四自由度圆柱坐标机器人机械手臂设计.docx
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四自由度圆柱坐标机器人机械手臂设计
四自由度圆柱坐标型工业机器人机械设计
摘要
在现代制造业中，工业机器人已成为不可或缺的核心自动化装备。
工业机器人适应工作环境能力强，可担任各种类型各种强度的生产工作，精度高、速度快、易于控制，可显著提高生产的工业自动化水平。
国工业机器人起步晚，市场占有率低，许多核心技术还没有掌握，可靠性低，应用围小，零部件互换性低。
现设计一种四自由度的圆柱坐标型机器人，能实现工件的上下搬运。
该四自由度机器人由两个旋转自由度机构和两个平移自由度机构组成，根据机器人运动参数，选择足够功率的伺服电机，然后，估算驱使机构各自由度运动需要的力与扭矩，选择传动比适宜且大小适宜的减速器。
通过伺服电机减速器驱动机构的运动，实现机器人腰部旋转，手臂的竖直升降，手臂的水平移动和末端操纵器的旋转。
在机器人辅助系统的设计局部，还考虑了伺服电机导线坦克链的排布，机构零点位置的触发开关与其导线排布的设计。
关键词：
四自由度，圆柱坐标，工业机器人，机械设计
MechanicalDesignofa4-DOFCylindrical
IndustrialRobot
Abstract
Inmodernmanufacturing,industrialrobothasbeeanindispensablecoreautomationequipment.Industrialrobothasgoodadaptability,canadapttoallkindsofmassproduction,highprecision,fastspeed,easytocontrol,cansignificantlyimprovetheautomationlevelofproduction.Domesticindustrialrobotsstartedlate,haslowmarketshare,lowreliability,andmanycoretechnologieshavenotyetmastered.Theapplicationscopeissmall,theinterchangeabilityofpartsislow.
Thedesignofakindoffourdegreeoffreedomcylindricalcoordinaterobot,canrealizetheworkpiecemovingupanddown.Thefourdegreeoffreedomrobotmechanismisposedoftworotationaldegreesoffreedomandtwotranslationaldegreesoffreedommechanism.Accordingtotherobotmovementparameters,servomotorisselected,andthenestimatesthesufficientpower,forceandtorqueofeachdegreeoffreedommovementneeds,choosetheappropriatetransmissionratioandsuitablereducer.Drivemechanismmotionthroughtheservomotorreducer,andthenwecanrealizetherobotwaistrotation,verticalliftingarm,armmovementandrotationoftheendeffector.Inpartofthedesignofrobotauxiliarysystem,wetakethearrangementofservomotorwiretankchain,designthetriggerswitchandwirearrangingmechanismthezeropositionintoconsideration.
KeyWords：
4-DOF;Cylindrical coordinates;IndustrialRobot;Mechanicaldesign
摘要ⅰ
Abstractⅱ
第一章引言1
1.1工业机器人1
工业机器人的概念与特点1
1.1.2工业机器人的组成1
1.1.3国外开展状况2
1.2研究容2
1.2.1研究方法2
1.2.2研究成果2
1.3研究意义2
第二章机构结构设计4
设计分析与方案拟定4
2.1.1设计要求4
2.1.2设计流程5
.3方案拟定5
主要结构件设计6
2旋转平台结构6
滚珠丝杠结构7
中间连接器9
外壳设计11
2.3受载变形校核11
第三章传动机构设计13
3.1腰部转动13
3减速器选择13
伺服电机选择14
3.1.3传动法兰盘设计15
3.2竖直平移16
3滚珠丝杠与螺母选择16
伺服电机选择18
联轴器选择19
3.3水平平移20
3滚珠螺母丝杠选择21
伺服电机选择21
联轴器选择22
3.4手臂末端操纵器旋转23
3伺服电机选择23
减速器选择24
第四章辅助机构设计25
4.1坦克链线路设计25
4.2机构零点设计26
第五章总结与展望28
5.1总结28
5.2展望28
参考文献30
致谢31
附录32
第一章引言
工业机器人
1工业机器人的概念与特点
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如下图可知：
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。
.3国外开展状况
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，受到各个工业兴旺国家的重视。
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兴旺，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]。
工业机器人在中国开展的很快，但相比世界上先进的工业机器人，技术差距依旧明显[3]。
国工业机器人起步晚，相比国外先进技术，国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研究容
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局部。
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，再选择适宜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。
本次设计根本完成任务，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。
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，防止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设计分析与方案拟定
2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与传感器选择：
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·s-1）
重复定位精度
/mm
3
360
500
500
2
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展测量估算，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〕对机器人运动进展动画仿真和受载分析，验证设计正确性；
〔5〕绘制二维工程图。
流程图如如下图所示：
图2.2设计流程
2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。
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旋转平台结构
旋转平台是腰部旋转的实现的根底，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。
旋转平台结构如如下图所示，
1〕套筒2〕PX85减速器3〕向心圆柱滚柱轴承4〕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
支撑套支撑机身重量，外支撑套带动腰部转动。
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支撑套上，输出轴伸出，旋上螺母，压紧外支撑套,实现腰部的轴向固定。
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，结构如下列图：
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），轴承由其两端的轴承座固定，轴承座安装应使丝杠轴线与支撑板平行。
轴承座自行设计，其三维模型如如下图：
图2.7轴承座
导轨为滚珠丝杠结构提供了足够的支撑力。
导轨首先选择滚珠型直线导轨，主要考虑其轨宽和轨长，滑块主要是确定类型和数量。
导轨选择轨宽15mm，轨长根据工作行程需求选择600mm。
滑块选择四方型滑块，其结构与总体尺寸如如下图所示：
图2.8四方型滑块
由于支撑板是主要承载部件，需要校核支撑板的受压稳定性。
分析支撑板受力，支撑板可以看作下端固定上端自由的压杆，压力为机身的重力，作用点在机身的中心位置，如如下图所示：
图2.9支撑板压杆模型
临界压力的公式为
（1）
式中：
Fcr是临界压力；E是支撑板材料45钢的弹性模量，一般是196-216GPa；I是支撑板的惯性矩，可由三维模型的质量属性得到，40067kg·mm2；μ是长度系数，对于一端固定一端自由的情况，μ值为2.1；L是支撑板长度600mm。
计算得到，Fcr=4.98×1010N，远大于实际所受重力。
2中间连接器
〔1〕中间连接器的设计
中间连接器是连接水平丝杠和竖直丝杠的装置，它将由竖直丝杠螺母机构旋转而产生的竖直方向的位移，传递给水平丝杠螺母机构，使得手臂能够正常上下移动。
中间连接器由两个螺母滑块连接器和一块中间连接板组成，相互之间用六角螺栓连接，其结构如如下图所示。
图2.10中间连接器
螺母滑块连接器自行设计，材料选择45钢，其制造工艺流程简单来说是铸造、铣平面、钻孔、攻螺纹。
其安装尺寸由上述滚珠丝杠的螺母与滑块位置决定，外形如如下图所示。
图2.11螺母滑块连接器
图2.12中间连接板
〔2〕中间连接板的强度校核
中间连接板主要需校核其与螺栓接触面上的挤压应力，挤压的强度条件是
（2）
式中：
Fbs是挤压力，Abs是挤压面面积，[σbs]是挤压许用应力。
由中间连接器的三维模型可知，工作中的连接板与16个螺栓相互接触，螺栓直径3mm，连接板厚度5mm，单个螺栓对连接板的挤压面的面积Abs为15×10-6m2。
图2.13连接板受力图
总的挤压力F为水平手臂的重力，由Solidworks三维建模，经过测量得到质量m不大于15kg，因此单个螺栓孔受到挤压力为
Fbs
（3）
因此，运算得到挤压许用应力
[σbs]≥0.613MPa
（4）
查表，可知钢材的挤压许用应力[σbs]≈355MPa，远大于最低要求。
2外壳设计
机器人外壳外形图如下列图，其主要作用是滚珠丝杠的防尘，导线线路的排布和整体机型的美观。
外壳采用铝合金蒙皮包装，蒙皮厚度为3mm，质量轻。
材料塑性好，采用锻压加工工艺，锻压成型。
再以钻头打螺栓孔，以便于安装固定。
为方便制造，将整体的外壳分成三段，分别制造。
外壳与其总体尺寸如如下图所示：
图2.14外壳图
受载变形校核可简单的由模型模拟机器人的末端受载时的挠度，得到形变偏移值。
应用SolidworksSimulation的有限元分析功能，简单分析弯曲变形。
根据机器人结构受力情况分析，主要是支撑板、丝杠、导轨等结构同时承载负载重量，因此受载的模型可简化如如下图：
图2.15简化的受载模型
下端做固定端，右上端的伸出端受向下的负载3kg，与30N的力，材料统一选择合金钢，其弹性模量是2.1×1011N/m2。
运行结果为最大位移量0.0392mm，根本满足重复定位精度±0.1mm的要求。
详见附录1。
第三章传动系统设计
传动系统设计主要是传动方式确实定，驱动电机的选择，减速器的选择以与其他辅助传动件的设计与选择。
本次设计的机器人平移自由度均采用滚珠丝杠螺母实现，旋转自由度均采用行星齿轮减速器实现。
电机的选择有步进电机和交流伺服电机，考虑到步进电机精度不足，步进电机加速性能一般，易产生丢步和过冲。
所设计的机械手臂起动频率高，要求快速启停，且需达到一定传动精度，因此选择交流伺服电机。
腰部旋转采用行星齿轮减速器传动。
图3.1腰部减速器
减速器输出轴上有键槽，可直接连接在底盘的传动法兰盘上，带动腰部的上平台转动。
3.1.1减速器选择
因为机器人腰部的旋转相对伺服电机较慢，传动比大，再考虑到机器人腰部尺寸较大，可采用行星齿轮减速器，能实现较大传动比的传动。
为减小整个机器人手臂的体积，尽量使机构紧凑，在减速器型号选择方面，均选择弹性齿轮轴套空心输入，实心轴输出方式。
〔1〕确定驱动设备所需功率P2：
P2=KMgvμ
（5）
式中：
m通过三维实体模型腰部以上旋转局部质量的测量为kg，近似取m≈33kg，加上运行所需末端操纵器和3kg重物，总质量取M=40kg；；g是重力加速度；v是机构运行速度，取2m/s；μ是摩擦系数，μ=0.15。
计算得P2。
〔2〕确定减速器的传动比i：
（6）
式中：
n1是电机转速，n2是腰部转速。
腰部转动最大角速度为ω2=2rad/s，转速n2ω2，伺服电机转速n1=3000r/min，如此i=3000/19.1=157，取i=120，三级传动。
〔3〕确定使用系数f1：
查减速器技术手册，假设均衡负载下启动次数少，每日工作12小时，f1。
〔4〕被驱动设备的扭矩T2：
T2=9550×P2/n2
（7）
式中：
P2是驱动设备所需功率，n2是腰部最大转速。
计算得T2=70.5N·m。
〔5〕减速器输出扭矩T2N：
T2N≥T2×f1=88.1N·m
（8）
根据传动比i、减速器输出扭矩T2N≥88.1N·m，查询减速器技术手册，选择减速器：
px-85-120-S，减速器相关技术参数如下表：
表3.1腰部减速器技术参数
减速器型号
减速比i
满载效率
额定输出扭矩T2N/N·m
转动惯量J/（kg·cm2）
最大径向力Fr/N
最大轴向力Fa/N
PX-85-120-S
120
90％
100
0.7
440
420
〔6〕减速器径向、轴向力校核：
减速器轴在径向不受外力作用，因此不用校核。
轴向有紧固螺钉对轴的拉力，考虑到紧固螺钉的作用仅仅是防止机身径向不平衡，所受轴向力很小，轴向力可不用校核。
3.1.2伺服电机选择
〔1〕电机所需功率P1N：
P1N≥K·P2÷η×f1=193.7W
（9）
式中：
K是安全系数，P2是驱动设备所需功率，η是满载效率，f1是设备使用系数。
查伺服电机和减速器的技术手册，所选减速器对应电机的安装尺寸为Φ90mm，对应伺服电机功率750W，因此选择电机型号：
MSME082G1，相关技术参数见下表：
表3.2腰部伺服电机技术参数
电机型号
功率P/W
交流电源/V
额定转速n
/（r·min-1）
最大转速nmax
/（r·min-1）
额定转矩T
/（N·m）
最大转矩Tmax
/（N·m）
转子转动惯量JM/（kg·cm2）
MSME082G1
750
AC200
3000
6000
〔2〕伺服电机惯量比校核：
估算负载惯量：
（10）
式中：
估算电机和减速器的惯量：
（11）
计算得：
J负载惯量/J电机+减速器=倍<20倍
（12）
惯量比满足要求。
〔3〕伺服电机转矩校核：
根据传动比i、减速器输出扭矩T2N≥88.1N·m，可以计算得到伺服电机最小所需的输出扭矩T电机：
T电机=T2N÷i÷η≥0.81N·m
（13）
N·m>T电机，所以转矩满足要求。
传动法兰盘连接PX85行星齿轮减速器和腰部旋转平台，与行星齿轮减速器的输出轴用键连接，与腰部旋转平台用螺栓连接，将行星齿轮减速器的扭矩传递给腰部旋转平台，使腰部旋转运动得以实现。
传动法兰盘的设计图如下：
图3.2传动法兰盘
竖直平移传动方式选择滚珠螺母丝杠〔图片〕。
伺服电机需要安装在顶部，为防止机械手臂自重下滑，伺服电机应带有制动器。
滚珠螺母丝杠的丝杠一端连接联轴器，伺服电机输出轴连接联轴器另一端。
滚珠丝杠与螺母选择
〔1〕选择螺母型号
由三维实体所建立的模型，可选择法兰式单螺母，F型，切边六孔。
图3.3丝杠螺母
〔2〕确定丝杠导程BP
由传动关系图可得
（14）
式中：
vmax是工作台最大平移速度1m/s；i是传动比，i=1；nmax是电机最大转速6000r/min，计算可得导程Bp等于10mm。
〔3〕确定丝杠公称直径BD
μ是摩擦系数0.03；WA是负载质量，可由三维实体建模测量得出WA=20kg；g是重力加速度，计算导向面的摩擦力Fa：
Fa=μ·WA×20×9.8=49N
（15）
因此丝杠旋转需承受的推力F：
F=Fa+WAg=676.2N
（16）
乘以安全系数,得
F1=K·F=811.44N
（17）
查阅该公司提供的产品相关资料，丝杠直径BD=12mm时，丝杠动载荷Ca是，Ca>F1，满足要求。
〔4〕确定丝杠长度
丝杠总长一般是工作行程、螺母长度、安装长度、连接长度和余量的总和。
由所建立的三维实体模型可知丝杠总长为650mm。
〔5〕确定滚珠丝杠精度
在无特殊要求的情况下，根据一般选取的经验，选用C7标准。
C7标准表示选取丝杠精度等级为7级，300mm的丝杠长度上，行程误差不超过0.050mm。
〔6〕校核扭矩
克制摩擦力Fa，也就是产生所需推力的驱动扭矩T：
（18）
式中：
Bη是进给丝杠的效率，取Bη=。
计算可得T=9.75N·mm，远小于伺服电机所能提供的扭矩，所以校验合格。
综上，所选择的螺母丝杠技术参数如下表：
表3.3丝杠螺母技术参数
螺母型号
直径BD/mm
导程BP/mm
丝杠总长度BL/mm
丝杠动载荷Ca/KN
丝杠质量BW/kg
12×10-2F型切边六孔
12
10
650
〔1〕伺服电机功率确定
估算出伺服电机的最大功率P：
P=K（1+μ）WA·gv
（19）
式中：
WA是水平手臂质量，通过三维实体模型建立可得WA=20kg；μ是摩擦系数0.1；v是平移最大速度1m/s；K是安全系数，取K=1.2。
计算得P=W，取功率P=400W的交流伺服电机，可选电机型号：
MSME042G1，它的有关技术参数如下表：
表3.4竖直移动伺服电机技术参数
电机型号
功率P/W
交流电源/V
额定转速n/（r·min-1）
最大转速nmax/（r·min-1）
额定转矩T/（N·m）
最大转矩Tmax/（N·m）
转子转动惯量JM/（kg·cm2）
有无制动器
MSME042G1
400
AC200
300
升级会员 