球坐标工业机械手设计【50N】（含全套CAD图纸）
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to be in of 996 216of . . . . . . . . 44106a of We as to to of a as to to is by of a to be is a in is is “ of a to to . “on at to a .”2. “of . to a on be In of a In s an : to is to of in is as to of to to be in of 996 216of a of of A of is to in is of of in of to be to a of of an )a of as as a of a of is a of of an on a of is of a of is in of is is to be a of an a as as V An is It to he on to by a to as as a in is a 2 on to by s). of to of in is to at on to of of is of A ) is of to to a of to be a an at a in s by to on of of to of to a it of is by ). to be s to be in of 996 216be of a be be To s as an to : of is to a an be to is a is on of to a a in is to on to to of is is It to at an or to of on in a of of to of of of : to be is If of a no to as a as or a of to on An of is of a an in be by on to is is in a its to it of in s is to of of is of is of be to of is to to a s be to be in of 996 216be to or a of or on of to is to a to be to to is a be to . of In a it be to a of a to in to by a to a A of is If in to be to if it no a or in of A to In to be to at a if a a B to at it is to of to of a is or +8s MV it is + in as a is It to C , a In it of a V : s by a in to ). (s), on a + on BCs V is In a be on by a of on be or a to to be in of 996 216on to be BCs on a of V is to of a to In we of In is O), it a as of O of to to is to an or +to by or by of of s a to of we to in of to A is a or a is to a of So we acti 敏捷制造的轻型作业单元设计机械应用 罗杰 D 奎因，格雷格三考西 机械系和航空航天工程 弗兰克，戴维 M 萨金特，尼古拉答 曼，维尔吉利奥 电机工程学系与应用物理系 安迪 妍乔 . 算机系工程与科学 凯斯西储大学（ 美国俄亥俄州克利夫兰， 44106 摘要 ： 本文介绍了一种灵活的设计用于制造工作单元光机电从类似的产品的装配部件（即作出部分 零件 ）。我们定义了敏捷制造能够实现快速转换，从 装配 一个产品到另一个产品的装配。快速硬件转换成为可能，通过使用 机 器人，灵活的 装配 部分，模块化夹子机模块化装配硬件。依靠灵活的馈线上料皮带和二进制计算机视觉构成估计。这明显的优势超过 碗饲养的饲养计划需要大量的调整从一个转换另一部分。正在快速转换软件促进了一个真正的一次性使用的，面向对象软件环境，模块化的软件，图形为离线模拟软件的开发，以及创新的双控制器结构 线。这些灵活的功能允许将引进新产品最小的停机时间和系统重构。 1 简介 么是敏捷制造？ 敏捷 制造是一个长期见过增加了过去几年中，工业使用。该“敏捷“的定义，但是，目前尚不清楚，也不是一致：“敏捷：一个制造商的措施突然的反应能力，不可预测的变化客户需求的产品和服务，使一利润“ 1。 “今天工厂正在陆续被在裁缝敏捷货物交给客户的要求不停产 . 2 敏捷制造 同化物的柔性生产全系列技术，以吸取的教训以及总质量管理， 只是在时间的生产和 精益 生产“ 3。唯一的共同点之一各种定义是能够制造出多种对什么可迅速为基础的类似产品不断变化的客户需求。在过去，生产专门针对大批量单一生产产品。在今天的市场，然而，重点是对 小批量移动从不断变化的，客户驱动的产品线。 图 1：敏捷作业单元 一个“敏捷“制造的定义已通过适用于光机电装配产品：敏捷制造是有能力完成快速转换之间的不同制造利用基本相同的组件工作单元。快速转换（以小时为单位），此外，被定义为移动能力的一个产品，从大会 另一种产品装配与最低的变化工具和软件。快速转换使生产小批量，让 只是在时间 生产。我们的“敏捷“的定义的中心主题制造业是能够迅速推出（按星期计算）为新的组件和部件系统。 在这个系统中，快速完成转换通过可重复使用的软件的使用，快速变化该机械手夹持器 ，模块化工作表和部分馈线其中有足够的弹性处理，而无需机械零件的几种类型调整。这些馈线使用视觉，在硬地夹具，以确定位置和方向部分。通用，可重复使用的例程允许新的部分视力被添加到具有最低系统的努力。 一个实施一个灵活的测试平台已开发生产工作单元（图 1）。这包括机械机器人，灵活的部分进料器，视觉系统（摄像机，图像采集，并库中的图像处理程序），以及有限传感器和执行器专用所需人数完成一个给定的程序集。这样一个核心特征工作单元是一个控制器控制每一个有能力的上述组件。 该工作单元是中央输送系统，这是博世实现使用标准的硬件 。这是负责转移部分完成组装机器人之间进行成品和单位一卸货机器人的机器人安装在基座附近输送带系统。托盘与专业部件固定装置是用来在整个集会进行系统完成后，该组件将被删除从托盘的装卸机械。最后，安全笼包围整个工作单元，服务保障 运营商以及提供用于安装的结构开销相机。 送系统 输送机系统在 用工作单元是一个模型 博世制造。托盘在两个主要传阅，输送线。这些行是平行的，彼此相反的操作方向。托盘转移这两者之间部分由电梯传热单元（ ）的手段。这些允许各地输送托盘流通系统和重新排序能力的托盘。在系 统托盘的每个都有一个独特的识别号码，使系统跟踪和直接的进展。止损是安装在关键输送机上的点来控制托盘的流量。这方面的一个创新的输送系统使用的是使用短“骨刺线“。一种鞭策（图 2）是一个单纯的延长输送机，垂直为主线（类似于铁路支线）。这允许流主输送线，而要维持一个机器人执行组装在鞭策。托盘进入一个刺激注册在机器人的世界由一个坐标系 臂安装摄像头，允许地方或机器人消除对托盘零件，避免牺牲机械登记 配站 大会的几个车站的布局进行了分析在选择最终布局。在评估了几个每一个布局功能，包括：展示位置相对于机器人输送 机，给料机的影响相对于机器人的位置工作信封，并机器人动作一个通用大会的必要，这是确定，在图 2 最适合的布局需要的工作单元。每一个装配机器人是由两个包围模块化，可移动工作台和两个固定喂养表（图 2）。模块化表很容易交换，允许专门组装硬件放置在机器人的工作信封。表中包含的模块化和气动执行器可连接快速电传感器，允许任何专门工具迅速变化需要一个给定的程序集。通过设计这些表是模块化和易于交换，不同的装配硬件可以快速入住。为了实现快速转换，模块化工作登记表在机器人的世界坐标在同一系统由于托盘的方式（即使用臂安装摄像头）。进 料表是固定的，与水平， 送机安装到他们。 图 2：工作站布局 输送机的一个缺点 /刺激系统，如上所述，必须充分交流的时间托盘为一个空的。在这段时间（约 15 秒）的机器人将可以想象无效。一简单的解决这个问题是一个迷你仓：一夹具是位于交换部分的工作表来保存一些完成组装。在一个托盘互换，装配机器人可以继续运作而传入的工作托盘到达时，放置在迷你仓完成组装。后来电转移到托盘的刺激，视觉系统寄存器的托盘。该机器人将当前的大会（在其爪仍）托盘上，然后所得款项将完成从组件迷你仓的托盘。 料机 柔性件 每个支线组成（图三传送带 3）。第一输送机倾斜，从电梯部件散装料斗。第二输送机是水平的，具有半透明带。它传输到机器人零部件，呈现在附近的机器人 。该第三输送机返回未使用的或不利的导向到大型料斗部分。 正确地运作取决于馈线部分被取消的散装料斗中 式。许多因素影响效益倾斜输送机：对角输送到水平方面，皮带特性（如摩擦系数），对带式（防滑，磁力，真空），以及线速度带，例如。 图 3：灵活浇注系统示意图 当不同的零件，应美联储，散装料斗清空，并与新的 部件填补。如果部分是类似的几何形状，进料没有变化系统通常是必要的。一些地区，如圆形或圆柱的（即那些将回滚下来倾斜）可能需要不同的腰带，如表面，防滑一个或一个不同的角度倾斜。架空相机用于定位部件对水平输送机。一种紧凑型荧光灯阵列灯是安装在每个输送机的水平。用半透明的这些灯一起输送带提供 分可向视觉系统。使用二进制视觉工具（目前上料机由一个熟练的视觉系统提供）部分皮带进行检查。首先，视觉系统会查看是否一部分是抓握（即部分承认的是，稳定姿态（位置和方向）和足够的间隙之间存在的一部分，它的邻国 抓住了它爪）。第二，造成了部分在机器人的世界坐标确定。这个姿势，和动作与收购相关的部分，是检查，以确保他们在机器人的工作信封。 觉系统 视觉系统的一个基本功能是确定灵活的组件构成部分喂养。姿态估计是使用内置该 件功能，而且必须要快够不干预装配周期时间。一对视觉系统的第二功能是登记托盘和模块化的工作表到机器人的世界坐标系统，避免了调整的需要硬件。还有另一种可能是使用错误恢复，其中，该相机可以用来检查临界点在系统中，或在进程内组件。 该视觉系统使用的标准数字 机， 装配件或以上的灵活馈线或在机器人手臂。由于数字相机到 统的投入是有限的四个，一个低成本，自定义视频多路复用器的开发，利用一单片式视频切换器集成电路。这使得多达四台摄像机被连接到每个视频输入法视频硬件。 在与快速转换保持理念，视觉程序设可重复使用，这是一个给定的常规，可用于定位几个不同但相似的部分（即类似计为不对称性，拓扑结构等）。这种方法有很多优势，包括尽量减少软件的数量例程。此外，该软件允许重复使用模块化和“敏捷。“例如，通过参数化特征例行搜查因为，它可以适用于部分有一个类似的个人资 料但属于不同的大小。这意味着，部分与在这些类似的几何形状零件库，可添加到系统中，只需修改检查程序调用这些低层次的，可重复使用的例程， 进的新零件 添加一个新的一部分，该系统涉及数明确任务。 愿景例行这就决定了构成的一部分，开发，利用图书馆可重复使用的视觉例程。如果新的部分似乎没有别的地方特色，在零件图书馆，新的程序可能需要添加到软件库。此外，如果部分没有被设计为使用通用零部件馈线（例如它没有稳定的姿势像，缸），可能需要的馈线变更或腰带改变倾斜角度。引人入胜还必须旨在操纵新的一部分。为了尽量减少避免了专门的硬件和工具的变化大会，手爪设计应进行与其他部件的设计，同时为抓手聚集在一个给定的机器人。举例来说，如果给定操作既需要一个一个小部件和组件是一个 B 在第一个机器人组装，设计人员应手爪考虑到这一点 在一般情况下，最好是设计的部件和相关的硬件同时进行。这将使最大程度地重用的软件，以最小的变化灵活的体制和喂养一个强有力的装配设计序列，将加强无人操作。这方法称为设计制造及 者干脆 3 计算机硬件 /控制器 设计 目前的软件已被完全开发在 程语言和操作系统，在娴熟的 制器。对于大多数工业应用中，这将是编程环境足够的，但它缺乏动力和灵活性需要支持快速的软件开发和转换。这主要是因为 V+缺乏特色这是标准的其他语言和操作系统系统，如用户定义函数，标准数据结构和 执行。 To a 泛的控制器接口的设计工作已发展。这将允许系统来支持 C 和的 C +，并提供一个更友好，更灵活的用户接口。此外，它将允许实时使用操作系统，从而简化软件开发和提高性能。 图 4：系统架构 在这个设计中，系统的能力扩大了使用除第二 4）。这第二个 线房子的 I / O 板和专用 单板计算 机（ ），对其中一个实时操作系统执行 C 和 C+程序对 运行的。负责所有高层次的控制和机器人 运动（例如：输送机控制，气动操作，指定机器人目的地），而采用压控制器专为低级别的机器人运动（如伺服控制和轨迹生成）和一些机视觉例程。在以后的实现，这是视觉处理板，也可以用在第二 线，从而充实了统。两个总线连接电缆或光纤连接。内存所做的更改由一个反射内存网络。这包括两个内存卡，各有一个总线，它可以由连接的 一板会自动反映，另一方面，从而允许指令和数据传送之间两个 塞尔公约秘书处的地点可以使机器人对反射内存网络的构想命令。这些都是宣读了命令组服务器上运行 控制器。 这些服务器执行命令并在适用时，返回相同的结果通过网络。 4 作业单元软件 另一个软件是一个灵活性的关键敏捷制造工作单元，但是，这种灵活性不来而精心设计。尽管软件本质上是比硬件更容易改变，结构一个软件系统可以降低，经过反复修改，导致可靠性差，并增加维修费用。在设计工作单元控制软件方面，我们聘请软件工程方法和工具支持的设计原则改变。特别是，我们最新的设计是面向对象（ ，也就是说，它是根据物体的识别该系统，这是这些实体有一个国家和一个行为。物理设备，抽象数据结构整个子系统建模为对象，提供，明确设定服务时， 其执行封装和隐藏。强调面向对象软件设计减少了工作量需要引入进入新的工作单元产品通过可重用的代码。 能够迅速引入新产品工作单元是至关重要的一个灵活的系统。对象类型或类类构造，其中服务对应 定义使用 C + +电话。新的类派生自现有通过增加的服务或通过覆盖实现现有服务。面向对象便于维护，因为一个实施类是可以改变的，而不会影响客户端代码，使用类的服务，因为派生类可以可用于任何需要它的父类即可。除了满足我们的要求特别是制造业中的应用，我们希望指定 软件设计的组件，可能证明有用 敏捷制造各种应用 。因此，我们试图确定敏捷设计模式制造业。设计模式是一组沟通的对象或类，两者代表一个可重复使用的设计元素，是适用的，经过一番专业化，一 种。到目前为止，我们已经确定用于这种活动的设计模式整个系统的控制，系统之间的通信元器件，零部件和组件的规定，调度系统任务和错误处理。 业系统 该工作单元控制的最初版本 软件实施了与 V+操作系统 和编程语言提供了善于压控制器。虽然为 V +提供了足够的设施许多机器人应用，我们确定一个更先进的操作系统和编程语言将更好地支持我们的软件设计理念和敏捷制造的目标。一般来说，工作单元控制涉及的号码管理实时限制并发任务。因此，一实时操作系统（ 足够和任务调度，通信和可靠的设施同步是可取的。 件体系结构 该工作单元控制软件被设计成一个层次结构的服务器。在最高水平，工作单元控制器的服务请求人的经营人包装箱成品组件。在这样做时，到托盘服务器沿着托盘输送机马刺之间。托盘服务器跟踪运动每个托盘，但工作单元控制器负责知道托盘内容。该工作单元控制器 大会的服务器，这都与要求机器人，以填补部分或全部组件托盘。为了满足这些要求，大会的服务器必须部分下属与服务器进行通信以 及与机器人和专用硬件。的部分反过来服务器必须与零件馈线和通信与视觉系统。一般来说，服务器的设计作为对整体工作单元一些假设如可能的结构，使他们不敏感该结构的变化。在适当情况下，服务器同时运行，例如，同时增加了一个机器人部分集会，该部分服务器尝试设在机器人的未来预期另一部分 错误的处理，也是分层的。如果一台服务器遇到一个错误，它首先试图解决这个问题在当地，例如，通过使更多的要求下属服务器。如果失败，服务器表明它的客户端它无法提供所要求的服务。客户端然后试图解决这个错误条件。作为一个具体例如，考虑一个部分服务器无 法找到一部分在其远景窗口。它会一再提前给料机和拍照。如果没有部分是内发现一一定数量的重复，将报告的部分支线大会未能服务器。如果没有多余馈线部分，它可以调用，服务器将在大会信号发生故障的工作单元控制器。在缺乏冗余服务器的组装问题，钍控制器将问题通知，要求经营者人为干预。鲁棒，容错软件必要的无人值守，操作的工作单元。 以明显看出一个仿真硬件系统预计将是极为有益的。该决定是为了开始发展全面的仿真，将允许工作单元控制代码被开发和测试，而不使用实际硬件。这允许控 制软件来编写和调试没有制止生产功能工作单元。它也非常有用，以显示图形硬件的响应（图 5） 特别是研究各种工作单元布局。 ， 图 5： 拟 输送系统已完全模拟。详细的仿真机器人和远见系统正在开发中。仿真代码模仿的工作单元的输入和输出，使为模拟透明地使用。换句话说，在代码是用来模拟控制的工作单元是相同的代码运行在同一处理器板用于控制物理设备。这是一个功能强大的工具软件设计中不存在任何矛盾控制与仿真代码和实际控制代码。这消除了移动可能移植问题从模拟到实际控制平台 5 结论 本研究成功验证的关键问题 对于一个敏捷制造工作单元的设计。柔性件馈线，机器视觉，模块化硬件，广泛的控制器接口，在线纠错，图形模拟和模块化的软件都一个广泛实施的重要因素。在继续工作，该系统正在扩大模块化的程序，包括视觉，一个实时的使用操作系统，面向对象编程，广泛的错误检测和恢复。产品设计制造和装配也将发挥关键作用在促进摄食，装配，并造成估计。 参考文献 1捷制造的搜索。制造工程， 30:281993。 2活的工厂：个案研究。电机及电子学工程师联合会频谱， 30:281993. 3理，技术和敏捷性：一个新时代的出现制造业。国际科技杂志管理， 8（ 1/ 2）， 1993 4活的工厂：案例研究。电机及电子学工程师联合会频谱，30:281993。 5活的工厂：个案研究。电机及电子学工程师联合会频谱， 30:281993。 6个计算机框架视力敏捷制造。硕士论文，案例西储大学， 1996。 7. 布思罗伊德杜赫斯特公司产品装配设计， 1991 年 3 月 8 +语言参考指南， ， 1993 年 6 月 787月。 9 线系统， 9（ 3）， 1992。 10头盔，河约翰逊和 J. 计模式，可复用面向对象软件。艾迪生韦斯利，读，硕士， 1994。 致谢 这项工作得到了克利夫兰先进制造项目（营地）通过中心自动化和智能系统研究（ 学校的工程案例 毕业设计（论文）外文翻译 题目 4器人结构设计与运动模拟 专 业 名 称 机械设计制造及其自动化 班 级 学 号 078105226 学 生 姓 名 饶新龙 指 导 教 师 许 瑛 填 表 日 期 2011 年 6 月 1 日 1 宁毕业设计 (论文 ) 球坐标工业机械手 所在学院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指导老师 2 摘 要 球坐标工业机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件 之一 。 该装置涵盖了可编程控制技 术 ， 位置 控制技术 、 检测技术 等 ， 是机电一体化的典型代表仪器之 一 。 本文介绍的球坐标工业机械手是由 出三路脉冲 ， 分别驱动横轴 、 竖轴变频器 ， 控制球坐标工业机械手横轴和竖轴的 精确定位 ， 微动开关将位置信号传给 机 ； 位置信号由接近开关反 馈给 机 ， 通过交流电机的正反转来控制球坐标工业机械手手爪的张合 ， 从而实现球坐标工业机械手精确运 动的功能。本课题拟开发的物料搬运 ,球坐标工业机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样 ， 可代替人工在高温和危险的作业区进行作业 ， 并可根据工件的变化及运动流程的 要求随时更改相关参数。 关键词： 球坐标工业机械手 , 交流电机， 程，参数 ) 2 of C a is a of of a to to to be be of AC 目 录 摘 要 . 2 . 2 目 录 . 3 1 绪 论 . 错误 !未定义书签。 题背景及目的 . 错误 !未定义书签。 器人的定义与发展状况 . 错误 !未定义书签。 义 . 错误 !未定义书签。 器人的发展 . 错误 !未定义书签。 题研究意义 . 错误 !未定义书签。 2 球坐标工业机械手介绍分析 . 错误 !未定义书签。 坐标工业机械手 . 错误 !未定义书签。 坐标工业机械手的组成 . 错误 !未定义书签。 坐标工业机械手的应用 . 错误 !未定义书签。 坐标工业机械手的分类 . 错误 !未定义书签。 3 球坐标工业机械手结构方案和驱动方案选型 . 错误 !未定义书签。 始数据及资料 . 错误 !未定义书签。 作要求分析 . 错误 !未定义书签。 坐标工业机械手结构及驱动系统选型 . 错误 !未定义书签。 4 系统各主要组成部分设计 . 错误 !未定义书签。 取机构设计 . 错误 !未定义书签。 部设计计算 . 错误 !未定义书签。 紧装置 4 . 错误 !未定义书签。 部设计计算 . 错误 !未定义书签。 伸缩机构设计 . 错误 !未定义书签。 压驱动系统设计 . 错误 !未定义书签。 部抓取缸 . 错误 !未定义书签。 部摆动液压回路 . 错误 !未定义书签。 体系统图 . 错误 !未定义书签。 身结构的设计 . 错误 !未定义书签。 机的选择 . 错误 !未定义书签。 速器的选择 10 . 错误 !未定义书签。 柱的设计与校核 11 . 错误 !未定义书签。 座的机械结构 . 错误 !未定义书签。 坐标工业机械手的定位及平稳性确定 . 错误 !未定义书签。 4 用的定位方式 . 错误 !未定义书签。 响平稳性和定位精度的因素 . 错误 !未定义书签。 坐标工业机械手运动的缓冲装置 . 错误 !未定义书签。 制液压系统图 . 错误 !未定义书签。 5 机械手控制系统设计 . 错误 !未定义书签。 械手的工艺过程 . 错误 !未定义书签。 制系统 . 错误 !未定义书签。 制系统程序设计 . 错误 !未定义书签。 总结与展望 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 错误 !未定义书签。 致 谢 . 错误 !未定义书签。 5 1 宁院 毕业设计 (论文 ) 球坐标工业机械手 所在学院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指导老师 2 摘 要 球坐标工业机械手 是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件 之一 。 该装置涵盖了可编程控制技 术 ， 位置 控制技术 、 检测技术 等 ， 是机电一体化的典型代表仪器之 一 。 本文介绍的 球坐标工业机械手 是由 出三路脉冲 ， 分别驱动横轴 、 竖轴变频器 ， 控制 球坐标工业机械手 横轴和竖轴的 精确定位 ， 微动开关将位置信号传给 机 ； 位置信号由接近开关反 馈给 机 ， 通过交流电机的正反转来控制 球坐标工业机械手 手爪的张合 ， 从而实现 球坐标工业机械手 精确运 动的功能。本课题拟开发的物料搬运 ,球坐标工业机械手 可在空间抓放物体，动作灵活多样 ， 可代替人工在高温和危险的作业区进行作业 ，并可根据工件的变化及运动流程的 要求随时更改相关参数。 关键词： 球坐标工业机械手 , 交流电机， 程，参数 ) 2 of C a is a of of a to to to be be of AC 目 录 摘 要 . 2 . 2 目 录 . 3 1 绪 论 . 5 题背景及目的 . 5 器人的定义与发展状况 . 5 义 . 5 器人的发展 . 6 . 6 2 球坐标工业机械手介绍分析 . 8 . 8 . 8 . 8 . 9 3 球坐标工业机械手结构方案和驱动方案选型 . 11 . 11 作要求分析 . 11 . 12 4 系统各主要组成部分设计 . 13 . 13 . 13 4 . 14 . 15 伸缩机构设计 . 17 压驱动系统设计 . 19 部抓取缸 . 19 部摆动液压回路 . 20 体系统图 . 21 身结构的设计 . 22 机的选择 . 23 速器的选择 10 . 23 11 . 24 . 25 . 26 4 . 26 . 26 . 27 制液压系统图 . 28 5 机械手控制系统设计 . 29 械手的工艺过程 . 29 制系统 . 30 制系统程序设计 . 32 总结与展望 . 35 参考文献 . 36 致 谢 . 37 5 1 绪 论 题背景及目的 毕业设计是机械设计制造及其自动化专业在校学习的最后一个环节，是对四年大学学习的继续深化和检验，即有实践性又有综合性，是其他单一课程所不能替代的，通过毕业设计更能提高综合训练能力，为即将走向工作岗位，提高实际工作能力起到十分重要的作用。以达到如下目的： （ 1）综合运用所学的基础理论、基本知识和基本技能，提高分析解决实际问题的能力。 （ 2）接受工程师必须的综合训练，提高实际工作能力。如调查研究、查阅文献和收集资料并进 行分析的能力；制订设计或试验方案的能力；设计、计算和绘图能力；总结提高撰写论文的能力。 （ 3）检验综合素质与实践能力。 器人的定义与发展状况 义 目前，工业机器人的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。最近联合国国际标准化组织采纳了美国机器人协会给工业机器人下的定义：工业机器人是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件。参考国外的定义，结合我国的习惯用语，对工业机器人作如下定义： 工业机器人是一种机体独立，动作自由度较多， 程序可灵活变更，能任意定位，自动化程度高的自动操作机械。主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸工件或夹具 1。 工业机器人以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运更重的东西，而且定位精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行各种操作。 工业机器人是在计算机控制下可编程的自动机器人是提高产品质量与劳动生产率， 6 实现生产过程自动化，改善劳动条件，减轻劳动强度的一种有效手段。机器人的诞生和发展虽只有 30 多年的历史，但它已应用到国民经济，民事技术等众多的领域，具有广阔的应用和发展前景， 显示出强大的生命力 2。 根据所处的环境和作业需求，工业机器人具有至少一项或多项拟人功能，如抓取功能或移动功能，或两者兼有之，另外还可能程度不等的具有某些环境感知功能（如视觉，力觉，触觉等）。以及语音功能及至逻辑思维，判断决策功能等。从而使其能在要求的环境中代替人进行作业。 在工业机器人的诸多功能中，抓取和移动是最主要的功能。这两项功能实现的技术基础是精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动。本次设计就是在这一思维下展开的。根据设计内容和需求确定圆柱坐标型工业机器人，利用锥齿轮传动实现机器人的旋转，利用液 压缸实现其移动以及对零件的抓取。在步进电机的控制下，机器达到精确的回转运动。 器人的发展 工业机器人的发展，由简单到复杂，由初级到高级逐步完善，它的发展过程可分为三代： 第一代工业机器人就是目前工业中大量使用的示教再现型工业机器人，它主要由手部、臂部、驱动系统和控制系统组成。它的控制方式比较简单，应用在线编程，即通过示教存贮信息，工作时读出这些信息，向执行机构发出指令，执行机构按指令再现示教的操作。 第二代机器人是带感觉的机器人。它具有寻力觉、触觉、视觉等进行反馈的能力。其控制方式较第一代工业 机器人要复杂得多，这种机器人从 1980 年开始进入了实用阶段，不久即将普及应用。 第三代工业机器人即智能机器人。这种机器人除了具有触觉、视觉等功能外，还能够根据人给出的指令认识自身和周围的环境，识别对象的有无及其状态，再根据这一识别自动选择程序进行操作，完成规定的任务。并且能跟踪工作对象的变化，具有适应工作环境的功能。这种机器人还处于研制阶段，尚未大量投入工业应用 2 题研究意义 (1)培养学生综合分析和解决本专业的一般工程技术问题的独立工作能力，拓宽和。 7 (2)培养学生树立正确的设计思 想，设计构思和创新思维，掌握工程设计的一般程序规范和方法。 (3)培养学生树立正确的设计思想和使用技术资料、国家标准等手册、图册工具书进行设计计算，数据处理，编写技术文件等方面的工作能力。 (4)培养学生进行调查研究，面向实际，面向生产，向工人和技术人员学习的基本工作态度，工作作风和工作方法。 8 2 球坐标工业机械手 介绍分析 坐标工业机械手 球坐标工业机械手 ，顾名思义，是指能模仿人手的部分动作，用以完成某些抓放，搬运物件或操纵工具等工作的自动化机械装置。 球坐标工业机械手 通常用附属于它所服务的设备， 动作程序固定，多数没有独立的控制系统，其控制装置包括在主机的控制系统（不包括工业机器人）。 坐标工业机械手 的组成 执行系统一般包括手部、腕部、臂部、机身机座等，其中最主要是运动系统。 球坐标工业机械手 主要由执行系统、驱动系统及控制系统三部分组成。 手部是夹紧（或吸附、托持）与松开工件或工具 的部件，由手指（或吸盘），驱动元件和传动元件等组成。 腕部、臂部、机身是将手部抓取的工件或工具进行搬运或操作的部件。 驱动系统是驱动臂部、腕部、手部和 球坐标工业机械手 整体运动机构动作的动力装置，常用 的驱动方式有液压、 液 动、机械、电 液 或其他的组合。 控制系统是支配 球坐标工业机械手 按规定程序和要求进行运动的装置，他们主要用来控制：位置（点位控制或连续轨迹控制）、 时间、速度和加速度等参数。 球坐标工业机械手 与主机及其它有关装置之间的联系 3。 坐标工业机械手 的应用 按 球坐标工业机械手 布局形式分可分为：架空式 球坐标工业机械手 、附机式 球坐标工业机械手 、落地式 球坐标工业机械手 三种。此外，还有安装在自动线料道上或料道旁，实现工件上、下料、传递转位、转向等用途的 球坐标工业机械手 ，他们具有运动单一、 9 结构 简单，位置灵活及精度一般要求较低的特点。 球坐标工业机械手 通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置 3。 坐标工业机械手 的分类 (1)根据所承担的作业的特点，工业 球坐标工业机械手 可分为以下三类： (a)承担搬运工作的 球坐标工业机械手 ：这种 球坐标工业机械手 在主要工艺设备运行时，用来完成辅助作业，如装卸毛坯、工件和工夹具。 (b)生产工业用 球坐标工业机械手 ：可用于完成工艺过程中的主要作业，如装配、焊接、涂漆、弯曲 、切断等。 (c)通用工业 球坐标工业机械手 ：其用途广泛，可以完成各种工艺作业 9。 (2)按功能分类 : (a)专用 球坐标工业机械手 ：它是附属于主机的具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用 球坐标工业机械手 具有动作少，工作对象单一，结构简单，实用可靠和造价低等特点，适用于大批大量的自动化生产，如自动机床，自动线的上、下料 球坐标工业机械手 和“加工中心”附属的自动换刀 球坐标工业机械手 。 (b)通用 球坐标工业机械手 ：又称工业机器人。它是一种具有独立控制系统的机械装置。具有程序可变、工作范围大、定位精度高、通用 性强的特点，适用于不断变换品种的中小批量自动化的生产。 (c)示教再现 球坐标工业机械手 ：采用示教法编程的通用 球坐标工业机械手 。所谓示教，即由人通过手动控制，“拎着” 球坐标工业机械手 做一遍操作示范，完成全部动作后，其储存装置即能记忆下来。 球坐标工业机械手 手可按示范操作的程序行程进行重复的再现工作。 (3)按驱动方式分 ： (a)液 力驱动式的机器人： 液 源压力一般只有 宜抓举力较小的场合。 (b)液力驱动式的机器人：结构紧凑，传动平稳且动作灵敏，但对密封的要求较高，且不宜在高温或低温的场合工作，要 求的制造精度较高，成本较高。 10 (c)电力驱动式的机器人：无环境污染，易于控制，运动精度高，成本低，驱动效率高等优点，其运用最为广泛。 (d)新型驱动式的机器人：例如静电驱动器，压电驱动器，形状记忆合金驱动器，人工肌肉及光驱动器等 (4)按控制方式分 : (a)固定程序 球坐标工业机械手 ：控制系统是一个固定程序的控制器。程序简单，程序数少，而且是固定的，行程可调但不能任意点定位。 (b)可编程序 球坐标工业机械手 ：控制系统是一个可变程序控制器。其程序可按需要编排，行程能很方便改变 9。 11 3 球坐标工业机械手 结构 方案和驱动方案选型 始数据及资料 坐标形式 :球坐标 坐标系 抓重 自由度 伸缩 X 升降 Z 球坐标 50N 4 350300mm/s 350300mm/s 横移 Y 回转 俯仰 小臂俯仰 2 50300mm/s 0210，90/s 045， 90/s 回转 手指夹持范围 0180，90/s 棒料，直径 40 60，长度 4501200作要求分析 动作一：送 料 动作二：预夹紧 动作三：手臂上升 动作四 ：手臂旋转 动作五：小臂伸长 动作六：手腕旋转 预夹紧 12 手臂上升 手臂旋转 手臂伸长 手臂转回 手腕旋转 图 坐标工业机械手 动作简易图 坐标工业机械手 结构及驱动系统选型 本课题所设计的 球坐标工业机械手 为通用型的 球坐标工业机械手 ，其中坐标系为圆柱坐标系结构。由于本课题的工件是圆柱状棒料，所以采用夹持式手部设计方案。手部部分由手指和传力机构所构成，手指与工件接触而传力机构则通过手指夹紧力来完成夹放工件的任务。其他部分则按照一般工业生产所采用的通用形式进行设计。 驱动系统选用电机驱动和液压驱动，电机驱动用于机座的旋转和手 臂的上下移动，液压驱动用于手臂的伸缩和 球坐标工业机械手 的夹取和翻转 3。13 4 系统各主要组成部分设计 取机构设计 部设计计算 a有适当的夹紧力 手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。 b有足够的开闭范围 夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。对于回转型手部手指开闭范围，可用开闭角和手指夹紧端长度表 示。手指开闭范围的要求与许多因素有关，如工件的形状和尺寸，手指的形状和尺寸，一般来说，如工作环境许可，开闭范围大一些较好，如图 图 坐标工业机械手 开闭 示例简图 c 力求结构简单，重量轻，体积小 手部处于腕部的最前端，工作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个球坐标工业机械手 的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。因此，在设计手部时， 14 必须力求结构简单，重量轻，体积小。 d 手指应有一定的强度和刚度 因此送料，夹紧 球坐标工业机械手 ，根据工件的形状，采用最常用的外卡式两指钳爪，夹紧方式用常闭式弹簧夹紧，松开时，用单作用式液压缸。此种结构较为简单，制造方便。 紧装置 4 液 缸右腔停止进 液 时，弹簧力夹紧工件， 液 缸右腔进 液 时松开工件。 (a)右腔推力 为 p 4 （ 230 . 6 2 5 1 04 =(b)根据钳爪夹持的方位，查出当量夹紧力计算公式为： ,21 c o F ， （ 其中 N =4 98N=392N，带入公式 ： ,21 c o F ， = 39 230c o 2 2o =1764N 则实际加紧力为 211 实际（ 1764 经圆整 500N 由公式， N 得： a=50.5 mm b=72 c)计算手部活塞杆行程长 L,即 2L （ =25 圆整取 l=25d)确定“ V”型钳爪的 L、 3。 取 3L（ 15 式中： 5042004 由公式（ ： L=350 取“ V”型钳口的夹角 2 =120，则偏转角按最佳偏转角来确定， 查表得： =2239 (5)机械运动范围（速度） (6)手部右腔流量 =602r=60 25 =s (7)手部 工作压强 （ = 部设计计算 腕部是联结手部和臂部的部件，腕部运动主要用来改变被夹物体的方位，它动作灵活，转动惯性小。本课题腕部具有回转这一个自由度，可采用具有一个活动度的回转缸驱动的腕部结构。 要求： 0 210， 90 /s 以最大负荷计算： 当工件处于水平位置时，摆动缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重 50 16 图 部受力 简图 (1)计算扭矩14 设重力集中于离手指中心 200扭矩1为： 1（ =10 N M） (2)液 缸（伸缩）及其配件的估算扭矩24 F =5 50N ) S =10入公式 2=5 N M） (3)摆动缸的摩擦力矩摩4 摩F=300（ N）（估算值） S=20 （估算值） 摩=摩 S =6（ N M） (4)摆动缸的总摩擦力矩 4 =1+2+摩（ =N M） (5)由公式 8102 （ 其中： b 叶片密度，这里取 b=3 A 摆动缸内径 , 这里取1A=10 转轴直径 , 这里取 =3 所以代入（ 式 工件 17 620 =8 106 =因为 A 所以 8 = 8 =10s =27ml/s 伸缩机构设计 手臂是 球坐标工业机械手 的主要执行部件。它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动。 臂部运动的目的，一般是把手部 送达空间运动范围内的任意点上，从臂部的受力情况看，它在工作中即直接承受着腕部、手部和工件的动、静载荷，而且自身运动又较多，故受力较复杂。 球坐标工业机械手 的精度最终集中在反映在手部的位置精度上。所以在选择合适的导向装置和定位方式就显得尤其重要了 5。 (1)手臂右腔 流量，公式（ ： 200 40 =1004800s =0m/s =1000ml/s (2)手臂右腔 工作压力，公式（ 得： 式中： F 取工件重和手臂活动部件总重， 工件为 50N 估算 F =5+20=30F=1000N。 18 所以代入公式（ ： = =3)绘制机构工作参数表如表 表 构工作参数表 (4)由初步计算选 液 泵 所需 液 压最高压力 P =需 液 压最大流量 Q =1000ml/s 选取 泵 此泵工作压力为 1速为 1800r/作流量 Q 在 32 70ml/r 之间，可以满足需要。 (5)验算腕部摆动缸： 8 106 （ m 式中：H 机械效率取： 0.9 v 容积效率取： 以代入公式（ ： 8 22 T =N M） T M=N M） 代入公式 （ 得 ： W 机构名称 工作速度 行程 工作压力 流量 手部抓紧 腕部回转 小臂伸缩 60mm/s 90 /s 200mm/s 25 90 500s 27m/s 1000ml/s 19 =s W /4 s 因此，取腕部回转 液 缸工作压力 P =1量 Q =35ml/s 圆整其他缸的数值： 手部抓取缸工作压力1P=2 流量1=120ml/s 小臂伸缩缸工作压力2= 流量2=1000ml/s 压驱动系统设计 液 压控制室 球坐标工业机械手 的一种主要的控制形式。 球坐标工业机械手 的运动速度和操作室根据 液 体的流量与压力来确定，因而只要控制 液 的流量和压力，就可以控制球坐标工业机械手 的运动速度和操作力， 液 压压力一般在 5 140 公斤 /厘米范围内，最大臂力可达 160公斤以上。 主要优点： (1)液 压执行元件 (马达和 液 缸 )结构紧凑，重量轻，功率小。 (2)可通过空 液 带走大量热能，保证机械的正常运行。 (3)液 压元件有直线位移式和旋转式二种，适用范围较广，其 控制速度的区间也比较宽。只要通过阀和泵的调节就能实现开环和闭环的控制系统。 (4)响应速度比较快，能高速启动，制动和反向，无后滞现象。其力矩一惯量比也较大，因而其加速度能力较强。 (5)液 压元件于其他驱动元件相比，刚度较大，位置误差小，定位精度高，而且耐振动等。 缺点 :控制系统比较复杂，处理功率讯号的数学运算误差，检测，放大，测试和补偿功能不如电子，机电装置灵活简便 4 部抓取缸 20 图 部抓取缸 液 压原理图 (1)手部抓取缸 液 压原理图如图 示 (2)泵的供 液 压力 量 Q 取系统所需最大流量即 Q =1300ml/s。 因此，需装图 所示的调速阀，流量定为 作压力 P=2 选取采用： 202调速阀 23部摆动 液 压回路 21 4图 部摆动 液 压回路 (1)腕部摆动缸 液 压原理图如图 示 (2)工作压力 : P=1量 : Q=35ml/s 选取采用 : 202调速阀 34 换向阀 体系统图 (1)工作过程 : 小臂伸长手部抓紧腕部回转小臂回转小臂收缩手部放松 (2)电磁铁动作顺序表 : 表 体系统图 22 元件 动作 1臂伸长 手部抓紧 腕部回转 小臂收缩 手部放松 卸荷 - - - - - + + + + - - + - - - + - - + - - - - - - - (4)确电机规格： 液 压泵选取 液 泵，额定压力 P =1作流量在 32 70ml/r 之间。选取80L/ 因此：传动功率 （ 式中： =经验值） 所以代入公式（ ： 010801063 N=取电动机 定功率 17 转速为 2940r/ 身结构的设计 臂部和机身的配置形式基本上反映了 球坐标工业机械手 的总体布局。本 课题 球坐标工业机械手 的机身设计成机座式，这样 球坐标工业机械手 可以是独立的，自成系统的完整装置，便于随意安放和搬动，也可具有行走机构。臂部配置于机座立柱中间，多见于回转型 球坐标工业机械手 。臂部可沿机座立柱作升降运动，获得较大的升降行程。升降过程由电动机带动螺柱旋转。由螺柱配合导致了手臂的上下运动。手臂的回转由电动机带动减速器轴上的齿轮旋转带动了机身的旋转，从而达到了自由度的要求 7 23 机的选择 机身部使用了两个电机，其一是带动臂部的升降运动；其二是带动机身的回转运动。带动臂部升降运动的电机 安装在肋板上，带动机身回转的电机安装在混凝土地基上。 带动臂部升降的电机： 初选上升速度 V =100mm/s P =6以 1 0 006 60100n 转 /分 选择 于笼型异步电动机。采用 壳防护等级为 却方式为 I（ 014）即全封闭自扇冷却，额定电压为 380V，额定功率为 50 如表 90 表 型号 额定功率 载时 堵转电流 堵 转转矩 最大转矩 电流 A 转速r/率 % 功率因素 额定电流 额定转矩 额定转矩 400 79 减速器的选择 10 减速器的原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置。用来降低转速和增 转矩，以满足工作需要。 初选 圆柱蜗杆减速器。 蜗杆下置式一级传动的阿基米德圆柱蜗杆减速器。 蜗杆的材料为 38质 蜗轮的材料为 24 中心矩 a=80 q=11 （ 传动比 I =30 传动惯量 10 m 柱的设计与校核 11 螺杆是 球坐标工业机械手 的主支承件，并传动使手臂上下运动。 螺杆的材料选择： 从经济角度来讲并能满足要求的材料为铸铁。 螺距 P =6 梯形螺纹 螺纹的工作高度 h = （ =3纹牙底宽度 b =6= （ 螺杆强度 11 53 s （ 53150=30 50纹牙剪切 =40 弯曲 b=45 55 (1)当量应力 231221 式中 T 传递转矩 N 螺杆材料的许用应力 所以代入公式（ ： 231221 6231221105030d 12231221 102500 126141102 5 0 0900 2 3 6 2 5 0 2 5 62250251236 9001012 6225025 1236 900 1012 即 16471535340格 25 (2)剪切强度 6160 合圈 数） （ F（ =103 =403)弯曲强度 1b F1 6 03 2 = =45格 座的机械结构 带动机身回转的电机： 初选转速 W =60/s N =1/6 转 /秒 =10 转 /分 由于齿轮 I =3 减速器 I =30 所以 n =10 3 30=900转 /分 选择 电动机采用 壳防护等级为 却方式为 I（ 014）即全封闭自扇冷却，额定电压为 380V，额定功率为 50 如表 90 表 90型号 额定功率 载时 堵转电流 堵转转矩 最大转矩 电流 A 转速 r/率 % 功率因素 额定电流 额定转矩 额定转矩 10 26 坐标工业机械手 的定位及平稳性确定 用的定位方式 机械挡块定位是在行程终点设置机械挡块。当 球坐标工业机械手 经减速运行到终点时，紧靠挡块而定位。 若定位前已减速，定位时驱动压力未撤除，在这种情况下，机械挡块定位能达到较高的重复精度。一般可 高于 定位时关闭驱动油路而去掉工作压力，这时 球坐标工业机械手 可能被挡块碰回一个微小距离，因而定位精度变低 12。 响平稳性和定位精度的因素 球坐标工业机械手 能否准确地工作，实际上是一个三维空间的定位问题，是若干线量和角量定位的组合。在许多较简单情况下，单个量值可能是主要的。影响单个线量或角量定位误差的因素如下： (1)定位方式 不同的定位方式影响因素不同。如机械挡块定位时，定位精度与挡块的刚度和碰接挡块时的速度等因素有关。 (2)定位速度 定位速度对定位精度影响很大。这是因为定位 速度不同时，必须耗散的运动部件的能量不同。通常，为减小定位误差应合理控制定位速度，如提高缓冲装置的缓冲性能和缓冲效率，控制驱动系统使运动部件适时减速。 (3)精度 球坐标工业机械手 的制造精度和安装调速精度对定位精度有直接影响。 (4)刚度 球坐标工业机械手 本身的结构刚度和接触刚度低时，因易产生振动，定位精度一般较低。 (5)运动件的重量 运动件的重量包括 球坐标工业机械手 本身的重量和被抓物的重量。 运动件重量的变化对定位精度影响较大。通常，运动件重量增加时，定位精度降低。因此，设计时不仅要减小运动部件本身的重 量，而且要考虑工作时抓重变化的影响。 (6)驱动源 27 液 压的压力波动及电压、 液 温的波动都会影响 球坐标工业机械手 的重复定位精度。因此，采用必要的稳压及调节 液 压措施。 (7)控制系统 开关控制、电液比例控制和伺服控制的位置控制精度是个不相同的。这不仅是因为各种控制元件的精度和灵敏度不同，而且也与位置反馈装置的有无有关 13。 本课题所采用的定位精度为机械挡块定位。 坐标工业机械手 运动的缓冲装置 缓冲装置分为内缓冲和外缓冲两种形式。内缓冲形式有油缸端部缓冲装置和缓冲回路等。外缓冲形式有弹性机械元件和液 压缓冲器。内缓冲的优点是结构简单，紧凑。但有时安置位置有限；外缓冲的优点是安置位置灵活，简便，缓冲性能好调等，但结构较庞大。 本课题所采用的缓冲装置为油缸端部缓冲装置。 当活塞运动到距油缸端盖某一距离时能在活塞与端盖之间形成一个缓冲室。利用节流的原理使缓冲室产生临时背压阻力，以使运动减速直至停止，而避免硬性冲击的装置，称
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