1502-三自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人設計

1502-三自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人設計,自由度,圓柱,坐標,工業(yè),機器人,設計 三自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人- 1 -本設計已經通過答辯，如果需要圖紙請聯系 QQ 251133408 另專業(yè)團隊代做畢業(yè)設計，質量速度有保證。 目錄目錄 1 中文摘要 2Abstract 2第 1 章 緒論 3第 2 章 工業(yè)機器人的總體設計 32.1 工業(yè)機器人的組成及各部分關系概述 3 2.2 工業(yè)機器人的設計分析 42.2.1 設計要求 52.2.2 總體方案擬定 52.2.3 工業(yè)機器人的主要技術參數 5第 3 章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)設計 63.1 工業(yè)機器人的運動系統(tǒng)分析 63.1.1 機器人的運動概述 63.1.2 機器人的運動過程分析 73.2 工業(yè)機器人的執(zhí)行機構設計 83.2.1 末端執(zhí)行機構設計 83.2.2 手臂機構設計 113.2.3 腰部和基座設計 123.3 工業(yè)機器人的機械傳動裝置設計 183.3.1 滾珠絲杠的選擇 183.3.2 諧波齒輪的選擇 193.3.3 聯軸器的選擇 20第 4 章 工業(yè)機器人的計算機控制系統(tǒng)概述 204.1 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的特點及對控制功能的基本要求 214.2 計算機控制系統(tǒng)的設計方案 224.3 硬件電路的組成 22第 5 章 工業(yè)機器人運行時應采取的安全措施 225.1 安全要求 225.2 實施方法 23鳴謝 23參考文獻 24三自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人- 2 -中文摘要在工業(yè)上，自動控制系統(tǒng)有著廣泛的應用，如工業(yè)自動化機床控制，計算機系統(tǒng)，機器人等。而工業(yè)機器人是相對較新的電子設備，它正開始改變現代化工業(yè)面貌。本設計為三自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人，其工作方向為兩個直線方向和一個旋轉方向。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,本文是對整個設計工作較全面的介紹和總結。關鍵詞：三自由度，圓柱坐標，工業(yè)機器人AbstractIndustrially, automatic control systems are found in numerous applications, such as automation machine tool control, computer systems and robotics. 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.Key words ：three degrees of freedom, cylindrical, Industrial robot三自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人- 3 -三自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人設計專業(yè)：機械設計制造及其自動化，學號：2001121622，姓名：劉建軍指導老師：李作全第一章 緒論機器人工程是近二十多年來迅速發(fā)展起來的綜合學科。它集中了機械工程、電子工程、計算機工程、自動控制工程以及人工智能等多種學科的最新研究成果，是當代科學技術發(fā)展最活躍的領域之一，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)機器人的研究、制造和應用水平，是一個國家科技水平和經濟實力的象征，正受到許多國家的廣泛重視。目前，工業(yè)機器人的定義，世界各國尚未統(tǒng)一，分類也不盡相同。最近聯合國國際標準化組織采納了美國機器人協會給工業(yè)機器人下的定義：工業(yè)機器人是一種可重復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，主要用于搬運材料，傳遞工件。參考國外的定義，結合我國的習慣用語，對工業(yè)機器人作如下定義：工業(yè)機器人是一種機體獨立，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。工業(yè)機器人以剛性高的手臂為主體，與人相比，可以有更快的運動速度，可以搬運更重的東西，而且定位精度相當高，它可以根據外部來的信號，自動進行各種操作。工業(yè)機器人的發(fā)展，由簡單到復雜，由初級到高級逐步完善，它的發(fā)展過程可分為三代：第一代工業(yè)機器人就是目前工業(yè)中大量使用的示教再現型工業(yè)機器人，它主要由手部、臂部、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。它的控制方式比較簡單，應用在線編程，即通過示教存貯信息，工作時讀出這些信息，向執(zhí)行機構發(fā)出指令，執(zhí)行機構按指令再現示教的操作。第二代機器人是帶感覺的機器人。它具有尋力覺、觸覺、視覺等進行反饋的能力。其控制方式較第一代工業(yè)機器人要復雜得多，這種機器人從 1980 年開始進入了實用階段，不久即將普及應用。第三代工業(yè)機器人即智能機器人。這種機器人除了具有觸覺、視覺等功能外，還能夠根據人給出的指令認識自身和周圍的環(huán)境，識別對象的有無及其狀態(tài)，再根據這一識別自動選擇程序進行操作，完成規(guī)定的任務。并且能跟蹤工作對象的變化，具有適應工作環(huán)境的功能。這種機器人還處于研制階段，尚未大量投入工業(yè)應用。三自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人- 4 -第 2 章 工業(yè)機器人的總體設計2.1 工業(yè)機器人的組成及各部分關系概述圖 2-1 工業(yè)機器人的組成圖它主要由機械系統(tǒng)(執(zhí)行系統(tǒng)、驅動系統(tǒng) )、控制檢測系統(tǒng)及智能系統(tǒng)組成。A、 執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機器人完成抓取工件，實現各種運動所必需的機械部件，它包括手部、腕部、機身等。（1） 手部：又稱手爪或抓取機構，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荷，并把它傳遞到預定的位置。（4） 機身：是支承手臂的部件，其作用是帶動臂部自轉、升降或俯仰運動。B、 驅動系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力，并驅動其動力的裝置。常用的機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電傳動。C、 控制系統(tǒng)：通過對驅動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進行工作，當發(fā)生錯誤或故障時發(fā)出報警信號。D、 檢測系統(tǒng)：作用是通過各種檢測裝置、傳感裝置檢測執(zhí)行機構的運動情況，根據需要反饋給控制系統(tǒng)，與設定進行比較，以保證運動符合要求。三自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人- 5 -圖 2-2 各部分關系圖2.2 工業(yè)機器人的設計分析2.2.1 設計要求綜合運用所學知識,搜集有關資料獨立完成三自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人操作機和驅動單元的設計工作。原始數據：自動線上有，兩條輸送帶之間距離為 1.5m，需設計工業(yè)機器人將一零件從 A 帶送到 B 帶。零件尺寸：內孔 100，壁厚 10，高 100。零件材料：45 鋼。2.2.2 總體方案擬定 在工業(yè)機器人的諸多功能中，抓取和移動是最主要的功能。這兩項功能實現的技術基礎是精巧的機械結構設計和良好的伺服控制驅動。本次設計就是在這一思維下展開的。根據設計內容和需求確定圓柱坐標型工業(yè)機器人，利用步進電機驅動和諧波齒輪傳動來實現機器人的旋轉運動；利用另一臺步進電機驅動滾珠絲杠旋轉，從而使與滾珠絲杠螺母副固連在一起的手臂實現上下運動；考慮到本設計中的機器人工作范圍不大，故利用液壓缸驅動實現手臂的伸縮運動；末端夾持器則采用內撐連桿杠桿式夾持器，用小型液壓缸驅動夾緊。圖 2-3 機器人外形圖2.2.3工業(yè)機器人主要技術性能參數三自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人- 6 -工業(yè)機器人的技術參數是說明其規(guī)格和性能的具體指標。主要技術參數有如下：A、 抓取重量：抓取重量是用來表明機器人負荷能力的技術參數，這是一項主要參數。這項參數與機器人的運動速度有關，一般是指在正常速度下所抓取的重量。B、 抓取工件的極限尺寸：抓取工件的極限尺寸是用來表明機器人抓取功能的技術參數，它是設計手部的基礎。C、 坐標形式和自由度：說明機器人機身、手部、腕部等共有的自由度數及它們組成的坐標系特征。D、 運動行程范圍：指執(zhí)行機構直線移動距離或回轉角度的范圍，即各運動自由度的運動量。根據運動行程范圍和坐標形式就可確定機器人的工作范圍。E、 運動速度：是反映機器人性能的重要參數。通常所指的運動速度是機器人的最大運動速度。它與抓取重量、定位精度等參數密切有關，互相影響。目前，國內外機器人的最大直線移動速度為 1000mm/s 左右，一般為 200400mm/s；回轉速度最大為180/s，一般為 50/s。F、 定位精度和重復定位精度：定位精度和重復定位精度是衡量機器人工作質量的一項重要指標。G、 編程方式和存儲容量。本設計中的三自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人的有關技術參數見表 1-1。表 1-1機械手類型 三自由度圓柱坐標型抓取重量 2.69Kg自由度 3 個（1 個回轉 2 個移動）機座 長 120mm，回轉運動，回轉角 180，步進電機驅動 單片機控制腰部機構 長 680mm，伸縮運動，升降范圍 450mm，步進電機驅動 單片機控制手臂機構 長 826mm，伸縮運動，伸縮范圍 50mm，液壓缸驅動 行程開關控制末端執(zhí)行器 液壓缸驅動 行程開關控制第 3 章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)設計3.1 工業(yè)機器人的運動系統(tǒng)分析3.1.1 機器人的運動概述工業(yè)機器人的運動，可從工業(yè)機器人的自由度，工作空間和機械結構類型等三方面來討論。三自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人- 7 -如圖 2-1 所示，為工業(yè)機器人機構的簡圖。圖 3-1 機構簡圖a工業(yè)機器人的運動自由度所謂機器人的運動自由度是指確定一個機器人操作位置時所需要的獨立運動參數的數目，它是表示機器人動作靈活程度的參數。本設計的工業(yè)機器人具有四轉動副和移動副兩種運動副，具有手臂伸降，旋轉，前后往復三自由度。b機器人的工作空間和機械結構類型（1）工作空間 工作空間是指機器人正常運行時，手部參考點能在空間活動的最大范圍，是機器人的主要技術參數，工作空間圖如圖 3-2。圖 3-2 工作空間圖（2）機械結構類型圓柱坐標型為本設計所采用方案，這種運動形式是通過一個轉動，兩個移動，共三個自由度組成的運動系統(tǒng)（代號 RPP） ，工作空間圖形為圓柱形。它與直角坐標型比較，在相同的工作條件下，機體占體積小，而運動范圍大。3.1.2 機器人的運動過程分析三自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人- 8 -工業(yè)機器人的運動過程中各動作如圖 3-3 和表 3-1。圖 3-3 表 3-1機器人開機，處于 A 位 工步一手臂上升 工步二，工步七，工步十三旋轉至 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，工步十四旋轉至 C 位 工步九放松工件 工步十二實現運動過程中的各工步是由工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)和各種檢測原件來實現的，這里尤其要強調的是機器人對工件的定位夾緊的準確性，這是本次設計成敗之關鍵所在。3.2 工業(yè)機器人的執(zhí)行機構設計3.2.1 末端執(zhí)行機構設計工業(yè)機器人的末端執(zhí)行機構設計是用來抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、準確和牢靠程度都將直接影響到工業(yè)機械手的工作性能，它是工業(yè)機械手的關鍵部件之一。3.2.1.1 設計時要注意的問題：a. 末端執(zhí)行機構應有足夠的夾緊力，為使手指牢靠的夾緊工件，除考慮夾持工件的重力外，還應考慮工件在傳送過程中的動載荷。b. 末端執(zhí)行機構應有一定的開閉范圍。其大小不僅與工件的尺寸有關，而且應注意手部接近工件的運動路線及其方位的影響。三自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人- 9 -c. 應能保證工件在末端執(zhí)行機構內準確定位。d. 結構盡量緊湊重量輕，以利于腕部和臂部的結構設計。e. 根據應用條件考慮通用性。3.2.1.2 總體結構設計采用內撐連桿杠桿式夾持器，用小型液壓缸驅動夾緊，它的結構形式如圖 2-4。內撐連桿杠桿式夾持器采用四連桿機構傳遞撐緊力，即當液壓缸 1 工作時，推動推桿 2 向下運動，使兩鉗爪 3 向外撐開，從而帶動彈性爪 4 夾緊工件。該種夾持器多用于內孔薄壁零件的夾持。圖 3-4 末端執(zhí)行器3.2.1.3 液壓油缸的選擇和夾緊力的校驗a 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-C40/2225LF2HL1Q，它的主要技術參數如表 2-2。表 3-2 冶金設備標準液壓油技術規(guī)格活塞桿直徑 /mm 油口直徑速度比缸 徑/mm1.46 2通徑/mm聯接螺紋40 22 28 10 M18x1.5b 夾緊力校驗1）零件的計算三自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人- 10 -2239().1460514078.826.4()1VRrhmvGgN其中 g 取 9.8. 取 G=27（N）2） 緊力的計算：要夾持住零件必須滿足條件： Gf2f 為手指與工件的靜摩擦系數，工件材料為 45 號鋼，手指為鋼材，查機械零件手冊 表 2-5 f=0.15，N 為作用在零件內壁上壓緊力，G 為零件重力。所以 取 N=100（N）)(9015.27f由機械制造裝備式 4-60 可知驅動力的計算公式為： /()Pbtgc為斜面傾角， ， 為傳動機構的效率，這里為平摩擦傳動，o3查機械零件手冊表 2-2 這里取 0.85, 92.085b=77.5mm,c=29mm。取 p=500(N).4.171052tg按液壓傳動與氣壓傳動公式 4-15 mPDF42D 為汽缸的內徑(m)，P 為工作壓力（Pa）,由液壓傳動與氣壓傳動表 9-1負載 F/N 50000工作壓力 p/MPa 57取 p=0.5MPa。由液壓系統(tǒng)設計可查得： =0.90.95, 所以mNPDF 569.015.4)0(.346232 由以上計算可知液壓缸能產生的推力 F=565N 大于夾緊工件所需的推力 P=500N。所以該液壓缸能夠滿足要求。3.2.1.4 彈性爪的強度校驗 彈性爪的結構形式如圖 3-7：三自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人- 11 -圖 3-7 彈性爪結構圖這種結構是在手爪外側用螺釘固定彈簧板兩端固定。當彈性手工作時，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=100N。則彈簧爪截面上的剪應力為=30MPa ，=Q/A= 故彈性爪滿足強度要求。5102033MPa3.2.2 手臂機構的設計3.2.2.1 手臂的設計要求a、 手臂的結構和尺寸應滿足機器人完成作業(yè)任務提出的工作空間要求b、 根據手臂所受載荷和結構的特點，合理選擇手臂截面形狀和高強度輕質材料。c、 盡量減小手臂重量和相對其關節(jié)回轉軸的轉動慣量和偏重力矩，以減小驅動裝置的負荷；減少運動的動載荷與沖擊，提高手臂運動的響應速度。d、 要設法減小機械間隙引起的運動誤差，提高運動的精確性和運動剛度。采用緩沖和限位裝置提高定位精度。本設計中手臂由滾珠絲杠驅動實現上下運動，結構簡單，裝拆方便，還設計有兩根導柱導向，以防止手臂在滾珠絲杠上轉動，確保手臂隨機座一起轉動。它的結構如下圖。三自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人- 12 -圖 3-8 手臂結構圖選用軸向腳架型液壓缸，活塞桿末端為外螺紋結構，手臂與末端執(zhí)行器連同活塞桿一起轉動。3.2.2.2 伸縮液壓油缸的選擇選液壓缸型號為 Y-HG1-C50/28100LJ1HL1Q，它的主要技術參數如表 2-3。表 3-3 冶金設備標準液壓油技術規(guī)格活塞桿直徑 /mm 油口直徑速度比缸 徑/mm1.46 2通徑/mm聯接螺紋50 28 36 10 M18x1.53.2.2.3 活塞桿的強度校核末端執(zhí)行器的重量為：10.389Kg 。工件重量為：2.64Kg。由靜力平衡方 M B=0 R1LAB QLBC=0M A=0 R2LAB QLAC=0求得支反力為： R1=524.88NR2=673.16N以 A 點為坐標原點，得剪力圖和彎矩圖如下：由表得活塞桿=140MPa, =240MPa.三自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人- 13 -則在 B 處橫截面上的剪應力為：B= R B/A= 安全。1.)028(46.732MPa在 B 處的彎應力為： B= MB/A= 安全。4.9)1028(63. a3.2.3 腰部和基座設計3.2.3.1 結構設計通過安裝在支座上的步進電機和諧波齒輪直接驅動轉動機座轉動，從而實現機器人的旋轉運動，通過安裝在頂部的步進電機和聯軸器帶動滾珠絲杠轉動實現手臂的上下移動。采用了雙導柱導向，以防止手臂在滾珠絲杠上轉動，確保手臂隨機座一起轉動。支撐梁采用槽鋼，以減輕重量和節(jié)省材料，它的結構如圖 2-10。該種設計采用了環(huán)形軸承的機器人支承結構。它由電動機 2 直接驅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，而無單獨的外殼（這種結構有利于傳動系統(tǒng)的小型化、輕型化） 。由柔輪 7 輸出低速的回轉運動帶動與之固聯的機座回轉殼體 5 實現手臂的回轉運動。齒形皮帶傳動 4 和位置傳感器 6 作為機座用來檢測手臂機座的角位移。1支座，2步進電機，3諧波齒輪，4轉動機座5支承工字梁，6滾珠絲杠，7導向柱，8錐環(huán)無鍵聯軸器圖 3-10 腰部和基座結構圖三自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人- 14 -1支座，2電機，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 3-11 環(huán)形軸承的機器人機座3.2.3.2 步進電機的選取工業(yè)機器人的旋轉和上下移動采用了步進電機驅動，下面就給出各種驅動方式的比較，以作為選取步進電機作為驅動方式的依據。表 3-4 各種驅動方式比較驅動方式電機 驅動比較內 容 機械傳動異步電機，直流電機步進或伺服電機氣壓傳動 液壓傳動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，結構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構控制，定位精度高，可與主機嚴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)復雜可高速，氣體壓縮性大，阻力效果差，沖擊較嚴重，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，可無級調速，反應靈敏，可實現連續(xù)軌跡控制應用范圍適用于自由度少的專用機械手，高速低速均能適用適用于抓取重量大和速度低的專用機械手可用于程序復雜和運動軌跡要求嚴格的小型通用機械手中小型專用通用機械手都有中小型專用通用機械手都有，特別時重型機械手多用由上表可知步進電機應用于驅動工業(yè)機器人有著許多無可替代的優(yōu)點，如控制性能好，三自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人- 15 -可精確定位，體積較小可用于程序復雜和運動軌跡要求嚴格的小型通用機械手等，下面就對步進電機的型號進行選取。初選電機為 BF 反應式步進電機，型號為：90BF001。它的有關技術參數如下表：表 3-5電機型號相數 步距角/（）電壓/V最大靜轉矩/Nm(Kgfcm)最高空載啟動頻 率/HZ運行頻率/HZ轉子轉動慣量10 Kgm52分配方式質量/Kg90BF001 4 09 80 3.92 2000 8000 17.64 四相八拍45A、傳動系統(tǒng)等效轉動慣量計算傳動系統(tǒng)的轉動慣量是一種慣性負載,在電機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軸同軸線，還存在各傳動部件轉動慣量向電機軸折算的問題。最后，要計算整個傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總轉動慣量，即傳動系統(tǒng)等效轉動慣量。（1） 、電機轉子轉動慣量 的折算DJ由機電綜合設計指導表 2-18 查出 =1.764cm 2DJ（2） 、聯軸器轉動慣量 的折算L)/(822cmKgMJc式中： 為圓柱質量（Kg） ，D 為圓柱體直徑（cm）,L 為圓柱體長度。c對于鋼材，材料密度為 ,把數據代入上式得：)10.733cg)(9.282mKMJcL（3） 、滾珠絲杠轉動慣量 的折算S查機電綜合設計指導表 4-2 P119，得出 1m 長的滾珠絲杠的轉動慣量為 0.94cm2，絲杠長度 L420mm，所以滾珠絲杠轉動慣量： =0.940.42=0.39cm 2； SJ（4） 、手臂轉動慣量 的折算GJ工作臺是移動部件，其移動質量折算到滾珠絲杠軸上的轉動慣量 可按下式進行計算：GJ見機電綜合設計指導公式（2-6）P8MJG20)(式中， 為絲杠導程（cm） ； 為工作臺質量（kg） 。0L三自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人- 16 -所以： 2220 15.714.38)( cmkgMLJG （5）系統(tǒng)等效轉動慣量 計算J 294.615.390.2764.1ckgJGSLD B、驗算矩頻特性步進電機最大靜轉矩 是指電機的定位轉矩，從機電綜合設計指導表 2-21maxjM中查得 。步進電機的名義啟動轉矩 與最大靜轉矩 的關系為：j92.3max mqMmaxj見機電綜合設計指導公式（2-29）P32axjq查機電綜合設計指導表 2-12 P35 得 0.707。所以，mMmq 7.29.370.步進電機空載啟動是指電機在沒有外加工作負載下的啟動。步進電機所需空載啟動力矩可按下式計算：見機電綜合設計指導公式（2-30）P320MKfaKq式中： 為空載啟動力矩（Ncm） ； 為空載啟動時運動部件由靜止升速到最大快進ka速度，折算到電機軸上的加速力矩（Ncm） ； 為空載時折算到電機軸上的摩擦力矩Kf（Ncm） ； 有關 的各項力矩值計算如下：KqM（1）加速力矩見機電綜合設計指導公式（2-32）和（2-33）P32360102maxa 2maxpbKvntnJ式中： 為傳動系統(tǒng)等效轉動慣量； 為電機最大角加速度； 為與運動部件最大快Jmaxn進速度對應的電機最大轉速；t 為運動部件從靜止啟動加速到最大快進速度所需的時間，為運動部件最大快進速度； 為初選步進電機的步距角； 為脈沖當量。maxvbpin/1250360.9.5axa rnpb三自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人- 17 -cmtnJMKa 17.402.6154329.1062 2max（2） 、空載摩擦力矩見機電綜合設計指導公式（2-34）P35iLfGkf0式中： 為運動部件的總重量； 為導軌摩擦系數； 齒輪傳動降速比； 為傳動系數總fi效率，取 0.8； 為滾珠絲杠的基本導程。0LcmMkf 5.018.432.971（3） 、附加摩擦力矩見機電綜合設計指導公式（2-35）P35200iLFYJ式中： 為滾珠絲杠預緊力； 為滾珠絲杠未預緊時的傳動效率，現取 0.96。YJ 0 0cmM428.196.18.432710所以，步進電機所需空載啟動力矩： cKfaKq 148.3.50.7.0初選電機型號應滿足步進電機所需空載啟動力矩小于步進電機名義啟動轉矩，即見機電綜合設計指導公式（2-31）P32mq從上式可知電機初步滿足要求。C、啟動矩頻特性校核步進電機啟動有突跳啟動和升速啟動。突跳啟動很少使用。升速啟動是步進電機從靜止狀態(tài)開始逐漸升速，在零時刻，啟動頻率為零。在一段時間內，按一定的升速規(guī)律升速。啟動結束時，步進電機達到了最高運行速度。查看機電綜合設計指導圖 2-21 P36，從 90BF001 矩特性圖中，可查得：縱向：空載啟動力矩 對應的允許啟動頻率 。查機KqMcm148.3 ZyqHf210電綜合設計指導表 2-11 P34，步進電機 150BF002 啟動頻率 ，yqf所以所選電機不會丟步。D、運行矩頻特性校核步進電機的最高快進運行頻率 可按下式計算：KJf見機電綜合設計指導公式（2-36）P36PKZvf601max三自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人- 18 -式中： 為運動部件最大快進速度。算得 。maxv ZKZHf3.8快進力矩 的計算公式：KJM見機電綜合設計指導公式（2-37）0fJP37式中： 為附加摩擦力矩， 為快進時，折算到電機軸上的摩擦力矩。算得：0 Kf。cmMKfJ 1.978.4205查看機電綜合設計指導圖 2-22 P36，從 90BF001 運行矩頻特性圖中，可知：快進力矩 對應的允許快進頻率 ；Jcm.1.978 KJyf所以,所用的電機都滿足快速進給運行矩頻特性要求。綜上所述，所選用的步進電機 90BF001 符合要求，可以使用。3.2.3.3 軸承的選取a、環(huán)形軸承 3 作為機座的支承原件，是為機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。b、絲杠下部裝有圓錐滾子軸承，型號為 30204， 它的有關參數如下：基本額定 極限轉速r/min軸承代號動載荷 Ca/KN靜載荷 C0a/KN脂潤滑 油潤滑30204 28.2 30.5 8000 100003.3 工業(yè)機器人的機械傳動裝置的選擇3.3.1 滾珠絲杠的選擇估算：等效載荷 Fm = 1000 N , 絲桿有效行程 420 mm , 等效轉速 nm = 1500 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。A、 計算載荷Fc = KaRt查 上冊，表 15-21 得= 1.1 ， = 1.0 ， =1.61 ， = 1FaRKtFc = atmF= 1.1 1.0 1.61 1 1000三自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人- 19 -= 1771 N= aC3c4hmF1067.Ln= 347.5= 19559 NB、 選擇滾珠絲桿副的型號主要尺寸為：按 = 19559N，查機電一體化設計基礎表 2-9，選用漢江機床廠 C1 型滾珠絲杠，aC系列代號為 FYC1-4008-2.5。= 40 mm , =8 mm , =4 mm , d = 39mm，滾珠直徑 d0=3.969mm0DnPwD滾道半徑 R= md064.29.3520. 偏心距 e= R21.5)9(7)( 絲杠內徑 me 76.35).4201 27 mm , =24000 N , =1880 NdaCCK螺旋導程角 = arctan = arctan = 3380ndP406螺桿不長，無需驗算穩(wěn)定性。 C、剛度驗算按最不利情況考慮，即在螺距(導程) 內受軸向力引起的彈性變形與受轉矩引起彈性變形方向一致，此時變形量為最大，計算公式為：= + S412nGdPT621nEF式中 T1 = tan( + )m0v= 1000 tan( + )23840= 1321 Nmm磨擦系數 f = 0.025, 當量磨擦角 = ，v剪切彈性模量 G=8.33 N/mm2410所以： = + S442276.35.86 2576.310.8= 0.0387 m 三自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人- 20 -其中，危險截面 = 35.76，E = 2.061d每米螺桿長度上的螺矩的彈性變形= = 6.6 /m ( )p = 15 /ms30687.ms因為滾球絲桿精度要求為 3 級精度，由表 15-8 查得( )p = 15 /ms所以其剛度滿足要求。D、計算效率= = = 0.960 = 96%vtan4083tan3.3.2 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：a、 傳動比大。一級諧波齒輪減速比可以在 50500 之間，在只傳遞運動的裝置中可達 1000。采用多級或復波式傳動時，傳動比可以更大。b、 這種傳動同時嚙合的齒數多，可達總齒數的 30%40%。故承載能力大。c、 運動誤差小，無沖擊，齒的磨損小，傳動精度高，傳動平穩(wěn)。d、 效率高（減速傳動下，一般可達 0.70.9） ，結構簡單，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。e、 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，已廣泛用于機器人和其它機電一體化機械設備中。本設計中的諧波齒輪采用帶杯形柔輪的諧波傳動組合件。它是由三個基本構件構成的，帶凸緣的環(huán)形剛輪，杯形的柔輪和柔性軸承、橢圓盤構成的波發(fā)生器。型號 XB1-80-100-2-3/3機型號 100，既柔輪的公稱內徑為 80mm減速比 100 三大件訂貨精度等級，最大空回小于 3 分（角）/最大傳動誤差小于 3 分（角）3.3.3 聯軸器的選擇該機構利用錐環(huán)對之間的磨擦實現與轂之間的無間隙連接傳遞轉矩，且可任意調節(jié)兩面聯接件之間的角度位置。通過選擇所用錐環(huán)的對數，可傳遞不同大小的轉矩。圖 2-12 所示為采用錐環(huán)（錐環(huán)夾緊環(huán)）無鍵消隙聯軸器，可使動力傳遞沒有反向間隙。螺釘 5 通過壓圈 3 施加軸向力時，由于錐環(huán)之間的楔緊作用，內外環(huán) 2 分別產生徑向彈性變形，消除軸 4 與套筒 1 之間的配合間隙，并產生接觸壓力，通過磨擦傳遞轉矩，而且套筒 1 與軸 4之間的角度位置可以任意調節(jié)。這種聯軸器定心性好，承載能力高，傳遞功率大、轉速高、使用壽命長，具有過載保護能力，能在受振動和沖擊載荷等惡劣環(huán)境下連續(xù)工作，安裝、使用和維護方三自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人- 21 -便，作用于系統(tǒng)中的載荷小、噪聲低。1套筒，2內外環(huán)，3壓圈，4軸，5螺栓 圖 3-12 消隙聯軸器第四章 工業(yè)機器人的計算機控制系統(tǒng)概述4.1 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的特點及對控制功能的基本要求工業(yè)機器人具有多個自由度，每個自由度一般包括一個伺服機構，它們必須協調起來，組成一個多變量控制系統(tǒng)。這種多變量的控制系統(tǒng)，一般要用計算機來實現。因此，機器人控制系統(tǒng)也是一個計算機控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的功能是控制機器人操作機的運動和操作以滿足作業(yè)的要求。在作業(yè)中機器人的工作任務是要求操作機的末端執(zhí)行器按點位或軌跡運動，并保持設定的姿態(tài)。在運動中或在規(guī)定的某點位執(zhí)行作業(yè)規(guī)定的操作。對工業(yè)機器人的控制功能大致有如下的基本要求和特點。A、實現對位姿、速度、加速度等的控制功能在機器人的各類作業(yè)中，運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)行器在運動過程中只在某些規(guī)定的點上進行操作，因此只要求末端執(zhí)行器在目標點處保證準確的位姿以滿足作業(yè)質量要求。而對達到目標點的運動軌跡（包括移動的路徑和運動的姿態(tài)）則不作任何規(guī)定，這種控制方式易于實現，但不易達到較高的定位精度，適用于上下料、搬運、點焊和在電路板上安插元件等只要求在目標點保持末端執(zhí)行器準確的位姿的作業(yè)中。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)行器嚴格按規(guī)定的軌跡和速度在一定精度要求內運動，以完成作業(yè)要求，這種必須保證機器人各關節(jié)連續(xù)、同步地實現相應的運動。這種連續(xù)軌跡運動，可看成是若干密集軌跡曲線。若設定的點足夠密，就能用點位控制的方法實現所需精度的連續(xù)軌跡運動。B、存儲和示教功能要使機器人具有完成預定作業(yè)的功能，須先將要完成的作業(yè)示教給機器人，這個操作過程稱為示教，將示教內容記錄下來，稱為存儲。使工業(yè)機器人按照存儲的示教內容進行動作，稱為再現。所以工業(yè)機器人的動作是通過示教存儲再現的過程實現的。C、對外部環(huán)境的檢測和感覺功能。4.2 計算機控制系統(tǒng)的設計方案三自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人- 22 -控制系統(tǒng)采用二級計算機控制方式，選用 IBM-PC，80C51 系列 CPU。第一級機擔負管理，示教編程，控制再現，軌跡正逆運算，機器人語言的編輯和編譯，通過串行通訊方式傳送給二級機做位置給定。第二級機負責位置伺服控制軟件的計算，位置檢測等工作，根據插補算出的各關節(jié)位置增量做位置給定。一級機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，CRT 終端。二級機接口電路將計算機輸出數字量轉換成相應的模擬量，驅動伺服控制系統(tǒng)，選用速度單元，伺服電機及光電編碼盤等伺服調速系統(tǒng)。4-1 機器人控制系統(tǒng)框圖4.3 硬件電路的組成圖 3-1 是采用 MCS-51 系列單片機組成的控制系統(tǒng)硬件電路原理圖。電路的組成如下：i. 主從 CPU 都采用 8031 芯片；ii. 主從 CPU 各擴展程序存儲器 27256 一片，擴展數據存儲器 62256 一片；iii. 主 CPU 擴展可編程串行通信接口芯片 8251A 一片；可編程多功能接口芯片 8155 一片；電平轉換芯片 MAX232 一片；iv. 從 CPU 擴展可編程多功能接口芯片 8155 六片；D/A 轉換器 DAC0832 六片；運算放大器 A741 六片；PWM 功率放大器六片；光電編碼器六片；v. 地址鎖存器、譯碼器各兩片；vi. 鍵盤電路，顯示電路；vii. 光電編碼電路，功率放大電路；viii. 報警電路，暫停、急停電路，復位電路；第五章 工業(yè)機器人運行時應采取的安全措施有些國家已經頒布了關于機器人的安全法規(guī)和相應的規(guī)程,國際標準化協會也有業(yè)機器人安全規(guī)范(ISO/TC184/SC2/WG3-DP10218)。在工業(yè)機器人的生產廠家，有嚴格三自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人- 23 -的管理規(guī)定和詳盡的技術保障體系。在機器人應用工程中，要參照有關規(guī)程、規(guī)范以及工業(yè)機器人的說明資料，注意落實安全措施，杜絕發(fā)生機器人傷人或其它事故。5.1 安全要求工業(yè)機器人能代替人在危險有害的環(huán)境中作業(yè)。但又給人另一種危險，即機器人傷人事故。這是工業(yè)機器人安全管理的最為重要的一條原則。此外，除了通用的工業(yè)安全規(guī)程外，還要注意工業(yè)機器人的特殊性，采取相應可靠的對策。對工業(yè)機器人應用工程的安全要求有如下幾條：a、 必須為工業(yè)機器人和周邊設備安裝安全護欄，以防止人靠近而造成傷害。工業(yè)機器人的動作范圍不能超越護欄。b、 在護欄出入口的門上必須設置插拔式電接點點開關，其插座有導線與控制系統(tǒng)的電路連接。只有拔下開關的插頭，才能打開對應的門。這時，工業(yè)機器人及周邊設備停止運轉，并且將工業(yè)機器人鎖定在示教模式。c、 在距操作者的地方設置緊急停止開關。按下此開關，工業(yè)機器人和有關的設備立即停止運轉。d、 在人機結合部設置傳感器。當操作者在此處上、下料或裝卡工作時，控制系統(tǒng)要有相應的安全對策。e、 在生產設備旁邊的顯著位置用大型指示燈箱表示生產系統(tǒng)的當前狀態(tài)。如運轉、調試、停止等。f、 設置工業(yè)機器人的作業(yè)的作業(yè)原點，并在生產系統(tǒng)的操作盤上設置相應的指示燈，使操作者容易判斷工業(yè)機器人本體的位置狀態(tài)。g、 示教作業(yè)時應降低工業(yè)機器人的運動速度，并且要另有一人專門監(jiān)護，一但發(fā)現異常應立即停機。5.2 實施方法在工業(yè)機器人應用工程中，不僅要注意對人員的危險性，而且還要考慮包括工業(yè)機器人在內的設備的安全性。為此生產廠家在工業(yè)機器人及控制系統(tǒng)的軟硬件方面應盡可能地增加有關功能，以確保安全。例如，用軟極限的功能可設定工業(yè)機器人操作機（本體）的實際動作小于標稱最大動作范圍。當控制點運動到軟極限位置時，工業(yè)機器人自動停止并報警，不會超越設定的區(qū)間。因此，可以將工業(yè)機器人本體的動作限制在實際作業(yè)的領域內。又如對于弧焊的應用，生產廠家可提供一種帶有碰撞傳感器的焊槍把持器及焊槍后，示教作業(yè)及再現運動時，一但焊槍撞上工件或其他物體時，工業(yè)機器人將立即停機。為了確保工業(yè)機器人應用工程中的安全，必須實施確保安全要求的具體措施。三自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人- 24 -鳴謝在這次畢業(yè)設計中，我有很多收獲，首先把我?guī)啄陙硭鶎W的知識做了一次系統(tǒng)的復習，更深一步了解了所學的知識，培養(yǎng)了我綜合運用所學知識，獨立分析問題和解決問題的能力，也使我學會怎樣更好的利用圖書館，網絡查找資料和運用資料，還使我學會如何與同學共同討論問題。這對我以后的工作有很大的幫助,今后我會在工作中不斷的學習,努力的提高自己的水平。經過本次設計，我切實體會到作為一個優(yōu)秀的設計人員的艱難性。在設計過程中，我經常遇到各種各樣的問題，有的是知識方面的不足導致的，有的是設計經驗方面不足導致的。這些問題有時使得我束手無措，不過在指導老師幫助和自己的努力下，終于使得我順利完成了設計。雖然我的設計存在很多不足的地方，但在這兩個多月的時間里，我學到了很多有用的知識，也積累了一定的設計經驗，這些對于我即將要走向社會工作崗位，將起到很關鍵的作用。在此衷心感謝學校、學院各位老師 4 年來給我的教育和培養(yǎng)，特別要感謝李作全老師在我的畢業(yè)設計期間給予的諸多指導。參考文獻1 吳宗澤,羅圣國.機械設計課程設計手冊第二版M.北京:高等教育出版社 ,1999.2廖念釗,莫雨松,李碩根,楊興駿.互換性與技術測量第四版M.北京:中國計量出版社,2000.3陳錦昌,劉就女,劉林.計算機工程制圖M.廣州:華南理工大學出版社 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