上海交通大学本科毕业论文三轴机械手臂的设计学 生：王修法 学 号： 710940170007专 业： 机械设计制造及其自动化导 师： 胡晔 学校代码： 10248上海交通大学网络教育学院 二零一三九月毕业论文声明本人郑重声明：1、此毕业论文是本人在指导教师指导下独立进行研究取得的成果。除了特别加以标注和致谢的地方外，本文不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。对本文研究做出重要贡献的个人与集体均已在文中作了明确标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。2、本人完全了解学校、学院有关保留、使用学位论文的规定，同意学校与学院保留并向国家有关部门或机构送交此论文的复印件和电子版，允许此文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学网络教育学院可以将此文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本文。3、若在上海交通大学网络教育学院毕业论文审查小组复审中，发现本文有抄袭，一切后果均由本人承担（包括接受毕业论文成绩不及格、缴纳毕业论文重新学习费、不能按时获得毕业证书等），与毕业论文指导老师无关。作者签名：王修法 日期：26.9 2013 三轴机械手臂的设计摘要20世纪中叶之后，生产力已高度发展，已有了高度自动化的机械设备。但由于市场的激烈竞争，只有产品多样化和不断更新换代，才能适应人们更高的现代需要。1961年美国Unimation公司推出第一部实用的工业机器人，由于它适应柔性自动化要求，因而得到了很快的发展。今天的机器人已经广泛应用于工业生产上。机器人的广泛应用，对人类社会的影响决不亚于蒸汽机出现对人类的影响，它极大提高了劳动生产率，提高了产品质量，降低了成本，还极大的减轻了人的劳动强度，改善了劳动条件，所以世界上先进国家都在努力发展机器人技术。1 机器人是先进制造技术和自动化装备的典型代表，是人造机器的“终极”形式。它涉及到机械、电子、自动控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成，因此它的发展与众多学科发展密切相关。一方面，机器人在制造业应用的范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高，功能越来越强，并向着成套技术和装备的方向发展；另一方面，机器人向着非制造业应用发展以及微小型方向发展，并将服务于人类活动的各个领域。2 机械手在工业生产中的应用极为广泛：（1）建造旋转体零件（轴类、盘类、环类）自动线；（2）在实现单机自动化方面；（3）铸、锻、焊、热处理等热加工方面。还有具有感知能力并能对感知的信息作出反应的工业机械手称为智能机械手，它是现代机器人的发展方向。利用机械手或类似机械设备节省人力和实现生产合理化的要求，机械手的应用必将飞跃发展。3智能机器人的开发是机器人应用的全新领域。4 工业机器人是一种提高制造业生产力的工具。它可以承担那些对人类可能有危险的工作。最早的工业机器人就曾用来在核能发电厂中更换核燃料棒。工业机器人也能在装配线上工作，如安装印刷电路板上的电子元器件。这样，人们就可以从这种单调的工作中解脱出来。机器人还能拆除炸弹，为伤残人服务，为我们的社会做各种各样的工作。5目 录 前言2第一章 绪论3 1.1 引言3 1.2 工业机器人的含义及技术概述4 1.3 机器人的组成及分类4 1.4 工业机器人的发展及国内外发展趋势6第二章 工业机器人的设计10 2.1 机器手的设计方法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 机器手的结构设计15 2.2.1 机械手的选择与分析15 2.2.2 机械手的传动部件设计16 2.2.3 机械手的臀部设计17 2.3 三轴伺服驱动机器人机构的特点18第三章 工业机器人的机械系统设计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 三轴伺服驱动机器人机构的运动控制21 3.1.1 机器人的驱动方式21第四章 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25 4.4 导轨的选择33 第五章 结论37致谢38参考文献39 第1章 绪 论1.1引言工业机器人诞生于20世纪60年代,在20世纪90年代得到迅速发展,是最先产业化的机器人技术。它是综合了计算机、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。它的出现是为了适应制造业规模化生产,解决单调、重复的体力劳动和提高生产质量而代替人工作业。在我国,工业机器人的真正使用到现在已经接近20多年了,已经基本实现了试验、引进到自主开发的转变,促进了我国制造业、勘探业等行业的发展。 机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。当代柔性自动化生产的建立和广泛应用，取决于作为科技进步的催化剂的机床制造、机器人技术、计算机技术、微电子技术、仪器制造等技术的加速发展。工业机器人是多品种的经常更换产品的生产过程自动化的通用手段。在机械制造中，工业机器人既有效地用于柔性生产系统组成工艺装备的基本工序中，也有效地用于辅助操作中。工业机器人与传统自动化手段不同之处，首先在于它在各种生产功能上的通用性和重新调整的柔性。在柔性生产系统中，工业机器人广泛应用于数控机床、锻压机床、铸造机械和仓储设备上，以完成传送装备和其它操作。工业机器人和基本工艺装备、辅助手段以及控制装置一起形成各种不同形式的机器人技术综合体柔性生产系统基本结构模块。 机器人是先进制造技术和自动化装备的典型代表，是人造机器的“终极”形式。它涉及到机械、电子、自动控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成，因此它的发展与众多学科发展密切相关。一方面，机器人在制造业应用的范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高，功能越来越强，并向着成套技术和装备的方向发展；另一方面，机器人向着非制造业应用发展以及微小型方向发展，并将服务于人类活动的各个领域。6 在理论上，随着世界经济和技术发展，人类活动领域的不断扩大，机器人应有正迅速向社会生产和生活的各个领域扩展，也从制造领域转向非制造领域，各种各样的机器人产品随之出现。7SA700单轴伺服机械手的设计，不但在技术上可以追踪机器人的发展趋势，而且还可以填补工业机器人的应用的空白，促进我国工业机器人的技术水平的提高和产业化水平的发展。8本次设计是根据对工业三自由度机器人的总体结构及传动系统的分析和探讨，进行三自由度工业机器人的结构设计。关键在于三轴（臂）的传动系统的设计以及整体的结构设计。1.2 工业机器人的含义及技术概述 工业机器人的定义为：一种能够自动定位控制，可重复编程的，多功能的，多自由度的操作机。工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来，机器人技术及其产品发展很快，已成为柔性制造系统(FMS)、自动化工厂(FA)、计算机集成制造系统(CIMS)的自动化工具。 机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序轨迹极其它要求，实现抓取，搬运工件或操做工具的自动化装置。在我国由于大多数工业机器人所执行的工作为模拟人的手臂而工作，因而通常把工业机器人称做操作机械手。 智能机器人是机器人的发展方向，它具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。具有触觉、力觉或简单的视觉的工业机器人，能在较为复杂的环境下工作；如具有识别功能或更进一步增加自适应、自学习功能，即成为智能型工业机器人。它能按照人给的“宏指令”自选或自编程序去适应环境，并自动完成更为复杂的工作。 1.3 工业机器人的组成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。如图1-1所示。目前，具有人工智能系统的工业机器人即智能机器人还处于研究实验阶段。而应用于生产实际的多数是那些具有执行系统、驱动系统和控制系统的工业机器人。 图1-1 机器人的一般组成 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。 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。1.4 工业机器人的发展及国内外发展趋势 一、工业机器人的发展历程 早在1954 年美国乔治德沃尔首次设计出第一台电子程序可编的工业机器人，并于 1961 年发表了该项专利。1962年美国通用汽车公司投入使用，标志着第一代机器人诞生。 从此机器人开始成为人类生活中的现实。 之后日本使工业机器人得到迅速的发展。目前，日本已成为世界上工业机器人产量和拥有量最多的国家。 80 年代，世界上生产技术的高度自动化和集成化，使工业机器人得以进一步发展，并在这个时代起着十分重要的作用。 第一代机器人，一般指工业上大量使用的可编程机器人及遥控操作机。可编程机器人可根据操作人员所编程序完成一些简单重复性作业。遥控操