三自由度圆柱坐标搬运机械手设计及模拟仿真（全套含CAD图纸及三维图纸模型仿真视频）
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三自由度圆柱坐标搬运机械手设计及模拟仿真 - 1 - 摘 要 本设计中机械手可模仿人的动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求设计为夹持型。运动机构，使手部完成各种转动、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械 手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有3 个自由度。 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 三自由度圆柱坐标搬运机械手设计及模拟仿真 - 2 - to of to a or It in to of in to is in by of is of to by of as . to a of or to to of by is as to an of of is of of of in as to of a It is of 自由度圆柱坐标搬运机械手设计及模拟仿真 - 3 - 目 录 摘 要 . - 1 - . - 2 - 目 录 . - 3 - 第 1 章 绪论 . - 5 - 第 2 章 工业机器人的总体设计 . - 6 - 业机器人的组成 及各部分关系概述 . - 6 - 业机器人的设计分析 . - 7 - 计要求 . - 7 - 体方案拟定 . - 7 - 业机器人主要技术性能参数 . - 8 - 第 3 章 工业机器人的机械系统设计 . - 10 - 业机器人的运动系统分析 . - 10 - 器人的运动概述 . - 10 - 器人的运动过程分析 . - 11 - 业机器人的执行机构设计 . - 12 - 末端执行机构设计 . - 12 - 手臂机构的设计 . - 15 - 腰部和基座设计 . - 17 - 业机器人的机械传动装置的选择 . - 22 - 滚珠丝杠的选择 . - 22 - 谐波齿轮的选择 . - 24 - 轴器的选择 . - 24 - 4 滚珠丝杠螺母副的选型与计算 . - 26 - 升机构滚珠丝杠副的计算及选型 . - 26 - 算提升力 . - 26 - 算最大动负载 . - 27 - 珠丝杠螺母副的选型 . - 28 - 动效率的计算 . - 28 - 度验算 . - 28 - 杠拉伸或压缩变形量 . - 29 - 滚珠与螺纹滚道间的接触变形 . - 29 - 支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 . - 30 - 伸缩机构滚珠丝杠副的计算及选型 . - 30 - 算伸缩引力 . - 30 - 算最大动负载 C . - 30 - 珠丝杠螺母副的选型 . - 31 - 动效率的计算 . - 31 - 三自由度圆柱坐标搬运机械手设计及模拟仿真 - 4 - 度验算 . - 32 - 珠丝杠几何参数 . - 32 - 第 5 章 工业机器人运行时应采取的安全措施 . - 34 - 全要求 . - 34 - 施方法 . - 34 - 致 谢 . - 36 - 参考文献 . - 37 - 三自由度圆柱坐标搬运机械手设计及模拟仿真 - 5 - 第 1 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。 三自由度圆柱坐标搬运机械手设计及模拟仿真 - 6 - 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。 三自由度圆柱坐标搬运机械手设计及模拟仿真 - 7 - 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。 三自由度圆柱坐标搬运机械手设计及模拟仿真 - 8 - 图 2机器人外形图 业机器人主要技术性能参数 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 25自由度圆柱坐标搬运机械手设计及模拟仿真 - 9 - 自 由度 3个（ 1个回转 2个移动） 回转角度 150 度 水平距离 150垂距离 80直距离 100自由度圆柱坐标搬运机械手设计及模拟仿真 - 10 - 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 三自由度圆柱坐标搬运机械手设计及模拟仿真 - 11 - 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 三自由度圆柱坐标搬运机械手设计及模拟仿真 - 12 - 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。 三自由度圆柱坐标搬运机械手设计及模拟仿真 - 13 - 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 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= 三自由度圆柱坐标搬运机械手设计及模拟仿真 - 14 - 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 图 3 弹性爪结构图 三自由度圆柱坐标搬运机械手设计及模拟仿真 - 15 - 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。 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 三自由度圆柱坐标搬运机械手设计及模拟仿真 - 16 - 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 三自由度圆柱坐标搬运机械手设计及模拟仿真 - 17 - 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 三自由度圆柱坐标搬运机械手设计及模拟仿真 - 18 - 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搬运机械手设计及模拟仿真 - 19 - 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 ( 三自由度圆柱坐标搬运机械手设计及模拟仿真 - 20 - （ 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 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 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 三自由度圆柱坐标搬运机械手设计及模拟仿真 - 21 - 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
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