三轴龙门机械手.docx

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三轴龙门机械手

摘要

工业机器手由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。

特别适合于多品种、变批量的柔性生产。

它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，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。

生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平，可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产机械手的结构形式比较简单，通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。

本课题将设计一个三轴龙门机械手，需完成X、Y、Z三维空间内的移动要求，以及对工件的安全抓紧和释放，将仓库出库的工件搬运到生产线的输送带上。

关键词：

机器人；效率；龙门；三轴

Abstract

IndustrialmachinebyhandCaoZuoJi（mechanicalbody），controller，servodrivesystemanddetectionsensor，whichisakindofcopyoperation，automaticcontrol，canrepeatprogrammingin3dspace，canfinishallkindsofassignmentselectromechanicalintegrationoftheautomaticproductionequipment.Particularlysuitableformanyvarieties，changeofflexibleproductionbatch.Ittohelpstabilize，improveproductquality，raiseefficiencyinproduction，improveworkingconditionsandproductrapidrenewalplaysaveryimportantrole.Productionapplicationmanipulatorcanbeusedtoincreaseproductionofautomationlevel，canreducelaborintensity，ensurethequalityofproducts，andrealizesafeproductionofthemanipulatorstructureformbegancomparingsimple，generalmanipulatorcanquicklychangeworkingprocedures，gooddaptability，soitcontinuestotransformtheproductionofmediumandsmallbatchproductionofawiderangeofreferences.

KeyWords:

amanipulator，Efficiency;Simple;adaptability

第1章绪论

1.1机器人概述

在现代工业中，机械化和自动化的生产过程中已成为一个突出的主题。

生产过程的自动化化学连续性已基本得到解决。

但在机械行业，加工，装配等生产是不连续的。

专用机是一种有效的方式来大规模生产自动化，程控机床，数控机床，加工中心等自动化机械是有效地解决了多品种小批量的生产自动化的重要途径。

但在凿除本身，也有很多装卸，搬运，装配作业，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”（IndustrialRobot）：

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）。

机器人是一种机体功能，程序自动固定装置的上部。

机器人具有结构简单，成本低，易维护等优势，但功能较少，适应性差。

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。

总之，机器人是用机器代替人手，将工件从所述位置指定的作业移到某个位置，或按照以操纵工件加工用的工作要求。

机器人拿起东西，最简单的是具有相似的基本条件，手段，抓住并移动手腕的机构，手臂，关节等部位-执行机构，如肌肉的驱动臂运动-传输;像指挥和控制大脑系统的手部动作。

这些系统的性能将决定机器人的性能。

一般而言，机器人通常就是由执行机构、驱动－传动系统和控制系统这三部分组成，如图1所示。

图1机器人的一般组成

1.2机器人的历史、现状

机器人首先是从美国开始研制的。

1958年美国联合控制公司研制出第一台机器人。

它的结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。

日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。

自1969年从美国引进两种典型机器人后，大力从事机器人的研究。

目前工业机器人大部分还属于第一代，主要依靠手动控制；相比，开环控制模式，没有承认；改善方向主要是降低成本，提高精度。

第二代机器人正在加紧制定。

它有一个微电脑控制系统，具有视觉，触觉能力，甚至听，思考的能力。

研究各种传感器的安装，把感觉到的信息进行反馈，使机器人具有感觉机能。

第三代机器人（机器人）能够独立工作，以完成该过程的任务。

它保持与电脑和电视设备的接触，并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC是一个重要的组成部分。

随着工业机器人拓展国际学术交流活动的研究和应用都非常活跃，欧洲和美国等国家进行学术交流很多。

国际机器人产业ISIR会议决定召开一次年会，讨论开发和应用问题和研究机器人。

目前，主要的工业机器人装卸，搬运，焊接，铸造，锻造和热处理等，无论数量，品种和性能不能满足工业生产发展的需要。

而是采用一种工业机器人，主要是在危险的操作（宽），多尘的手动操作的，隔热，隔音，并且工作环境不适合窄的空间，例如手动操作。

在国外机械制造，工业机器人使用较多，发展较快。

目前应用于机床，锻压机下料，以及点焊，喷漆等工作，也可以完成提前开发所需遵循的操作程序，但没有感觉反馈能力，无法应付外界世界的变化。

如果出现某些偏差时，机器人会损坏部件，甚至本身。

随着科学技术和社会，研究应用在这些领域的现代进步的机器人系统，以系统的快速发展本身也提出了更多的要求。

制造要求机器人系统具有更大的灵活性和更强大的编程环境，以适应不同的应用和多品种，小批量的生产过程。

计算机集成制造（CIM）的机器人系统需要能源等自动化设备在车间内进行整合。

研究人员的水平，以提高性能和智能机器人系统，该机器人需要一个开放系统架构和各种外部传感器集成的能力。

然而，多机器人系统的商业化，目前使用的专用控制器封闭结构，通常使用专用的计算机作为上主计算机，使用专用的离线机器人编程语言作为一种工具，使用一个专用的微处理器和控制算法固化在EPROM这种专用系统很难（或不可能）整合外部硬件和软件。

封闭系统改装费用是非常昂贵的，如果不重新设计，在大多数情况下，它在技术上是不可能的。

解决这些问题的根本途径是学习和使用机器人系统具有开放式体系结构。

我国虽然开始研制工业机器人仅比日本晚5-6年，但是由于种种原因，工业机器人技术的发展比较慢。

目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人技术，通过引进、仿制、改造、创新，工业机器人将会获得快速的发展。

1.3机器人发展趋势

随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。

就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势：

a）提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人；

b）开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合；

c）研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。

并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。

第2章机械手总体设计方案

2.1机械手基本形式的选择

常见的工业机械手根据手臂的动作形态，按坐标形式大致可以分为以下4种，如图2所示：

（1）直角坐标型机械手；

（2）圆柱坐标型机械手；（3）极坐标型机械手；（4）多关节型机械手。

2.1.1直角坐标系机器人

直角坐标型机器人，它在x，y，z轴上的运动是独立的，3个关节都是移动关节，关节轴线相互垂直，它主要用于生产设备的上下料，也可用于高精度的装卸和检测和作业。

这种形式的主要特点是：

（1）在三个直线方向上移动，运动容易想象。

（2）计算比较方便。

（3）由于可以两端支撑，对于给定的结构长度，其刚性最大。

（4）要求保留较大的移动空间，占用空间较大。

（5）要求有较大的平面安装区域。

（6）滑动部件表面的密封较困难，容易被污染。

2.1.2圆柱坐标系机器人

圆柱坐标型机器人，R、θ和x为坐标系的三个坐标，其中R是手臂的径向长度，θ是手臂的角位置，x是垂直方向上手臂的位置。

这种形式的主要特点是：

（1）容易想象和计算。

（2）能够伸入形腔式机器内部。

（3）空间定位比较直观。

（4）直线驱动部分难以密封、防尘及防御腐蚀物质。

（5）手臂端部可以达到的空间受限制，不能到达靠近立柱或地面的空间。

2.1.3极坐标系机器人

极坐标型机器人又称为球坐标机器人，R，θ和β为坐标系的坐标。

其中θ是绕手臂支撑底座垂直轴的转动角，β是手臂在铅垂面内的的摆动角。

这种机器人运动所形成的轨迹表面是半球面。

其特点是：

（1）在中心支架附近的工作范围较大。

（2）两个转动驱动装置容易密封。

（3）覆盖工作空间较大。

（4）坐标系较复杂，较难想象和控制。

（5）直线驱动装置仍存在密封问题。

（6）存在工作死区。

2.1.4多关节机器人

多关节机器人，它是以其各相邻运动部件之间的相对角位移作为坐标系的。

θ、α和φ为坐标系的坐标，其中θ是绕底座铅垂轴的转角，φ是过底座的水平线与第一臂之间的夹角，α是第二臂相对于第一臂的转角。

这种机器人手臂可以达到球形体积内绝大部分位置，所能达到区域的形状取决于两个臂的长度比例。

其特点是：

（1）动作较灵活，工作空间大。

（2关节驱动处容易密封防尘。

（3）工作条件要求低，可在水下等环境中工作。

（4）适合于电动机驱动。

（5）运动难以想象和控制，计算量较大。

（6）不适于液压驱动。

直角坐标型圆柱坐标型

极坐标型多关节型

图2工业机械手基本结构形式

本课题要求机械手为直角坐标型。

2.2驱动装置的选择

机器人关节的驱动方式有液压式、气动式、和电动式。

下面将三种驱动方式进行分析比较。

2.2.1液压驱动

机器人的驱动系统采用液压驱动，有几个优点：

（1）容易实现高水压（水压一般为2.5~6.3MPa的），体积小，可能会更好推力或扭矩；

（2）介质的液压系统的压缩性小，平滑和可靠，并能获得更高的位置精度；

（3）液压传动，功率，速度和方向是比较容易实现自动控制；

（4）液压系统采用油作为介质，具有防锈性和自润滑性能，能提高机械效率，使用寿命长。

不足的液压系统有：

（1）油品粘度随温度变化，影响工作性能，高温燃烧爆炸可能造成的危险；

（2）液体难以克服的，液压元件的泄漏，需要更高的精度和质量，成本较高；

（3）需要相应的供应体系，特别是电液伺服系统需要严格过滤的设备，否则故障。

液压驱动模式下的输出功率和更大的权力，可以构成一个伺服机构，大型机器人关节驱动器常用。

2.2.2气压驱动

与液压传动相比，气压传动的特点是：

（1）压缩空气粘度小，容易实现高速；

（2）利用压缩空气工厂集中的加油站没有加电设备；

（3）空气介质对环境的污染，使用安全，可直接应用到高温作业；

（4）气动元件的工作压力低，它也比液压元件的制造要求低。

它的缺点是：

（1）空气压力用0.4~0.6MPa的，以获得一个较大的力，就必须相对地增加的结构；

（2）压缩空气大，表面光滑，可怜的速度控制很难实现精确的位置控制难度大；

（3）压缩空气是一个非常重要的问题，处理不当级钢铁机件会生锈，造成机是人类的失败。

此外，排气也能引起噪声污染。

用于位置控制，采集，开关控制和顺序控制机器人气动驱动器。

2.2.3电动机驱动

电机驱动，可分为普通交流和直流马达驱动，交流和直流伺服电机驱动器和步进电机驱动器。

通用的交，直流马达驱动器需要减速装置，输出扭矩大，但控制性能较差，惯性，适合中型或重型机器人。

伺服和步进电机的输出力矩比较小，良好的控制性能，可实现精确控制速度和位置，适合中小型机器人。

交流伺服电机一般用于直接闭环控制系统中，步进电机是主要用于开环控制系统，一般用于速度和位置精度并不重要。

第3章三轴机械手的总体方案设计

本课题来源于亚龙YL-221型自动化柔性生产系统项目，该机械加工自主创新实训系统模拟了实际工业生产系统，根据生产机械加工的不同阶段设置了多个工作站：

自动存取型高架仓库、搬运机械手站、直线输送机站、90度转弯输送机站、综合机械加工站、装配站、工件码堆站。

本课题将设计一个三轴龙门机械手，需完成X、Y、Z三维空间内的移动要求，以及对工件的安全抓紧和释放，将仓库出库的工件搬运到生产线的输送带上。

3.1设计参数

机械手即为三轴。

确定为X轴、Y轴、Z轴。

X轴为水平方向有效行程为800mm，

Y轴为水平面上垂直于X轴的方向有单效行程为1000mm，Z轴为竖直方向垂直于XY轴，有效行程为240mm。

工件形状：

φ50×50mm的铝制圆柱体；或φ50×50mm的塑料圆柱体。

定位精度：

±1mm；

运动速度：

>2m/min；

工作要求：

X、Y轴引动器用于机械手在水平方向上的精确定位，Z轴引动器则完成对工件提起或放下操作，机械手爪则完成对工件抓紧或释放操作。

3.2方案设计

本次设计的三轴龙门机械手总体方案结构图如下所示：

该机械手采用直角坐标系，X轴采用齿轮齿条传动方式，Y轴采用同步带传动方式，Z轴采用滚珠丝杠副传动。

现将各轴的驱动方案详细说明如下：

图3-1三轴龙门机械手总体结构图

3.2.1X轴方案设计

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