1、第一章 緒論1.1 工業(yè)機(jī)器人研究的目的和意義 工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等多 學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動(dòng)化裝備。自從1962年美國研制出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人以來 , 機(jī)器人技術(shù)及其產(chǎn)品發(fā)展很快 , 已成為 柔性制造系統(tǒng)（FMS）、自動(dòng)化工廠（FA）、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）的 自動(dòng)化工具。廣泛采用工業(yè)機(jī)器人 , 不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與數(shù)量 , 而且保 障人身安全、改善勞動(dòng)環(huán)境、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、節(jié)約材料 消耗以及降低生產(chǎn)成本有著十分重要的意義。和計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一樣 , 工 業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用正在日益改變著人類的生產(chǎn)和生活方式。

2、20世紀(jì)80年代以來，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)逐漸成熟，并很快得到推廣，目 前已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)的許多領(lǐng)域得到應(yīng)用。在工業(yè)機(jī)器人逐漸得到推廣和普 及的過程中，下面三個(gè)方面的技術(shù)進(jìn)步起著非常重要的作用。1. 驅(qū)動(dòng)方式的改變 20世紀(jì)70年代后期，日本安川電動(dòng)機(jī)公司研制開發(fā)出了第一臺(tái)全電動(dòng)的工業(yè)機(jī)器人，而此前的工業(yè)機(jī)器人基本上采用液壓驅(qū)動(dòng)方式。與采用液 壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人相比，采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人在響應(yīng)速度、精度、 靈活性等方面都有很大提高，因此，也逐步代替了采用液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人， 成為工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式的主流。在此過程中，諧波減速器、R V減速器等高性能減速機(jī)構(gòu)的發(fā)展也功不可沒。近年來，交流伺服驅(qū)動(dòng)已經(jīng)逐漸

3、代替 傳統(tǒng)的直流伺服驅(qū)動(dòng)方式，直線電動(dòng)機(jī)等新型驅(qū)動(dòng)方式在許多應(yīng)用領(lǐng)域也 有了長足發(fā)展。2. 信息處理速度的提高 機(jī)器人的動(dòng)作通常是通過機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn) 的。為了使機(jī)器人完成各種復(fù)雜動(dòng)作，機(jī)器人控制器需要進(jìn)行大量計(jì)算， 并在此基礎(chǔ)上向機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)發(fā)出必要的控制指令。隨 著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，CPU的計(jì)算能力有了很大提高，機(jī)器人控制器的 性能也有了很大提高， 高性能機(jī)器人控制器甚至可以同時(shí)控制 20多個(gè)關(guān)節(jié) 機(jī)器人控制器性能的提高也進(jìn)一步促進(jìn)了工業(yè)機(jī)器人本身性能的提高，并 擴(kuò)大了工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用范圍。近年來，隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展， 已經(jīng)出現(xiàn)了多臺(tái)機(jī)器人

4、通過網(wǎng)絡(luò)共享信息，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行協(xié)調(diào)控制的 技術(shù)趨勢。3. 傳感器技術(shù)的發(fā)展 機(jī)器人技術(shù)發(fā)展初期，工業(yè)機(jī)器人只具備檢測自身位置、角度和速度的內(nèi) 部傳感器。近年來，隨著信息處理技術(shù)和傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，觸覺、 力覺、視覺等外部傳感器已經(jīng)在工業(yè)機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。各種新型傳 感器的使用不但提高了工業(yè)機(jī)器人的智能程度，也進(jìn)一步拓寬了工業(yè)機(jī)器 人的應(yīng)用范圍。1.2 工業(yè)機(jī)器人在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢目前，工業(yè)機(jī)器人有很大一部分應(yīng)用于制造業(yè)的物流搬運(yùn)中。極大的 促進(jìn)物流自動(dòng)化，隨著生產(chǎn)的發(fā)展，搬運(yùn)機(jī)器人的各方面的性能都得到了 很大的改善和提高。氣動(dòng)機(jī)械手大量的應(yīng)用到物流搬運(yùn)機(jī)器人領(lǐng)域。在手 爪的機(jī)

5、械結(jié)構(gòu)方面根據(jù)所應(yīng)用場合的不同以及對工件夾持的特殊要求，采 取了多種形式的機(jī)械結(jié)構(gòu)來完成對工件的夾緊和防止工件脫落的鎖緊措 施。在針對同樣的目標(biāo)任務(wù)，采取多種運(yùn)動(dòng)方式相結(jié)合的方式來達(dá)到預(yù)定 的目的。驅(qū)動(dòng)方面采用了一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人多種驅(qū)動(dòng)方式的情況，有液壓驅(qū) 動(dòng)，氣壓驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)等等。愈來愈多的搬運(yùn)機(jī)器 人是采用混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的，這樣能夠更好的發(fā)揮各驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)，避免 缺點(diǎn)。并且在它的控制精度方面和搬運(yùn)效率方面有了很大的提高。在搬運(yùn) 機(jī)械手的控制方面，出現(xiàn)了多種控制方式。如：由原始的電控的機(jī)械手， 較先進(jìn)的基于工控機(jī)控制的，基于 PC控制的，進(jìn)一步的嵌入式PC控制技 術(shù)，還有采

6、用 PLC 可編程控制的。在物料搬運(yùn)方面近年來呈現(xiàn)出的趨勢就是系統(tǒng)化。無論是我國還是國 外，物料搬運(yùn)的發(fā)展都是由單一設(shè)備走向成套設(shè)備，由單機(jī)走向系統(tǒng)。在 制造業(yè)方面，隨著 JIT, FMS, CIMS 等現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，對物料搬 運(yùn)系統(tǒng)也提出了新的要求。其特點(diǎn)是力求減少庫存、壓縮等待和輔助時(shí)間， 使多品種、少批量的物料準(zhǔn)時(shí)到達(dá)要求的地點(diǎn)。這一趨勢在機(jī)械工業(yè)方面 得到了很大的應(yīng)用。其中采用了機(jī)器人等先進(jìn)的物料搬運(yùn)技術(shù)，促進(jìn)了機(jī) 械工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和生產(chǎn)水平提高。當(dāng)代工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展一方面表現(xiàn)在工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)城的擴(kuò)大和 機(jī)器人種類的增多。另一方面表現(xiàn)在機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)性能的提高和控制系 統(tǒng)的智

7、能化。前者是指應(yīng)用領(lǐng)域的橫向拓寬，后者是在性能及水平上的縱 向提高。機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)城的拓寬和性能水平的提高二者相輔相承、相互促 進(jìn)。應(yīng)用領(lǐng)城的擴(kuò)大對機(jī)器人不斷提出斷的要求，推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)水平的 提高.反過來，機(jī)器人性能與智能水乎的提高，又使擴(kuò)大機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域成 為可能。1工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)性能的提高。 進(jìn)一步提高業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度。機(jī)器人是一種多關(guān)節(jié)開鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)， 因此，機(jī)器人手臂的剛度一般都不高。另外由于構(gòu)件的尺寸誤差和傳動(dòng)間 隙的存在，以及機(jī)器人手臂末端誤差的放大作用，使當(dāng)前機(jī)器人的定位與 運(yùn)動(dòng)還不能達(dá)到很高的精度。度大 .精度高的數(shù)控機(jī)床相比，機(jī)器人在工作 精度上大為遜色。因此，至今工業(yè)機(jī)器

8、人在精密裝配及其它精密作業(yè)中的 應(yīng)用仍受到了很大的限制。除了精密作業(yè)要求高精度機(jī)器人以外.采用離線編程的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)也要求該機(jī)器人要具有足夠高的定位精度和運(yùn)動(dòng)精 度。進(jìn)一步提高機(jī)器人工作精度的主要辦法是：提高機(jī)器人的加工精度與 裝配精度，采用無隙傳動(dòng)的減速機(jī)構(gòu)，采用直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過標(biāo)定進(jìn)行機(jī)器人的2誤差補(bǔ)償，通過實(shí)時(shí)檢側(cè)對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。提高機(jī) 器人手的靈活度和避障能力 :當(dāng)前常用的機(jī)器人手肴的靈活度的都不夠高， 即手臂末端達(dá)到某一工作點(diǎn)時(shí)。手臂可能采取的姿態(tài)是有限的，有時(shí)要有 很大的靈活度和很強(qiáng)的避障能力 .例如。當(dāng)用噴涂機(jī)器人噴涂車身內(nèi)表面時(shí)， 要求機(jī)器人能將車身內(nèi)表面的各

9、個(gè)角落都噴上漆，必須要有高靈活度機(jī)器 人手有才行。另外，在有限空間及有障礙的復(fù)雜環(huán)境中作業(yè)的機(jī)器人，例 如在核電站工作的機(jī)器人，也要求其具有高靈活度的機(jī)器人手臂。為了提 工業(yè)機(jī)器人手臂的靈活度，主要是采用具有冗余自由度的機(jī)器人手臂和在 機(jī)器人手臂機(jī)構(gòu)上采用膨鉸關(guān)節(jié)及可雙向彎曲的手臂。3提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和響應(yīng)頻率：為了提高機(jī)器人作業(yè)效率，以 及提高具有感知功能機(jī)器人的反應(yīng)速度，就必須提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度和響 應(yīng)頻率，這一點(diǎn)，對裝配機(jī)器人來說尤為重要。為此，一方面可以通過采 用高強(qiáng)度材料或輕質(zhì)材料 （如碳纖維復(fù)合材料 ）制造機(jī)器人手臂， 以達(dá)到減輕 手臂重量和提高手臂動(dòng)態(tài)特性的目的，另一方面，也

10、可以通過采用直接驅(qū) 動(dòng)電機(jī)或其它高性能驅(qū)動(dòng)電機(jī)，從控制和驅(qū)動(dòng)方面提高機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng) 速度與響應(yīng)頻率。4提高機(jī)器人手爪或手腕的操作能力、 靈活性與快速反應(yīng)能力 :為了使 機(jī)器人能像人一樣進(jìn)行各種復(fù)雜作業(yè)，如裝配作業(yè)、維修作業(yè)及設(shè)備操作， 機(jī)器人就必須有一個(gè)運(yùn)動(dòng)靈活和動(dòng)作靈敏的手腕和手爪。這一點(diǎn)對裝配作 業(yè)機(jī)器人、核工業(yè)機(jī)器人和在空間站上作業(yè)的空間機(jī)器人來說是特別重要 的。5采用模塊化組合式機(jī)器人結(jié)構(gòu)， 提高機(jī)器人快速維修性能 :根據(jù)優(yōu)化 設(shè)計(jì)，制造出多種不同尺寸和規(guī)格的手臂和連接器模塊。用少量的模塊可 組合成多種機(jī)器人配置。這種機(jī)器人能進(jìn)行快速維修，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)修復(fù)。 所以，這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)最適

11、用于空間機(jī)器人、核工業(yè)機(jī)器人等。如這種積木結(jié)構(gòu)能推廣用于一般工業(yè)機(jī)器人，將使工業(yè)機(jī)器人的成本下降、生產(chǎn)周 期及維修周期縮短。1.3 工業(yè)機(jī)器人的分類1.3.1 按作業(yè)用途分類如前所述，各類工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用范圍非常廣泛，而且還有一種機(jī)器 人多種用途的情況。通常我們依據(jù)其具體的作業(yè)用途來稱呼它，如一條自 動(dòng)生產(chǎn)線上使用了相同結(jié)構(gòu)的數(shù)臺(tái)機(jī)器人，有的用于點(diǎn)焊就稱為點(diǎn)焊機(jī)器 人，有的用于搬運(yùn)工件就稱為搬運(yùn)機(jī)器人，以此類推，便有噴漆機(jī)器人、 涂（ 密封） 膠機(jī)器人、裝配機(jī)器人和測量機(jī)器人等有的作業(yè)具有一定范圍， 如潛入水下作勘查、采礦和鋪 4 管道的機(jī)器人，就統(tǒng)稱為水下機(jī)器人，類 似的還有宇航機(jī)器人等。1

12、.3.2 按操作機(jī)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)分類按工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)把機(jī)器人區(qū)分為 : 直角坐標(biāo)式 機(jī)器人，極 （ 球） 坐標(biāo)式機(jī)器人，圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人和關(guān)節(jié)式機(jī)器人，另外 還有少數(shù)復(fù)雜的機(jī)器。人是采用以上方式組合的組合式機(jī)器人。1.3.3 按機(jī)器人的負(fù)荷和工作范圍分類按照這種分類方法，工業(yè)機(jī)器人分為 :超大型機(jī)器人一負(fù)荷為10KN以上。大型機(jī)器人一負(fù)荷1-10KN，工作空間為1 10m以上。 中型機(jī)器人一負(fù)荷為100-1000N。工作空間為0.1 1 m超小型機(jī)器人負(fù)荷小于56小型機(jī)器人負(fù)荷為l-100N ，工作空間為 0.1 m#1N ,工作空間為 0.1 m#以上所謂機(jī)器人的“負(fù)荷”是指

13、在機(jī)器人的規(guī)定性能條件下，機(jī)器人所能搬移的重量中包括了機(jī)器人末端執(zhí)行器的重量1.3.4 按機(jī)器人具有的運(yùn)動(dòng)自由度數(shù)分類機(jī)器人的自由度數(shù)的定義是 : 操作機(jī)各運(yùn)動(dòng)部件獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目之和。 這種運(yùn)動(dòng)只有兩種形態(tài) : 直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)， 其腕端的任何復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)都 可由這兩種運(yùn)動(dòng)來合成。工業(yè)機(jī)器人的自由度數(shù)。一般為 27 個(gè)，簡易型 的 24個(gè)自由度，復(fù)雜型的 57個(gè)自由度。自由度數(shù)越多， 機(jī)器人的“柔 性”越大，結(jié)構(gòu)和控制也就越復(fù)雜，所以并非越多越好。1.4 本課題研究的主要內(nèi)容（1）確定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)及工作行程。 （2）根據(jù)工件的負(fù)載情況，工作空間以及各個(gè)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)形式對搬運(yùn) 機(jī)器人進(jìn)行整體方案

14、的設(shè)計(jì)；（ 3）對搬運(yùn)機(jī)器人的手爪， ，小臂，大臂，的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，繪制各部分 的結(jié)構(gòu)草圖；（4）由第 2步所給定的條件和第 3 步的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)并確 定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式和傳動(dòng)方式；（5）對各結(jié)構(gòu)的質(zhì)量進(jìn)行粗估，完成對手爪的夾緊氣缸，小臂、大臂 絲杠的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以及腰部、腕部的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的計(jì)算選型；（ 6）根據(jù)電機(jī)的外形尺寸及輸出軸軸徑，以及電機(jī)的重量完善結(jié)構(gòu)草 圖。（7）通過以確定的結(jié)構(gòu)的質(zhì)量的分析，驗(yàn)算重要零件的受力情況，繪 制最終裝配圖。#第二章總體設(shè)計(jì)方案確定2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由下列互相作用的部分組成：機(jī)械手、環(huán)境、任 務(wù)。機(jī)械手是由具有傳動(dòng)執(zhí)行裝置的機(jī)械，

15、它由臂，關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行裝置 構(gòu)成，組合為一個(gè)互相連接，互相依賴的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。機(jī)械手用于執(zhí)行指定 的作業(yè)任務(wù)。工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器是安裝在腕端的附加裝置。機(jī)器人的手部可分為夾持式和吸附式兩大類。夾持式的是指型手，夾 持方式有外夾式和內(nèi)撐式之分，吸附式的分為空氣負(fù)壓式和電磁式兩種，任務(wù)是指機(jī)器人要完成的工作。機(jī)器人的類型是隨著工作任務(wù)的特點(diǎn) 而決定的。例如：SCARAB器人就非常適合平面上的工件的抓取。環(huán)境是指機(jī)器人所處的周圍環(huán)境。 環(huán)境不僅由幾何條件（可達(dá)空間）所決 定，而且由環(huán)境和它所包含的每一個(gè)事物的全部自然特性所決定。2.2基本設(shè)計(jì)參數(shù)根據(jù)次機(jī)械手的應(yīng)用場合和實(shí)地的應(yīng)用要求，其主要的設(shè)計(jì)參

16、數(shù)要求如下：（1）抓取的重物：2kg；（2）機(jī)械手的自由度數(shù)：4個(gè)；(3)運(yùn)動(dòng)參數(shù)：大臂升降：線速度：0.02 m ；小臂伸縮：線速度：0.02 m ；手腕俯仰：角速度：3.14 叫；腰部旋轉(zhuǎn)：角速度：3.14rad/s ；運(yùn)動(dòng)行程：大臂升降：300mm小臂伸縮：300mm 腰部旋轉(zhuǎn)：_ 90手腕俯仰:-902.3工作空間分析2.4傳動(dòng)方案的確定2.4.1傳動(dòng)方案分析<1>方案1：45671大臂電機(jī)2減謹(jǐn)器3大瞽回轉(zhuǎn)軸4大臂5減速器6小臂電機(jī)7 小臂8同歩齒形帶9導(dǎo)向桿10升障滑塊11手爪圖2-2 傳動(dòng)方案一第一、二、自由度均采用伺服電機(jī)加減速器的結(jié)構(gòu)形式。大臂的驅(qū)動(dòng) 電機(jī)和大臂的

17、回轉(zhuǎn)軸共線。小臂的傳動(dòng)方案與大臂的傳動(dòng)方案相同，這樣 雖然結(jié)構(gòu)上較為簡單，但對大臂產(chǎn)生了一定的附加彎矩，對工件的抓取精 度產(chǎn)生了一定的不利影響，并且對轉(zhuǎn)矩的計(jì)算也會(huì)較為麻煩。第三個(gè)自由 度，即就是升降機(jī)構(gòu)采用電機(jī)步進(jìn)電機(jī)加同步齒形帶的傳動(dòng)方案。同步齒形帶具有傳動(dòng)精度高，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)比恒定等特點(diǎn)。但對安裝的精度要 求較高，負(fù)載能力也很有限，并且不能實(shí)現(xiàn)反向自鎖，需要另加斷電保護(hù) 裝置。手爪的結(jié)構(gòu)采用較為簡單的氣動(dòng)控制直線運(yùn)動(dòng)的手爪。1大臂電機(jī)2減速器3大普回轉(zhuǎn)軸4大臂5減速器6小臂電機(jī)7 小臂B電機(jī)9減速器10升降滑動(dòng)絲杠11氣缸空手爪圖2-3 傳動(dòng)方案二第一、二自由度均采用交流伺服電機(jī)加減速

18、器的驅(qū)動(dòng)模式，故此結(jié)構(gòu) 可以較為簡單。電機(jī)軸和小臂的關(guān)節(jié)軸是同一方向的。這是在充分考慮到 小臂的驅(qū)動(dòng)電機(jī)對大臂所產(chǎn)生的附加彎矩的條件下，對大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特 別做了加強(qiáng)處理。第三個(gè)自由度為絲杠螺母的升降運(yùn)動(dòng)，采用的傳動(dòng)方式 是電機(jī)軸經(jīng)過一級齒輪減速，再驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)絲杠，利用滑動(dòng)絲杠的大減速比 的特點(diǎn)，達(dá)到控制上升的速度不至于過快。同時(shí)，選擇單頭的滑動(dòng)絲杠具 有很好的自鎖性能，從而在系統(tǒng)突然斷電的情況下，不致使此自由度方向 上發(fā)生運(yùn)動(dòng)，從而保證了結(jié)構(gòu)的安全。第四自由度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)也是采用電機(jī) 加諧波減速器的結(jié)構(gòu)形式。手爪采用目前廣泛采用的，而且技術(shù)成熟的連 桿導(dǎo)桿式氣動(dòng)機(jī)械手，這一機(jī)械手的造價(jià)低廉，結(jié)構(gòu)簡

19、單，針對此處所抓 取的工件的特點(diǎn)是不易變形的金屬工件，所以對夾緊力的要求不是太高， 故采用氣動(dòng)機(jī)械手爪完全可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。<3>萬案二:1大臂電機(jī)2減速器8大臂回轉(zhuǎn)軸4電機(jī)5減速器呂同步齒形帶 7大臂3小臂關(guān)節(jié)固定楓構(gòu)9帶輪10小臂11電機(jī)12減速器 13滾珠絲杠14氣缸15手爪圖2-4 傳動(dòng)方案三如圖2-4所示，第一自由度采用步進(jìn)電機(jī)加減速裝置的傳動(dòng)模式。大臂與回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)之間采用諧波減速器傳遞動(dòng)力。小臂的驅(qū)動(dòng)電機(jī)考慮到它的重 量會(huì)對大臂造成較大的附加彎矩，則把小臂的驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在大臂的回轉(zhuǎn) 軸的軸線方向，電機(jī)輸出軸與小臂的回轉(zhuǎn)軸之間通過同步齒形帶相連接， 保證了小臂回轉(zhuǎn)的精度。但

20、這樣就使得小臂的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)很復(fù)雜，有多段承 受彎矩的軸，并且電機(jī)軸也承受了一定的彎矩。第三個(gè)自由度采用滾珠絲 杠并配以電機(jī)加減速器驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)方案，這是利用了滾珠絲杠的傳動(dòng)精度 高，并且是把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，而不需要中間環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)化，結(jié)構(gòu) 簡單。但滾珠絲杠必須附加自鎖裝置以確保能夠做到斷電保護(hù)。滾珠絲杠 的造價(jià)較高，重量也較重，因此在滾珠絲杠的材料選擇方面要求加工材料 要較輕。并且滾珠絲杠需要電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩也較大，自身的減速比較小。 機(jī)器人的手爪部分仍然采用較為常用的氣缸配合連桿式氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié) 構(gòu)，其作用與方案一所述的相同。242伺服驅(qū)動(dòng)與步進(jìn)驅(qū)動(dòng)的比較1）低頻特性不同歨進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)容易出

21、現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象，振動(dòng)的頻率與負(fù)載情況以及 與驅(qū)動(dòng)器的性能有關(guān)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速的時(shí)候一般還應(yīng)采取阻尼技 術(shù)來克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不 會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。2）矩頻特性不同不進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速的升高而降低，而且在較高的轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇 下降所以其最高的工作轉(zhuǎn)速在300600 r min。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出 即使在額定轉(zhuǎn)速以內(nèi)都能輸出額定的轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。3）過載能力不同不僅電機(jī)一般不具有過載能力，交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力比進(jìn) 電機(jī)因?yàn)闆]有這種過載能力，為了克服啟動(dòng)時(shí)較大的慣性力矩，往往要選 取具有較大靜轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，而機(jī)器人正常工作

22、時(shí)又不需要這么大的轉(zhuǎn)矩， 所以便出現(xiàn)了力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。4）運(yùn)行性能不同步進(jìn)電機(jī)的控制一般為開環(huán)控制，速度過快或負(fù)載過大都會(huì)出現(xiàn)失轉(zhuǎn)或 堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。交流伺服電機(jī)為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可以直接對電動(dòng) 機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，在內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，能避免失步或 過沖現(xiàn)象。綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，所以在一 些對位置和速度要求較高的場合，采用交流伺服系統(tǒng)的優(yōu)勢更為明顯。此 次的搬運(yùn)機(jī)器人隊(duì)工件的抓取，對其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求就是要能夠較為準(zhǔn)確 的完成對位置和速度的控制，這樣選取交流伺服電機(jī)就能夠很好的滿足這 一點(diǎn)。通過對上面的方案的比較，綜合分析后我認(rèn)為方案二有更多的優(yōu)

23、勢， 而且結(jié)構(gòu)合理，能夠比較好的完成本次的輸送線出貨臺(tái)的物料搬運(yùn)工作。 故此次方案二作為本次設(shè)計(jì)的最終設(shè)計(jì)方案。第三章 搬運(yùn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(1) 底座如圖所示：電機(jī)和諧波減速器通過連軸套筒相連，諧波減速器的輸出 軸和大臂的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸直接相連。外殼的材料采用45鋼底座的軸承采用角 接觸軸承，使利用了它既能承受軸向力也能承受一定的徑向里的特點(diǎn)。電 機(jī)和減速器通過外殼內(nèi)部的凸臺(tái)進(jìn)行安裝，這樣使得結(jié)構(gòu)簡單，加工和安裝方便。里面部件的材料采用鋁合金，位于底部的電機(jī)通過諧波減速器的減 速對頂端軸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而帶動(dòng)了大臂回轉(zhuǎn)軸和大臂一起轉(zhuǎn)動(dòng)，需要注意(2) 傳動(dòng)裝置傳動(dòng)的

24、主要方式是采用交流伺服電機(jī)加減速器的傳動(dòng)模式，大臂的軸 承選擇的是角接觸軸承，用此來承受較大的負(fù)載產(chǎn)生的彎矩，避免了減速 器的輸出軸，以及電機(jī)軸承受附加載荷，從而保護(hù)了減速器和電機(jī)。大臂的長度盡可能的做的短一些，這樣會(huì)在整體結(jié)構(gòu)簡單的情況下將小臂回轉(zhuǎn) 關(guān)節(jié)的電機(jī)自身重量和減速器的重量極可能多得通過殼體傳遞到地面，另 外對大臂的設(shè)計(jì)也采用了增加強(qiáng)度的處理，從而盡可能電機(jī)和減速器所產(chǎn) 生的附加彎矩對機(jī)構(gòu)的影響。小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)采用了電機(jī)減速后直接驅(qū)動(dòng)小 臂關(guān)節(jié)軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)小臂旋轉(zhuǎn)，這里大、小臂的運(yùn)動(dòng)具有獨(dú)立性的特 點(diǎn)。（3）升降機(jī)構(gòu)此處機(jī)械手的升降機(jī)構(gòu)是采用電機(jī)加一級齒輪減速，傳遞動(dòng)力給滑動(dòng)絲杠，

25、利用滑動(dòng)絲杠的大的降速比來完成夾持工件的機(jī)械手上下移動(dòng)，這 樣可以把電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成絲杠螺母的上下移動(dòng)，并且整體結(jié)構(gòu)較為 簡單。同時(shí)考慮滑動(dòng)絲杠的原因也是利用了滑動(dòng)絲杠的反向自鎖的特性， 從而實(shí)現(xiàn)了斷電保護(hù)。在滑動(dòng)絲杠的外螺母上連接導(dǎo)向桿，這樣可以對螺 母起到導(dǎo)向的作用，同時(shí)可以減少負(fù)載產(chǎn)生的附加彎矩對滑動(dòng)絲杠的影響， 進(jìn)一步挺高了機(jī)械手抓取時(shí)的抓取精度。（4）旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)如圖所示，此處的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要是利用步進(jìn)電機(jī)利用鍵連接來驅(qū)動(dòng)機(jī) 械手進(jìn)行旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)抓取工件位姿的調(diào)整，這里是考慮到機(jī)械手在抓取工 件時(shí)所需要的位姿來進(jìn)行設(shè)計(jì)的，使得機(jī)械手 的手爪更方便有效的完成工件的抓取。3.2氣動(dòng)手爪的選型

26、計(jì)算機(jī)械手爪受力分析：（如圖3-3） P:機(jī)械夾持器軸向施加的作用力； e：夾持器活塞中心至手指支點(diǎn)的距離； R:支點(diǎn)銷軸的半徑；：中間連桿對手指的壓力角；:摩擦角；J :構(gòu)件間的摩擦系數(shù)；角度條件：:一；2尺寸條件：a e； a ： e二丨'如圖3-2所示，設(shè)力P的方向與中間 連桿之間的夾角為一：，作用在中間連桿上 的分力為F，P/2=Fcos： +si n 1（3.1）圖3-2則作用在連趕上的分力F可以用下面P1的式子來表示：F=2 cosE + Psi n P（3.2）設(shè)中間連桿與手指之間的夾角，即壓力角圖3-2手爪結(jié)構(gòu)為,，手指支點(diǎn)的反力為R,手指支點(diǎn)軸的半徑為r，連接銷與手指

27、支點(diǎn)的距離為丨。手指支點(diǎn)到指尖的距離為丨.則根 據(jù)繞手指支點(diǎn)的力矩平衡關(guān)系可得到下式：IQ -|' Feos'-七 in - ZR = 0（ 3.3）其中R可根據(jù)下式求得：R F2 Q2 2FQCOS* （3.4）則將（3.2）（ 3.3 ）代入（3.4 ）中可得如下式子:(3.5)二，并且注意到q _ I P(cos-sin'-)rR2l (cos，亠 I sin ：) l由于 'rR很小，可以忽略。設(shè)手指與手部中心線夾角為（/2 - -）+'=二，可由此改寫為' - -"： /2 - r，則（3.5）式子最終可以改寫成:l PQ (

28、tg(；：os s i 北(3.6)2l圖3-3手爪受力分析則最終得到活塞桿的輸出力 P與夾緊力Q之間的關(guān)系為:P=2IQl (tg()cos寸 sin 寸)(3.7)18由于工件夾緊時(shí)手指所處的位置，設(shè)手指夾緊部分的摩擦系數(shù)為f =0.5。則 可得到fQ二G/2，由已知得到工件重 4kg則可推得Q=40N。2lQ由此時(shí)手爪所處的位置可得到：宀=0 由此（3.7）式子可以簡化為：(3.8)#測得一5，又知道一15，則wf 帶入（3.8）式則得到：P=2 131 40=231.2N78.5 Xj33.3手爪驅(qū)動(dòng)氣缸設(shè)計(jì)計(jì)算手指的理論驅(qū)動(dòng)力為P,選用驅(qū)動(dòng)氣缸時(shí)應(yīng)考慮手指與回轉(zhuǎn)軸之間的摩 擦以及氣缸

29、的活塞與缸壁之間的摩擦。因?yàn)榛剞D(zhuǎn)軸處的效率較低，從工作 的安全和動(dòng)作的可靠性考慮，所取手指的驅(qū)動(dòng)力為N=5P=1156N。由氣缸的輸出力計(jì)算公式：N= D2P 10上（3.9）4其中：F：氣缸的理論輸出力（kgf）D：氣缸的缸徑（mm）P： 工作壓力（kgf/cm2）氣缸的效率一般為85%，則由（3.9）公式可得到氣缸的缸徑為：-.0.851045560.85 3.14 9.8 0.5 忖=58.86mm。#9.8 104根據(jù)氣缸的選型表可以選擇的氣缸內(nèi)徑為 63mm。由氣缸氣的選型手冊可選 LG系列氣缸。主要的技術(shù)參數(shù)為：氣缸內(nèi)徑 63mm,最大行程800mm,工 作壓力范圍0.049 0.

30、98MPa，耐壓力1.47MPa，不需要給油。緩沖行程 20mm，選擇FB后法蘭盤結(jié)構(gòu)。根據(jù)所選擇的氣缸，并計(jì)算出在 0.5 MPa下的實(shí)際輸出力F是否滿足手指 的驅(qū)動(dòng)力的要求。在 P=0.5MPa的壓力下實(shí)際輸出力0.85 3.1441026320.5 106=13232故此結(jié)果滿足要求3.4進(jìn)給絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算:當(dāng)機(jī)械手爪抓起工件時(shí)，絲杠的負(fù)載就由以下幾個(gè)部分組成： 工件，手 爪，驅(qū)動(dòng)氣缸，手爪與氣缸的連接套筒，俯仰電機(jī)，減速器，絲杠套杯與 L 型支架等組成。它們的重量可以做以下粗估：工件 40N,手爪20 N，驅(qū)動(dòng)氣缸20N, 手爪與氣缸的連接套筒20N，俯仰電機(jī)55N，減速器5N，絲杠套

31、杯與L 型支架40N等組成。考慮到實(shí)際的影響因素，可以估計(jì)出絲杠的真實(shí)負(fù)載 約為 F=230N。考慮到先前方案分析是提到的絲杠要求反向自鎖的特點(diǎn)， 先根據(jù)其負(fù)載 情況粗選滑動(dòng)絲杠的類型為單頭梯形絲杠。 大徑d1 =39mm，中徑d2 =27mm， 小徑d3 =23mm,螺距P=6mm。螺桿材料為45鋼，螺母的材料為 ZCuSn5Pb5Zn5,高度 H=600mm。對所選的絲杠進(jìn)行驗(yàn)算：(1) 絲杠螺桿的耐磨性驗(yàn)算：因?yàn)楣ぷ鲏簭?qiáng)P=F/(二d2 Hin),式子當(dāng)中，H1 =0.5P=0.5 6=3mm， 而 n=H/P=600/6 = 100mm。帶 入上式 得:P=160=0.0063N/伽2

32、 ,并且考慮到螺桿升降速度 < 0.04m/s,3.14 漢 27 漢 3 漢100并且不是連續(xù)工作PP=10N/mm 2。可見P< PP。滿足耐磨性要求。(2) 螺紋強(qiáng)度校核：根據(jù)螺母材料查表，取 p=35 N/伽2， c bp =50 N/mm 2。由螺紋剪切強(qiáng)度公式=檢驗(yàn)。式子中：b=0.65P=0.65 X 6=3.9 m兀D4b nD4=d1+2ac d=40 m.所以.=1603.14 40 3.9 100=0.00327 N/ m螺紋的彎曲應(yīng)力二 3FH1 二3疋 160漢3二D4b2n 3.14 X40 X3.92 100=0.0075 N/ m 22021則滿足：

33、P< Pp， p，二b <二bp。螺紋的強(qiáng)度足夠。#（3）自鎖性驗(yàn)證：因?yàn)槭菃晤^螺紋，故導(dǎo)程 S=P=6伽,所以螺紋升角 =arctgS二 d2=arctg63.14 27由表面的鋼對青銅的摩擦系數(shù)=4.05。f=0.080.10,此處可以針對此范圍取到22#f=0.10，得=arctg f =arctg 0.10 = 5.75cos(a / 2)cos7所以 ,故可自鎖3.5驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型計(jì)算3.5.1手爪旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選型計(jì)算根據(jù)慣性匹配公式，折算到伺服電機(jī)上的全部負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J L由公式可知：JLkJh)2 ： mi( i)2kg m2 其中:Jh :各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg

34、m 氣缸關(guān)于電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J4 = s 4 0.052 =0.005kg m則總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：Jh = J1 +J2 + J3 + J4 =0.005+0.01+0.04+0.005=0.06kg m 2。并考慮到連桿和減速器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，則可擴(kuò)大使Jh =0.07 kg m 2。）； i ：各旋轉(zhuǎn)件的角速度（rad /s）;-:伺服電機(jī)的角速度（rad /s）;mi各直線運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量（kg）；Vi各直線運(yùn)動(dòng)件的速度（m/s）;1）根據(jù)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，可以把工件看成是一個(gè)繞電機(jī)軸的軸線旋轉(zhuǎn)的圓柱體模型，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J1m1r12 = - 4 0.052=0.005kg m 2。2 22 22 0

35、.1 =0.01kg m 。手爪關(guān)于電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量同理得J2 =丄1 2 2J3=2 0.2 =0.04kg m 。2一2氣缸手爪連接套筒關(guān)于電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量2又由折算公式：Jl - ' Jh()二.mi() kg m 來計(jì)算 Jl。根據(jù)ki初始的條件：-h=3.1 rad / s，所具有的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為310rad /s。從而可以確定所用到的諧波減速器的減速比為 i =100。由機(jī)構(gòu)本身的特點(diǎn)可知：3 1mi =0， «=0。帶入折算公式，則得 JL =0.07() 2=0.07 10* kg m 2。又1 iL310根據(jù)0.25 ：厶：1，由此可以從MINAS 系列電機(jī)的型

36、號(hào)表中選出電機(jī)的J M2轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm =0.20 10鼻kg m 。由此得總的折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jr= JL +JM =0.20 10+0.07 10=0.27 10* kg m2。2)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩計(jì)算：電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩可以用快速空載起動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算T =Tamax Tf T -TmaxN m式中，Tamax 空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速轉(zhuǎn)矩；Tf 折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；T。一由于絲杠預(yù)緊引起的附加轉(zhuǎn)矩；Tm a 伺服電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的最大值；由此又由公式2 二 n maxJ60tTamax其中，nmax 最大快速移動(dòng)時(shí)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速;t系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)；n max J r可得到 Tamax=

37、60t=2 3.14 5000 0.27 10=0.71N m。60 0.02摩擦力矩主要是由軸承的運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦力所形成，記Tf =0. 2N m此處沒有涉及到絲杠預(yù)緊，所以 T，0N m又Tmax = E = 1.8人（交流伺服電機(jī)丸=8 ），九：為電機(jī)的過載系數(shù)。所以 T = Ta max T，N m，即一 仏 上二 O" 0.2 =0.51N m。1.8 1.8至此我們可以選出的電機(jī)型號(hào)為MINAS系列的電機(jī)，其額定功率為0.2KW，額定轉(zhuǎn)矩為0.64N，最大靜轉(zhuǎn)矩為1.91N m>Tr=0.51N m。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 0.20 10*kg m2，額定轉(zhuǎn)速為3000

38、 r min，最高轉(zhuǎn)速為5000 rmin，質(zhì)量為1.5kg。電機(jī)輸出軸直徑為11mm。3.5.2滑動(dòng)絲杠驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型計(jì)算1）負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算由折算公式：Jl 八 Jh( h)2' mi( i)2kg m2可得:k國i國h 2h 2|22J l =J絲杠（）J齒輪減速器（）m移動(dòng)部件（）kg mcococo1 213233 2232J絲杠 = mr = - 5.6 10 二（10 ）0.65 0.0115 71 10 kg m2 2 2則 J絲杠（d）2 =0.1 10” （31）0.1 10*kg m2。 一尬312.5我們記齒輪減速器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J齒輪減速器則J齒輪減速器=1

39、*。齒輪減速器的齒輪采用雙葉片式，模數(shù)m =2mm，齒輪1的分度圓直徑為d1 =40mm，齒輪2的分度圓直徑為d2 =120mm。由此我們可得齒輪1轉(zhuǎn)JT41動(dòng)慣量 J1 二 TP1=3.147.85 1030.034 0.044 = 6.7 10kgm23232J2 l2d24=3.147.851030.030.124=4.8 1Okg m22322 232則 J齒輪減速器=J1 J2 = 4.867 10"kg m2對于此處的雙頁片齒輪減速器，各部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：J齒輪）2 =6.7 10佃7 10驚尸九15 10% 亦。m移動(dòng)部件m工件+ m手爪+ m氣缸

40、+ m汽缸手爪連接套筒+ m旋轉(zhuǎn)電機(jī)+ m連接支架=4kg+2kg+2kg+2kg+2kg+4kg=16kg。m移動(dòng)部件（V）2 = 16（仝04）2 = 0.262 10kg m2可得總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量尬312.5Jl = 0.1 10占 1.15 10° 0.327 101.17 10*kg m2。根據(jù)伺服電機(jī)的慣量匹配原則：0.25 ：出：1可以粗選電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Jm =2.84 10*J Mkg m2 （帶制動(dòng)器）。則總的折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：Jr = （ 1.17+2.84） 10=4.01 10% m2。2）伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩計(jì)算：電機(jī)所需要的轉(zhuǎn)矩可以用快速空載起動(dòng)轉(zhuǎn)矩來計(jì)

41、算，由此得到T 二Tamax Tf T 汀maxN m。2 二n max Jr2 3.14 5000 4.01 10*其中Tamax =一 -=4.19N m （取加速度60t600.05時(shí)間為0.05s）。空 160 °.5 0.0°6 =0.0095n m （此處取阻尼系數(shù) f = 0.5） 2二 i 2 3.14 0.8 10此處沒有涉及到絲杠預(yù)緊，所以T0N m又 Tmax = 'Tr =1.8Tr （交流伺服電機(jī)'=1.8 ）所以 T = Tamax T ' Tr N m ,T 亠T即就是一乙4.19 0.00951.8= 2.33N25#

42、至此所選擇的電機(jī)的額定功率為1.5KW，額定轉(zhuǎn)矩為4.77N m，最大#轉(zhuǎn)矩為14.3 N m，電機(jī)慣量為2.84 10 kg m 2 （帶制動(dòng)器），額定轉(zhuǎn)速 為3000r min，最高轉(zhuǎn)速為5000 rmin，重量為6.5kg，電機(jī)輸出軸直徑為 19mm。3.5.3小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型計(jì)算1）對小臂的負(fù)載進(jìn)行估算：工件 40N，手爪20 N，旋轉(zhuǎn)電機(jī)重15 N， 氣缸手爪連接套筒20 N,諧波減速器5 N,支架40 N,絲杠25 N,減速齒 輪5 N,絲杠驅(qū)動(dòng)電機(jī)65 N,箱體30 N,小臂30 N。根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的平行 移軸定理J =7 （丄口山2 mjdj2），對各個(gè)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別進(jìn)行分

43、析。i 21 2 2 2J 工牛二 沐 4 0.14 0.5 = 1.02kg m21 2 2 2J 手爪 20.15220.5 = 0.50225kgm22J 氣缸二丄 20.03220.5 0.5kg m221 2 2 2 2J 連接套筒2 （0.09 -0.06 ）2 0.50.5kg m21 2 2 2J減速器0.5 0.060.5 0.5= 0.126kg m21 2,2 2J旋轉(zhuǎn)電機(jī)1.5 0.251.5 0.5 = 0.422kg m21 2 2 2J支架 4 0.124 0.5 1.02kg m21 2 2 2J絲杠 2.5 0.011522.5 0.18 = 0.081kg

44、m2一 212 2 2J 齒輪減速器0.5 0.060.5 0.18 = 0.09kg m21J 絲杠電機(jī)6.5 0.56.5 0.25 -1.22kg m絲21 2,2 2J 箱體 3 0.23 0.2 = 0.18kg m2J小臂 1 3 0.2520.03 6 0.252 = 0.376kg m212則Jh =1.02+0.5+1+0.126+0.422+1.02+0.081+0.09+1.22+0.18+0.376=6.6kg m2則根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算公式：Jl =為Jh（-）2mi（VL）2kg m2k國i國2 1Jl =6.67 （）2 =6.78 10% m2208.3根據(jù)伺服電機(jī)

45、的慣量匹配原則：0.25 ：比1可以粗選電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J MJM =16.7 10° kg m 2 （帶制動(dòng)器）。則總的折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：Jr=（ 16.7+6.78）10* = 23.48 10% m2。2）小臂伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩計(jì)算：電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩用快速空載起動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算，得T二Tamax "f 豈m 其中 Tamax=xA=2 站4 3000 23*48 10'=3.69N m （加速度時(shí)間60t60 匯 0.20.2s）。摩擦力矩主要是由軸承的運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦力所形成，記為Tf=0.2N m。此處沒有涉及到預(yù)緊，所以=0Nm又由TmaxTr = 1.8（

46、交流伺服電機(jī) 一1.8）所以 T - Ta max T TN m，即 Tr _ T_I =空汙N =2.16N m。1.8 1.8至此所選擇的電機(jī)的額定功率為 2KW，額定轉(zhuǎn)矩9.54N m，最大轉(zhuǎn)矩為28.5 N m，電機(jī)慣量為16.7"0，kg m 2 （帶制動(dòng)器），額定轉(zhuǎn)速為2000人和， 最高轉(zhuǎn)速為3000人和，重量為12.5kg，電機(jī)輸出軸直徑為22mm。小臂的諧波減速器的生產(chǎn)廠家是陜西蔡家坡渭河工具廠生產(chǎn)。型號(hào)選擇為XBW 32107 &輸入轉(zhuǎn)速3000r,min，輸出轉(zhuǎn)矩 6N m，傳動(dòng)比為107。質(zhì)量為0.5kg。3.5.4大臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型計(jì)算:1) : m

47、小臂電機(jī)=12.5kg， m減速器=0.5kg， m大臂"Okg， m支架=0.5kg。小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)關(guān)于大臂驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量12.5 0.0752+12.5 0.32=1.16kg m 2。1 2 2 1 J1mir1m1d1 =2 2同理可得小臂減速器關(guān)于大臂驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:J2 = 1 0.5 0.032 +0.5 0.32 =0.045kg m22小臂負(fù)載關(guān)于大臂驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J3 二 6.67+31.5 0.32=9.51kg m2大臂關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：1 2 2J410 0.082=0.032kg m 2由此可得到總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 Jh =1.16 0.045 9.51

48、 0.032 = 10.75kg m2由折算公式：Jl =為Jh(4)2mi(Vl)2kg m2可得折算到電機(jī)軸上的各ki個(gè)負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Jl =10.75 (丄5 )2 =5.57 10kgm2。根據(jù)伺服電機(jī) 208.3的慣量匹配原則：0.25 ：蟲：1,可以粗選電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Jm =21.1 10, J Mkg m (帶制動(dòng)器)。則總的折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：Jr = (21.1+5.57)a_4210 =26.67 10 kg m。2) 大臂伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩計(jì)算：電機(jī)所需要的轉(zhuǎn)矩可以用快速空載起動(dòng)轉(zhuǎn)矩來計(jì)算，由此得到T Ta max T f T 一 Tmax N m。其中Tamax

49、maxJr60t42x3.14x3000x26.67x1060 0.5=1.67N m （加速度時(shí)間為0.5s）摩擦力矩主要是由軸承的運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦力所形成，記Tf=0.5N m。此處由于沒有涉及到預(yù)緊，所以T，0N m 0又 TmaxTr = 1.8T（交流伺服電機(jī)'=1.8 ）所以 T = Ta max T Tr N m ,T a max + Tf1.67+0.5即就是Tr-1.21 N m 01.8 1.8至此所選擇的電機(jī)的額定功率為 3KW，額定轉(zhuǎn)矩14.3N m，最大轉(zhuǎn)矩 為42.9 N m，電機(jī)慣量為21.1 10° kg m2 （帶制動(dòng)器），額定轉(zhuǎn)速為 200

50、0p/in，最高轉(zhuǎn)速為3000人命，重量為14.7kg，電機(jī)輸出軸直徑為 24mm。大臂的諧波減速器選型為 XBW 80134120,傳動(dòng)比為134,輸入轉(zhuǎn) 速蘭3000/in。輸出轉(zhuǎn)矩120N m，質(zhì)量為10kg，效率為70%80%。3.6手臂強(qiáng)度校核大小臂主要承受來自臂體自身及臂端部件重量載荷，即臂體要承受均 勻載荷和突加載荷。由材料力學(xué)知識(shí)知道彎矩最大處發(fā)生在左端截面處，由重力產(chǎn)生彎矩M =也2突加載荷產(chǎn)生的彎矩M2二PI故左端最大彎矩M二ql PI2為計(jì)算簡便將兩臂近似看作等截面長方體。則大小臂必須滿足彎曲正 應(yīng)力的強(qiáng)度條件:矩形截面積:max< 口 bh2鋁合金材料拉壓強(qiáng)度二鋁

51、合金=310MPaQ235材料拉壓強(qiáng)度匚q235 =160MPa大小臂膠合過程如下：(1)大臂強(qiáng)度校核m小臂電機(jī)=12.5kg， m減速器=0.5kg， m大臂=10kg， m支架=0.5kg。大臂受力情況 q=333%，P=440N ,丨=0.3m,b = 0.07m,h = 0.09m 則Wz 二bh220.07 0.09653= 9.45 10 mqlPl333 0.322440 0.3 =147N m32#%亠弘忌沆/沁牛Q2所以大臂滿足強(qiáng)度要求。(2)小臂強(qiáng)度校核工件40N,手爪20 N，旋轉(zhuǎn)電機(jī)重15 N，氣缸手爪連 接套筒20 N，諧波減速器5 N，支架40 N，絲杠25 N，減

52、速齒輪5 N，絲 杠驅(qū)動(dòng)電機(jī)65 N，箱體30 N，小臂30 N。小臂受力情況 q =60N，P = 285N ,丨=0.5mm,b =0.05mm,h = 0.07mmbh22-53= 4.08 10 m0.05 0.076qlPl260 0.52285 0.5 =150N m#川°4.08 忻 ”68MPa一二鋁合金第四章 搬運(yùn)機(jī)器人的控制系統(tǒng)334.1機(jī)器人控制系統(tǒng)分類1. 程序控制系統(tǒng)：給每一個(gè)自由度施加一定規(guī)律的控制作用，機(jī)器人 就可實(shí)現(xiàn)要求的空間軌跡。2. 自適應(yīng)控制系統(tǒng)：當(dāng)外界條件變化時(shí)，為保證所要求的品質(zhì)或?yàn)榱?隨著經(jīng)驗(yàn)的積累而自行改善控制品質(zhì)，其過程是基于操作機(jī)的狀

53、態(tài)和伺服 誤差的觀察，再調(diào)整非線性模型的參數(shù)，一直到誤差消失為止。這種系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)和參數(shù)能隨時(shí)間和條件自動(dòng)改變。3. 人工智能系統(tǒng)：事先無法編制運(yùn)動(dòng)程序，而是要求在運(yùn)動(dòng)過程中根 據(jù)所獲得的周圍狀態(tài)信息，實(shí)時(shí)確定控制作用。4 機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機(jī)器人控制系統(tǒng)按其控制方式可分為兩類：1）集中控制方式：用一臺(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)全部控制功能，結(jié)構(gòu)簡單，成本 低，但實(shí)時(shí)性差，難以擴(kuò)展，其構(gòu)成框圖如圖所示。圖4-1集中控制方式2）主從控制方式：采用主、從兩級處理器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全部控制功能/記數(shù)器A-ft fewin昧沖1生t11 一3：!I'二圾控制圖4-2 主從控制方式主CPU實(shí)現(xiàn)管理、坐標(biāo)變換、軌跡生成

54、和系統(tǒng)自診斷等；從 CPU實(shí)現(xiàn)所 有關(guān)節(jié)的動(dòng)作控制。其構(gòu)成框圖如圖 3所示。主從控制方式系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較 好，適于高精度、高速度控制，但其系統(tǒng)擴(kuò)展性較差，維修困難。4.2控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)4.2.1控制系統(tǒng)方案分析控制系統(tǒng)通常是指在復(fù)雜的條件下，將預(yù)定的控制目標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)槠谕?機(jī)械運(yùn)動(dòng)。控制系統(tǒng)使被控機(jī)械實(shí)現(xiàn)精確的位置控制、速度控制、加速度 控制、轉(zhuǎn)矩或力的控制，以及這些被控機(jī)械量的精確綜合控制。搬運(yùn)機(jī)器人的手部、小臂、大臂的動(dòng)作都是通過控制系統(tǒng)來控制的， 所以控制系統(tǒng)是搬運(yùn)機(jī)器人的重要組成部分，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對于機(jī)器人 的總體設(shè)計(jì)而言至關(guān)重要。目前，搬運(yùn)機(jī)器人的控制方式大多采用可編程 序的點(diǎn)位控制(

55、PTP)方式，而在各種控制方式中，可編程序控制器(PLC)因其通用性好、編程方便、成本較低、易于設(shè)計(jì)和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)而被廣為使用， 它完全可以取代繼電器控制柜，而且可以實(shí)現(xiàn)比繼電器功能強(qiáng)得多的控制 功能。4.2.2控制系統(tǒng)特點(diǎn)1. 編程方法簡單 可編程控制器的梯形圖語言程序一般采用順序控制設(shè)計(jì)方法。這種編程方法很有規(guī)律，容易掌握。對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)梯形圖語言程序 和調(diào)試程序比設(shè)計(jì)和調(diào)試?yán)^電器控制系統(tǒng)所花的時(shí)間要少得多。 2控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，通用性強(qiáng)盡管現(xiàn)在世界各個(gè)生產(chǎn)可編程控制器的廠家和公司，有著多種品牌和 種類，但其基本結(jié)構(gòu)和工作原理大致相同。配以各種組件就可以靈活的組 成各種規(guī)模和不同要求的控制系統(tǒng)。3抗干擾能力強(qiáng) 可編程控制器采用了一系列硬件和軟件的抗干擾干擾能力措施，如濾 波、隔離、屏蔽、自診斷、自恢復(fù)等，使之具有很淺的抗干擾能力。一般 無故障的時(shí)間數(shù)已