直角坐標機器人結構設計畢業(yè)設計

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1、 遼寧科技大學本科畢業(yè)設計 第 42 頁 直角坐標機器人結構設計 摘要 隨著現代工業(yè)的不斷發(fā)展，不但使傳統工業(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

2、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。 關鍵詞：直線、直角坐標機器人、結構 Cartesian Robot Design Abstract With the continuous development of modern industry,not only the production of traditional industries has undergone a fundam

3、ental change, but also the production of human society has 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

4、 development, China is also in-depth research and development. 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 performanc

5、e.As the design of the right-angle coordinate robot,the text 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

6、Cartesian coordinate robot.The design makes the products have much more development,which must be the current of robots development. Key words: Straight line Cartesian coordinate Structure 目 錄 摘要 I Abstract II 一 緒 論 1 1.1選題背景 1 1.2直角坐標機器人的應用及分類 1 1.3當前機器人技術的發(fā)展 2 1.3.1機器人發(fā)展的概況 2 1.3.

7、2直角坐標機器人的發(fā)展情況 4 1.4選題的意義和目的及設計基本步驟 5 1.5本文研究的主要內容 5 二 直角坐標機器人的工作原理 7 2.1實現三個自由度運動的基本原理 7 2.2末端執(zhí)行器抓取工件的基本原理 7 2.1.1概述 7 2.2.2手指式手部的工作原理 8 三 直角坐標機器人結構設計 10 3.1直角坐標機器人外形方案的確定 10 3.2.1直角坐標機器人傳動方式的選擇 10 3.2.2直角坐標機器人驅動方式的選擇 11 3.3直角坐標機器人外形尺寸的確定 11 3.4傳動部件、驅動部件類型及主要參數的選擇 12 3.4.1傳動部件參數的選擇 12

8、 3.4.2驅動部件的選擇 19 3.5其它輔助部件的設計 22 3.5.1直線導軌的選擇 22 3.5.2滾動軸承的選擇 23 3.5.3機器人拖鏈的選擇 24 3.5.4其它部件的設計 24 3.6機械手結構設計 24 3.6.1機械手的結構特點 24 3.6.2機械手的手部尺寸及抓取范圍 25 3.6.3機械手傳動裝置的設計 25 3.6.4機械手驅動裝置的選擇 26 3.6.5機械手其它部件的選擇 26 四 機器人的校核及結構的可靠性分析 27 4.1軸承的校核 27 4.2各主要功能部件的可靠性分析 27 4.3各自由度間連接件的可靠性分析 28 4.

9、4軸的校核計算 29 五 機器人的控制 31 5.1步進電機的概況 31 5.2步進電機的工作原理 31 5.3步進電機的控制 32 5.5直角坐標機器人的控制方式 33 5.3.1步進電機專用控制芯片的概述與特性 33 5.3.2專用芯片的選擇及電路設計 34 六 直角坐標機器人的效果分析及技術評價 37 6.1直角坐標機器人的效果分析 37 6.1.1直角坐標機器人與人工操作的比較 37 6.1.2采用機器人工作帶來的問題 37 6.2直角坐標機器人結構的技術評價 37 6.2.1整體結構技術評價 37 6.2.2零件的技術分析 38 結束語 39 致謝 4

10、0 參考文獻 41 一 緒 論 1.1選題背景 工業(yè)自動化的歷史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、計算機輔助制造（CAM）系統結合在一起應用，這是現代制造業(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)領域變得更加有效——速度更快、操作更準確、更

11、富有柔性。如果在成本統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

12、單。 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換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、

13、 按自由度分為：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 （1）世界機器人的發(fā)展情況 兩院院士宋健曾說過：“機器人學的進步和應用是本世紀自動控制最有說服力的成就， 是當代最高意義上的自動化”?？茖W的進步與技術的創(chuàng)新，為機器人的研究與應用開辟了廣闊的思路與空間。 20世紀50年代是機器人的萌芽期，其概念是“一個空間機構組成的機械臂，一個可重復編程動作的機器”。1954年美國戴沃爾發(fā)表了“通用重復型機器人”的專利論文，首次提出“工業(yè)機器人”的概念；1958年美國聯合控制公司研制出第一臺數控工業(yè)機器

14、人原型；1959年美國UNIMATION公司推出第一臺工業(yè)機器人。 60年代隨著傳感技術和工業(yè)自動化的發(fā)展，工業(yè)機器人進入成長期，機器人開始向實用化發(fā)展，并被用于焊接和噴涂作業(yè)中。 　　70年代隨著計算機和人工智能的發(fā)展，機器人進入實用化時代。日本雖起步較晚，但結合國情，面向中小企業(yè)，采取了一系列鼓勵使用機器人的措施，其機器人擁有量很快超過了美國 ，一舉成為“機器人王國”。 　　80年代，機器人發(fā)展成為具有各種移動機構、通過傳感器控制的機器人的運動。使機器人的運動與控制更加的準確穩(wěn)定。 80年代后期至今天機器人的技術日臻成熟，使得機器人有了更進一步的發(fā)展，產生了有力覺視覺的機器人并隨著

15、計算機技術的發(fā)展，產生了智能機器人，智能機器人的產生為機器人工業(yè)的發(fā)展提出了一個更新的發(fā)展方向，為今后機器人工業(yè)的發(fā)展指明了方向。 （2）國內工業(yè)機器人的發(fā)展情況 我國工業(yè)機器人起步于20世紀40年代初期，經過30多年的發(fā)展，大致可分為3個階段：70年代的萌芽，80年代的開發(fā)期，90年代的實用化期。在高技術發(fā)展的失去下，隨著改革開放方針的實施，我國機器人技術的發(fā)展得到政府的重視的支持。在80年代中期，國家組織了對工業(yè)機器人需求的行業(yè)調研，結果表明，對第一代工業(yè)機器人的需求主要集中在汽車行業(yè)（占總需求的60%～70%）。在眾多專家的建議和規(guī)劃下，于“七五”期間，由機電部主持，中央各部委，中科

16、院能及地方科研所的大學參加，國家投入相當資金進行了工業(yè)機器人基礎技術、基礎元器件、幾類工業(yè)機器人整機及應用工程的開發(fā)研究。經過五年攻關，完成了示教再現式工業(yè)機器人成套技術（包括機械手、控制系統、驅動轉動單元、測試系統的設計制造應用的小批量生產的工藝技術等）的開發(fā)，研制出噴漆、弧焊、點焊的搬運等作業(yè)機器人整機，幾類專用和能耐通用控制系統及幾類關鍵元部件的主要性能指標達到80年代初國外同類產品的水平，并且形成小批量生產能力。經過80年代的尤其是后5 年的努力，我國的工業(yè)機器人技術的發(fā)展基本上可以立足于國內。90年代中期，國家已選擇以焊接機器人的工程應用為重點進行開發(fā)研究，從而迅速掌握焊接機器人的應

17、用工程成套開發(fā)技術、關鍵設備制造、工程配套、現場運行等技術。目前已有500臺左右的粘接機器人分布于大陸各大中城市的汽車、摩托車、工程機械等制造業(yè)，其中55%左右為扳焊機器人，45%左右為點焊機器人，已建成的機器人焊接柔性生產線5條，機器人焊接工作站300個。90年代后半期是實現國產機器人的商品化，為產業(yè)化奠定打基礎的時期，目前我國（指大陸地區(qū)，不包括港、澳、臺）工業(yè)機器人數量只有約2500臺，還沒達到1997年新加坡（3000多臺）的我國臺灣省（5000多臺）的水平產。 （3） 工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢 ①機器人朝著標準化方向發(fā)展。若想提高運動速度的運動精度，減輕重量和減安裝占用空間，必將導致

18、工業(yè)機器人功能部件的標準化的模塊化，以降低制造成本的提高可靠性。 ②注意研究新型機器人結構。隨著工業(yè)機器人作業(yè)精度的提高、作業(yè)環(huán)境的復雜化，應開發(fā)新型微動機構保證動作精度，開發(fā)多關節(jié)、多自由度的手臂和手指，研制新型的機構等以適應復雜作業(yè)的需要。 ③機器人朝著智能化方向發(fā)展。在多品種，小批量生產的柔性自由行自動化生技術中，要求工業(yè)機器人對外部環(huán)境和對象物體有處適應能力，具有一定的“智能”，機器人的智能化是批機器人具有感覺、知覺等，既有很強的檢測功能的判斷功能。為此，必須規(guī)范性類似人類感覺傳感器（如觸覺傳感器、視覺傳感器、測距傳感器等，）、發(fā)展式傳感器的信息融合技術，通過各種傳感器得到關于工作

19、對象的外部環(huán)境的信息，以及信息為中存儲的數據、經驗、規(guī)劃的資料，以完成模式，用“專家系統”等智能系統進行問題求解，動作規(guī)劃。 ④研究機器人協作控制。先進制造技術的協作機器人學的研究與發(fā)展趁著積極的促進作用。隨著先進制造技術的，工業(yè)機器人已從當初的柔性上、下料裝置正在成為高度柔性、高效率和可重組的裝配制造的加工系統中的生產設備。在這樣的生產線上，機器人是作為一個群體工作的，不論每個機器人在生產線上起什么作用，它總是作為系統中的一員而存在。而面向先進制造環(huán)境的機器人柔性裝配系統和機器人加工系統中，不僅有多機器人的集成，還有機器人與生產、線周邊設備、生產管理系統以及人的集成。因此，用系統的觀點來發(fā)

20、展新的機器人，有大量的理論與實踐的工作要做。 (4)發(fā)展工業(yè)機器人的意義 ①機器人對外部環(huán)境的適應性強，能代替人從事危險有害的操作。在人無法接近的地方或者在長時間工作對人體有害的場所，機器人都不受影響。只有根據工作環(huán)境條件進行合理設計，選用適當的材料和結構，工業(yè)機器人就可以在惡劣環(huán)境中工作。 ②機器人能持久，耐勞，可以把人從繁重單調的環(huán)境中解脫出來，并能擴展和延伸人的功能。 ③機器人動作準確性高，可保證穩(wěn)定的提高產品質量。工業(yè)機器人不像人一樣，容易受精神和心理因素的影響，它不會因為緊張、馬虎、疲勞或視覺差等原因引起失誤。 ④機器人的通用性靈活性好，能滿足產品品種迅速變化的要求，更重要

21、的是對產品品種多樣化，而且是層出不窮，不斷發(fā)展。 ⑤采用工業(yè)機器人后可明顯提高勞動生產率和降低成本。 1.3.2直角坐標機器人的發(fā)展情況 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，容易實現數字控制。缺點是占據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。 1.4選題的意義和目的及設計基本步驟 作為一名機械電子專業(yè)的學生，機器人是機械和電子結合得最緊密的產品，能夠有機會認識和了解機器人的結構，我感到很榮幸。畢業(yè)設計是對大學四年以來

22、所學的知識的一個總結，也是發(fā)揮自己的理論與實踐相結合的一個很好的機會，為以后的工作打下了一個設計的基礎，也是在為今后的就業(yè)做一次很好的準備，因此，畢業(yè)設計有十分重要的意義。 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。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

23、） 根據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機床刀架的觀察和分析，根據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本文研究的主要內容 本文以一種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

24、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。 二 直角坐標機器人的工作原理 2.1實現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

25、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。 能夠實現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

26、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 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 2.1.1概述 如今，查閱有關機械手的書籍，會發(fā)現的各類很多。按其抓取方式主要分為以下兩種：[3] （1）吸附式 ①空氣負壓吸盤 ②磁力吸盤 （2） 手指式

27、①平移式 ②回轉式 針對眾多的結構形式，選擇的方法其實很簡單。大部分是根據特定工作的要求專門設計的。例如，當確定手部大小、形狀，手指個數以及動作自由度時，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

28、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種可換手爪。 由于本次設計的工件是1～3kg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，少數為三指或多指。驅動裝置是為傳動機構提供動力的，驅動

29、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加緊或松開。 （1） 手指式手部的分類 ①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。但這種手指的結構比較復雜，體積大，要求加工精度高?；剞D型指部的張開和閉合靠指根部的回轉運動實現。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。 ②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

30、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。 ③按指端形狀可分為：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。 ④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 ①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。 ②應具

31、有足夠的開閉角度或開閉距離，便于抓取和退出工件。 ③應無可否認工件能準確定心或定位。 ④在保證本身強度的前提下，盡可能使結構緊湊，重量輕，以利于減輕總負載。 ⑤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。 三 直角坐標機器人結構設計 本章主要系統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，依據實際產品的設計過程為

32、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 占據空間大 懸臂式破解坐標機器人 使用靈活方便，占據空間小 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

33、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。 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

34、驅動系統，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100～800kg 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1～200kg 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 可實現無級調速，達到較高定位精度

35、 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

36、液壓系統較為復雜，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，能實現精確控制。鑒于以上的原因，選擇了電伺服驅動的方式。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，設計的參數為0.8mx0.6mx0.3m。搬運工作質量為1～3kg.根據以上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

37、800mm,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3∶1。 圖3-1結構尺寸 3.4傳動部件、驅動部件類型及主要參數的選擇 3.4.1傳動部件參數的選擇 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。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

38、0.5m/s，傳送的功率估計為500W，帶輪轉速100r/min。 1）設計功率 由表[4，14.1-55]查得 2）選定帶型和節(jié)距 根據，由圖[4,14.1-14]確定為 H型，節(jié)距 3）確定小帶輪齒數 根據帶型H和小帶輪轉速由表[4，14.1-56]查得小帶輪的最小齒數在這里取 4）小帶輪節(jié)圓直徑 由表[4，14.1-60]查得其外徑 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有 6）帶速v 7）初定軸間距 取 8）確定帶長及齒數 由表[4，14.

39、1-51]查得帶長代號為1100的H型同步帶，其節(jié)線長，節(jié)線長上的齒數。 9）實際軸間距a 10）小帶輪嚙合齒數 11）基本額定功率 由表[4，14.1-58]查得， 12）計算帶寬 由表[4，14.1-57]查得H型帶 由表[4，14.1-52]查得，應選帶寬代號為300的H型帶，其 13）帶輪結構和尺寸 傳動選用的同步帶為1100H300； （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

40、的最高速度為0.4m/s，傳送的功率為400W，帶輪轉速100r/min。 1）設計功率 由表[4，14.1-55]查得 2）選定帶型和節(jié)距 根據，由圖[4,14.1-14]確定為 H型，節(jié)距 3）確定小帶輪齒數 根據帶型H和小帶輪轉速由表[4，14.1-56]查得小帶輪的最小齒數在這里取 4）小帶輪節(jié)圓直徑 由表[4，14.1-60]查得其外徑 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有 6）帶速v 7）初定軸間距 取 8）確定帶長及齒數 由表[4

41、，14.1-51]查得帶長代號為840的H型同步帶，其節(jié)線長，節(jié)線長上的齒數。 9）實際軸間距 10）小帶輪嚙合齒數 11）基本額定功率 由表[4，14.1-58]查得， 12）計算帶寬 由表[4，14.1-57]查得H型帶 由表[4，14.1-52]查得，應選帶寬代號為300的H型帶，其 13）帶輪結構和尺寸 傳動選用的同步帶為840H300； （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

42、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；絲杠導程=10mm；當量轉速（考慮在運動過程中，軸向載荷較小，電機轉速較高，這里簡化取當量轉速為1500r/min）；當量負載（根據運動中負載不變和原則）。 1） 計算動負載[5] 由公式 其中：壽命系數， 轉速系數， 要求壽命，=3001610＝48000h 綜合系數， 其中：查表3-3得；查表3-4得；查表3-5得；查表3-6得；查表3-7得 表3-3溫度系數 工作溫度 小于100 125 1

43、50 175 200 225 250 1 0.95 0.90 0.85 0.80 0.75 0.70 表3-4硬度系數 硬 度 》58 55 52.5 50 47.5 45 40 1.0 1.11 1.35 1.56 1.92 2.4 3.85 表3-5精度系數 精度等級 1、2、3 4、5 7 10 1.0 0.9 0.8 0.7 表3-6負載性質

44、系數 負荷性質 無沖擊平穩(wěn)運轉 一般運動 有沖擊和振動運轉 1-1.2 1.2-1.5 1.5-2.5 表3-7可靠性系數 可靠度 90 95 96 97 98 99 1.00 0.62 0.53 0.44 0.33 0.21 經計算，得 因此得到 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3.24KN>2.1KN，符合要求 根據

45、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： 式中 E—材料的拉、壓彈性模量，鋼的 J—絲杠軸最小截面慣性矩（）； A—絲杠軸最小截面面積； —臨界轉速計算長度（m）； ρ—材料密度鋼的； —安全系數，取=0.8； 將E、J、A、ρ、的值代入得 其中：查表3-8得：=3.927， 由滾珠絲杠副參數知：絲杠螺紋底徑mm 臨界轉速長度：mm 經計算得， 符合要求

46、 表3-8支撐方式系數 支撐方式 一端固定一端自由 一端固定一端游動 兩端固定 0.25 2.00 4.00 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 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 式中 E、J、—含義同上； —最大受壓長度（m）； —絲杠支承方式系數；

47、 —安全系數，取=； 將E、J、、π的值代入上式可簡化得 其中：查表3-8得：=2.00， 由滾珠絲杠副參數知：絲杠螺紋底徑mm 臨界轉速長度：mm 經計算得15.2KN， 符合要求。 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，這種電機統稱為控制電機?？刂齐姍C與普通旋轉電機的基本工件原理沒有本質上的區(qū)別，但普通旋轉電機著重于對起動和運

48、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，通常從數百毫瓦到數百瓦，系列產品的機殼外徑一般由12.5mm到130mm，重量從數十克到數千克，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中，有些控制電機的輸出功率也可達數十千瓦，機殼外徑達數百毫米。[5] 控制電機已成為現代機電一體化的工業(yè)自動化系統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

49、 電機名稱 用 途 交、直流伺服電動機 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楊正比，轉速與每秒電脈沖數成正比。一般須開環(huán)系統中作執(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。在系統中作用功率放大元件 低速電動機 不

50、需齒輪減速，每分鐘公僅可轉數十轉。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。在系統中可作為直接驅動負載的執(zhí)行元件 由上述可知，第一、二自由度的電機選用步進電機，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

51、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。 （1）外載荷產生的摩擦力矩 其中：—軸向載荷； —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0.85； （2）絲杠副預緊力摩擦力摩擦力矩 其中：—基本導程； —預加載荷； （3）慣性力矩 其中：—折合到電動機軸上的總的轉動慣量； —電動機當量轉速； —加速時間； 折合轉動慣量按下式計算： 其中：—電動機轉動慣量；

52、 —各轉動件轉動慣量； —各轉動件角速度； —各直線運動件的質量； —各直線運動件的速度； 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=0.04Nm；其中；第三自由度總負載估算20kg；的確定需要作軌跡規(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0.2

53、g，則上長時間為0.255s. 于是得慣性轉矩 于是驅動力矩 在綜合考慮其它因素的影響，取電機的驅動力矩1.5選交流伺電機60CB系列，其型號為：60CB020C 功率200W 轉矩0.64Nm。同時加PLS80精密行星減速器減速比。 3.5其它輔助部件的設計 3.5.1直線導軌的選擇 1）導軌類型的選擇原則 ①精度互不干涉原則：導軌的各項精度制造和使用時互不影響才易得到較高的精度。如矩形導軌的直線性與側面導軌的直線性在制造進互不影射；又如平—V導軌的組合，上導軌（工作臺）的橫向尺寸的變化不影射導軌的工作精度。 ②靜、動摩擦系數相接近的原則：例如選用滾動導軌或塑料導軌，由于

54、摩擦系數小且靜、動摩擦系數相近，所以可獲得低的運動速度和很高的重復定位精度。 ③導軌能自動貼合的原則；要使導軌精度高，必須使相互結合的導軌有自動貼合的性能。對水平位置工作的導軌，可以靠工作臺的自重來貼合；其他導軌靠附加的彈簧力或者滾輪的壓力使其貼合。 ④移動導軌（例如工作臺）在移動過程中，始終全部接觸的原則：也就是固定的導軌長，移動的導軌短。 ⑤對水平安置的導軌，以下導軌為基準，上導軌為彈性體的原則：以長的固定不動的下導軌為剛性較強的剛體為基準，移動部件的上導軌為能具有一定變形的彈性體。 ⑥能補償因受力變形和受熱變形的原則：例如龍門式機床的橫梁導軌，將中間部位制成凸形，以補償主軸箱（或

55、刀架）移動到中間位置進的彎曲變形。[7] 第一、二自由度的受力主要由徑向的壓力引起的摩擦力，因此，選擇凹形對稱V形導軌，其有導向精度高，磨損后能自動補償，易保存潤滑油，高低速均可采用的特點。V形導軌的尺寸為B=20，b=2，α=90。第一、二自由度分別采用四根導軌。第三自由度采用兩根微型直線導軌。 3.5.2滾動軸承的選擇 在選擇軸承時，首先要選擇軸承類型，可以根據常用標準軸承的基本特點進行選擇，同時在選擇軸承時還要考慮以下主要因素。 ①軸承的載荷 根據載荷的大小選擇軸承類型時，由于滾子軸承中主要元件間是線接觸，宜用于承受較大的載荷，承載后變形也較小。而球軸承中則主要為點接觸，宜用于

56、承受較輕的或中等的載荷，在載荷較小時，可優(yōu)先選用球軸承。 根據載荷的方向選擇軸承類型時，對于純軸向載荷，一般選用推力軸承。較小的純軸向載荷時，可選用推力軸承；較大的純軸向載荷可選用推力滾子軸承，對于純徑向載荷，一般選用深溝球軸承、圓柱滾子軸承或滾針軸承。當承受徑向載荷的同時，還有不大的軸向載荷時，可行用深溝球軸承或接觸角不大的角接觸球軸承或圓錐滾子軸承；當軸向載荷較大時可選用接觸角較大的角接觸球軸承或圓錐滾子軸承，或者選用向心軸承和推行為軸承組合在一起的結構，分別承擔徑向載荷和軸向載荷。 ②軸承的轉速 在一般轉速下，轉速的高低對類型的選擇不發(fā)生什么影響，只有在轉速較高時，才會有比較顯著的

57、影響。 ③軸承的調心性能 當軸的中心線與軸承座中心線不重合而有角度誤差時，或因軸受罰而彎曲或傾斜時，會造成軸承的內外圈軸線發(fā)生偏斜。這時采用有一定調心性能調心軸承或帶座外球面球軸承。 ④軸承的安裝和拆卸 便于裝拆，也是在選擇軸承類型時應考慮的一個因素，在軸承座沒有部分面而必須沿軸向安裝和拆卸軸承部件時，應優(yōu)先選擇內外圈可分離的軸承（如N0000、NA0000、30000等）。[8] 根據以上的要求可知，由于在本傳動中，第一、二自由度分別用帶傳動，其承受的軸向力較小，主要承受徑向力為主，因此，對于第一、二自由度選用深溝球軸承，為了設計簡化采用相同的型號；而第三自由度主要心承受軸向載荷為

58、主，所以采用現個角接觸球軸承對背安裝。由以上的分析，選用的軸承為6205，7202AC。[9] 3.5.3機器人拖鏈的選擇 機器人采用PFP系列拖鏈。其主要參數如下：內腔尺寸：1530外腔尺寸2030彎曲半徑28。拖鏈的長度L=1000mm。 3.5.4其它部件的設計 其它部件都已經給出圖紙，可按照圖紙加工，其中技術要求在圖中已注明。 3.6機械手結構設計 3.6.1機械手的結構特點 機械手的手部結構具有以下特點： （1）手部的工作范圍較大。 （2）該機構為省力機構。 （3）結構簡單，抓取方形物體。 圖

59、3-3機械手抓取范圍簡圖 3.6.2機械手的手部尺寸及抓取范圍 根據負載大小，估計工件的結構尺寸。由于采用直指結構，只能夾取矩形工件。設工件為鋼質，根據密度可計算出夾取工件的體積為。機械手手部抓取范圍如上圖所示。 3.6.3機械手傳動裝置的設計 由于機械手傳動裝置的移動距離比較短，所以傳動選擇滑動絲桿的傳動裝置。這里取最大的驅動力為300N。 （1）材料的選擇 螺桿45號鋼，；選擇梯形螺紋 （2）由耐磨性計算 取ψ=2，對于梯形螺紋[10] 其中：F—驅動力（N） []—許用壓強（MPa）由表[10，22.4-7]得[P

60、]=8MPa —絲桿中徑（mm） ζ梯形螺紋時ζ=0.8 經過計算得3.46mm 根據標準的梯形螺紋，查書[10，21.1-14]選擇螺紋的公稱直徑d=20mm,螺距P=2mm，小徑=17.5mm，中徑=19mm （3）自鎖性驗算 由公式可知當量摩擦角 其中：—當量摩擦角 f—摩擦系數，查表[10，22.4-6]，得f=0.15 α—牙形角，這里α=30 則計算得當量摩擦角=824` 螺紋升角 其中：S—導程（mm）,這時取單線，則S=P=2mm 經計算可得螺紋升角λ=155` 這里λ<824`，能滿足要求。 （4

61、）螺桿強度計算 其中：T—傳遞轉矩（Nm），=0.51Nm σ—當量應力（MPa）， 將各參數代入上式可得σ=1.33MPa，查表[10，22.4-8]得計算得 [σ]=118-71（MPa）,σ<[σ]滿足要求， 經過上述的計算可知，選用的絲桿可滿足要求，絲桿長度為80mm.絲母長度為40mm。 3.6.4機械手驅動裝置的選擇 機械手采用伺服電機驅動，機械手需要垂直安裝，同上述計算可知，傳動的力矩為0.51Nm，在綜合考慮其它因素的影響，取電機的驅動力矩1.2T，選擇交流伺服電動機，60CB系列，其型號為：60CB020C,功率200W,轉矩0.64N

62、m 3.6.5機械手其它部件的選擇 機械手絲桿主要受力為軸向力。所以選擇兩個角接觸軸承背對背安裝。其型號為7202AC。至于其它的附件的設計在圖紙中已經給出，詳見圖紙。 四 機器人的校核及結構的可靠性分析 4.1軸承的校核 取第一自由度進行軸承校核，工作按每天16小時每年工作300天，工作10算壽命，可知預期壽命為48000h，由設計手冊可知，同步帶的預緊力為1047N，采用深溝球軸承，由受力分析得，每個軸承所受力為1077N，，根據設計手冊[9]，6205軸承的基本額定載荷為，， （1）當量動載荷P[8] 其中：—載荷系數，這里取為1.2 —徑向

63、力，=1077N 在這里只考慮徑向力的作用，忽略軸向力作用。 計算得當量動載荷為P=1292.4N （2）驗算壽命 其中：n—帶輪轉速，這里取最大轉速為500r/min ，P—基本額定動載荷，當量載荷。 計算得73217h>48000h，計算壽命滿足預期的壽命，因此軸承可以滿足要求。 4.2各主要功能部件的可靠性分析 直角坐標機器人各個主要功能部件的選擇與計算在上一章已經做了詳細的介紹，其間為了確定零部件的型號曾經做了下面的假設，匯總在表4-1中。在設計完成后，經過計算，得到了部件的重量匯總在表4-2中。通過對兩個表的對比可以看出，按

64、假設選定的各個部件都可以滿足使用的要求。 表4-1部件估算質量表 部件 質量 機械手及負載 20kg 第二自由度及負載 70kg 第三自由度及負載 100kg 表4-2部件實際質量表 部件 質量 機械手及負載 18kg 第二自由度及負載 56kg 第三自由度及負載 71kg 4.3各自由度間連

65、接件的可靠性分析 由于各個自由度之間都使用螺栓連接，現就連接螺栓進行強度校核。各個自由度的連接都采用受橫向載荷的螺栓組連接，可按下式進行校核 其中：f—結合面間摩擦系數，取f=0.15 m—為結合面對數 —可靠性系數，取=1.2 —每個螺栓的軸向載荷 R—外載荷 z—螺栓個數 所選取的螺栓的直徑為 其中：；S為安全系數， 經過計算： 對于一、二自由度連接螺栓，這里取M8可滿足要求。 對于二、三自由度連接螺栓，取M8螺栓可滿足要求。 對于第三自由度和機械手連接螺栓，取M8可滿足要求

66、。 4.4軸的校核計算 由軸的受力可知，在此設計中，軸的受力不大，在進行校核時采用，彎扭合成強度條件進行校核，由帶輪的受力可知，只有在水平面上受到力的作用，而在豎直面上忽略帶輪的作用力，根據其結構畫出了軸的零件簡單圖如下圖4-1，其受力結構簡圖如圖4-2。 圖4-1軸結構圖 圖4-2受力結構簡單圖 由帶輪的預緊力，與工作的拉力可知，圖中，由力與力矩平衡關系可以得出，此軸的扭矩T由上述計算可知為T=2180Nmm,根據上述條件可畫出彎矩圖與扭矩圖如下4-3所示。 圖4-3軸的載荷分析圖 已知軸的彎矩和扭矩后，可以判斷出在圖中所示的B-B截面的左側為危險截面，對此處做彎扭合成強度校核計算，按第三強度理論計算應力[11] 其中：—軸的計算應力（MPa） M—軸所受的彎矩（Nmm） T—軸所受的扭矩（Nmm） []—對稱循環(huán)變應力時軸的許用彎曲應力，由表[8，15-4]得，=55MPa