摘 要
在工业上，自动控制系统有着广泛的应用，如工业自动化机床控制，计算机系统，机器人等。而工业机器人是相对较新的电子设备，它正开始改变现代化工业面貌。本设计为三自由度圆柱坐标型工业机器人，其工作方向为两个直线方向和一个旋转方向。在控制器的作用下，它执行将工件从一条流水线拿到加工工位上这一简单的动作,本文是对整个设计工作较全面的介绍和总结。
关键词 ： 三自由度 圆柱坐标 工业机器人
Abstract
Industrially, automatic control systems are found in numerous applications, such as automation machine tool control, computer systems and robotics. Industrial robots are relatively new electromechanical devices that are beginning to change the appearance of modern industry. This scheme introduced a cylindrical robot for three degree of freedom .It is composed of two linear axes and one rotary axis current control only allows these devices move from one assembly line to other assembly line in space, perform relatively simple taskes. This paper is more comprehensive introduction and summing-up for the for the whole design work.
Key words ：Three degrees of freedom; Cylindrical ; Industrial robot
在现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。但在机械行业中，加工、装配等是不连续的。据资料介绍，在工业零件的生产过程中，零件真正在机床加工的时间上仅占零件生产时间的5%。从而可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性。运送铝活塞铸造毛坯机械手就是为了实现提高铝毛坯运送效率而设计的，同时也会在很大程度上降低工人的劳动强度、改善工作环境和降低生产成本。
铝活塞是汽车及摩托车发动机的核心部件，提高它的生产效率将会产生巨大的经济效益。特别是在汽车产量急需求急剧增长的今天。中国汽车产量高速增长，投资规模继续扩大，形成了具有一定规模的产业基础。十五期间，我国汽车产量比九五增长了1.42倍，比八五增长了2.54倍，与十五以前的汽车生产的总量相当。平均每年增长是22.5%，汽车产量由2001年的世界排名第八位，到2005年现在是世界排名第四位。与德国仅差了几万辆，很少的。
我们的摩托车已经连续十几年排在世界第一位，去年的产量是1776万，年均增长9%。十五期间，我们汽车工业的投资也得到了显著的增长，投资总额是2317亿元，比九五增长了139%，年均增长大概在37%。到十五末期汽车行业实现销售收入和工业总产值已经双双突破了万亿大关，年均增长在27.29%和26.99%，实现工业增加值是2785亿元，年均增长在26.38%，占全国GDP比重由九五末期0.97%提高到1.56%，现在我们的汽车产业可以说是真正的支柱产业。今年有可能还会增加。
这也大大促进了汽车发动机的发展，为提高发动机的生产效率、增加民族汽车产业的竞争实力、改善工人的劳动环境和降低生产成本，本课题主要目的是设计工业机器人----运送机械手以提高铝活塞铸造毛坯的运送效率。
题目：运送铝塞铸造毛坯机械手设计
在熟悉生产过程后，进行方案设计，机构设计与相应的动力选型，完成装配图、零件图与电气控制图设计。通过该设计使学生对机电一体化技术及设备设计有一完整的认识，并树立系统思维的观念，为今后的工作打下坚实的基础。
本设计为三自由度圆柱坐标型工业机器人，其工作方向为两个直线方向和一个旋转方向。在控制器的作用下，它执行将工件从一条流水线拿到加工工位上这一简单的动作。
工作过程为：
传感器检测到毛坯到达手爪的夹持范围时夹持住毛坯——→在手腕方向直线缩回——→手腕在垂直方向下降到加工工位要求高度——→手臂整体旋转90°——→手抓在手腕直线方向伸出到达工位处——→手抓松开，毛坯到达加工工位。复位的过程则是与上面描述的相反，整个过程自动进行。
使用寿命15000小时；
自由度为：3个；
生产线距离工位的高度差为：1000mm；
工位到生产线的垂直距离：1300mm；
机械手要求旋转90°；
负载能力为3Kg；
运送节拍：20s；
机械手夹持误差小于1mm
铝活塞毛坯尺寸为：Φ84mm、高度50mm、密度2.7g/cm
；
动力形式：电动或气动。
1、系统总体方案的确定：明确装置的工作原理，该装置主要由电机——减速器部件、零件夹持机构、升降机构、控制装置组成。
2、夹持机构的设计：利用杆杠机构夹持。
3、升降机构的设计：主要利用滚珠丝杠把旋转运动转换为直线运动。
4、电机——减速器的选型与计算：选用减速器带电机装置。
5、设计和计算：滚珠丝杠的选用与轴承的选择。
6、控制系统的设计：用PLC或单片机来控制。
1、明确设计技术要求；
2、根据技术要求确定升降机构与夹持机构的动力形式；
3、初步确定机械手抓和移动机构的形式及总体结构；
4、根据载荷要求和铝毛坯的几何尺寸，通过计算确定机械手抓的形式和手抓部电机的选择；
5、选择电机、减速器、轴承、丝杠、齿轮等，并确定型号；
6、根据工作流程和动作与动力要求确定控制与检测元件；
7、进行装配图设计并完成电气图与电气控制图设计；
8、编制设计说明书；
9、准备工作：
（１）、熟悉机械原理和机械零件与电气控制原理
（２）、熟悉气动原理
（３）、熟悉公差配合要求
（４）、借阅机械设计手册与机械零件设计手册、电气设计手册
指导老师：马德毅
主设计人：洪阳东
该机械手是一种应用于汽车、摩托车、等各种发动机活塞毛坯生产线上的搬运机械手，除此之外还可以改装运用到其他的圆柱行零件的搬运中。该装置是用来连接同一条生产线上产品在两个不同地点，以减少生产线中的人工搬运成本，消除由于人疲劳带来的工位产品堆积时间，从而提高生产效率。
1、整个工作过程是全自动的，无须人的参与；
2、生产效率高，节约人力资源；
3、使用范围广除了在汽车发动机活塞的生产使用外，其他的圆柱形零件亦可以用其来搬运；
4、易于维修和改装，其所用的零件标准件较多；
5、使用简单安全，动作的顺序可通过程序的改变来实现；
6、节能环保，在整个工作流程中不向环境排放废物。
方案确定的要点:合理性、高效性、经济性、实用性。
本设计为三自由度圆柱坐标型工业机器人，其工作方向为两个直线方向和一个旋转方向。在控制器的作用下，它执行将工件从一条流水线拿到加工工位上这一简单的动作。传感器检测到毛坯到达手爪的夹持范围时夹持住毛坯——→在手腕方向直线缩回——→手腕在垂直方向下降到加工工位要求高度——→手臂整体旋转90°——→手抓在手腕直线方向伸出到达工位处——→手抓松开，毛坯到达加工工位。复位的过程则是与上面描述的相反，整个过程自动进行。
负载能力为3Kg；
运送节拍：20s；
铝活塞毛坯尺寸为：Φ84mm、高度50mm、密度2.7g/cm；
本设计题目的关键点有以下三点：
1、毛坯件的夹持机械手抓的结构设计，其目的是使其夹持不同直径毛坯时产生的定位误差最小，据此设计出最佳的夹持结构各部分尺寸；
2、在设计中涉及到两个直线运动副的设计，如何提高其刚度是本设计的关键点之一，其会直接引起重复定位精度；
3、机械手各部分机构材料的合理选择，因为为使整个机构重量最轻转动惯量最小，而又要满足整体具有一个较好的刚度；
4、电器原理图的设计。
该方案如上图所示，可以达到设计要求的三个自由度。
该方案如上图所示，可以达到设计要求的三个自由度。
该方案如上图所示，可以达到设计要求的三个自由度。
根据设计的要求，以上三个方案都可以实现三个自由度。其中也各有千秋，相比之下最终我选择使用第一个方案。理由是：
1、 相比之下，该方案在整体上结构紧凑所占工作面积较小且易于实现各机构；
2、 方案二在旋转的角度有限，最多也就是180°不利于日后该做他用且当整个机械手上升到最高点时，重心太高会降低了整体的刚度；
3、 方案二中，旋转装置在滑套上使得在结构设计时不好布置，既要尽量靠近导轨又要尽量避免机械干涉；
4、 方案三工作时会有一个机械手的整体移动，能耗上会比方案一多，且地上的固定导轨会占用较大生产面积，同时导轨维护成本增加，最终会导致总成本的增加。
有关原始资料如下：
生产线距离工位的高度差为：1000mm；
工位到生产线的垂直距离：1300mm；
机械手要求旋转90°；
负载能力为3Kg；
运送节拍：20s；
1、据此确定升降行程为1000mm，因为机械手本身有一个长度所以伸缩行程为700mm，旋转角度为90°。
2、时间分配为：
传感器检测到毛坯到达手爪夹持范围时夹持住毛坯（0.4s）——→在手腕方向直线缩回（2.2s）——→手腕在垂直方向下降到加工工位要求高度（2.2s）——→手臂整体旋转顺时针90°（2.2s）——→手爪在手腕直线方向伸出到达工位处（2.2s）——→手爪松开，毛坯到达加工工位（0.4s）。复位的过程则是手爪在手腕方向缩回（2.2s）——→手臂整体旋转逆时针90°（2.2s）——→手腕在垂直方向上升到运输线要求高度（2.2s）——→在手腕方向直线伸出（2.2s）。
总时间=
=18.4s < 规定节拍20s
3、基本运动参数
电机的启动时间
取0.3
伸缩行程的速度
=700
=0.318m/s
升降行程的速度
=1000=0.455m/s
旋转的角速度ω=
=3.14/2/2.2=0.714rad/s
动力源及传动机构要考虑效率、成本、维护难易、失效、传动精度要求以及与整个机构的位置关系。
使用液动或气动作为上升、平移和夹持的动力源，传动机构主要为液压缸或气缸活塞、回转液压缸。这就要求一套液压系统，包括液压泵、液压阀、液压缸或气缸、密封元件、导轨等。液压或气压驱动系统具有以下特点：
1、液压技术是一种比较成熟的技术，它具有动力大、力(或力矩)惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点，适用于承载能力大、惯量大以及在防爆环境中工作的机械手；缺点是维护难度大、对环境有影响、硬件成本高。
2、气动驱动系统具有速度快、系统结构简单、价格低等特点小负载的系统中；但由于空气的可压缩性定位不准等难于实现伺服控制，多用于程序控制的机械手中，如在上、下料和冲压机械手中应用较多。
3、无论是液压还是气动，都会致使机械手的总体重量增加，同时也会增加它的转动惯量。
使用电动作为驱动方案，传动机构使用传统的齿轮、滚珠丝杠等。该方案具有以下特点：
1、适合于中等负载，特别适合动作复杂、运动轨迹严格的工业机器人和各种微型机器人；
2、由于低惯量、大转矩的交、直流伺服电机及配套的伺服驱动器(交流变频器、直流脉外调制器)的广泛采用，这类驱动系统在机械手个被大量选用；
3、滚珠丝杠传动时，传动效率高达0.9~0.98有利于主机的小型化及减轻劳动强度；摩擦力矩小，接续刚度高使温升及热变形减小，有利于改善机械手的动态特性和提高工作精度；具有很好的高速性能。只是在安装调试时有点难度。滚珠丝杠已经形成了标准化系列化的产品，易于购买降低成本。
经过方案一和方案二的分析，决定采用方案二。这主要考虑到硬件的制作成本、维护成本、尽可能地降低总体方案的重量、尽可能的采用标准件以及本方案对于传动精度的要求所决定的。
最终方案：总体方案采用优化后的方案一，动力源及传动机构采用方案二。其机构简单合理，环保、经济、实用。效率高是机电一体化产品的基本方向，但是综合考虑了市场因素对产品的影响，在效率相差微小的情况下，更应该考虑到机械手的维护和制作成本。最终方案是通过将不同特性标准件的组装更简洁，电动是在不断的优化中得出的，更加具有实用性。
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