毕业设计论文三自由度球坐标型工业机械手设计.docx

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1、三自由度球坐标型工业机械手设计摘要机械手是一种模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。工业机器人是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔

2、的发展前景。本文就电动机械手的应用设计和机构动作作了简单概述。关键词：工业机器人，电动机械手，结构设计摘要IABSTRACTII1绪论11.1 工业机器人的发展状况11.1.1 工业机器人的历史11.1.2 工业机器人的发展21.2 工业机器人的组成61.3 工业机器人的设计要求及参数71.4 工业机器人的总体设计步骤72球坐标型工业机器人的总体设计分析82.1 设计要求82.2 总体方案的拟定82.3 工业机器人主要技术性能参数93球坐标型工业机器人的机械系统设计H3.1 工业机器人的运动系统分析113.1.1 工业机器人的运动概述113.1.2 工业机器人的运动过程123.2 工业机器人的

3、执行机构设计分析133.2.1 末端执行机构设计133.2.2 手臂机构设计153.2.3 腰部和机座机构设计173.3 工业机器人的驱动机构设计分析213.3.1 直齿轮驱动设计计算213.3.2 锥齿轮驱动设计计算244工业机器人的P1C控制设计284.1 系统组成及工作原理284.2 电机与液压系统组成284.3 继电器控制设计304.4 P1C选型与I/O配置31结论32致谢32参考文献321绪论1.1工业机器人的发展状况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

4、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(C1MS)的自动化工具。广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样，工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。1.1.1工业机器人的历史机器人技术一词岁出现的较晚，但这一概念在人类的想象中很早已出现。制造机器人的机器人技术研究者的梦想，它体现了人类重塑自身、了解自身的一种强烈的愿望。自古以来，有不少科学家和杰出的工匠曾制造具有人类特点或具有模拟动物

5、特征的机器人雏形。工业机器人是一种广泛适用的能够自主动作，而且多轴联动的机械设备。机器人在必要情况下配有传感器，它们的动作步骤包括灵活的转动等都是可编程控制的，不需要任何外力的干预。它们通常配有机械手、刀具或者其他可装配的加工工具，还能够执行搬运操作和加工制造的任务。工业机器人在工业生产中能代替人类做单调、频繁和强烈重复性的长时间作业，亦或是在危险、恶劣环境下的作业，比如在冲压、锻造、铸造、热处理、焊接、涂装、复杂机械加工和简单装配等工序上，还有在原子能工业等部门中，替代人类完成有害物料的搬运或工艺操作。在我国，西周时期的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人，这是我国最早涉及机器人概念的记录文

6、字；春秋后期，著名的木匠鲁班曾制造出一直木鸟，能在空中飞行“三日而不下”，体现了我国劳动人民的聪明才智。20世纪50年代末，美国在工业的机械手和操作机的基础上，使用伺服机构和自动控制等技术，研制出了有通用性的独立工业用自动操作装置，并将其命名为工业机器人;20世纪60年代初，美国成功研制两种工业机器人，并且很快地投入到工业生产中；1969年，美国通用汽车公司用多台工业机器人组成了焊接轿车车身的自动生产装配线。此后,各工业发达的国家都很重视研制和应用工业机器人。机器人(robot)一词是1920年由捷克作家卡雷尔恰佩克(Kare1CaPek)在他的讽刺剧罗莎亩的万能机器人中首次提出的。剧中描述了

7、一个与人类相似，但能不知疲倦地工作的奴仆Robot。从那时起，robot一词就被沿用下来，中文译成机器人。1942年，美国科幻学家艾萨克阿西莫夫(IsaarAsimov)在他的科幻小说我,机器人中提出了“机器人三定律”，这三条定律后来成为学术界默认的研发原则。鉴于工业机器人有一定的通用性和适应性，能应用在多品种的中、小批量的生产，经常与数字控制机床结合在一起使用，成为柔性制造单元或柔性制造系统的重要的组成部分。工业机器人包括主体、驱动系统和控制系统三个基本部分。主体即为机座和执行机构，包含臂部、腕部和手部，有的机器人还含有行走机构。大多数工业机器人有3至6个运动自由度，其中腕部通常有1至3个运

8、动自由度；驱动系统包含动力装置和传动机构，使执行机构产生相应的动作；控制系统是根据输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并对其进行控制。现代机器人出现在20世纪中期，当时数学计算机已经出现，电子技术有了长足的发展，在产业领域出现了受计算机控制的编程的数控机床，与机器人的技术相关控制技术和零部件加工业有了扎实的基础。同时人类需要开发自动机器，带起人去从事一些在恶劣环境下的作业。正是在这一背景下，机器人技术的研究和应用得到了快速的发展出。1.1.2工业机器人的发展工业机器人在许多生产领域的使用实践证明，它已在越来越多的领域得到了应用。在制造业中，汽车产业、毛坯制造(冲压、压铸、锻造等)、机械

9、加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中，机器人都已逐步取代了人工作业。1954年，美国人戴沃尔(GCDevo1)制造出世界第一台可编程的机械手，并住处了专利。这种机械手能按照不同的程序从事不同的工作，因此具有通用性和灵活性。1959年，戴沃尔与美国发明家英格伯格(IngerbOrg)联手制造出第一代工业机器人。随后，成立了世界第一家机器人制造工厂-Unimation公司。由于英格伯格对工业机器人富有成效的研发和宣传，被称为“工业机器人之父”。1962年，美国AMF公司生产出万能搬运（Verstran）机器人，与UnimatiOn公司生产的万能伙伴（Unimate）机

10、器人一样成为了真正商业化的工业机器人，并出口到世界各国，掀起了全世界对机器人研究的热潮。1967年，日本川崎重工公司和丰田公司分别从美国购买了工业机器人Unimate和Verstran的生产许可证，日本从此开始对机器人的研究和制造。20世纪60年代后期，喷漆弧焊机器人问世并逐步开始应用于工业生产。1968年，美国斯坦福研究所公布了他们所研究成功的机器人Shakey,由此拉开了第三代机器人研发的序幕。Shakey带有视觉传感器能感觉的人指令发现并抓取积木，不过控制它的计算机有一个房价那么大。Shakey可以说是世界上第一台智能机器人。1969年，日本早稻田大学加藤一郎实验室研发了第一塔以双脚走路

11、的机器人。加藤一郎长期致力于研究仿人机器人，被誉为“仿人机器人之父”。日本专家一项以研发仿人机器人和娱乐机器人见长，后来更进一步，出现了本田公司的ASIMO机器人和索尼公司的QRIO机器人。1973年，世界上机器人和小型计算机第一次“携手合作”，诞生了美国CinCinnatiMi1aCrOn公司的机器人（见图1-1）,并且博尔斯和保罗在斯坦福使用视觉和力反馈，表演了与PDPTO计算机相连由计算机控制的“斯坦福”机械手，用于装配自动水泵。1979年，美国Unimation公司退出了通用工业机器人PUMA（见图1-2）,他是全电动驱动、关节式结构、多CPU二级微机控制、采用VA1专用语言，可配置视

12、觉、触觉的力觉感受器的，技术较为先进的机器人。这标志着工业机器人技术已经成熟。PUMA至今仍然工作在生产第一线，许多机器人技术的研究都是以改机器人为模型和对象。1979年，日本山梨大学牧野洋发明了平面关节（Se1eCtiVecomp1ianceassemb1yrobotarm,SCARA）型机器人，改性机器人几次后在装配作业中得到了广泛的应用整个70年代，出现了更多的机器人商品，并在工业生产中逐步推广应用。随着计算机科学技术、控制技术和人工智能的发展，机器人的研究开发，无论就水平和规模而言都得到迅速发展。据国外统计，到1980年全世界约有2万余台机器人在工业中应用。图1-1机器人T3图1-2机

13、器人PUMA1980年，工业机器人在日本开始普及。随后，工业机器人在日本的发展得到了巨大的发展，日本也因此而得到了“机器人王国”的美称。1984年。，英格伯格再次推出机器人HeIPmate,种种技巧气人能在医院了为病人送饭、送药、送邮件。同年，英格伯格还放言：我要让机器人擦地板、做饭、出去帮我擦车、检查安全。1996年，本田公司推出的仿人机器人p2,是双足行走机器人的研究达到了一个新的水平。随后，许多国际著名企业争相研制代表自己的公司的仿人机器人，一展开公司的科研实力。1998年，丹麦乐高公司推出机器人Mind-StOrmS套件，让机器人执照变得跟搭积木一样对简单又能任意拼装，是机器人开始走入

14、个人世界。1999年，日本索尼公司推出机器人狗爱宝，当即销售一空，从此娱乐机器人迈入普通家庭。2002年，美国iRobot公司推出了吸尘器机器人RoOmba,它是目前世界上销量最大、商业化最强大的家用机器人。2006年，微软公司推出MiCrOSOftRObotiCSStUdiO机器人，从此机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显。比尔盖茨预言机器人很快席卷全球。2009年,丹麦游傲机器人公司推出第一台轻量型的UR5系列工业机器人（见图1-3）,它是一款六轴串联的革命性的机器人产品，质量为18kg,负载高达5kg,工作半径为85厘米，适合中小企业选用。UR5游傲机器人拥有轻便灵活、易于编程、高效

15、节能、低成本和投资回报快等优点。UR5游傲机器人的另一显著优势是不需要安全围栏即可直接与人协同工作。一旦人与机器人接触并长生15On的力，机器人就会自动停止工作。2012年，多家机器人著名厂商开发出双臂协作机器人。如ABB公司开发出的YuMi双臂机器人（见图1-4）,能够满足电子消费品行业对柔性和灵活制造的需求，我来也将逐渐应用于更多的市场领域。又如RethinkRobOtiCS公司突出了BaXter双臂工业机器人，其示教过程建议，能安全和谐的与人协同工作。在未来的工业生产中双臂机器人回发挥越来越重要的作用。从近几年世界机器人推出的产品来看，工业机器人技术正在向智能化、模块化和系统化的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、PC化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面。图1-3UR5游傲机器人1.2 图1-4双臂机器人YuMi1.3 工业机器人的组成机器人系统是由机器人作业对象及环境共同构成的，其中包括机器人机械系统、驱动系统、控制系统和感知系统四大部分，他们之间的关系如图1-5所示。由图1-5可以看出，机器人系统实际上是一个电箱的机电一体化的系统，其工作原理为：控制系统发出动作指令，控制驱动器动作，驱动器带动机械系统动作，是末端操作器到达空间某一位