畢業(yè)設(shè)計工業(yè)機器人組合模塊化系統(tǒng)設(shè)計—三自由度手臂結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計.doc

Tianjin University of Technology and Education畢 業(yè) 設(shè) 計專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 班級學(xué)號： 機自 060341 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 副教授 二一年 六 月天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計工業(yè)機器人組合模塊化系統(tǒng)設(shè)計 三自由度手臂結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計Design of Modular System to an Industrial Robot Three-DOF Arm Module Design專業(yè)班級：機自0603班學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：院 別：機械工程學(xué)院2010 年 6 月摘 要模塊化機器人系統(tǒng)不僅包括模塊化的機械硬件， 而且還包括模塊化電氣硬件、控制算法和軟件。將一個復(fù)雜的系統(tǒng)進行分解，拆分成若干個獨立的模塊，即將各種互相耦合在一起的因素分開，將多因素控制降階為單元素控制，是一種分解過程，也是一種創(chuàng)造過程，這是工業(yè)機器人采用組合式模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個關(guān)鍵步驟。而將分解的模塊再經(jīng)過優(yōu)化組合，特別是通過控制模塊、伺服模塊和執(zhí)行模塊的耦合，最終有機集成為一個系統(tǒng)，這又是一個關(guān)鍵步驟。模塊的合理劃分與重構(gòu)是機器人模塊化設(shè)計的重要研究內(nèi)容。手臂包括手臂伸縮模塊、手臂的回轉(zhuǎn)模塊和定位模塊，實現(xiàn)手臂模塊的三個自由度。關(guān)鍵詞：模塊化；手臂模塊；伸縮位模塊；回轉(zhuǎn)模塊 ABSTRACTThe modular robot system not only includes the modular mechanical hardware, but also includes the modular electricity hardware, the control algorithm and so on. To decompose a complex system and split into several independent modules, that is decomposing a variety of factors and separating the multi-factor control to a single element of control .It is a decomposition process, and also a creative process.This is a key step in the modular structure design of industrial robots. The decomposition of the module will be further optimized combination, in particular coupling the control module, servo module and the implementation of the module, and then integrate into a organic system, which is also a key step. Rational division of the module is a robot modular design and reconstruction of important research. Arm module includes expansion modules, rotary modules and positioning the arm modules, and the modules to achieve three-DOF arm module.Key Words：modular；arm module；expansion module；rotate module目 錄1 緒論11.1工業(yè)機器人簡介11.1.1工業(yè)機器人在生產(chǎn)中的應(yīng)用11.1.2我國的工業(yè)機器人21.2工業(yè)機器人組合式模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計研究21.2.1組合式工業(yè)機器人設(shè)計思路31.2.2工業(yè)機器人組合式模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計41.2.3課題研究的意義82 模塊式工業(yè)機器人的總體設(shè)計92.1 模塊式工業(yè)機器人的任務(wù)和功能要求92.1.1 任務(wù)要求92.1.2 功能要求92.2 各種結(jié)構(gòu)形式的模塊92.3 工業(yè)機器人模塊的選擇112.3.1模塊選擇的原則112.3.2機械模塊的選擇112.4 模塊式工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計123 手臂模塊的具體設(shè)計143.1 手臂模塊的整體設(shè)計143.2 伸縮模塊的設(shè)計143.3 回轉(zhuǎn)模塊153.4 計算與校核174 結(jié) 論24參考文獻25致 謝26英 文27譯 文39561 緒論1.1工業(yè)機器人概述工業(yè)機器人（簡稱IR）是廣泛適用的能夠自主動作，且多軸聯(lián)動的機械設(shè)備。它們在必要情況下配備有傳感器，其動作步驟包括靈活的，轉(zhuǎn)動都是可編程控制的（即在工作過程中，無需任何外力的干預(yù)）。它們通常配備有機械手、刀具或其它可裝配的加工工具，以及能夠執(zhí)行搬運操作與加工制造的任務(wù)。 1.1.1工業(yè)機器人的應(yīng)用工業(yè)機器人在工業(yè)生產(chǎn)中能代替人做某些單調(diào)、頻繁和重復(fù)的長時間作業(yè)，或是危險、惡劣環(huán)境下的作業(yè)，例如在沖壓、壓力鑄造、熱處理、焊接、涂裝、塑料制品成形、機械加工和簡單裝配等工序上，以及在原子能工業(yè)等部門中，完成對人體有害物料的搬運或工藝操作。20世紀(jì)50年代末，美國在機械手和操作機的基礎(chǔ)上，采用伺服機構(gòu)和自動控制等技術(shù)，研制出有通用性的獨立的工業(yè)用自動操作裝置，并將其稱為工業(yè)機器人；60年代初，美國研制成功兩種工業(yè)機器人，并很快地在工業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用；1969年，美國通用汽車公司用21臺工業(yè)機器人組成了焊接轎車車身的自動生產(chǎn)線。此后，各工業(yè)發(fā)達(dá)國家都很重視研制和應(yīng)用工業(yè)機器人。由于工業(yè)機器人具有一定的通用性和適應(yīng)性，能適應(yīng)多品種中、小批量的生產(chǎn)，70年代起，常與數(shù)字控制機床結(jié)合在一起，成為柔性制造單元或柔性制造系統(tǒng)的組成部分。 工業(yè)機器人由主體、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個基本部分組成。主體即機座和執(zhí)行機構(gòu)，包括臂部、腕部和手部，有的機器人還有行走機構(gòu)。大多數(shù)工業(yè)機器人有36個運動自由度，其中腕部通常有13個運動自由度；驅(qū)動系統(tǒng)包括動力裝置和傳動機構(gòu)，用以使執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動作；控制系統(tǒng)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令信號，并進行控制。工業(yè)機器人按臂部的運動形式分為四種。直角坐標(biāo)型的臂部可沿三個直角坐標(biāo)移動；圓柱坐標(biāo)型的臂部可作升降、回轉(zhuǎn)和伸縮動作；球坐標(biāo)型的臂部能回轉(zhuǎn)、俯仰和伸縮；關(guān)節(jié)型的臂部有多個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。工業(yè)機器人按執(zhí)行機構(gòu)運動的控制機能，又可分為點型和連續(xù)軌跡型。點位型只能制執(zhí)行機構(gòu)由一點到另一點的準(zhǔn)確定位，適用于機床上下料、點焊和搬運、裝卸等作業(yè)；連續(xù)軌跡型可控制執(zhí)行機構(gòu)按給定軌跡運動，適用于連續(xù)焊接和涂裝等作業(yè)。工業(yè)機器人按程序輸入方式區(qū)分有編程輸入型和示教輸入型兩類。編程輸入型是將計算機上已編好的作業(yè)程序文件，通過RS232串口或者以太網(wǎng)等通信方式傳送到機器人控制柜。示教輸入型的示教方法有兩種：一種是由操作者用手動控制器(示教操縱盒)，將指令信號傳給驅(qū)動系統(tǒng)，使執(zhí)行機構(gòu)按要求的動作順序和運動軌跡操演一遍；另一種是由操作者直接帶動執(zhí)行機構(gòu)，按要求的動作順序和運動軌跡操演一遍。在示教過程的同時，工作程序的信息即自動存入程序內(nèi)存中在機器人自動工作時，控制系統(tǒng)從程序內(nèi)存中檢出相應(yīng)信息，將指令信號傳給驅(qū)動機構(gòu)，使執(zhí)行機構(gòu)再現(xiàn)示教的各種動作。示教輸入程序的工業(yè)機器人稱為示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人。具有觸覺或簡單的視覺的工業(yè)機器人，能在較為復(fù)雜的環(huán)境下工作；如具有識別功能或更進一步增加自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)功能，即成為智能型工業(yè)機器人。它能按照人給的“宏指令”自選或自編程序去適應(yīng)環(huán)境，并自動完成更為復(fù)雜的工作。 1.1.2我國的工業(yè)機器人我國工業(yè)機器人起步于70年代初期，經(jīng)過20多年的發(fā)展，大致經(jīng)歷了3個階段：70年代的萌芽期，80年代的開發(fā)期和90年代的適用化期。70年代是世界科技發(fā)展的一個里程碑：人類登上了月球，實現(xiàn)了金星、火星的軟著陸。我國也發(fā)射了人造衛(wèi)星。世界上工業(yè)機器人應(yīng)用掀起一個高潮，尤其在日本發(fā)展更為迅猛，它補充了日益短缺的勞動力。在這種背景下，我國于1972年開始研制自己的工業(yè)機器人。進入80年代后，在高技術(shù)浪潮的沖擊下，隨著改革開放的不斷深入，我國機器人技術(shù)的開發(fā)與研究得到了政府的重視與支持?！捌呶濉逼陂g，國家投入資金，對工業(yè)機器人及其零部件進行攻關(guān)，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機器人成套技術(shù)的開發(fā)，研制出了噴涂、點焊、弧焊和搬運機器人。1986年國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）開始實施，智能機器人主題跟蹤世界機器人技術(shù)的前沿，經(jīng)過幾年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特種機器人。從90年代初期起，我國的國民經(jīng)濟進入實現(xiàn)兩個根本轉(zhuǎn)變時期，掀起了新一輪的經(jīng)濟體制改革和技術(shù)進步熱潮，我國的工業(yè)機器人又在實踐中邁進一大步，先后研制出了點焊、弧焊、裝配、噴漆、切割、搬運、包裝碼垛等各種用途的工業(yè)機器人，并實施了一批機器人應(yīng)用工程，形成了一批機器人產(chǎn)業(yè)化基地，為我國機器人產(chǎn)業(yè)的騰飛奠定了基礎(chǔ)。1.2工業(yè)機器人組合式模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計研究工業(yè)機器人自20世紀(jì)60年代問世以來，其研究和開發(fā)在工業(yè)發(fā)達(dá)國家中一直備受青睞。盡管各國對機器人的定義不盡相同，但都有可編程、擬人化、通用性等特點，是一種融機械工程、電子工程、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)等多學(xué)科為一體的高新技術(shù)產(chǎn)品。隨著相關(guān)支撐學(xué)科的長遠(yuǎn)發(fā)展，工業(yè)機器人的研究和開發(fā)正突飛猛進，其應(yīng)用領(lǐng)域進一步擴大。 我國機器人技術(shù)的研究工作起步較晚，雖已取得較大進展，但較之發(fā)達(dá)國家的水平仍有較大距離，應(yīng)積極探索適合我國國情的工業(yè)機器人應(yīng)用思路，開發(fā)低成本、高性價的實用型工業(yè)機器人。 1.2.1組合式工業(yè)機器人設(shè)計思路 目前機器人技術(shù)領(lǐng)域的研究工作從智慧化程度來區(qū)分，主要分2個方向：一是全功能通用機器人的研究，追求高智能化，即在計算機控制下的視、觸、聽、嗅覺與肢體動作協(xié)調(diào)一致、高度擬人化的機器人；二是不過于強調(diào)機器人的智能化，提供價格和性能都能令人滿意的簡易型機器人。根據(jù)我國的實際情況，我們認(rèn)為工業(yè)機器人技術(shù)開發(fā)的思路應(yīng)從以下幾個方面進行考慮： (1)實用性：應(yīng)能開發(fā)出市場急需的、功能實用的、滿足用戶要求的機器人。為此，應(yīng)強調(diào)功能實用性，不片面追求所謂的高科技和全面先進性，先進并不等于實用。 (2)快速性：能夠在盡可能短的時間內(nèi)實現(xiàn)機器人產(chǎn)品的快速制造，快速投放市場和發(fā)往用戶。 (3)高質(zhì)量：能夠生產(chǎn)出質(zhì)量優(yōu)良的機器人產(chǎn)品，機器人配置中關(guān)鍵部件必要時可采用進口產(chǎn)品，只有質(zhì)量好的機器人產(chǎn)品才能贏得用戶。 (4)低價格：價格往往是用戶購置機器人時考慮的首要因素。機器人開發(fā)應(yīng)盡可能選用標(biāo)準(zhǔn)件、通用件，減少自制件，控制成本，能夠向市場提供價格低廉的機器人產(chǎn)品。 (5)模塊化：采用模塊化的設(shè)計理念和配置組合、系統(tǒng)集成的制造思路。 綜上所述，工業(yè)機器人設(shè)計總體技術(shù)原理是：在成組技術(shù)指導(dǎo)下，針對多品種小批量生產(chǎn)的特點，面對生產(chǎn)在線的機臺和單元間的物品移置的工藝要求或是裝配、噴涂等作業(yè)的工藝要求，利用模塊化設(shè)計手段，選擇質(zhì)量優(yōu)良的控制模塊以及執(zhí)行模塊，按一定的坐標(biāo)體系進行集成，實現(xiàn)工業(yè)機器人的快速制造。 其明顯的優(yōu)點在于：(1)簡化了結(jié)構(gòu)，兼顧了使用上的專用性和設(shè)計上的通用性。便于實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和組織專業(yè)生產(chǎn)。(2)縮短了研制周期。能適應(yīng)工廠用戶的急需，在盡可能短的時間內(nèi)，快速制造出功能實用的滿足用戶要求的機器人產(chǎn)品。(3)提高了性能價格比。采用優(yōu)質(zhì)功能部件集成的方式，有利于保證機器人的質(zhì)量和降低成本。(4)具備了充分的柔性。以具備高可靠性的工控機為核心，控制模塊和伺服模塊可根據(jù)機器人及相應(yīng)接口設(shè)備的工作要求，綜合運用步進驅(qū)動技術(shù)、交流伺服控制技術(shù)、微機氣動控制技術(shù)及變頻技術(shù)等，為機器人提供了充分的柔性。 1.2.2工業(yè)機器人組合式模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計 （1）工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)配置方式及分析 圖1-l列出了幾種常規(guī)的工業(yè)機器人配置方式，按不同的坐標(biāo)進行配置可歸納為以下幾種：直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)坐標(biāo)型和平面關(guān)節(jié)型等。無疑，這些配置方式都是經(jīng)過實踐證明為經(jīng)濟可行的方式，也是組合式模塊化工業(yè)機器人坐標(biāo)配置方式設(shè)計時所要借鑒和參照的方式。 通過對常用配置方式(常規(guī)坐標(biāo)型)的機器人的運動分析可看到以下兩點：(1)基本動作可分解為體升降、臂伸縮、體旋轉(zhuǎn)、臂旋轉(zhuǎn)、腕旋轉(zhuǎn)等；(2)基本運動形式可分為直線運動和旋轉(zhuǎn)運動兩類。這啟發(fā)我們在設(shè)計機器人時，可充分利用能夠?qū)崿F(xiàn)直線運動和旋轉(zhuǎn)運動的通用部件(氣、液、電等)來進行功能組合，也就是說可以將經(jīng)過合適選擇的通用部件作為模塊來進行集成。這些部件可以作為一個獨立的基本模塊，也可以將幾個部件組合為一個復(fù)合模塊。顯然，配置方式應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品最終實現(xiàn)的功能要求來確定，同樣，模塊的分解也是基于產(chǎn)品應(yīng)滿足的功能要求下的模塊分解。（2）工業(yè)機器人組合式模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計 對所要設(shè)計的工業(yè)機器人進行功能分析，劃分并設(shè)計出一系列通用的功能模塊，并對這些模塊進行選擇和組合配置，就可以構(gòu)成不同功能，或功能相近但性能不同、價格不同的機器人產(chǎn)品?？梢姡诠I(yè)機器人設(shè)計中，采用組合式、模塊化設(shè)計思路可以很好地解決產(chǎn)品品種、規(guī)格與設(shè)計制造周期和生產(chǎn)成本之間的矛盾。工業(yè)機器人的組合式模塊化設(shè)計也為機器人產(chǎn)品快速更新?lián)Q代、提高產(chǎn)品質(zhì)量、方便維修、增強競爭力提供了條件。隨著敏捷制造時代的到來，模塊化設(shè)計會越來越顯示出其獨到的優(yōu)越性。 （3）模塊的劃分模塊化設(shè)計的原則是力求以盡可能少的模塊組成盡可能多的產(chǎn)品，并在滿足要求的基礎(chǔ)上使產(chǎn)品精度高、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，且模塊結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡單、規(guī)范，模塊間的聯(lián)系盡可能簡單。因此，劃分模塊既要照顧制造管理方便，具有較大的靈活性，避免組合時產(chǎn)生混亂，又要考慮到該模塊系列將來的擴展和向?qū)Ｓ谩⒆冃彤a(chǎn)品的輻射。總的來說，劃分前必須對系統(tǒng)進行仔細(xì)的、系統(tǒng)的功能分析和結(jié)構(gòu)分析，并要注意以下幾點：模塊在整個系統(tǒng)中的作用及其更換的可能性和必要性；保持模塊在功能及結(jié)構(gòu)方面有一定的獨立性和完整性；模塊間的接合要素要便于聯(lián)接與分離；模塊的劃分不能影響系統(tǒng)的主要功能。遵循以上原則，工業(yè)機器人可劃分為以下模塊：關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊、伺服模塊、控制模塊。關(guān)節(jié)模塊。通常由各種電機、集成減速機構(gòu)和控制器等組成，主要包括單自由度關(guān)節(jié)模塊、二自由度關(guān)節(jié)模塊、三自由度關(guān)節(jié)模塊三種。單自由度關(guān)節(jié)模塊又可分為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊和移動關(guān)節(jié)模塊兩種。二自由度和三自由度關(guān)節(jié)模塊可認(rèn)為是對兩種單自由度關(guān)節(jié)模塊的組合，故旋轉(zhuǎn)、移動關(guān)節(jié)模塊可認(rèn)為是最基本最簡單的關(guān)節(jié)模塊。機器人機構(gòu)的研究也正是以這兩種基本關(guān)節(jié)模塊為基礎(chǔ)。對于同一類型關(guān)節(jié)模塊可以配用不同的驅(qū)動機構(gòu)，以適應(yīng)不同運動學(xué)與動力學(xué)的要求。連桿模塊。無自由度連桿模塊僅用于關(guān)節(jié)模塊間的連接。不同長度的連桿模塊由于具有不同方位的標(biāo)準(zhǔn)接口，使得模塊關(guān)節(jié)之間的連接能滿足機器人不同運動學(xué)和動力學(xué)的要求。因此，連桿模塊不但要求簡單可靠，還必須能夠在模塊之間傳遞動力或信息。控制模塊和伺服模塊。工業(yè)機器人的控制模塊主要是指控制器，控制器根據(jù)用戶的指令對機器人本體進行操作和控制。伺服模塊用來控制伺服電機，目前主流的伺服驅(qū)動器均采用數(shù)字信號處理器DSP作為控制核心，其優(yōu)點是可以實現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。把控制模塊、伺服模塊、關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊和傳感器有機地結(jié)合起來，實現(xiàn)整體功能的集成，就形成模塊化工業(yè)機器人。這種集成不僅是機械結(jié)構(gòu)按一定坐標(biāo)系集成，更是在控制模塊、伺服模塊聯(lián)系下的有機集成。只有這樣，形成的整體才稱為模塊化工業(yè)機器人系統(tǒng)。（4）功能模塊的整體集成以功能模塊有機集成為前提的模塊組合。在對各功能模塊分解的基礎(chǔ)上，再將各功能模塊有機集成到一個系統(tǒng)中去，完成功能模塊的整體集成，最終形成工業(yè)機器人系統(tǒng)。從系統(tǒng)工程角度研究其集成，可見集成的組合式工業(yè)機器人系統(tǒng)具有以下屬性： 集合性。組合式工業(yè)機器人系統(tǒng)是由兩個以上具有獨立特性的模塊所構(gòu)成。 相關(guān)性。構(gòu)成系統(tǒng)的模塊之間具有相互聯(lián)系，這意味著其中的一個模塊發(fā)生變化，都會對其他模塊產(chǎn)生影響，因此，要研究各模塊的影響范圍、影響方式和影響程度。 整體性。組合式工業(yè)機器人系統(tǒng)應(yīng)是一個有機的整體，對內(nèi)呈現(xiàn)各模塊間的最優(yōu)組合，使信息流暢、回饋敏捷，對外則呈現(xiàn)出整體特性，要研究系統(tǒng)內(nèi)各模塊發(fā)生變化時對整體特性的影響。目的性。組合式工業(yè)機器人系統(tǒng)是為實現(xiàn)特定的目的而存在，具有一定的功能。集成并不是簡單地將各組成模塊聯(lián)接起來，而是模塊間的有機組合。環(huán)境適應(yīng)性。一般情況下，系統(tǒng)與外部環(huán)境之間總有能量交換、物質(zhì)交換和信息交換。環(huán)境對系統(tǒng)的作用為輸入，系統(tǒng)對環(huán)境的作用為輸出。作為移置機臺或物品的組合式工業(yè)機器人，物品對系統(tǒng)的作用為輸入，系統(tǒng)對物品的作用為輸出。這樣的機器人其工作特性不應(yīng)受環(huán)境的影響，能在環(huán)境對系統(tǒng)的輸入發(fā)生變化時，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，始終使系統(tǒng)處于最佳運行狀態(tài)，實現(xiàn)對相似機臺或物品的移置。執(zhí)行模塊的概念。一個用作實現(xiàn)直線運動或是旋轉(zhuǎn)運動的部件，要成其為“執(zhí)行模塊”，一般情況下必須具備以下基本功能：在伺服模塊傳送的“物質(zhì)流”驅(qū)動下實現(xiàn)動作；以“信息流”方式反映部件自身的位置(速度、壓力)狀態(tài)。具備以上功能，部件才能作為“執(zhí)行模塊”直接參與集成。控制模塊和伺服模塊的研究工業(yè)機器入組合式模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計時是由控制模塊、伺服模塊、執(zhí)行模塊和傳感器有機地結(jié)合起來，以實現(xiàn)整體功能的集成。這里的集成，并不是簡單地將各組成部分迭加，而是在控制模塊控制下，采用數(shù)據(jù)接口的方式，以實現(xiàn)各獨立模塊間的數(shù)據(jù)交換下的有機組合。其集成不僅是機械結(jié)構(gòu)按一定坐標(biāo)體系集成，更是控制模塊、伺服模塊與執(zhí)行模塊間的有機集成。只有這樣，形成的整體才稱其為組合式模塊化工業(yè)機器人系統(tǒng)。圖1所示為工業(yè)機器人組合模塊式設(shè)計系統(tǒng)集成框圖。圖1 工業(yè)機器人組合式模塊化設(shè)計系統(tǒng)集成框圖1.2.3課題研究的意義綜合以上分析可知：集成也是一種創(chuàng)造過程。工業(yè)機器人的組合式模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計研究正是基于模塊基礎(chǔ)上的有機集成(耦合)和集成基礎(chǔ)上的模塊分解(解耦)。在此研究基礎(chǔ)上，開發(fā)了用于轎車中立柱噴膠的氣動機器人，與國外引進可用于噴膠的機器人相比，具有優(yōu)越的性價比。投入生產(chǎn)后，在穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量、減少環(huán)境污染、減輕工人勞動強度等方面取得了明顯的效益。 2 模塊式工業(yè)機器人的總體設(shè)計2.1 模塊式工業(yè)機器人的任務(wù)和功能要求2.1.1 任務(wù)要求模塊式工業(yè)機器人用于機械制造中機械裝配、鍛壓、鑄造及其它形式生產(chǎn)中各種工藝操作自動化。這種機器人可用于機械加工機械（如金屬切削機床）的裝料和卸料、工序之間的傳送裝置和毛坯及零件堆垛、焊接、涂漆、切割、裝配及其它操作等。2.1.2 功能要求根據(jù)總體設(shè)計思路，制定工業(yè)機器人所需要的功能要求如下：（1）移動要求：啟動平穩(wěn)，加速性好；（2）機構(gòu)運動要求：對于機械手的運動應(yīng)平穩(wěn)、柔和，避免突然啟動而產(chǎn)生的沖擊，造成不必要的失誤；（3）機械結(jié)構(gòu)自身要求：機械結(jié)構(gòu)設(shè)計要簡潔，執(zhí)行簡單。以最簡單的機構(gòu)完成最快速的運動。自由度數(shù)為5；（4）承載能力要求：能夠抓取25kg的重物。2.2 各種結(jié)構(gòu)形式的模塊工業(yè)機器人組合模塊設(shè)計的重要步驟是研制標(biāo)準(zhǔn)化得結(jié)構(gòu)模塊（機械模塊、信息檢測模塊和控制模塊）和配套件（驅(qū)動裝置的、傳感器的、程序控制裝置的及其它附屬配件和夾具等）下面列出工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)模塊設(shè)定的符號表。見表2-1、2-2、2-3、2-4所示。工業(yè)機器人基本模塊由操作機的典型機械模塊組成。其中包括：承載系統(tǒng)，完成排列、安裝和定向運動組件及夾持裝置。工業(yè)機器人輔助機械模塊有裝料臺、可換夾持器庫和壓緊裝置及其它用于毛坯和被加工零件的中間存貯和定向，夾持器的更換以及其它輔助功能。由組合模塊構(gòu)成的工業(yè)機器人各種模塊的技術(shù)水平?jīng)Q定于所選擇的驅(qū)動裝置的類型（液壓的、電液的、電動的或氣動的）和程序控制裝置的類型（循環(huán)控制、數(shù)字控制、點位控制或輪廓控制）。表1-1 工業(yè)機器人操作機的結(jié)構(gòu)模塊符號結(jié)構(gòu)模塊形式符號結(jié)構(gòu)模塊形式HO固定基座KM單軌懸臂梁HK固定支柱TC1移動式小車（縱向行走）TN單軌龍門架TC移動式小車（橫向行走）TM單軌小車PB3鉸鏈杠桿式手臂TP軌道式小車KH固定手腕（頭部）CK轉(zhuǎn)臺KH1轉(zhuǎn)動手腕（一個自由度）CK1擺動平臺（具有一個自由度）KH2轉(zhuǎn)動手腕（兩個自由度）CK2擺動平臺（具有兩個自由度）KH3轉(zhuǎn)動手腕（三個自由度）KB垂直行程（提升）小車3Y1單夾持器PB伸縮模塊（具有一個自由度）3Y2雙夾持器PB1伸縮回轉(zhuǎn)手臂（具有兩個自由度）3YB轉(zhuǎn)動式雙夾持器PB2鉸鏈杠桿式手臂（具有兩個連桿）3YC帶橫向偏移的夾持器表2-2 工業(yè)機器人的驅(qū)動模塊符號結(jié)構(gòu)模塊形式符號結(jié)構(gòu)模塊形式TQ可調(diào)液壓驅(qū)動裝置TG直流隨動電驅(qū)動裝置TW可調(diào)氣壓驅(qū)動裝置TJ可調(diào)直流電驅(qū)動裝置TH電液步進驅(qū)動裝置TA可調(diào)交流異步電驅(qū)動裝置TK電液隨動驅(qū)動裝置表2-3 工業(yè)機器人的輔助模塊符號結(jié)構(gòu)模塊形式符號結(jié)構(gòu)模塊形式TC循環(huán)式工作臺TH可換夾持器TR可換夾持器庫TE手臂回轉(zhuǎn)補償機構(gòu)表2-4 工業(yè)機器人程序控制裝置符號結(jié)構(gòu)模塊形式符號結(jié)構(gòu)模塊形式TX循環(huán)程序控制TB標(biāo)準(zhǔn)化循環(huán)程序控制TD點位式數(shù)字程序控制TBD標(biāo)準(zhǔn)化點位式數(shù)字程序控制TS輪廓式數(shù)字程序控制TBL標(biāo)準(zhǔn)化輪廓式數(shù)字程序控制TT通用數(shù)字程序控制2.3 工業(yè)機器人模塊的選擇2.3.1模塊選擇的原則1保證結(jié)構(gòu)上和功能上的獨立；（2）保證設(shè)計的靜態(tài)和動態(tài)特性；（3）具有在不同的位置和組合下與其它模塊構(gòu)成的可能性；（4）聯(lián)接元件、管線和配套件標(biāo)準(zhǔn)化；（5）單獨的或相近規(guī)格尺寸的組裝還有不同類型組件之間的組裝單元標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計的可能性。2.3.2機械模塊的選擇（1）小車模塊 選用單軌小車，能夠?qū)崿F(xiàn)水平方向的運動，實現(xiàn)一個自由度；（2）承載模塊選用單軌龍門架，沒有帶來自由度；（3）轉(zhuǎn)動模塊選用轉(zhuǎn)臺，能夠在垂直面內(nèi)帶動機器人手臂的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)一個自由度；（4）手臂模塊選用伸縮回轉(zhuǎn)手臂，能夠?qū)崿F(xiàn)手臂的伸縮和手臂軸向的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)兩個自由度；（5）手腕模塊選用固定手腕，沒有帶來自由度；（6）夾持模塊選用單夾持器，能夠?qū)崿F(xiàn)一個自由度。綜上所述，本設(shè)計采用的工業(yè)機器人組合形式為TN-TM-CN-PB2-KH-P。配置簡圖和模塊的規(guī)定符號等如表2-5、2-6所示：表2-5 工業(yè)機器人操作機機構(gòu)模塊工業(yè)機器人操作機結(jié)構(gòu)模塊承載系統(tǒng)可移動車架（小車）轉(zhuǎn)動裝置手腕模塊機械手臂執(zhí)行機構(gòu)（夾持器）TNTMCNKHPB2P表2-6 工業(yè)機器人驅(qū)動與控制裝置模塊工業(yè)機器人驅(qū)動裝置模塊工業(yè)機器人程序控制裝置TP可調(diào)液壓驅(qū)動裝置TY 標(biāo)準(zhǔn)化循環(huán)程序控制TF可調(diào)氣壓驅(qū)動裝置TC直流隨動電驅(qū)動裝置2.4 模塊式工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)工業(yè)機器人的任務(wù)和功能要求，制定工業(yè)機器人的總體結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示，技術(shù)特性如表2-7所示。表2-7 模塊化工業(yè)機器人技術(shù)特性承載能力，kg25結(jié)構(gòu)形式TN-TM-CN-PB2-P自由度數(shù)560010003001803600.10.215013590圖2-1 工業(yè)機器人示意圖工業(yè)機器人的機械模塊主要由六部分組成：承載模塊，轉(zhuǎn)動模塊機構(gòu)、手臂模塊機構(gòu)和小車模塊機構(gòu)。以上機構(gòu)原理簡單、控制簡便、重量合理，符合功能的要求。3 手臂模塊的具體設(shè)計本設(shè)計只針對工業(yè)機器人手臂模塊進行設(shè)計。而根據(jù)手臂要實現(xiàn)的自由度和完成的動作要求將設(shè)計內(nèi)容分為三部分：伸縮模塊、回轉(zhuǎn)模塊、定位模塊。本章還將這伸縮和回轉(zhuǎn)模塊的組成和工作方式進行詳細(xì)講解。3.1 手臂模塊的整體設(shè)計根據(jù)手臂要實現(xiàn)的自由度數(shù)要求，手臂的整體設(shè)計如圖3-1所示，伸縮模塊機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)手臂的軸向移動，回轉(zhuǎn)模塊機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)手臂的軸向旋轉(zhuǎn)，通過定位法蘭盤與機器人轉(zhuǎn)動模塊聯(lián)接，實現(xiàn)整個手臂跟著轉(zhuǎn)動模塊一起旋轉(zhuǎn)。從而滿足手臂三個自由度數(shù)的要求。圖3-1 手臂示意圖3.2 伸縮模塊的設(shè)計圖3-2給出了伸縮模塊機構(gòu)圖，它是采用雙作用氣缸驅(qū)動，保證操作機手臂實現(xiàn)行程600mm的往復(fù)運動。氣缸6裝在 1中，空氣活塞桿5與活塞4螺紋聯(lián)接。在活塞桿前端通過導(dǎo)套8固定帶軸承11的法蘭盤9。在軸承上安裝帶法蘭的軸7，在其上用螺母10固定夾持裝置?；ㄦI軸7與固定在套筒16上的襯套15活動聯(lián)接，而套筒16裝在活塞4內(nèi)孔和氣缸6后蓋3的導(dǎo)套18和19中，并與回轉(zhuǎn)機構(gòu)帶花鍵的輸出軸相聯(lián)接。為防止帶活塞4的活塞桿5相對1發(fā)生轉(zhuǎn)動采用拉桿20和21。在拉桿上裝彈簧緩沖器19和21，以減小活塞桿5在行程終點的沖擊。為拉出手臂，受壓空氣通過節(jié)流閥進入氣缸的活塞腔，而其活塞桿腔與大氣相通。這時活塞4移動，同時活塞桿5與軸7一起拉出。為了得到反向運動，壓縮空氣通過反節(jié)流閥進入氣缸的活塞桿腔中，而其活塞腔與大氣相通。（a）(b)圖3-2伸縮模塊3-后蓋；4-活塞；5-活塞桿；6-氣缸；7-花鍵軸；8-導(dǎo)套；9-法蘭；10-螺母；11-雙頭螺柱；12-法蘭；13-軸承；14-螺釘；15-襯套；16-套筒；17-導(dǎo)套；18-導(dǎo)套；19-彈簧緩沖器；20-拉桿；21-拉桿；22-彈簧緩沖器3.3 回轉(zhuǎn)模塊在工業(yè)機器人操作機手臂回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)。見裝備圖第2張，回轉(zhuǎn)機構(gòu)安裝在機體4中，在滾動軸承14上安裝與齒條3相嚙合的出輪17的軸。在齒輪軸17內(nèi)部裝有花鍵軸15，它和伸縮機構(gòu)的套筒相聯(lián)接。在齒條3相應(yīng)地安裝著液壓缸10和氣缸13的活塞11和12，活塞與活塞桿及缸套的連接由U形密封圈2沿帶液壓緩沖器11的活塞6工作表面的方向加以密封。在缸體端蓋8上安裝扳手用方柄小軸7，其花鍵部分嵌入襯套6中，當(dāng)小軸旋轉(zhuǎn)時，襯套就沿螺紋移動。襯套6上開有緩沖器5用的槽。旋轉(zhuǎn)小軸7可以改變套筒6的位置，亦即改變活塞11和12的位移，同時亦即改變操作機手臂轉(zhuǎn)動角。此外，在蓋上8上裝有節(jié)流閥9，在制動時用它在改變速度。在單向閥18是用來向液壓缸10工作腔中供油的，回轉(zhuǎn)機構(gòu)是由氣液轉(zhuǎn)換器驅(qū)動的。向液壓缸10的工作腔中注入油，此時，若向液壓缸一個工作腔注入油，則液壓缸相應(yīng)的另一個腔與排油端相連。在活塞11之一產(chǎn)生壓力時，活塞由一端極限位置移到另一端，同時實現(xiàn)軸15的轉(zhuǎn)動。此時，另一缸的活塞6被強制推到擋塊上進入襯套14中。當(dāng)緩沖器5進入襯套6的孔中時，就逐步遮住縫隙，從而實現(xiàn)整個機構(gòu)的制動。在另一個工作腔注入油時，軸15則換向轉(zhuǎn)動。在活塞12中產(chǎn)生作用力時，氣缸13是用來在齒輪齒條傳動中自動選擇間隙。為此，氣缸13的工作腔彼此之間與從管路來的空氣內(nèi)存始終相連（見圖3-3所示的驅(qū)動原理圖）。圖3-3驅(qū)動原理圖3.4 計算與校核計算與校核軸輪傳動，傳動功率P=0.5kW,轉(zhuǎn)速n=25r/min ，齒輪45#，調(diào)制處理硬度240MPa, 360MPa,軸上齒輪的齒數(shù)Z=37，模數(shù)m=2,計算步驟如表3-1:計算項目計算內(nèi)容計算結(jié)果1.計算齒輪受力齒輪直徑轉(zhuǎn)矩T圓周力徑向力畫齒輪受力圖見圖3-42.計算支承反力水平面反力垂直面反力見圖3-5水平面受力圖見圖3-63.畫彎矩圖水平面彎矩圖見圖3-7垂直面彎矩圖見圖3-8合成彎矩圖見圖3-9，合成彎矩 4.畫軸轉(zhuǎn)矩圖表3-1 軸的計算與校核續(xù)表計算項目計算內(nèi)容計算結(jié)果軸受轉(zhuǎn)矩T=191000N轉(zhuǎn)矩圖見圖3-105許用應(yīng)力許用應(yīng)力值由文獻9表16.3查得：=230MPa,=135MPa應(yīng)力校正系數(shù)=0.596.畫當(dāng)量轉(zhuǎn)矩當(dāng)量轉(zhuǎn)矩,見圖3-11當(dāng)量彎矩在左邊鍵中間截面上當(dāng)量彎矩圖見圖3-127.校核直徑齒根圓直徑軸徑23.3268.判斷危險截面初步判斷截面有較大的應(yīng)力和應(yīng)力集中，下面以截面進行安全系數(shù)的校核。續(xù)表計算項目計算內(nèi)容計算內(nèi)容對稱循環(huán)疲勞極限軸的材料選用45鋼調(diào)質(zhì)，由文獻11可求得疲勞極限：脈動循環(huán)疲勞極限等效系數(shù)9.截面上的應(yīng)力彎矩彎曲應(yīng)力幅彎曲平均應(yīng)力扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力幅和平均切應(yīng)力10.應(yīng)力集中系數(shù)續(xù)表計算項目計算內(nèi)容計算結(jié)果有效應(yīng)力集中系數(shù)應(yīng)在此截面處，有軸直徑變化，過渡倒角c=2mm,由D/d=32/27=1.19,c/d=2/27=0.074和，由文獻9附錄表1查得： 如果一個截面上有多種產(chǎn)生應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)，則分別求出其有效應(yīng)力集中系數(shù)，從中取最大值表面狀態(tài)系數(shù)由文獻9附錄表5得：尺寸系數(shù)由文獻9附錄表6得查得：11.安全系數(shù)彎曲安全系數(shù)設(shè)為無限壽命，扭轉(zhuǎn)安全系數(shù)復(fù)合安全系數(shù) S=2.73圖3-4 軸結(jié)構(gòu)圖圖3-5 軸受力圖圖3-6 水平面（XY平面）受力圖圖3-7 水平面彎矩圖圖3-8 垂直面（XZ平面）受力圖圖3-9 垂直面彎矩圖圖3-10 合成彎矩圖圖3-11 轉(zhuǎn)矩圖圖3-12 當(dāng)量彎矩圖4 結(jié) 論本論文使用了一種新型模塊化工業(yè)機器人的構(gòu)建方法，對模塊化工業(yè)機器人的模塊結(jié)構(gòu)、整體構(gòu)型分析進行了系統(tǒng)的研究，主要進行了一下三個方面的工作：(1)根據(jù)模塊化設(shè)計的一般原理和設(shè)計方法，分析了國內(nèi)外己有的工業(yè)機器人的特點，對模塊化工業(yè)機器人進行了模塊劃分，設(shè)計了機械轉(zhuǎn)動功能模塊，并對其機械轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)進行了全面的設(shè)計，同時對模塊的結(jié)構(gòu)、性能、強度等方面進行了分析和校核。利用這些模塊可以快速實現(xiàn)模塊化工業(yè)機器人的構(gòu)建。(2)根據(jù)模塊化工業(yè)機器人的自由度數(shù)量不同和構(gòu)型特點，對所構(gòu)建的模塊化工業(yè)機器人進行分析，設(shè)計出了工業(yè)機器人整體的結(jié)構(gòu)圖(3)根據(jù)功能要求設(shè)計出了模塊的結(jié)構(gòu)圖，手臂模塊由伸縮模塊、回轉(zhuǎn)模塊、定位模塊三部分組成。參考文獻1張建民.工業(yè)機器人.北京：北京理工大學(xué)出版社，19882蔡自興.機器人原理及其應(yīng)用.湖南：中南工業(yè)大學(xué)出版社，19883孫迪生.機器人控制技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社，19974馬香峰.機器人機構(gòu)學(xué).北京：機械工業(yè)出版社，19915付京遜.機器人學(xué).北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，19886諸靜.機器人與控制技術(shù).浙江：浙江大學(xué)出版社，19917蔡自興.機器人原理及其應(yīng)用.湖南：中南工業(yè)大學(xué)出版社,19888吳廣玉.機器人工程導(dǎo)論.黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,19889邱宣懷、吳宗澤等.機械設(shè)計.北京：高等教育出版社，200710劉文劍.工業(yè)機器人設(shè)計與應(yīng)用.北京：國防工業(yè)出版社，198911吳宗澤.機械零件設(shè)計手冊.北京：機械工業(yè)出版社，199412張伯鵬.機器人工程基礎(chǔ).北京：機械工業(yè)出版社，198914費仁元.機器人機械設(shè)計和分析.北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，199813加藤一郞.機械手圖冊.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，197915日本機器人學(xué)會.機器人技術(shù)手冊.北京：科學(xué)出版社，200716丹尼斯(美).機器人設(shè)計與控制.北京：科學(xué)出版社，2004致 謝三個月的畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)接近尾聲，各項工作也進入了最后的修改和完善！雖然畢業(yè)設(shè)計進行的時間并不長，但它卻是對我在大學(xué)期間所學(xué)知識的考驗和挑戰(zhàn)。雖然我對自己所掌握的知識有一定的信心，但是在這次設(shè)計過程中還是看到了自己很多的不足，需要進一步學(xué)習(xí)來加彌補。在完成設(shè)計的過程中，遇到了各種各樣自己難以解決的問題，認(rèn)識到了自己知識的缺憾，從而影響了工作的順利進行，所以我每次都及時向我的指導(dǎo)老師王仲民老師請教，王老師犧牲了他業(yè)余的時間向我耐心地解答，經(jīng)過老師細(xì)心地指導(dǎo)，這些問題也得到了圓滿的解決，沒有對我的工作造成任何的影響，在此我對王老師表示我衷心地感謝。王老師，您辛苦了！在四年的大學(xué)學(xué)習(xí)過程中，我所學(xué)的機械設(shè)計、機械原理、材料力學(xué)、理論力學(xué)等課程，都在這次設(shè)計過程中得到了一定的應(yīng)用，對以前理解含糊不清的問題，現(xiàn)在也徹底掌握了，同時我也學(xué)會了思考問題要全面性，不能以偏概全，其次考慮問題要有深度性，最后把握問題的重點，弄清問題的脈絡(luò)，所有的問題都將迎韌而解。在解決實際問題的過程中，學(xué)習(xí)新知識，獲取新信息，充實了自己的知識！對于實際的課題，設(shè)計用戶具體，設(shè)計方案明確，很大程度上地激發(fā)了我們參與實際設(shè)計任務(wù)的積極性和創(chuàng)造性！通過這次畢業(yè)設(shè)計，我們考慮問題比以前全面的很多，對待問題也嚴(yán)謹(jǐn)了很多，也鍛煉了自己解決實際問題的能力，這些是我獲得的最大的收獲！最后，向在四年大學(xué)期間所有教授過我們的老師表示衷心的感謝！同時再次感謝王仲民老師，謝謝您！ 英 文Indirect Power Transfer DevicesAs mentioned in Chapter One, electric motors suffer from a problem that must be solved if they are to be used in robots. They turn too fast with too little torque to be very effective for many robot applications, and if slowed down to a useable speed by a motor speed controller their efficiency drops, sometimes drastically. Stepper motors are the least prone to this problem, but even they loose some system efficiency at very low speeds. Steppers are also less volumetrically efficient, they require special drive electronics, and do not run as smoothly as simple permanent magnet (PMDC) motors. The solution to the torque problem is to attach the motor to some system that changes the high speed/low torque on the motor output shaft into the low speed/high torque required for most applications in mobile robots. Fortunately, there are many mechanisms that perform this transformation of speed to torque. Some attach directly to the motor and essentially make it a bigger and heavier but more effective motor. Others require separate shafts and mounts between the motor and the output shaft; and still others directly couple the motor to the output shaft, deal with any misalignment, and exchange speed for torque all in one mechanism.Power transfer mechanisms are normally divided into five general categories:1. Belts (flat, round, V-belts, timing)2. Chain (roller, ladder, and timing)3. plastic-and-cable chain (bead, ladder, pinned)4. Friction drives5. Gears (spur helical, bevel, worm, rack and pinion, and many others)Some of these, like V-belts and friction drives, can be used to provide the further benefit of mechanically varying the output speed. This ability is not usually required on a mobile robot, indeed it can cause control problems in certain cases because the computer does not have direct control over the actual speed of the output shaft. Other power transfer devices like timing belts, plastic-and-cable chain, and all types of steel chain connect the input to the output mechanically by means of teeth just like gears. These devices could all be called synchronous because they keep the input and output shafts in synch, but roller chain is usually left out of this category because the rollers allow some relative motion between the chain and the sprocket. The term synchronous is usually applied only to toothed belts which fit on their sprockets much tighter than roller chain.For power transfer methods that require attaching one shaft to another, like motor-mounted gearboxes driving a separate output shaft, a method to deal with misalignment and vibration should be incorporated. This is done with shaft couplers and flexible drives. In some cases where shock loads might be high, a method of protecting against overloading and breaking the power transfer mechanism should be included. This is done with torque limiters and clutches.Lets take a look at each method. Well start with mechanisms that transfer power between shafts that are not inline, and then look at couplers and torque limiters. Each section has a short discussion on how well that method applies to mobile robots.BELTSBelts are available in at least 4 major variations and many smaller variations.They can be used at power levels from fractional horsep