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三自由度平面直角坐标机器人设计论文
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审定成绩：
成都工业学院
毕业设计（论文）
设计（论文）题目：
三自由度机器人设计
专业：
机电一体化
摘要
在工业上，自动控制系统有着广泛的应用，如工业自动化机床控制，计算机系统，机器人等。
而工业机器人是相对较新的电子设备，它正开始改变现代化工业面貌。
本设计为三自由度直角坐标型工业机器人，其工作方向为三个直线方向。
在控制器的作用下，它执行将工件从一个地方搬到另一个地方这一简单的动作,本文是对整个设计工作较全面的介绍和总结。
关键词：
三自由度直角坐标工业机器人
Abstract
Itisstartingtochangethemodernindustriallandscape.ThedesignfortheindustrialrobotofthreedegreesoffreedomCartesiancoordinateitsworkdirectionforthethreelineardirections.Theroleofthecontroller,whichperformstheworkpiecemovedfromoneplacetoanotherplaceofthissimpleaction,Thisistheentiredesignmorecomprehensiveintroductionandsummary.
Keywords：
threedegreesoffreedom,rectangularcoordinates,industrialrobots
摘要……………………………………………………………I
Abstract…………………………………………………………II
前言……………………………………………………………1
第1章概述…‥………………………………………………2
1.1机器人概述………………………………………………2
1.2机器人的历史和现状……………………………………4
1.3机器人的发展趋势………………………………………6
第2章总体设计…………………………………………………8
2.1机器人的组成及各部分关系概述………………………8
2.2总体方案拟定……………………………………………9
2.3驱动方式的选择…………………………………………11
第3章机械系统设计…………………………………………13
3.1机械手的结构设计……………………………………13
3.2传动丝杆的设计………………………………………17
3.3导轨的设计……………………………………………20
3.4轴承的选择……………………………………………21
3.5电机的选择……………………………………………22
第4章总结……………………………………………………25
致谢……………………………………………………………27
参考文献………………………………………………………27
前言
随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，自动化控制系统有着广泛的应用，如工业自动化机床控制，计算机系统，机器人等。
而工业机器人是相对较新的电子设备，它正开始改变现代化工业面貌。
机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工，大大降低了劳动力，并且大大增加了工作效率和降低了产品的成本，对现代社会发展起到非常重要的作用，但现在的工业机器人只是在危险作业（广义的）、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的环境。
还有它可按照事先制订的作业程序完成规定的操作，但还不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。
如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机器人本身的损坏。
针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。
制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。
计算机集成制造（CIM）要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。
研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平，要求机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。
然而，目前商品化的机器人系统多采用封闭结构的专用控制器，一般采用专用计算机作为上层主控计算机，使用专用机器人语言作为离线编程工具，采用专用微处理器，并将控制算法固化在EPROM中，这种专用系统很难（或不可能）集成外部硬件和软件。
修改封闭系统的代价是非常昂贵的，如果不进行重新设计，多数情况下技术上是不可能的。
解决这些问题的根本办法是研究和使用具有开放结构的机器人系统。
由于种种原因，我国的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。
国内通过“七五”机器人技术攻关，已具备了生产国产机器人的基础，但国产机器人无论在技术上，还是可靠性上，都与国外机器人差相当一段距离，要尽快缩短这种距离，必须走一条开放型的自主科研道路。
本设计根据所需的要求和实践理论分析，设计了整个系统由电机驱动的三自由度机器人，使工件从一个位置运送至指定位置，机械手在规定时间内把工件沿指定路线搬运到另一个位置。
第1章概述
1.1机器人概述
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”（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。
简而言之，机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。
机器人一般分为三类。
第一类是不需要人工操作的通用机器人，也即本文所研究的对象。
它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。
它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。
第二类是需要人工操作的，称为操作机（Manipulator）。
它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。
工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。
第三类是专业机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。
这种机器人在国外通常被称之为“MechanicalHand”，它是为主机服务的，由主机驱动。
除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。
机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构形式的机器人。
要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构——执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动－传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。
这些系统的性能就决定了机器人的性能。
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1-1所示。
图1-1机器人的一般组成
机器人的机械系统主要由执行机构和驱动－传动系统组成。
执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动－传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。
驱动－传动系统主要包括驱动机构和传动系统。
驱动机构提供机器人各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。
有的文献则把机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。
其中的机械系统又称操作机（Manipulator），相当于本文中的执行机构部分。
1.2机器人的历史和现状
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，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。
第二代机器人正在加紧研制。
它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。
研究安装各种传感器，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）则能独立地完成工作过程中的任务。
它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS（FlexibleManufacturingSystem）和柔性制造单元FMC（FlexibleManufacturingCell）中的重要一环。
随着工业机器人研究制造和应用领域不断扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。
国际工业机器人会议ISIR决定每年召开一次会议，讨论和研究机器人的发展及应用问题。
目前，工业机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。
使用工业机器人代替人工操作的，主要是在危险作业（广义的）、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的环境。
在国外机械制造业中，工业机器人应用较多，发展较快。
目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先制订的作业程序完成规定的操作，但还不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。
如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机器人本身的损坏。
随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。
制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。
计算机集成制造（CIM）要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。
研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平，要求机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。
然而，目前商品化的机器人系统多采用封闭结构的专用控制器，一般采用专用计算机作为上层主控计算机，使用专用机器人语言作为离线编程工具，采用专用微处理器，并将控制算法固化在EPROM中，这种专用系统很难（或不可能）集成外部硬件和软件。
修改封闭系统的代价是非常昂贵的，如果不进行重新设计，多数情况下技术上是不可能的。
解决这些问题的根本办法是研究和使用具有开放结构的机器人系统。
美国工业机器人技术的发展，大致经历了以下几个阶段：
（1）年为试验定型阶段。
年，万能自动化公司制造的工业机器人供用户做工艺试验。
1967年，该公司生产的工业机器人定型为1900型。
（2）年为实际应用阶段。
这一时期，工业机器人在美国进入应用阶段，例如，美国通用汽车公司1968年订购了68台工业机器人；1969年该公司又自行研制出SAM新工业机器人，并用21组成电焊小汽车车身的焊接自动线；又如，美国克莱斯勒汽车公司32条冲压自动线上的448台冲床都用工业机器人传递工件。
（3）1970年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。
年，工业机器人处于技术发展阶段。
1970年4月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业机器人会议。
据当时统计，美国大约200台工业机器人，工作时间共达60万小时以上，与此同时，出现了所谓了高级机器人，例如：
森德斯兰德公司（Sundstrand）发明了用小型计算机控制50台机器人的系统。
又如，万能自动公司制成了由25台机器人组成的汽车车轮生产自动线。
麻省理工学院研制了具有有“手眼”系统的高识别能力微型机器人。
其他国家，如日本、苏联、西欧，大多是从1967，1968年开始以美国的“Versatran”和“Unimate”型机器人为蓝本开始进行研制的。
就日本来说，1967年，日本丰田织机公司引进美国的“Versatran”,川崎重工公司引进“Unimate”，并获得迅速发展。
通过引进技术、仿制、改造创新。
很快研制出国产化机器人，技术水平很快赶上美国并超过其他国家。
经过大约10年的实用化时期以后，从1980年开始进入广泛的普及时代。
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
国内各行各业对机器人的需求将越来越多，国内市场将稳步增长，根据目前的现状，我国机器人近几年发展的形式将会怎样呢？
根据我们的分析将会呈现如下几个特点：
1．从国际市场来看，机器人工业是一种高投入低赢利的产业，市场竞争极为激烈，机器人工业必须上一定规模才有利润可言，才有必需的开发投入，才能走上良性循环的发展道路。
世界上机器人产量最大的三家公司年产机器人数均超千台以上，其中ABB公司达到9000台，安川电机公司近2500台，KUKA公司近2000台，从国内现状来看，大公司、大企业通过与外国机器人公司合资合作，引进技术和资金，逐步规模化生产机器人，把国内机器人产业推向一个新的阶段，其中有代表性的，如首钢集团公司与安川电机公司合资的首钢莫托曼公司、唐山电子设备厂与松下电器公司合资的唐山松下产业机器有限公司、东风汽车公司与德国KUKA公司合作、济南二机床公司与美国ISI机器人公司合作等等。
这些合资合作的开展，将会有效地推动中国机器人工业的进步，全面促进中国机器人工业水平的提高，但是它也会和其他外国机器人公司一样，冲击中国机器人市场，影响具有自主开发能力的中国机器人产业的形成，也会使国内其他的机器人生产厂家面临一种严峻的挑战。
2．由注重机器人单机开发过渡到成套开发机器人应用系统
生产机器人多的大型公司，可以凭借规模优势，占据较大的市场份额，形成规模效益，而一些中小公司要想在激烈的市场竞争中求得生存，必须具有自己的特色。
国外许多中小公司把自己的市场定位在机器人系统集成或某些有特长领域，从而形成自己的局部优势，在市场中求得生存和发展，如奥地利IGM公司以向用户提供大型机器人焊接系统著称，机器人在系统中只占售价的13左右，卖单台机器人赢利甚微，而卖机器人系统却赢利可观。
意大利COMAU公司以承接压机生产线见长，在这里，机器人系统是促销售的关键。
我国国内机器人生产厂家规模大都较小，甚至谈不上规模，而国内一般企业又没有能力将机器人有效地集成到生产系统中去，因此，那些进行系统集成并向用户提供一条龙服务的公司，在机器人市场中将有较强的竞争力。
国内机器人生产厂家中北京机械工业自动化研究所，以承接涂装自动化生产线见长，累计产值近2000万元，中国科学院沈阳自动化研究所承接焊接生产线，累计产值近5000万元，哈尔滨工业大学机器人研究所的机器人码垛生产线正在产业化，累计产值超千万元。
3．机器人开发走开放型科研之路
国内通过“七五”机器人技术攻关，已具备了生产国产机器人的基础，但国产机器人无论在技术上，还是可靠性上，都与国外机器人差相当一段距离，要尽快缩短这种距离，必须走一条开放型的自主科研道路。
1）多方筹措开发资金，通过政府部门投资、用户单位投资、自我积累、外商投资、银行贷款等形式，筹措国产机器人的开发资金。
2）消化和利用国外机器人技术、资料、样机和关键元器件，为我所用。
3）选择引进国外质量可靠的机器人零部件和元器件。
4）大力开展国内合作，利用国内技术优势，开发具有中国技术特色的国产机器人产品。
5）注意机器人产品的高可靠性，使国产机器人的可靠性与国外机器人具有可比性，同时要做到低成本、易操作。
第2章总体设计
2.1机器人的组成及各部分关系概述
机器人的组成图
它主要由机械系统（执行系统和驱动系统）、控制检测系统及智能系统组成。
A、执行系统：
执行系统是工业机器人完成抓取工件，实现各种运动所必需的机械部件，它包括手部、腕部、机身等。
（1）手部：
又称手爪或抓取机构，它直接抓取工件或夹具。
（2）腕部：
又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变手部的工作方位。
（3）臂部：
是支承腕部的部件，作用是承受工件的负荷，并把它传递到预定的位置。
（4）机身：
是支承手臂的部件，其作用是带动臂部升降或俯仰运动。
B、驱动系统：
为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。
常用的机械传动、液压传动、气压传动和电传动。
本设计使用的是电传动。
C、控制系统：
通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。
D、检测系统：
作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求。
各部分关系图
2.2总体方案拟定
本设计喂三自由度机器人，其工作方向为X,Y,Z三个直线方向。
在控制器的作用下，它执行将工件从一个位置放到另一个位置，以实现自动化，减少人力劳动。
本文是对整个设计工作较全面的介绍和总结。
工件搬运图
除去机械手的总体框架
2.3驱动方式的选择
机器人常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。
这三种方法各有所长，各种驱动方式的特点见表2-1
表2-1三种驱动方式的特点对照
内容
驱动方式
液压驱动
气动驱动
电机驱动
输出功率
很大，压力范围为50～140Pa
大，压力范围为48～60
较大
控制性能
利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制
气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制
控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂
响应速度
很高
较高
很高
结构性能及体积
结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。
功率质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大
结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。
功率质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小
伺服电动机易于标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除DD电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题
安全性
防爆性能较好，用液压油作传动介质，在一定条件下有火灾危险
防爆性能好，高于1000kPa（10个大气压）时应注意设备的抗压性
设备自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境的防爆性能较差
对环境的影响
液压系统易漏油，对环境有污染
排气时有噪声
无
续表2-1三种驱动方式的特点对照
在工业机器人中应用范围
适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机器人、点焊机器人和托运机器人
适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制机器人，如冲压机器人本体的气动平衡及装配机器人气动夹具
适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机器人，如AC伺服喷涂机器人、点焊机器人、弧焊机器人、装配机器人等
成本
液压元件成本较高
成本低
成本高
维修及使用
方便，但油液对环境温度有一定要求
方便
较复杂
机器人驱动系统各有其优缺点，通常对机器人的驱动系统的要求有：
1）．驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高；
2）．反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁地起、制动，正、反转切换；
3）．驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；
4）．安全可靠；
5）．操作和维护方便；
6）．对环境无污染，噪声要小；
7）．经济上合理，尤其要尽量减少占地面积。
经上述分析此三自由度机器人X,Y,Z方向驱动及机械手的驱动采用电机驱动。
第3章机械系统设计
3.1机械手的结构设计
搬运机器人能够模仿人手部的部分动作，按照设定的程序、轨迹和要求，代替人工在高温和危险的作业区进行单调持久的作业，实现一些人工不可能完成的工作，这不仅可以使人手避免出现可能的危险情况，保障生产安全，还能促进工作线的流水化，提高了工作效率，降低了劳动强度，改善了劳动环境，已经成为现代制造业中不可或缺的一种自动化装置。
根据对机器人的工艺过程及控制要求分析，机械手的动作过程如图所示：
以下是机械手的视图表示：
主视图
左视图
俯视图
三视图
3.2传动丝杆的设计
滑动螺旋的特点：
①结构简单，加工方便；②易于实现逆行程自锁，工作安全可靠；③摩擦阻力大，传动效率低；④容易磨损，轴向刚度较差。
滚珠螺旋的特点：
①摩擦阻力小，传动效率高；②磨损小、寿命长、工作可靠性好；③具有运动的可逆性，应设防逆动装置；④轴向刚度较高，抗冲击性能较差；⑤结构复杂，加工制造较难；⑥预紧后得到很高的定位精度（约达5um300㎜）和重复定位精度（可达1~2um）。
参照设计要求发现，滑动螺旋和滚动螺旋均可满足要求，拟选定滑动螺旋传动方式。
1.滑动螺旋传动特点
（1）螺杆转动一周，螺母移动一个螺距（弹头螺纹）。
因为螺距一般很小，所以在转角很大的情况下，能获得很小的直线位移量，可大大缩短机构的传动链，故装置结构紧凑。
（2）具有较好的增力作用。
只要给主动件一个较小的转矩，从动件即能获得较大的转矩。
（3）由于工作台采用滑动螺旋设计，存在较大的滑动摩擦，致使其效率偏低，磨损较快。
2.螺杆材料、热处理及精度
所有轴的制造材料均为45号钢。
螺纹部分采用表面淬火处理，保证硬度达到45HRC，使螺纹具有较好的强度和韧性。
考虑传动工作台的技术要求和安装限制，选取公差等级为h7级的基轴制配合。
3.螺纹数据的初步设计与校核
考虑到实际中轴向力的影响较大，选取梯形螺纹作为基本齿形。
根据GBT5796.3-2005，。
试取（外螺纹）公称直径，对应的中径，小径，螺距。
由GBT5796.4-2005，对于h7的梯形外螺纹，中径的极限尺寸，。
现实中，滑动螺旋传动的失效性是主要是螺纹的磨损、螺杆的变形或螺纹的断裂等。
因此，滑动螺旋传动的校核通常包括耐磨性、刚度、稳定性及强度等方面。
根据使用需要，还需进行驱动力矩、效率与自锁等其他方面的计算。
（1）螺旋升角及诱导摩擦角
，得
查表【1】，钢的摩擦系数，因而
其中，梯形螺纹的牙型半角
（2）轴向力的确定
根据要求，载重。
设计中留出预留量，即考虑径向力，取，则
。
根据力的合成原理，得
（3）耐磨性校核
因为磨损的速度与螺纹工作表面大小有直接关系，所以为了提高螺旋传动寿命，必须限制螺纹工作表面压强，即：
这里，取梯形螺纹螺纹工作高度。
试选用整体式螺母（），因而。
这里初步确定螺纹材料为45号钢，为兼顾螺纹的硬度和韧性要求，进行比表面淬火处理，保证HRC在40～50。
查表【1】得45号钢的许用压强。
显然，有成立，合格。
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