数控机床上下料机器人结构设计开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1目的及意义 21 世纪以来，机器人已经成为现代工业中不可缺少的重要工具。机器人是最具代表性的现代多种高新技术的综合体，它可从某种角度折射出一个国家的科技水平和综合国力。自从上世纪 60 年代第一台工业机器人问世以来，机器人的种类已经从最初的操作手逐渐衍生出各类机器人，并且深入到人类生活的方方面面[1-6]。数控机床上下料机器人具有速度快、柔性高、效能高、精度高、无污染等优点，是一种非常成熟的机械加工辅助手段，是发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的一个重要组成部分，把数控车床和机器人共同构成一个柔性制造系统和柔性制造单元，可以节省庞大的工件输送装置，结构简单，而且适应性强[7-12]。1.2国内外现状分析

• 国内现状

近十年以来，在“十五”、“十一五”攻关计划和863计划等科技计划的支持下，我国有组织、有计划地发展工业机器人产业，通过研制、生产、应用等多个层面的不断探索，在技术攻关和设计水平上有了长足的进步。总的来看，已经掌握了工业机器人的设计、制造、应用过程中的多项关键技术，能够生产出部分机器人关键元器件，开发出弧焊、点焊、码垛、装配、搬运、注塑、冲压、喷漆等工业机器人。一些相关科研机构和企业已掌握了工业机器人操作机的优化设计制造技术；工业机器人控制、驱动系统的硬件设计技术。一些产品的技术水平已达到国际先进水平，但在总体技术上还有很大差距，仅相当于国外90年代中期的水平[5]。

• 国外现状

在发达国家中，工业机器人自动化生产线成套设备已成为自动化装备的主流。国外汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业已经大量使用工业机器人自动化生产线，以保证产品质量，提高生产效率，同时避免了大量的工伤事故。目前，日本、意大利、德国、欧盟、美国等国家产业工人人均拥有工业机器人数量位于世界前列，全球诸多国家近半个世纪的工业机器人的使用实践表明，工业机器人的普及是实现自动化生产，提高社会生产效率，推动企业和社会生产力发展的有效手段[5]。

• 发展趋势

1) 提高工作速度和运动精度，减少自身重量和占地面积。

2）加快机器人部件的标准化和模块化，将各种功能机械模块与控制模块、检测 模块组合成 机构和用途不同的机器人。

3) 采用新型结构，如微动机构、多关节手臂等，以适应各种工作需要。

4) 研制各种传感器检测装置，如视觉、触觉、听觉和测距传感器等，来获取 有关工作对象和外部环境信息，使其具有模式识别的能力。5) 利用人工智能的推理和决策技术，是机器人具有问题求解、动作规划等功 能[1]。

总的来说，大体是两个方向：其一是机器人的智能化，柔性化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，满足相对具体的任务的工业机器人，主要采用性价比高的模块，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容及目标:

数控机床上下料机器人的技术参数为：

1.夹持器承载能力：5kg；

2.X或Z最大线位移：150mm；

3.最大角位移：A=90°,B=120°,C=180°；

4.角位移速度范围：136-120°/s；

5.线位移速度范围：0.008-0.5m/s；

6.手臂最大伸程：650mm；

7.夹持力：350-550N；

8.自由度4-6个。

研究内容

1、圆柱坐标机器人各部分机械结构和功能进行分析,拟定整体方案；

2、根据选定的自由度和技术参数选择合适的手爪、手腕、手臂、机身的结构；

3、各部件的设计计算、图纸绘制、三维建模及装配

2.2技术方案

2.2.1总体方案

根据所给数据，结合实际生产情况，上下料机器人的在生产中的初步布局如图1所示

图1 机器人工作布局图

机器人主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等组成。

各个系统之间的相互关系如方框图2所示[15]。

在满足系统工艺要求的前提下，应尽量简化结构，提高可靠度。机器人为数控车床上下料服务，初步拟定自由度数为4个，分别为①手腕的回转，②手臂的伸缩，③手臂上下方向的移动和④基座的旋转运动。机器人结构简图如下

图3 机器人结构简图

2.2.2执行机构的设计

1.手部的设计

手部是直接与工件接触的部分，一般是回转型或者平动型。手部是用来抓取工件的部件，根据被抓取工件的形状、尺寸、重量、材料和抓取要求面有多种结构形式，如夹持式、托持式和吸附式等，其中最常用的是夹持式与吸附式。在本设计中主要是对棒状料的夹取，所以手部采用夹持式。手指设计为V型结构，采用滑槽杠杆回转型手部。

2.腕部的设计 腕部是连接手部和臂部的部件。起到支撑和改变手部位置的作用，可以扩大机器人的动作范围，使机器人更灵巧，适应性更强，手腕具有独立的自由度，通常具有回转运动,左右摆动,上下摆动等几种运动。一般腕部设有回转运动再加一个上下摆动即可满足工作需求。本设计主要针对车床的上下料,在满足所需功能的基础上应尽量采用简化结构,本设计采用绕Y轴转动的单自由度腕部。初步采用同步带实现腕部的旋转。

图5 手腕的自由度

3.臂部的设计

臂部是机器人的重要支撑部件，它的作用是将被抓取的工件运送到给定的位置。一般机器人的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降。手臂的回转和升降是通过机座的立柱来实现的。按手臂的运动形式来分，手臂有直线运动，如手臂的伸缩、升降及横向移动；有回转的，如左右回转、上下摆动等；有复合运动的，如直线运动和回转运动的组合[19]。

本次设计中，手臂的运动为伸缩运动，结构上采用丝杆螺母结构。

4.机身的设计

机器人的基座可分为固式和行走式两种。本次设计为车床的上下料，所以基座应选择固定式。

2.2.3驱动与传动的选择

1.驱动的选择

驱动装置是机器人各关节运行起来的传动装置。机器人的驱动方式一般有三种：液压、气动、电动[19]。

本次设计中主要用到了气动与电动驱动，初步设计为：手臂的旋转和伸缩、腕部的回转和机身的升降采用电机驱动，手部的夹取采用气压驱动。

2.传动的选择

工业机器人的传动装置除齿轮传动、蜗杆传动、链传动外，还常用滚珠丝杠、谐波齿轮、钢带等[19]。

本次设计传动初步选择为：机身的旋转选择用齿轮传动，手臂的伸缩及机身的升降选择丝杠螺母传动，腕部的回转采用同步带传动，

3. 研究计划与安排

1-3周	1-2周 完成开题报告 2-3周 完成外文翻译
4-10周	4-9周 机器人的手爪、手腕、手臂、机身等各部分机械结构行 设计，数据计算 9-10周 运用SolidWorks对各部件进行建模及装配
11-12周	工程图纸绘制
13-14周	撰写毕业设计论文说明书及修订
15-16周	论文答辩

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 周骥平，林岗.机械制造自动化技术[m].2版.北京：机械工业出版社，2007

[2] 何敏佳，江文明，黄江.一种适用于数控机床上下料的工业机器人[j].机电工程技术，2015(8)；45-48.