三个自由度工业机器人

工业机器人课程作业

报告

院（系）名称：机电工程学院

作业题目：三自由度圆柱坐标工业机器人班级：

姓名：

学号：

目录

1.作业要求 (3)

1.1作业目的 (3)

1.2作业数据 (3)

1.3运动功能图符号(本次作业圆柱坐标型) (3)

2.总体设计 (4)

2.1组成和关系 (4)

2.2设计分析 (4)

3.机械系统的设计 (5)

3.1末端执行机构设计 (5)

3.2手臂机构的设计 (6)

3.3机座机构的设计 (7)

4.附件 (8)

4.1总装图 (8)

1.作业要求

1.1作业目的

1：综合运用所学只是，搜集有关资料，独立完成三自由度圆柱坐标工业机器人操作机和驱动但愿的设计工作。如驱动元、传动机构、腰身、手臂、手腕、手抓、关节、抓钳尺寸、开合力大小等，至少设计两种以上方案。(注意：此处无需考虑传感器，控制部分和力学计算)

1.2作业数据

1：自动线上A、B两条输送带之间距离为1.5米，需设计工业机器人将一个零件从A带送到B带。

2：零件尺寸：内孔Φ100、壁厚10、高100。

3：零件材料：45钢

1.3运动功能图符号(本次作业圆柱坐标型)

表1-1 运动功能图符号(GB/T12643-90)

2.总体设计

2.1组成和关系

工业机器人在GB/T12643-90定义为“是一种能自动控制、可重复编程、多功能、多自由度的操作机，能搬运材料、工件或操持工具，用以完成各种作业”由执行系统、驱动系统、控制检测系统及检测系统组成。

a)机械系统：是执行完成抓取工件，实现抓取动作的必需的机构。内容保函如下：

手部(末端执行器)：直接抓取工件或夹具机构。

臂部：支承腕部的机构，作用是承受工件的负荷，并把它传递到预定的位置。

腕部：连接手部和臂部的机构，作用为调整及改变手部的动作。

机座：是机器人的基础部件支承手臂的部件，并承受相应的载荷，作用是带动臂部转动、升降动作。

b)驱动系统：为执行系统提供动力。常用传动方式有机械传动、液压传动、气压传动和电传动。

c)控制系统：控制驱动系统，使执行系统按照产品的要求以及抓取的工件要求进行相应的动作，当发生系统错误或执行故障时发出提示报警信号。可分为开环控制系统和闭环控制系统。

d)检测系统：通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的动作情况，根据运动状况反馈给控制系统，与预定设计程序进行比较，以保证运动符合产品的需要。

结合作业中要求我们“不考虑传感器，控制部分和力学计算”。所以c)控制系统、d)检测系统、不作设计。

2.2设计分析

工业机器人有很多功能，其中抓取和移动为最主要的两项功能。工业机器人的技术参数是其性能的主要参数。主要技术参数有如下：

a)工作空间(Word Space)：是指手腕与手部接口处所能到达空间的位置集合。

b)运动自由度(Degree of Freedom)：自由度越多，机器人就越灵活，功能就越强。在计算自由度时，通常不包括手部(末端执行器)的自由度。

c)有效载荷(Payload)：是指机器人在在工作臂端能够搬动的物体重量和所能承

受的力或力矩。

d)运动精度(Accuracy of Motion)：机器人机械系统的精度涉及：位置精度(Position Accuracy)，姿态精度(Pose Accuracy)，重复位置精度(Repeatability)，系统分辨率(Resolution)。定位精度和重复定位精度是衡量机器人工作质量的一项重要指标。

e)速度和加速度(Speed and Acceleration)：是反映机器人性能的重要参数。通常所指的运动速度是机器人的最大运动速度。它与抓取重量、定位精度等参数密切有关，互相影响。目前，国内外机器人的最大直线移动速度为1000mm/s左右，一般为200～400mm/s；回转速度最大为180º/s，一般为50º/s。

根据作业内容和要求及指标确定圆柱坐标型工业机器人方案如下：方案一：采用一台步进电机驱动和谐波齿轮传动来实现工业机器人的旋转动作；采用另一台步进电机驱动滚珠丝杠旋转，使与固定在丝杠螺母上的手臂实现上下往复动作；考虑到本作业中的机器人工作范围为1.5米，故采用汽缸实现手臂的伸缩往复动作；最前端夹持器则采用内撑连杆杠杆式夹持器，采用小型汽缸实现夹紧功能。

方案二：采用一台步进电机驱动和谐波齿轮传动来实现工业机器人的旋转动作；采用另一台步进电机与精密齿轮带，使带轮带动手臂实现上下往复动作；采用液压缸实现手臂的伸缩往复动作；最前端夹持器则采用内撑连杆杠杆式夹持器，采用小型液压缸实现夹紧功能。

综上所述方案一相比方案二在Z轴方向的有效载荷大，并灵活性较好，刚度、精度高。所以本作业设计方案采用方案一。

3.机械系统的设计

3.1末端执行机构设计

工业机器人的末端执行机构设计是用来抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、准确和牢靠程度都将直接影响到工业机械手的工作性能，它是工业机械手的关键部件之一。设计时要注意的问题：

a)末端执行机构应有足够的夹紧力，为使手指牢靠的夹紧工件，除考虑夹持工件的重力外，还应考虑工件在传送过程中的动载荷。

b)末端执行机构应有一定的开闭范围。其大小不仅与工件的尺寸有关，而且应注意手部接近工件的运动路线及其方位的影响。

c)应能保证工件在末端执行机构内准确定位。

d)结构尽量紧凑重量轻，以利于腕部和臂部的结构设计。

e)根据应用条件考虑通用性。

末端执行器采用内撑连杆杠杆式夹持器，采用小型汽缸实现夹紧功能。它的结构形式如图3-1。内撑连杆杠杆式夹持器采用四连杆机构传递撑紧力，即当汽缸1工作时，推动推杆2向下运动，使两连杆3向外撑开，从而带动爪子4夹紧工件。

图3-1 末端执行机构图

1.液压缸

2.推杆

3.连杆

4.弹簧

5. 爪子

3.2手臂机构的设计

设计时要注意的问题：

a)手臂的结构和尺寸应满足机器人完成作业任务提出的工作空间要求

b)根据手臂所受载荷和结构的特点，合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料。

c)尽量减小手臂重量和相对其关节回转轴的转动惯量和偏重力矩，以减小驱动装置的负荷；减少运动的动载荷与冲击，提高手臂运动的响应速度。

d)要设法减小机械间隙引起的运动误差，提高运动的精确性和运动刚度。采用缓冲和限位装置提高定位精度。

本作业中手臂由滚珠丝杠驱动实现上下动作，结构简单，装拆方便，并设计