方案设计，确定了机械手的坐标形式和自由度，确定了机械手的技术参数。

同时设计了机械手的夹持式手部结构，设计了机械手的手腕结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩。

设计了机械手的手臂结构。

利用可编程序控制器对机械手进行控制，选取了合适的plc型号，根据机械手的工作流程制订了可编程序控制器的控制方案，画出了机械手的工作时序图，并绘制了可编程序控制器的控制程序。

[关键词]工业机器人机械手

TheIndustrialrobotdesign

000

（Grade00,Class00,MajorMechanicalDesign,ManufacturingandAutomation，415Dept.，ShaanxiUniversityofTechnology，Hanzhong723003，Shaanxi）

Tutor：

000

AbstractThispaperintroducestheconceptofthecompositionofindustrialrobots,robothardwareandsoftware,systemworkingprinciplethatplcmanipulatorcontrol,theoverallsizeofthevariouscomponentsoftherobotdesign,plccontrolcharacteristics.Inthispaper,therobotoverallprogramdesign,todeterminethecoordinatesoftherobotformsanddegreesoffreedomtodeterminethetechnicalparametersoftherobot.Whilethedesignofthehandgrippingstructureoftherobottype,thedesignofthestructureoftherobotwrist,thewristrequiredtocalculatetherotationofthedrivingtorqueanddrivingtorqueoftherotarycylinder.Designedarobotarmstructure.Theprogrammablelogiccontrollerforrobotcontrol,selecttheappropriateplcmodel,accordingtotheworkflowrobotcontrolschemedevelopedprogrammablecontroller,drawatimingdiagramoftherobot'sworkanddrawaprogrammablecontroldevicecontrolprogram.

KeywordIndustrialrobotmanipulator

1引言

1.1选题的目的及研究意义

在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。

化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。

但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。

专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。

但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。

机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。

“工业机器人”：

多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机器人或通用机器人）。

机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。

机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。

目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。

而少自由度工业机械人中大多数为机械手，而机械手机器人主要由手部和运动机构组成。

手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。

运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。

运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。

为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。

自由度是机械手设计的关键参数。

自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。

一般专用机械手有2～3个自由度。

　　机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。

1.2综述与本课题相关领域的研究现状、发展趋势、研究方法及应用领域等

机器人工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科。

它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国科技界跟踪国际高科技发展的重要方面。

工业机器人的研究、制造和应用水平，是一个国家科技水平和经济实力的象征，正受到许多国家的广泛重视。

目前，工业机器人的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。

最近联合国国际标准化组织采纳了美国机器人协会给工业机器人下的定义：

工业机器人是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件。

据国际机器人联盟（IFR）2006年5月发布的“2006世界机器人调查”显示，2005年世界新安装工业机器人121000台，比2004年的97000台增长25%。

这是继2003年工业机器人安装数量重回增长态势后的重大突破，2005年也成为近15年来世界工业机器人新安装台数最多的年份，比上一个峰值――2000年的99000台增长22000台。

据国际机器人联盟统计局预测，截至2005年底，全世界在运行中的工业机器人共有914000台，比2004年增加8%。

其中，有50%来源于亚洲地区；欧洲和美洲分别占1/3和16%；而澳大利亚和非洲地区大概占1%的比例。

就2005年几大应用领域的工业机器人类型来看，机械手的产量遥遥领先于其他类型的工业机器人，约达到43500台。

其中，亚洲地区机械手的产量比2004年增加了27%；美洲地区机械手的产量幅度更是高达53%；虽然欧洲地区2005年机械手的产量比上年略有下降，但其产量仍接近14000台。

接下来依次是：

点焊接机器人、弧焊机器人、装配机器人和分配机器人，其产量分别约为20500台、17500台、13000台和4500台。

20世纪50年代末，美国在机械手和操作机的基础上，采用伺服机构和自动控制等技术，研制出有通用性的独立的工业用自动操作装置，并将其称为工业机器人；60年代初，美国研制成功两种工业机器人，并很快地在工业生产中得到应用；1969年，美国通用汽车公司用21台工业机器人组成了焊接轿车车身的自动生产线。

此后，各工业发达国家都很重视研制和应用工业机器人。

我国工业机器人起步于70年代初期，经过20多年的发展，大致经历了3个阶段：

70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。

 我国工业机器人经过20多年的发展已经初具规模。

目前我国已生产出部分机器人关键元器件，开发出弧焊、点焊、码垛、装配、搬运、注塑、冲压、喷漆等工业机器人。

一批国产工业机器人已服务于国内诸多企业的生产线上；一批机器人技术的研究人才也涌现出来。

一些相关科研机构和企业已掌握了工业机器人操作机的优化设计制造技术；工业机器人控制、驱动系统的硬件设计技术；机器人软件的设计和编程技术；运动学和轨迹规划技术；弧焊、点焊及大型机器人自动生产线与周边配套设备的开发和制备技术“乘机安全小贴士”安全出行要重视等。

某些关键技术已达到或接近世界水平。

虽然中国的工业机器人产业在不断的进步中，但和国际同行相比，差距依旧明显。

从市场占有率来说，更无法相提并论。

工业机器人很多核心技术，目前我们尚未掌握，这是影响我国机器人产业发展的一个重要瓶颈。

在发达国家中，工业机器人自动化生产线成套设备已成为自动化装备的主流及未来的发展方向。

国外汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业已经大量使用工业机器人自动化生产线，以保证产品质量，提高生产效率，同时避免了大量的工伤事故。

全球诸多国家近半个世纪的工业机器人的使用实践表明，工业机器人的普及是实现自动化生产，提高社会生产效率，推动企业和社会生产力发展的有效手段。

机器人技术是具有前瞻性、战略性的高技术领域。

国际电气电子工程师协会IEEE的科学家在对未来科技发展方向进行预测中提出了4个重点发展方向，机器人技术就是其中之一。

 一个国家要引入高技术并将其转移为产业技术（产业化）必须具备5个要素即5M:

Machine/Materials/Manpower/Management/Market。

广泛使用机器人是实现工业自动化，提高社会生产效率的一种十分重要的途径。

我国正在努力发展工业机器人产业，引进国外技术和设备，培养人才，打开市场。

1.3对本课题将要解决的主要问题及解决问题的思路与方法、拟采用的研究方法（技术路线）或设计（实验）方案进行说明，论文要写出相应的写作提纲

在本次设计中，拟应用到的文献涉及机械原理机械设计类，机械绘图类，机械工程控制类，机械工程材料和力学以及工业机器人或工业机器人手臂相关的资料，在设计过程中这些材料可以首先帮我们从整体上了解与机器人手臂相关的技术以及现在国内外的发展趋势；其次，利用这些资料，可以在设计过程中进行合理的结构分析和设计方案的初步制定；最后，机器人手臂设计过程中的所需材料的选择，设计与校核计算，运动过程的控制以及其他的注意事项，都可以在相关文献资料中得到一些指导与帮助。

机器人本体由机座、腰部、大臂、小臂、手腕、末端执行器和驱动装置组成。

共有六个自由度，依次为腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕回转、手腕俯仰、手腕侧摆。

 机器人采用电动机驱动。

这种驱动方式具有结构简单、易于控制、使用维修方便、不污染环境等优点，这也是现代机器人应用最多的驱动方式。

为实现机器人灵活自由地移动，驱动系统使用了蓄电池供电。

电动机可以选择步进电机或直流伺服电机。

使用直流伺服电机能构成闭环控制，精度高，额定转速高，但价格较高，而步进电机驱动具有成本低，控制系统简单的优点。

确定这种机器人的6个关节都采用步进电驱动，开环控制。

各部件组成和功能描述如下：

（1） 底座部件：

 底座部件包括底座、回转部件、传动部件和步进电机等。

底座部件固定在自动引导车（AGV）上，支持整个操作机，步进电机固定在底座上，一级同步带传动将运动传递到腰部回转轴，同时起到减速作用。

（2）腰部回转部件：

腰部回转部件包括腰部支架、回转轴、支架、谐波减速器和步进电机、制动器等。

作用是支承大臂部件，并完成腰部回转运动。

在腰部支上固定着驱动大臂俯仰和小臂俯仰的电机。

（3） 大臂部件：

包括大臂和传动部件。

（4） 小臂部件：

包括小臂、减速齿轮箱、传动部件、传动轴等，在小臂前端（靠近大臂的一端）固定驱动手腕三个运动的步进