机械毕业设计（论文）-注射机专用机械手设计（全套图纸） .pdf

毕毕 业业 设设 计（说明书）计（说明书） 2012 届 题 目 注塑机专用机械手的设计注塑机专用机械手的设计 专 业 机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化 学生姓名 学 号 指导教师 论文字数 完成日期 2012 年年 12 月月 i 原原 创创 性性 声声 明明 本人郑重声明： 本人所呈交的毕业论文， 是在指导老师的指导下独立进行研究 所取得的成果。毕业论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等， 均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已 经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 日 期： 关于毕业论文使用授权的声明关于毕业论文使用授权的声明 本人在指导老师指导下所完成的论文及相关的资料（包括图纸、试验记录、 原始数据、实物照片、图片、录音带、设计手稿等） ，知识产权归属湖州师范学院。 本人完全了解湖州师范学院有关保存、使用毕业论文的规定，同意学校保存或向 国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人 授权湖州师范学院可以将本毕业论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用任何复制手段保存和汇编本毕业论文。如果发表相关成果，一定征 得指导教师同意，且第一署名单位为湖州师范学院。本人离校后使用毕业论文或 与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为湖州师范学院。 论文作者签名： 日 期： 指导老师签名： 日 期： 摘摘 要要 随着工业自动化发展的需要，机械手在工业应用中越来越重要。文章主要叙述了机 械手的设计计算过程 。 首先，本文介绍机械手的作用，机械手的组成和分类，说明了自由度和机械手整体 座标的形式。同时，本文给出了注塑机专用机械手的主要性能规格参量。 文章中介绍了注塑机专用机械手的设计理论与方法。全面详尽的讨论了注塑机专用 机械手等主要部件的结构设计。 关键词关键词：机械手,注塑机专用机械手,注塑机 全套图纸，加全套图纸，加153893706 abstract with the development of industrial automation, mechanical hand in industrial application is more and more important. the article mainly narrated manipulator design and calculation process. firstly, this paper introduces the role of mechanical hand, the manipulators composition and classification, the degrees of freedom and the manipulator overall coordinate form. at the same time, this paper presents for injection molding machine manipulator s main performance specifications. the article introduced the injection molding machine manipulator s design theory and method. the comprehensive exhaustive discussion of the injection molding machine manipulator and other major components of the structural design. key words: manipulator, injection molding machine manipulator, injection molding machine 目目 录录 摘 要 iii abstract . iv 目 录 v 第 1 章 绪论 . 7 1.1 引言 . 7 1.2 注塑机专用机械手的含义 . 7 1.3 选题背景与意义 . 7 1.4 注塑机专用机械手的组成 . 9 1.5 注塑机专用机械手的发展及国内外发展趋势 . 9 第 2 章 注塑机专用机械手的设计方案 . 12 2.1 机械手的设计方法 12 2.1.1 机械手的选择与分析 12 2.1.2 直角坐标机器人的设计方法 12 2.2 机械手的结构设计 16 2.2.1 机器人的总体设计 17 2.2.2 机械手的传动部件设计 17 2.2.3 机械手的臂部设计 18 2.3 注塑机专用机械手的设计机构的特点 . 18 第 3 章 注塑机专用机械手的运动系统分析 19 3.1 注塑机专用机械手的运动系统分析 19 3.2 机器人的驱动方式 20 第 4 章 主要传动设计计算 20 4.1 确定系统脉冲当量 21 4.2 重量初步估算 . 21 4.3 滚珠丝杠计算、选择 22 4.4 伺服电机惯性负载的计算 25 4.5 伺服电机的选用 25 第 5 章 注塑机专用机械手的设计零件的设计 27 5.1 伺服电机的选择 27 5.2 同步带的设计 29 5.2.1 同步带计算选型 32 5.2.2 同步带的主要参数（结构部分） 34 5.2.3 同步带的设计 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 5.2.4 同步带轮的设计 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 5.3 导轨的选择 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 结论 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 致谢 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 湖州师范学院本科毕业论文湖州师范学院本科毕业论文 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 引言 机械手作为自动生产线中的重要设备,已成为工业生产自动化的三大支柱之一, 可传统的机械 手,采用继电器- 控制器控制气压系统,其控制系统复杂,大量的接线使系统的可靠性降低,设备的工作 效率下降, 自动化程度不高,安全系数低.因此,利用 pid 算法与 plc 控制技术改造传统的机械手,研 制一种智能机械手已成为当今工业生产自动化研究的主流.根据外国资料统计, 8 在工业控制中 80% 都采用 plc.目前国外应用于自动控制这一领域占 60%,应用于数据管理占 20%,用于生产管理 占18%,用于人机接占 22%.可见, plc 在工业领域已占主导地位.因此,研究机械手的智能控制对工业 自动控制有重要意义. 9 在理论上，随着世界经济和技术发展，人类活动领域的不断扩大，机器人应有正迅速向社会生 产和生活的各个领域扩展，也从制造领域转向非制造领域，各种各样的机器人产品随之出现。sc750 三轴伺服机械手的设计，不但在技术上可以追踪机器人的发展趋势，而且还可以填补注塑机专用机 械手的应用的空白，促进我国注塑机专用机械手的技术水平的提高和产业化水平的发展。10 本次设计是根据对工业三自由度机器人的总体结构及传动系统的分析和探讨，进行三自由度注 塑机专用机械手的结构设计。关键在于三轴（臂）的传动系统的设计以及整体的结构设计。 1.2 注塑机专用机械手的含义 注塑机专用机械手的定义为：一种能够自动定位控制，可重复编程的，多功能的，多自由度的 操作机。注塑机专用机械手是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术 于一体的现代制造业重要的自动化装备。 自从 1962 年美国研制出世界上第一台注塑机专用机械手以 来，机器人技术及其产品发展很快，已成为柔性制造系统(fms)、自动化工厂(fa)、计算机集成制造 系统(cims)的自动化工具。 机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序轨迹极其它要求，实现抓取，搬运工 件或操做工具的自动化装置。在我国由于大多数注塑机专用机械手所执行的工作为模拟人的手臂而 工作，因而通常把注塑机专用机械手称做操作机械手。 智能机器人是机器人的发展方向，它具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装 置等。具有触觉、力觉或简单的视觉的注塑机专用机械手，能在较为复杂的环境下工作；如具有识 别功能或更进一步增加自适应、 自学习功能， 即成为智能型注塑机专用机械手。 它能按照人给的“宏 指令”自选或自编程序去适应环境，并自动完成更为复杂的工作。 1.3 选题背景与意义 由于工业自动化的全面发展和科学技术的不断提高，对工作效率的提高迫在眉睫。单纯的手工 湖州师范学院本科毕业论文湖州师范学院本科毕业论文 劳作已满足不了工业自动化的要求，因此，必须利用先进设备生产自动化机械以取代人的劳动，满 足工业自动化的需求。其中机械手是其发展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率， 还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举两得。在机 械行业中，机械手越来越广泛的得到应用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别 是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统 fms 和柔 性 制 造 单 元fmc 中的一个重要组 成部分。 本次设计研究的意义有： 1、可提高生产过程的自动化程度，应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的 更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生 产机械化和自动化的步伐。 2、可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放 射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。而 应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。在一些动作简 单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人 身事故。 3、可以减少人力，并便于有节奏地生产。 4、本课题研究的机械手机构简单，主要采用一个伺服电机和两个气缸控制机械手在三个方向进 行移动来实现上料动作，成本相对其它机械手比较低且控制容易。 毕业设计作为大学四年的一个总结。通过对注塑机专用机械手的设计结构设计，培养我们综合 运用所学过的基本理论、基本知识和基本方法和解决问题的能力。同时让我们对软件的使用有了更 深的认识，是我们踏上工作岗位之后手中多了一份筹码，而且，通过自身对课题的研究和小组的讨 论，增强了我们的团队合作意识，提高了我们的实践能力。 湖州师范学院本科毕业论文湖州师范学院本科毕业论文 1.4 注塑机专用机械手的组成 注塑机专用机械手一般由执行系统、驱动系统、控制系统和人工智能系统组成。如图 1- 1 所示。 目前，具有人工智能系统的注塑机专用机械手即智能机器人还处于研究实验阶段。而应用于生产实 际的多数是那些具有执行系统、驱动系统和控制系统的注塑机专用机械手。 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。 对于现代智能机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。 目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛” ，使它能识别物体和躲避障碍物，以及机器人的触觉装置。 机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机器人 的。要实现机器人所期望实现的功能，机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相 互制约。它们之间的相互关系如图 1- 2 所示。 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。 1.5 注塑机专用机械手的发展及国内外发展趋势 注塑机专用机械手的发展历程，早在 1954 年美国乔治德沃尔首次设计出第一台电子程序可 编的注塑机专用机械手，并于 1961 年发表了该项专利。1962 年美国通用汽车公司投入使用，标志 着第一代机器人诞生。 从此机器人开始成为人类生活中的现实。 之后日本使注塑机专用机械手得 到迅速的发展。目前，日本已成为世界上注塑机专用机械手产量和拥有量最多的国家。 80 年代，世界上生产技术的高度自动化和集成化，使注塑机专用机械手得以进一步发展，并在 这个时代起着十分重要的作用。 第一代机器人，一般指工业上大量使用的可编程机器人及遥控操作机。可编程机器人可根据操作 人员所编程序完成一些简单重复性作业。遥控操作机制每一步动作都要靠操作人员发出。1982 年， 美国通用汽车公司在装配线上为机器人装备了视觉系统，从而宣告了第二代机器人感知机器人的 问世。这代机器人，带有外部传感器，可进行离线编程。能在传感系统支持下，具有不同程度感知 环境并自行修正程序的功能。第三代机器人为自治机器人，正在各国研制和发展。它不但具有感知 功能，还具有一定决策和规划能力。能根据人的命令或按照所处环境自行做出决策规划动作即按任 务编程。 我国机器人研究工作起步较晚，从“七五”开始国家投入资金，对工业机器及其零部件进行攻 湖州师范学院本科毕业论文湖州师范学院本科毕业论文 关，完成了示教再现式注塑机专用机械手成套技术的开发和研制。1986 年国家高技术研究发展计划 开始实施，智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿，经过几年的研究，取得了一大批科研成果， 成功地研制出了一批特种机器人我国注塑机专用机械手起步于 70 年代初期，经过 20 多年的发展， 大致经历了 3 个阶段：70 年代的萌芽期，80 年代的开发期和 90 年代的适用化期。 70 年代是世界科技发展的一个里程碑：人类登上了月球，实现了金星、火星的软着陆。我国也 发射了人造卫星。世界上注塑机专用机械手应用掀起一个高潮，尤其在日本发展更为迅猛，它补充 了日益短缺的劳动力。在这种背景下，我国于 1972 年开始研制自己的注塑机专用机械手。 进入 80 年代后，在高技术浪潮的冲击下，随着改革开放的不断深入，我国机器人技术的开发与 研究得到了政府的重视与支持。“七五”期间，国家投入资金，对注塑机专用机械手及其零部件进 行攻关，完成了示教再现式注塑机专用机械手成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运 机器人。1986 年国家高技术研究发展计划（863 计划）开始实施，智能机器人主题跟踪世界机器人 技术的前沿，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。 从 90 年代初期起，中国的国民经济进入实现两个根本转变时期，掀起了新一轮的经济体制改革 和技术进步热潮，我国的注塑机专用机械手又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装 配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的注塑机专用机械手，并实施了一批机器人应用工程， 形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。 中国注塑机专用机械手经过“七五”攻关计划、 “九五”攻关计划和 863 计划的支持已经取得了 较大进展,注塑机专用机械手市场也已经成熟,应用上已经遍及各行各业。 虽然中国的注塑机专用机械手产业在不断的进步中，但和国际同行相比，差距依旧明显。从市 场占有率来说，更无法相提并论。注塑机专用机械手很多核心技术，目前我们尚未掌握，这是影响 我国机器人产业发展的一个重要瓶颈。 我国未来注塑机专用机械手技术发展的重点有:第一,危险、恶劣环境作业机器人:主要有防 暴、高压带电清扫、星球检测、油汽管道等机器人;第二,医用机器人:主要有脑外科手术辅助机器人, 遥控操作辅助正骨等;第三,仿生机器人:主要有移动机器人,网络遥控操作机器人等。其发展趋势是智 能化、低成本、高可靠性和易于集成。 二、注塑机专用机械手在工业、生产中的应用 注塑机专用机械手在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险恶劣 环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工、金属制 品业和简单装配等工序上，以及在原子能工业等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。 在日、美、西欧等一些工业发达的国家中，注塑机专用机械手得到越来越广泛的应用。 三、 注塑机专用机械手在其他领域中的应用 随着科技的发展，机器人功能和性能的不断改善和提高，机器人的应用领域日益在扩大，其应用 范围已不限于工业，还用于农业、林业、交通运输业、原子能工业、医疗、福利事业、海洋和深空 探测等事业中。 湖州师范学院本科毕业论文湖州师范学院本科毕业论文 四、注塑机专用机械手的发展趋势 机器人是先进制造技术和自动化装备的典型代表，是人造机器的“终极”形式。它涉及到机械、 电子、自动控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发 展成果的综合集成，因此它的发展与众多学科发展密切相关。当今注塑机专用机械手的发展趋势主 要有： （一） 注塑机专用机械手性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修） ，而单 机价格不断下降。 （二）机械结构向模块化可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一 体化；有关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人。 （三） 注塑机专用机械手控制系统向基于 pc 机的开放型控制器方向发展， 便于标准化， 网络化； 器件集成度提高，控制柜日渐小巧，采用模块化结构，大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维 修性。 （四） 机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，视觉、 力觉、声觉、触觉等多传感器的融合技术在产品化系统中已有成熟应用。 （五）机器人化机械开始兴起。从 94 年美国开发出“虚拟轴机床”以来这种新型装置已成为国 际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。 总体趋势是，从狭义的机器人概念向广义的机器人技术概念转移，从注塑机专用机械手产业向 解决方案业务的机器人技术产业发展。机器人技术的内涵已变为 灵活应用机器人技术的、具有实际 动作功能的智能化系统。机器人结构越来越灵巧，控制系统愈来愈小，其智能也越来越高，并正朝 着一体化方向发展。 五、我国注塑机专用机械手发展面临的挑战与前景 自从 20 世纪 60 年代人类制造了第一台工业机器人以来，机器人就显示出了极强的生命力。经 过 40 年的飞速发展，在工业发达国家，机器人已经广泛应用于汽车工业、机械加工行业、电子电气 行业、橡胶及塑料工业、食品工业、物流、制造业等诸多领域中。 尽管如此，我国注塑机专用机械手产业化却存在着巨大的问题。除了众多历史原因造成制造业 水平低下的原因外，更多的是对注塑机专用机械手产业的认识和定位上存在着不同观点。 首先，我国基础零部件制造能力差。虽然我国在相关零部件方面有了一定的基础，但是无论从 质量、产品系列全面，还是批量化供给方面都与国外存在较大的差距。特别是在高性能交流伺服电 机和精密减速器方面的差距尤其明显，因此造成关键零部件的进口，影响了我国机器人的价格竞争 力。 第二，中国的机器人还没有形成自己的品牌。虽然已经拥有一批企业从事机器人的开发，但是 都没有形成较大的规模，缺乏市场的品牌认知度，在机器人市场方面一直面临国外机器人品牌的打 压。国外机器人作为成熟的产业采用整机降价，吸引国内企业购买，而在后续的维护备件费用很高 的策略，逐步占领中国市场。 湖州师范学院本科毕业论文湖州师范学院本科毕业论文 第三，国家认识不到位，在鼓励注塑机专用机械手产品方面的政策少。注塑机专用机械手的制 造及应用水平，代表了一个国家的制造业水平，我们必须从国家高度认识发展中国注塑机专用机械 手产业的重要性，这是我国从制造大国向制造强国转变的重要手段和途径。 第第 2 章章 注塑机专用机械手的设计方案注塑机专用机械手的设计方案 2.1 机械手的设计方法 机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序轨迹极其它要求，实现抓取，搬运工 件或操做工具的自动化装置。在我国由于大多数注塑机专用机械手所执行的工作为模拟人的手臂而 工作，因而通常把注塑机专用机械手称做操作机械手。 机械手的特点： （1） 对环境的适应性强 能代替人从事危险，有害的工作。在长时间工作对人体有害的场所， 机械手不受影响，只要根据工作环境进行合理的设计，选择适当的材料和结构，机械手就可以在异 常高温或低温，异常压力和有害气体，粉尘，放射线作用下，以及冲压，灭等危险环境中胜任工作。 （2） 机械手能持久， 耐劳， 可以把人从繁重单调的劳动中解放出来， 并能扩大和延伸人的功能。 （3） 由于机械手的动作准确，因此可以稳定和提高产品的质量，同时又可以避免人为的操作错 误。 （4） 机械手特点是通过用工业机械手的通用性，灵活性好，能很好的适应产品的不断变化，以 满足柔性生产的需要。 2.1.1 机械手的选择与分析机械手的选择与分析 为实现机器人的末端执行器在空间的位置而提供的 3 个自由度，可以有不同的运动组合，通常 可以将其设计成圆柱坐标型、直角坐标型、球坐标型、关节型 、平面关节型五种形式。 直角坐标型 直角坐标型机器人，其运动部分的三个相互垂直的直线组成，其工作空间为长方 体，它在各个轴向的移动距离可在坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计算，定 位精度高，结构简单，但机体所占空间大，灵活性较差。 根据本次设计的要求，三轴同时可以模拟操作员取出动作，并可以沿着规定路径连续运动，因 此选择直角坐标型。 2.1.2 直角坐标机器人的设计方法直角坐标机器人的设计方法 (一) 直角坐标机器人概念： 工业应用中，能够实现自动控制的、可重复编程的、多功能的、多自由度的、运动自由度建成 空间直角关系、多用途的操作机。他能够搬运物体、操作工具，以完成各种作业。关于机器人的定 义随着科技的不断发展，在不断的完善，直角坐标机器人作为机器人的一种，其含义也在不断的完 善中。 湖州师范学院本科毕业论文湖州师范学院本科毕业论文 图 2-2 典型直角坐标机器人 （二） 直角坐标机器人的特点： 1、自由度运动，每个运动自由度之间的空间夹角为直角； 2、自动控制的，可重复编程，所有的运动均按程序运行； 3、一般由控制系统、驱动系统、机械系统、操作工具等组成。 4、灵活，多功能，因操作工具的不同功能也不同。 5、高可靠性、高速度、高精度。 6、可用于恶劣的环境，可长期工作，便于操作维修。 （三）直角坐标机器人的应用： 因末端操作工具的不同，直角坐标机器人可以非常方便的用作各种自动化设备，完成如焊接、 搬运、上下料、包装、码垛、拆垛、检测、探伤、分类、装配、贴标、喷码、打码、 （软仿型）喷涂、 目标跟随、排爆等一系列工作。特别适用于多品种、便批量的柔性化作业，对于稳定提高产品质量， 提高劳动生产率，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。 湖州师范学院本科毕业论文湖州师范学院本科毕业论文 图 2-3 直角坐标机器人的应用 随着直角坐标机器人的应用越来越广泛，直角坐标机器人的设计工作日益显得重要。成功的设 计一台直角坐标机器人涉及到很多方面的工作，包括机械结构、动力驱动、伺服控制等等。 （四）机器人设计特点： 1、机器人的设计是一个复杂的工作，工作量很大，涉及的知识面很多，往往需要多人完成。 2、机器人设计是面向客户的设计，不是闭门造车。设计者需要经常和用户在一起，不停分析用 户要求，寻求解决方案。 3、机器人设计是面向加工的设计，再好的设计，如果工厂不能加工出产品，设计也是失败的， 设计者需要掌握大量的加工工艺及加工手段。 4、机器人设计是一个不断完善的过程。 （五）机器人设计流程： 1、使用要求的分析：每一个机器人都是根据特定的要求的产生而设计的，设计的第一步就是要 将使用要求分析清楚，确定设计时需要考虑的参数，包括： 1).机器人的定位精度，重复定位精度； 2).机器人的负载大小，负载特性； 3).机器人运动的自由度数量，每自由度的运动行程； 4).机器人的工作周期或运动速度，加减速特性； 5).机器人的运动轨迹，动作的关联； 6).机器人的工作环境、安装方式； 7).机器人的运行工作制、运行寿命； 其他特殊要求； 2、 机械模型初建：机器人从机械结构分大体可分为龙门结构、壁挂结构，垂挂结构，根据安 装空间的要求选择不同的结构，每种结构的力学特性、运动特性都是不一样的。后续的设计必须是 基于一个确定的结构。 图 2-4 机器人的基本结构图 速度：v=s/t 最大速度：vmax=at 加速度/减速度：a=f/m 其中：s 为运动行程 t 为定位运动时间 湖州师范学院本科毕业论文湖州师范学院本科毕业论文 f 加速时的驱动力 m 运动物体质量和 4、力学特性分析 一个机器人是由许多定位单元组成的，每根定位系统都要分析。需要分析的项目如下： 图 2-5 力学分析图 水平推力 fx 正压力 fz 侧压力 fy mx、my、mz 5、机械强度校核： 每个定位单元，每个梁都要进行校核，尤其双端支撑梁和悬臂梁。 1） 挠度变形计算 图 2-6 挠度变形图 f：负载（n） ； l：定位单元长度（mm） ； e：材料弹性模量； i：材料截面惯性矩(mm4)； f：挠度形变（mm） 注意：在计算挠度形变时，梁的自重产生的变形不能忽视，梁的自重按均布载荷计算。 以上公式计算的是静态形变，实际应用中，因为机器人一直处于运动状态，必须计算加速力产 生的形变，形变直接影响机器人的运行精度。 2）扭转形变计算： 湖州师范学院本科毕业论文湖州师范学院本科毕业论文 当一根梁的一端固定，另一端施加一个绕轴扭矩后，将产生扭曲变形。实际应用中产生该形变 的原因一般是负载偏心或有绕轴加速旋转的物体存在。 驱动元件选择 常用的驱动系统有：交流/直流伺服电机驱动系统、伺服电机驱动系统、直线伺服电机/直线伺 服电机驱动系统。 每一个驱动系统都由电机和驱动器两部分组成。驱动器的作用是将弱电信号放大，将其加载在 驱动电机的强电上，驱动电机。电机则是将电信号转化成精确的速度及角位移。 图 2-7 扭转力矩分析图 7、机械结构设计 在完成了前面六项工作后，一个直角坐标机器人定位系统的雏形就已经在设计者的头脑中形 成了，接下来的工作就是将雏形画成工程图，以便生产。机器人的运动轨迹具有不确定性，灵活多 变，往往在一个位置不存在位置干涉，但到下一个位置就干涉了。 8、设备寿命校核 机械结构设计完成后，要对整台设备进行寿命计算，核心元件的寿命到要计算，如机器人轨道 的寿命，减速机的寿命，伺服电机的寿命等。 机器人的运行寿命与运行速度、负载大小、结构形式、工作环境、工作制等有关。 如果发现机器人的运行寿命太短，需要重新调整设计。 以上为一个机器人机械结构部分的设计方法，至于控制系统部分这里不加说明。 2.2 机械手的结构设计机械手的结构设计 注塑机专用机械手的驱动装置是带动操作机个运动臂的动力源。 驱动机构是工业机械手的重 要组成部分，工业机械手的性价比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同，工 业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等。 湖州师范学院本科毕业论文湖州师范学院本科毕业论文 2.2.1 机器人的总体设计机器人的总体设计 (一) 主体结构设计 注塑机专用机械手主体结构设计的主要问题是选择由连杆件和运动副组成的坐标形式。 本次 设计的三轴伺服驱动机器人的坐标形式是直角坐标式机器人，主要完成 3 轴可以同时模拟操作员取 出动作，能连续运动并有 c 轴水平旋转功能。 （二）传动方式 传动方式选择是指选择驱动源及传动装置与关节部件的连接形式和驱动形式， 主要包括：（1） 直接连接传动：驱动源或带有机械传动装置直接与关节相连。 （2）远距离连接传动：驱动源通过远 距离机械传动后与关节相连。 （3）间接驱动：驱动源经一个速比远大于 1 的机械装置与关节相连。 （4）直接传动：驱动源不经过中间环节或经过一个速比等于 1 的机械传动这样的中间环节与关节相 连。 （三）模块化结构设计 模块化机器人是有一些标准化、系列化的模块件通过具有特殊功能的结合部用积木拼接的方式 组成一个注塑机专用机械手系统。模块化设计是指基本模块设计和结合部设计。模块化注塑机专用 机械手主要的特点是：经济性、灵活性。 （四）材料的选择 与一般机械设备相比，机器人结构的动力特性是十分重要的，这是材料选择的出发点。材料选 择的基本要求是：强度高、弹性模量大、重量轻、阻尼大、材料价格低。 2.2.2 机械手的传动部件设计机械手的传动部件设计 传动部件是驱动源和机器人各个关节连接的桥梁，是注塑机专用机械手的重要部件。机器人的 运动速度、加速度（减速度）特性、运动平稳性、精度、承载能力很大程度上是取决于传动部件设 计的合理性和优劣。因此，关节传动部件的设计是注塑机专用机械手设计的关键之一。 1）移动关节导轨 注塑机专用机械手对移动导轨的要求 移动关节导轨的目的是在运动过程中保证位置精度和导向,对移动导轨有如下要求: 间隙小或者能消除间隙； 再垂直于运动方向上的刚度高； 摩擦系数低并不随速度变化; 高阻尼； 移动导轨和其辅助元件尺寸小、惯量低。 移动关节导轨主要分类：普通滑动导轨、液压动压滑动导轨、液压静压滑动导轨、气浮导轨和 滚动导轨。 上面介绍的导轨中，前两种具有结果结构简单、成本低的特点，但是必须有间隙以便润滑，但 是间隙的存在又将会引起坐标的变化和有效负载的变化，在低速时候容易产生爬行现象。第三种静 压滑动导轨结构能产生预载荷，能完全消除间隙，具有高刚度、低摩擦、高阻尼等优点，但是它需 湖州师范学院本科毕业论文湖州师范学院本科毕业论文 要单独的液压系统和回收润滑油的机构。第四种气浮导轨不需要回收润滑油的机构，但是刚度和阻 尼较低。第五种滚动导轨在注塑机专用机械手导轨种用的是最广泛，具有很多的优点 :1 摩擦小,特 别是不随速度变化;2 尺寸小;3 刚度高承载能力大;4 精度和精度保持度高;5 润滑简单;6 容易制造成 标准件;7 易加预载，消除间隙，增加刚度等等。但是,滚动导轨用在机器人机械系统也存在着缺点:1 阻尼低;2 对脏物比较敏感. 2）传动件的定位及消隙传动件的定位主要有： 电气开关定位 机械挡块定位 伺服定位系统定位 传动件的消隙主要有： 消隙齿轮 柔性齿轮消隙 对称传动消隙 偏心机构消隙 齿廓弹性覆层消隙 2.2.3 机械手的臂部设计机械手的臂部设计 注塑机专用机械手臂部设计的基本要求： 1、刚度高。为了防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状要合理选择。工字形 截面弯曲刚度一般比截面大；空心管的弯曲刚度和扭转刚度都比实心轴大得多，所以常用钢管作臂 杆及导向杆，用工字钢和槽钢作支撑板。 2、导向性好。为防止手臂在直线运动中，沿运动轴线发生相对转动，或设置导向装置，或设计 方形，花键等形式的臂杆。 3、重量轻。为提高机器人的运动速度，要尽量减小臂部运动部分的重量，以减小整个手臂对回 转轴的转动惯量。 4、运动平稳定位精度高。 除了臂部设计上要求力求结构紧凑，重量轻外，同时要采用一定形式的缓冲措施。 常用的臂部结构有： 1、手部直线运动机构； 机器人手臂的伸缩，横向移动均属于直线运动。实现手臂往复直线运动的机构形式比较多，常 用的有活塞油（气）缸，齿轮齿条机构，丝杠螺母机构以及连杆机构等。由于活塞（气）缸的体积 小，重量轻，因而在机器人结构中应用的比较多。 2.3 注塑机专用机械手的设计机构的特点注塑机专用机械手的设计机构的特点 1、完美的重现性和定位精度。注塑机专用机械手的设计机构采用先进的高精度的主要机构 部件。三轴采用最先进的伺服马达和最高等级低背隙减速机。 2、具有高刚性，高精度，防尘防落物，经济耐用等特点，而且结构紧凑轻巧，运动响应快， 湖州师范学院本科毕业论文湖州师范学院本科毕业论文 速度高。可以提供多种组合方式，装配和维护简单，操作容易。 3、三轴运动采用最先进的伺服马达和最高等级低背隙的减速机（展现出完美的重现性与定 位精度）三轴运动的传动皆采用高刚性的齿轮加齿排的机构。 图 2.8 整体效果图 第第 3 章章 注塑机专用机械手的运动系统分析注塑机专用机械手的运动系统分析 3.1 注塑机专用机械手的运动系统分析注塑机专用机械手的运动系统分析 注塑机专用机械手的运动，可从注塑机专用机械手的自由度，工作空间和机械结构类型等三方 面来讨论。 1、注塑机专用机械手的运动自由度 所谓机器人的运动自由度是指确定一个机器人操作位置时所需要的独立运动参数的数目， 它是 表示机器人动作灵活程度的参数。 本设计的注塑机专用机械手具有转动副和移动副两种运动副，具有 y 轴手臂垂直伸降运动，c 轴水平旋转运动，x 轴和 z 轴往复运动三自由度。 湖州师范学院本科毕业论文湖州师范学院本科毕业论文 2、机器人的工作空间和机械结构类型 工作空间 工作空间是指机器人正常运行时，手部参考点能在空间活动的最大范围，是机器人 的主要技术参数。 （2）机械结构类型 直角坐标型机器人为本设计所采用方案，这种运动形式是自由度运动，每个运动之间都是直角 关系，共三个自由度组成的运动系统，工作空间是垂直的。它是自动控制的，可以通过编程使各部 分协调运动，这种机器人运动灵活，有高可靠性、高速度和高精度。同时它们还可以在恶劣环境下 工作，可长期工作，便于操作与维修。 3.2 机器人的驱动方式机器人的驱动方式 1、液压驱动 分类: 从运动形式来分分为直线驱动如直线运动液压缸和旋转驱动如液压马达,摆动液压缸. 从控制水平的高低来分分为开环控制液压系统和闭环控制液压系统.适用范围: 液压系统具有较大 的功率体积比,适合于大负载的情形. 液压驱动的本质优点在于它的安全性. 2、气压驱动: 分类:直线气缸,摆动汽缸及旋转气动马达.适用范围: 适合于节拍快,负载小且精度要求不高的 场合(因为空气具有可压缩性). 3、电力驱动: 分类: 按照电机的工作原理不同分为伺服电机,直流伺服电机,无刷电机等.按照控制水平的高 低来分分为开环控制系统和闭环控制系统.适用范围:适合于中等负载,特别适合于动作复杂,运动轨 迹严格的各类机器人.对驱动装置的要求驱动装置的质量尽可能要轻.单位质量的输出功率要高,效 率高.反应速度要快.要求力质量比和力矩转动惯量比要大. 动作平滑,不产生冲击.控制灵活,位移 偏差和速度偏差小.安全可靠. 操作维修方便等. 一般情况下机器人驱动系统的选择是物料搬运用有限点位控制的程序控制机器人，重负载用液 压驱动，中等载荷可选用电动驱动系统，轻载荷可选用气动驱动系统。冲压机器人多用气动驱动系 统。 电动驱动 随着低惯量、直流伺服电机及配套的伺服驱动器的广泛采用，这种驱动系统被大量 选用 。 本次设计所采用的驱动方式有两种。 其中 x 轴和 y 轴是使用电机来提供动力,电动机经减速器带 动齿轮转动，齿轮带动齿条分配各轴直线移动；另外 z 方向是通过直线气缸直接驱动 z 轴工作台的 运动。 第第 4 章章 主要传动设计计算主要传动设计计算 机械平台设计内容包括：确定系统脉冲当量，运动部件惯性的计算，选择伺服电机，传动及导 向元件的设计、计算与选择，绘制机械部分装配图等。 湖州师范学院本科毕业论文湖州师范学院本科毕业论文 4.1 确定系统脉冲当量确定系统脉冲当量 脉冲当量 p 是一个进给指令时工作台的位移量，应小于等于工作台的位置精度，由于定位精 度为0.01mm 因此选择脉冲当量为 0.01mm。 4.2 重量初步估算重量初步估算 根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算水平向和竖直向工作台承载重量 w 水平和 w 竖直。 最大荷重 m：4kg； 走行行程 x 轴 x：1200mm； 前后行程 y 轴 y：760mm； 制品侧上下行程 z 轴 z1：800mm； 水口侧上下行程 zs 轴 z2：850mm； x 轴最大速度（在最大负载下）vx：1.2m/s； y 轴最大速度（在最大负载下）vy：1.2m/s； z 轴最大速度（在最大负载下）vz：2.4m/s； 定位及重复精度：0.02mm； 2.3 滚动导轨副的计算、选择 根据给定的工作载荷 fz 和估算的 w 水平和 w 竖直计算导轨的静安全系数 fsl=c0/p，式中：c0 为导轨的基本静额定载荷， kn； 工作载荷 p=0.5(fz+w)； fsl=1.03.0(一般运行状况)， 3.05.0 （运 动时受冲击、振动） 。根据计算结果查有关资料初选导轨： 因系统受中等冲击,因此取 4.0 sl f= , , 0.5() oslx y x yzx y cf p pfw = =+ xzx yzy oxslx oysly p =0.5(f +w )=0.5(2000+671.58)=1335.79n p =0.5(f +w )=0.5(2000+655.2)=1327.6n c=f p =4 1335.79=5343.16n c=f p =4 1327.6=5310.4n 根据计算额定静载荷初选导轨: 选择汉机江机床厂 hjg-d 系列滚动直线导轨,其型号为:hjg-d25 基本参数如下: 额定载荷/n 静态力矩/n*m 滑座 重量 导轨 重量 导轨长度 动载 荷 a c 静 载 荷 o c a t b t c t g k / g km l (mm) 17500 26000 198 198 288 0.60 3.1 760 滑座个数 单向行程长度 每分钟往复次数 m s l n 4 0.6 4 导轨的额定动载荷 17500 a c = n 依据使用速度 v（m/min）x 轴最大速度（在最大负载下）vx：1.2m/s； y 轴最大速度（在最大负载下）vy：1.2m/s； z 轴最大速度（在最大负载下）vz：2.4m/s； 湖州师范学院本科毕业论文湖州师范学院本科毕业论文 和初选导轨的基本动额定载荷 a c (kn)验算导轨的工作寿命 ln： 额定行程长度寿命: () htca w ff fc sff tk= 2000 4 500 m f m f = 1,2,0.81,1, 50 o twch r d ffff k = = 33 1 1 0.81 17500 2500 ()50()142409.58 htca w ff fc sff tkkm = 导轨的额定工作时间寿命: 3 10 2 s o t hl n t = 3 3 10 2 142409.58 10 49447715000 2 0.6 4 60 s o t hl n thth = 导轨的工作寿命足够. 4.3 滚珠丝杠计算、选择滚珠丝杠计算、选择 初选丝杠材质：crwmn 钢，hrc5860，导程：l0=5mm 强度计算 丝杠轴向力： )( ,maxyxzyx wffkff+= (n) 其中：k=1.15，滚动导轨摩擦系数 f=0.0030005；在车床车削外圆时：f 水平=(0.10.6)fz，f 竖直=(0.150.7)fz，可取 f 水平=0.5fz，f 竖直=0.6fz 计算。 取 f=0.004, 400 z f = 则: max max x f0.50.5 20001000 0.60.6 20001200 1.15 10000.004(2000671.58)1045.686 1.15 12000.004(2000655.2)1252.621 z yz x y fn ffn fn fn = = =+= =+= 寿命值： 6 10 60nt l = ，其中丝杠转速 0 max l v n = (r/min) 湖州师范学院本科毕业论文湖州师范学院本科毕业论文 max 0 6 15000 2000 400 /min 5 60 400 15000 360 10 th v nr l l = = = 最大动载荷： ffflq wh 3 = 式中：fw 为载荷系数，中等冲击时为 1.21.5；fh 为硬度系数，hrc58 时为 1.0。 查表得中等冲击时 1.2,1 wh ff= 则: 3 3 360 1.2 1 1045.6867079.58 360 1.2 1 1252.62110686.54 x y qn qn = = = = 根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝杠的型号 为: cm 系列滚珠丝杆副，其型号为：cm2005-5。 其基本参数如下: 其额定动载荷为 14205n y q 足够用.滚珠循环方式为外循环螺旋槽式,预紧方式采用双螺母螺 纹预紧形式. 滚珠丝杠螺母副的几何参数的计算如下表 湖州师范学院本科毕业论文湖州师范学院本科毕业论文 名称 计算公式 结果 公称直径 0 d 20mm 螺距t mm 接触角 0 45 钢球直径 b d 3.175mm 螺纹滚道法向半径r 0.52 b rd= 1.651mm 偏心距e (2)sin b erd= 0.04489mm 螺纹升角 0 arctg d = 0 4 33 螺杆外径d 0 (0.2 0.25) b ddd= 19.365mm 螺杆内径 1 d 10 22dder=+ 16.788mm 螺杆接触直径 2 d 20 cos b ddd= 17.755mm 螺母螺纹外径d 0 22dder=+ 23.212mm 螺母内径（外循环） 1 d 10 (0.2 0.255)ddd=+ 20.7mm 传动效率计算 丝杠螺母副的传动效率为： )( + = tg tg 式中：=10，为摩擦角； 为丝杠螺旋升角。 0 0 4 33 () (4 3310 ) 0.96 gg g g tt t t + + = 稳定性验算 丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。 刚度验算 滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为： es fl l 0 1 = (cm) 竖直向所受牵引力大,故用竖直向参数计算 6 0 62 222 1