【正文】 型（示 教再現(xiàn)）是 1962 年美國 AMF 公司推的“ VERSTRAN”和 UNIMATION 公司推出的“ UNIMATE”。 1965 年， MIT 的 Roborts 演示了第一個具有視覺傳感器的、能識別與定位簡單積木的機(jī)器人系統(tǒng)。 1970 年在美國召開了第一屆國際工業(yè)機(jī)器人學(xué)術(shù)會議。 1973 年， 辛辛那提豪恩制造了第一臺由小型計(jì)算機(jī)控制的工業(yè)機(jī)器人，它是液壓驅(qū)動的，能提升的有效負(fù)載達(dá) 45 公斤。 隨后，工業(yè)機(jī)器人在日本得到了巨大發(fā)展，日本也因此而贏得了“機(jī)器人王國的美稱”。 遼寧科技大學(xué)本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3頁 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，由簡單到復(fù)雜，由初級到高級逐步完善，它的發(fā)展過程可為三代： 第 一代工業(yè)機(jī)器人就是目前工業(yè)中大量使用的示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人，它主要由手部、臂部、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。 第二代機(jī)器人是帶感覺的機(jī)器人。其控制方式較第一代工業(yè)機(jī)器人要復(fù)雜得多，這種機(jī)器人從 1980 年開始進(jìn)入了實(shí)用階段，不久即將普及應(yīng)用。這種機(jī)器人除了具有觸覺、視覺等功能外，還能夠根據(jù)人給出的指令認(rèn)識自身和周圍的 環(huán)境，識別對象的有無及其狀態(tài)，再根據(jù)這一識別自動選擇程序進(jìn)行操作，完成規(guī)定的任務(wù)。這種機(jī)器人還處于研制階段，尚未大量投入工業(yè)應(yīng)用。先后研發(fā)出弧焊、電焊、裝配、搬運(yùn)、注塑、沖壓及噴漆等工業(yè)機(jī)器人。目前國內(nèi)市場年需 求量在 3000 臺左右，年銷售額在 20億元以上。國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人目前主要以國內(nèi)市場應(yīng)用為主，年出口量為 100 臺左右，年出口額為 億元以上。 目前，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域主要有弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬用、噴漆、檢測、碼垛、 研磨拋光和激光加工等復(fù)雜作業(yè)。目前，由于機(jī)器人技術(shù)及研發(fā)的落后，工業(yè)機(jī)器人還主要應(yīng) 遼寧科技大學(xué)本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4頁 用在制造業(yè)，非制造業(yè)使用的較少。由此可見，汽車工業(yè)的發(fā)展是近幾年我國工業(yè)機(jī)器人增長的原動力之一。未來工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)有：第一，危險、惡劣環(huán)境作業(yè)機(jī)器人：主要有防暴、高壓帶電清掃、星球檢測、油汽管道等機(jī)器人；第二，醫(yī)用機(jī)器人：主要有腦外科手術(shù)輔助機(jī)器人，遙控操作輔助正骨等；第三，仿生機(jī)器人：主要有移動機(jī)器人，網(wǎng)絡(luò)遙控操作機(jī)器人等。工業(yè)機(jī)器人市場競爭越來越激烈，中國制造業(yè)面臨著與國際接軌、參與國際分工的巨大挑戰(zhàn)，加快工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的研究開發(fā)與生產(chǎn)是我們抓住這個歷史機(jī)遇的主要途徑。 總之，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)在我們的生活中發(fā)揮者不可替代的作用。它集中了機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī)工程、自動控制工程以及人工智能等多種學(xué)科的最新研究成果，是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一，也是我國科技界跟蹤國際高科技發(fā)展的重要方面。 目前，工業(yè)機(jī)器人的定義，世界各國尚未統(tǒng)一，分類也不盡相同。參考國外的定義，結(jié)合我國的習(xí)慣用語，對工 遼寧科技大學(xué)本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5頁 業(yè)機(jī)器人作如下定義：工業(yè)機(jī)器人是一種機(jī)體獨(dú)立，動作自由度較多，程序可靈活變更，能任意定位，自動化程度高的自動操作機(jī)械。 目前，對機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展有最重要影響的國家是日本和美國。我國發(fā)展機(jī)器人技術(shù)起步于 20 世紀(jì) 70年代末。 自從第一臺工業(yè)機(jī)器人問世以來，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域從汽車工業(yè)逐漸向其他行業(yè)滲透，機(jī)器人的種類也從操作手逐漸衍生出各種各樣的機(jī)器人，如今機(jī)器人已經(jīng)深入到人類生活的方方面面。人類社會的發(fā)展已經(jīng)離不開機(jī)器人技術(shù)，而機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步必然對推動科技發(fā)展產(chǎn)生不可忽視的作用 。機(jī)器人也正在逐漸具有智能。 工業(yè) 機(jī)器人以剛性高的手臂為主體，與人相比，可以有更快的運(yùn)動速度，可以 搬運(yùn)更重的東西，而且定位精度相當(dāng)高，它可以根據(jù)外部來的信號，自動進(jìn)行各種 操作。 本次設(shè)計(jì)主要完成的任務(wù)是把一個工件用機(jī)器人從一條生產(chǎn)線準(zhǔn)確 、迅速、平穩(wěn)、安全的搬運(yùn) 到另外一條生產(chǎn)線上去， 從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，提高效率的目的。臂部升降范圍 達(dá)到 0~500mm，臂部伸縮范圍達(dá)到 0~200mm 完成對工件從一條生產(chǎn)線搬運(yùn)到另外一條生產(chǎn)線的要求，具體動作為在一 遼寧科技大學(xué)本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6頁 條生產(chǎn)線上抓起工件，然后旋轉(zhuǎn) 180176。 工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)步驟 確定設(shè)計(jì)對象及設(shè)計(jì)任務(wù) ； 確定設(shè)計(jì)要求，包括負(fù)載，精度，工作空間等 ； 設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)器人手部，完成抓起、放下工件的任務(wù)； 設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人臂部，完成伸縮； 設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人的腰部，完成旋轉(zhuǎn)。 執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人完成抓取工件，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動所必需的機(jī)械部件，它包括手部、腕部、機(jī)身等。 （ 2） 腕部：又稱手腕，是連接手部和臂部的部件，其作用是調(diào)整或改變手部的工作方位。 （ 4） 機(jī)身：是支承手臂的部件，其作用是帶動臂部自轉(zhuǎn)、升降或俯仰運(yùn)動。常用的機(jī)械 遼寧科技大學(xué)本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8頁 傳動、液壓傳動 、氣壓傳動和電傳動。 檢測系統(tǒng)：作用是通過各種檢測裝置、傳感裝置檢測執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定進(jìn)行比較，以保證運(yùn)動符合要求。 原始數(shù)據(jù)：自動線上有Ａ，Ｂ兩條輸送帶之間距離為 ，需設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人將一零件從 A 帶送到 B 帶。 零件材料： 45 鋼。這兩項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)是精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和良好的伺服控制驅(qū)動。根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容和需求確定圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動和諧波齒輪傳動來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；利用另一臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，從而使與滾珠絲杠螺母副固連在一起的手臂實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動；考慮到本設(shè)計(jì)中的機(jī)器人工作范圍不大，故利用液壓缸驅(qū)動實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮運(yùn)動；末端夾持器則采用內(nèi)撐連桿杠桿式夾持器，用小型液壓缸驅(qū)動夾緊。主要技術(shù)參數(shù)有如下： 抓取重量：抓取重量是用來表明機(jī)器人負(fù)荷能力的技術(shù)參數(shù)，這是一項(xiàng)主要參數(shù)。 抓取工件的極限尺寸：抓取工件的極限尺寸是用來表明機(jī)器人抓取功能的技術(shù)參數(shù)，它是設(shè)計(jì)手部的基礎(chǔ)。 運(yùn)動行程范圍：指執(zhí)行機(jī)構(gòu)直線移動距離或回轉(zhuǎn)角度的范圍，即各運(yùn)動自由度的運(yùn)動量。 運(yùn)動速度：是反映機(jī)器人性能的重要參數(shù)。它與抓取重量、定位精度等參數(shù)密切有關(guān)，互相影響。/s，一般為 50186。 定位精度和重復(fù)定位精度：定位精度和重復(fù)定位精度是衡量機(jī)器人工作質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。 表 21 三自由度圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人參數(shù) 機(jī)械手類型 三自由度圓柱坐標(biāo)型 抓取重量 8Kg 自由度 3 個（ 1 個回轉(zhuǎn) 2 個移動） 機(jī)座 長 120mm，回轉(zhuǎn)運(yùn)動，回轉(zhuǎn)角 180176。如圖 31 所示，為工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的簡圖。本設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人具有四轉(zhuǎn)動副和移動副兩種運(yùn)動副，具有手臂伸降，旋轉(zhuǎn)，前后往復(fù)三自由度。 （ 2）機(jī)械結(jié)構(gòu)類型 ： 圓柱坐標(biāo)型為本設(shè)計(jì)所采用方案，這種運(yùn)動形式是通過一個轉(zhuǎn)動，兩個移動，共三個自由度組成的運(yùn)動系統(tǒng)（代號 RPP），工作空間圖形為圓柱形。 機(jī)器人的運(yùn)動過程分析 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動過程中各動作如圖 33 和表 31。 遼寧科技大學(xué)本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12頁 工業(yè)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)器人的 末端執(zhí) 行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 是用來抓持工件或工具的部件。 設(shè)計(jì)時要注意的問題 （ 1） 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu) 應(yīng)有足夠的夾緊力，為使手指牢靠的夾緊工件，除考慮夾持工件的重力外，還應(yīng)考慮工件在傳送過程中的動載荷。其大小不僅與工件的尺寸有關(guān)，而且應(yīng)注意手部接近工件的運(yùn)動路線及其方位的影響。 （ 4） 結(jié)構(gòu)盡量緊湊重量輕，以利于腕部和臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 總體 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 采用內(nèi)撐連桿杠桿式夾持器，用小型液壓缸驅(qū)動夾緊，它的結(jié)構(gòu)形式如圖 34。該種夾持器多用于圓柱實(shí)心 零件的夾持。 表 32 冶金設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)液壓缸 技術(shù)規(guī)格 缸 徑 /mm 活塞桿直徑 /mm 油口直徑 速度比 通徑 /mm 聯(lián)接螺紋 2 63 22 28 10 夾緊力校驗(yàn) ： 1）零件的計(jì)算 M=8Kg G=Mg== 其中 g取 2）緊力的計(jì)算： 要夾持住零件必須滿足條件： GfN?2 ， f 為手指與工件的靜摩擦系數(shù)，工件材料為 45 號鋼，手指為鋼材，表 [7]25 f=， N 為作用在零件內(nèi)壁上壓緊力， G為零件重力。 式 [4]460 可知驅(qū)動力的計(jì)算公式為： P=2btanα /(cη ) ? 為斜面傾角， o35?? ， ? 為傳動機(jī)構(gòu)的效率，這里為平摩擦傳動，表 [7]22 ??? 這里取 , b=,c=29mm。 由 公式 [11] 415 ，mPDF ??42? ， D 為汽缸的內(nèi)徑 (m)， P 為工作壓力（ Pa） ,由表 33[11]， 表 33 負(fù)載與壓力關(guān)系表 負(fù)載 /N 5000 5000～ 10000 10000～ 20210 20210～ 30000 30000～ 50000 50000 工作壓力 /MPa ～ 1 ～ 2 ～ 3 3～ 4 4～ 5 5～ 7 取 p=。所以該液壓缸能夠滿足要求。當(dāng) 手 爪 工作時，由于夾緊過程具有彈性，就可以避免易損零件被抓傷，變形和破損。則手 爪截面上的剪應(yīng)力為 ：[τ ]=30MPa， τ =Q/A= ][ 280233 ?????? ? ?? MP a 故彈性 爪滿足強(qiáng)度要求 。 （ 3） 盡量減小手 臂重量和相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量和偏重力矩，以減小驅(qū)動裝置的負(fù)荷；減少運(yùn)動的動載荷與沖擊，提高手臂運(yùn)動的響應(yīng)速度。采用緩沖和限位裝置提高定位精度。它的結(jié)構(gòu)如下圖。 伸縮 液壓油缸的選擇 選液壓缸型號為 YHG1C63/36 200LJ1HL1Q，它的主要技術(shù)參數(shù)如表 33。 工件重量為： 8Kg。 LAB Q LAB Q 在 B 處的彎應(yīng)力為： σ B= MB/A= ][)1027(1633?? ????M P a 安全。采用了雙導(dǎo)柱導(dǎo)向，以防止手臂在滾珠絲杠上轉(zhuǎn)動，確保 手臂隨機(jī)座一起轉(zhuǎn)動。 遼寧科技大學(xué)本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 17頁 該種設(shè)計(jì)采用了環(huán)形軸承的機(jī)器人支承結(jié)構(gòu)。這種諧波減速器只有剛輪 柔輪 7 和諧波發(fā)生器 8 三大件，而無單獨(dú)的外殼（這種結(jié)構(gòu)有利于傳動系統(tǒng)的小型化、輕型化）。齒形皮帶傳動 4 和位置傳感器 6 作為機(jī)座用來檢測手臂機(jī)座的角位移。 遼寧科技大學(xué)本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 18頁 表 34 各種驅(qū)動方式比較 比較內(nèi)容 驅(qū)動方式 機(jī)械傳動 電機(jī) 驅(qū)動 氣壓傳動 液壓傳動 異步電機(jī)，直流電機(jī) 步進(jìn)或伺服電機(jī) 輸出力矩 輸出力 矩較大 輸出力可較大 輸出力矩較小 氣體壓力小，輸出力矩小，如需輸出力矩較大，結(jié)構(gòu)尺寸過大 液體壓力高，可以獲得較大的輸出力 控制性能 速度可高，速度和加速度均由機(jī)構(gòu)控制，定位精度高，可與主機(jī)嚴(yán)格同步 控制性能較差，慣性大，步易精確定位 控制性能好，可精確定位，但控制系統(tǒng)復(fù)雜 可高速，氣體壓縮性大，阻力效果差，沖擊較嚴(yán)重，精確定位較困難，低速步易控制 油液壓縮性小，壓力流量均容易控制，可無級調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 應(yīng)用 范圍 適用于自由度少的專用機(jī)械手，高速低速均能適用 適用于抓取重量大和速度 低的專用機(jī)械手 可用于程序復(fù)雜和運(yùn)動軌跡要求嚴(yán)格的小型通用機(jī)械手 中小型專用通用機(jī)械手都有 中小型專用通用機(jī)械手都有，特別時重型機(jī)械手多用 由上表可知步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于驅(qū)動工業(yè)機(jī)器人有著許多無可替代的優(yōu)點(diǎn)，如控制性