三軸龍門機(jī)械手

1、摘 要工業(yè)機(jī)器手由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平，可以減輕勞動強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式比較簡單，通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。本課題將設(shè)計(jì)一個三軸龍門機(jī)械手，需完成X、Y、Z三維空間內(nèi)的移動要求，以及對工件的安全抓緊和釋

2、放，將倉庫出庫的工件搬運(yùn)到生產(chǎn)線的輸送帶上。關(guān)鍵詞：機(jī)器人；效率；龍門；三軸AbstractIndustrial machine by hand CaoZuoJi (mechanical body)， controller， servo drive system and detection sensor， which is a kind of copy operation， automatic control， can repeat programming in 3 d space， can finish all kinds of assignments electromechanical i

3、ntegration of the automatic production equipment. Particularly suitable for many varieties， change of flexible production batch. It to help stabilize， improve product quality， raise efficiency in production， improve working conditions and product rapid renewal plays a very important role. Production

4、 application manipulator can be used to increase production of automation level， can reduce labor intensity， ensure the quality of products， and realize safe production of the manipulator structure form began comparing simple， general manipulator can quickly change working procedures， good daptabili

5、ty， so it continues to transform the production of medium and small batch production of a wide range of references.Key Words: a manipulator，Efficiency; Simple; adaptability目 錄摘 要IAbstractII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4直角坐標(biāo)系機(jī)器人4圓柱坐標(biāo)系機(jī)器人4極坐標(biāo)系機(jī)器人4多關(guān)節(jié)機(jī)器人52

6、.2驅(qū)動裝置的選擇6液壓驅(qū)動6氣壓驅(qū)動7電動機(jī)驅(qū)動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)83.2.1 X軸方案設(shè)計(jì)9 Y軸方案設(shè)計(jì)93.2.3 Z軸方案設(shè)計(jì)103.2.4 機(jī)械手爪方案設(shè)計(jì)11第4章 三軸龍門機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)134.1 X軸設(shè)計(jì)134.1.1 最大工作載荷的計(jì)算134.1.2 齒輪齒條結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算134.1.3 步進(jìn)電機(jī)減速箱的選用154.2 Y軸設(shè)計(jì)154.3 Z軸設(shè)計(jì)17第5章 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)235.1夾持器設(shè)計(jì)的基本要求235.2 夾緊裝置設(shè)計(jì)235.2.1 夾緊力計(jì)算235.2.2 驅(qū)動力計(jì)算245.2.3 氣缸驅(qū)動力計(jì)算245.2.4 選用夾

7、持器氣缸255.2.5 手爪的夾持誤差及分析255.2.6 材料及連接件選擇28結(jié)論29參考文獻(xiàn)30致 謝31第1章 緒論1.1 機(jī)器人概述在現(xiàn)代工業(yè)中，機(jī)械化和自動化的生產(chǎn)過程中已成為一個突出的主題。生產(chǎn)過程的自動化化學(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)自動化，程控機(jī)床，數(shù)控機(jī)床，加工中心等自動化機(jī)械是有效地解決了多品種小批量的生產(chǎn)自動化的重要途徑。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)。“工業(yè)機(jī)器人”（Industrial Robot）：多

8、數(shù)是指程序可變（編）的獨(dú)立的自動抓取、搬運(yùn)工件、操作工具的裝置（國內(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，程序自動固定裝置的上部。機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低，易維護(hù)等優(yōu)勢，但功能較少，適應(yīng)性差。目前我國常把具有上述特點(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?，機(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，最簡單的是具有相似的基本條件，手段，抓住并移動手腕的機(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)動臂運(yùn)動 - 傳輸;像指揮和控制大腦系統(tǒng)的手部動作。這些系統(tǒng)的性能將決定機(jī)器人的性能。一般而

9、言，機(jī)器人通常就是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動傳動系統(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)器人首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機(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)用最多的國家。自1969年從美國引進(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。它有一個微電腦控制系統(tǒng)，具有視覺，觸覺能力，甚至聽，思考的能力

10、。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是一個重要的組成部分。隨著工業(yè)機(jī)器人拓展國際學(xué)術(shù)交流活動的研究和應(yīng)用都非?；钴S，歐洲和美國等國家進(jìn)行學(xué)術(shù)交流很多。國際機(jī)器人產(chǎn)業(yè)ISIR會議決定召開一次年會，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，主要是在危險的操作（寬），多塵的手動操作的，隔熱，隔音，并且工作環(huán)

11、境不適合窄的空間，例如手動操作。在國外機(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，機(jī)器人會損壞部件，甚至本身。隨著科學(xué)技術(shù)和社會，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)器人需要一個開放系統(tǒng)

12、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。目前我國已開始有計(jì)劃地從國外引進(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)器人將會獲得快

13、速的發(fā)展。1.3 機(jī)器人發(fā)展趨勢隨著現(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)器人有以下幾個發(fā)展趨勢： a)提高運(yùn)動速度和運(yùn)動精度，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)器人的各個機(jī)械模塊、控制模塊、檢測模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機(jī)器人； b)開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類型的場合，如開發(fā)微動機(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)不同的場合；c)研制各類傳感器及檢測元器件，如，觸覺、視覺、聽覺、

14、味覺、和測距傳感器等，用傳感器獲得工作對象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識別、狀態(tài)檢測。并采用專家系統(tǒng)進(jìn)行問題求解、動作規(guī)劃，同時，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。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)動是獨(dú)立的，3個關(guān)節(jié)都是移動關(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和作業(yè)。這種形式的主要特點(diǎn)是：

15、(1)在三個直線方向上移動，運(yùn)動容易想象。 (2)計(jì)算比較方便。 (3)由于可以兩端支撐，對于給定的結(jié)構(gòu)長度，其剛性最大。 (4)要求保留較大的移動空間，占用空間較大。 (5)要求有較大的平面安裝區(qū)域。(6)滑動部件表面的密封較困難，容易被污染。圓柱坐標(biāo)系機(jī)器人圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人，R、和x為坐標(biāo)系的三個坐標(biāo)，其中R是手臂的徑向長度，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。極坐標(biāo)系機(jī)器人

16、極坐標(biāo)型機(jī)器人又稱為球坐標(biāo)機(jī)器人，R，和為坐標(biāo)系的坐標(biāo)。其中是繞手臂支撐底座垂直軸的轉(zhuǎn)動角，是手臂在鉛垂面內(nèi)的的擺動角。這種機(jī)器人運(yùn)動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)兩個轉(zhuǎn)動驅(qū)動裝置容易密封。 (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)動裝置仍存在密封問題。(6)存在工作死區(qū)。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)動部件之間的相對角位移作為坐標(biāo)系的。、和為坐標(biāo)系的坐標(biāo)，其中是繞底座鉛垂軸的轉(zhuǎn)角，是過底座的水平線與第一臂之間的夾角，是第二臂相對于第一臂的轉(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

17、達(dá)到區(qū)域的形狀取決于兩個臂的長度比例。其特點(diǎn)是：(1)動作較靈活，工作空間大。(2關(guān)節(jié)驅(qū)動處容易密封防塵。(3)工作條件要求低，可在水下等環(huán)境中工作。(4) 適合于電動機(jī)驅(qū)動。(5)運(yùn)動難以想象和控制，計(jì)算量較大。(6)不適于液壓驅(qū)動。 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)動裝置的選擇機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式有液壓式、氣動式、和電動式。下面將三種驅(qū)動方式進(jìn)行分析比較。液壓驅(qū)動機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動，有幾個優(yōu)點(diǎn)：（1）容易實(shí)現(xiàn)高水壓（水壓一般為2.56.3MPa的），體積小，可能會更好推力或扭矩；（2）介質(zhì)的液壓系統(tǒng)的壓

18、縮性小，平滑和可靠，并能獲得更高的位置精度；（3）液壓傳動，功率，速度和方向是比較容易實(shí)現(xiàn)自動控制；（4）液壓系統(tǒng)采用油作為介質(zhì)，具有防銹性和自潤滑性能，能提高機(jī)械效率，使用壽命長。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；（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)動模式下的輸出功率和更大的權(quán)力，可以構(gòu)成一個伺服機(jī)構(gòu)，大型機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動器常用。氣壓驅(qū)動與液壓傳動相比，氣壓傳動的特點(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

19、中的加油站沒有加電設(shè)備；（3）空氣介質(zhì)對環(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0.40.6MPa的，以獲得一個較大的力，就必須相對地增加的結(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）壓縮空氣是一個非常重要的問題，處理不當(dāng)級鋼鐵機(jī)件會生銹，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)器人氣動驅(qū)動器。電動機(jī)驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動，可分為普通交流和直流馬達(dá)驅(qū)動，交流和直流伺服電機(jī)驅(qū)動器和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。 通用的交，直流馬達(dá)驅(qū)動器需要減速裝置，輸出扭矩大，但控制性能較差，慣性，適合中型或重型機(jī)器人。伺服和步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩比較小，良好的控制性能，可實(shí)現(xiàn)精確控制速度和位置，適合中小型機(jī)器人。交流伺服電機(jī)一般用于直接閉環(huán)控制系統(tǒng)中，