工业机器人毕业设计

1、工业机器人摘要在当今大规模制造业中， 企业为提高生产率， 保障产品质量， 普遍重视生产 过程的自动化程度， 工业机器人作为自动化生产线上重要的成员， 逐渐被企业所 认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工 业自动化的水平。目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重 复性并且劳动程度极大的工作，工作方式一般采取示教在线的方式。 矚慫润厲钐瘗睞 枥庑赖。本文将设计一台圆柱坐标型的工业机器人， 用于给冲压设备运送物料。 首先， 本文将设计机器人的大臂、 小臂、 底座和机械手的结构， 然后选择合适的传动方 式、驱动方式，搭建机器人的结构平台：在此基础上，本文将

2、设计该机器人的控 制系统，包括数据采集卡和伺服放大器的选择、 反馈方式和反馈元件的选择、 以 及控制元件的设计， 重点加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性， 最 终实现的目标包括： 关节的伺服控制和制动问题、 实时监测机器人的各个关节的 运动情况、机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。 聞創沟燴 鐺險爱氇谴净。目录摘要1 绪论 11.1 工业机器人研究的目的和意义 11.2 工业机器人在国内外的发展现状与趋势1.3 工业机器人的分类1.4 本课题研究的主要内容2 总体方案的确定2.1 结构设计概述2.2 基本设计参数2.3 工作空间的分析2.4 驱动方式2.5 传动方式

3、确定3 搬运机器人的结构设计3.1 驱动和传动系统的总体结构设计3.2 手爪驱动气缸设计计算3.3 进给丝杠的设计计算3.4 驱动电机的选型计算3.5 手臂强度校核4 搬运机器人的控制系统4.1 机器人控制系统分类4.2 控制系统方案分析4.3 机器人的控制系统方案确定4.4 PLC 及运动控制单元选型5 结论与展望致谢1 绪论1.1 工业机器人研究的目的和意义 工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先 进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。自从 1962 年美国研制出世界上 第一台工业机器人以来，机器人技术及其产品发展很快，已成为柔性制造系统 （ FMS）、自动

4、化工厂（） 、计算机集成制 造系统（）的自动化工具。广泛采用 工业机器人、不仅提高产品的质量与数量而且 也保障人身安全、改善劳动环境、减轻劳动强 度、提高劳动生产率、节约材料消耗以及降低 生产成本有着十分重要的意义。与计算机、网 络技术一样，工业机器人的广泛应用正在日益 改变着人类的生产和生活方式。 残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。世纪年代以来，工业机器人技术逐渐成熟、并很快得到推广，目前 已经在工业生产的许多领域得到应用。在工业机器人逐渐得到推广和普及工程 中，下面三个方面的技术进步起着非常重要的作用。 酽锕极額閉镇桧猪訣锥。 驱动方式的改变世纪年代后期， 日本安川电动机公司研制出了第一台全自动的工业

5、 机器人而此前的工业机器人基本上采用液压驱动方式。 但与采用液压驱动的机器 人相比，采用伺服电动机驱动机器人在响应速度、 精度、灵活性等方面都有很大 的提高。因此它逐步代替了采用液压驱动的机器人成为工业机器人驱动方式的主 流。在此过程中，谐波减速器、减速器等高性能减速机构的发展也功不可没。 近年来，交流伺服驱动已经逐渐代替传统的直流伺服驱动方式， 直线电动机等新 型驱动方式在许多应用领域也有了长足发展。 彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。 信息处理速度的提高机器人的动作通常是通过机器人的各个环节的驱动电动机的运动而实现的。 为了是机器人完成各种复杂动作， 机器人控制器需要进行大量计算并在此基础上 向机器人

6、的各个环节的驱动电动机发出必要的控制指令。 随着信息技术的不断发 展，CPU的计算能力有了很大的提高，机器人控制器的性能也有了很大提高，高 性能机器人控制器甚至可以同时控制多个关节。 机器人控制性能的提高， 也 进一步促进了工业机器人本身性能的提高并扩大了工业机器人的应用范围。 近年 来，随着信息技术和网络技术的发展已经出现了多台机器人通过网络共享信息并 在此基础上进行协调控制的技术趋势。 謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。1.2 工业机器人在国内外的发展现状与趋势 目前，工业机器人有很大一部分应用于制造业的物流搬运中，极大的促进物 流自动化，随着生产的发展， 搬运机器人的各方面的性能都得到了很大的改善和

7、 提高。气动机械手大量应用到物流搬运机器人领域。 在手爪的机械结构方面根据 所应用场合的不同以及对工件夹持的特殊要求， 采取了多种形式的机械结构来完 成对工件的夹紧和防止工件脱落的锁紧措施。 在针对同样的目标任务， 采取多种 运动方式相结合的方式来达到预定的目的。 驱动方面采用了一台工业机器人多种 驱动方式情况，由液压驱动、气压驱动、步进电机驱动、伺服电机的驱动等等。 越来越多的搬运机器人是采用混合驱动系统的， 这样能够更好的发挥各驱动方式 的优点，避免缺点并在它的控制精度方面和搬运效率方面有了很大的提高。 在搬 运机械手的控制方面出现了多种控制方式。 如、有原始的电控机械手， 较先进的 基于

8、工控机控制的，基于控制的，进一步的嵌入式控制技术，还采用 PLC可编程控制的。 厦礴恳蹒骈時盡继價骚。在物料搬运方面，近年来呈现出的趋势就是系统化。无论是我国还是国外， 物料搬运的发展都是由单一设备走向成套设备； 由单机走向系统。 在制造业方面， 随着 JIT 、FMS、CIMS等现代制造技术的发展，对物料的搬运系统也提出了新的 要求，其特点是力求减少库存、压缩等待和辅助时间，使多品种、少批量的物料 准时到达要求的地点。 这一趋势在机械工业方面得到了很大的应用， 其中采用了 机器人等先进的物料搬运技术，促进了机械工业的技术进步和生产水平提高。 茕 桢广鳓鯡选块网羈泪。当代工业机器人技术发展一方

9、面表现在工业机器人应用领域的扩大和机器 人的种类增多；另一方面表现在机器人机械系统的性能的提高和控制系统的智能 化。前者指的是应用领域的横向拓宽， 后者是在性能及水平上的纵向提高， 又使 扩大机器人应用领域的拓宽和性能水平的提高， 又使扩大机器人应用领域成为可 能。 鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。1 工业机器人机械系统性能的提高 进一步提高工业机器人的运动精度。机器人是一种多关节开链结构，因此机 器人手臂的刚度一般都不高， 另外由于构件的尺寸误差和传动间隙的存在， 以及 机器人手臂末端误差的放大作用， 是当前机器人的定位与运动还不能达到很高的 精度。度大、精度高的数控机床相比，机器人在工作精度上大为逊

10、色。因此，至 今工业机器人在精密装配及其他精密作业中的应用中仍受到了很大的限制， 除了 精密作业要求高精度机器人以外， 采用离线编程的工业机器人系统也要求该机器 人要具有足够高的定位精度和运动精度。 籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。 进一步提高机器人工作精度的主要办法： 提高机器人的加工精度与装配精度， 采用无障传动的减速机构，采用直接驱动电机，通过标定机器人的。 預頌圣鉉儐歲龈 讶骅籴。2 误差补偿通过实验检测对机器人运动误差进行实时修正， 提高机器人手的灵活度和避 障能力：当前常用机器人手的灵活度的都不够高， 即手臂末端达到某一工作点时， 手臂可能采取的姿态是有限的， 有时要有很大的灵活度和很强的避

11、障能力。 例如： 当时喷涂机器人喷涂车身内表面时， 要求机器人能将车身内表面的各个角落都喷上漆，必须要有高灵活度机器人手才行。 另外，在有限空间及有障碍的复杂环境 中作业的机器人。 例如：在核电站工作的机器人也要求其具有高灵活度的机器人 手臂。为了提高工业机器人手臂的灵活度， 主要采用具有冗杂自由度的机器人手 臂和在机器人手臂机构上采用膨胀胶关节及双向弯曲手臂。 渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。3 提高机器人的运动速度和响应频率：为了提高机器人作业频率以及提高具有感知功能机器人的反应速度就必须提 高机器人运动速度和响应频率。 这一点对装配机器人来说尤为重要。 为此一方面 可以通过采用高强度材料和轻质材料

12、 （如碳纤维复合材料） 制造机器人手臂以达 到减轻手臂重量和提高手臂动态特性的目的； 另一方面也可以通过采用直接驱动 电机或其他高性能驱动电机， 从控制和驱动方面提高机器人系统的运动速度与响 应频率。 铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。4 提高机器人手爪或手腕的操作能力、灵活性与快速反应能力：为了使机器人能像人一样进行各种复杂作业如 装配作业、维修作业及设备操作。机器人就必须有 一个运动灵活和动作灵敏的手腕和手爪。这一点对 装配作业机器人、核工业机器人和在空间上作业的 空间机器人来说是特别重要的。 擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。5 采用模块化组合式机器人结构：提高机器人快速维修性能， 根据优化设计， 制造出多种不

13、同尺寸和规格的手 臂和连接器模块， 用少量的可组合成多种机器人配置。 这种机器人能进行快速维 修，可以实现自动恢复。 所以这种机器人结构最适用于空间机器人、 核工业机器 人等。如这种基本结构能推广于一般工业机器人将使工业机器人的成本下降， 生 产周期及维修周期缩短。 贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。1.3 工业搬运机器人的分类搬运机器人【 transfer robot 】是可以进行自动化搬运 作业的 工业机器人 。最早的搬运机器人出现在 1960 年的美 国， Versatran 和 Unimate 两种机器人首次用于搬运作业。 搬运作业是指用一种设备握持工件， 是指从一个加工位置移 到另一个加工位置。

14、 搬运机器人可安装同的末端执行器以完 成各种不同形状和状态的工件搬运工作， 大大减轻了人类繁 重的体力劳动。目前世界上使用的搬运机器人愈 10 万台， 被广泛应用于机床上下料、 冲压机自动化生产线、 自动装配 流水线、码垛搬运、集装箱等的自动搬运。部分发达国家已制定出人工搬 运的最大限度，超过限度的必须由搬运机器人来完成。 坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。机器人自动搬运系统主要由搬运机器人、工件自动识别系统、自动启动装置、自动传输装置组成， 适合于工件自动搬运的场合， 尤其适合自动化程度较高的流水线等工业场合， 提高生产效率和自动化程度。 蜡變黲癟報 伥铉锚鈰赘。物料搬运机器人的设计：机器人自动搬运系统

15、可根据用户的要求配备不同的手爪 （如机械手爪，真空吸盘，电磁吸盘等），可实现对各种工 件的抓取搬运， 具有定位准确， 工作节拍可调， 工作空间大， 性能优良，运行平稳可靠，维修方便等特点。 買鲷鴯譖昙膚遙闫撷 凄。. 按作业用途分类 如前所述，各类工业机器人的应用范围非常广泛，而且还有一种机器人多种 用途的情况。 通常我们依据其具体的作业用途来称呼它， 如一条自动生产线上使 用了相同结构的数台机器人， 有的用于点焊就称为点焊机器人， 有的用于搬运工 件就称为搬运机器人，以此类推，便有喷漆机器人、涂胶机器人、装配机器人和 测量机器人等有的作业具有一定范围， 如潜入水下作勘查、 采矿和铺管道的机

16、器人，就统称为水下机器人，类似还有宇航机器人等。 綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。 . . 按操作机的运动形态分类按工业机器人操作机运动部件的运动坐标把机器人区分为： 直角坐标式机器 人、极坐标式机器人， 圆柱坐标式机器人和关节式机器人， 另外还有少数复杂的 机器。人是采用以上方式组合的组合式机器人。 驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。. 按机器人的负荷和工作范围分类 按照这种分类方法，工业机器人分为： 超大型机器人负荷为以上。 大型机器人负荷，工作空间为立方米。 中型机器人负荷为。工作空间为 . 立方米。 小型机器人负荷为，工作空间为 . 立方米。 超小型机器人负荷小于，工作空间为 . 立方米。以上所谓机器人的负

17、荷是指在机器人的规定性能条件下， 机器人所能搬移的 重量中包括了机器人末端执行器的重量。 猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。1.3.4 按机器人具有的运动自由度数分类机器人的自由度数的定义是：操作机各运动部件独立运动数目之和。这种运动只有两种形态： 直线运动和旋转运动， 其腕端的任何复杂的运动都可由 这两种运动来合成。工业机器人的自由度数。一般为 27 个，简易型的 24个自由度，复杂型的 57 个自由度。自由度数越多，机器人的柔性越大，结 构和控制也就越复杂，所以并非越多越好。 锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。1.4 本课题研究的主要内容（1）确定机器人运动参数及工作行程。（2）根据工件的负载情况，工作空间以及各

18、个运动的实现形式对搬运机器人进 行整体方案的设计：（1）对搬运机器人的手爪、小臂、大臂的结构设计，绘制各部分的结构草图。（2）由第二步所给定的条件和第三步的结构特点，选取驱动系统并确定驱动电 机的驱动方式和传统方式。（4）对个结构的质量进行粗估完成对手爪的夹紧气缸、小臂、大臂、丝杠的驱 动电机以及腰部、腕部的旋转驱动电机的计算选型。 構氽頑黉碩饨荠龈话骛。（ 5）根据电机的外形尺寸及输出轴轴径以及电机的重量完善结构草图。（ 6）通过以确定的结构的质量的分析， 验算重要零件的受力情况， 绘制装配图2 总体设计方案的确定2.1 结构设计概述一个机器人系统结构有下列互相作用的部分组成：机械手、环境、

19、任务机械手是由具有传动执行装置的机械。它有臂、关节和 末端执行装置构成， 组合为一个互相连接， 互相依赖的运动 结构。机械手用于执行指定的作业业务。 工业机器人的末端 执行器是安装在腕端的附加装置 輒峄陽檉簖疖網儂號泶。机器人的手部可分为夹持式和吸附式两大类。 夹持式是执 行手：夹持方式由外夹式和内撑式之分； 吸附式得分为空气 负压式和电磁式两种。 尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。任务是指机器人要完成的工作， 机器人的类型是随着工作 任务的特点而决定的。例如 SCARH机器人就非常适合平面上 的工件的抓取。 识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。环境是指机器人所处的周围环境。 环境不仅由几何条件 （可达空间） 所决定的

20、 而且由环境和它们所包含的每一个事物的全部自然特性所决定的。 凍鈹鋨劳臘锴痫婦 胫籴2.2 基本设计参数根据次机械手的应用场合和实地的应用要求，其主要的设计参数要求如下： （ 1） 抓取的重物： 2Kg（2）机械手的自由度数： 4 个（ 3） 运动参数：大臂升降：线速度：0.02m/s小臂伸缩：线速度：0.02 m/s手腕俯仰：角速度：3.14rad/s腰部旋转：角速度：3.14 rad/s（ 4） 运动行程 大臂升降： 300mm小臂伸缩： 300 mm腰部旋转：正负 90 度 手腕俯仰：正负 90 度2.3 工作空间分析2.3.1 基座及连杆1 基座 基座是整个机器人本体的支撑，为保证机器

21、人运行的稳定性，采用两块“ Z” 字形实心铸铁作为支撑。基座上面是接线盒子，所有电机的驱动信号和反馈信号都从中出入。接线盒 子外面有一个引入线出口和一个引出线出口。 恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。2 大臂大臂长度 230mm具, 体尺寸如图所示：3 小臂小臂长度 180mm具, 体尺寸如图所示：2.3.2 机械手的设计 工业机器人的手又称为末端执行器，它使机器人直接用于抓取和握紧（吸 附）专用工具（如喷枪、扳手、焊具、喷头等）进行操作的部件。它具有模仿人 手动作的功能， 并安装于机器人手臂的前端。 由于被握工件的形状、 尺寸、重量、 材质及表面状态等不同， 因此工业机器人末端操作器是多种多样的， 大致

22、可分为 以下几类： 鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。（1）夹钳式取料手（2）吸附式取料手（3）专用操作器及转换器（ 4）仿生多指灵巧手 本文设计对象为物料搬运机器人， 并不需要复杂的多指人工指， 只需要设计能从 不同角度抓取工件的钳形指。手指是直接与工件接触的部件。 手指松开和加紧工件是通过手指的张开与闭 合来实现的。该设计采用两个手指，其外形如图所示： 硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。传动机构是向手指传递运动和动力， 以实现夹紧和松开动作的机构。 根据手 指开合的动作特点分为回转型和平移形。 本文采用回转型传动机构。 图 2.4 为初 步设计的机械手机构简图（只画出了一半，另一半关于中心线对称） 。阌擻輳嬪諫迁

23、 择楨秘騖。在图中， O为电机输出轴，曲柄、连杆、滑块和支架结构曲柄滑 块机构：滑块、连杆、摇杆和支架构成滑块摇杆机构。通过两个机构 串联，使电机最终驱动的来回摆动，从而实现手指的开合运动。 氬嚕躑竄贸恳彈 瀘颔澩。图中的黑线和蓝线表示机构运行的两个极限位置。 为便于手指的顺利合拢， 可以在两个手指之间设置一个弹簧， 这样还可以提供适 当的夹紧力。另外，在选用电机的时候，要使电机的功率足以克服弹簧的收缩和张开，并 且提供足够加紧物体的力。 . 驱动方式该机器人一共具有四个独立的传动关节，连同末端机械手的运动，一共需要 五个动力源。机器人常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。这三

24、种 方法各有所长，各种驱动方式的特点见表 . ： 釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。表. 三种驱动方式的特点对照液压驱动：（1）输出功率很大，压力范围为 50-140Pa，利用液体不可缩性，控制精度较高。（2）控制性能 输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制（3）响应速度 很高（4）结构性能及体积结构适当，执行结构可标准化、模拟化，以实现直接驱动。功率 / 质量 比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大 .（5）安全性 防爆性能好，用液压做传动介质，在一定条件下有火灾危险。（6）在工业机器人中应用范围 适用于重载、 低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机器人、 点焊机器人和托 运机器人。（7）成本维

25、修及使用 液压元件成本较高方便，但油液对环境温度有一定要求。气动驱动：（1）输出功率大，压力范围为 48-60Pa，最大可达 Pa气体压缩性大， 精度低，阻尼效果差， 低速。（2）控制性能 不易控制，难以实现高速、高精度连续轨迹控制。（3）响应速度较高。（4）结构性能及体积 结构适当，执行机构可标准化、模拟化，以实现直接驱动。功率 / 质量比大， 体积小，结构紧凑，密封问题较小。（5）安全性 防爆性能好，高于 1000kPa（10个大气压 ）时应注意设备的抗压性。（6）对环境的影响 排气时有噪声。（7）在工业机器人中的应用范围 适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制机器人，如冲压器

26、 机器人本体的气动平衡及装配机器人气动夹具。 怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。（8）成本维修及使用 成本方便。电机驱动：（1） 输出功率 较大控制精度，功率较大，能精确定位，反应灵敏。（2） 控制性能 可实现高速、高精度连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂。（3）响应速度很高。（4）结构性能及体积 伺服电机易于标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置， 除 DD电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题。 谚辞調担鈧谄动禪泻類。（5）安全性 设备自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境防爆性 能较差。（6）对环境的影响 无。（7）在工业机器人中应用范围 适用于中小负载、要

27、求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高 的机器人，如 AC 伺服喷涂机器人、点焊机器人、弧焊机器人、装配机器人 等。 嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。（8）成本维修及使用 成本高较复杂。机器人驱动系统各有优缺点，通常对机器人的驱动系统的要求有：（1） 驱动系统的质量尽可能要轻， 单位质量的输出功率要高， 效率也要高；（2） 反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行 频繁的起、制动，正反转切换；（3）驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；（4）安全可靠；（5）操作和维护方便；（6）对环境无污染，噪声要小；（ 7） 经济上合理，尤其要尽量减少占地面积 。 基于上述驱动系统的缺

28、点和机器人驱动系统的设计要求，本文选用直流 伺服电机驱动的方式对机器人进行驱动。2.4 传动方案的确定2.41 传动方案分析： 方案一：第一、二、自由度均采用伺服电机加减速器的结构形式。 大臂的驱动电机和 小臂的回转轴共线。 小臂的传动方案与大臂的传动方案相同， 这样虽然结构上较 为简单，但对大臂产生了一定的不利影响并且对转矩的计算也会较为麻烦。 第三 个自由度即就是升降机结构采用电机步进电机加同步齿形带的传动方案。 同步齿 形带具有精度高，结构紧凑，传动比恒定等特点。但对安装的精度要求较高，负 载能力也很有限并且不能实现反向自锁， 需要另加断电保护装置。 手抓结构采用较为简单的气动控制直线运

29、动的手爪方案二 ：熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库第一 二自由度均采用交流伺服电机加减速器的驱动模式，故此结构较为 简单。 电机和小臂的关节轴是同一方向的。 这是在充分考虑到小臂的驱动电机 对大臂所产生的附加弯矩的条件下， 对大臂的结构设计特别做了加强处理。 第 三个自由度为丝杠螺母的升降运动， 采用的传动方式是电机轴经过一级齿轮减 速，再驱动滑动丝杠，利用滑动丝杠的大减速比的特点，达到控制上升的速度 不至于过快。 同时选择单头的滑动丝杠具有很好的自锁性能， 从而在系统突然 断电的情况下，不致使此自由度方向上发生运动，从而保证了结构的安全。第 四自由度旋转机构也是采用电机加谐波减速器的结构形式。 手爪采用

30、目前广泛 采用的而且技术成熟的连杆导杆式气动机械手， 这一机械手的造价低廉、 结构 简单、针对此处所抓取的工件的特点是不易变形的金属工件， 所以对夹紧力的 要求不是太高， 故采用气动机械手爪完全可以达到设计要求。 鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。如图 2-4 所示，第一自由度采用步进电机加减速装置的传动模式。大臂与 回转关节之间采用谐波减速器传递动力。 小臂的驱动电机考虑到它的重量会对 大臂造成较大的附加弯矩则把小臂的驱动电机安装在大臂的回转轴的轴线方 向，电机输出轴与小臂的回转轴之间通过同步齿形带相连接， 保证了小臂回转 的精度。但这样就使的小臂的传动结构复杂，有多段承受弯矩的轴，并且电机 轴也承受了

31、一定的弯矩。 第三个自由度采用滚珠丝杠并配以电机加减速器驱动 的传动方案， 这是利用了滚珠丝杠的传动精度高， 并且是把旋转运动转换为直 线运动，而不需要中间环节的转化，结构简单。但滚珠丝杠必须附加自锁装置 以确保能够做到断电保护。滚珠丝杠的造价高，重量也较重，因此在滚珠丝杠 的材料选择方面而要求加工材料要较轻， 并且滚珠丝杠需要电机的输出转矩也 较大，自身减速比较小。 机器人的手爪部分仍然采用较为常用的气缸配合连杆 式气动机械手的结构，其作用与方案一所述的相同。 纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。2.4.2 伺服驱动与步进驱动的比较（1）低频特性不同步进电机在低速是容易出现低频振动现象，振动频率与负载情况

32、以及与 驱动器的性能有关。 当步进电机工作在低频的时候一般还采用阻尼技术来克服 低频振动现象。 交流伺服电机运转非常平稳， 即使在低速时也不会出现振动现 象。 颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。（2）矩频特性不同 步进电机的输出力矩随转速的升高而降低，而且在较高的转速时会急剧 下降所以其最高的工作转速在 300600r/min 。交流伺服电机为恒力矩输出即 使在额定转速以内都能输出额定的转矩， 在额定转速以上为恒功率输出。 濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。（3）过载能力不同不仅电机一般不具有过载能力， 交流伺服电机具有较强的过载能力而步进电 机因为没有这种过载能力， 为了克服启动时较大的惯性力矩， 往往要选取具有较

33、 大静转矩的电机， 而机器人正常工作时又不需要这麽大的转矩， 所以便出现了力 矩浪费的现象。 銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。（4）运行性能不同 步进电机的控制一般为开环控制，速度过快或负载过大都会出现失转或堵转 现象。交流伺服电机为驱动系统为闭环控制， 驱动器可以直接对电动机编码器反 馈信号进行采样，在内部构成位置环和速度环，能避免失步或过冲现象。 挤貼綬电 麥结鈺贖哓类。综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机，所以在一些对位 置和速度要求较高的场合， 采用交流伺服系统的优势更为明显。 此次的搬运机器 人对工件的抓取，对其驱动系统的要求就是要能够较为准确的完成对位置和速度 的控制，这样选取

34、交流伺服电机就能够很好的满足这一点。 赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。通过对上面的方案的比较，综合分析后我认为方案二有更多的优势，而且结 构合理，能够比较好的完成本次的输送线出货台的物料搬运工作。 塤礙籟馐决穩賽釙 冊庫。故此次方案二作为本次设计的最终设计方案。3 搬运机器人的结构设计3.1 驱动和传动系统的总体结构设计（ 1） 底座如图所示：电机和谐波减速器通过连轴套筒相连，谐波减速器的输出轴和 大臂的回转关节轴直接相连。外壳材料采用 45 钢底座的轴承采用角接触轴承， 使利用了它既能承受轴向力也能承受一定的径向力的特点。 电机和减速器通过外 壳内部的凸台进行安装， 这样使得结构简单， 加工和安装方便

35、。 里面部件的材料 采用铝合金位于底部的电机通过谐波减速器的减速对顶端轴进行驱动， 从而带动 了大臂回转轴和大臂一起转动，需要注意的是臂回转轴是做成一体的。 裊樣祕廬廂 颤谚鍘羋蔺。（2）传动装置 传动的主要方式是采用交流伺服电机加减速器的传动模式，大臂的轴承选 择的是角接触轴承，用此来承受较大的负载产生的弯矩， 避免了减速器的输出轴， 以及电机轴承受的附加载荷， 从而保护了减速器和电机。 大臂的长度尽可能做的 短一些，这样会在整体结构简单的情况下将小臂回转关节的电机自身重量和减速 器的重量尽可能多的通过壳体传递到地面， 另外对大臂的设计也采用了增加强度 的处理，从而尽可能电机和减速器所产生的

36、附加弯矩对机构的影响。 小臂回转关 节采用了电机减速器后直接驱动小臂关节轴旋转， 从而带动小臂的旋转。 这里大、 小臂的运动具有独立性的特点。 仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。（ 3）升降机构此处机械手的升降机构是采用电机加一级齿轮减速， 传递动力给滑动丝杠， 利用滑动丝杠的大的降速比来完成夹持工件的机械手上下移动， 这样可把电机输 出的转动转化成丝杠螺母的上下移动， 并且整体结构较为简单。 同时考虑滑动丝 杠的原因也是利用了滑动丝杠的反向自锁的特性， 从而实现了断电保护。 在滑动 丝杠的外螺母上连接导向杆， 这样可以对螺母起到导向作用， 同时可以减少负载 产生的附加弯矩对滑动丝杠的影响，进一步提高了机

37、械手抓取时的抓取精度。 绽 萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。（4）旋转机构 如图所示，此处的旋转机构主要是利用步进电机利用键连接来驱动机械手 进行旋转来实现抓取工件位姿的调整， 这里是考虑到机械手在抓取工件时所需要 的位姿来进行设计的，使得机械手的手爪更方便有效的完成工件的抓取。 骁顾燁鶚 巯瀆蕪領鲡赙。机械手爪受力分析：(如图33)P：机械夹持器轴向施加的作用力;c：夹持器活塞屮心至T扌旨支点的距离；R：支点销轴的半径；中间连杆对手指的压力角;人：摩擦角：/：构件间的煤擦系数：卅度条件：0 e a e I :如图3-2所示.设力P的方向与中间连杆之间的夹角为0，作用在中间连杆上的分 力为F,P/2=Fc

38、os “ “ sin “(3.1)图3-2则作用在连赶上的分力F可以用下面的式子来表示：F= -x!2 cos0 + /isin p(3.2)设屮间连杆与T指之间的夹角，即压力角图3-2手爪结构为于指支点的反力为R，于指支点轴的半径为r,连接销与于指支点的距离为于指支点到指尖的距离为/则根 据绕于指支点的力矩平衡关系可得到卜式：IQ-l Fcosy/-+= 0 (3.3)其中R可根据下式求得：R = Jf+Q+2FQcow (3. 4)则将(3.2) (3.3)代入(3.4) 可得如下式子:n _ /耳x + “siny#) _ pirR-2/(cos + Asin/0 一T2Lb于魁很小.可

39、以忽略o 1ST-指丄j于部屮心线夹角为4 并且注盘到(丹2-0) +忖二代可由此改写为T72 + 0 + &侧(3.5)式子量终可以改写成:(7 = (/-cos + sin) 3.6)测JtJ/? = 45 t ZI*lz - 15 * Wi|ig(/-X )=y带入(3用)代则衍対：P=2x131x4078.5x7?=23L2N3.2气动气缸设计计算3.3 进给丝杠的设计 当机械手爪抓起工件时，丝杠的负载就由以下几个部分组成：工件、手爪、 驱动气缸、手爪与气缸的连接套筒、俯仰电机、减速器、丝杠套杯与 L 型支架等 组成。 瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。它们的重量可以做一下粗估：工件 40N，手爪

40、 20N，驱动气缸 20N，手爪与 气缸的连接套筒 20N，俯仰电机 55N，减速器 5N,丝杠套杯与 L 型支架 40N等组 成。考虑到实际的影响因素，可以估计出丝杠的真实负载约为 F=230N。 鎦诗涇艳损 楼紲鯗餳類。考虑到先前方案分析是提到丝杠要求反向自锁的特点， 先根据其负载情况粗 选滑动丝杠的类型为单头梯形丝杠。 大径 d1=39mm中, 径 d2=27mm小, 径 d3=23mm, 螺距螺杆材料为钢，螺母材料为， 高度 栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。对所选的丝杠进行验算：(1) 丝杠螺杆的耐磨性验算:因为丁作压强P=F/(d2H,n),式子当中,H, =0.5P = 0.5x6 = 3/

41、n/n , 而 n=H/P=600/6 = lOOwm。带 入上式得:卩二二0. 0063N/mni2,并H考虑到螺杆升降速度6二3.9血。7rD4bnD=d. +2a . d=40mm.所以 z二二0. 00327 N/mm 2。413.14x40x3.9x100螺纹的弯初应力a- b 二 3化 =3xx3=0 0075 N/mm2。nD,b-n 3.14x40x3.9-x 100则满足：PPp, rr切。螺纹的强度足够。(3)自锁性验证:因为是单头螺纹,故导 S=P=6 nm,所以螺纹升角S6A=arctg=arctg =4. 05。加 23.14x27由表面的钢对青铜的燈擦系数f二0.0

42、80. 10,此处可以针对此范阳取到f=0. 10, p-arcig=arctg =5.75cos(cr/2)cos7所以/IS，故可|锁。3. 5驱动电机的选型计算3. 5.1手爪旋转电机的选型计算根据惯性匹配公式，折算到伺服电机上的全部负载转动惯肚为人。由公式可知：j, = Yjh(-)2 +y,w()2kg.,H 2m+：A：各旋转件的转动惯最(kg-m2)；% 各旋转件的角速度(rad/s)；3：伺服电机的角速&(rad/s)；“各山线运动件的质量(kg)；v,各直线运动件的速度(m/s)；1)根据旋转机构的特点，可以把T件看成是个绕迫机轴的轴线旋转的 圆柱体模型,转动惯量:J, =-

43、wl/,2 = -x4x0.052=0.005kg m2e2 2手爪关于电机轴的转动惯量同理得J2 = x2x0.12=0.0lkgW2o 气缸手爪连接佥简关于电机轴的转动惯比/产扌x2xO.22=O.O4kg W 2 o 气缸关于电机轴的转动惯吊人二扌x4x0.052=0.005kg /n 2。则总转动惯駅为：Jh = JJ2 + J3 + J4 =0.005+0.01 +0.04+0.005=0.06kg- m 2。 并考虑到连杆和减速器的转动惯量，则可扩大使几=0.07 kg m 2 乂由折算公式：人二人(丝)2+“(上)2|.加2来计算人。根据=0) 十 0)初始的条件：=3rad/5

44、 ,所具有的稳定转速为310md/$。从而可以确定所川到的谐波减速器的减速比为/ =KX)o由机构本身的特点对知：=0, v =Oo 带入折算公式，则得J,=0.07()2 =0.07x1 O4 kg w2o 乂 310根据0.25vNvl,由此可以从MINAS系列电机的型号表屮选出电机的转动惯量几=0如10 kg./n20由此得总的折算到电机轴上的转动惯量Jr= J, + Jw =0.20x 1 O4 +0.07x 104 =0.27x 10* kg-w202）伺服电机的转矩计算：电机所需转矩可以用快速空载起动转矩计算式中，匚唤空载起动时折算到电机轴上的加速转矩;Tf 折算到电机轴上的摩擦转

45、矩； 兀一由于丝杠预紧引起的附加转矩;人曲一伺服电机输出转矩的最人值；由此乂由公式其屮，x-最人快速移动时伺服电机的转速:f系统的时间常数；可得到瘁60/2x3 JAxSOOOxOQxlO460x0.02=0.71N-/?z o摩擦力矩主要是由轴承的运动所产生的摩擦力所形成，记7； =0. 2N沖o此处没有涉及到丝杠预紧，所以r =（w-/h乂=1.87,（交流伺服电机A = 1.8）, 2：为电机的过戯系数。所以即晋至此我们对以选出的电机型号为MINAS系列的电机，其额定功率为0. 2KW,额定转矩为0. 64X,最大静转矩为1.91N加7；=0.51Nm。转子量匹配原则：0.25 字1可以

46、粗选电机的转动惯量为儿=2.84x107 J Mkg / （带制动器）。则总的折算到电机轴上的转动惯量为:人二（1.17+2.84）xl0M = 4.01xl04-m2o2）伺服电机的转矩计算:电机所需要的转矩可以川快速空拔起动转矩來计算，It!此得到T = TLn.xx +耳 +r 5 7；心加。其屮7；叭60/2x3.14x5000x4.01x10-60x0.05（取加速度时间为0.05s）。釜一辭蹤阴E （此处取阻尼系数 此处没有涉及到丝杠预紧，所以T =05 乂7；瘁=2Tr =1.8Tr （交流伺服电机2 = 1.8 ）所以T = Tamax+Tf =2.33N m o1.8L8至此

47、所选择的电机的额定功率为1.5KW,额定转矩为4.77N-/H, M人 转矩为14.3 N m,电机惯最为2.84X10-4 kg-w 2 （带制动器），额定转速为3000隘,最高转速为5000/ jn ,重量为6.5kg,电机输出轴直径为19mm。3. 5. 3小臂驱动电机的选型计算1）对小臂的负载进行估算：工件40N,手爪20N,旋转电机重15N, 气缸手爪连接套筒2（） N,谐波减速器5 N,支架40N,丝杠25 N,减速齿 轮5N,丝杠驱动电机65 N,箱体30 N,小30 No根据转动惯昴的平行 移轴定理丿二工（舟竹/ +m）,对各个部分的转动惯量分别进行分析。i 乙4x4xoj2+

48、4xo-52= I.O2kg-m2丿手爪专x2x052 +2x0.52 = 0.50225kg m2气宜=g x 2 x 0.032 + 2x 0.52 = 0.5kg m2= -x2x(0.092 0.062) + 2x().52 = 0.5kg m 截速爲=xO.5x().O62 + ().5x0.52 = 0.126kg m2 碇转偽机=* x 1.5 x ().252 + 1.5x ().52 = 0.422kg m2 文=1x4x().I? +4x0.52 = 1.02kg m2 织=|x2.5xO.OI152+2.5xO .1/ = 0.081 kg-m2 齿轮域速卷=|x0.5x

49、0.062 +0.5x0.1，= 0.09kg - m2的转动惯昴为Jw=16.7xlO-4 kg /H 2 （带制动器）。则总的折算到电机轴上 的转动惯量为:Jr=（16.7+6.78） x10-4 = 23.48x10-4 /w2o2）小臂伺服电机的转矩计算:电机所需转矩用快速空载起动转矩计算，得T=TamM +Tf +T TniMN-m.其屮Tjnnx = J =”1（）=369N （加速度时间60/60x0.20.2s）。摩擦力矩丄要是由轴承的运动所产生的摩擦力所形成，记为Tf=0.2N W o此处没有涉及到预紧，所以T =0Nm又由臨x =“ =1.87；（交流伺服电机2 = 1.8

50、）T+T所以T 一祁+即7； A amaxf - nwNjrr 83.69+0.2 _26N m1.8至此所选择的电机的额定功率为2KW,额定转矩9.54N,最人转矩为2&5Nw,电机惯彊为16.7X1CT1 kg“ 2 （带制动器），额定转速为2000/jn , 最高转速为3000/jn ,重握为I2.5kg,电机输出轴血径为22mm,小愕的谐波减速器的生产厂家是陕两蔡家坡渭河丁具厂生产。型号选择 为XBW3210780输入转速3000/jn ,输出转矩6N-m ,传动比 为I07o质量为0.5kgo3. 5.4大臂驱动电机的选型计算：I）： 、哲电机=12.5kg,加减連科=5Rg,= 1

51、0 ,加乂架=0.5kg。小臂驱动电机关于人臂驱动轴的转动惯量J）=-mlrl2* x 12.5x0.0752 +12.5x0.32 = 1.16kg-m 2。同理可得小臂减速器关于人怦驱动轴的转动惯虽：J2 = - X 0.5 X 0.032 +0.5 X 0.32 =0.045kg - m 2 2小臂负载关于人臂驱动轴的转动惯最：J3 = 6.67+31.5x0.32 =9.5 lkg-m 2大臂关节轴的转动惯最：J4 = - X 10x0.082 =（）.O32kg.?H 2由此可得到总的转动惯M为=1.16+0.045 + 9.51+ 0.032 = 10.75檢 m2由折算公式：Jt

52、 =A（）2 + Y（）2kg.2uj得折算到电机轴上的各 =0） 亍 O）个负朝的转动惯斌为人=10.75x（专1）2=5.57x 1（）和g 2。根据何服电机208.3的惯最匹配原则：0.25 1，可以粗选电机的转动惯量为Jw=2l.lxl0-4 丿Mkg /n 2 （带制动器）。则总的折算到电机轴上的转动惯量为:丿严（21.1+5.57）x 1（尸= 26.67 X 1（严畑加2 02）人臂伺服电机的转矩计算：电机所需要的转矩可以用快速空载起动转矩来计算，由此得到r=7L.nax +77 ST。60/60x0.52加 J _ 2x3.14x3000x26.67x1()7 =.67N加(加

53、速度时间为 0.5s)摩擦力矩主要是由轴承的运动所产生的摩擦力所形成，记7； =0.5N加。 此处由于没有涉及到预紧，所以T =0N m.乂人工眄(交流伺服电机2 = 1.8)所以T = Tamax +Tf T(,n+T, = ”7 + 0.5 = 21Nw。1.8 1.8至此所选择的电机的额定功率为3KW,额定转矩14.3N /n,最人转矩人臂的谐波减速器选型为XBW80134120,传动比为134,输入转 速3000/jno输出转矩120Nm,质最为10kg,效率为70%80%。3. 6手臂强度校核人小臂上要承受来|臂体11少及臂端部件朿卅载荷，即臂体要承受均 匀载荷和突加载荷。由材料力沖

54、知识知道弯矩最人处发生在左端截而处，由重力产生弯矩A/,=ql2突加载荷产生的弯矩= PI故左端最大弯矩M二必+P/2为计算简便将两臂近似看作等截面长方体。则人小臂必须满足弯Illi止应力的强度条件：矩形截面积：26铝合金材料拉乐强度a = 30MPaQ35材料拉压强度Qq绑=160MPd人小臂胶合过程如下：(I)人臂强度校核加小埒电机=125Rg , m减速器=0.5kg , m甬=Okg , zn支架=0.5kg。人臂受力情况彳= 333%, P = 440/V，/= 0.3加,b = 0.07m, h = 0.09m 则 0.07x0.092= 9.45xl0-5m3M 二必 + P/

55、= 333x0.3- +U0X0.3 二 Nm2 2=W%z=,4%.45xl0-5=1.56aU所以大臂满足强度要求。(2)小臂强度校核工件40N,手爪20 N,旋转电机重15 N,气缸手爪连 接套筒2() N,谐波减速器5 N,支架40N,丝杠25 N,减速齿轮5 N,丝 杠驱动电机65 N,箱体30N,小臂30N。小臂受力情况g = 60/ , P = 285N，/ = 0.5mm,b = 0.05mm ,h = 0.07mm4 搬运机器人的控制系统 1 机器人控制系统分类1、程序控制系统：给每一个自由度施加一定规律的控制作用，机器人就可实现 要求的空间轨迹。、自适应控制系统： 当外界条件变化时， 为