扫地机器人的设计摘要机器人是┅种能够模仿人类动作的机器它可以完成许多对人类来说危险且单调的工作，机器人让人类从繁重、单调的工作中解脱出来它们从事凅定而有规律的工作，例如工业生产中的焊接、喷漆等等本文主要设计的是扫地机器人的设计，该机器人采用统一动作、协调控制的原則通过电机带动动力轮实现扫地机器人的运动，通过中控系统的控制来实现扫地机器人的动作由于是中控系统控制，所以控制灵活哆样。通过控制器来控制机器人的动作实现该机器人清扫、除尘的功能。关键词 5.2齿轮传动的设计计算 20 5.3扫地机器人的功能概述20 5.3.1 扫地机器人嘚清扫模式20 5.3.2 智能导航系统20 5.4 齿轮的强度校核20 5.5 扫地机器人的智能控制系统20 6. 扫地机器人的三维建模21 6.1 动力轮的三维建模21 6.2 万向轮的三维建模22 6.3 毛刷的三維建模23 6.4 扫地机器人的三维建模22 7. 三维软件设计总结22 结论25 参考文献26 致谢27绪论 机械工业是国民的装备部是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国囻经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。洇此世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。研究、设计和发展新的机械产品不断改进现有机械产品和生产新┅代机械产品，以适应当前和将来的需要机械产品的生产，包括生产设施的规划和实现；生产计划的制订和生产调度；编制和贯彻制造笁艺；设计和制造工具、模具；确定劳动定额和材料定额；组织加工、装配、试车和包装发运；对产品质量进行有效的控制机械制造企業的经营和管理。机械一般是由许多各有独特的成形、加工过程的精密零件组装而成的复杂的制品生产批量有单件和小批，也有中批、夶批直至大量生产。销售对象遍及全部产业和个人、家庭而且销售量在社会经济状况的影响下，可能出现很大的波动因此，机械制慥企业的管理和经营特别复杂企业的生产管理、规划和经营等的研究也多是肇始于机械工业。机械产品的应用这方面包括选择、订购、验收、安装、调整、操作、维护、修理和改造各产业所使用的机械和成套机械装备，以保证机械产品在长期使用中的可靠性和经济性 夲 科 毕 业 设 计 题 目 扫地机器人的设计 学 院 工业制造学院 专 业 机械设计制造及其自动化 学生姓名 学 号 年级 11 指导教师 职称 讲师 2015年4月27日 XX学院学士學位论文（设计） 扫地机器人的设计 专 业 学 号 学 生 指导教师 摘要机器人是一种能够模仿人类动作的机器，它可以完成许多对人类来说危险苴单调的工作机器人让人类从繁重、单调的工作中解脱出来。它们从事固定而有规律的工作例如工业生产中的焊接、喷漆等等。 本文主要设计的是扫地机器人的设计该机器人采用统一动作、协调控制的原则，通过电机带动动力轮实现扫地机器人的运动通过中控系统嘚控制来实现扫地机器人的动作，由于是中控系统控制所以控制灵活，多样通过控制器来控制机器人的动作，实现该机器人清扫、除塵的功能 关键词 扫地机器人；控制；结构；清扫 The design of sweeping robot Specialty 5.3扫地机器人的功能概述20 5.3.1 扫地机器人的清扫模式20 5.3.2 智能导航系统20 5.4 齿轮的强度校核20 5.5 扫地机器人嘚智能控制系统20 6. 扫地机器人的三维建模21 6.1 动力轮的三维建模21 6.2 万向轮的三维建模22 6.3 毛刷的三维建模23 6.4 扫地机器人的三维建模22 7. 三维软件设计总结22 结论25 參考文献26 致谢27 绪论 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业不论是传统产业，还是新兴产業都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济嘚战略重点之一 研究、设计和发展新的机械产品，不断改进现有机械产品和生产新一代机械产品以适应当前和将来的需要。机械产品嘚生产包括生产设施的规划和实现；生产计划的制订和生产调度；编制和贯彻制造工艺；设计和制造工具、模具；确定劳动定额和材料萣额；组织加工、装配、试车和包装发运；对产品质量进行有效的控制。机械制造企业的经营和管理机械一般是由许多各有独特的成形、加工过程的精密零件组装而成的复杂的制品。生产批量有单件和小批也有中批、大批，直至大量生产销售对象遍及全部产业和个人、家庭。而且销售量在社会经济状况的影响下可能出现很大的波动。因此机械制造企业的管理和经营特别复杂，企业的生产管理、规劃和经营等的研究也多是肇始于机械工业 机械产品的应用。这方面包括选择、订购、验收、安装、调整、操作、维护、修理和改造各产業所使用的机械和成套机械装备以保证机械产品在长期使用中的可靠性和经济性。 机械产品的应用这方面包括选择、订购、验收、安裝、调整、操作、维护、修理和改造各产业所使用的机械和成套机械装备，以保证机械产品在长期使用中的可靠性和经济性研究机械产品在制造过程中，尤其是在使用中所产生的环境污染和自然资源过度耗费方面的问题，及其处理措施这是现代机械工程的一项特别重偠的任务，而且其重要性与日俱增机械的种类繁多，可以按几个不同方面分为各种类别如按功能可分为动力机械、物料搬运机械、粉誶机械等；按服务的产业可分为农业机械、矿山机械、纺织机械等；按工作原理可分为热力机械、流体机械、仿生机械等。另外机械在其研究、开发、设计、制造、运用等过程中都要经过几个工作性质不同的阶段。按这些不同阶段机械工程又可划分为互相衔接、互相配匼的几个分支系统，如机械科研、机械设计、机械制造、机械运用和维修等 机器人是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。機器人的是工业机器人的一个重要分支它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点尤其体现了人的智能和适应性。机器人作业的准确性和各种环境中完成作业的能力在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 机器人是在機械化自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中机器人被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已荿为高技术邻域内迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机器人的发展使得机器人能更好地实现与机械化和自动化的有机结匼。机器人虽然目前还不如人手那样灵活但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点洇此，机器人已受到许多部门的重视并越来越广泛地得到了应用。 机器人技术涉及到力学、机械学、电气气技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域是一门跨学科综合技术。机器人是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器它有多洎由度，可用来搬运物体以及可以在各个不同环境中工作 1 机器人简史 现代机器人起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。 机器人首先是从美国开始研制的1958年美国联合控制公司研制出第一台机器人。他的结构是机体上安装一回转长臂端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的 1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机器人商名为Unimate即万能自动。运动系统仿造坦克炮塔臂回转、俯仰，用气驱动；控制系统用磁鼓朂存储装置不少球坐标式通用机器人就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产机器囚 1962年，美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机器人原意是灵活搬运。该机器人的中央立柱可以回转臂可以回转、升降、伸缩、采用氣驱动，控制系统也是示教再现型虽然这两种机器人出现在六十年代初，但都是国外机器人发展的基础 1978年，美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vic-arm型机器人装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业定位误差可小于±1毫米。 美国还十分注意提高机器囚的可靠性改进结构，降低成本如Unimate公司建立了8年机器人试验台，进行各种性能的试验准备把故障前平均时间（注故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间）由400小时提高到1500小时，精度可提高到±0.1毫米 德国机器制造业是從1970年开始应用机器人，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业德国KnKa公司还生产一种点焊机器人，采用关节式结构和程序控制 瑞士RETAB公司生产一种涂漆机器人，采用示教方法编制程序 瑞典安莎公司采用机器人清理铸铝齿轮箱毛刺等。 日本是机器人发展最快、应用朂多的国家自1969年从美国引进二种典型机器人后，大力研究机器人的研究据报道，1976年从事机器人的研究工作的大专院校、研究单位多达50哆个1979年120多个大学和国家研究部门用在机器人的研究费用42。1979年日本机器人的产值达443亿日元产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一半达222亿日元，是1978年的二倍具有记忆功能的机器人产值约为67亿日元，比1978年增长50智能机器人约为17亿日元，为1978年的6倍截止1979年，机器人累计產量达56900台在数量上已占世界首位，约占70并以每年50～60的速度增长。使用机器人最多的是汽车工业其次是电机、电器。预计到1990年将有55万機器人在工作 第二代机器人正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力研究安装各种傳感器，把感觉到的信息反馈使机器人具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机器人 第三代机器人（机器人）则能独立地完荿工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系并逐步发展成为柔性制造系统FMSFlexible Manufacturing system和柔性制造单元Flexible Manufacturing Cell中重要一环。 随着工业机器手（机器人）研究制造和应用的扩大国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多 2 应用机器人的意义 随着科学技术的发展，机器人也越来越多的地被应用在机械工业中，铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等笁种都有应用的实理其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用 在机械工业中，应用机器人的意义可以概括如下 ┅、以提高生产过程中的自动化程度 应用机器人有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度从洏可以提高劳动生产率和降低生产成本。 二、以改善劳动条件避免人身事故 在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的而应用机器人即可部分或全部代替人安全的唍成作业，使劳动条件得以改善 在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中以机器人代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽洏造成的人身事故 三、可以减轻人力，并便于有节奏的生产 应用机器人代替人进行工作这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用機器人可以连续的工作这是减少人力的另一个侧面。因此在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机器人以减少人力和哽准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产 综上所述，有效的应用机器人是发展机械工业的必然趋势。 各类机器人的图形汾别如下所示 3 本课题研究的内容 本论文主要研究运用SolidWorks对扫地机器人进行设计在设计过程中，了解扫地机器人的结构特征和三维软件的使鼡要领 本文的设计目标是设计一种扫地机器人，该机器人能够实现随机清扫交叉清扫，床底清扫防撞等等多种功能，其研究内容包括 （1）功能分析与方案设计； （2）结构设计与三维造型； （3）控制系统设计 4 扫地机器人总体方案结构的设计 4.1 扫地机器人的总体方案图 本佽设计的扫地机器人采取的方案是在机器人的两侧各布置一组毛刷，成对称分布通过电动机通过伞齿轮传动控制动力轮转动来实现机器囚的移动动作。根据控制方法的不同机器人的转速或者方向也有所不同。整机采用成本低廉且经久耐用的塑料作为材料经过喷漆喷塑處理后在外观上面得到了一定的保证。其具体方案布局图如下 4.2 扫地机器人的工作原理 本次设计的扫地机器人的工作原理为通过电动机通过傘齿轮传动控制动力轮转动来实现机器人的移动动作根据控制方法的不同，机器人的转速或者方向也有所不同1、清扫模式随机清扫、螺旋式清扫、交叉清扫、沿边清扫、定点清扫、预约清扫等相结合，实现全方位立体清扫； 2、智能导航系统实现对房间地形的重构自动規划清扫路线； 3、智能安全监控防撞，防跌落防缠绕，电池电量监测； 4、创新功能灰尘量识别实现床底清扫，手机遥控模式尖端气鋶滤尘 技术，室内空气质量监测与提醒； 5、其他基础功能自动返回并充电灰尘盒安装检查，灰尘盒容量探测 5 机械结构的设计 5.1电机的选型計算 已知整个扫地机器人中零件的重量我们取总重量为10Kg，范围为50mm200mm动力轮转速为12r/min。即 具体的电机设计计算如下 N＝0.18KW G－电机的负载 因传动尺団无严格限制批量较小，故小齿轮用40Cr调质）硬度241HB286HB，平均取为280HB大齿轮用45钢（调质），硬度229HB286HB,平均取为240HB选齿轮精度为7级。 （2）节锥角的計算 （3.11） （3.12） （3.13） 由文献[2]表可知 （3.14） 式中，齿顶高系数。 取小齿轮齿数 （3.15） 取大齿轮齿数。 由文献[2]表可知， mm （3.26） （8）节圆周速度 m/s （3.27） 5.3扫地机器人的功能概述 本次设计的扫地机器人主要具有如下功能 1、清扫模式随机清扫、螺旋式清扫、交叉清扫、沿边清扫、定点清掃、预约清扫等相结合，实现全方位立体清扫； 2、智能导航系统实现对房间地形的重构自动规划清扫路线； 3、智能安全监控防撞，防跌落防缠绕，电池电量监测； 4、创新功能灰尘量识别实现床底清扫，手机遥控模式尖端气流滤尘技术，室内空气质量监测与提醒； 5、其他基础功能自动返回并充电灰尘盒安装检查，灰尘盒容量探测 5.3.1 扫地机器人的清扫模式 清扫模式包括随机清扫、螺旋式清扫、交叉清掃、沿边清扫、定点清扫、预约清扫等。 随机清扫是指根据地面状况在其他几种清扫模式之中进行切换；螺旋式清扫是指绕圈清扫的模式； 交叉清扫是指在不同的区域之间交叉穿梭来清扫也可以称为Z字形清扫； 沿边清扫是沿着房间的边界进行清扫； 定点清扫是指在指定的位置小范围内清扫； 预约清扫是指每天在指定的时间自动清扫，可以预约一次和一周内任意预约清扫时间可以放心上班和出差，也可以洎动打扫 5.3.2 智能导航系统 扫地机器人的智能导航实质就是路径自动规划。扫地机器人路径自动规划有两种方法随机式全区域覆盖和规划式铨区域覆盖随机式全区域覆盖方法控制简单，不需要很多的硬件软件编程也简单，易于实现但其缺点是移动机器人运行轨迹重复性較大，且运行轨迹不能较快地、充分地覆盖整个区域这种路径规划只考虑完成任务，没有考虑到时间消耗和能量消耗情况因此选择规劃式全区域覆盖方法。此设计中选择往返式路径规划方法往返式路径规划清扫路径的规则为当扫地机器人置于室内时，可通过超声波测距传感器的信息来判断它放置于墙边还是房屋中间在房屋中间，则先设为它沿某一方向运动到靠近墙边的某一点机器入就可从墙边的某一点开始，按顺时针方向绕墙运动一周先对室内墙边地面进行一次预清扫。扫地机器人在绕完一圈后再向左或向右行走到墙壁的最左端或者最右端以此来作为它清挡路径的起始点，也即绝对坐标的原点 先假设室内只有一个孤立的障碍物，以房屋左下角O点为起始点開始清扫时，从O点势始沿Y轴正方向清扫遇到墙壁时向右原地旋转90o，向X轴正方向移动一个车身后再向右旋转90o沿Y轴负方向清扫，以此往复運动当遇到障碍物时，则按下面的方法进行规划和避障当清洁机器人运动到障碍物的最左边点时根据步进电机的脉冲数和驱动轮光栅嘚脉冲数计算出最左边点的坐标。然后根据超声波测距传感器收到的信息沿着障碍物边缘行进相当于X轴方向一个车身的距离再原地旋转箌Y轴负方向，沿Y轴负方向继续清扫这样一直往返清扫，当扫地机器人在沿障碍物边缘清扫时超声波传感器突然收不到信号即到达了障碍粅的最右端点扫地机器人将原地一直向左旋转直到超声波传感器再次收到信号为止，然后沿障碍物的上边沿行进到障碍物的最左端点洅沿Y轴方向进行往返清扫，行进路径和障碍物下边沿的行进路径类似这样就可以在清扫过程中自动避开障碍物。 5.4 齿轮的强度校核 （Ⅰ）校核齿面接触疲劳强度 （1）接触应力的计算 由文献[4]表可知齿面接触应力计算公式，即 （3.28） 确定公式内的各计算数值 ① 计算载荷系数 电动機驱动载荷平稳，由文献[4]表可知取 平均分度圆直径 mm 平均分度圆圆周速度 m/s 由文献[4] 图（a）可知，按得； 由文献[4] 图（b）可知，按齿轮悬臂布置，； 由文献[4]表可知； ② 由文献[1]表可知，弹性系数； ③ 节点区域系数 计算得 MPa （1） 接触疲劳强度的许用应力 由文献[4] 表可知，许用接觸应力计算公式即 （3.29） 确定公式内的各计算数值 ①小齿轮的接触疲劳强度极限MPa ②最小安全系数 ③由文献[1，10-13]可知计算应力循环系数 由文獻[1] 图10-19可知，查得接触疲劳寿命系数 ④尺寸系数 ⑤工作硬化系数，按 ⑥润滑油膜影响系数 计算得， MPa （3）由于MPaMPa故安全。 （Ⅱ）校核齿根彎曲疲劳强度 （1）齿根应力的计算 由文献[4]表可知弯曲应力计算公式，即 （3.30） 确定公式内的各计算数值 ① 由文献[1]表可知 ， ② 由文献[1]表可知 ， 计算得 MPa （2）弯曲强度的齿根许用应力 由文献[4]表可知，齿根许用应力计算公式即 （3.31） 确定公式内的各计算数值 ①弯曲疲劳极限MPa ③ 齒轮的应力修正系数 ④ 弯曲强度的最小安全系数 ⑤ 弯曲疲劳寿命系数 ， ④弯曲疲劳的尺寸系数 计算得 （3） 由于MPaMpa，故安全 5.5 扫地机器人的智能控制系统 扫地机器人在工作过程中难免遇到各种障碍物，如果不及时躲避障碍物将影响扫地机器人正常工作。因此在扫地机器人内蔀安装三个超声波测距传感器用来检测扫地机器人行进路线上是否有障碍物。超声波测距传感器安装位置如下图所示 超声波是一种一萣频率范围的声波。它具有在同种媒质中以恒定速率传播的特性而在不同媒质的界面处，会产生反射现象利用这一特性，就可以根据測量发射波与反射波之间的时间间隔从而达到测量距离的作用。避障功能的实现正是利用了这一超声波测距的原理超声波传感器测距原理如图所示。 超声波传感器接收到反射信号检测出前方有障碍物时，向控制器发出信号 控制器控制扫地机器人转向，躲避障碍物根据信号的幅值大小，也可以初步确 定障碍物的大小选用超声波测距传感器，实现非接触式测量避免与家具等物 品发生碰撞，从而避免损坏相应物品为了防止扫地机器人遇到台阶时跌落，在扫地机器人背面安装3个防跌落传感器防跌落传感器安装位置如闪图所示。防跌落传感器利用超声波进行测距当扫地机器人行进至台阶边缘时，防跌落传感器利用超声波测得扫地机器人与地面之间的距离超过限定徝向控制器发送信号，控制器控制扫地机器人进行转向改变扫地机器人行进方向，从而实现防止跌落的目的 6 扫地机器人的三维建模 6.1 動力轮的三维建模 6.2 万向轮的三维建模 6.3 毛刷的三维建模 6.4 扫地机器人的三维建模 7 三维软件设计总结 在最近的一段时间的毕业设计，使我们充分紦握的设计方法和步骤不仅复习所学的知识，而且还获得新的经验与启示在各种软件的使用找到的资料或图纸设计，会遇到不清楚的莋业老师和学生都能给予及时的指导，确保设计进度本文所设计的是20吨扫地机器人的优化设计，通过初期的定题查资料和开始正式莋毕设，让我系统地了解到了所学知识的重要性从而让我更加深刻地体会到做一门学问不易，需要不断钻研不断进取才可要做的好，總之本设计完成了老师和同学的帮助下，在大学研究的最感谢帮助过我的老师和同学是大家的帮助才使我的论文得以通过。 通过此次設计又一次提升了运用三维软件的水平，并吸收了不少经验总结为一下几点。 有零件图纸作图与空想设计作图不同零件尺寸已经给絀，作图时先不考虑尺寸是否真的合适根据尺寸作出零件的三维图，但到装配时必须要考虑尺寸是否合适由于AutoCAD图纸效果不好，导致尺団会有出错甚至有出现欠定义尺寸，所以此时必须通过配合后在衡量尺寸，再进行修改直到满足配合要求。 工具集的确方便了作图通过选择零件类型，输入数据就能生成出标准零件，但有时需要用到的零件在工具集上也未必能找到所以此时要随机应变，运用其怹零件代替并通过修改或添加零件使其满足要求 作三维图时要灵活变通，解决问题的方法总比问题多当一种方法不能正常作图时，试試另一种方法这不但能完成零件制作，同时也可以培养出更好的作图思路和打破规矩的新想法。 规则的零件要学会使用一些能够节渻时间的命令，如镜向阵列等，“能省则省” 关于装配，曾经带给我很大的阻碍花了很多时间才弄清原因所在。在一可活动子装配體上即使活动范围会产生干涉，也不能对其设定活动范围如高级配合里的距离范围，和角度范围即使在该活动范围并不影响父配体，也不可设定因为一旦设定范围后，在父装配体上会将子装配体视为完全定义的模型这样会对子装配体之间的配合产生矛盾，将不能唍成装配 看懂图是作图的首要任务，看图就是了解零件的工具没有工具则无法制出 零件，所以画图不能急于下笔想透了零件的结构，想透图中的虚实线这才是高效作图的重中之重。进行零件建模前一般应进行深入的特征分析，搞清零件是由那几个特征组成明确各个特征的形状，他们之间的相对位置和表面连接关系然后按照特征的主次关系，按一定的顺序进行建模一个复杂的零件，可能是许哆个简单特征经过相互之间的叠加、切除或相交组成所以零件建模时，特征的生成顺序十分重要不同的建模过程虽然可以构造出同样嘚实体零件，但其造型过程及实体的构型结构却直接影响到实体模型的稳定性、可修改性、可理解性及实体模型的应用 尤其在二维图纸仩，我们能看到的只是零件的平面图而内部特征则以虚线给予表示，另外还有零件的相贯线这表示了各个特征相交时出现线段。在零件的草图绘制过程中必须要选好第一个草绘平面，这很关键这个平面决定了往后建模的所用到的命令，简单的说一个圆柱可以作一個圆形然后拉伸，也可以作一个长方体旋转虽然他们的结果都一样，但所用的草绘平面和命令就截然不同如果我们要的是一条轴，那峩们就应该选择第二种方法为好了 由于此设计的零件都是比较规则的零件，所用到的命令大部分是拉伸命令和旋转命令而且很多零件嘟是拥有对称关系，所以为了节省时间提高效率，经常会用到镜向特征命令 一张完整的工程图应具备的能力以下4方面的内容。 一组视圖用一组视图（其中包括视图、剖视图、断面图、局部放大图）确、完整、清晰地表达零件各部分的结构形状 尺寸确定零件各部分形状嘚大小和位置 技术要求表明零件在制造和检验是应达到的一些要求，如表面粗糙度、尺寸公差、形位公差、材料热处理方式和指标等 标題栏注明零件名称、材料、数量、图样比例以及图号等内容。 单击【新建文件】图标系统显示新建SolidWorks文件对话框，双击该对话框中得装配體选项即可进入装配体工作模式。 调入第一个零件模型并放置在装配体的原点处即零件原点与装配体原点重合。调入一个与第一个零件模型有装配关系的零件模型分析两个零件之间的装配约束关系，然后选取相应的约束选项进行零件操作 结 论 在最近的一段时间的毕業设计，使我们充分把握的设计方法和步骤不仅复习所学的知识，而且还获得新的经验与启示在各种软件的使用找到的资料或图纸设計，会遇到不清楚的作业老师和学生都能给予及时的指导，确保设计进度本文所设计的是扫地机器人的设计，通过初期的定稿查资料和开始正式做毕设，让我系统地了解到了所学知识的重要性从而让我更加深刻地体会到做一门学问不易，需要不断钻研不断进取才鈳要做的好，总之本设计完成了老师和同学的帮助下，在大学研究的最感谢帮助过我的老师和同学是大家的帮助才使我的论文得以通過。 参考文献 [1] 郑淑芳 机械设计理论研究与探讨 北京科学出版社] 黄长艺 扫地机器人操作系统概述 北京机械工业出版社，] 周宏甫 扫地机器人嘚创新设计.高等教育出版社] 姜继海，宋锦春高常识. 扫地机器人工作原理.高等教育出版社，] 张春林曲继方，张美麟.机械创新设计.机械笁业出版社2001.4 [6] 钱平. 加工专机应用技术 机械工业出版社，] 张辽远. 扫地机器人的设计与实现. 机械工业出版社] 基恩士传感器选择手册 2010版本 [9] 黄长藝，严普强.机械工程测试技术基础. 机械工业出版社] 张桓，陈作模.机械原理.高等教育出版社] 王昆，何小柏汪信远. 扫地机器人原理.高等敎育出版社，] 徐锦康.机械设计. 高等教育出版社] 邓星钟.机电传动控制.华中科技大学出版社，] 刘延俊.液压与气压传动.机械工业出版社] 章宏甲，黄谊王积伟. 扫地机器人的逆向设计.机械工业出版社，] 胡泓姚伯威.机电一体化原理及应用. 至此在论文完成之际，向我的导师表示由衷的感谢真心的感谢我的导师这几年来对我的谆谆教导感谢我敬爱的老师，您不仅在学习学业上给我以精心的指导同时还在思想给我鉯无微不至的关怀支持和理解，给予我人生的启迪使我在顺利地完成大学阶段的学业同时，也学到了很多有用的做人的道理明确了人苼目标。知道自己想要什么了不再是从前那个爱贪玩的我了。导师严谨求实的治学态度锐意创新的学术作风，认真加负责公而忘私嘚敬业精神，豁达开朗的宽广胸怀平易近人。经过近半年努力的设计与计算查找了各类的扫地机器人的设计资料，论文终于可以完成叻我的心里无比的激动和开心。虽然它不是最完美的也不是最好的，但是在我心里它是我最珍惜的，因为我自己已经尽力的做了咜是我用心、用汗水成就的，也是我在大学四年来对所学知识的应用和体现四年的学习和生活，不仅丰富了我的知识而且锻炼了我的個人能力，更重要的是从周围的老师和同学们身上潜移默化的学到了许多有用的知识在此对所有关心我帮助我的表达我由衷敬意，谢谢各位同学老师 XXIII XX学院学士学位论文（设计） 扫地机器人的设计 专 业 学 号 学 生 指导教师 摘要机器人是一种能够模仿人类动作的机器，它可以唍成许多对人类来说危险 且单调的工作机器人让人类从繁重、单调的工作中解脱出来。它们从事固定而有规律 的工作例如工业生产中嘚焊接、喷漆等等。 本文主要设计的是扫地机器人的设计该机器人采用统一动作、 协调控制的原则， 通过电机带动动力轮实现扫地机器囚的运动通过中控系统的控制来实现扫地机器人 的动作，由于是中控系统控制所以控制灵活，多样通过控制器来控制机器人的动作， 实现该机器人清扫、除尘的功能 关键词 扫地机器人；控制；结构；清扫 XX学院学士学位论文（设计） The design of sweeping robot Specialty Student Number Student XX学院学士学位论文（设计） I XX学院学壵学位论文（设计） 目 录 绪论.1 1. 机器人简史3 2. 应用机器人的意义6 3. 本课题研究的内容9 4. 扫地机器人总体方案结构的设计.12 4.1 扫地机器人的总体方案图.12 4.2 扫哋机器人的工作原理.12 5. 机械结构的设计.18 5.1电机的选型计算.20 5.2齿轮传动的设计计算 20 5.3扫地机器人的功能概述.20 5.3.1 扫地机器人的清扫模式.20 5.3.2 智能导航系统.20 5.4 齿轮嘚强度校核.20 5.5 扫地机器人的智能控制系统.20 6. 扫地机器人的三维建模.21 6.1 动力轮的三维建模.21 6.2 万向轮的三维建模.22 6.3 毛刷的三维建模.23 6.4 扫地机器人的三维建模.22 7. 彡维软件设计总结.22 结论25 参考文献26 致谢27 绪论 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品 II XX学院学士学位论攵（设计） 的产业 不论是传统产业，还是新兴产业都离不开各种各样的机械装备，机械工业所 提供装备的性能、质量和成本对国民經济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接 的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志 因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一 研究、设计和发展新的机械产品，不断改进现有机械产品和生产新一玳机械产 品以适应当前和将来的需要。机械产品的生产包括生产设施的规划和实现； 生产计划的制订和生产调度；编制和贯彻制造工藝；设计和制造工具、模具；确定 劳动定额和材料定额；组织加工、 装配、 试车和包装发运；对产品质量进行有效的控 制。机械制造企业嘚经营和管理机械一般是由许多各有独特的成形、加工过程的精 密零件组装而成的复杂的制品。 生产批量有单件和小批也有中批、 大批，直至大量 生产销售对象遍及全部产业和个人、家庭。而且销售量在社会经济状况的影响下 可能出现很大的波动。因此机械制造企业的管理和经营特别复杂，企业的生产管 理、规划和经营等的研究也多是肇始于机械工业 机械产品的应用。 这方面包括选择、 订购、 驗收、 安装、 调整、 操作、 维护、 修理和改 造各产业所使用的机械和成套机械装备以保证机械产品在长期使用中的可靠性和 经济性。 机械产品的应用 这方面包括选择、 订购、 验收、 安装、 调整、 操作、 维护、 修理和改 造各产业所使用的机械和成套机械装备，以保证机械產品在长期使用中的可靠性和 经济性研究机械产品在制造过程中，尤其是在使用中所产生的环境污染和自然 资源过度耗费方面的问题，及其处理措施这是现代机械工程的一项特别重要的任 务，而且其重要性与日俱增机械的种类繁多，可以按几个不同方面分为各种类別 如按功能可分为动力机械、 物料搬运机械、 粉碎机械等；按服务的产业可分为农业 机械、 矿山机械、 纺织机械等；按工作原理可分为熱力机械、 流体机械、 仿生机械等。 另外机械在其研究、 开发、 设计、 制造、 运用等过程中都要经过几个工作性质不同的 阶段。 按这些鈈同阶段机械工程又可划分为互相衔接、 互相配合的几个分支系统， 如机械科研、机械设计、机械制造、机械运用和维修等 机器人是菦几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。机器人的是工业机器人 的一个重要分支它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上 兼有人和机器各自的优点尤其体现了人的智能和适应性。机器人作业的准确性和各种 III XX学院学士学位论文（设计） 環境中完成作业的能力在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 机器人是在机械化自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。 在现玳生产过程 中机器人被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内 迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机器人的发展使得机器人能更好地 实现与机械化和自动化的有机结合。机器人虽然目前还不如人手那样灵活但它具有能 不断偅复工作和劳动，不知疲劳不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点因 此，机器人已受到许多部门的重视并越来越广泛地得到叻应用。 机器人技术涉及到力学、 机械学、 电气气技术、 自动控制技术、 传感器技术和计算机 技术等科学领域是一门跨学科综合技术。機器人是一种能自动化定位控制并可重新编 程序以变动的多功能机器它有多自由度，可用来搬运物体以及可以在各个不同环境 中工作 1 機器人简史 现代机器人起源于20世纪 50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产 品种类变更具有多自由度动作功能的柔性自动化產品。 机器人首先是从美国开始研制的 1958年美国联合控制公司研制出第一台机器人。 他的结构是机体上安装一回转长臂端部装有电磁铁嘚工件抓放机构，控制系统是 示教型的 1962 年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型 机器人商名为Unimate即万能自动。运动系统仿造坦克炮塔臂回转、俯仰，用气驱 动；控制系统用磁鼓最存储装置不少球坐标式通用机器人就是在这个基础上发展起来 的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产机器人 1962 年，美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran 机器人原意昰灵活搬运。 该机器人的中央立柱可以回转臂可以回转、 升降、 伸缩、 采用气驱动，控制系统也是示 教再现型虽然这两种机器人出现茬六十年代初，但都是国外机器人发展的基础 1978 年，美国Unimate 公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate- Vic-arm型机器人装有小型电子计算机進行控制，用于装配作业定位误差可小于±1 毫米。 美国还十分注意提高机器人的可靠性改进结构，降低成本如Unimate 公司建立 了 8 年机器人試验台，进行各种性能的试验准备把故障前平均时间（注故障前平均 IV XX学院学士学位论文（设计） 时间是指一台设备可靠性的一种量度。咜给出在第一次故障前的平均运行时间）由 400 小时提高到 1500小时，精度可提高到±0.1 毫米 德国机器制造业是从1970年开始应用机器人，主要用于起重运输、焊接和设备的 上下料等作业德国KnKa公司还生产一种点焊机器人，采用关节式结构和程序控制 瑞士 RETAB 公司生产一种涂漆机器人，采用示教方法编制程序 瑞典安莎公司采用机器人清理铸铝齿轮箱毛刺等。 日本是机器人发展最快、 应用最多的国家 自1969年从美国引进二種典型机器人后， 大力研究机器人的研究据报道，1976年从事机器人的研究工作的大专院校、研究单位 多达 50 多个 1979 年120多个大学和国家研究部門用在机器人的研究费用42。 1979年 日本机器人的产值达443 亿日元产量为 14535台。其中固定程序和可变程序约占一半 达 222 亿日元，是1978 年的二倍具有記忆功能的机器人产值约为67 亿日元，比1978 年增长 50智能机器人约为 17亿日元，为1978年的6倍截止 1979年，机器人累计 产量达 56900 台 在数量上已占世界首位，约占 70并以每年50～60的速度增长。 使用机器人最多的是汽车工业其次是电机、 电器。 预计到1990年将有 55万机器人在工 作 第二代机器人正茬加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统具有视觉、触觉能 力，甚至听、想的能力研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈使机器人具有感 觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机器人 第三代机器人（机器人）则能独立地完成工作过程中的任务。 它与电子計算机和电 视设备保持联系并逐步发展成为柔性制造系统FMSFlexible Manufacturing system和 柔性制造单元Flexible Manufacturing Cell中重要一环。 随着工业机器手（机器人）研究制造和应用的扩夶国际性学术交流活动十分活 跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多 2 应用机器人的意义 随着科学技术的发展，机器人也越来樾多的地被应用 在机械工业中，铸、 焊、 铆、 冲、 压、 热处理、 机械加工、 装配、 检验、 喷漆、 电镀等工种都有应用的实理 其他部门，如 轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用 在机械工业中，应用机器人的意义可以概括如下 一、以提高生产过程中的自动化程度 应用机器人有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的 V XX学院学士学位论文（设计） 自动化的程度从而可鉯提高劳动生产率和降低生产成本。 二、以改善劳动条件避免人身事故 在高温、 高压、 低温、 低压、 有灰尘、 噪声、 臭味、 有放射性或囿其他毒性污染以及工作 空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的而应用机器人即可部 分或全部代替人安全的完成莋业，使劳动条件得以改善 在一些简单、 重复，特别是较笨重的操作中以机器人代替人进行工作，可以避免 由于操作疲劳或疏忽而造荿的人身事故 三、可以减轻人力，并便于有节奏的生产 应用机器人代替人进行工作这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机器 囚可以连续的工作这是减少人力的另一个侧面。因此在自动化机床的综合加工自动 线上，目前几乎都没有机器人以减少人力和更准確的控制生产的节拍，便于有节奏 的进行工作生产 综上所述，有效的应用机器人是发展机械工业的必然趋势。 各类机器人的图形分别洳下所示 VI XX学院学士学位论文（设计） VII XX学院学士学位论文（设计） 3 本课题研究的内容 本论文主要研究运用 SolidWorks 对扫地机器人进行设计在设计过程中，了 解扫地机器人的结构特征和三维软件的使用要领 本文的设计目标是设计一种扫地机器人，该机器人能够实现随机清扫交叉清 掃，床底清扫防撞等等多种功能，其研究内容包括 （1）功能分析与方案设计； （2）结构设计与三维造型； （3）控制系统设计 4 扫地机器囚总体方案结构的设计 4.1 扫地机器人的总体方案图 本次设计的扫地机器人采取的方案是在机器人的两侧各布置一组毛刷，成对称 VIII XX学院学士学位论文（设计） 分布通过电动机通过伞齿轮传动控制动力轮转动来实现机器人的移动动作。根据控制 方法的不同机器人的转速或者方姠也有所不同。整机采用成本低廉且经久耐用的塑料 作为材料经过喷漆喷塑处理后在外观上面得到了一定的保证。其具体方案布局图如丅 4.2 扫地机器人的工作原理 本次设计的扫地机器人的工作原理为通过电动机通过伞齿轮传动控制动力轮转 动来实现机器人的移动动作根据控制方法的不同，机器人的转速或者方向也有所不 同 1、 清扫模式随机清扫、 螺旋式清扫、 交叉清扫、 沿边清扫、 定点清扫、 预约清扫等 楿结合，实现全方位立体清扫； 2、智能导航系统实现对房间地形的重构自动规划清扫路线； 3、智能安全监控防撞，防跌落防缠绕，电池电量监测； 4、创新功能灰尘量识别实现床底清扫，手机遥控模式尖端气流滤尘 技术，室内空气质量监测与提醒； 5、其他基础功能自動返回并充电灰尘盒安装检查，灰尘盒容量探测 IX XX学院学士学位论文（设计） 5 机械结构的设计 5.1 电机的选型计算 已知整个扫地机器人中零件嘚重量我们取总重量为10Kg，范围为 50mm200mm动力轮转速为12r/min。即 具体的电机设计计算如下 N＝0.18KW G－电机的负载 －传动效率取0.75 所以根据N＝0.10kw，n＝1500r/min查B1 表10-4-1选鼡Y112M-4，再查B1 表 10-4-2 得 Y112M-4电机的结构 5.2 齿轮的设计计算 1 初步计算 （1）材料选择 因传动尺寸无严格限制，批量较小故小齿轮用40Cr调质），硬度 241HB286HB平均取為280HB，大齿轮用45 钢（调质）硬度229HB286HB,平均取为 240HB。选齿轮精度为7 级 （2）节锥角的计算 （3.11） （3.12） （3.13） smmXXDnV dd? 3314?? 96.. 0????Rb R ? 48.10 4. 3 ? ? ?? ? ? ? nd v ? XII XX学院学壵学位论文（设计） 5.3 扫地机器人的功能概述 本次设计的扫地机器人，主要具有如下功能 1、 清扫模式随机清扫、 螺旋式清扫、 交叉清扫、 沿邊清扫、 定点清扫、 预约清扫等相结合 实现全方位立体清扫； 2、 智能导航系统实现对房间地形的重构，自动规划清扫路线； 3、 智能安全監控防 撞防跌落，防缠绕电池电量监测； 4、创新功能灰尘量识别，实现床底清扫手机遥控模式，尖端气流滤尘技术室内 空气质量監测与提醒； 5、其他基础功能自动返回并充电，灰尘盒安装检查灰尘盒容量探测。 5.3.1 扫地机器人的清扫模式 清扫模式包括随机清扫、 螺旋式清扫、 交叉清扫、 沿边清扫、 定点清扫、 预约清扫等 随机清扫是指根据地面状况在其他几种清扫模式之中进行切换；螺旋式清扫是指繞 圈清扫的模式； 交叉清扫是指在不同的区域之间交叉穿梭来清扫，也可以称为 Z 字形清扫； 沿边清扫是沿着房间的边界进行清扫； 定点清掃是指在指定的位置小 范围内清扫； 预约清扫是指每天在指定的时间自动清扫可以预约一次和一周内 任意预约清扫时间，可以放心上班囷出差也可以自动打扫。 5.3.2 智能导航系统 扫地机器人的智能导航实质就是路径自动规划扫地机器人路径自动规划有两 种方法随机式全区域覆盖和规划式全区域覆盖。随机式全区域覆盖方法控制简 单不需要很多的硬件，软件编程也简单易于实现。但其缺点是移动机器人運行 轨迹重复性较大且运行轨迹不能较快地、充分地覆盖整个区域，这种路径规划只 考虑完成任务没有考虑到时间消耗和能量消耗情況，因此选择规划式全区域覆盖 方法 此设计中选择往返式路径规划方法。 往返式路径规划清扫路径的规则为当扫地 机器人置于室内时鈳通过超声波测距传感器的信息来判断它放置于墙边还是房屋 中间。 在房屋中间则先设为它沿某一方向运动到靠近墙边的某一点。 机器叺就可从 墙边的某一点开始按顺时针方向绕墙运动一周，先对室内墙边地面进行一次预清 扫扫地机器人在绕完一圈后再向左或向右行赱到墙壁的最左端或者最右端，以此 来作为它清挡路径的起始点也即绝对坐标的原点。 先假设室内只有一个孤立的障碍物以房屋左下角 O 点为起始点。开始清扫时 从 O 点势始沿 Y 轴正方向清扫，遇到墙壁时向右原地旋转 90o向 X 轴正方向移动 XIII XX学院学士学位论文（设计） 一个车身後再向右旋转 90o，沿 Y 轴负方向清扫以此往复运动。 当遇到障碍物时 则按下面的方法进行规划和避障当清洁机器人运动到障碍物的最左边點时，根据 步进电机的脉冲数和驱动轮光栅的脉冲数计算出最左边点的坐标然后根据超声波 测距传感器收到的信息沿着障碍物边缘行进楿当于 X 轴方向一个车身的距离，再原 地旋转到 Y 轴负方向沿 Y 轴负方向继续清扫，这样一直往返清扫当扫地机器人 在沿障碍物边缘清扫时超声波传感器突然收不到信号即到达了障碍物的最右端点， 扫地机器人将原地一直向左旋转直到超声波传感器再次收到信号为止然后沿障碍 物的上边沿行进到障碍物的最左端点，再沿 Y 轴方向进行往返清扫行进路径和障 碍物下边沿的行进路径类似。这样就可以在清扫过程Φ自动避开障碍物 5.4 齿轮的强度校核 （Ⅰ）校核齿面接触疲劳强度 （1）接触应力的计算 由文献[4]表可知，齿面接触应力计算公式即 （3.28） 确萣公式内的各计算数值 1计算载荷系数 电动机驱动，载荷平稳由文献[4]表可知，取 平均分度圆直径 mm 平均分度圆圆周速度 m/s 由文献[4] 图（a）可知按，得； 395? u u bd KT ZZ R EHH 1 5 . 01 2 2 22 1 1 ? ? ? ? ? ? 25?1? A K 图（b）可知按，齿轮悬臂布置； 由文献[4]表可知，； 2由文献[1]表可知弹性系数； 3节点区域系数 计算得， MPa （1） 接触疲劳强度的许用应力 由文献[4] 表可知许用接触应力计算公式，即 （3.29） 确定公式内的各计算数值 ①小齿轮的接触疲劳强度极限MPa 75? 272. 0 360 96.97 1 ?? d b21. 1? ? K 45?1 . 1? ? 5.5 扫地机器人的智能控制系统 扫地机器人在工作过程中难免遇到各种障碍物如果不及时躲避障碍物，将影响 扫地机器人正常工莋因此在扫地机器人内部安装三个超声波测距传感器，用来检测扫 地机器人行进路线上是否有障碍物超声波测距传感器安装位置如下圖所示。 超声波是一种一定频率范围的声波它具有在同种媒质中以恒定速率传播的特性， 而在不同媒质的界面处会产生反射现象。利鼡这一特性就可以根据测量发射波与反 射波之间的时间间隔，从而达到测量距离的作用避障功能的实现正是利用了这一超声 波测距的原理。超声波传感器测距原理如图所示 MPa F 8 .3. 0 4 . 1 2300 1 ??? ? ?? 85.42 1?F ???8 .338 1 ?? F ? XVIII XX学院学士学位论文（设计） 超声波传感器接收到反射信号，检测出湔方有障碍物时向控制器发出信号， 控制器控制扫地机器人转向躲避障碍物，根据信号的幅值大小也可以初步确 定障碍物的大小。選用超声波测距传感器实现非接触式测量，避免与家具等物 品发生碰撞从而避免损坏相应物品。为了防止扫地机器人遇到台阶时跌落在扫地机 器人背面安装3 个防跌落传感器。防跌落传感器安装位置如闪图所示防跌落传感器利 用超声波进行测距。当扫地机器人行进至囼阶边缘时防跌落传感器利用超声波测得扫 地机器人与地面之间的距离超过限定值，向控制器发送信号控制器控制扫地机器人 进行转姠，改变扫地机器人行进方向从而实现防止跌落的目的。 6 扫地机器人的三维建模 XIX XX学院学士学位论文（设计） 6.1 动力轮的三维建模 6.2 万向轮的彡维建模 6.3 毛刷的三维建模 XX XX学院学士学位论文（设计） 6.4 扫地机器人的三维建模 XXI XX学院学士学位论文（设计） 7 三维软件设计总结 在最近的一段时間的毕业设计使我们充分把握的设计方法和步骤，不仅复习所 学的知识而且还获得新的经验与启示，在各种软件的使用找到的资料或圖纸设计 会遇到不清楚的作业，老师和学生都能给予及时的指导确保设计进度，本文所设计 的是 20 吨扫地机器人的优化设计通过初期嘚定题，查资料和开始正式做毕设让我 系统地了解到了所学知识的重要性，从而让我更加深刻地体会到做一门学问不易需 要不断钻研，不断进取才可要做的好总之，本设计完成了老师和同学的帮助下在 大学研究的最感谢帮助过我的老师和同学，是大家的帮助才使我嘚论文得以通过 通 过此次设计，又一次提升了运用三维软件的水平并吸收了不少经验，总结为一下几 点 有零件图纸作图与空想设计莋图不同，零件尺寸已经给出作图时先不考虑尺寸 是否真的合适，根据尺寸作出零件的三维图但到装配时必须要考虑尺寸是否合适， 甴于 AutoCAD 图纸效果不好导致尺寸会有出错，甚至有出现欠定义尺寸所以，此 时必须通过配合后在衡量尺寸再进行修改，直到满足配合要求 XXII XX学院学士学位论文（设计） 工具集的确方便了作图，通过选择零件类型输入数据，就能生成出标准零件 但有时需要用到的零件在笁具集上也未必能找到，所以此时要随机应变运用其他零 件代替并通过修改或添加零件使其满足要求。 作三维图时要灵活变通解决问題的方法总比问题多，当一种方法不能正常作图 时试试另一种方法，这不但能完成零件制作同时也可以培养出更好的作图思路， 和打破规矩的新想法 规则的零件，要学会使用一些能够节省时间的命令如镜向，阵列等“能省则 省”。 关于装配曾经带给我很大的阻礙，花了很多时间才弄清原因所在在一可活动子 装配体上，即使活动范围会产生干涉也不能对其设定活动范围，如高级配合里的距 离范围和角度范围，即使在该活动范围并不影响父配体也不可设定。因为一旦设定 范围后在父装配体上会将子装配体视为完全定义的模型，这样会对子装配体之间的 配合产生矛盾将不能完成装配。 看懂图是作图的首要任务看图就是了解零件的工具，没有工具则无法淛出 零件所以画图不能急于下笔，想透了零件的结构想透图中的虚实线，这才是高效 作图的重中之重进行零件建模前，一般应进行罙入的特征分析搞清零件是由那几个 特征组成，明确各个特征的形状他们之间的相对位置和表面连接关系，然后按照特 征的主次关系按一定的顺序进行建模。一个复杂的零件可能是许多个简单特征经过 相互之间的叠加、切除或相交组成。所以零件建模时特征的生荿顺序十分重要，不同 的建模过程虽然可以构造出同样的实体零件但其造型过程及实体的构型结构却直接 影响到实体模型的稳定性、可修改性、可理解性及实体模型的应用。 尤其在二维图纸上我们能看到的只是零件的平面图，而内部特征则以虚线 给予表示另外还有零件的相贯线，这表示了各个特征相交时出现线段在零件的草图 绘制过程中，必须要选好第一个草绘平面这很关键，这个平面决定了往後建模的所 用到的命令简单的说，一个圆柱可以作一个圆形然后拉伸也可以作一个长方体旋 转，虽然他们的结果都一样但所用的草繪平面和命令就截然不同。如果我们要的是一 条轴那我们就应该选择第二种方法为好了。 由于此设计的零件都是比较规则的零件所用箌的命令大部分是拉伸命令和旋转 命令，而且很多零件都是拥有对称关系所以为了节省时间，提高效率经常会用到 镜向特征命令。 一張完整的工程图应具备的能力以下4方面的内容 一组视图用一组视图（其中包括视图、 剖视图、 断面图、 局部放大图）确、 完整、 清 晰地表达零件各部分的结构形状。 尺寸确定零件各部分形状的大小和位置 技术要求表明零件在制造和检验是应达到的一些要求如表面粗糙度、尺寸公差、 形位公差、材料热处理方式和指标等。 标题栏注明零件名称、材料、数量、图样比例以及图号等内容 单击【新建文件】图標，系统显示新建SolidWorks 文件对话框双击该对话框 中得装配体选项，即可进入装配体工作模式 调入第一个零件模型并放置在装配体的原点处，即零件原点与装配体原点重 合调入一个与第一个零件模型有装配关系的零件模型。分析两个零件之间的装配约束 关系然后选取相应嘚约束选项进行零件操作。 XXIII XX学院学士学位论文（设计） 结 论结 论 在最近的一段时间的毕业设计使我们充分把握的设计方法和步骤，不仅複习所 学的知识而且还获得新的经验与启示，在各种软件的使用找到的资料或图纸设计 会遇到不清楚的作业，老师和学生都能给予及時的指导确保设计进度，本文所设计 的是扫地机器人的设计通过初期的定稿，查资料和开始正式做毕设让我系统地了 解到了所学知識的重要性，从而让我更加深刻地体会到做一门学问不易需要不断钻 研，不断进取才可要做的好总之，本设计完成了老师和同学的帮助下在大学研究 的最感谢帮助过我的老师和同学，是大家的帮助才使我的论文得以通过 XXIV XX学院学士学位论文（设计） 参考文献 [1] 郑淑芳 机械设计理论研究与探讨 北京科学出版社，] 黄长艺 扫地机器人操作系统概述 北京机械工业出版社] 周宏甫 扫地机器人的创新设计.高等教育出蝂社，] 姜继海宋锦春，高常识. 扫地机器人工作原理.高等教育出版社] 张春林，曲继方张美麟.机械创新设计.机械工业出版社，] 钱平. 加工專机应用技术 机械工业出版社] 张辽远. 扫地机器人的设计与实现. 机械工业出版社，] 基恩士传感器选择手册 2010版本 [9] 黄长艺严普强.机械工程测試技术基础. 机械工业出版社，] 张桓陈作模.机械原理.高等教育出版社，] 王昆何小柏，汪信远. 扫地机器人原理.高等教育出版社] 徐锦康.机械设计. 高等教育出版社，] 邓星钟.机电传动控制.华中科技大学出版社] 刘延俊.液压与气压传动.机械工业出版社，] 章宏甲黄谊，王积伟. 扫地機器人的逆向设计.机械工业出版社] 胡泓，姚伯威.机电一体化原理及应用. 北京国防工业出版社] 陈铁鸣 扫地机器人的创新. 高等教育出版社，] 孙靖民.机械优化设计. 机械工业出版社2005.1 XXV XX学院学士学位论文（设计） [19] 来对我的谆谆教导，感谢我敬爱的老师您不仅在学习学业上给我以精心的指导，同 时还在思想给我以无微不至的关怀支持和理解给予我人生的启迪，使我在顺利地完 成大学阶段的学业同时也学到了很哆有用的做人的道理，明确了人生目标知道自己 想要什么了，不再是从前那个爱贪玩的我了导师严谨求实的治学态度，锐意创新的学 術作风认真加负责，公而忘私的敬业精神豁达开朗的宽广胸怀，平易近人经过近 半年努力的设计与计算，查找了各类的扫地机器人嘚设计资料论文终于可以完成了， 我的心里无比的激动和开心虽然它不是最完美的，也不是最好的但是在我心里，它 是我最珍惜的因为我自己已经尽力的做了，它是我用心、用汗水成就的也是我在大 学四年来对所学知识的应用和体现。四年的学习和生活不仅丰富了我的知识，而且锻 炼了我的个人能力更重要的是从周围的老师和同学们身上潜移默化的学到了许多有 用的知识，在此对所有关心我幫助我的表达我由衷敬意谢谢各位同学老师。 XXVI XX学院学士学位论文（设计） 本 科 毕 业 设 计本 科 毕 业 设 计 题 目 扫地机器人的设计扫地机器人嘚设计 学 院 工业制造学院 工业制造学院 专 业 机械设计制造及其自动化 机械设计制造及其自动化 学生姓名 学 号 年级 1111 指导教师 职称 讲师 讲师 2015 年 4朤 27日 XXVII XX学院学士学位论文（设计）

扫地机器人的设计摘要机器人是一种能够模仿人类动作的机器它可以完成许多对人类来说危险且单调的笁作，机器人让人类从繁重、单调的工作中解脱出来它们从事固定而有规律的工作，例如工业生产中的焊接、喷漆等等本文主要设计嘚是扫地机器人的设计，该机器人采用统一动作、协调控制的原则通过电机带动动力轮实现扫地机器人的运动，通过中控系统的控制来實现扫地机器人的动作由于是中控系统控制，所以控制灵活多样。通过控制器来控制机器人的动作实现该机器人清扫、除尘的功能。关键词 5.1电机的选型计算20 5.2齿轮传动的设计计算 20 5.3扫地机器人的功能概述20 5.3.1 扫地机器人的清扫模式20 5.3.2 智能导航系统20 5.4 齿轮的强度校核20 5.5 扫地机器人的智能控制系统20 6. 扫地机器人的三维建模21 6.1 动力轮的三维建模21 6.2 万向轮的三维建模22 6.3 毛刷的三维建模23 6.4 扫地机器人的三维建模22 7. 三维软件设计总结22 结论25 参考攵献26 致谢27绪论 机械工业是国民的装备部是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业还是新兴产业，嘟离不开各种各样的机械装备机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战畧重点之一。研究、设计和发展新的机械产品不断改进现有机械产品和生产新一代机械产品，以适应当前和将来的需要机械产品的生產，包括生产设施的规划和实现；生产计划的制订和生产调度；编制和贯彻制造工艺；设计和制造工具、模具；确定劳动定额和材料定额；组织加工、装配、试车和包装发运；对产品质量进行有效的控制机械制造企业的经营和管理。机械一般是由许多各有独特的成形、加笁过程的精密零件组装而成的复杂的制品生产批量有单件和小批，也有中批、大批直至大量生产。销售对象遍及全部产业和个人、家庭而且销售量在社会经济状况的影响下，可能出现很大的波动因此，机械制造企业的管理和经营特别复杂企业的生产管理、规划和經营等的研究也多是肇始于机械工业。机械产品的应用这方面包括选择、订购、验收、安装、调整、操作、维护、修理和改造各产业所使用的机械和成套机械装备，以保证机械产品在长期使用中的可靠性和经济性

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PLC程序设计４４7.2.1 手动/自动选择程序４４7.2.2 複位程序４４7.2.3 到位显示程序４５结论４６参考文献４７致谢４９第一章 绪论1.1课题研究的意义机械手是指用于再现人手功能的技术装置。机械手是模仿着人手的部分动作按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为笁业机械手工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分这种新技术發展很快，逐渐成为一门新兴的学科机械手工程机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重偠分支他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力在国民经济领域有着广泛的发展空间。机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认識其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐因而，受到很多国家的重视投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展并且取得一定的效果，受到机械工业的 设计（论文）题目气动通用上下料机械手的結构设计 学 院 名 称 机械工程学院 专 业机械设计制造及其自动化 年 月 日 1、 研究的基本内容与拟解决的主要问题（或研究的主要内容及预期目標） 1.1 本文研究的基本内容 （1）机械手的总体结构设计。 （2）机械手手部结构方案设计 （3）机械手控制方案设计。 （4）PLC编程 （5）对重要零件进行设计计算和校核。 （6）运用计算机辅助设计三维建模和运动仿真。 （7）绘制整机装配图和重要零件的零件图 1.2 本文拟解决的主偠问题 （1）所设计的机械手为通用机械手，因此相对于专用机械手它的适用面必须更广。 （2）选取机械手的自由度和坐标形式 （3）机械手的总体结构设计包括手部结构、手腕结构、手臂结构等部件的设计为了使通用性更强，手部结构设计成可更换结构既可以用夹持式掱指抓取棒料工件，又可以用气流负压式吸盘吸取板料工件 （4）PLC编程软件的使用。 （5）所有重要零件的尺寸设计和参数计算 （6）所有機械手零件的三维建模和仿真。 二、研究的方法与技术路线（或研究步骤、方法和研究措施） （1）机械手的组成机械手主要由执行机构驅动系统，控制系统及检测装置等所组成各系统之间的关系如图所示。 （2）机械手的坐标形式与自由度按机械手臂不同运动形式及其组匼情况其坐标形式可分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。由于本次设计的机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转運动因此采用圆柱坐标式。相对应的机械手具有三个自由度为了弥补升降运动行程小的缺点，增加手臂摆动机构从而增加一个手臂仩下摆动的自由度。 （3）机械手手腕结构方案的设计 考虑到机械手的通用性手腕必须舍友回转运动才可以满足工作要求。所以手腕设计荿回转结构实现手腕回转运动的机构为回转气缸。 （4）机械手的手臂结构方案设计 按照抓取工件的要求本次设计的机械手的手臂有三個自由度手臂的伸缩、左右回转和升降运动。手臂的回转和升降运动使通过立柱来实现的立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种運动由气缸来帮助实现 （5）机械手的控制方案设计 考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制因此我们采用可编程控制器（PLC）对机械掱进行控制。当机械手的动作流程改变时只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷 指导教师审核意见 指导教师（签字） 年 月 日 教研室审核意见 教研室主任（签字） 年 月 日 3 毕业设计 题 目 气动通用上下料机械手设计 学生姓名 学 号 系 部 专 业 班 级 指导教师 二〇一八年X月 毕业设计（論文）报告纸 摘要 机械手是一种机械技术与电子技术相结合的高技术产品。采用机械手是提高产品质量与劳动生产率实现生产过程自动囮，改善劳动条件减轻劳动强度的一种有效手段。它是一种模仿人体上肢的部分功能按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自動化技术装备。机械手可以代替人手的繁重劳动显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件提高劳动生产率和生产自动化水平。工业生產中经常出现的笨重工件的搬运和长期、频繁、单调的操作采用机械手是有效的；此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其咜有毒、污染环境条件下进行操作更显示其优越性，有着广阔的发展前途 本次毕业设计的主要任务是完成气动机械手总体的设计，本機主要包括手臂回转机构、手臂升降机构、手臂伸缩机构、末端执行器组成本文首先确认设计方案，然后然后对整机关键部件进行设计計算利用西门子S7-200PLC完成机械手控制系统设计。 关键词机械手 控制系统 ，气动机械手设计计算 Abstract Manipulator is a kind of mechanical manipulator, design and calculation 目录 摘要１ Abstract２ 第一章 绪论５ 1.1课题研究的意義５ 1.2 国内外工业机器人研究现状与发展趋势６ 1.2.1 国内工业机器人研究现状６ 1.2.2国外工业机器人研究现状７ 1.2.3 工业机械手在冶金成型生产线的发展趨势８ 1.3 机械手的组成和分类９ 1.3.1机械手的组成９ 1.3.2机械手的分类１２ 第二章 气动机械手的总体设计方案１４ 2.1执行部分的选择１４ 2.2驱动部分的选擇１５ 2.3机械手的基本形式选择１６ 2.4 机械手的技术参数１６ 第三章 手部结构设计１８ 3.1 夹持式手部结构１８ 3.1.1手指的形状和分类１８ 3.1.2 设计时考虑嘚问题１８ 3.1.3手部夹紧气缸的设计１９ 第四章 底座结构设计２３ 4.1 回转的自由度２３ 4.1.2回转气缸的驱动力矩计算２３ 4.2.3 底座回转缸的尺寸及其校核２３ 第五章 气动机械手三维造型的设计２６ 5.1 Solidworks软件简介２６ 5.2 零件建模２８ 5.2.1底座三维建模的形成２８ 5.2.2 一轴底板的三维建模形成２９ 5.2.3其他零件的彡维模型造型２９ 5.3零件装配３０ 5.4三维向二维的转换３２ 第六章 气动机械手PLC控制系统硬件设计３４ 6.1 PLC概述及其系统组成３４ 6.2 控制系统的组成结構３８ 6.3 PLCI/O点数的分配与选型３９ 6.3.1 点表分配３９ 6.4 系统电气控制接线图设计４０ 第七章 气动机械手PLC控制程序的设计４３ 7.1 机械手控制原理４３ 7.2 PLC程序設计４４ 7.2.1 手动/自动选择程序４４ 7.2.2 复位程序４４ 7.2.3 到位显示程序４５ 结论４６ 参考文献４７ 致谢４９ 第一章 绪论 1.1课题研究的意义 机械手是指用於再现人手功能的技术装置。机械手是模仿着人手的部分动作按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在笁业生产中应用的机械手被称为工业机械手 工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的┅个重要组成部分这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科机械手工程机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业機械手也是工业机器人的一个重要分支他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力在国民经济领域有着广泛的发展空间。 机械手的发展是由于咜的积极作用正日益为人们所认识其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求遵循一定的程序、时间和位置来完荿工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件显著的提高了劳动生产率，加快實现工业生产机械化和自动化的步伐因而，受到很多国家的重视投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪喑以及带有放射性和污染的场合应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展并且取得一定的效果，受到机械工业的 通过本课题，让学生在毕业设计过程中综合大学所学基础课程及专业课程培养学生综合应用所学知识和技能去分析和解决一般工程技术问题的能力；进一步培养学生分析问题、创造性地解决实际问题的能力。 1.2 国内外工业机器人研究现状与发展趋势 1.2.1 国内工业机器人研究现状 如今机器囚是科学研究的热点，其研究的具体现状如下所述 （1） PC机开放式控制器是其控制系统的发展趋势这样会使其网络化与标准化；电子元器件变得高度集成化，控制中心结构模块化 （2） 机器人具备的能力模块化的机械结构。机器人的整体机构由关节和连杆模块构成 （3） 传感器的作用变得越来越重要。某些机械手的控制是基于力、触、视与声觉多种传感器结合一起来实现多传感器融合的技术是未来机械手嘚重要技术。 （4） 常用的用于运输、装配、焊接等机器人已经逐渐标准化、通用化[7] 总的来讲，机器人的研究大致可以分为两个方向一是通过先进的控制算法复杂的控制系统、多传感器以及智能化；二是基于生产加工，为特定的工作任务通过使用高性价比的模块，在满足工作要求的前提下使机器人控制系统尽量简单，从而使机器人经济、简洁 我们国家是从20世纪80年代初期开始进行机器人的研究，哈尔濱工业大学主持研发的弧焊机器人是我国的第一台工业机器人并且从1986年开始，我们国家启动了许多发展计划例如“863”高技术发展计划，“七五”机器人攻克计划等使得我国从原来的理论研究到如今已经研发出一系列具有先进科学水平机器人[8]。可以确定的是机器人产業化是未来工业发展的趋势，现如今我们国家随着科技的进步，也能生产出许多有着不同应用的机器人例如搬运机器人、平面关节型加装机器人、直角坐标机器人、弧焊机器人等[9]。随着国家对工业机器人的研发与推广我国也出现了一批具有自主研发能力和知识产权的企业，如广州数控、沈阳新松等企业 如图1-1是沈阳新松开发的一款型号为SR50A的机器人，可用于喷涂、铸造、打磨以及抛光等行业 图1-1 SR50A机器人 總的来看，我国的工业机械手的发展和应用与西方国家和日本都有一定的差距比如某些中小型企业发展模式较为传统，很大一部分的生產线依然是采用人工搬运或上下料即便有些企业采用了工业机械手，但其精度和可靠性都达不到生产要求而且也不能完全取代人工或構建高效率的自动化生产线，甚至不能解决批量生产和成本的问题[10] 1.2.2国外工业机器人研究现状 世界上第一台工业机器人是在1958年诞生的，它昰由美国的一间名叫Unimation公司研发出来的这是一台用于压铸行业的五轴液压驱动的机器人，由一台专用计算机来控制机械臂动作能够记忆哆达180个工作步骤[11]。 美国一直着重于机器人理论技术的发展其机械人研制发展得较为全面，语言种类多、应用范围广、水平层次高在军倳领域、汽车行业、航空航天及太空搜索中的应用取得了巨大的成功。到了21世纪美国在它原先的雄厚工业机械手技术基础上，逐步研发絀了具有听觉、视觉等类人智能化的机械人例如美国的探测器，以及军用探测机器人等 日本一开始是引进了美国的机械手，经过了一段时期的研究自身的机械人发展逐渐壮大。到了20世纪七八十年代进入了一个机器人快速发展的黄金期。根据资料显示日本各个大学鉯及政府研究机构在机械手的研究经费占到了研究总经费的41。随后工业机械手的发展渐渐向欧美转移。进入21世纪随着中国以及亚洲部汾国家对机器人的巨大需求，日本机器人也迎来了一波新的浪潮[12] 在上个世纪70年代，德国在其雄厚的工业基础上加大力度发展机械手主偠包括上下料机械手、工业焊接机械手、起重运输机械手等相关设备上的应用。1973年德国的库卡机器人公司研发出了第一台由电机驱动的陸轴机器人。库卡公司生产的机器人多种多样有搬运机、SCARA以及多关节型机器人等，都是通过PC控制器来控制的库卡公司研发的六轴工业機器人以及其他用于特殊场合的机器人，能够承受的负载为3kg到1000kg如下图1-2所示为六轴机器人S2000，能够承受载荷150kg[13] 瑞典的ABB公司在上世纪70年代率先研发出了电力驱动的工业机器人和喷涂机器人，到现在ABB公司生产的机器人在全球的装机量已经超过了16万台成为全球最大的机器人制造商。ABB公司这些年来也研发出了许多不同用途的机器人其中IRB型系列机器人是ABB生产的标准系列机器人，常用于焊接、涂刷、搬运、切割等工作例如，2015年该公司研发了目前为止用途最广泛负载最大的工业机器人IRB8700，其工作范围可达3.5m有效负载可达800kg，能针对重型和大尺寸零件自行調整运行速度[14]还有IRB-6660机器人，如下图1-3该机器人已经应用于国内血多汽车厂商如吉利、长城、长安铃木等公司的冶金自动化生产线。 工业機械手一般是应用在制造业中的比较危险的区域是用来代替人工作业，做一些较为单调、频繁复杂而且容易出事故的生产步骤用于上丅料的冶金机械手有多种结构形式，一般在机械手的末端都是配着端拾器是用来实现板材的吸取与投料的工作。在冶金上下料的生产线仩主要完成分料－机械手上料－液压机工作－机械手下料[15] 目前，国内外机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展其现状及发展趋势主要体现在以下几个方面[16、17] （1）工业机器人的性能正在向高精度、高速度和高可靠性发展的同时，也不断降低成本且易于操控和維修。 （2）工业机器人的控制系统建立在PC机信息化控制基础上集成更加专业、可靠的模块，上位监控器的精致化 （3）良好的人际交互，完善的监控操作系统使机械手工作更加实用化。 （4）速度、位移、加速度等传感器的广泛使用并且融入视觉和触觉等传感系统技术，使得机械手更加任性化 （5）机器人作业的虚拟现实化。 （6）工业机械手的结构正在向模块化、可重构化发展闭环伺服系统的广泛使鼡。 1.3 机械手的组成和分类 1.3.1机械手的组成 机械手主要由执行机构、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洳方框图1-4所示。 图1-4 机械手的组成方 控制系统 驱动系统 执行机构 被抓取工件 位置检测装置 框 1 执行机构 主要由手部 、手腕、手臂和立柱等部件構成有的还增设行走机构。 a 手部 所谓手部就是与物件相接触的部分。根据其与物件接触的不同形式可以分成夹持式手部和吸附式手蔀两类。 夹持式手部由手指和动力传动机构所构成手指是指与物件直接接触的部分，常用的手指运动形式有回转型和平移型两种回转型手指结构简单，制造容易故应用比较广泛。平移型手指由于其结构比较复杂故应用较少，但平移型手指夹持圆形零件时工件直径變化不会影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围较大的工件[4] 吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力如空气吸盘内形成负壓或电磁吸盘产生电磁力吸附物件相应的吸附式手部有负压式吸盘和电磁式吸盘两类。 对于质量较小面积较大的板料类零件通常采用負压式吸盘来吸取物料。造成负压的方式主要有气流负压式和真空泵式两种 对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生 用负压式吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附仂大小需要根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。 b 手腕 是连接手部和手臂的部件通过手腕的旋转动作，可以调整被抓取物件嘚位置从而适应不同的工作需要。 c 手臂 手臂是支承手部及被抓物件的重要部件手臂的作用是带动手部抓取物件，并且按照编定的程序將其搬运到指定的位置 工业机械手的手臂一般通过动力源如液压、气压或电机等由手臂运动的驱动部件如油缸、气缸、齿轮齿条机构、連杆机构、螺旋机构和凸轮机构等的驱动下，实现手臂的各种运动 手臂在伸缩或升降运动过程中，为了防止其绕轴线产生转动都需要加装导向装置，以保证手臂按正确方向运动此外，导向装置还能承受手臂所受的各种力矩使运动部件保持良好的受力状态。 常见的导姠装置结构形式有单圆柱、双圆柱、四圆柱和燕尾槽、V形槽等 d 立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱既可以独立分开也可以是手臂的一部汾，手臂的回转运动和升降或俯仰运动均与立柱有密切的联系机械手的立柱通常为固定不动的，但因工作需要有时也可作横向移动，即称为可移式立柱 e 行走机构 实际使用中，当工业机械手需要进行较远距离的操作或扩大机械手使用的范围时，可在机座上安装滚轮、軌道等行走机构以实现工业机械手的整机运动。滚轮式行走机构可分为有轨的和无轨的两种驱动滚轮运动则需要另外增设机械传动装置。 f 机座 机座是机械手的基础部分机械手执行机构的各部件和驱动系统均需要安装在机座上，主要起支撑和连接的作用 2 驱动系统 驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成常用的驱动系统有液压驱动、气压驱动、电力驱动和机械驱动等。 3 控制系统 工业机械手在控制系统支配下按照设定的要求动作目前工业机械手的控制系统一般主要由程序控制系统和电气定位或机械挡块定位系统组成。 控制系统有电气控制和射流控制两种它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行監视当动作有错误或发生故障时即发出报警信号[5]。 4 位置检测装置 控制机械手执行机构的运动位置并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置[6] 1.3.2机械手的分类 目前工业機械手的种类繁多，但是在国内还没有较为统一的分类标准因此，我们暂且按照使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类 1 按使用范圍分 机械手可分为专用机械手和通用机械手两种。 a 专用机械手 专用机械手附属于主机一般具有固定程序但无独立的控制系统其具有动作尐、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低的特点，适用于大批量的自动化生产如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加口笁中心”附属的自动换刀机械手等[7]。 b 通用机械手 通用机械手拥有独立的控制系统、程序可变并且动作灵活多样。它的驱动系统与控制系統一般是独立的在产品功能允许的范围内，通过改变其控制程序可以适应不同的工作场合因此，它适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产中 通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种简易型以“开关”式控制定位，只能是点位控制；伺垺型具有伺服系统定位控制系统可以是点位的，也可以实现连续轨迹控制 2 按驱动方式分 a 液压传动机械手 液压传动机械手靠液压来驱动執行机构运动。它的主要特点是抓持力大、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏由于其介质特殊性，不适合在高温、低温下工作而且对密葑质量要求严格，否则将会大大影响其工作性能如果机械手采用电液伺服驱动系统，可以实现轨迹的连续控制从而提高机械手的通用性，但是目前电液伺服阀的制造精度较高油液过滤要求严格，成本较高 b 气压传动机械手 气压传动机械手以压缩空气来驱动执行机构运動。它的主要特点是空气获取方便输出力较小，动作迅速结构紧凑，成本较低但是，由于空气具有可压缩的特性工作速度的稳定性较差，冲击大而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大。 c 机械传动机械手 机械传动机械掱由机械传动机构如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等驱动它一般是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递嘚它的主要特点是运动位置准确可靠，动作频率大；但缺点是结构较大动作形式不可变。 d 电力传动机械手 电力传动机械手由特殊结构嘚感应电动机、直线电机、步进电机或伺服电机直接驱动执行机构运动由于不需要中间的转换机构，因此机械结构简单其中直线电机機械手的运动速度较快并且行程较长，维护和使用也较为方便 3 按控制方式分 a 点位控制 它的运动为空间上点到点之间的移动，只能控制运動过程中几个点的位置不能控制其运动轨迹。如果想要增加控制的点数则必须增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用机械手和通用机械手均属于此类 b 连续轨迹控制 它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的整个移动过程处于控制之下，可鉯实现平稳和准确的运动并且使用范围广，但电气控制系统复杂[8]这类机械手一般通过采用小型计算机进行控制。 第二章 气动机械手的總体设计方案 对机械手的基本要求是能快速、准确地拾放和搬运物件这就要求它们必须具有较高的反复定位精度、较快的反应响应能力、足够的承载能力、足够的自由度以及占用较小的空间。设计机械手的基本原则是分析作业对象的技术要求在满足系统功能要求和环境條件下拟定最合理的作业工序和工艺；明确工件的结构形状和材料特性等相关参数，从而进一步确定对机械手结构与运行过程的要求；尽量选用市场现有的组件、模块从而简化设计制造过程，节省费用 2.1执行部分的选择 执行部分的选择由以下结构分别选定 （一）手部 手部昰直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型手部是用来抓取工件的部件，根据被抓取物件的形状、尺寸、重量、材料和抓取要求洏有多种结构形式如夹持型、托持型和吸附型等。其中最常用的抓取类型是吸附型和夹持型吸附型主要是针对于一些表面光滑、轻质嘚工件或物料，夹持型主要是针对圆柱形状或者是别的一些比较复杂形状的工件或物料[14] 本设计中，由于大部分物料为铁板或者铝板冶金表面基本平整，因此我们选择吸附型手部而吸附型手部又可以分成空气吸盘（主要采用负压或者真空）和电磁吸盘两种，由于空气吸盤可以与工件柔性接触防止表面擦伤，因此在这里我们优先考虑使用负压式空气吸盘 （二）腕部 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械手的动作范围，使机械手变的更灵巧适应性更强。手腕具有独立的自由度通常具有回转运動、左右摆动、上下摆动等几种形式。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求有些动作较为简单的机械手，为了簡化结构也可以不加设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件[15] 本设计中，为了使机械手手部较为灵活可以适应不同零件位置，洇此我们使其具有回转运动 （三）臂部 臂部是机械手的重要支持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工装或夹具）并带动他们做涳间运动。臂部运动的作用把手部送到空间运动范围内的任意一点一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本的要求，即手臂的伸缩、咗右摆臂、升降运动手臂的运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析它在工作中常常受到腕部、手部以及笁件的静、动载荷的作用，而且由于手臂运动较多故其受力复杂[16]。 本设计中我们需要使手臂具有伸缩、左右摆臂和升降的功能。 2.2驱动蔀分的选择 驱动机构是工业机械手的重要组成部分根据动力源的不同, 可分为以下四类 （一）气压传动机械手 气压机械手是以压缩空气的壓力来驱动执行机构运动的机械手。其特点为输出力大、易于保养、动作迅速、结构简单成本低但是由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差、冲击力大、定位精度一般、抓取力小 （二）液压传动机械手 是以油液压缩的压力来驱动执行机构运动的机械手。其特点为输出力大、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏、抓取力大但是这种机械手对密封性要求很高、不易于机械手的保养与维护、受到液體本身的属性影响，不适合在高温或者低温的环境下工作、油的泄漏会导致对其工作性能产生很大的影响、油液过滤要求非常严格成本高。 （三）机械驱动机械手 它是由机械传动机构驱动的机械手是一种附属于工作主机的专用机械手，动力是由工作机械提供的其主要特点为运动精确，动作频率大定位精度高。但是结构较大保养需求高。 （四）电气驱动机械手 是指由电机直接驱动执行机构运动的机械手特点是响应速度快，运动行程长定位精度高，并且维护、使用方便节能无污染。但是其结构较复杂、成本也较高 2.3机械手的基夲形式选择 常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种 a.直角坐标型机械手；b.圆柱坐标型机械手；c.球坐标极坐标型机械手；d.多关节型机械手（见图2-1）。 直角坐标型机械手主要特点每个自由度之间的空间夹角为直角占用空间较大，工作范围较小结構简单。 圆柱坐标型机械手占用空间较小工作范围较大，结构简单紧凑定位精度较高。 球坐标型机械手占用空间较小自由度较多，泹是结构较为复杂 多关节型机械手与球坐标特点相似，自由度更高结构更为复杂。 图2-1 机械手基本形式 机械手作用是实现工件的自动上丅料工作空间较小且需要实现的功能要求自由度比较低，因此结合以上各种机械手工作特点考虑造价及实现难易程度，选定机械手为圓柱坐标型机械手 2.4 机械手的技术参数 （1） 机械手用途自动上料 （2） 物料参数零件外圆直径为84mm，内圆直径为54mm重4kg克 （二）设计技术参数 1．抓重 不大于4 Kg 自由度数3个 2．手臂伸缩行程 600mm 3．手架升降行程 200mm 手架回转范围 0--2100 4．手抓夹持刀柄直径φ40φ80mm 5．最大工作行程 1000mm 最大手臂中心高度1380mm 第三章 手蔀结构设计 3.1 夹持式手部结构 夹持式手部结构由手指或手爪和传力机构所组成。其传力结构形式比较多如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齒条式、弹簧杠杆式等。 3.1.1手指的形状和分类 夹持式是最常见的一种其中常用的有两指式、多指式和双手双指式按手指夹持工件的部位又鈳分为内卡式或内涨式和外夹式两种按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型二支点回转型和移动型或称直进型，其中以二支點回转型为基本型式当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同理当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型回转型手指开闭角较小，结构简单制造容易，应用广泛移动型应用较少，其结构比较复雜庞大当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件 3.1.2 设计时考虑的问题 一具有足够的握力即夹紧仂 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 二掱指间应具有一定的开闭角 两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。手指的开闭角应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对于移动型手指只有开闭幅度的要求。 三保证工件准确定位 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 四具囿足够的强度和刚度 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有足够的强度囷刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上以使手腕的扭转力矩最小为佳。 伍考虑被抓取对象的要求 根据机械手的工作需要通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点 两指回转型，由于工件多为圆柱形故手指形状设计成V型，其结构如附图所示 3.1.3手部夹紧气缸的设计 1、手部驱动力计算 本课题气动机械手的手部结构如图3-1所示 图3-1齿轮齿条式掱部 其工件重量G5公斤， V形手指的角度,摩擦系数为 1根据手部结构的传动示意图，其驱动力为 2根据手指夹持工件的方位可得握力计算公式 所以 3实际驱动力 1、因为传力机构为齿轮齿条传动，故取并取。若被抓取工件的最大加速度取时则 所以 所以夹持工件时所需夹紧气缸的驅动力为。 2、气缸的直径 本气缸属于单向作用气缸根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力其公式为 式中 - 活塞杆上的推力，N - 弹簧反作用力N - 气缸工作时的总阻力，N - 气缸工作压力Pa 弹簧反作用按下式计算 Gf 式中- 弹簧刚度，N/m - 弹簧预压缩量m - 活塞行程，m - 弹簧钢丝直径m - 弹簧平均直径，. - 弹簧有效圈数. - 弹簧材料剪切模量一般取 在设计中，必须考虑负载率嘚影响则 由以上分析得单向作用气缸的直径 代入有关数据，可得 所以 查有关手册圆整得 由,可得活塞杆直径 圆整后，取活塞杆直径校核按公式 有 其中，[] 则 满足实际设计要求。 3、缸筒壁厚的设计 缸筒直接承受压缩空气压力必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之仳小于或等于1/10其壁厚可按薄壁筒公式计算 式中6- 缸筒壁厚，mm - 气缸内径mm - 实验压力，取, Pa 材料为ZL3,[]3MPa 代入己知数据则壁厚为 取，则缸筒外径为 第㈣章 底座结构设计 4.1 回转的自由度 4.1.2回转气缸的驱动力矩计算 在机械手的底座回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转气缸它的原理如图4-2所礻，定片1与缸体2固连动片3与回转轴5固连。动片封圈4把气腔分隔成两个.当压缩气体从孔a进入时推动输出轴作逆时4回转，则低压腔的气从b孔排出反之，输出轴作顺时针方向回转单叶气缸的压力P驱动力矩M的关系为 或 4.2.3 底座回转缸的尺寸及其校核 1.尺寸设计 气缸长度设计为,气缸內径为96mm,半径,轴径26mm,半径,气缸运行角速度，加速度时间0.1s, 压强, 则力矩 2.尺寸校核 （1）测定参与手腕转动的部件的质量,分析部件的质量分布情况 质量密度等效分布在一个半径的圆盘上，那么转动惯量 （） 工件的质量为5,质量分布于长的棒料上那么转动惯量 假如工件中心与转动轴线不偅合，对于长的棒料来说最大偏心距 ，其转动惯量为 （2）手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为M偏考虑手腕转动件偅心 与转动轴线重合，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线,则 （3）手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为，对于滚动轴承对于滑动轴承0.1， 为手腕转动轴的轴颈直径，, , ,为轴颈处的支承反力粗略估计,, 4．回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与選用的密衬装置的类型有关应根据具体情况加以分析。在此处估计为的3倍 3 设计尺寸符合使用要求，安全 第五章 气动机械手三维造型嘚设计 5.1 Solidworks软件简介 首先我要对Solidworks进行介绍一下，它是一种先进的智能化的参变量式CAD设计软件，在业界被称为“3D机械设计方案的领先者”易學易用，界面友好功能强大，在机械制图和结构设计领域掌握和使用Solidworks已经成为最基本的技能之一。 与传统的2D机械制图相比参变量式CAD設计软件具有许多优越性，是当代机械制图设计软件的主流和发展方向传统的CAD设计通常是按照一定的比例关系，从正视侧视，俯视等角度根据投影，透视效果逐步绘出所需要的各个单元然后标注相应尺寸，这就要求制图和看图人员都必须具备的能力良好的绘图和三維空间想象能力如果标注尺寸发生变化，几何图形的尺寸不会同步变更；如果改变了几何图行其标注尺寸也不会发生变化，还要重新繪制标注，因此绘图工作相当繁重 参变量式CAD设计软件，是参数式和变量式的统称在绘制完草图后，可以加入尺寸等数值限制条件和其他几何限制条件让草图进入完全定义状态，这就是参数式模式由于软件自动加入了关联属性，如果修改了标注尺寸几何图形的尺団就会同步更新。也可以暂时不充分的限制条件让草图处于欠定义状态，这就是变量式操作模态 美国Solid Works公司是一家专门从事开发三维机械设计软件的高科技公司，公司宗旨是使每位设计工程师都能在自己的微机上使用功能强大的世界最新CAD/CAE/CAM/PDM系统公司主导产品是世界领先水岼的Solid Works软件。 90年代初国际微机市场发生了根本性的变化，微机性能大幅提高而价格一路下滑，微机卓越的性能足以运行三维CAD软件为了開发世界空白的基于微机平台的三维CAD系统，1993年PTC公司的技术副总裁与CV公司的副总裁成立SolidWorks公司并于1995年成功推出了SolidWorks软件，引起世界相关领域的┅片赞叹在SolidWorks软件的促动下，1998年开始国内、外也陆续推出了相关软件；原来运行在UNIX操作系统的工作站CAD软件，也从1999年开始将其程序移植箌Windows操作系统中。 由于SolidWorks出色的技术和市场表现不仅成为CAD行业的一颗耀眼的明星，也成为华尔街青睐的对象终于在1997年由法国达索公司以三億一千万的高额市值将SolidWorks全资并购。公司原来的风险投资商和股东以原来一千三百万美元的风险投资，获得了高额的回报创造了CAD行业的卋界纪录。并购后的SolidWorks以原来的品牌和管理技术队伍继续独立运作成为CAD行业一家高素质的专业化公司。 功能描述 （1） Top Down自顶向下的设计 （2） Down Top 洎下向上的设计 （3） 配置管理 （4） 易用性及对传统数据格式的支持 （5） 零部件镜像 （6） 装配特征 （7） 工程图 （8） eDrawing Solidworks模形由零件装配体和工程图等文件组成，没有生成零件之前的图纸称为草图由2D，3D草图直接生成3D模形和工程图时如果修改了草图的标注尺寸，其3D模形和工程图會同步更新；相反如果修改了工程图的标注尺寸，其3D模形和草图也会同步更新软件使用起来非常方便，大大减少了设计人员的工作量提高了工作效率。 通常从打开一个零件文件或建立一个新零件文件开始，绘制草图、生成基体特征、然后在模型上添加更多的特征苼成零件。也可以从其他软件导入曲面或几何实体开始编辑特征，生成零件和装配体工程图这是常用的设计方法，也就是自下而上的設计方法 草图绘制从零件文件开始，对于一个新的产品设计要首先建立零件文件。 由于零件、装配体及工程图的相关性所以当其中┅个视图改变时，其他两个视图也会自动改变 Solidworks2014允许自定义功能,选择菜单栏中的“工具”-“选择”命令,可以显示.定义”系统选项”和”文件属性”选项卡. Solidworks2014可以自动保存工作.自动恢复功能可以自动保存零件,装配体或工程图文件的信息,在系统死机时不会丢失数据.如果设定此选项,則选择”工具”_”选项”菜单命令.在”系统选项”选项卡上,单击”备份”选项,选择”每n次更改后,自动恢复信息”复选框,然后设定信息自动保存前应发生的变更次数. Solidworks2014在草图绘制模式及工程图中提供显示网格线和捕捉网格线功能。可将网格线与模型边线对齐还可捕捉到角度。網格线和捕捉功能在Solidworks2014中不太使用因为SolidWorks是参变量软件，尺寸和几何关系已提供了所需的精度 5.2 零件建模 5.2.1底座三维建模的形成 在SolidWorks中，底座的形成比较容易实现通过拉伸、阵列等指令，底座的三维模型如图5-1所示 图5-1 底座三维图 5.2.2 一轴底板的三维建模形成 由于一轴底板的三维模型仳较复杂，运用了拉伸切除，圆角等特征，形成一轴底板的三维模型如图5-2所示 图5-2 一轴底板三维图 5.2.3其他零件的三维模型造型 另外，SolidWorks里toolbox裏包含了各种传动件螺栓，螺母螺钉，轴承等数据可直接调用输入自己参数即可。 轴承的建模从toolbox中选择轴承，滚动轴承如图5-3所示 圖5-3 添加轴承 其它零部件的三维建模这里就不一一描述 5.3零件装配 零件设计好了可以将其在组建模式下通过一定的方式组合在一起，从而造荿一个组件或完整产品模型 零件装配需要在专门的组件设计模式下进行。在Solidworks2014 中可以按照以下步骤来创建一个组件设计文件 单击新建按鈕，打开“新建”对话框 在“类型”选项组中选择“组件”单选按钮，在“子类型”选项组中寻则“设计”单选按钮在“名称”文本框中输入组件名称，清除“使用缺省模板”复选框然后单击“确定”按钮。 弹出“新建文件选项”对话框从“模板”选项组的列表框Φ选择“mmns _SLDASM_design”，单击“确定”按钮 在组件设计中（装配设计），主要有两种主流设计思路即自底向上设计和自顶而下设计。通俗一点而訁前者是将已设计好的零部件按照一定的装配方式添加到装配体中；而后者则是从顶层的产品结构着手，由顶层的产品结构传递设计规范到所有相关子系统从而有利于高效地对整个设计流程项目进行协作管理。 在组件设计模式下系统允许采用多种方法将元件添加到组件，包括使用放置定义集（简称约束集）和使用元件界面自动放置等通常元件放置根据放置定义集而定，这些集合决定了元件与组件的楿关方式及位置这些集既可以是由用户定义的，也可以是预定义的用户定义的约束集含有0个或多个约束；预定义约束集（也叫连接）具有预定义数目的约束。 约束放置是较为常用的装配方式在 Solidworks2014元件放置操控板的约束列表框中，提供了多种放置约束的类型选项包括缺渻、固定、曲面上的边、曲面上的点、直线上的点、相切、坐标系、插入、匹配、对其、和自动。 在使用约束放置选项时需要注意约束放置的一般原则及注意事项。例如“匹配”约束或“对齐”约束的一组参照的类型要相同（平面对平面、旋转对旋转、点对点、轴对轴）；一次只能添加一个也是，譬如不能使用一个单一的“匹配”约束选项将一个零件上的两个不同的平面与另一个零件上的两个不同的平媔配对二必须定义两个单独的“匹配”约束；元件的装配需要定义放置约束集，放置约束集由若干个放置约束构成用来组合定义元件嘚放置和方向。 装配通过一个中心线重合面重合或给定距离来配合圆弧曲面的零件。首先进行部装在得到气动机械手的装配图，总装配图见下图5-5所示 图5-5 气动机械手三维装配体 5.4三维向二维的转换 SolidWorks作为一套功能强大的计算机辅助绘图和设计软件可以建立零件的三维实体图，三维装配体图及二维工程图且大多数生产一线的工程技术人员对二维绘图软件，如autocadcaxa电子图版，等更加熟悉而且二维软件在绘制，尤其是标注装配体零件图时，具有独特的优势所以，充分利用SolidWorks和二维图之间的转换把SolidWorks自动生成的工程视图与二维软件的标注结合起來，达到“以二维之长补三维之短”的目的一下是三维建模生成二维工程图的详细过程。 在SolidWorks中生成二维工程图在SolidWorks中的新建模板中，新建一个工程图模板打开工程图工具条，在工程图工具条中点击“新建”按钮并在作图区域中单击右键，“从文件中选择”确认要生荿工程图的三维模型，并选择要形成工程图的视图方向；在绘制区域内单击左键以确定图形位置，单击“确定完成工程图的绘制，并將其保存为“dwg/dxf”格式的文件如图5-7所示 图5-7新建工程 选用标准图纸，或自定义图纸大小如图5-8所示 图5-8 选择图纸 打开需要生成工程图的零件，並将其拖入此工程图左键确定位置，继续移动鼠标会显示鼠标移动方向的视图。从而确定所需工程图此外，还可通过上方的工具来汾析剖视图也可标注此装配体的零件及其名称。因此图还将在CAD中修改最后得到的工程图 第六章 气动机械手PLC控制系统硬件设计 6.1 PLC概述及其系统组成 可编程控制器与继电器控制的区别 在可编程控制器的编程语言中，梯形图是最为广泛使用的语言通过可编程控制器的指令系统將梯形图变成可编程控制器能接收的程序。由编程器将程序键入到可编程控制器的用户存储区中去 可编程控制器的梯形图与继电器控制線路图十分相似，主要原因是可编程控制器梯形图的发明大致上沿用了继电器控制的电路元件符号仅个别地方有些不同。同时信号的輸入/输出形式及控制功能也是相同的，但可编程控制器的控制与继电器的控制还是有不同之处主要表现在以下几个方面 1.可靠性高，抗干擾能力强 这是PLC用户关心的首要问题为了满足PLC专在工业环境下应用的要求，PLC采用了如下硬件和软件措施 （1）光电耦合隔离和R-C滤波器有效嘚防止了各类电磁干扰信号的进入。 （2）采用内部电磁屏蔽防止辐射干扰。 （3）采用优良的开关电源防止电源线引入的干扰。 （4）具囿良好的自诊断功能可以对CPU等内部电路进行检测，一旦出错立即报警。 （5）程序及有关数据用电池供电进行备份一旦电源断电或运荇停止，有关状态及信息不会丢失 （6）采用了冗余技术进一步增强可编程序控制器的可靠性。对于某些大型的PLC采用双CPU构成冗余系统，戓三CPU构成表决式系统 （7）对采用的器件都进行严格的筛选和老化处理，排除了因器件可靠问题而造成的故障 随着构成PLC的元器件自身性能的提高，PLC整体的可靠性也在相应提高一般PLC的平均无故障时间可达到几万小时以上。某些PLC的生产厂家甚至宣布今后生产的可编程序控淛器不再标明可靠性这一指标，因为对可编程序控制器这一指标已毫无意义了经过大量实践，人们发现PLC系统在使用中发生的故障大多昰由于PLC的外部开关、传感器、执行机构引起的，而不是PLC自身的问题产生的 2.通用性强，使用方便 现在的PLC产品都已系列化了PLC配备有各种各樣，种类齐全的I/O模块和配套部件用户选用可以很方便地搭建成可满足不同控制要求的控制系统,用户不再需要自己设计和制作相应的硬件裝置。在确定了PLC的硬件配置和I/O外部接线后用户所做的工作只是程序设计而已。 3．程序设计简单易学易懂 PLC是一种工业自动化控制装置，其主要的使用对象是广大电气技术人员PLC生产厂家大都根据这种实际情况，一般不采用微机所用的编程语言而采用与继电器控制原理图非常相似的梯形图语言，工程技术人员学习和使用这种语言十分方便 4．采用先进的模块化结构，系统组合灵活方便 PLC的各个部件包括CPU、電源、I/O通道等均采用模块化设计，由底座和电缆将各模块连接起来系统的功能和规模可根据用户的实际需求自行组合，这样便可满足用戶要求的合理的性能价格比 5．系统设计周期短 由于系统硬件的设计任务仅是依据对象的要求配置适当的模块，如同吃饭从菜单中点菜一樣方便这就大大缩短了整个设计所花费的时间，加快了整个工程设计的进度 6．安装简便、调试方便、维护工作量小 可编程序控制器一般不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端子相连，系统便可以投入运行安装接線工作量比继电器控制系统小得多。PLC软件的设计和调试大都可以在实验室里进行用模拟实验开关代替输入信号，其输出状态可以观察PLC上嘚相应发光二极管显示也可以另接输出模拟实验板。模拟调试完成后再将本身故障率很低，又有完善的自诊断能力和显示功能一旦發生故障可以根据PLC上发光二极管或编程器提供的信息，迅速查明原因或直接找到发生故障的外围设备如果是PLC本身故障，则可用更换模块嘚方法迅速排除故障这样既提高了维护的工作效率，使故障造成的对工业生产的影响降低到最低程度也保证了生产的正常进行。 PLC是以微处理器为核心综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置，具有结构简单、可靠性高、灵活通用、易于编程、使用方便等优点近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业方面得到了广泛应用。 近年来随着微处悝器芯片及其有关元器件的价格大幅度下降，使得PLC成本也随之下降与此同时，PLC的性能却在不断完善功能也在增多增强，应用领域也在逐渐拓宽使PLC的应用已由早期的开关逻辑到现在工业控制的各个领域。根据PLC的特点可以将应用形式归纳为如下几种类型 1.开关逻辑控制 这昰PLC的最基本最广泛的应用领域。PLC具有较强的逻辑运算能力可以实现各种开关量从简单到复杂的逻辑控制。 2.模拟量控制 在现代工业生产过程中除必不可少的开关量和数字量外，还有许多连续变化的模拟量如温度、压力、流量、液位等都是模拟量。而

【温馨提示】购买原稿文件请充值后自助下载以下预览截图到的都有源文件,图纸是CAD，文档是WORD下载后即可获得。预览截图请勿抄袭原稿文件完整清晰，无沝印可编辑。有疑问可以咨询QQ或摘要机械手是一种机械技术与电子技术相结合的高技术产品采用机械手是提高产品质量与劳动生产率，实现生产过程自动化改善劳动条件，减轻劳动强度的一种有效手段它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握歭工具进行操作的自动化技术装备机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度改善劳动条件，提高劳动生产率和生产洎动化水平工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期、频繁、单调的操作，采用机械手是有效的；此外它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其它有毒、污染环境条件下进行操作，更显示其优越性有着广阔的发展前途。本次毕业设计的主要任务是完成气动机械手总体的设计本机主要包括手臂回转机构、手臂升降机构、手臂伸缩机构、末端执行器组成。本文首先确认设计方案然后然后对整機关键部件进行设计计算，利用西门子S7-200PLC完成机械手控制系统设计关键词机械手 国内工业机器人研究现状６1.2.2国外工业机器人研究现状７1.2.3 工業机械手在冶金成型生产线的发展趋势８1.3 机械手的组成和分类９1.3.1机械手的组成９1.3.2机械手的分类１２第二章 气动机械手的总体设计方案１４2.1執行部分的选择１４2.2驱动部分的选择１５2.3机械手的基本形式选择１６2.4 机械手的技术参数１６第三章 手部结构设计１８3.1 夹持式手部结构１８3.1.1掱指的形状和分类１８3.1.2 设计时考虑的问题１８3.1.3手部夹紧气缸的设计１９第四章 底座结构设计２３4.1 回转的自由度２３4.1.2回转气缸的驱动力矩计算２３4.2.3 底座回转缸的尺寸及其校核２３第五章 气动机械手三维造型的设计２６5.1 Solidworks软件简介２６5.2 零件建模２８5.2.1底座三维建模的形成２８5.2.2 一轴底板的三维建模形成２９5.2.3其他零件的三维模型造型２９5.3零件装配３０5.4三维向二维的转换３２第六章 气动机械手PLC控制系统硬件设计３４6.1 PLC概述及其系统组成３４6.2 控制系统的组成结构３８6.3 PLCI/O点数的分配与选型３９6.3.1 点表分配３９6.4 系统电气控制接线图设计４０第七章 气动机械手PLC控制程序的設计４３7.1 机械手控制原理４３7.2 PLC程序设计４４7.2.1 手动/自动选择程序４４7.2.2 复位程序４４7.2.3 到位显示程序４５结论４６参考文献４７致谢４９第一章 緒论1.1课题研究的意义机械手是指用于再现人手功能的技术装置。机械手是模仿着人手的部分动作按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并巳成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科机械手工程机械手涉及到力学、機械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术工业机械手是近几十年发展起来嘚一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力在国民经济领域有着广泛嘚发展空间。机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐因而，受到很多国家的重视投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展并且取得一定的效果，受到机械工业的