圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 機(jī)械制造專業(yè)

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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(guó)研制出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人以來(lái),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

2、以來(lái)，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(guò)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(guò)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(lái)，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)

3、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(zhǎng)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(guò)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)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(lái)，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(guò)網(wǎng)絡(luò)共享信息，并在此基礎(chǔ)上

4、進(jìn)行協(xié)調(diào)控制的技術(shù)趨勢(shì)。 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(cè)自身位置、角度和速度的內(nèi)部傳感器。近年來(lái)，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(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì) 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(chǎng)合的不同以及

5、對(duì)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(lái)完成對(duì)工件的夾緊和防止工件脫落的鎖緊措施。在針對(duì)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(lái)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(lái)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，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(lái)呈現(xiàn)出的

6、趨勢(shì)就是系統(tǒng)化。無(wú)論是我國(guó)還是國(guó)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(duì)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(kù)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(shì)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

7、。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(duì)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(guò)來(lái)，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

8、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(wú)隙傳動(dòng)的減速機(jī)構(gòu)，采用直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)標(biāo)定進(jìn)行機(jī)器人的 2．誤差補(bǔ)償，通過(guò)實(shí)時(shí)檢側(cè)對(duì)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

9、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(duì)裝配機(jī)器人來(lái)說(shuō)尤為重要。為此，一方面可以通過(guò)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(guò)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。

10、 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(duì)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(lái)說(shuō)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

11、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(lái)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(cè)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

12、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—10m以上。 　中型機(jī)器人—負(fù)荷為100--1000N。工作空間為0.1－1 m 　小型機(jī)器人—負(fù)荷為l--100N，工作空間為0.1 m。 　　超小型機(jī)器人—負(fù)荷小于1N ,工作空間為0.1 m。 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

13、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)都可由這兩種運(yùn)動(dòng)來(lái)合成。工業(yè)機(jī)器人的自由度數(shù)。一般為2－7個(gè)，簡(jiǎn)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(duì)搬運(yùn)機(jī)器人進(jìn)

14、行整體方案的設(shè)計(jì)； （3）對(duì)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(duì)各結(jié)構(gòu)的質(zhì)量進(jìn)行粗估，完成對(duì)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；

15、 （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(guò)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。 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

16、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(chǎng)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：； 小臂伸

17、縮： 線速度： ； 手腕俯仰： 角速度：； 腰部旋轉(zhuǎn)： 角速度：； （4）運(yùn)動(dòng)行程： 大臂升降：300mm 小臂伸縮:300mm 腰部旋轉(zhuǎn): 手腕俯仰: 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 <1>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(jiǎn)單，但對(duì)大臂產(chǎn)生了一定的附加彎矩，對(duì)工件的抓取精度產(chǎn)生了一定的不利影響，并且

18、對(duì)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(duì)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(jiǎn)單的氣動(dòng)控制直線運(yùn)動(dòng)的手爪。 <2>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(jiǎn)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(duì)大臂所產(chǎn)生的附加彎矩的條件下，對(duì)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

19、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(guò)一級(jí)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(guò)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)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(jiǎn)單，針對(duì)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(duì)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。 <3>方案三：

20、 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(duì)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(guò)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)簡(jiǎn)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)。

21、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(lái)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

22、工作轉(zhuǎn)速在。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(guò)載能力不同 不僅電機(jī)一般不具有過(guò)載能力，交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過(guò)載能力比進(jìn)電機(jī)因?yàn)闆]有這種過(guò)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(guò)快或負(fù)載過(guò)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(duì)電動(dòng)機(jī)編碼器反饋信號(hào)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(guò)沖現(xiàn)象。 綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多

23、性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，所以在一些對(duì)位置和速度要求較高的場(chǎng)合，采用交流伺服系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)更為明顯。此次的搬運(yùn)機(jī)器人隊(duì)工件的抓取，對(duì)其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求就是要能夠較為準(zhǔn)確的完成對(duì)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(guò)對(duì)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(shì)，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) 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(guò)連

24、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(guò)外殼內(nèi)部的凸臺(tái)進(jìn)行安裝，這樣使得結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guò)諧波減速器的減速對(duì)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(lái)承受較大的負(fù)載產(chǎn)生的彎矩，避免了

25、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)。大臂的長(zhǎng)度盡可能的做的短一些，這樣會(huì)在整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guò)殼體傳遞到地面，另外對(duì)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(duì)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(jí)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(lái)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)

26、較為簡(jiǎn)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(duì)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(duì)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(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手進(jìn)行旋轉(zhuǎn)來(lái)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(lái)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

27、離； R：支點(diǎn)銷軸的半徑； ：中間連桿對(duì)手指的壓力角； ：摩擦角； ：構(gòu)件間的摩擦系數(shù)； 角度條件：

28、；　　　　　　 尺寸條件：；； 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(lái)表示： F= （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。手指支點(diǎn)到指尖的距離為.則根據(jù)繞手指支點(diǎn)的力矩平衡關(guān)系

29、可得到下式： （3.3） 其中R可根據(jù)下式求得： (3.4) 則將（3.2）（3.3）代入（3.4）中可得如下式子： 　　　　　　　　　　 （3.5） 由于很小，可以忽略。設(shè)手指與手部中心線夾角為，并且注意到（）+=，可由此改寫為,則（3.5）式子最終可以改寫成： 　　　　　　　　　　 （3.6） 圖3-3 手爪受力分析 則最終得到活塞桿的輸出力P與夾緊力之間的關(guān)系為： 　　　　　　　　　　P= （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=0.5。則可得到，由已知得到工件重4k

30、g 則可推得=40N。 由此時(shí)手爪所處的位置可得到：由此（3.7）式子可以簡(jiǎn)化為： 　　　　　　　　　　 （3.8） 測(cè)得，又知道，則tg()= 帶入（3.8）式則得到：P==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= （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/cm） 氣缸的效率一般

31、為85%，則由（3.9）公式可得到氣缸的缸徑為： ==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(cè)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==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： 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

32、，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。考慮到實(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=39mm，中徑 =27mm，小徑=23mm,螺距P=6mm。螺桿材料為45鋼，螺母的材料為ZCuSn5Pb5Zn5，高度H=600mm。 對(duì)所選的絲杠進(jìn)行驗(yàn)算： (1)絲杠螺桿的耐磨

33、性驗(yàn)算：因?yàn)楣ぷ鲏簭?qiáng)P=F/(dHn),式子當(dāng)中，，而n=H/P=600/6。帶入上式得:P==0.0063N/㎜,并且考慮到螺桿升降速度0.04m/s,并且不是連續(xù)工作P=10N/㎜?？梢奝< P。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=35 N/㎜， =50 N/㎜。 由螺紋剪切強(qiáng)度公式=檢驗(yàn)。式子中：b=0.65P=0.65×6=3.9㎜。 D=d+2ad=40㎜.所以==0.00327 N/㎜。 螺紋的彎曲應(yīng)力===0.0075 N/㎜。 則滿足：P< P，<，<。螺紋的強(qiáng)度足夠。 （3）自鎖性驗(yàn)證：因?yàn)槭菃晤^螺紋，故導(dǎo)

34、程S=P=6㎜,所以螺紋升角=arctg=arctg=4.05。 由表面的鋼對(duì)青銅的摩擦系數(shù)f=0.08～0.10,此處可以針對(duì)此范圍取到f=0.10，得==arctg = 所以<,故可自鎖。 3.5驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型計(jì)算 3.5.1手爪旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選型計(jì)算 根據(jù)慣性匹配公式，折算到伺服電機(jī)上的全部負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為。由公式可知：kg其中： ：各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）； ：各旋轉(zhuǎn)件的角速度； ：伺服電機(jī)的角速度； 各直線運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量(kg)； 各直線運(yùn)動(dòng)件的速度(m/s)； 1)根據(jù)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，可以把工件看成是一個(gè)繞電機(jī)軸的軸線旋轉(zhuǎn)的圓柱體模型，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：=40.05=0.

35、005kg。 手爪關(guān)于電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量同理得=20.1=0.01kg。 氣缸手爪連接套筒關(guān)于電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=20.2=0.04kg。 氣缸關(guān)于電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=40.05=0.005kg。 則總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：=+++=0.005+0.01+0.04+0.005=0.06kg。并考慮到連桿和減速器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，則可擴(kuò)大使=0.07 kg。 又由折算公式：kg來(lái)計(jì)算。根據(jù)初始的條件：=3.1，所具有的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為310。從而可以確定所用到的諧波減速器的減速比為=100。由機(jī)構(gòu)本身的特點(diǎn)可知：=0，=0。帶入折算公式，則得=0.07=0.07 kg。又根據(jù)，由此可以從MINAS 系列電機(jī)的型

36、號(hào)表中選出電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=0.20 kg。由此得總的折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量= +=0.20+0.07=0.27 kg。 2）伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩計(jì)算： 電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩可以用快速空載起動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算 式中，—空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速轉(zhuǎn)矩； —折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩； —由于絲杠預(yù)緊引起的附加轉(zhuǎn)矩； —伺服電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的最大值； 由此又由公式= 其中，—最大快速移動(dòng)時(shí)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速； —系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)； 可得到===0.71N。 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=0. 2N。 此

37、處沒有涉及到絲杠預(yù)緊，所以 又（交流伺服電機(jī)），：為電機(jī)的過(guò)載系數(shù)。 所以，即 。 至此我們可以選出的電機(jī)型號(hào)為MINAS系列的電機(jī)，其額定功率為0.2KW，額定轉(zhuǎn)矩為0.64N，最大靜轉(zhuǎn)矩為1.91N>=0.51。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為，額定轉(zhuǎn)速為3000，最高轉(zhuǎn)速為5000，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：kg可得： kg == 則=。 我們記齒輪減速器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為則=。 齒輪減速器的齒輪采用雙葉片式，模數(shù)，齒輪1的分度圓直徑為，齒輪2的分度圓直徑為。由此我們可得齒輪1轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

38、== == 則== 對(duì)于此處的雙頁(yè)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)慣量為：=。 ＝+++++＝ 4kg+2kg+2kg+2kg+2kg+4kg=16kg。 ＝16＝可得總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=。根據(jù)伺服電機(jī)的慣量匹配原則：可以粗選電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為=2.84 kg（帶制動(dòng)器）。則總的折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：=（1.17+2.84）=。 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(lái)計(jì)算，由此得到。 其中===4.19N（取加速度時(shí)間為0.05s）。 （此處取阻尼系數(shù)） 此處沒有涉及到絲杠預(yù)緊，所以 又（交流伺服電機(jī)）所以，即就是 。 至

39、此所選擇的電機(jī)的額定功率為1.5KW，額定轉(zhuǎn)矩為4.77N，最大轉(zhuǎn)矩為14.3 N，電機(jī)慣量為2.84 kg（帶制動(dòng)器），額定轉(zhuǎn)速為3000，最高轉(zhuǎn)速為5000，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(duì)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，對(duì)各個(gè)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別進(jìn)行分析。 則=1.02+0.5+1+0.1

40、26+0.422+1.02+0.081+0.09+1.22+0.18+0.376=6.67 則根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算公式：kg 6.67 根據(jù)伺服電機(jī)的慣量匹配原則：可以粗選電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為=16.7 kg（帶制動(dòng)器）。則總的折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：=（16.7+6.78）=。 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。其中===3.69N（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=0.2N。 此處沒有涉及到預(yù)緊，所以 又由（交流伺服電機(jī)） 所以，即 。 至此所選擇的電機(jī)的額定功率為2KW，額定轉(zhuǎn)矩9.54N，最

41、大轉(zhuǎn)矩為28.5 N，電機(jī)慣量為16.7 kg（帶制動(dòng)器），額定轉(zhuǎn)速為2000，最高轉(zhuǎn)速為3000，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(hào)選擇為XBW—32—107—8。輸入轉(zhuǎn)速3000，輸出轉(zhuǎn)矩6N，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）：，，，。 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 =12.50.075+12.50.3=1.16kg。 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： 0.50.03+0.50.3=0.045kg 小臂負(fù)載關(guān)于大臂驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

42、 6.67+31.50.3=9.51kg 大臂關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 100.08=0.032kg 由此可得到總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 由折算公式：kg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。根據(jù)伺服電機(jī)的慣量匹配原則：，可以粗選電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為=21.1 kg（帶制動(dòng)器）。則總的折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：=（21.1+5.57）=。 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(lái)計(jì)算，由此得到。 其中===1.67N（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=0.5N。 此處由于沒有涉及到預(yù)緊，所以。 又（交流伺服電機(jī)）所

43、以，即就是 。 至此所選擇的電機(jī)的額定功率為3KW，額定轉(zhuǎn)矩14.3N，最大轉(zhuǎn)矩為42.9 N，電機(jī)慣量為21.1 kg（帶制動(dòng)器），額定轉(zhuǎn)速為2000，最高轉(zhuǎn)速為3000，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。輸出轉(zhuǎn)矩120N，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(lái)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

44、 突加載荷產(chǎn)生的彎矩 故左端最大彎矩 為計(jì)算簡(jiǎn)便將兩臂近似看作等截面長(zhǎng)方體。則大小臂必須滿足彎曲正應(yīng)力的強(qiáng)度條件： 矩形截面積： 鋁合金材料拉壓強(qiáng)度= 材料拉壓強(qiáng)度= 大小臂膠合過(guò)程如下： (1) 大臂強(qiáng)度校核 ，，，。 大臂受力情況，,,,則 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)

45、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，,,, 第四章 搬運(yùn)機(jī)器人的控制系統(tǒng) 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(guò)程是基于操作機(jī)的狀態(tài)和伺服誤差的觀

46、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(wú)法編制運(yùn)動(dòng)程序，而是要求在運(yùn)動(dòng)過(guò)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(jiǎn)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(jí)處理器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全部控制功能。 圖4-2 主從控制方式 主CPU實(shí)現(xiàn)管理、坐標(biāo)

47、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)。控制系統(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(guò)控制系統(tǒng)來(lái)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(duì)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

48、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) 1. 編程方法簡(jiǎn)單 可編程控制器的梯形圖語(yǔ)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(duì)于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)梯形圖語(yǔ)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(jiǎn)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

49、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(wú)故障的時(shí)間數(shù)已經(jīng)達(dá)到數(shù)萬(wàn)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(chǎng)?，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(lái)實(shí)現(xiàn)，大量的開關(guān)動(dòng)作可以用無(wú)觸電的電子電路來(lái)完成，因此壽命長(zhǎng)，可靠性大大的提高。 5．

50、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(guò)更換模塊插件來(lái)迅速排出故障。它的結(jié)構(gòu)精湊，與硬件連方式簡(jiǎn)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(wú)刷直流伺服系統(tǒng)的代替品。近年來(lái)交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)有了飛速的發(fā)展，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

51、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(cè)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(guò)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換成扭矩，然后帶動(dòng)負(fù)載；檢測(cè)元件測(cè)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(guò)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(guò)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(cè)記錄到的運(yùn)

52、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(hào)并經(jīng)過(guò)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(duì)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(duì)工件的抓取。對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人的控制包括PLC通過(guò)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(hào)、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(hào)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的 4-3 機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖 位置信號(hào)等，實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)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

53、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(guò)這些控制端口PLC可以對(duì)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(guò)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(duì)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(duì)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(hào)設(shè)置開關(guān)，X/Y軸和Z/U軸連接器、I/O連

54、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(hào)設(shè)置開關(guān) 單元號(hào)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。 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

55、接器。 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(lái)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(guò)取長(zhǎng)補(bǔ)短，主要考慮了結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)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)

56、計(jì)中，充分考慮到附加載荷對(duì)電機(jī)軸的影響，回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸的載荷通過(guò)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： 在傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于考慮到結(jié)構(gòu)的緊湊型和盡量簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，故把小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在小臂的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸上，但這樣會(huì)造成大臂附加載荷過(guò)大，引起一定的不穩(wěn)定因素，在今后的中可以盡可能選擇質(zhì)量較小在電機(jī)的選擇和減速器的選擇，或盡量減少電機(jī)在懸臂梁上的結(jié)構(gòu)。 在手爪的設(shè)計(jì)中可以把手爪設(shè)計(jì)成可以

57、替換的具有通用性的手爪，這樣可以在搬運(yùn)不同類型的工件時(shí)只需要更換機(jī)械手的手指，從而拓展了機(jī)器人的應(yīng)用范圍。 致 謝 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠使順利完成，離不開指導(dǎo)老師和各位同學(xué)的支持和幫助。 首先要感謝的是指導(dǎo)我本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的謝敬老師。非常感謝謝老師在這將近三個(gè)月來(lái)的悉心指導(dǎo)，和對(duì)我在畢業(yè)設(shè)計(jì)中所遇到的問題的無(wú)私幫助。在整個(gè)的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，謝敬老師能夠盡職盡責(zé)，設(shè)身處地的為我們考慮。在設(shè)計(jì)中，謝老師積極的引導(dǎo)我們，鼓勵(lì)我們充分發(fā)揮自己在設(shè)計(jì)方面的設(shè)計(jì)思想，在此基礎(chǔ)上給出許多很有建設(shè)性的意見，來(lái)幫助我們完善自己的設(shè)計(jì)思想，這對(duì)我們?cè)O(shè)計(jì)水平的提高有非常大的幫助。 其次是要感謝和我

58、同組的同學(xué)：肖峰、李恒、王春艷三位同學(xué)，在我的畢業(yè)設(shè)計(jì)停滯不前時(shí)，是他們給我鼓勵(lì)的聲音和非常中肯的意見，我遇到困難時(shí)總能得到他們的幫助，這對(duì)我畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成也是非常重要的。 最后要感謝的是我的社友在這段時(shí)間對(duì)我畢業(yè)設(shè)計(jì)的大力支持。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠順利完成離不開他們?cè)谏钌蠈?duì)我的關(guān)心。 在此向在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中給與我?guī)椭乃腥吮硎局孕牡母兄x！ 參考文獻(xiàn) [1] 杜祥瑛，工業(yè)機(jī)器人及其應(yīng)用[M]，機(jī)械工業(yè)出版社，2004。 [2]許果，王峻峰，何松齡，一種基于SCARA機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]，機(jī)械工程師2005年第4期。 [3]

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