循迹物料搬运机器人设计毕业设计论文 精品.docx
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循迹物料搬运机器人设计毕业设计论文精品
南京航空航天大学金城学院
毕业设计
题目
循迹物料搬运机器人设计
南京航空航天大学金城学院
本科毕业设计（论文）诚信承诺书
本人郑重声明：
所呈交的毕业设计（论文）（题目：
循迹物料搬运机器人设计）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。
尽本人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以标注引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
作者签名：
年月日
（学号）：
循迹物料搬运机器人设计
摘要
研究的目的、意义、研究方法与内容。
研究的结果与主要结论。
关键词：
数控加工，数控仿真，加工环境，帮助文件
Thedevelopmentof……
Abstract
Anewkindsandwichstructure（300个单词左右）.
KeyWords：
NCmachining;NCverification;Machiningenvironment;Helpfiles
目录
摘要ⅰ
Abstractⅱ
第一章引言1
1.1XXXXXXXXXXXX10
1.1.1XXXXXX15
第二章XXXXXXXXX20
1.2XXXXXX20
……
第XX章总结与展望XX
参考文献XX
致谢XX
附录XX
第一章引言
1.1工业机器人及其发展
1.1.1工业机器人及其操作机
由于机器人一词带有“人”字，再加上科幻小说和影视作品的宣传，人们往往把机器人想象成为外貌象人的机电装置。
但事实并非如此。
机器人，特别是工业机器人，与人的外貌毫无相象之处口在国家标准中，工业机器人被定义为：
“一种能自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。
它能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业。
”机器人赖以完成各种作业的机械实体（称作操作机或操作器）被定义为：
“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其他操作的机械装置。
”可见，工业机器人是一机电系统，操作机（器）是它的执行机构，该机构与电子器件密切相关，它的灵活程度和动态性能，直接影响着机器人系统的工作质量。
本书的目的，在于阐述对操作机的分析和设计方法，以期对从事工业机器人的设计和应用的专业人员有所裨益。
1.1.2机器人在工业生产应用
自从20世纪60年代初人类创造了第一台工业机器人以后，机器人就显示出它极大的生命力，经过四十多年的发展，工业机器人已在越来越多的领域得到了应用。
在制造业中，尤其是在汽车产业中，工业机器人得到了广泛的应用。
如在毛坯制造（冲压、压铸、锻造等）、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中，机器人都已逐步取代了人工作业。
目前，汽车制造业是制造业所有行业中人均拥有工业机器人密度最高的行业，如，2004年德国制造业中每1万名工人中拥有工业机器人的数量为162台，而在汽车制造业中每1万名工人中拥有工业机器人的数量则为1140台；意大利的这一数值更能说明问题，2004年意大利制造业中每1万名工人中拥有工业机器人的数量为123台，而在汽车制造业中每1万名工人中拥有工业机器人的数量则高达1600台。
随着工业机器人向更深更广方向的发展以及机器人智能化水平的提高，机器人的应用范周还在不断地扩大，已从汽车制造业推广到其他制造业，进而推广到机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制造业等领域中。
在工业生产中，弧焊机器人、点焊机器人、分配机器人、装配机器人、喷漆机器人及搬运机器人等工业机器人都已被大量采用。
2005年，亚洲地区电子电气行业对工业机器人的需求仅次于汽车及汽车零部件制造业，其占所有行业总需求的比例为31%；而在欧洲地区橡胶及塑料工业对工业机器人的需求则远远超过电子电气行业而排名第二位；美洲地区由于汽车及汽车零部件制造业对工业机器人的需求遥遥领先，所以金属制品业（包括机械）、橡胶及塑料工业以及电子电气行业对工业机器人的需求比例相当，均在7%左右。
另外诸如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统维护维修机器人等各种非制造行业。
此外，在国防军事、医疗卫生、生活服务等领域机器人的应用也越来越多，如无人侦察机（飞行器）、警备机器人、医疗机器人、家政服务机器人等均有应用实例。
机器人正在为提高人类的生活质量发挥着重要的作用。
而且，随着人类生活水平的提高及文化生活的日益丰富多彩，未来各种专业服务机器人和家庭用消费机器人将不断贴近人类生活，其市场的繁荣兴旺将指日可待。
1.1.3工业机器人的发展趋势
敏捷制造策略的提出,为工业机器人的发展提供了新的机遇。
敏捷制造的基本思想是企业能迅速将其组织和装备重组,快速响应市场变化,生产出满足用户需求的个性化产品。
敏捷制造要求企业底层的生产设备具有柔性和可动态重组的能力。
机器人是一种具有高度柔性的自动化生产设备。
如果我们站在更高的层次,将机器人视为一种有“感知、思维和行动”的机器,那么,敏捷生产设备就应当是新一代机器人化的机器。
这将为工业机器人的发展提出更高的要求。
（1）朝着标准化方向发展
提高运动速度和运动精度,减轻重量和减少安装占用空间,必将导致工业机器人功能部件的标准化和模块组合化（它可以分为机械模块、信息检测模块、和控制模块等）,以降低制造成本和提高可靠性。
近年来,世界各国注意发展组合式机器人。
它是采用标准化的组合件拼装而成的。
目前,国外已经研制和生产了各种不同的标准组件。
除了机器人用的各种伺服电机、传感器外,手臂、手腕和机身的结构也已经标准化了,如臂伸缩轴、臂升降轴、臂俯仰轴、臂摆动轴;手腕旋转轴、摆动轴、固定台身、机座、移动轴等。
（2）研究新型机器人结构
随着工业机器人作业精度的提高和作业环境的复杂化,应开发新型微动机构保证动作精度;开发多关节、多自由度的手臂和手指,研制新型的行走机构等以适应复杂的作业的需要。
（3）朝着智能化方向发展
在多品种,小批量生产的柔性制造自动化技术中,特别是机器人自动装配技术中,要求工业机器人对外部环境和对象物体有自适应能力,即具有一定的“智能”,机器人的智能化是指机器人具有感觉、知觉等,即有很强的检测功能和判断功能。
为此,必须开发类似人类感觉器官的传感器（如触觉传感器、视觉传感器、测距传感器等）,发展多传感器的信息融合技术。
通过各种传感器得到关于工作对象和外部环境的信息,以及信息库中存储的数据、经验、规划的资料,以完成模式识别,用“专家系统”等智能系统进行问题求解,动作规划。
（4）研究机器人协作控制
先进制造技术的发展对协作机器人学的研究与发展起着积极的促进作用。
随着先进制造技术的发展,工业机器人已从当初的柔性上、下料装置正在成为高度柔性、高效率和可重组的装配、制造和加工系统中的生产设备。
在这样的生产线上,机器人是作为一个群体工作的,不论每个机器人在生产线上起什么作用,它总是作为系统中的一员而存在。
因此,要从组成敏捷制造生产系统的观点出发,来研究工业机器人的进一步发展。
而面向先进制造环境的机器人柔性装配系统和机器人加工系统中,不仅有多机器人的集成,还有机器人与生产线、周边设备、生产管理系统以及人的集成。
因此,以系统的观点来发展新的机器人控制系统,有大量的理论与实践的工作要做。
1.2工业机器人的组成
工业机器人通常由执行机构、驱动一传动装置和控制系统三部分组成（如图1-1所示）。
这些部分之间的相互作用可用1-2所示的方框图表示
图1-1机器人的组成
图1-2机器人各组成部分之间的关系
1.2.1执行机构
执行机构（也称操作机）是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由杆件和关节组成。
从功能的角度，执行机构可分为：
手部、腕部、臂部、腰部和基座等，如图1-3所示。
图1-3执行机构
（1）手部
手部又称末端执行器，是工业机器人直接进行工作的部分，可以是各种夹持器。
有时人们也常把渚如电焊枪、油漆喷头等划作机器人的手部。
（2）腕部
腕部与手部相连，通常有3个自由度，多为轮系结构，主要功用是带动手部完成预定姿态，是操作机中结构最为复杂的部分。
（3）臂部
臂部用以连接腰部和腕部，通常由两个臂杆（小臂和大臂）组成，用以带动腕部作平面运动。
（4）腰部
腰部是连接臂和基座的部件，通常是回转部件，腰部的回转运动再加上臂部的平面运动，就能使腕部作空间运动。
腰部是执行机构的关键部件，它的制造误差、运动精度和平稳性，对机器人的定位精度有决定性的影响。
（5）基座
基座是整个机器人的支持部分，有固定式和移动式两种。
该部件必须具有足够的刚度和稳定性
1.2.2驱动和传动装置
工业机器人的驱动一传动装置包括驱动器和传动机构两个部分，它们通常与执行机构连成一体。
传动机构常用的有谐波减速器、滚珠丝杠、链、带以及各种齿轮轮系。
驱动器通常有电机（直流伺服电机、步进电机、交流伺服电机）、液动或气动装置，目前使用最多的是交流伺服电机。
1.2.3控制系统
控统一般由控制计算机和伺服控制器组成。
前者发出指令协调各关节驱动器之间的运动，同时还要完成编程、示教／再现以及和其他环境状况（传感器信息）、工艺要求、外部相关设备（如电焊机）之间的信息传递和协调工作。
后者控制各关节驱动器，使各杆按一定的速度、加速度和位置要求进行运动。
1.3本文主要研究内容
本文研究了国内外机械手发展的现状，通过学习机械手的工作原理，熟悉了搬运机械手的运动机理。
在此基础上，确定了搬运机械手的基本系统结构，对搬运机械手的运动进行了简单的力学模型分析，完成了机械手机械方面的设计（包括传动部分、执行部分、驱动部分）和该机器人的系统控制。
1.4本章小结
本章主要内容是工业机器人的现状、应用领域、发展趋势等方面，并通过对现在工业生产中使用工业机器人的主要工作种类的列举，提出了未来工业机器人的几种先进的发展模式和本文的主要研究内容。
第二章搬运机器人各方向传动方式设计
该设计的目的是为了设计一台循环物料搬运机器人，本章主要对搬运机器人的的运动形式部分进行分析。
2.1搬运机器人要解决的问题
通过机器人搬运工程石板（长a=800mm,宽b=400mm，高c=30mm，重G=20kg）（假定）完成（水平运动X=5.0m，垂直运动Y=0.6m，旋转运动R=90︒）的动作，如示意图2-1所示。
图2-1机器人各运动方向
2.2机器人各方向传动方式的设计
2.2.1水平和竖直方向直线运动传动方式设计
能够实现直线传动的传动形式有；
（1）液压传动
特点：
液压传动传递运动的动力大，运动平稳，换向冲击小，便于实现频繁换向；在同等功率下，液压装置的体积小、重量轻、结构紧凑。
但液压传动中的泄漏和液体的可压缩性，使这种传动无法保证严格的传动比；由于液体粘性大，在流动过程中有较大的能量损失（泄漏损失、摩擦损失等），因此，传动效率相对低，不适合做远距离传动和控制。
（2）气压传动
特点：
以空气为工作介质，来源方便，工作压力较低，用后可直接排入大气而无污染，处理方便，洁净环境；与液压传动相比，气压传动反应快、动作迅速、维护简单、工作介质清洁、管路不易堵塞，不存在工作介质变质、补充和更换等问题；而且成本低，能实现过载保护。
但因空气的可压缩性较大，使系统的动作和工作速度稳定性受负载变化的影响大，运动平稳性较差，不易实现准确的速度控制和很高的定位精度；而且气动装置的体积与液压传动相比较大，产生的推力小。
其主要原因是气压系统工作压力低（0.5~0.8MPa），不易获得较大的输出力或转矩。
（3）齿轮齿条啮合传动
特点：
齿轮齿条传动将旋转运动转变为直线运动，它传递的功率大，速度范围广，效率高，工作可靠，寿命长，机构紧凑，能保证恒定的传动比。
但是，这样的运动也可以反向驱动，也就是齿条作直线运动来带动齿轮旋转，适合大距离的传递，如机床导轨底下带动托板箱移动的就是齿轮齿条传动，齿轮齿条机构需要外加锁紧装置，因为之论之痛机构不能自锁，并且齿轮齿条不适用于两轴中心距过大的传动及振动冲击较大的场合。
（4）丝杠螺母传动
特点：
用于距离较短的高精度定位；电机和滚珠丝杠只用联轴器连接，没有间隙。
2.2.2R方向旋转运动的设计
（1）摆动气（液）缸
特点：
摆动气缸是利用压缩空气驱动输出轴在一定角度范围内作往复回转运动的气动执行元件。
用于物体的转位、翻转、分类、夹紧、阀门的开闭以及机器人的手臂动作等。
（2）齿轮传动
特点：
功率和速度范围大，通用性强，工作可靠，效率高，对中心距误差的敏感性小，易于制造和精确加工，可进行变为切削和修行。
（3）蜗杆传动
特点：
蜗杆传动能实现传动比大，传动平稳，但效率较低，适用于中小功率或间歇运转的场合；当它与齿轮传动同时应用时，若蜗杆传动布置在高速级，使其传递较小的转矩，以减小蜗轮尺寸，节约有色金属，且传动效率较高。
若蜗杆传动布置在低速级，则齿轮传递转矩较小，而是整个传动装置的尺寸减小。
（4）带传动
特点：
带传动靠摩擦力工作，承载能力较小，传递相同转矩时，结构尺寸较其它传动形式大，但传动平稳，能缓冲吸振，应布置在高速级，使所传递的转距小。
（5）链传动
特点：
链传动由于多边形效应，瞬时传动比不断变化，产生冲击、振动，而使转速不均匀，故不宜用于高速级，应布置在低速级。
通过以上，综合考虑，因为摆动的力矩不是很大，而且摆动只是一个固定角度90︒，所以R方向旋转传动选择90︒摆动气缸。
2.3本章小结
本章主要内容是对循环物料机器人运动形式进行分析，并通过对现在工业生产中常见的各种运动传递方式进行分析与比较，确定了该工业机器人三个方向上的运动的传递方式。
第三章循环物料机器人机械结构设计
通过上一章对该物料搬运机器人运动形式部分进行分析，确定了该机器人在三个方向上传递运动的方式，本章就对这三种传递运动方式进行具体的设计。
3.1结构总体设计
下图3-1是对该机器人机械结构的总体设计。
图3-1机器人机械结构的总体设计装配图
1-伺服电机2-马达支架3-轴承盖4-轴承5-滑板6-螺帽7-机身支架8-滑块
9-导轨10-底板11-垫板12-CR1摆动气缸13-键8.0*4014-支撑架板15-工字型板16-轴套筒17-真空吸盘接线管18-固定挡板19-六角厚螺母20-真空吸盘
21-平键套筒联轴器22-十字开槽紧定螺钉23-圆柱导向轴24-压扎滚珠丝杠
25-步进电机26-马达支架27-轴28-带座双轴承座29-角型支座30-齿条固定座31-齿条32-直齿轮33-弹簧垫圈M3034-螺母M3035-带座轴承36-机箱37-机座
3.2R向旋转运动设计
由上文可知横向R向旋转运动采用90︒摆动气缸传动方式来实现。
3.2.1R向旋转运动驱动力计算
首先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸，再进行校核计算，修正设计。
如此反复，绘出最终的结构图。
图3-2R向旋转运动的机构设计图
1-CR1摆动气缸2-支撑架板3-轴套筒4-工字型钢板
5-固定挡板6-真空吸盘7-工程石板
作R向旋转运动的摆动气缸的驱动力，应根据气压缸运动时所要克服工程石板和机器本身重力所产生的扭矩等几个方面的阻力进行确定。
1，计算几个重要零部件的质量
作R向旋转运动的摆动气缸运动时所要克服的阻力就是由几个零部件的重力和工程石板的重力产生的扭矩。
由图上可知，当摆动气缸旋转90︒后，此时摆动气缸所受到的扭矩主要由固定挡、工程石板和工字型板的重力产生的。
（1）固定挡板质量
图3-3固定挡板设计参数
该板材的质量为：
M=V*ρ
=a*b*h*ρ
其中a——固定板的长度（300mm）；
b——固定板的宽度（50mm）；
h——固定板的高度（15mm）；
ρ——固定板材（钢材）密度（7.85g/cm^3）；
所以板材的质量：
M1=1.766KG
（2）工字型钢板（钢材）的质量
图3-4工字型钢板设计参数
由上文的公式可以算的，
该工字型钢板的质量：
M2=73.35KG
2.克服工程石板和机器本身部件重力所产生的扭矩
又由上文可知：
工程石板（长a=800mm,宽b=400mm，高c=30mm，重M=20kg）（假定）
所以摆动气缸的受力分析如图3-5
图3-5摆动气缸的受力分析
当摆动气缸由图3-2的位置旋转90︒的时候，此时摆动气缸受到的力矩最大。
且此时：
图中扭矩M1是由槽钢的重力产生：
M1=73.35*10*0.06=44N*m
图中扭矩M2是由槽钢的重力产生：
M2=20*10*0.1265+1.766*10*0.0475*4=29N*m
所以摆动气缸受到总的扭矩：
M0=M1-M2=15N*m
摆动气缸类型表格
当取安全系数为2.5时，则选择型号为CRB1双叶片式摆动气缸，如图标记为黄色的所示。
3.2.2摆动气缸轴上键的选择
键主要是用来实现轴和轴上零件之间的周向固定，以传递转矩和运动。
因为键的尺寸已标准化了。
选择的方法是先按照轴径的d的大小从标准中选出平键的宽度和高度尺寸b*h，然后按照轮毂宽度B从标准中选出键的长度L，L应小于或等于轮毂宽度，且不大于1.5倍的轴颈（L<=1.5d）。
所以经查表得键的各尺寸为：
宽b（mm）
高h（mm）
长L（mm）
10
8
40
1.摆动气缸轴上键的校核
平键联接的主要失效形式是工作面的压溃，有时也出现键被从约h/2高度处剪断。
a）挤压强度校核
由公式
允许传递的扭矩：
其中：
T——扭矩（N.mm）；
k——工作高度k=h/2；
d——轴径（mm）；
l——工作长度A型键：
l=L-b；B型键：
l=L；C型键：
l=L-b/2；
L——公称长度；
由公式可算得：
0.16（MPa）<<40（MPa）
b）剪切强度条件
其中：
T——扭矩（N.mm）；
b——键槽宽度；
d——轴径（mm）；
l——工作长度A型键：
l=L-b；B型键：
l=L；C型键：
l=L-b/2；
L——公称长度；
由公式可算得：
0.0127（MPa）<<90（MPa）
所以选择键合格。
3.2.3机械臂的强度校核
机械臂的受力分析如图3-6所示
图3-6机械臂的受力图
可以将机械臂受力图简化为图3-7
图3-7机械臂受力简化图
弯曲强度条件：
其中：
——工字型板的重力（73.35kg）；
——固定挡板的重力（1.766kg）；
——工程石板的重力（20kg）；
——重心到危险截面（A-A）的距离（456.5mm）；
——总重量（
、
、
之和）；
——危险截面处轴套筒的直径（60mm）；
——许用应力（60
）
经计算得：
=21.63
当安全系数取2.5时，则2.5
﹤60
.
结论：
机械臂满足强度校核。
3.3竖直Y运动的设计
首先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸，再进行校核计算，修正设计。
如此反复，绘出最终的结构图。
作Y向竖直运动的丝杠螺母的驱动力，应根据工件做向上运动时所要克服的重力和重力产生的弯矩力等几个方面的阻力进行确定。
图3-8竖直Y运动的设计结构图
1-伺服电机2-马达支架3-平键套筒联轴器4-压扎滚珠丝杠
5-圆柱形导向轴6-带座轴承7-丝杠螺帽8-滑块
3.3.1丝杠螺帽直线上升驱动力计算
丝杠螺帽上升的阻力主要是由工程石板和机器人本身几个部件重力和螺旋副中产生的摩擦力组成。
图3-9螺纹传动分析
将丝杠螺帽中的螺纹牙单独取出，如图3-9（a）所示。
现作以下近似假设：
1）螺纹牙间的压力均匀分布，其合力是沿着螺旋面的平均直径d的圆柱面内作用的，也即合力作用在直径为d的螺旋线上。
2）忽略不同直径圆柱面上螺旋线升角的差异，并认为均等于平均直径圆柱面上的螺旋升角。
3）在一般情况下，摩擦与接触面的大小无关。
根据假设1）、2）可将螺母的空间螺旋面展成倾角为的斜平面；根据假设3）可将螺杆牙简化为一滑块，如图3-9（b）所示。
经过如此简化，将上述对用于丝杆螺帽副的螺旋传动就简化成受有铅垂载荷Q的滑块，在驱动力P的作用下沿着斜平面等速上升，也即转换成斜平面传动了。
滑块在水平驱动力P作用下，克服载荷Q使滑块沿斜面等速上升，如图3-9（b）所示。
滑块受力必定平衡。
因此，还有斜面给予滑块的全反力R。
即满足下列平衡方程：
P+Q+R=0
其力封闭三角形如图3-9（b）中右图所示。
由图中各力的几何关系可得所需驱动力P的大小为：
如果滑块与斜面间无摩擦（即为理想机械），即摩擦角
=0，可得理想的水平驱动力P0的大小为：
由上几式可得滑块等速上升时斜面的效率为 ：
经查资料可得钢与钢的摩擦角
、
=5︒。
所以滑块等速上升时斜面的效率为
％。
又由上文可知：
固定挡板的总质量：
M1=1.776*4=7.104kg；
工字型钢板的质量：
M2=44kg；
工程石板的质量：
M0=20kg；
又由装配图中所示，估计丝杠螺母向上运动时所要克服的重力为1000N，所以Q=1000N。
所以所需驱动力P为：
P=344.33N。
设
为驱使螺母沿螺旋面做等速运动的力矩，他可以假想为作用在螺旋平均半径d/2处的水平驱动力P对丝杠轴线的力矩来表示，即
所以丝杠螺母理论驱动力矩
，又由机械效率为
％，所以丝杠螺母实际驱动力矩
。
3.3.2伺服电机的选择。
（1）伺服电机的功率
假设工程石板在提升的过程中的速度是
，丝杠螺母向上运动时所要克服的重力为Q=1000N，所以电机要输出的理论效率为
因为机械效率为
％，所以伺服电机实际功率为200W.
（2）伺服电机的转速
假设工程石板在提升的过程中的速度是
，又由丝杠螺母的设计参数知：
丝杠的螺距p=5mm，所以电机的转速
。
（3）伺服电机的扭矩
由上文知丝杠螺母理论驱动力矩
，又由机械效率为
％，所以丝杠螺母实际驱动力矩
。
所以选择伺服电机的型号为
3.3．3丝杠的压杆稳定校核
工程中把承受轴向压力的直杆称为压杆。
以前，我们从强度观点出发，认为压杆在其横截面上只产生压应力，当压应力超过材料的极限应力时，压杆才因抗压强度不足而破坏。
这种观点对于始终能够保持其原有直线形状的短粗压杆来说，可以认为是正确的，这时对它只进行强度计算也是合适的，但是，对于细长的压杆，在轴向力的作用下，往往在因强度不足而破坏之前，就因它不再保持原有直线状态下的平衡而骤然屈曲破坏，因而它不再是强度问题，而是压杆能不能保持直线状态下的平衡问题，在工程实践中把这类问题称为压杆的稳定性问题。
1.丝杆压杆模型分析
因为丝杆在设计过程中两端都是用轴承进行连接固定的，所以我把它等效为一端固定一端铰支，如图3-10所示。
图3-10丝杆压杆模型
由设计参数可知滚珠丝杆是由45钢制成的，其
=350Mpa，
=280Mpa，
=210Gpa。
长度L=750mm，直径d=45mm。
最大压力
。
设丝杆的稳定安全因数为
。
求相应的柔度
其中：
——相应柔度；
——弹性模量；
——比例极限；
所以经计算得：
因为滚珠丝杆
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