直角坐標機器人結構設計

1、 浙江斯凱瑞機器人股份有限公司 第 I 頁 直角坐標機器人結構設計 摘要 隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，不但使傳統(tǒng)工業(yè)的生產發(fā)生了根本性的變化，而且也 對人類社會的生產產生了重大的影響。機器人作為現(xiàn)代工業(yè)生產的一種工具，不僅大 大的提高了生產力，而且把人從各種生產環(huán)境中解放出來。目前，許多國家的工業(yè)機 器人技術得到很好的發(fā)展，我國也在進行深入的研究和開發(fā)。本文主要是設計一個搬 運工件的直角坐標機器人，它可以應用在自動化生產線上與人工相比具有速度快、定 位精度準確的特點，具有很強的實用性能。作為直角坐標機器人結構設計，本文用了 第二、三、四章詳細闡述了設計過程，第五章簡要介紹了機器人的控制部分，第六對

2、 機器人進行了效果分析，并總結了直角坐標機器人的特點。設計不拘泥于常規(guī)，使產 品具有更廣闊的發(fā)展空間，必將成為機器人的發(fā)展趨勢。 浙江斯凱瑞機器人股份有限公司 第 II 頁 Cartesian Robot Design Abstract With the continuous development of modern industry,not only the production of traditional industries has undergone a fundamental change, but also the production of human society has

3、 had a major impact. Robot as a tool of modern industrial production, not only greatly increase the productivity and the production environment from a variety of liberation. Currently, many countries have very good industrial robot technology development, China is also in-depth research and developm

4、ent. Porters of this paper is to design a piece of the Cartesian coordinate robot, which can be used in automated production lines and artificial compared to fast, accurate positioning accuracy characteristics,with strong practical performance.As the design of the right-angle coordinate robot,the te

5、xt uses the second the third and the forth chapters to say the process of the design.The five chapter briefly describes some of the robots control. The sixth chapters carried out effectiveness analysis and summarizes the characteristics of a Cartesian coordinate robot.The design makes the products h

6、ave much more development,which must be the current of robots development. Key words: Straight line Cartesian coordinate Structure 浙江斯凱瑞機器人股份有限公司 第 III 頁 目 錄 摘要摘要.I ABSTRACT.II 一一 緒緒 論論.1 1.1 直角坐標機器人概念.1 1.2 直角坐標機器人的應用及分類.3 1.3 當前機器人技術的發(fā)展.3 1.3.1機器人發(fā)展的概況.3 1.3.2直角坐標機器人的發(fā)展情況.6 1.4 設計基本步驟.6 1.5 本文研究的主

7、要內容.7 二二 直角坐標機器人的工作原理直角坐標機器人的工作原理.8 2.1 實現(xiàn)三個自由度運動的基本原理.8 2.2 末端執(zhí)行器抓取工件的基本原理.8 2.2.1概述.8 2.2.2手指式手部的工作原理.9 三三 直角坐標機器人結構設計直角坐標機器人結構設計.11 3.1 直角坐標機器人外形方案的確定.11 3.2 直角坐標機器人傳動及驅動方式的選擇.11 3.2.1直角坐標機器人傳動方式的選擇.11 3.2.2直角坐標機器人驅動方式的選擇.12 3.3 直角坐標機器人外形尺寸的確定.12 3.4 傳動部件、驅動部件類型及主要參數(shù)的選擇.13 3.4.1傳動部件參數(shù)的選擇.13 3.4.2

8、驅動部件的選擇.20 3.5 其它輔助部件的設計.23 3.5.1直線導軌的選擇.23 3.5.2滾動軸承的選擇.24 3.5.3機器人拖鏈的選擇.25 3.5.4其它部件的設計.25 3.6 機械手結構設計.25 3.6.1機械手的結構特點.25 3.6.2機械手的手部尺寸及抓取范圍.26 3.6.3機械手傳動裝置的設計.26 浙江斯凱瑞機器人股份有限公司 第 IV 頁 3.6.4機械手驅動裝置的選擇.28 3.6.5機械手其它部件的選擇.28 四四 機器人的校核及結構的可靠性分析機器人的校核及結構的可靠性分析.29 4.1 軸承的校核.29 4.2 各主要功能部件的可靠性分析.29 4.3

9、 各自由度間連接件的可靠性分析.30 4.4 軸的校核計算.31 五五 機器人的控制機器人的控制.33 5.1 步進電機的概況.33 5.2 步進電機的工作原理.33 5.3 步進電機的控制.34 六六 直角坐標機器人的效果分析及技術評價直角坐標機器人的效果分析及技術評價.35 6.1 直角坐標機器人的效果分析.35 6.1.1直角坐標機器人與人工操作的比較.35 6.1.2采用機器人工作帶來的問題.35 6.2 直角坐標機器人結構的技術評價.35 6.2.1整體結構技術評價.35 6.2.2零件的技術分析.36 參考文獻參考文獻.37 浙江斯凱瑞機器人股份有限公司 第 0 頁 一 緒 論 1

10、.1 直角坐標機器人概念 直角坐標機器人概念： 工業(yè)應用中，能夠實現(xiàn)自動控制的、可重復編程的、多功能的、多自由度的、運 動自由度建成空間直角關系、多用途的操作機。他能夠搬運物體、操作工具，以完成 各種作業(yè)。關于機器人的定義隨著科技的不斷發(fā)展，在不斷的完善，直角坐標機器人 作為機器人的一種，其含義也在不斷的完善中。 典型直角坐標機器人圖一 直角坐標機器人的特點： 1、自由度運動，每個運動自由度之間的空間夾角為直角； 2、自動控制的，可重復編程，所有的運動均按程序運行； 3、一般由控制系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、操作工具等組成。 4、靈活，多功能，因操作工具的不同功能也不同。 5、高可靠性、高速度、

11、高精度。 6、可用于惡劣的環(huán)境，可長期工作，便于操作維修。 直角坐標機器人的應用： 因末端操作工具的不同，直角坐標機器人可以非常方便的用作各種自動化設備， 完成如焊接、搬運、上下料、包裝、碼垛、拆垛、檢測、探傷、分類、裝配、貼標、 噴碼、打碼、 （軟仿型）噴涂、目標跟隨、排爆等一系列工作。特別適用于多品種、便 批量的柔性化作業(yè)，對于穩(wěn)定提高產品質量，提高勞動生產率，改善勞動條件和產品 的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。 直角坐標機器人的應用圖二 隨著直角坐標機器人的應用越來越廣泛，直角坐標機器人的設計工作日益顯得重 要。成功的設計一臺直角坐標機器人涉及到很多方面的工作，包括機械結構、動力驅 動

12、、伺服控制等等。沈陽力拓自動化控制技術有限公司有著多年直角坐標機器人技術 應用、數(shù)控技術和產品研發(fā)經驗，我們依托德國 BAHR 公司直線定位系統(tǒng)性及機械手臂 浙江斯凱瑞機器人股份有限公司 第 1 頁 開發(fā)出了價比優(yōu)良的系列數(shù)控直角坐標機器人，被廣泛地應用在汽車、電子、電器、 檢測、醫(yī)療、航天、食品等各個領域的生產線上。 下面我們就對直角坐標機器人的設計進行一個簡要的闡述。 一、機器人設計特點： 1、機器人的設計是一個復雜的工作，工作量很大，涉及的知識面很多，往往需要 多人完成。 2、機器人設計是面向客戶的設計，不是閉門造車。設計者需要經常和用戶在一起， 不停分析用戶要求，尋求解決方案。 3、機

13、器人設計是面向加工的設計，再好的設計，如果工廠不能加工出產品，設計 也是失敗的，設計者需要掌握大量的加工工藝及加工手段。 4、機器人設計是一個不斷完善的過程。 二、機器人設計流程： 1、使用要求的分析：每一個機器人都是根據(jù)特定的要求的產生而設計的，設計的 第一步就是要將使用要求分析清楚，確定設計時需要考慮的參數(shù)，包括： 機器人的定位精度，重復定位精度； 機器人的負載大小，負載特性； 機器人運動的自由度數(shù)量，每自由度的運動行程； 機器人的工作周期或運動速度，加減速特性； 機器人的運動軌跡，動作的關聯(lián)； 機器人的工作環(huán)境、安裝方式； 機器人的運行工作制、運行壽命； 其他特殊要求； 工業(yè)自動化的歷史

14、是以技術手段的快速更新為特征的。這種自動化技術的更新不 論是看作世界經濟發(fā)展的誘因還是結果，都和世界經濟密切相關。工業(yè)機器人在 20 世 紀 60 年代毫無疑問是一種獨特的設備，將其和計算機輔助設計（CAD）系統(tǒng)、計算機 輔助制造（CAM）系統(tǒng)結合在一起應用，這是現(xiàn)代制造業(yè)自動化的最新發(fā)展趨勢。這 些技術起碼在引導工業(yè)自動化向一個新的領域過渡1。 機器人的使用量增長的主要原因是價格不斷降低。在 20 世紀 90 年代的十年間， 機器人價格降低而勞動力成本增加。機器人不僅越來越便宜，而且它們在工業(yè)領域變 浙江斯凱瑞機器人股份有限公司 第 2 頁 得更加有效速度更快、操作更準確、更富有柔性。如果在

15、成本統(tǒng)計中將質量因素 考慮在內，應用機器人的成本將比它的實際下降快得多。由于機器人作業(yè)變得愈加有 效，而勞動力成本不斷升高，因此工業(yè)中越來越多的作業(yè)更適合于應用機器人自動化。 這是工業(yè)推動機器人發(fā)展的主要因素。其次是非經濟因素造成的，隨著機器人作業(yè)能 力的增強，它們可以完成更加危險或不可能完成的工作。 機器人的使用不僅提高生產了生產效率而且增強了工作范圍。在許多領域中用到 機器人搬運，如在汽車制造、食品包裝、化學醫(yī)藥、電子器件等。而直角坐標機器人 在碼垛機和搬運機使用越來越多，其特點是負載范圍大，小到幾公斤，大到幾屯；運 行速度快，且速度可調整；動作靈活，可完成復雜的任務；可靠性高，維護簡單。

16、 1.2 直角坐標機器人的應用及分類 因末端操作工具的不同，直角坐標機器人可以非常方便的用作各種自動化設備， 完成如焊接、搬運、上下料、包裝、碼垛、拆垛、檢測、探傷、分類、裝配、貼標、 噴碼、打碼、 （軟仿型）噴涂、目標跟隨、排爆等一系列工作。特別適用于多品種，便 批量的柔性化作業(yè)，對于穩(wěn)定，提高產品質量，提高勞動生產率，改善勞動條件和產 品的快速更新?lián)Q代期著十分重要的作用。 1、按用途分為：焊接機器人、碼垛機器人、涂膠（點膠）機器人、檢測（監(jiān)測） 機器人、分揀機器人、裝配機器人、排爆機器人、醫(yī)療機器人、特種機器人等。 2、按結構形式分為：壁掛（懸臂）機器人、龍門機器人、倒掛機器人等 3、按自

17、由度分為：兩坐標機器人、三坐標機器人、四坐標機器人、五坐標機器人、 六坐標機器人。2 1.3當前機器人技術的發(fā)展 1.3.1 機器人發(fā)展的概況 個人機器人PR(Personal Robot)現(xiàn)在還是一個夢想。機器人研究涉及的學科 涵蓋機械、電子、傳感器、驅動與控制等多個領域，過去，對機器人行業(yè)有過重大貢 獻的人數(shù)不勝數(shù)。不 過，從簡單的時間線已經能夠看出，從第一代工業(yè)機器人、第二 浙江斯凱瑞機器人股份有限公司 第 3 頁 代帶有“感覺”的機器人到第三代智能機器人，機器人的體積越來越小，與 PC 結合得 越來越緊密。 說不定，PR 就快成為現(xiàn)實了。 以下為1920年至今機器人發(fā)展簡史： 1920

18、年 捷克斯洛伐克作家卡雷爾恰佩克在他的科幻小說羅薩姆的機器人 萬能公司中，根據(jù) Robota(捷克文，原意為“勞役、苦工”)和 Robotnik(波蘭文， 原意為“工人”)，創(chuàng)造出“機器人”這個詞。 1939年 美國紐約世博會上展出了西屋電氣公司制造的家用機器人 Elektro。 它由電纜控制，可以行走，會說77個字，甚至可以抽煙，不過離真正干家務活還差得 遠。但它讓人們對家用機器人的變得更加具體。 1942年 美國科幻巨憧憬匠阿西莫夫提出“機器人三定律” 。雖然這只是科幻 小說里的創(chuàng)造，但后來成為學術界默認的研發(fā)原則。 1948年 諾伯特維納出版控制論 ，闡述了機器中的通信和控制機能與人 的

19、神經、感覺機能的共同規(guī)律，率先提出以計算機為核心的自動化工廠。 1954年 美國人喬治德沃爾制造出世界上第一臺可編程的機器人，并注冊了 專利。這種機械手能按照不同的程序從事不同的工作，因此具有通用性和靈活性。 1956年 在達特茅斯會議上，馬文明斯基提出了他對智能機器的看法：智能 機器“能夠創(chuàng)建周圍環(huán)境的抽象模型，如果遇到問題，能夠從抽象模型中尋找解決方 法” 。這個定義影響到以后30年智能機器人的研究方向。 1959年 德沃爾與美國發(fā)明家約瑟夫英格伯格聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機器人。 隨后，成立了世界上第一家機器人制造工廠Unimation 公司。由于英格伯格對工業(yè) 機器人的研發(fā)和宣傳，他也被稱

20、為“工業(yè)機器人之父” 。 1962年 美國 AMF 公司生產出“VERSTRAN”(意思是萬能搬運),與 Unimation 公司生產的 Unimate 一樣成為真正商業(yè)化的工業(yè)機器人，并出口到世界各國，掀起了 全世界對機器人和機器人研究的熱潮。 浙江斯凱瑞機器人股份有限公司 第 4 頁 1962年-1963年 傳感器的應用提高了機器人的可操作性。人們試著在機器人 上安裝各種各樣的傳感器，包括1961年恩斯特采用的觸覺傳感器，托莫維奇和博尼 1962年在世界 上最早的“靈巧手”上用到了壓力傳感器，而麥卡錫1963年則開始在機 器人中加入視覺傳感系統(tǒng)，并在1965年，幫助 MIT 推出了世界上第

21、一個帶有視覺傳 感 器，能識別并定位積木的機器人系統(tǒng)。 1965年 約翰霍普金斯大學應用物理實驗室研制出 Beast 機器人。Beast 已 經能通過聲納系統(tǒng)、光電管等裝置，根據(jù)環(huán)境校正自己的位置。20世紀60年代中期 開 始，美國麻省理工學院、斯坦福大學、英國愛丁堡大學等陸續(xù)成立了機器人實驗室。 美國興起研究第二代帶傳感器、 “有感覺”的機器人，并向人工智能進發(fā)。 1968年 美國斯坦福研究所公布他們研發(fā)成功的機器人 Shakey。它帶有視覺傳 感器，能根據(jù)人的指令發(fā)現(xiàn)并抓取積木,不過控制它的計算機有一個房間那么大。 Shakey 可以算是世界第一臺智能機器人，拉開了第三代機器人研發(fā)的序幕。

22、 1969年 日本早稻田大學加藤一郎實驗室研發(fā)出第一臺以雙腳走路的機器人。 加藤一郎長期致力于研究仿人機器人，被譽為“仿人機器人之父” 。日本專家一向以研 發(fā)仿人機器人和娛樂機器人的技術見長，后來更進一步，催生出本田公司的 ASIMO 和 索尼公司的 QRIO。 1973年 世界上第一次機器人和小型計算機攜手合作，就誕生了美國 Cincinnati Milacron 公司的機器人 T3。 1978年 美國 Unimation 公司推出通用工業(yè)機器人 PUMA，這標志著工業(yè)機器人 技術已經完全成熟。PUMA 至今仍然工作在工廠第一線。 1984年 英格伯格再推機器人 Helpmate，這種機器人

23、能在醫(yī)院里為病人送飯、 送藥、送郵件。同年，他還預言：“我要讓機器人擦地板，做飯，出去幫我洗車，檢 查安全” 。 1998年 丹麥樂高公司推出機器人(Mind-storms)套件，讓機器人制造變得跟 搭積木一樣，相對簡單又能任意拼裝，使機器人開始走入個人世界。 浙江斯凱瑞機器人股份有限公司 第 5 頁 1999年 日本索尼公司推出犬型機器人愛寶(AIBO)，當即銷售一空，從此娛樂 機器人成為目前機器人邁進普通家庭的途徑之一。 2002年 丹麥 iRobot 公司推出了吸塵器機器人 Roomba，它能避開障礙，自動 設計行進路線，還能在電量不足時，自動駛向充電座。Roomba 是目前世界上銷量最

24、大、 最商業(yè)化的家用機器人。 2006年 6月，微軟公司推出 Microsoft Robotics Studio，機器人模塊化、平 臺統(tǒng)一化的趨勢越來越明顯，比爾蓋茨預言，家用機器人很快將席卷全球。 1.3.2 直角坐標機器人的發(fā)展情況 隨著機器人技術的發(fā)展，直角坐標機器人技術在碼垛機碼垛機上 的使用越來越多。直角 坐標機器人作為執(zhí)行機構，具用控制方便，執(zhí)行動作靈活，可以實現(xiàn)復雜的空間軌跡 控制。沈陽力拓自動化控制技術有限公司在多年機器人技 術應用、數(shù)控技術和產品研 發(fā)基礎上，依托德國 BAHR 公司直線定位系統(tǒng)性及機械手臂開發(fā)出了價比優(yōu)良的系列數(shù) 控搬運、碼垛、裝配機器人，廣泛應用在金屬冶

25、金、汽車制造、食品加工、電子等行 業(yè)上，是航空、汽車等行業(yè)重要的裝備。 在金屬澆注領域，碼垛機碼垛機有著廣泛的應用和需求。下面就是依據(jù)客戶要求開 發(fā)的一臺在鋁錠澆注生產線上工作的直角坐標機器人，其特點是負載范圍大，小到幾 公斤，大到幾噸；運行速度快，且速度可調整；動作靈活，可以完成復雜的碼垛任務； 可靠性高，維護簡單 直角坐標機器人是工業(yè)機器人的一種，它已經廣泛的應用于自動化生產中，它具 有結構簡單，運動直觀性強，坐標方向位置精度容易控制，漂浮物精度較高；制造安 裝高速方便，容易實現(xiàn)數(shù)字控制。缺點是占據(jù)空間大而相應的工作范圍較小。適用上 下裝卸工件和傳送物料，易于成行排列布置與傳送帶配合使用。

26、 1.4 設計基本步驟 浙江斯凱瑞機器人股份有限公司 第 6 頁 在設計直角坐標機器人的結構主要有以下幾個步驟 （1）了解機器人及其相關技術 由于目前機器人的數(shù)量還比較少并且應用不十分廣泛，所以對機器人了解只是理 論上的一些了解，并不十分系統(tǒng)。再進行結構設計之前，了解機器人的基本組成形式， 各機器人都有什么樣的特點，并且在工業(yè)生產中的具體工作形式。 （2）了解直角坐標機器人的主要用途 機械設計的目的就是為了滿足生產的需要，因此了解設計對象的主要用途是進行 設計的必要準備。 （3）根據(jù)用途運用所學知識進行結構設計 由于在畢業(yè)實習的時候沒有看到過直角坐標機器人的具體結構，通過對 CA6140 機

27、床刀架的觀察和分析，根據(jù)其運動原理進行直角坐標機器人的結構設計。按照三個自 由度進行設計，如空間一個物體在直角坐標系中運動，分為 x、y、z 三個方向的運動。 （4）融入我的設計思想使設計更具有特色 由于直角坐標機器人相對其它各類的機器人應用較為廣泛，并已是成型的產品， 為了培養(yǎng)自己的創(chuàng)新能力，在設計時提出了自己的設計思想使結構更加的合理。 1.5 研究的主要內容 門式直角坐標機器人設計為主線，來研究直角坐標機器人的工作原理、結構形式。 其三個自由度的運動基本原理很相似，在設計時為了使設計更加的多樣化，采用不同 的傳動方式，第一、二自由度采用同步帶傳動，而第三自由自由度采用絲杠傳動。第 一、二

28、自由度結構相似利于制造加工。隨著科學技術的迅猛發(fā)展工業(yè)機器人得到了更 為廣泛的應用，特別是直角坐標機器人在數(shù)控加工中心中應用十分廣泛，它已經成為 自動化生產的重要組成總部分。本文的第二、三、四章重點介紹設計過程。 浙江斯凱瑞機器人股份有限公司 第 7 頁 二 直角坐標機器人的工作原理 2.1實現(xiàn)三個自由度運動的基本原理 直角坐標機器人的主要功能就是能夠使得末端執(zhí)行器到達空間指定位置。待實現(xiàn) 的工作空間大都為矩形空間。由笛卡爾坐標系的知識可知空間中的任意一點可以分別 由 X、Y、Z 方向三個點的集合來表示。因此為了研究問題方便，可以把空間任意兩點 的曲線運動簡化為分別在三個自由度方向的直線運動。

29、 能夠實現(xiàn)直線運動的原理有很多，在機械產品中得到應用的有以下幾種，下表為 它們之間傳動性能的比較： 表 2-1 傳動性能對比表 方案優(yōu) 點缺 點 滾珠 絲 杠 傳動精度高，且速度平穩(wěn)。摩擦陰力小， 軸向沖擊，鋼性較好，可以傳遞較大扭力， 位置準確 傳動速度較慢，且機構不能自鎖，長度 較大時承受徑向載荷能力差 齒輪 齒 條 傳遞的功率大、速度范圍廣、效率高、 工作可靠、壽命長、結構緊湊、能保證恒 定傳動比 制造及安裝精度要求高，成本高，不適 于兩軸中心距過大的傳動 同步 帶傳 動 傳動準確，平穩(wěn)，噪音小，可獲得恒定 速比，且速比范圍大，允許線速度高，傳 動結構緊湊 對中心及其尺寸穩(wěn)定性要求較高

30、液壓 傳 動 可產生較大軸向力，傳動速度快 結構復雜，維護困難，整個裝車質量大。 工作介質對周圍條件反映敏感，直接影響 定位精度 氣壓 傳 動 瞬間產生很大軸向力，傳動速度快 對傳動時間要求不易過長，密封困難 通過以上的分析，在本次設計中采用選擇滾珠絲桿傳動與同步帶傳動方式。 2.2 末端執(zhí)行器抓取工件的基本原理 2.2.1 概述 機械手種類很多。按其抓取方式主要分為以下兩種： （1）吸附式 浙江斯凱瑞機器人股份有限公司 第 8 頁 空氣負壓吸盤 磁力吸盤 （2）手指式 平移式 回轉式 針對眾多的結構形式，選擇的方法其實很簡單。大部分是根據(jù)特定工作的要求專 門設計的。例如，當確定手部大小、形狀

31、，手指個數(shù)以及動作自由度時，必須考慮被 抓取物件的大小、形狀、重量、材質、外力的物理條件以及旋轉環(huán)境等。而這些又決 定手部的抓取機能，即約束性、操作性和感覺性。1 約束性是指手爪對工件的約束和握緊程度。例如，廣泛使用的二指手爪，在抓取 水平旋轉的圓棒工件時，手指只對圓棒半徑方向進行約束，而軸向約束是借助手指與 圓棒工件之間的摩擦力來實現(xiàn)的。如果施加一個較大的軸向外力，工件就可能從手指 中滑落出去。同樣，圓棒工件圓周方向的回轉也是靠摩擦力來限制的。 操作性是指手爪能夠抓取的物件的幾何特性，包括極限尺寸形狀以及在抓取不同 形式圓棒時能否保持同一中心線的同心特性。 感覺性是指手指對工件的控制能力定位

32、精度等。例如，是否使用傳感器，有無力 學反饋等。最簡單的一各形式利用微型開關來檢測判斷是否抓住工件。 在某種場合，一臺機器人可以備有多種形狀、用途和機能不同的數(shù)種可換手爪。 由于本次設計的工件是 13kg 的小工件所以綜合各各方面考慮，選擇手指式手部。 2.2.2 手指式手部的工作原理 手指式手部是由手指傳動機構的驅動裝置三部分組成，它對抓取工件的形狀具有 較大的適用性，可以抓取軸盤套類零件，一般情況下多采用二指，少數(shù)為三指或多指。 驅動裝置是為傳動機構提供動力的，驅動源有液壓、氣動、電動等常見的傳動機構往 往通過滑槽、斜面、齒輪齒條、連桿等推動杠桿機構實現(xiàn)加緊或松開。 （1）手指式手部的分類

33、 按運動形式可分為平穩(wěn)型和回轉型兩種。平移型手指的張開閉合靠手指的平行 移動，適用于夾持平板、方料。在夾持不同的圓棒工件時，不會引起中心位置的偏移。 浙江斯凱瑞機器人股份有限公司 第 9 頁 但這種手指的結構比較復雜，體積大，要求加工精度高。回轉型指部的張開和閉合靠 指根部的回轉運動實現(xiàn)。驅軸支點為一個的，稱為單支點回轉型，為兩個的，稱雙支 點回轉型。這種手指結構簡單，形狀小巧，但夾持不同工件會產生定位誤差。 按手指關節(jié)可分為無關節(jié)型、固定關節(jié)型和自由關節(jié)型。無關節(jié)指是一個平指 構件，固定關節(jié)是指本件是一個具有固定彎曲角度的構件，一般成折線狀。自由體關 節(jié)本體分為指根和指尖兩部分比較復雜。 按

34、指端形狀可分為：V 型指，主要夾持圓柱形工件；平面指，夾持方形、板狀 和細小棒類工件；其它形狀如圓形、鉤型、尖型及其它與工件相適應特型指。 按指面形式可分為 ：光滑型，指面平整光滑，用來夾持已加工完成表面光整的 工件，避免碰傷；齒型，指面上有齒紋，增加摩擦力，確保夾緊牢靠，多用于夾持粗 坯、半成品工件；柔性型，指面使用橡膠，增大摩擦力、保護工件表面作用。 （2）對手指式手部的基本要求 手指加緊力大小適宜，力量過大則動力消耗多，結構也龐大，不經濟，甚至損 壞工件；力量過小則夾持不住或產生松動、脫落。 應具有足夠的開閉角度或開閉距離，便于抓取和退出工件。 應無可否認工件能準確定心或定位。 在保證本

35、身強度的前提下，盡可能使結構緊湊，重量輕，以利于減輕總負載。 手部結構應能適應工作環(huán)境提出的特殊要求。如耐高溫、耐腐蝕、能承受鍛捶 沖擊力等。 通過以上的分析，同時考慮本設計的特點，本設計選擇回轉式手臂和直型指的結 構。至于具體尺寸以及其它的設計計算問題將在下第三章中詳細說明。 浙江斯凱瑞機器人股份有限公司 第 10 頁 三 直角坐標機器人結構設計 主要系統(tǒng)的介紹直角坐標機器人的結構設計過程。其中包括各零部件形狀以及主 要設計參數(shù)的選擇。為了使讀者更好的了解直角坐標機器人的結構，依據(jù)實際產品的 設計過程為主線來安排本章的結構。 3.1 直角坐標機器人外形方案的確定 目前直角坐標機器人主要有兩種

36、結構形式。一種是門式直角坐標機器人，另一種 是臂式直角坐標機器人。哪下表所示它們各自有特點： 表 3-1 兩種機器人性能對比表 類型優(yōu)點缺點 門式直角坐標機器 人 可承受較大載荷， 結構穩(wěn)定 占據(jù)空間大 懸臂式破解坐標機 器人 使用靈活方便，占 據(jù)空間小 具有懸臂梁結構除 第一根軸安裝在基 礎上外其余各軸行 程不易過長 鑒于此，選擇了其中一種即門式直角坐標機器人進行結構設計。在這里需要指出 的是，兩種結構還存在一個共同的缺點就是一臺機器人只能對應唯一的工作空間。 3.2 直角坐標機器人傳動及驅動方式的選擇 3.2.1 直角坐標機器人傳動方式的選擇 直角坐標機器人的母體（即三個自由度部件）的傳動

37、方式大體有四種，分別是滾 珠絲杠傳動方式、齒輪齒條傳動方式、同步帶傳動方式、以及液壓傳動方式。在設計 中選擇了滾珠絲杠傳動方式與同步帶傳動方式主要是因為滾珠絲杠具有精度高、摩擦 阻力小、定位精度高，而同步帶具有傳動平穩(wěn)、結構緊湊、可靠性能好的特點。至于 其它方式在第二章中以做了詳細的介紹，在這里就不重述了。 浙江斯凱瑞機器人股份有限公司 第 11 頁 3.2.2 直角坐標機器人驅動方式的選擇 直角坐標機器人的驅動系統(tǒng)是直接驅動使各運動部件動作的機構，對于機器人的 性能的功能影響很大。如果沒有有效的伺服驅動系統(tǒng)，無論機器人具有多高的智能和 優(yōu)越的傳感器，也是無濟于事的。 直角坐標機器人的驅動方式

38、有三種：液壓、電動和氣壓。這三種方式的比較如表 3-2 給出 表 3-2 三種驅動方式的特點比較表 項目 液壓 氣動電動 輸出力 油液壓力大，抓取 重 量可達 100800kg 壓力較小，抓取重 量一般小于 30kg 可得到中小程度輸 出力抓取重量為 1200kg 傳動性能 傳動平穩(wěn)，無沖擊， 反應靈敏，最高速度 可達 2m/s 可達較高的速度， 但高速時沖擊較大 動作速度低。最高 1m/s 控制性能 可實現(xiàn)無級調速， 達到較高定位精度 低速時不易控制， 定位精度 步進、伺服電機的 定位也較高 使用維護 性能 溫度對介質影響大， 間接影響工作性能， 會有不同程度漏油 適合在惡劣條件下 工作，排

39、氣噪聲大 使用維護方便 體積重量 在同樣輸出力的條 件下體積小 壓力小，體積大， 輸出力小 電機本身體積小減 速裝置體積大 壽命 潤滑性能好，壽命 長 空氣無潤滑性，壽 命短 壽命較長 應用 適于抓取重量較大 的機械手，可實現(xiàn)連 續(xù)軌跡控制 抓取質量不易太大， 但要求速度快 可適用于程序復雜 運動要求嚴格的機器 人 通過以上的比較可以看出，液壓驅動方式具有輸出力大、速度快、易控制、定位 精度高的優(yōu)點，但是液壓系統(tǒng)較為復雜，同時對環(huán)境要求高。隨著步進、伺服電機的 發(fā)展，電動驅動逐漸體現(xiàn)出它的優(yōu)點：動力源簡單、維護使用方便又便于與計算機對 接，能實現(xiàn)精確控制。鑒于以上的原因，選擇了電伺服驅動的方式

40、。對于門式直角坐 標機器人，采用單邊驅動的方式。 3.3 直角坐標機器人外形尺寸的確定 在設計之初，設計的參數(shù)為 0.8mx0.6mx0.3m。搬運工作質量為 12kg.根據(jù)以上 浙江斯凱瑞機器人股份有限公司 第 12 頁 的設計要求初步估算各自由度部件的尺寸，如圖 3-1 所示： 這里需要指出的是，第一自由度用戶需要的行程 800mm 而設計的長度近 1.3 米如 果第一處、自由度的跨度較大，則需要第二自由度的跨度相應增大，以減小阻力矩的 影響。所以第一自由度的跨度為 600mm,第二自由度的跨度為 300mm。經驗表明，如 果采用單邊驅動方式，則相鄰自由度跨度之比小于 31。 圖 3-1

41、結構尺寸 3.4 傳動部件、驅動部件類型及主要參數(shù)的選擇 3.4.1 傳動部件參數(shù)的選擇 由于選擇了選擇了滾珠絲杠和同步帶傳動方式，應設計滾珠絲杠和同步帶的主要 參數(shù)。在計算之前，先將各自由度的負載估算臺下：第一自由度負載 80kg；第二自由 浙江斯凱瑞機器人股份有限公司 第 13 頁 度負載 50kg；第三自由度負載 20kg。 （1）第一自由度傳動部件的選擇： 第一自由度帶所受到的力主要上摩擦力，由第一自由度的負載估算為 80kg，在這 里估算所受力為 60N，要求帶傳動的最高速度為 0.5m/s，傳送的功率估計為 500W，帶 輪轉速 100r/min。 1）設計功率 d P 由表4，1

42、4.1-55查得 5 . 1 A KKWKWPKP Ad 75. 05 . 05 . 1 2）選定帶型和節(jié)距 根據(jù)，由圖4,14.1-14確定為 H 型，節(jié)距min/10075 . 0 1 rnKWPd和 mmPb 7 . 12 3）確定小帶輪齒數(shù) 1 z 根據(jù)帶型 H 和小帶輪轉速由表4，14.1-56查得小帶輪的最小齒數(shù)在這里 1 n14 min z 取18 min z 4）小帶輪節(jié)圓直徑 1 d mmmm pz d b 77.72 7 .1218 1 1 由表4，14.1-60查得其外徑mmmmdda39.71372 . 1 77.722 11 ）（ 5）在這里大帶輪和小帶輪相同，傳動比

43、為 1 因此大帶輪的外徑與小帶輪相同所以有 mmd77.72 2 mmda39.71 2 6）帶速 v sm nd v/38 . 0 100060 10077.72 100060 11 7）初定軸間距 0 a 取mma1200 0 8）確定帶長及齒數(shù) 浙江斯凱瑞機器人股份有限公司 第 14 頁 mmmm a dd ddaL61.2628)77.7277.72( 2 12002 4 )( 2 2 0 2 21 2100 ）（ 由表4，14.1-51查得帶長代號為 1100 的 H 型同步帶，其節(jié)線長，節(jié)線 mmLP2794 長上的齒數(shù)。112z 9）實際軸間距 a mmmm L aa p 128

44、3 2 26282794 1200 2 L0 0 10）小帶輪嚙合齒數(shù) m z 9 2 18 )( 22 21 2 11 entzz a zpz entz b m 11）基本額定功率 0 P 由表4，14.1-58查得， 1000 )( 2 0 vmvT P a NTa85.2100mkgm/448 . 0 KWP798. 0 1000 38 . 0 )38 . 0 448 . 0 85.2100( 2 0 12）計算帶寬 s b 由表4，14.1-57查得 H 型帶14 . 1 0 0 PK P bb z d ss 1K9 2 . 76 0 zms zb， 由表4，14.1-52查得，應選帶

45、寬代號為 300 的 Hmmmmbs 1 . 72 1798 . 0 75 . 0 2 . 76 14. 1 型帶，其mmbs2.76 13）帶輪結構和尺寸 傳動選用的同步帶為 1100H300； 18 21 zzmmdd77.72 21 mmdd aa 39.71 21 （2）第二自由度傳動部件的設計 為了簡化設計的步驟，第二自由度的負載小于第一自由度的負載，在這里估算所 受力為 60N，要求帶傳動的最高速度為 0.4m/s，傳送的功率為 400W，帶輪轉速 浙江斯凱瑞機器人股份有限公司 第 15 頁 100r/min。 1）設計功率 d P 由表4，14.1-55查得 5 . 1 A KK

46、WKWPKP Ad 6 . 04 . 05 . 1 2）選定帶型和節(jié)距 根據(jù)，由圖4,14.1-14確定為 H 型，節(jié)距min/1006 . 0 1 rnKWPd和mmPb 7 . 12 3）確定小帶輪齒數(shù) 3 z 根據(jù)帶型 H 和小帶輪轉速由表4，14.1-56查得小帶輪的最小齒數(shù)在這里 1 n14 min z 取16 min z 4）小帶輪節(jié)圓直徑 3 d mmmm pz d b 68.64 7 . 1216 1 3 由表4，14.1-60查得其外徑mmmmdda31.63372 . 1 68.642 33 ）（ 5）在這里大帶輪和小帶輪相同，傳動比為 1 因此大帶輪的外徑與小帶輪相同所以

47、有 mmd68.64 4 mmda31.63 4 6）帶速 v sm nd v/34 . 0 100060 10068.64 100060 33 7）初定軸間距 0 a 取mma1200 0 8）確定帶長及齒數(shù) mmmm a dd ddaL28.2006)68.6468.64( 2 10002 4 )( 2 2 0 2 43 4300 ）（ 由表4，14.1-51查得帶長代號為 840 的 H 型同步帶，其節(jié)線長，節(jié)線mmLP 6 . 2133 長上的齒數(shù)。96z 9）實際軸間距a 浙江斯凱瑞機器人股份有限公司 第 16 頁 mmmm L aa p 66.1063 2 28.2006 6 .

48、2133 1000 2 L0 0 10）小帶輪嚙合齒數(shù) m z 8 2 16 )( 22 43 2 33 entzz a zpz entz b m 11）基本額定功率 0 P 由表4，14.1-58查得， 1000 )( 2 0 vmvT P a NTa85.2100mkgm/448 . 0 KWP71 . 0 1000 34 . 0 )34 . 0 448. 085.2100( 2 0 12）計算帶寬 s b 由表4，14.1-57查得 H 型帶14 . 1 0 0 PK P bb z d ss 1K9 2 . 76 0 zms zb， 由表4，14.1-52查得，應選帶寬代號為 300 的

49、 Hmmmmbs74.65 171 . 0 6 . 0 2 . 76 14. 1 型帶，其mmbs2.76 13）帶輪結構和尺寸 傳動選用的同步帶為 840H300； 16 43 zzmmdd68.64 43 mmdd aa 31.63 43 （3）第三自由度傳動部件設計 由于第三自由度為豎直方向，通過對傳動部件的分析，不適合采用帶傳動，因此， 采用絲杠傳動，絲杠的軸向力為第三自由度負載的全部作用力，于是，絲杠的軸向載 荷為 200N。必要的條件為：絲杠載荷；電機最大轉速 n=3000r/min；絲杠導NFa200 程=10mm；當量轉速（考慮在運動過程中，軸向載荷較小，電機轉 h Pmin/

50、1500rnm 速較高，這里簡化取當量轉速為 1500r/min） ；當量負載（根據(jù)運動中NFF am 200 負載不變和原則） 。 浙江斯凱瑞機器人股份有限公司 第 17 頁 1）計算動負載5 由公式 m n h aj F fK K C 其中：壽命系數(shù)， h K 3 1 ) 500 ( h h L K 轉速系數(shù)， n K 3 1 ) 3 . 33 ( n Kn 要求壽命，=300161048000h h L h L 綜合系數(shù)， f w kaht f ffff f 其中：查表 3-3 得；查表 3-4 得；查表 3-5 得；查表 3-6 得1 t f1 h f7 . 0 a f ；查表 3-7

51、 得2 . 1 w f1 k f 表 3-3 溫度系數(shù) t f 工作溫度小于 100 125 150 175 200 225 250 1 t f 1 0.95 0.90 0.85 0.80 0.75 0.70 表 3-4 硬度系數(shù) h f 硬 度 58 55 52.5 50 47.5 45 40 h f 1.0 1.11 1.35 1.56 1.92 2.4 3.85 表 3-5 精度系數(shù) a f 表 3-6 負載性質系數(shù) w f 精度等級1、2、3 4、5 7 10 a f 1.0 0.9 0.8 0.7 負荷性質無沖擊平穩(wěn)運轉一般運動有沖擊和振動運轉 w f 1-1.2 1.2-1.5 1

52、.5-2.5 浙江斯凱瑞機器人股份有限公司 第 18 頁 表 3-7 可靠性系數(shù) k f 經計算，得58 . 0 f 因此得到NCaj2100 選用 RNBS 標準型螺帽精度轉造滾珠絲杠副，其型號為 RNBS2510A，其額定動載 荷為 3.24KN2.1KN，符合要求 根據(jù)豎直方向的工作行程為 300mm，選用標準螺桿長度 500mm 的滾珠絲杠副。 2）不發(fā)生共振臨界轉速校核： ）（ min/ L 30 2 2 2 2 rK A EJf n c c 式中 E材料的拉、壓彈性模量，鋼的； 211 /101 . 2mNE J絲杠軸最小截面慣性矩（） ； 4 m 4 2 64 dJ A絲杠軸最小

53、截面面積；）（ 22 2 4 mdA 臨界轉速計算長度（m） ； c L 材料密度鋼的；）（ 33 /107.8mkg 安全系數(shù)，取=0.8； 2 K 2 K 將 E、J、A、的值代入得 2 K）（ min/ L 30 2 2 2 2 rK A EJf n c c ）（min/ L 9910 2 2 2 2 r df n c c 其中：查表 3-8 得：=3.927， 2 f 由滾珠絲杠副參數(shù)知：絲杠螺紋底徑mm05.20 2 d 臨界轉速長度：mm600 c L 經計算得， 符合要求5107 c n max nnc 表 3-8 支撐方式系數(shù) 可靠度 90 95 96 97 98 99 k f

54、 1.00 0.62 0.53 0.44 0.33 0.21 浙江斯凱瑞機器人股份有限公司 第 19 頁 3）臨界壓縮載荷校核： 不發(fā)生失穩(wěn)的最大壓縮載荷，以表示，按歐拉公式計算 c F ）（ NK L EJf Fc 1 2 0 2 1 式中 E、J、含義同上； 2 d 最大受壓長度（m） ； 0 L 絲杠支承方式系數(shù)； 1 f 安全系數(shù)，取=； 1 K 1 K 3 1 將 E、J、 的值代入上式可簡化得 1 K ）（N L df Fc 2 0 4 2110 104 . 3 其中：查表 3-8 得：=2.00， 2 f 由滾珠絲杠副參數(shù)知：絲杠螺紋底徑mm05.20 2 d 臨界轉速長度：mm

55、850 0 L 經計算得15.2KN， 符合要求。 c F ca FF 3.4.2 驅動部件的選擇 （1）控制電機的概述 隨著自動控制系統(tǒng)和計算裝置的，在普通旋轉電機的基礎上產生出多種具有特殊 性能的小功率電機，它們在自動控制系統(tǒng)和計算裝置中分別作為執(zhí)行元件、檢測元件 和解算元件，這種電機統(tǒng)稱為控制電機。控制電機與普通旋轉電機的基本工件原理沒 支撐方式一端固定一端自由一端固定一端游動 兩端固定 1 f 0.25 2.00 4.00 2 f 1.875 3.927 4.730 適應范圍低速短軸垂直安裝中速、較高精度高速、高精 度、高剛度 浙江斯凱瑞機器人股份有限公司 第 20 頁 有本質上的區(qū)別

56、，但普通旋轉電機著重于對起動和運行狀態(tài)力能指標的要求，而控制 電機則著重于特性的高精度和快速響應。 控制電機的輸出功率一般較小，通常從數(shù)百毫瓦到數(shù)百瓦，系列產品的機殼外徑 一般由 12.5mm 到 130mm，重量從數(shù)十克到數(shù)千克，這類電機也稱微電機或微控電機。 在大功率的自動控制系統(tǒng)中，有些控制電機的輸出功率也可達數(shù)十千瓦，機殼外徑達 數(shù)百毫米。5 控制電機已成為現(xiàn)代機電一體化的工業(yè)自動化系統(tǒng)以及軍事裝備中必不可少的重 要元件。它與一些典型環(huán)節(jié)進行適當組合，就可以構成不同用途的伺服系統(tǒng)和解算元 件。 控制電機的用途與分類如下表表示 表 3-9 電機的分類與用途 由上述可知，第一、二自由度的電

57、機選用步進電機，第三自由度選用伺服電機。 由第一自由度的受力及帶輪的尺寸可知，所需轉矩為 T=2.18Nm,在考慮振動、波動、 過載等因素等，取電機的驅動轉矩 1.5T，選擇永磁感應式步進電動機其型號為 110BYG450A,5，1.2-22步進角 1.8 度，最大轉矩 10.3Nm。由于第二自由度的負載小 于第一自由度負載，為了使設計簡化，第二自由度采用同樣型號的電機。 第三自由度采用絲杠傳動，所以軸向力即為負載的重力。驅動力就主要由三部分 組成，即個載荷產生的摩擦力矩、絲杠副預緊力摩擦力矩、慣性力矩。 F T 0 T G T （1）外載荷產生的摩擦力矩 F T 電機名稱 用 途 交、直流伺

58、服電動 機 堵轉轉矩與信號電壓成正比，轉速隨轉矩的增加而均勻下降。在系統(tǒng) 中，通過齒輪帶動負載，作為執(zhí)行元件 步進電動機 定子上有多相繞組，由專門電源供給電脈沖。角位移與接受的電脈沖 數(shù)楊正比，轉速與每秒電脈沖數(shù)成正比。一般須開環(huán)系統(tǒng)中作執(zhí)行元件 力矩電動機 能長期在堵轉矩狀態(tài)下工作，低速運行時，能產生足夠大的轉矩。在 系統(tǒng)中作用直接驅動負載的執(zhí)行元件 電機擴大機 用輸入端較小的功率變化來控制輸出端較大的功率變化。在系統(tǒng)中作 用功率放大元件 低速電動機 不需齒輪減速，每分鐘公僅可轉數(shù)十轉。其轉動慣量小，起動、停止 快。通入交流電可低速旋轉，通過脈沖可步進運轉。在系統(tǒng)中可作為直 接驅動負載的執(zhí)行

59、元件 浙江斯凱瑞機器人股份有限公司 第 21 頁 0 2 ha F PF T 其中：軸向載荷； a T 預緊時的傳動效率。對 1、2、3 級精度絲杠副，取 0.9；4 級以下精度取 0 0.85； （2）絲杠副預緊力摩擦力摩擦力矩 0 T 0 2 00 0 1 2 ha PF T 其中：基本導程； h P 預加載荷； 0a F （3）慣性力矩 G T a Mm G t Jn T 30 其中：折合到電動機軸上的總的轉動慣量； M J 電動機當量轉速； m n 加速時間； a t 折合轉動慣量按下式計算： 22 ） （） （ m j i m i imM V mJJJ 其中：電動機轉動慣量； m J

60、 各轉動件轉動慣量； i J 各轉動件角速度； i 各直線運動件的質量； i m 各直線運動件的速度； j V 由上式可得到，外載荷產生的摩擦力矩=0.37Nm；絲杠副預緊力摩擦力摩擦力矩 F T 浙江斯凱瑞機器人股份有限公司 第 22 頁 =0.04Nm；其中；第三自由度總負載估算 20kg；的確定需要作軌跡 0 T68 3 1 0 aa FF a t 規(guī)劃。 直角坐標機器人的軌跡規(guī)劃： 由于直線導軌的運行距離較長，做拋物線直線拋物線形式的軌跡規(guī)劃。6 圖 3-2 軌跡規(guī)劃圖 如上圖可知加速度是不變的，則加加速時間為最快速度與加速度之比。取加速度 為 0.2g，則上長時間為 0.255s.