圆柱坐标型工业机器人设计.docx
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圆柱坐标型工业机器人设计
圆柱坐标型工业机器人设计
第一章绪论
1.1工业机器人研究的目的和意义
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重要的自动化装备。
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（FMS）、自动化工厂（FA）、计算机集成制造系统（CIMS）的自动化工具。
广泛采用工业机器人,不仅可提高产品的质量与数量,而且保障人身安全、改善劳动环境、减轻劳动强度、提高劳动生产率、节约材料消耗以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。
20世纪80年代以来，工业机器人技术逐渐成熟，并很快得到推广，目前已经在工业生产的许多领域得到应用。
在工业机器人逐渐得到推广和普及的过程中，下面三个方面的技术进步起着非常重要的作用。
1.驱动方式的改变
20世纪70年代后期，日本安川电动机公司研制开发出了第一台全电动的工业机器人，而此前的工业机器人基本上采用液压驱动方式。
与采用液压驱动的机器人相比，采用伺服电动机驱动的机器人在响应速度、精度、灵活性等方面都有很大提高，因此，也逐步代替了采用液压驱动的机器人，成为工业机器人驱动方式的主流。
在此过程中，谐波减速器、RV减速器等高性能减速机构的发展也功不可没。
近年来，交流伺服驱动已经逐渐代替传统的直流伺服驱动方式，直线电动机等新型驱动方式在许多应用领域也有了长足发展。
2.信息处理速度的提高
机器人的动作通常是通过机器人各个关节的驱动电动机的运动而实现
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的。
为了使机器人完成各种复杂动作，机器人控制器需要进行大量计算，并在此基础上向机器人的各个关节的驱动电动机发出必要的控制指令。
随着信息技术的不断发展，CPU的计算能力有了很大提高，机器人控制器的性能也有了很大提高，高性能机器人控制器甚至可以同时控制20多个关节。
机器人控制器性能的提高也进一步促进了工业机器人本身性能的提高，并扩大了工业机器人的应用范围。
近年来，随着信息技术和网络技术的发展，已经出现了多台机器人通过网络共享信息，并在此基础上进行协调控制的技术趋势。
3.传感器技术的发展
机器人技术发展初期，工业机器人只具备检测自身位置、角度和速度的内部传感器。
近年来，随着信息处理技术和传感器技术的迅速发展，触觉、力觉、视觉等外部传感器已经在工业机器人中得到广泛应用。
各种新型传感器的使用不但提高了工业机器人的智能程度，也进一步拓宽了工业机器人的应用范围。
1.2工业机器人在国内外的发展现状与趋势
目前，工业机器人有很大一部分应用于制造业的物流搬运中。
极大的促进物流自动化，随着生产的发展，搬运机器人的各方面的性能都得到了很大的改善和提高。
气动机械手大量的应用到物流搬运机器人领域。
在手爪的机械结构方面根据所应用场合的不同以及对工件夹持的特殊要求，采取了多种形式的机械结构来完成对工件的夹紧和防止工件脱落的锁紧措施。
在针对同样的目标任务，采取多种运动方式相结合的方式来达到预定的目的。
驱动方面采用了一台工业机器人多种驱动方式的情况，有液压驱动，气压驱动，步进电机驱动，伺服电机驱动等等。
愈来愈多的搬运机器人是采用混合驱动系统的，这样能够更好的发挥各驱动方式的优点，避免缺点。
并且在它的控制精度方面和搬运效率方面有了很大的提高。
在搬运机械手的控制方面，出现了多种控制方式。
如:
由原始的电控的机械手，
2
较先进的基于工控机控制的，基于PC控制的，进一步的嵌入式PC控制技术，还有采用PLC可编程控制的。
在物料搬运方面近年来呈现出的趋势就是系统化。
无论是我国还是国外，物料搬运的发展都是由单一设备走向成套设备，由单机走向系统。
在制造业方面，随着JIT,FMS,CIMS等现代制造技术的发展，对物料搬运系统也提出了新的要求。
其特点是力求减少库存、压缩等待和辅助时间，使多品种、少批量的物料准时到达要求的地点。
这一趋势在机械工业方面得到了很大的应用。
其中采用了机器人等先进的物料搬运技术，促进了机械工业的技术进步和生产水平提高。
当代工业机器人技术发展一方面表现在工业机器人应用领城的扩大和机器人种类的增多。
另一方面表现在机器人机械系统性能的提高和控制系统的智能化。
前者是指应用领域的横向拓宽，后者是在性能及水平上的纵向提高。
机器人应用领城的拓宽和性能水平的提高二者相辅相承、相互促进。
应用领城的扩大对机器人不断提出断的要求，推动机器人技术水平的提高.反过来，机器人性能与智能水乎的提高，又使扩大机器人应用领域成为可能。
1（工业机器人机械系统性能的提高。
进一步提高业机器人的运动精度。
机器人是一种多关节开链式结构，因此，机器人手臂的刚度一般都不高。
另外由于构件的尺寸误差和传动间隙的存在，以及机器人手臂末端误差的放大作用，使当前机器人的定位与运动还不能达到很高的精度。
度大.精度高的数控机床相比，机器人在工作精度上大为逊色。
因此，至今工业机器人在精密装配及其它精密作业中的应用仍受到了很大的限制。
除了精密作业要求高精度机器人以外.采用离线编程的工业机器人系统也要求该机器人要具有足够高的定位精度和运动精度。
进一步提高机器人工作精度的主要办法是:
提高机器人的加工精度与装配精度，采用无隙传动的减速机构，采用直接驱动电机，通过标定进行
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机器人的
2（误差补偿，通过实时检侧对机器人运动误差进行实时修正。
提高机器人手的灵活度和避障能力:
当前常用的机器人手肴的灵活度的都不够高，即手臂末端达到某一工作点时。
手臂可能采取的姿态是有限的，有时要有很大的灵活度和很强的避障能力.例如。
当用喷涂机器人喷涂车身内表面时，要求机器人能将车身内表面的各个角落都喷上漆，必须要有高灵活度机器人手有才行。
另外，在有限空间及有障碍的复杂环境中作业的机器人，例如在核电站工作的机器人，也要求其具有高灵活度的机器人手臂。
为了提工业机器人手臂的灵活度，主要是采用具有冗余自由度的机器人手臂和在机器人手臂机构上采用膨铰关节及可双向弯曲的手臂。
3（提高机器人的运动速度和响应频率:
为了提高机器人作业效率，以及提高具有感知功能机器人的反应速度，就必须提高机器人运动速度和响应频率，这一点，对装配机器人来说尤为重要。
为此，一方面可以通过采用高强度材料或轻质材料（如碳纤维复合材料）制造机器人手臂，以达到减轻手臂重量和提高手臂动态特性的目的，另一方面，也可以通过采用直接驱动电机或其它高性能驱动电机，从控制和驱动方面提高机器人系统的运动速度与响应频率。
4（提高机器人手爪或手腕的操作能力、灵活性与快速反应能力:
为了使机器人能像人一样进行各种复杂作业，如装配作业、维修作业及设备操作，机器人就必须有一个运动灵活和动作灵敏的手腕和手爪。
这一点对装配作业机器人、核工业机器人和在空间站上作业的空间机器人来说是特别重要的。
5（采用模块化组合式机器人结构，提高机器人快速维修性能:
根据优化设计，制造出多种不同尺寸和规格的手臂和连接器模块。
用少量的模块可组合成多种机器人配置。
这种机器人能进行快速维修，可以实现自动修复。
所以，这种机器人结构最适用于空间机器人、核工业机器人等。
如这种积
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木结构能推广用于一般工业机器人，将使工业机器人的成本下降、生产周期及维修周期缩短。
1.3工业机器人的分类
1.3.1按作业用途分类
如前所述，各类工业机器人的应用范围非常广泛，而且还有一种机器人多种用途的情况。
通常我们依据其具体的作业用途来称呼它，如一条自动生产线上使用了相同结构的数台机器人，有的用于点焊就称为点焊机器人，有的用于搬运工件就称为搬运机器人，以此类推，便有喷漆机器人、涂（密封）胶机器人、装配机器人和测量机器人等有的作业具有一定范围，如潜入水下作勘查、采矿和铺4管道的机器人，就统称为水下机器人，类似的还有宇航机器人等。
1.3.2按操作机的运动形态分类
按工业机器人操作机运动部件的运动坐标把机器人区分为:
直角坐标式机器人，极（球）坐标式机器人，圆柱坐标式机器人和关节式机器人，另外还有少数复杂的机器。
人是采用以上方式组合的组合式机器人。
1.3.3按机器人的负荷和工作范围分类
按照这种分类方法，工业机器人分为:
超大型机器人—负荷为10KN以上。
3大型机器人—负荷1--10KN，工作空间为1—10m以上。
3中型机器人—负荷为100--1000N。
工作空间为0.1,1m
3小型机器人—负荷为l--100N，工作空间为0.1m。
3超小型机器人—负荷小于1N,工作空间为0.1m。
以上所谓机器人的“负荷”是指在机器人的规定性能条件下，机器人所能搬移的重量中包括了机器人末端执行器的重量。
1.3.4按机器人具有的运动自由度数分类
机器人的自由度数的定义是:
操作机各运动部件独立运动的数目之和。
这种运动只有两种形态:
直线运动和旋转运动，其腕端的任何复杂的运动都
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可由这两种运动来合成。
工业机器人的自由度数。
一般为2,7个，简易型
的2—4个自由度，复杂型的5,7个自由度。
自由度数越多，机器人的“柔
性”越大，结构和控制也就越复杂，所以并非越多越好。
1.4本课题研究的主要内容
（1）确定机器人运动参数及工作行程。
（2）根据工件的负载情况，工作空间以及各个运动的实现形式对搬运
机器人进行整体方案的设计;
（3）对搬运机器人的手爪，，小臂，大臂，的结构设计，绘制各部分
的结构草图;
（4）由第2步所给定的条件和第3步的结构特点，选取驱动系统并确
定驱动电机的驱动方式和传动方式;
（5）对各结构的质量进行粗估，完成对手爪的夹紧气缸，小臂、大臂
丝杠的驱动电机，以及腰部、腕部的旋转驱动电机的计算选型;
（6）根据电机的外形尺寸及输出轴轴径，以及电机的重量完善结构草
图。
（7）通过以确定的结构的质量的分析，验算重要零件的受力情况，绘
制最终装配图。
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第二章总体设计方案确定2.1结构设计概述
一个机器人系统结构由下列互相作用的部分组成:
机械手、环境、任务。
机械手是由具有传动执行装置的机械，它由臂，关节和末端执行装置构成，组合为一个互相连接，互相依赖的运动机构。
机械手用于执行指定的作业任务。
工业机器人的末端执行器是安装在腕端的附加装置。
机器人的手部可分为夹持式和吸附式两大类。
夹持式的是指型手，夹持方式有外夹式和内撑式之分，吸附式的分为空气负压式和电磁式两种，
任务是指机器人要完成的工作。
机器人的类型是随着工作任务的特点而决定的。
例如:
SCARA机器人就非常适合平面上的工件的抓取。
环境是指机器人所处的周围环境。
环境不仅由几何条件（可达空间）所决定，而且由环境和它所包含的每一个事物的全部自然特性所决定。
2.2基本设计参数
根据次机械手的应用场合和实地的应用要求，其主要的设计参数要求如下:
（1）抓取的重物:
2kg;
（2）机械手的自由度数:
4个;
（3）运动参数:
0.02m大臂升降:
线速度:
;s
0.02m小臂伸缩:
线速度:
;s
rad3.14手腕俯仰:
角速度:
;s
3.14rad腰部旋转:
角速度:
;s
（4）运动行程:
大臂升降:
300mm
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小臂伸缩:
300mm
腰部旋转:
90
手腕俯仰:
90
2.3工作空间分析
2.4传动方案的确定:
2.4.1传动方案分析
<1>方案1:
图2-2传动方案一
第一、二、自由度均采用伺服电机加减速器的结构形式。
大臂的驱动电机和大臂的回转轴共线。
小臂的传动方案与大臂的传动方案相同，这样虽然结构上较为简单，但对大臂产生了一定的附加弯矩，对工件的抓取精度产生了一定的不利影响，并且对转矩的计算也会较为麻烦。
第三个自由度，即就是升降机构采用电机步进电机加同步齿形带的传动方案。
同步齿
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形带具有传动精度高，结构紧凑，传动比恒定等特点。
但对安装的精度要求较高，负载能力也很有限，并且不能实现反向自锁，需要另加断电保护装置。
手爪的结构采用较为简单的气动控制直线运动的手爪。
<2>方案二:
图2-3传动方案二
第一、二自由度均采用交流伺服电机加减速器的驱动模式，故此结构可以较为简单。
电机轴和小臂的关节轴是同一方向的。
这是在充分考虑到小臂的驱动电机对大臂所产生的附加弯矩的条件下，对大臂的结构设计特别做了加强处理。
第三个自由度为丝杠螺母的升降运动，采用的传动方式是电机轴经过一级齿轮减速，再驱动滑动丝杠，利用滑动丝杠的大减速比的特点，达到控制上升的速度不至于过快。
同时，选择单头的滑动丝杠具有很好的自锁性能，从而在系统突然断电的情况下，不致使此自由度方向上发生运动，从而保证了结构的安全。
第四自由度旋转机构也是采用电机
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加谐波减速器的结构形式。
手爪采用目前广泛采用的，而且技术成熟的连杆导杆式气动机械手，这一机械手的造价低廉，结构简单，针对此处所抓取的工件的特点是不易变形的金属工件，所以对夹紧力的要求不是太高，故采用气动机械手爪完全可以达到设计要求。
<3>方案三:
图2-4传动方案三
如图2-4所示，第一自由度采用步进电机加减速装置的传动模式。
大臂与回转关节之间采用谐波减速器传递动力。
小臂的驱动电机考虑到它的重量会对大臂造成较大的附加弯矩，则把小臂的驱动电机安装在大臂的回转轴的轴线方向，电机输出轴与小臂的回转轴之间通过同步齿形带相连接，保证了小臂回转的精度。
但这样就使得小臂的传动机构很复杂，有多段承受弯矩的轴，并且电机轴也承受了一定的弯矩。
第三个自由度采用滚珠丝杠并配以电机加减速器驱动的传动方案，这是利用了滚珠丝杠的传动精度高，并且是把旋转运动转换为直线运动，而不需要中间环节的转化，结构
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简单。
但滚珠丝杠必须附加自锁装置以确保能够做到断电保护。
滚珠丝杠的造价较高，重量也较重，因此在滚珠丝杠的材料选择方面要求加工材料要较轻。
并且滚珠丝杠需要电机的输出转矩也较大，自身的减速比较小。
机器人的手爪部分仍然采用较为常用的气缸配合连杆式气动机械手的结构，其作用与方案一所述的相同。
2.4.2伺服驱动与步进驱动的比较
1）低频特性不同
歨进电机在低速时容易出现低频振动现象，振动的频率与负载情况以及与驱动器的性能有关。
当步进电机工作在低速的时候一般还应采取阻尼技术来克服低频振动现象。
交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。
2）矩频特性不同
不进电机的输出力矩随转速的升高而降低，而且在较高的转速时会急剧
r300~600下降所以其最高的工作转速在。
交流伺服电机为恒力矩输出min
即使在额定转速以内都能输出额定的转矩，在额定转速以上为恒功率输出。
3）过载能力不同
不仅电机一般不具有过载能力，交流伺服电机具有较强的过载能力比进电机因为没有这种过载能力，为了克服启动时较大的惯性力矩，往往要选取具有较大静转矩的电机，而机器人正常工作时又不需要这么大的转矩，所以便出现了力矩浪费的现象。
4）运行性能不同
步进电机的控制一般为开环控制，速度过快或负载过大都会出现失转或堵转现象。
交流伺服电机为驱动系统为闭环控制，驱动器可以直接对电动机编码器反馈信号进行采样，在内部构成位置环和速度环，能避免失步或过冲现象。
综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电动机，所以在一些对位置和速度要求较高的场合，采用交流伺服系统的优势更为明显。
此次的搬运机器人队工件的抓取，对其驱动系统的要求就是要能够较为准确
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的完成对位置和速度的控制，这样选取交流伺服电机就能够很好的满足这一点。
通过对上面的方案的比较，综合分析后我认为方案二有更多的优势，而且结构合理，能够比较好的完成本次的输送线出货台的物料搬运工作。
故此次方案二作为本次设计的最终设计方案。
第三章搬运机器人的结构设计
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3.1驱动和传动系统的总体结构设计
（1）底座
如图所示:
电机和谐波减速器通过连轴套筒相连，谐波减速器的输出轴和大臂的回转关节轴直接相连。
外壳的材料采用45钢底座的轴承采用角接触轴承，使利用了它既能承受轴向力也能承受一定的径向里的特点。
电机和减速器通过外壳内部的凸台进行安装，这样使得结构简单，加工和安装方便。
里面部件的材料采用铝合金,位于底部的电机通过谐波减速器的减速对顶端轴进行驱动，从而带动了大臂回转轴和大臂一起转动，需要注意的是臂回转轴是做成一体的。
图3-1机器人的结构设计方案图
（2）传动装置
传动的主要方式是采用交流伺服电机加减速器的传动模式，大臂的轴承选择的是角接触轴承，用此来承受较大的负载产生的弯矩，避免了减速器的输出轴，以及电机轴承受附加载荷，从而保护了减速器和电机。
大臂
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的长度尽可能的做的短一些，这样会在整体结构简单的情况下将小臂回转关节的电机自身重量和减速器的重量极可能多得通过壳体传递到地面，另外对大臂的设计也采用了增加强度的处理，从而尽可能电机和减速器所产生的附加弯矩对机构的影响。
小臂回转关节采用了电机减速后直接驱动小臂关节轴旋转，从而带动小臂旋转，这里大、小臂的运动具有独立性的特点。
（3）升降机构
此处机械手的升降机构是采用电机加一级齿轮减速，传递动力给滑动丝杠，利用滑动丝杠的大的降速比来完成夹持工件的机械手上下移动，这样可以把电机输出的转动转化成丝杠螺母的上下移动，并且整体结构较为简单。
同时考虑滑动丝杠的原因也是利用了滑动丝杠的反向自锁的特性，从而实现了断电保护。
在滑动丝杠的外螺母上连接导向杆，这样可以对螺母起到导向的作用，同时可以减少负载产生的附加弯矩对滑动丝杠的影响，进一步挺高了机械手抓取时的抓取精度。
）旋转机构（4
如图所示，此处的旋转机构主要是利用步进电机利用键连接来驱动机械手进行旋转来实现抓取工件位姿的调整，这里是考虑到机械手在抓取工
件时所需要的位姿来进行设计的，使得机械手
的手爪更方便有效的完成工件的抓取。
3.2气动手爪的选型计算
机械手爪受力分析:
（如图3-3）
P:
机械夹持器轴向施加的作用力;
e:
夹持器活塞中心至手指支点的距离;
R:
支点销轴的半径;
:
中间连杆对手指的压力角;
:
摩擦角;
:
构件间的摩擦系数;
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4.1机器人控制系统分类
1.程序控制系统:
给每一个自由度施加一定规律的控制作用，机器人就可实现要求的空间轨迹。
2.自适应控制系统:
当外界条件变化时，为保证所要求的品质或为了随着经验的积累而自行改善控制品质，其过程是基于操作机的状态和伺服误差的观察，再调整非线性模型的参数，一直到误差消失为止。
这种系统的结构和参数能随时间和条件自动改变。
3.人工智能系统:
事先无法编制运动程序，而是要求在运动过程中根据所获得的周围状态信息，实时确定控制作用。
4（机器人控制系统结构
机器人控制系统按其控制方式可分为两类:
1）集中控制方式:
用一台计算机实现全部控制功能，结构简单，成本
低，但实时性差，难以扩展，其构成框图如图所示。
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楼渊:
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图4-1集中控制方式
2）主从控制方式:
采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能。
图4-2主从控制方式
主CPU实现管理、坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等;从CPU实现所有关节的动作控制。
其构成框图如图3所示。
主从控制方式系统实时性较好，适于高精度、高速度控制，但其系统扩展性较差，维修困难。
4.2控制系统方案设计
4.2.1控制系统方案分析
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控制系统通常是指在复杂的条件下，将预定的控制目标转变为期望的机械运动。
控制系统使被控机械实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制，以及这些被控机械量的精确综合控制。
搬运机器人的手部、小臂、大臂的动作都是通过控制系统来控制的，所以控制系统是搬运机器人的重要组成部分，控制系统的设计对于机器人的总体设计而言至关重要。
目前，搬运机器人的控制方式大多采用可编程序的点位控制（PTP）方式，而在各种控制方式中，可编程序控制器（PLC）因其通用性好、编程方便、成本较低、易于设计和维护等优点而被广为使用，它完全可以取代继电器控制柜，而且可以实现比继电器功能强得多的控制功能。
4.2.2控制系统特点
1.编程方法简单
可编程控制器的梯形图语言程序一般采用顺序控制设计方法。
这种编程方法很有规律，容易掌握。
对于复杂的控制系统，设计梯形图语言程序和调试程序比设计和调试继电器控制系统所花的时间要少得多。
2（控制系统结构简单，通用性强
尽管现在世界各个生产可编程控制器的厂家和公司，有着多种品牌和种类，但其基本结构和工作原理大致相同。
配以各种组件就可以灵活的组成各种规模和不同要求的控制系统。
3（抗干扰能力强
可编程控制器采用了一系列硬件和软件的抗干扰干扰能力措施，如滤波、隔离、屏蔽、自诊断、自恢复等，使之具有很浅的抗干扰能力。
一般无故障的时间数已经达到数万小时以上，可以应用于有强干扰的工业生产现场。
现在可编程控制器已经被公认为最可靠的工业控制设备之一。
4（可靠性高
继电接触器控制系统使用了大量的机械触电，连线复杂，各触点在吸合和断开时容易受到电弧的损伤，所以寿命多，工作可靠性差。
而可编程控制器以软件代替硬件，许多继电器的触点和繁杂的连线可以用程序来实
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四自由度圆柱坐标机器人设计
现，大量的开关动作可以用无触电的电子电路来完成，因此寿命长，可靠性大大的提高。
5（体积小、结构紧凑，安装、维护方便
可编程控制器体积小、质量小，便于安装。
通常可编程控制器都有自诊断、故障报警、故障显示的功能，便于操作和维修人员检查，可以较容易的通过更换模块插件来迅速排出故障。
它的结构精凑，与硬件连方式简单，接线少，易于维护。
4.3机器人的控制系统方案确定
本次控制系统采用的方案是PLC+交流伺服系统。
交流伺服系统由交流伺服电动机和伺服电动机驱动器组成，它已经成为无刷直流伺服系统的代替品。
近年来交流伺服驱动技术有了飞速的发展，它不仅能克服了直流伺服电动机在结构上存在的电刷维护困难、造价高、寿命短、应用环境受限制等缺点，同时又发挥了交流伺服电动机坚固耐用、经济可靠及动态响应好等优点。
一个伺服驱动系统并不仅仅是驱动器与电动机的组合，而是一个完整复杂的控制系统。
完整的交流伺服驱动系统包括:
伺服控制器、伺服驱动器、伺服电动机以及至少一个检测元件，所有这些部件都在一个闭环控制系统中运行:
驱动器接受控制控制器的指令信息，然后将电流送给电动机，通过电动机转换成扭矩，然后带动负载;检测元件测量负载的位置（角度、直线位移）、速度、加速度等参数，输入控制器实现指令信息值与实际位置值的比较，然后通过闭环控制使实际位置值和指令信息值保持一致。
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4-1交流伺服系统控制框图
机器人各关节由电机输出动力，通过各种传动方案，带动各关节运动，传感器、编码器将检测记录到的运动部件的运动状况并以开关量形式传递给I/O，PLC接收到这些信号并经过处理后，发出指令，传递给I/O，系统进入下一道命令执行中。
PLC是要对搬运机器人的执行机构进行控制，控制机器人对工件的抓取。
对搬运机器人的控制包括PLC通过I/O接口向机器人发出控制指令，以及获取机器人的工作状态信息等内容。
PLC接收机器人的各种工作状态信号、指令及传感系统，包括各指令开关、工件识别传感信号和
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