圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)論文

2007 屆機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第一章 緒論 1.1 工業(yè) 機(jī)器人研究的目的和意義 工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動(dòng)化裝備。自從 1962年美國研制出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人以來 ,機(jī)器人技術(shù)及其產(chǎn)品發(fā)展很快 ,已成為柔性制造系統(tǒng) ( FMS) 、自動(dòng)化工廠 ( FA) 、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) (CIMS)的自動(dòng)化工具。廣泛采用工業(yè)機(jī)器人 ,不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與數(shù)量 ,而且保障人身安全、改善勞動(dòng)環(huán)境、減 輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、節(jié)約材料消耗以及降低生產(chǎn)成本有著十分重要的意義。和計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一樣 ,工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用正在日益改變著人類的生產(chǎn)和生活方式。 20世紀(jì) 80年代以來，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)逐漸成熟，并很快得到推廣，目前已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)的許多領(lǐng)域得到應(yīng)用。在工業(yè)機(jī)器人逐漸得到推廣和普及的過程中，下面三個(gè)方面的技術(shù)進(jìn)步起著非常重要的作用。 1. 驅(qū)動(dòng)方式的改變 20世紀(jì) 70年代后期，日本安川電動(dòng)機(jī)公司研制開發(fā)出了第一臺(tái)全電動(dòng)的工業(yè)機(jī)器人，而此前的工業(yè)機(jī)器人基本上采用液壓驅(qū)動(dòng)方式。與采用液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人相比，采用伺 服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人在響應(yīng)速度、精度、靈活性等方面都有很大提高，因此，也逐步代替了采用液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人，成為工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式的主流。在此過程中，諧波減速器、 R V減速器等高性能減速機(jī)構(gòu)的發(fā)展也功不可沒。近年來，交流伺服驅(qū)動(dòng)已經(jīng)逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流伺服驅(qū)動(dòng)方式，直線電動(dòng)機(jī)等新型驅(qū)動(dòng)方式在許多應(yīng)用領(lǐng)域也有了長足發(fā)展。 2. 信息處理速度的提高 機(jī)器人的動(dòng)作通常是通過機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)樓淵：四自由度圓柱坐標(biāo)機(jī)器人設(shè)計(jì) 2 的。為了使機(jī)器人完成各種復(fù)雜動(dòng)作，機(jī)器人控制器需要進(jìn)行大量計(jì)算，并在此基礎(chǔ)上向機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)發(fā)出必要的 控制指令。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展， C P U的計(jì)算能力有了很大提高，機(jī)器人控制器的性能也有了很大提高，高性能機(jī)器人控制器甚至可以同時(shí)控制 20多個(gè)關(guān)節(jié)。機(jī)器人控制器性能的提高也進(jìn)一步促進(jìn)了工業(yè)機(jī)器人本身性能的提高，并擴(kuò)大了工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用范圍。近年來，隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了多臺(tái)機(jī)器人通過網(wǎng)絡(luò)共享信息，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行協(xié)調(diào)控制的技術(shù)趨勢。 3. 傳感器技術(shù)的發(fā)展 機(jī)器人技術(shù)發(fā)展初期，工業(yè)機(jī)器人只具備檢測自身位置、角度和速度的內(nèi)部傳感器。近年來，隨著信息處理技術(shù)和傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，觸覺、力覺、視覺 等外部傳感器已經(jīng)在工業(yè)機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。各種新型傳感器的使用不但提高了工業(yè)機(jī)器人的智能程度，也進(jìn)一步拓寬了工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用范圍。 1.2 工業(yè) 機(jī)器人在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 目前，工業(yè)機(jī)器人有很大一部分應(yīng)用于制造業(yè)的物流搬運(yùn)中。極大的促進(jìn)物流自動(dòng)化，隨著生產(chǎn)的發(fā)展，搬運(yùn)機(jī)器人的各方面的性能都得到了很大的改善和提高。氣動(dòng)機(jī)械手大量的應(yīng)用到物流搬運(yùn)機(jī)器人領(lǐng)域。在手爪的機(jī)械結(jié)構(gòu)方面根據(jù)所應(yīng)用場合的不同以及對工件夾持的特殊要求，采取了多種形式的機(jī)械結(jié)構(gòu)來完成對工件的夾緊和防止工件脫落的鎖緊措施。在針對同樣的目標(biāo)任 務(wù)，采取多種運(yùn)動(dòng)方式相結(jié)合的方式來達(dá)到預(yù)定的目的。驅(qū)動(dòng)方面采用了一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人多種驅(qū)動(dòng)方式的情況，有液壓驅(qū)動(dòng)，氣壓驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)等等。愈來愈多的搬運(yùn)機(jī)器人是采用混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的，這樣能夠更好的發(fā)揮各驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)，避免缺點(diǎn)。并且在它的控制精度方面和搬運(yùn)效率方面有了很大的提高。在搬運(yùn)機(jī)械手的控制方面，出現(xiàn)了多種控制方式。如：由原始的電控的機(jī)械手，2007 屆機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 較先進(jìn)的基于工控機(jī)控制的，基于 PC 控制的，進(jìn)一步的嵌入式 PC 控制技術(shù)，還有采用 PLC 可編程控制的。 在物料搬運(yùn)方面近年來呈現(xiàn)出的趨勢就是系統(tǒng)化。無論是 我國還是國外，物料搬運(yùn)的發(fā)展都是由單一設(shè)備走向成套設(shè)備，由單機(jī)走向系統(tǒng)。在制造業(yè)方面，隨著 JIT, FMS, CIMS 等現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，對物料搬運(yùn)系統(tǒng)也提出了新的要求。其特點(diǎn)是力求減少庫存、壓縮等待和輔助時(shí)間，使多品種、少批量的物料準(zhǔn)時(shí)到達(dá)要求的地點(diǎn)。這一趨勢在機(jī)械工業(yè)方面得到了很大的應(yīng)用。其中采用了機(jī)器人等先進(jìn)的物料搬運(yùn)技術(shù)，促進(jìn)了機(jī)械工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和生產(chǎn)水平提高。 當(dāng)代工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展一方面表現(xiàn)在工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)城的擴(kuò)大和機(jī)器人種類的增多。另一方面表現(xiàn)在機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)性能的提高和控制系統(tǒng)的智 能化。前者是指應(yīng)用領(lǐng)域的橫向拓寬，后者是在性能及水平上的縱向提高。機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)城的拓寬和性能水平的提高二者相輔相承、相互促進(jìn)。應(yīng)用領(lǐng)城的擴(kuò)大對機(jī)器人不斷提出斷的要求，推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)水平的提高 .反過來，機(jī)器人性能與智能水乎的提高，又使擴(kuò)大機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域成為可能。 1工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)性能的提高。 進(jìn)一步提高業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度。機(jī)器人是一種多關(guān)節(jié)開鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，因此，機(jī)器人手臂的剛度一般都不高。另外由于構(gòu)件的尺寸誤差和傳動(dòng)間隙的存在，以及機(jī)器人手臂末端誤差的放大作用，使當(dāng)前機(jī)器人的定位與運(yùn)動(dòng)還不能達(dá)到很高的精度。 度大 .精度高的數(shù)控機(jī)床相比，機(jī)器人在工作精度上大為遜色。因此，至今工業(yè)機(jī)器人在精密裝配及其它精密作業(yè)中的應(yīng)用仍受到了很大的限制。除了精密作業(yè)要求高精度機(jī)器人以外 .采用離線編程的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)也要求該機(jī)器人要具有足夠高的定位精度和運(yùn)動(dòng)精度。 進(jìn)一步提高機(jī)器人工作精度的主要辦法是：提高機(jī)器人的加工精度與裝配精度，采用無隙傳動(dòng)的減速機(jī)構(gòu)，采用直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過標(biāo)定進(jìn)行樓淵：四自由度圓柱坐標(biāo)機(jī)器人設(shè)計(jì) 4 機(jī)器人的 2誤差補(bǔ)償，通過實(shí)時(shí)檢側(cè)對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。提高機(jī)器人手的靈活度和避障能力 :當(dāng)前常用的機(jī)器人手肴的靈活度的都不夠高，即手臂末端 達(dá)到某一工作點(diǎn)時(shí)。手臂可能采取的姿態(tài)是有限的，有時(shí)要有很大的靈活度和很強(qiáng)的避障能力 .例如。當(dāng)用噴涂機(jī)器人噴涂車身內(nèi)表面時(shí)，要求機(jī)器人能將車身內(nèi)表面的各個(gè)角落都噴上漆，必須要有高靈活度機(jī)器人手有才行。另外，在有限空間及有障礙的復(fù)雜環(huán)境中作業(yè)的機(jī)器人，例如在核電站工作的機(jī)器人，也要求其具有高靈活度的機(jī)器人手臂。為了提工業(yè)機(jī)器人手臂的靈活度，主要是采用具有冗余自由度的機(jī)器人手臂和在機(jī)器人手臂機(jī)構(gòu)上采用膨鉸關(guān)節(jié)及可雙向彎曲的手臂。 3提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和響應(yīng)頻率：為了提高機(jī)器人作業(yè)效率，以及提高具有感知功能機(jī)器 人的反應(yīng)速度，就必須提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度和響應(yīng)頻率，這一點(diǎn)，對裝配機(jī)器人來說尤為重要。為此，一方面可以通過采用高強(qiáng)度材料或輕質(zhì)材料 (如碳纖維復(fù)合材料 )制造機(jī)器人手臂，以達(dá)到減輕手臂重量和提高手臂動(dòng)態(tài)特性的目的，另一方面，也可以通過采用直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)或其它高性能驅(qū)動(dòng)電機(jī)，從控制和驅(qū)動(dòng)方面提高機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度與響應(yīng)頻率。 4提高機(jī)器人手爪或手腕的操作能力、靈活性與快速反應(yīng)能力 :為了使機(jī)器人能像人一樣進(jìn)行各種復(fù)雜作業(yè)，如裝配作業(yè)、維修作業(yè)及設(shè)備操作，機(jī)器人就必須有一個(gè)運(yùn)動(dòng)靈活和動(dòng)作靈敏的手腕和手爪。這一點(diǎn)對裝配 作業(yè)機(jī)器人、核工業(yè)機(jī)器人和在空間站上作業(yè)的空間機(jī)器人來說是特別重要的。 5采用模塊化組合式機(jī)器人結(jié)構(gòu)，提高機(jī)器人快速維修性能 :根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，制造出多種不同尺寸和規(guī)格的手臂和連接器模塊。用少量的模塊可組合成多種機(jī)器人配置。這種機(jī)器人能進(jìn)行快速維修，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)修復(fù)。所以，這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)最適用于空間機(jī)器人、核工業(yè)機(jī)器人等。如這種積2007 屆機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 木結(jié)構(gòu)能推廣用于一般工業(yè)機(jī)器人，將使工業(yè)機(jī)器人的成本下降、生產(chǎn)周期及維修周期縮短。 1.3 工業(yè)機(jī)器人的分類 1.3.1 按作業(yè)用途分類 如前所述，各類工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用范圍非常廣泛，而且 還有一種機(jī)器人多種用途的情況。通常我們依據(jù)其具體的作業(yè)用途來稱呼它，如一條自動(dòng)生產(chǎn)線上使用了相同結(jié)構(gòu)的數(shù)臺(tái)機(jī)器人，有的用于點(diǎn)焊就稱為點(diǎn)焊機(jī)器人，有的用于搬運(yùn)工件就稱為搬運(yùn)機(jī)器人，以此類推，便有噴漆機(jī)器人、涂 (密封 )膠機(jī)器人、裝配機(jī)器人和測量機(jī)器人等有的作業(yè)具有一定范圍，如潛入水下作勘查、采礦和鋪 4 管道的機(jī)器人，就統(tǒng)稱為水下機(jī)器人，類似的還有宇航機(jī)器人等。 1.3.2 按操作機(jī)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)分類 按工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)把機(jī)器人區(qū)分為 :直角坐標(biāo)式機(jī)器人，極 (球 )坐標(biāo)式機(jī)器人，圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人和關(guān) 節(jié)式機(jī)器人，另外還有少數(shù)復(fù)雜的機(jī)器。人是采用以上方式組合的組合式機(jī)器人。 1.3.3 按機(jī)器人的負(fù)荷和工作范圍分類 按照這種分類方法，工業(yè)機(jī)器人分為 : 超大型機(jī)器人 負(fù)荷為 10KN以上。 大型機(jī)器人 負(fù)荷 1-10KN，工作空間為 1 10m3 以上。 中型機(jī)器人 負(fù)荷為 100-1000N。工作空間為 0.1 1 m3 小型機(jī)器人 負(fù)荷為 l-100N，工作空間為 0.1 m3 。 超小型機(jī)器人 負(fù)荷小于 1N ,工作空間為 0.1 m3 。 以上所謂機(jī)器人的“負(fù)荷”是指在機(jī)器人的規(guī)定性能條件下，機(jī)器人所能搬移的重量中包括了機(jī)器人末端執(zhí)行器的重量。 1.3.4 按機(jī)器人具有的運(yùn)動(dòng)自由度數(shù)分類 機(jī)器人的自由度數(shù)的定義是 :操作機(jī)各運(yùn)動(dòng)部件獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目之和。這種運(yùn)動(dòng)只有兩種形態(tài) :直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其腕端的任何復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)都樓淵：四自由度圓柱坐標(biāo)機(jī)器人設(shè)計(jì) 6 可由這兩種運(yùn)動(dòng)來合成。工業(yè)機(jī)器人的自由度數(shù)。一般為 2 7個(gè)，簡易型的 2 4個(gè)自由度，復(fù)雜型的 5 7個(gè) 自由度。自由度數(shù)越多，機(jī)器人的“柔性”越大，結(jié)構(gòu)和控制也就越復(fù)雜，所以并非越多越好。 1.4 本課題研究的主要內(nèi)容 （ 1） 確定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)及工作行程。 （ 2）根據(jù)工件的負(fù)載情況，工作空間以及各個(gè)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)形式對搬運(yùn)機(jī)器人進(jìn)行整體方案的設(shè)計(jì)； （ 3）對搬運(yùn)機(jī)器人的手爪， ， 小臂，大臂 ， 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，繪制各部分的結(jié)構(gòu)草圖； （ 4）由第 2 步所給定的條件和第 3步的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)并確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式和傳動(dòng)方式； （ 5）對各結(jié)構(gòu)的質(zhì)量進(jìn)行粗估，完成對手爪的 夾緊氣缸 ， 小臂、大臂絲杠的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以及 腰部、腕部 的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的計(jì)算選型； （ 6） 根據(jù)電機(jī)的外形尺寸及輸出軸軸徑，以及電 機(jī) 的重量完善 結(jié)構(gòu)草圖 。 （ 7）通過以確定的結(jié)構(gòu)的質(zhì)量的分析，驗(yàn)算重要零件的受力情況，繪制最終裝配圖。 2007 屆機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第二章 總體設(shè)計(jì)方案確定 2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述 一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由下列互相作用的部分組成：機(jī)械手、環(huán)境、任務(wù)。 機(jī)械手是由具有傳動(dòng)執(zhí)行裝置的機(jī)械，它由臂，關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行裝置構(gòu)成，組合為一個(gè)互相連接，互相依賴的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。機(jī)械手用于執(zhí)行指定的作業(yè)任務(wù)。工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器是安裝在腕端的附加裝置。 機(jī)器人的手部可分為夾持式和吸附式兩大類。夾持式的是指型手，夾持方式有外夾式和內(nèi)撐式之分，吸附式的分為空氣負(fù)壓 式和電磁式兩種， 任務(wù)是指機(jī)器人要完成的工作。機(jī)器人的類型是隨著工作任務(wù)的特點(diǎn)而決定的。例如： SCARA機(jī)器人就非常適合平面上的工件的抓取。 環(huán)境是指機(jī)器人所處的周圍環(huán)境。環(huán)境不僅由幾何條件 (可達(dá)空間 )所決定，而且由環(huán)境和它所包含的每一個(gè)事物的全部自然特性所決定。 2.2 基本設(shè)計(jì)參數(shù) 根據(jù)次機(jī)械手的應(yīng)用場合和實(shí)地的應(yīng)用要求，其主要的設(shè)計(jì)參數(shù)要求如下： （ 1）抓取的重物 ： 2kg； （ 2）機(jī)械手的自由度數(shù)： 4個(gè) ； （ 3）運(yùn)動(dòng)參數(shù)： 大臂 升降 ： 線 速度 ： sm02.0 ； 小臂伸縮 ： 線 速度 ： sm02.0 ； 手腕 俯仰 ： 角 速度 ： srad14.3 ； 腰部 旋轉(zhuǎn)： 角速度 ： srad14.3 ； （ 4）運(yùn)動(dòng)行程： 大臂升降： 300mm 樓淵：四自由度圓柱坐標(biāo)機(jī)器人設(shè)計(jì) 8 小臂伸縮 :300mm 腰部旋轉(zhuǎn) : 90 手腕俯仰 : 90 2.3 工作空間 分析 2.4 傳動(dòng)方案的確定 ： 2.4.1 傳動(dòng)方案分析 方案 1： 圖 2-2 傳動(dòng)方案一 第一、二、自由度均采用伺服電機(jī)加減速器的結(jié)構(gòu)形式。大臂的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和大臂的回轉(zhuǎn)軸共線。小臂的傳動(dòng)方案與大臂的傳動(dòng)方案相同，這樣雖然結(jié)構(gòu)上較為簡單，但對大臂產(chǎn)生了一定的附加彎矩，對工件的抓取精度產(chǎn)生了一定的不利影響，并且對轉(zhuǎn)矩的計(jì)算也會(huì)較為麻煩。第三個(gè)自由度，即就是升降機(jī)構(gòu)采用電機(jī)步進(jìn)電機(jī)加同步齒形帶的傳動(dòng)方案。同步齒2007 屆機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 形帶具有傳動(dòng)精度高，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)比恒定等特點(diǎn)。但對安裝的精度要求較高，負(fù)載能力也很有限， 并且不能實(shí)現(xiàn)反向自鎖，需要另加斷電保護(hù)裝置。手爪的結(jié)構(gòu)采用較為簡單的氣動(dòng)控制直線運(yùn)動(dòng)的手爪。 方案二： 圖 2-3 傳動(dòng)方案二 第一、二自由度均采用交流伺服電機(jī)加減速器的驅(qū)動(dòng)模式，故此結(jié)構(gòu)可以較為簡單。電機(jī)軸和小臂的關(guān)節(jié)軸是同一方向的。這是在充分考慮到小臂的驅(qū)動(dòng)電機(jī)對大臂所產(chǎn)生的附加彎矩的條件下，對大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特別做了加強(qiáng)處理。第三個(gè)自由度為絲杠螺母的升降運(yùn)動(dòng)，采用的傳動(dòng)方式是電機(jī)軸經(jīng)過一級齒輪減速，再驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)絲杠，利用滑動(dòng)絲杠的大減速比的特點(diǎn)，達(dá)到控制上 升的速度不至于過快。同時(shí)，選擇單頭的滑動(dòng)絲杠具有很好的自鎖性能，從而在系統(tǒng)突然斷電的情況下，不致使此自由度方向上發(fā)生運(yùn)動(dòng)，從而保證了結(jié)構(gòu)的安全。第四自由度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)也是采用電機(jī)樓淵：四自由度圓柱坐標(biāo)機(jī)器人設(shè)計(jì) 10 加諧波減速器的結(jié)構(gòu)形式。手爪采用目前廣泛采用的，而且技術(shù)成熟的連桿導(dǎo)桿式氣動(dòng)機(jī)械手，這一機(jī)械手的造價(jià)低廉，結(jié)構(gòu)簡單，針對此處所抓取的工件的特點(diǎn)是不易變形的金屬工件，所以對夾緊力的要求不是太高，故采用氣動(dòng)機(jī)械手爪完全可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 方案三： 圖 2-4 傳動(dòng)方案三 如圖 2-4 所示，第 一自由度采用步進(jìn)電機(jī)加減速裝置的傳動(dòng)模式。大臂與回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)之間采用諧波減速器傳遞動(dòng)力。小臂的驅(qū)動(dòng)電機(jī)考慮到它的重量會(huì)對大臂造成較大的附加彎矩，則把小臂的驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在大臂的回轉(zhuǎn)軸的軸線方向，電機(jī)輸出軸與小臂的回轉(zhuǎn)軸之間通過同步齒形帶相連接，保證了小臂回轉(zhuǎn)的精度。但這樣就使得小臂的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)很復(fù)雜，有多段承受彎矩的軸，并且電機(jī)軸也承受了一定的彎矩。第三個(gè)自由度采用滾珠絲杠并配以電機(jī)加減速器驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)方案，這是利用了滾珠絲杠的傳動(dòng)精度高，并且是把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，而不需要中間環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)化，結(jié)構(gòu)2007 屆機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 簡單。但滾珠絲杠必 須附加自鎖裝置以確保能夠做到斷電保護(hù)。滾珠絲杠的造價(jià)較高，重量也較重，因此在滾珠絲杠的材料選擇方面要求加工材料要較輕。并且滾珠絲杠需要電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩也較大，自身的減速比較小。機(jī)器人的手爪部分仍然采用較為常用的氣缸配合連桿式氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，其作用與方案一所述的相同。 2.4.2 伺服驅(qū)動(dòng)與 步 進(jìn)驅(qū)動(dòng)的比較 1）低頻特性不同 歨進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)容易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象，振動(dòng)的頻率與負(fù)載情況以及與驅(qū)動(dòng)器的性能有關(guān)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速的時(shí)候一般還應(yīng)采取阻尼技術(shù)來克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也 不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。 2）矩頻特性不同 不進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速的升高而降低，而且在較高的轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降所以其最高的工作轉(zhuǎn)速在 min600300 r 。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出即使在額定轉(zhuǎn)速以內(nèi)都能輸出額定的轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。 3）過載能力不同 不僅電機(jī)一般不具有過載能力，交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力比進(jìn)電機(jī)因?yàn)闆]有這種過載能力，為了克服啟動(dòng)時(shí)較大的慣性力矩，往往要選取具有較大靜轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，而機(jī)器人正常工作時(shí)又不需要這么大的轉(zhuǎn)矩，所以便出現(xiàn)了力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。 4）運(yùn)行 性能不同 步進(jìn)電機(jī)的控制一般為開環(huán)控制，速度過快或負(fù)載過大都會(huì)出現(xiàn)失轉(zhuǎn)或堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。交流伺服電機(jī)為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可以直接對電動(dòng)機(jī)編碼器反饋信號進(jìn)行采樣，在內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，能避免失步或過沖現(xiàn)象。 綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，所以在一些對位置和速度要求較高的場合，采用交流伺服系統(tǒng)的優(yōu)勢更為明顯。此次的搬運(yùn)機(jī)器人隊(duì)工件的抓取，對其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求就是要能夠較為準(zhǔn)確樓淵：四自由度圓柱坐標(biāo)機(jī)器人設(shè)計(jì) 12 的完成對位置和速度的控制，這樣選取交流伺服電機(jī)就能夠很好的滿足這一點(diǎn)。 通過對上面的方案的比較，綜合分析后我認(rèn) 為方案二有更多的優(yōu)勢，而且結(jié)構(gòu)合理，能夠比較好的完成本次的輸送線出貨臺(tái)的物料搬運(yùn)工作。故此次方案二作為本次設(shè)計(jì)的最終設(shè)計(jì)方案。 第三章 搬運(yùn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2007 屆機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 3.1 驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （ 1）底座 如圖所示：電機(jī)和諧波減速器通過連軸套筒相連，諧波減速器的輸出軸和大臂的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸直接相連。外殼的材料采用 45鋼底座的軸承采用角接觸軸承，使利用了它既能承受軸向力也能承受一定的徑向里的特點(diǎn)。電機(jī)和減速器通過外殼內(nèi)部的凸臺(tái)進(jìn)行安裝，這樣使得結(jié)構(gòu)簡單 ， 加工和安裝方便。里 面部件的材料采用鋁合金 ,位于底部的電機(jī)通過諧波減速器的減速對頂端軸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而帶動(dòng)了大臂回轉(zhuǎn)軸和大臂一起轉(zhuǎn)動(dòng)，需要注意的是臂回轉(zhuǎn)軸是做成一體的。 圖 3-1 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案圖 （ 2） 傳動(dòng)裝置 傳動(dòng)的主要方式是采用交流伺服電機(jī)加減速器的傳動(dòng)模式，大臂的軸承選擇的是角接觸軸承，用此來承受較大的負(fù)載產(chǎn)生的彎矩，避免了減速器的輸出軸，以及電機(jī)軸承受附加載荷，從而保護(hù)了減速器和電機(jī)。大臂樓淵：四自由度圓柱坐標(biāo)機(jī)器人設(shè)計(jì) 14 的長度盡可能的做的短一些，這樣會(huì)在整體結(jié)構(gòu)簡單的情況下將小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的電機(jī)自身重量 和減速器的重量極可能多得通過殼體傳遞到地面，另外對大臂的設(shè)計(jì)也采用了增加強(qiáng)度的處理，從而盡可能電機(jī)和減速器所產(chǎn)生的附加彎矩對機(jī)構(gòu)的影響。小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)采用了電機(jī)減速后直接驅(qū)動(dòng)小臂關(guān)節(jié)軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)小臂旋轉(zhuǎn)，這里大、小臂的運(yùn)動(dòng)具有獨(dú)立性的特點(diǎn)。 （ 3）升降機(jī)構(gòu) 此處機(jī)械手的升降機(jī)構(gòu)是采用電機(jī)加一級齒輪減速，傳遞動(dòng)力給滑動(dòng)絲杠，利用滑動(dòng)絲杠的大的降速比來完成夾持工件的機(jī)械手上下移動(dòng)，這樣可以把電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成絲杠螺母的上下移動(dòng)，并且整體結(jié)構(gòu)較為簡單。同時(shí)考慮滑動(dòng)絲杠的原因也是利用了滑動(dòng)絲杠的反向自鎖的特性 ，從而實(shí)現(xiàn)了斷電保護(hù)。在滑動(dòng)絲杠的外螺母上連接導(dǎo)向桿，這樣可以對螺母起到導(dǎo)向的作用，同時(shí)可以減少負(fù)載產(chǎn)生的附加彎矩對滑動(dòng)絲杠的影響，進(jìn)一步挺高了機(jī)械手抓取時(shí)的抓取精度。 （ 4）旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 如圖所示，此處的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要是利用步進(jìn)電機(jī)利用鍵連接來驅(qū)動(dòng)機(jī)械手進(jìn)行旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)抓取工件位姿的調(diào)整，這里是考慮到機(jī)械手在抓取工件時(shí)所需要的位姿來進(jìn)行設(shè)計(jì)的，使得機(jī)械手的手爪更方便有效的完成工件的抓取。 3.2 氣動(dòng)手爪的選型計(jì)算 機(jī)械手爪受力分析：（ 如圖 3-3） P：機(jī)械夾持器軸向施加的作用力； e：夾持器活塞中心至手 指支點(diǎn)的距離； R：支點(diǎn)銷軸的半徑； ：中間連桿對手指的壓力角； ：摩擦角； ：構(gòu)件間的摩擦系數(shù)； 2007 屆機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 角度條件：2； 尺寸條件： ea ； lea ； 如圖 3-2 所示，設(shè)力 P 的方向與中間連桿之間的夾角為 ，作用在中間連桿上的分力為 F， P/2=Fcos + sin （ 3.1） 圖 3-2 則作用在連趕上的分力 F可以用下面的式子來表示： F= s in + co s 12 P（ 3.2） 設(shè)中間連桿與手指之間的夾角，即壓力角 圖 3-2 手爪結(jié)構(gòu) 為 ，手指支點(diǎn)的反力為 R，手指支點(diǎn)軸的半徑為 r，連接銷與手指支點(diǎn)的距離為 l 。手指支點(diǎn)到指尖的距離為 l .則根據(jù)繞手指支點(diǎn)的力矩平衡關(guān)系可得到下式： llQ cos lF 0sin Rr （ 3.3） 其中 R可 根據(jù)下式求得： c o s222 FQQFR (3.4) 則將（ 3.2）（ 3.3）代入（ 3.4）中可得如下式子： lrRlPlQ )s in( co s2)s in( co s （ 3.5） 由于lrR很小，可以忽略。設(shè)手指與手部中心線夾角為 ，并且注意到（ 2/ ） + = ，可由此改寫為 2/ ,則（ 3.5）式子最終可以改寫成： )s i nc o s)(2 tglPlQ（ 3.6） 樓淵：四自由度圓柱坐標(biāo)機(jī)器人設(shè)計(jì) 16 圖 3-3 手爪受力分析 則最終得到活塞桿的輸出力 P 與夾緊力 Q 之間的關(guān)系為： P=)s inco s)( 2 tgl lQ（ 3.7） 由于工件夾緊時(shí)手指所處的位置，設(shè)手指夾緊部分的摩擦系數(shù)為 f =0.5。則可得到 2/GfQ ，由已知得到工件重 4kg 則可推得 Q =40N。 由此時(shí)手爪所處的位置可得到： 0 由此（ 3.7）式子可以簡化為： )(2 tgl lQP（ 3.8） 2007 屆機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 測得 45 ，又知道 15 ，則 tg( )=33帶入（ 3.8）式則得到： P=3 78.5401312 =231.2N。 3.3 手爪驅(qū)動(dòng)氣缸設(shè)計(jì)計(jì)算 手指的理論驅(qū)動(dòng)力為 P，選用驅(qū)動(dòng)氣缸時(shí)應(yīng)考慮手指與回轉(zhuǎn)軸之間的摩擦以及氣缸的活塞與缸壁之間的摩擦。因?yàn)榛剞D(zhuǎn)軸處的效率較低，從工作的安全和動(dòng)作的可靠性考慮，所取手指的驅(qū)動(dòng)力為 N=5P=1156N。 由氣缸的輸出力計(jì)算公式： N=422 10PD （ 3.9） 其中： F：氣缸的理論輸出力（ kgf） D：氣缸的缸徑（ mm） P：工作壓力（ kgf/cm2 ） 氣缸的效率一般為 85%，則由（ 3.9）公式可得到氣缸的缸徑為： 21085.04 PND=24610108.9 105.08.914.385.011564=58.86mm。 根據(jù)氣缸的選型表可以選擇的氣缸內(nèi)徑為 63mm。由氣缸氣的選型手冊可選LG 系列氣缸。主要的技 術(shù)參數(shù)為：氣缸內(nèi)徑 63mm，最大行程 800mm，工作壓力范圍 0.049 0.98MPa，耐壓力 1.47MPa，不需要給油。緩沖行程20mm，選擇 FB 后法蘭盤結(jié)構(gòu)。 根據(jù)所選擇的氣缸，并計(jì)算出在 0.5 MPa 下的實(shí)際輸出力 F 是否滿足手指的 驅(qū) 動(dòng) 力 的 要 求 。 在 P=0.5MPa 的 壓 力 下 實(shí) 際 輸 出 力f =462210 105.063104 14.385.0 =1323N。 故此結(jié)果滿足要求。 3.4 進(jìn)給絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算： 樓淵：四自由度圓柱坐標(biāo)機(jī)器人設(shè)計(jì) 18 當(dāng)機(jī)械手爪抓起工件時(shí)， 絲杠的負(fù)載就由以下幾個(gè)部分組成：工件，手爪，驅(qū)動(dòng)氣缸，手爪與氣缸的連接套筒，俯仰電機(jī)，減速器，絲杠套杯與 L型支架等組成。 它們的重量可以做以下粗估：工件 40N，手爪 20 N，驅(qū)動(dòng)氣缸 20N，手爪與氣缸的連接套筒 20N，俯仰電機(jī) 55N，減速器 5N， 絲杠套杯與 L型支架 40N 等組成?？紤]到實(shí)際的影響因素，可以估計(jì)出絲杠的真實(shí)負(fù)載約為 F=230N。 考慮到先前方案分析是提到的絲杠要求反向自鎖的特點(diǎn)，先根據(jù)其負(fù)載情況粗選滑動(dòng)絲杠的類型為單頭梯形絲杠。大徑 1d =39mm，中徑 2d =27mm，小徑3d=23mm, 螺距 P=6mm 。螺桿材料為 45 鋼，螺母的材料為ZCuSn5Pb5Zn5，高度 H=600mm。 對所選的絲杠進(jìn)行驗(yàn)算： (1)絲杠螺桿的耐磨性驗(yàn)算：因?yàn)楣ぷ鲏簭?qiáng) P=F/( d2 H1 n),式子當(dāng)中，mmPH 365.05.01 ，而 n=H/P=600/6 mm100 。帶入上式得 :P=1003273.14 160 =0.0063N/ 2 ,并且考慮到螺桿升降速度 0.04m/s,并且不是連續(xù)工作 PP =10N/ 2 ?？梢?P PP 。滿足耐磨性要求。 （ 2）螺紋強(qiáng)度校核：根據(jù)螺母材料查表，取 p=35 N/ 2 ， bp=50 N/ 2 。 由螺紋剪切強(qiáng)度公式 =bnDF4檢驗(yàn)。式子中： b=0.65P=0.65 6=3.9。 D4 =d1 +2ac d=40 .所以 =10 09.34014.3 16 0 =0.00327 N/ 2 。 螺紋的彎曲應(yīng)力 b=nbDFH24 13=10 0 3. 9403. 14 316 03 2 =0.0075 N/ 2 。 則滿足： P PP ， p， bbp。螺紋的強(qiáng) 度足夠。 2007 屆機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 （ 3）自鎖性驗(yàn)證：因?yàn)槭菃晤^螺紋，故導(dǎo)程 S=P=6 ,所以螺紋升角 =arctg2dS =arctg 2714.3 6 =4.05 。 由表面的鋼對青銅的摩擦系數(shù) f=0.08 0.10,此處可以針對此范圍取到f=0.10，得 =)2/cos( farctg=arctgcos710.0 = 75.5 所以 rT =0.51 mN 。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 420 .2 0 1 0 kg m，額定轉(zhuǎn)速為 3000 minr ，最高轉(zhuǎn)速為5000 minr ，質(zhì)量為 1.5kg。電機(jī)輸出軸直徑為 11mm。 3.5.2 滑動(dòng)絲杠驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型計(jì)算 1)負(fù)載 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 由折算公式： 22 )()( ii ihk hLvmJJ kg m 2 可得： 2i22 v ）（）（）（ 移動(dòng)部件齒輪減速器絲杠 mJJJ hhL kg m 2 絲杠J= 221mr= 21 3 3 2 2 3 2235 . 6 1 0 ( 1 0 ) 0 . 6 5 0 . 0 1 1 5 0 . 1 1 02 k g m 則 2）（絲杠 hJ= 3 2 5 23 1 . 2 50 . 1 1 0 ( ) 0 . 1 1 03 1 2 . 5 k g m 。 我們記齒輪減速器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為齒輪減速器J則齒輪減速器J= 21 JJ 。 齒輪減速器的齒輪采用雙葉片式，模數(shù) mmm 2 ，齒輪 1 的分度圓直徑為mmd 401 ，齒輪 2 的分度圓直徑為 mmd 1202 。由此我們可得 齒輪 1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 1J 41132 dl= 43 04.0034.01085.714.3321 = 25107.6 mkg 2J 42232 dl = 43 12.003.01085.714.3321 = 23108.4 mkg 則齒輪減速器J= 21 JJ = 2310867.4 mkg 對于此處的雙頁片齒輪減速器，各部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣樓淵：四自由度圓柱坐標(biāo)機(jī)器人設(shè)計(jì) 22 量為： 2）（齒輪 hJ = 24235 1015.1187 5 01875104. 8 67107.6 mkg ）（。 移動(dòng)部件m工件m+手爪m+氣缸m+汽缸手爪連接套筒m+旋轉(zhuǎn)電機(jī)m+連接支架m 4kg+2kg+2kg+2kg+2kg+4kg=16kg。 2iv ）（移動(dòng)部件 m 16 25.3120.04 ）（ 2610262.0 mkg 可得總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量LJ = 5 4 6 4 20 . 1 1 0 1 . 1 5 1 0 0 . 3 2 7 1 0 1 . 1 7 1 0 k g m 。根據(jù)伺服電機(jī)的慣量匹配原則： 125.0 MLJJ可以粗選電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 MJ =2.84 410 kg m 2（帶制動(dòng)器）。則總的折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： rJ =（ 1.17+2.84）410 = 424 .0 1 1 0 kg m。 2）伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩計(jì)算： 電機(jī)所需要的轉(zhuǎn)矩可以用快速空載起動(dòng)轉(zhuǎn)矩來計(jì)算，由此得到mNTTTTT fa m a xm a x 。 其中maxaT=t Jn r602 max= 42 3 . 1 4 5 0 0 0 4 . 0 1 1 06 0 0 . 0 5 =4.19N m （取加速度時(shí)間為 0.05s）。 1 6 0 0 . 5 0 . 0 0 6 0 . 0 0 9 52 2 3 . 1 4 0 . 8 1 0fFST N mi （此處取阻尼系數(shù) 5.0f ） 此處沒有涉及到絲杠預(yù)緊，所以 mNT 0 又rr TTT 8.1m a x （交流伺服電 機(jī) 8.1 ）所以 mNTTTTrfa m a x，即就是 8.1m a x farTTT 4 . 1 9 0 . 0 0 9 5 2 . 3 31 . 8 Nm 。 至此所選擇的電機(jī)的額定功率為 1.5KW，額定轉(zhuǎn)矩為 4.77N m ，最大2007 屆機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 轉(zhuǎn)矩為 14.3 N m ，電機(jī)慣量為 2.84 410 kg m 2 （帶制動(dòng)器），額定轉(zhuǎn)速為 3000 minr ，最高轉(zhuǎn)速為 5000 minr ，重量為 6.5kg，電機(jī)輸出軸直徑為19mm。 3.5.3 小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型計(jì)算 1）對小臂的負(fù)載進(jìn)行估算：工件 40N，手爪 20 N，旋轉(zhuǎn)電機(jī)重 15 N，氣缸手爪連接套筒 20 N，諧波減速器 5 N，支架 40 N，絲杠 25 N，減速齒輪 5 N，絲杠驅(qū)動(dòng)電機(jī) 65 N，箱體 30 N，小臂 30 N。根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的平行移軸定理 i iiiidmrmJ )21( 22，對各個(gè)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別進(jìn)行分析。 222 m02kg.15.041.0421 工件J 222 m0. 50 225 kg5.0215.0221 手爪J 222 m0. 5kg5.0203.0221 氣缸J 2222 m0. 5 kg5.020. 0 6-09.0221 ）（連接套筒J 222 m0 . 1 2 6 k g5.00 . 50 . 0 60 . 521 減速器J 2 2 21 1 . 5 0 . 2 5 1 . 5 0 . 5 0 . 4 2 2 k g m2J 旋 轉(zhuǎn) 電 機(jī) 222 m02kg.15.041.0421 支架J 222 m0. 0 81k g18.02. 50115.02. 521 絲杠J 222 m0 . 0 9 k g18.00 . 506.00 . 521 齒輪減速器J 222 m1. 22 kg25.06. 55.06. 521 絲杠電機(jī)J 222 m0 . 1 8 kg0 . 232.0321 箱體J 222 m0. 3 76k g25.0603.025.03121 小臂J 樓淵：四自由度圓柱坐標(biāo)機(jī)器人設(shè)計(jì) 24 則hJ=1.02+0.5+1+0.126+0.422+1.02+0.081+0.09+1.22+0.18+0.376=6.67 2mkg 則根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算公式： 22 )()( ii ihk hLvmJJ kg m 2 LJ 6.67 2 4 22 . 1( ) 6 . 7 8 1 02 0 8 . 3 k g m 根據(jù)伺服電機(jī)的慣量匹配原則： 125.0 MLJJ可以粗選電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為MJ =16.7 410 kg m 2 （帶制動(dòng)器）。則總的折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：rJ =（ 16.7+6.78） 410 = 422 3 . 4 8 1 0 k g m。 2）小臂伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩計(jì)算： 電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩用快速空載起動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算，得 mNTTTTTfa m a xm a x 。其中maxaT=t Jn r602 max= 42 3 . 1 4 3 0 0 0 2 3 . 4 8 1 06 0 0 . 2 =3.69N m （加速度時(shí)間0.2s）。 摩擦力矩主要是由軸承的運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的摩 擦力所形成，記為fT=0.2N m 。 此處沒有涉及到預(yù)緊，所以 mNT 0 又由rr TTT 8.1m a x （交流伺服電機(jī) 8.1 ） 所以 mNTTTTrfa m a x，即 8.1m a x farTTT 3 . 6 9 0 . 2 2 . 1 61 . 8 Nm 。 至此所選擇的電機(jī)的額定功率為 2KW，額定轉(zhuǎn)矩 9.54N m ，最大轉(zhuǎn)矩為 28.5 N m ，電機(jī)慣量為 16.7 410 kg m 2 （帶制動(dòng)器），額定轉(zhuǎn)速為 2000 minr ，最高轉(zhuǎn)速為 3000 minr ，重量為 12.5kg，電機(jī)輸出軸直徑為 22mm。 小臂的諧波減速器的生產(chǎn)廠家是 陜西蔡家坡渭河工具廠生產(chǎn)。型號選擇2007 屆機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 為 XBW 32 107 8。輸入轉(zhuǎn)速 3000 minr ，輸出轉(zhuǎn)矩 6N m ，傳動(dòng)比為 107。質(zhì)量為 0.5kg。 3.5.4 大臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型計(jì)算： 1）： kgm 5.12小臂電機(jī)， kgm 5.0減速器， kgm 10大臂， kgm 5.0支架。 小臂驅(qū)動(dòng) 電機(jī)關(guān)于大臂驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 2112111 21 dmrmJ =21 12.5 0.0752 +12.5 0.32 =1.16kg m 2 。 同理可得小臂減 速器關(guān)于大臂驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 2J 21 0.5 0.032 +0.5 0.32 =0.045kg m 2 小臂負(fù)載關(guān)于大臂驅(qū)動(dòng) 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 3J 6.67+31.5 0.32 =9.51kg m 2 大臂關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 4J 21 10 0.082 =0.032kg m 2 由此可得到總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 21 . 1 6 0 . 0 4 5 9 . 5 1 0 . 0 3 2 1 0 . 7 5hJ k g m 由折算公式： 22 )()( ii ihk hLvmJJ kg m 2 可得折算到電機(jī)軸上的各個(gè)負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 LJ 2 4 21 . 51 0 . 7 5 ( ) 5 . 5 7 1 02 0 8 . 3 k g m 。根 據(jù)伺服電機(jī)的慣量匹配原則： 125.0 MLJJ，可以粗選電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 MJ =21.1 410 kg m 2（帶制動(dòng)器）。則總的折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： rJ =（ 21.1+5.57）410 = 422 6 . 6 7 1 0 k g m。 2）大臂伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩計(jì)算： 電機(jī)所需要的轉(zhuǎn)矩可以用快速空載起動(dòng)轉(zhuǎn)矩來計(jì)算，由此得到mNTTTTT fa m a xm a x 。 樓淵：四自由度圓柱坐標(biāo)機(jī)器人設(shè)計(jì) 26 其中maxaT=t Jn r602 max= 42 3 . 1 4 3 0 0 0 2 6 . 6 7 1 06 0 0 . 5 =1.67N m （加速度時(shí)間為0.5s） 摩擦力矩主要是由軸承的運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦力所形成，記fT=0.5N m 。 此處由于沒有涉及到預(yù)緊，所以 mNT 0 。 又rr TTT 8.1m a x （交流伺服電機(jī) 8.1 ）所以 mNTTTTrfa m a x，即就是 8.1m a x farTTT 1 . 6 7 0 . 5 1 . 2 11 . 8 Nm 。 至此所選擇的電機(jī)的額定功率為 3KW，額定轉(zhuǎn)矩 14.3N m ，最大轉(zhuǎn)矩為 42.9 N m ，電機(jī)慣量為 21.1 410 kg m 2 （帶制動(dòng)器），額定轉(zhuǎn)速為2000 minr ，最高轉(zhuǎn)速為 3000 minr ，重量為 14.7kg，電機(jī)輸出軸直徑為24mm。 大臂的諧波減速器選型為 XBW 80 134 120，傳動(dòng)比為 134，輸入轉(zhuǎn)速 3000 minr 。輸出轉(zhuǎn)矩 120N m ，質(zhì)量為 10kg，效率為 70% 80%。 3.6 手臂強(qiáng)度校核 大小臂主要承受來自臂體自身及臂端部件重量載荷，即臂體要承受均勻載荷和突加載荷。 由材料力學(xué)知識(shí)知道彎矩最大處發(fā)生在左端截面處， 由重力產(chǎn)生彎矩 21 2qlM 突加載荷產(chǎn)生的彎矩 2M Pl故左端最大彎矩 22qlM Pl為計(jì)算簡便將兩臂近似看作等截面長方體。則大小臂必須滿足彎曲正應(yīng)力的強(qiáng)度條件： 2007 屆機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 m a xm a x ZM W 矩形截面積： 26Z bhW 鋁合金材料拉壓強(qiáng)度鋁合金= MPa310 235Q材料拉壓強(qiáng)度235 Q= MPa160 大小臂膠合過程如下： (1) 大臂強(qiáng)度校核 kgm 5.12小臂電機(jī) ， kgm 5.0減速器 ， kgm 10大臂 ， kgm 5.0支架 。 大臂受力情況 mNq 333 ， NP 440 , ml 3.0 , mb 07.0 , mh 09.0 則 3522 1045.96 09.007.06 mbhW Z mNPlqlM 1 4 73.04 4 02 3.03 3 3222 23556.11045.9147 5m a xm a x QZ M P aWM 所以大臂滿足強(qiáng)度要求。 （ 2）小臂強(qiáng)度校核工件 40N，手爪 20 N，旋轉(zhuǎn)電機(jī)重 15 N，氣缸手爪連接套筒 20 N，諧波減速器 5 N，支架 40 N，絲杠 25 N，減速齒輪 5 N，絲杠驅(qū)動(dòng)電機(jī) 65 N，箱體 30 N，小臂 30 N。 小臂受力情況 mNq 60 ， NP 285 , mml 5.0 , mmb 05.0 , mmh 07.0 3522 1008.46 07.005.06 mbhW Z mNPlqlM 1 5 05.02 8 52 5.060222 樓淵：四自由度圓柱坐標(biāo)機(jī)器人設(shè)計(jì) 28 鋁 合 金68.31008.4150 5m a xm a x M P aWM Z第四章 搬運(yùn)機(jī)器人的控制系統(tǒng) 2007 屆機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 4.1 機(jī)器人控制系統(tǒng)分類 1.程序控制系統(tǒng)：給每一個(gè)自由度施加一定規(guī)律的控制作用，機(jī)器人就可實(shí)現(xiàn)要求的空間軌跡。 2.自適應(yīng)控制系統(tǒng)：當(dāng)外界條件變化時(shí)，為保證所要求的品質(zhì)或?yàn)榱穗S著經(jīng)驗(yàn)的積累而自行改善控制品質(zhì)，其過程是基于操作機(jī)的狀態(tài)和伺服誤差的觀察，再調(diào)整非線性模型的參數(shù)，一直到誤差消失為止。這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)能隨時(shí)間和條件自動(dòng)改變。 3.人工智能系統(tǒng)：事先無法編制運(yùn)動(dòng)程序，而是要求在運(yùn)動(dòng)過程中根據(jù)所獲得的周圍狀態(tài)信 息，實(shí)時(shí)確定控制作用。 4機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 機(jī)器人控制系統(tǒng)按其控制方式可分為 兩 類 ： 1） 集中控制方式：用一臺(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)全部控制功能，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但實(shí)時(shí)性差，難以擴(kuò)展，其構(gòu)成框圖如圖所示 。 圖 4-1集中控制方式 2） 主從控制方式：采用主、從兩級處理器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全部控制功能。樓淵：四自由度圓柱坐標(biāo)機(jī)器人設(shè)計(jì) 30 圖 4-2 主從控制方式 主 CPU 實(shí)現(xiàn)管理、坐標(biāo)變換、軌跡生成和系統(tǒng)自診斷等；從 CPU 實(shí)現(xiàn)所有關(guān)節(jié)的動(dòng)作控制。其構(gòu)成框圖如圖 3 所示。主從控制方式系統(tǒng)實(shí) 時(shí)性較好，適于高精度、高速度控制，但其系統(tǒng)擴(kuò)展性較差，維修困難。 4.2 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 4.2.1 控制系統(tǒng)方案分析 控制系統(tǒng)通常是指在復(fù)雜的條件下，將預(yù)定的控制目標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)槠谕臋C(jī)械運(yùn)動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)使被控機(jī)械實(shí)現(xiàn)精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉(zhuǎn)矩或力的控制，以及這些被控機(jī)械量的精確綜合控制。 搬運(yùn)機(jī)器人的手部、小臂、大臂的動(dòng)作都是通過控制系統(tǒng)來控制的，所以控制系統(tǒng)是搬運(yùn)機(jī)器人的重要組成部分，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對于機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)而言至關(guān)重要。目前，搬運(yùn)機(jī)器人的控制方式大多采用可編程序的點(diǎn)位控制 (PTP)方 式，而在各種控制方式中，可編程序控制器 (PLC)因其通用性好、編程方便、成本較低、易于設(shè)計(jì)和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)而被廣為使用，它完全可以取代繼電器控制柜，而且可以實(shí)現(xiàn)比繼電器功能強(qiáng)得多的控制功能。 4.2.2 控制系統(tǒng)特點(diǎn) 2007 屆機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 1. 編程方法簡單 可編程控制器的梯形圖語言程序一般采用順序控制設(shè)計(jì)方法。這種編程方法很有規(guī)律，容易掌握。對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)梯形圖語言程序和調(diào)試程序比設(shè)計(jì)和調(diào)試?yán)^電器控制系統(tǒng)所花的時(shí)間要少得多。 2控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，通用性強(qiáng) 盡管現(xiàn)在世界各個(gè)生產(chǎn)可編程控制器的廠家和公司，有著多種品牌和種類， 但其基本結(jié)構(gòu)和工作原理大致相同。配以各種組件就可以靈活的組成各種規(guī)模和不同要求的控制系統(tǒng)。 3抗干擾能力強(qiáng) 可編程控制器采用了一系列硬件和軟件的抗干擾干擾能力措施，如濾波、隔離、屏蔽、自診斷、自恢復(fù)等，使之具有很淺的抗干擾能力。一般無故障的時(shí)間數(shù)已經(jīng)達(dá)到數(shù)萬小時(shí)以上，可以應(yīng)用于有強(qiáng)干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場?，F(xiàn)在可編程控制器已經(jīng)被公認(rèn)為最可靠的工業(yè)控制設(shè)備之一。 4可靠性高 繼電接觸器控制系統(tǒng)使用了大量的機(jī)械觸電，連線復(fù)雜，各觸點(diǎn)在吸合和斷開時(shí)容易受到電弧的損傷，所以壽命多，工作可靠性差。而可編程控制器以軟件代 替硬件，許多繼電器的觸點(diǎn)和繁雜的連線可以用程序來實(shí)現(xiàn)，大量的開關(guān)動(dòng)作可以用無觸電的電子電路來完成，因此壽命長，可靠性大大的提高。 5體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，安裝、維護(hù)方便 可編程控制器體積小、質(zhì)量小，便于安裝。通?？删幊炭刂破鞫加凶栽\斷、故障報(bào)警、故障顯示的功能，便于操作和維修人員檢查，可以較容易的通過更換模塊插件來迅速排出故障。它的結(jié)構(gòu)精湊，與硬件連方式簡單，接線少，易于維護(hù)。 4.3 機(jī)器人的控制系統(tǒng)方案確定 本次控制系統(tǒng)采用的方案是 PLC+交流伺服系統(tǒng)。 交流伺服系統(tǒng)由交流伺服電動(dòng)機(jī)和伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成， 它已經(jīng)成為無刷直流伺服系統(tǒng)的代替品。近年來交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)有了飛速的發(fā)展，樓淵：四自由度圓柱坐標(biāo)機(jī)器人設(shè)計(jì) 32 它不僅能克服了直流伺服電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上存在的電刷維護(hù)困難、造價(jià)高、壽命短、應(yīng)用環(huán)境受限制等缺點(diǎn)，同時(shí)又發(fā)揮了交流伺服電動(dòng)機(jī)堅(jiān)固耐用、經(jīng)濟(jì)可靠及動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)。 一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)并不僅僅是驅(qū)動(dòng)器與電動(dòng)機(jī)的組合，而是一個(gè)完整復(fù)雜的控制系統(tǒng)。完整的交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括：伺服控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電動(dòng)機(jī)以及至少一個(gè)檢測元件，所有這些部件都在一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)中運(yùn)行：驅(qū)動(dòng)器接受控制控制器的指令信息，然后將電流送給電動(dòng)機(jī)，通過電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換成扭矩，然 后帶動(dòng)負(fù)載；檢測元件測量負(fù)載的位置（角度、直線位移）、速度、加速度等參數(shù)，輸入控制器實(shí)現(xiàn)指令信息值與實(shí)際位置值的比較，然后通過閉環(huán)控制使實(shí)際位置值和指令信息值保持一致。 4-1 交流伺服系統(tǒng)控制框圖 機(jī)器人各關(guān)節(jié)由電機(jī)輸出動(dòng)力，通過各種傳動(dòng)方案，帶動(dòng)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，傳感器、編碼器將檢測記錄到的運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)狀況并以開關(guān)量形式傳遞給 I/O， PLC 接收到這些信號并經(jīng)過處理后，發(fā)出指令，傳遞給 I/O，系統(tǒng)進(jìn)入下一道命令執(zhí)行中。 PLC 是要對搬運(yùn)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，控制機(jī)器人對工件的抓取。對搬運(yùn)機(jī)器人的控制包 括 PLC 通過 I/O 接口向機(jī)器人發(fā)出控制指令，以及獲取機(jī)器人的工作狀態(tài)信息等內(nèi)容。 PLC接收機(jī)器人的各種工作狀態(tài)信 號、指令及傳感系統(tǒng)，包括各指令開關(guān)、工件識(shí)別傳感信號和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的 2007 屆機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 4-3 機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖 位置信號等，實(shí)現(xiàn) PLC對搬運(yùn)機(jī)器人的狀態(tài)信息的獲取。 在機(jī)器人控制系統(tǒng)中，提供了搬運(yùn)工作模式 (運(yùn)行、示教等 )設(shè)置。機(jī)器人伺服系統(tǒng)開啟停止、重啟、繼續(xù)和回零等輸入控制端口。通過這些控制端口 PLC可以對焊接機(jī)器人進(jìn)行上述的控制 ,同時(shí)也提供了搬運(yùn)機(jī)器人所處的運(yùn)行 模式。伺服系統(tǒng)的開、停、就緒和急停等狀態(tài)輸出端口通過讀取這些端口的狀態(tài)。 PLC就能獲知機(jī)器人的搬運(yùn)基本狀態(tài)。 4.4 PLC 及運(yùn)動(dòng)控制單元的選型 針對 本次控制系統(tǒng)的方案，選擇 SYSMAC 的 CS1 系列的 PLC ，與之配套的 MC 單元為 MC421，此處注意到 MC421 能夠?qū)崿F(xiàn)四軸的伺服驅(qū)動(dòng)，分別對應(yīng)本次 SCARA 機(jī)器人的四個(gè)伺服電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)的配置圖如 4-4所示： MC 的控制面板主要有 LED 指示器、單元號設(shè)置開關(guān)， X/Y 軸和 Z/U 軸連接器、 I/O連接器、示教盒連接器、 MPG 連接器等組成。各個(gè)部分的分布如 圖4-5所示。 1、 單元號設(shè)置開關(guān) 單元號的設(shè)置確定了 CPU單元專用 I/O單元區(qū)的那些字分給 MC單元。CS1-MC421占用了 50個(gè)字。 樓淵：四自由度圓柱坐標(biāo)機(jī)器人設(shè)計(jì) 34 2、 連接器 圖 4-4 控制系統(tǒng)配置圖 圖 4-5 MC單元控制面板 1) I/O 連接器 用于外部輸入輸出的連接器，包括各軸的限值輸入、急2007 屆機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 35 停輸入、圓點(diǎn)接近輸入、外部輸入、常規(guī)輸入。 2）示教盒連接器 用于連接示教盒。 3) MPG連接器 用于 MPG（手動(dòng)脈沖發(fā)生器）或同步譯碼器的連接 器。 樓淵：四自由度圓柱坐標(biāo)機(jī)器人設(shè)計(jì) 36 第五章 結(jié)論與展望 搬運(yùn)機(jī)器人在工業(yè)機(jī)器人的領(lǐng)域中扮演著非常重要的角色，本次設(shè)計(jì)的主要目的是圍繞實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，設(shè)計(jì)與實(shí)地環(huán)境相符的搬運(yùn)機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)輸送線出貨臺(tái)上的工件到 AGV 小車上的搬運(yùn)，從而實(shí)現(xiàn)工件的傳送和運(yùn)輸這一環(huán)節(jié)的自動(dòng)化操作。論文工作總結(jié)如下： （ 1）根據(jù)各種傳動(dòng)方式之間的聯(lián)系及特點(diǎn)，通過取長補(bǔ)短，主要考慮了結(jié)構(gòu)緊湊簡單等原則，確定了機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)方案； （ 2）各個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)方式均采用電機(jī)加減速器的方式的傳動(dòng)設(shè)計(jì)，大臂的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和大臂做成一體，大臂的截面形 狀采用等強(qiáng)度處理； （ 3）在各個(gè)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，充分考慮到附加載荷對電機(jī)軸的影響，回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸的載荷通過固定在其兩端的軸承把負(fù)載的附加載荷傳遞到軸承上，從而保護(hù)了電機(jī)和減速器； （ 4）在進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，滑動(dòng)絲杠自鎖性可以很好的保護(hù)工件不會(huì)在斷電的情況下落，造成意想不到的事故； 由于時(shí)間有限，本次設(shè)計(jì)還存在一定的不足，還有待進(jìn)一步提高，展望如下