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【JX18-53】圆柱坐标系工业机器人的设计(二维+三维+论文)

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【JX18-53】圆柱坐标系工业机器人的设计(二维+三维+论文)
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1.STEP
丝杠.sldprt
基座.sldprt
手臂.sldprt
手部.sldprt
机械手总装图.SLDASM
机械手装配体.DWG
腰部关节.sldprt
新建文件夹
丝杠.sldprt
基座.sldprt
手臂.sldprt
手部.sldprt
机械手总装图.SLDASM
腰部关节.sldprt
1.SLDASM
A0-支座和手臂装配图.dwg
A1-终端执行器.dwg
A2-支座.dwg
A2-转动壳体.dwg
A3-工作空间图.dwg
A3-支架.dwg
A4-导向套.dwg
A4-机构简图.dwg
BASE.sldprt
GRIP.sldprt
PCS1.sldprt
PLASTIC GEAR.sldprt
socket button head cap screw_am_B18.3.4M - 3 x 0.5 x 3 SBHCS --N.sldprt
socket button head cap screw_am_B18.3.4M - 4 x 0.7 x 20 SBHCS --N.sldprt
socket button head cap screw_am_B18.3.4M - 4 x 0.7 x 4 SBHCS --N.sldprt
socket button head cap screw_am_B18.3.4M - 4 x 0.7 x 8 SBHCS --N.sldprt
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JX18-53
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【JX18-53】圆柱坐标系工业机器人的设计(二维+三维+论文),JX18-53
内容简介:
目录目录- 1 -中文摘要- 2 -Abstract- 3 -第一章 绪论- 4 -1.1 机器人概述- 4 -1.2 机器人研究的成果- 5 -1.3 机器人发作趋势- 6 -第二章 工业机器人的总体设计- 7 -2.1 机械手基本形式的旋转- 7 -2.1.1 直角坐标系机器人- 7 -2.1.2 圆柱坐标系机器人- 7 -2.1.3 极坐标系机器人- 8 -2.1.4 多关节型机器人- 8 -2.2驱动装置的旋转- 9 -2.2.1 液压驱动- 9 -2.2.2 气压驱动- 10 -2.2.3 电机驱动- 10 -2.3工业机器人的设计分析- 11 -2.3.1 设计要求- 11 -2.2.2 总体方案拟定- 11 -2.2.3机械手主要技术性能参数- 12 -第3章 工业机器人的机械系统设计- 14 -3.1 工业机器人的运动系统分析- 14 -3.1.1 机械手的动作简介- 14 -3.1.2 机械手动作解析- 15 -3.2 机械手末端抓取系数设计- 16 -3.2.1 末端抓取系统设计- 16 -3.2.2 手臂机构的设计- 19 -3.2.3 腰部和基座设计- 21 -3.3 工业机器人的机械传动装置的选择- 27 -3.3.1 滚珠丝杠的选择- 27 -3.3.2 谐波齿轮的选择- 29 -3.3.2 联轴器的选择- 30 -第四章 工业机器人的计算机控制系统概述- 31 -4.1 工业机器人控制系统的特点及对控制功能的基本要求- 31 -4.2 计算机控制系统的设计方案- 31 -4.3 硬件电路的组成- 32 -致谢- 33 -参考文献- 34 - 35 -中文摘要目前的许多大型生产企业中,80%的公司都对产品加工过程中的质量及品质非常的看中,同时也考虑到整个公司的生产速度,由于工业机器人的自动化能满足企业的需求,工业机器人慢慢获得人们的青睐同时在公司中开始应用。技术等级与使用工业机器人的状况能够在一定角度体现国家工业自动化的水准。当下工业机器人一般被用来从事运输、焊接、堆垛与喷涂等,很多劳动强度较大抑或需要反复操作的工作也开始逐渐使用工业机器人。通常工作中均会选择教学再现。本课题研究的内容是一个圆柱坐标型工业机器人的研究与设计,其工作场合是在某一企业的生产线上,有左右两条输送带,相距1米5,本次设计的机械手主要功能就是将某个产品从一条输送带放置到另一条输送带上。关键词:三自由度,圆柱坐标,工业机器人AbstractAt present, in many large production enterprises, 80% of the companies are very aware of the quality and quality of the process of product processing. At the same time, the production speed of the whole company is taken into account. As the automation of industrial robots can meet the needs of the enterprises, industrial robots are slowly gaining peoples favor and starting to apply in the company. Technology level and the use of industrial robots can reflect the level of national industrial automation from a certain angle. At present, industrial robots are generally used in transportation, welding, stacking and spraying, and many work intensity or repeated operations have begun to gradually use industrial robots. Teaching reappearance is usually chosen in the work. The research content of this topic is a cylindrical coordinate industrial robot research and design, its working situation is in the production line of a certain enterprise, there are about two conveyor belts, 1 meters away from 5. The main function of this design is to put a product from one conveyor belt to another conveyor belt.Key words:three degrees of freedom,cylindrical,Industrial robot第一章 绪论1.1 机器人概述在现代社会的工业化制造中,怎么样将机器的智能生产与安装已然演变成一类亟待解决的问题。生产环节里的自动化持续性问题当下已然获得相应的处理对策。不过在机械工业里装配、加工且生产并不持续。专用机属于一类具备相应效率的方法,能够大规模的制造数控、程控机床,同时此类具备自动化的机械能够更具效用的处理多品类、小批次的产品。不过在装配、装卸、搬运等方面,依然并不具备机械化特征。自动化的机器人设计开发已经在当代工业中开始大批量的使用,提供了完善的自动化生产基础。“自动机械手”:通常指可以按照人类控制指令完成各种复杂的动作,如拿取物品、移动物品的设备。通常将能够实现至少一种动作,并且是通过程序控制的设备称为机器人。机器人其跟其他设备相比,拥有机构不复杂,设计成本低,方便后期维修等优点,但是缺点就是功能较少,也很难适应多种复杂环境。当下国内一般将具备以上所提优点的设备称为机器人。综上所述,机器人的最终形式是解放人们的双手,用机器来取代,将产品从一个位置移动到另一个位置,或者完成其他所需要的动作。 设计自动化机器人,一般应当具备的最为简易的要素是:抓获同时移动手臂的装置执行,和肌肉非常相似的驱动臂输送;能够管控和指挥的系统运算中枢。此类系统与机器人功用有着直接关联。通常来讲,机器人的组成部分是执行程序、驱动传动体系与控制体系,具体参照图1。图1 结构组成表1.2 机器人研究的成果当初是美国人最早开始设计工业机器人,美国联控企业研发了全球首个机器人。其构架特征是机器人中配备了回转长臂,底下则配备通过电磁机理运作的工件抓取装置,控制部分程序则属于演示模式。在世界范围内,日本对本国的工业化非常看重。他目前已拥有众多先进的机器人,发展速度大大超过其他国家。但是美国也不甘示弱,在购买了其两种具有代表意义的工业机器人后,也开始专注于研究自动化机器人。现在在很多企业中普遍应用的机器人仍然是比较落后的第一代产品。很大部分仍然通过工人手动完成动作;与第一代机器人相比,我们现在研究机器人可以主要从改善方向和降低成本,提高精度等方面进行研究。第二代机器人目前正处于研发阶段。其存在一类微信电脑用做控制体系,和人类的思考模式非常吉尼斯。同时机器人应当具备视觉与触觉,甚或要具备听觉以及思考的功能,因此传感器的使用也就成为一种必然。研究各种传感器的技术,将传感器装配于机器人,继而机器人会将感觉的讯息通过传感器反应到控制器,这样一来,就可以使得机器人有人类相似的各种感官功能。第三代机器人是最先进的一类,他不需要工人或者电脑控制,可以自主动作。其能够确保和电视抑或电脑装置连通,同时逐渐演变成柔性生成体系FMS与柔性生产基元FMC的一类构成组分。伴随工业机器人全球学术交流的逐渐盛行,欧美等国通过这样的会展,彼此之间交流了大量的经验,积累了众多研发能力。另外,ISIR在每年的年中都会邀请各国的先进企业参加会议,互相交流,讨论在研发中遇到的问题并问题和研究更多适合工业生产的机器人。当前在许多外国先进的生产企业里,工业机器人已经被大量的应用,研发速度也非常迅猛。现在已经在机床、焊接、喷涂、锻造等行业广泛使用,在世界范围内,日本对本国的工业化非常看重。他目前已拥有众多先进的机器人,发展速度大大超过其他国家。但是美国也不甘示弱,在购买了其两种具有代表意义的工业机器人后,也开始专注于研究自动化机器人。伴随着世界上先进的技术发展,机器人运作程序开始逐渐完善,程序的持续发展也能够保证其具有更加完善的作用。电脑集成生产(CIM)的机器人在程序方面需要自动化装置于车间中予以规整。封闭体系改装价格异常高昂,假如无法再度设定,在一般技术层面其并不具备可行性。现在在很多企业中普遍应用的机器人仍然是比较落后的第一代产品。很大部分仍然通过工人手动完成动作;与第一代机器人相比,我们现在研究机器人可以主要从改善方向和降低成本,提高精度等方面进行研究。1.3 机器人发作趋势随着现代化生产技术的越来越先进,工业机器人设计生产能力得到加强,特别是工业机器人制造和柔性生产体系互相联结。此类技术将导致当下机械生产人工操控过程开始转变,能够大幅增加生产效能。操作人员的安全也有所保证。 从当下的实际状况来讲当代工业机器人的发展趋向为: a)在满足机器人运行稳定性的前提下,尽可能的使得其工作速度加快,定位精度更准确,同时也必须要考虑到设备的体积及加工运输成本,开发越来越小巧的工业机器人。 b)研制各种新型结构用于不同类型的场合。比如,开发各种行走的机器人,使其能够在各类场合里应用。c)研发制造各种传感器与测试组件。通过传感器传输的讯息来管控机器人,让机器人具备五感。第二章 工业机器人的总体设计2.1 机械手基本形式的旋转 在目前所应用的制造行业中,通常人们会通过机械手来完成各种工序,机械手各部件的结构方式大致可以分为以下几类,结构简图如图2所示:(1)坐标方式为直角型的机械手;(2)坐标方式为圆柱型的机械手;(3)坐标方式为极型的机械手;(4)坐标形式为多个活动关节的机械手。2.1.1 直角坐标系机器人一般来说,这种类型的机械手在三个坐标X、Y、Z中的动作必然是要互相独立,三个关节均要能够移动,关节位置的轴线则需要互相垂直,其一般用来让制造装置能够更好的上料下料,也能够用做精确度较高的装配与测试。这种结构方式的最重要特点是: (1)在三个方向上进行直线运动,结构形式很容易实现。 (2)设计非常的简单。 (3)由于结构可以在两边支撑,当应用在比较长的情况下,其结构最为稳固。 (4)设计时必须拥有少量的行程余量,这样就造成整个机构会比较占地方。 (5)这种类型机械手需要有比较大的安装位置。 (6)运动部件暴露在外面,容易沾染灰尘,油污等,密封不容易实现。2.1.2 圆柱坐标系机器人此类机器人中,R、与x属于坐标系中的三个数据,因而R属于机器人手臂的横向移动范围,对应机械手的手臂转动角度,x对应机械手臂竖直方向的行程范围。这种类型的机械手最重要的特点如下:(1)结构形式很容易实现,设计非常的简单。(2)可以非常方便的在设备内部工作。(3)各个方向的定位一目了然。(4)同样运动部件暴露在外面,容易沾染灰尘,油污等,密封不容易实现。 (5)机械手的端部不容易够到某些特定的地方,比如越靠近立柱的地方,或者是地面的位置。2.1.3 极坐标系机器人这种形式的机械手中R、与均是极坐标系里的坐标数值。属于环绕机器人手臂相对于立柱中心轴所转动的角度,为机械手臂在竖直方向上的偏移角度。此类机器人于这类坐标系中移动的行程范围一般来说呈现为半圆形,这种机械手的特点如下: (1)在相对于中心立柱上的移动范围特别广。 (2)这种类型的机械手,其传动部件比较容易实现密封,从而寿命更加长。 (3)机械手运动的范围很广。 (4)这种机械手运动轨迹复杂,比较难以设计。 (5)机械手的端部不容易够到某些特定的地方,比如越靠近立柱的地方,或者是地面的位置。2.1.4 多关节型机器人这种机械手用于把相互有影响的传动部分的角度旋转数据当成多个坐标轴。其中、和属于坐标系的坐标,属于环绕机器人手臂相对于立柱中心轴所转动的角度,对应机械手臂与地面的相对角度,对应手腕和手臂之间的角度。这种类型机械手臂运动范围很大,也很灵活,可以很轻松的伸到任何一个需要实现要求的位置,通过调整手臂及手腕的大小,可以使得机械手能够伸到任意位置工作。这种机械手的特点如下:(1)机械手运动的范围很广。(2)这种类型的机械手决定了传动部件必须密封设计,防止灰尘及油污的侵入。(3)由于密封性做得好,所以应用非常的优秀,甚至可以在水下使用。(4)特别适合电机控制的应用场所。 (5) 这种机械手运动轨迹复杂,比较难以设计。 直角坐标型 圆柱坐标型 极坐标型 多关节型 图2 工业机械手基本结构形式由于任务书已经指定机械手的坐标类型了。故接下来的计算按照圆柱坐标类型的机械手设计。2.2驱动装置的旋转一般来说,机械手各个部件的驱使模式为液压型、电动型与气动型。以下则把三类驱动机制实施探析对比。2.2.1 液压驱动如果机械手的动力来源于液体的话,这种方式有下面这些好处:(1)液体压力方便控制,结构简单、小巧、精致,并且可以实现很大的动力来源;(2)由于是液压驱动,液体的特点是体积不会被压缩,所以运动过程更加平稳,同时各机构的定位误差也基本没有;(3)由于是液压驱动,机器的能耗,动作灵敏度及移动的位置都可以很容易的实现自己控制;(4)液压驱动的液体通常使用油类物质,这种物质一个很大的特点就是可以防锈,还能自我润滑,不仅满足了动力需求,还能延长设备的使用寿命。液压驱动的缺点是:(1)油类物质会随着温度的升高,其特性也会随之变化,这样一来就会多机械手的使用造成不利的因素,长此以往,会有发生安全事故的风险;(2)另一个最大的困难在于整个液压系统中,由于存在较大的压力,故密封性无法完全做到,总会有或多或少的存在漏油的情况,如果要做到完全的不泄露,那么设备的制造成本将呈现几何倍数的增长;(3)必须搭配相应的动力驱动体系,特别在电力和液体同步驱动系统种,必须配套高规格的设备用来过滤液压油中的杂质,如果没有这个设备,那么整个系统会很容易发生事故。由于是液压驱动,液体的特点是体积不会被压缩,所以运动过程更加平稳,同时各机构的定位误差也基本没有;液体压力方便控制,结构简单、小巧、精致,并且可以实现很大的动力来源,这种方式,通常应用在大型的机械手系统中。2.2.2 气压驱动相比于前面所说的液体驱动方式,压缩空气传动的优点如下:(1)一般来说,气体相对于液体,其运行更加流畅,阻力小,很方便的可以达到很大的速度;(2)目前通常企业中,都配有压缩空气泵,气体接入很方便,能耗也少;(3)压缩气体不会对空气产生污染,使用条件很简单,也很安全,另外对温度没有限制;(4)压缩气体的机构动作时候的压力很小,相对于油液驱动,他的安全标准更低。另一方面,不利的因素如下:(1)压缩气体通常压力范围在46公斤之内,如果要获得一个更加大的动力,就势必要增加设备的成本;(2)高压气体管道布局方便,但是气体流通的效率很难可以做到精确的控制,要实现精准定位比较困难;(3)高压气体有一个特别重要的问题所在,如果设备在使用中出现了故障,气体中含有杂质、油污等,会对管道产生腐蚀,从而影响机械手的整体稳定性,产生故障。另外一方面,气体的排放也会产生比较大的噪声,必须配合消声器使用。2.2.3 电机驱动电力控制的机械手,从电流的特点来说,可以分为直流和交流两类,如果要达到比较高的定位精度,就必须采用直流驱动的电机,目前应用比较广泛的两类直流电机分别是伺服电机和步进电机。 通常来说,交流、直流电机在使用时,需要配合减速机构,从来实现增大扭矩的效果,不过管控性能很低,同时存在一定惯性,能够用于中型机器人。而步进与伺服电机的导出力矩较低,具有优异的管控效能,可以很准确的控制运动速度和精确定位,一般来说在中小型的机械手中应用很普遍。而交流伺服电机通常在闭环管控程序里应用,步进电机则在开合管控程序里应用,通常速率与位置精确度毫无关联。本论文选择电机驱动。2.3工业机器人的设计分析2.3.1 设计要求本次毕业设计需要完成的要求是设计一台圆柱坐标系的机械手,要求可以对圆柱坐标型工业机器人的功能、运动过程、承载能力等进行设计与计算,并且要针对机械手的各个部件进行相应的计算分析,同时完成机械手控制部分的设计和各个零部件的选取。要求通过此次机械手的设计,重新温习相应的机械设计基础知识。原始数据:在某一企业的生产线上,有左右两条输送带,相距1米5,本次设计的机械手主要功能就是将某个产品从一条输送带放置到另一条输送带上。零件尺寸:内孔100,壁厚10,高100。零件材料:45钢。2.2.2 总体方案拟定机械手可以实现多个动作,其中手部的抓取和伸缩是比较关键的动作。为了能保证这两个动作运行的稳定性和准确性,势必要求机械手的结构设计要更加的合理,并且通过电气上面的闭环反馈功能来保证其功能实现。这次我的设计前提就是保证以上这两点主要特征。总体方案如下:首先通过前面分析已经确定了机械手的类型为圆柱坐标系,旋转自由度的传动方式采用步进电机配合谐波减速机,这两者相结合,一方面可以保证输出力矩,另一方面可以保证机械手的精确定位;机械手的升降自由度则采用步进电机直接驱动滚珠丝杆来实现;同时因为机械手的运用场合较小,所以机械手的伸缩自由度则使用液压缸来完成;抓手部分的功能实现则使用杠杆式的抓取机构,动力来源采用小型液压缸。所设计的机械手总体结构如图2-3所示。图2-3 机械手示意图2.2.3机械手主要技术性能参数机械手的各项指标是衡量一款机械手是否合格的重要参数。本次设计的机械手主要数据分别为:A、 抓取重量:机械手的最大负载是机械手的一项最重要的数据,如果使用时超过其最大负载,则可能产生的严重后果就可能是安全事故,这个数据通常是指正常情况下机械手所能承受的负载。B、 抓取工件的极限尺寸:所要拿取的物品大小,是用来设计机械手手部的重要参数,每个机械手都有一个极限工作能力,如果物品大小超出设计要求,那么机械手就无法工作了。C、 坐标形式和自由度:坐标类型和自由度可以代表机械手的工作流程,各部分相互配合,即可完成所需要的一系列动作。D、 运动行程范围:设计一台机械手,首先必须要确定好工作范围,这个范围可根据机械手各部分动作配合实现,分析机械手的各个动作行程,即可确定该机械手的最大工作区域。E、 运动速度:用来表示机械手的重要机械性能。一般来说,机械手动作速度越快,那么定位就越不精准。所以,机械手怎么样在最短的时间内完成所需要的动作,这点在设计时是要重点考虑的。目前人们在用的很多机械手,它的移动关键,最快可以在1秒时间内完成1米的移动距离,实际应用时,则并不需要这么快的速度,通常能达到1秒内移动0.20.4米即可;除了平移动作,另外一个重要的就是旋转了,市面上已经有能达到1秒钟旋转180的机械手了,这种机械手,价格昂贵,应用场合特殊,常用的机械手旋转50能够在1秒内完成就已经算不错了。 机械手技术参数见表1-1。表1-1机械手类型圆柱型机械手负载2690克自由度3个自由度,其中包括两个平移,一个旋转机座要求能实现旋转动作,最大旋转角度可以达到180度,控制方式采用单片机,步进电机驱动腰部机构要求可以实现升降动作,升降的高度为0.45米,控制方式采用单片机,步进电机驱动手臂机构要求可以完成伸缩动作,伸缩的行程较小,只需要达到50mm即可。控制方式采用行程开关,动力来源通过液压缸手部抓取机构控制方式采用行程开关,动力来源通过液压缸第3章 工业机器人的机械系统设计3.1 工业机器人的运动系统分析3.1.1 机械手的动作简介 通常设计一台工业机械手,需要从以下3部分来确定,机械手运动类型、运动范围和机械手结构特点。 图3-1是本次设计的机械手示意图。图3-1 机构简图a机械手的自由度介绍 我们通常所说机械手的自由度,意思是每个动作机构的类型及传动方式,它是用来确定机械手动作可靠性的重要参数。 本次设计的机械手含有旋转自由度和移动自由度两类,具体结构为手臂实现前后伸缩、旋转和升降等三个动作。 b机械手动作范围及结构简述 (1)动作范围 动作范围表示机械手工作时,抓手所能够到的最大空间,它是衡量一个机械手的重要指标,动作范围如图3-2。图3-2 动作范围示意图(2)机械结构类型 这次设计的机械手具有一个旋转动作,还有手臂的伸缩、手臂的升降两个动作组成,机械手在工作时,其外形类似于圆柱体。这种结构的机械手跟其他类型的相比,如直角坐标类型,其结构最紧凑,前提是完成相同的流程。3.1.2 机械手动作解析 机械手完成一个流程,各部分的动作如图3-3和表3-1。图3-3表3-1机器人开机,处于A位工步一手臂上升工步二,工步七,工步十三旋转至B位工步三手臂伸出工步四, 工步十手臂下降工步五,工步十一夹紧工件工步六手臂收缩工步八,工步十四旋转至C位工步九放松工件工步十二要确保机械手的各个分解动作可以可靠运行,必须依靠合理的机械结构及可靠的电气控制,一台机械手最重要的参数即为其对物品的抓取及定位的准确,这是一台合格的机械手的灵魂所在,必须保证。3.2 机械手末端抓取系数设计3.2.1 末端抓取系统设计机械手的末端抓取系统是用于抓取物品的重要机构。实现抓取动作的快速、精确及可靠度都会决定一台机械手的性能指标。3.2.1.1 设计时要注意的问题:a. 抓手在拿取物品时,要求有牢固的抓力,为了保证手部抓取动作的稳定性,除了要考虑所承受的载荷外,还要考虑到物品在移动过程中的动态负载。b. 为了适应不同尺寸的抓取,末端抓取系统必须设计为具有张开和闭合的动作,并且开合的尺寸也有讲究。开合的尺寸不仅取决于物品的大小,还要考虑是否会对机械手整体结构及运动过程所干涉。c. 物品在被抓取后,必须确保其稳定性,不得有摇晃的情况发生。d. 整体结构应设计轻巧,从来方便其他结构的设计。e. 尽量的设计成一台可以在不同地方使用的机械手。3.2.1.2 总体结构设计末端抓取机械手通过一个轻巧液压缸驱动,其结构见图如图2-4。此种夹持机构工作原理如下,首先当液压缸1动作后,驱动零件2下降,使手指3往外张开,因此可以驱动弹性爪4抓取物品。这种类型的抓取机构通常用来对含有内孔的物品抓取。图3-4 末端执行器3.2.1.3 液压缸选型及抓取力计算a 液压缸选型因为本次设计的机械手用来抓取的物品为小型带内孔类型,选择型号为Y-HG1-C40/2225LF2HL1Q的液压缸,选择的理由是因为索要抓取的物品重量较轻。机械手设计时,需要知道液压缸的各项数据,见下表2-2。表3-2 冶金设备标准液压油技术规格液压缸体的直径/mm活塞杆直径 /mm管接头尺寸速度比内孔/mm螺纹尺寸1.46 2 40222810M18x1.5b 负载计算1)计算索要抓取物品的最大载荷式中重力加速度选择9.8. 为便于计算,我们选择G=27(N)2) 抓取力的设计:如果要能可靠的将工件抓取,必须要达到如下条件: f为抓取机构与物品的摩擦系数,物品的材质是45钢,抓取机构材料同样为45钢,翻阅文献机械零件手册 表2-5可确定抓取机构与物品的摩擦系数为0.15,N表示机械手在工作时,两手指对工件造成的夹持力,G为抓取物品对机械手产生的负载。所以 为便于计算,我们选择夹持力N=100(N)翻阅文献机械制造装备式4-60可得出夹紧力的方程式是: 为手抓斜面的角度,为机械传递效率翻阅文献机械零件手册表2-2,查得机械的传递效率 为便于计算,我们选择0.85,。 选择查阅文献书籍液压传动与气压传动公式 4-15 符号D表示液压缸的缸体尺寸 (m),符号P代表液压缸在工作时候所需要的液体压力(Pa),查阅文献书籍液压传动与气压传动表9-1负载F/N工作压力p/MPa57取。查阅文献书籍液压系统设计可查得:,所以经过了前面这些分析计算,可知为了能可靠的抓取物品,液压缸所驱动的力F=565N大于抓取物品所需要的力P=500N。故液压缸的校核通过。3.2.1.4 弹性爪的强度校验 弹性爪的结构形式如图3-7: 图3-7 弹性爪结构图弹性爪工作原理是在抓手外面用螺丝固定两块钢板,钢板上安装有弹簧。当弹性爪动作的时候,在弹簧的作用下,可柔性的适应不同物品的大小,并且结构合理,工作可靠。物品与弹簧之间的压力:在上一页,已经计算出机械手夹持物品时的力。因为手爪的材料选择45钢,此材料的剪切应力为 校核通过。所以该机械手手爪的结构设计正确,能满足设计要求。3.2.2 手臂机构的设计 3.2.2.1 手臂的设计要求a、 一台机械手要能完成相应的工作,手臂的设计至关重要。b、 参考设计要求,分析机械手的动作,手臂必须要设计成越轻巧越好,所以手臂的结构及材料的旋转变得至关重要。c、 手臂应尽可能的设计小巧,减小其在动作过程中,对旋转点所产生的惯量和负载,从而减少驱动机构的负载;增强手臂动作的灵活程度。d、 为了减小机械手各相对运动零件之间的间隙配合,增强机械手的定位精度和动作可靠性。我决定使用缓冲机构来增强机构的可靠性。 本机械手其手臂运动方式是电机驱动滚珠丝杆。然后带动手臂实现升降动作,此结构合理,并且装配简单,另外还布置有两根导向轴,避免手臂在运动过程中进行旋转,保证手臂可以随着腰部关节一起动作。其结构如图所示。图3-8 手臂结构图3.2.2.2 伸缩液压油缸的选择网上查阅液压缸生产厂家样本,最终旋转型号为Y-HG1-C50/28100LJ1HL1Q的液压缸,它的主要技术参数如表2-3。 表3-3 冶金设备标准液压油技术规格缸 径 /mm活塞杆直径 /mm油口直径速度比通径/mm联接螺纹1.46 2 50283610M18x1.53.2.2.3 活塞杆的强度校核末端执行器的重量为:10.389Kg。工件重量为:2.64Kg。由静力平衡方MB=0 R1LAB QLBC=0 MA=0 R2LAB QLAC=0求得支反力为: R1=524.88N R2=673.16N 以A点为坐标原点,得剪力图和弯矩图如下:由表得活塞杆=140MPa, =240MPa.则在B处横截面上的剪应力为:B= RB/A= 安全。在B处的弯应力为:B= MB/A= 安全。3.2.3 腰部和基座设计3.2.3.1 结构设计机械手其腰部的回转动作是通过安装在底部的步进电机驱动,为了增大输出力矩,电机配了一台谐波减速机,谐波减速机具有定位精准,减速比大的优点,非常适用于机械手的结构。机械手的升降动作,则是通过安装在顶部的步进电机,与滚珠丝杆相连,电机旋转即可带动手臂向上和向下移动,从而带动滚珠丝杠旋转。为了防止机械手在运动时,发生偏转等情况,我们设置了两根导向轴定位。机械手的底座为了考虑结构的轻巧,使用了槽钢材料,机械手的方案示意如下2-10。此机械手的结构方式类似于环形轴承支撑结构。其传动结构为电机带动一谐波减速机驱动。谐波减速机由于具有传动比大,体积小,传动精度高等特点,被广泛应用于机械手的结构中,其包含有钢轮、波发生器、柔轮等部件。机械手的旋转动作由电机带动柔轮,驱动机械手的底座旋转。其上还布置有传感器,实现机械手的闭环控制。大大的提高了定位精度。1支座,2步进电机,3谐波齿轮,4转动机座5支承工字梁,6滚珠丝杠,7导向柱,8锥环无键联轴器 图3-10 腰部和基座结构图 1支座,2电机,3轴承,4带传动,5壳体6位置传感器,7柔轮,8波发生器,9刚轮 图3-11 环形轴承的机器人机座3.2.3.2 步进电机的选取 机械手的各个关键动力来源为步进电机驱动。步进电机控制方便、定位精度高、体积小,正是因为具有这些优点,所以步进电机被广泛的使用在机械手行业中。 在此机械手中,步进电机我们选择BF类型,此电机输出力矩大,并且定位精度高,性价比不错。型号为:90BF001。电机的相关数据如下: 表3-5电机型号相数步距角/()电压/V最大静转矩/Nm(Kgfcm)最高空载启动频 率/HZ运行频率/HZ转子转动惯量10Kgm分配方式质量/Kg90BF0014 09 80 3.922000800017.64四相八拍45A、传动系统等效转动惯量计算设计机械手的传动时,比如要考虑动作的流畅性。这就是要计算好惯性矩,首先计算好各个关键运动时的惯性矩,然后选择合适的电机。因为有些机构的电机是直接与驱动轴连接,没有减速机,所以就要分别进行计算,以便得到各个关节动作所需要的驱动电机。完成这些计算后,需要对整体系统进行总的转动惯量校核。(1)、电机转子转动惯量的折算由机电综合设计指导表2-18查出=1.764kgcm2(2)、联轴器转动惯量的折算 式中:表示所要抓取物品对机械手产生的负载(Kg),D代表物品的外形尺寸(cm),L表示工件的长度尺寸。假设工件材料为钢,查阅资料,钢的密度是,结合以上各个尺寸,计算得出: (3)、滚珠丝杠转动惯量的折算翻阅参考文献机电综合设计指导表4-2 P119,当滚珠丝杆长度是1000mm时,其转动惯量应该是0.94kgcm2,在本次设计的机械手中,我们选取的丝杠为0.42米长。因此按等比例计算,可以知道该丝杠的转动惯量是:=0.940.42=0.39kgcm2; (4)、手臂转动惯量的折算手臂是抓取工件的重要组成部分,可将它近似的看做一个工作台,机械手在移动时,它作用到滚珠丝杆上的转动惯量可以通过下面公式计算出: 此公式来源是参考文献机电综合设计指导公式(2-6)P8式中,表示丝杠转一圈,丝杠螺母移动的距离(cm);表示机械手臂的重量质量(kg)。所以:(5)系统等效转动惯量计算B、验算矩频特性通常来说,电机的定位力矩指的是步进电机参数表里的最大静转矩,翻阅参考文献机电综合设计指导表2-21可以知道。翻阅参考文献机电综合设计指导公式(2-29)P32,可得出步进电机的理论动作力矩和定位力矩的关系为: 翻阅参考文献机电综合设计指导表2-12 P35可知。因此,当电机在没有载荷额情况下工作,此时的负载为步进电机的空载扭矩。其值通过下面这个方程式计算: 翻阅参考文献机电综合设计指导公式(2-30)P32式中:表示电机在没有负载的情况下启动所需要的扭矩(Ncm);表示电机在没有负载情况下速度从0到达极限速度所需要的扭力(Ncm);代表电机在没有负载情况下,电机轴与线圈之间所产生的扭矩(Ncm); 计算所需要的各分项数据可通过下面这几个方程式得出:(1)加速力矩 翻阅参考文献机电综合设计指导公式(2-32)和(2-33)P32式中:表示电机工作时所需要的旋转惯量;表示电机旋转时,角度变化所需要的最大加速度;代表电机的理论最大速度,当在这个速度下时,动作机构可以达到极限速度;t表示动作机构速度从0开始,达到最高速度,这之间的耗时,表示动作机构所能达到的极限速度;表示电机一个脉冲所偏转的角度,它是表示电机本体精度参数的重要指标;为脉冲当量。(2)、空载摩擦力矩 翻阅参考文献机电综合设计指导公式(2-34)P35式中:表示该传动系统中,各个零件相加起来的总重;代表导向机构之间的摩擦系数;表示机构的传动比;为整个机构运动时的整体工作效率,查阅资料,在这里我们将总效率定位0.8;表示滚珠丝杆旋转一周,丝杠螺母所移动的距离。(3)、附加摩擦力矩 翻阅参考文献机电综合设计指导公式(2-35)P35式中:表示装配时,作用在滚珠丝杆上的压力;单纯代表滚珠丝杆本身的传动效率,查阅资料,在这里我们将滚珠丝杆效率定位0.96。综上所述,步进电机在从静止启动,其电机轴所需要克服的扭矩是:选择的步进电机参数必须要满足其理论启动扭矩大于上面计算所得出的数值,也就是 翻阅参考文献机电综合设计指导公式(2-31)P32从计算结果来看,选择的步进电机可以正常工作。C、启动矩频特性校核步进电机从速度为0开始,启动到最大速度的时候,这个过程的平稳性,很大程度上将决定传动系统的可靠性。在启动过程中,电机速度以恒定的加速度启动,当到达最大速度时,整个启动过程完成。翻阅参考文献机电综合设计指导图2-21 P36,要想得到电机的参数,我们可以从这款电机的特性图中查到:垂直方向坐标轴表示:电机在没有负载的情况下启动所需要的扭矩,此时电机所接受的工作频率。翻阅参考文献机电综合设计指导表2-11 P34,步进电机启动频率,通过以上校核,该电机在运动时并不会出现丢步现象,也就保证了机械手工作时的定位精度。D、运行矩频特性校核步进电机在运动速度最大时,其所能识别的频率用下面这个方程解得: 翻阅参考文献机电综合设计指导公式(2-36)P36式中:表示动作机构所能达到的极限速度。计算后可知。快进力矩的计算公式: 翻阅参考文献机电综合设计指导公式(2-37)P37式中:为附加摩擦力矩, 为快进时,折算到电机轴上的摩擦力矩。算得:。翻阅参考文献机电综合设计指导图2-22 P36,从所选步进电机的特性图中,可以得到各项参数,比如:快进力矩对应的允许快进频率;通过以上校核,该款电机型号为90BF001,在运动时并不会出现丢步现象,而且也保证了输出力矩。3.2.3.3 轴承的选取 a、外形为圆柱形的轴承是机械手底座的重要组成部分,它的应用场合是工业机械手,可以说是机械手设计中所要用到的专业轴承,其特点是尺寸精确、负载大、比一般常用轴承结构更合理。 b、滚珠丝杆的一端安装的轴承类型是圆锥滚子轴承,型号为30204, 这个轴承的相关数据为:型号轴承所能承受的载荷正常工作时所能达到的最大速度 r/min动载荷Ca /KN静载荷C0a /KN 脂润滑油润滑 3020428.230.58000100003.3 工业机器人的机械传动装置的选择3.3.1 滚珠丝杠的选择 初步确定参数:丝杠工作时所承受的载荷Fm=1000N,丝杠的最大工作距离420mm,丝杠的最大工作转速nm=1500r/min,丝杠可以正常工作所持续的时间Lh=15000h左右,机构工作时不得超过其极限温度100,可靠度95%,各项参数精度等级为3级。A、 计算载荷Fc=翻阅参考文献 上册,表15-21得= 1.1,= 1.0 ,=1.61,= 1 Fc= = 1.11.01.6111000 = 1771 N = = = 19559 NB、 选择滚珠丝杆副的型号通过查阅资料,及滚珠丝杆的样本,最终选择如下:按= 19559N,翻阅参考文献机电一体化设计基础表2-9,选用上银品牌的C1型滚珠丝杠,系列代号为FYC1-4008-2.5。= 40 mm,=8 mm,=4 mm,d=39mm,滚珠直径d0=3.969mm 滚道半径 R= 偏心距 e=丝杠内径 27 mm,=24000N,=1880 N螺旋导程角 = arctan = arctan = 338因为丝杠的长度并不长,所以不需要校核其强度。 C、刚度验算校核丝杠的刚度时,我们假设一种最差的工作情况,就是在工作时,丝杠在受到电机旋转时,轴向变形叠加上丝杠螺母产生的轴向变形,这个时候,丝杠的变形最为严重,具体数值可由下面公司得到: = + 式中 T1 = tan( +) = 1000tan(+) = 1321 Nmm磨擦系数f = 0.025, 当量磨擦角= ,剪切弹性模量 G=8.33 N/mm2所以:= + = 0.0387 m 其中,危险截面= 35.76,E = 2.06丝杠的轴向变形量换算到长度上时,每米可达 = 6.6/m ()p =15/m因为滚球丝杆精度要求为3级精度,由表15-8查得()p = 15/m最终可知,丝杠的校核正确。D、计算效率 = = = 0.960 = 96%3.3.2 谐波齿轮的选择 正是因为谐波减速机具有定位精准,减速比大的优点,所以非常适用于机械手的结构。 谐波减速机其包含有钢轮、波发生器、柔轮等部件。机械手的旋转动作由电机带动柔轮,驱动机械手的底座旋转。其上还布置有传感器,实现机械手的闭环控制。大大的提高了定位精度。型号XB1-80-100-2-3/3机型号100,既柔轮的公称内径为80mm减速比100 精度等级,最大空回小于3分(角)/最大传动误差小于3分(角)3.3.2 联轴器的选择 所选择的联轴器可实现电机轴与丝杠轴的扭矩传递,并且到两根轴有轻微不同心时,也能保证机构的正常运行。图3-12代表了该联轴器的具体结构,它不允许用于功率传输的反向间隙。在具体工作时,螺栓5对压圈产生轴向力固定,内外环2因为受到压圈内部轴向力而产生了变形,进而对两端的轴产生径向摩擦力,从而将两者通过摩擦力结合在一起,并且由于内外环材料为柔性的,当两根轴有轻微不同心时,也能保证机构的正常运行。 此类联轴器可以适应工作环境较差的情况下,因为它具有各种优点,比如负载大、传递扭矩时损失的效率低、工作转速高、并具有在受到较大扭矩时,自身打滑,从而保护传动机构。1套筒,2内外环,3压圈,4轴,5螺栓 图 3-12 消隙联轴器第四章 工业机器人的计算机控制系统概述4.1 工业机器人控制系统的特点及对控制功能的基本要求机械手通常含有多个活动关节。各个活动关节都含有各自的控制系统。它们之间必须相互配合,从来实现机械手的完整动作。该配合系统由电脑控制。由此说来,机械手的整套控制系统就代表一个电脑操作系统。机械手的各个功能,由控制系统统一控制,从而完成一套整个动作要求。在实际工作时,机械手按照设定要求完成动作,并且在这过程中,必须保持各个关节动作的稳定性及定位精确性。控制机械手的系统要求一般由以下功能特点:A、用于完成机械手位置、动作速度等 控制机械手工作的方式,通常有以下两类。 1)点位控制方式(PTP控制) 这种控制要求只保证机械手完成一个动作时,最终位置的准确性,只要保证这点就可以了,不考虑中间过程的控制方式。这种控制方式要求较简单,但同样有缺点,就是很难获得较高的定位精度。它的应用场合是一些比较低端的流水线上,比如工件的搬运、电路板焊接工序中元器件的放入等。2)连续轨迹控制方式(CP控制)这种控制方式要求保证机械手完成一个动作时,
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