三自由度机器人机构设计.docx

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三自由度机器人机构设计

工业机器人设计

摘要

工业机器人是工业生产的必然产物，它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。

因而具有强大的生命力，受到人们的广泛重视和欢迎。

实践证明，工业机器人可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。

工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作，采用机器人是有效的。

此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其它有毒、污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途。

关键词：

机器人，液压泵，自动化，优越性

IndustryRobotDesign

ABSTRACT

Industrymachinehandisindustryproduceofinevitableoutcome,itbethepartsoffunctionofakindofmimicryhumanbodyarms,accordingtoscheduletorequesttotransportaworkpieceorholdtoholdtooltocarryonoperationofautomationtechniqueequipments,torealizationindustryproduceautomation,pushindustryproduceoffurtherdevelopmenthavealreadyemphasizedtowantafunction.Asaresulthavestrongvitality,besubjectedtopeopleofextensivevaluewithwelcome.Practicecertificate,industrythemachinehandcanreplacehandofheavylabor,showZhaotoeaseaworkeroflaborstrength,improvementlaborcondition,exaltationlaborrateofproductionandautomationlevel.Theindustryproducemediumusuallyappearofbulkyworkpieceofporterageandlong-termmultifarious,monotonousofoperation,adoptionmachinehandisvalid.Inaddition,itcanatheat,lowtemperature,deepwater,cosmos,radioandotherpoisonous,pollutionundertheenvironmentconditioncarryonoperation,moremanifestationitsuperiority,havevastofdevelopmentprospect.

KEYWORDS:

MechanicanlRobot，Pump，Automation，Superiority

目　录

前　言

机器人技术的发展，可以说是科学技术发展共同的一个综合性的结果，同时，也是为社会经济发展产生了重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展。

另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，人类的发展随着人们逐渐的这种社会发展的情况，人们越来越不断探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中,需求能够解放人的一种工具。

那么这种工具就是代替人们去能够从事复杂和繁重的体力劳动，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。

另一方面，人们有各种各样的好的想法，它也归功于电子技术，计算机技术以及制造技术等相关技术的发展而产生了提供了强大的技术保证。

工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上，以及在原子能工业等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。

我国工业机器人起步于70年代初，其发展过程大致可分为三个阶段：

70年代的萌芽期；80年代的开发期；90年代的实用化期。

而今经过20多年的发展已经初具规模。

目前我国已生产出部分机器人关键元器件，开发出弧焊、点焊、码垛、装配、搬运、注塑、冲压、喷漆等工业机器人。

一批国产工业机器人已服务于国内诸多企业的生产线上；一批机器人技术的研究人才也涌现出来。

一些相关科研机构和企业已掌握了工业机器人操作机的优化设计制造技术；工业机器人控制、驱动系统的硬件设计技术；机器人软件的设计和编程技术；运动学和轨迹规划技术；弧焊、点焊及大型机器人自动生产线与周边配套设备的开发和制备技术等。

某些关键技术已达到或接近世界水平。

第1章机械手的组成与分类

1.1机械手的组成

机械手主要由手部和运动机构组成。

手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。

运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。

运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。

为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。

自由度是机械手设计的关键参数。

自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。

一般专用机械手有2～3个自由度。

1.2机器人的特点

机器人最显著的特点有以下几个:

（1）可编程。

生产自动化的进一步发展是柔性自动化。

机器人可随其工作环境变化的需要而再编程，因此它在小批量多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用，是柔性制造系统（FMS）中的一个重要组成部分。

（2）拟人化。

机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有电脑。

此外，智能化机器人还有许多类似人类的“生物传感器”，如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器、语言功能等.传感器提高了机器人对周围环境的自适应能力。

（3）通用性。

除了专门设计的专用机器人外，一般机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性。

比如，更换机器人手部末端操作器（手爪、工具等）便可执行不同的作业任务。

（4）机电一体化。

机器人技术涉及的学科相当广泛，但是归纳起来是机械学和微电子技术的应用，特别是计算机技术的应用密切相关。

因此，机器人技术的发展必将带动其它技术的发展，机器人技术的发展和应用水平也可以从一个方面验证一个国家科学技术和工业技术的发展和水平。

1.3机器人的分类

目前世界各国对处于发展阶段的机器人还没有统一的分类标准，大致有以下几种分类方法。

1、按使用范围分类

（1）固定程序的专用机器人（机械手）通常根据主机的特定要求设计成固定程序（或简单的可变程序）。

这种机器人（机械手）多为气动或液动，用行程开关、机械挡块来控制其工作位置。

工作对象单一，动作较少，结构与系统简单，价格低廉。

（2）可编程序的通用机器人工作程序可变，以适应不同的工作对象，通用性强，适合于以多品种、中小批量生产为特点的柔性制造系统中。

2、按使用行业、部门和用途分类

（1）工业机器人它们又可按作业类别分为锻压、焊接、表面喷涂、装卸、装配、检测等机器人。

（2）采掘机器人如海洋探矿机器人等。

（3）军事用途机器人

（4）服务机器人如医疗机器人，家用机器人，教学机器人等。

3、按机械结构、坐标系特点分类

按机械结构坐标系特点可分为直角坐标型；圆柱坐标型；球坐标型；多关节型。

4、按机器人运动控制方式分类

（1）点位控制（PTP）机器人就是由点到点的控制方式，这种控制方式只能在目标点处准确控制机器人末端执行器的位置和姿态，完成预定的操作要求。

目前应用的工业机器人中，很多是属于点位控制方式的，如上下料搬运机器人、点焊机器人等。

（2）连续轨迹控制（CP）机器人机器人的各关节同时作受控运动，准确控制机器人末端执行器按预定的轨迹和速度运动，并能控制末端执行器沿曲线轨迹上各点的姿态。

弧焊、喷漆和检测机器人等均属连续轨迹控制方式。

5、按驱动方式分类

按驱动方式可分为液压驱动式、气动式、电力驱动式（这是目前用得最多的一类）

6、根据机器人的功能水平和技术的先进程度按“代”分类

（1）第一代机器人其特点是采用开关量控制，示教再现控制或数字控制，其作业路径和运动参数需通过示教或编程给定。

60年代以来，工业中实际应用的绝大多数工业机器人都属于第一代机器人，它包括可编程序（用于上下料）的工业机器人具有记忆装置的示教再现型机器人，数控型搬运机器人等。

（2）第二代机器人是70年代开始出现的，其技术特点是采用计算机直接控制，是通过具有视觉、触觉的摄像机和传感器，能“感觉”外界信息并通过计算机进行计算和分析自动地控制操作机进行运动和操作，因此，其控制方式较第一代机器人要复杂得多，目前这类机器人已开始在工业生产、排险救灾等场合应用，并将进入普及阶段。

（3）第三代机器人即智能机器人。

这是国内外正在积极研究，开发的高级机器人，其主要特点是具有人工智能。

包括:

模式识别能力、规划决策能力、知识库、专家系统、人机交互能力等。

这一类机器人目前正在研究开发之中。

机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。

有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。

第2章抓取机构设计

2.1手爪设计计算

1、最大夹紧力计算

查机械设计手册知钢和钢之间的摩擦系数为

μ=0.15

则物重

G=mg=10×10

=100N

最大夹紧力F

由公式

G=μ×F

算得，

F=G/μ=100÷0.15

≈666.7N

2、受力分析图2-1手爪的受力分析

如图2-1，

F1=F2=F3=666.7N，

F4=F5=F3×cos15°/2

=321.99N

如图2-2由

∑M=0

算得

F1×L1-F5×L2-F6×L3=0

算得

F6=703N

由于F6与水平方成30º角，图2-2手爪的力矩分析

可算出活塞杆推力F

F=2×F2×cos30º

=1046N

3、手部尺寸

利用抗弯强度校核计算

手指截面系数

Wz=Mmax/σ,

而

Mmax=11458N·mm，

选取材料Q235，其抗弯强度

[σ]=140Mpa，

则

Wz=11458/140=800

对于矩形截面来说

Wz=Iz/Ymax=bh²/6

取b=15mm时，

h=18mm

从而得手爪的具体形状如图纸手爪1，手爪2。

4、螺栓选择

经计算手指固定转轴处螺栓受力最大，

F=1217N

选择材料Q235，4.6级螺栓，查表得其抗剪强度为48Mpa

根据螺栓抗剪强度计算螺栓直径d

d=6.2mm

圆整为

d=8mm

根据配合要求取M8×100的螺栓。

5、拉杆设计

取材料Q235，查材料工程材料手册得

σs=240Mpa,

得

[σ]=σs/Ns

=120Mpa

受分析得拉杆受力

F=1421N

由

σ=N/A

得Amin=1421/120

=11.85mm²

考虑到实际结构，取20×10的矩形截面拉杆，来紧固两手爪的相对位置。

2.2手爪驱动缸设计

1、初算活塞杆直径

经分析液压缸的最大工作力为

F=1451N

由于手爪是靠推力夹紧的，所以驱动液压缸的活塞杆选用材料HT-200查机械工程材料手册得σ=650Mpa，

由

[σ]=σc/Nb

取

Nb=3

得

[σ]=216.7N

又

[σ]min=N/A

得

Amin=2.79mm²

2、压杆稳定校核

欧拉公式

Fcr=π²EI/（μL）²

由于此活塞杆是一端固定，一端铰接，所以

μ=0.7

根据结构要求取

L=200mm

查表得HT-200的弹性模量

E=115-160Gpa

取

E=115Gpa

又

F=π²EI/[（μL）²nst]

为了安全，取

nst=6

得

Imax=[（μL）²nst]F/π²E

而

I=πd4/64

得

dmin=0.0075m

根据GB/T-2348-1993圆整得

d=0.008m=8mm

3、液压缸参数确定

由

d=（0.6—1）D

得缸内径

D=8/0.6

=13.3mm

根据GB/T-2348-1993圆整得

D=12mm

由

B=（0.6—1）D

得活塞宽度

B=12mm

导向套长

C=10mm

端盖厚度

L=15mm

外径根据GB/T-2348-1993选取D′=36mm，

液压缸行程,如图2-3：

用CAD准确的画图后，模拟得出液压缸行程

S=282-161

=121mm

根据表

GB/T-2348-1993

圆整得

S=125mm

2.3腕部设计

1、拉杆设计图2-3手爪的伸缩

拉杆选用材料Q235，

查机械工程材料手册得

σs=240Mpa,

得[σ]=σs/Ns=120Mpa

由F1，F5，F6合成，得拉杆受力

F=1983N

得截面

A=16.5mm²

考虑到实际结构，取20mm×10mm的矩形截面拉杆，来紧固两手爪与横梁的相对位置。

2、拉杆支架

此支架以横梁液压缸活塞，也就是手爪驱动缸外径为支承，并焊接到手爪驱动缸外径上，以确保牢固。

此处用螺栓紧连接，以保证手爪与横梁的相对位置固定。

具体形状及尺寸见图纸。

3、推杆设计

推杆受力

F6=703N

取材料HT-15，由强度校核及压杆稳定计算并圆整

取截面为20mm×10mm的矩形推杆。

如下图2-4：

用CAD准确的画图后，模拟得出推杆两铰制孔距离L=123mm

图2-4推杆尺寸设计

考虑到手爪尾部槽宽与活塞杆头部槽宽一致，将推杆与手爪尾部连接的一端设计一个圆台，如下图2-5为一个推杆。

具体形状及尺寸见图纸及装配图。

图2-5推杆

第2章横梁立柱的设计

3.1液压缸组件及其设计

1、液压缸活塞杆

由上面的计算知道此液压缸活塞杆直径

d=36mm

2、缸体的设计

根据表GB/T-2348-1993和结构要求选取液压缸内径

D=63mm

外径

D＇=76mm

3、导向块

导向块宽取

C=36mm

3.2托盘及其与液压缸的连接

为了使立柱在整个横梁正中，结合横梁结构将横梁设计为

长×宽×高为650mm×180mm×10mm

的六面体，再焊接两个厚为10mm的筋板加强一下，以防止工作时横梁受弯矩变形。

具体形状尺寸见托盘零件图。

另外考虑到液压缸和活塞之间的相对转动会影响手爪工作时抓取工件的准确性，特设计一组“V”形导轨滑块以限制活塞与液压缸间的相对转动。

导轨与托盘用M6×20的螺钉连接，滑块则与活塞牢固连接，同时液压缸与托盘用4个M10×40的螺栓牢固连接。

至于托盘与立柱之间则用

M40×2×80的螺纹连接。

详见装配图相应内容。

3.3立柱液压缸设计

经估算，手爪、腕部、横梁、托盘加上工件的总质量约50kg，则为驱动由这些部分组成的整体0.1秒内速度由0增加到0.15m/s需要的惯性力

Pa=mv/t=50×0.15/0.1=75N

若保持这个速度继续上升需要的力则为

F=mg+Pa

=50×10+75

=575N

为安全起见，取

F=1000N

此机器人只需中低压系统，故初选工作压力为

P=1Mpa

则液压缸内径

D=√4F/π≈35.69mm

根据GB/T-2348-1993圆整得

D=40mm

外径

D＇=63mm

由于液压缸上部的重量足以使活塞在缸内无油压时自动下降，故此液压缸组件设计成单作用缸即可。

3.4立柱与横梁托盘的连接

立柱与横梁托盘靠螺纹连接的，包括立柱螺纹和两个导向杆螺纹。

考虑到液压缸与活塞之间是圆弧接触，可相对转动，但是此机器人工作时有较高的转角要求，因此为保证其较高的转角精度，需限制液压缸与活塞间的相对转动。

为实现此功能，在立柱旁树立两组套筒组件，一方面限制转角，另一方面增加立柱的刚度，而且为机械手的升降起到了很好的导向作用。

详见立柱液压缸装配图。

第4章底座托盘设计

4.1计算转动惯量

将横梁等效成Ф76×1200的均匀直杆，估算出其总质量为（包括工作时的夹持的工件）

M=50kg

其转动惯量为

Jz=Ml²/12

=50×（1.2）²

=72Kg·m2

由于其形心距立柱有效距离为

d=140mm

由平行轴定理得出横梁相对立柱形心的转动惯量

Jz＇=Jz+Md²

=72+50×0.14²

=72.98Kg·m2

将立柱视为Ф45×1200的均匀圆柱，估算其质量

m=10kg

则其转动惯量为

Jz＇＇=mR²/2

=10×0.045²

=0.01Kg·m2

则底座托盘以上整体的转动惯量为

Jz总=Jz＇+Jz＇＇

=72.98+0.01

=72.99Kg·m2

4.2起动转矩计算

1、立柱角速度计算

若要求立柱在0.1秒内速度由0增大到15r/min，则

ω=πn/30

=15π/30

=0.5πrad/s

角速度

ε=ω/t

=0.5π/0.1

=5πrad/s

2、起动转矩

Mz=Iz×ε

=6.99×5

≈110N·m

4.3最小轴径计算与键校核

1、最小轴径计算

根据轴的抗扭强度计算最小轴径,选择材料45号钢，查表得其抗扭强度

[τ]=40Mpa

由于

τmax=Mz/Wt

又截面系数

Wt=0.2d×d²

所以

dmin=23.957mm

又轴有一个键槽就削弱抗扭强度3%，故

dmin=23.957×（1+0.03）=24.676

圆整得

d=25mm

2、键校核

根据最小轴径选择普通平键

其

[σ]=110Mpa

则

σp=2Mz/dkl

得

lmin=2Mz/dk[σ]

=22.857mm

圆整得

l=25mm

故选用普通平键8×25（GB/T1096-2003）。

4.4选择轴承

由于此轴要承受单向较大的轴向力，则应用一个推力球轴承，为方便设计轴肩，不受扭力的一端轴径设计为Ф20，选用6104号单列深沟球轴承；另一端轴径设计为Ф30，选用6106号单列深沟球轴承，由于推力球轴承需要支撑，所以要留一个Ф35×20的轴肩以填充支撑物。

故推力球轴承处可以设计为Ф40，选用8108号单向推力球轴承。

关于底座托盘的具体形状及尺寸请参考其零件图。

第5章液压马达设计

5.1马达外径计算

此液压马达是用于驱动立柱往复回转180°的机构，采用摆动液压马达。

由公式

T=b（D²-d²）（P2-P1）ηm/8

取马达容积高

b=50mm

轴径

d=35mm

工作压力

P2=3Mpa

背压

P1=1Mpa

马达工作效率

ηm=0.9

则

D=104.8mm

查表GB/T2348-1993取D=125mm

5.2叶片设计

叶片设计如下图5-1，带键槽的通孔套在底座托盘轴径为Ф25的轴上，与之配合。

液压马达是整个机器人装置的动力源，所以其承受者最大的工作压力，叶片必须具有很好的抗弯强度、抗震性能和疲劳强度。

叶片选取材料为高淬透性调质钢40CrNiMoA（A50403），根据标准GB/T3077—1999。

叶片厚度为10mm。

5.3紧固及连接方案

上下缸盖与缸筒之间采用毛毡密封，并用8个M8的螺钉紧固；缸体与底座的连接，用8个M10的螺栓连接，为防止两组螺栓孔削弱缸体上端盖的强度，特将两组螺栓孔错开45°，详见液压马达装配图。

图5-1叶片

第6章液压泵、电机的选择

6.1流量计算

1、手爪驱动缸流量计算

若要求手爪在0.1秒内抓取并夹紧工件，则手爪运动速度

V1=L1/t

=0.125/0.1

=1.25m/s

则手爪驱动缸的流量

Qv1=V1×A1×1000×60

=1.25×0.02²×1000×60π×/4

=2.355L/min

2、横梁驱动缸的流量计算

Qv2=V2×A2×1000×60

=0.2×0.063²×1000×60π×/4

=37.4L/min

3、立柱液压缸的流量计算

Qv3=V3×A3×1000×60π×/4

=0.15×0.02²×1000×60π×/4

=2.826L/min

4、底盘液压缸流量计算

Qv4=b（D²-d²）ω/8ηm

=0.5×（1²-0.35²）×15/8×0.9

=0.9141L/min

则总流量为

Qv=Qv1+Qv2+Qv3+Qv4

=2.355+37.4+2.826+0.9141

=43.4951L/min

6.2选择液压泵

为实现用一个液压泵给这几个液压缸供油，需要选择一个大流量的液压泵，根据液压泵产品列表选择CB-32型液压泵，其相关参数为

额定排量32.1ml/r

额定转速1500r/min

额定压力10Mpa

额定功率9.8kw

质量6.4kg

算得其额定流量

Qve=32.1×1500÷1000

=48.15L/min

满足此液压系统流量要求。

6.3选择电机

根据液压泵功率选择合适的电机，查电机产品列表选择Y160M-4型电机，其相关参数如下：

额定功率11kw

满载转速1460r/min

额定电压380V

机械效率88%

第7章机器人的控制

7.1机器人的控制

机器人有多个自由度，每个自由度包括一个伺服机构，他们必须协调起来，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构的运动，在作业中按要求执行点位或轨迹运动，并保持设定的姿态。

在运动中或在规定