三軸龍門機(jī)械手目錄摘要 IAbstract II目錄 III第1章緒論 11.1機(jī)器人概述 11.2機(jī)器人的歷史、現(xiàn)狀 21.3機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì) 3第2章機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案 42.1機(jī)械手基本形式的選擇 42.1.1直角坐標(biāo)系機(jī)器人 42.1.2圓柱坐標(biāo)系機(jī)器人 42.1.3極坐標(biāo)系機(jī)器人 42.1.4多關(guān)節(jié)機(jī)器人 52.2驅(qū)動(dòng)裝置的選擇 62.2.1液壓驅(qū)動(dòng) 62.2.2氣壓驅(qū)動(dòng) 72.2.3電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) 7第3章三軸機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì) 83.1設(shè)計(jì)參數(shù) 83.2方案設(shè)計(jì) 83.2.1X軸方案設(shè)計(jì) 93.2.2Y軸方案設(shè)計(jì) 錯(cuò)誤!未定義書簽。3.2.3Z軸方案設(shè)計(jì) 錯(cuò)誤!未定義書簽。3.2.4機(jī)械手爪方案設(shè)計(jì) 錯(cuò)誤!未定義書簽。第4章三軸龍門機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 錯(cuò)誤!未定義書簽。4.1X軸設(shè)計(jì) 錯(cuò)誤!未定義書簽。4.1.1最大工作載荷的計(jì)算 錯(cuò)誤!未定義書簽。4.1.2齒輪齒條結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 錯(cuò)誤!未定義書簽。4.1.3步進(jìn)電機(jī)減速箱的選用 錯(cuò)誤!未定義書簽。4.2Y軸設(shè)計(jì) 錯(cuò)誤!未定義書簽。4.3Z軸設(shè)計(jì) 錯(cuò)誤!未定義書簽。第5章機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 錯(cuò)誤!未定義書簽。5.1夾持器設(shè)計(jì)的基本要求 錯(cuò)誤!未定義書簽。5.2夾緊裝置設(shè)計(jì) 錯(cuò)誤!未定義書簽。5.2.1夾緊力計(jì)算 錯(cuò)誤!未定義書簽。5.2.2驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 錯(cuò)誤!未定義書簽。5.2.3氣缸驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 錯(cuò)誤!未定義書簽。5.2.4選用夾持器氣缸 錯(cuò)誤!未定義書簽。5.2.5手爪的夾持誤差及分析 錯(cuò)誤!未定義書簽。5.2.6材料及連接件選擇 錯(cuò)誤!未定義書簽。結(jié)論 錯(cuò)誤!未定義書簽。參考文獻(xiàn) 錯(cuò)誤!未定義書簽。致謝 錯(cuò)誤!未定義書簽。PAGE9第1章緒論1.1機(jī)器人概述在現(xiàn)代工業(yè)中，機(jī)械化和自動(dòng)化的生產(chǎn)過程中已成為一個(gè)突出的主題。生產(chǎn)過程的自動(dòng)化化學(xué)連續(xù)性已基本得到解決。但在機(jī)械行業(yè)，加工，裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機(jī)是一種有效的方式來大規(guī)模生產(chǎn)自動(dòng)化，程控機(jī)床，數(shù)控機(jī)床，加工中心等自動(dòng)化機(jī)械是有效地解決了多品種小批量的生產(chǎn)自動(dòng)化的重要途徑。但在鑿除本身，也有很多裝卸，搬運(yùn)，裝配作業(yè)，有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。機(jī)器人的出現(xiàn)并得到應(yīng)用，為這些作業(yè)的機(jī)械化奠定了良好的基礎(chǔ)?！肮I(yè)機(jī)器人”（IndustrialRobot）：多數(shù)是指程序可變（編）的獨(dú)立的自動(dòng)抓取、搬運(yùn)工件、操作工具的裝置（國(guó)內(nèi)稱作工業(yè)機(jī)器人或通用機(jī)器人）。機(jī)器人是一種機(jī)體功能，程序自動(dòng)固定裝置的上部。機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，易維護(hù)等優(yōu)勢(shì)，但功能較少，適應(yīng)性差。目前我國(guó)常把具有上述特點(diǎn)的機(jī)器人稱為專用機(jī)器人，而把工業(yè)機(jī)械人稱為通用機(jī)器人?？傊瑱C(jī)器人是用機(jī)器代替人手，將工件從所述位置指定的作業(yè)移到某個(gè)位置，或按照以操縱工件加工用的工作要求。機(jī)器人拿起東西，最簡(jiǎn)單的是具有相似的基本條件，手段，抓住并移動(dòng)手腕的機(jī)構(gòu)，手臂，關(guān)節(jié)等部位-執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如肌肉的驅(qū)動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)-傳輸;像指揮和控制大腦系統(tǒng)的手部動(dòng)作。這些系統(tǒng)的性能將決定機(jī)器人的性能。一般而言，機(jī)器人通常就是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如圖1所示。圖1機(jī)器人的一般組成1.2機(jī)器人的歷史、現(xiàn)狀機(jī)器人首先是從美國(guó)開始研制的。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)器人。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。日本是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。自1969年從美國(guó)引進(jìn)兩種典型機(jī)器人后，大力從事機(jī)器人的研究。目前工業(yè)機(jī)器人大部分還屬于第一代，主要依靠手動(dòng)控制；相比，開環(huán)控制模式，沒有承認(rèn)；改善方向主要是降低成本，提高精度。第二代機(jī)器人正在加緊制定。它有一個(gè)微電腦控制系統(tǒng)，具有視覺，觸覺能力，甚至聽，思考的能力。研究各種傳感器的安裝，把感覺到的信息進(jìn)行反饋，使機(jī)器人具有感覺機(jī)能。第三代機(jī)器人（機(jī)器人）能夠獨(dú)立工作，以完成該過程的任務(wù)。它保持與電腦和電視設(shè)備的接觸，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC是一個(gè)重要的組成部分。隨著工業(yè)機(jī)器人拓展國(guó)際學(xué)術(shù)交流活動(dòng)的研究和應(yīng)用都非?；钴S，歐洲和美國(guó)等國(guó)家進(jìn)行學(xué)術(shù)交流很多。國(guó)際機(jī)器人產(chǎn)業(yè)ISIR會(huì)議決定召開一次年會(huì)，討論開發(fā)和應(yīng)用問題和研究機(jī)器人。目前，主要的工業(yè)機(jī)器人裝卸，搬運(yùn)，焊接，鑄造，鍛造和熱處理等，無論數(shù)量，品種和性能不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。而是采用一種工業(yè)機(jī)器人，主要是在危險(xiǎn)的操作（寬），多塵的手動(dòng)操作的，隔熱，隔音，并且工作環(huán)境不適合窄的空間，例如手動(dòng)操作。在國(guó)外機(jī)械制造，工業(yè)機(jī)器人使用較多，發(fā)展較快。目前應(yīng)用于機(jī)床，鍛壓機(jī)下料，以及點(diǎn)焊，噴漆等工作，也可以完成提前開發(fā)所需遵循的操作程序，但沒有感覺反饋能力，無法應(yīng)付外界世界的變化。如果出現(xiàn)某些偏差時(shí)，機(jī)器人會(huì)損壞部件，甚至本身。隨著科學(xué)技術(shù)和社會(huì)，研究應(yīng)用在這些領(lǐng)域的現(xiàn)代進(jìn)步的機(jī)器人系統(tǒng)，以系統(tǒng)的快速發(fā)展本身也提出了更多的要求。制造要求機(jī)器人系統(tǒng)具有更大的靈活性和更強(qiáng)大的編程環(huán)境，以適應(yīng)不同的應(yīng)用和多品種，小批量的生產(chǎn)過程。計(jì)算機(jī)集成制造（CIM）的機(jī)器人系統(tǒng)需要能源等自動(dòng)化設(shè)備在車間內(nèi)進(jìn)行整合。研究人員的水平，以提高性能和智能機(jī)器人系統(tǒng)，該機(jī)器人需要一個(gè)開放系統(tǒng)架構(gòu)和各種外部傳感器集成的能力。然而，多機(jī)器人系統(tǒng)的商業(yè)化，目前使用的專用控制器封閉結(jié)構(gòu)，通常使用專用的計(jì)算機(jī)作為上主計(jì)算機(jī)，使用專用的離線機(jī)器人編程語言作為一種工具，使用一個(gè)專用的微處理器和控制算法固化在EPROM這種專用系統(tǒng)很難（或不可能）整合外部硬件和軟件。封閉系統(tǒng)改裝費(fèi)用是非常昂貴的，如果不重新設(shè)計(jì)，在大多數(shù)情況下，它在技術(shù)上是不可能的。解決這些問題的根本途徑是學(xué)習(xí)和使用機(jī)器人系統(tǒng)具有開放式體系結(jié)構(gòu)。我國(guó)雖然開始研制工業(yè)機(jī)器人僅比日本晚5-6年，但是由于種種原因，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展比較慢。目前我國(guó)已開始有計(jì)劃地從國(guó)外引進(jìn)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，通過引進(jìn)、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機(jī)器人將會(huì)獲得快速的發(fā)展。1.3機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機(jī)器人設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力進(jìn)一步得到加強(qiáng)，尤其當(dāng)機(jī)器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而改變目前機(jī)械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。就目前來看，總的來說現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：a)提高運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)精度，減少重量和占用空間，加速機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，將機(jī)器人的各個(gè)機(jī)械模塊、控制模塊、檢測(cè)模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機(jī)器人；b)開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類型的場(chǎng)合，如開發(fā)微動(dòng)機(jī)構(gòu)用以保證精度；開發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機(jī)器人，以適應(yīng)不同的場(chǎng)合；c)研制各類傳感器及檢測(cè)元器件，如，觸覺、視覺、聽覺、味覺、和測(cè)距傳感器等，用傳感器獲得工作對(duì)象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識(shí)別、狀態(tài)檢測(cè)。并采用專家系統(tǒng)進(jìn)行問題求解、動(dòng)作規(guī)劃，同時(shí)，越來越多的系統(tǒng)采用微機(jī)進(jìn)行控制。第2章機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案2.1機(jī)械手基本形式的選擇常見的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動(dòng)作形態(tài)，按坐標(biāo)形式大致可以分為以下4種，如圖2所示：（1）直角坐標(biāo)型機(jī)械手；（2）圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手；（3）極坐標(biāo)型機(jī)械手；(4)多關(guān)節(jié)型機(jī)械手。2.1.1直角坐標(biāo)系機(jī)器人直角坐標(biāo)型機(jī)器人，它在x，y，z軸上的運(yùn)動(dòng)是獨(dú)立的，3個(gè)關(guān)節(jié)都是移動(dòng)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)軸線相互垂直，它主要用于生產(chǎn)設(shè)備的上下料，也可用于高精度的裝卸和檢測(cè)和作業(yè)。這種形式的主要特點(diǎn)是：(1)在三個(gè)直線方向上移動(dòng)，運(yùn)動(dòng)容易想象。(2)計(jì)算比較方便。(3)由于可以兩端支撐，對(duì)于給定的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，其剛性最大。(4)要求保留較大的移動(dòng)空間，占用空間較大。(5)要求有較大的平面安裝區(qū)域。(6)滑動(dòng)部件表面的密封較困難，容易被污染。2.1.2圓柱坐標(biāo)系機(jī)器人圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人，R、θ和x為坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo)，其中R是手臂的徑向長(zhǎng)度，θ是手臂的角位置，x是垂直方向上手臂的位置。這種形式的主要特點(diǎn)是：(1)容易想象和計(jì)算。(2)能夠伸入形腔式機(jī)器內(nèi)部。(3)空間定位比較直觀。(4)直線驅(qū)動(dòng)部分難以密封、防塵及防御腐蝕物質(zhì)。(5)手臂端部可以達(dá)到的空間受限制，不能到達(dá)靠近立柱或地面的空間。2.1.3極坐標(biāo)系機(jī)器人極坐標(biāo)型機(jī)器人又稱為球坐標(biāo)機(jī)器人，R，θ和β為坐標(biāo)系的坐標(biāo)。其中θ是繞手臂支撐底座垂直軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角，β是手臂在鉛垂面內(nèi)的的擺動(dòng)角。這種機(jī)器人運(yùn)動(dòng)所形成的軌跡表面是半球面。其特點(diǎn)是：(1)在中心支架附近的工作范圍較大。(2)兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置容易密封。(3)覆蓋工作空間較大。(4)坐標(biāo)系較復(fù)雜，較難想象和控制。(5)直線驅(qū)動(dòng)裝置仍存在密封問題。(6)存在工作死區(qū)。2.1.4多關(guān)節(jié)機(jī)器人多關(guān)節(jié)機(jī)器人，它是以其各相鄰運(yùn)動(dòng)部件之間的相對(duì)角位移作為坐標(biāo)系的。θ、α和φ為坐標(biāo)系的坐標(biāo)，其中θ是繞底座鉛垂軸的轉(zhuǎn)角，φ是過底座的水平線與第一臂之間的夾角，α是第二臂相對(duì)于第一臂的轉(zhuǎn)角。這種機(jī)器人手臂可以達(dá)到球形體積內(nèi)絕大部分位置，所能達(dá)到區(qū)域的形狀取決于兩個(gè)臂的長(zhǎng)度比例。其特點(diǎn)是：(1)動(dòng)作較靈活，工作空間大。(2關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)處容易密封防塵。(3)工作條件要求低，可在水下等環(huán)境中工作。(4)適合于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。(5)運(yùn)動(dòng)難以想象和控制，計(jì)算量較大。(6)不適于液壓驅(qū)動(dòng)。直角坐標(biāo)型圓柱坐標(biāo)型極坐標(biāo)型多關(guān)節(jié)型圖2工業(yè)機(jī)械手基本結(jié)構(gòu)形式本課題要求機(jī)械手為直角坐標(biāo)型。2.2驅(qū)動(dòng)裝置的選擇機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)方式有液壓式、氣動(dòng)式、和電動(dòng)式。下面將三種驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行分析比較。2.2.1液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動(dòng)，有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）容易實(shí)現(xiàn)高水壓（水壓一般為2.5~6.3MPa的），體積小，可能會(huì)更好推力或扭矩；（2）介質(zhì)的液壓系統(tǒng)的壓縮性小，平滑和可靠，并能獲得更高的位置精度；（3）液壓傳動(dòng)，功率，速度和方向是比較容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；（4）液壓系統(tǒng)采用油作為介質(zhì)，具有防銹性和自潤(rùn)滑性能，能提高機(jī)械效率，使用壽命長(zhǎng)。不足的液壓系統(tǒng)有：（1）油品粘度隨溫度變化，影響工作性能，高溫燃燒爆炸可能造成的危險(xiǎn)；（2）液體難以克服的，液壓元件的泄漏，需要更高的精度和質(zhì)量，成本較高；（3）需要相應(yīng)的供應(yīng)體系，特別是電液伺服系統(tǒng)需要嚴(yán)格過濾的設(shè)備，否則故障。液壓驅(qū)動(dòng)模式下的輸出功率和更大的權(quán)力，可以構(gòu)成一個(gè)伺服機(jī)構(gòu)，大型機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器常用。2.2.2氣壓驅(qū)動(dòng)與液壓傳動(dòng)相比，氣壓傳動(dòng)的特點(diǎn)是：（1）壓縮空氣粘度小，容易實(shí)現(xiàn)高速；（2）利用壓縮空氣工廠集中的加油站沒有加電設(shè)備；（3）空氣介質(zhì)對(duì)環(huán)境的污染，使用安全，可直接應(yīng)用到高溫作業(yè)；（4）氣動(dòng)元件的工作壓力低，它也比液壓元件的制造要求低。它的缺點(diǎn)是：（1）空氣壓力用0.4~0.6MPa的，以獲得一個(gè)較大的力，就必須相對(duì)地增加的結(jié)構(gòu)；（2）壓縮空氣大，表面光滑，可憐的速度控制很難實(shí)現(xiàn)精確的位置控制難度大；（3）壓縮空氣是一個(gè)非常重要的問題，處理不當(dāng)級(jí)鋼鐵機(jī)件會(huì)生銹，造成機(jī)是人類的失敗。此外，排氣也能引起噪聲污染。用于位置控制，采集，開關(guān)控制和順序控制機(jī)器人氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器。2.2.