移动定位检测用柱坐标机械手平台设计（全套含CAD图纸）
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购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 移动定位检测用柱坐标机械手平台设计 学 生： 学 号： 专 业： 班 级： 指导教师： 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 I 摘 要 在现代制造业中，工业机器人已成为不可或缺的核心自动化装备。工业机器人适应工作环境能力强，可担任各种类型各种强度的生产工作，精度高、速度快、易于控制，可显著提高生产的工业自动化水平。国内工业机器人起步晚，市场占有率低，许多核心技术还没有掌握，可靠性低，应用范围小，零部件互换性低。 这次设计的一种二自由度的圆柱坐标型机器人，能实现移动定位检测功能。该 二自由度机器人由一个旋转自由度机构和一个平移自由度机构组成，根据机器人运动参数，选择足够功率的伺服电机，然后，估算驱使机构各自由度运动需要的力及扭矩，选择传动比合适且大小合适的减速器。通过伺服电机减速器驱动机构的运动，传动部分分别是齿轮传动和丝杠螺母传动，实现机器人腰部旋转，手臂的竖直升降。 这次 设计的圆柱 型 机械手 平台， 是一种专门针对工厂流水线上对零件的检测的 工业 机器人，其由 很多 通用零件 设计 组 合 而成 ， 由 伺服 电机 驱动， 通过手臂的摆动和 上下移动快速 定位到检 测零件 的位置 ，通过旋转臂 前 端 的 伸缩微调机构可以 调 整 旋转臂的长度，从而 能适应 不同的工作需要。 关键词 ：工业机器人；圆柱坐标；机器人平台设计 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 n an of a to it to of it is to of of s it In a of of is of of a of a of to s we a we of in of s of is by is s s s a is is a of in in up by by it of of s up it of by of in of 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 录 摘 要 . I . 1 章 绪 论 . 1 业机器人 . 2 业机器人定义及特点 . 2 业机器人的组成结构 . 2 内外发展状况 . 3 究目的意义 . 3 究内容 . 4 究方法 . 4 要研究内容 . 4 作计划流程 . 4 解决的关键技术难题与保障措施 . 4 章小结 . 4 第 2 章 机构结构设计 . 5 计分析及方案拟定 . 5 计要求 . 5 计流程 . 5 案拟定 . 5 坐标机械手平台总体方案设计 . 6 要组成及功能 . 6 要结构特点分析 . 7 要结构件设计 . 7 部升降移动机构 . 7 降丝杠螺母结构 . 8 降丝杠支承安装结构 . 8 转臂升降驱动连接导向移动结构 . 8 转臂回转结构 . 9 转臂回转齿轮传动结构 . 9 转臂回转导向结构 . 10 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 旋转臂伸缩微调机构设计 . 10 柱设计 . 11 章小结 . 11 第 3 章 传动机构设计 . 12 部转动 . 12 轮类型、精度等级、材料 . 12 动齿轮几何尺寸计算与结构设计 . 12 齿面 接触疲劳硬度 . 13 齿根弯曲强度 . 15 轮的特殊安装 . 16 臂上下移动 . 17 杠螺母部分 . 17 杠螺母选型 . 17 杠校核 . 17 定性核算 . 17 度核算 . 18 轴器部分 . 19 紧螺母 . 20 机选型 . 21 承的选型 . 22 章小结 . 24 第 4 章 控制系统设计 . 25 控制要求 . 25 控制系统分析 . 25 选择 . 25 I/O 地址分配 . 25 I/O 接线图 . 26 电气元件的选择 . 27 按钮开关的选择 . 27 限位开关的选择 . 27 接触器的选择 . 27 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 V 熔断器的选择 . 27 热继电器的选择 . 27 气设备清单 . 28 写程序 . 28 制原理图 . 29 章小结 . 29 第 5 章 三维建模装配及仿真 . 30 件的建模 . 30 柱建模 . 30 接触球轴承的建模 . 31 滑套的建模 . 31 杠的建模 . 32 用弹性挡圈的建模 . 32 轮轴的建模 . 33 件的装配 . 33 配体仿真 . 37 配体的爆炸图 . 37 成装拆流程动画 . 38 配体的仿真 . 38 章小结 . 40 第 6 章 结论与展望 . 42 论 . 42 望 . 42 参考文献 . 43 致 谢 . 44 1 第 1 章 绪 论 2 第 1 章 绪 论 业机器人 工业 机器人 是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据 人工智能技术 制定的原则纲领行动 。 其主要特点：可编程、拟人化、通用性、工业机器技术涉及的学科相当广泛，归纳起来是机械学和微电子学的结合 工业机器人由主体、 驱动系统 和 控制系统 三个基本部分组成。主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有 3 6个运动 自由度 ，其中腕部通常有 1 3 个运动自由度；驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。 本次平台设计是关于圆柱坐标型工业机器人，其组成如图 示。 移 动 定 位 检 测 用 柱坐 标 机 械 手 平 台驱 动 机构执 行 机构伺 服 电 机 驱 动腰 部 机 构手 臂 机 构底 座齿 轮 传 动丝 杠 螺 母 传 动图 坐标机械手平台机械系统组成 驱动机构： 本次设计采用 二个电机驱动二个 自由度 。至于 气压，液压驱动的 装置 3 体积较大， 因 行程较大 而 不采用。 执行机构 ：本次设计 的执行机构 主要 包括 底座 、 腰部 机构、手臂机构 。采用齿轮传动和丝杠传动， 将高转速转换成低转速 或 将 旋转 运动转换成直线 运动， 再将动力传递给执行 装置。 在我国工业机器人起步于上世纪 1970 年初期，经过 20 多 年的发展，大致经历了3 个阶段： 70 年代的萌芽期， 80 年代的开发期和 90 年代的适用化期。虽然中国的工业机器人产业在不断的进步中，但和国际同行相比，差距依旧明显。从市场占有率来说，更无法相提并论。工业机器人很多核心技术，当前我们尚未掌握，这是影响我国机器人产业发展的一个重要瓶颈。 在国外发达国家中，工业机器人 自动化生产线 成套设备已成 为自动化装备的主流及未来的发展方向。国外汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业已经大量使用工业机器人自动化生产线，以保证产品质量，提高生产效率，同时避免了大量的工伤事故。全球诸多国家近半个世纪的工业机器人的使用实践表明，工业机器人的普及是实现自动化生产，提高社会生产效率，推动企业和社会生产力发展的有效手段。 究目的意义 本 次设计所 完成 的 研究 成果 ， 主要应用在 工厂 流水线上对零件的检测 ， 以及一些小型 的 物品检测 ， 一旦得到推广应用， 将 极大的解放生产力以及 提高 检测速度与精度 。对于一些 小型工厂来说，能够实现更大 的经济效益。 工业机器人已经是现代制造业中举足轻重的自动化机械，一些机械式的、工作环境恶劣危险的、没有创新性的作业完全可以由机器人替代人工完成。在金属热压加工中，需要人工作在加热的窑炉、冲压床、车床或钻床附近，工业机器人耐高温，程序写好就可以防止与其他加工工具碰撞，避免了工作中出现危险的可能。工业机器人能适应多品种中小批量生产，高精度高速度，容易控制，能显著提高生产自动化水平。目前小负载旋转臂机型工业机器人市场容量大、应用广泛。 第 1 章 绪 论 4 究内容 本论文主要设计一种机械手平台，有二个自 由度，采用柱坐标系。本次设计主要设计该平台的机械系统部分，该平台的二个自由度分别是腰部旋转、手臂竖直升降，由二个自由度确定各自传动方式，选择传动装置。确定各个运动部件运动所需的功率，再选择合适的伺服电机和齿轮。设计 整体结构采用的三维实体设计软件是 于分析机构的质量 、 质心等参数十分方便 。 本次主要任务内容如下： 完成移动定位检测用柱坐标机械手平台总体结构方案设计（二维）。 完成移动定位检测用柱坐标机械手平台伺服控制系统选型方案设计。 完成移动定位检测用柱坐标机械手 平台零部件三维设计与总体结构方案运动学仿真，以及 拆流程设计。 作计划 流程 在设计机械手旋转平台时，首先从传动部分设计，根据要实现的运动方式，选择好传动方式。再设计总体结构，完成后根据负载要求，选择及校核零件。最后通过三维软件 零件建模装配，最后仿真。 解决 的关键技术难题与保障措施 本次 设计的难点是如何实现高精度要求，为了实现这个目标， 在 腰部旋转平台传动中，选用双片薄齿轮错齿安装 ，目的 是消除齿侧间隙，增加 往复回旋 精度，从而 满足 腰部 旋转的 精度 要求 。 章 小 结 本章简单 的介绍 了 工业机器人的定义 ， 组成 结构 及特点 ， 目前 比国外先进技术，国内工业机器人可靠性较低，应用领域较窄，生产线技术落后，零部件互换性低， 以及 本次 设计的 研究 内容 和 用到的工具，最后就是给潜在 用户 带来的价值。 5 第 2 章 机构结构设计 计分析及方案拟定 主要解决问题，设计一种二自由度圆柱坐标型工业机器人， 完成 该 工业机器人 的机械结构设计、驱动 装置设计 、传动 装置 设计 。 分析二个自由度 ， 选择 适当的驱动方式、传动装置 和 机构 件； 按设计 要求， 最终 确定电机、丝杠等 产品 参数，完成装配； 对机器人 运动进行动画仿真和 受载 分析 ，验证 设计正确性； 绘制 装配图、零件图； 用三维 建模软件完成主要零件 （包括所有结构件） 的三维 建模， 并 初步 完成三维实体 模型 装 拆流程设计； 流程图 如图 示 。 分 析 选 择 驱动 传 动 等计 算 相 关 参数确 定 满 足 参数 要 求确 定 产 品 选择装 配 图 零 件图 绘 画三 维 建 模 完成 装 拆 流 程设 计 图 计流程 由上面的设计参数表可知，机器人高度行程是 200使用电机丝杠 传动 作为驱动装置。考虑到步进电机精度不足，加速性能一般，易产生丢步或过冲，性能 效果没有 交流伺服电机好，又因为所设计的机械手臂起动 频率高，且要求快速启停，需达到一定传动精度，因此选择交流伺服电机。 传动装置选择齿轮传动和丝杠螺母传动，其中齿轮传动用于腰部的转动，丝杠传动用于手臂的竖直平移传动。 第 2 章 机构结构设计 6 坐标机械手平台总体方案设计 依据 制定的总体方案设计原则，完成的柱坐标机械手平台总体结构方案如图 示。 轮 轮 撑板 母机构 母 14 夹 紧型波纹管联轴器 图 总体 结构方案图 要组成 及功能 本次 设计的 机械手 平台 的 主要 组成 有 立柱 1、一个齿轮轴 4、两片薄齿轮 5 和 6、锁紧螺母 12、两部电机 10 和 11、 丝杠螺母机构 12、联轴器 14。 实现 的 运动功能 是 机械手臂 3 的转动，以及手臂 3 的上下移动 。 手臂 3 的转动是靠 齿轮 的啮合，其中薄齿轮 5 和 6 是周 向 固定在移动套 7 上面的，而移动套 7 是通过螺钉跟丝杠螺母传动机构中的螺母 12 连接在一起，而丝杠螺母传动机构的运动方式是螺母移动丝杠转动，螺母是通过立柱的开槽移动，所以 在 周向上薄齿轮是不会转动的，而齿轮轴 4 的转动 与 薄齿轮 5 和 6 啮合，则齿轮轴 4 绕着薄齿轮 5 和 6 周向转动， 而齿轮轴 4 是 安装 在手臂3 上 的， 且 手臂 3 是 套在 移动 套 7 上的， 而 移动套 7 是套在立柱 1 上的，所以实现了手臂的转动。 齿轮 的转动的动力 是 由伺服电机 输出轴与 齿轮轴 连接 提供。手臂 的 上下移动 ， 是通过丝杠螺母 机构 实现的，电机提供 的 动力，经联轴器 传递给 丝杠，丝杠的转动带动 螺母 沿立柱开槽上下移动，这里丝杠螺母机构是安装在立柱内部竖直方向的 ，螺母通过螺钉和移动套相连，而手臂是套在移动套上的，这样螺母的上下移动就会带 7 动手臂的上下 移动 ，这样就实现了手臂在竖直方向的移动 。 通过 这两个 自由度的同时运动就能快速精确的 将手臂 运动到需要的位置 。 要结构特点分析 这次 设计的特点是在齿轮啮合中，双片薄齿轮的错齿安装 ， 两片薄齿轮的左右两面分别 贴 在 宽 齿轮 齿 槽 的 左右 齿面 上 ， 从而消除齿侧间隙 ， 增加往复循环精度 。 电机与丝杠 相连是通过 小扭力波纹管联轴器， 其具有 高扭矩刚性和高灵敏度，零回转间隙，可耐高温、免维护，波纹管具有超强纠偏性，顺、逆时针回转特性完全相同， 从而提高精度。锁紧螺母的 选用 ，即能实现 丝杠 的转动，又能避免 径向防 松。还有 轴承 选用的是角接触球轴承， 角接触球轴承可同时承受径向负荷和轴向负荷。能在较高的转速下工作。接触角越大，轴向承载能力越高。若 是成对双联安装，使一对轴承的外圈相对，即宽端面对宽端面，窄端面对窄端面。这样即可避免引起附加轴向力，而且可在两个方向使轴或外壳限制在轴向游隙范围内。因其内外圈的滚道可在水平轴线上有相对位移，所以可以同时承受径向负荷和轴向负荷联合负荷。 要结构件设计 设计的机器人主要结构包括腰部升降移动机构、旋转臂回转结构、旋转臂伸缩微调机构和立柱结构。 旋转平台是腰部旋转的实现的基础，一般 要 求 有 足够 的稳定性 ， 结构要求便于 装修 。 它将基座和上方的运动机构连接起来，承载运动机构的重量，旋转平 台的设计对于机器人的平衡性有很大影响。 旋转平台结构如图 示。 图 腰部结构 第 2 章 机构结构设计 8 移动套与立柱之间还有一个用于其与立柱润滑的环形套，但移动套和环形套均开有缺口，为了丝杠螺母传动中螺母的安装。而对于手臂部分则安装在腰部最外层，上面由上端压套通过螺钉连接移动套从而起到固定腰部的作用。 丝杠螺母结构实现腰部及手臂的上下平移，结构如图 示。 图 杠螺母机构 安装 结构 此次设计采用的丝杠螺母机构的基本传动形式是丝杠转动螺母移动。丝杠一端装有轴承，轴承上方丝杠通过联轴器与电机输出轴相连，从而实现丝杠的旋转，因轴承固定在支承座上丝杠又安装在轴承上，所以丝杠只能转动不能移动。螺母则通过螺钉使其与移动套相连，因为其通过的立柱的开口，所以其不能周向旋转，只能沿着立柱开口上下移动。由于丝杠转动会产生颤动，所以在丝杠下端装有一稳定装置在立柱里面。丝杠 稳定装置由 图 示 。 图 丝杠稳定装置 此次 设计 的旋转臂升降驱动连接导向移动结构，是 通过螺钉把套在 立柱 上的移动套 跟 丝杠螺母传动机构中的法兰型螺母相连，而立柱开有缺口 ， 被螺钉连接在一起的 9 移动套在丝杠转动时随着螺母 沿 立柱开口上下移动 。结构 如 图 示 。 图 旋转臂升降驱动连接导向移动结构 此次 设计的 旋转臂 回转机构 ， 首先 右边套在 立柱上的移动套 在 立柱开口通过螺钉与 丝杠 螺母机构中的 法兰型 螺母相连 ， 所以 移动套 不能转动 。而 两片大齿轮 通过 轴用弹性挡圈固定 在移动套上，则 大齿轮 不能转动 。 然后左边电机 输出轴 与 小齿轮轴 相连带动小齿轮旋转 。 然而 大齿轮 固定 不能 转动，则小齿轮轴的 转动 使其 围绕 大齿轮转动。由于 小齿轮轴通过 轴承穿过手臂开孔，则小齿轮轴围绕大齿轮的转动会带动手臂旋转 。旋转 臂 回转 机构如 图 示。 母 母机构 图 旋转臂回转结构 齿轮传动实现的是腰部机构的旋转，结构如图 示。 第 2 章 机构结构设计 10 图 旋转臂回转齿轮传动结构 这里选取的齿轮，左边的齿轮通过轴承用联轴器与电机输出轴相连 ，右边的双片薄齿轮固定在腰部的连接套上，因为连接套与螺母通过螺钉固定在一起，所以这双片薄齿轮，不能转动。因为左边齿轮通过轴承连接在手臂件上，则当左边齿轮转动时，左齿轮跟手臂一起转动。从而实现腰部转动。齿轮材料 选用的是 40调质处理后具有良好的综合力学性能，良好的低温冲击韧性和低的缺口敏感性。 旋转 臂回转导向结构是 旋 转 臂里面 套有一个手臂支 承 套。而 支承 套是套在移动套上的 ， 上端被 上端压套 固定。旋转 臂沿手臂 支承套 转动。旋转臂回转导向结构如图 承套 图 转臂回转导向结构 旋转臂伸缩微调机构设计， 这里在旋转手臂伸出端设计 两条 滑轨，再套上一个滑板，在滑轨端面加装一个封板，通过螺钉固定在两条滑道上，再在滑板上攻出螺纹孔，在挡板上也 攻出同 轴心同样大小螺纹孔 ， 选用 一双头螺柱分别 旋入滑板 和 挡板，在 滑板这边选用一个 锁紧 螺母，在挡板外端选用一普通螺母，这样只需旋转挡板外的 螺母滑板就会沿轨道滑 动 。从而 实现 旋转臂 长度 的微调 。 调整好后在 滑板 的 上面 挖键槽 沉 11 孔 ， 从而这样就可以使用螺钉固定住滑板的位置。在 滑板 上攻 出螺纹孔这样方便传感器或者检测头的安装。 旋转臂伸缩微调机构如图 示 。 臂 柱 图 旋转臂伸缩微调机构 立柱是 一个铸件， 材料选择 口铸铁其抗拉强度和塑性低，但铸造性能和减震性能好。立柱这里
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