四自由度圓柱坐標機器人機械手臂設計

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1、四自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人機械設計 摘要 在現(xiàn)代制造業(yè)中，工業(yè)機器人已成為不可或缺的核心自動化裝備。工業(yè)機器人適應工作 環(huán)境能力強，可擔任各種類型各種強度的生產(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)自動化水平。國內工業(yè)機器人起步晚，市場占有率低，許多核心技術還沒有掌 握，可靠性低，應用范圍小，零部件互換性低。 現(xiàn)設計一種四自由度的圓柱坐標型機器人，能實現(xiàn)工件的上下搬運。該四自由度機器人 由兩個旋轉自由度機構和兩個平移自由度機構組成，根據(jù)機器人運動參數(shù)，選擇足夠功率的 伺服電機，然后，估算驅使機構各自由度運動需要的力及扭矩，選擇傳動比合適且大小合適 的減速器。通過伺服電機

2、減速器驅動機構的運動，實現(xiàn)機器人腰部旋轉，手臂的豎直升降， 手臂的水平移動和末端操縱器的旋轉。在機器人輔助系統(tǒng)的設計部分，還考慮了伺服電機導 線坦克鏈的排布，機構零點位置的觸發(fā)開關及其導線排布的設計。 關鍵詞：四自由度，圓柱坐標，工業(yè)機器人，機械設計 i Mecha nical Desig n of a 4-DOF Cyli ndrical In dustrial Robot Abstract In moder n manu facturi ng, in dustrial robot has become an in dispe nsable core automati on

3、equipme nt. I ndustrial robot has good adaptability, can adapt to all kinds of mass product ion, high precisi on, fast speed, easy to con trol, can sig nifica ntly improve the automati on level of product ion. Domestic in dustrial robots started late, has low market share, low reliability, and many

4、core tech no logies have not yet mastered. The applicati on scope is small, the in tercha ngeability of parts is low. The design of a kind of four degree of freedom cylindrical coordinate robot, can realize the workpiece movi ng up and dow n. The four degree of freedom robot mecha nism is composed

5、of two rotati onal degrees of freedom and two tran slatio nal degrees of freedom mecha ni sm. Accordi ng to the robot moveme nt parameters, servo motor is selected, and the n estimates the sufficie nt power, force and torque of each degree of freedom moveme nt n eeds, choose the appropriate tran smi

6、ssi on ratio 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 wi

7、re tank chain, design the trigger switch and wire arranging mechanism the zero position into con sideratio n. Key Words: 4-DOF; Cyli ndrical coordi nates; I ndustrial Robot; Mecha nical design # 摘要 i Abstract ii 第一章引言 1 1.1工業(yè)機器人 1 1.1.1 工業(yè)機器人的概念及特點 1 1.1.2工業(yè)機器人的組成 1 1.1.3國內外發(fā)展狀況 2

8、 1.2研究內容 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 機構結構設計 4 2.1設計分析及方案擬定 4 2.1.1 設計要求 4 2.1.2設計流程 5 2.1.3方案擬定 5 2.2主要結構件設計 6 2.2.1旋轉平臺結構 6 2.2.2滾珠絲杠結構 7 2.2.3中間連接器 9 2.2.4外殼設計 11 2.3受載變形校核 11 第三章 傳動機構設計 13 3.1腰部轉動 13 3.1.1減速器選擇 13 3.1.2伺服電機選擇 14 3.1.3 傳動法蘭盤設計

9、 15 3.2豎直平移 16 3.2.1滾珠絲杠及螺母選擇 16 3.2.2伺服電機選擇 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 伺服電機選擇 21 3.3.3聯(lián)軸器選擇 22 3.4手臂末端操縱器旋轉 23 3.4.1伺服電機選擇 23 3.4.2減速器選擇 24 第四章輔助機構設計 25 4.1坦克鏈線路設計 25 4.2機構零點設計 26 第五章總結與展望 28 5.1總結 28 5.2展望 28 參考文獻 30 致謝 31 附錄 32

10、3 -1 - 第一章引言 1.1工業(yè)機器人 1.1.1工業(yè)機器人的概念及特點 我國專家學者對于工業(yè)機器人的概念解釋也各有不同，綜合各方面的說法，從工業(yè)機器 人能實現(xiàn)的功能來講，工業(yè)機器人是有以下功能的機器： （1）具有執(zhí)行運動操作的機構； （1） 具有通用性，可實現(xiàn)多種運動操作； （2） 有一定程度的智能，能重復編程； （3） 有一定的獨立性，一定程度上不依賴人的操縱。 1.1.2工業(yè)機器人的組成 工業(yè)機器人一般由機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，四自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人的機械系 統(tǒng)組成由下圖可知: 四自由度圓 柱坐標型工 業(yè)機器人機

11、 械系統(tǒng) 驅動機構 伺服電機驅 動 末端操縱器——減速器傳動 圖1.1 執(zhí)行機構 減速器傳動 絲杠螺母傳動 四自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人機械系統(tǒng)組成 （1） 驅動機構：本次設計采用四個交流伺服電機驅動四個自由度。至于氣壓，液壓驅動 的裝置體積較大，因行程較大而不采用。 （2） 執(zhí)行機構：本次設計的執(zhí)行機構主要包括底座、 腰部機構、手臂機構和末端操縱器。 采用絲杠螺母和行星齒輪減速器兩種傳動方式，能將旋轉運動轉換成直線運動或將高轉速轉 換成低轉速，再將動力傳遞給執(zhí)行裝置。 1.1.3國內外發(fā)展狀況 上世紀中葉，美國結合機械手和操作機兩者的優(yōu)勢，開發(fā)了一種可自

12、動執(zhí)行動作的機械 裝置，稱為工業(yè)機器人。60年代末，美國通用汽車公司采用機械手臂，建立了汽車焊接車身 的自動化生產(chǎn)線。此后，工業(yè)機器人的研制和應用，受到各個工業(yè)發(fā)達國家的重視。日本又 稱為“機器人的王國”，可見日本的工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)非常發(fā)達，如今的日本在智能型工業(yè)機器 人上取得了巨大成就。隨后，工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)又開始在歐洲崛起 ⑵。 工業(yè)機器人在中國發(fā)展的很快，但相比世界上先進的工業(yè)機器人，技術差距依舊明顯 國內工業(yè)機器人起步晚，相比國外先進技術，國內工業(yè)機器人可靠性較低，應用領域較窄， 生產(chǎn)線技術落后，零部件互換性低［4］。工業(yè)機器人且可用于環(huán)境惡劣，勞動強度高，勞動單 調乏味的工作中，將人們

13、從中解放出來。 1.2研究內容 1.2.1研究方法 現(xiàn)設計一種工業(yè)機器人，有四個自由度，采用圓柱坐標型，利用該種機器人實現(xiàn)工件的 上下料搬運。本次設計主要設計機械系統(tǒng)部分。該機器人的四個自由度分別是腰部旋轉、手 臂豎直升降、手臂的水平伸縮和手臂末端操縱器旋轉。由四個自由度確定各自傳動方式，選 擇傳動裝置。確定機器人各個運動部件運動所需的功率，再選擇合適的伺服電機和減速器。 設計機械手臂整體結構采用的三維實體設計軟件是 SolidWorks 2013,對于分析機構的質量、 質心等參數(shù)十分方便。 1.2.2研究成果 本次設計基本完成任務，具體成果如下： （1） 完成四自由度圓柱坐標型

14、機器人的整體結構設計，包括基座、腰部旋轉平臺、豎直 機身、水平手臂和末端旋轉平臺的設計； （2） 完成外殼包裝的簡單設計，完成機構零點和極限位置的傳感器設計； （3） 完成機器人三維實體的裝配，并繪制出機器人的二維工程圖。 1.3研究意義 工業(yè)機器人已經(jīng)是現(xiàn)代制造業(yè)中舉足輕重的自動化機械，一些機械式的、工作環(huán)境惡劣 危險的、沒有創(chuàng)新性的作業(yè)完全可以由機器人替代人工完成。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)機器人耐高溫，程序寫好就可以防止與其 他加工工具碰撞，避免了工作中出現(xiàn)危險的可能 [6] 工業(yè)機器人能適應多品種中小批量生產(chǎn)，高精度高

15、速度，容易控制，能顯著提高生產(chǎn)自 動化水平。目前小負載旋轉臂機型工業(yè)機器人市場容量大、應用廣泛 ⑹。 -3 - 第二章機構結構設計 2.1設計分析及方案擬定 2.1.1設計要求 主要解決問題：按下表中參數(shù)的要求，設計一種四自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人，完成 該工業(yè)機器人的機械結構設計、驅動裝置設計、傳動裝置設計、各自由度零點和極限位置設 計及傳感器選擇： 表2.1機器人設計參數(shù) 最大負載 /kg 腰部、臂部回 轉角度/o 伸縮行程 /mm 高度行程 /mm 最大旋轉角 速度 -1 /（rad s ? 最大移動 速度 /（m s-1） 重復定位

16、 精度 /mm 3 360 500 500 2 1 ).1 機器人的工作空間是指機器人正常工作時手臂末端操縱器能活動的范圍，可從上表推得, 工作空間圖如下： b）俯視圖 圖2.1機械手臂工作空間 2.1.2設計流程 （1） 分析四個自由度，選擇適當?shù)尿寗臃绞?、傳動裝置和機構件； （2） 用三維建模軟件完成主要零件（包括所有結構件）的三維建模，并初步完成三維實體模 型裝配; (3) 對實體模型相關參數(shù)進行測量估算，按設計要求，最終確定電機、減速器、絲杠等產(chǎn)品 參數(shù)，完成裝配； (4) 對機器人運動進行動畫仿真和受載分析，驗證設計正確性； (5) 繪制

17、二維工程圖 流程圖如下圖所示: 圖22設計流程 -5 - -# - 2.1.3方案擬定 根據(jù)設計需求，設計出的工業(yè)機器人大致外形圖如圖 2.1所示 圖2.3工業(yè)機器人圖 序號 零件名稱 零件名稱 1 底盤 9 聯(lián)軸器 2 減速器 10 伺服電機 3 伺服電機 11 伺服電機 4 滑塊 12 聯(lián)軸器 5 導軌 13 傳動法蘭 6 絲杠 14 底埋 7 支撐板 15 8 軸承座 16 伺服電機 由上面的設計參數(shù)表可知，機器人手臂的行程是500mm較大，宜使用電機作為驅動裝置 考慮

18、到步進電機精度不足，加速性能一般，易產(chǎn)生丟步或過沖，性能效果沒有交流伺服電機 好，又因為所設計的機械手臂起動頻率高，且要求快速啟停，需達到一定傳動精度，因此選 擇交流伺服電機。 傳動裝置選擇行星齒輪減速器傳動和絲杠螺母傳動，其中行星齒輪減速器用于腰部高扭 矩低轉速的傳動，絲杠螺母用于手臂的水平和豎直平移傳動。 確定機器人的機構簡圖，以確定機器人的整體結構，所設計的工業(yè)機器人的機構簡圖如 下圖： a） 表示手抬 b） 表示水平或 垂直運動 c） 表示回轉運 動 圖2.4機器人運動簡圖 采用伺服電機和行星齒輪減速器實現(xiàn)機器人的腰部低轉速旋轉運動；考慮設計中水平方 向移動行程500

19、mm相對較大，水平手臂前后平移也是利用伺服電機驅動滾珠絲杠旋轉實現(xiàn)， 將水平移動和豎直移動的兩個螺母角度偏差 90度放置，共同固定在一個十字型鋼板結構件 上，達到水平方向絲杠螺母水平不移動，絲杠前后移動的效果；將一小功率伺服電機和行星 齒輪減速器連接，固定在水平手臂支撐板的一端，實現(xiàn)末端操縱器的旋轉。 2.2主要結構件設計 設計的機器人主要結構包括旋轉平臺、滾珠絲杠、中間連接器、和外包裝。 2.2.1旋轉平臺結構 旋轉平臺是腰部旋轉的實現(xiàn)的基礎，一般要求有足夠的穩(wěn)定性，結構要求便于裝修。它 將基座和上方的運動機構連接起來，承載運動機構的重量，旋轉平臺的設計對于機器人的平 衡性有很大

20、影響。 旋轉平臺結構如下圖所示， 1）套筒2） PX85減速器3）向心圓柱滾柱軸承 4）內支撐套5）外支撐套 6）加強筋7）傳動法蘭盤8）固定套筒9）固定墊片10）止推軸承 圖2.5旋轉平臺結構圖 內支撐套支撐機身重量，外支撐套帶動腰部轉動。內支撐套和外支撐套間的連接通過兩 個軸承實現(xiàn)：止推軸承承受整個機身的重力，向心圓柱滾柱軸承起到防止機構徑向力失衡的 作用。傳動法蘭盤用螺栓連接在外支撐套上，其內圈有鍵槽，配合減速器輸出軸，輸出軸轉 動，帶動法蘭盤和外支撐套轉動。減速器用螺栓連接至內支撐套上，輸出軸伸出，旋上螺母, 壓緊內外支撐套，實現(xiàn)腰部的軸向固定。 2.2.2滾珠絲

21、杠結構 滾珠絲杠結構實現(xiàn)了手臂的上下和前后平移，結構如圖所示： 圖2.6滾珠絲杠機構 絲杠安裝采用兩端支撐方式，兩端各裝有一個角接觸球軸承 （22-8-7,32-15-9），軸承由 其兩端的軸承座固定，軸承座安裝應使絲杠軸線與支撐板平行。軸承座自行設計，其三維模 型如下圖： 圖2.7軸承座 導軌為滾珠絲杠結構提供了足夠的支撐力。導軌首先選擇滾珠型直線導軌，主要考慮其 軌寬和軌長，滑塊主要是確定類型和數(shù)量。導軌選擇軌寬 15mm軌長根據(jù)工作行程需求選擇 600mm滑塊選擇四方型滑塊，其結構及總體尺寸如下圖所示： 49 圖2.8四方型滑塊 由于支撐

22、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，壓力為機身的重力，作用點在機身的中心位置，如下圖 所示： If 圖2.9支撐板壓桿模型 臨界壓力的公式為 二2EI 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，可由三維模型的質量屬性得到， 40067 kg mm2;卩是長度系數(shù)，對于一端固定 一端自由的情況，卩值為2.1; L是支撐板長度600mm。計算得到，F(xiàn)cr=4.98 X010N，遠大于 實際所受重力。 2.2.3中間連接器 (1) 中間連接器的設計

23、 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構旋轉而產(chǎn)生的 豎直方向的位移，傳遞給水平絲杠螺母機構，使得手臂能夠正常上下移動。中間連接器由兩 個螺母滑塊連接器和一塊中間連接板組成， 相互之間用內六角螺栓連接，其結構如下圖所示。 圖2.10中間連接器 螺母滑塊連接器自行設計，材料選擇 45鋼，其制造工藝流程簡單來說是鑄造、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力，擠

24、壓的強度條件是 式中：Fbs是擠壓力，A是擠壓面面積，［dbs］是擠壓許用應力。 由中間連接器的三維模型可知，工作中的連接板與 16個螺栓相互接觸，螺栓直徑3mm 連接板厚度5mm單個螺栓對連接板的擠壓面的面積 A為15X 10-需。 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)過測量得到質量 m不大于 15kg，因此單個螺栓孔受到擠壓力為 Fbs=mg/16=9.2N 因此，運算得到擠壓許用應力 -11 - [Cbs] > 0.613MPa 查表，可知鋼材的擠壓許用應力[驅]?355MPa遠大于最低要求。 224外

25、殼設計 機器人外殼外形圖如圖所示，其主要作用是滾珠絲杠的防塵，導線線路的排布和整體機 型的美觀。外殼采用鋁合金蒙皮包裝，蒙皮厚度為 3mm質量輕。材料塑性好，采用鍛壓加 工工藝，鍛壓成型。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 受載變形校核可簡單的由模型模擬機器人的末端受載時的撓度，得到形變偏移值。應用 Solidworks Simulation 的有限元分析功能，簡單分析彎曲變形。 根據(jù)機器人結構受力情況分析，主要是支撐板、絲杠、導軌等結構同時承載負載重量，

26、因此受載的模型可簡化如下圖： -1 - 圖2.15簡化的受載模型 下端做固定端，右上端的伸出端受向下的負載 3kg，及30N的力，材料統(tǒng)一選擇合金鋼, 其彈性模量是2.1 x 1011N/mi。運行結果為最大位移量 0.0392mm,基本滿足重復定位精度土 0.1m m的要求。詳見附錄1。 -# - 第三章傳動系統(tǒng)設計 傳動系統(tǒng)設計主要是傳動方式的確定，驅動電機的選擇，減速器的選擇以及其他輔助傳 動件的設計與選擇。本次設計的機器人平移自由度均采用滾珠絲杠螺母實現(xiàn)，旋轉自由度均 采用行星齒輪減速器實現(xiàn)。電機的選擇有步進電機和交流伺服電機，考慮到步進電機精度不 足，步進

27、電機加速性能一般，易產(chǎn)生丟步和過沖。所設計的機械手臂起動頻率高，要求快速 啟停，且需達到一定傳動精度，因此選擇交流伺服電機。 3.1腰部轉動 腰部旋轉采用行星齒輪減速器傳動。 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法蘭盤上，帶動腰部的上平臺轉動。 3.1.1減速器選擇 因為機器人腰部的旋轉相對伺服電機較慢，傳動比大，再考慮到機器人腰部尺寸較大， 可采用行星齒輪減速器，能實現(xiàn)較大傳動比的傳動。 為減小整個機器人手臂的體積，盡量使機構緊湊，在減速器型號選擇方面，均選擇彈性 齒輪軸套空心輸入，實心軸輸出方式。 (1) 確定驅動設備所需功率P2： F

28、2=KMgvu (5) 式中：m通過三維實體模型腰部以上旋轉部分質量的測量為 32.6kg，近似取m~33kg, 加上運行所需末端操縱器和 3kg重物，總質量取M=40kg ; K是安全系數(shù)，K=1.2; g是重力 加速度；v是機構運行速度，取2m/s；卩是摩擦系數(shù)，卩=0.15計算得P2=141.1W。 確定減速器的傳動比i: -13 - i= ni n2 式中：ni是電機轉速，n2是腰部轉速。腰部轉動最大角速度 為w2=2rad/s,轉速 血=9.55應=19.1r/min ,伺服電機轉速 ni=3000r/min ,則 i=3000/19.1=157,取 i=12

29、0,三級傳動。 (2) 確定使用系數(shù)f仁 查減速器技術手冊，假設均衡負載下啟動次數(shù)少，每日工作 12小時，fi=1.25。 (3) 被驅動設備的扭矩T2： T2=9550XP2/n2 ⑺ 式中：P2是驅動設備所需功率，匕是腰部最大轉速。計算得 T2=70.5N m。 (4) 減速器輸出扭矩T2N: T2N》TXi=88.1N m (8) 根據(jù)傳動比i、減速器輸出扭矩 T2N> 88.1N ?,查詢減速器技術手冊，選擇減速器： PX-85-120-S,減速器相關技術參數(shù)如下表： 表3.1腰部減速器技術參數(shù) 減速器型號 減速比i 滿載效率 額定輸出扭矩 T2n/N m

30、 轉動慣量 J/(kg cm2) 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 (5) 減速器徑向、軸向力校核： 減速器軸在徑向不受外力作用，因此不用校核。軸向有緊固螺釘對軸的拉力，考慮到緊 固螺釘?shù)淖饔脙H僅是防止機身徑向不平衡，所受軸向力很小，軸向力可不用校核。 3.1.2伺服電機選擇 (1) 電機所需功率P1N : P1N > K-2^nX=193.7W (9) 式中：K是安全系數(shù)，P2是驅動設備所需功率，n是滿載效率，f1是設備使用系數(shù)。 查伺服電機和減速器的技術手冊，所選減

31、速器對應電機的安裝尺寸為 ①90mm,對應伺服 電機功率750W,因此選擇電機型號：MSME 082G1，相關技術參數(shù)見下表： -1 - 交流 最大轉速 額定轉矩 最大轉矩 轉子轉動慣 功率 額定轉速n 電機型號 電源 nmax T T max 量 P/W -1 /(r m^in ) 1 2 /V /(r min ) /(N m) /(N m) Jm /(kg cm ) MSME 750 AC200 3000 6000 2.4

32、 7.1 0.87 082G1 表3.2腰部伺服電機技術參數(shù) (2)伺服電機慣量比校核: 估算負載慣量: I 1 . 2 1 小 2 J負載慣量= L + m2 D 3 - 1 2 I 2 =20 0.52 + 20 0.12 3 =2.52N m 式中: 估算電機和減速器的慣量: J電機+減速器=J電機+J減速器 -4 -4 2 =0.87 10 +0.7 10 120 =1.01N m 計算得: J負載慣量/J電機+減速器 =2.50 倍<20 倍 慣量比滿足要求。 (3)伺服電機轉矩校核: (10) (11

33、) (12) 根據(jù)傳動比i、減速器輸出扭矩T2N>88.1N ?，可以計算得到伺服電機最小所需的輸出扭 矩T電機: T 電機=T2N *i 幵》0.81 N m (13) 電機額定扭矩T=2.4 N m>T電機，所以轉矩滿足要求。 3.1.3傳動法蘭盤設計 傳動法蘭盤連接PX85行星齒輪減速器和腰部旋轉平臺，與行星齒輪減速器的輸出軸用鍵 連接，與腰部旋轉平臺用螺栓連接，將行星齒輪減速器的扭矩傳遞給腰部旋轉平臺，使腰部 旋轉運動得以實現(xiàn)。 傳動法蘭盤的設計圖如下:

34、 -15 - 圖3.2傳動法蘭盤 -17 - -# - 3.2豎直平移 豎直平移傳動方式選擇滾珠螺母絲杠（圖片）。伺服電機需要安裝在頂部，為防止機械手 臂自重下滑，伺服電機應帶有制動器。滾珠螺母絲杠的絲杠一端連接聯(lián)軸器，伺服電機輸出 軸連接聯(lián)軸器另一端。 3.2.1滾珠絲杠及螺母選擇 （1）選擇螺母型號 由三維實體所建立的模型，可選擇法蘭式單螺母， F型，切邊六孔。

35、 （2）確定絲杠導程Bp 由傳動關系圖可得 圖3.3絲杠螺母 BP V max i n max (14) 式中：Vmax是工作臺最大平移速度 1m/s； i是傳動比，=;nmax是電機最大轉速6000r/min， 計算可得導程Bp等于10mm （3）確定絲杠公稱直徑Bd  已知卩是摩擦系數(shù)0.03; Wa是負載質量，可由三維實體建模測量得出 WA=20kg； g是重 力加速度，計算導向面的摩擦力 Fa： Fa= ^WAg=0.25 20 >9.8=49 N (15) 因此絲杠旋轉需承受的推力F: F=Fa+ WAg=676.2 N (16) 乘以安全系數(shù)K=

36、1.2,得 F1=K-F=811.44 N (17) 查閱該公司提供的產(chǎn)品相關資料，絲杠直徑BD=12mm時，絲杠動載荷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，選用 C7標準。C7標準表示選取絲杠精度 等級為7級，300mm勺絲杠長度上，行程誤差不超過 0.050mm (6) 校核扭矩 克服摩擦力Fa,也就是產(chǎn)生所需推力的驅動扭矩 T : (18) Fa L。

37、 2 二 B 式中：B n是進給絲杠的效率，取B n=0.96。計算可得T=9.75 N mm，遠小于伺服電機所 能提供的扭矩，所以校驗合格。 綜上，所選擇的螺母絲杠技術參數(shù)如下表： 表3.3絲杠螺母技術參數(shù) 螺母型號 直徑 BD/mm 導程 BMmm 絲杠總長度 BL/mm 絲杠動載荷 Ca/KN 絲杠質量 Bw/kg 12X 10-2 F 型 12 10 650 2.5 0.6 切邊六孔 3.2.2伺服電機選擇 (1)伺服電機功率確定 估算出伺服電機的最大功率P: P=K(1+ Q Wa gv (19) 式中：Wa是水平手臂質量，通

38、過三維實體模型建立可得 Wa =20kg；卩是摩擦系數(shù)0.1; v 是平移最大速度1m/s； K是安全系數(shù)，取K=1.2。 計算得P=282.24W,取功率P=400W的交流伺服電機，可選電機型號： MSME 042G1, 它的有關技術參數(shù)如下表： 表3.4豎直移動伺服電機技術參數(shù) 電機 型號 功 率 P/W 交流 額定轉 轉子轉動慣量 2 Jm /(kg cm ) 有無制 動器 電源 /V 額定轉速 -1 n/(r min ) 最大轉速 最大轉矩 Tmax/(N m) -1 nmax/(r m-in ) 矩 T/(N m) MSME

39、 400 AC200 3000 6000 1.3 3.8 0.28 有 042G1 (2) 伺服電機慣量比校核 測量絲杠的三維模型，得滾珠絲杠的質量 Bw=0.6kg，則負載部分的慣量: 2 2 2 Jl=Jc+Jb=Jc+1/8 BwXBd2+Wa Bp2/(4》 (20) 式中：Jc是所選聯(lián)軸器的慣量，Jc=3.2 X0-5kg m2, Wa是水平手臂質量，通過三維實體模 型建立可得 Wa =20kg，計算可得Jl=1.19 X0-4kg m2。 預選電機的慣量Jm=0.28 X0-4 kg m

40、2,貝時貫量比： Jl/Jm=4.25 倍＜30 倍 (21) (3) 伺服電機轉矩校核 般伺服電機的運轉模式如圖: 加邃時間t?勻速時間切 牆詭時間口停止時幅 亠 雷環(huán)時河匚 圖3.4伺服電機運轉模式 由最大速度1m/s，移動距離為0.5m，可假設：加速時間ta=0.1s,勻速時間tb=0.4s,減速 時間td=0.1s,循環(huán)時間tc=1.2s。 移動轉矩Tf: -19 - Bp 2 二B (弋Wa F) (22) 式中：B n是進給絲杠的效率，取0.96;卩是摩擦系數(shù)，取0.1;其他參數(shù)可由前面的表格 得到，計算上式得Tf=0.0325Nm。

41、 加速時轉距Ta： +移動轉矩 (23) (JL JM) 2二N[r / s] - 加速時間[s] 式中：Jl和Jm分別是負載部分的慣量和預選電機的慣量， N是電機最高轉速100r/s，計 算得 Ta=0.956Nm。 減速時轉矩Td： _ (JL ■ JM ) 2 二 N[r /s] - 加速時間[s] -移動轉矩 (24) -1 - -1 - 式中：Jl和Jm分別是負載部分的慣量和預選電機的慣量， N是電機最高轉速100r/s，計 算得 Td=0.891N m。 因此，最大轉矩就是加速時的轉矩 Ta=0.956N m,乘以安全系數(shù) K=

42、1.2，TaK=1.15 N m <3.8N m (400W電機的最大轉矩)。 確認有效轉矩 T rms： Ta2 ta Tf2 +Td2 td (25) rms 0.9562 0.1 0.03252 0.4+0.8912 0.1 1.2 = 0.378N m 乘以K，TrmsK=0.454 N?m<1.3 N m(400W電機額定轉矩)。根據(jù)以上計算可知功率 750W 電機滿足轉矩和慣量比要求，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=T*XK2XK3 (26) 式中：T1是伺服電機的力矩，選擇伺服電機時可在手冊上查得，值為

43、 1.27N m； K1、K2、 K3是聯(lián)軸器的工況系數(shù)； 假定：負載變動較大，Ki取1.7,每天運轉8h, K2取1.00,每小時啟停120次，K3取 1.5的條件下，T=3.24N m,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，對同 軸度要求不是很高，并且該聯(lián)軸器正反轉時的轉動特性一致，非常適用于機器人等頻繁啟停 的場合。 伺服電機的輸出軸徑 ①14mm和絲杠的輸入軸 徑 ①10mm,由此選擇聯(lián)軸器型號 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)

44、品說明書[9], TS4C-40-1014型聯(lián)軸器的擰緊力矩達4N?m,大于聯(lián)軸器 實際工作時所承受的力矩T=3.24N?m，滿足實際要求。 3.3水平平移 水平平移傳動機構采用滾珠絲杠。螺母水平方向固定不動，轉動的絲杠帶動整個機械手 臂相對于螺母前后平移，實現(xiàn)機械手臂的水平平移。 水平平移和豎直平移采用相同的傳動方式，運動參數(shù)一致，因此絲杠螺母、伺服電機和 聯(lián)軸器選擇方法一致，不同在于水平平移不用克服機械手臂的重力，消耗功率減小，因此電 機選擇的功率有所變動。 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，詳細技術參數(shù)見表 3-3。 3.3.2伺服電機選擇

45、(1)伺服電機功率確定 估算出伺服電機的最大功率P: P=K ^Wa gv (27) 式中：Wa是水平手臂質量，通過三維實體模型建立可得 Wa =20kg；卩是摩擦系數(shù)0.1; v 是平移最大速度1m/s； K是安全系數(shù)，取K=1.2。 計算得P=24W，取功率P=200W的交流伺服電機，可選電機型號： MSME 022G1，它的 +移動轉矩 (30) 有關技術參數(shù)如下表： 表3.5水平移動伺服電機技術參數(shù) 轉子轉動 電機型 號 功率 P/W 交流電 源/V 額定轉速 -1 n/(r min ) 最大轉速 -1 nmax/(r min ) 額定轉矩

46、 T/(N m) 最大轉矩 T max/(N m) 慣量 2 JM/(kg cm ) MSME 200 AC200 3000 6000 0.64 1.91 0.14 022G1 -1 - (JL JM ) 2 二 N[r / s] 加速時間[s] -移動轉矩 (31) 式中：Jl和Jm分別是負載部分的慣量和預選電機的慣量， N是電機最高轉速100r/s，計 算得 Td=0.803N m。 因此，最大轉矩就是加速時的轉矩 Ta=0.868N m，乘以安全系數(shù) K=1.2 , TaK=1.04 N m <1.91N m (400W電機的最大轉

47、矩)。 確認有效轉矩 T rms： —2 2 2 (32) Ta ta Tf tb+Td td v t^ 0.8682 0.1 0.03252 0.4+0.8032 0.1 1.2 -0.342N m 乘以 K，TrmsK=0.411 N m<0.64 N m(400W 電機額定轉矩)。 根據(jù)以上計算可知，慣量比和功率雖然有較大余量，但根據(jù)轉矩選擇 200W電機。 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=T*XK2XK3 (33) 式中：T1是伺服電機的力矩，選擇伺服電機時可在手冊上查得，值

48、為 0.64N m； K1、K2、 K3是聯(lián)軸器的工況系數(shù)； 假定：負載變動較大，K1=1.7，每天運轉8小時，K2=1.00,每小時啟停120次，K3=1.5 的工況下，T=1.64N m， 伺服電機的輸出軸徑 ①11mm和絲杠的 輸入軸徑 ①10mm,由此選擇 聯(lián)軸器型號 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4N m，大于聯(lián)軸器實 際工作時所承受的最大力矩 T=1.64N m，滿足實際要求。 3.4手臂末端操縱器旋轉 末端操縱器由法蘭盤連接，需承載 3kg重物，伺服電機連接行星齒輪減速器，減速器輸

49、 -1 - 出軸直接連接法蘭盤，帶動法蘭盤旋轉，如下圖: 圖3.6末端傳動結構圖 預算法蘭盤連同末端操縱器和重物總共 10kg。伺服電機和減速器的選擇方法同腰部電機 和減速器的選擇，具體過程不再給出。 3.4.1伺服電機選擇 經(jīng)估算，選擇電機功率100W，電機的相關參數(shù)如下表： 表3.6末端伺服電機技術參數(shù) 轉子轉動慣 電機型 號 功率 P/W 交流電 源N 額定轉速 n/(r mrin 1) 最大轉速 nmax/(r min 1) 額定轉矩 T/(N m) 最大轉矩 Tmax/(N m) 量 JM/(kg cm2)

50、MSME 100 AC200 3000 6000 0.32 0.95 0.051 012G1 3.4.2減速器選擇 經(jīng)估算，減速器選擇的型號是 PL-50-120-S,相關技術參數(shù)如下表: 表3.7末端行星減速器技術參數(shù) 減速器型號 減速比 i 滿載效 率 額定輸出扭矩 T2n/(N m) 轉動慣量 2 J/(kg cm ) 最大徑向 力 Fr/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: -25 - 第四章輔助機構設計 4.

51、1導線線路設計 機床等機械導線線路的鋪設一般是采用軟管或者坦克鏈等輔助件。 坦克鏈是一般裝在機床機械上，用于牽引和保護電纜及軟管的，形似坦克鏈的機械輔助 裝置。坦克鏈一般用在往復運動較為頻繁的場合，用來牽引和保護導線及軟管。坦克鏈由若 干的坦克鏈節(jié)連接而成，節(jié)與節(jié)可自由轉動， 導線在安裝和拆卸時，坦克鏈的節(jié)從兩側打開, 方便導線放入。坦克鏈一節(jié)如圖所示。 圖4.1坦克鏈一節(jié) 一般在兩個連接點之間有電纜連接，并且兩點間有相對的往復運動的情況下，考慮使用 坦克鏈。線路簡圖如下圖所示： 1是軟管，2、3、4是坦克鏈條，5是外殼內布線 圖4.2線路簡圖 所有導線匯集在基座下

52、端，跟基座殼固連。基座下端第一次分流，連接基座內的750W伺 服電機。其余通過軟管連接到機器人腰部的外殼上，可以隨著腰部旋轉而彎曲伸縮。自腰部 外殼出分流，一部分從機身外殼的卡線槽中走線，連接機器人頂端 400W伺服電機，另一部 分通過坦克鏈連接至豎直方向移動的滑塊上，同滑塊一起上下移動，坦克鏈上下伸縮移動。 水平放置的兩個伺服電機分別用坦克鏈連接至水平移動的滑塊上， 隨滑塊一起水平移動伸縮。 導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移動。注意的是，導線在坦 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機構零點設計 一般機床等機構剛啟動時，要首先

53、確定運動部件在整個機構中的位置，及相對機構機械 零點的位置，方才好進行下面的一系列由程序控制的操作。機構零點的設計就是確定機構的 機械零點位置，并設計出發(fā)開關和連接線路。選擇傳感器是機構零點設計的主要問題?？晒?選擇的傳感器有：光柵傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、限制開關等。微動開關是一種靠 機械外力作用，通斷迅速的接點機構，由于其價格便宜，使用廣泛，使用可靠，安裝方便， 因此使用微動開關作為機器人的零點位置開關。其內部結構如下圖所示： 圖4.3微動開關結構圖 上圖中：1）是操作體，2）是驅動桿，3）是接點間隔，4）是端子，5）是可動片，6）是安裝 孔，7）是開關外殼。在本次設計的

54、機器人中，操作體是機械手臂上的外殼，外殼前進壓上驅 動桿，驅動桿傳導外力至內部彈簧結構，推動可動接點進行開關動作 微動開關安裝位置如下圖表示: 600 600 rMl. 1、2、3、4均為微動開關 圖4.4微動開關安裝位置 第五章總結與展望 5.1總結 圓柱坐標型搬運機器人在工業(yè)機器人領域中有非常廣泛的應用，這次設計的主要目的是 結合實際工業(yè)需求，設計一種能夠自動搬運工件的工業(yè)機器人，該種機器人有四個自由度。 總結如下： （1） 此次設計的任務是利用三維設計軟件， 完成一種四自由度圓柱坐標型機器人的整體結構 設計，并對其進行仿真分析，驗證其正確性； （2） 此次任

55、務完成了以下內容：完成機器人整機設計，包括基座、腰部旋轉平臺、豎直機身、 水平手臂和末端旋轉平臺的設計；完成對交流伺服電機、行星輪減速器減速、滾珠絲杠等的 產(chǎn)品的選型；完成外殼的簡單設計，完成機構零點和極限位置的微動開關設計；成機器人三 維實體的裝配，并繪制出機器人的二維工程圖。 （3） 成果有以下幾個：三維零件模型圖紙若干、三維機器人裝配圖一份、二維機器人裝配圖 一份、二維零件圖若干。 5.2展望 由于時間和本人能力有限，這次設畢業(yè)計還存在一些不足之處，還可以有所提高，展望 如下： （1） 由于時間有限，本次畢業(yè)設計沒有設計機器人的控制部分，末端控制器的手爪部分也沒 有設計，實際工

56、程設計中控制系統(tǒng)設計至關重要； （2） 機器人的傳感器設計不豐富，僅設計了零點位置和極限位置的機械式限位開關，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計； （3） 考慮到線速度要求較高，最大線速度有 1m/s，造成選擇電機時會有較大的功率余量， 機器人底座占用的空間變大，而實際小負載機器人的工程設計中， 線速度要求沒有1m/s這么 高； （4） 工業(yè)機器人傳動機構的傳動效率是一個比較重要的參數(shù)，在這方面未作考慮，實際工程 設計上面需要考慮效率問題； （5） 機器人外殼設計不完善，未能將機器人內部結構完全包括在內，實際應用中會使用耐高 溫帆布伸縮套和耐磨帆布軟連接，隨

57、著機械手臂的運動而伸縮，并且起到封閉作用 -29 - 參考文獻 [1] 張福學?機器人技術及其應用[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)機器人的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 [J].組合機床與自動化加工技術， 2002(3): 48-51. [3] 曹文祥，馮雪梅.工業(yè)機器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 [J].機械制造，2010，49(558): 41-43. [4] 孫學儉，于國輝，周文喬，等.對世界工業(yè)機器人發(fā)展特點的分析 [J].機器技術與應用，2002(3): 8-9. ⑸ 韓服善.基于Solidworks 2000 的圓柱坐標型工業(yè)機械

58、手設計 [J].起重運輸機械，2008 ( 12)： 42-44. ⑹ 馮晉中.2013年中國工業(yè)機器人市場研究報告 [R].MIR睿工業(yè)，2013. [7] 韓建海.工業(yè)機器人[M].武漢：華中科技大學出版社，2009: 1-19. [8] 陸正勇.我國工業(yè)機器人企業(yè)的機遇與挑戰(zhàn)[Z/OL]. [2014-1-18]. nt/robot/2014/201417618.html. [9] 潘麗霞.論工業(yè)機器人的發(fā)展與應用 [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.

59、 [11] 珠海松下馬達有限公司.Panasonic A5系列松下伺服馬達使用說明書 [Z].廣東：珠海松下馬達有限公 司,2000. [12] 湖北星星傳動設備有限公司.伺服減速機樣本[Z].湖北：湖北星星傳動設備有限公司 ,2008. 李敬宇，周盛軍，安來侃，等 .螺桿系統(tǒng)手冊[Z].深圳：深圳威遠精密技術有限公司 ,2013. -# - 附錄： 1零件受載分析報表 -31 - 零件1 模擬對象為 日期：2014年5月27日 設計員：Solidworks 算例名稱：算例1 分析類型：靜應力分析 說明 無數(shù)據(jù) Table of Contents 說明

60、 - 32 - 假設 - 33 - 模型信息 -33 算例屬性 -34 單位 - 34 - 材料屬性 -35 載荷和夾具 -36 接頭定義 -36 接觸信息 -37 網(wǎng)格信息 -38 傳感器細節(jié) -39 合力 - 39 - 橫梁 - 39 - 算例結果 -40 結論 - 42 - -# - 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-拉伸4 r 實體 質量:10.3793 kg 體積 9.00134796 mA3 密度:7700 kg/mA3 重量:101.717 N 零 件 1.SL

61、DPRT May 26 17:00:22 2014 模型名稱：零件1 當前配置：默認 假設 模型信息 實體  算例屬性 算例名稱 算例1 分析類型 靜應力分析 網(wǎng)格類型 實體網(wǎng)格 熱力效果： 打開 熱力選項 包括溫度載何 零應變溫度 298 Kelvin 包括 SolidWorks Flow Simulation 中的液 壓效應 關閉 解算器類型 FFEPlus 平面內效果： 關閉 軟彈簧： 關閉 | 慣性卸除： 關閉 不兼容接合選項 自動 ［大型位移 關閉 計算自由實體力 打開 摩擦 關閉 使用自適應方法： 關

62、閉 結果文件夾 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/應力 N/mA2 -33 - 材料屬性 名稱： 合金鋼 模型類型： 線性彈性同向性 默認失敗準則： 最大von Mises 應力 屈服強度： 6.20422e+008 N/mA2 張力強度： 7.23826e+008 N/mA2 彈性模量: 2.1e+011 N/mA2 泊松比： 0.28 質量密度： 7700

63、 kg/mA3 抗剪模量: 7.9e+010 N/mA2 熱擴張系數(shù)： 1.3e-005 /Kelvin 曲線數(shù)據(jù)：N/A -35 - 載何和夾具 夾具名稱 夾具圖像 固定-1 夾具細節(jié) 實體：1面 類型：固定幾何體 -37 - -# - 合力 零部件 X Y Z 合力 反作用力(N) 0.0142332 29.9998 0.000

64、511438 29.9998 反力矩(N ? m) 0 0 0 0 載荷名稱 裝入圖象 載荷細節(jié) 力-1 實體：1面 類型：應用法向力 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 」 r卜 類型：接合 零部件：1零部件 選項：兼容網(wǎng)格 -# - 網(wǎng)格信息 網(wǎng)格類型 實體網(wǎng)格 所用網(wǎng)格器: 基于曲率的網(wǎng)格 雅可比點 4 占 最大單元大小 0 mm 最小單兀大小 0 mm 網(wǎng)格品質 高 網(wǎng)格信息-細節(jié) 節(jié)點總數(shù) 17565 單元總數(shù) 最大咼寬

65、比例 9122 10.156 單兀（％）,其咼寬比例 < 3 單兀（％）,其咼寬比例 > 10 扭曲單元（雅可比）的% 完成網(wǎng)格的時間（時;分；秒）： 計算機名 #3 95 0.011 0 00:00:05 1111-PC -39 - 傳感器細節(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 整個模型 N 0.

66、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 整個模型 N -m 0 0 0 0 橫梁 無數(shù)據(jù) -41 - 算例結果 名稱 類型 最小 最大 應力1 VON:von Mises 應力 1547.57 N/mA2 節(jié):2776 1.7652e+006 N/mA2 節(jié):15943 _ Il閘押 ■】H左亞 H. 1. JU L JSi a 1. SX ■_ 1. LH, S3. ■L j. [ISO. M： ■L尊他勺壇i H書百w 陰丑燉r I 嗎4 Ep斗EM, J< 5rfT ifr 零件1-算例1-應力-應力1 名稱 類型 最小 最大 位移1 URES:合位移 0 mm 0.0392216 mm 節(jié):160 節(jié):2384 -# - 7*藍汕 埒離W glvlTF 3 I艸計即 ? 5 We-Oi