机械手的结构设计

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第1章前言 1

1.1 机器人概述1

1.2 选题背景与意义3

1.2.1 选题背景3

1.2.2 选题的意义4

1.3 喷涂机械手简介4

1.4 本文内容安排4

1.5 本章小结5

第2章喷涂机器手的总体设计6

2.1 设计要求6

2.2 机械手方案设计6

2.2.1 结构设计6

2.2.2 机械手动力设计8

2.3 机械手整体移动方案8

2.4 本章小结9

第3章喷涂机械手的详细结构10

3.1 机械手手臂结构设计10

3.2 机械手末端执行机构的设计11

3.3 丝杠螺母副及步进电机处结构设计13

3.4 本章小结14

第4章动力进给系统设计16

4.1 传动系统设计16

4.2 滚珠丝杠的选择16

4.2.1 滚珠丝杠精度16

4.2.2 滚珠丝杠选择16

4.3 丝杠支撑的选择18

4.4 电机的选择19

4.5 本章小结22

第5章关键部件的校核24

5.1 丝杠的校核验算24

5.2大小臂静力载荷计算25

5.3本章小结26

结论 28

参考文献29

致谢 31

1 前言

1.1 机器人概述

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”（Industrial Robot）：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。

简而言之，机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。

机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机（Manipulator）。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之

为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。

机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座

周围的一些障碍物等这样一些特点，成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构形式的机器人。

要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构——执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动－传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。一般而言，机器人通常就是由执行机构、驱动－传动系统和控制系统这三部分组成，如图 1-1所示。

图1-1 机器人的一般组成

对于现代智能机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，以及机器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能，机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如图1-2 所示。

图1-2 机器人各组成部分之间的关系

机器人的机械系统主要由执行机构和驱动－传动系统组成。执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动－传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。驱动－传动系统主要包括驱动机构和传动系统。驱动机构提供机器人各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。有的文献则把机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。其中的机械系统又叫操作机(Manipulator)，相当于本文中的执行机构部分。

1.2 选题背景与意义

1.2.1 选题背景

机器人技术是由多学科形成的高新技术，在现代的研究非常活跃，

应用十分广泛。它的研究和发展水平是一个公家工业化水平的重要标志。 喷涂机械手是可进行自动喷漆或喷涂其它涂料的工业机器人。中国研制出集中型号的喷漆机械手并投入使用，取得了良好的经济效果。喷涂机械手主要由机械手本体和控制系统组成，多采用5或6自由度关节式结构，手臂有较大运动空间，并可作复杂的轨迹运动，其腕部一般有2-3个自由度，可灵活运动。较先进的喷涂机械手腕部采用柔性手腕，既可以像各个方向弯曲，又可以转动，其动作类似于人的手腕。喷涂机械手的运动方式可以有液压传动，气动和电动等。液压喷涂机械手的结构多为6轴多关节式，工作空间大，手臂采用油缸驱动，手部采用柔性手腕结构。传动装置重量轻，结构紧凑，惯性小，传递运动均衡平稳，负载变化时较稳定。电动喷涂机械手一般有6个轴，工作空间大，结构简单，惯性小，轨迹精度高。气压传动以空气为介质，来源方便，且用后可直接排入大气而不污染环境。气动元件结构简单，制造容易，对工作环境适应性好，成本低，过载能自动保护。 喷涂机械手在国外是一项比较成熟的技术，已经有四十多年的发展和历史，很早运用该技术的德国的hata公司，美国的fudge公司等。随着机器人技术的不断提高，喷涂机械手的喷涂精度也越来越高。著名的外国喷涂机器人生产厂家有瑞典的ABB公司，日本的安川和德国的KUKA公司，其中ABB公司是目前世界领先的全球喷涂机械手供应商，在喷涂技术领域具有丰富的技术和经验，因此ABB喷涂机械手在全世界被广泛应用。

1.2.2 选题的意义

在解国内外机械手方面的发展趋势的基础上，以典型机械手为模型，为方便清洁高层建筑的玻璃和墙壁，提高工作效率，节省大量劳动力和财力，减轻劳动强度，保证劳动者人身安全，尽可能在有限时间内对更大面积的墙壁和玻璃进行有效清洁。另外，通过对当前典型机械手的改进和学习，可以促进笔者对机械手设计的认识，增加机械手设计方面的知识。

1.3 喷涂机械手简介

传统机器人的机械结构使用串联机构实现,称为串联机器人.串联机构具有结构简单,控制简便,工作空间大等优点。串联式机器人在机械加工行业特别是全动轿车装配生产线上大量采用 ,其技术已经非常成熟。