水平多关节型工业机器人设计—机身与大臂结构及控制系统设计
长春工程学院毕业设计（论文）
摘要
工业机器人没有明确界线，它包罗多门学科，涉及多方领域，包含有机械学、控制理论学和仿生学等。而水平多关节型工业机器人的研发更是行业内热点，它囊括机构学、控制理论和技术、计算机、传感技术、人工智能、仿生学等。工业机器人的应用情况，象征着一个国家的工业自动化程度。
本设计要求对机器人的总体结构中机身与大臂部分与控制系统进行设计，完成装配图和零件图的绘制。对机器人本体的各个零件进行受力分析，对各个关节需要转矩和功率进行初步的计算，选择满足要求的电动机作为动力装置。其次考虑电动机与传动装置连接，选取合适传动方式，并对传动中的零件进行计算校核。控制系统部分选用MCS-51单片机控制，按照预设的指令完成相应的动作。
关键词
机身；大臂；控制系统
Abstract
There is no clear boundary between industrial robots. It covers many disciplines and involves many fields, including mechanics, control theory and bionics.
Each joint are required to be preliminary calculated, and the motor that meets the requirements is selected as the power device. Secondly, consider the connection between the motor and the transmission device, select the appropriate transmission mode, and calculate and check the parts in the transmission. The control system part is controlled by MCS-51 single-chip microcomputer, and the corresponding action is completed according to the preset instruction.
Keywords：
Keywords：Fuselage；Boom ；Control Systems
目录
1. 前言 (1)
1.1 课题来源及研究意义 (1)
1.2 国内、外发展状况 (1)
1.2.1 国内发展状况 (1)
1.2.2 国外发展状况 (2)
1.3 设计任务的主要内容与要求 (3)
1.3.1 设计内容 (3)
1.3.2 设计要求 (3)
1.4 设计的主要技术指标和参数 (3)
2. 工业机器人工程概述 (4)
2.1 工业机器人应具备的系统功能 (4)
2.2 工业机器设计中总体方案的论证 (4)
2.2.1 确定负载 (4)
2.2.2 驱动方式 (4)
2.2.3 传动系统设计 (4)
2.2.4 工作范围 (4)
2.2.5 运动速度 (5)
2.3 机器人机械传动原理 (5)
3. 机械部分的结构设计与计算 (6)
3.1 机身部分结构设计 (6)
3.2 大臂的结构设计 (6)
3.3 机械部分设计计算 (7)
3.3.1 选择电动机...................................... 错误!未定义书签。
3.3.2 步进电机的控制 (13)
3.4 同步带部分传动设计计算 (13)
3.4.1 一级同步带传动计算 (13)
3.4.2 二级同步带传动计算 (15)
3.5 轴系零件的设计 (19)
3.6 滚珠丝杠的设计计算 (19)
3.6.1 求计算载荷 (19)
3.6.2 计算额定动载荷 (20)
3.6.3 选择滚珠丝杠副 (20)
3.6.4 稳定性验算 (20)
3.6.5 刚度验算 (21)
3.6.6 效率计算 (22)
3.6.7 滚珠丝杠的精度标准 (23)
4. 电气系统设计 (23)
4.1 工业机器人的计算机控制系统 ........................... 错误!未定义书签。
4.2 控制系统硬件电路设计 (24)
4.2.1 确定硬件电路总体方案............................ 错误!未定义书签。
4.2.2 MCS-51单片机硬件结构的特点 (24)
4.3 MCS-51单片机的引脚描述及片外总线结构 (25)
4.3.1 单片机型号的选择 (25)
4.3.2 程序存储器扩展电路 (28)
4.3.3 静态数据存储器扩展 (30)
4.4 8155可编程并行I/O扩展接口 (31)
4.4.1 8155芯片介绍 (31)
4.4.2 8031单片机和8155接口 (33)
4.5 由8155构成的键盘、显示器接口电路 (34)
总结 (39)
参考文献 (40)
致谢 (41)
长春工程学院毕业设计（论文）
1. 前言
1.1 课题来源及研究意义
我的主题是水平多关节工业机器人设计—机身与大臂结构及控制系统设计。课题来源是教师自拟。
水平多关节工业机器人用于许多工业领域的机械自动化操作，例如自动装配，搬运和电镀。工业机器人由机器人臂，单片机，伺服控制器和检测单元组成。适用于各种类型和批次的柔性制造生产。在工业中应用工业机器人可以提高生产制造的自动化能力，能减轻工作人员的劳动强度、保证产品的质量合格、实现稳定安全制造生产，同时也可以促进产品进行换代更新；特别是在高温，高压或易燃易爆物品的恶劣环境中，它可以代替人体完成所需的工作。因此，机器人广泛用于工业制造，例如机械加工，冲压和轻工业。它就像人的手部一样，能够实现多个自由度的运动，即能够被手动控制进行工作，还可以根据预定流程通过可编程控制器执行智能工业活动。水平多关节工业机器人，其以结构划分，常活跃于生产制造、教学演示中。它是工业机器人的形态之一，它本身对于空间的占有率很小，有利于在有限的工作空间里进行工业活动。能够用来帮助或代替人类的在一些特殊场合进行工作，如制造业、航空航天，或是如排爆检测等具有危险性的工作。这是现代工业技术的一种重要体现。 [1]通过这项研究，我可以对水平多关节机器人有一个深刻的理解和理解，并系统地结合理论知识和实践环节。提高我的实践能力，为顺利工作打下坚实的基础。
1.2 国内、外发展状况
1.2.1 国内发展状况
近几年来，国产工业机器人的研究已经不仅仅只局限于以独立的机器人本体设计为主，还包括了对于工业机器人与数控机床集成应用的发展。
在以往的工业生产活动中，许多岗位的操作往往依靠的是人，但以人为主的操作中或多或少都存在着各种不稳定性，例如，在高强度的工作下，人体超载工作存在安全隐患；单纯依靠人为操作，产品的质量的品质难以提高，因此与机床协作的水平多关节型工业机器人的引入越来越多，
两个五年计划的推进，我国在数控操作方面的相关产业的发展独树一帜。比如数控机床方面，它的发展随着政策的颁发，从举步维艰到的生产量由产业化的量产到中高端档次的定位生产。这预示着这个产业的整体水平基本具备国际竞争力。从三轴三联动，过渡到四轴联动加工，再到如今的五轴联动，可以看出，我国的数控系统技术都在逐渐进步，相关研发人员掌控的控制技术在不断革新。除此之外，具备诸如小线段插补、动态误差补偿之类的数控机床都在源源不断的研发生产并投入使用中。为了匹
配机床，相关技术人员也为此研发了相适配的驱动装置。这样一带一的研发形式，使得技术在不断革新，也由此工业机器人产业链随之诞生。这样不仅推进一系列的产业的发展速度，也使得工业机器人的研发更为紧要。
随着工业4.0及中国制造2025等政策的落实，中国工业机器人产业的发展势头一路高歌猛进。在销售份额上，中国工业机器人的销售份额从最开始的市场占有率低，到现在占据份额比例达至30%。可见，这样可以使中国的工业机器人的在研究方面的资金变得越来越多，让工业机器人的技术变得越来越好。在一些非常重要的地方变得越来越棒，比如说在控制器，减速器，传感器等这些方面有比较大的进步，既能带动市场经济的发展，还能使得中国工业机器人在各个领域缩小与发达国家的距离，甚至持平、赶超。
如今，我国各个高校都开设了与机器人有关的学科，配合国家推行的人才发展政策，在人才培育和教学资源上都具有相当的优势，还包括相关研发机构与各大高校的人才培养计划。除此之外，还有一系列工业机器人创新活动等，由此相信水平多关节型工业机器人的研发具有重大意义。
1.2.2 国外发展情况
在国外，他们在机器人的很多方面都有着非常厉害的技术，比如说在一些比较重要的方面都非常不错，如一些材料的接头的地方，他的装配工艺的方面，还有一些软件的基本算法以及一些减速器等这些元件。自1954年戴维尔首次引入工业机器人概念以来，工业机器人不断发展。综上所述，工业机器人的发展历史是三代：这个机械手的操作简单，能对它下达预设指令，让它能够按照预设的坐标点进行移动，并能在之后，将运动坐标存储起来，动作执行过程中，能够发现，伺服系统驱使着机械手再现原坐标点。这能让机械手完成一些简单的工作。这个这个现象代表着机械手，已经具备了示教再现功能，也因为这个原因它象征着现代工业机器人的诞生。这也就是水平多关节型工业机器人的前身。
例如美国，德国等的机械工业发达的国家在工业机器人的研究比较早，科研技术也相对更为成熟，不仅具有生产能力大的成套的生产设备，而且可以按照用户要求对产品质量进行把控。这些工业机器人设备的使用大大加快了相关行业的快速发展脚步，同时也提高了制造技术的水平。
1.3 设计任务的主要内容与要求
1.3.1 设计内容
这次课题的的内容主要在于一些水平多关机工业机器人的设计，主要体现在机身机械结构和臂架结构设计与控制系统设计两个方面。为了满足机电一体化专业人员的要求，主要内容是工业机器人控制系统的设计。工业机器人的控制系统主要是以单片机为核心的控制系统，用微机单片机控制工业机器人有着独有的优势。因此，工业机器人由单片微机控制。
1.3.2 设计要求
（1）制定总体规划，机械结构和控制方法的有机结合。
（2）根据给定的技术参数，合理设计机械部件的结构，并进行与设计有关的设计计算。
（3）水平多关节机器人的装配图和电气原理图的设计和绘制。
1.4 设计的主要技术指标和参数
（1）要求：关节式机器人、四个自由度
（2）参数：
结构形式：水平多关节式
最大持重：1.0kg
运动范围：大臂180°、小臂70°、手腕300°、垂直距离100mm
驱动方式：电机驱动
尺寸：540x485x630
控制方式：用单片机控制
（3）工作量：
（1）A0图合计约3.5张。
（2）设计规范（不少于15，000字）。
（3）外文材料的翻译不低于原字3000。
2. 工业机器人工程概述
2.1 工业机器人应具备的系统功能
从系统的功能特性来看，复杂的机器可以看作是一个系统，它以一定的方式由多个子系统有机地联系在一起，具有不可分割的特性。如果您拆卸系统，您将失去一些整体的特定功能。因此，在设计更复杂的内部机器时，它应具有以下特征[3]：
（1）目的性即：每个机构零件系统都应该有正确的目的和功能。
（2）整体性即:这个由多个子系统组成的整个机械系统应该作为一个整体实现指定的功能。
（3）环境适应性即:任何系统都必须能够适应外部环境的变化。
（4）相关性即:统中的子系统之间必须存在一些相互关联的特征。
2.2 工业机器设计中总体方案的论证
2.2.1 额定负载的确定
根据本课题的设计任务要求，手腕部分可承载起1KG以内的重量。
2.2.2 驱动装置选择
在该设计中，采用的驱动方法为交流伺服电动机。机器人的运动部分包括运动传动机构和控制装置，使机械手能够按预计的设定完成人们想要完成的指定流程。通常的机械臂有多种方式驱动，有步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机和液压伺服马达。其中步进电机存有小概率的失步现象，液压伺服马达的液压系统存在漏油的问题。结合本设计所控制的工件的大小，计算出机器人的大小，最终选择交流伺服电机进行控制。交流伺服电机存在的优势在于，其体积小，占据机械手臂的空间不大，从而使得机械手臂的负载小，从外型设计上可以设计的简洁大方，便于客户选择应用在不同场合[3]。伺服性能好，可以应用单片机控制；便利操作,反应快、稳定性好，有利于机械手的正常工作操作；除此之外还有转矩大、输出力矩和电流成比例等优点。
2.2.3 传动系统设计
机器人的传动应尽可能小，重量轻，结构紧凑，惯性矩小。它的传动方式主要有以下几个方面，比如说齿轮传动，皮带传动，滚珠丝杠传动等很多传动方式。考虑到齿形带传动的单向重复精度高，水平面上的重复定位误差小，可以满足定位要求。因此，机身和动臂由二级齿形带驱动。[6]
2.2.4 工作范围
它在工作时候的范围是操作和运动范围等一些方面所决定的，并且它的表示方式可以通过在工作时候的空间来表示。它的机械的一些方面的结构以及机械手臂的关节是由它在工作时候的空间的形状还有一些大小方面的因素所决定的。
2.2.5 运动速度
它的速度是由机器人在操纵手臂在工作的时候他的动作产生的最大的行程来决定他的速度大小，其次它的时间的工作表来决定他在工作时候的每个动作所需要的时间，这样可以来进一步知道他的运动速度。他的动作的时间所需的多少是由很多方面决定的，比如说他的动作种类来划分到底是顺序的还是同时进行的，以及他在工作的时候进行循环所需要的时间的是长还是短来决定的。您应该尝试为每个操作时间制定分配计划，比较它，并分配除了流程操作要求之外的操作时间。还应考虑惯性和行程大小，定位方法，驱动和控制方法以及精度要求。
2.3 机器人机械传动原理
由该主题设计的水平多关节，四自由度工业机器人。驱动方式由电机直接驱动，控制简单，编程操作方便。车身设计为薄壁整体铸件，设计轻巧灵活。机身结构为金属板框架结构，臂壳采用增强塑料压铸而成。其传动原理图1所示:
ⅡⅠ
Ⅳ机身
臂Ⅰ臂Ⅱ
Ⅰ
Ⅱ传动系统图Ⅲ
图1 传动系统图
机器人的大臂和小臂设计有二级齿形皮带传动。升降轴采用螺母对实现升降运动。
手腕旋转由步进电机直接驱动，消除了所有传动部件。[6]
本机器人的Ⅲ轴为丝杠螺母副。III 轴用于垂直提升运动。在断电的情况下能实现自
锁，可以防止机械手和所持物体坠落。
3. 机械部分的结构设计与计算
3.1 机身部分结构设计
它的组装图主要由一些传动的机构构成，其中包括他的机身的外壳还有机器
人的手臂。他的外壳的作用是用来支撑机器人整体结构的用处。是机身外壳和大臂1
的传动结构。由一个壁厚为4毫米的金属板框架组成。大臂1传动路线为：皮带轮的
第一级安装在大臂伺服电机MI 上，第一皮带驱动器由同步齿形带和安装在轴下方的
大皮带轮形成。第二级皮带轮安装在轴上方，第二皮带传动装置由同步齿形带和安装
在I 轴下方的大皮带轮形成。I 轴的顶部呈圆盘形状，并直接固定在臂1外壳上。
机身传动示意图如图2所示：
图2 机身传动示意图
电机安装在背板上，背板安装在支架上，通过螺钉调节第一级同步齿形带的张力。机身中间轴通过两个径向止推轴承安装在支架上，整个支架安装在变速箱底部，通过螺钉调节第二级同步带的张力。
3.2 大臂的结构设计
他的系统具有很多性质，比如说整体性就是其中之一，他的决定取决于它的结构中的机身和传动臂所具有的一些能力，比如说他在工作时候可以完成驱动以及传动的一些能力。下面介绍一下计算部分驱动能力的计算。悬臂组件图主要是悬臂壳体和臂的传动结构。悬臂壳体既用作整个机器人传动臂又用作臂传动链的壳体。它由一个壁厚为4毫米的增强塑料模具压制而成，并部分加固。小臂传动路线为：臂电机MII
的输出轴配备有第一级皮带轮，第一级皮带传动装置由同步齿形皮带和安装在轴上的大皮带轮形成。轴还配备有第二级皮带轮，其与同步齿形皮带连接。安装在II轴上的大滑轮（属于臂组件）构成第二级皮带传动。大带轮与小臂壳体固定。电机旋转时，机器人手臂摆动。[4]
传动原理如图3所示：
图3 大臂1齿带传动原理示意图
设计特点:
（1）机身和控制柜设计为单一结构
控制柜设计在机身内部，可以消除复杂的连接电缆，占地面积小，结构紧凑。
(2) 构件轻型化设计
机器人重量很轻，只需要一半类似机器人的重量。例如：用加强塑料臂壳替换常用的铸铝臂壳;支架类的零件采用折弯件；驱动器由皮带驱动，许多车轮材料由铝合金制成。[8]
(3) 结构简单、调整方便
采用结构比较简单的皮带传动形式，不采用结构和复杂的装配结构。同时，皮带传动的灵活性也适应机器人在水平方向上的灵活性，满足组件的灵活性要求。进给伺服系统机械部分的计算和选择包括：脉冲当量的确定，轴径的初始评估，在计算的时候我们需要考虑一些因素，比如说用同步带进行驱动能力的时候的计算，还有在用步进电机的时候的计算以及选择，还有在用直流伺服电机的时候计算和选择还有再用滚珠丝杠的时候的计算。
3.3 关于本结构在机械部分的设计以及计算
3.3.1 关于电动机的选择
对于电动机我们有很多需要了解的地方，比如说他的分类我们需要深刻的了解，在我们生活中，我们经常用到的有一些电动机，比如步进电动机和伺服电机，下面我们开始介绍一下这两种电机的一些特点和用处以及优势。
（1）关于步进电机的介绍
他的主要用处有在一些机械的控制系统中完成对一些比较重要的数字的分析还有执行的任务，他的另一种作用是把一些重要的关于电信号转变为线性的还有角位移的能力。所以他还有一种另外的叫法，叫做脉冲电动机。对于他的现状，在我们的国家用的非常广泛的就是关于步进电机的其中的一种叫无功步进电机，关于他的特点又可以进一步分析一下，他的启动速度非常的快，他的速度范围非常的广，他的动态性能特别的好，他还有一些其他的特点，比如说，具有良好的制动以及反转的能力。
(2) 关于伺服电机的介绍
伺服电机他的特点的介绍：
他的精度可以完成一些操作以及解决一些问题比如说，在控制方面可以完成对速度的控制以及对力矩的控制。他克服了一些在关于步进电机一些方面的问题。同时它还具有非常好的适应性，它可以完成一些比较重要的操作，比如说他有特别好的抗负载的能力，可以承受非常大的扭矩，是平时额定扭矩的三陪左右。同时他还具有非常好的稳定性，他能够完成一些操作，比如说，他能够使机器人在非常低的速度下平稳的运行，同时，在非常低的速度下不会对步进电机的操作产生额外的影响，提供非常好的稳定性。同时，它具有非常重要的能力，就是及时性，他能够使点击在减速的时候对于他的动态响应需要的时间变得非常短，加速也是。大概他所需要的时间为几十MM左右。
（3）机器人电机的选择[9][10]
1.关于一些手腕处步进电机的选择
第一次选择电机为步进电机，这个电机为一个步距角为7.5°/15°的反应式步进电机，（1-2相励磁）运动时，步距角为7.5°，其每转脉冲数量为
α
360
=
s 480
= 个。 根据脉冲当量的定义选 δρ=0.01 ㎜ （1）负载转矩的折算
根据手抓及重物的质量（分别为2.3kg 和2.0kg ），以及手腕处零件的质量总重估计为5.0kg 。
阻力矩：T w =mgl =025.08.90.5⨯⨯=1.225m N ⋅，手抓的转动速度设定为20min r 。 则负载转矩：i
FP
T s L πημ2=
式中: T L ——电动机负载转距
μ——导轨摩擦系数，取μ=0.004 （参考《机电一体化机械系统设计》
P136）
s η——齿轮与丝杠总效率，其中齿轮传动效率为0.97，丝杠传动效率
为0.9
所以，36.19.0225.1=÷==ηW L T T m N ⋅ 步进电机的最大静转矩
L m T T )5.03.0(.max -=
=（0.3 - 0.5） × 1.36 = 0.04 - 0.068 m N ⋅
根据反应式步进电机的技术数据，36BF003步进电机应在机械设计手册的表5-2中选择。
（2）步进电动机的选择与技术参数
通过上面一步步的计算，我们可以知道选用36BF003型反应式步进电机是非常的合理，并且符合相关的要求。他的一些相关数据的表示于下表1可见：
表1 电动机技术参数：
相数 3 绕组电阻 1.6Ω
步距角 1.5°/3°分配方式三相六拍
电压27V 最大静转距0.078(0.8)N
m
相电流 1.5A 空载启动频率3100Hz
0.0784 适配驱动器DX-3F040M
转子转
动惯量
10kg㎡
外型尺寸
外径36mm 长度41mm
轴径4mm 重量0.22kg
其外形尺寸图如图4所示：
图4 步进电机外形图
其矩频特性如图5所示：
图5 反应式步进电机36BF003矩频特性图
2.小臂电机的选择
根据小臂的重量（预计为5kg ）及手抓的重量（5.0kg ）。质心离转轴的距离
mm L 155=。
故小臂转动的阻力矩m N mgL Tw ⋅=⨯⨯==19.15155.08.910，小臂的转动速度初步设定为min /20r N w =，Pw W Nw Tw 8.3110009550
20
19.159550=⨯⨯=⋅=
， 23c g r w ηηηηη=
c η是传动效率中联轴器的效率，大概为（0.98-0.99）, g η是传动效率中一对联轴器
的效率，大概为（0.97-0.98）, r η为一对滚动轴承的传动效率(0.98-0.99), w η为一滚珠丝杆的传动效率(0.97-0.98), η为关节的总传动效率，所以
23c g r w ηηηηη==895.097.099.098.098.032=⨯⨯⨯
5.35895
.08
.31==
=
η
w
d p p W
通过上面一步步的计算，我们可以知道选用55SZ55型反应式步进电机是非常的合理，并且符合相关的要求。他的一些相关数据的表示于下表2可见：
表2 55SZ55电动机的相关参数
3.大臂电机的选择
根据动臂1的重量（预计为8kg ）及小臂与手抓的重量（10.0kg ）。质心离转轴的距离mm L 350=
。
故大臂转动的阻力矩m N mgL Tw ⋅=⨯⨯==74.6135.08.918，大臂的转动速度初步设定为min /20r N w =，Pw W Nw Tw 12910009550
20
74.619550=⨯⨯=⋅=
， 23c g r w ηηηηη=
c η为联轴器的传动效率
（0.97-0.98）, g η为一对带轮的传动效率(0.98-0.99), r η为一对滚动轴承的传动效率(0.98-0.99), w η为一对同步带的传动效率(0.97-0.98),
η为大臂的总传动效率，所以
23c g r w ηηηηη==895.097.099.098.098.032=⨯⨯⨯
144895
.057
==
=
η
w
d p p W 根据计算结果，选择70SZ101电机的技术参数如表3所示：
表3 电动机技术参数
4.机身电机的选择
根据机身的重量（预计最初为8kg ）及大臂、小臂与手抓的重量（18.0kg ）。质心离转轴的距离mm L 450=。
因此，臂旋转的阻力矩，主体构件的旋转速度初始设定为
m N mgL Tw ⋅=⨯⨯==66.11445.08.926，机身部件的转动速度初步设定
为min /20r N w =，Pw W Nw Tw 23810009550
20
1149550=⨯⨯=⋅=
， 23c g r w ηηηηη=
c η为联轴器的传动效率（0.97-0.98）, g η为带轮的传动效率(0.98-0.99), r η为一
对滚动轴承的传动效率(0.98-0.99), w η为同步带的传动效率(0.97-0.98), η为机身的总传动效率，所以
23c g r w ηηηηη==895.097.099.098.098.032=⨯⨯⨯
266895
.0238
==
=
η
w
d p p W 根据计算结果，选择110SZ53的技术参数如表4所示：
表4 电动机技术参数
外 径 115mm 长 度 164mm 轴 径
10mm
重 量
5.8kg
3.3.2 步进电机的控制
在控制模式中步进电机的相关示意图如图6所示：
图6 步进电机控制示意图
通过电脉冲的方法控制电机的相关流程电 （b)通过改变电脉冲信号的大小来控制电机。 （c ）通过改变角位移大小的方法控制电机。
3.4 同步带部分传动设计计算
同步带驱动器使用齿形和滑轮的齿轮齿顺序地接合以传递运动或动力。与平皮带传动和V 带传动相比，传动比准确，传动效率高，轴和轴承负荷小，结构紧凑，运行稳定。与梯形齿和弧齿同步，梯形齿同步与模块化系统和每周系统。每周环形齿形同步带具有国家标准。为此设计选择的带类型是周边梯形齿同步带。[11]
本设计采用两级同步带减速，传动比为2.同步带传动设计计算的主要内容是基于传动速度。额定功率，运行条件和速度比用于正确选择皮带长度，型号，带宽和皮带轮直径以及齿数。计算过程如下。 3.4.1 一级同步带传动计算
（1）d P 通过查阅学习资料机械设计基础表2-24查得功率0.1=d k
KW KW P K P d d 1.01.00.1=⨯== （2）通过相关计算和相关资料查阅，初步选择同步带传动的带型为KW P d 1.0=和同
步带传动的节距m in 1000r n =。由机械设计基础以及相关资料最终选择为L 型，节距mm P b 525.9=
（3） 通过查阅资料小皮带最小齿数1z 由很多因素所决定，例如，由皮带类型L 和小皮带轮速度1n ，通过查阅机械设计基础，查的小皮带轮的最小齿数为12min 1=Z ，此处取121=z
（4）小带轮节圆直径1p d mm mm P Z d b
p 38.36525
.91211=⨯=
=
π
π
其外径mm d a 62.351=。根圆直径齿高mm h g 67.2=和齿根直径
mm h d d g a f 28.3067.2262.352=⨯-=-=见机械设计手册的表1-104。
（5）大带齿轮数2z 2412212=⨯==iZ Z （6）大带轮节圆直径2p d mm mm P Z d b
p 77.72525
.92422=⨯=
=
π
π
外径mm d a 00.722= 。齿高mm h g 67.2=，根圆直径
mm h d d g a f 66.6667.2200.722=⨯-=-= 见机械设计手册的表1-104。
（7）带速v 90.11000
601000
38.361000
601
1=⨯⨯⨯
=⨯=
ππn d p v
L 带s m v /40~35max =，max v v < （8）初定轴间距0a
30
.21841.76)(2)(7.0021021≤≤+≤≤+a d d a d d p p p p
取mm a 1000=
（9）带的节线度p L 及齿数b z
初定带节线长度0
2
1221004)()(2
2a d d d d a L p p p p p -+
++
=π
()mm ⎥⎦⎤
⎢⎣⎡⨯-+++⨯=1004)38.3677.72(77.7238.36210022π
mm 76.374=
通过相关计算和相关资料查阅，由机械设计基础得应选择L 型同步带，并且同步带的代号为150。同时，它的相关数据如下，节线齿数40=b Z ，节线长,00.381mm L P =
（10）通过有关计算，它的轴间距可以进行适当的改动，改动的结果为实际轴间距a ，
mm L L a a p p ⎥⎦
⎤⎢⎣⎡
-+=-+
≈276.37400.3811002
0 mm 12.103= （11）小带轮啮合齿数m Z
⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡-⨯-=)(2212211Z Z a Z P Z ent Z b m π
⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡-⨯⨯-=)1224(12.103212525.92122
πent 5=
（12）基本额定功率0P
()
1000
20
v
mv T
P a
-=
机械设计手册表1-98中批准的工作张力m kg m N T a /095.0,244==单位长度质量
()1000
9.19.1095.02442
⨯⨯-=
P
kw 47.0=
（13）对实际带的宽度s b 进行相关计算 14
.10
0p k p b b z d
s s ≥
带的宽度的相关计算结果由参考文献查询得,4.250mm b s =
由相关资料查阅得出标准带宽
()8.062.01,5=--==m z m Z K Z 小带轮啮合齿数系数 mm mm b s 60.12278
.08.01
.040.254
.11=⨯≥
通过上面的计算可以得到应该选择宽带代号为100的带宽，并且非常合理。其
mm b s 4.25= （<1p d ） 3.4.2 二级同步带传动计算
（1）与一级同步带传动类似，通过查阅相关资料检查设计功率b P 与工况系数0.1=⊥K kw kw P K P d 1.01.00.1=⨯==⊥
通过相关计算和相关资料查阅，初步选择同步带传动的带型为KW P d 1.0=和同步带传动的节距m in /5001r n =。由机械设计基础以及相关资料最终选择为L 型，节距
mm P b 525.9=
（2）通过相关计算和相关资料查阅，初步选择同步带传动的带型为KW P d 1.0=和同步带传动的节距m in /5001r n =。由机械设计基础以及相关资料最终选择为L 型，节距mm P b 525.9=
（3）通过查阅资料小皮带最小齿数1Z 由很多因素所决定，例如，由皮带类型L 和小皮带轮速度1n ，通过查阅机械设计基础，查的小皮带轮的最小齿数为12min 1=Z ，此处取121=z
（4）小带轮节圆直径1p d mm mm P Z d b
p 38.36525
.91211=⨯=
=
π
π
其外径mm d a 62.351=。根圆直径齿高mm h g 67.2=和齿根直径
mm h d d g a f 28.3067.2262.352=⨯-=-=见机械设计手册的表1-104。
（5）大带轮齿数2Z 2412212=⨯==iZ Z
（6）大带轮节圆直径2p d mm mm P Z d b
p 77.72525
.92422=⨯=
=
π
π
外径mm d a 00.722=见机械设计手册的表1-104。 齿高mm h g 67.2=见机械设计手册的表
8-1-50，根圆直径
mm h d d g a f 66.6667.2200.722=⨯-=-=
（7）带速v s m s m n d v p /95.0/1000
60500
38.361000
601
1=⨯⨯⨯=
⨯=
ππ
L 带s m v /40~35max =，max v v < （8）初定轴间距0a
3
.218405.76)(2)(7.0021021≤≤+≤≤+a d d a d d
取mm a 1000=
（9）带的节线度p L 及齿数b z 初定带节线长度0
2
1221004)()(2
2a d d d d a L p p p p p -+
++
=π
()mm ⎥⎦⎤
⎢⎣⎡⨯-+++⨯=1004)38.3677.72(77.7238.36210022π
mm 76.374=
通过相关计算和相关资料查阅，由机械设计基础得应选择L 型同步带，并且同步带的代号为150。同时，它的相关数据如下，节线齿数40=b Z ，节线长,00.381mm L P =
（10）通过有关计算，它的轴间距可以进行适当的改动，改动的结果为实际轴间距a ，
mm L L a a p p ⎥⎦
⎤⎢⎣⎡
-+=-+
≈276.37400.3811002
0 mm 12.103=
（11）小带轮啮合齿数m Z
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
多关节工业机器人设计---毕业设计开题报告
本 科 生 毕 业 设 计（论 文） 开题报告 题目： 多关节工业机器人设计— 机械系统 姓 名： 学 号： 指导教师： 班 级： 所在院系： 机电工程学院
陕西科技大学毕业设计（论文）开题报告内容 课题的目的、意义；国内外技术现状及发展趋势 课题的目的及意义 随着我国工业化进程的不断加快，劳动力成本的不断增大，工业机器人的长足发展已是一个必然的趋势。现如今，机器人技术在我国工业领域已经有了较广泛的应用，所以，通过对此课题的研究，一方面可以使我在走上工作岗位之前将理论知识与实践环节进行一次紧密的联系，将所学知识可以进行系统性的回顾与应用，从而更加深刻的理解和掌握所学的知识。另一方面，通过这次课题的设计，可以加强我的实践能力，为最终顺利走上工作岗位打下坚实的基础。 国内外技术现状及发展趋势 国内在普及第一代工业机器人的基础上，第二代工业机器人已经推广，成为主流安装机型，第三代智能机器人已占有一定比重（占日本1998年安装台数的10%，销售额的36%）。（1）在机械结构方面，已关节型为主流，80年代发明的使用于装配作业的平面关节机器人约占总量的1/3。90年代初开发的适应于窄小空间、快节奏、360度全工作空间范围的垂直关节机器人大量用于焊接和上、下料。应3K和汽车、建筑、桥梁等行业需求，超大型机器人应运而生。（如焊接数10米长、10吨以上大构件的弧焊机器人群，采取蚂蚁啃骨头的协作机构。）CAD、CAE等技术已普遍用于设计，仿真和制造中。（2）在控制技术方面，大多数采用32位CPU，控制轴数多达27轴，NC技术、离线编程技术大量采用。协调控制技术日趋成熟，实现了多手与变位机、多机器人的协调控制，正逐步实现多智能体的协调控制。采用基于PC的开放结构的控制系统已成为一股潮流，其成本低、具有标准现场网络功能。（3）在驱动技术方面，80年代发展起来的AC侍服驱动已成为主流驱动技术用于工业机器人中。DD驱动技术则广泛地用于装配机器人中。2、新一代的侍服电机与基于微处理器的智能侍服控制器相结合已由FANUC等公司开发并用于工业机器人中，在远程控制中已采用了分布式智能驱动新技术。（4）装有视觉传感器的机器人数量呈上升趋势，不少机器人装有两种传感器，有些机器人留了多种传感器接口。（5）大部分机器人采用了Ether网络通讯方式，占总量的41.3，其它采用RS-232、RA-422、RS-485等通讯接口。（6）目前，最快的装配机器人最大合成速度为16.5m/s。位置重复精度为正负0.01mm。但有一种速度竞达到80m/s；而另一种并连机构的NC机器人，其位置重复精度大1微秒。 在国外，应用于制造业的机器人取得了较显著进展，已成为一种标准设备而得到工业界广泛应用，从而也形成了一批在国际上较有影响力的、知名机器人公司。如德国的KUKA、瑞典的ABB、日本的安川等。据专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。据联合国欧洲经济委员会(UNECE)和国际机器人联合会(IFR)的统计，2002年至2004年，世界机器人市场年增长率平均在10%左右，2005年达到创纪录的30%，2007年全球机器人实际安装量达到650万台，机器人安装量比2006年增加3%，达到了114365台。据统计，近年来全球机器人行业发展迅速，2008年全球机器人行业总销售量比2006年增长25％。而无论在使用、生产还是出口方面，日本一直是全球领先者，目前日本已经有130余家专业的机器人制造商。 在发达国家，以工业机器人为基础的自动化生产线成套装备已成为自动化装备的主流及未来发展方向。国外汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业已大量使用机器人自动化生产线，以保证产品质量和生产效率。目前，典型的成套装备有：大型轿车壳体冲压自动化系统技术和成套装备，大型机器人车体焊装自动化系统技术和成套装备，电子电器等机器人柔性自动化装配及检测成套技术和装备，机器人发动机、变速箱装配自动化系统技术成套装备及板材激光拼焊成套装备等。这些机器人自动化成套装备的使用，大大推动了其行业的快速发展。
工业机器人手臂设计
目录 目录 (2) 摘要 (1) 第一章绪论 (2) 1.1引言 (2) 1.2 工业机器人的含义及技术概述 (3) 1.3 工业机器人的组成 (4) 1.4 工业机器人的发展及国内外发展趋势 (5) 第二章工业机器人的设计 (10) 2.1 机械手的设计方法 (10) 2.1.1 机械手的选择与分析 (10) 2.1.2 直角坐标机器人的设计方法 (11) 2.2 机械手的结构设计 (15) 2.2.1 机器人的总体设计 (15) 2.2.2 机械手的臂部设计 (16) 2.3 SC900三轴伺服驱动机器人机构的特点 (17) 第三章工业机器人的运动系统分析 (19) 3.1 工业机器人的运动系统分析 (19) 3.1.1机器人的运动概述 (19) 3.2 工业机器人运动控制 (20) 3.1.2 机器人的驱动方式 (20) 第四章SC900三轴伺服驱动机器人典型零件的设计 (22) 4.1 伺服电机的选择 (22) 4.2 减速机的选择 (24) 4.3 齿轮齿条的选择 (24) 4.4导轨的选择 (25) 图4-3.3 ABBA直线电机BRH20A型号的导轨 (28) 第五章结论 (29) 参考文献 (30) 致谢 (32)
摘要 我国的工业机器人研制虽然起步晚，但是有着广大的市场潜力，有着众多的人才和资源基础。在十一五规划纲要等国家政策的鼓励支持下，在市场经济和国际竞争愈演愈烈的未来，我们一定能够完全自主制造出自己的工业机器人，并且将工业机器人推广应用到制造与非制造等广大的行业中，提高我国劳动力成本，提高我国企业的生产效率和国际竞争力，从整体上提高我国社会生产的安全高效，为实现伟大祖国的复兴贡献力量。在当今大规模制造业中，机器人正在慢慢取代人们去完成一些高强度、高危险的工作。机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。工业机器人一般由执行系统、驱动系统、控制系统和人工智能系统组成。本文简要介绍了工业机器人的概念,设计和发展历程，机械手的结构设计和直角坐标机器人的设计方法，以及工业机器人的机械系统设计，除此之外本文还对机械手进行了总体设计方案，确定了工业机器人手臂的坐标形式和自由度，以及机械手的技术参数。同时列举SC900三轴伺服驱动机器人，简单介绍了SC900三轴伺服驱动机器人的特点和典型零件的设计。 关键词：工业机器人，机械手，三轴伺服驱动
(完整word版)工业机器人结构设计
1绪论 1.1工业机器人概述 工业机器人由操作机（机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作,自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量,提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃,应用日益广泛的领域.机器人应用情况,是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动,而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力。从某种意义上说它也是机器进化过程的产物，它是工业以及非工业领域的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。机械手是模仿人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。工业机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率；可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产，尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，由它代替人进行正常的工作，意义更为重大.因此，工业机械手在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的应用.工业机械手的结构形式开始比较简单专用性较强，仅为
某台机床的上下料装置,是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展,制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强,所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的应用。 1.2工业机器人的组成和分类 1。2.1工业机器人的组成 机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等组成。各系统相互之间的关系如方框图1。1所示. 图1。1机器人组成系统 1、执行机构 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件,有的还增设行走机构。 （1)手部 即与物件接触的部件.由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式手部和吸附式手部.在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指（或手爪）和传动机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型.回转型手指结构简单,制造容易,故应用较广泛.平移型手指应用较少,其原因是结构比较
机器人手臂关节结构设计说明书
摘要 机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。 是一门涉及计算机科学、机械学、电子学、自动控制、人工智能等多个方面的学科，它代表了机电一体化的最高成就。现今，机械手已经运用到各个领域，特别是在装配作业方面。在装配机械手中，平面关节型装配机械手（即SCARA型）是应用最广泛的一种装配机械手。 本课题提出设计一种服务机械手，用于电子元器件等的装配，在分析国内外SCARA产品基础上，经过不同方案的比较，在确定了最优方案后通过认真的计算，仔细的校核，使设计结构简单、运行可靠、经济合理，能满足教学实验等需要，对于更好地熟悉和掌握相关课程具有重要的意义。 本文设计的是一种小型服务装配机械手，主要对这种机械手进行结构方面的设计。本文设计的SCARA机器人具有以下特点：通用性好、体积小、重量轻、外形美观、成本低，对其本体的可行方案进行了充分的研究后，设计成具有多个自由度的结构，由机身、大臂、小臂及手腕组成，谐波减速器、齿轮、丝杠螺母等组成了机械手简单可靠的传动方案。该电机的多个关节均采用步进电机驱动，具有控制简单、成本低的特点。 关键词：工业机械手自由度机器人
Abstract Robot is a kind of science related to many other ones such as computer science, mechanism, electronics, automation control and artificial intelligence. Now, robots are used in many fields, especially in the aspect of assembly task. It represents the up-most level of mechatronics. Among assembly, plane articulated assemblyrobot (SCARA manipulator) is used most widely. This topic puts forward designing a kind of assemble robot, used for an assemble electronics component, after analy domestic and international SCARA, the surface of sphere SCARA etc. Through compare with different project. After making sure superior project, though the careful calculation and check.Make design with simple structure,credibility circulate, reasonable cost, can satisfy the teaching experiment etc.. The presented SCARA manipulator in this paper is a pint-sized assembly robot, where the structure of SCARA manipulator is designed. The presented SCARA manipulator in this paper has following characters: good universality, small volume, light weight, beautiful appearance and low cost, so the structure of robot is fully considered which has four freedoms and is consisted of comprises base, big arm, small arm and wrist. The simple reliable transmission scheme of SCARA manipulator is composed of harmonic deceleration and gear wheel and feed screw. The four joints are all driven by stepping motors, which has the characters of simple control and low cost. Keyword: Industrial robots Freedom Robot
工业机器人机械系统设计
工业机器人机械系统设计 工业机器人是近年来在多个行业中越来越普及和广泛应用的一种现代化技术设备。它的出现极大地促进了生产效率、产品质量和安全性的提升，带动着各行各业的发展。而机器人的机械系统设计则是工业机器人技术中至关重要的一环。本文将对工业机器人机械系统设计进行详细介绍。 工业机器人机械系统设计是指利用机械学、材料学、控制学、电气学等多个学科知识设计和制造工业机器人的主要系统。机械系统设计包括机器人的各个部分，如机身、关节、手臂、执行器、传动装置等，同时也要考虑多个因素对机械系统的影响。这些因素包括机器人的负载，工作空间，精度、速度，稳定性等。 在进行机械系统设计过程中，首先需要确定机器人的工作要求和使用场景。根据实际应用需要，确定机器人的工作负载、精度和速度等参数。然后，根据工作负载的不同，设计关节的数量和类型，通常，工业机器人包括直线关节、旋转关节、球关节等多种类型。同时，设计机器人的手臂、执行器等重要部位，在诸如重量、强度和刚度等方面考虑材料的选择，以确保机器人的稳定性和重复性。 机器人的传动系统也是机械系统设计的重要组成部分。传动系统可以通过齿轮、链条、皮带等方式实现，旨在控制机器人的运动。而在传动过程中，传动部件的精度，齿轮的间隙和螺旋程度、电机功率、传动速度等也需要被纳入考虑。同时考
虑到机器人在使用过程中产生的摩擦、热、粉尘和腐蚀等问题，需要对传动系统实现良好的润滑和维护。 工业机器人的控制系统和感知系统是机械系统设计中另外的两个重要组成部分。控制系统实现对机器人的动作，通过传感器获取机器人的位置、方向、负载等信息,并且瞬间反映到 控制系统上，实现对机器人的控制，以及通过编程实现的自主决策。感知系统负责机器人与周围环境的互动，例如通过激光测距传感器检测物体的距离、拍摄摄像头进行视觉检测等，从而保证机器人能够正常工作，实现高效、准确的生产和操作任务。 当然，机械系统设计也要考虑到工业机器人的布局设计和结构设计。机布局的设计通常采用三维建模方法，确定机器人的工作空间、动作、避免干涉等方面的需要，确保机器人能够在工作中完成其预置任务，同时安全地完成其工作任务。而机器人的结构设计，则要根据机器人的功能和使用场景，确定机器人在物理和力学变形等方面的影响，在设计机器人机身、壳体等方面应考虑到材料和结构刚度的安排。 总的来说，工业机器人机械系统设计是工业机器人技术中非常重要的一环。设计合理的机械系统，可以帮助机器人达到高效率、高稳定性和高精度的操作。同时，应该在不断改进机器人机械设计的同时，继续探索和创新新的工艺和机构，为工业机器人的发展注入新的活力。
关节型机器人的结构设计及其运动学分析共3篇
关节型机器人的结构设计及其运动学 分析共3篇 关节型机器人的结构设计及其运动学分析1 关节型机器人是一种机器人，它通过关节连接来实现运动。这种机器 人的动作比较灵活，因为它们可以在任何方向上旋转和进行其他运动。在这篇文章中，我们将详细介绍关节型机器人的结构设计以及关节型 机器人的运动学分析。 1.结构设计 关节型机器人的结构设计通常由关节、链节和执行器组成。执行器通 常用于控制关节的旋转，链节是连接关节的部分，而关节则是连接链 节和执行器的部分。 关节可以是旋转关节，旋转关节可以使机器人以一个轴旋转；也可以 是平移关节，平移关节可以使机器人上下或前后移动。此外，还有万 向节，可以使机器人在任何方向上旋转。 链节可以是线性链节或旋转链节。线性链节将机器人的每个部分连接 在一起，而旋转链节则可以使机器人上下或前后移动。 执行器可以是电动或气动，用于控制机器人的运动。执行器可以使用 电机或其他控制系统，以改变关节的位置或旋转。 2.运动学分析 关节型机器人的运动学分析涉及到机器人的运动学参数的推导。这些 参数包括关节角度、链节的长度等等。运动学分析是设计和控制关节
型机器人的重要步骤。 关节角度是指每个关节相对于中心轴线的角度。这些角度可以用来计算机器人的位置和方向。 链节的长度是连接各个关节的链节的长度。这些长度可以通过测量所需的距离来确定。 在运动学分析过程中，需要确定机器人的末端位置和方向。这可以通过测量机器人的位置和角度来完成。此外，还需要计算各个部分的速度和加速度，以便更好地控制机器人。 在运动学分析的过程中，需要考虑各种因素，如摩擦、重力等。这些因素会影响机器人的运动，需要用仔细的计算方法进行处理。 总体而言，关节型机器人的结构设计和运动学分析需要仔细考虑，设计师需要仔细测量各个部件的尺寸和相对位置，以确保机器人的正常运作。在设计和控制机器人时，需要仔细考虑各种因素，例如摩擦、重力和惯性等，以确保机器人可以准确地执行其任务。 关节型机器人的结构设计及其运动学分析2 关节型机器人是一种基于多自由度（DOF）的机器人，关节型机器人的运动自由度非常大，可以完成多种复杂的动作。为了控制关节型机器人的动作，需要对其结构设计及其运动学分析进行研究。 结构设计 关节型机器人的结构设计主要包括机械结构设计和传动系统设计。 机械结构设计
机械工程及自动化专业毕业设计论文-多关节机械臂的结构设计与建模
大学 毕业设计 题目多关节机械臂的结构设计与建模专业 班级 学生 学号 指导教师 二〇一四年五月五日
1绪论 1.1机械人发展历史 人类对机器人的追求与幻想已有300多年的历史。早在西周时期，我国的能工巧匠偃师就研制出了一个歌舞艺人，这是我国最早记载的机器人。据《墨经》记载，春秋后期，鲁班曾制造过一只木鸟，能在空中飞行保持“三日不下”的战绩。1800年前的汉代，大科学家张衡不仅发明了地动仪，而且发明了计里鼓车，其每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下。后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”，并用其在崎岖山路中运送军粮，支援前方战争。在国外，古希腊人发明了最原始的机器人──太罗斯，它是以水、空气和蒸汽压力为动力的会动的青铜雕像，它可以借助蒸汽唱歌，还可以自己开门。 1662年，日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶，并在大阪的道顿堀演出。1738年，法国天才技师杰克•戴•瓦克逊发明了一只机器鸭，它会会游泳，嘎嘎叫和喝水，还会进食和排泄。1773年，著名的瑞士钟表匠杰克•道罗斯和他的儿子利•路易•道罗斯利用齿轮和发条原理而制成了自动书写玩偶、自动演奏玩偶等，它们有的拿着鹅毛蘸墨水写字，有的拿着画笔和颜色绘画，结构巧妙，服装华丽，这在欧洲风靡一时。 现代机器人的发展历史：1927年，在纽约举行的世界博览会上美国西屋公司工程师温兹利展出了其制造的第一个机器人“电报箱”，它是一个装有无线电发报机的电动机器人，可以回答一些问题，但该机器人不能走动。1938-1945期间，由于核工业和军事工业的发展，研制了主要用于放射性材料的生产和处理过程的“遥控操纵器”。1947年，对这种较简单的机械装置进行了改进，采用电动伺服方式，使其从动部分能跟随主动部分运动，称为"主从机械手"。1949-1953期间，随着先进飞机制造的需要，美国麻省理工学院辐射实验室开始研制数控铣床。值得高兴的是1953年研制成功了能按照模型轨迹做切削动作的多轴数控铣床。1954年，美国人真正设计制作了世界上第一台机器人实验装置，并发表了题为《适用于重复作业的通用性工业机器人》的文章。1960年美国“联合控制公司”研制出第一台真正意义上的工业机器人，开始定型生产工业机器人。两年后，美国“机床与铸造公司”也生产了另一种可编程工业机器人。70年代中期，由于机器人产业的蓬勃发展，一门崭新的学科-机器人学诞生了。随着机器人应用领域的进一步扩大，不同的应用场所，导致了各种坐标系统、各种结构的机器人相继出现，大规模集成电路和计算机技术飞跃发展使机器人的控制性能大大提高，成本不断下降。80年代，随着传感技术和智能技术的发展，人类真正开始进入智能机器人研究阶段。不同结构、不同控制方法和不同用途的工业
工业机器人结构设计
工业机器人结构设计 随着科技的不断进步和社会的不断发展，人类对于机器人的需求和应用也愈发增加。工业机器人作为自动化生产的重要组成部分，其结构设计的合理与否直接关系到机器人的工作效率和安全性。本文将探讨工业机器人结构设计的相关要素和技术原则。 一、工业机器人结构概述 工业机器人是一种能够按照预设的程序和规则进行自主操作的机器设备。其结构由机械结构、控制系统和动力系统组成。机械结构是工业机器人的骨架，决定了机器人的稳定性和运动能力。因此，工业机器人的结构设计至关重要。 二、工业机器人结构设计要素 1. 机械臂 工业机器人的机械臂是其最基本的结构部分，通常由关节和链杆组成。机械臂的关节数量和类型根据工业机器人的应用需求而定。机械臂需要具备足够的灵活性和刚度，以实现精确的运动和定位。 2. 末端执行器 末端执行器是工业机器人实现具体任务的工具。它可以是夹具、吸盘、焊枪等不同形式的工具。末端执行器的选择和设计应根据具体任务的需求和要求。 3. 控制系统
控制系统是工业机器人结构设计中重要的一环。它负责控制机器人的动作和运动路径。控制系统需要具备高精度、高响应速度和良好的稳定性。同时，安全性和可靠性也是控制系统设计的重要考虑因素。 4. 动力系统 动力系统为工业机器人提供动力，使其能够执行任务。动力系统通常由电机、减速器和传动装置组成。动力系统的设计需要考虑功率大小、精度要求和能耗等因素。 三、工业机器人结构设计原则 1. 功能性原则 工业机器人结构设计的首要原则是满足具体任务的功能需求。机器人应能够稳定、高效地完成所要执行的任务，具备良好的定位和控制能力。 2. 结构强度原则 工业机器人在工作过程中会承受较大的负载和运动力，因此结构强度是设计中的重要考虑因素。机器人的各个部件应具备足够的强度和刚度，以确保机器人的工作稳定性和安全性。 3. 空间利用原则 工业机器人的工作环境通常有限，因此在结构设计中需要注意空间利用的效率。合理利用机器人的结构空间，提高机器人的工作效率和灵活性。
简述工业机器人的设计内容与步骤
简述工业机器人的设计内容与步骤 工业机器人是一种用于自动化生产的机械设备，它能够完成各种复杂的操作任务，提高生产效率和质量。设计工业机器人需要考虑多个方面，包括机器人的结构、控制系统、传感器和执行器等。下面将详细介绍工业机器人的设计内容与步骤。 一、机器人的结构设计 机器人的结构设计是工业机器人设计的重要部分，它决定了机器人的运动范围和负载能力。在结构设计中，需要考虑机器人的关节数量、关节类型、关节传动方式等。关节数量决定了机器人的自由度，关节类型可以根据应用需求选择，关节传动方式可以采用齿轮传动、带传动等。 二、机器人的控制系统设计 机器人的控制系统设计是工业机器人设计的关键环节，它包括机器人的控制器和编程软件。控制器是机器人的大脑，它接收传感器反馈的信号，并根据程序指令控制机器人的运动。编程软件用于编写机器人的控制程序，实现各种操作任务。在控制系统设计中，需要考虑机器人的运动规划、轨迹控制、碰撞检测等功能。 三、机器人的传感器设计 机器人的传感器设计是工业机器人设计的重要组成部分，它能够感知周围环境的信息，为机器人的自主决策提供数据支持。常见的传
感器包括视觉传感器、力传感器、位置传感器等。视觉传感器可以用于目标识别和定位，力传感器可以用于力控制和安全保护，位置传感器可以用于位置反馈和运动控制。 四、机器人的执行器设计 机器人的执行器设计是工业机器人设计的重要组成部分，它负责机器人的运动执行。常见的执行器包括电机、气缸、液压缸等。电机可以用于驱动机器人的关节运动，气缸可以用于实现机器人的夹持和释放动作，液压缸可以用于实现机器人的重载操作。 工业机器人的设计步骤如下： 1.需求分析：确定机器人的应用领域和工作任务，明确设计目标和要求。 2.结构设计：根据机器人的应用需求，设计机器人的结构，包括关节数量、关节类型、关节传动方式等。 3.控制系统设计：根据机器人的运动规划和控制要求，设计机器人的控制系统，包括控制器和编程软件。 4.传感器设计：根据机器人的感知需求，选择合适的传感器，并进行布置和接线设计。 5.执行器设计：根据机器人的运动执行需求，选择合适的执行器，
工业机器人技术及应用(教案)2-工业机器人的机械结构和运动控制
工业机器人技术及应用(教案)2-工业机器人的机械结构和运动控制 LT
(1) 机械臂 关节型工业机器人的机械臂是由关节连在一起的许多机械连杆的集合体。实质上是一个拟人手臂的空间开链式机构，一端固定在基座上，另一端可自由运动，由关节- 连杆结构所构成的机械臂大体可分为基座、腰部、臂部（大臂和小臂）和手腕 4 部分。 1) 基座基座是机器人的基础部分，起支撑作用。 2) 腰部腰部是机器人手臂的支承部分。 3) 手臂手臂是连接机身和手腕的部分，是执行结构中的主要运动部件，亦称主轴，主 要用于改变手腕和末端执行器的空间位置。 4) 手腕手腕是连接末端执行器和手臂的部分，亦称次轴，主要用于改变末端执行器的空 间姿态。 (2) 驱动装置 驱使工业机器人机械臂运动的机构。它按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人产生动作，相当于人的肌肉、筋络。 机器人常用的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动和电气驱动三种基本类型。 目前，除个别运动精度不高、重负载或有防爆要求的机器人采用液压、气压驱动外，工业机器人大多采用电气驱动，而其中属交流伺服电机应用最广，且驱动器布置大都采用一个关节一个驱动器。 三种驱动方式特点比较
(3) 传动单元 目前工业机器人广泛采用的机械传动单元是减速器，应用在关节型机器人上的减速器主要有两类：RV 减速器和谐波减速器。一般将RV 减速器放置在基座、腰部、大臂等重负载的位置( 主要用于20kg 以上的机器人关节) ；将谐波减速器放置在小臂、腕部或手部等轻负载的位置( 主要用于20kg 以下的机器关 节) 。此外，机器人还采用齿轮传动、链条（带）传动、直线运动单元等。 机器人关节传动单元 1) 谐波减速器 通常由 3 个基本构件组成，包括一个有内齿的刚轮，一个工作时可产生径向弹性变形并带有外齿的柔轮和一个装在柔轮内部、呈椭圆形、外圈带有柔性滚动轴承的波发生器，在这3个基本结构中可任意固定一个，其余一个为主动件一个从动件。 谐波减速器原理图 2) RV 减速器 主要由太阳轮（中心轮）、行星轮、转臂（曲柄轴）、转臂轴承、摆线轮（RV 齿轮）、针齿、刚性盘与输出盘等零部件组成。具有较高的疲劳强度和刚度以及较长的寿命，回差精度稳定，高精度机器人传动多采用RV 减速器。
机器人的机械臂结构和运动控制
机器人的机械臂结构和运动控制随着科技的进步和人类对于自动化的需求不断加强，机器人被广泛应用于制造业、医疗、航空航天等领域。机器人的机械臂是其重要的构成部分，也是人们最常见的机器人形象。那么，机器人的机械臂结构和运动控制是如何实现的呢？ 一、机器人的机械臂结构 机器人的机械臂一般由臂体、臂节和关节三部分组成。臂体是机械臂的主干部分，它负责支撑和承载全机器人的重量；臂节是臂体上可以运动的部分，一般由旋转臂节和伸缩臂节两种组成，由多个联轴器和驱动装置组成，能够让臂体在三维空间中变换位置和姿态；关节则是臂节上的零件，主要由电机、减速器、传动装置等组成，用来控制机械臂的运动和姿态。 不同的机器人由于需要完成的任务不同，其机械臂的结构也会有所区别。例如，工业机器人的机械臂通常需要较大的工作空间和负载能力，因此其臂体和臂节都会相对较长，以满足机器人对于工件的抓取和操作需求。而医疗机器人则因为需要在狭小的空间内操作，因此机械臂的结构相对较小巧，且往往需要较高的精度和稳定性。
二、机器人的运动控制系统 机器人机械臂的运动控制系统是机器人最核心的控制部分，也 是机器人能够完成各种任务的关键。运动控制系统通常由控制器、驱动器和编码器等部分组成。 控制器是机器人的中枢神经系统，它接收外部指令和传感器反 馈的信息，控制机械臂的运动和姿态。驱动器则是将控制器发出 的电信号转化为机械运动的关键部分，它通过电力或液压力来驱 动机器人的各个关节运动。编码器则用来反馈每个关节的运动状 态和位置信息，将这些信息传回控制器，以便控制器控制机械臂 的运动轨迹和姿态。 机器人的运动控制系统的设计与调试是非常复杂的。在控制器 方面，需要设计各种算法和程序来控制机器人完成不同的任务， 在驱动器方面，需要根据机械臂的具体情况选择合适的驱动方式 和驱动装置，在编码器方面，需要选定合适的型号并根据机械臂 的运动范围进行精细的校准。 三、机械臂运动控制的应用举例
机械臂控制系统的设计与实现
机械臂控制系统的设计与实现随着自动化技术的不断发展，机械臂成为了工业生产中不可或缺的重要设备。机械臂具有高度的灵活性和精准性，能够完成复杂的工作任务，并且可以上下左右自由运动。而机械臂控制系统是机械臂操作的基础，它可以为机械臂提供精准操作、灵活运动的保障。本文将探讨机械臂控制系统的设计与实现。 一、机械臂的基本结构 机械臂由底座、臂杆、关节和夹具等部分组成。底座是机械臂的支撑点，可以使机械臂在水平面内进行360度的旋转。臂杆是机械臂的主体部分，可以进行上下运动。而关节是连接臂杆和夹具的部分，可以对机械臂进行各种姿态变换。夹具则是机械臂的工作部分，可以根据不同任务而装配不同工具或夹具。 二、机械臂控制系统的原理 机械臂控制系统是利用电气及计算机技术来控制机械臂的运动轨迹和姿态的系统。机械臂控制系统的基本原理是将电脑内部的程序转化为具有实际控制能力的电路信号，通过电路控制机械臂
的运动和姿态。机械臂控制系统分为软件控制和硬件控制两大部分。其中软件控制主要负责机械臂的运动规划和路径规划等任务，而硬件控制则是具体实现机械臂的运动和姿态调节的关键。 三、机械臂控制系统的设计要点 机械臂控制系统的设计要点主要包括机械臂的运动规划、路径 规划、姿态控制、运动控制和位置反馈等方面。机械臂的运动规 划和路径规划要根据具体任务需求进行优化，以实现精准和高效 的操作。同时，姿态控制也是设计要点之一，可以通过PID等算 法进行调节，确保机械臂的稳定性和精度。 另外，机械臂的运动控制也是设计要点之一，可以采用PWM、DAC等控制模块进行精准控制。而位置反馈则可以通过编码器等 传感器进行实现，以确保机械臂位置的准确度和稳定性。 四、机械臂控制系统的实现方法 机械臂控制系统的实现方法主要分为基于单片机和基于工控机 两种。其中基于单片机的实现方法相对简单，可以通过编写C语
六轴工业机器人控制系统的设计与实现
六轴工业机器人控制系统的设计与实现 六轴工业机器人是一种多关节的机器人，能够在多个自由度上执行各种复杂的任务。它在汽车制造、电子产品组装、金属加工等工业领域扮演着重要的角色。而六轴工业机器人的控制系统则是实现其精准运动和灵活操作的关键。本文将对六轴工业机器人控制系统的设计与实现进行详细的介绍。 一、六轴工业机器人的结构 六轴工业机器人通常由机械结构和控制系统两部分组成。机械结构由基座、臂、腕和末端执行器等部件组成，这些部件通过关节连接在一起，形成具有六个自由度的机械臂。控制系统则是通过传感器和执行器对机械结构进行控制，使其能够完成各种精准的运动。 二、六轴工业机器人的控制系统设计 1. 控制系统架构设计 六轴工业机器人的控制系统通常采用分层控制结构，包括传感器层、执行器层、实时控制层和上位控制层。传感器层用于采集机械臂的位置、速度和力矩等数据，执行器层用于控制机械臂的各个关节，实时控制层用于实时计算机械臂的控制指令，上位控制层用于人机交互和任务规划等。 2. 运动学建模 运动学是六轴工业机器人控制系统设计的基础，通过对机械臂的运动学建模，可以精确地描述机械臂的运动规律，从而实现对机械臂的精准控制。一般采用DH参数法或欧拉角法进行建模，得到机械臂的正运动学和逆运动学方程。 3. 动力学建模 动力学建模是六轴工业机器人控制系统设计的关键，通过对机械臂的动力学建模，可以得到机械臂的动力学方程，从而实现对机械臂的力矩控制。一般采用拉格朗日方程或牛顿-欧拉方程进行建模，得到机械臂的动力学方程。 4. 控制算法设计 控制算法是六轴工业机器人控制系统设计的核心，通过对机械臂的控制算法设计，可以实现对机械臂的精准控制。常用的控制算法包括PID控制、模糊控制、神经网络控制和模型预测控制等。 三、六轴工业机器人控制系统的实现 1. 传感器和执行器选择
关节型工业机械手的结构设计毕业设计说明书[管理资料]
毕业论文 题目关节型工业机械手的结构设计 学院机械工程学院 专业机械工程及自动化 班级机自0917班 学生 学号20090421170 指导教师 二〇一三年六月三日
摘要 关于该关节型工业机械手的具体研究方法。本次设计工作首先对实体安川机器人进行了细致的研究，了解了其内部的具体结构，安川机器人的结构可分为六个轴系，然后根据六个轴系对其内部结构进行分解，以便了解各个零件之间的配合，这样就对安川机器人有了大体的了解。下面就进行尺寸的测量，尺寸的测量只需要测量一下大体的外观尺寸，而内部尺寸可根据零件的配合进行合理的设计。然后，进行计算（包括电机功率的计算，轴的设计，齿轮的参数计算），接着可依据相关资料，选取恰当的电机。最后，可根据实体与之前所掌握的知识对机械手的结构进行设计分析。 关键词:伺服电机、机械手抓、移动旋转。
ABSTRACT Here is about the research method of the industrial manipulator joints. The design work on the real first AnChuan robot has carried on the detailed research, understand the internal structure of concrete, AnChuan robot structure can be divided into six axis, and then according to the six axis of its internal structure decomposition, in order to understand the cooperation between the various parts of the, thus for AnChuan robot have roughly understanding. Below is the size of the measurement, the size of the measurement only need to measure the general appearance of the size, and the internal dimension can be reasonable according to the parts of the design. Then, computing (including motor power calculation, the design of the shaft, the gear parameter calculation), then can according to relevant data, select the appropriate machine. Finally, according to the entity and prior knowledge on the structure of the manipulator design analysis. Keywords:servo motor rotate, manipulator grabbing and moving.
机械臂的控制系统设计
目录 前言 (3) 第一章绪论 (4) 1.1课题背景 (4) 1.2机械臂国内外发展现状 (4) 1.3 课题的主要研究内容 (5) 1.4课题的意义 (5) 第二章机械臂的功能分析与方案确定 (7) 2.1 机械臂的功能分析 (7) 2.2 机械臂的总体方案的确定 (7) 2.2.1 机械系统方案的确定 (7) 2.2.2 电气控制系统的设计 (7) 2.3本章小结 (7) 第三章机械臂机械系统设计 (9) 3.1 机械系统分析及器件选择 (9) 3.1.1 步进电机的选择 (9) 3.1.2 步进驱动器的选择 (9) 3.2 机械臂的机械运动设计 (10) 3.2.1确认4自由度机械臂的机械运动方式 (10) 3.2.2运用三维软件Solidworks绘制机械臂的零件图 (10) 3.2.3 运用Solidworks进行零件装配 (11) 3.2.4 运用Solidworks进行仿真 (12) 第四章可编程控制器与触摸屏 (13) 4.1 可编程控制器 (13) 4.1.1概述 (13) 4.2工作原理 (13) 4.2.1硬件组成 (13) 4.2.2 可编程控制器的工作原理 (13) 4.3 可编程控制器的特点 (14) 4.4 可编程控制器的应用及发展前景 (14) 4.5 触摸屏的概述 (14) 4.6 触摸屏的发展及发展趋势 (15) 4.6.1 触摸屏的发展史 (15) 4.6.2 触摸屏的发展趋势 (15) 第五章机械臂控制系统研究 (16)
5.1 控制系统分析及器件的选择 (16) 5.1.1 控制系统分析 (16) 5.1.2 可编程控制器的选择 (16) 5.1.3 触摸屏的选择 (17) 5.2 机械臂控制方案的设计 (18) 5.2.1 确认控制方案并绘制控制系统的结构框图 (18) 5.2.2 机械臂控制原理与I/O端口的分配 (19) 5.2.3 控制系统流程图的设计 (21) 第六章软件控制 (25) 6.1 FX3U系列的PLC指令系统 (25) 6.2 编写PLC程序及其说明 (27) 6.3 GX-Developer编程软件的使用方法 (35) 6.4 Kinco HMIware触摸屏软件的使用方法 (37) 6.5 触摸屏界面设计 (38) 第七章总结 (43) 致谢 (44) 参考文献 (45) 附录1 PLC程序 (46) 附录2 触摸屏界面 (62)