第一章 绪论
1.1 研究目的及意义
1.1.1 课题来源
自从进入电气时代以来，人类就通过不断地使用自动化控制技术来代替原有的工人劳动，从而有效的提高生产力。工业机器人不仅可以有效的代替人工操作，同时还可以随着所生产产品的变化而进行相应的改变。为了满足现代化制造工业的需求，本文通过分析、总结现场工艺，制定出它工作要求，提出合理的设计方案。该种三轴机器人将会采用气缸作为主动力源，通过调整相关的机械结构来完成它的运动目的。
1.1.2 研究背景
随着科技的不断进步，制造业自动化发展趋势日益明显，人们的消费观念发生了很大变化。不仅对产品的性能提出了新要求，同时还追求个性化产品。因此，为了满足生产制造业的发展需求，要求它的生产线具有更好的柔性功能，在生产线中设计有三轴机器人结构可以有效的提高它的柔性化，同时还可以降低其生产制造成本。
伴随着自动控制技术的飞速发展，三轴机器人采用自动控制系统对每个动力源结构进行运动控制，从而将其与自动化生产线连接在一起。在三轴机器人结构中，它的底部采用曲柄连杆结构，可以通过气缸的推动作用使整个气缸转动；为了适应不同高度的产品，它的竖直方向安装有提升气缸；抓手气缸安装在伸出杆前端，抓取产品时将在气缸的推动作用下向前运动。
三轴机器人作为一种标准化的产品，它的各个机构都将进行规范化处理。为了更好的进行批量化生产，需要将部分运动结构设计成可调节功能。因此，在设计过程中根据该机构的工作要求，对整个机构的参数性能进行优化。随着工业自动化的不断发展，对相关的设备需求量不断加大。三轴机器人作为一种工业自动化设备中极其常见的组成机构，它在工业生产中的应用极其广泛。目前，对该装置展开研究的科研人员越来越多，逐渐成为现代研究热点。
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1.2 工业机器人的发展历程
1.2.1 工业机器人的发展过程
“机器人”最先是由捷克斯洛伐克的作家于 1920 年中提出的，该设备最初被描绘成具有一定的劳动能力的设备。随着科学技术的不断进步，三轴机器人的应用逐渐显现出来，它不仅进行物品的重复性搬运，还根据事先拟定的程序和传感器等作用进行在线工作。随着世界“机器人”的发展，世界各国掀起了“机器人”发展热潮，我国在紧紧抓住世界的发展脚步，创建出我国的机器人体系。尤其是蒋新松院士在积极吸收国外发展经验的同时，还对机器人进行了更全面的定义，将其定义为一种可以模拟人类相应功能的机电产品。随着对机器人的理论研究不断完善，越来越多的科研工作者开始对其产生了兴趣。
根据机器人的发展历史，可以将其分成三个阶段：第一阶段这主要根据要求编制相应的程序代码，代替操作工人从事一些劳动强度大、操作内容简单的重复性工作，该阶段的机器人处于初步发展时期，只能进行一些非常基础的事情；第二阶段主要是上一代的基础上加入了视觉和触觉功能，这种采用自适用控制系统可以通过感知环境做出相应的判断，并根据判断结果完成相关动作；随着人工智能时代的到来，机器人的发展进入到第三个阶段，该阶段的机器人不仅具有良好的感知能力，同时还具有模拟识别和相应的决策能力，并在此基础上建立它的知识库和专家系统，更好的进行决策和判断。
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第二章 三轴机器人工艺分析和方案设计
2.1 三轴机器人基本参数的分析
2.1.1 三轴机器人基本参数分析
在三轴机器人的设计前，需要对它的工艺过程进行研究分析。根据三轴机器人所工作的场景特点，对它的工作要求等进行详细的分析，确定三轴机器人的工艺要求。根据三轴机器人的工作场合要求，需要对它的工作场景进行分析，并确定该设备的具体参数。根据三轴机器人的设计特点，它主要是在绕 Z 轴转动方向、上下移动方向和伸出轴等方向上运动。由于三轴机器人具有工作精度高、运动过程稳定、控制简单方便，而且价格低廉，所以在工业生产中具有广泛的应用价值。
三轴机器人的控制系统主要是由电子元器件组成，它的速度、位置将通过传感器系统进行反馈。根据它的工作场景可以确定出该三轴机器人的相关参数如表 2.1 所示。
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2.2 三轴机器人的运动轨迹分析
在三轴机器人的设计过程中，需要根据该结构的相关要求进行轨迹分析。三轴机器人的运动轨迹都是根据它的工作要求进行确定的，尤其是该结构最前端的关节点，它的运动过程将直接决定整个设备的性能。为了更好的对三轴机器人的运动轨迹分析，可建立它的空间坐标轴。根据三轴机器人的特点，通常它的初始坐标原点建立在底座上，它的坐标系建立方法有：
在三轴机器人的结构设计过程中，需要根据它的工作场合制定出相应的工艺要求，根据相关的工艺参数可以确定它的结构尺寸，并进行强度、刚度等校核。随着三维设计软件的诞生，结构设计都会通过该软件进行建模仿真后再进行加工制造。这种通过采用软件进行三维结构设计的方法不仅效率高，而且还能直观的观察建模过程。本文三轴机器人设计过程主要有方案设计、结构设计和强度校核等过程，它的具体设计流程如图 2.1 所示。
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第三章 三轴机器人有限元分析 ............................. 18
3.1 机座结构设计 ..................................... 18
3.1.1 机座结构方案的分析 ......................... 18
3.1.2 三轴机器人底座结构设计 ..................... 18
第四章 三轴机器人旋转机构运动学分析 ..................... 38
4.1 旋转机构运动学和动力学的理论分析 ................. 38
4.1.1 旋转机构运动学理论分析 ..................... 38
4.1.2 旋转机构动力学理论分析 ..................... 39
第五章 三轴机器人控制分析与实验研究 ..................... 52
5.1 三轴机器人控制电路分析 ........................... 52
5.1.1 三轴控制原理分析 ........................... 52
5.1.2 驱动电路设计 ............................... 52
第五章 三轴机器人控制分析与实验研究
5.1 三轴机器人控制电路分析
5.1.1 三轴控制原理分析
三轴机器人的工作主要是由旋转机构、上下直线运动机构和伸出轴结构等组成，该设备的运动控制系统也是将上述过程进行控制。由于三轴机器人在自动化设备中应用非常广泛，所以需采用 PC 机进行系统控制。为了设计出性能更好的三轴机器人结构，需采用闭环控制系统对该设备进行分析，则可以建立出该设备的控制系统如图 5.1 所示。
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第 6 章 总结与展望
6.1 全文总结
随着近年来人工用工成本的不断上涨，采用自动化生产线进行工业制造成为现代发展的趋势。通过使用自动化生产线不仅可以提高产品质量，同时还可以降低劳动强度，提高工作效率等。因此对自动化生产线进行开发逐渐成为现代研究热点。随着生活水平的不断提高，消费者对产品提出了更高的要求，它们都要求产品具有更多的个性化。这种多型号产品的生产将给生产带来许多困难，所以在自动化生产线设计过程中需考虑柔性化设计。三轴机器人作为自动化生产线的重要组成部分，它的使用可以极大的提高生产线的柔性化水平。
目前，柔性化生产线逐渐取代原来的刚性生产线，成为现代自动化设备的重要发展方向。该生产线不仅可以减少工人的劳动强度，提高它的产品品质，还可以代替工人的工作，从而降低产品加工制造成本。三轴机器人作为柔性化生产线的重要组成机构，它的使用范围非常广泛，可以使用该机构进行产品部件的搬运、组装等系列工作。由于三轴机器人的适用范围非常广泛，可适合多种产品的生产，所以它的需求量也非常大。本文将以三轴机器人的结构设计和优化等过程为研究路线，对该设备展开全面的分析，具体内容如下：
（1）通过对工业机器人国内外研究现状的分析，可总结出它的发展方向。根据三轴机器人的使用场合，制定出它的设计要求，并确定出该设备的基本参数。通过对三轴机器人结构方案分析，可以选择最为合适的结构作为它的最终方案，并使用三维建模软件 Solidworks 软件建立出三轴机器人的结构模型。
（2）进行三轴机器人的有限元分析。基于有限元分析理论，根据所设计的三轴机器人结构，对该结构最为重要的连接座结构进行有限元分析。通过使用Workbench 软件建立出该结构有限元模型，根据该结构在工作过程中的受力状况，施加相应大小的工作载荷和约束，得到它的应力应变云图和最大变形云图。为了更进一步对连接座的工作状态能行分析，需在静力学分析的基础上对它进行模态分析，可求解出它的模态振型图和频率。根据三轴机器人连接座的静力学和模态分析结果，可知它还有非常大的优化空间，因此需对它进行优化设计，求解出该结构的最优尺寸参数。
参考文献（略）