四自由度圆柱坐标机器人机械手臂设计

四自由度圆柱坐标型工业机器人机械设计摘要在现代制造业中，工业机器人已成为不可或缺的核心自动化装备。工业机器人适应工作环境能力强，可担任各种类型各种强度的生产工作，精度高、速度快、易于控制，可显著提高生产的工业自动化水平。国内工业机器人起步晚，市场占有率低，许多核心技术还没有掌握，可靠性低，应用范围小，零部件互换性低。现设计一种四自由度的圆柱坐标型机器人，能实现工件的上下搬运。该四自由度机器人由两个旋转自由度机构和两个平移自由度机构组成，根据机器人运动参数，选择足够功率的伺服电机，然后，估算驱使机构各自由度运动需要的力及扭矩，选择传动比适宜且大小适宜的减速器。通过伺服电机减速器驱动机构的运动，实现机器人腰部旋转，手臂的竖直升降，手臂的水平移动和末端操纵器的旋转。在机器人辅助系统的设计局部，还考虑了伺服电机导线坦克链的排布，机构零点位置的触发开关及其导线排布的设计。关键词：四自由度，圆柱坐标，工业机器人，机械设计MechanicalDesignofa4-DOFCylindricalIndustrialRobotAbstractInmodernmanufacturing,industrialrobothasbecomeanindispensablecoreautomationequipment.Industrialrobothasgoodadaptability,canadapttoallkindsofmassproduction,highprecision,fastspeed,easytocontrol,cansignificantlyimprovetheautomationlevelofproduction.Domesticindustrialrobotsstartedlate,haslowmarketshare,lowreliability,andmanycoretechnologieshavenotyetmastered.Theapplicationscopeissmall,theinterchangeabilityofpartsislow.Thedesignofakindoffourdegreeoffreedomcylindricalcoordinaterobot,canrealizetheworkpiecemovingupanddown.Thefourdegreeoffreedomrobotmechanismiscomposedoftworotationaldegreesoffreedomandtwotranslationaldegreesoffreedommechanism.Accordingtotherobotmovementparameters,servomotorisselected,andthenestimatesthesufficientpower,forceandtorqueofeachdegreeoffreedommovementneeds,choosetheappropriatetransmissionratioandsuitablereducer.Drivemechanismmotionthroughtheservomotorreducer,andthenwecanrealizetherobotwaistrotation,verticalliftingarm,armmovementandrotationoftheendeffector.Inpartofthedesignofrobotauxiliarysystem,wetakethearrangementofservomotorwiretankchain,designthetriggerswitchandwirearrangingmechanismthezeropositionintoconsideration.KeyWords：4-DOF;Cylindricalcoordinates;IndustrialRobot;Mechanicaldesign目录摘要 ⅰAbstractⅱ第一章引言 11.1工业机器人 1工业机器人的概念及特点 11.1.2工业机器人的组成11.1.3国内外开展状况21.2研究内容21.2.1研究方法 21.2.2研究成果 21.3研究意义 2第二章机构结构设计4设计分析及方案拟定42.1.1设计要求 42.1.2设计流程 5.3方案拟定 5主要结构件设计62旋转平台结构 6滚珠丝杠结构 7中间连接器 9外壳设计112.3受载变形校核 11第三章传动机构设计 133.1腰部转动 133减速器选择 13伺服电机选择 143.1.3传动法兰盘设计 153.2竖直平移 163滚珠丝杠及螺母选择16伺服电机选择 18联轴器选择 193.3水平平移 203滚珠螺母丝杠选择 21伺服电机选择 21联轴器选择 223.4手臂末端操纵器旋转 233伺服电机选择 23减速器选择 24第四章辅助机构设计 254.1坦克链线路设计254.2机构零点设计26第五章总结与展望 285.1总结 285.2展望 28参考文献30致谢31附录32第一章引言工业机器人1工业机器人的概念及特点我国专家学者对于工业机器人的概念解释也各有不同，综合各方面的说法，从工业机器人能实现的功能来讲，工业机器人是有以下功能的机器：〔1〕具有执行运动操作的机构；〔1〕具有通用性，可实现多种运动操作；〔2〕有一定程度的智能，能重复编程；〔3〕有一定的独立性，一定程度上不依赖人的操纵。1工业机器人的组成工业机器人一般由机械系统和控制系统组成，四自由度圆柱坐标型工业机器人的机械系统组成由下列图可知：四自由度圆柱坐标型工业机器人机械系统组成〔1〕驱动机构：本次设计采用四个交流伺服电机驱动四个自由度。至于气压，液压驱动的装置体积较大，因行程较大而不采用。〔2〕执行机构：本次设计的执行机构主要包括底座、腰部机构、手臂机构和末端操纵器。采用丝杠螺母和行星齿轮减速器两种传动方式，能将旋转运动转换成直线运动或将高转速转换成低转速，再将动力传递给执行装置。.3国内外开展状况上世纪中叶，美国结合机械手和操作机两者的优势，开发了一种可自动执行动作的机械装置，称为工业机器人。60年代末，美国通用汽车公司采用机械手臂，建立了汽车焊接车身的自动化生产线。此后，工业机器人的研制和应用，受到各个工业兴旺国家的重视。日本又称为“机器人的王国〞，可见日本的工业机器人产业非常兴旺，如今的日本在智能型工业机器人上取得了巨大成就。随后，工业机器人产业又开始在欧洲崛起[2]。工业机器人在中国开展的很快，但相比世界上先进的工业机器人，技术差距依旧明显[3]。国内工业机器人起步晚，相比国外先进技术，国内工业机器人可靠性较低，应用领域较窄，生产线技术落后，零部件互换性低[4]。工业机器人且可用于环境恶劣，劳动强度高，劳动单调乏味的工作中，将人们从中解放出来。1.2研究内容现设计一种工业机器人，有四个自由度，采用圆柱坐标型，利用该种机器人实现工件的上下料搬运。本次设计主要设计机械系统局部。该机器人的四个自由度分别是腰部旋转、手臂竖直升降、手臂的水平伸缩和手臂末端操纵器旋转。由四个自由度确定各自传动方式，选择传动装置。确定机器人各个运动部件运动所需的功率，再选择适宜的伺服电机和减速器。设计机械手臂整体结构采用的三维实体设计软件是SolidWorks2023，对于分析机构的质量、质心等参数十分方便。 本次设计根本完成任务，具体成果如下：〔1〕完成四自由度圆柱坐标型机器人的整体结构设计，包括基座、腰部旋转平台、竖直机身、水平手臂和末端旋转平台的设计；〔2〕完成外壳包装的简单设计，完成机构零点和极限位置的传感器设计；〔3〕完成机器人三维实体的装配，并绘制出机器人的二维工程图。工业机器人已经是现代制造业中举足轻重的自动化机械，一些机械式的、工作环境恶劣危险的、没有创新性的作业完全可以由机器人替代人工完成。在金属热压加工中，需要人工作在加热的窑炉、冲压床、车床或钻床附近，工业机器人耐高温，程序写好就可以防止与其他加工工具碰撞，防止了工作中出现危险的可能[6]。工业机器人能适应多品种中小批量生产，高精度高速度，容易控制，能显著提高生产自动化水平。目前小负载旋转臂机型工业机器人市场容量大、应用广泛[8]。第二章机构结构设计2.1设计分析及方案拟定2设计要求主要解决问题：按下表中参数的要求，设计一种四自由度圆柱坐标型工业机器人，完成该工业机器人的机械结构设计、驱动装置设计、传动装置设计、各自由度零点和极限位置设计及传感器选择：表2.1机器人设计参数最大负载/kg腰部、臂部回转角度/º伸缩行程/mm高度行程/mm最大旋转角速度/(rad·s-1)最大移动速度/(m·s-1)重复定位精度/mm336050050021 机器人的工作空间是指机器人正常工作时手臂末端操纵器能活动的范围，可从上表推得，工作空间图如下：图2.1机械手臂工作空间2设计流程〔1〕分析四个自由度，选择适当的驱动方式、传动装置和机构件；〔2〕用三维建模软件完成主要零件〔包括所有结构件〕的三维建模，并初步完成三维实体模型装配；〔3〕对实体模型相关参数进行测量估算，按设计要求，最终确定电机、减速器、丝杠等产品参数，完成装配；〔4〕对机器人运动进行动画仿真和受载分析，验证设计正确性；〔5〕绘制二维工程图。流程图如下列图所示：图2.2设计流程2方案拟定根据设计需求，设计出的工业机器人大致外形图如图2.1所示。图2.3工业机器人图由上面的设计参数表可知，机器人手臂的行程是500mm，较大，宜使用电机作为驱动装置。考虑到步进电机精度缺乏，加速性能一般，易产生丢步或过冲，性能效果没有交流伺服电机好，又因为所设计的机械手臂起动频率高，且要求快速启停，需到达一定传动精度，因此选择交流伺服电机。 传动装置选择行星齿轮减速器传动和丝杠螺母传动，其中行星齿轮减速器用于腰部高扭矩低转速的传动，丝杠螺母用于手臂的水平和竖直平移传动。确定机器人的机构简图，以确定机器人的整体结构，所设计的工业机器人的机构简图如下列图：图2.4机器人运动简图采用伺服电机和行星齿轮减速器实现机器人的腰部低转速旋转运动；考虑设计中水平方向移动行程500mm，相对较大，水平手臂前后平移也是利用伺服电机驱动滚珠丝杠旋转实现，将水平移动和竖直移动的两个螺母角度偏差90度放置，共同固定在一个十字型钢板结构件上，到达水平方向丝杠螺母水平不移动，丝杠前后移动的效果；将一小功率伺服电机和行星齿轮减速器连接，固定在水平手臂支撑板的一端，实现末端操纵器的旋转。主要结构件设计设计的机器人主要结构包括旋转平台、滚珠丝杠、中间连接器、和外包装。2旋转平台结构旋转平台是腰部旋转的实现的根底，一般要求有足够的稳定性，结构要求便于装修。它将基座和上方的运动机构连接起来，承载运动机构的重量，旋转平台的设计对于机器人的平衡性有很大影响。 旋转平台结构如下列图所示，1〕套筒2〕PX85减速器3〕向心圆柱滚柱轴承4〕内支撑套5〕外支撑套6〕加强筋7〕传动法兰盘8〕固定套筒9〕固定垫片10〕止推轴承图2.5旋转平台结构图内支撑套支撑机身重量，外支撑套带动腰部转动。内支撑套和外支撑套间的连接通过两个轴承实现：止推轴承承受整个机身的重力，向心圆柱滚柱轴承起到防止机构径向力失衡的作用。传动法兰盘用螺栓连接在外支撑套上，其内圈有键槽，配合减速器输出轴，输出轴转动，带动法兰盘和外支撑套转动。减速器用螺栓连接至内支撑套上，输出轴伸出，旋上螺母，压紧内外支撑套,实现腰部的轴向固定。2滚珠丝杠结构滚珠丝杠结构实现了手臂的上下和前后平移，结构如下图：图2.6滚珠丝杠机构丝杠安装采用两端支撑方式，两端各装有一个角接触球轴承(22-8-7,32-15-9)，轴承由其两端的轴承座固定，轴承座安装应使丝杠轴线与支撑板平行。轴承座自行设计，其三维模型如下列图：图2.7轴承座导轨为滚珠丝杠结构提供了足够的支撑力。导轨首先选择滚珠型直线导轨，主要考虑其轨宽和轨长，滑块主要是确定类型和数量。导轨选择轨宽15mm，轨长根据工作行程需求选择600mm。滑块选择四方型滑块，其结构及总体尺寸如下列图所示：图2.8四方型滑块由于支撑板是主要承载部件，需要校核支撑板的受压稳定性。分析支撑板受力，支撑板可以看作下端固定上端自由的压杆，压力为机身的重力，作用点在机身的中心位置，如下列图所示：图2.9支撑板压杆模型临界压力的公式为(1)式中：Fcr是临界压力；E是支撑板材料45钢的弹性模量，一般是196-216GPa；I是支撑板的惯性矩，可由三维模型的质量属性得到，40067kg·mm2；μ是长度系数，对于一端固定一端自由的情况，μ值为2.1；L是支撑板长度600mm。计算得到，Fcr=4.98×1010N，远大于实际所受重力。2中间连接器〔1〕中间连接器的设计中间连接器是连接水平丝杠和竖直丝杠的装置，它将由竖直丝杠螺母机构旋转而产生的竖直方向的位移，传递给水平丝杠螺母机构，使得手臂能够正常上下移动。中间连接器由两个螺母滑块连接器和一块中间连接板组成，相互之间用内六角螺栓连接，其结构如下列图所示。图2.10中间连接器螺母滑块连接器自行设计，材料选择45钢，其制造工艺流程简单来说是铸造、铣平面、钻孔、攻螺纹。其安装尺寸由上述滚珠丝杠的螺母及滑块位置决定，外形如下列图所示。图2.11螺母滑块连接器图2.12中间连接板 〔2〕中间连接板的强度校核中间连接板主要需校核其与螺栓接触面上的挤压应力，挤压的强度条件是(2)式中：Fbs是挤压力，Abs是挤压面面积，[σbs]是挤压许用应力。由中间连接器的三维模型可知，工作中的连接板与16个螺栓相互接触，螺栓直径3mm，连接板厚度5mm，单个螺栓对连接板的挤压面的面积Abs为15×10-6m2。图2.13连接板受力图总的挤压力F为水平手臂的重力，由Solidworks三维建模，经过测量得到质量m不大于15kg，因此单个螺栓孔受到挤压力为Fbs(3)因此，运算得到挤压许用应力[σbs]≥0.613MPa(4)查表，可知钢材的挤压许用应力[σbs]≈355MPa，远大于最低要求。2外壳设计机器人外壳外形图如下图，其主要作用是滚珠丝杠的防尘，导线线路的排布和整体机型的美观。外壳采用铝合金蒙皮包装，蒙皮厚度为3mm，质量轻。材料塑性好，采用锻压加工工艺，锻压成型。再以钻头打螺栓孔，以便于安装固定。为方便制造，将整体的外壳分成三段，分别制造。外壳及其总体尺寸如下列图所示：图2.14外壳图受载变形校核可简单的由模型模拟机器人的末端受载时的挠度，得到形变偏移值。应用SolidworksSimulation的有限元分析功能，简单分析弯曲变形。根据机器人结构受力情况分析，主要是支撑板、丝杠、导轨等结构同时承载负载重量，因此受载的模型可简化如下列图：图2.15简化的受载模型下端做固定端，右上端的伸出端受向下的负载3kg，及30N的力，材料统一选择合金钢，其弹性模量是2.1×1011N/m2。运行结果为最大位移量0.0392mm，根本满足重复定位精度±0.1mm的要求。详见附录1。第三章传动系统设计传动系统设计主要是传动方式确实定，驱动电机的选择，减速器的选择以及其他辅助传动件的设计与选择。本次设计的机器人平移自由度均采用滚珠丝杠螺母实现，旋转自由度均采用行星齿轮减速器实现。电机的选择有步进电机和交流伺服电机，考虑到步进电机精度缺乏，步进电机加速性能一般，易产生丢步和过冲。所设计的机械手臂起动频率高，要求快速启停，且需到达一定传动精度，因此选择交流伺服电机。腰部旋转采用行星齿轮减速器传动。图3.1腰部减速器减速器输出轴上有键槽，可直接连接在底盘的传动法兰盘上，带动腰部的上平台转动。3.1.1减速器选择因为机器人腰部的旋转相对伺服电机较慢，传动比大，再考虑到机器人腰部尺寸较大，可采用行星齿轮减速器，能实现较大传动比的传动。为减小整个机器人手臂的体积，尽量使机构紧凑，在减速器型号选择方面，均选择弹性齿轮轴套空心输入，实心轴输出方式。〔1〕确定驱动设备所需功率P2：P2=KMgvμ(5)式中：m通过三维实体模型腰部以上旋转局部质量的测量为kg，近似取m≈33kg，加上运行所需末端操纵器和3kg重物，总质量取M=40kg；；g是重力加速度；v是机构运行速度，取2m/s；μ是摩擦系数，μ=0.15。计算得P2。〔2〕确定减速器的传动比i：(6)式中：n1是电机转速，n2是腰部转速。腰部转动最大角速度为ω2=2rad/s，转速n2ω2，伺服电机转速n1=3000r/min，那么i=3000/19.1=157，取i=120，三级传动。〔3〕确定使用系数f1：查减速器技术手册，假设均衡负载下启动次数少，每日工作12小时，f1。〔4〕被驱动设备的扭矩T2：T2=9550×P2/n2(7)式中：P2是驱动设备所需功率，n2是腰部最大转速。计算得T2=70.5N·m。〔5〕减速器输出扭矩T2N：T2N≥T2×f1=88.1N·m(8)根据传动比i、减速器输出扭矩T2N≥88.1N·m，查询减速器技术手册，选择减速器：px-85-120-S，减速器相关技术参数如下表：表3.1腰部减速器技术参数减速器型号减速比i满载效率额定输出扭矩T2N/N·m转动惯量J/(kg·cm2)最大径向力Fr/N最大轴向力Fa/NPX-85-120-S12090％1000.7440420〔6〕减速器径向、轴向力校核：减速器轴在径向不受外力作用，因此不用校核。轴向有紧固螺钉对轴的拉力，考虑到紧固螺钉的作用仅仅是防止机身径向不平衡，所受轴向力很小，轴向力可不用校核。3.1.2伺服电机选择〔1〕电机所需功率P1N：P1N≥K·P2÷η×f1=193.7W(9)式中：K是平安系数，P2是驱动设备所需功率，η是满载效率，f1是设备使用系数。查伺服电机和减速器的技术手册，所选减速器对应电机的安装尺寸为Φ90mm，对应伺服电机功率750W，因此选择电机型号：MSME082G1，相关技术参数见下表：表3.2腰部伺服电机技术参数电机型号功率P/W交流电源/V额定转速n/(r·min-1)最大转速nmax/(r·min-1)额定转矩T/(N·m)最大转矩Tmax/(N·m)转子转动惯量JM/(kg·cm2)MSME082G1750AC20030006000〔2〕伺服电机惯量比校核：估算负载惯量：(10)式中：估算电机和减速器的惯量：(11)计算得：J负载惯量/J电机+减速器=倍<20倍(12)惯量比满足要求。〔3〕伺服电机转矩校核：根据传动比i、减速器输出扭矩T2N≥88.1N·m，可以计算得到伺服电机最小所需的输出扭矩T电机：T电机=T2N÷i÷η≥0.81N·m(13)N·m>T电机，所以转矩满足要求。 传动法兰盘连接PX85行星齿轮减速器和腰部旋转平台，与行星齿轮减速器的输出轴用键连接，与腰部旋转平台用螺栓连接，将行星齿轮减速器的扭矩传递给腰部旋转平台，使腰部旋转运动得以实现。 传动法兰盘的设计图如下：图3.2传动法兰盘竖直平移传动方式选择滚珠螺母丝杠〔图片〕。伺服电机需要安装在顶部，为防止机械手臂自重下滑，伺服电机应带有制动器。滚珠螺母丝杠的丝杠一端连接联轴器，伺服电机输出轴连接联轴器另一端。滚珠丝杠及螺母选择〔1〕选择螺母型号由三维实体所建立的模型，可选择法兰式单螺母，F型，切边六孔。图3.3丝杠螺母〔2〕确定丝杠导程BP由传动关系图可得(14)式中：vmax是工作台最大平移速度1m/s；i是传动比，i=1；nmax是电机最大转速6000r/min，计算可得导程Bp等于10mm。〔3〕确定丝杠公称直径BDμ是摩擦系数0.03；WA是负载质量，可由三维实体建模测量得出WA=20kg；g是重力加速度，计算导向面的摩擦力Fa：Fa=μ·WA×20×9.8=49N(15)因此丝杠旋转需承受的推力F：F=Fa+WAg=676.2N(16)乘以平安系数,得F1=K·F=811.44N(17)查阅该公司提供的产品相关资料，丝杠直径BD=12mm时，丝杠动载荷Ca是，Ca>F1，满足要求。〔4〕确定丝杠长度丝杠总长一般是工作行程、螺母长度、安装长度、连接长度和余量的总和。由所建立的三维实体模型可知丝杠总长为650mm。〔5〕确定滚珠丝杠精度在无特殊要求的情况下，根据一般选取的经验，选用C7标准。C7标准表示选取丝杠精度等级为7级，300mm的丝杠长度上，行程误差不超过0.050mm。〔6〕校核扭矩克服摩擦力Fa，也就是产生所需推力的驱动扭矩T：(18)式中：Bη是进给丝杠的效率，取Bη=。计算可得T=9.75N·mm，远小于伺服电机所能提供的扭矩，所以校验合格。综上，所选择的螺母丝杠技术参数如下表：表3.3丝杠螺母技术参数螺母型号直径BD/mm导程BP/mm丝杠总长度BL/mm丝杠动载荷Ca/KN丝杠质量BW/kg12×10-2F型切边六孔1210650〔1〕伺服电机功率确定估算出伺服电机的最大功率P：P=K(1+μ)WA·gv(19)式中：WA是水平手臂质量，通过三维实体模型建立可得WA=20kg；μ是摩擦系数0.1；v是平移最大速度1m/s；K是平安系数，取K=1.2。计算得P=W，取功率P=400W的交流伺服电机，可选电机型号：MSME042G1，它的有关技术参数如下表：表3.4竖直移动伺服电机技术参数电机型号功率P/W交流电源/V额定转速n/(r·min-1)最大转速nmax/(r·min-1)额定转矩T/(N·m)最大转矩Tmax/(N·m)转子转动惯量JM/(kg·cm2)有无制动器MSME042G1400AC20030006000有〔2〕伺服电机惯量比校核测量丝杠的三维模型，得滚珠丝杠的质量BW，那么负载局部的惯量：JL=JC+JB=JC+1/8·BW×BD2+WA·BP2/(4π2)(20)式中：JC是所选联轴器的惯量，JC=3.2×10-5kg·m2，WA是水平手臂质量，通过三维实体模型建立可得WA=20kg，计算可得JL=1.19×10-4kg·m2。预选电机的惯量JM=0.28×10-4kg·m2，那么惯量比：JL/JM倍<30倍(21)〔3〕伺服电机转矩校核一般伺服电机的运转模式如图：图3.4伺服电机运转模式由最大速度1m/s，移动距离为0.5m，可假设：加速时间ta，匀速时间tb，减速时间td=0.1s，循环时间tc=1.2s。移动转矩Tf：(22)式中：Bη是进给丝杠的效率，取0.96；μ是摩擦系数，取0.1；其他参数可由前面的表格得到，计算上式得TfN·m。加速时转距Ta：(23)式中：JL和JM分别是负载局部的惯量和预选电机的惯量，N是电机最高转速100r/s，计算得Ta=0.956N·m。减速时转矩Td：(24)式中：JL和JM分别是负载局部的惯量和预选电机的惯量，N是电机最高转速100r/s，计算得Td=0.891N·m。因此，最大转矩就是加速时的转矩Ta=0.956N·m，，TaK=1.15N·m<3.8N·m〔400W电机的最大转矩〕。确认有效转矩Trms：(25)乘以K，TrmsKN·m<1.3N·m(400W电机额定转矩)。根据以上计算可知功率750W电机满足转矩和惯量比要求，适合选用。3.2.3联轴器选择：〔1〕选择联轴器首先确定联轴器的力矩TT=T1×K1×K2×K3(26)式中：T1是伺服电机的力矩，选择伺服电机时可在手册上查得，值为1.27N·m；K1、K2、K3是联轴器的工况系数；假定：负载变动较大，K1取，每天运转8h，K2取1.00，每小时启停120次，K3取的条件下，T=3.24N·m，力矩不大，联轴器可初步选择夹紧式联轴器。夹紧式联轴器是一种金属弹性联轴器，轴拆装方便，但正常工作承受的力矩有限，对同轴度要求不是很高，并且该联轴器正反转时的转动特性一致，非常适用于机器人等频繁启停的场合。伺服电机的输出轴径Φ14mm和丝杠的输入轴径Φ10mm，由此选择联轴器型号TS4C-40-1014，如下列图。图3.5铝合金弹性联轴器〔2〕校核力矩查阅企业联轴器产品说明书[9]，TS4C-40-1014型联轴器的拧紧力矩达4N·m，大于联轴器实际工作时所承受的力矩T=3.24N·m，满足实际要求。水平平移传动机构采用滚珠丝杠。螺母水平方向固定不动，转动的丝杠带动整个机械手臂相对于螺母前后平移，实现机械手臂的水平平移。水平平移和竖直平移采用相同的传动方式，运动参数一致，因此丝杠螺母、伺服电机和联轴器选择方法一致，不同在于水平平移不用克服机械手臂的重力，消耗功率减小，因此电机选择的功率有所变动。3滚珠螺母丝杠选择水平平移自由度滚珠丝杠选择同竖直平移，详细技术参数见表3-3。〔1〕伺服电机功率确定估算出伺服电机的最大功率P：P=KμWA·gv(27)式中：WA是水平手臂质量，通过三维实体模型建立可得WA=20kg；μ是摩擦系数0.1；v是平移最大速度1m/s；K是平安系数，取K=1.2。计算得P=24W，取功率P=200W的交流伺服电机，可选电机型号：MSME022G1，它的有关技术参数如下表：表3.5水平移动伺服电机技术参数电机型号功率P/W交流电源/V额定转速n/(r·min-1)最大转速nmax/(r·min-1)额定转矩T/(N·m)最大转矩Tmax/(N·m)转子转动惯量JM/(kg·cm2)MSME022G1200AC20030006000〔2〕伺服电机惯量比校核测量丝杠的三维模型，得滚珠丝杠的质量BW，那么负载局部的惯量：JL=JC+JB=JC+1/8·BW×BD2+WA·BP2/(4π2)(28)式中：JC是所选联轴器的惯量，JC=3.2×10-5kg·m2，WA是水平手臂质量，通过三维实体模型建立可得WA=20kg，计算可得JL=1.19×10-4kg·m2。预选电机的惯量JM=0.14×10-4kg·m2，那么惯量比：JL/JM倍<30倍(29)〔3〕伺服电机转矩校核伺服电机的运转模式同竖直平移的运转模式：加速时间ta，匀速时间tb，减速时间td=0.1s，循环时间tc=1.2s。移动转矩Tf不变，TfN·m。加速时转距Ta：(30)式中：JL和JM分别是负载局部的惯量和预选电机的惯量，N是电机最高转速100r/s，计算得Ta=0.868N·m。减速时转矩Td：(31)式中：JL和JM分别是负载局部的惯量和预选电机的惯量，N是电机最高转速100r/s，计算得Td=0.803N·m。因此，最大转矩就是加速时的转矩Ta=0.868N·m，，TaK=1.04N·m<1.91N·m〔400W电机的最大转矩〕。确认有效转矩Trms：(32)乘以K，TrmsKN·m<0.64N·m(400W电机额定转矩)。根据以上计算可知，惯量比和功率虽然有较大余量，但根据转矩选择200W电机。〔1〕选择联轴器联轴器仍选用夹紧式弹性联轴器，选择方法同上，首先确定联轴器的力矩T：T=T1×K1×K2×K3(33)式中：T1是伺服电机的力矩，选择伺服电机时可在手册上查得，值为0.64N·m；K1、K2、K3是联轴器的工况系数；假定：负载变动较大，K1，每天运转8小时，K2=1.00，每小时启停120次，K3的工况下，T=1.64N·m，伺服电机的输出轴径Φ11mm和丝杠的输入轴径Φ10mm，由此选择联轴器型号TS4C-40-1011。〔2〕校核力矩查阅企业联轴器产品说明书，TS4C-40-1011型联轴器的拧紧力矩达4N·m，大于联轴器实际工作时所承受的最大力矩T=1.64N·m，满足实际要求。末端操纵器由法兰盘连接，需承载3kg重物，伺服电机连接行星齿轮减速器，减速器输出轴直接连接法兰盘，带动法兰盘旋转，如下列图：图3.6末端传动结构图预算法兰盘连同末端操纵器和重物总共10kg。伺服电机和减速器的选择方法同腰部电机和减速器的选择，具体过程不再给出。经估算，选择电机功率100W，电机的相关参数如下表：表3.6末端伺服电机技术参数电机型号功率P/W交流电源/V额定转速n/(r·min-1)最大转速nmax/(r·min-1)额定转矩T/(N·m)最大转矩Tmax/(N·m)转子转动惯量JM/(kg·cm2)MSME012G1100AC200300060000.320.051经估算，减速器选择的型号是PL-50-120-S，相关技术参数如下表：表3.7末端行星减速器技术参数减速器型号减速比i满载效率额定输出扭矩T2N/(N·m)转动惯量J/(kg·cm2)最大径向力Fr/N最大轴向力Fa/NPL-50-120-S12090％100.029440420 PL型减速器如下图：图3.7PL型行星齿轮减速器第四章辅助机构设计4.1导线线路设计 机床等机械导线线路的铺设一般是采用软管或者坦克链等辅助件。坦克链是一般装在机床机械上，用于牵引和保护电缆及软管的，形似坦克链的机械辅助装置。坦克链一般用在往复运动较为频繁的场合，用来牵引和保护导线及软管。坦克链由假设干的坦克链节连接而成，节与节可自由转动，导线在安装和拆卸时，坦克链的节从两侧翻开，方便导线放入。坦克链一节如下图。图4.1坦克链一节 一般在两个连接点之间有电缆连接，并且两点间有相对的往复运动的情况下，考虑使用坦克链。线路简图如下列图所示：1是软管，2、3、4是坦克链条，5是外壳内布线图4.2线路简图所有导线聚集在基座下端，跟基座壳固连。基座下端第一次分流，连接基座内的750W伺服电机。其余通过软管连接到机器人腰部的外壳上，可以随着腰部旋转而弯曲伸缩。自腰部外壳出分流，一局部从机身外壳的卡线槽中走线，连接机器人顶端400W伺服电机，另一局部通过坦克链连接至竖直方向移动的滑块上，同滑块一起上下移动，坦克链上下伸缩移动。水平放置的两个伺服电机分别用坦克链连接至水平移动的滑块上，随滑块一起水平移动伸缩。导线布置在软管和坦克链中，并与软管或者坦克链之间没有相对移动。注意的是，导线在坦克链中最多填满90％的空隙，在软管中最多填满80％的空隙。一般机床等机构刚启动时，要首先确定运动部件在整个机构中的位置，及相对机构机械零点的位置，方才好进行下面的一系列由程序控制的操作。机构零点的设计就是确定机构的机械零点位置，并设计出发开关和连接线路。选择传感器是机构零点设计的主要问题。可供选择的传感器有：光栅传感器、位移传感器、压力传感器、限制开关等。微动开关是一种靠机械外力作用，通断迅速的接点机构，由于其价格廉价，使用广泛，使用可靠，安装方便，因此使用微动开关作为机器人的零点位置开关。其内部结构如下列图所示：图4.3微动开关结构图上图中：1)是操作体，2)是驱动杆，3)是接点间隔，4)是端子，5)是可动片，6)是安装孔，7)是开关外壳。在本次设计的机器人中，操作体是机械手臂上的外壳，外壳前进压上驱动杆，驱动杆传导外力至内部弹簧结构，推动可动接点进行开关动作。微动开关安装位置如下列图表示：1、2、3、4均为微动开关图4.4微动开关安装位置第五章总结与展望圆柱坐标型搬运机器人在工业机器人领域中有非常广泛的应用，这次设计的主要目的是结合实际工业需求，设计一种能够自动搬运工件的工业机器人，该种机器人有四个自由度。总结如下：〔1〕此次设计的任务是利用三维设计软件，完成一种四自由度圆柱坐标型机器人的整体结构设计，并对其进行仿真分析，验证其正确性；〔2〕此次任务完成了以下内容：完成机器人整机设计，包括基座、腰部旋转平台、竖直机身、水平手臂和末端旋转平台的设计；完成对交流伺服电机、行星轮减速器减速、滚珠丝杠等的产品的选型；完成外壳的简单设计，完成机构零点和极限位置的微动开关设计；成机器人三维实体的装配，并绘制出机器人的二维工程图。〔3〕成果有以下几个：三维零件模型图纸假设干、三维机器人装配图一份、二维机器人装配图一份、二维零件图假设干。 由于时间和本人能力有限，这次设毕业计还存在一些缺乏之处，还可以有所提高，展望如下：〔1〕由于时间有限，本次毕业设计没有设计机器人的控制局部，末端控制器的手爪局部也没有设计，实际工程设计中控制系统设计至关重要；〔2〕机器人的传感器设计不丰富，仅设计了零点位置和极限位置的机械式限位开关，如一些位置传感器，速度传感器以及力和触觉传感器都未有设计；〔3〕考虑到线速度要求较高，最大线速度有1m/s，造成选择电机时会有较大的功率余量，机器人底座占用的空间变大，而实际小负载机器人的工程设计中，线速度要求没有1m/s这么高；〔4〕工业机器人传动机构的传动效率是一个比拟重要的参数，在这方面未作考虑，实际工程设计上面需要考虑效率问题；〔5〕机器人外壳设计不完善，未能将机器人内部结构完全包括在内，实际应用中会使用耐高温帆布伸缩套和耐磨帆布软连接，随着机械手臂的运动而伸缩，并且起到封闭作用。参考文献[1]张福学.机器人技术及其应用[M].第1版，北京：电子工业出版社，2000.7~40.[2]马光,申桂英.工业机器人的现状及开展趋势[J].组合机床与自动化加工技术，2002(3):48-51.[3]曹文祥,冯雪梅.工业机器人研究现状及开展趋势[J].机械制造，2023，49(558):41-43.[4]孙学俭,于国辉,周文乔,等.对世界工业机器人开展特点的分析[J].机器技术与应用，2002(3):8-9.[5]韩服善.基于Solidworks2000的圆柱坐标型工业机械手设计[J].起重运输机械，2023〔12〕：42-44.[6]冯晋中.2023年中国工业机器人市场研究报告[R].MIR睿工业,2023.[7]韩建海.工业机器人[M].武汉:华中科技大学出版社，2023:1-19.[8]陆正勇.我国工业机器人企业的机遇与挑战[Z/OL][9]潘丽霞.论工业机器人的开展与应用[J].山西科技，2023，25(3):22-23.[10]河北沧州天硕联轴器.精密联轴器[Z].河北：河北沧州天硕联轴器,2023.[11]珠海松下马达.PanasonicA5系列松下伺服马达使用说明书[Z].广东：珠海松下马达,2000.[12]湖北星星传动设备.伺服减速机样本