工業機器人的執行機構設計計算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u10921工業機器人的執行機構設計計算案例 1272461.1末端執行機構設計 1278091.2手臂機構的設計 4233451.3腰部和基座設計 61.1末端執行機構設計工業機器人執行末端操作執行運動機構的基本設計主要目的是用于指一種用來進行操縱和移動抓取手持機械工件或運動工具上的內部零件。手部的精確抓握支持對于操作工件的迅速、準確以及其牢靠等級的大小不同程度影響都會直接地最終影響著一個工業機械手在各個方面的具體工作原理特點和使用性能,它也是所有工業機械手中最為重要的和最關鍵一個組成成分部件。1.設計時要注意的問題：a.末端的工件執行傳動機構裝置要求必須具備一個手指足夠大的夾緊承受力,為了同時能做到讓兩個手指同時可以牢靠地直接夾緊一個整體工件,除了必須要同時充分考慮從抓到手指夾持一個整體工件的最大承受力和重力外,還要同時充分考慮從夾到一個整體工件在進行運輸和運送傳遞材料過程的途中的最大移動力和載荷。b.末端的執行器機構內部應該具有一個規定的啟停和閉合。它的大小不但與工件的大小和尺寸相關,還應該特別注意對于手部或者是工件移動的路徑以及其對于方位有著重要的影響。c.應能夠保證工件在末端的執行機構內進行準確的定位。d.該機的結構應盡量緊湊而又重量輕,以利于手腕和胳膊的整體結構設計。e.根據應用條件考慮通用性。2.總體結構設計采用內部設有支撐連桿式的杠桿式液壓夾持器,用小型氣動液壓機械氣缸驅動進行液壓驅動夾緊,其具體結構和工作形式大致表示為下見圖2-4。內撐連桿機構杠桿式液壓夾持器是它是一種整體采用四段式連桿機構方式來進行傳遞的內撐緊力,即就是當一個移動液壓缸1工作時,推動兩個液壓鉗爪2向下向上移動,使兩個液壓鉗爪3向外移動支承并被撐開,從而同時可以帶動一個液壓彈性爪4夾緊一個工件。這種環形夾持傳動裝置大多數部分都被應用在內薄壁孔或帶有薄壁孔的零部件上。圖1.4末端執行器1.液壓油缸的選擇及夾緊力校驗a.初選油缸型號由于我們考慮到所有的需要壓力夾持的都應該是很小的一種液壓薄壁式氣缸零件,最大的氣缸工作壓力負荷很小,因此我們初選的兩種液壓傳動氣缸零件型號一般分別為：Y-HG1-C40/22×25LF2HL1Q,其主要相關技術參數可詳見型號下圖,詳見型號表3-2。表1.2冶金設備標準液壓油技術規格缸徑/mm活塞桿直徑/mm油口直徑速度比通徑/mm聯接螺紋1.46240222810M18x1.5夾緊力校驗1）零件的計算其中g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為焊接機械零件手指與其他焊接工件的靜力和摩擦力矩的關系,工件的焊接材料一般通常為45號鋼,手指通常為工件焊接的專用鋼材,查《機械零件手冊》資料見表如下文附表2-5f=0.15，N為其受力作用在機械零件殼體內壁上的最大壓緊摩擦力,G為機械零件的最大承載力和重力。所以取N=100（N）由《機械制造裝備》式4-60可知驅動力的計算公式為： (3-1) 為斜面傾角，，為傳動機構的效率，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(3-2)D為汽缸的內徑(m)，P為工作壓力（Pa）,由表1.3得負載F/N<50005000～1000010000～2000020000～3000030000～50000>50000工作壓力p/MPa<0.8～11.5～22.5～33～44～5>5～7表1.3負載與工作壓力取p=0.5MPa。由《液壓系統設計》可查得：=0.9～0.95,所以由以上的計算結果我們可得知液壓氣缸能夠產生的推動力F=565N大于夾緊工件時所需推動力P=500N。因此這個液壓缸是能夠達到要求的。4.彈性爪的強度校驗彈性爪的結構形式如圖1.7：圖1.7彈性爪結構圖該種結構采用的是在手爪外側使用一個螺釘將彈簧板的兩端連接固定。例如當一個彈性的手正常工作時,由于其夾緊的過程中具有一定的彈性,就能夠避免容易受到的雜物抓傷,變形及造成的破損。工件與彈簧片間的力：由上節可知F=100N。則彈簧爪截面上的剪應力為[τ]=30MPa，τ=Q/A=故彈性爪滿足強度要求。1.2手臂機構的設計1.手臂的設計要求A、手臂的結構和大小應能夠滿足對于機器人在完成操作任務時所提出的空間和工作位置的要求B、根據機械手臂在工作時所承受的載荷及其結構特性,合理地選用機械手臂橫截面的形狀與其高強度的輕質材料。C、盡量適當減小機械手臂的總承重量和使用相對其他機械關節臂的回轉運動軸的最大旋向轉動慣量和旋向偏轉承重力矩,以有效地盡量減小使用機械手臂驅動器等機械裝置的旋向負荷;盡量減少使用機械手臂運動時的反轉動載荷和旋向沖擊,提高使用機械驅動手臂的旋向運動控制反饋和加速度。D、要想方設法盡量降低由于運動機械軸的間隙而運動導致的各種運動操作誤差,提高其中的運動操作精確度與提高運動機械剛度。采用高速緩沖及自動限位器控制裝置,以大幅提升自動定位器的精準及效率。本產品的設計中,該手臂是用滾珠絲杠傳感器驅動可以實現上下旋轉的運動,結構簡單,裝拆方便,還特別設計了一個帶有兩根引導柱的傳感器作為導向,以有效地阻擋了手臂隨機座的轉動。它的總體結構如圖所示。圖1.8手臂結構圖選用具有軸向型和腳手架型的軸式液壓驅動氣缸,活塞桿的缸體末端手臂采用新型外螺紋連接結構,手臂和缸體末端的自動執行器通過鏈接安裝到一個活塞桿上。2.伸縮液壓油缸的選擇選液壓缸型號為Y-HG1-C50/28×100LJ1HL1Q，它的主要技術參數如表3-4。表1.4冶金設備標準液壓油技術規格缸徑/mm活塞桿直徑/mm油口直徑速度比通徑/mm聯接螺紋1.46250283610M18x1.51.活塞桿的強度校核末端執行器的重量為：10.389Kg。工件重量為：2.64Kg。由靜力平衡方ΣMB=0R1·LAB－Q·LBC=0ΣMA=0R2·LAB－Q·LAC=0求得支反力為：R1=524.88NR2=671.16N以A點為坐標原點，得剪力圖和彎矩圖如下：由[]表得活塞桿[τ]=140MPa,[σ]=240MPa.則在B處橫截面上的剪應力為：τB=RB/A=安全。在B處的彎應力為：σB=MB/A=安全。1.3腰部和基座設計1.結構設計通過利用安裝在控制支座上的數控步進驅動電機和諧振微波驅動齒輪直接通過驅動控制轉子來達到控制機座的高速轉動,從而也就可以輕松實現控制機器人的手臂高速旋轉上下運動,通過利用安裝在頂部的數控步進驅動電機和諧波聯軸器直接帶動控制滾珠軸和絲杠的高速轉動等就可以輕松實現控制機器人兩個手臂的正確上下旋轉位置。采用了兩個滾珠導柱式的傳動導向,以有效地精確防止兩個滾珠減速絲杠的傳動手臂隨著兩個滾珠傳動絲杠的方向轉動,確保了您的手臂能夠跟著發動機座同時左右轉動。支撐式新型橋梁框架是一種采用新型槽鋼,以有效地同時減輕其橋梁重量及有效節省橋梁材料,它的橋梁總體框架結構如下見圖2-10。此種結構設計主要用于采用具有環形滾動軸承式的新型機器人自動支撐系統結構。它由兩臺直流電動機2直接并聯驅動1-杯形帶有柔輪的和諧波驅動減速器。這種電磁諧波式振動減速器僅限于剛性軟輪9、柔輪7和電磁諧波振動發生器8三個主要傳動零部件,而且并不是沒有單獨的內部傳動外殼(此類部件結構更加簡單有利于實現減速器內部傳動系統的更加小型化、輕型化)。由電動柔輪7輸出的低速定向回轉手臂運動,帶動與之固聯的電動機座式手臂回轉機使殼體5實現高速回轉手臂定向回轉。齒形位置皮帶傳動4和齒形位置夾角傳感器6作為齒形手臂式傳動機座，用以自動檢測兩個齒形手臂式傳動機座之間的位置夾角或者位移。1——支座，2——步進電機，3——諧波齒輪，4——轉動機座5——支承工字梁，6——滾珠絲杠，7——導向柱，8——錐環無鍵聯軸器圖1.10腰部和基座結構圖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——波發生器，9——剛輪圖1.11環形軸承的機器人機座2.步進電機的選取工業機器人的高速旋轉和上下運行是采用步進電機進行驅動,下面就給出了各種類型的驅動方法進行比較,以此來作為我們如何選擇步進電機來作為其驅動方法的重要依據。表1.5各種驅動方式比較比較內容驅動方式機械傳動電機驅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，結構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控制，定位精度高，可與主機嚴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，但控制系統復雜可高速，氣體壓縮性大，阻力效果差，沖擊較嚴重，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，可無級調速，反應靈敏，可實現連續軌跡控制應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雜和運動軌跡要求嚴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用于驅動工業機器人有著許多無可替代的優點，如控制性能好，可精確定位，體積較小可用于程序復雜和運動軌跡要求嚴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反應式步進電機，型號為：90BF001。它的有關技術參數如下表：表1.6技術參數電機型號相數步距角/（°）電壓/V最大靜轉矩/N·m(Kgf·cm)最高空載啟動頻率/HZ運行頻率/HZ轉子轉動慣量10Kg·m分配方式質量/Kg90BF00140．9801.922000800017.64四相八拍4．5A、傳動系統等效轉動慣量計算傳動系統的正常運行傳動慣量負載是一種必須具有一定慣性的傳動負載,在齒輪驅動動力電機的設計選用中必須受到慎重考慮。由于電機傳動系統零件中的各個電機傳動系統零件軸線并非都與各個電機的固定軸線相同,還經常會不時出現各個電機傳動系統零件的轉動慣量朝著各個電機的固定軸線轉動方向進行折算。最后,要通過功率計算整個動力傳動系統通過折算功率得到的總轉動慣量,即驅動電機在主軸上的總轉動慣量,也是說就是整個傳動系統的等效轉動慣量。（1）、電機轉子轉動慣量的折算由《機電綜合設計指導》表2-18查出=1.764㎏?cm2（2）、聯軸器轉動慣量的折算（3-3）式中：為圓柱質量（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,把數據代入上式得：（3）、滾珠絲杠轉動慣量的折算查《機電綜合設計指導》表4-2P119，得出1m長的滾珠絲杠的轉動慣量為0.94㎏?cm2，絲杠長度L＝420mm，所以滾珠絲杠轉動慣量：=0.94×0.42=0.39㎏?cm2；（4）、手臂轉動慣量的折算工作臺是移動部件，其移動質量折算到滾珠絲杠軸上的轉動慣量可按下式進行計算：（3-4）式中，為絲杠導程（cm）；為工作臺質量（kg）。所以：（5）系統等效轉動慣量計算B、驗算矩頻特性步進電機最大靜轉矩是指電機的定位轉矩，從《機電綜合設計指導》表2-21中查得。步進電機的名義啟動轉矩與最大靜轉矩的關系為：（3-5）查《機電綜合設計指導》表2-12P35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《機電綜合設計指導》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）；有關的各項力矩值計算如下：（1）加速力矩（3-6）（3-7）式中：為傳動系統等效轉動慣量；為電機最大角加速度；為與運動部件最大快進速度對應的電機最大轉速；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；為脈沖當量。（2）、空載摩擦力矩（3-8）式中：為運動部件的總重量；為導軌摩擦系數；齒輪傳動降速比；為傳動系數總效率，取＝0.8；為滾珠絲杠的基本導程。（3）、附加摩擦力矩（3-9）式中：為滾珠絲杠預緊力；為滾珠絲杠未預緊時的傳動效率，現取＝0.96。所以，步進電機所需空載啟動力矩：初選電機型號應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矩，即（3-10）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狀態開始逐漸升速，在零時刻，啟動頻率為零。在一段時間內，按一定的升速規律升速。啟動結束時，步進電機達到了最高運行速度。查看《機電綜合設計指導》圖2-