施釉机器人工件转台结构设计.docx
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施釉机器人工件转台结构设计
学号：
毕业设计说明书
设计题目：
施釉机器人工件转台结构设计
学生姓名：
专业班级：
学院：
指导教师：
2006年06月16日
目 录
摘 要1
Abstract2
1绪论3
1.1课题的来源3
1.2机器人概述3
1.2.1机器人的分类4
1.3工业机器人的发展5
1.3.1工业机器人的发展史5
1.3.2工业机器人的产业状况7
1.3.3工业机器人的应用8
2施釉机器人工件转台结构方案的确定13
2.1本文研究的主要内容13
2.1.1初定设计方案13
2..1.2作业要求及方案的确定15
2.1.3分析作业任务，确定总体结构方案的设计16
3设计步骤及主要内容17
3.1动力源的选择17
3.1.1汽缸的选择17
3.1.2电机的选择17
3.2传动件的设计19
3.2.1同步带传动设计19
3.2.2主轴设计22
3.2.3键的选择及校核28
3.2.4活塞杆的设计29
3.3轴承的选择及计算31
4三维实体造型及三维仿真34
4.1Pro/ENGINEER简介34
4.2特征的形式36
4.3Pro/ENGNEER的基本模块（Foundation）36
4.4运动仿真模块（MotionSimulationOption）37
4.5建模过程37
结论45
致谢46
参考文献47
摘 要
近年来，各种各样的机器人层出不穷，应用极为广泛。
本次设计的施釉机器人就是应用于陶瓷产业的工业机器人，它的主要作用是对半成品陶瓷工件进行施釉加工。
本文是在参考和查阅了国内外大量有关机器人及喷涂机器人设计理论及相关知识的资料、文献和前人的设计经验的基础上，综合了具体作业要求及作业特点，主要研究了施釉机器人的工件转台部分方案的确定，以及各个部分的结构设计和相应的计算。
首先，根据该机器人的作业特点及空间要求，确定了一种能将工件顶起并同时使工件连续旋转的转台式构形；其次，按照加工工艺要求及已知部分参数的前提下，确定了该工件转台的各部分的性能参数并进行了虚拟样机设计；再次，通过具体的作业特点及其他性能要求对该结构进行了运动学分析，并根据分析的结果进行总体结构设计；最后，运用PRO/E软件，对该机器人工件转台做三维实体造型和三维仿真。
关键词：
转台；三维实体造型；三维仿真
全部设计资料联系小企鹅：
229780692
Keywords：
turnplate,entitymodelingofthreedimensions,SimulationofThreedimensional
1绪论
1.1课题的来源
本设计课题来自指导教师的科研及其学术研究课题。
是对指导老师已经研制成功并投入使用的施釉机器人工件转台结构的设计，属工业机器人研究范畴。
在该机器人的各个部分当中，工件的转台结构具有重要作用，它负责工件的定位、安装及传送。
在查阅了国内外大量的有关机器人及喷涂机器人设计理论及相关知识的资料和文献的基础上，考察了具体作业任务的特点，在此基础上，进行了该转台的方案设计和相关的结构设计。
该部分为施釉机器人的第六个自由度——工件转台，施釉机器人主要用于陶瓷产业，它的主要作用是对陶瓷产品进行施釉，属于工业机器人范畴。
1.2机器人概述
机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一，自60年代初问世以来，经历40年的发展已取得长足的进步。
工业机器人在经历了诞生——成长——成熟期后，已成为制造业中不可少的核心装备，世界上有约75万台工业机器人正与工人朋友并肩战斗在各条战线上。
喷涂机器人作为机器人家族的后起之秀，由于其用途广泛而大有后来居上之势，仿人形机器人、农业机器人、服务机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、娱乐机器人等各种用途的特种机器人纷纷面世，而且正以飞快的速度向实用化迈进。
机器人的出现并高速发展是社会和经济发展的必然，是为了提高社会的生产水平和人类的生活质量，让机器人替人们干那些人干不了、干不好的工作。
在现实生活中有些工作会对人体造成伤害，比如喷漆、重物搬运等；有些工作要求质量很高，人难以长时间胜任，比如汽车焊接、精密装配等；有些工作人无法身临其境，比如火山探险、深海探密、空间探索等；有些工作不适合人去干，比如一些恶劣的环境、一些枯燥单调的重复性劳作等；这些都是机器人大显身手的地方。
服务机器人还可以为您治病保健、保洁保安；水下机器人可以帮助打捞沉船、铺设电缆；工程机器人可以上山入地、开洞筑路；农业机器人可以耕耘播种、施肥除虫；军用机器人可以冲锋陷阵、排雷排弹……
广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。
和计算机、网络技术一样，工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。
1.2.1机器人的分类
机器人的分类，国际上没有制定统一的标准，有的按负载重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按结构分，有的按应用领域分。
我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。
所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。
而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：
服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。
在特种机器人中，有些分支发展很快，有独立成体系的趋势，如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器人等。
目前，国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类：
制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人，这和我国的分类是一致的
一般的分类方式见表1：
表1机器人的分类
分类名称
简要解释
操作型机器人
能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。
程控型机器人
按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。
示教再现型机器人
通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行作业。
数控型机器人
不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业。
感觉控制型机器人
利用传感器获取的信息控制机器人的动作。
适应控制型机器人
机器人能适应环境的变化，控制其自身的行动。
学习控制型机器人
机器人能“体会”工作的经验，具有一定的学习功能，并将所“学”的经验用于工作中。
智能机器人
以人工智能决定其行动的机器人。
工业机器人（通用及专用）一般指用于机械制造业中代替人完成具有大批量、高质量要求的工作，如汽车制造、摩托车制造、舰船制造、某些家电产品（电视机、电冰箱、洗衣机）、化工等行业自动化生产线中的点焊、弧焊、喷漆、切割、电子装配及物流系统的搬运、包装、码垛等作业的机器人；是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。
自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来，机器人技术及其产品发展很快，已成为柔性制造系统（FMS）、自动化工厂（FA）、计算机集成制造系统（CIMS）的自动化工具。
1.3工业机器人的发展
1.3.1工业机器人的发展史
早在20世纪初，随着机床、汽车等制造业的发展就出现了机械手．1913年美国福特汽车工业公司安装了第一条汽车零件加工自动线，为了解决自动线、自动机的上下料与工件的传送；采用了专用的机械手代替人工上下料及传送工件．可见专用机械手就是作为自动机、自动线的附属装置出现的。
到了40年代，随着原子能工业的产生，出现了另一类半自动化抓取搬运装置——操作机。
在原子能工业中用它来进行放射性材料的加工、处理和实验，在兵工生产中用它来进行易燃、易爆等火工品的加工、装配操作。
这类装置的特点是不附属于某一工作主机，并且靠人来操纵。
因此有人将这类操作装置称为主仆式操作机、遥控操作机、操纵型机器人等。
随着工业机器人向更深更广方向的发展以及机器人智能化水平的提高，机器人的应用范周还在不断地扩大，已从汽车制造业推广到其他制造业，进而推广到诸如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统维护维修机器人等各种非制造行业。
此外，在国防军事、医疗卫生、生活服务等领域机器人的应用也越来越多，如无人侦察机（飞行器）、警备机器人、医疗机器人、家政服务机器人等均有应用实例。
机器人正在为提高人类的生活质量发挥着重要的作用。
在国外，工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备被工业界广泛应用。
“工业机器人”这种自动化装置出现的比较晚．它的研究工作是50年代初从美国开始的．日本、苏联、欧洲的研制工作比美国大约晚10年。
但是日本的发展速度比美国快。
欧洲特别是西欧各国比较注意工业机器人的研制和应用，其中英国、联邦德国、瑞典、挪威等国的技术水平较高，产量也较大。
1954年英国人G·C·戴万获得了一项工业机器人专利。
到1958年，美国机械与铸造公司（A·M·F）研制成功一台数控自动通用机器，商品名为Versatran，并以‘工业机器人’（IndustrialRobot）为商品广告投入市场。
这就是世界上最早的工业机器人。
当时美国人以“工处机器人”作商品广告，是因为Robot一词非常引人注目．早在1920年，捷克著名剧作家卡雷尔·查培克写了名为“罗沙姆万能机器人公司”的剧本，该剧本以幻想中的机器人世界为题材，主人翁的名字就叫“Robota”。
“Robota”一词在捷克语中具有“佣人”、“奴隶”之意。
在斯洛伐克语中有“工人”、“劳动者”之意。
英语中的“Robot”一词就是从“Robota”一词派生来的。
后来，“Robot”成了许多科学幻想小说的主角，受到人们的喜爱。
在美国机械与铸造公司研制成Versatran的同一年，英团联合控制公司也研制成功“万能自动工业机器人”，商品名为“Unimate”。
这种机器人采用了戴万的方案，完全象坦克炮塔，可以回转、伸缩、俯仰等．后来美国联合控制公司马普鲁曼公司合并为‘万能自动公司’，即Unimation公司，专门生产工业机器人。
从此之后，美国的工业机器人技术的发展，大致经历了以下几个阶段：
（1）1963——1967年为实验定型阶段。
1963—1966年，万能自动公司制造的工业机器人供用户做工艺实验。
1967年，该公司生产的工业机器人定型为1900型。
（2）1968——I970年为实际应用阶段。
这一时期，工业机器人在美国进入应用阶段。
例如，美国通用汽车公司1968年订购了68台工业机器人；1969年该公司又自行研制出SAM型工业机器人，并用21台组成了点焊小汽车车身的焊接自动线；又如，美国克莱斯勒汽车公司，32条冲压白动线上的448台冲床都用工业机器人传递工件。
（3）1970年至今一直处于技术发展和推广应用阶段．1970——1972年，工业机器人处于技术发展阶段。
1970年4月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业机器人会议。
据当时统计，美国已采用了大约200台二业机器人，工作时间共达60万小时以上。
与此同时，出现了所谓高级机器人，例如，森德斯兰德公司（Sundstrand）发明了用小型计算机控制50台工业机器人的系统.又如，万能自动公司制成了由25台工业机器人操纵的汽车车轮生产自动线。
麻省理工学院研制了具有“手眼”系统的高识别能力的微型机器人。
其它国家，如日本、苏联，西欧，大都是从1967、1968年开始以美国的“Versatran”和“Unimate”型机器人为兰本开始进行研制的。
就日本来说，1967年，日本丰田织机公司引进美国的“Versatran”，川崎重工公司引进“Unimate”，并获得迅速发展。
通过引进技术、仿制、改造创新，很快研制出日本国产化的工业机器人，技术水平很快赶上了美国并超过了其它国家。
经过大约10年的实用化时期之后，从1980年开始进入了广泛的普及时代。
1.3.2工业机器人的产业状况
日本工业机器人的发展令人瞩目，素有“机器人王国”之称。
日本机器人协会的统计，2004年全年日本工业机器人的定单较去年增长了17.8%，达到了4995.6亿日元（48亿美元），是连续第三年大幅度增长。
2004年全年日本工业机器人销售额为4458.3亿日元，同比增长13.4%。
2005年第一季度，日本工业机器人销售额为1289亿日元，较去年同期增长13.6%。
据联合国欧洲经济委员会（UNECE）和国际机器人联合会（IFR）的统计，至2003年末，在美国运行的机器人总量为112400套，比2002年增长7%。
预计到2007年底，运行的机器人数量将达到145000套。
就每万雇员拥有工业机器人数进行统计，至2003年末，美国制造业中，每1万雇员拥有63个工业机器人。
尽管从排名上说，美国已经进入世界前十名，但其与前几名仍然有着很大的差距，仅相当于德国的43％，意大利的54％，欧盟的68％，详见图1。
与普通的制造业相比，美国汽车工业中每万个产业工人拥有的工业机器人数量大大提高，达到740个，但仍然远远低于日本（1400个机器人）、意大利（1400个机器人）和德国（1000个机器人）。
图12003年，制造业中每1万名雇员拥有工业机器人的数量
1.3.3工业机器人的应用
经过四十多年的发展，工业机器人已在越来越多的领域得到了应用。
在制造业中，尤其是在汽车产业中，工业机器人得到了广泛的应用。
如在毛坯制造（冲压、压铸、锻造等）、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中，机器人都已逐步取代了人工作业。
随着工业机器人向更深更广方向的发展以及机器人智能化水平的提高，机器人的应用范周还在不断地扩大，已从汽车制造业推广到其他制造业，进而推广到诸如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统维护维修机器人等各种非制造行业。
此外，在国防军事、医疗卫生、生活服务等领域机器人的应用也越来越多，如无人侦察机（飞行器）、警备机器人、医疗机器人、家政服务机器人等均有应用实例。
机器人正在为提高人类的生活质量发挥着重要的作用。
1）在汽车工业的应用
对于点焊应用来说，目前已广泛釆用电驱动的伺服焊枪，丰田公司已决定将这种技术作为标准来装备国内和海外的所有点焊机器人，可以提高焊接质量，在短距离内的运动时间也大为缩短。
该公司高度低的点焊机器人，用来焊接车体下部零件，还可以与较高的机器人组装在一起，共同对车体上部进行加工，从而缩短了整个焊接生产线长度。
目前，用二台机器人协调工作进行弧焊已相当普遍，不必再为特殊工件专门设计成本高的专用夹具，并能保持最佳的焊接压力。
目前，丰田公司已开始使用能焊接0.6mm厚的薄钢板（间隙2mm）的弧焊机器人，能从钢板一侧进入到焊接位置，而不必象点焊机器人那样需要从钢板两侧进入到焊接位置，因而将优先取代某些点焊作业。
目前激光焊接在日本还不普遍，然而，柔性本体生产线（FBL）方案的应用已日益增多。
在这种场合，各种形状的钣金件都是激光焊接，以形成车体的钣金件。
预计今后激光在汽车工业的应用会增加。
由于运动控制性能的提高，一些新应用已变得可能，其中一个例子是焊接油箱的接缝，尤其是油箱形状变得愈来愈复杂而且要保持恒定的线焊速度。
就控制网络而言,日本汽车工业中最普遍的总线是Device-Net，而丰田则釆用其自行制定的ME-Net，日产釆用JEMA-Net（日本电机工业会网）。
在日本汽车工业中是否会实现通信系统的标准化，目前还不能确定。
另一方面，日本机器人制造商提出了一种“现实机器人仿真”（RRS）兼容软件接口。
因此，目前日本汽车制造商（尤其是对于点焊应用）通过诸如RoBCAD、I-Grip等商用仿真软件，可以做出各种机器人的动态仿真。
2）最新进展
日本欧姆龙公司研制一种能按用户手指动作、手臂姿势，或用声音指示前进、后退及左右移动的自主式双臂机动机器人，它能识别出自己的主人，并遵照主人的命令行事，还具有语音合成功能，也能与人一起协作搬运桌子，还能时刻注意道路上的堵塞情况或运动方向的变化，是世界上第一台适应自然交流方式及与人协调工作的机器人。
其腿部釆用了全向机动轮，头部装有一台CCD摄像机，有两只手臂，每只手臂有7个自由度，能举最大20公斤的重量物，其腕部装有6轴力传感器。
机器人主体部分装有4台个人计算器，共有7个中央处理单元。
机器人依靠电池可以连续工作1小时，其身高1.7米，运动速度10釐米/秒。
该机器人还装有超声波传感器，以避免与人类伙伴相撞。
美国科学家近日研制一种球体机器人，其最大的特点是可以帮助宇航员做各种辅助工作。
它身上安装的传感器可以探知航天飞行器内部的气体成分、温度变化和空气压力状况。
即使在失重状态下，这种机器人在计算器的指挥下也能自如地行走和工作，而且能帮助宇航员与地面控制中心联络，把有关信息输入计算机系统。
工业机器人在许多生产领域的使用实践证明，它在提高生产自动化水平，提高劳动生产率和产品质量以及经济效益，改善工人劳动条件等方面，有着令世人瞩目的作用，引起了世界各国和社会各层人士的广泛关注。
在新的世纪，机器人工业必将得到更加快速的发展和更加广泛的应用。
1）工业机器人的技术发展趋势
从近几年世界机器人推出的产品来看，工业机器人技术正在向智能化、模块化和系统化的方向发展，其发展趋势主要为：
结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、PC化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面。
2）工业机器人的产业发展趋势
据UNECE/IFR预测，至2007年，全球新安装机器人的数量将从2003年的81800套增至2007年的106000套，年平均增长7%。
其中，日本2003-2007年工业机器人的销售将从2003年的31600增长至2007年的41000套；欧洲2003-2007年工业机器人将从2003年的27100套增长至2007年的34000套；北美2003-2007年工业机器人市场每年平均增长5.8%，至2007年将增长到16000套。
3）工业机器人产业发展模式
纵观世界各国在发展工业机器人产业过程，可归纳为三种不同的发展模式，即日本模式、欧洲模式和美国模式：
a.．日本模式
此种模式的特点是：
各司其职，分层面完成交钥匙工程。
即机器人制造厂商以开发新型机器人和批量生产优质产品为主要目标，并由其子公司或社会上的工程公司来设计制造各行业所需要的机器人成套系统，并完成交钥匙工程。
b.．欧洲模式
此种模式的特点是：
一揽子交钥匙工程。
即机器人的生产和用户所需要的系统设计制造，全部由机器人制造厂商自己完成。
C．美国模式
此种模式的特点是：
采购与成套设计相结合。
美国国内基本上不生产普通的工业机器人，企业需要时机器人通常由工程公司进口，再自行设计、制造配套的外围设备，完成交钥匙工程。
我国虽然开始研制工业机器人仅比日本晚5—6年；但由于种种原因，工业机器人技术的发展比较慢。
从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。
但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：
可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。
以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。
因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模化设计，积极推进产业化进程。
随着现代科技的迅猛发展，机器人技术已广泛应用于人类社会的各个领域。
在制造业中诞生的工业机器人是继动力机、计算机之后而出现的全面延伸人的体力和智力的新一代生产工具。
机器人的应用是一个国家工业自动化水平的重要标志。
纵观目前经济发展现状，我国机器人市场增长异常迅猛；从销售量上更是充分说明了这个不争的事实。
在中国市场上占有35％市场份额的ABB公司2004年在中国卖出了600台机器人。
而该公司在过去9年中一共才在中国大陆市场销售了2000台机器人。
专家预测，中国机器人2005年拥有量将增至7600台，到2010年拥有量将达到17300台，到2015年，市场容量将达十几万台（套）。
据悉，汽车制造、工程机械及电机、电子等行业的企业是中国今后对机器人需求最大的部门，其中所需机器人的品种以点焊、弧焊、喷漆、装配、搬运、冲压等为主。
近年来我国的机器人自动化技术也取得了长足的发展，但是与世界发达国家相比，还有一定的差距，如可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距。
我国目前从事机器人研发和应用工程的单位相对较少，工业机器人的拥有量远远不能满足需求量，长期大量依靠从国外引进。
在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人，约占全球已安装台数的０．４％。
产生以上差距，有关专家认为主要是我国没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本较多，而且质量、可靠性不稳定。
2004年中国国际机器人展览会于11月1-4日举行，会后分析报告数据表明，与会的专业观众只占43%，非专业观众占57%；而90.3%的专业观众为了了解、收集产品信息，其余的大多没有填写具体参观目的；专业观众中只有21%的工业制造业人员，其余主要以科研单位为主，国内参展单位展出的多是面向教育应用和处于实验开发中的机器人，且产品略显不成熟。
这充分表明我国机器人产业还停留在纯技术层面，离市场化还有很长一段距离。
有关专家研究表明，国外发达国家已广泛应用机器人自动化生产线，并已形成一个巨大的产业，年市场容量约为1000亿美元。
我国有关部门及企业应该做好充分准备，借鉴国外推动产业发展的先进经验。
这一系列扶植政策，使日本机器人产业迅速发展起来，经过短短的十几年，到80年代中期，已一跃而为“机器人王国”，其机器人的产量和安装的台数在国际上跃居首位，机器人也在解决劳动力不足、提高生产率、改进产品质量和降低生产成本方面，发挥着越来越显著的作用。
我国机器人产业要快速发展，就不能只靠几个爱好者的激情和科研单位的单方努力，机器人就不能只作为展览会上的表演者。
研制单位必须和需求紧密结合，让机器人走进工厂和家庭，实现真正的产业化。
把发展中国机器人产业纳入政府重要产业政策中，引导和扶持企业进行产业和产品结构调整，加速机器人产业化进程。
中国的机器人产业应走什么道路，如何建立自己的发展模式，确实值得探讨。
中国工程院在2003年12月完成并公开的《我国制造业焊接生产现状与发展战略研究总结报告》中认为，我国应从“美国模式”着手，在条件成熟后逐步向“日本模式”靠近。
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