畢業(yè)設(shè)計（論文）-三自由度圓柱坐標(biāo)工業(yè)機(jī)器人設(shè)計.doc

遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計第 I 頁 三自由度圓柱坐標(biāo)工業(yè)機(jī)器人設(shè)計三自由度圓柱坐標(biāo)工業(yè)機(jī)器人設(shè)計 摘摘 要要 本設(shè)計為三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，其工作方向為兩個直線方向和一個旋 轉(zhuǎn)方向。在控制器的作用下，它執(zhí)行將工件從一條流水線拿到另一條流水線這一簡單 的動作,。根據(jù)機(jī)器人的工作要求和結(jié)構(gòu)特點，進(jìn)行了機(jī)器人的總體設(shè)計，確定了機(jī)器 人的外形尺寸和工作空間，擬定了機(jī)器人各關(guān)節(jié)的總體傳動方案，對機(jī)器人腰關(guān)節(jié)結(jié) 構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計，合理布置了電機(jī)和齒輪，確定了各級傳動參數(shù)，進(jìn)行了齒輪、軸 和軸承的設(shè)計計算和校核。該機(jī)器人具有剛性好，位置精度高、運(yùn)行平穩(wěn)的特點。本 文是對整個設(shè)計工作較全面的介紹和總結(jié)。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：三自由度，圓柱坐標(biāo)，工業(yè)機(jī)器人 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計第 II 頁 AbstractAbstract This design for three dof cylindrical coordinates type industrial robot, its working direction for two straight line direction and a rotating direction . Industrial robots are relatively new electromechanical devices that are beginning to change the appearance of modern industry. This scheme introduced a cylindrical robot for three degree of freedom. It is composed of two linear axes and one rotary axis current control only allows these devices move from one assembly line to other assembly line in space, perform relatively simple taskes. This paper is more comprehensive introduction and summing-up for the for the whole design work. Keywords: three degrees of freedom, cylindrical, Industrial robot 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計第 III 頁 目 錄 摘摘 要要 I I 1 1 緒論緒論 1 1 1.1 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r 1 1.1.1 工業(yè)機(jī)器人的歷史.1 1.1.2 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展.1 1.1.3 我國工業(yè)機(jī)器人.3 1.2 選題背景及目的 4 1.3 工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計要求及參數(shù)5 1.4 工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計步驟6 2 2 三自由度圓柱坐標(biāo)工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計三自由度圓柱坐標(biāo)工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計 7 7 2.1 工業(yè)機(jī)器人的組成及各部分關(guān)系概述7 2.2 工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計分析 8 2.2.1 設(shè)計要求8 2.2.2 總體方案擬定8 2.2.3 工業(yè)機(jī)器人主要技術(shù)性能參數(shù).9 3 3 三自由度圓柱坐標(biāo)工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計三自由度圓柱坐標(biāo)工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計 1010 3.1 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動系統(tǒng)分析.10 3.1.1 機(jī)器人的運(yùn)動概述.10 3.1.2 機(jī)器人的運(yùn)動過程分析 .11 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計第 IV 頁 3.2 工業(yè)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計 .12 3.2.1 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計 .12 3.2.2 手臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計 .14 3.2.3 腰部和基座設(shè)計 .16 3.3 工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械傳動裝置的選擇.22 3.3.1 滾珠絲杠的選擇22 3.3.2 諧波齒輪的選擇23 3.3.3 聯(lián)軸器的選擇 .24 4 4 三自由度圓柱坐標(biāo)工業(yè)機(jī)器人的計算機(jī)控制系統(tǒng)概述三自由度圓柱坐標(biāo)工業(yè)機(jī)器人的計算機(jī)控制系統(tǒng)概述 2525 4.1 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點及對控制功能的基本要求.25 4.2 計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計方案.25 4.3 硬件電路的組成.26 5 5 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行時應(yīng)采取的安全措施工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行時應(yīng)采取的安全措施 2727 5.15.1 安全要求 2727 5.25.2 實施方法 2727 結(jié)結(jié) 論論 2929 致謝致謝 3030 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 3232 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計第 1 頁 1 1 緒論緒論 1.11.1 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r 1.1.11.1.1 工業(yè)機(jī)器人的歷史工業(yè)機(jī)器人的歷史 1920 年捷克作家卡雷爾查培克在其劇本 羅薩姆的萬能機(jī)器人 中最早 使用機(jī)器人一詞，劇中機(jī)器人 “Robot”這個詞的本意是苦力，即 劇作家筆下的一 個具有人的外表，特征和功能的機(jī)器，是一種人造的勞力。它是最早的工業(yè)機(jī)器人 設(shè)想。 20 世紀(jì) 40 年代中后期，機(jī)器人的研究與發(fā)明得到了更多人的關(guān)心與關(guān)注。 50 年代以后，美國橡樹嶺國家實驗室開始研究能搬運(yùn)核原料的遙控操縱機(jī)械手，如 圖 0.2 所示，這是一種主從型控制系統(tǒng)，主機(jī)械手的運(yùn)動。系統(tǒng)中加入力反饋，可 使操作者獲知施加力的大小，主從機(jī)械手之間有防護(hù)墻隔開，操作者可通過觀察窗 或閉路電視對從機(jī)械手操作機(jī)進(jìn)行有效的監(jiān)視，主從機(jī)械手系統(tǒng)的出現(xiàn)為機(jī)器人的 產(chǎn)生為近代機(jī)器人的設(shè)計與制造作了鋪墊。 1954 年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機(jī)器人的概念，并申請了專利。該專利的要 點是借助伺服技術(shù)控制機(jī)器人的關(guān)節(jié)，利用人手對機(jī)器人進(jìn)行動作示教，機(jī)器人能 實現(xiàn)動作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的 示教再現(xiàn)機(jī)器人 ?，F(xiàn)有的機(jī)器人差不多都 采用這種控制方式。 1959 年第一臺工業(yè)機(jī)器人在美國誕生，開創(chuàng)了機(jī)器人發(fā)展的 新紀(jì)元。 1965 年，MIT 的 Roborts 演示了第一個具有視覺傳感器的、能識別與定位簡單積木 的機(jī)器人系統(tǒng)。 1967 年日本成立了人工手研究會（現(xiàn)改名為仿生機(jī)構(gòu)研究會） ，同年召開了日本首 屆機(jī)器人學(xué)術(shù)會。 1970 年在美國召開了第一屆國際工業(yè)機(jī)器人學(xué)術(shù)會議。1970 年以后，機(jī)器人的研 究得到迅速廣泛的普及。 1973 年，辛辛那提米拉克隆公司的理查德豪恩制造了第一臺由小型計算機(jī)控制的 工業(yè)機(jī)器人，它是液壓驅(qū)動的，能提升的有效負(fù)載達(dá) 45 公斤。 到了 1980 年，工業(yè)機(jī)器人才真正在日本普及，故稱該年為“機(jī)器人元年” 。 1.1.21.1.2 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展 1.工業(yè)機(jī)器人概念的產(chǎn)生 1954 年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機(jī)器人的概念，并申請了專利。該專利的要點 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計第 2 頁 是借助伺服技術(shù)控制機(jī)器人的關(guān)節(jié)，利用人手對機(jī)器人進(jìn)行動作示教，機(jī)器人能實現(xiàn) 動作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機(jī)器人?，F(xiàn)有的機(jī)器人差不多都采用這種 控制方式。 工業(yè)機(jī)器人是指在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用的機(jī)器人，是一種能自動控制的，可重復(fù)編程 的、多功能的、多自由的、多用途的操作機(jī)，是集機(jī)械、電子、控制、計算機(jī)、傳感 器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)金屬于一體的重要現(xiàn)代化制造業(yè)自動化裝備。工業(yè)機(jī)器人 已成為柔性制造系統(tǒng)(FMS)、工廠自動化(FA)、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)的自動工具。 2.第一臺工業(yè)機(jī)器人的問世 進(jìn)入 20 世紀(jì)以后，機(jī)器人的研究與開發(fā)得到了更多人的關(guān)心與支持，一些實 用化的機(jī)器人相繼問世，1927 年美國西屋公司工程師溫茲利制造了第一個機(jī)器人“電 報箱” ，并在紐約舉行的世界博覽會上展出。它是一個電動機(jī)器人，裝有無線電發(fā)報機(jī)， 可以回答一些問題，但該機(jī)器人還不能走動。1959 年第一臺工業(yè)機(jī)器人（可編程、圓 坐標(biāo)）在美國誕生，并由此開創(chuàng)了機(jī)器人發(fā)展的新紀(jì)元。 3.工業(yè)機(jī)器人的快速發(fā)展 作為機(jī)器人產(chǎn)品最早的實用機(jī)型（示教再現(xiàn)）是 1962 年美國 AMF 公司推的 “VERSTRAN”和 UNIMATION 公司推出的“UNIMATE” 。這些工業(yè)機(jī)器人的控制方式與數(shù) 控機(jī)床大致相似，但外形特征迥異，主要由類似人的手和臂組成。 1965 年，MIT 的 Roborts 演示了第一個具有視覺傳感器的、能識別與定位簡單積 木的機(jī)器人系統(tǒng)。 1967 年日本成立了人工手研究會（現(xiàn)改名為仿生機(jī)構(gòu)研究會） ，同年召開了日本首 屆機(jī)器人學(xué)術(shù)會。 1970 年在美國召開了第一屆國際工業(yè)機(jī)器人學(xué)術(shù)會議。1970 年以后，機(jī)器人的研 究得到迅速廣泛的普及。 1973 年，辛辛那提米拉克隆公司的理查德豪恩制造了第一臺由小型計算機(jī)控 制的工業(yè)機(jī)器人，它是液壓驅(qū)動的，能提升的有效負(fù)載達(dá) 45 公斤。 到了 1980 年，工業(yè)機(jī)器人才真正在日本普及，故稱該年為“機(jī)器人元年” 。 隨后，工業(yè)機(jī)器人在日本得到了巨大發(fā)展，日本也因此而贏得了“機(jī)器人王國的 美稱” 。 如今，國際上工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在制造業(yè)應(yīng)用范圍越來越廣泛，現(xiàn)已從傳統(tǒng)制造業(yè) 推廣到其他制造業(yè)，進(jìn)而推廣到諸如采礦、建筑、農(nóng)業(yè)、災(zāi)難救災(zāi)等各種非制造行。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計第 3 頁 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，由簡單到復(fù)雜，由初級到高級逐步完善，它的發(fā)展過程可為三 代： 第一代工業(yè)機(jī)器人就是目前工業(yè)中大量使用的示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人，它主要由 手部、臂部、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。它的控制方式比較簡單，應(yīng)用在線編程，即 通過示教存貯信息，工作時讀出這些信息，向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按指令再 現(xiàn)示教的操作。 第二代機(jī)器人是帶感覺的機(jī)器人。它具有尋力覺、觸覺、視覺等進(jìn)行反饋的能力。 其控制方式較第一代工業(yè)機(jī)器人要復(fù)雜得多，這種機(jī)器人從 1980 年開始進(jìn)入了實用階 段，不久即將普及應(yīng)用。 第三代工業(yè)機(jī)器人即智能機(jī)器人。這種機(jī)器人除了具有觸覺、視覺等功能外，還 能夠根據(jù)人給出的指令認(rèn)識自身和周圍的環(huán)境，識別對象的有無及其狀態(tài)，再根據(jù)這 一識別自動選擇程序進(jìn)行操作，完成規(guī)定的任務(wù)。并且能跟蹤工作對象的變化，具有 適應(yīng)工作環(huán)境的功能。這種機(jī)器人還處于研制階段，尚未大量投入工業(yè)應(yīng)用。 1.1.31.1.3 我國工業(yè)機(jī)器人我國工業(yè)機(jī)器人 1 1、我國工業(yè)機(jī)器人的起步我國工業(yè)機(jī)器人的起步 我國工業(yè)機(jī)器人是從二十世紀(jì)八十年代開始起步，經(jīng)過二十多年的努力，已經(jīng)形 成了一些具有競爭力的工業(yè)機(jī)器人研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)。先后研發(fā)出弧焊、電焊、裝配、 搬運(yùn)、注塑、沖壓及噴漆等工業(yè)機(jī)器人。近幾年，我國工業(yè)機(jī)器人及含工業(yè)機(jī)器人的 自動化生產(chǎn)線相關(guān)的產(chǎn)品的年銷售額已突破 10 億元。目前國內(nèi)市場年需求量在 3000 臺左右，年銷售額在 20 億元以上。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，中國市場上工業(yè)機(jī)器人總共擁有量 盡萬臺，占全球總量的 0.56%，其中完全國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人(行業(yè)規(guī)模比較大的前三家工 業(yè)機(jī)器人企業(yè))行業(yè)集中度占 30%左右，其余都是從日本、美國、瑞典、德國、意大利 等 20 多個國家引進(jìn)的。國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人目前主要以國內(nèi)市場應(yīng)用為主，年出口量為 100 臺左右，年出口額為 0.2 億元以上。 2、我國工業(yè)機(jī)器人的主要應(yīng)用我國工業(yè)機(jī)器人的主要應(yīng)用 工業(yè)機(jī)器人 50%以上用在汽車領(lǐng)域。 目前，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域主要有弧焊、點焊、裝配、搬用、噴漆、檢測、碼 垛、研磨拋光和激光加工等復(fù)雜作業(yè)。 在我國，工業(yè)機(jī)器人的最初應(yīng)用是在汽車和工程機(jī)械行業(yè)，主要用于汽車及工程 機(jī)械的噴涂及焊接。目前，由于機(jī)器人技術(shù)及研發(fā)的落后，工業(yè)機(jī)器人還主要應(yīng)用在 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計第 4 頁 制造業(yè)，非制造業(yè)使用的較少。據(jù)不完全統(tǒng)計，近幾年國內(nèi)廠家所生產(chǎn)的哦工業(yè)機(jī)器 人有超過一半是提供給汽車行業(yè)。由此可見，汽車工業(yè)的發(fā)展是近幾年我國工業(yè)機(jī)器 人增長的原動力之一。 3、我國機(jī)器人技術(shù)主題發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)我國機(jī)器人技術(shù)主題發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo) 我國這一戰(zhàn)略目標(biāo)是：根據(jù) 2l 世紀(jì)初我國國民經(jīng)濟(jì)對先進(jìn)制造及自動化技術(shù)的需 求，瞄準(zhǔn)國際前沿高技術(shù)發(fā)展方向創(chuàng)新性地研究和開發(fā)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)技 術(shù)、產(chǎn)品技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)。未來工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的重點有：第一，危險、惡劣環(huán) 境作業(yè)機(jī)器人：主要有防暴、高壓帶電清掃、星球檢測、油汽管道等機(jī)器人；第二， 醫(yī)用機(jī)器人：主要有腦外科手術(shù)輔助機(jī)器人，遙控操作輔助正骨等；第三，仿生機(jī)器 人：主要有移動機(jī)器人，網(wǎng)絡(luò)遙控操作機(jī)器人等。其發(fā)展趨勢是智能化、低成本、高 可靠性和易于集成。工業(yè)機(jī)器人市場競爭越來越激烈，中國制造業(yè)面臨著與國際接軌、 參與國際分工的巨大挑戰(zhàn)，加快工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的研究開發(fā)與生產(chǎn)是我們抓住這個歷 史機(jī)遇的主要途徑。因此我國工業(yè)機(jī)器人行業(yè)要認(rèn)識到以下幾點情況：第一，工業(yè)機(jī) 器人技術(shù)是我國由制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)變的主要手段和途徑，政府要對國產(chǎn)工業(yè)機(jī) 器人有更多的政策與經(jīng)濟(jì)支持，參考國外先進(jìn)經(jīng)驗，加大技術(shù)投入與改造；第二，在 國家的科技發(fā)展計劃中，應(yīng)該繼續(xù)對智能機(jī)器人研究開發(fā)與應(yīng)用給予大力支持，形成 產(chǎn)品和自動化制造裝備同步協(xié)調(diào)的新局面；第三，部分國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)與國外相 當(dāng)，企業(yè)采購工業(yè)機(jī)器人時不要盲目進(jìn)口，應(yīng)該立足國產(chǎn)，經(jīng)綜合評估，然后作出安 排。 總之，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)在我們的生活中發(fā)揮者不可替代的作用。相信，隨著科學(xué) 技術(shù)的不斷發(fā)展和提高，機(jī)器人將會越來越廣泛的滲入到我們生活的各個方面，而作 為機(jī)器人的一個重要分支工業(yè)機(jī)器人，將會更深一步的影響我們的生活 1.21.2 選題背景及目的選題背景及目的 機(jī)器人工程是近二十多年來迅速發(fā)展起來的綜合學(xué)科。它集中了機(jī)械工程、電子 工程、計算機(jī)工程、自動控制工程以及人工智能等多種學(xué)科的最新研究成果，是 當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一，也是我國科技界跟蹤國際高科技發(fā)展的重 要方面。工業(yè)機(jī)器人的研究、制造和應(yīng)用水平，是一個國家科技水平和經(jīng)濟(jì)實力 的象征，正受到許多國家的廣泛重視。 目前，工業(yè)機(jī)器人的定義，世界各國尚未統(tǒng)一，分類也不盡相同。最近聯(lián)合國國 際標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機(jī)器人協(xié)會給工業(yè)機(jī)器人下的定義：工業(yè)機(jī)器人是一種 可重復(fù)編程的多功能操作裝置，可以通過改變動作程序，來完成各種工作，主要 用于搬運(yùn)材料，傳遞工件。參考國外的定義，結(jié)合我國的習(xí)慣用語，對工業(yè)機(jī)器 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計第 5 頁 人作如下定義：工業(yè)機(jī)器人是一種機(jī)體獨(dú)立，動作自由度較多，程序可靈活變更， 能任意定位，自動化程度高的自動操作機(jī)械。主要用于加工自動線和柔性制造系 統(tǒng)中傳遞和裝卸工件或夾具。 目前，對機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展有最重要影響的國家是日本和美國。美國在機(jī)器人技 術(shù)的綜合性水平上仍處于領(lǐng)先地位，日本生產(chǎn)的機(jī)器人數(shù)量和種類則居世界首位。 我國發(fā)展機(jī)器人技術(shù)起步于 20 世紀(jì) 70 年代末。1995 年 9 月，6000m 水下機(jī)器人 試驗成功.近年來,在步行機(jī)器人、精密裝配機(jī)器人及多自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人研制 等前沿領(lǐng)域內(nèi)逐步縮短與世界水平的差距。 自從第一臺工業(yè)機(jī)器人問世以來，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域從汽車工業(yè)逐漸向其他行業(yè) 滲透，機(jī)器人的種類也從操作手逐漸衍生出各種各樣的機(jī)器人，如今機(jī)器人已經(jīng) 深入到人類生活的方方面面。人類科技的進(jìn)步、文明的發(fā)展已經(jīng)和機(jī)器人產(chǎn)生了 密切的關(guān)系。人類社會的發(fā)展已經(jīng)離不開機(jī)器人技術(shù)，而機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步必然 對推動科技發(fā)展產(chǎn)生不可忽視的作用。當(dāng)前和今后的機(jī)器人技術(shù)正逐漸向著具有 行走能力、對環(huán)境的自主性強(qiáng)、具有多種感覺能力的方向發(fā)展。機(jī)器人也正在逐 漸具有智能。美國貝爾科爾公司已成功地將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)裝配在芯片上，其智能分析 速度比普通計算機(jī)要快數(shù)千倍，能更好地完成識別語言和圖像處理等工作。 工業(yè)機(jī)器人以剛性高的手臂為主體，與人相比，可以有更快的運(yùn)動速度，可以 搬運(yùn)更重的東西，而且定位精度相當(dāng)高，它可以根據(jù)外部來的信號，自動進(jìn)行各種 操作。工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)生活當(dāng)中必不可少，機(jī)器人來幫助人們在生產(chǎn)生活中，減 少人力勞動，減少人力資源的應(yīng)用，同時提高工作的效率以及質(zhì)量。 本次設(shè)計主要完成的任務(wù)是把一個工件用機(jī)器人從一條生產(chǎn)線準(zhǔn)確、迅速、平 穩(wěn)、安全的搬運(yùn)到另外一條生產(chǎn)線上去，從而實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，提高效率的目的。 1.31.3 工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計要求及參數(shù)工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計要求及參數(shù) 本次設(shè)計主要涉及以下方面內(nèi)容： 1、包括 3 個自由度：機(jī)座回轉(zhuǎn)，腰部升降，臂部伸縮； 2、機(jī)器人手的最大抓力 8 公斤； 3、機(jī)座回轉(zhuǎn)度數(shù)達(dá)到 0180，臂部升降范圍達(dá)到 0500mm，臂部伸縮范圍達(dá)到 0200mm 4、完成對工件從一條生產(chǎn)線搬運(yùn)到另外一條生產(chǎn)線的要求，具體動作為在一條生 產(chǎn)線上抓起工件，然后旋轉(zhuǎn) 180到另一條生產(chǎn)線上放下工件。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計第 6 頁 1.41.4 工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計步驟工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計步驟 1、確定設(shè)計對象及設(shè)計任務(wù)； 2、確定設(shè)計要求，包括負(fù)載，精度，工作空間等； 3、設(shè)計工業(yè)機(jī)器人手部，完成抓起、放下工件的任務(wù)； 4、設(shè)計工業(yè)機(jī)器人臂部，完成伸縮； 5、設(shè)計工業(yè)機(jī)器人的腰部，完成旋轉(zhuǎn)。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計第 7 頁 2 2 三自由度圓柱坐標(biāo)工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計三自由度圓柱坐標(biāo)工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計 2.12.1 工業(yè)機(jī)器人的組成及各部分關(guān)系概述工業(yè)機(jī)器人的組成及各部分關(guān)系概述 圖圖 2-12-1 工業(yè)機(jī)器人的組成圖工業(yè)機(jī)器人的組成圖 三自由度圓柱坐標(biāo)工業(yè)機(jī)器人主要由機(jī)械系統(tǒng)(執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng))、控制檢測系 統(tǒng)及智能系統(tǒng)組成。 1、執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人完成抓取工件，實現(xiàn)各種運(yùn)動所必需的機(jī)械 部件，它包括手部、腕部、機(jī)身等。 （1） 手部：又稱手爪或抓取機(jī)構(gòu)，它直接抓取工件或夾具。 （2） 腕部：又稱手腕，是連接手部和臂部的部件，其作用是調(diào)整或改變手部的工 作方位。 （3） 臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的負(fù)荷，并把它傳遞到預(yù)定的位 置。 （4） 機(jī)身：是支承手臂的部件，其作用是帶動臂部自轉(zhuǎn)、升降或俯仰運(yùn)動。 圖圖 2-22-2 各部分關(guān)系圖各部分關(guān)系圖 2、驅(qū)動系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力，并驅(qū)動其動力的裝置。常用的機(jī)械傳 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計第 8 頁 動、液壓傳動、氣壓傳動和電傳動。 3、控制系統(tǒng)：通過對驅(qū)動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作，當(dāng) 發(fā)生錯誤或故障時發(fā)出報警信號。 4、檢測系統(tǒng)：作用是通過各種檢測裝置、傳感裝置檢測執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動情況，根 據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定進(jìn)行比較，以保證運(yùn)動符合要求。 2.22.2 工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計分析工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計分析 2.2.12.2.1 設(shè)計要求設(shè)計要求 綜合運(yùn)用所學(xué)知識,搜集有關(guān)資料獨(dú)立完成三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人操作機(jī) 和驅(qū)動單元的設(shè)計工作。 原始數(shù)據(jù)：自動線上有，兩條輸送帶之間距離為 1.5m，需設(shè)計工業(yè)機(jī)器人將 一零件從 A 帶送到 B 帶。 零件尺寸：圓柱 80，高 100。 零件材料：45 鋼。 2.2.22.2.2 總體方案擬定總體方案擬定 在工業(yè)機(jī)器人的諸多功能中，抓取和移動是最主要的功能。這兩項功能實現(xiàn)的技術(shù) 基礎(chǔ)是精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計和良好的伺服控制驅(qū)動。本次設(shè)計就是在這一思維下展開 的。根據(jù)設(shè)計內(nèi)容和需求確定圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動和諧波齒輪 傳動來實現(xiàn)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；利用另一臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，從而使與滾 珠絲杠螺母副固連在一起的手臂實現(xiàn)上下運(yùn)動；考慮到本設(shè)計中的機(jī)器人工作范圍不 大，故利用液壓缸驅(qū)動實現(xiàn)手臂的伸縮運(yùn)動；末端夾持器則采用內(nèi)撐連桿杠桿式夾持 器，用小型液壓缸驅(qū)動夾緊。 圖圖 2-32-3 機(jī)器人外形圖機(jī)器人外形圖 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計第 9 頁 2.2.32.2.3 工業(yè)機(jī)器人主要技術(shù)性能參數(shù)工業(yè)機(jī)器人主要技術(shù)性能參數(shù) 工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)是說明其規(guī)格和性能的具體指標(biāo)。主要技術(shù)參數(shù)有如下： 1、抓取重量：抓取重量是用來表明機(jī)器人負(fù)荷能力的技術(shù)參數(shù)，這是一項主 要參數(shù)。這項參數(shù)與機(jī)器人的運(yùn)動速度有關(guān)，一般是指在正常速度下所抓取的重量。 2、抓取工件的極限尺寸：抓取工件的極限尺寸是用來表明機(jī)器人抓取功能的 技術(shù)參數(shù)，它是設(shè)計手部的基礎(chǔ)。 3、坐標(biāo)形式和自由度：說明機(jī)器人機(jī)身、手部、腕部等共有的自由度數(shù)及它 們組成的坐標(biāo)系特征。 4、運(yùn)動行程范圍：指執(zhí)行機(jī)構(gòu)直線移動距離或回轉(zhuǎn)角度的范圍，即各運(yùn)動自 由度的運(yùn)動量。根據(jù)運(yùn)動行程范圍和坐標(biāo)形式就可確定機(jī)器人的工作范圍。 5、運(yùn)動速度：是反映機(jī)器人性能的重要參數(shù)。通常所指的運(yùn)動速度是機(jī)器人 的最大運(yùn)動速度。它與抓取重量、定位精度等參數(shù)密切有關(guān)，互相影響。目前，國 內(nèi)外機(jī)器人的最大直線移動速度為 1000mm/s 左右，一般為 200400mm/s；回轉(zhuǎn) 速度最大為 180/s，一般為 50/s。 6、定位精度和重復(fù)定位精度：定位精度和重復(fù)定位精度是衡量機(jī)器人工作質(zhì) 量的一項重要指標(biāo)。 本設(shè)計中的三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人的有關(guān)技術(shù)參數(shù)見表 2-1。 表 2-1 三自由度圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人參數(shù) 機(jī)械手類型三自由度圓柱坐標(biāo)型 抓取重量 8Kg 自由度3 個（1 個回轉(zhuǎn) 2 個移動） 機(jī)座長 120mm，回轉(zhuǎn)運(yùn)動，回轉(zhuǎn)角 180，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動 單片機(jī)控制 腰部機(jī)構(gòu)長 680mm，伸縮運(yùn)動，升降范圍 450mm，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動 單片機(jī)控制 手臂機(jī)構(gòu)長 826mm，伸縮運(yùn)動，伸縮范圍 50mm，液壓缸驅(qū)動 行程開關(guān)控制 末端執(zhí)行器液壓缸驅(qū)動 行程開關(guān)控制 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計第 10 頁 3 三自由度圓柱坐標(biāo)工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計三自由度圓柱坐標(biāo)工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計 3.13.1 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動系統(tǒng)分析工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動系統(tǒng)分析 3.1.13.1.1 機(jī)器人的運(yùn)動概述機(jī)器人的運(yùn)動概述 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動，可從工業(yè)機(jī)器人的自由度，工作空間和機(jī)械結(jié)構(gòu)類型等三方面 來討論。如圖 3-1 所示，為工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的簡圖。 圖圖 3-13-1 機(jī)構(gòu)簡圖機(jī)構(gòu)簡圖 1、工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動自由度 所謂機(jī)器人的運(yùn)動自由度是指確定一個機(jī)器人操作位置時所需要的獨(dú)立運(yùn)動參數(shù)的 數(shù)目，它是表示機(jī)器人動作靈活程度的參數(shù)。本設(shè)計的工業(yè)機(jī)器人具有四轉(zhuǎn)動副和移 動副兩種運(yùn)動副，具有手臂伸降，旋轉(zhuǎn)，前后往復(fù)三自由度。 圖圖 3-23-2 工作空間圖工作空間圖 2、機(jī)器人的工作空間和機(jī)械結(jié)構(gòu)類型 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計第 11 頁 （1）工作空間：工作空間是指機(jī)器人正常運(yùn)行時，手部參考點能在空間活動的最大 范圍，是機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)，工作空間圖如圖 3-2。 （2）機(jī)械結(jié)構(gòu)類型：圓柱坐標(biāo)型為本設(shè)計所采用方案，這種運(yùn)動形式是通過一個轉(zhuǎn) 動，兩個移動，共三個自由度組成的運(yùn)動系統(tǒng)（代號 RPP） ，工作空間圖形為圓柱形。 它與直角坐標(biāo)型比較，在相同的工作條件下，機(jī)體占體積小，而運(yùn)動范圍大。 3.1.23.1.2 機(jī)器人的運(yùn)動過程分析機(jī)器人的運(yùn)動過程分析 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動過程中各動作如圖 3-3 和表 3-1。 圖圖 3-33-3 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動過程中各動作 表 3-1 運(yùn)動過程中各動作 機(jī)器人動作機(jī)器人工步 機(jī)器人開機(jī)，處于 A 位工步一 手臂上升工步二，工步七，工步十三 旋轉(zhuǎn)至 B 位工步三 手臂伸出工步四, 工步十 手臂下降工步五，工步十一 夾緊工件工步六 手臂收縮工步八，工步十四 旋轉(zhuǎn)至 C 位工步九 放松工件工步十二 實現(xiàn)運(yùn)動過程中的各工步是由工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)和各種檢測原件來實現(xiàn)的， 這里尤其要強(qiáng)調(diào)的是機(jī)器人對工件的定位夾緊的準(zhǔn)確性，這是本次設(shè)計成敗之關(guān)鍵所 在。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計第 12 頁 3.23.2 工業(yè)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計工業(yè)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計 3.2.13.2.1 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計 工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計是用來抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅 速、準(zhǔn)確和牢靠程度都將直接影響到工業(yè)機(jī)械手的工作性能，它是工業(yè)機(jī)械手的關(guān)鍵 部件之一。 1、設(shè)計時要注意的問題 （1）末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)有足夠的夾緊力，為使手指牢靠的夾緊工件，除考慮夾持工件 的重力外，還應(yīng)考慮工件在傳送過程中的動載荷。 （2）末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)有一定的開閉范圍。其大小不僅與工件的尺寸有關(guān)，而且應(yīng)注 意手部接近工件的運(yùn)動路線及其方位的影響。 （3）應(yīng)能保證工件在末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)準(zhǔn)確定位。 （4）結(jié)構(gòu)盡量緊湊重量輕，以利于腕部和臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 （5）根據(jù)應(yīng)用條件考慮通用性。 2、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 采用內(nèi)撐連桿杠桿式夾持器，用小型液壓缸驅(qū)動夾緊，它的結(jié)構(gòu)形式如圖 3-4。內(nèi) 撐連桿杠桿式夾持器采用四連桿機(jī)構(gòu)傳遞拉緊力，即當(dāng)液壓缸 1 工作時，推動推桿 2 向下運(yùn)動，使兩鉗爪 3 向里收縮，從而帶動手爪 4 夾緊工件。該種夾持器多用于圓柱 實心零件的夾持。 圖圖 3-43-4 末端執(zhí)行器末端執(zhí)行器 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計第 13 頁 3 3、液壓油缸的選擇和夾緊力的校驗 （1）初選油缸型號 考慮到所要夾持的是很小的薄壁零件，最大工作載荷很小，故初選液壓缸型號為 Y-HG1-C63/3645LF2HL1Q，它的主要技術(shù)參數(shù)如表 3-2。 表 3-2 冶金設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)液壓缸技術(shù)規(guī)格 活塞桿直徑 /mm油口直徑 速度比 缸 徑 /mm 1.462 通徑/mm聯(lián)接螺紋 63222810M12x1.5 夾緊力校驗： 1）零件的計算 M=8Kg G=Mg=8X9.8=78.4N 其中 g 取 9.8 2）緊力的計算： 要夾持住零件必須滿足條件： ，f 為手指與工件的靜摩擦系數(shù)，工件材GfN 2 料為 45 號鋼，手指為鋼材，表72-5 f=0.15，N 為作用在零件內(nèi)壁上壓緊力，G 為零 件重力。所以 NG/2f=78.4/0.3=261.3 取N =280（N） 。 式44-60 可知驅(qū)動力的計算公式為： P=2btan/(c) 為斜面傾角，為傳動機(jī)構(gòu)的效率，這里為平摩擦傳動，表72-2 o 35 這里取 0.85, b=77.5mm,c=29mm。92 . 0 85 . 0 取 P=1200(N)。48.1150 2985 . 0 1 5 . 7728035tan2 0 P 由公式11 4-15 ，D 為汽缸的內(nèi)徑(m)，P 為工作壓力（Pa）,由表 3- m P D F 4 2 311， 表 3-3 負(fù)載與壓力關(guān)系表 負(fù)載/N 50000 工作壓 力/MPa 0.811.522.53344557 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計第 14 頁 取 p=0.5MPa。查得12：=0.90.95, 所以 m NP D F05.14029 . 0105 . 0 4 )1063(14 . 3 4 6 232 由以上計算可知液壓缸能產(chǎn)生的推力 F=1402.05N 大于夾緊工件所需的推力 P=1200N。所以該液壓缸能夠滿足要求。 4、手爪的強(qiáng)度校驗 手爪的結(jié)構(gòu)形式如圖 3-7： 圖圖 3-73-7 手爪結(jié)構(gòu)圖手爪結(jié)構(gòu)圖 這種結(jié)構(gòu)是在手爪外側(cè)用螺釘固定彈簧板兩端固定。當(dāng)手爪工作時，由于夾緊過 程具有彈性，就可以避免易損零件被抓傷，變形和破損。 工件與彈簧片間的力：由上節(jié)可知 F=280N。則手爪截面上的剪應(yīng)力為： =30MPa， =Q/A= 35 . 0 101610100 2802 33 MPa 故彈性爪滿足強(qiáng)度要求。 3.2.23.2.2 手臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計手臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計 1、手臂的設(shè)計要求 （1）手臂的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)滿足機(jī)器人完成作業(yè)任務(wù)提出的工作空間要求 （2）根據(jù)手臂所受載荷和結(jié)構(gòu)的特點，合理選擇手臂截面形狀和高強(qiáng)度輕質(zhì)材料。 （3）盡量減小手臂重量和相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量和偏重力矩，以減小驅(qū)動裝置 的負(fù)荷；減少運(yùn)動的動載荷與沖擊，提高手臂運(yùn)動的響應(yīng)速度。 （4）設(shè)法減小機(jī)械間隙引起的運(yùn)動誤差，提高運(yùn)動的精確性和運(yùn)動剛度。采用緩沖和 限位裝置提高定位精度。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計第 15 頁 本設(shè)計中手臂由滾珠絲杠驅(qū)動實現(xiàn)上下運(yùn)動，結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便，還設(shè)計有兩根 導(dǎo)柱導(dǎo)向，以防止手臂在滾珠絲杠上轉(zhuǎn)動，確保手臂隨機(jī)座一起轉(zhuǎn)動。它的結(jié)構(gòu)如下 圖。 圖圖 3-83-8 手臂結(jié)構(gòu)圖手臂結(jié)構(gòu)圖 選用軸向腳架型液壓缸，活塞桿末端為外螺紋結(jié)構(gòu)，手臂與末端執(zhí)行器連同活塞桿 一起轉(zhuǎn)動。 2、伸縮液壓油缸的選擇 選液壓缸型號為 Y-HG1-C63/36200LJ1HL1Q，它的主要技術(shù)參數(shù)如表 3-3。 表 3-3 冶金設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)液壓油技術(shù)規(guī)格 活塞桿直徑 /mm油口直徑 速度比 缸徑/mm 1.462 通徑/mm聯(lián)接螺紋 63283610M12x1.5 3、活塞桿的強(qiáng)度校核 末端執(zhí)行器的重量為：12.475Kg。 工件重量為：8Kg。 由靜力平衡方: MB=0 R1LAB -QLBC=0 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計第 16 頁 MA=0 R2LAB - QLAC=0 求得支反力為: R1=898.33N R2=1113.93N 以 A 點為坐標(biāo)原點，得剪力圖和彎矩圖如下： 活塞桿=140MPa, =240MPa. 則在 B 處橫截面上的剪應(yīng)力為： B= RB/A= 安全。0 . 2 )1027( 4 93.1113 23 MPa 在 B 處的彎應(yīng)力為： B= MB/A= 安全。07.35 )1027( 16 48.135 33 MPa 3.2.33.2.3 腰部和基座設(shè)計腰部和基座設(shè)計 1、結(jié)構(gòu)設(shè)計 通過安裝在支座上的步進(jìn)電機(jī)和諧波齒輪直接驅(qū)動轉(zhuǎn)動機(jī)座轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)機(jī)器人 的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，通過安裝在頂部的步進(jìn)電機(jī)和聯(lián)軸器帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動實現(xiàn)手臂的上下 移動。采用了雙導(dǎo)柱導(dǎo)向，以防止手臂在滾珠絲杠上轉(zhuǎn)動，確保手臂隨機(jī)座一起轉(zhuǎn)動。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計第 17 頁 支撐梁采用槽鋼，以減輕重量和節(jié)省材料，它的結(jié)構(gòu)如圖 3-10。 該種設(shè)計采用了環(huán)形軸承的機(jī)器人支承結(jié)構(gòu)。它由電動機(jī) 2 直接驅(qū)動一杯形柔輪 諧波減速器。這種諧波減速器只有剛輪 9、柔輪 7 和諧波發(fā)生器 8 三大件，而無單獨(dú)的 外殼（這種結(jié)構(gòu)有利于傳動系統(tǒng)的小型化、輕型化） 。由柔輪 7 輸出低速的回轉(zhuǎn)運(yùn)動帶 動與之固聯(lián)的機(jī)座回轉(zhuǎn)殼體 5 實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。齒形皮帶傳動 4 和位置傳感器 6 作為機(jī)座用來檢測手臂機(jī)座的角位移。 1支座，2步進(jìn)電機(jī)，3諧波齒輪，4轉(zhuǎn)動機(jī)座 5支承工字梁，6滾珠絲杠，7導(dǎo)向柱，8彈性膜片聯(lián)軸器 圖圖 3-103-10 腰部和基座結(jié)構(gòu)圖腰部和基座結(jié)構(gòu)圖 1支座，2電機(jī)，3軸承，4帶傳動，5殼體 6位置傳感器，7柔輪，8波發(fā)生器，9剛輪 圖圖 3-113-11 環(huán)形軸承的機(jī)器人機(jī)座環(huán)形軸承的機(jī)器人機(jī)座 2 2、步進(jìn)電機(jī)的選取 工業(yè)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)和上下移動采用了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，下面就給出各種驅(qū)動方式 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計第 18 頁 的比較，以作為選取步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動方式的依據(jù)。 表 3-4 各種驅(qū)動方式比較 比較內(nèi)容驅(qū)動方式 電機(jī) 驅(qū)動氣壓傳動液壓傳動 機(jī)械傳動 異步電機(jī)， 直流電機(jī) 步進(jìn)或伺服電 機(jī) 輸出力 矩 輸出力矩較 大 輸出 力可較大 輸出力矩較小氣體壓力小， 輸出力矩小， 如需輸出力矩 較大，結(jié)構(gòu)尺 寸過大 液體壓力高，可以 獲得較大的輸出力 控制性 能 速度可高，速度 和加速度均由機(jī) 構(gòu)控制，定位精 度高，可與主機(jī) 嚴(yán)格同步 控制性能 較差，慣 性大，步 易精確定 位 控制性能好， 可精確定位， 但控制系統(tǒng)復(fù) 雜 可高速，氣體 壓縮性大，阻 力效果差，沖 擊較嚴(yán)重，精 確定位較困難， 低速步易控制 油液壓縮性小，壓 力流量均容易控制， 可無級調(diào)速，反應(yīng) 靈敏，可實現(xiàn)連續(xù) 軌跡控制 應(yīng)用范 圍 適用于自由度少 的專用機(jī)械手， 高速低速均能適 用 適用于抓 取重量大 和速度低 的專用機(jī) 械手 可用于程序復(fù) 雜和運(yùn)動軌跡 要求嚴(yán)格的小 型通用機(jī)械手 中小型專用通 用機(jī)械手都有 中小型專用通用機(jī) 械手都有，特別時 重型機(jī)械手多用 由上表可知步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于驅(qū)動工業(yè)機(jī)器人有著許多無可替代的優(yōu)點，如控制性 能好，可精確定位，體積較小可用于程序復(fù)雜和運(yùn)動軌跡要求嚴(yán)格的小型通用機(jī)械手 等，下面就對步進(jìn)電機(jī)的型號進(jìn)行選取。 初選電機(jī)為 BF 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，型號為：90BYG503，有關(guān)技術(shù)參數(shù)如 下表： 表 3-5 BF 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)參數(shù)表 電機(jī)型 號 相數(shù)步距角 （） 電壓 V 最大靜轉(zhuǎn) 矩/Nm 最高空載啟 動頻率/Hz 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣 量/10-5Kgcm2 分配方式質(zhì)量 Kg 90BYG50 3 3 06 60716005.1 四相八拍 5.0 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計第 19 頁 （1）傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計算 傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量是一種慣性負(fù)載,在電機(jī)選用時必須加以考慮。由于傳動系統(tǒng)的 各傳動部件并不都與電機(jī)軸同軸線，還存在各傳動部件轉(zhuǎn)動慣量向電機(jī)軸折算的問題。 最后，要計算整個傳動系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，即傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量。 1）電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量的折算 D J 表142-18 查出=5.1cm2 D J 2）聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動慣量的折算 L J )/( 8 2 2 cmKg DM J c L 式中：為圓柱質(zhì)量（Kg） ，D 為圓柱體直徑（cm）,L 為圓柱體長度。 c M 對于鋼材，材料密度為,把數(shù)據(jù)代入上式得：)108 . 7 33 cmKg )(99 . 2 8 2 2 cmKg DM J c L 3）滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量的折算 S J 表144-2 P119，得出 1m 長的滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量為 0.94cm2，絲杠長度 L600mm，所以滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量： =0.940.6=0.564cm2； S J 4）手臂轉(zhuǎn)動慣量的折算 G J 工作臺是移動部件，其移動質(zhì)量折算到滾珠絲杠軸上的轉(zhuǎn)動慣量可按下式進(jìn) G J 行計算： 公式14（2-6）M L JG 20 ) 2 ( 式中，為絲杠導(dǎo)程（cm） ；為工作臺質(zhì)量（kg） 。 0 LM 所以： 2 2 20 619 . 1 100 14 . 3 2 8 . 0 ) 2 (cmkgM L JG 5）系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計算 J 2 273.10619 . 1 564 . 1 99 . 2 1 . 5cmkgJJJJJ GSLD （2）驗算矩頻特性 步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是指電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩，表142-21 中查得。 maxj MmM j 7 max 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計第 20 頁 步進(jìn)電機(jī)的名義啟動轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為： mq M maxj M 公式14（2-29） maxjmq MM 表142-12 得0.707。所以， mMmq949 . 4 7707 . 0 步進(jìn)電機(jī)空載啟動是指電機(jī)在沒有外加工作負(fù)載下的啟動。步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動 力矩可按下式計算： 公式14（2-30） 0 MMMM KfKaKq 式中：為空載啟動力矩（Ncm） ；為空載啟動時運(yùn)動部件由靜止升速到最大快 Kq M ka M 進(jìn)速度，折算到電機(jī)軸上的加速力矩（Ncm） ；為空載時折算到電機(jī)軸上的摩擦力 Kf M 矩（Ncm） ，有關(guān)的各項力矩值計算如下： Kq M 1）加速力矩 公式14（2-32）和（2-33） 360 10 60 2 max max 2max p b Ka v n t n JJM 式中：為傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量；為電機(jī)最大角加速度；為與運(yùn)動部件最大 J max n 快進(jìn)速度對應(yīng)的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速；t 為運(yùn)動部件從靜止啟動加速到最大快進(jìn)速度所需的時 間，為運(yùn)動部件最大快進(jìn)速度；為初選步進(jìn)電機(jī)的步距角；為脈沖當(dāng)量。 max v b p min/500 36001 . 0 6 . 03000 360 max max r v n p b cm t n JMKa 88.2610 2 . 060 50014 . 3 2 273.1010 60 2 22max 2）空載摩擦力矩 公式14（2-34） i LfG Mkf 2 0 式中：為運(yùn)動部件的總重量；為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)； 齒輪傳動降速比；為傳動系數(shù)G f i 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計第 21 頁 總效率，取0.8；為滾珠絲杠的基本導(dǎo)程。 0 L cmMkf 78 . 0 18 . 014 . 3 2 8 . 0005 . 0 8 . 9100 3）附加摩擦力矩 公式14（2-35） 2 0 0 0 1 2 i LF M YJ 式中：為滾珠絲杠預(yù)緊力；為滾珠絲杠未預(yù)緊時的傳動效率，現(xiàn)取0.96。 YJ F 0 0 cmM 428 . 1 96 . 0 1 18 . 014 . 3 2 8 . 0337.114 2 0 所以，步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動力矩： cmMMMM KfKaKq 088.29428 . 1 78 . 0 88.26 0 初選電機(jī)型號應(yīng)滿足步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動力矩小于步進(jìn)電機(jī)名義啟動轉(zhuǎn)矩，即 公式14（2-31） ，從上式可知電機(jī)初步滿足要求。 mqKq MM （3 3）啟動矩頻特性校核 步進(jìn)電機(jī)啟動有突跳啟動和升速啟動。突跳啟動很少使用。升速啟動是步進(jìn)電機(jī) 從靜止?fàn)顟B(tài)開始逐漸升速，在零時刻，啟動頻率為零。在一段時間內(nèi)，按一定的升速 規(guī)律升速。啟動結(jié)束時，步進(jìn)電機(jī)達(dá)到了最高運(yùn)行速度。 圖142-21，從 90BF001 矩特性圖中，可查得：縱向：空載啟動力矩 Kq M 對應(yīng)的允許啟動頻率。表142-11，步進(jìn)電機(jī) 150BF002 啟動cm088.29 Zyq Hf4000 頻率，所以所選電機(jī)不會丟步。 yqZq fHf1600 （4 4）運(yùn)行矩頻特性校核 步進(jìn)電機(jī)的最高快進(jìn)運(yùn)行頻率可按下式計算： KJ f 公式14（2-36） P KZ v f 60 1000 max 式中：為運(yùn)動部件最大快進(jìn)速度。算得。 max v ZKZ Hf33.8333 快進(jìn)力矩的計算公式： KJ M 公式14（2-37） 0 MMM KfKJ 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計第 22 頁 式中： 為附加摩擦力矩， 為快進(jìn)時，折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩。算得： 0 M Kf M 。cmMMM KfKJ 2.1361.4280.78 0 圖142-22，從 90BF001 運(yùn)行矩頻特性圖中，可知，快進(jìn)力矩 KJ M 對應(yīng)的允許快進(jìn)頻率，所以,所用的電機(jī)都滿足快mcm0.021362.136 KJyKJ ff 速進(jìn)給運(yùn)行矩頻特性要求。 綜上所述，所選用的步進(jìn)電機(jī) 90BYG503 符合要求，可以使用。 3、軸承的選取 （1）環(huán)形軸承 3 作為機(jī)座的支承原件，是為機(jī)器人研制的專用軸承，具有寬度小、 直徑大、精度高、剛度大、承載能力高（可承受徑向力、軸向力和傾覆力矩） 、裝置方 便等特點價格高。 （2）杠下部裝有圓錐滾子軸承，型號為 30204， 它的有關(guān)參數(shù)如下： 表 3-6 圓錐滾子軸承參數(shù)表 基本額定極限轉(zhuǎn)速 r/min軸承代號 動載荷 Ca/KN靜載荷 C0a/KN脂潤滑油潤滑 3020428.230.5800010000 3.33.3 工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械傳動裝置的選擇工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械傳動裝置的選擇 3.3.13.3.1 滾珠絲杠的選擇滾珠絲杠的選擇 估算：等效載荷 Fm =1000 N, 絲桿有效行程 560 mm ,等效轉(zhuǎn)速 nm =1000 r/min , 要 求使用壽命 L h = 15000 h 左右，工作溫度低于 100，可靠度 95%，精度為 3 級精度。 1、計算載荷 Fc = 表1515-21 得 F K a K R K t K m F = 1.1，= 1.0，=1.61，= 1 F K a K R K t K Fc = F K a K R K t K m F = 1.1 1.0 1.61 1 1000 = 1771 N 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計第 23 頁 = a C3 c 4 h m F 1067 . 1 Ln = 3 4 1771 1067 . 1 150001000 = 17086.36 N 2、選擇滾珠絲桿副的型號 主要尺寸為：按= 19559N，表102-9，選用 SFU04006-4 滾珠絲杠。= 40 mm , a C 0 D =8 mm , =4 mm , d = 39mm，滾珠直徑 d0=3.969mm n P w D 滾道半徑: R=mmmmd064 . 2 969 . 3 52 . 0 52 . 0 0 偏心距： e=mm d R 20 106 . 5) 2 969 . 3 064 . 2 (07 . 0 ) 2 (07 . 0 絲杠內(nèi)徑： mmmmReDd76.35)064 . 2 2106 . 5240(22 2 01 27 mm , =24000 N , =1880 N d a C C K 螺旋導(dǎo)程角： = arctan = arctan = 338 0 n d P 40 6 螺桿不長，無需驗算穩(wěn)定性。 3、剛度驗算 按最不利情況考慮，即在螺距(導(dǎo)程)內(nèi)受軸向力引起的彈性變形與受轉(zhuǎn)矩引起彈性 變形方向一致，此時變形量為最大，計算公式為： = + S 4 1 2 2 n1 Gd PT16 2 1 n Ed FP4 T1 = tan( +) m F 2 d0 v = 1000tan(+) 2 40 383 40 8 = 1321 Nmm 磨擦系數(shù) f = 0.025, 當(dāng)量磨擦角 = ，剪切彈性模量 G=8.33 N/mm2所 v 40 8 4 10 以： 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計第 24 頁 = + = 0.0387 m S 442 2 76.351033 . 8 8132116 25 76.351006 . 2 810004 其中，危險截面= 35.76，E = 2.06，每米螺桿長度上的螺矩的彈性變形 1 d = = 6.6 /m ()p = 15/m s s 3 106 0387 . 0 m s s m 因為滾球絲桿精度要求為 3 級精度，由表915-8 查得 ()p = 15/m s s m 所以其剛度滿足要求。 4、計算效率 = = = 0.960 = 96% v tan tan 408383tan 383tan 3.3.23.3.2 諧波齒輪的選擇諧波齒輪的選擇 諧波齒輪的特點，與一般齒輪傳動相比，有如下特點： 1、傳動比大。一級諧波齒輪減速比可以在 50500 之間，在只傳遞運(yùn)動的裝置中 可達(dá) 1000。采用多級或復(fù)波式傳動時，傳動比可以更大。 2、這種傳動同時嚙合的齒數(shù)多，可達(dá)總齒數(shù)的 30%40%。故承載能力大。 3、運(yùn)動誤差小，無沖擊，齒的磨損小，傳動精度高，傳動平穩(wěn) 4、效率高（減速 傳動下，一般可達(dá) 0.70.9） ，結(jié)構(gòu)簡單，零件少，重量輕。在承載能力和傳動比相同 的條件下，比一般齒輪減速器的體積和重量約減少 1/21/3。 4、缺點是起動力矩大，柔輪易疲勞損壞，故柔輪的材料和熱處理條件要求高。傳 動比小于 35 時不能采用諧波傳動。 由于諧波減速傳動裝置明顯的優(yōu)點，已廣泛用于機(jī)器人和其它機(jī)電一體化機(jī)械設(shè)備 中。 本設(shè)計中的諧波齒輪采用帶杯形柔輪的諧波傳動組合件。它是由三個基本構(gòu)件構(gòu)成 的，帶凸緣的環(huán)形剛輪，杯形的柔輪和柔性軸承、橢圓盤構(gòu)成的波發(fā)生器。 3.3.33.3.3 聯(lián)軸器的選擇聯(lián)軸器的選擇 該機(jī)構(gòu)是是膜片型彈性聯(lián)軸器，具有高靈敏性，高扭轉(zhuǎn)剛性?；剞D(zhuǎn)間隙為零，順時 針和逆時針回轉(zhuǎn)特性完全相同，裝置中的不銹鋼膜片補(bǔ)償徑向，角向，軸向偏差，利 用鍵槽固定軸，螺栓徑向固定中間彈性體為進(jìn)口不銹鋼膜。 這種聯(lián)軸器定心性好，承載能力高，傳遞功率大、轉(zhuǎn)速高、使用壽命長，具有過載 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計第 25 頁 保護(hù)能力，能在受振動和沖擊載荷等惡劣環(huán)境下連續(xù)工作，安裝、使用和維護(hù)方便， 作用于系統(tǒng)中的載荷小、噪聲低。 1聯(lián)軸器，2螺栓，3軸 圖圖 3-123-12 TSK3KTSK3K 法蘭膜片聯(lián)軸器法蘭膜片聯(lián)軸器 4 三自由度圓柱坐標(biāo)工業(yè)機(jī)器人的計算機(jī)控制系統(tǒng)概述三自由度圓柱坐標(biāo)工業(yè)機(jī)器人的計算機(jī)控制系統(tǒng)概述 4.14.1 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點及對控制功能的基本要求工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點及對控制功能的基本要求 工業(yè)機(jī)器人具有多個自由度，每個自由度一般包括一個伺服機(jī)構(gòu)，它們必須協(xié)調(diào)起 來，組成一個多變量控制系統(tǒng)。這種多變量的控制系統(tǒng)，一般要用計算機(jī)來實現(xiàn)。因 此，機(jī)器人控制系統(tǒng)也是一個計算機(jī)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的功能是控制機(jī)器人操作機(jī) 的運(yùn)動和操作以滿足作業(yè)的要求。在作業(yè)中機(jī)器人的工作任務(wù)是要求操作機(jī)的末端執(zhí) 行器按點位或軌跡運(yùn)動，并保持設(shè)定的姿態(tài)。在運(yùn)動中或在規(guī)定的某點位執(zhí)行作業(yè)規(guī) 定的操作。對工業(yè)機(jī)器人的控制功能大致有如下的基本要求和特點。 1、實現(xiàn)對位姿、速度、加速度等的控制功能 在機(jī)器人的各類作業(yè)中，運(yùn)動和控制方式主要有兩種。 1）點位控制方式（PTP 控制） 這種控制方式考慮到末端執(zhí)行器在運(yùn)動過程中只在 某些規(guī)定的點上進(jìn)行操作，因此只要求末端執(zhí)行器在目標(biāo)點處保證準(zhǔn)確的位姿以滿足 作業(yè)質(zhì)量要求。而對達(dá)到目標(biāo)點的運(yùn)動軌跡（包括移動的路徑和運(yùn)動的姿態(tài)）則不作 任何規(guī)定，這種控制方式易于實現(xiàn)，但不易達(dá)到較高的定位精度，適用于上下料、搬 運(yùn)、點焊和在電路板上安插元件等只要求在目標(biāo)點保持末端執(zhí)行器準(zhǔn)確的位姿的作業(yè) 中。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計第 26 頁 2）連續(xù)軌跡控制方式（CP 控制） 這種控制方式要求末端執(zhí)行器嚴(yán)格按規(guī)定的軌 跡和速度在一定精度要求內(nèi)運(yùn)動，以完成作業(yè)要求，這種必須保證機(jī)器人各關(guān)節(jié)連續(xù)、 同步地實現(xiàn)相應(yīng)的運(yùn)動。這種連續(xù)軌跡運(yùn)動，可看成是若干密集軌跡曲線。若設(shè)定的 點足夠密，就能用點位控制的方法實現(xiàn)所需精度的連續(xù)軌跡運(yùn)動。 2、存儲和示教功能 要使機(jī)器人具有完成預(yù)定作業(yè)的功能，須先將要完成的作業(yè)示教給機(jī)器人，這個操 作過程稱為示教，將示教內(nèi)容記錄下來，稱為存儲。使工業(yè)機(jī)器人按照存儲的示教內(nèi) 容進(jìn)行動作，稱為再現(xiàn)。所以工業(yè)機(jī)器人的動作是通過示教存儲再現(xiàn)的過程實現(xiàn) 的。 3、對外部環(huán)境的檢測和感覺功能。 4.24.2 計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計方案計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計方案 控制系統(tǒng)采用二級計算機(jī)控制方式，選用 IBM-PC，80C51 系列 CPU。 第一級機(jī)擔(dān)負(fù)管理，示教編程，控制再現(xiàn)，軌跡正逆運(yùn)算，機(jī)器人語言的編輯和編 譯，通過串行通訊方式傳送給二級機(jī)做位置給定。第二級機(jī)負(fù)責(zé)位置伺服控制軟件的 計算，位置檢測等工作，根據(jù)插補(bǔ)算出的各關(guān)節(jié)位置增量做位置給定。 一級機(jī)與示教盒通訊采用串行 RS-232 接口，既接收示教盒信息，完成示教動作， 又向示教盒發(fā)送信息，顯示示教情況。還可以連接軟驅(qū)，CRT 終端。 二級機(jī)接口電路將計算機(jī)輸出數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，驅(qū)動伺服控制系統(tǒng)，選 用速度單元，伺服電機(jī)及光電編碼盤等伺服調(diào)速系統(tǒng)。 4-14-1 機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計第 27 頁 4.34.3 硬件電路的組成硬件電路的組成 圖 4-1 是采用 MCS-51 系列單片機(jī)組成的控制系統(tǒng)硬件電路原理圖。電路的組成如 下： 1、主從 CPU 都采用 8031 芯片； 2、主從