工業(yè)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢畢業(yè)論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 種，這幾種驅(qū)動方式各有各的特點，因此他們的主要應(yīng)用場合也有所不同。氣壓驅(qū)動：由于氣壓驅(qū)動以空氣作為介質(zhì)，成本低，不存在污染環(huán)境的問題，而且氣動元件結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，除此，氣壓驅(qū)動對工作環(huán)境適應(yīng)性好，但是由于空氣的壓縮性大，造成氣壓驅(qū)動定位精度差。液壓驅(qū)動：液壓的輸出力可以在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，因此推動負載能力較強，液壓驅(qū)動定位精度也較高，但是由于液壓驅(qū)動以油作為介質(zhì)，對各種液壓元件的機構(gòu)要求比較高，還容易造成泄漏，造成污染，除此，油對溫度的變化比較敏感，噪聲大。電機驅(qū)動：電機驅(qū)動的機器人相對來說，其工作效率還是比較高的，而且運動速度、位移的準確度要超過氣壓驅(qū)動和液壓驅(qū)動，除此，電機驅(qū)動還有污染少、噪聲小的優(yōu)點。綜合考慮上述幾種驅(qū)動方式的優(yōu)缺點，根據(jù)實際應(yīng)用的需要，在這里本機器人的驅(qū)動方式采用電機驅(qū)動。現(xiàn)在機器人驅(qū)動電機主要有以下幾種： 交流伺服電機：交流伺服電機沒有了電刷和換向器，因此工作可靠，對維護和保養(yǎng)的要求也比較低，定子繞組散熱也是比較方便的，慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性，適應(yīng)于高速大力矩的工作場合。直流伺服電機：直流伺服電機的調(diào)速性能良好，有較大的啟動力矩，相對功率大，響應(yīng)快，但是結(jié)構(gòu)相對來說特別復(fù)雜，成本也是比較高的。步進電機：步進電機可以直接進行數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡單的同時控制性能良好，而且成本較低，一般不需要反饋就可以對速度、位移進行控制，不存在誤差累積問題，除此，步進電機還具有自鎖以及保持轉(zhuǎn)矩的功能，適用于傳動效率不大的小型機器人。還是根據(jù)實際應(yīng)用要求，本機器人選用交流伺服電機驅(qū)動。 當機器人伸展到極限位置的時候，對驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)動慣量最大，因此以這個位置作為參考計算電機驅(qū)動力矩。 驅(qū)動末端執(zhí)行器水平旋轉(zhuǎn)的電機選型計算： 這里只有負載轉(zhuǎn)矩，沒有負載力矩，將整個末端執(zhí)行器及負載等效為質(zhì)量為的質(zhì)量塊，根據(jù)負載（啤酒箱）的規(guī)格，將回轉(zhuǎn)半徑定為285mm，根據(jù)轉(zhuǎn)矩平衡方程： ， （）式中，為減速器輸出扭矩（），為負載轉(zhuǎn)動慣量（ ），為角加速度（）， 代入數(shù)據(jù)計算得到減速器需要的輸出扭矩值為：，因此選機型為32，速比為80，輸出扭矩為5，輸入轉(zhuǎn)速為3000，，電機的輸出轉(zhuǎn)矩可以降低到，因此選額定輸出容量100，額定轉(zhuǎn)速3000的型號為的三菱電機。 驅(qū)動小臂的電機的選型計算： 電機轉(zhuǎn)矩平衡方程：； （）式中：——伺服電動機所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，； ——負載轉(zhuǎn)矩，； ——電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，； ——負載的總轉(zhuǎn)動慣量，； ——角加速度。在這里不考慮電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量以及摩擦阻力矩， ，式中：——小臂相對于關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動慣量，； ——手腕及末端執(zhí)行器相對于關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動慣量，； ——小臂質(zhì)量，； ——手腕及末端執(zhí)行器的質(zhì)量，； ——小臂的長度。負載扭矩，由此得，由于減速器的使用，減速器輸出扭矩要在之上，機器人工作速度范圍為，轉(zhuǎn)化成角速度，因此選機型為100，速比為168，輸出扭矩為240，輸入轉(zhuǎn)速為3000，，電機的輸出轉(zhuǎn)矩可以降低到，因此選額定輸出容量1000，額定轉(zhuǎn)速3000的型號的三菱電機。 同理求得大臂驅(qū)動電機選型的相關(guān)數(shù)據(jù)：， ，（為工作半徑），轉(zhuǎn)矩較大，角速度較小，定為雙電機驅(qū)動，因此選機型為120，速比為200，輸出扭矩為450，輸入轉(zhuǎn)速3000，輸出轉(zhuǎn)速15，電機的輸出轉(zhuǎn)矩可以降低到，仍然采用型號仍為三菱電機。 腰部驅(qū)動電機的選型參數(shù)：，為了減小腰部回轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)動慣量，在做回轉(zhuǎn)運動之前，先將所有的臂收回，根據(jù)這一條件，求得負載需要的轉(zhuǎn)矩為： ，選機型為50，速比為80，輸出扭矩為25，輸入轉(zhuǎn)速3000，，電機的輸出轉(zhuǎn)矩可以降低到，因此選額定輸出容量200，額定轉(zhuǎn)速3000的型號的三菱電機。為了直觀反映上述選型結(jié)果列表如下： 機器人各部位驅(qū)動電機及減速器選型結(jié)果驅(qū)動對象 手部 小臂 大臂 腰部三菱電機型號減速器型號XSF32XSF100XSF120XSF50 驅(qū)動電機相關(guān)參數(shù) 電機的型號額定轉(zhuǎn)矩()額定轉(zhuǎn)速（)額定輸出容量()重量()30001003000200300010006 XSF單級諧波減速器相關(guān)參數(shù)機型速比輸出扭矩（）輸入轉(zhuǎn)速（r/min）輸出轉(zhuǎn)速（r/min）輸入功率（）32805300050802530001001682403000120200450300015電機和減速器型號都確定了，機器人結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計也就結(jié)束了，接下來將詳細介紹機器人的一些主要零部件的強度、剛度的校核。3主要零部件強度校核本章強度剛度校核所用到的計算公式以及相關(guān)的系數(shù)取值均摘自文獻[28]在本次設(shè)計中，啤酒箱規(guī)格為400130270mm，裝啤酒24罐，總重不到10kg，負載按10kg計算。查找資料知道在安宇自動化有限公司有一種型號為PFYS6010的吸盤可以用來吸抓紙箱，： 吸盤實物照片這種吸盤的直徑為60mm，理論承載為9kg，在手部用四個這樣的吸盤，足以實現(xiàn)對啤酒箱的抓取及相關(guān)的搬運工作。各連接螺栓的標準、受載、： 手部各連接螺栓應(yīng)力值及安全系數(shù) 螺栓代號 名稱數(shù)量安全系數(shù)屈服強度/MPa實際所受應(yīng)力/MPa許用應(yīng)力/MPaGB/T 8182000螺釘M2x8 8400 286GB/T 螺栓M4x6 4()400（）320（160）GB/T 57822000螺栓M5x30 1()400（）320（160）注：表中螺釘只受拉應(yīng)力，螺栓受擠壓和剪切兩個應(yīng)力，加括號的為剪切應(yīng)力。由于上述連接件強度計算過程類似，在這里就不一一寫出來了，下面只以螺栓M5x30為例展開計算：負載質(zhì)量為10kg，手部質(zhì)量( 吸盤質(zhì)量不算在內(nèi)）按2kg計算，4個吸盤的質(zhì)量按4kg計算，總計16kg，該螺栓靠螺栓桿側(cè)面受擠壓和螺栓桿受剪切來承受整個手部及負載的豎直方向上的力，其強度條件如下：1. 擠壓強度條件 （）式中，為螺栓直徑（mm）；為螺桿與孔壁之間的最小擠壓高度（mm），為螺栓的許用擠壓應(yīng)力（MPa），代入數(shù)據(jù)計算得：，，滿足強度要求。 （）式中，為螺栓受剪切工作面數(shù)；為許用切應(yīng)力（），代入數(shù)據(jù)計算得：，，滿足強度條件。整個手部以及負載是連到末端輸出軸上的，因此手部及負載的提升力以及水平旋運動的驅(qū)動力矩都要通過末端輸出軸傳遞，由于在軸的徑向開了一個直徑為5 mm的孔，因為以此處作為危險截面，進行強度分析計算。此輸出軸在豎直方向上受整個手部及負載的重力，受拉應(yīng)力，而在水平旋轉(zhuǎn)扭矩的驅(qū)動作用下受切應(yīng)力，將減速器能輸出的最大扭矩引入計算，根據(jù)彎扭合成強度條件計算軸的應(yīng)力，相關(guān)的計算公式如下： （） （） （） （）式中，為軸的計算應(yīng)力（），為軸的拉應(yīng)力（），為切應(yīng)力（），為軸的許用應(yīng)力（），軸的截面面積（），為軸的抗扭截面系數(shù)，為軸的直徑（），為軸上所開孔的直徑（），代入數(shù)據(jù)計算得到，滿足強度要求。在此處共用了6個標準為GB/T ，尺寸參數(shù)為M4x25，這些減速器的輸出扭矩就是靠這6個螺釘來傳遞，因此以減速器的最大輸出扭矩為計算準則來校核該螺釘?shù)膹姸取Ｕ麄€輸出扭矩是有6個螺釘靠著承受擠壓與剪切兩個力來傳遞扭矩的，代入數(shù)據(jù)計算如下：，，擠壓強度滿足要求；，，剪切強度滿足要求。：PGPPPGL=50mmL （a) (b) a為零件結(jié)構(gòu)簡圖；b為受力計算簡化圖圖中P代表軸承反力，G代表加在腕部上的所有零部件總的重力（所有的重量加起來不超過20kg），在這里按20kg計算，L為腕部重心到軸承支點的距離，根據(jù)上面受力的計算簡圖，： 零件腕部的彎矩圖綜合考慮腕部臺階軸的受力與腕部臺階軸的尺寸兩個因素，取兩個臺階根部作為危險截面分別進行校核計算。在這里臺階軸只受彎矩作用，沒有扭矩，因此只用彎曲應(yīng)力最為強度校核標準就行，根據(jù)軸的彎曲應(yīng)力計算公式： （）式中，為軸所受的彎矩（），為軸的抗彎截面系數(shù)（），代入數(shù)據(jù)分別得到兩個截面的彎曲應(yīng)力為：，腕部的材料為鑄造鋁合金，而這種鑄造鋁合金的抗拉強度為195~245，~，許用應(yīng)力，顯然，上面兩個危險截面處彎曲應(yīng)力，要遠遠小于它的許用應(yīng)力，因此該零件的強度滿足要求。此零件一端掛著腕部、手部及負載，另一端與小臂零件1連接，而在與小臂零件1連接的一端開了直徑為的孔，故而將開孔的截面作為危險截面小臂在搬運啤酒箱的作業(yè)過程中會做俯仰轉(zhuǎn)動，當整個小臂保持水平的時候，對端部產(chǎn)生的彎矩最大，因此在這一工況下進行強度校核計算。此零件除了腕部、手部及負載總的重量對危險截面產(chǎn)生的彎矩外，還收到自重對危險截面產(chǎn)生彎矩作用，其彎曲應(yīng)力的詳細計算過程如下：，此零件材料也為鑄造鋁合金，根據(jù)前面的計算可知彎曲應(yīng)力還是遠小于許用彎曲應(yīng)力，因此強度滿足條件。小臂零件1一端與減速器十字交叉軸承內(nèi)圈連接，一端與小臂零件2連接，在于小臂零件2連接處的強度根據(jù)小臂零件2的計算可知滿足條件，在這里關(guān)鍵在于與減速器軸承的內(nèi)圈連接處，在這里不受彎矩作用，只有扭轉(zhuǎn)作用力，為了保險起見，按減速器最大輸出扭矩進行計算，其計算過程如下：，對于這種鑄造鋁合金，也就是在120180MPa之間，~，代入數(shù)值計算可得到其許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的值之間，可見該零件強度滿足要求。減速器的輸出扭矩是通過軸承內(nèi)圈與小臂零件1的連接螺釘進行傳遞的，因此有必要在這里對該連接螺釘?shù)膹姸冗M行校核計算。在這里用了8個標準為GB/T ，尺寸參數(shù)為M8x25，扭矩是通過螺釘承受擠壓和剪切兩個力傳遞，螺釘所受的擠壓應(yīng)力與剪切應(yīng)力分別計算如下：，根據(jù)前面的螺釘強度校核計算結(jié)果可知，在這里螺釘?shù)膹姸葷M足要求。 大臂相對于小臂受力較復(fù)雜，除了受到扭轉(zhuǎn)作用力，還有彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力作用，在這里先按著減速器的最大輸出扭矩求出扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的值為：，彎曲主要是由于大臂以及連接在大臂上的所有構(gòu)件的重力產(chǎn)生的，在這里將作用在兩個支撐點處的所有的質(zhì)量加起來有75kg，保險起見按80kg計算，大臂兩個支撐點之間的跨度為190mm，最大彎矩，由此得到彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)的值分別為：，直徑為50mm的臺階軸由于同時受到扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和彎曲應(yīng)力兩個應(yīng)力，查《機械設(shè)計手冊》按照彎扭組合應(yīng)力計算公式： （）在這里由于切應(yīng)力會隨著機器人機械臂的轉(zhuǎn)動而變化，代入數(shù)據(jù)計算出此時的彎扭復(fù)合計算應(yīng)力為：大臂的材料與小臂的材料同為一種鑄造鋁合金，有前面的計算可知其許用應(yīng)力的值可知強度滿足要求。減速器的輸出