SC750三轴伺服驱动机器人机构设计

目 录前 言 .2第 一 章 绪 论 .31.1 引 言 .31.2 工 业 机 器 人 的 含 义 .41.3 选 题 背 景 与 意 义 .51.4 工 业 机 器 人 的 组 成 .61.5 工 业 机 器 人 的 发 展 及 国 内 外 发 展 趋 势 .7第 二 章 SC750 三 轴 伺 服 驱 动 机 器 人 结 构 设 计 方 案 .122.1 机 械 手 的 设 计 方 法 .122.1.1 机 械 手 的 选 择 与 分 析 .122.1.2 直 角 坐 标 机 器 人 的 设 计 方 法 .132.2 机 械 手 的 结 构 设 计 .192.2.1 机 器 人 的 总 体 设 计 .192.2.2 机 械 手 的 传 动 部 件 设 计 .202.2.3 机 械 手 的 臂 部 设 计 .212.3 SC750 三 轴 伺 服 驱 动 机 器 人 机 构 的 特 点 .21第 三 章 工 业 机 器 人 的 运 动 系 统 分 析 .223.1 工 业 机 器 人 的 运 动 系 统 分 析 .223.1.1 机 器 人 的 运 动 概 述 .223.1.2 机 器 人 的 驱 动 方 式 .25第 四 章 SC750 三 轴 伺 服 驱 动 机 器 人 零 件 的 设 计 .264.1 伺 服 电 机 的 选 择 .264.2 减 速 机 的 选 择 .284.3 齿 轮 齿 条 的 选 择 .304.4 导 轨 的 选 择 .38第 五 章 结 论 .40致 谢 .41参 考 文 献 .42前 言进 入 21 世 纪 后 ,FANUC 公 司 开 发 成 功 了 配 备 有 视 觉 传 感 器 和 力 觉传 感 器 的 智 能 机 器 人 。 到 现 在 已 拥 有 可 搬 运 质 量 从 2 公 斤 到1.2 吨 的 种 类 丰 富 的 商 品 系 列 。 随 后 ， FANUC 公 司 又 开 发 了 运 用 这一 智 能 机 器 人 的 长 时 间 连 续 机 械 加 工 系 统 机 器 人 单 元 。 在 整 个加 工 工 序 中 加 工 作 业 本 身 使 用 数 控 机 床 进 行 自 动 化 加 工 已 经 非 常 普 遍了 。 但 是 ， 附 带 作 业 ， 毛 比 如 在 加 工 中 心 的 夹 具 上 进 行 加 工 材 料 装卸 的 作 业 ， 以 及 去 毛 刺 边 ， 清 洗 等 作 业 中 的 很 多 部 分 ， 现 在 还是 依 靠 人 工 来 完 成 。 机 器 人 单 元 使 用 智 能 机 器 人 ， 不 但 实 现 了 这些 作 业 的 自 动 化 ， 而 且 在 世 界 上 最 早 实 现 了 。 小 时 的 长 时 间 连 续加 工 ， 现 在 在 FANUC 公 司 的 工 厂 共 运 转 着 13 套 这 样 的 机 器 人 单元 。 机 器 人 单 元 使 用 了 两 种 控 制 装 置 也 就 是 CNC 和 机 器 人 控 制 器我 们 现 在 正 在 开 发 使 这 两 种 控 制 装 置 都 可 以 单 独 地 显 示 双 方 状 态 的 功能 ， 以 进 一 步 推 进 机 床 和 机 器 人 的 融 合 。 1随 着 我 国 工 业 自 动 化 水 平 的 不 断 提 高 ， 在 机 械 加 工 与 制 造 领域 ， 以 及 各 种 装 配 与 包 装 自 动 化 生 产 线 上 机 械 手 的 应 用 已 相 当 普 遍 机械 手 通 常 担 负 着 上 料 下 料 等 加 工 任 务 。 由 于 PLC 顺 序 控 制 具 有 系统 简 单 可 靠 ， 控 制 灵 活 方 便 等 特 点 ， 而 且 从 PLC 诞 生 之 日 起 其最 基 本 最 普 遍 的 应 用 领 域 就 是 在 工 业 环 境 下 的 顺 序 控 制 ， 因此 ， 基 于 PLC 顺 序 控 制 的 机 械 手 在 工 业 自 动 化 领 域 中 得 到 广 泛 的 应用 。机 器 人 是 一 种 很 特 别 的 生 产 工 具 ， 因 此 ， 机 器 人 应 用 的 范 围 十 分 广泛 。 这 些 应 用 可 以 被 划 分 为 3 类 ： 材 料 处 理 、 材 料 搬 运 和 装 配 。 在材 料 处 理 中 ， 机 器 人 用 工 具 来 加 工 和 处 理 原 材 料 。 例 如 ， 机 器 人 工 具可 包 括 钻 头 ， 从 而 可 以 在 原 始 材 料 上 执 行 钻 孔 操 作 。 材 料 搬 运 包 括 装载 零 件 。 这 些 操 作 可 以 由 机 器 人 可 靠 地 重 复 执 行 ， 因 此 提 高 了 质 量 ，减 少 了 废 料 损 失 。 装 配 是 机 器 人 技 术 的 另 一 个 广 泛 应 用 。 自 动 装 配 系统 能 合 并 自 动 测 试 、 机 器 人 自 动 控 制 和 机 械 处 理 ， 以 减 少 劳 动 成 本 ，提 高 产 量 ， 消 除 人 工 操 作 的 危 险 性 。第 一 章 绪 论1.1 引言工 业 机 器 人 是 一 种 提 高 制 造 业 生 产 力 的 工 具 。 他 诞 生 于 20世 纪 60 年 代 ,在 20 世 纪 90 年 代 得 到 迅 速 发 展 ,是 最 先 产 业 化 的 机器 人 技 术 它 可 以 承 担 那 些 对 人 类 可 能 有 危 险 的 工 作 。 它 是 综 合 了计 算 机 、 控 制 论 、 机 构 学 、 信 息 和 传 感 技 术 、 人 工 智 能 、 仿 生 学 等 多学 科 而 形 成 的 高 新 技 术 ,是 当 代 研 究 十 分 活 跃 、 应 用 日 益 广 泛 的 领 域 。它 的 出 现 是 为 了 适 应 制 造 业 规 模 化 生 产 ,解 决 单 调 、 重 复 的 体 力 劳动 和 提 高 生 产 质 量 而 代 替 人 工 作 业 。 最 早 的 工 业 机 器 人 就 曾 用 来 在核 能 发 电 厂 中 更 换 核 燃 料 棒 。 工 业 机 器 人 也 能 在 装 配 线 上 工 作 ， 如 安装 印 刷 电 路 板 上 的 电 子 元 器 件 。 这 样 人 们 就 可 以 从 这 种 单 调 的 工 作 中解 脱 出 来 。 机 器 人 还 能 拆 除 炸 弹 ， 为 伤 残 人 服 务 ， 为 我 们 的 社 会 做 各种 各 样 的 工 作 。 7在 我 国 ,工 业 机 器 人 的 真 正 使 用 到 现 在 已 经 接 近 20多 年 了 ,已 经 基 本 实 现 了 试 验 、 引 进 到 自 主 开 发 的 转 变 ,促 进 了 我国 制 造 业 、 勘 探 业 等 行 业 的 发 展 。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 工 业 机 器 人 的 应 用 的 空 白 ， 促 进 我 国 工 业 机 器 人 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 工 业 机 器 人 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 工 业 机 器 人 的 含 义工 业 机 器 人 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 。 工 业 机 器 人 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 工 业 机 器 人 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 工 业 机 器 人 所 执 行 的 工 作 为 模 拟 人 的 手 臂 而 工 作 ， 因 而 通 常把 工 业 机 器 人 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 工 业 机 器 人 ， 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 工 业 机 器 人 。 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 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 SC750三 轴 伺 服 驱动 机 器 人 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 。1.4 工 业 机 器 人 的 组 成工 业 机 器 人 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 工 业 机 器 人 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 工 业 机 器 人 。图1-1 机器 人 的一 般 组 成要 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 。图 1-2 机 器 人 各 组 成 部 分 之 间 的 关 系机 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 工 业 机 器 人 的 发 展 及 国 内 外 发 展 趋 势 一 、 工 业 机 器 人 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 工 业 机 器 人 ， 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 工 业 机 器 人 得 到 迅 速 的 发 展 。目 前 ， 日 本 已 成 为 世 界 上 工 业 机 器 人 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 工 业 机 器 人得 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 关 ， 完 成 了 示 教 再 现 式 工 业 机 器 人 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 工 业 机 器人 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 工 业 机 器人 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 工 业 机 器人 。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 工 业 机 器 人 及 其 零 部 件 进 行 攻 关 ，完 成 了 示 教 再 现 式 工 业 机 器 人 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 工 业 机 器 人 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 工 业 机 器 人 ， 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 工 业 机 器 人 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 ,工 业 机 器 人 市 场 也 已 经 成 熟 ,应用 上 已 经 遍 及 各 行 各 业 。虽 然 中 国 的 工 业 机 器 人 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 。 工 业 机 器 人 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 工 业 机 器 人 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 、 工 业 机 器 人 在 工 业 、 生 产 中 的 应 用工 业 机 器 人 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 ， 工 业 机 器 人得 到 越 来 越 广 泛 的 应 用 。三 、 工 业 机 器 人 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 。四 、 工 业 机 器 人 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 工 业 机 器 人的 发 展 趋 势 主 要 有 ：（ 一 ） 工 业 机 器 人 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 ） 工 业 机 器 人 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 工 业 机 器 人 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 工 业 机 器 人 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 工 业 机 器 人 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 工 业 机 器 人 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 。第 三 ， 国 家 认 识 不 到 位 ， 在 鼓 励 工 业 机 器 人 产 品 方 面 的 政 策 少 。 工业 机 器 人 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 工 业 机 器 人 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 二 章 SC750 三 轴 伺 服 驱 动 机 器 人 结 构 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 工 业 机 器 人 所 执 行 的 工 作 为 模 拟 人 的 手 臂 而 工 作 ， 因 而 通 常 把工 业 机 器 人 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(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 。 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 。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3、 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 FyMx、 My、 Mz5、 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