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1、齒輪齒條直線運動單元設計,主要應用于直角坐標機器人,一、課題的來源及意義,直角坐標機器人，是能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制的、可重復編程的、多功能的、多自由度的、運動自由度建成空間直角關系、多用途的操作機。它是應用廣泛的三種串聯(lián)式工業(yè)機器人類型之一，在中、小型機電產(chǎn)業(yè)的裝配生產(chǎn)線上有廣泛的應用。其突出優(yōu)點是結構簡單、合成線速度高、重復定位精度高、垂直方向剛性很好，水平方向有較好的柔性，因而有助于插裝作業(yè)，可用于機電產(chǎn)品的自動化加工和裝配生產(chǎn)線上，代替人工完成自動化加工和裝配功能。,直線運動單元是一種將直線運動平臺模塊化、規(guī)范化的運動單元，把絲桿、導軌、同步帶和同步帶輪、齒輪齒條等各種不同部件進行精密的組裝，
2、集成到一個運動單元中。齒輪齒條傳動較同步帶、絲杠，具有承載力大，傳動精度較高，傳動速度較高，可無限長度對接延續(xù)的優(yōu)點，被廣泛應用于大版面鋼板、玻璃數(shù)控切割機，建筑施工升降機中。但缺點是制造及安裝精度要求高，成本高，因此在結構設計的基礎上，研究傳動系統(tǒng)的尺寸和形狀誤差是產(chǎn)品裝配性能的主要保障。,二、國內(nèi)外發(fā)展狀況,“工業(yè)機器人”這種自動化裝置出現(xiàn)的比較晚。它的研究工作是50年代初從美國開始的。日本、前蘇聯(lián)、歐洲的研制工作比美國大約晚10年。但是日本的發(fā)展速度比美國快。歐洲特別是西歐各國比較注意工業(yè)機器人的研制和應用，其中英國、德國、瑞典、挪威等國的技術水平較高，產(chǎn)量也較大。 我國雖然開始研制工業(yè)
3、機器人僅比日本晚56年，但是由于種種原因，工業(yè)機器人技術的發(fā)展比較慢。但是改革開放以來，得到了迅速發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的直角坐標機器人： 按用途分：焊接機器人、碼垛機器人、涂膠（點膠）機器人、檢測（監(jiān)測）機器人、分揀（分類）機器人、裝配機器人、排爆機器人、醫(yī)療機器人、特種機器人等。按結構形式分：壁掛（懸臂）機器人、龍門機器人、倒掛機器人等。按自由度分：兩坐標機器人、三坐標機器人、四坐標機器人、五坐標機器人、六坐標機器人。 現(xiàn)代的直角坐標機器人有許多突出的特點： 1， 多自由度運動，每個運動自由度之間的空間夾角為直角。 2， 自動控制的，可重復編程，所有的運動均按程序運行。 3， 一般由控制系統(tǒng)
4、、驅(qū)動系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、操作工具等組成。 4， 靈活，多功能，因操作工具的不同功能也不同。 5， 高可靠性、高速度、高精度。 6， 可用于惡劣的環(huán)境，可長期工作，便于操作維修。根據(jù)末端操作工具的不同，直角坐標機器人可以非常方便的用作各種自動化設備，完成如焊接、搬運、上下料、包裝、碼垛、拆垛、檢測、探傷、分類、裝配、貼標、噴碼、打碼、（軟仿型）噴涂、目標跟隨、排爆等一系列工作。特別適用于多品種，便批量的柔性化作業(yè)，對于穩(wěn)定，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動生產(chǎn)率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。,三、研究目標,1、通過設計計算實現(xiàn)齒輪齒條直線單元的結構尺寸設計 2、考察各種公差的建模與分
5、析方法 3、提出可行的幾種公差設計方案 4、制作出齒輪齒條直線單元的實體模型。,四、研究內(nèi)容,本課題的研究內(nèi)容包括： 1、齒輪齒條直線運動單元二維裝配設計； 2、齒輪齒條直線運動單元三維裝配設計； 3、支撐機件關鍵零件加工圖設計； 4、齒輪齒條直線運動單元相關設計校核計算。,五、技術要求,1、機器人末端持重12kg 2、機器人末端重復性精度0.02mm 3、直線運動行程X軸2.6m，Y軸1m，Z軸0.6m 4、最高運動速度1m/s 5、交流伺服電機驅(qū)動：編碼器為2500p/r,六、研究方法和手段,在觀察現(xiàn)有設計和查閱相關資料文獻的基礎上，掌握直角坐標機器人的基本結構，再根據(jù)已知數(shù)據(jù)、實驗條件以
6、及自己所學過的知識，進行方案的初步設計，并繪制方案設計圖。再根據(jù)一些條件，校核所設計的方案是否符合要求。同時要和同組的同學以及老師密切聯(lián)系，共同探討設計方法和改進方案，在指導老師的幫助下，順利完成論文。機器人的設計流程： （1）使用要求的分析：每一個機器人都是根據(jù)特定的要求的產(chǎn)生而設計的，設計的第一步就是要將使用要求分析清楚，確定設計時需要考慮參數(shù)，包括： 機器人的定位精度，重復定位精度； 機器人的負載大小，負載特性； 機器人運動的自由度數(shù)量，每自由度的運動行程；機器人的工作周期或運動速度，加減速特性； 機器人的運動軌跡，動作的關聯(lián)； 機器人的工作環(huán)境、安裝方式； 機器人的運動工作制、運動壽命
7、； 其他特殊要求。 （2）本機械模型的初建：機器人從結構分大體可分為龍門結構、壁掛結構、垂掛結構，根據(jù)安裝空間的要求選擇不同的結構，每種結構的力學特性、運動特性都是不一樣的。后續(xù)設計必須是基于一個確定的結構。 （3）運動性能計算：根據(jù)有關數(shù)據(jù)，計算機械手在各個位置的坐標，看看能不能實現(xiàn)要滿足的運動，計算運動時間，運動精度等等。 （4）力學特性分析：根據(jù)已知數(shù)據(jù)，計算機械手最大能承受的重量，運動過程中的受力情況等等。,（5）機械強度校核：也要進行必要的關于強度方面的校核。 (6) 驅(qū)動元件選擇常用的驅(qū)動系統(tǒng)有：交流/支流伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)、步進電機驅(qū)動系統(tǒng)、直線伺服 電機/直線步進電機驅(qū)動系統(tǒng)。每
8、一個驅(qū)動系統(tǒng)都由電機和驅(qū)動器兩部分組成。驅(qū) 動器的作用是將弱電信號放大，將其加載在驅(qū)動電機的強電上，驅(qū)動電機。電機則 是將電信號轉(zhuǎn)化成精確的速度及角位移。需要計算的項目如下：電機功率：電機扭矩：電機轉(zhuǎn)速：減速機減速比電機慣量/負載慣量的匹配關系 （7）機械結構設計：在完成了上述幾項工作后，一個直角坐標機器人定位的雛形 就已經(jīng)在設計者的頭腦中形成了，接下來的工作就是將雛形畫成工程圖，以便生產(chǎn)。 之后用三維軟件Inventor進行設計，以便檢查是否存在位置干涉。機器人的運動軌 跡具有不確定性，靈活多變，往往在一個位置不存在位置干涉，但到下一個位置就 干涉了。 （8）設備壽命校核：機械結構設計完成后
9、，要對這個裝置進行壽命校核，看是否 滿足設計要求。,(9) 控制系統(tǒng)的選擇沒有控制系統(tǒng)的機器人就象人沒有大腦一樣，不能執(zhí)行任何動作。所以我們通常將沒有配備控制系統(tǒng)的機械結構稱為裸機或機器人定位系統(tǒng)（robot positioning system）。根據(jù)要求的不同，控制系統(tǒng)的選擇也不同，通常選擇作為控制系統(tǒng)的產(chǎn)品有：PLC 程序控制器；工業(yè)運動控制卡（motion card）;數(shù)字控制系統(tǒng)(CNC)專于控制器 (10) 程序編寫控制系統(tǒng)是機器人的大腦，程序是機器人的思想。程序的編寫直接反應設計者的思想、意圖和運動需求。編寫程序是一個復雜的過程，但只要機器人總體設計沒有問題，程序總會編出來的。編
10、程序要注意以下問題：對任務的分析要清晰，編程層次要分明，邏輯清晰,七、已具備的實驗條件,本課題具有堅實的設計工作基礎，包括進口、國產(chǎn)四自由度平面多關節(jié)樣機可供技術參考，前期平面多關節(jié)機器人的設計草圖可供設計時借鑒，并已收集了大量的相關產(chǎn)品樣本，可供設計選取相關零件。同時還有大量的關于直角坐標機器人的相關文獻，可供仔細閱讀，參考借鑒。學校的實驗室里有一些相關的實物，在日常生活中，也會發(fā)現(xiàn)各種各樣的直角坐標機器人或者類似的有同樣功能的物體。現(xiàn)有滾珠絲杠直角坐標機器人詳細方案供參考。,八、實驗方案的可行性分析,1、經(jīng)濟可行性 因為本課題是在導師帶領下完成的項目設計，同時因為不需要出實物，因此經(jīng)濟上不
11、會帶來很大的負擔，可以實現(xiàn)本課題的制作和實驗。只需要人，電腦和相關資料即可。 2、技術可行性 本課題有著完備的實驗條件，相關方面的書籍也很多，對常用的機械系統(tǒng)仿真、設計軟件也很熟練。因為直角坐標機器人是一個很成熟的設計，有很的產(chǎn)品可供參考。也有幾個同學在做和這個類似的直角坐標機器人的設計，可以相互交流和借鑒。,九、進度安排,1、2.26-3.12 查找相關文獻并完成開題報告 2、3.13-3.26 方案的初步設計 3、3.27-4.3 翻譯英文文獻 4、4.4-4.23 進行方案設計圖的繪制 5、4.24-5.14 進行方案的修改確定 6、5.15-6.18 完成畢業(yè)設計論文及收尾工作，準備答
12、辯,十、參考文獻,1 韓建海.工業(yè)機器人 M. 華中科技大學出版社，2009. 2 郭洪紅.工業(yè)機器人運用技術M. 科學出版社，2008 3 葉輝，管小清.工業(yè)機器人實操與應用技巧M. 機械工業(yè)出版社，2010 4 （加）安杰利斯 著，宋偉剛 譯.機器人機械系統(tǒng)原理理論、方法和算法M.機械工業(yè)出版社， 2004 5 胡仁喜等. Inventor中文版機械設計高級應用實例M. 機械工業(yè)出版社，2006 6Autodesk，Inc. Autodesk Inventor2011基礎培訓教程M. 電子工業(yè)出版社，2011 7（美）克來格 著，贠超 等譯.機器人學導論M.機械工業(yè)出版社， 2006 8 張毅等.移動機器人技術及其應用M.電子工業(yè)出版社， 2007 9 芮延年.機器人技術及其應用M.化學工業(yè)出版社， 2008 10 熊有倫.機器人基礎M.華中科技大學出版社， 1996 11 于靖軍等.機器人機構學的數(shù)學基礎M.機械工業(yè)出版社， 2008 12 蔡自興.機器人學（第二版）M.清華大學出版社， 2009 13 林以敏.機器人制作M.機械工業(yè)出版社， 2008,
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