1、i摘 要机器人是一种集机械、电子、传感技术、控制技术等多种现代技术于一体的机电一体化产品。进入 80 年代，随着自动化生产流水线以及柔性生产系统（FMS ）和柔性自动化（FA）在工业生产中的大量应用，机器人发挥着越来越重要的作用。机器人的特点是能在自动控制下通过编程完成目标操作或移动作业；机器人的构造和性能体现了人和机器各自的优点，特别是体现了人的智能和适应性以及机器的作业准确性和在各种环境中完成作业的能力。综观机器人发展的历史和高新技术的发展趋势，可以断言，机器人必将成为现代化工业发展中不可缺少的必备工具。本文设计了一种关节式机器人，具有六个自由度，其中手腕关节具有三个自由度，其它的关节各具
2、有一个自由度，各个关节采用电机驱动。本设计主要介绍关于机器人的一些基本常识和原理，包括机器人的组成、分类和主要技术性能参数并参考通用型机器人的结构，进行六自由度弧焊机器人的结构设计和其计算机控制系统的设计。本设计从实际情况出发，对机器人的机构可行方案进行了充分论证，用 Pro/Engineer 和 AutoCAD 等软件设计出了机器人本体结构。关键词: 六自由度；弧焊机器人；控制系统iiABSTRACTThe robot is the mechanical-electrical production which is composed of the technique of mechanica
3、l、 electrical、sensor 、control. Coming the 80 age, with the application of the automatic manufacture pipelining、 flexible manufacture system and flexible automation, the robot will exert the profound influence on this. A characteristic of the robot is its ability to complete object manipulation or mo
4、ving task through programming under the auto-control. The constitution and performance of the robot embody each quality of the man and robot, especially the mans intelligence and applicability as well as the veracity of the robots task and the ability of completing task under each environment.A join
5、t type robot was designed in this paperIt had six degrees of freedomThe wrist had three degrees of freedom and the other joints had three degrees of freedomThe painting robots joints were driven by motorsThis scheme introduced some basic information and theory of the robots. It is included that the
6、composition of the robot, the group of the robot, and the main capability of technology. It consulted the structure of the common robot to design the structure and computer control system of six degrees of freedom robot. After demonstrating the feasibility of robot mechanics, the article have design
7、ed the robots entity structure with Pro/engineer and AutoCAD and otherwise software from the matter of fact.KEYWORDS：Six degrees of freedom；Arc welding robot ；Control system iii目 录摘 要 .IAbstract .II第 1 章 绪 论 .11.1 机器人的定义及特点 .11.2 机器人基本组成及技术参数 .11.2.1 机器人的基本组成 .11.2.2 机器人技术参数 .21.3 机器人的分类及应用 .31.3.1
8、机器人的分类 .31.3.2 机器人的应用领域及优点 .4第 2 章 机器人的总体设计 .62.1 基本参数的确定 .62.2 机器人主体结构设计 .62.3 手臂配置形式 .72.4 位置检测装置的选择 .72.5 驱动与控制方式选择 .7第 3 章 结构运动学简图 .8第 4 章 操作机转动机构 .94.1 操作机结构方案的对比分析及选择 .94.2 电机的选择 .94.3 蜗轮蜗杆设计 .104.3.1 选择材料及精度等级 .104.3.2 确定主要参数 .104.3.3 强度校核 .124.3.4 润滑 .134.4 齿轮设计 .134.4.1 齿面接触疲劳强度计算 .144.4.2
9、齿根弯曲疲劳强度验算 .164.5 轴及轴承设计 .184.5.1 蜗杆轴及蜗轮轴设计 .184.5.2 蜗杆轴及蜗轮轴校核 .194.5.2.1 蜗杆轴校核 .19iv4.5.3 齿轮轴设计与校核 .264.5.3.1 设计 .264.5.2.2 蜗轮轴校核 .264.5.4 轴承设计与校核 .294.4.2.1 蜗杆轴轴承 .294.4.2.2 蜗轮轴轴承 .324.4.2.2 齿轮轴轴承 .324.5.4 键设计 .324.5.5 联轴器设计 .33第 5 章 操作机提升机构 .345.1 传动方案的分析与选择 .345.1.1 综述 .345.1.2 螺旋传动 .345.2 电机选择
10、.345.3 螺旋传动设计 .355.3.1 选材 .355.3.2 结构设计 .355.3.3 压杆稳定性核算 .365.3.4 刚度的验算 .365.3.5 联轴器设计 .37第 6 章 手臂伸缩机构 .386.1 传动方案的分析与选择 .386.1.1 综述 .386.1.2 螺旋传动 .386.2 电机选择 .386.3 螺旋传动设计 .386.3.1 选材 .386.3.2 结构设计 .396.3.3 压杆稳定性核算 .406.3.4 刚度的验算 .406.4 带传动设计 .41第 7 章 手腕转动机构 .44结 论 .45致 谢 .46v参考文献 .476第 1 章 绪论“机器人”
11、(Robot)是 1920 年捷克作家卡雷尔卡佩克发表的科幻剧本 罗萨姆的万能机器人中塑造的形象。剧中，罗萨姆公司把机器人作为人类生产的工业产品推向市场，让它去充当劳动力，以呆板的方式从事繁重的劳动。后来，罗萨姆公司使机器人具有了感情，在工厂和家务劳动中，机器人成了必不可少的成员。在剧本中，卡佩克把捷克语“ Robota ”(农奴) 写成了“Robot“( 机器人)。这也是人类社会首次使用“机器人”这一概念。1987 年国际标准化组织对机器人进行了定义:“机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。 ”我国科学家对机器人的定义是:“机器人是一种自动化的机器，所不同的
12、是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器” 。宋健教授 1999 年 7 月 5 日在国际自动控制联合会第 14 届大会报告中所指出的：“机器人学的进步和应用是本世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义上的自动化。 ” 机器人技术的出现与发展，不但使传统的工业生产面貌发生根本性的变化，而且将对人类的社会生活产生深远的影响。科学的进步与技术的创新，为机器人的研究与应用开辟了广阔的思路与空间。本次设计是对六自由度弧焊机器人的二维设计，该设计是机械设计研究所的一项科研项目。我所做的设计是在老师及其他同学的帮助下，同过运
13、用 CAD 软件来完成。结合所学的本专业的机械基础知识，针对六自由度弧焊机器人的特点及功能要求进行研究，在指导老师的帮助下进行对该机械产品的设计，这对我们是一种很好的锻炼机会，而且也是对我们专业知识的检验。我们可以找到自己的缺点和不足，并充实自己的知识。1.1 机器人的概念机器人是一个在三维空间中具有较多自由度，并能实现较多拟人动作和功能的机器，而机器人则是在工业生产上应用的机器人。美国机器人工业协会提出的机器人定义为：“机器人是一种可重复编程和多功能的，用来搬运材料、零件、7工具的操作机” 。英国和日本机器人协会也采用了类似的定义。我国的国家标准GB/T12643-90 将机器人定义为：“机
14、器人是一种能自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业” 。而将操作机定义为：“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置” 。机器人系统一般由操作机、驱动单元、控制装置和为使机器人进行作业而要求的外部设备组成。1.1.1 操作机操作机是机器人完成作业的实体，它具有和人手臂相似的动作功能。通常由下列部分组成：（1）末端执行器又称手部 是机器人直接执行工作的装置，并可设置夹持器、工具、传感器等，是机器人直接与工作对象接触以完成作业的机构。（2）手腕 是支承和调整末端执行器姿态的部件，主要用来确定和改变末端执行器的
15、方位和扩大手臂的动作范围，一般有 23 个回转自由度以调整末端执行器的姿态。有些专用机器人可以没有手腕而直接将末端执行器安装在手臂的端部。（3）手臂 它由机器人的动力关节和连接杆件等构成，是用于支承和调整手腕和末端执行器位置的部件。手臂有时包括肘关节和肩关节，即手臂与手臂间。手臂与机座间用关节连接，因而扩大了末端执行器姿态的变化范围和运动范围。（4）机座 有时称为立柱，是机器人机构中相对固定并承受相应的力的基础部件。可分固定式和移动式两类。1.1.2 驱动单元它是由驱动器、检测单元等组成的部件，是用来为操作机各部件提供动力和运动的装置。1.1.3 控制装置它是由人对机器人的启动、停机及示教进行
16、操作的一种装置，它指挥机器人8按规定的要求动作。1.1.4 人工智能系统它由两部分组成，一部分是感觉系统，另一部分为决策规划智能系统。 1.2 机器人的研究发展现状机器人有 50 至 60 年的发展历史。1959 年美国的发明家英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台机器人，机器人第一次出现在人们的视野中。英格伯格在大学时攻读的伺服电机理论，伺服电机理论是一种研究机构如何能更好地跟踪控制信号的理论。德沃尔于 1946 年发明了一种可以“重演”记录的运动的机器。德沃尔又于 1954 年获得可编程机械手专利，这种机械手臂能够按程序进行工作，同时也可以根据不同的工作需要以及工作对象编制不同的控制程序，因此
17、在实际工作中具有很好通用性和灵活性。英格伯格和德沃尔都是研究机器人的著名发明家，他们都认为汽车工业是最适于用机器人的行业，因为汽车制造行业是用重型机器进行工作的，而且生产过程比较固定。英格伯格和德沃尔又于 1959 年联手制造出第一台机器人。这种机器人外形类似于坦克炮塔，基座上安装有一个大机械臂，大臂可绕轴在基座上转动，大臂的末端又可以伸出一个小机械臂，它相对大臂可以做伸缩运动。小臂的末端装有一个手腕，可绕小臂的轴线旋转。手腕的末端装有机械手。这台机器人成为世界上第一台真正可以用于实际工作的机器人。此后英格伯格和德沃尔成立了尤尼梅逊公司，进而创办了世界上第一家机器人制造工厂。他们因此被称为机器
18、人之父。1962 年美国机械与铸造公司也制造出机器人，称为“沃尔萨特兰”，意思是“万能搬动”。这两家公司制造的机器人成为了世界上最早的而且至今仍在使用的机器人。近六十年来机器人的发展史，大致经历了三个重要的阶段。第一阶段为简单个体类机器人， 第二阶段为群体劳动类机器人，第三阶段为类似人类的智能机器人。机器人发展是向着有知觉、有思维、能与人对话的方向发展的。9到了二十世纪九十年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术的迅速发展，机器人技术也有了质的飞跃。除了机器人的性能不断提高之外，各种各样的用于其他行业的机器人也有了巨大的进展。机器人的发展非常迅速，下面对几个重要的研究的方向做简单的介绍。机器
19、人操作机：通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，机器人操作机已实现了优化设计。并联机器人：主体采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量及加工，这是机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础。控制系统：控制系统的性能进一步提高，已由过去控制标准的 6 轴机器人发展到现在能够控制 21 轴甚至 27 轴，并且实现了软件伺服和全数字控制。传感系统：激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到成功应用，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。网络通信功能：日本 YASKA
20、WA 和德国 KUKA 公司的最新机器人控制器已实现了与 Canbus、Profibus 总线及一些网络的联接，使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展。由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器人系统的可靠性有了很大提高。先进机器人的发展也异常迅速。近年来，人类的活动领域不断扩大，机器人应用也从制造领域向非制造领域发展。下面就几个研究热点做一简单的介绍。水下机器人：目前主要用于海洋石油开采、海底勘查、落水人员救捞、管道铺以及电缆的铺设和维护。主要有有缆水下机器人和无缆水下机器人两大类。空间机器人：空间机器人技术一直是机器人的重要
21、研究领域。目前美、俄、加拿大等国已研制出各种空间机器人。如美国 NASA 的空间机器人等。美国NASA 的空间机器人是一辆自主移动车，重量为 11.5kg，外型尺寸 630 48mm，有 6 个车轮，它在火星探测上的成功应用，引起了全球范围内的广泛关注。10核工业用机器人：国外的研究方向主要集中在机构灵巧、动作准确可靠、响应速度快、重量轻、刚度和强度良好、装有便于装卸与维修的高性能伺服机械手以及能半自主和自主移动到任意位置。地下机器人：地下机器人主要有挖掘机器人和地下管道检修机器人两大类。目前日、美、德等发达国家已研制出了用于石油、天然气输送管道检修的地下机器人。各种挖掘机器人以及自动化系统也
22、正在研制当中。医用机器人：主要用于医疗外科手术的规划与仿真、机器人辅助外科手术、最小损伤外科、临场感外科手术等。建筑机器人：如用于高层建筑的抹灰机器人、预制件安装机器人、室内装修机器人、地面抛光机器人、用于擦玻璃的机器人等，并已经应用于实际生活中。军用机器人：近年来，英、美、法、德等国已研究出的二代军用智能机器人。其特点采用自主控制方式，能完成侦查、作战和后勤支援等任务，在战场上具有、嗅和触摸等能力，能够自动跟踪地形和选择道路，并且具有自动搜索、识别和消灭敌方目标的功能。可以预见，在 21 世纪各种先进的机器人系统将会进入人类生活的各个领域。1.3 机器人发展趋势 目前国际上各国都在加大机器人
23、的研究力度，进行机器人共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展。研究内容主要有以下 10 个方面：1、机器人的操作机结构的优化设计技术：探索新的高强度轻质材料，进一步增强负载/自重比。向着模块化、可重构的方向发展。2、机器人控制技术：重点研究开放式和模块化控制系统，人机界面更加清楚明朗，语言、图形编程界面还正在研制当中。机器人控制器向着标准化和网络化的方向发展，基于 PC 机网络式的控制器已成为当今世界研究的热点。对于编程技术，除了进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点。3、多传感系统：为进一步提高机器人的智能性和适应性，多种传感器的使用是这个问题解决的关键。其研究热点在于研制出有效可行的多传感器融合算
