运城学院 设计说明书
机器人工作站
学
院： 运城学院 团队名称：TENGFEI
专
业：机械设计制造及其自动化
团队成员： 任晓圆 张志凯 指导教师： 王新海
设计说明时间：二О一四年九月二十一日～十月三十一日
摘要
机器人工作站是当今世界工业发展潮流的方向与我国工业发展水平相结合的产物，在自动化生产逐渐普及的今天，能够为我国的工业自动化生产做出重大贡献的机器人工作站就出现了，该工作站由工业机器人和自动化流水线两大部分组成，可以实现360度全方位立体式工作。工业机器人通过精确地抓取零件，再通过高精度传感器的配合，将零件在加工台和流水线之间进行转移，克服手工操作的枯燥以及多目的地转移的危险，既降低了人力成本有提高了工作效率。 关键词：智能机器人
Abstract Mobile robot workstation is the world\'s industrial development trend direction with the combination of the level of industrial development in our country, the growing popularity of the automated production today, will be able to make a significant contribution for our country\'s industrial automation production in mobile robot workstation, the workstation consists of two most industrial robots and automated aembly line, can achieve 360 - degree vertical work.Industrial robot by scraping parts accurately, and then by high precision sensor, moving parts between the JiaGongTai and aembly line, to overcome the manual operation of boring and multi-destination transfer risk, is not only reduced labor costs to improve the working efficiency.
Keywords: intelligent mobile robot
目录
第一章绪论.......................................................................................................................................1
1.1 智能机器人的行业发展前景 ...........................................................................................1 1.2 流水线行业的发展前景 ...................................................................................................1 1.3 本文主要研究的内容 .......................................................................................................1 第二章机器人工作站简介 ...............................................................................................................2
2.1 机器人机械设计的特点 ...................................................................................................2 2.2 与机器人有关的概念 .......................................................................................................2 2.3 方案设计 ...........................................................................................................................3 2.3.1 机器人设计方案要求 ...................................................................................................3 2.3.2机器人方案结构设计与分析 ........................................................................................4 2.4流水线方案设计与介绍 ....................................................................................................5 第三章有限元分析 ...........................................................................................................................7 材料属性...........................................................................................................................................8 第四章总结.......................................................................................................................................9 4.1 设计特色 ...................................................................................................................................9
4.2 总结 ...................................................................................................................................9 4.3心得体会 ............................................................................................................................9 参考文献 .................................................................................................................................10
1第一章 绪论
1.1 智能机器人的行业发展前景
工业机器人是由传动机构、驱动结构以及夹具等部分组成。工业机器人可以通过底座，大臂、小臂和夹具的配合实现对流水线上的工件的夹取。从而实现工件在流水线和物料箱之间的转移。它可以大大的提高工作效率，提高工作的精确度，降低物料的损耗实现高效工作。随着我国制定机器人在2020年普及到工厂的计划，工业机器人必将迎来一个发展的春天，这将极大的提升我国工业化的水平。
1.2 流水线行业的发展前景
在社会快速发展、竞争激烈的今天，提高生产效率，降低生产工艺成本，最大限度的满足生产要求将直接决定各企业工厂能否紧跟社会脚步，赢得时间，占领市场甚至将决定企业的生死存亡。为此，企业生产自动化无疑扮演着重要的角色，装配流水线自动化作为工业自动化的一部分，能提高生产效率，降低工艺流程成本，最大限度的适应产品变化，提高产品质量，它是现代化生产控制系统中的重要组成部分。
1.3马大测试的发展前景
随着智能手机在全世界范围内的普及，智能手机已经成为了人们日常生活中必不可少的一个组成部分，而手机中的马达质量的好坏也就成为了人们对某一品牌的手机的质量好坏的重要的评价标准，所以对于手机中的马达的检测也就显得十分重要。
1.4 本文主要研究的内容
本文主要以工业机器人、马达测试工站和自动化流水线为对象进行研究，分析其结构 ，结合其工作原理，设计出新的自动化机器，并采用电器控制，结合实际生产，来完成相应的工作。同时，本文还研究本机器的运动情况及受力情况。以及效率问题等生产时遇到的问题。最重要的是研究其加工流程，以便实现其规定功能，并按实际情况进行分析。
第二章 马达自动化测试工作站简介
2.1 方案功能设计与分析
方案一 采用风车型马达测试箱布局
该方案占地面积小，可以充分利用车间的空间，但是技术要求高、成本高 方案二采用左右对称式马达测试箱布局 该方案占地面积大，可以放置的测试站数量少，不能充分利用工业机器人的高自由度的优点，效率比较低
方案三 采用环形阵列型马达测试箱分布
该方案占地面积小，可以充分利用工业机械手的高自由度的优势，效率高 经过对测试站的分布和工厂车间本身可用空间的分析，以及生产商对于设备成本的要求，我们觉定采用第三种设计方案。该方案可以充分利用工厂的空间，减少占地面积，还可以
2.2 与机器人有关的概念
以下是本文中涉及到的一些与机器人技术有关的概念。
1.自由度：工业机器人一般都为多关节的空间机构，其运动副通常有移动副和转动副两种。相应地，以转动副相连的关节称为转动关节。以移动副相连的关节称为移动关节。在这些关节中，单独驱动的关节称为主动关节。主动关节的数目称为机器人的自由度。 2.机器人的分类
机器人分类方法有多种。
(1) 按机器人的控制方法的不同，可分为点位控制型（PTP），连续轨迹控制型（CP）：（a）点位控制型（Point to Point Control ）：机器人受控运动方式为自一个点位目标向另一个点位目标移动，只在目标点上完成操作。例如:机器人在进行点焊时的轨迹控制。
（b）连续轨迹控制型（Continuous Path Control ）：机器人各关节同时做受控运动，使机器人末端执行器按预期轨迹和速度运动，为此各关节控制系统需要获得驱动机的角位移和角速度信号，如机器人进行焊缝为曲线的弧焊作业时的轨迹控制。
(2) 按机器人的结构分类，可分为四类：
（a）直角坐标型：该型机器人前三个关节为移动关节，运动方向垂直，其控制方案与数控机床类似，各关节之间没有耦合，不会产生奇异状态，刚性好、精度高。缺点是占地面积大、工作空间小。
（b）圆柱坐标型：该型机器人前三个关节为两个移动关节和一个转动关节，以q, r, z为坐标，位置函数为P = f (q, r, z) ,其中，r 是手臂径向长度，z 是垂直方向的位移，q 是手臂绕垂直轴的角位移。这种形式的机器人占用空间小，结构简单。
2（c）球坐标型：具有两个转动关节和一个移动关节。以q,f, y 为坐标，位置函数为P = f (q ,f, y)，该型机器人的优点是灵活性好，占地面积小，但刚度、精度较差。
（d）关节坐标型：有垂直关节型和水平关节型（SCARA 型）机器人。前三个关节都是回转关节，特点是动作灵活，工作空间大、占地面积小，缺点是刚度和精度较差。
(3) 按驱动方式分类：
按驱动方式可分为：（a）气压驱动；（b）液压驱动；（c）电气驱动。电气驱动是 20 世纪90 年代后机器人系统应用最多的驱动方式。它有结构简单、易于控制、使用方便、运动精度高、驱动效率高、不污染环境等优点。 (4) 按用途分类：
可分为搬运机器人、喷涂机器人、焊接机器人、装配机器人、切削加工机器人和特种用途机器人等。
2.3 方案设计
2.3.1 机器人设计方案要求
如前所述，该机器人用于制造车间物流系统中工件的搬运、装夹和日常生活中的持物、看护等。能够固定在移动装置（如AGV）上，以实现灵活移动。要求动作灵活，工作范围大，被夹持物应具有多种姿态，自由度6个，结构紧凑，重量轻。采用电动机驱动。
手腕回转速度
V腕回 = 40°/s 手臂伸缩速度
V臂伸 = 50 mm/s 手臂回转速度
V臂回 = 40°/s 手臂升降速度
V臂升 = 50 mm/s 立柱水平运动速度
V柱移 = 50 mm/s 手指夹紧油缸的运动速度
V夹 = 50 mm/s 2.3.2 方案功能设计与分析
a 机器人自由度的分配和手臂手腕的构形
手臂是执行机构中的主要运动部件，它用来支承腕关节和末端执行器，并使它们能在空间运动。为了使手部能达到工作空间的任意位置，手臂一般至少有三个自由度，少数专用的工业机器人手臂自由度少于三个。手臂的结构形式有多种，常用的构形如图2-1。
本课题要求机器人手臂能达到工作空间的任意位置和姿态，同时要结构简单，容易控制。综合考虑后确定该机器人具有四个自由度，其中手臂两个自由度。由于在同样的体积条件下，非关节型机器人比关节型机器人有大得多的相对空间（手腕可达到的最大空间体积与机器人本体外壳体积之比）和绝对工作空间，结构紧凑，同时关节型机器人的动作和轨迹更灵活，因此该型机器人采用非关节型机器人的结构。
32.3.2机器人方案结构设计与分析
各部件组成和功能描述如下： (1) 底座部件：
底座部件包括底座、回转部件、传动部件和步进电机等。底座部件固定在流水线上，支持整个操作机，步进电机固定在底座上，一级同步带传动将运动传递到腰部回转轴，同时起到减速作用。 (2) 腰部回转部件：
腰部回转部件包括腰部支架、回转轴、支架等。作用是支承大臂部件，并完成腰部回转运动。在腰部支架上固定着驱动大臂和小臂的电机。 (3) 大臂部件：包括大臂和传动部件。
(4) 小臂部件：包括小臂、减速齿轮箱、传动部件、传动轴等，在小 臂前端（靠近大臂的一端）固定驱动手腕运动的步进电机 (5) 手腕部件：包括手腕壳体和传动轴、机械接口等 (6) 末端执行器： 为抓取不同形状、不同材质的物体，末端执行器设计得开合范围比较大，为0～30mm。考虑在指尖的平面上贴传感器片，进行力的控制。手爪采用电机驱动，平行开合机构。
手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安装于机械手手臂的前端。机械手结构型式不象人手，它的手指形状也不象人的手指、，它没有手掌，只有自身的运动将物体包住，因此，手部结构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的形状，尺寸，重量，材质以及被抓取部位等的不同而设计各种类型的手部结构，它一般可分为钳爪式，气吸式，电磁式和其他型式。钳爪式手部结构由手指和传力机构组成。其传力机构形式比较多，如滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式……等，这里采用滑槽杠杆式。 设计时应考虑的几个问题 ①应具有足够的握力（即夹紧力）
在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。 ②手指间应有一定的开闭角
两个手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角保证工件能顺利进入或脱开。若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。 ③应保证工件的准确定位
为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带‘V’形面的手指，以便自动定心。 ④应具有足够的强度和刚度
手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求具有足够的强度和刚度以防止折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻。 ⑤应考虑被抓取对象的要求
应根据抓取工件的形状、抓取部位和抓取数量的不同，来设计和确定手指的
4形状。
驱动力的计算
1.手指 2.销轴 3.拉杆 4.指座 图1 滑槽杠杆式手部受力分析
如图所示为滑槽式手部结构。在拉杆3作用下销轴2向上的拉力为P，并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为P
1、P2，其力的方向垂直于滑槽中心线OO1和OO2并指向O点，P1和P2的延长线交O1O2于A及B，由于△O1OA和△O2OA均为直角三角形，故∠AOC=∠BOC=α。根据销轴的力平衡条件，即
∑Fx=0,P1=P2;∑Fy=0 P=2P1cosα P1=P/2cosα
销轴对手指的作用力为p1′。手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹紧力），假想握力作用在过手指与工件接触面的对称平面内，并设两力的大小相等，方向相反，以N表示。由手指的力矩平衡条件，即∑m01(F)=0得
P1′h=Nb 因
h=a/cosα
所以
P=2b(cosα)N/a 式中
a——手指的回转支点到对称中心线的距离（毫米）。
α——工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。 由上式可知，当驱动力P一定时，α角增大则握力N也随之增加，但α角过大会导致拉杆（即活塞）的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度增大，使之结构加大，因此，一般取α=30°~40°。这里取角α=30度。
22.4流水线方案设计与介绍
对于本课题来说，装配流水线系统是一个较大规模的工业控制系统的改造升级新控制装置需要根据企业装备和工艺现况来构成并尽可能用到旧系统中的元件。对于人机交互方式改造后系统的操作模式应尽量和改造前的相类似，以便于
5操作人员迅速掌握。从企业控制要求中可以看出在新的控制系统中既需要处理模拟量也要处理大量的开关量，系统的可靠性要高，人机交互界面友好，应具备数据的存储和分析汇总能力。
装配流水线是人和机器的有效组合，最充分体现设备的灵活性，它将输送系统、随行夹具和在线专机、检测设备有机的组合，以满足多品种产品的装配要求。 （1）装配流水线的传输方式
装配流水线的传输方式有同步传输的（/强制式）也可以是非同步传输（/柔性式），根据配置的选择，实现手工装配或半自动装配。流水线在企业的批量生产中不可或缺。
（2）装配流水线的设计参数 高度1m
宽度0.5m 流水线载重30kg 流水线运行速度 6m/s 线体配置 ：日光灯
电风扇
120v的电源插座
线体控制箱 紧急制动器
（3）流水线结构分析
流水线受力分析
由上图可知流水线上的皮带受到工件箱的向下的压力和两个传动轮给它的牵引力
水平方向的力为F=F1+F2
垂直方向的力为F=G
因此，只有更好的应用和改进装配流水线的工艺流程，充分发挥其自动、连续、高效率等优势，我们企业的生产效率才能提升，才能增强我们企业的产品竞争力，才能更好的造福社会
6第三章 有限元分析
皮带有限元分析
滑杆有限元分析
7材料属性
模型参考 属性
名称: 铸造碳钢 模型类型: 线性弹性同向性 默认失败准则: 最大 von Mises应
力
屈服强度: 2.48168e+008
N/m^2
张力强度: 4.82549e+008
N/m^2
弹性模量: 2e+011 N/m^2 泊松比: 0.32
质量密度: 7800 kg/m^3 抗剪模量: 7.6e+010 N/m^2 热扩张系数: 1.2e-005 /Kelvin
零部件
SolidBody 1(切除-拉伸3)(1204滑杆)
曲线数据:N/A
8第四章 总结
4.1 设计特色
本次设计充分利用了工业机器人的灵活性和自动化流水线的高效性，减少了工作时间，提升了工作效率，降低了工作时的零件损耗率，实现了高精度，高效率，低成本的生产目标，可以为生产商节约大量的人力资源，降低了人力成本，提高利润率。
4.2 总结
本次设计目的是，实现小部分的自动化，减少劳动力，提高工作效率。本产品有着目前从国外新引进的科技，只有科技才能引领生产力的发展。但科技也是约束本产品的关键，本设计有很高的技术要求，能保证生产的精度要求。例如，打印时，利用了工业机器人和自动化流水线可以满足人们的要求。
另外本产品也有很好的生产发展空间，可用于各个大中型需要打印的车间成产线，因此，本产品用途广泛适用于大部分需要自动化生产的地方。例如：食品包装袋生产线，牛奶包装盒，铝纸包装印刷等。
除此之外本产品，不仅打破常规的生产方式，还开创了装配一体化生产，加快生产速度，提高生产效率，带来更多的利益
4.3心得体会
这次的设计对于我们来说既是一个机遇也是一个挑战，我们面临的的最大困难是
9对solidworks软件的使用非常的不熟练，由于刚接触这款软件我们在设计之初遇到了很多的问题，例如，对设计尺寸制定不规范，不会装配齿轮，对于动画的制作了解不深，这些问题使我们在设计开始时花了很长时间用来熟悉软件的基本使用。虽然，我们面临很多的困难，但我们通过查阅，《机械原理》、《机械设计》、《机械设计基础》等书逐步的了解了各种机构的运行原理，材料的使用条件，应力和应变的分析条件等知识，在这个过程中我们既学会了使用软件又巩固了所学的知识，而且还锻炼了自己的自学能力，俗话说师傅领进门修行在个人，一时的投机取巧只能解决面前的困难，要想真正学好一种技术永远要靠自己的勤奋努力，最后，感谢王老师给我们这次机会，可以使我们锻炼自己的能力，为我们打开一扇新的窗口。
参考文献
[1]陈周娟．机械原理．华中科技大学出版社，2014 [2]沈萌红．机械设计．华中科技大学出版社，2012 [3]杨克旺．机械制图．北京：高等教育出版社，2012 [4]杨家军，机械系统创新设计．武汉：华中理工大学出版社，2000 [5]郭友寒，机械设计基础及应用．北京：人民邮电出版社，2013
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