工业机器人结构设计【含全套CAD图纸和WORD说明书】.

工业机器人结构设计

00

（陕理工机械工程学院机自专业000班，陕西汉中 723003）

指导教师：000

[摘要]本文简要介绍了工业机器人的概念，机器手硬件和软件的组成，即plc控制的机械手的系统工作原理，机械手各个部件的整体尺寸设计，plc控制的特点。本文对机械手进行总体方案设计，确定了机械手的坐标形式和自由度，确定了机械手的技术参数。同时设计了机械手的夹持式手部结构，设计了机械手的手腕结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩。设计了机械手的手臂结构。利用可编程序控制器对机械手进行控制，选取了合适的plc型号，根据机械手的工作流程制订了可编程序控制器的控制方案，画出了机械手的工作时序图，并绘制了可编程序控制器的控制程序。

[关键词]工业机器人机械手

The Industrial robot design

000

（Grade00,Class00,Major Mechanical Design, Manufacturing and Automation，415Dept.，

Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723003，Shaanxi）

Tutor：000

Abstract This paper introduces the concept of the composition of industrial robots, robot hardware and software, system working principle that plc manipulator control, the overall size of the various components of the robot design, plc control characteristics. In this paper, the robot overall program design, to determine the coordinates of the robot forms and degrees of freedom to determine the technical parameters of the robot. While the design of the hand gripping structure of the robot type, the design of the structure of the robot wrist, the wrist required to calculate the rotation of the driving torque and driving torque of the rotary cylinder. Designed a robot arm structure. The programmable logic controller for robot control, select the appropriate plc model, according to the workflow robot control scheme developed programmable controller, draw a timing diagram of the robot's work and draw a programmable control device control program.

Keyword Industrial robot manipulator

目录

目录 (3)

1引言 (5)

1.1选题的目的及研究意义 (5)

1．2综述与本课题相关领域的研究现状、发展趋势、研究方法及应用领域等 (5)

1.3对本课题将要解决的主要问题及解决问题的思路与方法、拟采用的

研究方法（技术路线）或设计（实验）方案进行说明，论文要写出相应的写作提纲 (6)

2工业机器人的结构设计 (8)

2．1手部结构设计 (8)

2.1.1 手指的形状和分类 (8)

2.1.2设计时考虑的几个问题 (8)

2.1.3 手部夹紧气缸的设计 (9)

2.2腕部回转关节的设计(Y轴回转) (12)

2.2.1步进电机的选择： (12)

2.2.2 Y轴进给的设计 (13)

2.2.3 Z轴进给的设计 ................... 错误！未定义书签。

2.2.4 Z轴旋转设计..................... 错误！未定义书签。

3 传动系统的设计 ........................ 错误！未定义书签。

3.1 确定减速器总传动比与各级传动比......... 错误！未定义书签。

3.2计算传动装置的运动和运动参数 ........... 错误！未定义书签。

3.3 圆锥齿轮传动的设计计算................. 错误！未定义书签。

4 轴的计算和设计 ......................... 错误！未定义书签。

4.1 轴一的设计............................. 错误！未定义书签。

4.2轴二的设计............................. 错误！未定义书签。

5 滚子轴承的校核 ......................... 错误！未定义书签。

5.1滚子轴承校核........................... 错误！未定义书签。

6 键的校核 ............................... 错误！未定义书签。

6.1轴一键校核............................. 错误！未定义书签。

6.2 轴二间校核............................. 错误！未定义书签。

7 润滑方式及密封形式的选择 ............... 错误！未定义书签。

7.1润滑方式............................... 错误！未定义书签。

7.2 密封形式的选择......................... 错误！未定义书签。

8 减速箱体设计 ........................... 错误！未定义书签。

8.1 箱体设计............................... 错误！未定义书签。

9 系统设计与PLC控制系统设计 ............. 错误！未定义书签。

9.1系统的设计............................. 错误！未定义书签。

9.2 机械手的PLC控制系统设计............... 错误！未定义书签。结论 .................................... 错误！未定义书签。致谢 .................................. 错误！未定义书签。参考文献 . (16)

1引言

1.1选题的目的及研究意义

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”：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。

1.2综述与本课题相关领域的研究现状、发展趋势、研究方法及应用领域等

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。

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。

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。

20世纪50年代末，美国在机械手和操作机的基础上，采用伺服机构和自动控制等技术，研制出有通用性的独立的工业用自动操作装置，并将其称为工业机器人； 60年代初，美国研制成功两种工业机器人，并很快地在工业生产中得到应用； 1969年，美国通用汽车公司用21台工业机器人组成了焊接轿车车身的自动生产线。此后，各工业发达国家都很重视研制和应用工业机器人。我国工业机器人起步于70年代初期，经过20多年的发展，大致经历了3个阶段： 70年代的萌芽期， 80年代的开发期和90年代的适用化期。我国工业机器人经过20多年的发展已经初具规模。目前我国已生产出部分机器人关键元器件，开发出弧焊、点焊、码垛、装配、搬运、注塑、冲压、喷漆等工业机器人。一批国产工业机器人已服务于国内诸多企业的生产线上；一批机器人技术的研究人才也涌现出来。一些相关科研机构和企业已掌握了工业机器人操作机的优化设计制造技术；工业机器人控制、驱动系统的硬件设计技术；机器人软件的设计和编程技术；运动学和轨迹规划技术；弧焊、点焊及大型机器人自动生产线与周边配套设备的开发和制备技术“乘机安全小贴士”安全出行要重视等。某些关键技术已达到或接近世界水平。

虽然中国的工业机器人产业在不断的进步中，但和国际同行相比，差距依旧明显。从市场占有率来说，更无法相提并论。工业机器人很多核心技术，目前我们尚未掌握，这是影响我国机器人产业发展的一个重要瓶颈。在发达国家中，工业机器人自动化生产线成套设备已成为自动化装备的主流及未来的发展方向。国外汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业已经大量使用工业机器人自动化生产线，以保证产品质量，提高生产效率，同时避免了大量的工伤事故。全球诸多国家近半个世纪的工业机器人的使用实践表明，工业机器人的普及是实现自动化生产，提高社会生产效率，推动企业和社会生产力发展的有效手段。

机器人技术是具有前瞻性、战略性的高技术领域。国际电气电子工程师协会IEEE的科学家在对未来科技发展方向进行预测中提出了4个重点发展方向，机器人技术就是其中之一。一个国家要引入高技术并将其转移为产业技术（产业化）必须具备5个要素即5M:Machine/Materials/Manpower/Management/Market。广泛使用机器人是实现工业自动化，提高社会生产效率的一种十分重要的途径。我国正在努力发展工业机器人产业，引进国外技术和设备，培养人才，打开市场。

1.3对本课题将要解决的主要问题及解决问题的思路与方法、拟采用的研究方法（技术路线）或

设计（实验）方案进行说明，论文要写出相应的写作提纲

在本次设计中，拟应用到的文献涉及机械原理机械设计类，机械绘图类，机械工程控制类，机械工程材料和力学以及工业机器人或工业机器人手臂相关的资料，在设计过程中这些材料可以首先帮我们从整体上了解与机器人手臂相关的技术以及现在国内外的发展趋势；其次，利用这些资料，可以在设计过程中进行合理的结构分析和设计方案的初步制定；最后，机器人手臂设计过程中的所需材料的选择，设计与校核计算，运动过程的控制以及其他的注意事项，都可以在相关文献资料中得到一些指导与帮助。机器人本体由机座、腰部、大臂、小臂、手腕、末端执行器和驱动装置组成。共有六个自由度，依次为腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕回转、手腕俯仰、手腕侧摆。机器人采用电动机驱动。这种驱动方式具有结构简单、易于控制、使用维修方便、不污染环境等优点，这也是现代机器人应用最多的驱动方式。为实现机器人灵活自由地移动，驱动系统使用了蓄电池供电。电动机可以选择步进电机或直流伺服电机。使用直流伺服电机能构成闭环控制，精度高，额定转速高，但价格较高，而步进电机驱动具有成本低，控制系统简单的优点。确定这种机器人的6个关节都采用步进电驱动，开环控制。各部件组成和功能描述如下：

(1) 底座部件：底座部件包括底座、回转部件、传动部件和步进电机等。底座部件固定在自

动引导车（AGV）上，支持整个操作机，步进电机固定在底座上，一级同步带传动将运动传递到腰部回转轴，同时起到减速作用。

（2）腰部回转部件：腰部回转部件包括腰部支架、回转轴、支架、谐波减速器和步进电机、制动器等。作用是支承大臂部件，并完成腰部回转运动。在腰部支上固定着驱动大臂俯仰和小臂俯仰的电机。

(3) 大臂部件：包括大臂和传动部件。

(4) 小臂部件：包括小臂、减速齿轮箱、传动部件、传动轴等，在小臂前端（靠近大臂的一端）固定驱动手腕三个运动的步进电机。

(5) 手腕部件：包括手腕壳体、传动齿轮和传动轴、机械接口等

(6) 末端执行器：为抓取不同形状、不同材质的物体，末端执行器设计得开合范围比较大，为0～100mm。考虑在指尖的平面上贴传器片，进行力的控制。

从功能角度分析可将机器人分解成四个部分：操作机、末端执行器、传感系统、控制器。

操作机：是由机座、手臂和手腕、传动机构、驱动系统等组成，其功能是使手腕具有某种工作空间，并调整手腕使末端执行器实现作业任务要求的动作。

末端执行器：也叫工业机器人的手部，它是安装在工业机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件。

传感器系统：是指要机器人与人一样有效的完成工作，必须对外界状况进行判断的感觉功能。与机器人控制最紧密相关的是触觉视觉适合于检测对象是否存在，检测其大概位置、姿势等状态。相比之下，触觉协助视觉，能够检测出对象更细微的状态。

控制器：机器人控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要因素。主要是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作时间等。具有编程简单、软件菜单操作、友好的人机交换界面、在线操作提示和使用方便等特点。在机器人中采用的控制系统有：点位的和轮廓的；同步的和异步的；数字的和模拟的。可根据机器人的技术与经济要求及工艺任务的特点来选择系统的具体方案。

2工业机器人的结构设计

2.1手部结构设计

夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。

2.1.1 手指的形状和分类

夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。

2.1.2设计时考虑的几个问题

(一)具有足够的握力(即夹紧力)

在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证攻坚不致产生松动或脱落。

(二)手指间应具有一定的开闭角

两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。

(三)保证工件准确定位

为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。

(四)具有足够的强度和刚度

手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使

手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。

(五)考虑被抓取对象的要求

根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点， 两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V 型，其结构如附图所示。

2.1.3 手部夹紧气缸的设计

1、手部驱动力计算

本课题气动机械手的手部结构如图3-1所示：

图3-1 齿轮齿条式手部

其工件重量G=3kg ，

V 形手指的角度 1202=?，mm R mm b 2466=>=,摩擦系数为10.0=f

(1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为:

5.52==

R b p N

(2-1) (2)根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式:

)(3.0?θ-=tg N

)

(15)42560(53.0'N tg =-??= 所以

R

b p 2=

N )(5.82N = (3)实际驱动力: η21K K p p ≥实际 (2-2)

1、因为传力机构为齿轮齿条传动，故取94.0=η，并取5.11=K 。若被抓取工件的最大加速度取g a 3=时，则:412=+=g

a K 所以)(52794

.045.1245N p =??=实际 所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为N 527。

2、气缸的直径

本气缸属于单向作用气缸。根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出推

力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为:

z t F F P

D F --=421π (2-3)

式中: 1F - 活塞杆上的推力，N

t F - 弹簧反作用力，N

z F - 气缸工作时的总阻力，N

P - 气缸工作压力，Pa

弹簧反作用按下式计算:

)1(s G F f t +=

n

D Gd G f 314

1

=

f G =n

D Gd

314

1

8

式中: f G - 弹簧刚度，N/m

1- 弹簧预压缩量，m.

s - 活塞行程，m.

1d - 弹簧钢丝直径，m

1D - 弹簧平均直径,m.

n - 弹簧有效圈数.

G - 弹簧材料剪切模量，一般取Pa G 9104.79?=.

在设计中，必须考虑负载率η的影响，则:

t F p D F -=42

1η

π (2-4)

由以上分析得单向作用气缸的直径:

ηπp Ft F D )

(41+= (2-5)

代入有关数据，可得

=f G n D Gd 3141

8=4

3

33915

)1030(8)105.3(104.79??????-- )/(46.3677m N =

)1(s G F f t +=

)(52.176104846.36773

N =??=-

所以 =D pn Ft F π)1(4+=6

105.0)

52.176490(4??+?π )(43mm =

查有关手册圆整，得mm D 49=

由3.02.0/-=D d ,可得活塞杆直径:

mm D d 7.148.9)3.02.0(-=-=

圆整后，取活塞杆直径mm d 12=校核，按公式][)4//(21σπ≤d F

有: 5.0])[/14(σπF d ≥

其中 [σ]MPa 120=，N F 7501=

则: 5.0)120/4904(??≥πd

1228.2≤=

满足实际设计要求。

3、缸筒壁厚的设计

缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算:

]

[2/σδp DP = (2-6)

式中:6- 缸筒壁厚，mm D - 气缸内径，mm

p P - 实验压力，取P P p 5.1=, Pa

材料为:ZL3,[σ]=3MPa

代入己知数据，则壁厚为:

][2/σδp DP =

)

(5.5)1032/(1064965mm =????= 取mm 5.5=δ，则缸筒外径为:)(6025.5491mm D =?+=

2.2腕部回转关节的设计(Y 轴回转)

2.2.1 步进电机的选择：

腕部旋转由步进电机直接驱动，设手爪及物体的最大当量回转半径R=90mm ，手爪及物体的总重量m=3.5kg,则其转动惯量：

2221014.02/09.05.32m kg mR J ?=?==

设机器人手部角速度W1=3.14rad/s 所需要的时间t=0.3s,则其角加速度:

21/46667.103.0/14.3s rad ==α

负载启动惯性矩（不计静磨擦力矩）:

m N J T ?=?==1484.046667.10014.0111α。

由于步进电机不具有瞬时过载能力，故取安全系数为2（不同），则步进电机输出的启动转矩:

m N T T O U T ?=?==297.01484.0221。

由于out T 必须小于步进电机的最大静转矩，所以选择如下二相步进电机：

型号:42BYG250B-0151。最大步距角保持转矩为0.43m N ?，步矩角1.8°，质量为0.23kg,电机外形尺寸：42?42?40.

丝杠螺母机构设计计算：

2.2.2 Y 轴进给的设计

1.机构选择和材料选择：

由于传动机构不需要高精度和高效率的传动，因此本次设计采用一对梯形螺杆、螺母的滑动螺旋传动。螺杆螺母的螺纹一般选用梯形螺纹，因其传动效率较高。本设计中螺杆螺母需要具有自锁的功能，这是使用螺杆螺母机构的最主要原因。

因为机构受力不大，且为转速较低的传动。螺杆采用45号钢制造，螺母需要较好的耐磨性，选用铸锡青铜。

2.水平丝杠设计计算：

○

1丝杠直径校核： 末端手抓、气缸及旋转电机质量为：7kg.，螺母及伸出杆质量为5kg 。

设计加速度为a=10m/s

查表的刚-刚动摩擦因数：f=0.2

则：丝杠轴向载荷:F=fG+ma=12?10+12?10?0.2=144N

如图所示，螺杆受到的轴向力为F(单位为N)，螺纹的承压面积（指螺纹工作表面投影到垂直于轴向力的平面上的面积）为A （单位为mm2），螺纹中径为d2（单位为mm ），螺纹工作高度为h （单位为mm ）螺纹距为P （单位为mm ），螺母高度为H （单位为mm ），螺纹工作圈数为u=H/P,则螺纹工作面上的耐磨性条件为：

][2P hH

d F A F P ≤==π 为了导出设计计算式，令φ=H/d 2。代入上式可得：

][2P h FP d φπ≥

对于矩形和梯形螺纹，h=0.5P 则 ][8.02P F

d φ≥

由表5-12可知:[P]取18MP,对于整体螺母，由于磨损后不能调整间隙，为使受力比较均匀，螺纹工作圈数不宜过高，故取φ=1.2。代入公式得

m m d 1.2182.11448

.02=?≥ 故初选丝杠d 2=29mm ，螺距p=6mm

此选用632?T 的螺杆，其参数为：

公称直径

d 螺距 P 中径 22D d =

大径 4D 小径 3d 1D 32 6

29 33 25 26

表：滑动螺旋副材料的许用压力[ P] 螺杆—螺母的材料 滑动速度

许用压力

钢—青铜 低速

18-25 ≤3.0

11-18

7-10 >15

1-2 钢—钢

低速 10-13 钢—铸铁 <2.4

13-18 4-7

注：当ф＜2.5或人力驱动时，[p]值可提高20％；若为剖分螺母时则[p]值应降低15～20％。

○

2螺纹牙强度计算

螺纹牙的剪切和弯曲破坏多发生在螺母。

参考文献

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