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三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機器人 目　錄 目錄 …………………………………………………………………………………………… 1 中文摘要 ……………………………………………………………………………………… 2 Abstract ……………………………………………………………………………………… 2 第1章 緒論 ……‥………………………………………………………………………… 3 第2章 工業(yè)機器人的總體設(shè)計 …………………………………………………………… 3 2.1 工業(yè)機器人的組成及各部分關(guān)系概述 …………………………………………… 3 2.2 工業(yè)機器人的設(shè)計分析 ……………………………………………………………… 4 2.2.1 設(shè)計要求 ………………………………………………………………………… 5 2.2.2 總體方案擬定 …………………………………………………………………… 5 2.2.3 工業(yè)機器人的主要技術(shù)參數(shù) ………………………………………………… 5 第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)設(shè)計 ……………………………………………………… 6 3.1 工業(yè)機器人的運動系統(tǒng)分析 ……………………………………………………… 6 3.1.1 機器人的運動概述 ……………………………………………………………… 6 3.1.2 機器人的運動過程分析 ……………………………………………………… 7 3.2 工業(yè)機器人的執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計 ……………………………………………………… 8 3.2.1 末端執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計 ……………………………………………………………… 8 3.2.2 手臂機構(gòu)設(shè)計 ………………………………………………………………… 11 3.2.3 腰部和基座設(shè)計 ………………………………………………………………… 12 3.3 工業(yè)機器人的機械傳動裝置設(shè)計 ‥……………………………………………… 18 3.3.1 滾珠絲杠的選擇 ………………………………………………………………… 18 3.3.2 諧波齒輪的選擇 ………………………………………………………………… 19 3.3.3 聯(lián)軸器的選擇 ………………………………………………………………… 20 第4章 工業(yè)機器人的計算機控制系統(tǒng)概述 ……………………………………………… 20 4.1 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的特點及對控制功能的基本要求 ‥……………………… 21 4.2 計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計方案 ……………………………………………………… 22 4.3 硬件電路的組成 ………………………………………………………………… 22 第5章 工業(yè)機器人運行時應(yīng)采取的安全措施 …………………………………………… 22 5.1 安全要求 ………………………………………………………………………… 22 5.2 實施方法 …………………………………………………………………………… 23 鳴謝 ……………………………………………………………………………………… 23 參考文獻 ………………………………………………………………………………… 24 中文摘要 在工業(yè)上，自動控制系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用，如工業(yè)自動化機床控制，計算機系統(tǒng)，機器人等。而工業(yè)機器人是相對較新的電子設(shè)備，它正開始改變現(xiàn)代化工業(yè)面貌。本設(shè)計為三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機器人，其工作方向為兩個直線方向和一個旋轉(zhuǎn)方向。在控制器的作用下，它執(zhí)行將工件從一條流水線拿到另一條流水線這一簡單的動作,本文是對整個設(shè)計工作較全面的介紹和總結(jié)。 關(guān)鍵詞：三自由度，圓柱坐標(biāo)，工業(yè)機器人 Abstract Industrially, automatic control systems are found in numerous applications, such as automation machine tool control, computer systems and robotics. Industrial robots are relatively new electromechanical devices that are beginning to change the appearance of modern industry. This scheme introduced a cylindrical robot for three degree of freedom. It is composed of two linear axes and one rotary axis current control only allows these devices move from one assembly line to other assembly line in space, perform relatively simple taskes. This paper is more comprehensive introduction and summing-up for the for the whole design work. Key words ：three degrees of freedom, cylindrical, Industrial robot 三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機器人設(shè)計 專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化，學(xué)號：2001121622，姓名：劉建軍 指導(dǎo)老師：李作全 第一章 緒論 機器人工程是近二十多年來迅速發(fā)展起來的綜合學(xué)科。它集中了機械工程、電子工程、計算機工程、自動控制工程以及人工智能等多種學(xué)科的最新研究成果，是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一，也是我 國科技界跟蹤國際高科技發(fā)展的重要方面。工業(yè)機器人的研究、制造和應(yīng)用水平，是一個國家科技水平和經(jīng)濟實力的象征，正受到許多國家的廣泛重視。 目前，工業(yè)機器人的定義，世界各國尚未統(tǒng)一，分類也不盡相同。最近聯(lián)合國國際標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機器人協(xié)會給工業(yè)機器人下的定義：工業(yè)機器人是一種可重復(fù)編程的多功能操作裝置，可以通過改變動作程序，來完成各種工作，主要用于搬運材料，傳遞工件。參考國外的定義，結(jié)合我國的習(xí)慣用語，對工業(yè)機器人作如下定義： 工業(yè)機器人是一種機體獨立，動作自由度較多，程序可靈活變更，能任意定位，自動化程度高的自動操作機械。主要用于加工自動線和柔性制造系統(tǒng)中傳遞和裝卸工件或夾具。 工業(yè)機器人以剛性高的手臂為主體，與人相比，可以有更快的運動速度，可以搬運更重的東西，而且定位精度相當(dāng)高，它可以根據(jù)外部來的信號，自動進行各種操作。 工業(yè)機器人的發(fā)展，由簡單到復(fù)雜，由初級到高級逐步完善，它的發(fā)展過程可分為三代： 第一代工業(yè)機器人就是目前工業(yè)中大量使用的示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人，它主要由手部、臂部、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。它的控制方式比較簡單，應(yīng)用在線編程，即通過示教存貯信息，工作時讀出這些信息，向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，執(zhí)行機構(gòu)按指令再現(xiàn)示教的操作。 第二代機器人是帶感覺的機器人。它具有尋力覺、觸覺、視覺等進行反饋的能力。其控制方式較第一代工業(yè)機器人要復(fù)雜得多，這種機器人從1980年開始進入了實用階段，不久即將普及應(yīng)用。 第三代工業(yè)機器人即智能機器人。這種機器人除了具有觸覺、視覺等功能外，還能夠根據(jù)人給出的指令認(rèn)識自身和周圍的環(huán)境，識別對象的有無及其狀態(tài)，再根據(jù)這一識別自動選擇程序進行操作，完成規(guī)定的任務(wù)。并且能跟蹤工作對象的變化，具有適應(yīng)工作環(huán)境的功能。這種機器人還處于研制階段，尚未大量投入工業(yè)應(yīng)用。 第2章 工業(yè)機器人的總體設(shè)計 2.1 工業(yè)機器人的組成及各部分關(guān)系概述 圖2-1 工業(yè)機器人的組成圖 它主要由機械系統(tǒng)(執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng))、控制檢測系統(tǒng)及智能系統(tǒng)組成。 A、 執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機器人完成抓取工件，實現(xiàn)各種運動所必需 的機械部件，它包括手部、腕部、機身等。 （1） 手部：又稱手爪或抓取機構(gòu)，它直接抓取工件或夾具。 （2） 腕部：又稱手腕，是連接手部和臂部的部件，其作用是調(diào)整或改變手部的工作方位。 （3） 臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的負(fù)荷，并把它傳遞到預(yù)定的位置。 （4） 機身：是支承手臂的部件，其作用是帶動臂部自轉(zhuǎn)、升降或俯仰運動。 B、 驅(qū)動系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力，并驅(qū)動其動力的裝置。常用的 機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電傳動。 C、 控制系統(tǒng)：通過對驅(qū)動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進行工作，當(dāng)發(fā)生錯誤或故障時發(fā)出報警信號。 D、 檢測系統(tǒng)：作用是通過各種檢測裝置、傳感裝置檢測執(zhí)行機構(gòu)的運動情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定進行比較，以保證運動符合要求。 圖2-2 各部分關(guān)系圖 2.2工業(yè)機器人的設(shè)計分析 2.2.1 設(shè)計要求 綜合運用所學(xué)知識,搜集有關(guān)資料獨立完成三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機器人操作機和驅(qū)動單元的設(shè)計工作。 原始數(shù)據(jù)：自動線上有Ａ，Ｂ兩條輸送帶之間距離為1.5m，需設(shè)計工業(yè)機器人將一零件從A帶送到B帶。 零件尺寸：內(nèi)孔 ￠100，壁厚 10，高 100。 零件材料：45鋼。 2.2.2 總體方案擬定 在工業(yè)機器人的諸多功能中，抓取和移動是最主要的功能。這兩項功能實現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)是精巧的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和良好的伺服控制驅(qū)動。本次設(shè)計就是在這一思維下展開的。根據(jù)設(shè)計內(nèi)容和需求確定圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機器人，利用步進電機驅(qū)動和諧波齒輪傳動來實現(xiàn)機器人的旋轉(zhuǎn)運動；利用另一臺步進電機驅(qū)動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，從而使與滾珠絲杠螺母副固連在一起的手臂實現(xiàn)上下運動；考慮到本設(shè)計中的機器人工作范圍不大，故利用液壓缸驅(qū)動實現(xiàn)手臂的伸縮運動；末端夾持器則采用內(nèi)撐連桿杠桿式夾持器，用小型液壓缸驅(qū)動夾緊。 圖2-3 機器人外形圖 2.2.3　工業(yè)機器人主要技術(shù)性能參數(shù) 工業(yè)機器人的技術(shù)參數(shù)是說明其規(guī)格和性能的具體指標(biāo)。主要技術(shù)參數(shù)有如 下： A、 抓取重量： 抓取重量是用來表明機器人負(fù)荷能力的技術(shù)參數(shù)，這是一項主要參數(shù)。這項參數(shù)與機器人的運動速度有關(guān)，一般是指在正常速度下所抓取的重量。 B、 抓取工件的極限尺寸： 抓取工件的極限尺寸是用來表明機器人抓取功能的技術(shù)參數(shù)，它是設(shè)計手部的基礎(chǔ)。 C、 坐標(biāo)形式和自由度： 說明機器人機身、手部、腕部等共有的自由度數(shù)及它們組成的坐標(biāo)系特征。 D、 運動行程范圍： 指執(zhí)行機構(gòu)直線移動距離或回轉(zhuǎn)角度的范圍，即各運動自由度的運 動量。根據(jù)運動行程范圍和坐標(biāo)形式就可確定機器人的工作范圍。 E、 運動速度： 是反映機器人性能的重要參數(shù)。通常所指的運動速度是機器人的最大運動速度。它與抓取重量、定位精度等參數(shù)密切有關(guān)，互相影響。目前，國內(nèi)外機器人的最大直線移動速度為1000mm/s左右，一般為200～400mm/s；回轉(zhuǎn)速度最大為180o/s，一般為50o/s。 F、 定位精度和重復(fù)定位精度： 定位精度和重復(fù)定位精度是衡量機器人工作質(zhì)量的一項重要指標(biāo)。 G、 編程方式和存儲容量。 本設(shè)計中的三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機器人的有關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1-1。 表1-1 機械手類型 三自由度圓柱坐標(biāo)型 抓取重量 2.69Kg 自由度 3個（1個回轉(zhuǎn)2個移動） 機座 長120mm，回轉(zhuǎn)運動，回轉(zhuǎn)角180°，步進電機驅(qū)動 單片機控制 腰部機構(gòu) 長680mm，伸縮運動，升降范圍450mm，步進電機驅(qū)動 單片機控制 手臂機構(gòu) 長826mm，伸縮運動，伸縮范圍50mm，液壓缸驅(qū)動 行程開關(guān)控制 末端執(zhí)行器 液壓缸驅(qū)動 行程開關(guān)控制 第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)設(shè)計 3.1 工業(yè)機器人的運動系統(tǒng)分析 3.1.1 機器人的運動概述 工業(yè)機器人的運動，可從工業(yè)機器人的自由度，工作空間和機械結(jié)構(gòu)類型等三方面來討論。 如圖2-1所示，為工業(yè)機器人機構(gòu)的簡圖。 圖3-1 機構(gòu)簡圖 a．工業(yè)機器人的運動自由度 所謂機器人的運動自由度是指確定一個機器人操作位置時所需要的獨立運動參數(shù)的數(shù)目，它是表示機器人動作靈活程度的參數(shù)。 本設(shè)計的工業(yè)機器人具有四轉(zhuǎn)動副和移動副兩種運動副，具有手臂伸降，旋轉(zhuǎn)，前后往復(fù)三自由度。 b．機器人的工作空間和機械結(jié)構(gòu)類型 （1）工作空間 工作空間是指機器人正常運行時，手部參考點能在空間活動的最大范圍，是機器人的主要技術(shù)參數(shù)，工作空間圖如圖3-2。 圖3-2 工作空間圖 （2）機械結(jié)構(gòu)類型 圓柱坐標(biāo)型為本設(shè)計所采用方案，這種運動形式是通過一個轉(zhuǎn)動，兩個移動，共三個自由度組成的運動系統(tǒng)（代號RPP），工作空間圖形為圓柱形。它與直角坐標(biāo)型比較，在相同的工作條件下，機體占體積小，而運動范圍大。 3.1.2 機器人的運動過程分析 工業(yè)機器人的運動過程中各動作如圖3-3和表3-1。 圖3-3 表3-1 機器人開機，處于A位 工步一 手臂上升 工步二，工步七，工步十三 旋轉(zhuǎn)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 夾緊工件 工步六 手臂收縮 工步八，工步十四 旋轉(zhuǎn)至C位 工步九 放松工件 工步十二 實現(xiàn)運動過程中的各工步是由工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)和各種檢測原件來實現(xiàn)的，這里尤其要強調(diào)的是機器人對工件的定位夾緊的準(zhǔn)確性，這是本次設(shè)計成敗之關(guān)鍵所在。 3.2工業(yè)機器人的執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計 3.2.1 末端執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計 工業(yè)機器人的末端執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計是用來抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、準(zhǔn)確和牢靠程度都將直接影響到工業(yè)機械手的工作性能，它是工業(yè)機械手的關(guān)鍵部件之一。 3.2.1.1 設(shè)計時要注意的問題： a. 末端執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)有足夠的夾緊力，為使手指牢靠的夾緊工件，除考慮夾持工件的重力外，還應(yīng)考慮工件在傳送過程中的動載荷。 b. 末端執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)有一定的開閉范圍。其大小不僅與工件的尺寸有關(guān)，而且應(yīng)注意手部接近工件的運動路線及其方位的影響。 c. 應(yīng)能保證工件在末端執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)準(zhǔn)確定位。 d. 結(jié)構(gòu)盡量緊湊重量輕，以利于腕部和臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 e. 根據(jù)應(yīng)用條件考慮通用性。 3.2.1.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 采用內(nèi)撐連桿杠桿式夾持器，用小型液壓缸驅(qū)動夾緊，它的結(jié)構(gòu)形式如圖2-4。內(nèi)撐連桿杠桿式夾持器采用四連桿機構(gòu)傳遞撐緊力，即當(dāng)液壓缸1工作時，推動推桿2向下運動，使兩鉗爪3向外撐開，從而帶動彈性爪4夾緊工件。該種夾持器多用于內(nèi)孔薄壁零件的夾持。 圖3-4 末端執(zhí)行器 3.2.1.3 液壓油缸的選擇和夾緊力的校驗 a． 初選油缸型號 考慮到所要夾持的是很小的薄壁零件，最大工作載荷很小，故初選液壓缸型號為Y-HG1-C40/22×25LF2HL1Q，它的主要技術(shù)參數(shù)如表2-2。 表3-2 冶金設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)液壓油技術(shù)規(guī)格 缸 徑 /mm 活塞桿直徑 /mm 油口直徑 速度比 通徑 /mm 聯(lián)接螺紋 1.46 2 40 22 28 10 M18x1.5 b． 夾緊力校驗 1）零件的計算 其中g(shù)取9.8. 取G=27（N） 2） 緊力的計算： 要夾持住零件必須滿足條件： f為手指與工件的靜摩擦系數(shù)，工件材料為45號鋼，手指為鋼材，查《機械零件手冊》 表2-5 f=0.15，N為作用在零件內(nèi)壁上壓緊力，G為零件重力。 所以 取N=100（N） 由《機械制造裝備》式4-60可知驅(qū)動力的計算公式為： 為斜面傾角，，為傳動機構(gòu)的效率，這里為平摩擦傳動， 查《機械零件手冊》表2-2 這里取 0.85, b=77.5mm,c=29mm。 取p=500(N).按《液壓傳動與氣壓傳動》公式 4-15 D為汽缸的內(nèi)徑(m)，P為工作壓力（Pa）,由《液壓傳動與氣壓傳動》表9-1 負(fù)載F/N <5000 5000～10000 10000～20000 20000～30000 30000～50000 >50000 工作壓力p/MPa <0.8～1 1.5～2 2.5～3 3～4 4～5 >5～7 取p=0.5MPa。由《液壓系統(tǒng)設(shè)計》可查得：=0.9～0.95, 所以 由以上計算可知液壓缸能產(chǎn)生的推力F=565N大于夾緊工件所需的推力P=500N。所以該液壓缸能夠滿足要求。 3.2.1.4 彈性爪的強度校驗 彈性爪的結(jié)構(gòu)形式如圖3-7： 圖3-7 彈性爪結(jié)構(gòu)圖 這種結(jié)構(gòu)是在手爪外側(cè)用螺釘固定彈簧板兩端固定。當(dāng)彈性手工作時，由于夾緊過程具有彈性，就可以避免易損零件被抓傷，變形和破損。 工件與彈簧片間的力： 由上節(jié)可知F=100N。 則彈簧爪截面上的剪應(yīng)力為[τ]=30MPa， τ=Q/A= 故彈性爪滿足強度要求。 3.2.2 手臂機構(gòu)的設(shè)計 3.2.2.1 手臂的設(shè)計要求 a、 手臂的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)滿足機器人完成作業(yè)任務(wù)提出的工作空間要求 b、 根據(jù)手臂所受載荷和結(jié)構(gòu)的特點，合理選擇手臂截面形狀和高強度輕質(zhì)材料。 c、 盡量減小手臂重量和相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量和偏重力矩，以減小驅(qū)動裝置的負(fù)荷；減少運動的動載荷與沖擊，提高手臂運動的響應(yīng)速度。 d、 要設(shè)法減小機械間隙引起的運動誤差，提高運動的精確性和運動剛度。采用緩沖和限位裝置提高定位精度。 本設(shè)計中手臂由滾珠絲杠驅(qū)動實現(xiàn)上下運動，結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便，還設(shè)計有兩根導(dǎo)柱導(dǎo)向，以防止手臂在滾珠絲杠上轉(zhuǎn)動，確保手臂隨機座一起轉(zhuǎn)動。它的結(jié)構(gòu)如下圖。 圖3-8 手臂結(jié)構(gòu)圖 選用軸向腳架型液壓缸，活塞桿末端為外螺紋結(jié)構(gòu)，手臂與末端執(zhí)行器連同活塞桿一起轉(zhuǎn)動。 3.2.2.2 伸縮液壓油缸的選擇 選液壓缸型號為Y-HG1-C50/28×100LJ1HL1Q，它的主要技術(shù)參數(shù)如表2-3。 表3-3 冶金設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)液壓油技術(shù)規(guī)格 缸 徑 /mm 活塞桿直徑 /mm 油口直徑 速度比 通徑 /mm 聯(lián)接螺紋 1.46 2 50 28 36 10 M18x1.5 3.2.2.3 活塞桿的強度校核 末端執(zhí)行器的重量為：10.389Kg。 工件重量為：2.64Kg。 由靜力平衡方ΣMB=0 R1·LAB －Q·LBC=0 ΣMA=0 R2·LAB － Q·LAC=0 求得支反力為： R1=524.88N R2=673.16N 以A點為坐標(biāo)原點，得剪力圖和彎矩圖如下： 由[]表得活塞桿[τ]=140MPa, [σ]=240MPa. 則在B處橫截面上的剪應(yīng)力為： τB= RB/A= 安全。 在B處的彎應(yīng)力為： σB= MB/A= 安全。 3.2.3 腰部和基座設(shè)計 3.2.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計 通過安裝在支座上的步進電機和諧波齒輪直接驅(qū)動轉(zhuǎn)動機座轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)機器人的旋轉(zhuǎn)運動，通過安裝在頂部的步進電機和聯(lián)軸器帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動實現(xiàn)手臂的上下移動。采用了雙導(dǎo)柱導(dǎo)向，以防止手臂在滾珠絲杠上轉(zhuǎn)動，確保手臂隨機座一起轉(zhuǎn)動。支撐梁采用槽鋼，以減輕重量和節(jié)省材料，它的結(jié)構(gòu)如圖2-10。 該種設(shè)計采用了環(huán)形軸承的機器人支承結(jié)構(gòu)。它由電動機2直接驅(qū)動一杯形柔輪諧波減速器。這種諧波減速器只有剛輪9、柔輪7和諧波發(fā)生器8三大件，而無單獨的外殼（這種結(jié)構(gòu)有利于傳動系統(tǒng)的小型化、輕型化）。由柔輪7輸出低速的回轉(zhuǎn)運動帶動與之固聯(lián)的機座回轉(zhuǎn)殼體5實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運動。齒形皮帶傳動4和位置傳感器6作為機座用來檢測手臂機座的角位移。 1——支座，2——步進電機，3——諧波齒輪，4——轉(zhuǎn)動機座 5——支承工字梁，6——滾珠絲杠，7——導(dǎo)向柱，8——錐環(huán)無鍵聯(lián)軸器 圖3-10 腰部和基座結(jié)構(gòu)圖 1——支座，2——電機，3——軸承，4——帶傳動，5——殼體 6——位置傳感器，7——柔輪，8——波發(fā)生器，9——剛輪 圖3-11 環(huán)形軸承的機器人機座 3.2.3.2 步進電機的選取 工業(yè)機器人的旋轉(zhuǎn)和上下移動采用了步進電機驅(qū)動，下面就給出各種驅(qū)動方式的比較，以作為選取步進電機作為驅(qū)動方式的依據(jù)。 表3-4 各種驅(qū)動方式比較 比較內(nèi) 容 驅(qū)動方式 機械傳動 電機 驅(qū)動 氣壓傳動 液壓傳動 異步電機，直流電機 步進或伺服電機 輸出力矩 輸出力矩較大 輸出力可較大 輸出力矩較小 氣體壓力小，輸出力矩小，如需輸出力矩較大，結(jié)構(gòu)尺寸過大 液體壓力高，可以獲得較大的輸出力 控制性能 速度可高，速度和加速度均由機構(gòu)控制，定位精度高，可與主機嚴(yán)格同步 控制性能較差，慣性大，步易精確定位 控制性能好，可精確定位，但控制系統(tǒng)復(fù)雜 可高速，氣體壓縮性大，阻力效果差，沖擊較嚴(yán)重，精確定位較困難，低速步易控制 油液壓縮性小，壓力流量均容易控制，可無級調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 應(yīng)用范圍 適用于自由度少的專用機械手，高速低速均能適用 適用于抓取重量大和速度低的專用機械手 可用于程序復(fù)雜和運動軌跡要求嚴(yán)格的小型通用機械手 中小型專用通用機械手都有 中小型專用通用機械手都有，特別時重型機械手多用 由上表可知步進電機應(yīng)用于驅(qū)動工業(yè)機器人有著許多無可替代的優(yōu)點，如控制性能好，可精確定位，體積較小可用于程序復(fù)雜和運動軌跡要求嚴(yán)格的小型通用機械手等，下面就對步進電機的型號進行選取。 初選電機為BF反應(yīng)式步進電機，型號為：90BF001。它的有關(guān)技術(shù)參數(shù)如下表： 表3-5 電機型號 相數(shù) 步距角 /（°） 電壓 /V 最大靜轉(zhuǎn)矩 /N·m(Kgf·cm) 最高空載啟動頻 率 /HZ 運行頻率 /HZ 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 10Kg·m 分配方式 質(zhì)量 /Kg 90BF001 4 0．9 80 3.92 2000 8000 17.64 四相八拍 4．5 A、傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計算 傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量是一種慣性負(fù)載,在電機選用時必須加以考慮。由于傳動系統(tǒng)的各傳動部件并不都與電機軸同軸線，還存在各傳動部件轉(zhuǎn)動慣量向電機軸折算的問題。最后，要計算整個傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，即傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量。 （1）、電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量的折算 由《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》表2-18查出=1.764㎏?cm2 （2）、聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動慣量的折算 式中：為圓柱質(zhì)量（Kg），D為圓柱體直徑（cm）,L為圓柱體長度。 對于鋼材，材料密度為,把數(shù)據(jù)代入上式得： （3）、滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量的折算 查《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》表4-2 P119，得出1m長的滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量為0.94㎏?cm2，絲杠長度L＝420mm，所以滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量：=0.94×0.42=0.39㎏?cm2； （4）、手臂轉(zhuǎn)動慣量的折算 工作臺是移動部件，其移動質(zhì)量折算到滾珠絲杠軸上的轉(zhuǎn)動慣量可按下式進行計算： 見《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》公式（2-6）P8 式中，為絲杠導(dǎo)程（cm）；為工作臺質(zhì)量（kg）。 所以： （5）系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計算 B、驗算矩頻特性 步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩是指電機的定位轉(zhuǎn)矩，從《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》表2-21中查得。步進電機的名義啟動轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為： 見《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》公式（2-29）P32 查《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》表2-12 P35得＝0.707。所以， 步進電機空載啟動是指電機在沒有外加工作負(fù)載下的啟動。步進電機所需空載啟動力矩可按下式計算： 見《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》公式（2-30）P32 式中：為空載啟動力矩（N?cm）；為空載啟動時運動部件由靜止升速到最大快進速度，折算到電機軸上的加速力矩（N?cm）；為空載時折算到電機軸上的摩擦力矩（N?cm）； 有關(guān)的各項力矩值計算如下： （1）加速力矩 見《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》公式（2-32）和（2-33）P32 式中：為傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量；為電機最大角加速度；為與運動部件最大快進速度對應(yīng)的電機最大轉(zhuǎn)速；t為運動部件從靜止啟動加速到最大快進速度所需的時間，為運動部件最大快進速度；為初選步進電機的步距角；為脈沖當(dāng)量。 （2）、空載摩擦力矩 見《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》公式（2-34）P35 式中：為運動部件的總重量；為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；齒輪傳動降速比；為傳動系數(shù)總效率，?。?.8；為滾珠絲杠的基本導(dǎo)程。 （3）、附加摩擦力矩 見《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》公式（2-35）P35 式中：為滾珠絲杠預(yù)緊力；為滾珠絲杠未預(yù)緊時的傳動效率，現(xiàn)?。?.96。 所以，步進電機所需空載啟動力矩： 初選電機型號應(yīng)滿足步進電機所需空載啟動力矩小于步進電機名義啟動轉(zhuǎn)矩，即 見《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》公式（2-31）P32 從上式可知電機初步滿足要求。 C、啟動矩頻特性校核 步進電機啟動有突跳啟動和升速啟動。突跳啟動很少使用。升速啟動是步進電機從靜止?fàn)顟B(tài)開始逐漸升速，在零時刻，啟動頻率為零。在一段時間內(nèi)，按一定的升速規(guī)律升速。啟動結(jié)束時，步進電機達到了最高運行速度。 查看《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》圖2-21 P36，從90BF001矩特性圖中，可查得： 縱向：空載啟動力矩＝對應(yīng)的允許啟動頻率。查《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》表2-11 P34，步進電機150BF002啟動頻率， 所以所選電機不會丟步。 D、運行矩頻特性校核 步進電機的最高快進運行頻率可按下式計算： 見《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》公式（2-36）P36 式中：為運動部件最大快進速度。算得。 快進力矩的計算公式： 見《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》公式（2-37）P37 式中： 為附加摩擦力矩， 為快進時，折算到電機軸上的摩擦力矩。算得： 。 查看《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》圖2-22 P36，從90BF001運行矩頻特性圖中，可知： 快進力矩＝對應(yīng)的允許快進頻率； 所以,所用的電機都滿足快速進給運行矩頻特性要求。 綜上所述，所選用的步進電機90BF001符合要求，可以使用。 3.2.3.3 軸承的選取 a、環(huán)形軸承3作為機座的支承原件，是為機器人研制的專用軸承，具有寬度小、直徑大、精度高、剛度大、承載能力高（可承受徑向力、軸向力和傾覆力矩）、裝置方便等特點價格高。 b、絲杠下部裝有圓錐滾子軸承，型號為30204， 它的有關(guān)參數(shù)如下： 軸承代號 基本額定 極限轉(zhuǎn)速 r/min 動載荷Ca /KN 靜載荷C0a /KN 脂潤滑 油潤滑 30204 28.2 30.5 8000 10000 3.3 工業(yè)機器人的機械傳動裝置的選擇 3.3.1 滾珠絲杠的選擇 估算：等效載荷 Fm = 1000 N , 絲桿有效行程420 mm , 等效轉(zhuǎn)速 nm = 1500 r/min , 要求使用壽命Lh = 15000 h 左右，工作溫度低于100℃，可靠度95%，精度為3級精度。 A、 計算載荷 Fc = 查<機電液設(shè)計手冊> 上冊，表15-21得 = 1.1 ， = 1.0 ，=1.61 ， = 1 Fc = = 1.11.01.6111000 = 1771 N = = = 19559 N B、 選擇滾珠絲桿副的型號 主要尺寸為： 按= 19559N，查《機電一體化設(shè)計基礎(chǔ)》表2-9，選用漢江機床廠C1型滾珠絲杠，系列代號為FYC1-4008-2.5。 = 40 mm , =8 mm , =4 mm , d = 39mm，滾珠直徑d0=3.969mm 滾道半徑 R= 偏心距 e== 絲杠內(nèi)徑 ≤27 mm , =24000 N , =1880 N 螺旋導(dǎo)程角 γ = arctan = arctan = 3o38′ 螺桿不長，無需驗算穩(wěn)定性。 C、剛度驗算 按最不利情況考慮，即在螺距(導(dǎo)程)內(nèi)受軸向力引起的彈性變形與受轉(zhuǎn)矩引起彈性變形方向一致，此時變形量為最大，計算公式為： = + 式中 T1 = ··tan( γ+) = 1000tan(+) = 1321 N·mm 磨擦系數(shù)f = 0.025, 當(dāng)量磨擦角 = ， 剪切彈性模量 G=8.33 N/mm2 所以：= + = 0.0387 μm 其中，危險截面= 35.76，E = 2.06 每米螺桿長度上的螺矩的彈性變形 = = 6.6 /m < ()p = 15/m 因為滾球絲桿精度要求為3級精度，由表15-8查得 ()p = 15/m 所以其剛度滿足要求。 D、計算效率 η= = = 0.960 = 96% 3.3.2 諧波齒輪的選擇 諧波齒輪的特點，與一般齒輪傳動相比，有如下特點： a、 傳動比大。一級諧波齒輪減速比可以在50～500之間，在只傳遞運動的裝置中可達1000。采用多級或復(fù)波式傳動時，傳動比可以更大。 b、 這種傳動同時嚙合的齒數(shù)多，可達總齒數(shù)的30%～40%。故承載能力大。 c、 運動誤差小，無沖擊，齒的磨損小，傳動精度高，傳動平穩(wěn)。 d、 效率高（減速傳動下，一般可達0.7～0.9），結(jié)構(gòu)簡單，零件少，重量輕。在承載能力和傳動比相同的條件下，比一般齒輪減速器的體積和重量約減少1/2～1/3。 e、 缺點是起動力矩大，柔輪易疲勞損壞，故柔輪的材料和熱處理條件要求高。傳動比小于35時不能采用諧波傳動。 由于諧波減速傳動裝置明顯的優(yōu)點，已廣泛用于機器人和其它機電一體化機械設(shè)備中。 本設(shè)計中的諧波齒輪采用帶杯形柔輪的諧波傳動組合件。它是由三個基本構(gòu)件構(gòu)成的，帶凸緣的環(huán)形剛輪，杯形的柔輪和柔性軸承、橢圓盤構(gòu)成的波發(fā)生器。 型號XB1-80-100-2-3/3 機型號100，既柔輪的公稱內(nèi)徑為80mm 減速比100 三大件訂貨 精度等級，最大空回小于3分（角）/最大傳動誤差小于3分（角） 3.3.3 聯(lián)軸器的選擇 該機構(gòu)利用錐環(huán)對之間的磨擦實現(xiàn)與轂之間的無間隙連接傳遞轉(zhuǎn)矩，且可任意調(diào)節(jié)兩面聯(lián)接件之間的角度位置。通過選擇所用錐環(huán)的對數(shù)，可傳遞不同大小的轉(zhuǎn)矩。圖2-12所示為采用錐環(huán)（錐環(huán)夾緊環(huán)）無鍵消隙聯(lián)軸器，可使動力傳遞沒有反向間隙。螺釘5通過壓圈3施加軸向力時，由于錐環(huán)之間的楔緊作用，內(nèi)外環(huán)2分別產(chǎn)生徑向彈性變形，消除軸4與套筒1之間的配合間隙，并產(chǎn)生接觸壓力，通過磨擦傳遞轉(zhuǎn)矩，而且套筒1與軸4之間的角度位置可以任意調(diào)節(jié)。 這種聯(lián)軸器定心性好，承載能力高，傳遞功率大、轉(zhuǎn)速高、使用壽命長，具有過載保護能力，能在受振動和沖擊載荷等惡劣環(huán)境下連續(xù)工作，安裝、使用和維護方便，作用于系統(tǒng)中的載荷小、噪聲低。 1——套筒，2——內(nèi)外環(huán)，3——壓圈，4——軸，5——螺栓 圖 3-12 消隙聯(lián)軸器 第四章 工業(yè)機器人的計算機控制系統(tǒng)概述 4.1 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的特點及對控制功能的基本要求 工業(yè)機器人具有多個自由度，每個自由度一般包括一個伺服機構(gòu)，它們必須協(xié)調(diào)起來，組成一個多變量控制系統(tǒng)。這種多變量的控制系統(tǒng)，一般要用計算機來實現(xiàn)。因此，機器人控制系統(tǒng)也是一個計算機控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的功能是控制機器人操作機的運動和操作以滿足作業(yè)的要求。在作業(yè)中機器人的工作任務(wù)是要求操作機的末端執(zhí)行器按點位或軌跡運動，并保持設(shè)定的姿態(tài)。在運動中或在規(guī)定的某點位執(zhí)行作業(yè)規(guī)定的操作。對工業(yè)機器人的控制功能大致有如下的基本要求和特點。 A、實現(xiàn)對位姿、速度、加速度等的控制功能 在機器人的各類作業(yè)中，運動和控制方式主要有兩種。 1）點位控制方式（PTP控制） 這種控制方式考慮到末端執(zhí)行器在運動過程中只在某些規(guī)定的點上進行操作，因此只要求末端執(zhí)行器在目標(biāo)點處保證準(zhǔn)確的位姿以滿足作業(yè)質(zhì)量要求。而對達到目標(biāo)點的運動軌跡（包括移動的路徑和運動的姿態(tài)）則不作任何規(guī)定，這種控制方式易于實現(xiàn)，但不易達到較高的定位精度，適用于上下料、搬運、點焊和在電路板上安插元件等只要求在目標(biāo)點保持末端執(zhí)行器準(zhǔn)確的位姿的作業(yè)中。 2）連續(xù)軌跡控制方式（CP控制） 這種控制方式要求末端執(zhí)行器嚴(yán)格按規(guī)定的軌跡和速度在一定精度要求內(nèi)運動，以完成作業(yè)要求，這種必須保證機器人各關(guān)節(jié)連續(xù)、同步地實現(xiàn)相應(yīng)的運動。這種連續(xù)軌跡運動，可看成是若干密集軌跡曲線。若設(shè)定的點足夠密，就能用點位控制的方法實現(xiàn)所需精度的連續(xù)軌跡運動。 B、存儲和示教功能 要使機器人具有完成預(yù)定作業(yè)的功能，須先將要完成的作業(yè)示教給機器人，這個操作過程稱為示教，將示教內(nèi)容記錄下來，稱為存儲。使工業(yè)機器人按照存儲的示教內(nèi)容進行動作，稱為再現(xiàn)。所以工業(yè)機器人的動作是通過示教—存儲—再現(xiàn)的過程實現(xiàn)的。 C、對外部環(huán)境的檢測和感覺功能。 4.2 計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計方案 控制系統(tǒng)采用二級計算機控制方式，選用IBM-PC，80C51系列CPU。 第一級機擔(dān)負(fù)管理，示教編程，控制再現(xiàn)，軌跡正逆運算，機器人語言的編輯和編譯，通過串行通訊方式傳送給二級機做位置給定。第二級機負(fù)責(zé)位置伺服控制軟件的計算，位置檢測等工作，根據(jù)插補算出的各關(guān)節(jié)位置增量做位置給定。 一級機與示教盒通訊采用串行RS-232接口，既接收示教盒信息，完成示教動作，又向示教盒發(fā)送信息，顯示示教情況。還可以連接軟驅(qū)，CRT終端。 二級機接口電路將計算機輸出數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，驅(qū)動伺服控制系統(tǒng)，選用速度單元，伺服電機及光電編碼盤等伺服調(diào)速系統(tǒng)。 4-1 機器人控制系統(tǒng)框圖 4.3 硬件電路的組成 圖3-1是采用MCS-51系列單片機組成的控制系統(tǒng)硬件電路原理圖。電路的組成如下： i. 主從CPU都采用8031芯片； ii. 主從CPU各擴展程序存儲器27256一片，擴展數(shù)據(jù)存儲器62256一片； iii. 主CPU擴展可編程串行通信接口芯片8251A一片；可編程多功能接口芯片8155一片；電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232一片； iv. 從CPU擴展可編程多功能接口芯片8155六片；D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832六片；運算放大器μA741六片；PWM功率放大器六片；光電編碼器六片； v. 地址鎖存器、譯碼器各兩片； vi. 鍵盤電路，顯示電路； vii. 光電編碼電路，功率放大電路； viii. 報警電路，暫停、急停電路，復(fù)位電路； 第五章 工業(yè)機器人運行時應(yīng)采取的安全措施 有些國家已經(jīng)頒布了關(guān)于機器人的安全法規(guī)和相應(yīng)的規(guī)程,國際標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會也有業(yè)機器人安全規(guī)范(ISO/TC184/SC2/WG3-DP10218)。在工業(yè)機器人的生產(chǎn)廠家，有嚴(yán)格的管理規(guī)定和詳盡的技術(shù)保障體系。 在機器人應(yīng)用工程中，要參照有關(guān)規(guī)程、規(guī)范以及工業(yè)機器人的說明資料，注意落實安全措施，杜絕發(fā)生機器人傷人或其它事故。 5.1 安全要求 工業(yè)機器人能代替人在危險有害的環(huán)境中作業(yè)。但又給人另一種危險，即機 器人傷人事故。這是工業(yè)機器人安全管理的最為重要的一條原則。此外，除了通用的工業(yè)安全規(guī)程外，還要注意工業(yè)機器人的特殊性，采取相應(yīng)可靠的對策。 對工業(yè)機器人應(yīng)用工程的安全要求有如下幾條： a、 必須為工業(yè)機器人和周邊設(shè)備安裝安全護欄，以防止人靠近而造成傷害。工業(yè)機器人的動作范圍不能超越護欄。 b、 在護欄出入口的門上必須設(shè)置插拔式電接點點開關(guān)，其插座有導(dǎo)線與控制系統(tǒng)的電路連接。只有拔下開關(guān)的插頭，才能打開對應(yīng)的門。這時，工業(yè)機器人及周邊設(shè)備停止運轉(zhuǎn)，并且將工業(yè)機器人鎖定在示教模式。 c、 在距操作者的地方設(shè)置緊急停止開關(guān)。按下此開關(guān)，工業(yè)機器人和有關(guān)的設(shè)備立即停止運轉(zhuǎn)。 d、 在人機結(jié)合部設(shè)置傳感器。當(dāng)操作者在此處上、下料或裝卡工作時，控制系統(tǒng)要有相應(yīng)的安全對策。 e、 在生產(chǎn)設(shè)備旁邊的顯著位置用大型指示燈箱表示生產(chǎn)系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)。如運轉(zhuǎn)、調(diào)試、停止等。 f、 設(shè)置工業(yè)機器人的作業(yè)的作業(yè)原點，并在生產(chǎn)系統(tǒng)的操作盤上設(shè)置相應(yīng)的指示燈，使操作者容易判斷工業(yè)機器人本體的位置狀態(tài)。 g、 示教作業(yè)時應(yīng)降低工業(yè)機器人的運動速度，并且要另有一人專門監(jiān)護，一但發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)立即停機。 5.2 實施方法 在工業(yè)機器人應(yīng)用工程中，不僅要注意對人員的危險性，而且還要考慮包括工業(yè)機器人在內(nèi)的設(shè)備的安全性。為此生產(chǎn)廠家在工業(yè)機器人及控制系統(tǒng)的軟硬件方面應(yīng)盡可能地增加有關(guān)功能，以確保安全。例如，用軟極限的功能可設(shè)定工業(yè)機器人操作機（本體）的實際動作小于標(biāo)稱最大動作范圍。當(dāng)控制點運動到軟極限位置時，工業(yè)機器人自動停止并報警，不會超越設(shè)定的區(qū)間。因此，可以將工業(yè)機器人本體的動作限制在實際作業(yè)的領(lǐng)域內(nèi)。又如對于弧焊的應(yīng)用，生產(chǎn)廠家可提供一種帶有碰撞傳感器的焊槍把持器及焊槍后，示教作業(yè)及再現(xiàn)運動時，一但焊槍撞上工件或其他物體時，工業(yè)機器人將立即停機。為了確保工業(yè)機器人應(yīng)用工程中的安全，必須實施確保安全要求的具體措施。 鳴謝 在這次畢業(yè)設(shè)計中，我有很多收獲，首先把我?guī)啄陙硭鶎W(xué)的知識做了一次系統(tǒng)的復(fù)習(xí)，更深一步了解了所學(xué)的知識，培養(yǎng)了我綜合運用所學(xué)知識，獨立分析問題和解決問題的能力，也使我學(xué)會怎樣更好的利用圖書館，網(wǎng)絡(luò)查找資料和運用資料，還使我學(xué)會如何與同學(xué)共同討論問題。這對我以后的工作有很大的幫助,今后我會在工作中不斷的學(xué)習(xí),努力的提高自己的水平。經(jīng)過本次設(shè)計，我切實體會到作為一個優(yōu)秀的設(shè)計人員的艱難性。在設(shè)計過程中，我經(jīng)常遇到各種各樣的問題，有的是知識方面的不足導(dǎo)致的，有的是設(shè)計經(jīng)驗方面不足導(dǎo)致的。這些問題有時使得我束手無措，不過在指導(dǎo)老師幫助和自己的努力下，終于使得我順利完成了設(shè)計。 雖然我的設(shè)計存在很多不足的地方，但在這兩個多月的時間里，我學(xué)到了很多有用的知識，也積累了一定的設(shè)計經(jīng)驗，這些對于我即將要走向社會工作崗位，將起到很關(guān)鍵的作用。 在此衷心感謝學(xué)校、學(xué)院各位老師4年來給我的教育和培養(yǎng)，特別要感謝李作全老師在我的畢業(yè)設(shè)計期間給予的諸多指導(dǎo)。 參考文獻 [1] 吳宗澤,羅圣國.機械設(shè)計課程設(shè)計手冊第二版[M].北京:高等教育出版社,1999. 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