四自由度圆柱坐标机器人机械手臂设计Word文档下载推荐.docx

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四自由度，圆柱坐标，工业机器人，机械设计

MechanicalDesignofa4-DOFCylindrical

IndustrialRobot

Abstract

Inmodernmanufacturing,industrialrobothasbecomeanindispensablecoreautomationequipment.Industrialrobothasgoodadaptability,canadapttoallkindsofmassproduction,highprecision,fastspeed,easytocontrol,cansignificantlyimprovetheautomationlevelofproduction.Domesticindustrialrobotsstartedlate,haslowmarketshare,lowreliability,andmanycoretechnologieshavenotyetmastered.Theapplicationscopeissmall,theinterchangeabilityofpartsislow.

Thedesignofakindoffourdegreeoffreedomcylindricalcoordinaterobot,canrealizetheworkpiecemovingupanddown.Thefourdegreeoffreedomrobotmechanismiscomposedoftworotationaldegreesoffreedomandtwotranslationaldegreesoffreedommechanism.Accordingtotherobotmovementparameters,servomotorisselected,andthenestimatesthesufficientpower,forceandtorqueofeachdegreeoffreedommovementneeds,choosetheappropriatetransmissionratioandsuitablereducer.Drivemechanismmotionthroughtheservomotorreducer,andthenwecanrealizetherobotwaistrotation,verticalliftingarm,armmovementandrotationoftheendeffector.Inpartofthedesignofrobotauxiliarysystem,wetakethearrangementofservomotorwiretankchain,designthetriggerswitchandwirearrangingmechanismthezeropositionintoconsideration.

KeyWords：

4-DOF;

Cylindrical 

coordinates;

IndustrialRobot;

Mechanicaldesign

第一章引言

1.1工业机器人

1.1.1工业机器人的概念及特点

我国专家学者对于工业机器人的概念解释也各有不同，综合各方面的说法，从工业机器人能实现的功能来讲，工业机器人是有以下功能的机器：

（1）具有执行运动操作的机构；

（1）具有通用性，可实现多种运动操作；

（2）有一定程度的智能，能重复编程；

（3）有一定的独立性，一定程度上不依赖人的操纵。

1.1.2工业机器人的组成

工业机器人一般由机械系统和控制系统组成，四自由度圆柱坐标型工业机器人的机械系统组成由下图可知：

图1.1四自由度圆柱坐标型工业机器人机械系统组成

（1）驱动机构：

本次设计采用四个交流伺服电机驱动四个自由度。

至于气压，液压驱动的装置体积较大，因行程较大而不采用。

（2）执行机构：

本次设计的执行机构主要包括底座、腰部机构、手臂机构和末端操纵器。

采用丝杠螺母和行星齿轮减速器两种传动方式，能将旋转运动转换成直线运动或将高转速转换成低转速，再将动力传递给执行装置。

1.1.3国内外发展状况

上世纪中叶，美国结合机械手和操作机两者的优势，开发了一种可自动执行动作的机械装置，称为工业机器人。

60年代末，美国通用汽车公司采用机械手臂，建立了汽车焊接车身的自动化生产线。

此后，工业机器人的研制和应用，受到各个工业发达国家的重视。

日本又称为“机器人的王国”，可见日本的工业机器人产业非常发达，如今的日本在智能型工业机器人上取得了巨大成就。

随后，工业机器人产业又开始在欧洲崛起[2]。

工业机器人在中国发展的很快，但相比世界上先进的工业机器人，技术差距依旧明显[3]。

国内工业机器人起步晚，相比国外先进技术，国内工业机器人可靠性较低，应用领域较窄，生产线技术落后，零部件互换性低[4]。

工业机器人且可用于环境恶劣，劳动强度高，劳动单调乏味的工作中，将人们从中解放出来。

1.2研究内容

1.2.1研究方法

现设计一种工业机器人，有四个自由度，采用圆柱坐标型，利用该种机器人实现工件的上下料搬运。

本次设计主要设计机械系统部分。

该机器人的四个自由度分别是腰部旋转、手臂竖直升降、手臂的水平伸缩和手臂末端操纵器旋转。

由四个自由度确定各自传动方式，选择传动装置。

确定机器人各个运动部件运动所需的功率，再选择合适的伺服电机和减速器。

设计机械手臂整体结构采用的三维实体设计软件是SolidWorks2013，对于分析机构的质量、质心等参数十分方便。

1.2.2研究成果

本次设计基本完成任务，具体成果如下：

（1）完成四自由度圆柱坐标型机器人的整体结构设计，包括基座、腰部旋转平台、竖直机身、水平手臂和末端旋转平台的设计；

（2）完成外壳包装的简单设计，完成机构零点和极限位置的传感器设计；

（3）完成机器人三维实体的装配，并绘制出机器人的二维工程图。

1.3研究意义

工业机器人已经是现代制造业中举足轻重的自动化机械，一些机械式的、工作环境恶劣危险的、没有创新性的作业完全可以由机器人替代人工完成。

在金属热压加工中，需要人工作在加热的窑炉、冲压床、车床或钻床附近，工业机器人耐高温，程序写好就可以防止与其他加工工具碰撞，避免了工作中出现危险的可能[6]。

工业机器人能适应多品种中小批量生产，高精度高速度，容易控制，能显著提高生产自动化水平。

目前小负载旋转臂机型工业机器人市场容量大、应用广泛[8]。

第二章机构结构设计

2.1设计分析及方案拟定

2.1.1设计要求

主要解决问题：

按下表中参数的要求，设计一种四自由度圆柱坐标型工业机器人，完成该工业机器人的机械结构设计、驱动装置设计、传动装置设计、各自由度零点和极限位置设计及传感器选择：

表2.1机器人设计参数

最大负载/kg

腰部、臂部回转角度/º

伸缩行程/mm

高度行程/mm

最大旋转角速度/（rad·

s-1）

最大移动速度/（m·

重复定位精度

/mm

3

360

500

2

1

±

0.1

机器人的工作空间是指机器人正常工作时手臂末端操纵器能活动的范围，可从上表推得，工作空间图如下：

图2.1机械手臂工作空间

2.1.2设计流程

（1）分析四个自由度，选择适当的驱动方式、传动装置和机构件；

（2）用三维建模软件完成主要零件（包括所有结构件）的三维建模，并初步完成三维实体模型装配；

（3）对实体模型相关参数进行测量估算，按设计要求，最终确定电机、减速器、丝杠等产品参数，完成装配；

（4）对机器人运动进行动画仿真和受载分析，验证设计正确性；

（5）绘制二维工程图。

流程图如下图所示：

图2.2设计流程

2.1.3方案拟定

根据设计需求，设计出的工业机器人大致外形图如图2.1所示。

图2.3工业机器人图

由上面的设计参数表可知，机器人手臂的行程是500mm，较大，宜使用电机作为驱动装置。

考虑到步进电机精度不足，加速性能一般，易产生丢步或过冲，性能效果没有交流伺服电机好，又因为所设计的机械手臂起动频率高，且要求快速启停，需达到一定传动精度，因此选择交流伺服电机。

传动装置选择行星齿轮减速器传动和丝杠螺母传动，其中行星齿轮减速器用于腰部高扭矩低转速的传动，丝杠螺母用于手臂的水平和竖直平移传动。

确定机器人的机构简图，以确定机器人的整体结构，所设计的工业机器人的机构简图如下图：

图2.4机器人运动简图

采用伺服电机和行星齿轮减速器实现机器人的腰部低转速旋转运动；

考虑设计中水平方向移动行程500mm，相对较大，水平手臂前后平移也是利用伺服电机驱动滚珠丝杠旋转实现，将水平移动和竖直移动的两个螺母角度偏差90度放置，共同固定在一个十字型钢板结构件上，达到水平方向丝杠螺母水平不移动，丝杠前后移动的效果；

将一小功率伺服电机和行星齿轮减速器连接，固定在水平手臂支撑板的一端，实现末端操纵器的旋转。

2.2主要结构件设计

设计的机器人主要结构包括旋转平台、滚珠丝杠、中间连接器、和外包装。

2.2.1旋转平台结构

旋转平台是腰部旋转的实现的基础，一般要求有足够的稳定性，结构要求便于装修。

它将基座和上方的运动机构连接起来，承载运动机构的重量，旋转平台的设计对于机器人的平衡性有很大影响。

旋转平台结构如下图所示，

1）套筒2）PX85减速器3）向心圆柱滚柱轴承4）内支撑套5）外支撑套

6）加强筋7）传动法兰盘8）固定套筒9）固定垫片10）止推轴承

图2.5旋转平台结构图

内支撑套支撑机身重量，外支撑套带动腰部转动。

内支撑套和外支撑套间的连接通过两个轴承实现：

止推轴承承受整个机身的重力，向心圆柱滚柱轴承起到防止机构径向力失衡的作用。

传动法兰盘用螺栓连接在外支撑套上，其内圈有键槽，配合减速器输出轴，输出轴转动，带动法兰盘和外支撑套转动。

减速器用螺栓连接至内支撑套上，输出轴伸出，旋上螺母，压紧内外支撑套,实现腰部的轴向固定。

2.2.2滚珠丝杠结构

滚珠丝杠结构实现了手臂的上下和前后平移，结构如图所示：

图2.6滚珠丝杠机构

丝杠安装采用两端支撑方式，两端各装有一个角接触球轴承（22-8-7,32-15-9），轴承由其