毕业设计（论文）-六自由度喷漆机器人设计

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-PAGEII--PAGEII-摘要喷漆是一种劳动强度大、有害人体健康的作业。近年来在喷漆作业中应用机器人已有明显的增加，特别广泛应用于汽车气体、家电产品和各种塑料制品的喷涂作业中。一门跨学科的综合型技术，论述了国内外机器人的应用现状。本文在全面分析和研究了各种机器人机构的基础上，借鉴了它们的一些好的设计方法和设计思想，设计了一种六自由度关节式机器人的操作部件机构。该机构结构简单，尺寸紧凑，重量轻，加工方便。文中详细简述了机器人的组成、分类、自由度、基本形式、技能等基本知识；选择操作机坐标结构形式；工业机器人驱动方式的选择和传动系统的设计；位置检测装置；操作机运动学、动力学问题的求解和执行部件的结构设计；手臂平衡机构的简介。关键词自由度；关节式；位置检测装置AbstractThelacquerisaharmfuloperationofhighlaborintensity.Inrecentlyyears,theapplicationofrobotsinthelacquerisobviouslyincreasing,especiallywidelyusedinthesprayinglacqueroperationofautomobilebodies,householdelectricalappliances,andtheplastics.Aftercarefullyanalyzedandstudyeverykindofstructureofrobots,tooksomegooddesignrulesandtheory,designedthemechanismofoperatingcomponentofthejointrobotwithsixdegreeoffreedom.Themechanismissimpleinstructurecompactinsize,lightinweigh,andeasytomanufacture.Thepaperdescribedindetailthebasicknowledgeoftherobotincomposition,classification,degreeinfreedom,basicformandfunctions;theauthorselectedtheformofthecoordinattructureofoperator,selectedthewayhowtodrivetheindustryrobot.Designthetransmissionsystem,setthepositiondetector,solvedtheproblemofthemoving,thedynamicsoftheoperator,designedthestructureoftheexecutingcomponent,introducedthemechanismofbalancingthearm.Keywordsdegreeoffreedom；joint；positiondetectorPAGEII---PAGEV-目录摘要 =1\*ROMANIAbstract =2\*ROMANII第1章绪论 11.1工业机器人的定义 11.2工业机器人的应用简介 11.3工业机器人的发展趋势 21.3扩大机器人在热加工行业应用 21.3.2提高工业机器人的工作性能 21.3.3发展组合式机器人 31.3.4研制“智能机器人” 31.4工业机器人的基本知识 41.4.1组成 41.4.2分类 51.4.3自由度 51.4.4坐标形式机能 61.5喷漆机器人简介 6第2章总体方案设计 72.1设计参数及要求介绍 72.2部件级总体方案设计 72.3机器人总体布局及其传动原理 92.4总体设计步骤 102.5本章小结 11第3章机器人的本体结构设计 123.1机器人的末端执行器部件 123.2手腕的结构与设计 123.2.1设计要求 133.2.2手腕的结构 133.2.3腕部与小臂连接件结构 133.3手腕的结构与设计 133.3.1设计要求 143.3.2大臂的结构 153.3.3小臂的结构 163.3.4大、小臂连接处的结构 173.4机座的结构 173.4.1腰部主回转部 173.4.2大臂与腰部连接处的局部结构 183.4.3机座外形结构 183.5本章小结 18第4章机器人的平衡系统介绍 194.1小臂平衡系统 194.2大臂平衡系统. 204.3本章小结. 21第5章机器人的内部传感器 225.1机器人的内部传感器介绍 235.2本章小结. 24第6章局部结构的计算及元器件的选择 256.1轴的强度校核 266.1.1求支反力 276.1.2列剪力与弯矩方程式 286.1.3求最大弯矩 296.1.4求最大弯曲正应力 306.2腕部摆动油缸的选择 316.2.1俯仰及旋转用摆动油缸 316.2.2手腕摆动用摆动油缸的选取 326.3滑动油缸的设计计算 326.3.1所需油缸输出力的计算 336.3.2主要几何尺寸的计算 336.3.3油缸性能参数的计算 346.4计算螺栓直径 346.4.1机座外形结构 356.4.2机座外形结构 356.5本章小结 36结论 37致谢 38参考文献 39附录1 39附录2 41-PAGE10--PAGE38-第1章绪论1.1工业机器人的定义机器人的英文词是“Robot”，是捷克斯洛伐特剧作家KarelCapek根据“Robota”和“Robotnik”两词结合而制造出来的，用以表示“用人们的手制造出来的工人”的意思。工业机器人（IndustrialRobot缩写词IR）1960年《美国金属市场》抱首先使用的，但这个概念美国Geoge.C.Devol在1954年申请的专利“程序控制物料传速配置”中提出来的。目前，关于工业机器人，世界各国尚无统一的定义。在我国，从执行动作的部分来说没有什么根本的区别，可以说机械手就一种动作简单、工作程序固定、定位点不能灵活改变的简单的工业机器人。1.2工业机器人的应用简介工业机器人自六十年代初问世以来，发展非常迅速。目前，第二代产品、微型计算机控制、直接伺服电动机驱动的小型工业机器人已经商品化。美国是最早研制和应用工业机器人的国家，早在1967年就定型批量生产了Vnimate1900型机器人，这是Vnimate4000型的前身。1969年美国通用汽车车身的生产自动线。七十年代，美国克莱斯勒汽车公司的32条冲床自动线的448台冲床，全部采用了工业机器人传速工件。日本机器人工业起步虽比美国晚，但发展速度更快，据统计。1982年日本拥有工业机器人共13000余台，生产厂家近200家。此外瑞典、挪威、联邦德国、意大利、苏联等国家也发展十分迅速。工业机器人的主要应用领域时机械加工过程中的上、下料及搬运、配置、焊接（电焊、弧焊）、喷漆、冲压、树脂成型加工以及热处理、锻压等。1.3工业机器人的发展趋势目前工业机器人的应用逐步扩大，技术性能在不段提高。由于发展时间较短，人们对它有一个逐步认识的过程，机器人在技术上还有一个逐步认识完善的过程，其目前发展有以下几个趋势。1.3.1扩大机器人在热加工行业应用目前国内机器人应用在机械工业冷加工作业中的较多，而在铸、焊、热处理等热加工以及装配作业等方面的应用较少。因热加工作业的物件重，形状复杂，环境温度高等，给机器人的设计、制造带来不少困难，这就需要解决技术上的困难，时机器人更好地为热加工作业服务。同时，在其它行业和部门，也将随着工业技术水平的不断提高，而逐步扩大机器人的使用。1.3.2提高工业机器人的工作性能机器人工作性能的优劣，决定着它能否正常地应用于生产中。机器人工作性能中的重复定位精度和工作速度两个指标，是决定机器人能否保质保量地完成操作任务的关键因素。因此要解决好机器人的工作平均性和快速性的要求，除了从解决缓冲定位措施入手外，还应发展满足机器人性能要求、价廉的电液伺服阀，将伺服控制控制系统应用于机器人上。1.3.3发展组合式机器人从机器人本身的特点来说，可变程序的机器人更适应产品改型、设备更新、多品种小批量的要求，但是它的成本高。专用机器人价廉，但适用范围又受到了限制。因此，对一些特殊用途的场合，就需要专门设计，专门加工，这样就提高了产品成本。为了适应应用领域分门别类的要求，可将机器人的结构设计成组合的形式。组合式机器人是将一些通用部件（手臂伸缩部件、升降部件、回转部件和腕部回转、俯仰部件等）根据作业的要求，选择必要的能完成预定机能的单元部件，以基座为基础进行组合，配上与其相适应的控制部分，即成为能完成特殊要求的机器人。它可以简化结构，兼顾了使用上的专用性和设计上的通用性，便于标准化，系列设计和组织专业化生产，有利于提高机器人的质量和降低造价，是一种有发展前途的机器人。1.3.4研制“智能机器人”对于需要人工进行灵巧操作即需要进行判断的工作场合，工业机器人很难代替人的劳动。如在工作过程中出现事故、障碍和情况变化等，机器人不能自动分辨纠正，而只能停机，待人们排除以外故障后才能继续工作。因此，人们对机器人提出了更高的要求，希望使其具有“视觉”“触觉”、等功能，使之对物件进行判断、选择，能连续调节以适应变化的条件，并能进行“手一眼”协调动作。这就需要一个能处理大量信息的计算机，要求人与机器“对话”，进行信息交流。这种带“视觉”、“触觉”反馈的，由于计算机控制的，据有人的部分“智能”的机械装置称为“智能机器人”。所谓“智能”时包括：识别、学习、记忆、分析、判断的功能，而识别功能是通过“视觉”、“触觉”和“听觉”等感觉“器官”以认识对象的。具有感觉功能的机器人，其工作性能是比较完善的，能够准确地夹持任意方位的物件，判断物件质量，越过障碍物进行工作，自动测出夹紧力大小，并能自动调节，适用于从事复杂、精密的操作，如装配作业（国外研制的装配机器人能将活塞状如间隙仅20微米的气缸内），它有着一定的发展前途。智能机器人是一种新兴的技术，对它的研究将涉及到电子技术、控制论、通讯技术、电视技术、空间机构和仿生学等学科。它是当代自动控制技术的一个新兴的领域。随着科学技术的发展，智能机器人将会代替人做更多的作业。1.4工业机器人的基本知识1.4.1组成机器人主要由执行系统、驱动系统、控制系统及位置检测系统组成。各系统之间的关系如图1-1。图1-1机器人的组成1、执行系统包括末端执行器、手腕、手臂和腰部等部件。1、末端执行器：机器人是一种通用性较强的自动化作业设备，末端执行器则是直接执行作业任务的装置。大多数末端执行器的结构和尺寸都是根据其不同作业任务要求来设计的，从而形成了多种多样的结构形式。根据其用途和结构的不同可以分为机械式夹持器、吸附式夹持器和专用工具（如焊枪、喷嘴、电磨头等）三类。它安装在机器人手腕或手臂的机械接口上。多数情况下末端执行器是为特定的用途而专门设计的，但也可以设计成一种实用性较大的多用途末端执行器。2、手腕：是臂部和末端执行器的连接部件，他应具有独立的自由度，为使手部能处于空间的任意方向，玩不应具有回转、上下俯仰和左右摆动三个自由度。3、手臂：是支撑手腕和末端执行器的部件，它分为小臂和大臂两部件，具有两个自由度。4、腰部：是支撑手臂的部件，具有一个回转自由度。腰部也可做成可移式的，具有两或三个自由度5、机座：式机器人的基础部分，机器人执行系统的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。2、驱动系统机器人的驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置。常用的有液压传动，气压传动，电力传动和机械传动等四种形式。3、控制系统有电器控制和射流控制两种，一般常见的为电器控制。它是机器人的重要组成部分，它支配着机器人按规定的程序运动，并记忆人们给予的指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间），同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机器人的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时，即发出警报信号。4、位置检测系统控制机器人执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并于设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度到达设定的位置。1.4.2分类工业机器人的分类如图1-21.4.3自由度自由度是涉及机器人的重要参数。机器人的运动自由度指各运动部件在三维空间相对于固定坐标系缩聚有的独立运动数目。简而言之，即指各运动部件所包含的直线运动、旋转和摆动数。按驱动方式分：液压驱动式机器人、气压驱动式机器人。按适用范围分：专用型机器人、通用型机器人、万能组合型机器人。按用途分：冲压机器人、热处理机器人、装配机器人、喷漆机器人。1.4.4坐标形式工业机器人由四种不同的坐标形式，即直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节式。1.5喷机器人简介喷漆是一种劳动强度大，有害人体健康的作业。近年来在喷漆作业中应用机器人已有明显的增加。喷漆机器人广泛应用于汽车车体、家电产品和各种塑料制品的喷漆作业。与其他用途的工业机器人比较，喷漆机器人在使用环境和动作要求上有如下的特点：1、工作环境包含易爆的喷涂剂蒸汽；2、沿轨迹高速运动，途径各点均为作业点；3、多数和被喷漆件都搭载在传送带上，边移动变喷漆，所以它需要一些特殊性能。最早的喷漆机器人一般为液压驱动方式，它由本体、控制柜、液压系统组成。机器人的机构为六轴多关节型，工作空间大，腰回转采用油缸驱动，手臂也采用油缸驱动。由于腕部不存在其以位形，所以能喷漆形态复杂的工件并具有很高的生产率。第2章总体方案设计2.1设计参数及要求自由度：6运动范围：腰间转、大臂摆动、小臂摆动—90度腕摆动—210度腕俯仰—210度腕旋转—280度最大速度：2m/s腕部最大负荷：15Kg由作业的要求，决定设极为一关节式六自由度、液压传动机器人。这是因为：1、传动的特点：1)结构：元件单位质量传递的功率大，结构简单，布局灵活，便于和其他传动方式连用，易实现远距离操纵和自动控制。2)工作性能：速度、扭矩、功率均可无级调节，能迅速换向和变速，调速范围款，动作快速性好。3)使用维护：元件的自滋润性好，能实现系统的过载保护与保压，使用寿命较长，元件以实现系列化，标准化、通用化。2、关节式坐标形式的优点关节式机器人其手臂的运动类似人的手臂，可作几个方向的转动。它由大臂、小臂和腰部组成，大、小臂之间的连接为肘关节，大臂与腰间的连接为肩关节，手臂的运动系由三个回转运动所组成。它的特点是工作范围大动作灵活，通用性强，能抓取靠近机座的物件，并能绕过机体和工件主机之间的障碍物抓取物件，此为其他型式的机器人不可以比拟的优点。2.1部件级总体方案设计考虑本机器人设计中的作业内容，若大臂、小臂用摆动油缸驱动，出力上较难匹配，而且不利于日后机器人的改型和扩展。而采用图2-1所示机器人的基本结构，出力理想，可以达到较大的运动范围，而且改型容易，便于满足不同场合的要求。图2-1机器人的基本结构大、小臂及腰部运动用滑动油缸实现，其余各自由度均利用摆动油缸来实现要求。1．底座部件：起着稳定、支撑的作用，故需要达到一定的质量和体积。2．腰部部件：固联于底座之上，通过键、轴承等于底座内滑动油缸相连，实现腰部与底部之间90度的相对运动。3．大臂部件：大臂通过轴与腰部相连，以轴心为圆心作90度摆动。大臂的驱动力来自与大臂油缸。4.小臂部件：小臂与大臂通过轴相连，围绕轴心作上下摆动。在大臂垂直于地面时，小臂应能保持水平，且由水平为之下行50度、上行40度；当大臂不与地面成90度时，小臂的运动范围随大臂与地面成角变化。小臂油安装如图2-3。图2-3小臂油缸的安装5.手腕部件:手腕部分有三个自由度，均靠摆动油缸实现。综合动作要求、空间体积、受力情况等各种因素，腕部结构如图2-4图2-4腕部结构6.附属部件：1.弹簧：弹簧作为辅件，对机器人的整体性能会产生十分重要的影响。在大、小臂上安装弹簧，可以是机器人的油缸出力变小，油缸承受负载波动变小，并且机器人变得易于控制。2.拉杆：拉杆可保持机器人大小臂的平衡，使动作平稳，油缸承受波动变小，辅助弹簧更佳发挥作用。2.3机器人总体布局及其传动原理图2-5表示机器人的本体组成、旋转轴的位置、数量、旋转角度范围及传动机构原理。图2-5总体布局及其传动原理2.4总体设计步骤经过前面方案的确定，机器人的主要参数和运动简图如2-6图2-6主要参数和运动简图在设计中：1.明确机器人的工作要求和各项指标参数。2.确定驱动系统的类型3.选定执行元件4.计算、选择各元件5.性能评估以上为最普通的设计步骤，在具体设计中，还要依据情况而定，作出一些合并、修正。在下面几章中将具体说明机器人机械部件的结构与设计。2.5本章小结本章节是此次课题的重点，主要介绍了总体方案的设计和设计参数及要求。关节式坐标形式的优点等，通过本章以确定课题的设计方向与思路。第3章机器人的本体结构设计3.1机器人的末端执行器部件在机器人的手腕或手臂（当末配置手腕时）前短语末端执行器向连结的机械连接界面称机械接口。只要配置相应的末端执行器，机器人即可按作业要求进行不同的操作，结构和功能多种多样的末端执行器增大了机器人的适用范围，因此末端执行器形式繁多。为便于接换。安装不同的末端执行器，需要在其连接界面上配置一个机械接口。这个接口，应保证有足够的连接强度和所需的位置精度、且接换快捷。本次设计采用转接来代替机械接口，转接件的结构如图3-1。这种接口装置可在机器人上迅速更换末端执行器，以满足作业的盖面，通用性强。图3-1转接件的结构3.2手腕的结构与设计手腕时连接手臂和末端执行器的部件，处于机器人的最末端，其功能是在手臂和腰部实现了末端执行器在作业空间的三个位置坐标（自由度）的基础上，在由手腕来实现末端执行器在作业空间的三个姿态（方位）坐标，即实现的旋转自由度。通过机械接口，连接并支撑末端执行器。3.2.1设计要求对手腕设计的要求有：1、由于手腕处于手臂末端，为减轻手臂的载荷，应力求手腕部件的结构紧凑，减少其重置和体积。为此腕部机构的驱动装置多采用分离传动：将驱动器安装爱手臂的后端。2、手腕部件的自由度越多，各关节叫的运动范围越大，其动作的灵活性越高，机器人对作业的适应能力也越强。3、为提高手腕动作的精确性，应提高传动的刚度，应尽量减少机械传动系统中由于间隙产生的反转回差。4、对手腕回转各关节轴上要设置限位开关和机械挡块，以防止关节超限造成事故。3.2.2手腕的结构由于作业要求的不同，手腕的自由度数及其配置也会有不同，在拟定手腕驱动装置的结构方面也有差异，因此手腕的结构形式繁多。在本次设计中采用三个摆动液压缸驱动回转运动的手腕结构。3.2.3腕部与小臂连接结构手腕左右摆动用摆动油缸的支架用螺栓与小臂末端连接，它是将上、下支撑架焊接到方形钢板而成，方形钢板的中间挖去小矩形，用来通过手腕工作所需的油管及电缆。3.3手臂和机座的结构与设计由机器人的动力关节和连接杆等构成的手臂是用来支撑和调整手腕和末端执行器位置的部件。手臂部件一般具有2至3个自由度。包括有驱动装置、传动机构、导向定位装置、支撑连接件和检测元件等。手臂部件自身重量较大，还要承受手臂、末端执行器和工件的重量，以及在运动中产生的动载荷，故其受力情况复杂。手臂一般安装在机座上，机座可以固定的或行走的。3.3.1设计要求对手臂的设计要求有: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。工作空间的形状和大小与手臂的长度、手臂关节的转角范围密切相关。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；如常采用空心的薄壁矩形框体或圆管以提高其弯曲刚度和扭转刚度。减轻自身的重量。空心结构内部可以方便地安置机器人的驱动系统。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载：减少运转的动载荷与冲击，提高手臂运动的响应速度。4.要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。大臂的结构大臂相对腰部有摆角，将摆角用垂直于机座的平面分成左50°右40°，如下图3-2。大臂的两端各与腰部、小臂连接，且这两个连接具有两个摆动自由度图3-2大臂的两端各与腰部、小臂连接由度β1=90°，β2=90°。将大、小臂驱动滑动油缸接头设置在大臂的中间位置，这样既美观也便于加工。此时，就成了腰部与小臂相对大臂的转动范围，两者的运动范围相对大臂是对称的，如图3-3所示。图3-3小臂、腰部运动范围考虑是两转动自由度，两处选用轴孔配合方式，即大臂两端以吊耳的结构用轴与小臂、腰部连接。为节省材料、外观简单，大臂由5毫米厚的钢板焊接而成，剖面近似方形。在大臂两侧装有大臂的平衡弹簧与平衡凸轮，大臂中间贯穿电缆与油管束，将上、下耳片焊接在大臂两端处。这样设计可节省材料、外观简单。另外，在上耳片内侧设置加强条，以加强上耳片的刚度、强度及载荷能力。在耳片与大臂体钢板焊接出阁设置加强角撑，加强焊接强度和耳片的刚度。大臂结构及尺寸如图3-4所示。图3-4大臂的结构3.3.3小臂的结构小臂的两端各与大臂、手腕连接，相对大臂具转动角=90°，小臂的驱动结构简图与小臂相对大臂的运动空间范围已在大臂的初步设计中给出。由总体布局，小臂驱动油缸设置在大臂上，为减轻工作载荷、节省材料，小臂设计成长方形剖面的薄钢板焊接结构，剖面形式如图3-5。在小臂剖面的封闭部分中安装有两根弹簧，剖面的下半部分装有液压伺服阀及系统的油管和电缆这样布置外观也显简单的多。小臂端即与手腕连接部分相对腰部的运动空间范围如图3-6.由运动间范—阴影部分可知，此结构工作空间大，通用性强，能对靠近机座的物件进行工作并能绕过障碍物对物件进行工作，充分说明了此结构的优越性。图3-6小臂端部运动空间范围3.3.4大、小臂连接处的局部结构小臂通过连接轴和滚针轴承与大臂连接，连接轴是以光轴，一段装有反馈电位计，将小臂相对于大臂的摆角反馈到控制系统，其结构剖面图如3-7。图3-7大、小臂连接处的局部结构3.4机座的结构3.4.1腰部主回转部腰部主回转部的大致结构如图3-8.它是由于大臂接连的回转主轴2、（2与7是焊接成一体的），两个轴承5、6，轴承座1，摇臂4以及固定在机座上8的驱动腰部的滑动油缸3等部分组成。油缸3通过摇臂4驱动回转主轴的转动。在摇臂上端A处有反馈电位计。图3-8腰部主回转轴3.4.2大臂与腰部连接处的局部结构大臂通过连接轴和滚动轴承与腰部连接，与大小臂轴处的结构相似。在轴的一端也装有反馈电位计，其结构剖面图如3-9。图3-9大臂与腰部连接处的局部结构3.4.3机座结构机座起着稳定、支撑的作用，故需要达到一定的质量和体积。机座是采用型钢材料的焊接结构，其上装有腰部主回转部，用于实现腰关节的水平回转。在机座上还装有液压伺服阀、滤油器。液压储能器。驱动腰部主回转部的滑动油缸，机座由可卸盖板保护。3.5本章小结本章小结介绍了机器人的本体结构设计，主要是机器人的末端执行器部件：手腕、大臂、小臂。确定了机器人的关节，确定了机器人的形状。第4章机器人的平衡系统介绍垂直关节机器人手臂，一般都需要平衡装置，以减小驱动器的负载和缩短启动时间。机器人所采用的平衡机构有一下几种：配重平衡机构、弹簧平衡机构、活塞推杆平衡机构。本次设计的机器人的小臂采用弹簧平衡方式，大臂采用凸轮—弹簧平衡方式，手腕部分没有设置平衡装置，这种弹簧平衡机构结构简单、造价低、工作可靠、平衡效果好、易维修，因此应用十分广泛。4.1小臂平衡系统图4-1表示了机器人小臂的平衡机构的原理。途中AD为平衡弹簧，采用对称两根安置，DHE为平衡摇臂，OE为平衡拉杆。该机构不能保证小臂所有工作状态下达到平衡，但通过合理选择弹簧刚度系数K、弹簧预变形，能实效臂在某工作范围内接近平衡。图4-1小臂平衡机构主要结构参数：R=140mm，R=1370mm，h=120mm弹簧刚度k=22.74N（两根总刚度）弹簧长度l=960mm弹簧中经D=30mm弹簧丝径d=7.5mm4.2大臂平衡系统图4-2为大臂平衡机构的原理图。图中OH表示大臂，其上D处装有一个小滚轮。AODD是一个铰支于O点的摇臂式平衡凸轮，其外观见图4-3。大臂两侧采用两根平衡弹簧AB，上端固定与平衡凸轮的A点。大臂转动过程中，其上小滚轮D始终紧贴于平衡凸轮的内弧表面。该机构通过凸轮外形（内弧表面）的合理设计，可实现大臂任意位置的平衡，但实际上由于结构与工艺的限制，只能实现大部分工作范围内的平衡。图4-2大臂平衡机构主要结构参数：R=40mm，R=97mm，R=830mm弹簧刚度K=43.59N(两根总刚度)弹簧长度l=524mm弹簧中径D=30mm弹簧丝径d=8mm4.3本章小结本小结主要机器人的平衡系统：大臂平衡系统、小臂平衡系统，使得机器人有平衡性，稳定性。机器人的内部传感器机器人的内部传感器介绍用于检测机器人自身状态的传感器，成为内部传感器。它主要包括位移（位置）传感器，速度与加速度传感器等。位移传感器种类很多，常用的位移传感器总体分为直线位移传感器和角位移传感器。在本次设计中的六个自由度中不包含移动运动副，故设置角位移传感器来检测角位移。角位移传感器主要包括电位计、可调变压器和光电编码器三种。1、电位计式角位移传感器，又称旋转电位计，图—是他的工作原理图。在工作中，输出电压与输入的角位移有很好的线性度，是机器人关节转角的常用测量传感器。2、可变变压器，又称旋转变压器，由两个固定线圈和一个活动铁心组成，大线圈为固定线圈，小线圈位于大线圈内并可转动。当铁心随物件旋转时，两线圈的耦合情况发生改变。如果小线圈供电电压为U=usinwt，则大线圈两端将感应出U=Kusinvsinwt，其中v为两线圈轴线间夹角。为了提高精度常用增加极对数的方法，称为多级旋转变压器。3、光电编码器，又称光电码盘。它是又一个常用角位移传感器。它可采用TTL二进制码提供轴的角度位置。光电编码器一般分为增量式与绝对式两种形式。本次设计选用的WHJ型精密合成碳膜电位器的技术参数机外形尺寸如图5-1图5-1WJH型精密合成碳膜电位器本章小结本章主要介绍用于检测机器人自身状态的传感器，成为内部传感器。它主要包括位移（位置）传感器，速度与加速度传感器等。局部结构的计算及元器件的选择轴的强度校核设大小臂轴所受向下剪切力为F，则小臂所受力为F=-F。以驱动小臂油缸和小臂连接处为基准点分析小臂受力情况如图6-1。图6-1小臂受力分析图其中G1≈60N,G2≈10N,G3≈30N,G4≈600N,G5≈300NGf—为3个伺服阀的有效重力由力矩平衡公式（6-1）Gl+Gl+Gl+Gl+Gl+Gl=Fl（6-1）得：60×（1642+158+150+120+150）+10×（1642+158+150+150）+10×（1642+158+150）+30×（1642+150）+600×870+300×700=150FF=6396.4N故F=-F=6396.4N轴的受力分析如下图6-2。图6-2轴的受力分析图6.1.1求支反力设大臂上耳片给轴的支反分别为R、R（实际上是不均匀密度的力），作用点为A和B。由平衡方程式（6-2）（6-3）：M=0（6-2）得：94×R-121×—+27×—=0解得Ra=Rb=3198.2N列剪力与弯矩方程式由受力分析可知此轴是受对称力的，故只需求出CD及DE两端。1、CD段利用截面法。沿距C点为x的任意截面1-1将轴切开，并以左端研究对象（图6-2b）由平衡方程式（6-4）（6-5）得：（6-4）（6-5）==3.5mm分别求得截面I-I的剪力（6-6）和弯矩（6-7）为（6-6）（6-7）2、DE段沿距C点为的x任意截面II-II将轴切开，取左端为研究对象（图6-2c），由方程式（6-8）（6-9）解得：解得（6-10）（6-11）：Q=2576.3-44.42x²（6-10）M2=-44.42x²-3198.2+54724.7（6-11）3、EF段沿距C点为x的任意截面III-III将轴切开，取左端为研究对象（图6-2d），由平衡方程式（6-12）（6-13）:总和Y=0F/2-Ra+R3=0（6-12）总和Mc=0M3+F/44Dx(X3-X)-F/72Dx(X3-X)=0(6-13)分别求得截面III-III的剪力（6-14）和弯矩（6-15）为Q3=0（6-14）M3=-92747.8（6-15）求最大弯矩对M（6-7）、M（6-1）分别求导，求极值。dM1(x)/dx=-72.68x1(6-16)dM2(x)/dx=-88.84x2-3198.2=0(6-17)故在x=22mm处M（x）有极值Mmax1=17588.56Nmm在x=36mm处M2（x）有极值Mmax1=-117978.82Nmm故Mmax=117978.82Nm6.1.4求最大弯曲正应力横截面上的最大弯曲正应力发生在距中性轴最远的点上。用Y表示最远点至中性轴的距离，则最大弯曲正应力为：在此Ymax=d/2=25mm故：x25=9.62N/mm²已知考虑安全系数的情况下钢的强度为100—120Mpa由于βmax＜＜[βb]，故此轴不仅满足强度要求，而且受力发生很大的变化时也能满足要求。6.2腰部摆动油缸的选择腕部有三个自由度—摆动、俯仰、旋转，此三个自由度都采用摆动油缸实现。摆动油缸是一种输出轴做摆动运动的液压执行元件，突出优点是能使负载直接获得摆动运动，无需任何变速机构，因此已被广泛应用于各个领域。它分为单片式和双叶式两种。1、单叶片示：叶片把工作腔分隔成两腔。当压力油通入其中—腔时，该腔容积增大，叶片旋转。另一腔容积减小，进行排油。通过与叶片相连的输出轴带动负载转动。压力油反向时，叶片反转。结构简单紧凑，轴向尺寸小。安装方便，利于整体布局。机械效率高。最大转角≤310°，工作压力≤21Mpa，输出扭矩≤3500Nm。单叶片摆动缸的输出转矩T=Pb（D²-d²）γx10m³Nm（6-20）其中β—机械效率输出角速度W=4Qx10rad/s（6-21）2、多叶片式：对于多叶片式，两个（或三个）对应腔必须同时通入压力油。两个（或三个）其他腔也同时排由。与单叶片式相比，输出扭矩能增加一倍（或两倍）。输出轴不受径向力，机械效率更高。转角较小，内泄漏较大。容积效率较低。最大转角≤100°，工作压力≤21Mpa，输出扭矩≤83000Nm。双叶片摆动缸的输出转矩T=Pb(D²-d²)βx10³Nm（6-22）输出角速度W=2Qβx10rad/s其中β—体积效率俯仰及旋转用摆动油缸因俯仰角=210°旋转角=280°故选用单叶片系列。选俯仰及旋转用摆动油缸为同一类型号，且安装时两油缸的摆动轴线相垂直。腕部最大负载为15Kg。初选为2.5IIPB280型摆动油缸。其技术参数如下：压力（Mpa）2.5转速（°/s）650转矩（Nm）25质量（Kg）1摆角（°）280°±2设摆动、俯仰、旋转用摆动油缸分别简记为油缸I、II、III,且三个油缸中心在一条水平线上时相互作用力最大。油缸III对II产生的最大转矩T=1×9.8×（82＋84）÷1000=1.215Nm其中82mm—II中心到III近端面距离负载对II产生的最大转矩T=6×9.8×（82＋84＋x）÷1000其中：x—负载重心到III端面的距离。考虑转接件的长度，初取x=120mmT=6×9.8×（82＋84＋120）÷1000=16.817Nm旋转支架对II的最大转矩经由公式m=2.5初算得：m=0.5Kg（两个），m=0.283Kg故T3=2x0.5x9.8x0.027+0.283x9.8x9.8x0.08=0.5Nm油缸II所受转矩T=T+T+T=1.215+16.817+0.5=18.5＜25故油缸II、III的选取合理。手腕摆动用摆动油缸的选取为实现手腕的左右摆动，油缸I、II、III的中心在一条水平线上时，的摆动轴线应与II、III的轴线都垂直。工作中，油缸I不直接受II、III负荷及支架重量引起的水平面上的转矩的影响，只要能将他们摆动就够了。现选2.5IIPB280/06型。其技术参数如下：压力（Mpa）2.5转矩（Nm）25摆角（°）280±2转速（°/s）450质量（Kg）36.3滑动油缸的设计计算在本次设计中采用的滑动油缸的结构如图6-3。其技术参数如下：压力6.3Mpa速度0.3m/s行程210mm缸径50mm活塞杆径25mm小臂、大臂摆动。腰部回转用滑动油缸设计成为同一类，现选小臂驱动油缸为主进行设计与计算。所需油缸输出力的计算设所需由港输出力为F，小臂受力分析如图6-4。图6-4小臂受力分析由力矩平衡方程（6-24）：G负l负+G3l3+G2l2+G1l1+G0l0+Gflf+GFlF=Fl（6-24）60x(1642+158+150+120)+10x（1642+158+150）+10x（1642+158）+30x1642+600x720+300x550=150FF=5386.4N6.3.2主要几何尺寸的计算1、油缸内径D的计算根据载荷力的大小和选定的系统压力来计算DD=3.57x10²F（m）其中F-液压缸推力（KN）,现取所需工作压力F=6628.4N;P-选定的工作压力（Mpa），取P=6.3Mpa，则D=3.57x10x5.3864=33.0mm再考虑的灵活性和安全起见，取D=50mm。2、塞杆直径d的计算根据速度臂的要求来计算活塞杆直径d为速度臂，油缸的往复运动速度比一般有2,1.46,1.33,1.25和1.15等几种，一般推荐1-D²，现取=1.33，1.25和1.15等几种，一般推荐β＜1.61，现取β=1.33则D=24.9mm按GB/T2349活塞杆外径尺寸系列圆整得d=25mm3、油缸行程S的确定油缸行程S主要依据机构的运动要求而定。如图6-5，大臂在两极限位置时的油缸总长分别记为l1l2。其中L3=OO²+OA²=470²+150²=493.35mmA=tg-1=17.7°图6-5油缸行程分析图在三角形ABC中运用余弦定理l1=BC=AB²+AC²-2xABxACcosCABDAB=122.3°在三角形ABD中运用余弦定理l2=BD=AB²+AD²-2xABxADcosDAB=587.35mm故油缸行程S=l2—l1=587.35-375.2=212.15=210mm油缸性能参数的计算1、油缸的输出力F本次设计的为单杆活塞式液压缸，采用耳环型安装方式。由表37.761，查得当D=50mm，P=6.3Mpa，时液压缸的输出拉力F=9.28KN。2、油缸的储油量V油缸的储油量V为V=AS式中A—油缸的作用面积，S—油缸的行程，210mm则V=1962.5×210=412125mm³≈41.2L计算螺栓直径计算手腕摆动用摆动油缸支架与腕部连接用螺栓直径d，是由校核螺栓强度来确定。6.4.1分析螺栓组连接的载荷对支架来说，三个摆动油缸中心在一条水平线上时所受力矩最大，且为倾覆力矩。M=M1+M2+M3+M负+M架M1=3x9.8x0.096=2.822NmM2=1x9.8x0.254=2.489NmM3=1x9.8x（0.366+0.0084）=3.9984NmM负=6x9.8x0.55=32.3（0.5x0.29+0.283x0.336+0.758x0.238+0.528x0.156+0.448x0.2+1.601x0.0625）=6.786Nm转接件、三个电位计及电位计保护盖产生的力矩约计为3Nm，则M=2.822+2.489+3.998+32.34+6.786+3=43.124Nm计算力最大的螺栓承受的工作载荷F螺栓数目Z=4，对称布置，且所受力矩最大时油缸1、2、3的重心与支架中心在一条水平线上，故M使每个螺栓所受的工作载荷均等，其值为F=ML/ZL²=43.124x0.068/4x0.068²=158.546N（6-28）腕部总体质量G不直接引起轴向工作载荷。本章小结本章主要介绍局部结构的计算及元器件的选择：轴的强度校核、腕部摆动油缸的选择、滑动油缸的设计计算、计算螺栓直径等。结论本文通过对各种机器人机构的分析研究，提出了一种较具有使用价值的六自由度关节式机器人机构，综合起来，它具有以下特点：1.结构简单，尺寸紧凑，重量轻。大量采用低碳钢焊接结构，如复杂外形的支架，耳片接头均采用焊接件，节省材料，加工方便。多数转动部位采用滚针轴承，轴向不加挡圈，尺寸小构造简单。小臂与大臂的驱动油缸安置在一侧，使用向尺寸小，结构紧凑。系统采用弹簧式平衡，结构简单重量轻。2.机器人的手腕抓重可达15Kg，在相同等级的机器人中，其抓重较大；工作范围也较大，因此工作的适应性较广。3.平衡系统设计具有特点，小臂能在常用-30°工作范围内保持平衡；大臂采用弹簧一凸轮外形的选择，使大臂大部分工作范围内达到平衡。4.该机加工比较粗糙，重复定位精度较低。初步证明，这种机器人机构是可行的。致谢四年短暂紧张的学习生活即将结束了，我之所以能如期完成毕业论文，应忠心感谢罗建伟老师的精心指导和热情帮助。在课题的进行过程中、在论文撰写过程中、罗建伟老师给了我极大的帮助和教导，导师严谨的治学态度、高尚的品德、敏锐的思维、扎实的专业功底，让我终身难忘。感谢各位学者，本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。感谢我的同学和朋友，在我论文的写作过程中给予我的素材，还在论文的排版和撰写中提供热情的帮助。参考文献1刘文剑..工业机器人设计与应用。黑龙江省科学技术出版社，1990（10）2中英昌著。郑春瑞译.机器人.科学技术文献出版社，1986:423孟繁化.机器人应用技术.1968.6：34[日]牧野洋[中]谢存稀。空间机构及机器人学。1987.10：235王知行，刘延荣。机械原理。高等教育出版社，1999，（1）：6王连明，陈铁鸣。机械设计，哈尔滨工业大学出版社，1998.7单成禅。传感器的理论与设计原理及应用。国防工业出版社，1999：8[美]付京逊R.C冈萨雷斯CS.G李.机器人学控制传感技术视觉智能.1989.10：69赵九江，张少实，王春香。材料力学。哈尔滨工业大学出版社，199810贾铭新，曹诚明。液压传动与控制。哈尔滨工程大学出版社，1995，11徐颌。机械设计手册。机械工业出版社。199212姚智慧，张广玉，侯珍秀。现代机械制造技术。哈尔滨工业大学出版社，2000，（2）13《DevelopmentofaHighPerformanceMCUs-ControlledDirectCurrentPowerSupplyPanel》.出版商IEEE,2010:124-14814GuiyunTian《FoumdationandApplicationpfMicrocontroller》.高等教育出版社,2009:43—117附录1有许多关于机器人这个术语的定义。采用不同的定义，全世界各地机器人的数量就会发生很大的变化。在制造工厂中使用的许多单用途机器人可能会看起来就像机器人。这些机器是硬连线的，不能通过重新编程的方式去完成不同的工作。这种单用途的机器不能满足被人们日益广泛接受的关于工业机器人的定义。这个定义是由美国机器人协会提出的：机器人是一个可以改编程序的多功能操作器，被设计用来按照预先编制的能够完成多种作业的运动程序运送材料、零件、工具或者专用设备。注意在这个定义中包含有“可以改编程序”和“多功能”这两个词。正是这两个词将真正的机器人与现代制造工厂中使用的单一用途的机器区分开来。“可以改编程序”这个术语意味着两件事：机器人根据编写的程序工作，以及可以通过重新编写程序来适应不同种类的制造工作的需要。“多功能”这个词意味着机器人能通过编程和使用不同的末端执行机构，来完成不同的制造工作，围绕着这两个关键特征所撰写的定义正在变成为制造业的专业人员所接受的定义。第一个带有活动关节的手臂于1951年被研制出来，由美国原子能委员会使用。在1954年，第一个可以编程的机器人由乔治·狄弗设计出来的。它基于下面两项重要技术：1字控制（NC）技术2程操作技术数字控制技术提供了一种非常适合与机器人的机器控制技术。它可以通过储存的程序对运动进行控制。这些程序包含机器人进行顺序运动的数据，开始运动和停止运动的时间控制信号，以及做出决定所需要的逻辑语句。远程操作器技术使得一台机器的性能超出一台数控机器。它可以使这种机器能够在不容易进入和不安全的环境中完成各种制造任务。通过融合了上述两项技术，狄弗研制出来第一个机器人，它是一个不复杂的，可以编程的物料运送机器人。第一台商业化生产的机器人在1959年研制成功。通用汽车公司在1962年安装了第一台用于生产线上的工业机器人，它是尤尼梅森公司生产的。在1973年，辛辛那体·米兰克朗公司研制出T-3工业机器人，在机器人的控制方面取得了较大的进展。T-3机器人是第一台商业化生产的采用计算机控制的机器人。数字控制技术和远程造作技术推动了大范围的机器人研制和应用。但是主要的技术进步并不仅仅是由于这些新的应用能力而产生的，而是必须由利用这些能力所得到的效益来提供动力。就工业机器人而言，这个动力是经济性的。在20世纪70年代中，工资的快速增长大大增加了制造业的企业中的人工费用。与此同时，来自国外的竞争成为美国制造业所面临的一个严峻的考验。诸如日本等外国的制造厂家在广泛地应用了自动化技术之后，其工业产品，特别是汽车，在美国和世界市场中占据了日益增大的份额。通过采用包括机器人在内的各种自动化技术，从70年代开始，日本的制造厂家能够比没有采用自动化技术的美国制造厂家更好的和更便宜的汽车。随后，为了生存，美国制造厂家被迫考虑采用任何能够提高生产率的技术。为了国外制造厂家进行竞争，必须以比较低的成本，生产出更好的产品。其他的因素，诸如寻找能够更好地完成带有危险性的制造工作的方式也促进了工业机器人的发展。但是，抓哟的理由一直是，而且现在仍然是提高生产率。机器人的一个主要优点是它们可以在对于人类来说是危险的位置上工作。采用机器人进行焊接和切断工作是比由人工来完成这些工作更安全的例子。尽管机器人与工作地点的安全密切相关，它们本身也可能是危险的。应该仔细地设计和配置机器人和机器人单元，使它们不会伤害人类和其他机器。应该精确地计算出机器人的工作范围，并且在这个范围的四周清楚地标出危险区域。可以采用地面上的红色带子和障碍物以阻止工人进入机器人的工作范围。机器人系统的组成部分可以从物质的观点也可以从系统的观点来讨论机器人系统的组成部分。从物质上看，我们可以将系统分成机器人、电源系统和控制器（计算机）。机器人本身可以像人一样分为基座、肩、肘、腕、抓握器和工具。这些术语中的大部分不需要任何解释。因此，我们将依照信息转换的观点来描述机器人的组成部分，这个组成部分进行何种逻辑或者算术运算，这个组成部分可以完成许多不同的信息处理工作（例如，中心计算机可以根据不同的数据进行许多不同种类的计算），这一点是很重要的。与之相似，在结构上分开的两个组成部分可以进行相同的信息操作（例如，肩部和肘部的执行机构用非常相似的方式将信息转成运动）。执行机构执行机构与机器人的每个关节相连，并且驱动这个关节进运动。电动机和液压机和液压油缸是典型的实行机构。由于对位置和方向进行安全控制需要六个变量，通常一个机器人系统需要六个执行机构。在实际应用中，许多机器人并不需要具有这种完全的灵活性，因此，机器人通常只有五个或更少的执行机构。传感器为了控制执行机构，计算机内必须有关于执行机构位置的信息，还可能有执行机构速度的信息。这里所说的位置是执行机构相对任意参考点的位移。例如在旋转机构中，“位置”为角度的位置，并且采用弧度为单位来对其进行度量。许多种类的传感器能够表示位置和速度。各种传感器需要有不同的机构作为它与计算机之间的连接装置。此外，操纵型机器人在工业中的应用要求对这种连接装置加以保护，使其免受工厂中的恶劣电气环境的影响。如果在设计和制作时没有认真考虑对数字系统的连接装置加以保护，诸如电弧焊机和大电机所产生的电气噪声源可以很容易地使这个数字系统失去作用。计算部分我们可以容易地将甲酸模块称为计算机，这是因为我们将要描述的大部分功能通常是由数字计算机完成的。然而，许多功能也可以由专用的硬件或者计算机网络来完成。应该认识到在要求进行实时控制时，可能需要专门的设备，尽管目前的趋势是向着全数字化发展，这个设备的某些部位甚至还可能采用模拟方式。在这里我们将把计算部分当做一个简单的计算机来讨论。进一步的说明：尽管机器人制造厂家目前在他们的系统中使用一个或者几个微处理器，在本书中我们避免使用微处理器这个术语，简单地将其称之为计算机。计算部分可以完成下述工作：伺服已知执行机构当前的位置和速度，确定使执行机构向着它预定的位置的驱动信号。对于每一个执行机构都需要进行这种控制。运动学已知执行机构目前的状态（位置和速度），确定抓握器目前的状态。相反地，已知手的一个期望状态，确定每一个执行机构的期望状态。动力学已知机器人臂的负载信息（惯量、摩擦、重力、加速度），利用这种信息对伺服机构进行控制，以取得更好的工作特性。在工作地点进行传感器信息分析已知需要完成的任务的信息，确定适当的机器人运动指令。这可能会包括对工作场所的电视图像的分析，或者对手部施加的力的测量和补偿。除了这些容易确定的组成部分，还有一些监督管理工作，例如轨迹设计和操作者的干涉。附录2英文参考资料Thecomponentsofarobotsystemcouldbediscussedeitherfromaphysicalpointofview.orfromapoint.Physically,wewoulddividethesystemintotherobot,powersystem,andcontroller(computer)Likewise,therobotitself.couldbepartitionedanthropomrphicallyintobase,shoulder,elbow,wrist,gripperandtool.Mostofthesetermsrequirelittle.explanation.Consequently,wewilldescribethecomponentsofarobotsystemform.Thepointofviewofinformationtransfer.Thatiswhatorinformationsignalthecomponentsofa"computer".Itsfunctionisnotpredefinedbutdependsontheprogramthatitexecutes.Amicrocontrollernecessarilycomprisesaprocessorcoreincludingacommandsequencer(whichisadevicedistributingvariouscontrolsignalstotheinstructionsofaprogram),anarithmeticandlogicunit(forprocessingthedata)andregisters(whicharespecializedmemoryunits).Theothercomponentsofthe"computer"canbeeitherinternalorexternaltothemicrocontroller,however.Inotherwords,theothercomponentsareintegratedintoeitherthemicrocontrollerorauxiliarycircuits.Theseothercomponentsofthe"computer"aredataprocessingandstoragedevices,forexamplereadonlyorrandomaccessmemorycontainingtheprogramtobeexecuted,clocksandinterfaces(serialorparallel).Asageneralrule,asystembasedonamicrocontrollerthereforecomprisesamicrochipcontainingthemicrocontroller,andapluralityofmicrochipscontainingtheexternaldataprocessingandstoragedeviceswhicharenotintegratedintothemicrocontroller.Amicrocontroller-basedsystemofthiskindcomprises,forexample,oneormoreprintedcircuitboardsonwhichthemicrocontrollerandtheothercomponentsaremounted.Itistheapplicationprogram,theprogramwhichisexecutedbythemicrocontroller,whichdeterminestheoveralloperationofthemicrocontrollersystem.Eachapplicationprogramisthereforespecifictoaseparateapplication.Inmostcurrentapplicationstheapplicationprogramistoolargetobeheldinthemicrocontrollerandisthereforestor