自由度机器人结构设计说明书.docx
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自由度机器人结构设计说明书
目录1
中文摘要2
Abstract2
第1章绪论•…••3
第2童工业机器人的总体设计3
2.1工业机器人的组成及各部分关系概述3
2.2I业机器人的设计分析4
2.2.1设计要求5
222总体方案蹴5
2.2.3I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6
3.1工业机器人的运动系统分析6
3.1.1机器人的运动概述6
3.1.2机器人的运动过程分析7
3.2I业机器人的执行机构设计8
3.2.1末谎执行机构设计8
322手臂机构设计11
3.2.3腰部和基座设计12
3.3工业机器人的机械传动装置设计••18
3.3.1滚珠丝杠的选择18
3.3.2谐波齿轮的选择19
3.3.3联轴器的选择20
第4章工业机器人的计算机控制系统槪述20
4」工业机器人控制系统的特点及对控制功能的基本要求••21
4.2计算机控制系统的设计方案22
4.3硬件电路的鞍22
第5童工业机器人运行时应采取的安全措施22
51安全要求22
5.2实施方法23
鸣谢23
参考文献24
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启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
Abstract
Industrially,automaticcontrolsystemsarefoundinnumerousapplications,suchasautomationmachinetoolcontrol,computersystemsandrobotics・Industrialrobotsarerelativelynewelectromechanicaldevicesthatarebeginningtochangetheappearanceofmodemindustry.Thisschemeintroducedacylindricalrobotforthreedegreeoffreedom・Itiscomposedoftwolinearaxesandonerotaryaxiscurrentcontrolonlyallowsthesedevicesmovefromoneassemblylinetootherassemblylineinspace,performrelativelysimpletaskes・Thispaperismorecomprehensiveintroductionandsumming-upfortheforthewholedesignwork.
Keywords:
threedegreesoffreedom,cylindricalIndustrialrobot
三自由度圆柱坐标型工业机器人设计
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。
工业机器人的硏究、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、视觉等逬行反馈的能力。
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年幵始进入了实用阶段，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逬行操作，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章工业机签人的总体设计
21工业机器入的组成及各部分关系槪述
图2・1工业机爲人的组成图
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柵部件.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逬行工作，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.与设定逬行比较，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
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A,B两条输送带之间距离为1.5m,需设计工业机器人将—零件从A带送到B带。
零件尺寸：
内孔0100,壁耳10,高100o
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氏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；利用见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撐连杆杠杆式夹持器.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.这是一顷主要参数。
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：
说明机器入机身、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：
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200~400mm/s；回转速度最大为1807s,一般为50听。
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顷重要指标。
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Mo
表1-1
机械手类型
二自由度圆柱坐标型
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。
，步逬电机驱动单片机控制
腰部机构
长680mm.伸缩运动，升降范围450mm,步逬电机驱动单片机控制
手臂机构
长826mm.伸缩运动，伸缩范围50mm,液压缸驱动行程幵关控制
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。
a.工业机器人的运动自由度
所谓机器入的运动自由度是指确定一个机器入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。
本设计的工业机器入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肘，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3-2o
（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」.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3-10
匸步一
匸歩二
辽歩三
图3・3
表3-1
机器人幵机.处于A位
工步—
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，这是本次设计成收之关键所在。
3.2工业机器入的执行机构设计
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设计肘要注意的冋题：
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.应能保证工件在末潇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24,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向外撑幵，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。
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-C40/22x25LF2HL1Q,它的主要技术参数如表2-2o
表3・2冶金设备标准液压油技术规格
缸径
/mm
活塞杆直径/mm
油口育径
速度比
通径
/mm
联接螺纹
1.46
2
40
22
28
10
M18X1.5
b・夹紧力校验
1）零件的计算V=^（R2-r2）h
=3.14x（602-502）x100
=345400（〃〃”'）
其中g取9・&取G=27（N）
2）紧力的计算：
要夹持住零件助须满足条件：
2fN>G
f为手指与工件的静摩擦系数，工件材料为45号羽，手指为钢材，查《机械零件手册》表2・5f=0.15tN为作用在零件内壁上压紧力.G为零件重力。
所以沁乞=27=90（N）取N=100（N）
2/2x0.15
由《机械制造装备》式4-60可知驱动力的计算公式为:
P=2bNtga/（ct]）
&为斜面倾角，a=35",〃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・277=0.85-0.92这里取0.85,b=77.5mm,c=29mgP=2xfg35°x100x77.5x——!
——=440.29取p=500（N）.按
0.85x29
《液压传动与气压传动》公式4-15
匸於D
F=P门z
D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
<5000
5000—
10000_
20000—
30000—
>50000
10000
20000
30000
50000
工作压力p/MPa
<0.8—1
1.5—2
2.5—3
3—4
4—5
>5~7
取p=0.5MPac由《液压系统设计》可查得：
久严0.9一0.95,所以
-空竺竺吐x0・5xl0・0.9=565N
44
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=500No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:
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.变形和破扌员。
工件与弹簧片间的力：
由上节可知F=100No
则弹簧爪截面上的剪应力为[t]=30MPa,
t=Q/A=上1^7=5MPa<[r]故弹性爪满足强度要求。
2x2OxlO-3xlxlO-3
3.2.2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、尽量减丿」\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
选用轴向腕架型液压缸.活塞杆末谎为外螺纹结构.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-C50/28x100U1HL1Q.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
缸径
/mm
活塞杆直径/mm
油□直径
速度比
通径
/mm
联接螺纹
1.46
2
50
28
36
10
M18X1.5
3.223活塞杆的强度校核
末端执行器的重量为：
10.389Kg。
工件重量为：
2.64Kgo
A
B
C:
R1
*-60-*-
—50
由静力平衡方IMb=OR1•LAB-Q•LBC=O
ZMa=OR2•LAB一Q•LAC=O
求得支反力为：
R!
=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⑴二140MPa,[a]=240MPa・
则在B处横截面上的剪应力为：
1
tB=Rb/A==\AMPa<[r]安全。
工（28x1CT?
尸
4
在B处的弯应力为:
4039
ob=Mb/A==29AMPa<[b]安全。
—（28xl0^3）3
16
3.2.3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
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。
1一一支座.2一一步进电机.3—一谐波齿轮.4一一转动机座
5—一支承工字梁，6一一滚珠丝杠，7一一导向柱，8一一锥环无键联轴器
图3・10腰部和基座结构图
支座，2电机.3轴承.4带传动■5壳体
6—一位置传感器.7一一柔轮，8一一波发生器.9一一刚轮
图3-11环形轴承的机器人机座
323.2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
比较内容
岖动方式
机械传动
电机驱动
气压传动
液压传动
异步电机.直流电机
步逬或伺服电机
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，特别旳重型机械手多用
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逬行选取。
初选电机为BF反应式步进电机.型号为：
90BF00U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/N•m（Kgf•cm）
最高空载启动频率/HZ
运行频率/HZ
转子转动惯
10'5Kg«nr
分
配
75
式
质量
/Kg
90BF001
4
0.9
80
3.92
2000
8000
17.64
四相八拍
4.5
A、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$由折算的冋题。
最后,要计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动溃量.即传动系统等效转动溃量。
（1）、电机转子转动惯量丿“的折算
由《机电综合设计指导》表2-18查出几=1.764kg・cm2
（2）、联轴器转动惯量人的折算
Jl=—^—（Kg/cm2）
O
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7.8x10刁KgcF），把数据代入上式得：
JL==2・99（Kg・cm2）
8
（3）、滚珠丝杠转动惯量厶的折算
查《机电综合设计指导》表4-2P119,得出lm长的滚珠丝杠的转动溃量为0.94kg.cm2,丝杠长度L=420mm,所以滚珠丝杠转动惯量：
=0.94x0.42=0.39kg-cm2;
（4）、手臂转动惯量A；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几可按下式逬行计算:
见《机电综合设计指导》公式（2-6）P8
式中.厶。
为丝杠导程（cm）；M为工作台质量（kg）。
（5）系统等效转动惯量人计算
厶=J°+Jl+Js+Jg=1.764+2.99+0.39+1」5=6.294kg・曲
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2-21中
查得Mmax=3.92N•mo步进电机的名义启动转矩M呵与最大静转矩Mjmax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2-12P35得；1=0.707。
所以.M呵=0.707x3・92=2・77N・/〃
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：
Mg=^Ka+M冷+M。
见《机电综合设计指导》公式（2・30）P32
式中：
M切为空载启动力矩（N・cm）;M知为空载启动时运动部件由静止升速到最大进
速度.折算到电机轴上的加速力矩（N-cm）；为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩（N
•cm）;
有关MKq的各顷力矩值计算如下：
（1）加速力矩
"“一人2—xlO"2
一一60/
a见《机电综合设计指导》公式（2-32）和（2-33）P32
G=
.%©
外360
式中：
人为传动系统等效转动惯量；£为电机最大角加速度；心^为与运动部件最大快进
速度对应的电机最大转速；I为运动部件从静止启动加速到最大进速度所需的肘间•”肌、
为运动部件最大快进速度；乞为初选步进电机的步距角；外为脉冲当量°
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