423 三自由度圆柱坐标型工业机器人设计_1

423 三自由度圆柱坐标型工业机器人设计_1,自由度,圆柱,坐标,工业,机器人,设计,_1 三自由度圆柱坐标型工业机器人设计 班级：机制1016姓名：刘建军 指导老师：李作全老师,设计要求：综合运用所学知识,搜集有关资料独立完成三自由度圆柱坐标型工业机器人操作机和驱动单元的设计工作。原始数据：自动线上有，两条输送带之间距离为1.5m，需设计工业器人将一零件从A带送到B带。零件尺寸：内孔 100，壁厚 10，高 100。零件材料：45钢。,零件实体图,总体方案： 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。本次设计就是在这一思维下展开的。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；考虑到本设计中的机器人工作范围不大，故利用液压缸驱动实现手臂的伸缩运动；末端夹持器则采用内撑连杆杠杆式夹持器，用小型液压缸驱动夹紧。,三维动画演示,末端执行机构设计： 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。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1工作时，推动推杆2向下运动，使两钳爪3向外撑开，从而带动弹性爪4夹紧工件。该种夹持器多用于内孔薄壁零件的夹持。,弹性爪 的结构设计: 这种结构是在手爪外侧用螺钉固定弹性片两端。当弹性手工作时，由于夹紧过程具有弹性，就可以避免易损零件被抓伤，变形和破损。,手臂机构的设计 : 本设计中手臂由滚珠丝杠驱动实现上下运动，结构简单，装拆方便，还设计有两根导柱导向，以防止手臂在滚珠丝杠上转动，确保手臂随机座一起转动。它的结构如下图。选用轴向脚架型液压缸，活塞杆末端为外螺纹结构，手臂与末端执行器连同活塞杆一起转动。,腰部和基座设计 : 通过安装在支座上的步进电机和谐波齿轮直接驱动转动壳体转动，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。,1支座，2步进电机，3谐波齿轮，4转动机座5支承槽钢梁，6滚珠丝杠，7导向柱，8锥环无键联轴器,驱动方式的选择:,由上表可知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，所以本设计采用它来实现机器人的旋转和上下移动。选电机为BF反应式步进电机，型号为：90BF001。,由上表可知,液压驱动方式反应灵敏,可实现连续轨迹控制,液体压力高，可以获得较大的输出力,因此机器人的伸缩运动采用液压驱动方式来实现,从而使机器人容易找准工件.它的型号为Y-HG1-C50/28100LJ1HL1Q，它的主要技术参数如下表:,工业机器人的计算机控制系统概述 : 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。,工业机器人运行时应采取的安全措施 : 工业机器人能代替人在危险有害的环境中作业。但又给人另一种危险，即机器人伤人事故。这是工业机器人安全管理的最为重要的一条原则。此外，除了通用的工业安全规程外,还要注意工业机器人的特殊性，采取相应可靠的对策。 对工业机器人应用工程的安全要求有如下几条：必须为工业机器人和周边设备安装安全护栏，以防止人靠近而造成伤害。工业机器人的动作范围不能超越护栏。在护栏出入口的门上必须设置插拔式电接点点开关，其插座有导线与控制系统的电路连接。只有拔下开关的插头，才能打开对应的门。这时，工业机器人及周边设备停止运转，并且将工业机器人锁定在示教模式。在距操作者的地方设置紧急停止开关。按下此开关，工业机器人和有关的设备立即停止运转。,谢谢各位老师!,三自由度圆柱坐标型工业机器人- 1 -目录目录 1 中文摘要 2Abstract 2第 1章 绪论 3第 2章 工业机器人的总体设计 32.1 工业机器人的组成及各部分关系概述 3 2.2 工业机器人的设计分析 42.2.1 设计要求 52.2.2 总体方案拟定 52.2.3 工业机器人的主要技术参数 5第 3章 工业机器人的机械系统设计 63.1 工业机器人的运动系统分析 63.1.1 机器人的运动概述 63.1.2 机器人的运动过程分析 73.2 工业机器人的执行机构设计 83.2.1 末端执行机构设计 83.2.2 手臂机构设计 113.2.3 腰部和基座设计 123.3 工业机器人的机械传动装置设计 183.3.1 滚珠丝杠的选择 183.3.2 谐波齿轮的选择 193.3.3 联轴器的选择 20第 4章 工业机器人的计算机控制系统概述 204.1 工业机器人控制系统的特点及对控制功能的基本要求 214.2 计算机控制系统的设计方案 224.3 硬件电路的组成 22第 5章 工业机器人运行时应采取的安全措施 225.1 安全要求 225.2 实施方法 23鸣谢 23参考文献 24三自由度圆柱坐标型工业机器人- 2 -中文摘要在工业上，自动控制系统有着广泛的应用，如工业自动化机床控制，计算机系统，机器人等。而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。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,本文是对整个设计工作较全面的介绍和总结。关键词：三自由度，圆柱坐标，工业机器人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三自由度圆柱坐标型工业机器人- 3 -三自由度圆柱坐标型工业机器人设计专业：机械设计制造及其自动化，学号：2001121622，姓名：刘建军指导老师：李作全第一章 绪论机器人工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科。它集中了机械工程、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。目前，工业机器人的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。最近联合国国际标准化组织采纳了美国机器人协会给工业机器人下的定义：工业机器人是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件。参考国外的定义，结合我国的习惯用语，对工业机器人作如下定义：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。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。第 2 章 工业机器人的总体设计2.1 工业机器人的组成及各部分关系概述三自由度圆柱坐标型工业机器人- 4 -图 2-1 工业机器人的组成图它主要由机械系统(执行系统、驱动系统 )、控制检测系统及智能系统组成。A、 执行系统：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。（2） 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。（3） 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。（4） 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。B、 驱动系统：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。C、 控制系统：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。D、 检测系统：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。图 2-2 各部分关系图2.2 工业机器人的设计分析三自由度圆柱坐标型工业机器人- 5 -2.2.1 设计要求综合运用所学知识,搜集有关资料独立完成三自由度圆柱坐标型工业机器人操作机和驱动单元的设计工作。原始数据：自动线上有，两条输送带之间距离为 1.5m，需设计工业机器人将一零件从 A 带送到 B 带。零件尺寸：内孔 100，壁厚 10，高 100。零件材料：45 钢。2.2.2 总体方案拟定 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。本次设计就是在这一思维下展开的。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；考虑到本设计中的机器人工作范围不大，故利用液压缸驱动实现手臂的伸缩运动；末端夹持器则采用内撑连杆杠杆式夹持器，用小型液压缸驱动夹紧。图 2-3 机器人外形图2.2.3工业机器人主要技术性能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：A、 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。B、 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。C、 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。D、 运动行程范围：三自由度圆柱坐标型工业机器人- 6 -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。E、 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。F、 定位精度和重复定位精度：定位精度和重复定位精度是衡量机器人工作质量的一项重要指标。G、 编程方式和存储容量。本设计中的三自由度圆柱坐标型工业机器人的有关技术参数见表 1-1。表 1-1机械手类型 三自由度圆柱坐标型抓取重量 2.69Kg自由度 3个（1 个回转 2个移动）机座 长 120mm，回转运动，回转角 180，步进电机驱动 单片机控制腰部机构 长 680mm，伸缩运动，升降范围 450mm，步进电机驱动 单片机控制手臂机构 长 826mm，伸缩运动，伸缩范围 50mm，液压缸驱动 行程开关控制末端执行器 液压缸驱动 行程开关控制第 3章 工业机器人的机械系统设计3.1 工业机器人的运动系统分析3.1.1 机器人的运动概述工业机器人的运动，可从工业机器人的自由度，工作空间和机械结构类型等三方面来讨论。如图 2-1 所示，为工业机器人机构的简图。图 3-1 机构简图三自由度圆柱坐标型工业机器人- 7 -a工业机器人的运动自由度所谓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。b机器人的工作空间和机械结构类型（1）工作空间 工作空间是指机器人正常运行时，手部参考点能在空间活动的最大范围，是机器人的主要技术参数，工作空间图如图 3-2。图 3-2 工作空间图（2）机械结构类型圆柱坐标型为本设计所采用方案，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。3.1.2 机器人的运动过程分析工业机器人的运动过程中各动作如图 3-3 和表 3-1。图 3-3 三自由度圆柱坐标型工业机器人- 8 -表 3-1机器人开机，处于 A位 工步一手臂上升 工步二，工步七，工步十三旋转至 B位 工步三手臂伸出 工步四, 工步十手臂下降 工步五，工步十一夹紧工件 工步六手臂收缩 工步八，工步十四旋转至 C位 工步九放松工件 工步十二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 工业机器人的执行机构设计3.2.1 末端执行机构设计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。3.2.1.1 设计时要注意的问题：a. 末端执行机构应有足够的夹紧力，为使手指牢靠的夹紧工件，除考虑夹持工件的重力外，还应考虑工件在传送过程中的动载荷。b. 末端执行机构应有一定的开闭范围。其大小不仅与工件的尺寸有关，而且应注意手部接近工件的运动路线及其方位的影响。c. 应能保证工件在末端执行机构内准确定位。d. 结构尽量紧凑重量轻，以利于腕部和臂部的结构设计。e. 根据应用条件考虑通用性。3.2.1.2 总体结构设计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 2-4。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 1 工作时，推动推杆 2 向下运动，使两钳爪 3 向外撑开，从而带动弹性爪 4 夹紧工件。该种夹持器多用于内孔薄壁零件的夹持。三自由度圆柱坐标型工业机器人- 9 -图 3-4 末端执行器3.2.1.3 液压油缸的选择和夹紧力的校验a 初选油缸型号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，它的主要技术参数如表 2-2。表 3-2 冶金设备标准液压油技术规格活塞杆直径 /mm 油口直径速度比缸 径/mm1.46 2通径/mm联接螺纹40 22 28 10 M18x1.5b 夹紧力校验1）零件的计算 2239().460514078.826.4()1VRrhmvGgN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： Gf2f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。三自由度圆柱坐标型工业机器人- 10 -所以 取 N=100（N）)(9015.27NfGN由机械制造装备式 4-60可知驱动力的计算公式为： /()Pbtgc为斜面倾角， ， 为传动机构的效率，这里为平摩擦传动，o3查机械零件手册表 2-2 这里取 0.85, 92.085b=77.5mm,c=29mm。取 p=500(N).4.171052tg按液压传动与气压传动公式 4-15 mPDF42D为汽缸的内径(m)，P 为工作压力（Pa）,由液压传动与气压传动表 9-1负载 F/N 50000工作压力 p/MPa 57取 p=0.5MPa。由液压系统设计可查得： =0.90.95, 所以mNPDF 569.015.4)0(.346232 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。3.2.1.4 弹性爪的强度校验 弹性爪的结构形式如图 3-7：三自由度圆柱坐标型工业机器人- 11 -图 3-7 弹性爪结构图这种结构是在手爪外侧用螺钉固定弹簧板两端固定。当弹性手工作时，由于夹紧过程具有弹性，就可以避免易损零件被抓伤，变形和破损。工件与弹簧片间的力：由上节可知 F=100N。则弹簧爪截面上的剪应力为=30MPa ，=Q/A= 故弹性爪满足强度要求。5102033MPa3.2.2 手臂机构的设计3.2.2.1 手臂的设计要求a、 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b、 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。c、 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荷；减少运动的动载荷与冲击，提高手臂运动的响应速度。d、 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。本设计中手臂由滚珠丝杠驱动实现上下运动，结构简单，装拆方便，还设计有两根导柱导向，以防止手臂在滚珠丝杠上转动，确保手臂随机座一起转动。它的结构如下图。图 3-8 手臂结构图选用轴向脚架型液压缸，活塞杆末端为外螺纹结构，手臂与末端执行器连同活塞杆一起转动。3.2.2.2 伸缩液压油缸的选择选液压缸型号为 Y-HG1-C50/28100LJ1HL1Q，它的主要技术参数如表 2-3。表 3-3 冶金设备标准液压油技术规格活塞杆直径 /mm 油口直径速度比缸 径/mm1.46 2通径/mm联接螺纹三自由度圆柱坐标型工业机器人- 12 -50 28 36 10 M18x1.53.2.2.3 活塞杆的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 M B=0 R1LAB QLBC=0M A=0 R2LAB QLAC=0求得支反力为： R1=524.88NR2=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：B= R B/A= 安全。1.)028(46.732MPa在 B 处的弯应力为： B= MB/A= 安全。4.9)1028(63. a3.2.3 腰部和基座设计3.2.3.1 结构设计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，从而实现机器人三自由度圆柱坐标型工业机器人- 13 -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 2-10。该种设计采用了环形轴承的机器人支承结构。它由电动机 2 直接驱动一杯形柔轮谐波减速器。这种谐波减速器只有刚轮 9、柔轮 7 和谐波发生器 8 三大件，而无单独的外壳（这种结构有利于传动系统的小型化、轻型化） 。由柔轮 7 输出低速的回转运动带动与之固联的机座回转壳体 5 实现手臂的回转运动。齿形皮带传动 4 和位置传感器 6 作为机座用来检测手臂机座的角位移。1支座，2步进电机，3谐波齿轮，4转动机座5支承工字梁，6滚珠丝杠，7导向柱，8锥环无键联轴器图 3-10 腰部和基座结构图1支座，2电机，3轴承，4带传动，5壳体三自由度圆柱坐标型工业机器人- 14 -6位置传感器，7柔轮，8波发生器，9刚轮图 3-11 环形轴承的机器人机座3.2.3.2 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，下面就给出各种驱动方式的比较，以作为选取步进电机作为驱动方式的依据。表 3-4 各种驱动方式比较驱动方式电机 驱动比较内 容 机械传动异步电机，直流电机步进或伺服电机气压传动 液压传动输出力矩输出力矩较大 输出力可较大输出力矩较小气体压力小，输出力矩小，如需输出力矩较大，结构尺寸过大液体压力高，可以获得较大的输出力控制性能速度可高，速度和加速度均由机构控制，定位精度高，可与主机严格同步控制性能较差，惯性大，步易精确定位控制性能好，可精确定位，但控制系统复杂可高速，气体压缩性大，阻力效果差，冲击较严重，精确定位较困难，低速步易控制油液压缩性小，压力流量均容易控制，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制应用范围适用于自由度少的专用机械手，高速低速均能适用适用于抓取重量大和速度低的专用机械手可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手中小型专用通用机械手都有中小型专用通用机械手都有，特别时重型机械手多用由上表可知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，下面就对步进电机的型号进行选取。初选电机为 BF反应式步进电机，型号为：90BF001。它的有关技术参数如下表：表 3-5电机型号相数 步距角/（）电压/V最大静转矩/Nm(Kgfcm)最高空载启动频 率/HZ运行频率/HZ转子转动惯量10 Kgm52分配方式质量/Kg90BF001 4 09 80 3.92 2000 8000 17.64 四相八拍45A、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。由于传动系统的各三自由度圆柱坐标型工业机器人- 15 -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DJ由机电综合设计指导表 2-18 查出 =1.764cm 2DJ（2） 、联轴器转动惯量 的折算L)/(822cmKgMJc式中： 为圆柱质量（Kg） ，D 为圆柱体直径（cm）,L 为圆柱体长度。c对于钢材，材料密度为 ,把数据代入上式得：)10.733cg)(9.282mKMJcL（3） 、滚珠丝杠转动惯量 的折算S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=0.39cm 2； SJ（4） 、手臂转动惯量 的折算GJ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：GJ见机电综合设计指导公式（2-6）P8MJG20)(式中， 为丝杠导程（cm） ； 为工作台质量（kg） 。0L所以： 2220 15.714.38)( cmkgJG （5）系统等效转动惯量 计算J 294.615.390.2764.1ckgJGSLD B、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 2-21maxjM中查得 。步进电机的名义启动转矩 与最大静转矩 的关系为：j92.3max mqMmaxj见机电综合设计指导公式（2-29）P32axjq查机电综合设计指导表 2-12 P35得 0.707。所以，三自由度圆柱坐标型工业机器人- 16 -mMmq 7.29.370.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）P320MKfaKq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ka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Kf（Ncm） ； 有关 的各项力矩值计算如下：KqM（1）加速力矩见机电综合设计指导公式（2-32）和（2-33）P32360102maxa 2maxpbKvntnJ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Jmaxn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。maxvbpin/1250360.9.5axa rnpb cmtJMKa 17.402.61543.2 22max（2） 、空载摩擦力矩见机电综合设计指导公式（2-34）P35iLfGkf0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fi效率，取 0.8； 为滚珠丝杠的基本导程。0LcmMkf 5.018.432.971（3） 、附加摩擦力矩见机电综合设计指导公式（2-35）P35200iLFYJ三自由度圆柱坐标型工业机器人- 17 -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。YJF00cmM428.196.18.432710所以，步进电机所需空载启动力矩： cKfaKq 148.3.50.7.0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）P32mq从上式可知电机初步满足要求。C、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KqMcm148.3 ZyqHf210电综合设计指导表 2-11 P34，步进电机 150BF002启动频率 ，yqf所以所选电机不会丢步。D、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：KJf见机电综合设计指导公式（2-36）P36PKZvf601max式中： 为运动部件最大快进速度。算得 。ax ZKZHf3.8快进力矩 的计算公式：KJM见机电综合设计指导公式（2-37）0fJP37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：0 Kf。cmMKfJ 1.978.4205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 ；Jcm.1.978 KJyf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。3.2.3.3 轴承的选取三自由度圆柱坐标型工业机器人- 18 -a、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。b、丝杠下部装有圆锥滚子轴承，型号为 30204， 它的有关参数如下：基本额定 极限转速r/min轴承代号动载荷 Ca/KN静载荷 C0a/KN脂润滑 油润滑30204 28.2 30.5 8000 100003.3 工业机器人的机械传动装置的选择3.3.1 滚珠丝杠的选择估算：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 L h = 15000 h 左右，工作温度低于 100，可靠度 95%，精度为 3 级精度。A、 计算载荷Fc = KaRt查 上册，表 15-21 得= 1.1 ， = 1.0 ， =1.61 ， = 1FaRKtFc = atmF= 1.1 1.0 1.61 1 1000= 1771 N= aC3c4hmF1067.Ln= 347.5= 19559 NB、 选择滚珠丝杆副的型号主要尺寸为：按 = 19559N，查机电一体化设计基础表 2-9，选用汉江机床厂 C1 型滚珠丝杠，aC系列代号为 FYC1-4008-2.5。= 40 mm , =8 mm , =4 mm , d = 39mm，滚珠直径 d0=3.969mm0DnPwD滚道半径 R= md064.29.3520. 偏心距 e= R21.5)9(7)( 三自由度圆柱坐标型工业机器人- 19 -丝杠内径 mReDd 76.35)064.216.5240(201 27 mm , =24000 N , =1880 N aCCK螺旋导程角 = arctan = arctan = 3380ndP40螺杆不长，无需验算稳定性。 C、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：= + S412nGdPT621nEF式中 T1 = tan( + )m0v= 1000 tan( + )23840= 1321 Nmm磨擦系数 f = 0.025, 当量磨擦角 = ，v剪切弹性模量 G=8.33 N/mm2410所以： = + S442276.35.86 2576.310.8= 0.0387 m 其中，危险截面 = 35.76，E = 2.061d每米螺杆长度上的螺矩的弹性变形= = 6.6 /m ( )p = 15 /ms30687.ms因为滚球丝杆精度要求为 3 级精度，由表 15-8 查得( )p = 15 /ms所以其刚度满足要求。D、计算效率= = = 0.960 = 96%vtan4083tan3.3.2 谐波齿轮的选择谐波齿轮的特点，与一般齿轮传动相比，有如下特点：a、 传动比大。一级谐波齿轮减速比可以在 50500 之间，在只传递运动的装置中可达 1000。采用多级或复波式传动时，传动比可以更大。b、 这种传动同时啮合的齿数多，可达总齿数的 30%40%。故承载能力大。三自由度圆柱坐标型工业机器人- 20 -c、 运动误差小，无冲击，齿的磨损小，传动精度高，传动平稳。d、 效率高（减速传动下，一般可达 0.70.9） ，结构简单，零件少，重量轻。在承载能力和传动比相同的条件下，比一般齿轮减速器的体积和重量约减少1/21/3。e、 缺点是起动力矩大，柔轮易疲劳损坏，故柔轮的材料和热处理条件要求高。传动比小于 35时不能采用谐波传动。由于谐波减速传动装置明显的优点，已广泛用于机器人和其它机电一体化机械设备中。本设计中的谐波齿轮采用带杯形柔轮的谐波传动组合件。它是由三个基本构件构成的，带凸缘的环形刚轮，杯形的柔轮和柔性轴承、椭圆盘构成的波发生器。型号 XB1-80-100-2-3/3机型号 100，既柔轮的公称内径为 80mm减速比 100 三大件订货精度等级，最大空回小于 3分（角）/最大传动误差小于 3分（角）3.3.3 联轴器的选择该机构利用锥环对之间的磨擦实现与毂之间的无间隙连接传递转矩，且可任意调节两面联接件之间的角度位置。通过选择所用锥环的对数，可传递不同大小的转矩。图 2-12 所示为采用锥环（锥环夹紧环）无键消隙联轴器，可使动力传递没有反向间隙。螺钉 5 通过压圈 3 施加轴向力时，由于锥环之间的楔紧作用，内外环 2 分别产生径向弹性变形，消除轴 4 与套筒 1 之间的配合间隙，并产生接触压力，通过磨擦传递转矩，而且套筒 1 与轴 4之间的角度位置可以任意调节。这种联轴器定心性好，承载能力高，传递功率大、转速高、使用寿命长，具有过载保护能力，能在受振动和冲击载荷等恶劣环境下连续工作，安装、使用和维护方便，作用于系统中的载荷小、噪声低。1套筒，2内外环，3压圈，4轴，5螺栓 图 3-12 消隙联轴器第四章 工业机器人的计算机控制系统概述4.1 工业机器人控制系统的特点及对控制功能的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，三自由度圆柱坐标型工业机器人- 21 -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。A、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。1）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。2）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。B、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。C、对外部环境的检测和感觉功能。4.2 计算机控制系统的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。三自由度圆柱坐标型工业机器人- 22 -4-1 机器人控制系统框图4.3 硬件电路的组成图 3-1 是采用 MCS-51 系列单片机组成的控制系统硬件电路原理图。电路的组成如下：i. 主从 CPU 都采用 8031 芯片；ii. 主从 CPU 各扩展程序存储器 27256 一片，扩展数据存储器 62256 一片；iii. 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；iv. 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；v. 地址锁存器、译码器各两片；vi. 键盘电路，显示电路；vii. 光电编码电路，功率放大电路；viii. 报警电路，暂停、急停电路，复位电路；第五章 工业机器人运行时应采取的安全措施有些国家已经颁布了关于机器人的安全法规和相应的规程,国际标准化协会也有业机器人安全规范(ISO/TC184/SC2/WG3-DP10218)。在工业机器人的生产厂家，有严格的管理规定和详尽的技术保障体系。在机器人应用工程中，要参照有关规程、规范以及工业机器人的说明资料，注意落实安全措施，杜绝发生机器人伤人或其它事故。5.1 安全要求工业机器人能代替人在危险有害的环境中作业。但又给人另一种危险，即机器人伤人事故。这是工业机器人安全管理的最为重要的一条原则。此外，除了通用的工业安全规程外，还要注意工业机器人的特殊性，采取相应可靠的对策。对工业机器人应用工程的安全要求有如下几条：三自由度圆柱坐标型工业机器人- 23 -a、 必须为工业机器人和周边设备安装安全护栏，以防止人靠近而造成伤害。工业机器人的动作范围不能超越护栏。b、 在护栏出入口的门上必须设置插拔式电接点点开关，其插座有导线与控制系统的电路连接。只有拔下开关的插头，才能打开对应的门。这时，工业机器人及周边设备停止运转，并且将工业机器人锁定在示教模式。c、 在距操作者的地方设置紧急停止开关。按下此开关，工业机器人和有关的设备立即停止运转。d、 在人机结合部设置传感器。当操作者在此处上、下料或装卡工作时，控制系统要有相应的安全对策。e、 在生产设备旁边的显著位置用大型指示灯箱表示生产系统的当前状态。如运转、调试、停止等。f、 设置工业机器人的作业的作业原点，并在生产系统的操作盘上设置相应的指示灯，使操作者容易判断工业机器人本体的位置状态。g、 示教作业时应降低工业机器人的运动速度，并且要另有一人专门监护，一但发现异常应立即停机。5.2 实施方法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。为此生产厂家在工业机器人及控制系统的软硬件方面应尽可能地增加有关功能，以确保安全。例如，用软极限的功能可设定工业机器人操作机（本体）的实际动作小于标称最大动作范围。当控制点运动到软极限位置时，工业机器人自动停止并报警，不会超越设定的区间。因此，可以将工业机器人本体的动作限制在实际作业的领域内。又如对于弧焊的应用，生产厂家可提供一种带有碰撞传感器的焊枪把持器及焊枪后，示教作业及再现运动时，一但焊枪撞上工件或其他物体时，工业机器人将立即停机。为了确保工业机器人应用工程中的安全，必须实施确保安全要求的具体措施。鸣谢在这次毕业设计中，我有很多收获，首先把我几年来所学的知识做了一次系统的复习，更深一步了解了所学的知识，培养了我综合运用所学知识，独立分析问题和解决问题的能力，也使我学会怎样更好的利用图书馆，网络查找资料和运用资料，还使我学会如何与同学共同讨论问题。这对我以后的工作有很大的帮助,今后我会在工作中不断的学习,努力的提高自己的水平。经过本次设计，我切实体会到作为一个优秀的设计人员的艰难性。在设计过程中，我经常遇到各种各样的问题，有的是知识方面的不足导致的，有的是设计经验方面不足导致的。这些问题有时使得我束手无措，不过在指导老师帮助和自己的努力下，三自由度圆柱坐标型工业机器人- 24 -终于使得我顺利完成了设计。虽然我的设计存在很多不足的地方，但在这两个多月的时间里，我学到了很多有用的知识，也积累了一定的设计经验，这些对于我即将要走向社会工作岗位，将起到很关键的作用。在此衷心感谢学校、学院各位老师 4年来给我的教育和培养，特别要感谢李作全老师在我的毕业设计期间给予的诸多指导。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.