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本设计包括“二维图+论文+外文翻译”
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I 四轴码垛机械臂设计 I 摘要 在当今世界经济飞速发展的时代背景下，物流业也在飞速的发展，传统的码垛技术已经跟不上这种发展的步伐，当今我国在码垛机器人方面的研发与设计与欧美等发达国家之间相差还比较大，设计合理的码垛机械臂对于降低码垛机器人的制造成本、提高国内码垛作业自动的程度具有非凡的意义。因此本文基于工业机器人的相关理论基础， 设计出了一种四轴的圆柱坐标型码垛机械臂，能实现物料的堆放。该四轴码垛机械臂由两个转动副和两和移动副组成，能够实现物料的不同堆放，大大提高了生产效率。 关键词 四轴；结构 设计；机械臂 of in s in of s in & D is to on a of is of of 目 录 摘要 . . 1 绪论 . 1 言 . 1 垛机器人简介 . 1 垛机器人的发展与研究 . 2 器人将来的发展方向 . 3 究目的与意义 . 4 题研究内容 . 4 2 总体结构 的 设计 . 5 垛机械臂的分类 . 5 坐标特性分 . 5 用途分 . 6 驱动方式分 . 7 垛机械臂的构型确定 . 7 垛机械臂的总体结构设计 . 9 3 传动机构的设计 . 10 垛机械臂的底座设计 . 10 垛机械臂的腰部转动设计 . 10 速器的选择 . 10 服电机的选择 . 12 垛机械臂的臂部竖直移动设计 . 13 珠丝杠螺母的设计 . 13 服电机的选择 . 15 轴器的选择 . 17 垛机械臂的臂部水平移动设计 . 18 珠丝杠螺母的设计 . 18 服电机的选择 . 19 轴器的选择 . 20 垛机械臂腕部的转动设计 . 21 服电机的选择 . 21 速器的选择 . 23 4 辅助机构的设计 . 24 护线路的设计 . 24 垛机械臂的零点设计 . 24 动器 . 25 结 . 27 致谢 . 28 参考文献 . 29 1 1 绪论 言 伴随我国经济飞速的提升与进步，机器人不但能在现代工业生产中帮助人们从事堆放、搬移、运输等工作，还能在宇航、化工、食品、医疗等行业也扮演着重要的角色，甚至在大海深处、宇宙外太空等超出人类活动范围的地方也扮演着独一无二的作用。码垛机器人就是机器人在现代工业生产中应用的具体表现。较早的码垛工作基本是由工人去做的，不仅工作任务量大、生产效率低，而且在工人搬运物料过程中物料的浪浪费比较严重。针对出现的这一系列问题，科学家们于是研发了码垛机器人并提出了相应的码垛堆放建议。码垛机器人的出现实现了码垛物流的自动化，使得工 作效率大大的提高，而且节约了工人成本、降低了物料的浪费，使得企业经济收益得到巨大的提升，现在已经遍布各个行业，被企业管理者所接受。 垛机器人简介 “机器人”原先的意思是劳役、 【更多毕业设计， 苦工。在 1920年的时候，机器人这词语第一次出现在了一本罗素姆万能机器人的作品中，它是有来自捷克斯洛伐克的小说家恰佩克所写的。此后，就被各国的语言机构编列入到了特定的词语中去。码垛机器人它集合了许多高新技术，包含了结构设计、系统控制、计算机编程、路径优化、定位精度等方面。码垛机器人可以配 合各种非标准夹具完成吊起各种形状的物料的任务，使物料达到零重力的漂浮状态，可以轻易将物料起降，移动，旋转，前顷和侧翻等。码垛机器人能够使工人的劳动强度大大降低、搬运输送物料比人工作业来的更加稳定快速，而且码垛机器人还能进入到一些危险的工作现场，如危险化工物品、操作工无法进入的危险场地。大大提高了工作效率，降低了劳动强度。因此在码垛这一高强度、伤害性大的工种中，码垛机器人的普及会越来越广。近几年来，随着科学技术的不断进步与发展，码垛机器人在精度控制、速度运行、载荷量等方面都有很大的提高，与此同时，码垛机器人的 制造成本也在逐渐降低。 码垛机器人与人工码垛的对比见表 1 表 1垛机器人与人工码垛的对比 码垛机器人 人工码垛 占地小，有效率车间应用 占地空间大 灵活行强，转换快 转换慢，搬运过程比较乱 布局紧凑 布局不紧凑 功能多，一机多用 功能单一 维护低，但平均维护故障时间长 维护高，平均维护故障间隔时间短 2 垛机器人的发展与研究 美国是全世界最新研发设计机器人的国家。 【代做毕业设计， 在 1958年的时候，美国的一家机器人研究公司成功研制出了世界上第一台机器人。但是 ，日本是机器人使用程度最高的国家。码垛机器人的研究开始于二十世纪八十年代，尤其是欧美及日本等西方国家，在码垛机器人的研发领域取得了巨大的突破，瑞典和日本是最早将码垛机器人用于物料的堆放、运输的国家。在 1974年，瑞典的 司研发了全世界第一台用于堆放、运输的码垛机器人。在码垛机器人研发领域，意大利、韩国、德国也是处于领跑地位的。伴随第三次工业革命的到来，码垛机器人的技术也越来越成熟，一些国家也研发出了自己的品牌码垛机器人，如来自日本的 国的 典的 。目前，世界发达 国家的码垛机器人研发公司针对码垛现场的作业空间、作业环境、各种载荷，不断研发出高性能，高可靠性，高速，高精度的码垛机器人。机械臂是机械化、自动化普及过程中产生的一种新的机械装置，它是构成机器人的一个重要结构。它各种动作的实现是通过内置各种编程来完成的。在现代化的生产过程中，机械臂被普遍的用在自动化的生产流水线上，尽管目前的研究水平设计出来的机械臂还不能像人的手臂那样灵活，但是它能够不知疲倦的反复作业，载荷比人手臂大很多。鉴于以上各种优点，全世界各国对机械臂的重视程度也在逐渐提高。美国是最先研究机械臂的国家， 在 1958年的时候，美国的一家公司研发设计出了世界第一台机械臂。它的主体结构是在本体上安装了一个回转的手臂，在它的顶端安装了一个电磁的工件抓取结构，采用示教控制。在 1962年的时候，该加公司在原有的设计上又成功研发设计出了一台数控的机械臂，它能实现多种运动方式，比如收缩、回转、平移等。采取液压驱动的方式，控制系统则换成了磁鼓。现在许多的坐标型机械臂就是根据这个的改进而设计出来的。同一年，美国另一家公司也成功研发设计出了一个名叫 种机械臂可以实现回转，驱动系统也是采用液压的驱动方 式。现在许多国家研发设计出的机械臂都是在这两个公司设计出来的机械臂上发展而来的。在 1978 年的时候，美国斯坦福大学和麻省理工学院一起合作研发设计出了一个名叫 机械臂，它是由一个内置的小型电子计算机来操控的，用在产品的装配上，它的作业误差在 1 毫米之内。德国一家公司设计研发出了一种用于电焊的机械臂，该机械臂的结构类似于人的关节。现在，机械臂还大部分还不是全自动的，一些还是要靠工人去控制的，全自动的机械臂各国科学家团队还在努力的研发设计中，它主要是由 制，装有多种触觉感应器，甚至 能够像人一样进行简单的思考计算。机械臂的遍及程度越高，说明该国家的工业水平越高，是衡量一个经济实力和科学技术水平的重要参考依据。所以，全世界每个国家都把发展机械臂作为经济建设的重要战略。二十一世纪，成产自动化与科学技术水平的不断进步推动了整个经济的发展，但是在一些高强度、高危险的工种中，还是依靠工人去手动完成，显然这在很大程度上限制了经济的发展，也使得企业的经济效益不能得到最大程度的改善。机械臂的使用有以下的好处：（ 1）提高生产的自动化水平（ 2）降低工人劳动强度（ 3）提高生产率，降低企业劳动成本（ 4）提高企 业 3 的经济效益 国外码垛机器人的研究设计状况：码垛机器人主体采用集成电路设计，普遍使用有限元分析、数据分析及柔性制造系统等先进的设计方法 ,码垛机器人的臂部采用非平行四边形的连杆机构 ,作业空间得到很大的加强 ,但自身的重量又进一步减小 ,操作更加灵活。成熟的行星齿轮减速器技术，先进的伺服电机装置设计 ,很大程度上提高了机器人的运动精度、作业空间、搬运的平稳性和堆放的精确度 外研发设计出的码垛机器人的各种性能在不断的进步，比如运动的精度、输送的稳定性、操作的灵活性。设计研发出的码垛机器人的结构越来越 紧凑、简单轻便。码垛机器人的控制系统更加人性化、电子化；模块整合使得系统的更加的稳定可靠，操作更加轻便灵活，维修越来越容易。 国内码垛机器人的研发设计状况：由于我国经济政策等其他因素的限制，我国工业机器人的发展相对发达国家来说比较缓慢，研发和普及程度比较低，伴随改革开放政策的逐渐推广与实施，我国工业机器人的研究和开发在 80年代后才到达了一定的水平，但与一些发达国家相比还是存在不小的差距。因此，为了逐渐缩小这差距 ,我国的科学家团队还有许多工作要做，还需要大家一起努力。我国在机器人运动学、动力学与机构综合， 机器人运动控制算法的研究，以及示教编程、离线编程技术、传感器控制系统方面，基本掌握了工业机器人所有关键技术。现在全世界的工业机器人大都以第一代为主，主要靠人工来进行控制，多位开环式的控制，没有一点识别能力，生产成本较高，精度不准确。科学家们正在进行这第二代机器人的研发与设计。第二代机器人是由电子计算机来控制的，装有多种传感器，能把收到的信息反馈到计算机，然后 行处理，让机器人具有像人一样的感知能力。未来第三代机器人能够自主完成工作，能够像人一样思考，进行信息的处理，甚至能与人互动。伴随着科学技术的进步 、机器人的遍及程度上升，许多国际组织机构经常开展学术性交流会，互相分享在机器人方面的研究成果，使得机器人的研发与设计的脚步大大的加快了。当前，工业机器人普遍用于物料的运输、食品的堆放、焊接等方面，但是在数量、使用功能等方面还远远无法满足经济发展的需要。工业机器人在国外使用较多，发展的也比较快，国家投入的研发资金也比较多。当前工业机器人大多还是从事一些相对来说比较简单的工作，比如食品的搬运，危险品的堆放等，它们大都是根据事先设定好的程序来执行的，不具备独自分析计算的能力，不能应对突发事件。尤其当位置与事先设定 的位置发生偏离时，有可能损坏整个机器。在人类社会不断进步的今天，各个生活工作领域对机器人的需求越来越大，对机器人的使用要求也越来越多、越来越苛刻。科学家们为了应对这种需求，提高了机器人的智能水平，让机器人具有开放式的结构设计，并在机器人身上安装了各种各样的传感器。可是，目前市场上的机器人普遍是封闭式结构，没有太多的传感器。 器人将来的发展方向 随着科学家们坚持不懈的的努力研究设计，机器人将来会朝着越来越智能化的方向发展， 4 特别是当机器人与 以预计将来的机器人会更加多样化、更加普及。 从目 前的发展趋势分析来看： （ 1）人工智能化 能自主思考、根据要求选择最优的方案去完成人们下达的任务 （ 2）功能齐全化 根据场合的需要，有服务机器人、应急机器人、救生机器人 （ 3）外形多样化 根据各种工作需要，有人形机器人、动物形机器人、植物形机器人 究目的与意义 据有关码垛机器人研究机构的数据统计分析 ,目前全世界投入使用的码垛机器人数量大概在 10000 台左右。在西方发达国家，码垛机器人已经普遍投入使用了，在当今经济飞速发展的时代下，我国人工码垛较低的生产效率已经跟不上经济全球化的发展步伐了， 由此可见，努力研发设计码垛机器人是十分必要的，它不但能提高我国的工业自动化水平程度，又能提高生产效率和企业的经济效益。 题研究内容 针对我国码垛机器人的普及程度不高，码垛自动化水平与发达国家有一定的差距，本文对四轴玛机械臂的关键结构臂部，腕部等进行了较详细的设计，并对各部件的运动特点进行了仔细的分析，并且对码垛机械臂腕部的旋转转动、臂部的竖直移动、臂部的水平移动、腕部的旋转转动进行了详细的设计与分析。 5 2 总体结构的设计 垛机械臂的分类 码垛机械臂的种类很多，目前国内还没有 统一的分类依据，本文暂按坐标特性、用途、驱动方式来划分。 坐标特性分 用坐标特性描述是码垛机器人最常见的构型。码垛机械臂根据手臂坐标的不同形式可以分为下面四类：直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型和多关节型。详见图 2 1）直角坐标型机器人 具有三个移动关节，臂部能够实现在 X 轴方向前后的伸缩移动，实现在 Y 轴方向的左右移动，实现在 Z 轴方向的上下升降，优点是结构结构简单、载荷能力大、定位精度高；缺点是占地面积大、动作范围小 （ 2）圆柱坐标型机器人 具有 1 个转动关节和 2 个移动关节，臂部能够实现在 X 轴方向的移动，实现在 Z 轴方向的移动，实现在 点是构相对简单，定位精度适中；缺点自身占据空间较大 （ 3）极坐标型机器人 具有 2 个转动关节和 1 个移动关节，臂部能够实现在 X 轴方向前后收缩移动，实现在 现在 Z 轴左右的转动，优点是工作空间较大，工作较灵活，不占地，缺点是内部的结构设计复杂，各部件之间的运动耦合性强，控制系统比较复杂。 （ 4）多关节型机器人 全靠转动关节，臂部由大、小臂组成，大臂能够绕腰部实现上下移动，小比能够实现多角度的转动；优点是占地面积小、动作范围大、运行速度快，缺 点是运动精度一般，运动计算量大，控制系统复杂。 6 (1)直角坐标型机器人 (2) 圆柱坐标型机器人 (3)极坐标型机器人 (4)多关节型机器人 图 2垛机器人的基本构型 用途分 1、搬运机械臂 这种机械臂用途广泛，只要点位控制即可实现。对所需搬运零件无严格的运动轨迹要求，只要起始点位置准确即可。 7 2、喷 涂机械臂 这种机械臂用在喷漆生产线上较多，对位置精度要求不太高。但由于油漆易燃，普遍采用液压驱动。 3、专用机械臂 这种机械臂的结构构造比较简单，但工作的目标单一，使用稳定可靠，生产的成本较低。一般用于大批量的自动化生产工作线上，如食品的搬运，机床的上下料。 4、通用机械臂 这种机械臂具有单独的控制系统、程序可以改变、操作灵活多样，可以根据操作现场的要求，调整程序。通用机械臂的作业范围较大，运动精度高，运动平稳，适用于多种产品的中小批量的生产线的生产。 驱动方式分 1、液压传动机械臂 液压传动机械臂的驱动来自液压的压力驱动机械臂的执行机构进行工作。其主要特点：抓举能力大、结构紧凑、运动平稳、灵活度高，但对液压元件具有较高的要求，尤其是液压元件的密封性能，制造成本较高。 2、气压传动机械臂 气压传动机械臂的驱动来自压缩空气的压力驱动机械臂执行机构进行工作。其主要特点：结构简单、成本较低、维修方便，但对速度控制精度较低，抓举能力较低。 3、电动传动机械臂 电动传动机械臂的驱动来自电动机驱动机械臂执行机构进行工作。 其主要特点：结构简单、响应快、抓举能力大、控制灵活、精度高。但制 造成本较高，使用率不太遍及。 垛机械臂的构型确定 因为码垛机械臂作业环境的不同，在确定它的构型的时候既要考虑设计的合理性，又要充分的考虑到其作业环境与场合的具体现场的多变性，通过分解其工作流程来满足码垛的工作要求，其基本动作可分解成：拾取、输送、校准、堆放四个动作，因为码垛机械臂的末端执行器能单独实现拾取和堆放这两个动作，所以在确定码垛机械臂的构型的时候只要考虑输送和校准两个动作。综合考虑码垛现场的工作环境、工作要求以及码垛机械臂本身结构的设计等原因，本文在腰部设计一个转动关节，在臂部设计了一个能够 竖直运动的移动关节和一个能够水平运动的关节，在它的腕部设计了一个单独运动的转动关节。此外又增加了一个辅助机构设计，这样就能保证它在输送物料的过程中运动平稳，避免物料在输送过程中发生侧滑，腕部的辅助机构调整输送过程中的颠簸，这种设计理念遵循了“主动链控制所需要自由度，从动链约束多余自由度”的原则。这样水平和竖直方向上的运动能够实现完全的解耦， 8 这样不仅结构设计简单，而且操作灵活好控制。辅助机构构的设计使得码垛机械臂的结构更加稳定，操作更加灵活，作业空间更大、载荷能力更大。一般在设计码垛机械臂时，对于驱动方式的选 择要求如下： （ 1）设计的驱动系统的结构质量轻，相对质量输出有用功大，效率高， （ 2）制动快，能够承受频繁的启动、停止、正转、反转 （ 3)灵活轻巧，位置精度要高，运动平稳 （ 4）操作简单，维修容易 （ 5）环保，污染小，噪音小 （ 6）占地面积小，作业面积大 （ 7）制造成本低，外型美观 表 2关伺服电机的技术参数 型号 定电压 18v 18v 18v 6v 6v 额定转矩 m m m m m 最大转矩 m m m 额定转速 7980980980460460高转速 转子惯量 9200200200为正常使用的电机驱动产生的力矩比较小，所以要利用传动机构来增加力矩，进而使得码垛机械臂的载荷提高， 因此对码垛机械臂的传动机构的具体要求如下： （ 1）结构之间连接性较好，相对质量传动比大 （ 2）传动比大，载荷能力强 （ 3）刚度大，驱动器的输出轴与连杆的转轴之间相对扭转时的变形角度要尽量小，就能降低码垛机械臂在运动时产生的共振，进而使得整个运动平稳。 （ 4）使用寿命长，制造成本低，外型美观。 9 垛机械臂的总体结构设计 码垛机械臂的组成：底座、腰部、臂部和腕部。本文设计的码垛机械臂具有四个自由度，由 2 个移动副和 2 个转动副组成，四个伺服交流电机分别控制腰部转动、臂部的竖直移动和水平移动及腕部转动。 为了提高码垛机械臂的整体性能，设计时必须考虑轻量化、刚度大、承载大等要求，所以必须合理的设计驱动方式和机械传动。 图 2 10 3 传动机构的设计 垛机械臂的底座设计 整个码垛机械臂的重量全部都由它的底座来承受，所以设计的时候必须采用高强度高刚度的材料，而且又要考虑到价格成本及美观性，所以结合各方面的条件思考，本码垛机械臂的底座整体采用同一规格同一批次同一材料 16#槽钢焊接而成，四周同时加焊加强筋来确保整体刚度与强度达到设计的要求。 1 支座， 2 电机， 3 轴承， 4 垫圈， 5 壳体 6 位置传感器， 7 柔轮， 8 微动开关， 9 刚轮 图 3座结构简图 垛机械臂的腰部转动设计 码垛机械臂的腰部起着承担着码垛机械臂的臂部重量的作用，所以在它的腰部设计一个电机和丝杆传送的机构，那么就不但使得结构变得简单，而且又不会因为在码垛机械臂的臂部安装电机造产生转动量过大的现象。码垛机械臂的腰部的旋转实现是腰部上的伺服电机通过同步带来带动底座上的减速器完成的，它的腰部在动转时产生的转动惯量为 l = l n，由此公式可知，码垛机械臂的腰 部在转动时，伺服电机要承受来自多个传动机构的转动惯量，因此必须在负载和伺服电机当中添加一个大传动比的减速器装置，联想到码垛机械臂的结构设计、工作需求、运动精度等因素的影响，减速装置采用 速器。 速器的选择 因为码垛机械臂的腰部机构在转动的时候的速度比伺服电机的转动的速度小，所产生的传动比很大，考虑到码垛机械臂的整体结构设计方案，所以本文选择的减速器为 11 该减速器能够实现大传动比传动。 （ 1）计算驱动设备的功率 p: 式（ 式中 k 安全系数； G 重力加速度； v 机构的运行速度； 摩擦系数； M 总质量。 代入数据，分析计算得 P=140w （ 2）确定减速器的传动比 i 21 式（ 式中 电机转速； 腰部转速。 代入数据，分析计算的 i=12 （ 3）确定使用系数 1f ： 查阅与减速器有关的资料，确定使用系数为 （ 4）驱动设备的扭矩 错误 !未找到引用源。 : T 式（ 式中 P 驱动设备的功率； 错误 !未找到引用源。 腰部的最大转速。 (5)减速器的输出扭矩 错误 !未找到引用源。 : 式（ 带入数据分析计算得 2T m，翻阅圆柱齿轮减速器可得，所选减速器的型号为 40细参数如下表 3 12 表 3服电机的选择 （ 1）伺服电机的功率 2P 12 式（ 式中 K 安全系数； 减速器满载效率； 1f 设备的使用系数。 代入数据，分析计算得 2P =740w 查阅伺服电机和减速器的相关资料，因为伺服电机 2P =740W，所以本文挑选的电机的型号为： 细的技术参数见下表 3 表 3部伺服电机的技术参数 电机 型号 功率P/W 交流电源/V 额定 转速 n /(r1) 最大转速r1) 额定 转矩T /(Nm) 最 大转矩Nm) 转子 转动惯量(kg50 500 4000 2）伺服电机惯的转动惯量比校核： 计算负载惯量： 2221 代入数据分析计算得： 54 伺服电机负载惯量 所以伺服电机的转动惯量比满足设计的要求。 （ 3）伺服电机的转矩校核： 由上面分析计算得到减速器的扭矩 2T =动比 i=12 计算伺服电机的最大输出扭矩： 减速器型号 减速比 i 满载效率 额定输出扭 矩2T /N m 转动惯量J/(最大径向力 N 最大轴向力 N 402 95 120 40 520 13 i 2 代入数据分析计算得： T=m 所以伺服电机的转矩满足要求。 垛机械臂的臂部竖直移动设计 臂部是码垛机械臂的主要部件，在码垛机械臂的臂部设计时，主要考虑以下几个因素： （ 1）涉及的承载能力要足：臂是手腕的支撑部件，所以我们在设计的时候既要把手爪抓取的物料重量考虑进去，又要把码垛机械臂在运动的时候动载荷及产生的转动惯性考虑进去。 （ 2)设计的刚度要高 ：为了避免码垛机械臂的臂部在输送过程中发生较大的变形，它的截面的形状要选择适当。工字型截面的弯曲刚度一般比圆截面大，空心管的弯曲强度和扭转刚度都比实心轴大很多。 （ 3）设计的导向性能要好，定位精度要高：因为码垛机械臂的臂部在竖直运动过程中会沿这运动方向产生一个相对转动的现象，所以应该设计一个导向装置，同时为了避免过大的转动惯量，必须要设计一个缓冲减速器，防止在物料搬运的过程中发生侧滑。 （ 4）重量轻，转动惯量小：尽可能降低码垛机械臂的臂部的重量，减小臂部对回转轴的转动惯量，这样就可以大大提高码垛机械臂的运动 速度。 （ 5）腕部和机身的连接部位要合理：臂部的安装形式不但影响整个码垛机械臂的外观，还影响到码垛机械臂额的刚度、强度以及载荷能力。 珠丝杠螺母的设计 码垛机械臂的臂部在竖直移动方式上选择滚珠丝杠螺母。把伺服电机安装在臂部的顶端，为避免因机械臂的本身自重发生下滑现象，选择的伺服电机必须要有制动器。联轴器的一端链接滚珠丝杠螺母，另一端链接伺服电机的输出轴。 （ 1）选择滚珠丝杆螺母的型号 可以挑选如图 3 14 图 3珠丝杠螺母 （ 2）滚珠丝杆螺母导程的计算 式中 物料的最大移动速度； i 传动比； 伺服电机的最大转速。 代入数据分析计算得 465 3）滚珠丝杠公螺母公称直径的计算 式中 摩擦系数； m 载荷质量； g 重力加速度。 代入数据，分析计算的 物料F =420： F=物料F=675 N 总F=KF 式（ 式中： K 安全系数代入数据，分析计算得 总F =K F=810N 查询相关资料，当滚珠丝杆螺母的直径等于 12，满足 总F 丝杆F，所以该设计满足要求。 （ 4）滚珠丝杠螺母长度的计算 15 丝杠的总长 =工作行程 +螺母长度 +安装长度 +连接长度 +余量。分析计算可得丝杆L =507 滚珠丝杠螺母的精度选择 在没有特殊要求的状况下，本文设计的滚珠丝杆螺母的精度为 （ 6）滚珠丝杆螺母扭距的校核 为了克服码垛机械臂额臂部在运动时所产生的摩擦，所以要计算需要的驱动扭矩 T： 2 0式（ 式中： B 进给丝杠的效率，代入数据分析计算得： T=9.8 mN 伺服电机T ，所以满足设计的要求。 结合上面所有计算，所以选择的滚珠丝杠螺母的具体的技术参数如下表 3 表 3螺母型号 直径BD/程BP/杠的总长度 BL/杠的动载荷 F/杠质量 M/边六孔 35 465 507 伺服电机的选择 （ 1）伺服电机功率的确定 式（ 式中 M 竖直手臂的质量； v 物料最大的移动速度； K 安全系数（取 代入数据，分析计算得 P=280W，所以本文选取 P=300W 的交流伺服电机，所挑选的电机的型号： 32的具体技术参数如下表 3 16 表 3电机型号 功率P/W 交流电源 /V 额定转速n/(r 最大转速(r 额定转矩T/(N m) 最大转矩(N m) 转子转动惯量(有无制动器 3200 500 4600 （ 2）伺服电机的转动惯量比校核 式（ 式中： 所选联轴器的惯量 代入数据，分析计算得 24 本文所选伺服电机的转动惯量 24- 伺服电机J M=5 所以满足设计要求 （ 3）伺服电机转矩的校核 普遍的伺服电机的运转模式如下图 3 图 3伺服电机的移动转矩 T： 式中： B 滚珠螺母丝杠的效率 其他参数上面已经计算得到， 代入数据，分析计算的 T=m。 加速时的转距 17 C t 2 式中： 负载的转动惯量； 伺服电机的转动惯量； N 伺服电机最高转速； t 加速时间。 代入数据，分析计算得： m。 减速时的转矩 移 C b 式（ 式中： 负载的转动惯量； 伺服电机的转动惯量； N 伺服电机最高转速； t 减速时间。 代入数据，分析计算得 m。 所以，伺服电机的最大转矩就是加速时的转矩 m， K= m m（ 300 确定伺服电机的有效转矩 T： t 式（ 式中： 载荷运动的总时间； K 安全系数； 其余上面都已经计算求出来了，这里就不再标注。 代入数据分析计算得 有效T =m m（ 300所以满足设计要求 轴器的选择 （ 1）确定 联轴器的力矩 T 2 式（ 18 式中： 伺服电机的力矩； K 联轴器的工况系数。 代入数据，分析计算得 T=m，因为联轴器的力矩 T 不大，所以我们选择夹紧式联轴器本作为本文设计的四轴码垛机械臂臂部的联轴器。 夹紧式联轴器是一种金属弹性联轴器，结构相对来说比较简单，拆装维修比较方便，虽然在正常 工作的时候所能承受的载荷有限，但对同轴度额要求不是很高，生产成本比较低，性价比比较高，由于该夹紧式联轴器在正反转时候的转动特性一致，所以非常适合码垛机械臂在工作时候的频繁转动。 由于本文码垛机械臂的臂部竖直移动设计的伺服电机的直径为 16珠丝杠螺母的直径为 12询相关资料后，本文选择夹紧式联轴器的型号为 下图 3 图 3性夹紧式联轴器 （ 2）联轴器的力矩校核 N m，而联轴器工作时收到最大的拧紧力矩为 m，所以该联轴器的选择满足设计的要求。 垛机械臂的臂部水平移动设计 本文设计的码垛机械臂的臂部的水平移动采用的也是滚珠丝杆螺母。导杆在水平方向上是固定不动的，安装在臂部底部的伺服电机的转动带动滚珠丝杆转动，从而实现码垛机械臂的臂部的水平移动。因为本文设计的的码垛机械臂的臂部 水平的移动和竖直的移动都采用相同的传动方式，而且运动参数都是一样的，所以滚珠丝杠螺母、伺服电机和联轴器的选择都是一样，不同的是，臂部水平的伺服电机不需要克服载荷的重力，所以所选择的电机功率相对来说小一点。 珠丝杠螺母的设计 19 四轴码垛机械臂的臂部水平移动的滚珠丝杆螺母的选择和竖直移动的滚珠丝杆螺母一样。 服电机的选择 （ 1）伺服电机功率确定 计算伺服电机的最大功率 P： 式中 M 水平移动臂部的质量； 摩擦系数； v 物料最大的移动速度； K 安全系数。 代入数据，分析计算得 P=120W，所以本文选取 P=200W 的交流伺服电机，所挑选的电机的型号： 的具体技术参数如下表 3 3电机型号 功率 P/W 交流电源/V 额定转速n/(r 最大转速(r 额定转矩T/(N m) 最大转矩(Nm) 转子转动惯量00 500 4600 2）伺服电机的转动惯量比校核 式中： 所选联轴器的惯量 代入数据，分析计算可得 10 本文所选伺服电机的转动惯量 24- 伺服电机J 20 M=7 所以满足设计要求 （ 3）伺服电机转矩的校核 加速时的转距 C t 2 负载的转动惯量； 伺服电机的转动惯量； N 伺服电机最高转速； t 加速时间。 代入数据，分析计算得： m。 减速时的转矩 移 C b 式中： 负载的转动惯量； 伺服电机的转动惯量； N 伺服电机最高转速； t 减速时间。 代入数据，分析计算得 m。 所以，伺服电机的最大转矩就是加速时的转矩 m， K= m m（ 200 确定伺服电机的有效转矩 T： t 式中 载荷运动的总时间； K 安全系数。 其余上面都已经计算求出来了，这里就不再标注。 代入数据分析计算得 有效T =m m（ 200w 时最大扭矩），所以满足设计要求。 轴器的选择 （ 1）选择联轴器 21 臂部水平移动的联轴器的型号与臂部竖直移动的联轴器一样都是弹性夹紧式的联轴器。 确定联轴器的力矩 T 2 式（ 式中 伺服电机的力矩 K 联轴器的工况系数； 代入数据，分析计算得 T=m 由于本文码垛机械臂的臂部水平运动设计的伺服电机的直径为 14珠丝杠螺母的直径为 12询相关资料后，本文选择夹紧式联轴器的型号为下图 3 3夹紧式联轴器 （ 2）联轴器的力矩校核 联轴器的拧紧力矩最大为 4N m，而联轴器工作时收到最大的拧紧力矩为 43N m，所以该联轴器的选择满足设计的要求。 垛机械臂腕部的转动设计 腕部的伺服电机通过联轴器链接滚珠丝杠，从而实现手指夹取物料。 服电机的选择 （ 1）伺服电机功率确定 计算出伺服电机的最大功率 P： 式中 M 腕部的质量； 摩擦系数； v 物 料最大的移动速度； K 安全系数。 代入数据，分析计算得 P=80W，所以本文选取 P=100W 的交流伺服电机，所 22 挑选的电机的型号： 12的具体技术参数如下表 3 表 3部伺服电机的技术参数 电机型号 功率P/W 交流电源 /V 额定转速n/(r 最大转速 错误 !未找到引用源。/(r 额定转矩T/(N m) 最大转矩错误 !未找到引用源。 转子转动惯量 1200 500 4000 2）伺服电机的转动惯量比校核 式中： 所选联轴器的惯量 代入数据，分析计算可得 10 本文所选伺服电机的转动惯量 24- 伺服电机M=6,所以满足设计要求 （ 3）伺服电机转矩的校核 加速时的转距 移 C t 2 负载的转动惯量； 伺服电机的转动惯量； N 伺服电机最高转速； t 加速时间。 代入数据，分析计算得： m。 减速时的转矩 移 C b 式中 负载的转动惯量； 伺服电机的 转动惯量； N 伺服电机最高转速； t 减速时间。 23 代入数据，分析计算得 m。 所以，伺服电机的最大转矩就是加速时的转矩 m， K= m m（ 100 确定伺服电机的有效转矩 T： t 载荷运动的总时间； K 安全系数 。 其余上 面都已经计算求出来了，这里就不再标注。 代入数据分析计算得 有效T =m m（ 100w 时最大扭矩），所以满足设计要求。 速器的选择 腕部减速器的选择同腰部一样，本文就不再给出具体过程，详见腰部减速器的选择。 24 4 辅助机构的设计 护线路的设计 本文设计的码垛机械臂使用坦克链来包裹电路上的导线，如图 4一些机器人的辅助装置中都能发现坦克链的影子，它能保护电导线，适合往复运动频繁的场合，具有较高的抗拉压力和抗拉载荷，而且具有很好的韧性、十分耐磨、阻燃性好、弹性大、性能稳定、室内室外都可以使用。坦克链由很多的单元链构成，每隔链节之间都能自由转动，每一个链节都能自由打开，方便导线安装，而且安装维护方便，运动的时候声音低，低速、中速、高速都适合。所以现在已经被广泛应用在电子仪器、航空航天、数控机床、工业机器人等方面。 图 4克链 垛机械臂的零点设计 码垛机械臂在刚启动的时候，先要确定运动的的位置，以及与机体机械零点的相对位置，只有这样才能进行后续相关的运动。本文设计的码垛机械臂的零点就是确定 且设置了码垛机械臂的初始的开关和连接线路。挑选合适的传感器是机构零点设计的关键，可供选择的传感器有：光栅传感器、位置传感器、重力传感器、限制开关等。微动开关是一个依靠外力的作用，通断快速的接点机构，由于其价格廉价，遍及程度高，稳定性好，安装简单，所以本文设计的码垛机械臂就使用它关作为 机器人的初始位置的开关。其内部结构如下图 4 25 图 4动开关的结构图 是操作体， 2)是驱动杆， 3)是接点间隔， 4)是端子， 5)是可动片， 6)是安装孔， 7)是开关外壳。 在本文设计出的码垛机械臂中，码垛机械臂的外壳是起始点，它向前压上运动杆，运动杆传导外力至内壳中的弹簧开关，推动可动点实现开关的动开。 微动开关安装位置如下图 4 黑点处均为微动开关 图 4动开关安装的位置 动器 1 外文翻译 弧焊机器人中的机器人定位系统的运动学分析 应用 摘要 考虑到焊接技术的特殊性，本文重点研究的机器人系统的运动控制。系统由一个六轴工业机器人（机械手焊接工具）和 两自由度 焊接变位机（工件机械手）构成，其目的是在工艺过程中优化焊接接头方向。论文的特别贡献是在定位逆运动学领域，这是系统脱机程序设计与控制的关键问题。用来处理焊接接头方向相对于重力的显式定义的逆运动学问题已经提出了一种新的配方和一个封闭的形式的解决方案。类似的结果也得到了基于单位向量变换的已知问题陈述。对于这两种情况， 关于奇异性和独特性存在主题的详细调查已经进行，所提出的结果是在一个商业软件中实现并且在汽车行业中的实际应用和验证。 关键词 机械臂；逆运动学；机器人定位；电弧焊 1 介绍 焊接技术是工业机器人一种传统的应用领域，因此它鼓励密集的研究基于复杂模型控制的编程工具的发展。这样的软件系统允许优化一些会直接影响产品质量和工作周期系统的工艺参数。此外，基于模型的编程允许没有进入车间一次完成大部分的工艺准备，因此，使得机器人系统在小批量制造业具有竞争力。然而，仍有一些目前阶段 通过结合模拟设计师的专业知识目前阶段在工业上来克服的理论问题。本文集中于一这样的问题 这种偏重于运动学的起源机器人系统控制的双重性质编程，这需要定义一个逻辑制造任务的结构和指定作为运动参数的空间关系。获得这些空间关系是一个非常乏味的和耗时的过程，这通常是关于 10， 100倍于产品焊接环（ O， 1999甚至是离线编程系统的应用都不能一次大幅减少，而机器人空闲时间（当机器人因为编程不能用于生产）却能明显减少。 在电弧焊接中，一个 六轴机器人运动能力通常不足以保证所需的工作包络线和 /或所需的方向的技术工具（焊接）。相对重力矢量焊接必须也正确导向时，机器人必须沿相对于接头的焊接接头所规定的速度和方向移动。为了这个原因，典型的焊接站（图 1）包括几个计算机控制机：一个六轴工业机器人（机械手工具）； 1 2轴定位器（物体的机械手）；和可选的 2 3 轴龙门（机器人）。这样的安排有多余的运动形式系统，通常不能对所有机械的逆运动拥有封闭的形态。由于这个问题的复杂性，它通常是分解在几个按顺序来解决的单独的任务： 优化相对于重力矢量（受变位机的运动 约束）的焊缝方向 ； 优化相对于焊接接头（受接头工艺及几何约束）的焊接工具的取向 ； 优化机器人基地的位置（根据机器人和龙门运动的限制） ； 这些步骤中的每一个步骤都需要多个坐标为相应的机器的转换（两个直接和逆的）。然而，在机器人文学中，主要研究活动集中于 6 自由度和冗余度器人的细节研究 (& 1991; 1997;1996;1993; 1996 和其他人 ).。在我们的认知中，只有 o (1987) 和 1990)从隆德技术研究所（瑞典）调查过焊接应用的定位机构。甚至在先进的工业包装，如 机器人），优化过程（ “ 多余的运动链平衡 ” ）仍然是半自动的采用直接 /逆运动学机器人，但只有直接运动学定位器。 本文将阐述 括奇异性和存在问题的解决方案。也有定位器配置指标，确保独特的解决问题的一个单一的输入和 定义序列的连续焊接路径的表达。变位机与机器人的协调控制和在笛卡尔空间中，配置的变化在焊接过程中是不允许的，后者更为重要。 本文的其余部分组织如下： 第 2节 介绍的运动控制架构并介绍了焊缝的运动描述。第 3节是专门的焊接的正式声明共同定向问题。在 第 4节，直接通用焊接变位机的运动学模型派生。第 5节给出了逆运动学解以及一个详细的调查的奇异性和存在唯一性问题。最后， 第 6节 总结了本文的主要贡献。 2 运动 控制结构 制层次 早期的机械手，其由伺服控制的能力是有限的，与之相比，现代工业机器人系统要实现任务级控制，基本上为最终 用户简化了制造任务定义 (o & 1993; o, & 1994). 对于弧焊应用，五级控制通常使用（图 2）。他们中的最高依赖于运动学建模和处理获得最佳的技术和几何参数，如焊接的方向角接头和焊接枪，焊接顺序，焊接第四级通过直接 /逆运动学的所有机械部件（机器人，定位器的坐标转换，门式）执行适当的速度等。其余三级处理刀具 /工件在笛卡尔空间、机械臂的空间及电机轴空间中运动的实施（应当指出的是对于某些操纵者，轴角和 电机轴角两者之间的相互关系是不平凡的）。 本文重点研究的运动方面的机器人定位系统（这是必不可少的二级控制水平），假设同时移动机器人和定位器的目的是相对于焊接过程中的重力提供最佳的工件定位。自从在现代控制器等运动实施的“ 式（当机器人遵循焊接接头的运动），主要关注的是对定位器的直接 /逆运动学，以及对定义焊接接头世界方位角度的技术要求。 缝的运动学描述 焊接对象的空间位置，如一般刚体，可以用一个单一的框架来定义采用六个独立的参数（三个直角坐标和三个欧拉角）。不过 ,定义每个焊缝 的几何形状需要一些额外的努力，决于共同的配置文件。自现代商业机器人系统允许两种基本类型的轮廓（直线和圆形）的进程，只有以下这些情况下被考虑到。线性连接，与特定的移动架轴的定义可以描述焊接几何。在本文定义了这个框架： 3）； 常的焊接接头）； 织”方向。 应该注意的是，在实践中，它是谨慎的定义自己的轴为相应的等分线焊接接头表面。考虑到上述的定义，相对于 工件的基础框架，见图。 3）可由下面的同质参数方程描述： 标的“ s”和下标“ w”为出发点的焊接， 该强调的是向量, 是定义相对于 架，在实践中，他们是容易从工件的三维计算机辅助设计模 型。 对于圆接头，一个类似的方法，但移动框计算保证切焊接路径，对 在每一点上（图 4）。很明显，初始机架服从下面所描述的旋转变换和焊接运动学参数方程： 3 焊接接头定向问题 在机器人焊接站，相对于重力的焊缝所需的方向是通过定位器装置调整它的斜率和辊角（ Y）来实现 用运动模型（ 4）和定义，上一节焊接接头问题定位可以表述如下：直接的问题。对于给定的值的位置的坐标和抵抗已知的变换矩阵，利用计划行为理论； 可找到。反问题 1。对于给定的值的斜率 /辊方位角 Y； 所周
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