工业机器人相关知识：从绪论到机械系统设计全解析

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    - 第 1 页 - 目录 前言 2 第一章简介 3 1.1 简介 3 1.2 工业机器人的含义及技术概述 4 1.3 机器人的构成和分类 4 1.4 工业机器人的发展及国内外发展趋势 6 第二章 设计工业机器人的设计方法 10 2.1 机器人手的设计方法 102.1.1 机器人手的选型与分析 102.1.2 笛卡尔坐标系的设计方法坐标机器人 11 2.2 机器人手的结构设计 152.2.1 机器人手的选型与分析 152.2.2 机器人手传​​动部件的设计 162.2.3 机器人手髋部的设计 17 2.3 SC900三的特点三轴伺服驱动机器人机构 18 第三章工业机器人机械系统设计 19 3.1 工业机器人运动系统分析193.1.1 机器人运动概述 19 3.2 SC900 三轴伺服驱动机器人机构的运动控制 213.1.1 机器人的驱动方式 21 第 4 章 SC900 三轴伺服驱动机器人典型部件设计 22 4.1 伺服选型电机 22 4.2 减速机选型 24 4.3 齿轮齿条选型 254.4 导轨选型 33 第 5 章结论 37 致谢 38 参考文献 39 附件：SC900 三轴伺服驱动机器人机构总装图 附件：SC900 三轴伺服驱动机器人机构零件图 附件：毕业论文光盘资料 前言 20 中后世纪以来，生产力得到了高度发展。 ，已拥有高度自动化的机械设备。

    但由于市场竞争激烈，只有产品多元化、不断升级换代才能满足人们更高的现代化需求。 1961年，美国一家公司推出了第一台实用的工业机器人。由于它适应了柔性自动化的要求，因此发展迅速。如今的机器人已广泛应用于工业生产中。机器人的广泛应用对人类社会的影响不亚于蒸汽机的出现对人类的影响。它极大地提高了劳动生产率，提高了产品质量，降低了成本，大大降低了人类的劳动强度，改善了劳动条件，因此世界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”形态。它涉及机械、电子、自动控制、计算机、人工智能、传感器、通信和网络等多个学科和领域。它是各种高新技术发展成果的综合集成，因此它的发展与许多学科的发展密切相关。一方面，机器人在制造业的应用范围越来越广，其标准化、模块化、网络化、智能化程度越来越高，功能越来越强，正在向智能化方向发展。成套技术装备方向；另一方面，机器人正在向非制造应用和微观尺度发展，将服务于人类活动的各个领域。 [2] 机器人广泛应用于工业生产：（1）构建旋转部件（轴、盘、环）的自动线； (2)实现单机自动化； (3)铸造、锻造、焊接、热处理等热加工方面。

    还有一种工业机械手具有对感知信息进行感知和响应的能力，称为智能机械手，这是现代机器人的发展方向。满足使用机械手或类似机械设备节省人力、实现生产合理化的要求，机械手的应用必将得到长足发展。 [3]智能机器人的发展是机器人应用的新领域。 [4]工业机器人是提高制造生产力的工具。它可以承担对人类可能危险的工作。最早的工业机器人被用来更换核电站的核燃料棒。工业机器人还可以在装配线上工作，例如在印刷电路板上安装电子元件。这样，人们就可以从这种单调的工作中解脱出来。机器人还可以拆除炸弹、为残疾人服务以及为我们的社会做各种工作。 [5] 引言 1.1 引言 工业机器人诞生于20世纪60年代，并在20世纪90年代迅速发展。它们是第一个工业化的机器人技术。它是综合计算机、控制论、机构学、信息与传感技术、人工智能、仿生学等学科而形成的高新技术。这是一个当代研究非常活跃且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、重复性的体力劳动，提高生产质量，以替代手工作业。在我国，工业机器人的实际应用已经接近20多年。基本实现了从试验引进到自主开发的转变，促进了我国制造、勘探等行业的发展。

    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，机器人广泛应用于自动化生产线。机器人的研制和生产已成为高科技界迅速发展的新兴技术。进一步推动了机器人的发展，使得机器人能够更好地实现与机械化、自动化的有机结合。目前机械手虽然不如人手灵活，但具有能重复工作、劳动而不疲劳、不怕危险的特点，其抓取重物的力量也比人手更大。因此，机械手受到了许多部门的重视，并越来越受到人们的欢迎。使用更广泛。当代柔性自动化生产的建立和广泛应用，有赖于机床制造、机器人技术、计算机技术、微电子、仪器仪表制造等技术的加速发展，作为科技进步的催化剂。工业机器人是多种频繁更换产品的生产过程自动化的通用手段。在机械制造中，工业机器人不仅有效地运用在柔性生产系统组成的工艺装备的基本工序中，而且还有效地运用在辅助作业中。工业机器人与传统自动化手段的区别首先在于其各种生产功能的通用性和调整的灵活性。在柔性生产系统中，工业机器人广泛应用于数控机床、锻造机床、铸造机械和仓储设备中，完成输送设备等作业。工业机器人与基础工艺装备、辅助手段和控制装置共同构成多种形式的机器人技术综合体——柔性生产系统的基本结构模块。

    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”形态。它涉及机械、电子、自动控制、计算机、人工智能、传感器、通信和网络等多个学科和领域。它是各种高新技术发展成果的综合集成，因此它的发展与许多学科的发展密切相关。一方面，机器人在制造业的应用范围越来越广，其标准化、模块化、网络化、智能化程度越来越高，功能越来越强，正在向智能化方向发展。成套技术装备方向；另一方面，机器人正在向非制造应用和微观尺度发展，将服务于人类活动的各个领域。 [6]从理论上讲，随着世界经济技术的发展和人类活动领域的不断拓展，机器人应该迅速扩展到社会生产生活的各个领域，也从制造领域向非制造领域迈进。各种机器人产品随之应运而生。 [7]SA700单轴伺服机械手的设计不仅可以在技术上跟踪机器人的发展趋势，而且可以填补工业机器人应用领域的空白，促进我国工业技术水平和产业化水平的提高。机器人。 [8]本设计是在对工业三自由度机器人整体结构和传动系统进行分析和讨论的基础上，进行三自由度工业机器人的结构设计。关键在于三轴（臂）传动系统的设计和整体结构设计。 1.2工业机器人的含义及技术概述工业机器人的定义是：能够自动定位和控制、可重复编程、多功能、多自由度的机械手。

    工业机器人是现代制造业中重要的自动化装备，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。自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迅速发展，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。机械手是一种能够模拟人手臂部分动作，按照预定的程序轨迹等要求实现抓取、搬运工件或操作工具的自动化装置。在我国，由于工业机器人执行的大部分工作都是模拟人手臂的工作，因此通常将工业机器人称为操作机械手。智能机器人是机器人的发展方向。它们拥有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置。具有触觉、力或简单视觉的工业机器人可以在更复杂的环境中工作；如果具有识别功能或进一步增加自适应和自学习功能，则成为智能工业机器人。它可以根据人类给出的“宏指令”进行自我选择或自行编程，以适应环境并自动完成更复杂的任务。 1.3工业机器人的构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，带有人工智能系统的工业机器人，即智能机器人，还处于研究和实验阶段。实际生产中使用的工业机器人大多是具有执行系统、驱动系统和控制系统的工业机器人。

    图1-1 机器人的总体组成。机器人要像人一样拾取东西，最简单的基本条件就是拥有一套由手指、手腕、手臂、关节等组成的抓取和移动机构——执行器；就像像肌肉一样移动手臂的驱动传输系统；像大脑一样指挥手部动作的控制系统。这些系统的性能决定了机器人的性能。对于现代智能机器人来说，它们还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置。目前的研究重点是为机器人提供能够识别物体并避开障碍物的“眼睛”，以及机器人的触觉设备。机器人的这些组件不是独立的，或者说它们不是简单地加在一起形成机器人。为了实现机器人所期望的功能，机器人各部分之间必须存在相互联系、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 机器人各部件之间的关系。机器人的机械系统主要由执行器和驱动传动系统组成。执行器是机器人完成工作任务所依赖的实体。通常由连杆和接头组成。它由驱动传动系统提供动力，根据控制系统的要求完成工作任务。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的动力，传动系统将驱动力转换为所需的驱动力或扭矩，以满足机器人各关节的扭矩和运动要求。有文献将机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三部分。

    机械系统又称为操作机（），相当于本文中的执行机构部分。 1.4 国内外工业机器人的发展及发展趋势 1、工业机器人的发展历史 早在1954年，美国的 首先设计出了第一台电子可编程工业机器人，并于1961年公布了专利。 1962年被美国通用汽车公司投入使用，标志着第一代机器人的诞生。从此，机器人在人类生活中成为现实。此后，日本迅速发展工业机器人。目前，日本已成为全球工业机器人产量和保有量最多的国家。 20世纪80年代，世界生产技术的高度自动化和集成化，使得工业机器人得到进一步发展，在这个时代发挥了非常重要的作用。第一代机器人一般是指工业上广泛应用的可编程机器人和遥控操作机。可编程机器人可以根据操作者编写的程序完成一些简单的重复性任务。遥控操作机构的每一步都必须由操作者来完成。 1982年，美国通用汽车公司在装配线上为机器人配备了视觉系统，从而宣告了第二代机器人——感知机器人的问世。这一代机器人带有外部传感器，可以离线编程。在传感系统的支持下，可以具有不同程度感知环境并自行修正程序的功能。第三代机器人是自主机器人，各国正在研制和发展。它不仅具有感知功能，还具有一定的决策和规划能力。

    能够根据人类命令或环境做出决策和计划行动的能力称为任务编程。我国机器人研究起步较晚。 “七五”以来，国家投入资金研究工业机器及其零部件，完成了成套教学型、可复制型工业机器人技术的研制开发。 1986年，实施国家高技术研究发展计划。智能机器人主题追踪世界机器人技术前沿。经过几年的研究，取得了大量的科研成果，成功研制了一批特种机器人。我国工业机器人起步于20世纪70年代初。经过20多年的发展，它们大致经历了三个阶段：20世纪70年代的萌芽期、1980年代的发展期和1990年代的适用期。 20世纪70年代是世界科技发展的里程碑：人类登上月球，实现金星和火星软着陆。我国也发射了人造卫星。工业机器人的应用在世界范围内掀起了高潮，尤其是在日本，发展更为迅速。它补充了日益稀缺的劳动力。在此背景下，我国于1972年开始研制自己的工业机器人。进入20世纪80年代后，在高科技浪潮的冲击下以及随着改革开放的深入，我国机器人技术的发展和研究得到了政府的重视和支持。 “七五”期间，国家投入资金研究工业机器人及其零部件，完成了成套教学型、可复制型工业机器人技术开发，开发了喷涂、点焊、弧焊、搬运机器人。 1986年，实施国家高技术研究发展计划（863计划）。智能机器人主题紧跟世界机器人技术前沿。经过几年的研究，取得了大量的科研成果，成功研制了一批特种机器人。

    20世纪90年代初以来，我国国民经济进入实现两次根本性转变的时期，掀起了新一轮经济体制改革和技术进步。我国工业机器人在实践中又向前迈进了一大步，相继开发了一些焊接、弧焊、装配、喷漆、切割、运输、包装码垛等多种用途的工业机器人，并实施了多项机器人应用项目，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业基地的腾飞奠定了基础。我国工业机器人在“七五”、“九五”和863计划的支持下取得了长足发展。工业机器人市场也已趋于成熟，其应用已遍及各行各业。尽管我国工业机器人产业不断进步，但与国际同行相比差距仍然明显。就市场占有率而言，更是无可比拟。我们尚未掌握工业机器人的多项核心技术，这是影响我国机器人产业发展的重要瓶颈。我国工业机器人技术未来发展重点是：一是危险恶劣环境下工作的机器人：主要是防暴、高压和电气化清洁、行星探测、油气管道等机器人；二是医疗机器人：主要是脑外科辅助机器人、遥控操作辅助正骨等；三是仿生机器人：主要是移动机器人、网络遥控操作机器人等，其发展趋势是智能化、低成本、高可靠性、易集成。 2、工业机器人在工业生产中的应用工业机器人在工业生产中可以代替人做一些单调、频繁、重复性的长期作业，或者危险、恶劣环境下的作业，如冲压、压铸、热处理、焊接等。 、涂装、塑料制品成型、机械加工、金属制品工业和简单装配等工序，以及在原子能工业等部门完成对人体有害的物质的输送或工艺作业。

    在日本、美国、西欧等一些工业发达国家，工业机器人的使用越来越多。 3、工业机器人在其他领域的应用随着科学技术的发展，机器人的功能和性能不断完善和提高。机器人的应用领域日益扩大。其应用范围不仅限于工业，还用于农业、林业、交通运输等领域。在交通运输业、原子能工业、医疗保健、福利、海洋和深空探索等行业。 4、工业机器人发展趋势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。它涉及机械、电子、自动控制、计算机、人工智能、传感器、通信和网络等多个学科和领域。它是各种高新技术发展成果的综合集成，因此它的发展与许多学科的发展密切相关。当今工业机器人的主要发展趋势是：（1）工业机器人的性能不断提高（高速、高精度、高可靠性、易操作和维护），而单机价格不断下降。 (2)机械结构向模块化、可重构方向发展。例如，将关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统集成化；重组关节模块和连杆模块来构造机器人。 (3)工业机器人控制系统正向基于PC的开放式控制器发展，有利于标准化和网络化；设备集成度提高，控制柜越来越小，并采用模块化结构，大大提高了系统的可靠性和操作简便性。性能和可维护性。

    (4)传感器在机器人中的作用越来越重要。除了位置、速度、加速度等传统传感器外，视觉、力、声音、触觉等多传感器融合技术已经成熟应用于产品化系统中。 （五）机器人机械开始兴起。自1994年美国研制出“虚拟轴机床”以来，这一新装置已成为国际研究的热点之一，许多人都在探索和探讨其实际应用领域。总体趋势是从狭义的机器人概念向广义的机器人概念转变，从工业机器人产业向解决方案业务的机器人产业转变。机器人技术的内涵已成为灵活应用机器人技术、具有实际动作功能的智能系统。机器人结构越来越灵活，控制系统越来越小，其智能化程度越来越高，并向集成化方向发展。五、我国工业机器人发展面临的挑战与前景自20世纪60年代人类创造出第一台工业机器人以来，机器人就表现出了强大的生命力。经过40年的快速发展，在工业发达国家，机器人已广泛应用于汽车工业、机械加工工业、电子电气工业、橡塑工业、食品工业、物流、制造等多个领域。尽管如此，我国工业机器人产业化仍存在巨大问题。除了诸多历史原因造成制造水平低下之外，对于工业机器人产业的理解和定位也存在不同的看法。一是我国基础零部件制造能力较差。

    我国在相关零部件方面虽然有一定基础，但在质量、产品系列全面度、供货批量等方面与国外还有较大差距。尤其是在高性能交流伺服电机和精密减速机方面差距尤为明显，导致关键零部件依赖进口，影响了我国机器人的价格竞争力。其次，中国机器人尚未形成自己的品牌。虽然目前已有多家企业从事机器人研发，但尚未形成规模，在市场上缺乏品牌认知度。在机器人市场，他们一直面临着国外机器人品牌的压力。作为一个成熟的产业，国外机器人通过降低整机价格吸引国内企业采购的策略逐渐占领中国市场，而后续的维护和备件成本却非常高。第三，国家对工业机器人产品的认识不够，鼓励政策较少。工业机器人的制造和应用水平代表了一个国家的制造业水平。我们必须从国家高度认识发展中国工业机器人产业的重要性。这是我国从制造大国向制造强国转变的重要手段和途径。第二章 工业机器人的设计 机器人的应用领域十分广泛，包括建筑、医疗、采矿、核能、农业、畜牧渔业、航空航天、水下作业、消防、环卫、教育、娱乐、办公、家庭等。 、军工等、工业在我国，机器人主要应用于危险、有毒、有害的工作环境和对产品质量要求较高（超洁净、均质）的重复性作业，如焊接、喷涂卸料、插件、爆炸等- 证明等

    2.1 机械手的设计方法 机械手是一种能够模拟人手臂部分动作，按照预定的程序轨迹等要求实现抓取、搬运工件或操作工具的自动化装置。在我国，由于工业机器人执行的大部分工作都是模拟人手臂的工作，因此通常将工业机器人称为操作机械手。机械手的特点：（1）对环境的适应性强，可以代替人从事危险、有害的工作。在长期工作对人体有害的场所，机械手不会受到影响。只要根据工作环境进行合理设计，选择合适的材料和结构，机械手就可以在异常高低温、异常压力、有害气体、粉尘、辐射等条件下运行。能够在压力下工作，也能在冲压、灭火等危险环境下工作。 (2)机械手坚固耐用，吃苦耐劳，可以将人从繁重、单调的劳动中解放出来，并且可以扩展和延伸人的功能。 (3)由于机械手动作准确，可以稳定和提高产品的质量，同时可以避免人为操作失误。 （4）机器人的特点是通过工业机器人的使用，具有通用性和灵活性，能够很好地适应产品的不断变化，满足柔性生产的需要。 2.1.1机械手的选择与分析。为实现机器人末端执行器在空间中的位置而提供的三个自由度可以有不同的运动组合。通常可以设计成柱坐标、直角坐标、球坐标。有型式、接头式、平面接头式五种形式。

    直角坐标型 直角坐标型机器人，其运动部分由三条互相垂直的直线组成，其工作空间为长方体，其各轴向的移动距离可在坐标轴上直接读取，直观性强，易于操作。位置和姿态的编程计算，定位精度高，结构简单，但机体占用空间大，灵活性差。根据本次设计的要求，三个轴能够同时模拟操作者的移除动作，并且能够沿着规定的路径连续移动，因此选择了直角坐标类型。 2.1.2 直角坐标机器人的设计方法 （1）直角坐标机器人的概念：在工业应用中，可以实现自动控制、可重复可编程、多功能、多自由度、运动自由度，构建空间直角关系和多台操作机。他可以移动物体并操作工具来完成各种任务。机器人的定义随着科学技术的不断发展而不断完善。作为机器人的一种，直角坐标机器人的含义也在不断完善。图2-2 典型的直角坐标机器人 (2) 直角坐标机器人的特点： 1．具有自由度运动，每个运动自由度之间的空间夹角为直角； 2． 2.自动控制，可重复编程，所有动作均按程序进行； 3、一般由控制系统、驱动系统、机械系统、操作工具等组成。 4、灵活、多功能，根据操作工具不同，功能也不同。 5、高可靠性、高速度、高精度。 6、可在恶劣环境下使用，可长时间工作，操作维护方便。

    (3)直角坐标机器人的应用：由于终端操作工具的不同，直角坐标机器人可以非常方便地用作各种自动化设备，完成焊接、搬运、装卸、包装、码垛、卸垛、检验等任务。探伤。 、分类、组装、贴标签、编码、喷码、（软仿形）喷涂、目标跟随、排爆等一系列任务。特别适合多品种、多批次的灵活作业。对稳定提高产品质量、提高劳动生产率、改善劳动条件和快速产品更新换代具有十分重要的作用。图2-3随着笛卡尔坐标机器人的应用变得越来越广泛，笛卡尔坐标机器人的应用，笛卡尔坐标机器人的设计变得越来越重要。笛卡尔坐标机器人的成功设计涉及工作的许多方面，包括机械结构，动力驱动，伺服控制等。（4）机器人设计的特征：1。机器人设计是一项复杂的任务，具有较大的工作量，涉及很多知识，通常需要多个人完成。 2。机器人设计是面向客户的设计，而不是在闭门后面完成的。设计人员需要经常与用户一起，不断分析用户需求并寻求解决方案。 3。机器人设计是针对处理的设计。无论设计多么出色，如果工厂无法处理产品，设计都会失败。设计师需要掌握大量的处理技术和处理方法。 4。机器人设计是一个持续改进的过程。 （5）机器人设计过程：1。使用分析要求：每个机器人都是根据特定要求设计的。设计的第一步是清楚地分析使用要求并确定在设计过程中需要考虑的参数。包括：机器人定位精度，重复定位精度；机器人的负载大小和负载特性；机器人运动的自由度，每种自由度的运动中风；机器人的工作周期或运动速度，加速度和减速特征；机器人的运动轨迹，动作的相关性；机器人的工作环境和安装方法；机器人的工作时间和运营生活；其他特殊要求； 2。机械模型的初始结构：机器人可以大致分为龙门结构，壁挂结构和机械结构的悬挂结构。根据安装空间的要求选择不同的结构。每个结构的机械性能和每个结构的运动特性都不同。

    随后的设计必须基于定义的结构。图2-4机器人运动性能计算的基本结构图：与此性能相关的参数是：平均速度：v = s/t最大速度：vmax =在加速/减速时：a = f/m，其中：s是：s是运动中风T是定位运动时间F，加速度M期间的驱动力，运动对象的质量和4。机械特性分析。机器人由许多定位单元组成，必须分析每个定位系统。需要分析的项目如下：图2-5机械分析图水平推力fx正压fz侧压力fymx，my，mz5，机械强度检查：必须检查每个定位单元和每个光束，尤其是双 - 尤其是双 - 结束支撑梁和悬臂。 1）挠度和变形计算图2-6挠度和变形图F：负载（n）；