螺钉自动组装机器人机构设计[毕业论文+CAD图纸]

机械设计毕业论文:自动机器人组装机构设计含论文,CAD图纸

螺钉自动组装机器人机构设计[毕业论文+CAD图纸]

摘要

本论文在综述近年来机器人技术研究和发展状况的基础上，结合自动组装用机器人的设计，对机器人技术进行了系统的分析，提出了整体结构、执行部件和上料装置的设计方案。

本文结合螺钉的形状、装配位置和精度的各方面的要求以及机器人拧紧过程中出现的问题，参考近几年机器人技术研究和发展的状况，在充分发挥机、电、软、硬件各自特点和优势互补的基础上，对装配用拧紧螺钉机器人的整体机械结构、传动系统和驱动装置进行了分析和设计，提出了一套整体结构设计方案和传动方案。采用直角坐标的框架式机械结构形式，这种方式能够提高系统的稳定性和操作灵活性，并对它的三个坐标运动进行了设计；采用自我设计的自动送料装置；最后采用步进电机驱动，导轨和滚珠丝杠传动力和扭矩。

通过以上各部分的工作，得出了结构简单、实用化、自动上料的装配用机器人的整体设计方案和执行部件的结构设计，它对其他类型的数控系统的设计也有一定的借鉴价值。

关键词： 自动组装 螺钉 机器人 结构设计

ABSTRACT

In this paper, a robot whole mechanical configuration , execute part and deliver goods is provided based on the research and development of robot in recent years and connected with the design of the automatic assemble screw. With the analysis of the problems in the design of the automatic assemble screw and synthesizing the robot research and development condition in recent years, a economic scheme is concluded on the basis of the analysis of mechanical configuration, transform system, drive device and control system and guided by the idea of the characteristic and complex of mechanical configuration, electronic, software and hardware. In this article, the mechanical configuration combines the character of direction coordinate and the arthrosis coordinate which can improve the stability and operation flexibility of the system. Adopt self design send material installation voluntarily. the last, drive force by electrical machinery and transmission force by ball leading screw and guide.

According to the analysis of above parts, configuration simple , practicality and the automatic assemble screw is concluded which will be value to other type of robot’s mechanical design and control system research.

Keyword: automatic assemble screw robot design of the configuration

目 录

1 绪论 1
1.1本课题的提出和研究意义 1
1.2机器人的基本结构及其分类 1
1.3本论文主要研究内容 2
2. 自动组装作业用机器人总体方案设计 2
2.1机器人的任务要求和结构设计 2
2.2传动系统设计 3
2.3驱动系统性能分析与方案设计 7
2.4控制系统方案设计 9
3.传动系统设计 10
3.1滚珠丝杠副的特点 10
3.2设计条件 11
3.3导向精度与轴向间隙的确定 12
3.4丝杠轴的确定 12
3.5螺母的确定 13
3.6定位精度的确定 16
3.7回转扭矩的确定 16
4.导轨的受力分析 17
4.1使用条件 18
4.2滑块作用载荷 18
5.导轨的刚性设计 25
5.1预压的选定 25
5.2考虑预压载荷的寿命 25
结论 29
致谢 31

1 绪论

1.1本课题的提出和研究意义

在组装体系中，以前的人工操作已经不能满足现代企业高精度、高效率、低成本生产方式的要求[1]。随着相关学科的发展及各种先进技术的应用，组装机器人的研究与开发越来越受到广泛的重视，组装机器人已经成为先进制造业不可缺少的自动化装备，研究开发的组装用机器人得到了广泛的应用，利用组装用机器人进行工作可以实现典型的组装动作,如抓取,插入和拧紧等动作。

一个机器人系统一般由操作机（机械本体）、驱动单元、控制器和为机器人进行作业而连接的外部设备组成。操作机是机器人完成作业的实体，它具有与人手臂相似的动作功能；驱动单元是用来为操作机及各部件提供动力和运动的装置；控制器是对机器人的起动、停止等进行操作的装置，它指挥机器人按规定的要求动作；人工智能系统是智能机器人所具有的，它包括了感觉系统和决策、规划智能系统。

装配机器人的机构合理，性能完善，必将加速产品化的进程；改善工人的劳动环境，降低了工人的劳动强度；大大提高了劳动生产率。这将意味着装配工作的生产自动化的开始，开辟了工业机器人应用的新领域。

1.2机器人的基本结构及其分类

机器人作为典型的机电一体化产品，其控制方式经历了三代发展:第一代是示教再现式可编程机器人，具有记忆、存储功能，能按照作者在示教阶段给出的轨迹重复进行特定的作业过程，但对周围环境基本上没有感知和环境信息反馈控制的能力[2]。随着传感器技术包括视觉传感器、非视觉传感器(力觉、触觉、接近觉等)以及信息处理技术的发展，出现了第二代机器人—具有感觉功能的自适应机器人，在获取作业环境和作业对象的部分有关信息的基础上，能够进行一定的适时处理、按照固定的逻辑发出动作命令。第三代是智能机器人，该种机器人不仅具有第二代机器人更完善的环境感知功能，而且具有逻辑思维、学习、判断和决策功能，可根据作业要求和环境信息自主的进行工作，该机器人目前正处于研制和开发过程中，预计到21世纪初期将进入普及阶段。尽管机器人的外观、形状和功能各异，但它们的主要构成基本上是一致的，从控制观点上讲，机器人系统可分为四部分:人机接口、控制系统、驱动系统和执行机构。

按机械结构坐标形式将机器人分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、水平多关节型和关节型等几种。直角坐标型机器人具有结构简单、易于实现高定位精度、空间轨迹易于求解、三个关节的运动相互独立，其间没有耦合，不影响末端手爪的姿态，不产生奇异状态，运动和控制都比较简单，但机体所占空间体积大，动作范围小，操作灵活性差。圆柱坐标型和球坐标型机器人占地面积小，动作范围大，在空间中定位比较直观，但存在移动关节不容易保护的问题。SCARA型机器人的主要特点是结构简便，响应快，最适用于在垂直方向上完成零件的装配作业。关节型机器人虽然运动学分析比较复杂，控制难度大，但与其他形式的机器人相比较操作灵活性强，因而其应用日益广泛[3]。

1.3本论文主要研究内容

随着机器人技术的迅速发展和应用领域的不断深化，不但要求机器人控制可靠性强、使用灵活性高和操作方便性好，还要求降低生产成本，开发经济性强的机器人系统更具有现实意义。结合自动组装作业用机械人的特点和性能，本论文主要研究以下几个方面的问题:

(1)自动组装作业用机械人总体方案的确定

机器人是典型的机电一体化装置，必须采用系统的观点，立足全局，对机器人各功能模块进行合理划分。首先根据设计要求从理论上分析工作状况，然后提出设计思路，包括传动方式、控制方式等，在综合分析的基础上，整体规划机械手的整体结构形式、驱动装置、传动系统、控制系统，从而选定最优方案。

(2)自动组装作业用机器人传动方案确定

怎样把驱动的力和扭矩精确地传递给执行部件，是机器人的主要设计方面，本文结合工业要求，采用滚珠丝杠和LM型导轨作为传动元件。

(3)上料装置的设计

机器人最大的特点是可以实现自动化，提高劳动生产率，降低生产成本，而实现全自动是它的发展方向，参考国内外的自动送料装置并结合本设计的实际情况，通过分析进行创新，设计出能满足该设计要求的专用送料装置。该装置结构简单，性能可靠成本低。

2. 自动组装作业用机器人总体方案设计

机器人是典型的机电一体化产品，合理分配机械、电子、硬件、软件各部分所承担的任务和功能，对提高系统的整体性能、结构简化、成本降低起着举足轻重的作用[4]。因此，对拧紧螺钉用装配机器人采用系统的观点进行整体功能分析，可以实现结构优化，是实现经济性、灵活性和高可靠性系统设计的重要环节和关键步骤。

2.1机器人的任务要求和结构设计

为提高劳动生产率，加快产品的生产速度。要求机器人工作部件取出螺钉然后进行定位拧紧装配，即机器人手部完成定位—下降—顶出螺钉一旋转一定位拧紧螺钉—上升—定位这样反复工作过程。

机械结构是自动组装拧紧螺钉机器人是最终的执行机构，是机器人赖以实现各种运动的实体，机械结构的布局、类型、传动方式以及驱动系统的设计直接关系着机器人的工作性能。机器人的机械结构按坐标形式主要有直角坐标型、球坐标型、圆柱坐标型、SCARA型和关节型等。直角坐标型机器人操作臂的优点是结构简单、刚度高，三个关节的运动相互独立，其间没有耦合，不影响末端手爪的姿态，不产生奇异状态，运动和控制都比较简单;缺点是占地面积大，动作范围小，操作灵活性差。球坐标机器人和圆柱坐标机器人占地面积小，工作空间较大，在空间中的定位也比较直观，但是它们的移动关节不容易防护，极坐标型机器人也存在移动关节不易防护的问题，它们多用于一些特殊的作业环境。SCARA型机器人的主要特点是结构轻便，响应快，最适用于在垂直方向完成零件的装配作业。关节型机器人操作臂的优点是结构紧凑，占地面积小，动作灵活，在作业空间内手臂的干涉最小，工作空间大;缺点是进行控制时计算量比较大，确定末端执行部件的位姿不直观。综上所述，直角坐标型结构简单，而且刚性很好，因而它的应用日益广泛[4]。

针对该自动组装作业用机器人，为了使它具有一定的操作灵活性和较好的使用性能，在结构设计上采用直角坐标型。它的整体布局结构合理，如图2.1。整个机器人系统设计为五个自由度，将运动分解为两部分:移动部分和操作部分。移动部分占两个自由度，包括左右和前后的移动机构 ，这两个自由度之间没有耦合，相互不干扰；操作部分占三个自由度，包括上下运动和两个旋转运动机构。

2.2传动系统设计

传动装置的作用主要是将驱动元件的动力传递给机器人相应的执行部件，以实现各种预定的运动。目前常用的传动方式有:皮带轮传动、链条传动、齿轮齿条传动、蜗轮蜗杆传动、行星齿轮传动、谐波减速传动以及螺旋传动等。谐波齿轮传动具有体积小、结构紧凑、效率高、能获得大的传动比等优点，但存在扭转刚度较低且传动比不能太小的缺点。行星齿轮传动具有结构紧凑、效率高的优点是用于中等减速比传动，但存在齿轮间隙，难以实现正反转过程中精确位置要求，因此限制了它的广泛应用。蜗轮蜗杆机构常用于要求有大的传动比且传动过程中要求机构自锁的场合，这种方式安全性能高，但同样存在齿侧间隙，而且效率较低。皮带轮传动可以实现过载保护，可是存在弹性滑动，和链传动一样使用一段时间后易松弛，传动运转过程中还产生动载荷，因此，二者常用于传动精度要求不高的场合。滚珠丝杠传动具有传动效率高、摩擦阻力小、运转平稳且能够有效消除传动间隙，无传动“爬行”现象和不自锁等优点，但是价格较高。因此滚珠丝杠螺母被广泛应用于要求较高的数控传动系统中。另外，在数控传动系统中