工业机器人设计论文Word下载.docx
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2.2.1机械手的基本要求6
2.3手部力的计算7
2.3.1夹紧力的计算7
2.3.2手爪驱动气缸的设计8
2.3.3手部误差的分析10
3机械手臂的设计12
3.1机械小臂设计12
3.1.1小臂驱动力的计算12
3.1.2小臂驱动气缸的设计13
3.1.3气缸筒壁厚§
的计算14
3.1.4气缸的选用14
3.1.5校核活塞的稳定性14
3.1.6小臂刚度校核15
3.1.7端盖的连接方式及强度计算15
3.2大臂的结构设计16
3.2.1大臂的结构和要求16
3.2.2驱动力的计算17
3.2.3大臂驱动气缸的设计17
3.2.4气缸的选择18
3.2.5校核活塞的稳定性18
3.2.6大臂刚度校核18
4驱动系统设计20
4.1轴承的设计20
4.1.1轴承的选择20
4.1.2轴承的计算：
20
4.1.3轴承的寿命校核：
21
4.2电机的基本情况和选择22
4.2.1电机的选则与计算22
4.2.2注意事项23
4.2.3工作原理23
4.2.4步进电机的特点24
4.3谐波减速器24
4.3.1谐波减速器的简介24
4.3.2谐波减速器的设计25
4.4腰座的结构26
5总结27
致谢28
参考文献29
附录30
1绪论
1.1本课题研究的内容和意义
机械工业是国民的基本部分。
工业机械手的设计是一项综合设计与机械制造，机电工程等专业联系一起。
通过这次设计提高学生的机构分析能力，机电一体化机械结构设计的设计能力提升。
來学习一些生产时的设计方法。
工业机械手是近十年来发展起來的，一种高科技自动生产。
这体现了人类智能和适应性，机械手能在各个环境下完成作业能力，在国民经济发展中起着重要的作用，具有很广阔的前景。
近20年來，气动技术的运用领域迅速拓宽，尤其在各个生产线上的应用。
可编程控制和气动驱动相结合，使整个自动化系统更高级。
控制更加的灵敏，性能更佳的可靠。
工业机械手设计是机械设计，机电一体化，机械制造等我们学习的专业中一个重要的环节，是学完有关专业课和教学基础课程的一次专业的综合设计。
学生的机械结构设计和分析综合能力都得到了有效的提高。
通过这次学习得到了掌握生场自动化的设计技能。
经过这次设计，可以把有联系的课程（气动技术，机械设计，机械原理，测试技术，危机计算机原理等）中我们所知道的理论性知识加以运用，从而得到巩固和发展，让理论和实际得到了更好的结合。
所以说机械手设计是一门比较综合的设计。
经过这次设计，培养了学生独立分析机械设计的能力，树立了正确的设计思想和思维,掌握了机电一体化一些机电产品的步骤和基本设计方法，这样为今后自动化的设计打下了良好的基础。
通过本次的机械手的设计，让学生熟练的去掌握和运用一些相关的知识，比如参考资料还有范文章结构。
是学生具有一个设计人员应该具有的基本设计技能⑴。
现在对于国内的情况，机械手大部分的使用在各个领域。
比如：
在冷加工工业里还有在机床的加工上。
当然我们在生产过程中会有很多的困难。
比如说：
形式复杂和环境温度过于高这些都影响着生产。
但我们可以提供这方面的技术解决困难，让机械手更好的工作为了更好的得机械手的能力，我们要提高它的性能和速度。
在其它行业和工业部门，也随着工业技术水平的不断提高，而逐步扩大机械手的使用。
现在对于国外在行业中运用机械手有很多。
美国首先把机械手运用于搬运一些对人体具有伤害的放射性物质。
国外实质上是使用的是定位控制机械手，他没有视觉上和触觉上的反馈。
世界各地正在积极地研究视觉和触觉上有反馈的机械手，让他能够准确的來定位工件的位置和准确的夹持工件。
为了判断机械手抓取的是否是工件，她有视觉传感器输入三个方向的视觉的信息，因此，在计算机图形分析，以确定是否抓取工件。
目前主要运用在机床，压力机的下料和横断压力机的下料，以及喷漆和点焊等作业。
在国外发展机械手的趋势是加大力度研制具有某种智能能力的机械手。
让其具有一定的传感的能力，对于外界的变化能够反馈，并相应的做出反应和变更。
如果有一个位置稍有偏差，即是能够自我纠正，但也可以检测，强调视觉功能和触觉功能的研究。
己经取得了一些成果。
世界高端工业机器人，高精密，高速，多轴，轻量级的趋势。
符合要求的微米和亚微米级的定位精
度，它的运行速度可达到3M/S的新产品，以实现六轴负载2KG生产系统量己超过总重量为lOOKGo更重要的是，机器人手的柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从根本上改变当前系统的手动操作的机械制造状态。
同时，随着机器人和小型化再小型化，其应用将超过传统的机械领域，向电子，生物，生命及科学，航空和航天等高端产业方向上发展。
1.3工业机械手设计内容
机电一体化技术是集合机械工程、传感技术、信息处理技术等形成的一种综合的技术。
尽管机电一体化的产品种类比较多，但由于他们形式和复杂程度还有功能的不同，做工的机械本体部分是最基本的，必不可少的因素。
工业机械手的设计在内容和知识还有深度上都是适中的。
我们所要设计的是拟定整体的方案，驱动装置和传动装置的方案。
根据自由度选择和合适的参数选择合适的手部和腕部还有臂和机身的结构。
完成各部分的计算。
工业机械手工作装配图的设计与绘制。
气压系统的设计。
机械手的运动分析。
最后写上说明书。
1.4机械手设计的作用
机械手的广泛运用可以归纳为以下几方面：
1）建造轴类、盘类、环类的自动线。
一般釆用的都是机械手在传送带之间或机床之间传送工件。
深井泵厂自动生产线在沈阳和大连轴承4轴和5轴加工自动马达线轴等，己成为国内汽车生产线。
2）在实现单机自动化方面。
各种的半自动化机床都有夹紧、进刀、切削、退刀和松开等反面的功能。
不过还需要人去上下料。
如果实现自动化只需要一个人去看管机器。
现在机械手在这方面运用的有很多。
一些国产机在出厂时附带机械手，安装机器人的用户提供了条件。
3）国内大规模生产3T,5T,10T锻造锤，转一转炉下部，两个机器人放置在炉子前有一定的角度，从而使材料的自动化。
总的來说：
对环境的适应性强，能代替危险的事物和对人有害的操作，长时间工作对人有害的场所，对于机械手是没有影响的。
只要合理的设计，合理的选材就可以在高温、有害气体、放射性物质、灭火等环境中都能自如的工作。
机械手的持久度和耐劳性能强，可以把人们从单调的劳动中解救出來。
其至扩大了人的功能，他进行适当的维修、检修即能实现长时间的单调重复的工作，有与机械手工作精确度高，可以避免认为的操作错误。
机械手灵活性好，能适应产品的变化。
因为机械手的运动程序和运动位置能够十分灵活的改变。
因为他的自由度，乂能提供迅速改变作业内容。
在小批量生产中，起着重要的作用。
釆用机械手能明显提高劳动生产效率和生产成本。
1.5工业机械手的分类和组成
按规格分类：
微型的一一重量在1kg以下；
小型的一一重量在10kg以下；
中型的重量在50kg以下；
大型的重量在200kg以下。
按功能分类：
（1）简易型工业机械手。
有两个固定的程序，近年來普遍采用可编程控制器组成控制系统。
这种机械手气动的和液动的为主，因为这个结构简单而且价格便宜。
运用于一些简单的单机搬运工作己经足够了，所以这种的工业机械手数量很多。
（2）记忆再现性工业机械手。
这种机械手的移动设备通过人工领了一遍，然后记录原始的程序存储器，所以机器人可以重复上述动作。
（3）智能机械手。
是由传感器控制的，具有视觉，还有触觉，还有行走功能和热觉。
按用途分类：
专用机械手和通用机械手。
独立的控制系统，专用机械手，这种机械手的动作固定的对象变量，可靠，适用于大批量生产和大批量生产。
通用机械手的工作范围大、通用性强。
适用于中和小批量生产［习。
工业机械手是由执行机构、驱动机构和动力机构组成。
如图1.1
图1.1机械手传动机构
执行机构它主要有夹持器、臂部、腰座和行走机构等运动机构构成。
传力机构有很多的形式，比如有：
滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜锲杠杆式、丝杠螺母式、弹赞式和重力式。
传动机构主要组成部分手臂可以有3个自由度，可以釆用的是圆柱型坐标系、直角坐标系。
球坐标系和多关节四种坐标系，这四种方式。
圆柱型坐标占的空间比较小，工作范围也小但是他惯性大并且不能抓物体的底面。
直角坐标工作范围下而且占的空间大，最关键是自由度少。
球坐标和多关节式占有的空间小、惯性小吗、动力小、工作范围也小还能抓一个底面的物体，唯一的缺点就是多关节机械手结构过于复杂，一般很少用到。
驱动机构有气动、液动、电动和机动这四种方式。
液动输出高，臂力可以达到1000N以上，能够实现连环的控制，是工业机械手的用途更加的广泛。
气动式不仅速度快、结构简单而且成本低。
有较高的定位精度但是臂力在300N以下。
所以不同的场合适合用不同的驱动方式。
控制系统有连续型控制和点控制两种方式。
大多数的点位控制都用的是插销板和可编程控制器和计算机来控制。
用磁盘磁带等来记录程序。
主要控制其坐标的位置，并注意其加速度的特性。
这边将设计圆柱型机械手，圆柱型机械手结构简单容易上手。
圆柱形机械手简图1.2
1——手爪2——气缸13——气缸24一一气缸35——谐波减速器6——步进电机
图1.2圆柱型机械手简
这设计为具有一个指导原则。
毕业设计的原则是：
使命陈述为根本设计目标要求的具体设计要求，充分考虑机器人的工作环境和过程的具体要求。
符合技术要求的基础上，尽可能多地具有结构简单，尽可能使用标准化，模块化的通用元件配件，以降低成本，同时提高了可靠性。
本着科学，经济和满足生产要求的设计原则，还要考虑设计毕业设计的特点，在大学所学到的知识，如机械设计，机械原理，气动，电气传动与控制，，电子技术,自动控制，机械系统仿真尽可能的设计的综合运用知识，设计对巩固和加强，考虑到个人能力水平和大学水平的知识客观现实的时候，充分发挥个人的积极性，朴实的，现实做设计卩】。
2手部的设计
2.1机械手设计参数和运动方案
2.1.1运动方案
机器人为了工作有一执行机构被称之为手爪。
手不直接用于装夹工件的手结构是多样的，有不同的材料属性，以及不同的表面条件。
方案设计图2.1
图2.1机械设计方案
方案一：
采用较大的回转半径，在相同转速的条件下，由于回转的角度较小，故所需的时间较短；
但他也有它自身的缺点，他回转臂较长。
这样回转轴做回转运动时的转动惯量和偏重力矩比较大；
可以考虑使用配重块來调整，但会影响整体的设计结构，并且增加整机的重量。
方案二：
采用较小的回转半径，可以减少其关节回转轴的转动惯量和偏重力矩。
在相同转速的条件下，由于回转的角度较大，故所需的时间较长，但可以考虑适当提高转速來满足要求。
综上两种方案，决定采用方案二。
设计时的主要参数主要参数：
（1）抓取重量200No
（2）的最大工作范围：
根据所选择的形式的运动，按最大的自由度來决定。
（3）运动速度：
根据设计过程中实际情况进行确定。
（4）定位精度：
釆用机械挡块定位机构，定位精度±
3mm。
（1）驱动系统
（2）腰座回转运动上的旋转运动由步进电机驱动器，具有更好的控制性，还有定位精确，小体积等特点。
（3）剩余的移动考虑气动驱动器，具有结构简单，使用方便，成本低能量
（4）位置检测装置
（5）行程检测装置使用行程开关，机械挡块，它是通常使用的运动少低速专用机械手
和较高的使用寿命，成本相对于便宜等。
（6）腰座的角位移一般采用位置传感起來检测。
结构布置上的要求：
臂部要防止偏重；
加强臂部刚度；
改进缓冲装置和提高配合精度。
设计方法：
在整体设计完成的主要参数是确定的，设计中的整体结构的机器人。
在设计过程中进行检查的每个部分上的部件的质量，密度，体积，重心，转动惯量和惯性主轴计算机辅助设计计算，可以很好的减少在设计过程中繁琐的计算和检查程序。
根据机械手部分的相互关系，釆用从：
末端执行器〜小臂〜大臂〜机座的顺序进行设计［戮
2.2手部设计的结构和计算
2.2.1机械手的基本要求
（1）要有夹紧力和驱动力，手部力量要适当，过小就夹持不住，松动、脱落。
那么结构庞大，不经济，耗能大。
（2）手指要有足够的角度开闭，一边抓取和退出工件。
（3）要有准确的夹持精度，有准确的相对位置
（4）要结构紧凑，重量轻，效率高。
（5）还要考虑到适应环境的特殊性。
比如说在高温环境下、冲击力比较大的环境、腐蚀性比较轻的环境下。
这次设计的是：
釆用滑槽杠杆式，双支点夹持物体，运用力矩原则把手闭合，持体。
基本结构的分析卩］
本次采用的是滑槽杆手爪图2.2
工件
图2.2滑槽手爪
。
表示支点到对称中心的距离单位为nmiob表示支点到工件中心的距离单位为mm。
Q表示手爪夹紧时滑槽方向与两支点间的夹角。
c表示销中心的位置到支点中心距离。
在杠杆3向下的力的作用，销轴会有一个向上拉力为尸,则滑槽对销轴有方作用力。
由YF=O得
Fi=Fi（2.1）
由Fy=O得
Fi=尸（2.2）
2cosa
〜力矩等于零得工M=0
Fic=F.\b（2.3）
c=——（2.4）
COSQ
将（2.4）式F=2h（2.5）
acos-a
式中的a表示支点到对称中心的距离单位为nmicb表示支点到工件中心的距离单位为nmio
a表示手爪夹紧时滑槽方向与两支点间的夹角。
分析表明，当驱动力F是常数，角度的增大，握力也增加，但角度太一般的原因的杆的行程太大，增加手的结构的，所以最好Q二30。
〜40°
2.3手部力的计算
2.3.1夹紧力的计算
增加手指夹紧力工件手主要的设计基础。
大小，方向和作用点，必须加以分析和计算。
一般的状况下，需要克服静载荷和运动产生的工件的负荷状态下工件原料的重力而所产生的惯性力，这样工件保持一个稳定的夹紧的状态⑹。
工件被手指夹紧的夹紧力可按下式计算：
Fn>
K.K.K.G（2.6）
式中0——安全系数，一般取1・2~2.0；
K2一一动载系数，主要考虑惯性力的影响。
（2.7）
K,=l+-
其中a是重力方向上升时所产生的最大加速度；
g是重力方向向下加速度一般取
9.3m/s或1m/s
v
'
mnx
（2.8）
一一运载时上升的最大速度；
/论系统所要达到最高速度时所需的时间，一般选取0.03〜0.5s；
K3一一方位系数，它是依照手指和工件位置不同來进行选择；
查《机械工程手册》，K严0.9〜1.1,取心二1；
G——被抓取的工件所受到的重力（N）oG=200N.
手爪的各个尺寸a=50mmb=\50mm&
=30°
机械手所能达到最高的响应时间
是0.5s,求夹紧力兔和驱动力尸和驱动气缸的尺寸。
（1）设0=1.5=100nun/st==0.5s工件在重力方向移动速度为O.lnmi
将数据代入式（2-7）中得动载荷系数
根据（2・6）公式，将己知条件^=1.5^2=1.02^3=1
FN=1.5X1.02X1X200=306.3N；
所以得到夹紧力为306.3N-
查《机械工程手册》表56・2-4⑴的连杆传动的和部分结构，根据前面所示的机械手结构，并对照表56.2-4,选取
（2.9）
p_2bsm^smtz1aSin（a+©
）Nr]
f]—连杆传动机构的效率・
（p---杠杆的倾斜角.
根据驱动力公式；
取〃=0.85,取0=90"
而b=150,°
=50,a=30°
则得如下驱动力。
2bsill（psillcc_1
P=—（__■-~~-Fn—
asm（cr+cp）〃
2x150sm90°
sm3O°
1
50sin（30°
+90°
）0.85
"
247.08N
根据计算得手爪的驱动力为P=1247.087V.
2.3.2手爪驱动气缸的设计
气缸是由缸筒、端盖、活塞、活塞杆和密封件等组成
（1）缸筒的内径的大小表示了气缸的输出力的大小。
活塞在静止缸上应该做的往复运动滑动，内筒的表面粗糙度应可以实现RaO.Sumo
（2）端盖上进气和排气和进气系统，气口上方，一些设备仍然在盖上还具有缓冲机构。
杆侧的端盖具有从活塞向外，以防止泄漏，并防止外部的灰尘混合罐的密封和防尘密封。
杆侧的端盖上面还设制有导向套，以方便提高气缸的导向的精度，另一方面也承受了少量的横向负载，并且减小了活塞杆其伸出时侯的下弯曲量，这样就大大的延长气缸的使用寿命。
为减轻导向套的重量并防止生锈，通常使用的是铝合金压铸。
（3）活塞它在汽缸里面是一受到压力作用的零件。
设计活塞密封圈是为了防止活塞左边和右边发生串气。
活塞环的磨损有明显的效果，减少活塞密封圈的磨损，提高指导，减少摩擦。
耐磨环长使用聚氨酯、聚四氟乙烯、夹布合成树脂等材料。
密封圈尺寸是决定活塞宽度的必要因素。
如果说滑动部分过于短小，容易引起早期的卡死和磨损。
常用铝合金和铸铁来制造活塞。
（4）活塞杆则是气缸中最重要的受力零件了。
在正常情况下，它是利用高碳钢，硬锯电镀表面，提高了耐磨损性，其密封⑺。
（5）静止不动的部分的密封即使静密封，相反來回转动或者反复來回运动的部件的密封也就是所谓的动密封。
单个动作就是一端只有一个活塞杆，只从一个方向的一端的气体进行输出，输出功率大，靠弹赞复位双作用是指由的活塞两侧进行交替的供气，由两个方向输出力。
冲击气缸：
是一种新型元件。
它能够把压缩气体的压力转换成活塞前后运动的动能，因此完成作功效果。
冲击气缸其中增加带有了喷口以及泄流口的中盖。
中盖把气缸分成三个部分，分别是储气腔、头腔和尾腔这三部分。
它应用广泛，主要的运用于冲孔、下料和成型等多样性的工作。
摆动气缸从叶片来回摆动，将被分离成两个腔的两腔交替地供应，从而使输出轴
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