畢業設計-三自由度圓柱坐標工業機器人設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 工業機器人的運動，可從工業機器人的自由度，工作空間和機械結構類型等三方面來討論。如圖 31 所示，為工業機器人機構的簡圖。 圖 31 機構簡圖 工業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的數目，它是表示機器人動作靈活程度的參數。本設計的工業機器人具有四轉動副和移動副兩種運動副，具有手臂伸降，旋轉，前后往復三自由度。 圖 32 工作空間圖 機器人的工作空間和機械結 構類型 遼寧科技大學本科生 畢業設計 第 11頁 （ 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參數，工作空間圖如圖 32。 （ 2）機械結構類型 ： 圓柱坐標型為本設計所采用方案，這種運動形式是通過一個轉動，兩個移動，共三個自由度組成的運動系統（代號 RPP），工作空間圖形為圓柱形。它與直角坐標型比較，在相同的工作條件下，機體占體積小，而運動范圍大。 機器人的運動過程分析 工業機器人的運動過程中各動作如圖 33 和表 31。 圖 33 工業機器人的運動過程中各動作 表 31 運動過程 中各動作 機器人動作 機器人工步 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 旋轉至 C 位 工步九 放松工件 工步十二 實現運動過程中的各工步是由工業機器人的控制系統和各種檢測原件來實現的，這里尤其要強調的是機器人對工件的定位夾緊的準確性，這是本次設計成敗之關鍵所在。 遼寧科技大學本科生 畢業設計 第 12頁 工業機器人的執行機構設計 末端執行機構設計 工業機器人的 末端執 行機構設計 是用來抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、準確和牢靠程度都將直接影響到工業機械手的工作性能，它是工業機械手的關鍵部件之一。 設計時要注意的問題 （ 1） 末端執行機構 應有足夠的夾緊力，為使手指牢靠的夾緊工件，除考慮夾持工件的重力外，還應考慮工件在傳送過程中的動載荷。 （ 2） 末端執行機構 應有一定的開閉范圍。其大小不僅與工件的尺寸有關，而且應注意手部接近工件的運動路線及其方位的影響。 （ 3） 應能保證工件在 末端執行機構 內準確定位。 （ 4） 結構盡量緊湊重量輕，以利于腕部和臂部的結構設計。 （ 5） 根據 應用條件考慮通用性。 總體 結構設計 采用內撐連桿杠桿式夾持器，用小型液壓缸驅動夾緊，它的結構形式如圖 34。內撐連桿杠桿式夾持器采用四連桿機構傳遞拉 緊力，即當液壓缸 1 工作時，推動推桿 2 向下運動，使兩鉗爪 3 向里收縮 ，從而帶動 手爪 4 夾緊工件。該種夾持器多用于圓柱實心 零件的夾持。 圖 34 末端執行器 遼寧科技大學本科生 畢業設計 第 13頁 液壓油缸的選擇和夾緊力的校驗 （ 1） 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 YHG1C63/36 45LF2HL1Q，它的主要技術參數如表 32。 表 32 冶金設備標準液壓缸 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 2 63 22 28 10 夾緊力校驗 ： 1）零件的計算 M=8Kg G=Mg== 其中 g取 2）緊力的計算： 要夾持住零件必須滿足條件： GfN?2 ， f 為手指與工件的靜摩擦系數，工件材料為 45 號鋼，手指為鋼材，表 [7]25 f=， N 為作用在零件內壁上壓緊力， G為零件重力。所以 N≥ G/2f=（ N） 。 式 [4]460 可知驅動力的計算公式為： P=2btanα /(cη ) ? 為斜面傾角， o35?? ， ? 為傳動機構的效率，這里為平摩擦傳動，表 [7]22 ??? 這里取 , b=,c=29mm。 a n2 0 ???????P 取 P=1200(N)。 由 公式 [11] 415 ，mPDF ??42? ， D 為汽缸的內徑 (m)， P 為工作壓力（ Pa） ,由表 33[11]， 表 33 負載與壓力關系表 負載 /N 5000 5000～ 10000 10000～ 20210 20210～ 30000 30000～ 50000 50000 工作壓力 /MPa ～ 1 ～ 2 ～ 3 3～ 4 4～ 5 5～ 7 取 p=。查得 [12]： m? =～ , 所以 遼寧科技大學本科生 畢業設計 第 14頁 NPDF )1063( 6232 ???????? ??? 由以上計算可知液壓缸能產生的推力 F= 大于夾緊工件所需的推力P=1200N。所以該液壓缸能夠滿足要求。 手 爪的強度校驗 手 爪的結構形式如圖 37： 圖 37 手 爪結構圖 這種結構是在手 爪外側用螺釘固定彈簧 板兩端固定。當 手 爪 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：由上節可知 F=280N。則手 爪截面上的剪應力為 ：[τ ]=30MPa， τ =Q/A= ][ 280233 ?????? ? ?? MP a 故彈性 爪滿足強度要求 。 手臂機構的設計 手臂的設計要求 （ 1） 手臂的結構和尺寸應滿足機器人完成作業任務提出的工作空間要求 （ 2） 根據手臂所受載荷和結構的特點，合理選擇手臂截面形狀和高強度輕質材料。 （ 3） 盡量減小手 臂重量和相對其關節回轉軸的轉動慣量和偏重力矩，以減小驅動裝置的負荷；減少運動的動載荷與沖擊，提高手臂運動的響應速度。 （ 4） 設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。 本設計中手臂由滾珠絲杠驅動實現上下運動，結構簡單，裝拆方便，還設計有 遼寧科技大學本科生 畢業設計 第 15頁 兩根導柱導向，以防止手臂在滾珠絲杠上轉動，確保手臂隨機座一起轉動。它的結構如下圖。 圖 38 手臂結構圖 選用軸向腳架型液壓缸，活塞桿末端為外螺紋結構，手臂與末端執行器連同活塞桿一起轉動。 伸縮 液壓油缸的選擇 選液壓缸型號為 YHG1C63/36 200LJ1HL1Q，它的主要技術參數如表 33。 表 33 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 2 63 28 36 10 活塞桿的強度校核 末端執行器的重量為： 。 工件重量為： 8Kg。 由靜力平衡方 : Σ MB=0 R1 LAB Q LBC=0 Σ MA=0 R2 LAB Q LAC=0 遼寧科技大學本科生 畢業設計 第 16頁 求得支反力為 : R1= R2= 以 A 點為坐標原點，得剪力圖和彎矩圖如下： 活塞桿 [τ ]=140MPa, [σ ]=240MPa. 則在 B 處橫截面上的剪應力為： τ B= RB/A= ][)1027(423?? ????M P a 安全。 在 B 處的彎應力為： σ B= MB/A= ][)1027(1633?? ????M P a 安全。 腰部和基座設計 結構設計 通過安裝在支座上的步進電機和諧波齒輪直接驅動轉動機座轉動，從而實現機器人的旋轉運動，通過安裝在頂部的步進電機和聯軸器帶動滾珠絲杠轉動實現手臂的上下移動。采用了雙導柱導向，以防止手臂在滾珠絲杠上轉動，確保 手臂隨機座一起轉動。支撐梁采用 槽 鋼，以減輕重量和節省材料，它的結構如圖 310。 遼寧科技大學本科生 畢業設計 第 17頁 該種設計采用了環形軸承的機器人支承結構。它由電動機 2 直接驅動一杯形 柔輪諧波減速器。這種諧波減速器只有剛輪 柔輪 7 和諧波發生器 8 三大件，而無單獨的外殼（這種結構有利于傳動系統的小型化、輕型化）。由柔輪 7 輸出低速的回轉運動帶動與之固聯的機座回轉殼體 5 實現手臂的回轉運動。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— 轉動機座 5— 支 承 工字梁， 6— 滾珠絲杠， 7— 導向柱， 8— 彈性膜片 聯軸器 圖 310 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 311 環形軸承的機器人機座 步進電機的選取 工業機器人的旋轉和上下移動采用了步進電機驅動，下面就給出各種驅動方式的比較，以作為選取步進電機作為驅動方式的依據。 遼寧科技大學本科生 畢業設計 第 18頁 表 34 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： 90BYG503， 有關技術參數如下表： 表 35 BF 反應式步進電機參數表 電 機 型號 相數 步距角 （ 176。 ） 電壓 V 最大靜轉矩 /Nm 最高空載啟動頻率 /Hz 轉子轉動慣量 /105Kgcm2 分配方式 質量 Kg 90BYG503 3 0． 6 60 7 1600 四相八拍 遼寧科技大學本科生 畢業設計 第 19頁 （ 1） 傳動系統等效轉動慣量計算 傳動系統的轉動慣量是一種慣性負載 ,在電機選用時必須加以考慮。由于傳動系統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動慣量向電機軸折算