圆柱坐标式机械手设计

洛阳理工学院毕业设计（论文）I圆 柱 坐 标 式 机 械 手摘 要本毕业设计设计了圆柱坐标式机械手，该机构可实现两个直线方向和一个旋转方向的运动。在控制器的作用下，它可以完成将工件从一条流水线拿到另一条流水线这一简单的动作。在设计过程中，机械手部选用了移动式齿轮齿条手部来实现对工件的夹取；两个直线运动均采用液压驱动，包括横梁液压缸水平方向的移动和升降液压缸垂直运动；旋转运动采用齿轮齿条的结构形式，通过对齿条的驱动实现立柱的回转运动。通过上述三种机构的运动可以精确定位工件位置，然后机械手进行夹取，最后可以根据要求进行工件的转移。该结构实现简单,且整体结构紧凑，可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。关键词： 圆柱坐标，工业机器人，机械手洛阳理工学院毕业设计（论文）IICYLINDRICAL COORDINATE ROBOTABSTRACTThis graduation design design the cylinder sit mark type machine hand, should organization can realization two straight line direction and 1 revolve direction of sport.Under the function of the controller, it can the completion get hold of a work piece another flowing water line this action that is simple from a flowing water line.In the design process, the machine hand chose to use to move the type wheel gear Chi a hand to clip work piece to take to the realization;Two straight line sport all adoption the liquid press to drive and include a horizontal beam liquid to press an urn of level direction of move and ascend and descend the liquid press an urn perpendicular sport; Revolve sport adoption wheel gear Chi the structure form of, pass to drive Chi realization to sign turn round of pillar sport. Pass three above-mentioned kinds of organization of sport can precision fixed position work piece position, then the machine hand carry on clipping to take, end can according to request carry on a transfer of work piece.Should structure realization simple, and whole structure tightly packed, can replace hand of heavy labor, show Zhao to ease a worker of labor strength, improvement labor condition, exaltation labor rate of production and automation level.KEY WORDS: Cylindrical coordinate, Industrial robot, Manipulator洛阳理工学院毕业设计（论文）III目 录前 言 .1第 1 章 总体设计方案 .91.1 总体设计的思路 .91.2 总体方案的确定 .101.3 机械手的组成 .101.4 机械手的坐标形式 .121.5 机械手的主要参数 .13第 2 章 机械手相关的设计与计算 .152.1 手指的相关设计与计算 .152.1.1 手指夹紧力的计算 .152.1.2 手部液压缸的选取 .172.1.3 水平伸缩缸尺寸计算 .192.1.4 升降液压缸主要参数的确定 .202.2 立柱与底座的设计 .23第 3 章 相关的校核 .243.1 手爪扇形齿轮与齿条强度校核 .24结 论 .25谢 辞 .26参考文献 .27外文资料翻译 .28洛阳理工学院毕业设计（论文）1前 言机器人技术的发展，可以说是科学技术发展共同的一个综合性的结果，同时，也是为社会经济发展产生了重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展。另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，人类的发展随着人们逐渐的这种社会发展的情况，人们越来越不断探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中,需求能够解放人的一种工具。那么这种工具就是代替人们去能够从事复杂和繁重的体力劳动，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。另一方面，人们有各种各样的好的想法，它也归功于电子技术，计算机技术以及制造技术等相关技术的发展而产生了提供了强大的技术保证。毕业设计是对大学三年所学的知识的总结和运用。它是基础知识和专业知识的统一，是理论和实践相结合，这加深了我们对所学知识的理解和灵活运用。通过查阅大量的资料，学到了很多在课堂上学不到的知识和掌握了一部分新的理念，为我们走向工作岗位奠定了一定的知识基础。同时，也是检验我们掌握所学知识的深度和力度本说明书是根据设计课题要求，有本人编写的简明工具文本，全书共一册内容互相衔接，配合设计图纸一起使用。本说明书内容包括绪论、机构简图、设计计算说明，配合设计图纸、机械手的使用方法和技术，为用户在使用过程中维护和改进本产品提供原始数据。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。洛阳理工学院毕业设计（论文）2“工业机器人” （Industrial Robot）：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“Mechanical Hand”，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 所示。洛阳理工学院毕业设计（论文）3执行 机构机器人控 制系统驱动 - 传动系统手部腕部臂部腰部基座部（ 固定或移动）电 、液或气 驱 动 装置单关节 伺服控制器关节协调及 其它信息交换计 算机图 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。其中的机械系统又叫操作机(Manipulator)，相当于本文中的执行机构部分。2.国内发展状况及趋势（1）国内现状：我国汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约 200 台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求， “一客户，一次重新设计” ，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模化设计，积极推进产业化进程。洛阳理工学院毕业设计（论文）4我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000 米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品。（2）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 公司以向洛阳理工学院毕业设计（论文）5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 1/3 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。a.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。b.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。c.选择引进国外质量可靠的机器人零部件和元器件。d.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。e.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。洛阳理工学院毕业设计（论文）6第 1 章 总体设计方案在确定机器人总体设计方案前，我们还要拟定本设计的基本步骤及其要遵循的一些基本原则，从而使设计方案更合理。1.1 总体设计的思路设计机器人大体上可分为两个阶段：1、系统分析阶段（1） 根据系统的目标，明确所采用机器人的目的和任务。（2） 分析机器人所在系统的工作环境。（3） 根据机器人的工作要求，确定机器人的基本功能和方案。如机器人的自由度、动作精度的要求、所能抓取的重量、容许的运动范围等。2、技术设计阶段（1） 根据系统的要求确定机器人的自由度和允许的空间工作范围，选择机器人的坐标形式；（2） 拟订机器人的运动路线和空间作业图；（3）确定驱动系统的类型；（4）选择各部件的具体结构，进行机器人总装图的设计；（5） 绘制机器人的零件图，并确定尺寸。下面结合本演示系统的基本要求和设计的基本原则确定本系统的方案。1.2 总体方案的确定提到总体方案的确定，让我们重复一下本课题的要求：设计一种圆柱坐标式机械手，要求该装置具有三个独立的运动（两个直线运动和一个旋转运动） 。该机构中立柱可相对于机座旋转 180 度，回转速度15r/min，横梁采用液压驱动