三自由度圆柱坐标型工业机器人设计含开题及6张CAD图
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设计(论文)任务书毕业论文(设计)题目 三自由度圆柱坐标型工业机器人设计 学 院: 专 业: 班 级: 学 号: 姓 名: 一、 毕业论文(设计)应完成的主要内容本设计为三自由度圆柱坐标工业机器人,其工作方向为两个直线方向和一个旋转方向。在控制器的作用下,它执行将一个工件从一条流水线拿到另一条流水线这一简单动作。以提高产品质量,节约能源,减轻工人的劳动强度。设计主要完成机器人运动系统、执行机构以及传动系统的结构设计。二、 毕业论文(设计)的基本要求及应完成的成果形式根据设计内容和需求确定圆柱坐标型工业机器人的结构,在工业机器人的诸多功能中,抓取和移动是最主要的功能。这两项功能实现的技术基础是精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动。安全性要求:在工业机器人应用工程中,不仅要注意对人员的危险性,而且还要考虑包括工业机器人在内的设备的安全性。自动化要求 :实现更快的运动速度,搬运更重的物品,定位精度更高,可以根据外部来的信号,自动进行各种操作。三、 毕业论文(设计)的进度安排课题研究进度安排表学期周次工作任务2017-2018第一学期16周毕业设计动员及毕业设计选题。17周指导教师下达毕业设计任务书。2017-2018第二学期2周撰写毕业设计开题报告。3周毕业设计开题答辩。4周-5周上交毕业设计作品,指导教师审阅。 6周-7周上交毕业论文初稿,指导教师审阅并指出修改意见。 8周毕业设计中期检查。9周毕业论文二审并查重。10周毕业论文(设计)定稿。11周上交毕业论文(设计)相关材料,提交答辩申请表。四、 毕业论文(设计)应收集的资料及主要参考文献1 吴宗泽,罗圣国.机械设计课程设计手册第二版M.北京:高等教育出版社,1999.2廖念钊,莫雨松,李硕根,杨兴骏.互换性与技术测量第四版M.北京:中国计量出版社,2000.3陈锦昌,刘就女,刘林.计算机工程制图M.广州:华南理工大学出版社,1999.4冯辛安,黄玉美,杜君文.机械制造装备设计M.北京:机械工业出版社,2004.5周伯英.工业机器人设计M.北京:机械工业出版社,1995.6濮良贵,纪名刚.机械设计M.北京:高等教育出版社,1995.7龚振帮.机器人机械设计M.北京:电子工业出版社,1995.8 何立民.单片机高级教程:应用与设计M.北京:北京航空航天大学出版社,2000.9吴宗泽,罗圣国.机械设计课程设计手册M.北京:高等教育出版社,2002.10郑堤,唐可洪.机电一体化设计基础M.北京:机械工业出版社,1997.11张铁,谢存禧.机器人学M.广州:华南理工大学出版社,2001.12哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学M.北京:高等教育出版社,1997.13余达太,马香峰.工业机器人应用工程M.北京:冶金工业出版社,2001.14Gosselin C, Angeles J. The optimum kinematic design of a planar three-degree-of-freedom parallel manipulatorJ. Trans.asme J.of M.t.a.d, 1988, 110(1):35-41.15M.C. Steinbach, H. G. Bock and R. W. Longman, Time-optimal extension and retraction of robots: Numerical analysis of the switching structureJ.Automatica, 1992, 14(2):219-224.16Pennock G R, Kassner D J. Kinematic Analysis of a Planar Eight-Bar Linkage: Application to a Platform-Type RobotJ. Asme Proc of Biennial Mechanisms Conf, 1992, 114(1):87-95.五、其他要求撰写规范按照学院统一安排的格式进行编写。指导教师签名:_ 年 月 日XXX(设计)开题报告题目: 三自由度圆柱坐标型工业机器人设计 作者单位 作者姓名专业班级作者学号指导教师(职称) 20XX年 01 月(设计)开题报告一、选题背景与意义工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业的自动化装备。自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来,机器人技术及其产品发展很快,已成为柔性制造系统、自动化工厂、计算机集成制造系统的自动化工具。采用工业机器人不仅可以提高产品的质量与数量,而且对于保障人身安全、改善劳动环境、提高 劳动生产率及降低生产成本有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样,工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。目前工业中大量使用示教再现型工业机器人,它主要由手部、臂部、驱动系统和控制系统组成。它的控制方式比较简单,应用在线编程,即通过示教存贮信息,工作时读出这些信息,向执行机构发出指令,执行机构按指令再现示教的操作。二、研究的主要目标和内容工业机器人是一种机体独立,动作自由度较多,程序可灵活变更,能任意定位,自动化程度高的自动操作机械。主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸工件或夹具。机器人以刚性高的手臂为主体,与人相比,可以有更快的运动速度,可以搬运更重的东西,而且定位精度相当高,它可以根据外部来的信号,自动进行各种操作。本设计为三自由度圆柱坐标型工业机器人,其工作方向为两个直线方向和一个旋转方向。在控制器的作用下,它执行将工件从一条流水线拿到另一条流水线这一简单的动作。三、拟采用的研究方法、步骤研究方法:研究的方法采用文献检索法。技术路线:1. 文献研究法,通过学校的图书馆、图书馆网站和一些机械论坛网站和中国期刊网站进行查询,同时查阅有关于课题书籍、期刊和学位论文。2. 调查法,通过对市场上已有的工业机器人进行观察分析研究进一步使设计更合理。3.数学建模法,运用三维制图软件建立三自由度圆柱坐标工业机器人的三维模型 。4. 整合所有文件资料,撰写说明书完成论文。四、课题研究进度安排表4-1课题研究进度安排表学期周次工作任务2017-2018第一学期16周毕业设计动员及毕业设计选题。17周指导教师下达毕业设计任务书。2017-2018第二学期2周撰写毕业设计开题报告。3周毕业设计开题答辩。4周-5周上交毕业设计作品,指导教师审阅。 6周-7周上交毕业论文初稿,指导教师审阅并指出修改意见。 8周毕业设计中期检查。9周毕业论文二审并查重。10周毕业论文(设计)定稿。11周上交毕业论文(设计)相关材料,提交答辩申请表。五、主要参考文献1 吴宗泽,罗圣国.机械设计课程设计手册第二版M.北京:高等教育出版社,1999.2廖念钊,莫雨松,李硕根,杨兴骏.互换性与技术测量第四版M.北京:中国计量出版社,2000.3陈锦昌,刘就女,刘林.计算机工程制图M.广州:华南理工大学出版社,1999.4冯辛安,黄玉美,杜君文.机械制造装备设计M.北京:机械工业出版社,2004.5周伯英.工业机器人设计M.北京:机械工业出版社,1995.6濮良贵,纪名刚.机械设计M.北京:高等教育出版社,1995.7龚振帮.机器人机械设计M.北京:电子工业出版社,1995.8 何立民.单片机高级教程:应用与设计M.北京:北京航空航天大学出版社,2000.9吴宗泽,罗圣国.机械设计课程设计手册M.北京:高等教育出版社,2002.10郑堤,唐可洪.机电一体化设计基础M.北京:机械工业出版社,1997.11张铁,谢存禧.机器人学M.广州:华南理工大学出版社,2001.12哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学M.北京:高等教育出版社,1997.13余达太,马香峰.工业机器人应用工程M.北京:冶金工业出版社,2001.14Gosselin C, Angeles J. The optimum kinematic design of a planar three-degree-of-freedom parallel manipulatorJ. Trans.asme J.of M.t.a.d, 1988, 110(1):35-41.15M.C. Steinbach, H. G. Bock and R. W. Longman, Time-optimal extension and retraction of robots: Numerical analysis of the switching structureJ.Automatica, 1992, 14(2):219-224.16Pennock G R, Kassner D J. Kinematic Analysis of a Planar Eight-Bar Linkage: Application to a Platform-Type RobotJ. Asme Proc of Biennial Mechanisms Conf, 1992, 114(1):87-95.3(设计)开题报告评审表姓名学号指导教师学院、专业信息工程学院 机械设计制造及其自动化指导教师评语1. 学生前期表现情况。2. 是否具备开始设计(论文)条件?是否同意开始设计(论文)?3. 不足及建议。该课题立意明确,技术路线可行,研究内容充实,研究方法切实有效,学生本人对三自由度圆柱坐标型工业机器人设计领域的国内外现状有较为全面地了解,现开展的工作为完成课题提供了多方面的便利,学生能够在预定时间内完成该课题的设计,并撰写出达到学士学位要求的毕业论文,同意开题!指导教师(签名): 年 月 日学院答辩委员会意见负责人(签名): 年 月 日5分类号: XXXXXXXX(设计)题目: 作者单位作者姓名专业班级作者学号指导教师(职称)年 月 日摘要随着机器人技术的不断发展,工业机器人得到了广泛的应用。工业机器人是相对较新的电子设备,它正开始改变现代化工业面貌,工业机器人对实现工业自动化,提高生产效率具有重要意义。机器人代替人类劳动,完成复杂工作,广泛用于工业生产中产品的包装与运输工作。本设计为三自由度圆柱坐标型工业机器人,其工作方向为两个直线方向和一个旋转方向。对机器人的位置精度、工作空间、重复性精度这些指标进行了测定,并对主要零部件进行了校核计算,证明设计可行,满足设计指标。关键词:三自由度,圆柱坐标,工业机器人AbstractWith the continuous development of robot technology, industrial robots have been widely used. Industrial robots are relatively new electronic devices. They are beginning to change the face of modern industries. Industrial robots are of great significance for industrial automation and production efficiency. Robots replace human labor to complete complex work and are widely used in the packaging and transportation of products in industrial production. This design is a three-degree-of-freedom cylindrical coordinate industrial robot whose working directions are two linear directions and one rotation direction. The robots position accuracy, working space, and repeatability accuracy were measured. The main components were calibrated and verified to verify that the design is feasible and meets the design criteria.Key words :three degrees of freedom, cylindrical, Industrial robot 目录1 绪论12 机构总体分析与设计32.1 机器人总体结构设计32.2 机器人整体设计参数32.2.1 设计目标和功能实现32.2.3机器人规格参数43 机器人机械运动系统63.1 机器人的运动系统分析63.2 机器人执行机构73.2.1 末端执行器机械结构73.2.2 紧力校核73.2.3 杆强度校核83.2.4 底座结构设计93.2.5 步进电机的选取103.2.6 轴承选取143.3 机器人传动构件143.3.1 计算载荷143.3.2 刚度验算144 机器人计算机控制系统164.1 特点及基本要求164.2 控制系统设计方案174.3 硬件电路组成17致 谢19参考文献201 绪论随着机器人技术的不断发展,工业机器人得到了广泛的应用。机器人对实现工业自动化,提高生产效率具有重要意义。工业机器人广泛用于工业生产中产品的包装与运输,对其有着显著的影响,机器人工程集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果,是当代科学技术发展最活跃的领域之一,也是我 国科技界跟踪国际高科技发展的重要方面。工业机器人的研究、制造和应用水平,是一个国家科技水平和经济实力的象征,正受到许多国家的广泛重视。工业机器人是一种机体独立,动作自由度较多,程序可灵活变更,能任意定位,自动化程度高的自动操作机械。主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸工件或夹具。工业机器人以刚性高的手臂为主体,与人相比,可以有更快的运动速度,可以搬运更重的东西,而且定位精度相当高,它可以根据外部来的信号,自动进行各种操作。随着机器人技术的发展,越来越多的机器人被运用到工业、服务业等领域,进而使人类与机器人的交互越来越频繁。机器人的人机交互分为物理性人机器人交互和认知性人机器人交互。物理性人机交互主要用以解决人与机器人工作空间共享以及对操作者意图的快速准确响应,其面临的主要挑战是安全性和可靠性问题。一方面,服务机器人是以“人为中心”的,人与机器人处于共同的工作空间里,随着服务机器人应用的日益广泛,两者相互接触越来越不可避免。另一方面,工业领域出现了一类新型工业机器人协作机器人,此类机器人能够利用人类的智能、灵活性、经验、知识,综合机器人自身的高精度、大负载、快速性,以解决在某些应用场合下的复杂任务。工业机器人的发展,由简单到复杂,由初级到高级逐步完善,它的发展过程可分为三代:第一代工业机器人就是目前工业中大量使用的示教再现型工业机器人,它主要由手部、臂部、驱动系统和控制系统组成。它的控制方式比较简单,应用在线编程,即通过示教存贮信息,工作时读出这些信息,向执行机构发出指令,执行机构按指令再现示教的操作。第二代机器人是带感觉的机器人。它具有寻力觉、触觉、视觉等进行反馈的能力。其控制方式较第一代工业机器人要复杂得多,这种机器人从1980年开始进入了实用阶段,不久即将普及应用。第三代工业机器人即智能机器人。这种机器人除了具有触觉、视觉等功能外,还能够根据人给出的指令认识自身和周围的环境,识别对象的有无及其状态,再根据这一识别自动选择程序进行操作,完成规定的任务。并且能跟踪工作对象的变化,具有适应工作环境的功能。这种机器人还处于研制阶段,尚未大量投入工业应用。随着工业化进程的不断深入,现代制造业朝着自动化、智能化、集成化的方向发展。伴随着工业化的发展,对工业机器人的需求与日剧增。在发达国家,工业机器人已经渗入到汽车行业、机械制造行业、电子电气行业、食品医药行业、橡胶及塑料行业、物流等诸多工业领域。工业机器人成为先进制造业中不可替代的一部分,是衡量一个国家制造业水平和科技水平的重要标志。2 机构总体分析与设计2.1 机器人总体结构设计工业机器人主要由机械系统、控制检测系统及智能系统组成。执行系统是工业机器人完成抓取工件,实现各种运动所必需的机械部件,它包括手部、腕部、机身等。(1)手部:又称手爪或抓取机构,它直接抓取工件或夹具。腕部:又称手腕,是连接手部和臂部的部件,其作用是调整或改变手部的工作方位。(2)臂部:是支承腕部的部件,作用是承受工件的负荷,并把它传递到预定的位置。(3)机身:是支承手臂的部件,其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。为执行系统各部件提供动力,并驱动其动力的装置。常用的机械传动、液压传动、气压传动和电传动。通过对驱动系统的控制,使执行系统按照规定的要求进行工作,当发生错误或故障时发出报警信号。检测系统的作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况,根据需要反馈给控制系统,与设定进行比较,以保证运动符合要求。2.2 机器人整体设计参数2.2.1 设计目标和功能实现在工业机器人的诸多功能中,抓取和移动是最主要的功能。这两项功能实现的技术基础是精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动。汽车零部件制造、医药、食品、饮料、化工等行业的搬运、码垛,其过程一般为机器人抓取目标物后垂直提起,而后进行横向和纵向运动,当机器人运动到指定位置,垂直放下目标物,机器人重复以上过程,实现物料的搬运、码垛过程。根据设计内容和需求确定圆柱坐标型工业机器人,利用步进电机驱动和谐波齿轮传动来实现机器人的旋转运动;利用另一台步进电机驱动滚珠丝杠旋转,从而使与滚珠丝杠螺母副固连在一起的手臂实现上下运动;末端夹持器采用内撑连杆杠杆式夹持器,用小型液压缸驱动夹紧。整体构造如图2-1所示图2-1 机器人构造2.2.3机器人规格参数工业机器人的技术参数是说明其规格和性能的具体指标。主要技术参数有如下:抓取重量:抓取重量是用来表明机器人负荷能力的技术参数,这是一项主要参数。这项参数与机器人的运动速度有关,一般是指在正常速度下所抓取的重量。抓取工件的极限尺寸:抓取工件的极限尺寸是用来表明机器人抓取功能的技术参数,它是设计手部的基础。坐标形式和自由度:说明机器人机身、手部、腕部等共有的自由度数及它们组成的坐标系特征。运动行程范围:指执行机构直线移动距离或回转角度的范围,即各运动自由度的运动量。根据运动行程范围和坐标形式就可确定机器人的工作范围。运动速度:是反映机器人性能的重要参数。通常所指的运动速度是机器人的最大运动速度。它与抓取重量、定位精度等参数密切有关,互相影响。目前,国内外机器人的最大直线移动速度为1000mm/s左右,一般为200400mm/s;回转速度最大为180/s,一般为50/s。3 机器人机械运动系统3.1 机器人的运动系统分析机械手从上到下依次由主体支承结构、动力结构以及力矩传感器组成。主体支承结构由基座、管臂、末端杆型关节组成,所述动力结构从上到下依次由力矩传感器、第二电机、端盖、转角接头、转角关节电机座组成。电机固定在基座上,通过转角关节电机座与转角接头连接下一个电机,所述末端杆型关节连接第一电机安装在上方转角接头处,如图3-1所示。图3-1 机械结构示意图机器人的运动自由度是指确定一个机器人操作位置时所需要的独立运动参数的数目,它是表示机器人动作灵活程度的参数。本设计的工业机器人具有四转动副和移动副两种运动副,具有手臂伸降,旋转,前后往复三自由度。机器人机械结构类型为圆柱坐标型,这种运动形式是通过一个转动,两个移动,共三个自由度组成的运动系统(代号RPP),工作空间图形为圆柱形。它与直角坐标型比较,在相同的工作条件下,机体占体积小,而运动范围大。实现运动过程中的各工步是由工业机器人的控制系统和各种检测原件来实现的,这里尤其要强调的是机器人对工件的定位夹紧的准确性,这是本次设计成败之关键所在。3.2 机器人执行机构工业机器人的末端执行机构设计是用来抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、准确和牢靠程度都将直接影响到工业机械手的工作性能,它是工业机械手的关键部件之一。3.2.1 末端执行器机械结构采用内撑连杆杠杆式夹持器,用小型液压缸驱动夹紧,它的结构形式如图3-2。内撑连杆杠杆式夹持器采用四连杆机构传递撑紧力,即当液压缸工作时,推动推杆向下运动,使两钳爪向外撑开,从而带动弹性爪夹紧工件。该种夹持器多用于内孔薄壁零件的夹持。图3-2 末端执行器3.2.2 紧力校核考虑到所要夹持的是很小的薄壁零件,最大工作载荷很小,故初选液压缸型号为Y-HG1-C40/2225LF2HL1Q。 1)零件的计算其中g取9.8. 取G=27(N)2) 紧力的计算:要夹持住零件必须满足条件: f为手指与工件的静摩擦系数,工件材料为45号钢,手指为钢材,查机械零件手册 表2-5 f=0.15,N为作用在零件内壁上压紧力,G为零件重力。所以 取N=100(N)由机械制造装备式4-60可知驱动力的计算公式为: 为斜面倾角,为传动机构的效率,这里为平摩擦传动,查机械零件手册表2-2 这里取 0.85, b=77.5mm,c=29mm。 取p=500(N).按液压传动与气压传动公式 4-15 取p=0.5MPa。由液压系统设计可查得:=0.90.95, 所以由以上计算可知液压缸能产生的推力F=565N大于夹紧工件所需的推力P=500N。所以该液压缸能够满足要求。3.2.3 杆强度校核末端执行器的重量为:10.389Kg。工件重量为:2.64Kg。由静力平衡方MB=0 R1LAB QLBC=0 MA=0 R2LAB QLAC=0求得支反力为: R1=524.88N R2=673.16N 以A点为坐标原点,得剪力图和弯矩图如下:由表得活塞杆=140MPa, =240MPa.则在B处横截面上的剪应力为: 安全。在B处的弯应力为: 安全。3.2.4 底座结构设计底座是支撑整个机械手的部件,它直接与底板接触,把整个机械手的支撑力传递到底板。考虑加工难易程度以及工作半径,底座体积,以及所选定材料,考虑安全洗出后,综合决定选用圆柱圆盘作为底座形状。通过安装在支座上的步进电机和谐波齿轮直接驱动转动机座转动,从而实现机器人的旋转运动,通过安装在顶部的步进电机和联轴器带动滚珠丝杠转动实现手臂的上下移动。采用了双导柱导向,以防止手臂在滚珠丝杠上转动,确保手臂随机座一起转动。支撑梁采用槽钢,以减轻重量和节省材料,它的结构如图3-3。图3-3 机器人底座3.2.5 步进电机的选取工业机器人的旋转和上下移动采用了步进电机驱动,步进电机应用于驱动工业机器人有着许多无可替代的优点,如控制性能好,可精确定位,体积较小可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手等。 初选电机为BF反应式步进电机,型号为:90BF001。3.2.5.1 传动系统等效转动惯量计算传动系统的转动惯量是一种惯性负载,在电机选用时必须加以考虑。由于传动系统的各传动部件并不都与电机轴同轴线,还存在各传动部件转动惯量向电机轴折算的问题。最后,要计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量,即传动系统等效转动惯量。(1)电机转子转动惯量的折算由机电综合设计指导表2-18查出(2)联轴器转动惯量的折算 式中:为圆柱质量(Kg),D为圆柱体直径(cm),L为圆柱体长度。对于钢材,材料密度为,把数据代入上式得: (3)滚珠丝杠转动惯量的折算查机电综合设计指导表4-2 P119,得出1m长的滚珠丝杠的转动惯量为0.94cm2,丝杠长度L420mm,所以滚珠丝杠转动惯量:=0.940.42=0.39cm2; (4)手臂转动惯量的折算工作台是移动部件,其移动质量折算到滚珠丝杠轴上的转动惯量可按下式进行计算: 见机电综合设计指导公式(2-6)P8式中,为丝杠导程(cm);为工作台质量(kg)。所以: (5)系统等效转动惯量计算3.2.5.2 验算矩频特性步进电机最大静转矩是指电机的定位转矩,从机电综合设计指导表2-21中查得。步进电机的名义启动转矩与最大静转矩的关系为: 见机电综合设计指导公式(2-29)P32查机电综合设计指导表2-12 P35得0.707。所以,步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。步进电机所需空载启动力矩可按下式计算:见机电综合设计指导公式(2-30)P32式中:为空载启动力矩(Ncm);为空载启动时运动部件由静止升速到最大快进速度,折算到电机轴上的加速力矩(Ncm);为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩(Ncm); 有关的各项力矩值计算如下:(1)加速力矩 见机电综合设计指导公式(2-32)和(2-33)P32式中:为传动系统等效转动惯量;为电机最大角加速度;为与运动部件最大快进速度对应的电机最大转速;t为运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间,为运动部件最大快进速度;为初选步进电机的步距角;为脉冲当量。(2)空载摩擦力矩 见机电综合设计指导公式(2-34)P35式中:为运动部件的总重量;为导轨摩擦系数;齿轮传动降速比;为传动系数总效率,取0.8;为滚珠丝杠的基本导程。(3)附加摩擦力矩 见机电综合设计指导公式(2-35)P35式中:为滚珠丝杠预紧力;为滚珠丝杠未预紧时的传动效率,现取0.96。所以,步进电机所需空载启动力矩:初选电机型号应满足步进电机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转矩,即 见机电综合设计指导公式(2-31)P32从上式可知电机初步满足要求。3.2.5.3 启动矩频特性校核步进电机启动有突跳启动和升速启动。突跳启动很少使用。升速启动是步进电机从静止状态开始逐渐升速,在零时刻,启动频率为零。在一段时间内,按一定的升速规律升速。启动结束时,步进电机达到了最高运行速度。查看机电综合设计指导图2-21 P36,从90BF001矩特性图中,可查得:纵向:空载启动力矩对应的允许启动频率。查机电综合设计指导表2-11 P34,步进电机150BF002启动频率,所以所选电机不会丢步。3.2.5.4 运行矩频特性校核步进电机的最高快进运行频率可按下式计算: 见机电综合设计指导公式(2-36)P36式中:为运动部件最大快进速度。算得。快进力矩的计算公式: 见机电综合设计指导公式(2-37)P37式中: 为附加摩擦力矩, 为快进时,折算到电机轴上的摩擦力矩。算得:。查看机电综合设计指导图2-22 P36,从90BF001运行矩频特性图中,可知:快进力矩对应的允许快进频率;所以,所用的电机都满足快速进给运行矩频特性要求。综上所述,所选用的步进电机90BF001符合要求,可以使用。3.2.6 轴承选取环形轴承3作为机座的支承原件,是为机器人研制的专用轴承,具有宽度小、直径大、精度高、刚度大、承载能力高(可承受径向力、轴向力和倾覆力矩)、装置方便等特点价格高。丝杠下部圆锥滚子轴承选取型号为30204。 3.3 机器人传动构件传动构件即滚珠丝杠的选择与计算要求:等效载荷 Fm = 1000 N , 丝杆有效行程420 mm , 等效转速 nm = 1500 r/min , 要求使用寿命Lh = 15000 h 左右,工作温度低于100,可靠度95%,精度为3级精度。3.3.1 计算载荷Fc = 查 上册,表15-21得= 1.1 , = 1.0 ,=1.61 , = 1Fc = = 1.11.01.6111000 = 1771 N = = = 19559 N3.3.2 刚度验算按最不利情况考虑,即在螺距(导程)内受轴向力引起的弹性变形与受转矩引起弹性变形方向一致,此时变形量为最大,计算公式为: = + 式中 T1 = tan( +) = 1000tan(+) = 1321 Nmm磨擦系数f = 0.025, 当量磨擦角 = ,剪切弹性模量 G=8.33 N/mm2所以:= + = 0.0387 m 其中,危险截面= 35.76,E = 2.06每米螺杆长度上的螺矩的弹性变形 = = 6.6 /m ()p = 15/m因为滚球丝杆精度要求为3级精度,由表15-8查得()p = 15/m所以其刚度满足要求。4 机器人计算机控制系统4.1 特点及基本要求工业机器人具有多个自由度,每个自由度一般包括一个伺服机构,它们必须协调起来,组成一个多变量控制系统。这种多变量的控制系统,一般要用计算机来实现。因此,机器人控制系统也是一个计算机控制系统。控制系统的功能是控制机器人操作机的运动和操作以满足作业的要求。在作业中机器人的工作任务是要求操作机的末端执行器按点位或轨迹运动,并保持设定的姿态。在运动中或在规定的某点位执行作业规定的操作。对工业机器人的控制功能大致有如下的基本要求和特点。(1)实现对位姿、速度、加速度等的控制功能在机器人的各类作业中,运动和控制方式主要有两种。点位控制方式(PTP控制) 这种控制方式考虑到末端执行器在运动过程中只在某些规定的点上进行操作,因此只要求末端执行器在目标点处保证准确的位姿以满足作业质量要求。而对达到目标点的运动轨迹(包括移动的路径和运动的姿态)则不作任何规定,这种控制方式易于实现,但不易达到较高的定位精度,适用于上下料、搬运、点焊和在电路板上安插元件等只要求在目标点保持末端执行器准确的位姿的作业中。连续轨迹控制方式(CP控制) 这种控制方式要求末端执行器严格按规定的轨迹和速度在一定精度要求内运动,以完成作业要求,这种必须保证机器人各关节连续、同步地实现相应的运动。这种连续轨迹运动,可看成是若干密集轨迹曲线。若设定的点足够密,就能用点位控制的方法实现所需精度的连续轨迹运动。(2)存储和示教功能要使机器人具有完成预定作业的功能,须先将要完成的作业示教给机器人,这个操作过程称为示教,将示教内容记录下来,称为存储。使工业机器人按照存储的示教内容进行动作,称为再现。所以工业机器人的动作是通过示教存储再现的过程实现的。(3)对外部环境的检测和感觉功能。4.2 控制系统设计方案控制系统采用二级计算机控制方式,选用IBM-PC,80C51系列CPU。第一级机担负管理,示教编程,控制再现,轨迹正逆运算,机器人语言的编辑和编译,通过串行通讯方式传送给二级机做位置给定。第二级机负责位置伺服控制软件的计算,位置检测等工作,根据插补算出的各关节位置增量做位置给定。一级机与示教盒通讯采用串行RS-232接口,既接收示教盒信息,完成示教动作,又向示教盒发送信息,显示示教情况。还可以连接软驱,CRT终端。二级机接口电路将计算机输出数字量转换成相应的模拟量,驱动伺服控制系统,选用速度单元,伺服电机及光电编码盘等伺服调速系统。4-1 机器人控制系统框图4.3 硬件电路组成电路的组成如下:主从CPU都采用8031芯片;主从CPU各扩展程序存储器27256一片,扩展数据存储器62256一片;主CPU扩展可编程串行通信接口芯片8251A一片;可编程多功能接口芯片8155一片;电平转换芯片MAX232一片;从CPU扩展可编程多功能接口芯片8155六片;D/A转换器DAC0832六片;运算放大器A741六片;PWM功率放大器六片;光电编码器六片;地址锁存器、译码器各两片;键盘电路,显示电路;光电编码电路,功率放大电路;报警电路,暂停、急停电路,复位电路;致 谢本毕业设计的完成,首先得感谢指导教师的悉心指导,在毕业设计这段时间里,为我创造了良好学习环境,提供了发展机会。不仅教会我很多的专业技能,也在工作方式、治学态度上言传身教,尤其是在多次修改设计图的过程中他以极大的耐心帮助修改我的设计,使我深受感动,同时感谢所有教导过我、帮助过我的老师,正是因为他们多年来孜孜不倦的教诲才使得我的专业技能有很大的提高。大学四年学习时光已经接近尾声,在此我想对我的母校,我的老师和同学们表达我由衷的谢意。感谢我的母校给了我在大学的本科四年深造机会,让我能继续学习和提高。大学四季如歌的校园,美丽如诗的风景都深深的留在了我的记忆里。参考文献1 吴宗泽,罗圣国.机械设计课程设计手册第二版M.北京:高等教育出版社,1999.2廖念钊,莫雨松,李硕根,杨兴骏.互换性与技术测量第四版M.北京:中国计量出版社,2000.3陈锦昌,刘就女,刘林.计算机工程制图M.广州:华南理工大学出版社,1999.4冯辛安,黄玉美,杜君文.机械制造装备设计M.北京:机械工业出版社,2004.5周伯英.工业机器人设计M.北京:机械工业出版社,1995.6濮良贵,纪名刚.机械设计M.北京:高等教育出版社,1995.7龚振帮.机器人机械设计M.北京:电子工业出版社,1995.8 何立民.单片机高级教程:应用与设计M.北京:北京航空航天大学出版社,2000.9吴宗泽,罗圣国.机械设计课程设计手册M.北京:高等教育出版社,2002.10郑堤,唐可洪.机电一体化设计基础M.北京:机械工业出版社,1997.11张铁,谢存禧.机器人学M.广州:华南理工大学出版社,2001.12哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学M.北京:高等教育出版社,1997.13余达太,马香峰.工业机器人应用工程M.北京:冶金工业出版社,2001.14Gosselin C, Angeles J. 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