摘 要

工业机器人在现在的生产制造中起着至关重要的作用，工业机器人具有精度高、响应快、控制方便等优点，工业机器人的使用不仅可以大大降低工人的劳动强度，还可以代替工人执行一些不方便或者具有危险的操作。

论文主要针对一种为数控车床上下料的圆柱坐标机器人进行了结构设计。传统圆柱坐标机器人的传动主要为为液压缸，这使得机器人结构比较笨重，而且精度不高。本文中所设计的机器人用伺服电机提供动力，用同步带和丝杆螺母传递动力。这不仅降低了机械手的重量，而且还提高了精度。

本次设计中，我主要完成了机器人整体及关键零部件结构的设计计算，包括电机选型、零部件强度与寿命校核，同时完成了运动仿真及机械手危险部件的有限元分析。

关键词：工业机器人；圆柱坐标；结构设计；运动仿真；有限元分析

Abstract

Industrial robots play an important role in today’s manufacturing.The industrial robot has the characteristics of high precision, fast response, easy control ，etc. The use of industrial robots can not only reduce the labor intensity of workers, but also can help do the works that man can’t reach or dangerous work.

In this thesis, a cylindrical coordinate robot is designed, which is used to feeding and unloading raw material for the CNC lathes. The power source of traditional cylindrical coordinate robot is mainly the Hydraulic cylinder.This makes the robot heavier, and the accuracy is not high. In this thesis, the cylindrical coordinate robot uses servo motor to provide power and use screw nut to transmit power, which not only reduces the overall weight of the robot, but also improves the accuracy of the robot.

In this design,.I mainly completed the structural design, which contains the choose of electric motor and verification of dangerous parts.Meanwhile I finished the finite element analysis of dangerous parts and motion simulation of the robot.

Key Words：Industrial Robot；Cylindrical coordinate；Structure design；Motion simulation；FEA

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外现状分析 1

第2章 设计方案 3

2.1设计参数 3

2.2方案设计 4

2.3本章小结 4

第3章 手部设计 5

3.1驱动力的计算 6

3.2手爪的加持误差分析 7

3.3驱动气缸的计算 8

3.4本章小结 9

第4章 腕部的设计 10

4.1腕部结构的设计 10

4.2同步带传动设计 11

4.3电机及减速器的选型 13

4.3.1 电机选型 13

4.3.2 减速器选型 14

4.4本章小结 14

5章臂部的设计 15

5.1移动臂强度的校核 15

5.2 固定臂 17

5.2.1导轨滑块的选择 17

5.2.2传动结构的设计 21

5.2.3固定臂强度校核 26

5.3本章小结 27

第6章 机身及底座的设计 28

6.1支撑立柱的强度校核 28

6.2竖直移动丝杆螺母的选型 28

6.3底座的设计 29

6.3.1齿轮的设计 29

6.3.2电机与谐波减速器的选型 30

6.4 本章小结 31

第7章 运动仿真及有限元分析 32

7.1 SolidWorks运动仿真 32

7.2 有限元分析 33

7.2.1固定臂有限元分析 34

7.2.2立柱及立柱底座有限元分析 35

7.3 本章小结 36

第8章 总结与展望 37

参考文献 38

附录 39

致 谢 40

第1章 绪论

1.1 研究背景

自从第一台工业机器人投入使用以来，它的高效率、低成本等优势逐渐体现出来。这就导致了其需求量的增加，需求量的增加及新技术的出现使其得到了良好的的发展。目前，其已被运用到各种生产车间，尤其是与汽车相关的零部件制造业及电子机械行业等大量需要重复性工作的工序。工业机器人的使用可以提高生产效率和产品质量，同时工业机器人可以代替人完成一些具有危险性的操作，如下腐蚀环境中或者高温环境下作业。我国要想成为工业强国，实现中国梦，实现民族的复兴离不开工业机器人的研发与使用，因此对工业机械手的研发与制造对我国的未来发展有着重大意义。

图 1.1 六自由度机器人 图1.2圆柱坐标机器人

1.2 国内外现状分析

1.2.1国外现状

发达国家的工业机器人起步较早，经过几十年的研发与制造，它们在整体结构设计、机器人语言编写、关键零部件的设计与制造等方面的技术已经趋于成熟，在世界上有着较高的知名度、而且市场占有率高的机器人，如ABB、KUKA等机器人等均为外国产品。

日本的机器人在二战后得到发展，比美国发展的晚。但日本的进步速度非常快。早期通过与美国合作引进机器人。后来，在引进的基础上实现本地生产，并进一步实现了开发与技术应用。经过多年的不断摸索，日本在技术上获得很大的提升与改善。工业机器人的使用，降低了生产成本，这使得日本的汽车可以以低廉的价格进军全球市场，甚至包括市场基本已经饱和的美国。日本不仅在机器人整机方面处于世界领先地位，其在机器人关键部件的制造方面同时也处于世界领先地位，如谐波减速器、传感器等。

1.2.2国内现状