工业机器人的结构设计

南昌航空大学科技学院学士学位论文１1引言在加速科技进步中，机械制造业的发展起着关键的作用，其任务是在工业生产中迅速将工艺装备的独立单元变为自动化综合体（自动化工段，生产线和自动化车间），将来甚至实现自动化工厂。这种自动化生产最重要的特点是具有柔性，它能预料到，在节省劳力（或无人）情况下，根据工艺条件调整装配，以适应多种产品生产。当代柔性自动化生产的建立和广泛应用，取决于作为科技进步的催化剂的机床制造、机器人技术、计算机技术、微电子技术、仪器制造等技术的加速发展。工业机器人是多品种的经常更换产品的生产过程自动化的通用手段。在机械制造中，工业机器人既有效地用于柔性生产系统组成工艺装备的基本工序中，也有效地用于辅助操作中。工业机器人与传统自动化手段不同之处，首先在于它在各种生产功能上的通用性和重新调整的柔性。在柔性生产系统中，工业机器人广泛应用于数控机床、锻压机床、铸造机械和仓储设备上，以完成传送装备和其它操作。工业机器人和基本工艺装备、辅助手段以及控制装置一起形成各种不同形式的机器人技术综合体—柔性生产系统基本结构模块。随着工业技术和经济的惊人发展，标志着多品种中、小批量生产最新水平的FMS（柔性制造系统），FA（工厂自动化）技术更加引人注目；作为FMS、FA技术重要组成之一的工业机器人技术也将得到迅速发展。应用工业机器人是提高生产过程自动化，改善劳动环境条件，提高产品质量和生产效率手段之一。本次设计是根据对工业六自由度机器人的总体结构及传动系统的分析和探讨，进行三自由度工业机器人的结构设计。关键在于三轴（臂）的传动系统的设计以及整体的结构设计，避免运动的干涉。在本次设计中主要负责第一臂与底座的结构设计。在设计中许瑛老师给予了很大的指导和帮助，在此谨致谢意。限于水平，本设计难免有缺点、错误，恳请各位老师批评指正。南昌航空大学科技学院学士学位论文２1.1选题的依据及意义：在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。“工业机器人”（IndustrialRobot）：多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机器人或通用机器人）。机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。而少自由度工业机械人中大多数为机械手，而机械手机器人主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。南昌航空大学科技学院学士学位论文３1.2国内外研究概况机器人工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国科技界跟踪国际高科技发展的重要方面。工业机器人的研究、制造和应用水平，是一个国家科技水平和经济实力的象征，正受到许多国家的广泛重视。目前，工业机器人的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。最近联合国国际标准化组织采纳了美国机器人协会给工业机器人下的定义：工业机器人是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件。据国际机器人联盟（IFR）2006年5月发布的“2006世界机器人调查”显示，2005年世界新安装工业机器人121000台，比2004年的97000台增长25%。这是继2003年工业机器人安装数量重回增长态势后的重大突破，2005年也成为近15年来世界工业机器人新安装台数最多的年份，比上一个峰值――2000年的99000台增长22000台。资料来源：WorldRobotics2006图1-1：1991-2005年各年世界新安装工业机器人台数南昌航空大学科技学院学士学位论文４据国际机器人联盟统计局预测，截至2005年底，全世界在运行中的工业机器人共有914000台，比2004年增加8%。其中，有50%来源于亚洲地区；欧洲和美洲分别占1/3和16%；而澳大利亚和非洲地区大概占1%的比例。资料来源：WorldRobotics2006图1-2：1991-2005年各年全世界运行中的工业机器人总数就2005年几大应用领域的工业机器人类型来看，机械手的产量遥遥领先于其他类型的工业机器人，约达到43500台。其中，亚洲地区机械手的产量比2004年增加了27%；美洲地区机械手的产量幅度更是高达53%；虽然欧洲地区2005年机械手的产量比上年略有下降，但其产量仍接近14000台。接下来依次是：点焊接机器人、弧焊机器人、装配机器人和分配机器人，其产量分别约为20500台、17500台、13000台和4500台。表1反映了2005年亚、欧、美三大地区各类型工业机器人的产量增幅情况。类型地增区幅机械手点焊接机器人弧焊机器人装配机器人分配机器人亚洲地区27%64%82%101%23%美洲地区53%22%33%36%121%欧洲地区-6%-27%6%1%-23%表1-1：2005年亚、欧、美三大地区各类型工业机器人产量增幅表资料来源：WorldRobotics2006南昌航空大学科技学院学士学位论文５1.3论文的主要内容：在工业上，自动控制系统有着广泛的应用，如工业自动化机床控制，计算机系统，机器人等。在本次设计是根据对工业六自由度机器人的总体结构及传动系统的分析和探讨，进行三自由度工业机器人的结构设计。关键在于三轴（臂）的传动系统的设计以及整体的结构设计，避免运动的干涉。在本次设计中的要求,主要负责第一臂与底座的结构设计。这次设计的机器人主要部位为第一轴与底座，设计一个第一轴转动角速度为90°/s,转角范围为0~270°。底座能够实现第一臂转角（0~270°）转角范围控制的3-DOF工业机器人。第一步，查阅资料，工业机器人原理，了解工业机器人在国内的发展状况和生存问题。了解3-DOF工业机器人的特点以及在日常生产生活中的用途。根据其运用的场合不同，适当选择合适的方案，以达到实用、经济、可靠的目的。第二步，在对所选课题有个初步的了解之后，在确定3-DOF工业机器人的结构设计内容。第三步，机器人的总体方案设计，进行系统的方案的设计、比较与确定，依据对选择的传动方案，查阅相关参考文献，从而完成，第一、第二、第三轴的传动选择。设计好了之后，确定出总体的结构及整体方案。第四步，选择电动机，通过计算出第一轴上的转动惯量，选择合适的电动机，从而进行第一轴的传动结构的设计及计算。根据齿轮轴径值，查阅机械设计手册，选择底座的轴承。第五步，根据方案，画出装配图，装配图画好后，从装配图中设计选择第一轴零部件以及完成对零部件图的初步绘制。南昌航空大学科技学院学士学位论文６2机器人的结构分析2.1总体结构的概述目前，世界上已有许多工业机器人，其中大部分属于“示教再现”型。如果将这类机器人称作第一代，那么，具有一定程度的视觉、触觉、或某种分析、判断能力的工业机器人就属于第二代了。不少国家正在积极研制具有观觉、触觉等功能的工业机器人，并取得了不少成果，但是，真正将这些成果应用于生产实际的还为数不多。在实际生产（如喷漆、焊接、装配等）中被广泛应用的工业机器人，示教再现型还是较多。一般的机器人，它由机器人的机构部分、传感器组、控制部分及信息处理部分构成。机构部分有机械手和移动机构两部分组成；传感器有测量机器人自身位置姿态和速度、加速度的内传感器和了解外部环境及作业对象工作情况的外传感器；控制器是直接控制机器人运动的装置，只要不是自主型移动机器人，它通常放在与机器人不同的地方，通过导线连接。在工业机器人的控制装置中，有电动机驱动电路、PTP运动目标点和CP运动轨迹数据的记忆装置和定位控制电路等。信息处理装置通过信息传输装置与机器人本体相连，多用于智能机器人。机器人具有六自由度，即大臂的回转、臂的左右摆动、臂的上下摆动、手腕的回转、手腕的伸缩和手爪的抓取。当然，图中没有表示出控制系统及手爪抓取的那一部分。该六自由度机器人运动的情况说明如下：首先，由电动机M1经过传动系统带动大臂的回转运动，且与大臂相连的所有其它手臂、手腕及机械构件也随大臂一起作回转运动；而后另一手臂由电动机M2驱动作左右摆动；还有，第三臂由电动机M3驱动作上下摆动；最后，手腕的回转、伸缩及手爪的抓取由其它三个电动机驱动。南昌航空大学科技学院学士学位论文７2.2第一轴（大臂）的结构大臂的结构图（图2-1）及其传动原理简图（图2-1）：图2-1南昌航空大学科技学院学士学位论文８图2-2第一臂，也即大臂，该手臂实现工业机器人的回转运动，整个系统由伺服电动机驱动。为了实现传动的设计要求以及结构的最优化设计要求，整个减速系统采用了三级斜齿轮传动，且所有的斜齿轮都装在一个箱体（减速箱）里面。然而，与一般情况不同的是，第三级斜齿轮直接固定在机座上，从而使其它的（上级的斜齿轮）传动机构绕着它转动，且电动机又固定在大臂上，所以导致大臂带着电动机、减速箱一起作回转运动。南昌航空大学科技学院学士学位论文９2.3第二轴的结构第二轴的结构图（图2-2）：图2-2第二轴，该手臂实现工业机器人的左右摆动，整个系统由伺服电动机驱动。为了实现传动的设计要求以及结构的最优化设计要求，整个减速系统采用了一级齿轮传动。由电动机上的一个齿轮和轴承右侧的一个齿轮啮合，轴承通过定位销与第二大臂固定，电动机带动齿轮，把动力传给与第二臂固定的轴承，使得第二臂实现水平线上的前后摆动。南昌航空大学科技学院学士学位论文１０2.4第三轴的结构第三轴的结构图（图2-3）：图2-3第三轴，该手臂实现工业机器人的上下摆动，整个系统由伺服电动机驱动。为了实现传动的设计要求以及结构的最优化设计要求，整个系统采用了一级齿轮内啮合传动。由电动机上的一个齿轮和第三臂上的一个大齿轮内啮合，电动机带动小齿轮，小齿轮带动第三臂上的大齿轮使得第三臂整个做上下摆动。从而实现第三臂实际操作。南昌航空大学科技学院学士学位论文１１2.5传动方案的确定根据工业机器人的总体结构分析可知，工业机器人的三轴的传动结构并不复杂。第一轴采用的是齿轮传动，第二轴、第三轴则采用的是摆线针轮行星齿轮传动。当然，参照以上的传动结构分析，现拟定如下三种传动方案：方案一：第一轴：齿轮传动（直齿或斜齿）第二轴、第三轴：齿轮传动（直齿或斜齿）方案二：第一轴：蜗杆蜗轮传动第二轴、第三轴：蜗杆蜗轮传动方案三：第一轴：蜗杆蜗轮传动第二轴、第三轴：齿轮传动（直齿或斜齿）方案比较论证首先，已知各种传动的传动比u:直齿圆柱齿轮传动，u≤4；斜齿轮传动，u≤6；蜗杆蜗轮传动，5≤u≤70，常用15≤u≤50；摆线针轮行星齿轮传动，11≤u≤87（单级）。然后估算各轴的传动比，初选转速为1500r/min的原动机，则u1=1500/15=100,u2=1500/20=75。三轴传动的确定：蜗杆蜗轮传动的特点：1）传动平稳，振动冲击和噪声均