三自由度圆柱坐标型工业机器人设计（含全套CAD图纸三维建模）
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三自由度圆柱坐标型工业机器人 - 1 - 目 录 目录 1 中文摘要 2 2 第 1章 绪论 3 第 2章 工业机器人的总体设计 3 业机器人的组成及各部分关系概述 3 业机器人的设计分析 4 计要求 5 体方案拟定 5 业机器人的主要技术参数 5 第 3章 工业机器人的机械系统设计 6 业机器人的运动系统分析 6 器人的运动概述 6 器人的运动过程分析 7 业机器人的执行机构设计 8 端执行机构设计 8 臂机构设计 11 部和基座设计 12 业机器人的机械传动装置设计 18 珠丝杠的选择 18 波齿轮的选择 19 轴器的选择 20 第 4章 工业机器人的计算机控制系统概述 20 业机器人 控制系统的特点及对控制功能的基本要求 21 算机控制系统的设计方案 22 件电路的组成 22 第 5章 工业机器人运行时应采取的安全措施 22 全要求 22 施方法 23 鸣谢 23 参考文献 24 三自由度圆柱坐标型工业机器人 - 2 - 中文摘要 在工业上，自动控制系统有着广泛的应用，如工业自动化机床控制，计算机系统，机器人等。而工业机器人是相对较新的电子设备，它正开始改变现代化工业面貌。本设计为三自由度圆柱坐标型工业机器人，其工作方向为两个直线方向和一个旋转方向。在控制器的作用下，它执行将工件从一 条流水线拿到另一条流水线这一简单的动作 ,本文是对整个设计工作较全面的介绍和总结。 关键词： 三自由度，圆柱坐标，工业机器人 三自由度圆柱坐标型工业机器人 - 3 - in as to of a It is of 自由度圆柱坐标型工业机器人 - 4 - 三自由度圆柱坐标型工业机器人设计 第一章 绪论 机器人工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我 国科技界跟踪国际高科技发展的重要方面。工业机器人的研究、制造和应用水平，是一个国家科技水平和经济实力的象征，正受到许多国家的广泛重视。 目前，工业机器人的定义， 世界各国尚未统一，分类也不尽相同。最近联合国国际标准化组织采纳了美国机器人协会给工业机器人下的定义：工业机器人是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件。参考国外的定义，结合我国的习惯用语，对工业机器人作如下定义： 工业机器人是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化程度高的自动操作机械。主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸工件或夹具。 工业机器人以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运更重的东西， 而且定位精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行各种操作。 工业机器人的发展，由简单到复杂，由初级到高级逐步完善，它的发展过程可分为三代： 第一代工业机器人就是目前工业中大量使用的示教再现型工业机器人，它主要由手部、臂部、驱动系统和控制系统组成。它的控制方式比较简单，应用在线编程，即通过示教存贮信息，工作时读出这些信息，向执行机构发出指令，执行机构按指令再现示教的操作。 第二代机器人是带感觉的机器人。它具有寻力觉、触觉、视觉等进行反馈的能力。其控制方式较第一代工业机器人要复杂得多，这种机器人从 1980 年 开始进入了实用阶段，不久即将普及应用。 第三代工业机器人即智能机器人。这种机器人除了具有触觉、视觉等功能外，还能够根据人给出的指令认识自身和周围的环境，识别对象的有无及其状态，再根据这一识别自动选择程序进行操作，完成规定的任务。并且能跟踪工作对象的变化，具有适应工作环境的功能。这种机器人还处于研制阶段，尚未大量投入工业应用。 三自由度圆柱坐标型工业机器人 - 5 - 第 2 章 工业机器人的总体设计 业机器人的组成 及各部分关系概述 图 2工业机器人的组成图 它主要由 机械系统 (执行系统、驱动系统 )、控制 检测 系统及 智能系统 组成。 A、 执行系统：执行系统是工业机器人完成抓取工件，实现各种运动所必需 的机械部件，它包括手部、腕部、机身等。 （ 1） 手部：又称手爪或抓取机构，它直接抓取工件或夹具。 （ 2） 腕部：又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变手部的工作方位。 （ 3） 臂部：是支承腕 部的部件，作用是承受工件的负 荷，并把它传递到预定的位置。 （ 4） 机身：是支承手臂的部件，其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。 B、 驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的 机械传动、液压传动、气压传动 和电传动。 C、 控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。 D、 检测系统：作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求。 三自由度圆柱坐标型工业机器人 - 6 - 图 2各部分关系图 业机器人的 设计分析 计要求 综合运用所学知识 ,搜集有关资料独立完成三自由度圆柱坐标型工业机器人操作机和驱动 单元的设计工作 。 原始数据：自动线上有，两条输送带之间距离为 设计工业机器人将一零件从 A 带送到 B 带。 零件 尺寸：内孔 100，壁厚 10，高 100。 零件材料： 45 钢 。 体方案拟定 在工业机器人的诸多功能中，抓取和移动是最主要的功能。这两项功能实现的技术基础是精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动。本次设计就是在这一思维下展开的。根据设计内容和需求确定圆柱坐标型工业机器人，利用步进电机驱动和谐 波齿轮传动来实现机器人的旋转运动；利用另一台步进电机驱动滚珠丝杠旋转，从而使与滚珠丝杠螺母副固连在一起的手臂实现上下运动；考虑到本设计中的机器人工作范围不大，故利用液压缸驱动实现手臂 的伸缩运动；末端夹持器则采用内撑连杆 杠杆 式夹持器，用小型液压缸 驱动夹紧。 图 2机器人外形图 业机器人主要技术性能参数 三自由度圆柱坐标型工业机器人 - 7 - 工业机器人的技术参数是说明其规格和性能的具体指标。主要技术参数有如 下： A、 抓取重量： 抓取重量是用来表明机器人负荷能力的技术参数，这是一项主要参数。这项参数与机器人的运动速度有关，一般是指在正常速度下所抓取的重量。 B、 抓取工件的极限尺寸： 抓取工件的极限尺寸是用来表明机器人抓取功能的技术参数，它是设计手部的基础。 C、 坐标形式和自由度： 说明机器人机身、手部、腕部等共有的 自由度数及它们组成的坐标系特征。 D、 运动行程范围： 指执行机构直线移动距离或回转角度的范围，即各运动自由度的运 动量。根据运动行程范围和坐标形式就可确定机器人的工作范围。 E、 运动速度： 是反映机器人性能的重要参数。通常所指的运动速度是机器人的最大运动速度。它与抓取重量、定位精度等参数密切有关，互相影响。目前，国内外机器人的最大直线移动速度为 1000mm/s 左右，一般为 200 400mm/s；回转速度最大为180/s，一般为 50/s。 F、 定位精度和重复定位精度： 定位精度和重复定位精度是衡量机器人工作质量的一项 重要指标。 G、 编程方式和存储容量。 本设计 中 的 三自由度圆柱坐标型工业机器人的 有关技术参数 见表 1 表 1械手类型 三自由度圆柱坐标型 抓取重量 由度 3个（ 1个回转 2个移动） 机座 长 120转运动，回转角 180 ，步进电机驱动 单片机控制 腰部机构 长 680缩运动， 升降 范围 450步进电机驱动 单片机控制 手臂机构 长 826伸缩运动，伸缩范围 50液压缸驱动 行程开关控制 末端执行器 液压 缸驱动 行程开关控制 三自由度圆柱坐标型工业机器人 - 8 - 第 3章 工业机器 人的机械系统 设计 业机器人的 运动系统 分析 器人的运动概述 工业机器人的运动，可从工业机器人的自由度，工作空间和机械结构类型等三方面来讨论。 如图 2示，为工业机器人机构的简图。 图 3机构简图 a 工业机器人的运动自由度 所谓机器人的运动自由度是指确定一个机器人操作位置时所需要的独立运动参数的数目，它是表示机器人动作灵活程度的参数。 本设计的工业机器人具有四转 动 副和移动副两种运动副，具有手臂伸降，旋转，前后往复三自由度。 b 机器人的工作空间和机械结构类型 （ 1）工作空间 工作空间是指机器人正常运行时，手部参考点能在空间活动的最大范围，是机器人的主要技术参数 ，工作空间图如图 3 三自由度圆柱坐标型工业机器人 - 9 - 图 3工作空间图 （ 2）机械结构类型 圆柱坐标型为本设计所采用方案，这种运动形式是通过一个转动，两个移动，共三个自由度组成的运动系统（代号 工作空间图形为圆柱形。它与直角坐标型比较，在相同的工作条件下，机体占体积小，而运动范围大。 器人的运动 过程分析 工业机器人的运动过程中各动作 如 图 3表 3 图 3表 3器人开机 ，处于 工步一 手臂上升 工步二，工步七 ，工步十三 旋转至 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 工步九 放松工件 工步十二 实现运动过程中的各工步是由工业机器人的控制系统和各种检测原件来实现的， 这里尤其要强调的是机器人对工件 的定位夹紧的准确性，这是本次设计成败 之关键所在。 业机器人的执行机构设计 末端执行机构设计 工业机器人 的 末端执行机构设计 是用来抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、准确和牢靠程度都将直接影响到工业机械手的工作性能，它是工业机械手的关键三自由度圆柱坐标型工业机器人 - 10 - 部件之一。 计时要注意的问题： a. 末端执行机构 应有足够的夹紧力，为使手指牢靠的夹紧工件，除考虑夹持工件的重力外，还应考虑工件在传送过程中的动载荷。 b. 末端执行机构 应有一定的开闭范围。其大小不仅与工件的尺寸有关，而且应注意手部接近工件的运动路线及其方位的 影响。 c. 应能保证工件在 末端执行机构 内准确定位。 d. 结构尽量紧凑重量轻，以利于腕部和臂部的结构设计。 e. 根据应用条件考虑通用性。 总体 结构设计 采用内撑连杆杠杆式夹持器，用小型液压缸驱动夹紧，它的结构形式如图 2撑连杆杠杆式夹持器采用四连杆机构传递撑紧力，即当液压缸 1 工作时，推动推杆 2 向下运动，使两钳爪 3 向外撑开，从而带动弹性爪 4 夹紧工件。该种夹持器多用于内孔薄壁零件的夹持。 图 3末端执行器 液压油缸的选择和夹紧力的校验 a 初选油缸 型号 考 虑到 所要夹持的 是很小的薄壁零 件， 最大工作载荷 很小，故 初选液压缸型号为2 25的主要技术参数如表 2 表 3冶金设备标准液压油技术规格 缸 径 /塞杆直径 /口直径 速度比 通径 /接螺纹 2 40 22 28 10 b 夹紧力校验 三自由度圆柱坐标型工业机器人 - 11 - 1） 零件的计算 222239()3 . 1 4 ( 6 0 5 0 ) 1 0 03 4 5 4 0 0 ( )3454007 8 0 0 9 . 8 2 6 . 4 ( )10V R r m g v g N 其中 取 G=27（ N） 2） 紧力的计算： 要夹持住零件必须满足条件： f 为手指与工件的静摩擦系数，工件材料为 45 号钢，手指为钢材，查机械零件手册 表 2f= 所以 )(72 取 N=100（ N） 由机械制造装备式 4动力的计算 公式为： 2 / ( )P b N tg c 为斜面倾角， ， 为传动机构的效率，这里为平摩擦传动， 查机械零件手册表 2 这里取 b=c=29 取 p=500(N)压传动与气压传动公式 4 4 2 m)， P 为工作压力（ ,由液压传动与气压传动表 9载 F/N 50000 工作压力 p/ 7 取 p=由液压系统设计可查得：m=所以 6 1040(232 由以上计算可知液压 缸能产生的推力 F=565N 大于 夹紧工件 所需的推力 P=500N。所以该液压缸能够满足要求。 性爪的 强度 校验 弹性爪的结构形式如图 3 三自由度圆柱坐标型工业机器人 - 12 - 图 3 弹性爪结构图 这种结构是在 手 爪外侧用螺钉固定弹簧 板两端固定。当弹性手工作时，由于夹紧过程具有弹性，就可以避免易损零件被抓伤，变形和破损。 工件与弹簧片间的力： 由上节可知 F=100N。 则弹簧爪截面上的剪应力为 =30 =Q/A= 510110202 1002 33 M P 满足强度要求 。 手臂机构的设计 手臂的设计要求 a、 手臂的结构和尺寸应满足机器人完成作业任务提出的工作空间要求 b、 根据手臂所受载荷和结构的特点，合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料。 c、 尽量减小手臂重量和相对其关节回转轴的转动惯量和偏重力矩，以减小驱动装置的负荷；减少运动的动载荷与冲击，提高手臂运动的响应速度。 d、 要设法减小机械间隙引起的运动误差，提高运动的精确性和运动刚度。采用缓冲和限位装置提高定位精度。 本设计 中手臂由滚珠丝杠驱动实现上下运动，结构简单，装拆方便，还设计有两根导柱导向，以防止手臂在滚珠丝杠上转动，确保手臂随机座一起转动。它的结构如下图。 三自由度圆柱坐标型工业机器人 - 13 - 图 3 手臂结构图 选用轴向脚架型液压缸，活塞杆末端为外螺纹结构，手臂与末端执行器连同活塞杆一起转动。 伸缩 液压油缸的选择 选液压缸型号为 8 100的主要技术参数如表 2 表 3冶金设备标准液压油技术规格 缸 径 /塞杆 直径 /口直径 速度比 通径 /接螺纹 2 50 28 36 10 活塞杆的强度校核 末端执行器的重量为 ： 工件重量为： 由静力平衡方 Q Q 求得支反力为： 2= A 点为坐标原点， 得剪力图和弯矩图如下： 由 表得活塞杆 =140 =240三自由度圆柱坐标型工业机器人 - 14 - 则在 B 处横截面上的剪应力为： B= =028( M P 在 B 处的弯应力为： B= =028( M P 腰部和基座设计 结构设计 通过安装在支座上的步进电机 和谐波齿轮 直接驱动 转动机座转动，从而实现机器人的旋转运动，通过安装在 顶部 的 步进电机和 联轴器带动滚珠丝杠转动 实现手臂的上下移动。采用了双导柱导向， 以防止手臂在滚珠丝杠上转动，确保手臂随机座一起转动 。 支撑梁采用槽 钢 ，以减轻重量和节省材料 ，它的结构如图 2 该种设计采用了环形轴承的机器人支承结构。它由电动机 2 直接驱动一杯形 柔轮谐波减速器。这种谐波减速器只有刚轮 9、柔轮 7 和谐波发生器 8 三大件，而无单独的外壳（这种结构有利于传动系统的小型化、轻型化）。由柔轮 7 输出低速的回转运动带动与之固联的机座回转壳体 5 实现手臂的回转运动。齿形皮带传动 4 和位置传感器 6 作为机座用来检测手臂机座的角位移 。 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腰部和基座 结构图 三自由度圆柱坐标型工业机器人 - 15 - 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形轴承的机器人机座 步进电机的选取 工业 机器人的旋转和上下移动采用了步进电机驱动 ， 下面就给出各种驱动方式的比较，以作为选取步进电机 作为驱动方式 的依据。 表 3各种驱动方式比较 比较内 容 驱动方式 机械传动 电机 驱动 气压传动 液压传动 异步电机，直流电机 步进或伺服电机 输出力矩 输出力矩较大 输出力可较大 输出力矩较小 气体压力小，输出力矩小，如需输出力矩较大，结构尺寸过大 液体压力高，可以获得较大的输出力 控制性能 速度可高，速度和加速度均由机构控制，定位精度高，可与主机严格同步 控制性能较差，惯性大，步易精确定 位 控制性能好，可精确定位，但控制系统复杂 可高速，气体压缩性大，阻力效果差，冲击较严重，精确定位较困难，低速步易控制 油液压缩性小，压力流量均容易控制，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制 应用范围 适用于自由度少的专用机械手，高速低速均能适用 适用于抓取重量大和速度低的专用机械手 可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手 中小型专用通用机械手都有 中小型专用通用机械手都有，特别时重型机械手多用 由上表可知步进电机 应用于驱动工业机器人有着许多无可替代的优点 ，如控制性能好，可精确定位 ，体积较 小可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机 械手等， 下面 就 对三自由度圆柱坐标型工业机器人 - 16 - 步进电机的型号进行选取。 初选电机为 号为： 90它的有关技术参数如下表： 表 3机型号 相数 步距角 /（） 电压 /V 最大静转矩 /N m(最高空载启动频 率 /行频率 /子转动惯量 105 分 配方式 质量 /0 0 9 80 000 8000 相八拍 4 5 A、 传动系统等效转动惯量计算 传动系统的 转动惯量是一种惯性负载 ,在电机选用时必须加以考虑。由于传动系统的各传动部件并不都与电机轴同轴线，还存在各传动部件转动惯量向电机轴折算 的 问题。最后，要计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量，即传动系统等效转动惯量。 （ 1）、电机转子转动惯量 折算 由机电综合设计指导表 2出 2）、联轴器转动惯量 折算 )/(8 22 式中： D 为圆柱体直径（ ,L 为圆柱体长度。 对于钢材，材料密度为 )3 ,把 数据代入上式得： )(2 （ 3）、滚珠丝杠转动 惯量查机电综合设计指导表 4119，得出 1m 长的滚珠丝杠的转动惯量为 杠长度 L 420以滚珠丝杠转动惯量： （ 4）、 手臂转动 惯量工作台是移动部件，其移动质量折算到滚珠丝杠轴上的转动惯量 20 )2( 见 机电综合设计指导公式（ 2中，0 M 为工作台质量（ 所以： 2220 ( 三自由度圆柱坐标型工业机器人 - 17 - （ 5）系统等效转动惯量 J 计算 22 9 4.1 B、 验算矩频特性 步进电机最大静转矩电机的定位转矩，从 机电综合设计指导表 2 a x。步进电机的名义启动转矩 m M 见 机电综合设计指导公式（ 2机电综合设计指导表 235得 以， 进电机所需空载启动力矩可按下式计算： 0见 机电综合设计指导公式（ 2中：N算到电机轴上的加速力矩 （ N擦力矩 （ N 有关 （ 1）加速力矩 36010602m a xm a a 见 机电综合设计指导公式（ 2（ 2中： J 为 传动系统等效转动惯量； 为电机最大角加速度；t 为运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间，b为初选步进电机的步距角；p为脉冲当量。 m a xm a x a 2m a x （ 2）、空载摩擦力矩 三自由度圆柱坐标型工业机器人 - 18 - 2 0 见 机电综合设计指导公式（ 2中： G 为运 动部件的总重量； f 为导轨摩擦系数； i 齿轮传动降速比； 为传动系数总效率，取 （ 3）、附加摩擦力矩 2000 12 J 见 机电综合设计指导公式 （ 2中：为滚珠丝杠未预紧时的传动效率，现取0 14 20 所以， 步进电机所需空载启动力矩： 1 4 选电机型号应满足步进电机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转矩，即M 见 机电综合设计指导公式（ 2上式可知电机初步满足要求。 C、 启动矩频特性校核 步进电机启动有突跳启动和升速启动。突跳启动很少使用。升速启动是步进电机从静止状态开始逐渐升速，在零时刻，启动频率为零。在一段时间内，按一定的升速规律升速。启动结束时，步进电机达到了最高运行速度。 查看机电综合设计指导图 236，从 90 特性图中，可查得： 纵向： 空载启动力矩应的允许启动频率f 2100。查 机电综合设计指导表 234，步进电机 150 2000， 所以所选电机不会丢步。 D、 运行矩频特性校核 步进电机的最高快进运行频率 01000 m 见 机电综合设计指导公式（ 2中：速度。算得 f 。 快进力矩 三自由度圆柱坐标型工业机器人 - 19 - 0见 机电综合设计指导公式（ 2中：0 算到电机轴上的摩擦力矩。算得： 1 . 9 7 81 . 4 2 80 . 5 50 。 查看机电综合设计指导图 236，从 90行矩频特性图中，可知： 快进力矩 0 . 0 1 9 7 81 . 9 7 8 对应的允许快进频率； 所以 ,所用的电机都满足快速进给运行矩频特性要求。 综上所述，所选用的步进电机 90以使用。 轴承的选取 a、环形轴承 3作为机座的支 承原件，是为机器人研制的专用轴承，具有宽度小 、直径大、精度高、刚度大、 承 载 能力高（可 承受径向力、轴向力和倾覆力矩 ）、装置方便等特点价格高。 b、 丝杠下部装 有 圆锥滚子 轴承，型号为 30204， 它的有关参数如下： 轴承代号 基本额定 极限转速 r/载荷 载荷 润滑 油润滑 30204 000 10000 业机器人的 机械传动 装置 的 选择 滚珠丝杠的选择 估算：等效载荷 1000 N , 丝杆有效行程 420 等效转速 1500 r/ 要求使用寿命 L h = 15000 h 左右，工作温度低于 100 ，可靠度 95%，精度为 3 级精度。 A、 计算载荷 K tK 上册，表 15 ， ， ， 1 K tK 1 1000 = 1771 N aC = 3 m 自由度圆柱坐标型工业机器人 - 20 - = 3 4 50001500 = 19559 N B、 选择滚珠丝杆副的型号 主要尺寸为： 按 aC = 19559N，查 机电一体化设计基础 表 2用 汉江机床厂 滚珠丝杠，系列代号为 0D= 40 8 d = 39珠直径 道半径 R= 6 偏心距 e= 0 (丝杠内径 6 2 201 d 27 4000 N , 880 N 螺旋导程角 = = 338 螺杆不长，无需验算稳定性。 C、 刚度验算 按最不利情况考虑，即在螺距 (导程 )内受轴向力引起的弹性变形与受转矩引起弹性变形方向一致，此时变形量为最大，计算公式为： S= 4122 + 21中 2d0+v) = 1000240 383 + 408 ) = 1321 N擦系数 f = 当量磨擦角 v= 408 ， 剪切弹性模量 G=410 N/以：S= 1 3 2 116 + 25 04 = m 其中，危险截面 1d = E = 米螺杆长度上的螺矩的弹性变形 = 6.6 m /m (p = 15 m /m 三自由度圆柱坐标型工业机器人 - 21 - 因为滚球丝杆精度要求为 3 级精度，由表 15得 (p = 15 m /m 所以其刚度满足要求。 D、 计算效率 = = 40838383 = 96% 谐波齿轮 的选择 谐波齿轮的特点，与一般齿轮传动相比，有如下特点： a、 传动比大。一级谐波齿轮减速比可以在 50 500之间，在只传递运动的装置中可达 1000。采用多级或复波式传动时，传动比可以 更大。 b、 这种传动同时啮合的齿数多 ，可达总齿数的 30% 40%。故承 载能力大。 c、 运动误差小，无冲击，齿的磨损小 ，传动精度高，传动平稳。 d、 效率高（ 减速传动下，一般可达 结构简单，零件少，重量轻。在承载能力和传动比相同的条件下，比一般齿轮减速器的体积和重量约减少1/2 1/3。 e、 缺点是起动力矩大，柔轮 易疲劳损坏，故柔轮的材料和热处理条件要求高。传动比小于 35 时不能采用谐波传动。 由于谐波减速传动装置明显的优点，已广泛用于机器人和其它机电一体化机械设备中。 本设计中的谐波齿轮 采用带杯形柔轮的谐波传动组合件。它是由三个基本构件构成的 ，带凸缘的环形刚轮，杯形的柔轮和柔性轴承、椭圆盘构成的波发生器。 型号 机型号 100，既柔轮的公称内径为 80速比 100 三大件订货 精度等级，最大空回小于 3分（角） /最大传动误差小于 3分（角） 轴器的选择 该机构利用锥环对之间的磨擦实现与毂之间的无间隙连接传递转矩，且可任意调节两面联接件之间的角度位置。通过选择所用锥环的对数，可传递不同大小的转矩。 图 2示为采用锥环（锥环夹紧环）无键消隙联轴器，可使动力传递没有反向间隙。螺钉 5 通过压圈 3 施加轴 向力时，由于锥环之间的楔紧作用，内外环 2 分别产生径向弹性变形，消除轴 4与套筒 1 之间的配合间隙，并产生接触压力，通过磨擦传递转矩，而且套筒 1 与轴 4 之间的角度位置可以任意调节。 这种联轴器定心性好，承载能力高，传递功率大、转速高、使用寿命长，具有过载保护能力，能在受振动和冲击载荷等恶劣环境下连续工作，安装、使用和维护方便，作用于系统中的载荷小、噪声低。 三自由度圆柱坐标型工业机器人 - 22 - 1 套筒， 2 内外环， 3 压圈， 4 轴， 5 螺栓 图 3隙联轴器 三自由度圆柱坐标型工业机器人 - 23 - 第四 章 工业机器人的计算机控制系统 概述 业机器人控制系统的特点 及对控制 功能的 基本要求 工业机器人具有多个自由度，每个自由度一般包括一个伺服机构，它们必须协调起来，组成一个多变量控制系统。这种多变量的控制系统，一般要用计算机来实现。因此，机器人控制系统也是一个计算机控制系统 。控制系统的功能是控制机器人操作机的运动和操作以满足作业的要求。在作业中机器人的工作任务是要求操作机的末端执行器按点位或轨迹运动，并保持设定的姿态。 在运动中或在规定的某点位执行作业规定 的操作。对工业机 器人的控制功能大致有如下的基本要求和特点。 A、实现对位姿、速度、加速度等的控制功能 在机器人的各类作业中，运动和控制方式主要有两种。 1）点位控制方式（ 制） 这种控制方式考虑到末端执行器在运动过程中只在某些规定的点上进行操作，因此只要求末端执行器在目标点处保证准确的位姿以满足作业质量要求。而对达到目标点的运动轨迹（包括移动的路径和运动的姿态）则不作任何规定， 这种控制方式易于实现，但不易达到较高的定位精度，适用于上下料、搬运、点焊和在电路板上安插元件等只要求在目标点保持末端执行器准确的位 姿的作业中。 2）连续轨迹控制方式（ 制） 这种控制方式要求末端执行器严格按规定的轨迹和速度在一定精度要求内运动，以完成作业要求，这种必须保证机器人各关节连续、同步地实现相应的运动。这种连续轨迹运动，可看成是若干密集轨迹曲线。若设定的点足够密，就能用点位控制的方法实现所需精度的连续轨迹运动。 B、存储和示教功能 要使机器人具有完成预定作业的功能，须先将要完成的作业示教给机器人，这个操作过程称为示教，将示教内容记录下来，称为存储。使工业机器人按照存储的示教内容进行动作，称为再现。所以工业机器人的动作 是通过示教 存储 再现的过程实现的。 C、对外部环境的检测和感觉功能。 算机控制系统的设计方案 控制系统采用二级计算机控制方式，选用 80列 第一级机担负管理，示教编程，控制再现，轨迹正逆运算，机器人语言的编辑和编译，通过串行通讯方式传送给二级机做位置给定。第二级机负责位置伺服控制软件的计算，位置检测等工作，根据插补算出的各关节位置增量做位置给定。 一级机与示教盒通讯采用串行 口，既接收示教盒信息，完成示教动作，又向示教盒发送信息，显示示教情况。还可以连 接软驱， 端。 二级机接口电路将计算机输出数字量转换成相应的模拟量，驱动伺服控制系统，选用速度单元，伺服电机及光电编码盘等伺服调速系统。 三自由度圆柱坐标型工业机器人 - 24 - 4器人控制系统框图 件电路的组成 图 3采用 列单片机组成的控制系统硬件电路原理图。电路的组成如下： i. 主从 采用 8031 芯片； 主从 扩展程序存储器 27256 一片，扩展数据存储器 62256 一片； 主 展可编程串行通信接口芯片 8251A 一片；可编程多功能接口芯片 8155 一片；电平转换芯片 片； 从 展可编程多功能接口芯片 8155 六片； D/A 转换器 片；运算放大器 率放大器六片；光电编码器六片； v. 地址锁存器、译码器各两片； 键盘电路，显示电路； 光电编码电路，功率放大电路； 报警电路，暂停、急停电路，复位电路； 三自由度圆柱坐标型工业机器人 - 25 - 第五章 工业机器人运行时应采取的安全措施 有 些国家已经颁布了关于机器人的安全法规和相应的规程 ,国际标准化协会也有 业机器人安全规范 ( 在工业机器人的生产厂家，有严格的管理规定和详尽的技术保障体系。 在机器人应用工程中，要参照有关规程、规范以 及 工业机器人的说明资料，注意落实安全措施，杜绝发生机器人伤人或其它事故。 全要求 工业机器人 能代替人在危险有害的环境中 作业。但又给人另一种危险，即 机 器 人伤人事故。这是工业机器人安全管理的最为重要的一条原则。此外，除了通用的工业安全规程外，还要注意工业机器人的特殊性，采取相应可靠的对策。 对工业机器人应用工程的安全要求有如下几条： a、 必须为工业机器人和周边设备安装安全 护栏，以防止人靠 近而造成伤害。工业机器人的动作范围不能超越 护栏。 b、 在护栏 出入口的门上必须设置插 拔式电接点点开关，其插座有导线与控制系统的电路连接。只有拔 下开关的插头，才能打开对应的门。这时，工业机器人及 周边设备停止运转，并且将工业机器人锁定在示教模式。 c、 在距操作者 的地方设置紧急停止开关。按下此开关，工业机器人和有关的设备立即停止运转。 d、 在人机结合部设置传感器。当操作者在此处 上、下料
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