【正文】 amental change, but also the production of human society has had a major impact. Robot as a tool of modern industrial production, not only greatly increase the productivity and the production environment from a variety of liberation. Currently, many countries have very good industrial robot technology development, China is also indepth research and development. Porters of this paper is to design a piece of the Cartesian coordinate robot, which can be used in automated production lines and artificial pared to fast, accurate positioning accuracy characteristics,with strong practical the design of the rightangle coordinate robot,the text uses the second the third and the forth chapters to say the process of the five chapter briefly describes some of the robot39。作為直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本文 用了第二、三、 四章詳細(xì)闡述了設(shè)計(jì)過程，第五章簡要介紹了機(jī)器人的控制部分，第六 對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了效果分析，并總結(jié)了直角坐標(biāo)機(jī)器人的特點(diǎn)。目前，許多國家的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)得到很好的發(fā)展，我國也在進(jìn)行深入的研究和開發(fā)。 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 I 頁 直角坐標(biāo)機(jī)器人 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘要 隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，不但使傳統(tǒng)工業(yè)的生產(chǎn)發(fā)生了根本性的變化，而且也對(duì)人類社會(huì)的生產(chǎn)產(chǎn)生了重大的影響。機(jī)器人作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的一種工具，不僅大大的提高了生產(chǎn)力，而且把人從各種生產(chǎn)環(huán)境中解放出來。本文主要是設(shè)計(jì)一個(gè)搬運(yùn)工件的直角坐標(biāo)機(jī)器人，它可以應(yīng)用在自動(dòng)化生產(chǎn)線上與人工相比具有速度快、定位精度準(zhǔn)確的特點(diǎn)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性能 。設(shè)計(jì)不拘泥于常規(guī)，使產(chǎn)品具有更廣闊的發(fā)展空間，必將成為機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)。s control. The sixth chapters carried out effectiveness analysis and summarizes the characteristics of a Cartesian coordinate design makes the products have much more development,which must be the current of robot39。這種自動(dòng)化技術(shù)的更新不論是看作世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的誘因還是結(jié)果，都和世界經(jīng)濟(jì)密切相關(guān)。這些技術(shù)起碼在引導(dǎo)工業(yè)自動(dòng)化向一個(gè)新的領(lǐng)域過渡 [1]。在 20 世紀(jì) 90 年代的十年間，機(jī)器人價(jià)格降低而勞動(dòng)力成本增加。如果在成本統(tǒng)計(jì)中將質(zhì)量因素考慮在內(nèi)，應(yīng)用機(jī)器人的成本將比它的實(shí)際下降快得多。這是工業(yè)推動(dòng)機(jī)器人發(fā)展的主要因素。 機(jī)器人的使用不僅提高生產(chǎn)了 生產(chǎn)效率而且增強(qiáng)了工作范圍。而直角坐標(biāo)機(jī)器人在碼垛機(jī)和搬運(yùn)機(jī)使用越來越多，其特點(diǎn)是負(fù)載范圍大，小到幾公斤，大到幾屯；運(yùn)行速度快，且速度可調(diào)整；動(dòng)作靈活，可完成復(fù)雜的任務(wù)；可靠性高，維護(hù)簡單。特別適用于多 品種，便批量的柔性化作業(yè)，對(duì)于穩(wěn)定，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代期著十分重要的作用。 按結(jié)構(gòu)形式分為：壁掛（懸臂）機(jī)器人、龍門機(jī)器人、倒掛機(jī)器人等 按自由度分為：兩坐標(biāo)機(jī)器人、三坐標(biāo)機(jī)器人、四坐標(biāo)機(jī)器人、五坐標(biāo)機(jī)器人、六坐標(biāo)機(jī)器人 。科學(xué)的進(jìn)步與技術(shù)的創(chuàng)新，為機(jī)器人的研究與應(yīng)用開辟了廣闊的思路與空間。 1954 年美國戴沃爾發(fā)表了 “通用重復(fù)型機(jī)器人 ”的專利論文，首次提出 “工業(yè)機(jī)器人 ”的概念； 1958 年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)數(shù)控工業(yè)機(jī)器人原型； 1959 年美國 UNIMATION 公司推出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。 70 年代隨著計(jì)算機(jī)和人工智能的發(fā)展，機(jī)器人進(jìn)入實(shí)用化時(shí)代。 80 年代，機(jī)器人發(fā)展成為具有各種移動(dòng)機(jī)構(gòu)、通過傳感器控制的機(jī)器 人的運(yùn)動(dòng)。 80 年代后期至今天機(jī)器人的技術(shù)日臻成熟，使得機(jī)器人有了更進(jìn)一步的發(fā)展，產(chǎn)生了有力覺視覺的機(jī)器人并隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了智能機(jī)器人 ，智能機(jī)器人的產(chǎn)生為機(jī)器人工業(yè)的發(fā)展提出了一個(gè)更新的發(fā)展方向，為今后機(jī)器人工業(yè)的發(fā)展指明了方向。在高技術(shù)發(fā)展的失去 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3 頁 下，隨著改革開放方針的實(shí)施，我國機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展得到政府的重視的支持。在眾多專家的建議和規(guī)劃 下，于“七五”期間，由機(jī)電部主持，中央各部委，中科院能及地方科研所的大學(xué)參加，國家投入相當(dāng)資金進(jìn)行了工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)技術(shù)、基礎(chǔ)元器件、幾類工業(yè)機(jī)器人整機(jī)及應(yīng)用工程的開發(fā)研究。經(jīng)過 80 年代的尤其是后 5 年的努力，我 國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展基本上可以立足于國內(nèi)。目前已有 500 臺(tái)左右的粘接機(jī)器人分布于大陸各大中城市的汽車、摩托車、工程機(jī)械等制造業(yè)，其中 55%左右為扳焊機(jī)器人， 45%左右為點(diǎn)焊機(jī)器人，已建成的機(jī)器人焊接柔性生產(chǎn)線 5 條，機(jī)器人焊接工作站 300 個(gè)。 （ 3） 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì) ①機(jī)器人朝著標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。 ②注意研究新型機(jī)器人結(jié)構(gòu)。 ③機(jī)器人朝著智能化方向發(fā)展。為此，必須規(guī)范性類似人類感覺傳感器（如觸覺傳感器、視覺傳感器、測(cè)距傳感器等，）、發(fā)展式 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁 傳感器的信息融合技術(shù)，通過各種傳感器得到關(guān)于工作對(duì)象的外部環(huán)境的信息，以及信息為中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)、規(guī)劃的資料，以完成模式，用“專家系統(tǒng)”等智能系統(tǒng)進(jìn)行問題求解，動(dòng)作規(guī)劃。先進(jìn)制造技術(shù)的協(xié)作機(jī)器人學(xué)的研究與發(fā)展趁著積極的促進(jìn)作用。在這樣的生產(chǎn)線上，機(jī)器人是作為一個(gè)群體工作的，不論每個(gè)機(jī)器人在生產(chǎn)線上起什么作用，它總是作為系統(tǒng)中的一員 而 存在。因此， 用系統(tǒng)的觀點(diǎn)來發(fā)展新的機(jī)器人 ，有大量的理論 與 實(shí)踐的工作要做。在人無法接近的地方或者在長時(shí)間工作對(duì)人體有害的場(chǎng)所，機(jī)器人都不受影響。 ②機(jī)器人能持久，耐勞，可以把人從繁重單調(diào)的環(huán)境中解脫出來，并能擴(kuò)展和延伸人的功能。工業(yè)機(jī)器人不像人一樣，容易受精神和 心理因素的影響，它不會(huì)因?yàn)榫o張、馬虎、疲勞或視覺差等原因引起失誤。 ⑤采用工業(yè)機(jī)器人后可明顯提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低成本。缺點(diǎn)是占據(jù)空間大而相應(yīng)的工作范圍較小。 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁 選題的意義和目的及設(shè)計(jì)基本步驟 作為一名機(jī)械電子專業(yè)的學(xué)生，機(jī)器人是機(jī)械和電子結(jié)合得最緊密的產(chǎn)品，能夠有機(jī)會(huì)認(rèn)識(shí)和了解機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，我 感 到很榮 幸。 在設(shè)計(jì)直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主要有以下幾個(gè)步驟 （ 1） 了解機(jī)器人及其相關(guān)技術(shù) 由于目前機(jī)器人的數(shù)量還比較少并且應(yīng)用不十分廣泛，所以對(duì)機(jī)器人了解只是理論上的一些了解，并不十分系統(tǒng)。 （ 2） 了解 直角 坐標(biāo)機(jī)器人的主要用途 機(jī)械 設(shè)計(jì)的目的就是為了滿足生產(chǎn)的需要，因此了解設(shè)計(jì)對(duì)象的主要用途是進(jìn)行設(shè)計(jì)的必要準(zhǔn)備。按照三個(gè)自由度進(jìn)行設(shè)計(jì)，如空間一個(gè)物體在直角坐標(biāo)系中運(yùn)動(dòng)，分為 x、 y、 z 三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。 本文研究的主要內(nèi)容 本文以一種門式直角坐標(biāo)機(jī)器人設(shè)計(jì)為主線，來研究直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作原理、結(jié)構(gòu)形式。第一、二自由度結(jié)構(gòu)相似利于制造 加工 。本文的第二、三、四章重點(diǎn)介紹設(shè)計(jì)過程。待實(shí)現(xiàn)的工作空間大都為矩形空間。因此為了研究問題方便，可以把空間任意兩點(diǎn)的曲線運(yùn)動(dòng)簡化為分別在三個(gè)自由度方向的直線運(yùn)動(dòng)。摩擦陰力小，軸 向沖擊， 鋼性較好，可以傳遞較大扭力，位置準(zhǔn)確 傳動(dòng)速度較慢，且機(jī)構(gòu)不能自鎖，長度較大時(shí)承受徑向載荷能力差 齒輪齒 條 傳遞的功率大、速度范圍廣、效率高、工作可靠、壽命長、結(jié)構(gòu)緊湊、能保證恒定傳動(dòng)比 制造及安裝精度要求高，成本高，不適于兩軸中心距過大的傳動(dòng) 同步帶傳動(dòng) 傳動(dòng)準(zhǔn)確，平穩(wěn)，噪音小，可獲得恒定速比，且速比范圍大，允許線速度高，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)緊湊 對(duì)中心及其尺寸穩(wěn)定性要求較高 液壓傳 動(dòng) 可產(chǎn)生較大軸向力，傳動(dòng)速度快 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)困難，整個(gè)裝車質(zhì)量大。 末端執(zhí)行器抓取工件的基本原理 概述 如今，查閱有關(guān)機(jī)械手的書籍，會(huì)發(fā)現(xiàn)的各類很多。大部分是根據(jù)特定工作的要求專門設(shè)計(jì)的。而這些又決定手部的抓取機(jī)能，即約束性 、 操作性和 感覺 性。 例如 ，廣泛使用的二指手爪，在抓取水平旋轉(zhuǎn)的圓棒工件時(shí)，手指只對(duì)圓棒半徑方向進(jìn)行約束，而軸向約束是借助手指與圓棒工件之間的摩擦力來實(shí)現(xiàn)的。同樣，圓棒工件圓周方向的回轉(zhuǎn)也是靠摩擦力來限制的。 感覺性是指手指對(duì)工件的控制能力定位精度等。最簡單的一各形式利用微型開關(guān)來檢測(cè)判斷是否抓住工件。 由于本次設(shè)計(jì)的工件是 1～ 3kg 的小工件所以綜合各各方面考慮，選擇手指式手部。驅(qū)動(dòng)裝置是為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力的，驅(qū)動(dòng)源 有液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)等 常見 的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)往往通過滑槽、斜面、齒輪齒條、連桿等 推動(dòng) 杠桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)加緊或松開。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動(dòng)，適用于夾持平板、方料。但 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁 這種手指的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，體積大，要求加工精度高。驅(qū)軸支點(diǎn)為一個(gè)的，稱為單支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，為兩個(gè)的，稱雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型。 ②按手指關(guān)節(jié)可分為無關(guān)節(jié)型、固 定關(guān)節(jié)型和自由關(guān)節(jié)型。自由體關(guān)節(jié)本體分為指根和指尖兩部分比較復(fù)雜。 ④按指面形式可分為 ：光滑型，指面平整光滑，用來夾持已加工完成表面光整的工件，避免碰傷；齒型，指面上有齒紋，增加摩擦力，確保夾緊牢靠，多用于夾持粗坯、半成品工件；柔性型，指面使用橡膠，增大摩擦力、保護(hù)工件表面作用。 ②應(yīng)具有足夠的開閉角度或開閉距離，便于抓取和退出工件。 ④在保證本身強(qiáng)度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，以利于減輕總負(fù)載。如耐高溫 、 耐腐蝕 、 能承受鍛捶沖擊力等。至于具體尺寸以及其它的設(shè)計(jì)計(jì)算問題將在下第三章中詳細(xì)說明 。其中包括各零部件形狀以及主要設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇。 直角坐標(biāo)機(jī)器人外形方案的確定 目前直角坐標(biāo)機(jī)器人主要有兩種結(jié)構(gòu)形式。哪下表所示它們各自有特點(diǎn)： 表 31 兩種機(jī)器人性能對(duì)比表 類型 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 門式直角坐標(biāo)機(jī)器人 可承受較大載荷，結(jié)構(gòu)穩(wěn) 定 占據(jù)空間大 懸臂式破解坐標(biāo)機(jī)器人 使用靈活方便，占據(jù)空間小 具有懸臂梁結(jié)構(gòu)除第一根軸安裝在基礎(chǔ)上外其余各軸行程不易過長 鑒于此，選擇了其中一種即門式直角坐標(biāo)機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 直角坐標(biāo)機(jī)器人傳動(dòng)及驅(qū)動(dòng)方式的選擇 直角坐標(biāo)機(jī)器人傳動(dòng)方式的選擇 直角坐標(biāo)機(jī)器人的母體（即三個(gè)自由度部件）的傳動(dòng)方式大體有四種，分別是滾珠絲杠傳動(dòng)方式、齒輪齒條傳動(dòng)方式、同步帶傳動(dòng)方式、以及液壓傳動(dòng)方式。至于其它方式在第二章中以做了詳細(xì)的介紹，在這里就不重述了。如果沒有有效的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，無論機(jī)器人具有多高的智能和優(yōu)越的傳感器，也是無濟(jì)于事的。這三種方式的比較如表 32給出 表 32 三種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)比較表 項(xiàng)目 液壓 氣動(dòng) 電動(dòng) 輸出力 油液壓力大，抓取重 量可達(dá) 100～ 800kg 壓力較小，抓取重量一般小于 30kg 可得到中小程度輸出力抓取重量為 1～200kg 傳動(dòng)性能 傳動(dòng)平穩(wěn)，無沖擊，反應(yīng)靈敏，最高速度可達(dá) 2m/s 可達(dá)較高的速度，但高速時(shí)沖擊較大 動(dòng)作速度低。隨著步進(jìn) 、伺服電機(jī)的發(fā)展，電動(dòng)驅(qū)動(dòng)逐漸體現(xiàn)出它的優(yōu)點(diǎn)：動(dòng)力源簡單 、 維護(hù) 使用 方便又便于與計(jì)算機(jī)對(duì)接，能實(shí)現(xiàn)精確控制。對(duì)于門式直角坐標(biāo)機(jī)器人，采用單邊驅(qū)動(dòng)的方式。搬運(yùn)工作質(zhì)量為 1～ 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁 設(shè)計(jì)要求初步估算各自由度部件的尺寸，如圖 31 所示： 這里需要指出的是，第一自由度用戶需要的行程 800mm 而設(shè)計(jì)的長度近 米如果第一處、自由度的跨度較大，則需要第二自由度的跨度相應(yīng)增大，以減 小阻力矩的影響。經(jīng)驗(yàn)表明，如果采用單邊驅(qū)動(dòng)方式，則相鄰自由度跨度之比小于 3∶ 1。在計(jì)算之前，先將各自由度的負(fù)載估算臺(tái)下：第一自由度負(fù)載 80kg；第二自由度負(fù)載 50kg；第三自由度負(fù)載 20kg。 1）設(shè)計(jì)功率 dP