毕业设计（论文）-三自由度圆柱坐标工业机器人设计.doc

辽宁科技大学本科生毕业设计第 i 页 三自由度圆柱坐标工业机器人设计三自由度圆柱坐标工业机器人设计 摘摘 要要 本设计为三自由度圆柱坐标型工业机器人，其工作方向为两个直线方向和一个旋 转方向。在控制器的作用下，它执行将工件从一条流水线拿到另一条流水线这一简单 的动作,。根据机器人的工作要求和结构特点，进行了机器人的总体设计，确定了机器 人的外形尺寸和工作空间，拟定了机器人各关节的总体传动方案，对机器人腰关节结 构进行了详细设计，合理布置了电机和齿轮，确定了各级传动参数，进行了齿轮、轴 和轴承的设计计算和校核。该机器人具有刚性好，位置精度高、运行平稳的特点。本 文是对整个设计工作较全面的介绍和总结。 关键词：关键词：三自由度，圆柱坐标，工业机器人 辽宁科技大学本科生毕业设计第 ii 页 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 辽宁科技大学本科生毕业设计第 iii 页 目 录 摘摘 要要 i i 1 1 绪论绪论 1 1 1.1 工业机器人的发展状况 1 1.1.1 工业机器人的历史.1 1.1.2 工业机器人的发展.1 1.1.3 我国工业机器人.3 1.2 选题背景及目的 4 1.3 工业机器人的设计要求及参数5 1.4 工业机器人的总体设计步骤6 2 2 三自由度圆柱坐标工业机器人的总体设计三自由度圆柱坐标工业机器人的总体设计 7 7 2.1 工业机器人的组成及各部分关系概述7 2.2 工业机器人的设计分析 8 2.2.1 设计要求8 2.2.2 总体方案拟定8 2.2.3 工业机器人主要技术性能参数.9 3 3 三自由度圆柱坐标工业机器人的机械系统设计三自由度圆柱坐标工业机器人的机械系统设计 1010 3.1 工业机器人的运动系统分析.10 3.1.1 机器人的运动概述.10 3.1.2 机器人的运动过程分析 .11 辽宁科技大学本科生毕业设计第 iv 页 3.2 工业机器人的执行机构设计 .12 3.2.1 末端执行机构设计 .12 3.2.2 手臂机构的设计 .14 3.2.3 腰部和基座设计 .16 3.3 工业机器人的机械传动装置的选择.22 3.3.1 滚珠丝杠的选择22 3.3.2 谐波齿轮的选择23 3.3.3 联轴器的选择 .24 4 4 三自由度圆柱坐标工业机器人的计算机控制系统概述三自由度圆柱坐标工业机器人的计算机控制系统概述 2525 4.1 工业机器人控制系统的特点及对控制功能的基本要求.25 4.2 计算机控制系统的设计方案.25 4.3 硬件电路的组成.26 5 5 工业机器人运行时应采取的安全措施工业机器人运行时应采取的安全措施 2727 5.15.1 安全要求 2727 5.25.2 实施方法 2727 结结 论论 2929 致谢致谢 3030 参考文献参考文献 3232 辽宁科技大学本科生毕业设计第 1 页 1 1 绪论绪论 1.11.1 工业机器人的发展状况工业机器人的发展状况 1.1.11.1.1 工业机器人的历史工业机器人的历史 1920 年捷克作家卡雷尔查培克在其剧本 罗萨姆的万能机器人 中最早 使用机器人一词，剧中机器人 “robot”这个词的本意是苦力，即 剧作家笔下的一 个具有人的外表，特征和功能的机器，是一种人造的劳力。它是最早的工业机器人 设想。 20 世纪 40 年代中后期，机器人的研究与发明得到了更多人的关心与关注。 50 年代以后，美国橡树岭国家实验室开始研究能搬运核原料的遥控操纵机械手，如 图 0.2 所示，这是一种主从型控制系统，主机械手的运动。系统中加入力反馈，可 使操作者获知施加力的大小，主从机械手之间有防护墙隔开，操作者可通过观察窗 或闭路电视对从机械手操作机进行有效的监视，主从机械手系统的出现为机器人的 产生为近代机器人的设计与制造作了铺垫。 1954 年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要 点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能 实现动作的记录和再现。这就是所谓的 示教再现机器人 。现有的机器人差不多都 采用这种控制方式。 1959 年第一台工业机器人在美国诞生，开创了机器人发展的 新纪元。 1965 年，mit 的 roborts 演示了第一个具有视觉传感器的、能识别与定位简单积木 的机器人系统。 1967 年日本成立了人工手研究会（现改名为仿生机构研究会） ，同年召开了日本首 届机器人学术会。 1970 年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议。1970 年以后，机器人的研 究得到迅速广泛的普及。 1973 年，辛辛那提米拉克隆公司的理查德豪恩制造了第一台由小型计算机控制的 工业机器人，它是液压驱动的，能提升的有效负载达 45 公斤。 到了 1980 年，工业机器人才真正在日本普及，故称该年为“机器人元年” 。 1.1.21.1.2 工业机器人的发展工业机器人的发展 1.工业机器人概念的产生 1954 年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点 辽宁科技大学本科生毕业设计第 2 页 是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现 动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种 控制方式。 工业机器人是指在工业环境中应用的机器人，是一种能自动控制的，可重复编程 的、多功能的、多自由的、多用途的操作机，是集机械、电子、控制、计算机、传感 器、人工智能等多学科先进金属于一体的重要现代化制造业自动化装备。工业机器人 已成为柔性制造系统(fms)、工厂自动化(fa)、计算机集成制造系统(cims)的自动工具。 2.第一台工业机器人的问世 进入 20 世纪以后，机器人的研究与开发得到了更多人的关心与支持，一些实 用化的机器人相继问世，1927 年美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电 报箱” ，并在纽约举行的世界博览会上展出。它是一个电动机器人，装有无线电发报机， 可以回答一些问题，但该机器人还不能走动。1959 年第一台工业机器人（可编程、圆 坐标）在美国诞生，并由此开创了机器人发展的新纪元。 3.工业机器人的快速发展 作为机器人产品最早的实用机型（示教再现）是 1962 年美国 amf 公司推的 “verstran”和 unimation 公司推出的“unimate” 。这些工业机器人的控制方式与数 控机床大致相似，但外形特征迥异，主要由类似人的手和臂组成。 1965 年，mit 的 roborts 演示了第一个具有视觉传感器的、能识别与定位简单积 木的机器人系统。 1967 年日本成立了人工手研究会（现改名为仿生机构研究会） ，同年召开了日本首 届机器人学术会。 1970 年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议。1970 年以后，机器人的研 究得到迅速广泛的普及。 1973 年，辛辛那提米拉克隆公司的理查德豪恩制造了第一台由小型计算机控 制的工业机器人，它是液压驱动的，能提升的有效负载达 45 公斤。 到了 1980 年，工业机器人才真正在日本普及，故称该年为“机器人元年” 。 随后，工业机器人在日本得到了巨大发展，日本也因此而赢得了“机器人王国的 美称” 。 如今，国际上工业机器人技术在制造业应用范围越来越广泛，现已从传统制造业 推广到其他制造业，进而推广到诸如采矿、建筑、农业、灾难救灾等各种非制造行。 辽宁科技大学本科生毕业设计第 3 页 工业机器人的发展，由简单到复杂，由初级到高级逐步完善，它的发展过程可为三 代： 第一代工业机器人就是目前工业中大量使用的示教再现型工业机器人，它主要由 手部、臂部、驱动系统和控制系统组成。它的控制方式比较简单，应用在线编程，即 通过示教存贮信息，工作时读出这些信息，向执行机构发出指令，执行机构按指令再 现示教的操作。 第二代机器人是带感觉的机器人。它具有寻力觉、触觉、视觉等进行反馈的能力。 其控制方式较第一代工业机器人要复杂得多，这种机器人从 1980 年开始进入了实用阶 段，不久即将普及应用。 第三代工业机器人即智能机器人。这种机器人除了具有触觉、视觉等功能外，还 能够根据人给出的指令认识自身和周围的环境，识别对象的有无及其状态，再根据这 一识别自动选择程序进行操作，完成规定的任务。并且能跟踪工作对象的变化，具有 适应工作环境的功能。这种机器人还处于研制阶段，尚未大量投入工业应用。 1.1.31.1.3 我国工业机器人我国工业机器人 1 1、我国工业机器人的起步我国工业机器人的起步 我国工业机器人是从二十世纪八十年代开始起步，经过二十多年的努力，已经形 成了一些具有竞争力的工业机器人研究机构和企业。先后研发出弧焊、电焊、装配、 搬运、注塑、冲压及喷漆等工业机器人。近几年，我国工业机器人及含工业机器人的 自动化生产线相关的产品的年销售额已突破 10 亿元。目前国内市场年需求量在 3000 台左右，年销售额在 20 亿元以上。统计数据显示，中国市场上工业机器人总共拥有量 尽万台，占全球总量的 0.56%，其中完全国产工业机器人(行业规模比较大的前三家工 业机器人企业)行业集中度占 30%左右，其余都是从日本、美国、瑞典、德国、意大利 等 20 多个国家引进的。国产工业机器人目前主要以国内市场应用为主，年出口量为 100 台左右，年出口额为 0.2 亿元以上。 2、我国工业机器人的主要应用我国工业机器人的主要应用 工业机器人 50%以上用在汽车领域。 目前，工业机器人的应用领域主要有弧焊、点焊、装配、搬用、喷漆、检测、码 垛、研磨抛光和激光加工等复杂作业。 在我国，工业机器人的最初应用是在汽车和工程机械行业，主要用于汽车及工程 机械的喷涂及焊接。目前，由于机器人技术及研发的落后，工业机器人还主要应用在 辽宁科技大学本科生毕业设计第 4 页 制造业，非制造业使用的较少。据不完全统计，近几年国内厂家所生产的哦工业机器 人有超过一半是提供给汽车行业。由此可见，汽车工业的发展是近几年我国工业机器 人增长的原动力之一。 3、我国机器人技术主题发展的战略目标我国机器人技术主题发展的战略目标 我国这一战略目标是：根据 2l 世纪初我国国民经济对先进制造及自动化技术的需 求，瞄准国际前沿高技术发展方向创新性地研究和开发工业机器人技术领域的基础技 术、产品技术和系统技术。未来工业机器人技术发展的重点有：第一，危险、恶劣环 境作业机器人：主要有防暴、高压带电清扫、星球检测、油汽管道等机器人；第二， 医用机器人：主要有脑外科手术辅助机器人，遥控操作辅助正骨等；第三，仿生机器 人：主要有移动机器人，网络遥控操作机器人等。其发展趋势是智能化、低成本、高 可靠性和易于集成。工业机器人市场竞争越来越激烈，中国制造业面临着与国际接轨、 参与国际分工的巨大挑战，加快工业机器人技术的研究开发与生产是我们抓住这个历 史机遇的主要途径。因此我国工业机器人行业要认识到以下几点情况：第一，工业机 器人技术是我国由制造大国向制造强国转变的主要手段和途径，政府要对国产工业机 器人有更多的政策与经济支持，参考国外先进经验，加大技术投入与改造；第二，在 国家的科技发展计划中，应该继续对智能机器人研究开发与应用给予大力支持，形成 产品和自动化制造装备同步协调的新局面；第三，部分国产工业机器人已经与国外相 当，企业采购工业机器人时不要盲目进口，应该立足国产，经综合评估，然后作出安 排。 总之，工业机器人已经在我们的生活中发挥者不可替代的作用。相信，随着科学 技术的不断发展和提高，机器人将会越来越广泛的渗入到我们生活的各个方面，而作 为机器人的一个重要分支工业机器人，将会更深一步的影响我们的生活 1.21.2 选题背景及目的选题背景及目的 机器人工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子 工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果，是 当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国科技界跟踪国际高科技发展的重 要方面。工业机器人的研究、制造和应用水平，是一个国家科技水平和经济实力 的象征，正受到许多国家的广泛重视。 目前，工业机器人的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。最近联合国国 际标准化组织采纳了美国机器人协会给工业机器人下的定义：工业机器人是一种 可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要 用于搬运材料，传递工件。参考国外的定义，结合我国的习惯用语，对工业机器 辽宁科技大学本科生毕业设计第 5 页 人作如下定义：工业机器人是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更， 能任意定位，自动化程度高的自动操作机械。主要用于加工自动线和柔性制造系 统中传递和装卸工件或夹具。 目前，对机器人技术的发展有最重要影响的国家是日本和美国。美国在机器人技 术的综合性水平上仍处于领先地位，日本生产的机器人数量和种类则居世界首位。 我国发展机器人技术起步于 20 世纪 70 年代末。1995 年 9 月，6000m 水下机器人 试验成功.近年来,在步行机器人、精密装配机器人及多自由度关节型机器人研制 等前沿领域内逐步缩短与世界水平的差距。 自从第一台工业机器人问世以来，机器人的应用领域从汽车工业逐渐向其他行业 渗透，机器人的种类也从操作手逐渐衍生出各种各样的机器人，如今机器人已经 深入到人类生活的方方面面。人类科技的进步、文明的发展已经和机器人产生了 密切的关系。人类社会的发展已经离不开机器人技术，而机器人技术的进步必然 对推动科技发展产生不可忽视的作用。当前和今后的机器人技术正逐渐向着具有 行走能力、对环境的自主性强、具有多种感觉能力的方向发展。机器人也正在逐 渐具有智能。美国贝尔科尔公司已成功地将神经网络装配在芯片上，其智能分析 速度比普通计算机要快数千倍，能更好地完成识别语言和图像处理等工作。 工业机器人以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以 搬运更重的东西，而且定位精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行各种 操作。工业机器人在生产生活当中必不可少，机器人来帮助人们在生产生活中，减 少人力劳动，减少人力资源的应用，同时提高工作的效率以及质量。 本次设计主要完成的任务是把一个工件用机器人从一条生产线准确、迅速、平 稳、安全的搬运到另外一条生产线上去，从而实现连续生产，提高效率的目的。 1.31.3 工业机器人的设计要求及参数工业机器人的设计要求及参数 本次设计主要涉及以下方面内容： 1、包括 3 个自由度：机座回转，腰部升降，臂部伸缩； 2、机器人手的最大抓力 8 公斤； 3、机座回转度数达到 0180，臂部升降范围达到 0500mm，臂部伸缩范围达到 0200mm 4、完成对工件从一条生产线搬运到另外一条生产线的要求，具体动作为在一条生 产线上抓起工件，然后旋转 180到另一条生产线上放下工件。 辽宁科技大学本科生毕业设计第 6 页 1.41.4 工业机器人的总体设计步骤工业机器人的总体设计步骤 1、确定设计对象及设计任务； 2、确定设计要求，包括负载，精度，工作空间等； 3、设计工业机器人手部，完成抓起、放下工件的任务； 4、设计工业机器人臂部，完成伸缩； 5、设计工业机器人的腰部，完成旋转。 辽宁科技大学本科生毕业设计第 7 页 2 2 三自由度圆柱坐标工业机器人的总体设计三自由度圆柱坐标工业机器人的总体设计 2.12.1 工业机器人的组成及各部分关系概述工业机器人的组成及各部分关系概述 图图 2-12-1 工业机器人的组成图工业机器人的组成图 三自由度圆柱坐标工业机器人主要由机械系统(执行系统、驱动系统)、控制检测系 统及智能系统组成。 1、执行系统：执行系统是工业机器人完成抓取工件，实现各种运动所必需的机械 部件，它包括手部、腕部、机身等。 （1） 手部：又称手爪或抓取机构，它直接抓取工件或夹具。 （2） 腕部：又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变手部的工 作方位。 （3） 臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的负荷，并把它传递到预定的位 置。 （4） 机身：是支承手臂的部件，其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。 图图 2-22-2 各部分关系图各部分关系图 2、驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的机械传 辽宁科技大学本科生毕业设计第 8 页 动、液压传动、气压传动和电传动。 3、控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当 发生错误或故障时发出报警信号。 4、检测系统：作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根 据需要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求。 2.22.2 工业机器人的设计分析工业机器人的设计分析 2.2.12.2.1 设计要求设计要求 综合运用所学知识,搜集有关资料独立完成三自由度圆柱坐标型工业机器人操作机 和驱动单元的设计工作。 原始数据：自动线上有，两条输送带之间距离为 1.5m，需设计工业机器人将 一零件从 a 带送到 b 带。 零件尺寸：圆柱 80，高 100。 零件材料：45 钢。 2.2.22.2.2 总体方案拟定总体方案拟定 在工业机器人的诸多功能中，抓取和移动是最主要的功能。这两项功能实现的技术 基础是精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动。本次设计就是在这一思维下展开 的。根据设计内容和需求确定圆柱坐标型工业机器人，利用步进电机驱动和谐波齿轮 传动来实现机器人的旋转运动；利用另一台步进电机驱动滚珠丝杠旋转，从而使与滚 珠丝杠螺母副固连在一起的手臂实现上下运动；考虑到本设计中的机器人工作范围不 大，故利用液压缸驱动实现手臂的伸缩运动；末端夹持器则采用内撑连杆杠杆式夹持 器，用小型液压缸驱动夹紧。 图图 2-32-3 机器人外形图机器人外形图 辽宁科技大学本科生毕业设计第 9 页 2.2.32.2.3 工业机器人主要技术性能参数工业机器人主要技术性能参数 工业机器人的技术参数是说明其规格和性能的具体指标。主要技术参数有如下： 1、抓取重量：抓取重量是用来表明机器人负荷能力的技术参数，这是一项主 要参数。这项参数与机器人的运动速度有关，一般是指在正常速度下所抓取的重量。 2、抓取工件的极限尺寸：抓取工件的极限尺寸是用来表明机器人抓取功能的 技术参数，它是设计手部的基础。 3、坐标形式和自由度：说明机器人机身、手部、腕部等共有的自由度数及它 们组成的坐标系特征。 4、运动行程范围：指执行机构直线移动距离或回转角度的范围，即各运动自 由度的运动量。根据运动行程范围和坐标形式就可确定机器人的工作范围。 5、运动速度：是反映机器人性能的重要参数。通常所指的运动速度是机器人 的最大运动速度。它与抓取重量、定位精度等参数密切有关，互相影响。目前，国 内外机器人的最大直线移动速度为 1000mm/s 左右，一般为 200400mm/s；回转 速度最大为 180/s，一般为 50/s。 6、定位精度和重复定位精度：定位精度和重复定位精度是衡量机器人工作质 量的一项重要指标。 本设计中的三自由度圆柱坐标型工业机器人的有关技术参数见表 2-1。 表 2-1 三自由度圆柱坐标型机器人参数 机械手类型三自由度圆柱坐标型 抓取重量 8kg 自由度3 个（1 个回转 2 个移动） 机座长 120mm，回转运动，回转角 180，步进电机驱动 单片机控制 腰部机构长 680mm，伸缩运动，升降范围 450mm，步进电机驱动 单片机控制 手臂机构长 826mm，伸缩运动，伸缩范围 50mm，液压缸驱动 行程开关控制 末端执行器液压缸驱动 行程开关控制 辽宁科技大学本科生毕业设计第 10 页 3 三自由度圆柱坐标工业机器人的机械系统设计三自由度圆柱坐标工业机器人的机械系统设计 3.13.1 工业机器人的运动系统分析工业机器人的运动系统分析 3.1.13.1.1 机器人的运动概述机器人的运动概述 工业机器人的运动，可从工业机器人的自由度，工作空间和机械结构类型等三方面 来讨论。如图 3-1 所示，为工业机器人机构的简图。 图图 3-13-1 机构简图机构简图 1、工业机器人的运动自由度 所谓机器人的运动自由度是指确定一个机器人操作位置时所需要的独立运动参数的 数目，它是表示机器人动作灵活程度的参数。本设计的工业机器人具有四转动副和移 动副两种运动副，具有手臂伸降，旋转，前后往复三自由度。 图图 3-23-2 工作空间图工作空间图 2、机器人的工作空间和机械结构类型 辽宁科技大学本科生毕业设计第 11 页 （1）工作空间：工作空间是指机器人正常运行时，手部参考点能在空间活动的最大 范围，是机器人的主要技术参数，工作空间图如图 3-2。 （2）机械结构类型：圆柱坐标型为本设计所采用方案，这种运动形式是通过一个转 动，两个移动，共三个自由度组成的运动系统（代号 rpp） ，工作空间图形为圆柱形。 它与直角坐标型比较，在相同的工作条件下，机体占体积小，而运动范围大。 3.1.23.1.2 机器人的运动过程分析机器人的运动过程分析 工业机器人的运动过程中各动作如图 3-3 和表 3-1。 图图 3-33-3 工业机器人的运动过程中各动作 表 3-1 运动过程中各动作 机器人动作机器人工步 机器人开机，处于 a 位工步一 手臂上升工步二，工步七，工步十三 旋转至 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 夹紧工件工步六 手臂收缩工步八，工步十四 旋转至 c 位工步九 放松工件工步十二 实现运动过程中的各工步是由工业机器人的控制系统和各种检测原件来实现的， 这里尤其要强调的是机器人对工件的定位夹紧的准确性，这是本次设计成败之关键所 在。 辽宁科技大学本科生毕业设计第 12 页 3.23.2 工业机器人的执行机构设计工业机器人的执行机构设计 3.2.13.2.1 末端执行机构设计末端执行机构设计 工业机器人的末端执行机构设计是用来抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅 速、准确和牢靠程度都将直接影响到工业机械手的工作性能，它是工业机械手的关键 部件之一。 1、设计时要注意的问题 （1）末端执行机构应有足够的夹紧力，为使手指牢靠的夹紧工件，除考虑夹持工件 的重力外，还应考虑工件在传送过程中的动载荷。 （2）末端执行机构应有一定的开闭范围。其大小不仅与工件的尺寸有关，而且应注 意手部接近工件的运动路线及其方位的影响。 （3）应能保证工件在末端执行机构内准确定位。 （4）结构尽量紧凑重量轻，以利于腕部和臂部的结构设计。 （5）根据应用条件考虑通用性。 2、总体结构设计 采用内撑连杆杠杆式夹持器，用小型液压缸驱动夹紧，它的结构形式如图 3-4。内 撑连杆杠杆式夹持器采用四连杆机构传递拉紧力，即当液压缸 1 工作时，推动推杆 2 向下运动，使两钳爪 3 向里收缩，从而带动手爪 4 夹紧工件。该种夹持器多用于圆柱 实心零件的夹持。 图图 3-43-4 末端执行器末端执行器 辽宁科技大学本科生毕业设计第 13 页 3 3、液压油缸的选择和夹紧力的校验 （1）初选油缸型号 考虑到所要夹持的是很小的薄壁零件，最大工作载荷很小，故初选液压缸型号为 y-hg1-c63/3645lf2hl1q，它的主要技术参数如表 3-2。 表 3-2 冶金设备标准液压缸技术规格 活塞杆直径 /mm油口直径 速度比 缸 径 /mm 1.462 通径/mm联接螺纹 63222810m12x1.5 夹紧力校验： 1）零件的计算 m=8kg g=mg=8x9.8=78.4n 其中 g 取 9.8 2）紧力的计算： 要夹持住零件必须满足条件： ，f 为手指与工件的静摩擦系数，工件材gfn 2 料为 45 号钢，手指为钢材，表72-5 f=0.15，n 为作用在零件内壁上压紧力，g 为零 件重力。所以 ng/2f=78.4/0.3=261.3 取n =280（n） 。 式44-60 可知驱动力的计算公式为： p=2btan/(c) 为斜面倾角，为传动机构的效率，这里为平摩擦传动，表72-2 o 35 这里取 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 为汽缸的内径(m)，p 为工作压力（pa）,由表 3- m p d f 4 2 311， 表 3-3 负载与压力关系表 负载/n 50000 工作压 力/mpa 0.811.522.53344557 辽宁科技大学本科生毕业设计第 14 页 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 由以上计算可知液压缸能产生的推力 f=1402.05n 大于夹紧工件所需的推力 p=1200n。所以该液压缸能够满足要求。 4、手爪的强度校验 手爪的结构形式如图 3-7： 图图 3-73-7 手爪结构图手爪结构图 这种结构是在手爪外侧用螺钉固定弹簧板两端固定。当手爪工作时，由于夹紧过 程具有弹性，就可以避免易损零件被抓伤，变形和破损。 工件与弹簧片间的力：由上节可知 f=280n。则手爪截面上的剪应力为： =30mpa， =q/a= 35 . 0 101610100 2802 33 mpa 故弹性爪满足强度要求。 3.2.23.2.2 手臂机构的设计手臂机构的设计 1、手臂的设计要求 （1）手臂的结构和尺寸应满足机器人完成作业任务提出的工作空间要求 （2）根据手臂所受载荷和结构的特点，合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料。 （3）尽量减小手臂重量和相对其关节回转轴的转动惯量和偏重力矩，以减小驱动装置 的负荷；减少运动的动载荷与冲击，提高手臂运动的响应速度。 （4）设法减小机械间隙引起的运动误差，提高运动的精确性和运动刚度。采用缓冲和 限位装置提高定位精度。 辽宁科技大学本科生毕业设计第 15 页 本设计中手臂由滚珠丝杠驱动实现上下运动，结构简单，装拆方便，还设计有两根 导柱导向，以防止手臂在滚珠丝杠上转动，确保手臂随机座一起转动。它的结构如下 图。 图图 3-83-8 手臂结构图手臂结构图 选用轴向脚架型液压缸，活塞杆末端为外螺纹结构，手臂与末端执行器连同活塞杆 一起转动。 2、伸缩液压油缸的选择 选液压缸型号为 y-hg1-c63/36200lj1hl1q，它的主要技术参数如表 3-3。 表 3-3 冶金设备标准液压油技术规格 活塞杆直径 /mm油口直径 速度比 缸径/mm 1.462 通径/mm联接螺纹 63283610m12x1.5 3、活塞杆的强度校核 末端执行器的重量为：12.475kg。 工件重量为：8kg。 由静力平衡方: mb=0 r1lab -qlbc=0 辽宁科技大学本科生毕业设计第 16 页 ma=0 r2lab - qlac=0 求得支反力为: r1=898.33n r2=1113.93n 以 a 点为坐标原点，得剪力图和弯矩图如下： 活塞杆=140mpa, =240mpa. 则在 b 处横截面上的剪应力为： b= rb/a= 安全。0 . 2 )1027( 4 93.1113 23 mpa 在 b 处的弯应力为： b= mb/a= 安全。07.35 )1027( 16 48.135 33 mpa 3.2.33.2.3 腰部和基座设计腰部和基座设计 1、结构设计 通过安装在支座上的步进电机和谐波齿轮直接驱动转动机座转动，从而实现机器人 的旋转运动，通过安装在顶部的步进电机和联轴器带动滚珠丝杠转动实现手臂的上下 移动。采用了双导柱导向，以防止手臂在滚珠丝杠上转动，确保手臂随机座一起转动。 辽宁科技大学本科生毕业设计第 17 页 支撑梁采用槽钢，以减轻重量和节省材料，它的结构如图 3-10。 该种设计采用了环形轴承的机器人支承结构。它由电动机 2 直接驱动一杯形柔轮 谐波减速器。这种谐波减速器只有刚轮 9、柔轮 7 和谐波发生器 8 三大件，而无单独的 外壳（这种结构有利于传动系统的小型化、轻型化） 。由柔轮 7 输出低速的回转运动带 动与之固联的机座回转壳体 5 实现手臂的回转运动。齿形皮带传动 4 和位置传感器 6 作为机座用来检测手臂机座的角位移。 1支座，2步进电机，3谐波齿轮，4转动机座 5支承工字梁，6滚珠丝杠，7导向柱，8弹性膜片联轴器 图图 3-103-10 腰部和基座结构图腰部和基座结构图 1支座，2电机，3轴承，4带传动，5壳体 6位置传感器，7柔轮，8波发生器，9刚轮 图图 3-113-11 环形轴承的机器人机座环形轴承的机器人机座 2 2、步进电机的选取 工业机器人的旋转和上下移动采用了步进电机驱动，下面就给出各种驱动方式 辽宁科技大学本科生毕业设计第 18 页 的比较，以作为选取步进电机作为驱动方式的依据。 表 3-4 各种驱动方式比较 比较内容驱动方式 电机 驱动气压传动液压传动 机械传动 异步电机， 直流电机 步进或伺服电 机 输出力 矩 输出力矩较 大 输出 力可较大 输出力矩较小气体压力小， 输出力矩小， 如需输出力矩 较大，结构尺 寸过大 液体压力高，可以 获得较大的输出力 控制性 能 速度可高，速度 和加速度均由机 构控制，定位精 度高，可与主机 严格同步 控制性能 较差，惯 性大，步 易精确定 位 控制性能好， 可精确定位， 但控制系统复 杂 可高速，气体 压缩性大，阻 力效果差，冲 击较严重，精 确定位较困难， 低速步易控制 油液压缩性小，压 力流量均容易控制， 可无级调速，反应 灵敏，可实现连续 轨迹控制 应用范 围 适用于自由度少 的专用机械手， 高速低速均能适 用 适用于抓 取重量大 和速度低 的专用机 械手 可用于程序复 杂和运动轨迹 要求严格的小 型通用机械手 中小型专用通 用机械手都有 中小型专用通用机 械手都有，特别时 重型机械手多用 由上表可知步进电机应用于驱动工业机器人有着许多无可替代的优点，如控制性 能好，可精确定位，体积较小可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手 等，下面就对步进电机的型号进行选取。 初选电机为 bf 反应式步进电机，型号为：90byg503，有关技术参数如 下表： 表 3-5 bf 反应式步进电机参数表 电机型 号 相数步距角 （） 电压 v 最大静转 矩/nm 最高空载启 动频率/hz 转子转动惯 量/10-5kgcm2 分配方式质量 kg 90byg50 3 3 06 60716005.1 四相八拍 5.0 辽宁科技大学本科生毕业设计第 19 页 （1）传动系统等效转动惯量计算 传动系统的转动惯量是一种惯性负载,在电机选用时必须加以考虑。由于传动系统的 各传动部件并不都与电机轴同轴线，还存在各传动部件转动惯量向电机轴折算的问题。 最后，要计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量，即传动系统等效转动惯量。 1）电机转子转动惯量的折算 d j 表142-18 查出=5.1cm2 d j 2）联轴器转动惯量的折算 l j )/( 8 2 2 cmkg dm j c l 式中：为圆柱质量（kg） ，d 为圆柱体直径（cm）,l 为圆柱体长度。 c m 对于钢材，材料密度为,把数据代入上式得：)108 . 7 33 cmkg )(99 . 2 8 2 2 cmkg dm j c l 3）滚珠丝杠转动惯量的折算 s j 表144-2 p119，得出 1m 长的滚珠丝杠的转动惯量为 0.94cm2，丝杠长度 l600mm，所以滚珠丝杠转动惯量： =0.940.6=0.564cm2； s j 4）手臂转动惯量的折算 g j 工作台是移动部件，其移动质量折算到滚珠丝杠轴上的转动惯量可按下式进 g j 行计算： 公式14（2-6）m l jg 20 ) 2 ( 式中，为丝杠导程（cm） ；为工作台质量（kg） 。 0 lm 所以： 2 2 20 619 . 1 100 14 . 3 2 8 . 0 ) 2 (cmkgm l jg 5）系统等效转动惯量计算 j 2 273.10619 . 1 564 . 1 99 . 2 1 . 5cmkgjjjjj gsld （2）验算矩频特性 步进电机最大静转矩是指电机的定位转矩，表142-21 中查得。 maxj mmm j 7 max 辽宁科技大学本科生毕业设计第 20 页 步进电机的名义启动转矩与最大静转矩的关系为： mq m maxj m 公式14（2-29） maxjmq mm 表142-12 得0.707。所以， mmmq949 . 4 7707 . 0 步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。步进电机所需空载启动 力矩可按下式计算： 公式14（2-30） 0 mmmm kfkakq 式中：为空载启动力矩（ncm） ；为空载启动时运动部件由静止升速到最大快 kq m ka m 进速度，折算到电机轴上的加速力矩（ncm） ；为空载时折算到电机轴上的摩擦力 kf m 矩（ncm） ，有关的各项力矩值计算如下： 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：为传动系统等效转动惯量；为电机最大角加速度；为与运动部件最大 j max n 快进速度对应的电机最大转速；t 为运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时 间，为运动部件最大快进速度；为初选步进电机的步距角；为脉冲当量。 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）空载摩擦力矩 公式14（2-34） i lfg mkf 2 0 式中：为运动部件的总重量；为导轨摩擦系数； 齿轮传动降速比；为传动系数g f i 辽宁科技大学本科生毕业设计第 21 页 总效率，取0.8；为滚珠丝杠的基本导程。 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：为滚珠丝杠预紧力；为滚珠丝杠未预紧时的传动效率，现取0.96。 yj f 0 0 cmm 428 . 1 96 . 0 1 18 . 014 . 3 2 8 . 0337.114 2 0 所以，步进电机所需空载启动力矩： cmmmmm kfkakq 088.29428 . 1 78 . 0 88.26 0 初选电机型号应满足步进电机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转矩，即 公式14（2-31） ，从上式可知电机初步满足要求。 mqkq mm （3 3）启动矩频特性校核 步进电机启动有突跳启动和升速启动。突跳启动很少使用。升速启动是步进电机 从静止状态开始逐渐升速，在零时刻，启动频率为零。在一段时间内，按一定的升速 规律升速。启动结束时，步进电机达到了最高运行速度。 图142-21，从 90bf001 矩特性图中，可查得：纵向：空载启动力矩 kq m 对应的允许启动频率。表142-11，步进电机 150bf002 启动cm088.29 zyq hf4000 频率，所以所选电机不会丢步。 yqzq fhf1600 （4 4）运行矩频特性校核 步进电机的最高快进运行频率可按下式计算： kj f 公式14（2-36） p kz v f 60 1000 max 式中：为运动部件最大快进速度。算得。 max v zkz hf33.8333 快进力矩的计算公式： kj m 公式14（2-37） 0 mmm kfkj 辽宁科技大学本科生毕业设计第 22 页 式中： 为附加摩擦力矩， 为快进时，折算到电机轴上的摩擦力矩。算得： 0 m kf m 。cmmmm kfkj 2.1361.4280.78 0 图142-22，从 90bf001 运行矩频特性图中，可知，快进力矩 kj m 对应的允许快进频率，所以,所用的电机都满足快mcm0.021362.136 kjykj ff 速进给运行矩频特性要求。 综上所述，所选用的步进电机 90byg503 符合要求，可以使用。 3、轴承的选取 （1）环形轴承 3 作为机座的支承原件，是为机器人研制的专用轴承，具有宽度小、 直径大、精度高、刚度大、承载能力高（可承受径向力、轴向力和倾覆力矩） 、装置方 便等特点价格高。 （2）杠下部装有圆锥滚子轴承，型号为 30204， 它的有关参数如下： 表 3-6 圆锥滚子轴承参数表 基本额定极限转速 r/min轴承代号 动载荷 ca/kn静载荷 c0a/kn脂润滑油润滑 3020428.230.5800010000 3.33.3 工业机器人的机械传动装置的选择工业机器人的机械传动装置的选择 3.3.13.3.1 滚珠丝杠的选择滚珠丝杠的选择 估算：等效载荷 fm =1000 n, 丝杆有效行程 560 mm ,等效转速 nm =1000 r/min , 要 求使用寿命 l h = 15000 h 左右，工作温度低于 100，可靠度 95%，精度为 3 级精度。 1、计算载荷 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 辽宁科技大学本科生毕业设计第 23 页 = a c3 c 4 h m f 1067 . 1 ln = 3 4 1771 1067 . 1 150001000 = 17086.36 n 2、选择滚珠丝杆副的型号 主要尺寸为：按= 19559n，表102-9，选用 sfu04006-4 滚珠丝杠。= 40 mm , a c 0 d =8 mm , =4 mm , d = 39mm，滚珠直径 d0=3.969mm n p w d 滚道半径: 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 丝杠内径： mmmmredd76.35)064 . 2 2106 . 5240(22 2 01 27 mm , =24000 n , =1880 n d a c c k 螺旋导程角： = arctan = arctan = 338 0 n d p 40 6 螺杆不长，无需验算稳定性。 3、刚度验算 按最不利情况考虑，即在螺距(导程)内受轴向力引起的弹性变形与受转矩引起弹性 变形方向一致，此时变形量为最大，计算公式为： = + 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 磨擦系数 f = 0.025, 当量磨擦角 = ，剪切弹性模量 g=8.33 n/mm2所 v 40 8 4 10 以： 辽宁科技大学本科生毕业设计第 24 页 = + = 0.0387 m s 442 2 76.351033 . 8 8132116 25 76.351006 . 2 810004 其中，危险截面= 35.76，e = 2.06，每米螺杆长度上的螺矩的弹性变形 1 d = = 6.6 /m ()p = 15/m s s 3 106 0387 . 0 m s s m 因为滚球丝杆精度要求为 3 级精度，由表915-8 查得 ()p = 15/m s s m 所以其刚度满足要求。 4、计算效率 = = = 0.960 = 96% v tan tan 408383tan 383tan 3.3.23.3.2 谐波齿轮的选择谐波齿轮的选择 谐波齿轮的特点，与一般齿轮传动相比，有如下特点： 1、传动比大。一级谐波齿轮减速比可以在 50500 之间，在只传递运动的装置中 可达 1000。采用多级或复波式传动时，传动比可