直角坐标机器人结构设计.docx
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直角坐标机器人结构设计
直角坐标机器人结构设计
摘要
随着现代工业的不断发展，不但使传统工业的生产发生了根本性的变化，而且也对人类社会的生产产生了重大的影响。
机器人作为现代工业生产的一种工具，不仅大大的提高了生产力，而且把人从各种生产环境中解放出来。
目前，许多国家的工业机器人技术得到很好的发展，我国也在进行深入的研究和开发。
本文主要是设计一个搬运工件的直角坐标机器人，它可以应用在自动化生产线上与人工相比具有速度快、定位精度准确的特点，具有很强的实用性能。
作为直角坐标机器人结构设计，本文用了第二、三、四章详细阐述了设计过程，第五章简要介绍了机器人的控制部分，第六对机器人进行了效果分析，并总结了直角坐标机器人的特点。
设计不拘泥于常规，使产品具有更广阔的发展空间，必将成为机器人的发展趋势。
CartesianRobotDesign
Abstract
Withthecontinuousdevelopmentofmodernindustryjiotonlytheproductionoftraditionalindustrieshasundergoneafundamentalchange,butalsotheproductionofhumansocietyhashadamajorimpact.Robotasatoolofmodernindustrialproduction,notonlygreatlyincreasetheproductivityandtheproductionenvironmentfromavarietyofliberation.Currently,manycountrieshaveverygoodindustrialrobottechnologydevelopment,Chinaisalsoin-depthresearchanddevelopment.PortersofthispaperistodesignapieceoftheCartesiancoordinaterobot,whichcanbeusedinautomatedproductionlinesandartificialcomparedtofast,accuratepositioningaccuracycharacteristics,withstrongpracticalperformance.Asthedesignoftheright-anglecoordinaterobot,thetextusesthesecondthethirdandtheforthchapterstosaytheprocessofthedesign.Thefivechapterbrieflydescribessomeoftherobotscontrol.ThesixthchapterscarriedouteffectivenessanalysisandsummarizesthecharacteristicsofaCartesiancoordinaterobot.Thedesignmakestheproductshavemuchmoredevelopment,whichmustbethecurrentofrobotsdevelopment.
Keywords：
StraightlineCartesiancoordinateStructure
摘要I
ABSTRACTII
一绪论o
1.1直角坐标机器人概念0
L2直角坐标机器人的应用及分类2
L3当前机器人技术的发展2
1.1.1机器人发展的概况2
1.1.2直角坐标机器人的发展情况5
L4设计基本步骤5
1.5本文研究的主要内容6
二直角坐标机器人的工作原理7
2.1实现三个自由度运动的基本原理7
2.2末端执行器抓取工件的基本原理7
2.2.7短迷7
2.2.8手指式手部的工作原理.8
三直角坐标机器人结构设计10
3.1直角坐标机器人外形方案的确定10
3.2直角坐标机器人传动及驱动方式的选择10
3.2.1直角坐标机器人传动方式的选择.10
3.2.2直角坐标机器人驱动方式的选择.11
3.3直角坐标机器人外形尺寸的确定11
3.4传动部件、驱动部件类型及主要参数的选择12
3.4.1传动部件参数的选择12
3.4.2驱动部件的选择19
3.5其它辅助部件的设计22
3.5.1直线导轨的选择22
3.5.2滚动轴承的选择23
3.5.3机器人拖链的选择24
3.5.4其它部件的设计24
3.6机械手结构设计24
3.6.1机械手的结构特点、24
3.6.2机械手的手部尺寸及抓取范围25
3.6.3机械手传动装道的设计.25
3.6.4机械手驱动装置的选择.27
3.6.5机械手其它部件的选择.27
四机器人的校核及结构的可靠性分析28
4.1轴承的校核28
4.2各主要功能部件的可靠性分析28
4.3各自由度间连接件的可靠性分析29
4.4轴的校核计算30
五机器人的控制32
5.1步进电机的概况32
5.2步进电机的工作原理32
5.3步进电机的控制33
六直角坐标机器人的效果分析及技术评价34
6.1直角坐标机器人的效果分析34
6.1.1直角坐标机器人与人工操作的比较34
6.1.2采用机器人工作带来的问题34
6.2直角坐标机器人结构的技术评价34
6.1.1整体结构技术评价34
6.1.2零件的技术分析.35
参考文献37
一绪论
1.1直角坐标机器人概念
直角坐标机器人概念：
工业应用中，能够实现自动控制的、可重复编程的、多功能的、多自由度的、运动自由度建成空间直角关系、多用途的操作机。
他能够搬运物体、操作工具，以完成各种作业。
关于机器人的定义随着科技的不断发展，在不断的完善，直角坐标机器人作为机器人的一种，其含义也在不断的完善中。
典型直角坐标机器人图一
直角坐标机器人的特点：
1、自由度运动，每个运动自由度之间的空间夹角为直角；
2、自动控制的，可重复编程，所有的运动均按程序运行；
3、一般由控制系统、驱动系统、机械系统、操作工具等组成。
4、灵活，多功能，因操作工具的不同功能也不同。
5、高可靠性、高速度、高精度。
6、可用于恶劣的环境，可长期工作，便于操作维修。
直角坐标机器人的应用：
因末端操作工具的不同，直角坐标机器人可以非常方便的用作各种自动化设备，完成如焊接、搬运、上下料、包装、码垛、拆垛、检测、探伤、分类、装配、贴标、喷码、打码、（软仿型）喷涂、目标跟随、排爆等一系列工作。
特别适用于多品种、便批量的柔性化作业，对于稳定提高产品质量，提高劳动生产率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。
直角坐标机器人的应用图二
随着直角坐标机器人的应用越来越广泛，直角坐标机器人的设计工作日益显得重要。
成功的设计一台直角坐标机器人涉及到很多方面的工作，包括机械结构、动力驱动、伺服控制等等。
沈阳力拓自动化控制技术有限公司有着多年直角坐标机器人技术应用、数控技术和产品研发经验，我们依托德国BAHR公司直线定位系统性及机械手臂开发出了价比优良的系列数控直角坐标机器人，被广泛地应用在汽车、电子、电器、检测、医疗、航天、食品等各个领域的生产线上。
下而我们就对直角坐标机器人的设计进行一个简要的阐述。
一、机器人设计特点：
1、机器人的设计是一个复杂的工作，工作量很大，涉及的知识面很多，往往需要多人完成。
2、机器人设计是面向客户的设计，不是闭门造车。
设计者需要经常和用户在一起,不停分析用户要求，寻求解决方案。
3、机器人设计是面向加工的设计，再好的设计，如果工厂不能加工出产品，设计也是失败的，设计者需要掌握大量的加工工艺及加工手段。
4、机器人设计是一个不断完善的过程。
二、机器人设计流程：
1、使用要求的分析：
每一个机器人都是根据特定的要求的产生而设计的，设计的第一步就是要将使用要求分析清楚，确定设计时需要考虑的参数，包括：
机器人的定位精度，重复定位精度；
机器人的负载大小，负载特性；
机器人运动的自由度数量，每自由度的运动行程；
机器人的工作周期或运动速度，加减速特性；
机器人的运动轨迹，动作的关联：
机器人的工作环境、安装方式；
机器人的运行工作制、运行寿命；
其他特殊要求；
工业自动化的历史是以技术手段的快速更新为特征的。
这种自动化技术的更新不论是看作世界经济发展的诱因还是结果，都和世界经济密切相关。
工业机器人在20世纪60年代毫无疑问是一种独特的设备，将其和计算机辅助设计（CAD）系统、计算机辅助制造（CAM）系统结合在一起应用，这是现代制造业自动化的最新发展趋势。
这些技术起码在引导工业自动化向一个新的领域过渡［1］。
机器人的使用量增长的主要原因是价格不断降低。
在20世纪90年代的十年间，机器人价格降低而劳动力成本增加。
机器人不仅越来越便宜，而且它们在工业领域变得更加有效一一速度更快、操作更准确、更富有柔性。
如果在成本统计中将质量因素考虑在内，应用机器人的成本将比它的实际下降快得多。
由于机器人作业变得愈加有效，而劳动力成本不断升高，因此工业中越来越多的作业更适合于应用机器人自动化。
这是工业推动机器人发展的主要因素。
其次是非经济因素造成的，随着机器人作业能力的增强，它们可以完成更加危险或不可能完成的工作。
机器人的使用不仅提高生产了生产效率而且增强了工作范围。
在许多领域中用到机器人搬运，如在汽车制造、食品包装、化学医药、电子器件等。
而直角坐标机器人在码垛机和搬运机使用越来越多，其特点是负载范围大，小到几公斤，大到儿屯；运行速度快，且速度可调整；动作灵活，可完成复杂的任务；可靠性高，维护简单。
1.2直角坐标机器人的应用及分类
因末端操作工具的不同，直角坐标机器人可以非常方便的用作各种自动化设备，完成如焊接、搬运、上下料、包装、码垛、拆垛、检测、探伤、分类、装配、贴标、喷码、打码、（软仿型）喷涂、目标跟随、排爆等一系列工作。
特别适用于多品种，便批量的柔性化作业，对于稳定，提高产品质量，提高劳动生产率，改善劳动条件和产品的快速更新换代期着十分重要的作用。
1、按用途分为：
焊接机器人、码垛机器人、涂胶（点胶）机器人、检测（监测）机器人、分拣机器人、装配机器人、排爆机器人、医疗机器人、特种机器人等。
2、按结构形式分为：
壁挂（悬臂）机器人、龙门机器人、倒挂机器人等
3、按自由度分为：
两坐标机器人、三坐标机器人、四坐标机器人、五坐标机器人、六坐标机器人。
[2]
1.3当前机器人技术的发展
131机器人发展的概况
个人机器人一一PR（PersonalRobot）现在还是一个梦想。
机器人研究涉及的学科涵盖机械、电子、传感器、驱动与控制等多个领域，过去，对机器人行业有过重大贡献的人数不胜数。
不过，从简单的时间线已经能够看出，从第一代工业机器人、第二代带有“感觉”的机器人到第三代智能机器人，机器人的体积越来越小，与PC结合得越来越紧密。
说不定，PR就快成为现实了。
以下为1920年至今机器人发展简史：
1920年捷克斯洛伐克作家卡雷尔•恰佩克在他的科幻小说《罗萨姆的机器人万能公司》中，根据Robota（捷克文,原意为“劳役、苦工”）和Robotnik（波兰文,原意为“工人”）,创造出“机器人”这个词。
1939年美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人Elektr。
。
它由电缆控制，可以行走，会说77个字，甚至可以抽烟，不过离真正干家务活还差得远。
但它让人们对家用机器人的变得更加具体。
1942年美国科幻巨憧憬匠阿西莫夫提出“机器人三定律”。
虽然这只是科幻小说里的创造，但后来成为学术界默认的研发原则。
1948年诺伯特•维纳出版《控制论》，阐述了机器中的通信和控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律，率先提出以计算机为核心的自动化工厂。
1954年美国人乔治•德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人，并注册了专利。
这种机械手能按照不同的程序从事不同的工作，因此具有通用性和灵活性。
1956年在达特茅斯会议上，马文•明斯基提出了他对智能机器的看法：
智能机器”能够创建周围环境的抽象模型，如果遇到问题，能够从抽象模型中寻找解决方法”。
这个定义影响到以后30年智能机器人的研究方向。
1959年德沃尔与美国发明家约瑟夫•英格伯格联手制造出第一台工业机器人。
随后，成立了世界上第一家机器人制造工厂一一Unimation公司。
由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传，他也被称为“工业机器人之父”。
1962年美国AMF公司生产出“VERSTRAN”（意思是万能搬运），与Unimation公司生产的Unimate一样成为真正商业化的工业机器人，并出口到世界各国，掀起了全世界对机器人和机器人研究的热潮。
1962年-1963年传感器的应用提高了机器人的可操作性。
人们试着在机器人上安装各种各样的传感器，包括1961年恩斯特采用的触觉传感器，托莫维奇和博尼1962年在世界上最早的“灵巧手”上用到了压力传感器，而麦卡锡1963年则开始在机器人中加入视觉传感系统，并在1965年，帮助MIT推出了世界上第一个带有视觉传感器，能识别并定位积木的机器人系统。
1965年约翰•霍普金斯大学应用物理实验室研制出Beast机器人。
Beast已经能通过声纳系统、光电管等装置，根据环境校正自己的位置。
20世纪60年代中期开始,美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室。
美国兴起研究第二代带传感器、“有感觉”的机器人，并向人工智能进发。
1968年美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人Shakey。
它带有视觉传感器，能根据人的指令发现并抓取积木,不过控制它的计算机有一个房间那么大。
Shakey可以算是世界第一台智能机器人，拉开了第三代机器人研发的序幕。
1969年日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人。
加藤一郎长期致力于研究仿人机器人，被誉为“仿人机器人之父”。
日本专家一向以研发仿人机器人和娱乐机器人的技术见长，后来更进一步，催生出本田公司的ASIM0和索尼公司的QRI0。
1973年世界上第一次机器人和小型计算机携手合作，就诞生了美国CincinnatiMilacron公司的机器人T3。
1978年美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA,这标志着工业机器人技术已经完全成熟。
PUMA至今仍然工作在工厂第一线。
1984年英格伯格再推机器人Helpmate,这种机器人能在医院里为病人送饭、送药、送邮件。
同年，他还预言：
“我要让机器人擦地板，做饭，出去帮我洗车，检查安全”。
1998年丹麦乐高公司推出机器人（Mind-storms）套件，让机器人制造变得跟搭
积木一样，相对简单乂能任意拼装，使机器人开始走入个人世界。
1999年日本索尼公司推出犬型机器人爱宝（AIBO）,当即俏售一空，从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一。
2002年丹麦iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba,它能避开障碍，自动设计行进路线，还能在电量不足时°,自动驶向充电座。
Roomba是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。
2006年6月，微软公司推出MicrosoftRoboticsStudio,机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显，比尔•盖茨预言，家用机器人很快将席卷全球。
1.3.2直角坐标机器人的发展情况
随着机器人技术的发展，直角坐标机器人技术在码垛机上的使用越来越多。
直角坐标机器人作为执行机构，具用控制方便，执行动作灵活，可以实现复杂的空间轨迹控制。
沈阳力拓自动化控制技术有限公司在多年机器人技术应用、数控技术和产品研发基础上，依托德国BAHR公司直线定位系统性及机械手臂开发出了价比优良的系列数控搬运、码垛、装配机器人，广泛应用在金属冶金、汽车制造、食品加工、电子等行业上，是航空、汽车等行业重要的装备。
在金属浇注领域，码垛机有着广泛的应用和需求。
下面就是依据客户要求开发的一台在铝锭浇注生产线上工作的直角坐标机器人，其特点是负载范围大，小到几公斤，大到几吨；运行速度快，且速度可调整；动作灵活，可以完成复杂的码垛任务；可靠性高，维护简单
直角坐标机器人是工业机器人的一种，它已经广泛的应用于自动化生产中，它具有结构简单，运动直观性强，坐标方向位置精度容易控制，漂浮物精度较高；制造安装高速方便，容易实现数字控制。
缺点是占据空间大而相应的工作范围较小。
适用上下装卸工件和传送物料，易于成行排列布置与传送带配合使用。
1.4设计基本步骤
在设计直角坐标机器人的结构主要有以下几个步骤
（1）了解机器人及其相关技术
由于目前机器人的数量还比较少并且应用不十分广泛，所以对机器人了解只是理论上的一些了解，并不十分系统。
再进行结构设计之前，了解机器人的基本组成形式，各机器人都有什么样的特点，并且在工业生产中的具体工作形式。
（2）了解直角坐标机器人的主要用途
机械设计的目的就是为了满足生产的需要，因此了解设计对象的主要用途是进行设计的必要准备。
（3）根据用途运用所学知识进行结构设计
由于在毕业实习的时候没有看到过直角坐标机器人的具体结构，通过对CA6140机床刀架的观察和分析，根据其运动原理进行直角坐标机器人的结构设计。
按照三个自由度进行设计，如空间一个物体在直角坐标系中运动，分为x、y、z三个方向的运动。
（4）融入我的设计思想使设计更具有特色
由于直角坐标机器人相对其它各类的机器人应用较为广泛，并已是成型的产品，为了培养自己的创新能力，在设计时提出了自己的设计思想使结构更加的合理。
1.5研究的主要内容
门式直角坐标机器人设计为主线，来研究直角坐标机器人的工作原理、结构形式。
其三个自由度的运动基本原理很相似，在设计时为了使设计更加的多样化，采用不同的传动方式，第一、二自由度采用同步带传动，而第三自由自由度采用丝杠传动。
第一、二自由度结构相似利于制造加工。
随着科学技术的迅猛发展工业机器人得到了更为广泛的应用，特别是直角坐标机器人在数控加工中心中应用十分广泛，它已经成为自动化生产的重要组成总部分。
本文的第二、三、四章重点介绍设计过程。
二直角坐标机器人的工作原理
2.1实现三个自由度运动的基本原理
直角坐标机器人的主要功能就是能够使得末端执行器到达空间指定位置。
待实现的工作空间大都为矩形空间。
由笛卡尔坐标系的知识可知空间中的任意一点可以分别由X、Y、Z方向三个点的集合来表示。
因此为了研究问题方便，可以把空间任意两点的曲线运动简化为分别在三个自由度方向的直线运动。
能够实现直线运动的原理有很多，在机械产品中得到应用的有以下几种，下表为它们之间传动性能的比较：
表2-1传动性能对比表
方案
优点
缺点
滚珠丝杠
传动精度高，且速度平稳。
摩擦阴力小，轴向冲击，钢性较好，可以传递较大扭力，位置准确
传动速度较慢，且机构不能自锁，长度较大时承受径向载荷能力差
齿轮齿条
传递的功率大、速度范围广、效率高、工作可靠、寿命长、结构紧凑、能保证恒定传动比
制造及安装精度要求高，成本高，不适于两轴中心距过大的传动
同步带传动
传动准确，平稳.，噪音小，可获得恒定速比，且速比范围大，允许线速度高，传动结构紧凑
对中心及其尺寸稳定性要求较高
液压传动
可产生较大轴向力，传动速度快
结构复杂，维护困难，整个装车质量大。
工作介质对周围条件反映敏感，直接影响定位精度
气压传动
瞬间产生很大轴向力，传动速度快
对传动时间要求不易过长，密封困难
通过以上的分析，在本次设计中采用选择滚珠丝杆传动与同步带传动方式。
2.2末端执行器抓取工件的基本原理
2.2.1概述
机械手种类很多。
按其抓取方式主要分为以下两种:
（1）吸附式
①空气负压吸盘
②磁力吸盘
（2）手指式
①平移式
②回转式
针对众多的结构形式，选择的方法其实很简单。
大部分是根据特定工作的要求专门设计的。
例如，当确定手部大小、形状，手指个数以及动作自由度时.，必须考虑被抓取物件的大小、形状、重量、材质、外力的物理条件以及旋转环境等。
而这些乂决定手部的抓取机能，即约束性、操作性和感觉性。
[1]
约束性是指手爪对工件的约束和握紧程度。
例如，广泛使用的二指手爪，在抓取水平旋转的圆棒工件时，手指只对圆棒半径方向进行约束，而轴向约束是借助手指与圆棒工件之间的摩擦力来实现的。
如果施加一个较大的轴向外力，工件就可能从手指中滑落出去。
同样，圆棒工件圆周方向的回转也是靠摩擦力来限制的。
操作性是指手爪能够抓取的物件的儿何特性，包括极限尺寸形状以及在抓取不同形式圆棒时能否保持同一中心线的同心特性。
感觉性是指手指对工件的控制能力定位精度等。
例如，是否使用传感器，有无力学反馈等。
最简单的一各形式利用微型开关来检测判断是否抓住工件。
在某种场合，一台机器人可以备有多种形状、用途和机能不同的数种可换手爪。
由于本次设计的工件是1〜3kg的小工件所以综合各各方面考虑，选择手指式手部。
2.2.2手指式手部的工作原理
手指式手部是由手指传动机构的驱动装置三部分组成，它对抓取工件的形状具有较大的适用性，可以抓取轴盘套类零件，一般情况下多采用二指，少数为三指或多指。
驱动装置是为传动机构提供动力的，驱动源有液压、气动、电动等常见的传动机构往往通过滑槽、斜面、齿轮齿条、连杆等推动杠杆机构实现加紧或松开。
（1）手指式手部的分类
①按运动形式可分为平稳型和回转型两利％平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动，适用于夹持平板、方料。
在夹持不同的圆棒工件时，不会引起中心位置的偏移。
但这种手指的结构比较复杂，体积大，要求加工精度高。
回转型指部的张开和闭合靠指根部的回转运动实现。
驱轴支点为一个的，称为单支点回转型，为两个的，称双支点回转型。
这种手指结构简单，形状小巧，但夹持不同工件会产生定位误差。
②按手指关节可分为无关节型、固定关节型和自由关节型。
无关节指是一个平指构件，固定关节是指本件是一个具有固定弯曲角度的构件，一般成折线状。
自由体关节本体分为指根和指尖两部分比较复杂。
③按指端形状可分为：
V型指，主要夹持圆柱形工件；平面指，夹持方形、板状和细小棒类工件；其它形状如圆形、钩型、尖型及其它与工件相适应特型指。
④按指面形式可分为：
光滑型，指面平整光滑，用来夹持已加工完成表面光整的工件，避免碰伤；齿型，指面上有齿纹，增加摩擦力，确保夹紧牢靠，多用于夹持粗坯、半成品工件；柔性型，指面使用橡胶，增大摩擦力、保护工件表面作用。
（2）对手指式手部的基本要求
①手指加紧力大小适宜，力量过大则动力消耗多，结构也庞大，不经济，扶至损坏工件；力量过小则夹持不住或产生松动、脱落。
②应具有足够的开闭角度或开闭距离，便于抓取和退出工件。
③应无可否认工件能准确定心或定位。
④在保证本身强度的前提下，尽可能使结构紧凑，重量轻，以利于减轻总负载。
⑤手部结构应能适应工作环境提出的特殊要求。
如耐高温
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