四自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)

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1、 四自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì) 摘 要 在現(xiàn)代制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)器人已成為不可或缺的核心自動(dòng)化裝備。工業(yè)機(jī)器人適應(yīng)工作環(huán)境能力強(qiáng)，可擔(dān)任各種類型各種強(qiáng)度的生產(chǎn)工作，精度高、速度快、易于控制，可顯著提高生產(chǎn)的工業(yè)自動(dòng)化水平。國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人起步晚，市場(chǎng)占有率低，許多核心技術(shù)還沒有掌握，可靠性低，應(yīng)用范圍小，零部件互換性低。 現(xiàn)設(shè)計(jì)一種四自由度的圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人，能實(shí)現(xiàn)工件的上下搬運(yùn)。該四自由度機(jī)器人由兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度機(jī)構(gòu)和兩個(gè)平移自由度機(jī)構(gòu)組成，根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)，選擇足夠功率的伺服電機(jī)，然后，估算驅(qū)使機(jī)構(gòu)各自由度運(yùn)動(dòng)需要的力

2、及扭矩，選擇傳動(dòng)比合適且大小合適的減速器。通過伺服電機(jī)減速器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人腰部旋轉(zhuǎn)，手臂的豎直升降，手臂的水平移動(dòng)和末端操縱器的旋轉(zhuǎn)。在機(jī)器人輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)部分，還考慮了伺服電機(jī)導(dǎo)線坦克鏈的排布，機(jī)構(gòu)零點(diǎn)位置的觸發(fā)開關(guān)及其導(dǎo)線排布的設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：四自由度，圓柱坐標(biāo)，工業(yè)機(jī)器人，機(jī)械設(shè)計(jì)  Mechanical Design of a 4-DOF Cylindrical Industrial Robot Abstract In modern manufacturing, industrial robot has become an indispens

3、able core automation equipment. Industrial robot has good adaptability, can adapt to all kinds of mass production, high precision, fast speed, easy to control, can significantly improve the automation level of production. Domestic industrial robots started late, has low market share, low reliability

4、, and many core technologies have not yet mastered. The application scope is small, the interchangeability of parts is low. The design of a kind of four degree of freedom cylindrical coordinate robot, can realize the workpiece moving up and down. The four degree of freedom robot mechanism is compos

5、ed of two rotational degrees of freedom and two translational degrees of freedom mechanism. According to the robot movement parameters, servo motor is selected, and then estimates the sufficient power, force and torque of each degree of freedom movement needs, choose the appropriate transmission rat

6、io and suitable reducer. Drive mechanism motion through the servo motor reducer, and then we can realize the robot waist rotation, vertical lifting arm, arm movement and rotation of the end effector. In part of the design of robot auxiliary system, we take the arrangement of servo motor wire tank ch

7、ain, design the trigger switch and wire arranging mechanism the zero position into consideration. Key Words： 4-DOF; Cylindricalcoordinates; Industrial Robot; Mechanical design  目 錄 摘 要 ⅰ Abstract ⅱ 第一章 引 言 1 1.1 工業(yè)機(jī)器人 1 1.1.1 工業(yè)機(jī)器人的概念及特點(diǎn) 1 1.1.2 工業(yè)機(jī)器人的組成 1 1.1.3 國內(nèi)外發(fā)展

8、狀況 2 1.2 研究?jī)?nèi)容 2 1.2.1 研究方法 2 1.2.2 研究成果 2 1.3研究意義 2 第二章 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4 2.1 設(shè)計(jì)分析及方案擬定 4 2.1.1 設(shè)計(jì)要求 4 2.1.2 設(shè)計(jì)流程 5 2.1.3 方案擬定 5 2.2 主要結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì) 6 2.2.1旋轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu) 6 2.2.2滾珠絲杠結(jié)構(gòu) 7 2.2.3中間連接器 9 2.2.4外殼設(shè)計(jì) 11 2.3受載變形校核 11 第三章 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 13 3.1腰部轉(zhuǎn)動(dòng) 13 3.1.1減速器選擇 13 3.1.2伺服電機(jī)選擇 14 3.1.3傳動(dòng)法蘭盤設(shè)計(jì) 15 3.2豎直平

9、移 16 3.2.1滾珠絲杠及螺母選擇 16 3.2.2伺服電機(jī)選擇 18 3.2.3聯(lián)軸器選擇 19 3.3水平平移 20 3.3.1滾珠螺母絲杠選擇 21 3.3.2伺服電機(jī)選擇 21 3.3.3聯(lián)軸器選擇 22 3.4手臂末端操縱器旋轉(zhuǎn) 23 3.4.1伺服電機(jī)選擇 23 3.4.2減速器選擇 24 第四章 輔助機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 25 4.1 坦克鏈線路設(shè)計(jì) 25 4.2 機(jī)構(gòu)零點(diǎn)設(shè)計(jì) 26 第五章 總結(jié)與展望 28 5.1 總結(jié) 28 5.2 展望 28 參考文獻(xiàn) 30 致謝 31 附錄 32 - 42 - 第一章 引言

10、 1.1工業(yè)機(jī)器人 1.1.1工業(yè)機(jī)器人的概念及特點(diǎn) 我國專家學(xué)者對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的概念解釋也各有不同，綜合各方面的說法，從工業(yè)機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)的功能來講，工業(yè)機(jī)器人是有以下功能的機(jī)器： （1）具有執(zhí)行運(yùn)動(dòng)操作的機(jī)構(gòu)； （1）具有通用性，可實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)操作； （2）有一定程度的智能，能重復(fù)編程； （3）有一定的獨(dú)立性，一定程度上不依賴人的操縱。 1.1.2工業(yè)機(jī)器人的組成 工業(yè)機(jī)器人一般由機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，四自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)組成由下圖可知： 圖1.1 四自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)組成 （1）驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)：本次設(shè)計(jì)采用四個(gè)交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)四個(gè)自由度

11、。至于氣壓，液壓驅(qū)動(dòng)的裝置體積較大，因行程較大而不采用。 （2）執(zhí)行機(jī)構(gòu)：本次設(shè)計(jì)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括底座、腰部機(jī)構(gòu)、手臂機(jī)構(gòu)和末端操縱器。采用絲杠螺母和行星齒輪減速器兩種傳動(dòng)方式，能將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)或?qū)⒏咿D(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成低轉(zhuǎn)速，再將動(dòng)力傳遞給執(zhí)行裝置。 1.1.3國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 上世紀(jì)中葉，美國結(jié)合機(jī)械手和操作機(jī)兩者的優(yōu)勢(shì)，開發(fā)了一種可自動(dòng)執(zhí)行動(dòng)作的機(jī)械裝置，稱為工業(yè)機(jī)器人。60年代末，美國通用汽車公司采用機(jī)械手臂，建立了汽車焊接車身的自動(dòng)化生產(chǎn)線。此后，工業(yè)機(jī)器人的研制和應(yīng)用，受到各個(gè)工業(yè)發(fā)達(dá)國家的重視。日本又稱為“機(jī)器人的王國”，可見日本的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)非常發(fā)達(dá)，如今的日本在智能型

12、工業(yè)機(jī)器人上取得了巨大成就。隨后，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)又開始在歐洲崛起[2]。 工業(yè)機(jī)器人在中國發(fā)展的很快，但相比世界上先進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人，技術(shù)差距依舊明顯[3]。國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人起步晚，相比國外先進(jìn)技術(shù)，國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人可靠性較低，應(yīng)用領(lǐng)域較窄，生產(chǎn)線技術(shù)落后，零部件互換性低[4]。工業(yè)機(jī)器人且可用于環(huán)境惡劣，勞動(dòng)強(qiáng)度高，勞動(dòng)單調(diào)乏味的工作中，將人們從中解放出來。 1.2 研究?jī)?nèi)容 1.2.1研究方法 現(xiàn)設(shè)計(jì)一種工業(yè)機(jī)器人，有四個(gè)自由度，采用圓柱坐標(biāo)型，利用該種機(jī)器人實(shí)現(xiàn)工件的上下料搬運(yùn)。本次設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)部分。該機(jī)器人的四個(gè)自由度分別是腰部旋轉(zhuǎn)、手臂豎直升降、手臂的水平伸縮和手臂末端操縱

13、器旋轉(zhuǎn)。由四個(gè)自由度確定各自傳動(dòng)方式，選擇傳動(dòng)裝置。確定機(jī)器人各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)所需的功率，再選擇合適的伺服電機(jī)和減速器。設(shè)計(jì)機(jī)械手臂整體結(jié)構(gòu)采用的三維實(shí)體設(shè)計(jì)軟件是SolidWorks 2013，對(duì)于分析機(jī)構(gòu)的質(zhì)量、質(zhì)心等參數(shù)十分方便。 1.2.2研究成果 本次設(shè)計(jì)基本完成任務(wù)，具體成果如下： （1）完成四自由度圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括基座、腰部旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、豎直機(jī)身、水平手臂和末端旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)； （2）完成外殼包裝的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，完成機(jī)構(gòu)零點(diǎn)和極限位置的傳感器設(shè)計(jì)； （3）完成機(jī)器人三維實(shí)體的裝配，并繪制出機(jī)器人的二維工程圖。 1.3研究意義 工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)是現(xiàn)代制造業(yè)

14、中舉足輕重的自動(dòng)化機(jī)械，一些機(jī)械式的、工作環(huán)境惡劣危險(xiǎn)的、沒有創(chuàng)新性的作業(yè)完全可以由機(jī)器人替代人工完成。在金屬熱壓加工中，需要人工作在加熱的窯爐、沖壓床、車床或鉆床附近，工業(yè)機(jī)器人耐高溫，程序?qū)懞镁涂梢苑乐古c其他加工工具碰撞，避免了工作中出現(xiàn)危險(xiǎn)的可能[6]。 工業(yè)機(jī)器人能適應(yīng)多品種中小批量生產(chǎn)，高精度高速度，容易控制，能顯著提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平。目前小負(fù)載旋轉(zhuǎn)臂機(jī)型工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)容量大、應(yīng)用廣泛[8]。 第二章 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1設(shè)計(jì)分析及方案擬定 2.1.1設(shè)計(jì)要求 主要解決問題：按下表中參數(shù)的要求

15、，設(shè)計(jì)一種四自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，完成該工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)、傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)、各自由度零點(diǎn)和極限位置設(shè)計(jì)及傳感器選擇： 表2.1 機(jī)器人設(shè)計(jì)參數(shù) 最大負(fù)載/kg 腰部、臂部回轉(zhuǎn)角度/ 伸縮行程/mm 高度行程/mm 最大旋轉(zhuǎn)角速度/(rads-1) 最大移動(dòng)速度/(ms-1) 重復(fù)定位精度 /mm 3 360 500 500 2 1 0.1 機(jī)器人的工作空間是指機(jī)器人正常工作時(shí)手臂末端操縱器能活動(dòng)的范圍，可從上表推得，工作空間圖如下： 圖2.1 機(jī)械手臂工作空間 2.1.2設(shè)計(jì)流程 （1）分析四個(gè)自由度，選擇適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)方式、傳

16、動(dòng)裝置和機(jī)構(gòu)件； （2）用三維建模軟件完成主要零件（包括所有結(jié)構(gòu)件）的三維建模，并初步完成三維實(shí)體模型裝配； （3）對(duì)實(shí)體模型相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量估算，按設(shè)計(jì)要求，最終確定電機(jī)、減速器、絲杠等產(chǎn)品參數(shù)，完成裝配； （4）對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)畫仿真和受載分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)正確性； （5）繪制二維工程圖。 流程圖如下圖所示： 圖2.2 設(shè)計(jì)流程 2.1.3方案擬定 根據(jù)設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)出的工業(yè)機(jī)器人大致外形圖如圖2.1所示。 圖2.3 工業(yè)機(jī)器人圖 由上面的設(shè)計(jì)參數(shù)表可知，機(jī)器人手臂的行程是500mm，較大，宜使用電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置?？紤]到步進(jìn)電機(jī)精度不足，加速性能一般，易產(chǎn)生丟步或過

17、沖，性能效果沒有交流伺服電機(jī)好，又因?yàn)樗O(shè)計(jì)的機(jī)械手臂起動(dòng)頻率高，且要求快速啟停，需達(dá)到一定傳動(dòng)精度，因此選擇交流伺服電機(jī)。 傳動(dòng)裝置選擇行星齒輪減速器傳動(dòng)和絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)，其中行星齒輪減速器用于腰部高扭矩低轉(zhuǎn)速的傳動(dòng)，絲杠螺母用于手臂的水平和豎直平移傳動(dòng)。 確定機(jī)器人的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，以確定機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)，所設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖： 圖2.4 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 采用伺服電機(jī)和行星齒輪減速器實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的腰部低轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；考慮設(shè)計(jì)中水平方向移動(dòng)行程500mm，相對(duì)較大，水平手臂前后平移也是利用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，將水平移動(dòng)和豎直移動(dòng)的兩個(gè)螺母角度偏差90度放置，共同固

18、定在一個(gè)十字型鋼板結(jié)構(gòu)件上，達(dá)到水平方向絲杠螺母水平不移動(dòng)，絲杠前后移動(dòng)的效果；將一小功率伺服電機(jī)和行星齒輪減速器連接，固定在水平手臂支撐板的一端，實(shí)現(xiàn)末端操縱器的旋轉(zhuǎn)。 2.2主要結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)的機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、滾珠絲杠、中間連接器、和外包裝。 2.2.1旋轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu) 旋轉(zhuǎn)平臺(tái)是腰部旋轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，一般要求有足夠的穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)要求便于裝修。它將基座和上方的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接起來，承載運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的重量，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)對(duì)于機(jī)器人的平衡性有很大影響。 旋轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如下圖所示， 1）套筒2）PX85減速器3）向心圓柱滾柱軸承4）內(nèi)支撐套5）外支撐套 6）加強(qiáng)筋7）傳動(dòng)法蘭

19、盤8）固定套筒9）固定墊片10）止推軸承 圖2.5 旋轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖 內(nèi)支撐套支撐機(jī)身重量，外支撐套帶動(dòng)腰部轉(zhuǎn)動(dòng)。內(nèi)支撐套和外支撐套間的連接通過兩個(gè)軸承實(shí)現(xiàn)：止推軸承承受整個(gè)機(jī)身的重力，向心圓柱滾柱軸承起到防止機(jī)構(gòu)徑向力失衡的作用。傳動(dòng)法蘭盤用螺栓連接在外支撐套上，其內(nèi)圈有鍵槽，配合減速器輸出軸，輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)法蘭盤和外支撐套轉(zhuǎn)動(dòng)。減速器用螺栓連接至內(nèi)支撐套上，輸出軸伸出，旋上螺母，壓緊內(nèi)外支撐套,實(shí)現(xiàn)腰部的軸向固定。 2.2.2滾珠絲杠結(jié)構(gòu) 滾珠絲杠結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了手臂的上下和前后平移，結(jié)構(gòu)如圖所示： 圖2.6 滾珠絲杠機(jī)構(gòu) 絲杠安裝采用兩端支撐方式，兩端各裝有一個(gè)角接觸球軸承(

20、22-8-7,32-15-9)，軸承由其兩端的軸承座固定，軸承座安裝應(yīng)使絲杠軸線與支撐板平行。軸承座自行設(shè)計(jì)，其三維模型如下圖： 圖2.7 軸承座 導(dǎo)軌為滾珠絲杠結(jié)構(gòu)提供了足夠的支撐力。導(dǎo)軌首先選擇滾珠型直線導(dǎo)軌，主要考慮其軌寬和軌長，滑塊主要是確定類型和數(shù)量。導(dǎo)軌選擇軌寬15mm，軌長根據(jù)工作行程需求選擇600mm?；瑝K選擇四方型滑塊，其結(jié)構(gòu)及總體尺寸如下圖所示： 圖2.8 四方型滑塊 由于支撐板是主要承載部件，需要校核支撐板的受壓穩(wěn)定性。分析支撐板受力，支撐板可以看作下端固定上端自由的壓桿，壓力為機(jī)身的重力，作用點(diǎn)在機(jī)身的中心位置，如下圖所示： 圖2.9 支撐板壓桿

21、模型 臨界壓力的公式為 (1) 式中：Fcr是臨界壓力；E是支撐板材料45鋼的彈性模量，一般是196-216GPa；I是支撐板的慣性矩，可由三維模型的質(zhì)量屬性得到，40067 kgmm2；μ是長度系數(shù)，對(duì)于一端固定一端自由的情況，μ值為2.1；L是支撐板長度600mm。計(jì)算得到，F(xiàn)cr=4.981010N，遠(yuǎn)大于實(shí)際所受重力。 2.2.3中間連接器 （1）中間連接器的設(shè)計(jì) 中間連接器是連接水平絲杠和豎直絲杠的裝置，它將由豎直絲杠螺母機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的豎直方向的位移，傳遞給水平絲杠螺母機(jī)構(gòu)，使得手臂能夠正常上下移動(dòng)。中間連接器由兩個(gè)螺母滑塊連接器和一塊中間連接板組成，相互之

22、間用內(nèi)六角螺栓連接，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。 圖2.10 中間連接器 螺母滑塊連接器自行設(shè)計(jì)，材料選擇45鋼，其制造工藝流程簡(jiǎn)單來說是鑄造、銑平面、鉆孔、攻螺紋。其安裝尺寸由上述滾珠絲杠的螺母及滑塊位置決定，外形如下圖所示。 圖2.11 螺母滑塊連接器 圖2.12 中間連接板 （2）中間連接板的強(qiáng)度校核 中間連接板主要需校核其與螺栓接觸面上的擠壓應(yīng)力，擠壓的強(qiáng)度條件是 (2) 式中：Fbs是擠壓力，Abs是擠壓面面積，[σbs]是擠壓許用應(yīng)力。 由中間連接器的三維模型可知，工作中的連接板與16個(gè)螺栓相互接觸，螺栓直徑3mm，連接板厚度5mm，單個(gè)螺栓對(duì)連接

23、板的擠壓面的面積Abs為1510-6m2。 圖2.13 連接板受力圖 總的擠壓力F為水平手臂的重力，由Solidworks三維建模，經(jīng)過測(cè)量得到質(zhì)量m不大于15kg，因此單個(gè)螺栓孔受到擠壓力為 Fbs=mg/16=9.2N (3) 因此，運(yùn)算得到擠壓許用應(yīng)力 [σbs]≥0.613MPa (4) 查表，可知鋼材的擠壓許用應(yīng)力[σbs]≈355MPa，遠(yuǎn)大于最低要求。 2.2.4外殼設(shè)計(jì) 機(jī)器人外殼外形圖如圖所示，其主要作用是滾珠絲杠的防塵，導(dǎo)線線路的排布和整體機(jī)型的美觀。外殼采用鋁合金蒙皮包裝，蒙皮厚度為3mm，質(zhì)量輕。材料塑性好，采用鍛壓加工工藝，鍛壓成型

24、。再以鉆頭打螺栓孔，以便于安裝固定。為方便制造，將整體的外殼分成三段，分別制造。 外殼及其總體尺寸如下圖所示： 圖2.14 外殼圖 2.3受載變形校核 受載變形校核可簡(jiǎn)單的由模型模擬機(jī)器人的末端受載時(shí)的撓度，得到形變偏移值。應(yīng)用Solidworks Simulation的有限元分析功能，簡(jiǎn)單分析彎曲變形。 根據(jù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)受力情況分析，主要是支撐板、絲杠、導(dǎo)軌等結(jié)構(gòu)同時(shí)承載負(fù)載重量，因此受載的模型可簡(jiǎn)化如下圖： 圖2.15 簡(jiǎn)化的受載模型 下端做固定端，右上端的伸出端受向下的負(fù)載3kg，及30N的力，材料統(tǒng)一選擇合金鋼，其彈性模量是2.11011N/m2。運(yùn)行結(jié)果為最大

25、位移量0.0392mm，基本滿足重復(fù)定位精度0.1mm的要求。詳見附錄1。 第三章 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是傳動(dòng)方式的確定，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇，減速器的選擇以及其他輔助傳動(dòng)件的設(shè)計(jì)與選擇。本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人平移自由度均采用滾珠絲杠螺母實(shí)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)自由度均采用行星齒輪減速器實(shí)現(xiàn)。電機(jī)的選擇有步進(jìn)電機(jī)和交流伺服電機(jī)，考慮到步進(jìn)電機(jī)精度不足，步進(jìn)電機(jī)加速性能一般，易產(chǎn)生丟步和過沖。所設(shè)計(jì)的機(jī)械手臂起動(dòng)頻率高，要求快速啟停，且需達(dá)到一定傳動(dòng)精度，因此選擇交流伺服電機(jī)。 3.1腰部轉(zhuǎn)動(dòng) 腰部旋轉(zhuǎn)采用行星齒輪減速器傳動(dòng)。

26、圖3.1 腰部減速器 減速器輸出軸上有鍵槽，可直接連接在底盤的傳動(dòng)法蘭盤上，帶動(dòng)腰部的上平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。 3.1.1 減速器選擇 因?yàn)闄C(jī)器人腰部的旋轉(zhuǎn)相對(duì)伺服電機(jī)較慢，傳動(dòng)比大，再考慮到機(jī)器人腰部尺寸較大，可采用行星齒輪減速器，能實(shí)現(xiàn)較大傳動(dòng)比的傳動(dòng)。 為減小整個(gè)機(jī)器人手臂的體積，盡量使機(jī)構(gòu)緊湊，在減速器型號(hào)選擇方面，均選擇彈性齒輪軸套空心輸入，實(shí)心軸輸出方式。 （1）確定驅(qū)動(dòng)設(shè)備所需功率P2： P2=KMgvμ (5) 式中：m通過三維實(shí)體模型腰部以上旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量的測(cè)量為32.6kg，近似取m≈33kg，加上運(yùn)行所需末端操縱器和3kg重物，總質(zhì)量取M=40kg；K是安全系數(shù)，

27、K=1.2；g是重力加速度；v是機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度，取2m/s；μ是摩擦系數(shù)，μ=0.15。計(jì)算得P2=141.1W。 （2）確定減速器的傳動(dòng)比i： (6) 式中：n1是電機(jī)轉(zhuǎn)速，n2是腰部轉(zhuǎn)速。腰部轉(zhuǎn)動(dòng)最大角速度為ω2=2rad/s，轉(zhuǎn)速n2=9.55ω2=19.1r/min，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速n1=3000r/min，則i=3000/19.1=157，取i=120，三級(jí)傳動(dòng)。 （3）確定使用系數(shù)f1： 查減速器技術(shù)手冊(cè)，假設(shè)均衡負(fù)載下啟動(dòng)次數(shù)少，每日工作12小時(shí)，f1=1.25。 （4）被驅(qū)動(dòng)設(shè)備的扭矩T2： T2=9550P2/n2 (7) 式中：P2是驅(qū)動(dòng)設(shè)備所

28、需功率，n2是腰部最大轉(zhuǎn)速。計(jì)算得T2=70.5Nm。 （5）減速器輸出扭矩T2N： T2N≥T2f1=88.1Nm (8) 根據(jù)傳動(dòng)比i、減速器輸出扭矩T2N≥88.1Nm，查詢減速器技術(shù)手冊(cè)，選擇減速器：px-85-120-S，減速器相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下表： 表3.1 腰部減速器技術(shù)參數(shù) 減速器型號(hào) 減速比i 滿載效率 額定輸出扭矩T2N/Nm 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J/(kgcm2) 最大徑向力Fr/N 最大軸向力Fa/N PX-85-120-S 120 90％ 100 0.7 440 420 （6）減速器徑向、軸向力校核： 減速器軸在徑向不受外力作用，因此不

29、用校核。軸向有緊固螺釘對(duì)軸的拉力，考慮到緊固螺釘?shù)淖饔脙H僅是防止機(jī)身徑向不平衡，所受軸向力很小，軸向力可不用校核。 3.1.2 伺服電機(jī)選擇 （1）電機(jī)所需功率P1N： P1N≥KP2ηf1=193.7W (9) 式中：K是安全系數(shù)，P2是驅(qū)動(dòng)設(shè)備所需功率，η是滿載效率，f1是設(shè)備使用系數(shù)。 查伺服電機(jī)和減速器的技術(shù)手冊(cè)，所選減速器對(duì)應(yīng)電機(jī)的安裝尺寸為Φ90mm，對(duì)應(yīng)伺服電機(jī)功率750W，因此選擇電機(jī)型號(hào)：MSME 082G1，相關(guān)技術(shù)參數(shù)見下表： 表3.2 腰部伺服電機(jī)技術(shù)參數(shù) 電機(jī)型號(hào) 功率P/W 交流電源/V 額定轉(zhuǎn)速n /(rmin-1) 最

30、大轉(zhuǎn)速nmax /(rmin-1) 額定轉(zhuǎn)矩T /(Nm) 最大轉(zhuǎn)矩Tmax /(Nm) 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JM/(kgcm2) MSME 082G1 750 AC200 3000 6000 2.4 7.1 0.87 （2）伺服電機(jī)慣量比校核： 估算負(fù)載慣量： (10) 式中： 估算電機(jī)和減速器的慣量： (11) 計(jì)算得： J負(fù)載慣量/J電機(jī)+減速器=2.50倍<20倍 (12) 慣量比滿足要求。 （3）伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩校核： 根據(jù)傳動(dòng)比i、減速器輸出扭矩T2N≥88.1Nm，可以計(jì)算得到伺服電機(jī)最小所需的輸出扭矩T電機(jī)：

31、 T電機(jī)=T2N i η≥0.81 Nm (13) 電機(jī)額定扭矩T=2.4 Nm>T電機(jī)，所以轉(zhuǎn)矩滿足要求。 3.1.3傳動(dòng)法蘭盤設(shè)計(jì) 傳動(dòng)法蘭盤連接PX85行星齒輪減速器和腰部旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，與行星齒輪減速器的輸出軸用鍵連接，與腰部旋轉(zhuǎn)平臺(tái)用螺栓連接，將行星齒輪減速器的扭矩傳遞給腰部旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，使腰部旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)得以實(shí)現(xiàn)。 傳動(dòng)法蘭盤的設(shè)計(jì)圖如下： 圖3.2 傳動(dòng)法蘭盤 3.2豎直平移 豎直平移傳動(dòng)方式選擇滾珠螺母絲杠（圖片）。伺服電機(jī)需要安裝在頂部，為防止機(jī)械手臂自重下滑，伺服電機(jī)應(yīng)帶有制動(dòng)器。滾珠螺母絲杠的絲杠一端連接聯(lián)軸器，伺服電機(jī)輸出軸連接聯(lián)軸器另一端。 3.

32、2.1滾珠絲杠及螺母選擇 （1）選擇螺母型號(hào) 由三維實(shí)體所建立的模型，可選擇法蘭式單螺母，F(xiàn)型，切邊六孔。 圖3.3 絲杠螺母 （2）確定絲杠導(dǎo)程BP 由傳動(dòng)關(guān)系圖可得 (14) 式中：vmax是工作臺(tái)最大平移速度1m/s；i是傳動(dòng)比，i=1；nmax是電機(jī)最大轉(zhuǎn)速6000r/min，計(jì)算可得導(dǎo)程Bp等于10mm。 （3）確定絲杠公稱直徑BD 已知μ是摩擦系數(shù)0.03；WA是負(fù)載質(zhì)量，可由三維實(shí)體建模測(cè)量得出WA=20kg；g是重力加速度，計(jì)算導(dǎo)向面的摩擦力Fa： Fa=μWAg=0.25209.8=49 N (15) 因此絲杠旋轉(zhuǎn)需承受的推力F：

33、 F=Fa+ WAg=676.2 N (16) 乘以安全系數(shù)K=1.2,得 F1=KF=811.44 N (17) 查閱該公司提供的產(chǎn)品相關(guān)資料，絲杠直徑BD=12mm時(shí)，絲杠動(dòng)載荷Ca是2.5KN，Ca>F1，滿足要求。 （4）確定絲杠長度 絲杠總長一般是工作行程、螺母長度、安裝長度、連接長度和余量的總和。由所建立的三維實(shí)體模型可知絲杠總長為650mm。 （5）確定滾珠絲杠精度 在無特殊要求的情況下，根據(jù)一般選取的經(jīng)驗(yàn)，選用C7標(biāo)準(zhǔn)。C7標(biāo)準(zhǔn)表示選取絲杠精度等級(jí)為7級(jí)，300mm的絲杠長度上，行程誤差不超過0.050mm。 （6）校核扭矩 克服摩擦力Fa，也就是

34、產(chǎn)生所需推力的驅(qū)動(dòng)扭矩T： (18) 式中：Bη是進(jìn)給絲杠的效率，取Bη=0.96。計(jì)算可得T=9.75 Nmm，遠(yuǎn)小于伺服電機(jī)所能提供的扭矩，所以校驗(yàn)合格。 綜上，所選擇的螺母絲杠技術(shù)參數(shù)如下表： 表3.3 絲杠螺母技術(shù)參數(shù) 螺母型號(hào) 直徑BD/mm 導(dǎo)程BP/mm 絲杠總長度BL/mm 絲杠動(dòng)載荷Ca/KN 絲杠質(zhì)量BW/kg 1210-2 F型 切邊六孔 12 10 650 2.5 0.6 3.2.2伺服電機(jī)選擇 （1）伺服電機(jī)功率確定 估算出伺服電機(jī)的最大功率P： P=K(1+μ) WAgv (19) 式中：WA是水平手臂質(zhì)量，通

35、過三維實(shí)體模型建立可得WA =20kg；μ是摩擦系數(shù)0.1；v是平移最大速度1m/s；K是安全系數(shù)，取K=1.2。 計(jì)算得P=282.24W，取功率P=400W的交流伺服電機(jī)，可選電機(jī)型號(hào)：MSME 042G1，它的有關(guān)技術(shù)參數(shù)如下表： 表3.4 豎直移動(dòng)伺服電機(jī)技術(shù)參數(shù) 電機(jī)型號(hào) 功率P/W 交流電源/V 額定轉(zhuǎn)速n/(rmin-1) 最大轉(zhuǎn)速nmax/(rmin-1) 額定轉(zhuǎn)矩T/(Nm) 最大轉(zhuǎn)矩Tmax/(Nm) 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JM/(kgcm2) 有無制動(dòng)器 MSME 042G1 400 AC200 3000 6000 1.3 3.8 0.28

36、有 （2）伺服電機(jī)慣量比校核 測(cè)量絲杠的三維模型，得滾珠絲杠的質(zhì)量BW=0.6kg，則負(fù)載部分的慣量： JL=JC+JB=JC+1/8BWBD2+WABP2/(4π2) (20) 式中：JC是所選聯(lián)軸器的慣量，JC=3.210-5kgm2，WA是水平手臂質(zhì)量，通過三維實(shí)體模型建立可得WA =20kg，計(jì)算可得JL=1.1910-4kgm2。 預(yù)選電機(jī)的慣量JM=0.2810-4 kgm2，則慣量比： JL/JM=4.25倍<30倍 (21) （3）伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩校核 一般伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)模式如圖： 圖3.4 伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)模式 由最大速度1m/s，移動(dòng)距離為0.

37、5m，可假設(shè)：加速時(shí)間ta=0.1s，勻速時(shí)間tb=0.4s，減速時(shí)間td=0.1s，循環(huán)時(shí)間tc=1.2s。 移動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tf： (22) 式中：Bη是進(jìn)給絲杠的效率，取0.96；μ是摩擦系數(shù)，取0.1；其他參數(shù)可由前面的表格得到，計(jì)算上式得Tf=0.0325Nm。 加速時(shí)轉(zhuǎn)距Ta： (23) 式中：JL和JM分別是負(fù)載部分的慣量和預(yù)選電機(jī)的慣量，N是電機(jī)最高轉(zhuǎn)速100r/s，計(jì)算得Ta=0.956Nm。 減速時(shí)轉(zhuǎn)矩Td： (24) 式中：JL和JM分別是負(fù)載部分的慣量和預(yù)選電機(jī)的慣量，N是電機(jī)最高轉(zhuǎn)速100r/s，計(jì)算得Td=0.891Nm。 因此，

38、最大轉(zhuǎn)矩就是加速時(shí)的轉(zhuǎn)矩Ta=0.956Nm，乘以安全系數(shù)K=1.2，TaK=1.15 Nm <3.8Nm（400W電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩）。 確認(rèn)有效轉(zhuǎn)矩Trms： (25) 乘以K，TrmsK=0.454 Nm<1.3 Nm(400W電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩)。根據(jù)以上計(jì)算可知功率750W電機(jī)滿足轉(zhuǎn)矩和慣量比要求，適合選用。 3.2.3聯(lián)軸器選擇： （1）選擇聯(lián)軸器 首先確定聯(lián)軸器的力矩T T=T1K1K2K3 (26) 式中：T1是伺服電機(jī)的力矩，選擇伺服電機(jī)時(shí)可在手冊(cè)上查得，值為1.27Nm；K1、K2、K3是聯(lián)軸器的工況系數(shù)； 假定：負(fù)載變動(dòng)較大，K1取1.7，每天運(yùn)

39、轉(zhuǎn)8h，K2取1.00，每小時(shí)啟停120次，K3 取1.5的條件下，T=3.24Nm，力矩不大，聯(lián)軸器可初步選擇夾緊式聯(lián)軸器。 夾緊式聯(lián)軸器是一種金屬彈性聯(lián)軸器，軸拆裝方便，但正常工作承受的力矩有限，對(duì)同軸度要求不是很高，并且該聯(lián)軸器正反轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)特性一致，非常適用于機(jī)器人等頻繁啟停的場(chǎng)合。 伺服電機(jī)的輸出軸徑Φ14mm和絲杠的輸入軸徑Φ10mm，由此選擇聯(lián)軸器型號(hào)TS4C-40-1014，如下圖。 圖3.5 鋁合金彈性聯(lián)軸器 （2）校核力矩 查閱企業(yè)聯(lián)軸器產(chǎn)品說明書[9]，TS4C-40-1014型聯(lián)軸器的擰緊力矩達(dá)4Nm，大于聯(lián)軸器實(shí)際工作時(shí)所承受的力矩T=3.24Nm，滿

40、足實(shí)際要求。 3.3水平平移 水平平移傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用滾珠絲杠。螺母水平方向固定不動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的絲杠帶動(dòng)整個(gè)機(jī)械手臂相對(duì)于螺母前后平移，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的水平平移。 水平平移和豎直平移采用相同的傳動(dòng)方式，運(yùn)動(dòng)參數(shù)一致，因此絲杠螺母、伺服電機(jī)和聯(lián)軸器選擇方法一致，不同在于水平平移不用克服機(jī)械手臂的重力，消耗功率減小，因此電機(jī)選擇的功率有所變動(dòng)。 3.3.1滾珠螺母絲杠選擇 水平平移自由度滾珠絲杠選擇同豎直平移，詳細(xì)技術(shù)參數(shù)見表3-3。 3.3.2伺服電機(jī)選擇 （1）伺服電機(jī)功率確定 估算出伺服電機(jī)的最大功率P： P=KμWAgv (27) 式中：WA是水平手臂質(zhì)量，通過三

41、維實(shí)體模型建立可得WA =20kg；μ是摩擦系數(shù)0.1；v是平移最大速度1m/s；K是安全系數(shù)，取K=1.2。 計(jì)算得P=24W，取功率P=200W的交流伺服電機(jī)，可選電機(jī)型號(hào)：MSME 022G1，它的有關(guān)技術(shù)參數(shù)如下表： 表3.5 水平移動(dòng)伺服電機(jī)技術(shù)參數(shù) 電機(jī)型號(hào) 功率P/W 交流電源/V 額定轉(zhuǎn)速n/(rmin-1) 最大轉(zhuǎn)速nmax/(rmin-1) 額定轉(zhuǎn)矩T/(Nm) 最大轉(zhuǎn)矩Tmax/(Nm) 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JM/(kgcm2) MSME 022G1 200 AC200 3000 6000 0.64 1.91 0.14 （2）伺服電機(jī)慣量

42、比校核 測(cè)量絲杠的三維模型，得滾珠絲杠的質(zhì)量BW=0.6kg，則負(fù)載部分的慣量： JL=JC+JB=JC+1/8BWBD2+WABP2/(4π2) (28) 式中：JC是所選聯(lián)軸器的慣量，JC=3.210-5kgm2，WA是水平手臂質(zhì)量，通過三維實(shí)體模型建立可得WA =20kg，計(jì)算可得JL=1.1910-4kgm2。 預(yù)選電機(jī)的慣量JM=0.1410-4 kgm2，則慣量比： JL/JM=8.5倍<30倍 (29) （3）伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩校核 伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)模式同豎直平移的運(yùn)轉(zhuǎn)模式：加速時(shí)間ta=0.1s，勻速時(shí)間tb=0.4s，減速時(shí)間td=0.1s，循環(huán)時(shí)間tc=

43、1.2s。 移動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tf不變，Tf=0.0325Nm。 加速時(shí)轉(zhuǎn)距Ta： (30) 式中：JL和JM分別是負(fù)載部分的慣量和預(yù)選電機(jī)的慣量，N是電機(jī)最高轉(zhuǎn)速100r/s，計(jì)算得Ta=0.868Nm。 減速時(shí)轉(zhuǎn)矩Td： (31) 式中：JL和JM分別是負(fù)載部分的慣量和預(yù)選電機(jī)的慣量，N是電機(jī)最高轉(zhuǎn)速100r/s，計(jì)算得Td=0.803Nm。 因此，最大轉(zhuǎn)矩就是加速時(shí)的轉(zhuǎn)矩Ta=0.868Nm，乘以安全系數(shù)K=1.2，TaK=1.04 Nm <1.91Nm（400W電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩）。 確認(rèn)有效轉(zhuǎn)矩Trms： (32) 乘以K，TrmsK=0.411 Nm

44、<0.64 Nm(400W電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩)。 根據(jù)以上計(jì)算可知，慣量比和功率雖然有較大余量，但根據(jù)轉(zhuǎn)矩選擇200W電機(jī)。 3.3.3聯(lián)軸器選擇 （1）選擇聯(lián)軸器 聯(lián)軸器仍選用夾緊式彈性聯(lián)軸器，選擇方法同上，首先確定聯(lián)軸器的力矩T： T=T1K1K2K3 (33) 式中：T1是伺服電機(jī)的力矩，選擇伺服電機(jī)時(shí)可在手冊(cè)上查得，值為0.64Nm；K1、K2、K3是聯(lián)軸器的工況系數(shù)； 假定：負(fù)載變動(dòng)較大，K1=1.7，每天運(yùn)轉(zhuǎn)8小時(shí)，K2=1.00，每小時(shí)啟停120次，K3=1.5的工況下，T=1.64Nm， 伺服電機(jī)的輸出軸徑Φ11mm和絲杠的輸入軸徑Φ10mm，由此選擇聯(lián)軸器

45、型號(hào)TS4C-40-1011。 （2）校核力矩 查閱企業(yè)聯(lián)軸器產(chǎn)品說明書，TS4C-40-1011型聯(lián)軸器的擰緊力矩達(dá)4Nm，大于聯(lián)軸器實(shí)際工作時(shí)所承受的最大力矩T=1.64Nm，滿足實(shí)際要求。 3.4手臂末端操縱器旋轉(zhuǎn) 末端操縱器由法蘭盤連接，需承載3kg重物，伺服電機(jī)連接行星齒輪減速器，減速器輸出軸直接連接法蘭盤，帶動(dòng)法蘭盤旋轉(zhuǎn)，如下圖： 圖3.6 末端傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖 預(yù)算法蘭盤連同末端操縱器和重物總共10kg。伺服電機(jī)和減速器的選擇方法同腰部電機(jī)和減速器的選擇，具體過程不再給出。 3.4.1伺服電機(jī)選擇 經(jīng)估算，選擇電機(jī)功率100W，電機(jī)的相關(guān)參數(shù)如下表：

46、 表3.6 末端伺服電機(jī)技術(shù)參數(shù) 電機(jī)型號(hào) 功率P/W 交流電源/V 額定轉(zhuǎn)速n/(rmin-1) 最大轉(zhuǎn)速nmax/(rmin-1) 額定轉(zhuǎn)矩T/(Nm) 最大轉(zhuǎn)矩Tmax/(Nm) 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JM/(kgcm2) MSME 012G1 100 AC200 3000 6000 0.32 0.95 0.051 3.4.2減速器選擇 經(jīng)估算，減速器選擇的型號(hào)是PL-50-120-S，相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下表： 表3.7 末端行星減速器技術(shù)參數(shù) 減速器型號(hào) 減速比i 滿載效率 額定輸出扭矩T2N/(Nm) 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J/(kgcm2) 最大徑向力Fr/

47、N 最大軸向力Fa/N PL-50-120-S 120 90％ 10 0.029 440 420 PL型減速器如圖所示： 圖3.7 PL型行星齒輪減速器 第四章 輔助機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.1 導(dǎo)線線路設(shè)計(jì) 機(jī)床等機(jī)械導(dǎo)線線路的鋪設(shè)一般是采用軟管或者坦克鏈等輔助件。 坦克鏈?zhǔn)且话阊b在機(jī)床機(jī)械上，用于牽引和保護(hù)電纜及軟管的，形似坦克鏈的機(jī)械輔助裝置。坦克鏈一般用在往復(fù)運(yùn)動(dòng)較為頻繁的場(chǎng)合，用來牽引和保護(hù)導(dǎo)線及軟管。坦克鏈由若干的坦克鏈節(jié)連接而成，節(jié)與節(jié)可自由轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)線在安裝和拆卸時(shí)，坦克鏈的節(jié)從兩側(cè)打開，方便導(dǎo)線放入。坦克鏈一節(jié)如圖

48、所示。 圖4.1 坦克鏈一節(jié) 一般在兩個(gè)連接點(diǎn)之間有電纜連接，并且兩點(diǎn)間有相對(duì)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的情況下，考慮使用坦克鏈。線路簡(jiǎn)圖如下圖所示： 1是軟管，2、3、4是坦克鏈條，5是外殼內(nèi)布線 圖4.2 線路簡(jiǎn)圖 所有導(dǎo)線匯集在基座下端，跟基座殼固連。基座下端第一次分流，連接基座內(nèi)的750W伺服電機(jī)。其余通過軟管連接到機(jī)器人腰部的外殼上，可以隨著腰部旋轉(zhuǎn)而彎曲伸縮。自腰部外殼出分流，一部分從機(jī)身外殼的卡線槽中走線，連接機(jī)器人頂端400W伺服電機(jī)，另一部分通過坦克鏈連接至豎直方向移動(dòng)的滑塊上，同滑塊一起上下移動(dòng)，坦克鏈上下伸縮移動(dòng)。水平放置的兩個(gè)伺服電機(jī)分別用坦克鏈連接至水平移動(dòng)的滑

49、塊上，隨滑塊一起水平移動(dòng)伸縮。導(dǎo)線布置在軟管和坦克鏈中，并與軟管或者坦克鏈之間沒有相對(duì)移動(dòng)。注意的是，導(dǎo)線在坦克鏈中最多填滿90％的空隙，在軟管中最多填滿80％的空隙。 4.2機(jī)構(gòu)零點(diǎn)設(shè)計(jì) 一般機(jī)床等機(jī)構(gòu)剛啟動(dòng)時(shí)，要首先確定運(yùn)動(dòng)部件在整個(gè)機(jī)構(gòu)中的位置，及相對(duì)機(jī)構(gòu)機(jī)械零點(diǎn)的位置，方才好進(jìn)行下面的一系列由程序控制的操作。機(jī)構(gòu)零點(diǎn)的設(shè)計(jì)就是確定機(jī)構(gòu)的機(jī)械零點(diǎn)位置，并設(shè)計(jì)出發(fā)開關(guān)和連接線路。選擇傳感器是機(jī)構(gòu)零點(diǎn)設(shè)計(jì)的主要問題。可供選擇的傳感器有：光柵傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、限制開關(guān)等。微動(dòng)開關(guān)是一種靠機(jī)械外力作用，通斷迅速的接點(diǎn)機(jī)構(gòu)，由于其價(jià)格便宜，使用廣泛，使用可靠，安裝方便，因此使用

50、微動(dòng)開關(guān)作為機(jī)器人的零點(diǎn)位置開關(guān)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示： 圖4.3 微動(dòng)開關(guān)結(jié)構(gòu)圖 上圖中：1)是操作體，2)是驅(qū)動(dòng)桿，3)是接點(diǎn)間隔，4)是端子，5)是可動(dòng)片，6)是安裝孔，7)是開關(guān)外殼。在本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人中，操作體是機(jī)械手臂上的外殼，外殼前進(jìn)壓上驅(qū)動(dòng)桿，驅(qū)動(dòng)桿傳導(dǎo)外力至內(nèi)部彈簧結(jié)構(gòu)，推動(dòng)可動(dòng)接點(diǎn)進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作。 微動(dòng)開關(guān)安裝位置如下圖表示： 1、2、3、4均為微動(dòng)開關(guān) 圖4.4 微動(dòng)開關(guān)安裝位置  第五章 總結(jié)與展望 5.1總結(jié) 圓柱坐標(biāo)型搬運(yùn)機(jī)器人在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域中有非常廣泛的應(yīng)用，這次設(shè)計(jì)的主要目的是結(jié)合實(shí)際工業(yè)需求，設(shè)計(jì)一種能夠自動(dòng)搬運(yùn)工件的工業(yè)機(jī)器人

51、，該種機(jī)器人有四個(gè)自由度?？偨Y(jié)如下： （1）此次設(shè)計(jì)的任務(wù)是利用三維設(shè)計(jì)軟件，完成一種四自由度圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證其正確性； （2）此次任務(wù)完成了以下內(nèi)容：完成機(jī)器人整機(jī)設(shè)計(jì)，包括基座、腰部旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、豎直機(jī)身、水平手臂和末端旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)；完成對(duì)交流伺服電機(jī)、行星輪減速器減速、滾珠絲杠等的產(chǎn)品的選型；完成外殼的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，完成機(jī)構(gòu)零點(diǎn)和極限位置的微動(dòng)開關(guān)設(shè)計(jì)；成機(jī)器人三維實(shí)體的裝配，并繪制出機(jī)器人的二維工程圖。 （3）成果有以下幾個(gè)：三維零件模型圖紙若干、三維機(jī)器人裝配圖一份、二維機(jī)器人裝配圖一份、二維零件圖若干。 5.2展望 由于時(shí)間和本人能力有

52、限，這次設(shè)畢業(yè)計(jì)還存在一些不足之處，還可以有所提高，展望如下： （1）由于時(shí)間有限，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)沒有設(shè)計(jì)機(jī)器人的控制部分，末端控制器的手爪部分也沒有設(shè)計(jì)，實(shí)際工程設(shè)計(jì)中控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要； （2）機(jī)器人的傳感器設(shè)計(jì)不豐富，僅設(shè)計(jì)了零點(diǎn)位置和極限位置的機(jī)械式限位開關(guān)，如一些位置傳感器，速度傳感器以及力和觸覺傳感器都未有設(shè)計(jì)； （3）考慮到線速度要求較高，最大線速度有1m/s，造成選擇電機(jī)時(shí)會(huì)有較大的功率余量，機(jī)器人底座占用的空間變大，而實(shí)際小負(fù)載機(jī)器人的工程設(shè)計(jì)中，線速度要求沒有1m/s這么高； （4）工業(yè)機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率是一個(gè)比較重要的參數(shù)，在這方面未作考慮，實(shí)際工程設(shè)計(jì)上面

53、需要考慮效率問題； （5）機(jī)器人外殼設(shè)計(jì)不完善，未能將機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全包括在內(nèi)，實(shí)際應(yīng)用中會(huì)使用耐高溫帆布伸縮套和耐磨帆布軟連接，隨著機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)而伸縮，并且起到封閉作用。  參 考 文 獻(xiàn) [1] 張福學(xué).機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用[M].第1版，北京：電子工業(yè)出版社，2000. 7~40. [2] 馬光, 申桂英.工業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2002(3): 48-51. [3] 曹文祥,馮雪梅.工業(yè)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].機(jī)械制造，2010，49(558): 41-43. [4] 孫學(xué)儉, 于國輝, 周文喬,等.對(duì)世界工業(yè)機(jī)器人發(fā)展

54、特點(diǎn)的分析[J].機(jī)器技術(shù)與應(yīng)用，2002(3): 8-9. [5] 韓服善.基于Solidworks 2000的圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2008（12）：42-44. [6] 馮晉中.2013年中國工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)研究報(bào)告[R].MIR睿工業(yè), 2013. [7] 韓建海.工業(yè)機(jī)器人[M].武漢: 華中科技大學(xué)出版社，2009: 1-19. [8]陸正勇. 我國工業(yè)機(jī)器人企業(yè)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[Z/OL]. [2014-1-18]. [9] 潘麗霞. 論工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展與應(yīng)用[J]. 山西科技，2010，25(3): 22-23. [10] 河北滄州天碩聯(lián)軸器有限公

55、司.精密聯(lián)軸器[Z].河北：河北滄州天碩聯(lián)軸器有限公司,2009. [11] 珠海松下馬達(dá)有限公司.Panasonic A5系列松下伺服馬達(dá)使用說明書[Z].廣東：珠海松下馬達(dá)有限公司,2000. [12] 湖北星星傳動(dòng)設(shè)備有限公司.伺服減速機(jī)樣本[Z].湖北：湖北星星傳動(dòng)設(shè)備有限公司,2008. [13] 李敬宇，周盛軍，安來侃，等.螺桿系統(tǒng)手冊(cè)[Z].深圳：深圳威遠(yuǎn)精密技術(shù)有限公司,2013.  附錄： 1、零件受載分析報(bào)表  模擬對(duì)象為 零件1 日期: 2014年5月27日 設(shè)計(jì)員: Solidworks 算例名稱: 算例 1 分析類型: 靜

56、應(yīng)力分析 Table of Contents 說明 1 假設(shè) 2 模型信息 2 算例屬性 3 單位 3 材料屬性 4 載荷和夾具 4 接頭定義 5 接觸信息 5 網(wǎng)格信息 6 傳感器細(xì)節(jié) 7 合力 7 橫梁 7 算例結(jié)果 8 結(jié)論 10 說明 無數(shù)據(jù)  假設(shè) 模型信息 模型名稱: 零件1 當(dāng)前配置: 默認(rèn) 實(shí)體 文檔名稱和參考引用 視為 容積屬性 文檔路徑/修改日期 凸臺(tái)-拉伸4 實(shí)體 質(zhì)量:10.3793 kg 體積:0.00134796 m^3 密度:7700 kg/m^3 重量:101.71

57、7 N C:\Users\1111\Desktop\零件1.SLDPRT May 26 17:00:22 2014 算例屬性 算例名稱 算例 1 分析類型 靜應(yīng)力分析 網(wǎng)格類型 實(shí)體網(wǎng)格 熱力效果: 打開 熱力選項(xiàng) 包括溫度載荷 零應(yīng)變溫度 298 Kelvin 包括 SolidWorks Flow Simulation 中的液壓效應(yīng) 關(guān)閉 解算器類型 FFEPlus 平面內(nèi)效果: 關(guān)閉 軟彈簧: 關(guān)閉 慣性卸除: 關(guān)閉 不兼容接合選項(xiàng) 自動(dòng) 大型位移 關(guān)閉 計(jì)算自由實(shí)體力 打開 摩擦 關(guān)閉 使用自適應(yīng)方法

58、: 關(guān)閉 結(jié)果文件夾 SolidWorks 文檔 (c:\users\1111\appdata\local\temp) 單位 單位系統(tǒng): 公制 (MKS) 長度/位移 mm 溫度 Kelvin 角速度 弧度/秒 壓強(qiáng)/應(yīng)力 N/m^2 材料屬性 模型參考 屬性 零部件 名稱: 合金鋼 模型類型: 線性彈性同向性 默認(rèn)失敗準(zhǔn)則: 最大 von Mises 應(yīng)力 屈服強(qiáng)度: 6.20422e+008 N/m^2 張力強(qiáng)度: 7.23826e+008 N/m^2 彈性模量: 2.1e+011 N/m^2 泊松比:

59、0.28 質(zhì)量密度: 7700 kg/m^3 抗剪模量: 7.9e+010 N/m^2 熱擴(kuò)張系數(shù): 1.3e-005 /Kelvin SolidBody 1(凸臺(tái)-拉伸4)(零件1) 曲線數(shù)據(jù):N/A 載荷和夾具 夾具名稱 夾具圖像 夾具細(xì)節(jié) 固定-1 實(shí)體: 1 面 類型: 固定幾何體 合力 零部件 X Y Z 合力 反作用力(N) 0.0142332 29.9998 0.000511438 29.9998 反力矩(Nm) 0 0 0 0 載荷名稱 裝入圖象 載荷細(xì)節(jié) 力-1

60、實(shí)體: 1 面 類型: 應(yīng)用法向力 值: 30 N 接頭定義 無數(shù)據(jù) 接觸信息 接觸 接觸圖像 接觸屬性 全局接觸 類型: 接合 零部件: 1 零部件 選項(xiàng): 兼容網(wǎng)格 網(wǎng)格信息 網(wǎng)格類型 實(shí)體網(wǎng)格 所用網(wǎng)格器: 基于曲率的網(wǎng)格 雅可比點(diǎn) 4 點(diǎn) 最大單元大小 0 mm 最小單元大小 0 mm 網(wǎng)格品質(zhì) 高 網(wǎng)格信息 - 細(xì)節(jié) 節(jié)點(diǎn)總數(shù) 17565 單元總數(shù) 9122 最大高寬比例 10.156 單元 (%)，其高寬比例 < 3 95 單元 (%)，

61、其高寬比例 > 10 0.011 扭曲單元(雅可比)的 % 0 完成網(wǎng)格的時(shí)間(時(shí);分;秒): 00:00:05 計(jì)算機(jī)名: 1111-PC 傳感器細(xì)節(jié) 無數(shù)據(jù) 合力 反作用力 選擇組 單位 總和 X 總和 Y 總和 Z 合力 整個(gè)模型 N 0.0142332 29.9998 0.000511438 29.9998 反作用力矩 選擇組 單位 總和 X 總和 Y 總和 Z 合力 整個(gè)模型 Nm 0 0 0 0 橫梁 無數(shù)據(jù) 算例結(jié)果 名稱 類型 最小 最大 應(yīng)力1 V

62、ON:von Mises 應(yīng)力 1547.57 N/m^2 節(jié): 2776 1.7652e+006 N/m^2 節(jié): 15943 零件1-算例 1-應(yīng)力-應(yīng)力1 名稱 類型 最小 最大 位移1 URES:合位移 0 mm 節(jié): 160 0.0392216 mm 節(jié): 2384 零件1-算例 1-位移-位移1 名稱 類型 最小 最大 應(yīng)變1 ESTRN :對(duì)等應(yīng)變 4.96303e-009 單元: 4777 5.25003e-006 單元: 8225 零件1-算例 1-應(yīng)變-應(yīng)變1 名稱 類型 位移1{1} 變形形狀 零件1-算例 1-位移-位移1{1} 結(jié)論