柔性自动生产线总体方案研究及大六自由度机械手结构、电控设计

毕业设计说明书题目名称： 柔性自动生产线总体方案研究及 大六自由度机械手结构、电控设计 院系名称： 机电学院 班 级： 机自113 学 号： 201100654124 学生姓名： 窦武阳 指导教师： 崔江红 2015年6月中原工学院毕业设计（论文）摘 要随着制造业的发展，公众对产品的功能与质量的要求越来越高，产品更新换代的周期越来越短，传统的大批量生产方式已经不能满足需求。为了同时提高制造工业的柔性和生产效率，柔性自动化系统FMS(Flexible Manufacture System)便应运而生。本课题在对中工实验室FMS及六自由度机器人研究分析的基础上，对其中六自由度串联机械手进行结构分析设计、传动机构设计及其程序控制进行二次开发编程。运用了SolidWorks三维造型软件，对六自由度机器人进行建模以及整体分析。通过对模型进行受力分析进而完成各个关节的减速器及电机的选型，完成机器人的关节间传动设计、整体结构设计，并利用软件对机器人大臂进行了结构分析，对大臂设计及制造工艺问题具有指导意义。通过软件建模及优化方案，极大地丰富了工业机器人的设计方式、降低了设计研发成本。关键字：柔性生产线，FMS，SolidWorks，六自由度串联机械手Overall scheme research of flexible automatic production line and the structure of large six DOF Manipulator and electronic control designAbstractAs the development of manufacturing industry, public product function and quality of the increasingly high demand, product updates replacement cycle becoming shorter and shorter, the traditional mass production mode has been unable to meet the demand. In order to improve the flexibility and production efficiency of manufacturing industry, FMS (Manufacture System Flexible) is the historic moment.This topic in the analysis of the laboratory work in FMS and six degree of freedom robot research based, the six degree of freedom series manipulator structure analysis design, transmission design and program control to carry on the secondary development of programming. Using the SolidWorks 3D modeling software, the six degree of freedom robot is modeled and the overall analysis. By analyzing the stress and then complete each joint of deceleration device and the motor selection, and complete the robot joint drive design, the overall structure of the design of the model, the robot arm is an analysis of the structure with the software, it has guiding significance for design and manufacturing process of the problems of the big arm. Through software modeling and optimization, it greatly enriches the design method of industrial robot and reduces the cost of design development.Keywords：Flexible production line FMS SolidWorks Six DOF serial manipulatorI目 录1 引言11.1 课题背景11.2 国内外研究现状11.2.1 国内研究现状11.2.2 国外研究现状21.3 课题研究内容与意义32 总体方案研究42.1 柔性制造系统42.1.1 优点42.1.2 柔性制造系统的组成42.2 方案研究42.2.1 系统组成52.2.2 控制原理73 六自由度机器人本体结构设计83.1 工业机器人的基本技术要求83.1.1 工业机器人的自由度与工作空间83.1.2 机器人技术参数93.2 六自由度机器人结构设计103.2.1 一关节设计113.2.2 二关节设计123.2.3 三关节设计133.2.4 四、五关节设计143.3 机器人大臂结构优化143.4 总体外形与最大动作范围174 传动设计194.1 减速器结构及工作原理194.1.1 RV减速器194.1.2 谐波减速器214.2 设计计算及减速器选型224.2.1 尺寸及力矩分析224.2.2 减速器选型234.2.3 电机选型264.3 整体装配295 控制原理及二次开发305.1 控制原理305.2 二次开发及编程325.2.1 开发编程模式325.2.2 编程举例32致 谢37参考文献38III1 引言1.1 课题背景随着科学技术的发展，人类社会对产品的功能与质量的要求越来越高，产品更新换代的周期越来越短，产品的复杂程度也随之增高，传统的大批量生产方式受到了挑战。这种挑战不仅对中小企业形成了威胁，而且也困扰着国有大中型企业。因为，在大批量生产方式中，柔性和生产率是相互矛盾的。众所周知，只有品种单一、批量大、设备专用、工艺稳定、效率高，才能构成规模经济效益；反之，多品种、小批量生产，设备的专用性低，在加工形式相似的情况下，频繁的调整工夹具，工艺稳定难度增大，生产效率势必受到影响。为了同时提高制造工业的柔性和生产效率，使之在保证产品质量的前提下，缩短产品生产周期，降低产品成本1，最终使中小批量生产能与大批量生产抗衡，柔性自动化系统FMS(Flexible Manufacture System)便应运而生。柔性自动化生产线技术综合了机械工程、电子工程、计算机技术、自动控制及人工智能等多种科学的研究成果，是机电一体化技术的典型代表以及科技发展最活跃的领域。其中近几年关键技术的发展研究搬运机器人的研究、制造和应用正受到越来越多的国家的重视。我的课题为柔性自动生产线总体方案研究及大六自由度机械手结构、电控设计。针对中工柔性生产线实验室进行研究，通过对其整体方案合理性的分析，确定生产线的主要参数，分析单元时间及动作合理性，四人合作设计柔性线。并对其中六自由度串联机械手进行结构分析设计、传动机构设计及其程序控制进行二次开发编程。1.2 国内外研究现状1.2.1 国内研究现状自70年代柔性自动化系统进入工业生产中以来，其发展程度已由一台数控机床的应用，逐渐发展到柔性制造单元、加工中心、计算机集成制造系统和柔性生产线。其中工业生产中必要的搬运环节，已经开始使用机器人代替，以减少劳动力。直至80年代末到90年代，国家863计划把柔性生产与机器人设计，列为自动化领域的重要研究课题，系统地开展了机器人基础科学、关键技术与机器人元部件、先进机器人系统集成技术的研究及机器人在自动化工程上的应用2。在工业机器人选型方面，确定以开发点焊、弧焊、喷漆、装配、搬运等机器人为主。为中国的工业以及制造业进行了大量的技术研发工作，对提高中国制造业的生产效率提供了技术基础。这是中国机器人事业从研制到应用迈出的重要一步。目前，工业机器人正呈现出爆发式增长态势，世界各地纷纷掀起使用工业机器人热潮中国也不例外，工业机器人的市场需求量日益增加3。2014中国机器人产业发展高峰会议在张家港举行。工业和信息化部副司长王卫明透露，预计中国到2016年或成为全球最大的机器人市场。据IFR统计:中国工业机器人市场空间巨大，年增长率超过30%。中国将会在近几年成为全球工业机器人需求量最大的市场，为我国工业机器人的发展提供了良好的机遇和巨大的发展空间4。但是，无论从工业机器人的数量上还是技术上，我们都是比较落后的。由于国内机器人的科研与开发与国外尚有较大差距，虽然计划开发的机器人基本上采用的是在国外基本成熟的技术，但国内各单位对这些技术的了解有相当部分还停留在文献上或局部技术5。随着我国门户的逐渐开放，国内的工业机器人产业将面对越来越大的竞争与冲击，因此，把握我国工业机器人研究的相关进展十分重要，对工业机器人的研究更是重中之重。1.2.2 国外研究现状自柔性制造概念出现,各个制造业大国便积极研究，在西欧、美国、日本柔性生产线更是受到普遍重视，柔性生产中的工业机器人技术更是炙手可热。当前世界主流的工业机器人以四、五、六自由度串联型和并联型机器人为主。在工业机器人的研发中，许多关键问题都使得六自由度机器人不易实现。六自由度串联工业机器人各关节主体零件大多采用复杂形状大铸件构成，其余零件小而多，一体式的主体零件增强了部件乃至整机的刚度，并且以铸造成形的制造工艺优化了工件的质量与重心。但不规则形状增加了精加工时定位装夹的麻烦。另外，相连两轴的电机往往安装于同一轴部的主体零件上，使得各零部件的装配、维修变得不方便，且整个机器人可重构性降低6。在工业发达国家，自动化成套设备已是自动化装备的主流及未来的发展方向。现阶段以机器人为核心的自动化生产线适应了现代制造业多品种、少批量的柔性生产发展方向，具有广阔的市场发展前景和强劲生命力，机器人自动化生产线已形成一个巨大的产业7。国外汽车行业、电子行业与工程机械等重复性高的行业，工业机器人构成的自动化生产线的普及率很高，既提高了效率与质量，同时保证了生产力的安全。全球制造业大国的柔性生产线使用实践体现出，工业机器人的普及是实现自动化，提高企业效率和加快发展的必要方法。1.3 课题研究内容与意义柔性自动生产线总体方案研究，对现有模块化柔性生产线（MFTL是用标准化、系列化和通用化的模块, 组成功能各异的加工中心、数控专机等, 根据用户零件加工需求, 合理配置的一种可重组、模块化制造系统）进行控制分析，了解生产线如何运行，各个模块的功能及相互间的作用。通过了解分析，得出此套模块化柔性生产线的控制流程图，从零件出库经由传送带，到达每个检测模块进行形状、材质的检测，后经传送带再输送至加工模块，按照加工程序进行自动化的数控加工，完成后送至检测模块，进行加工后零件的合格检测，最后经由码垛机进行分类入库。对其中的搬运机器人，即六自由度串联机器人进行重点分析与研究，以进行下一步的课题，机器人的具体设计。对于六自由度串联机器人的设计，应包括结构设计、传动分析设计和控制分析设计。机器人构型设计时，一般应避免设计的机器人具有结构奇异性，以防止无效的关节驱动增加到结构设计中8。机器人六自由度的分配方式最为重要，即从底座一直到顶端机械手，给予每部分一个方向的自由度，以完成所需动作。对于六自由度关节机器人的运动学分析较为复杂，因此对运动学的研究是很有必要的9。传动分析是串联机器人设计的重点，体积也比较小在保证质量的情况下，设计结构尽量简洁，并利用RV减速器原理10，为每段机械臂添加动力装置，并驱动串联机械手的动作，合理且高效的安排动力及传动的设计位置。控制设计是利用计算机技术，通过编写程序语言，导入运动控制装置，然后通过触发命令，使机械手依照程序来做出相应的动作反应。通过以上几大方面的分析设计，六自由度串联机器人的设计便告一段落，通过三维软件进行实体建模动作模拟，建立各个零部件的装配及关键部件的装配爆炸图，从而确定设计的合理性与可行性。 本文以中原工学院柔性制造实验室和三维建模软件相结合，对模块化柔性生产线进行研究，进行机械手臂的三维建模，利用软件对其进行构型分析与传动设计。旨在对六自由度机械手的研究基础上，以此作为平台，有可能实现产品化，提高产品的设计效率，缩短产品的设计周期，最大程度上降低成本，提高效益，为企业在竞争中赢得时间。2 总体方案研究2.1 柔性制造系统柔性制造系统是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成，能适应加工对象变换的自动化机械制造系统，英文缩写为FMS。通常的加工制造业，根据需求进行生产纲领的定制，小批量或大批量的生产，然后进行专用机床、专用夹具等设备的计划，进行批量生产。随社会消费类型的日益多样化，需求商品的类型也日益多样化，多品种的生产已经成为现今企业的生存之本。柔性制造系统的出现，便是对现今多样化需求的最佳解决方案。在网络技术飞速发展的时代，制造业也应当紧跟时代步伐，利用网络技术进行生产的控制、加工，不仅可以改善工人的工作环境，又降低了企业的制造成本。2.1.1 优点系统中设备利用率高，一组机床编入柔性制造系统后，产量比这组机床分散单机作业时的产量提高数倍；在制品数量下降，采用柔性自动化系统可使在制品减少80%左右；生产能力相对稳定，相比人工装配，柔性线的定位性更强；运行灵活；产品应变能力强，可加工一系列的相似产品，例如加工回转类零件，可加工尺寸范围调整，可以实现不同型号的同类零件。相似的还有盘类、板类等。2.1.2 柔性制造系统的组成1条 完整的柔性生产线，需要以下几方面的必要组成部分，以完成制造系统所需的柔性。加工系统：柔性制造中的设备类型不定，由待加工零件所需工序而确定，一般的比如加工中心、数控车与数控铣，各类加工机床等。物料系统：存放零件及加工完成构件，立体仓库等。计算机控制系统：用以控制各个模块的启动，收到传感器信号进行指定的动作。系统软件：整合一整套柔性生产线的全套信号，使柔性线成为整体。2.2 方案研究方案设计需要针对用户待加工零件的要求，确定加工装备技术参数和功能要求, 结合使用现场的实际情况, 才能最后确定能满足用户需求的整个生产线设计方案。模块化柔性生产线加工设备的模块化结构, 可使设计和制造任务得到合理划分, 由于采用标准化的模块接口, 减少了任务之间的耦合, 因而便于并行工程的组织和实施。以中原工学院柔性生产实验室为研究对象，对各个模块进行研究学习。对生产线每个环节的作用及动作原理进行讨论研究，从每个环节的触发动作，到此环节的结束动作。2.2.1 系统组成模块化柔性生产线(MFTL)是用标准化、系列化和通用化的模块, 组成功能各异的加工中心、数控专机等, 根据用户零件加工需求, 合理配置的一种可重组、模块化制造系统。经过研究分析，得出生产线流程图。图1包括自动搬运系统、数控加工系统、信息采集系统和计算机控制系统等部分。各个设备可以独立运行和调试，开放软件源程序，并配套了图像化人机交互界面。图 1 柔性生产线流程图如图1所示，此套柔性制造系统的柔性加工单元分别为：数控车床、自动化立体仓库、六自由度串联机械手、并联加工中心、CCD视觉检测、材质与孔深检测、装配机器人、喷涂单元、皮带输送机九个单元组成。当生产设备接受主机生产命令时，通过总机向子模块发送动作指令。由自动化立体原料库的零件位置，反馈到计算机中，为三自由度搬运机械手提供运动参数，使机械手运动到指定位置，搬运零件至传送装置，完成一套搬运动作。经由出库平移台，移送到出库皮带传送机，在皮带床送机的中间位置，触发光电感应开关，使材质检测装置启动，以完成对零件材质的检测。材质检测完成，档杆回缩，使零件继续沿传送带行进。经过下一个光电感应开关时，触发的是CCD形状检测传感器，用以判断零件的形状与颜色，对后续工序提供数据资料。检测完毕进入90度转角机，使零件继续沿生产线行进，到达搬运机器人的工作点，触发感应开关，搬运机器人开始工作。截止此时，之前的检测数据开始应用。当此零件为非回转体零件时，搬运机器人将会依照既定程序，使零件搬运至数控车床，进行机械加工，变为回转体零件；而当此零件已经为符合形状检测的零件2时，搬运机器人会按照另一套既定程序，搬运至六自由度并联机器人的工作位置，进行钻孔加工操作。54311. 自动化立体仓库 2.控制模块 3.加工中心 4.传送带 5.六自由度搬运机器人图 2 柔性生产线布局图当加工操作完成时，搬运机器人将会执行另一套程序使加工好的零件从新搬运到生产线上，继续沿着生产线走。在经过另一个90度转角机后，触发感应器，对加工后的零件进行孔深检测操作，检测在上一工序中的钻孔深度是否符合要求，并进行记录，为后续的工序提供数据。检测完成后，气动档杆回位，零件继续行前移动，到达喷涂单元，利用色彩识别单元的数据，对此零件进行喷涂操作。沿生产线到达分拣装配机器人处，在孔深检测中不合格的零件将会被小六串机器人移至废料处，合格的零件，机械手将会从自动化旋转仓库中取出配合零件，对生产线上的零件进行装配动作，完成装配后，该装配体进入入库平移台，三自由度搬运机械手收到搬运指令，搬运该装配体至自动化立体成品库中，至此，一套完整的柔性生产线的工作原理简述完毕。2.2.2 控制原理柔性生产线基于CAN总线，进行对各个分模块进行控制。总线控制是一种现今应用于各个行业的串行通信网络，早在70年代末为解决汽车中众多的控制器与测量仪间的数据分析而产生的通信协议。图 3 工作原理图此套生产新的各个模块工作原理如图3所示，传送带进行运输动作，两条相邻传送带连接后组成生产线。每条传送带都安装有控制模块，当工件经由运输带触发驶入传感器，该模块便对工件进行制定操作。其本工位的控制器只接受驶入和工位传感器信号，驶出传感器的信号则输入相邻运输带的控制单元，为下一传送带的动作发出信号。图 4 CAN总线控制如图4所示，每条输送链间的信号传递由控制器控制，而每个模块的控制器又经过CAN总线到中央控制单元。中央控制单元控制与监视生产线的每个动作与加工指令。利用CAN总线的集成性完成模块化生产线的控制，各个模块既可以独立作业又可以联合作业，使得柔性生产线的组合多样化，为柔性生产提供便利。3 六自由度机器人本体结构设计工业机器人的应用是机电一体化的典型代表，利用末端结构进行动作。工业机器人系统由软件、控制处理器、传感器、驱动装置以及机器人本体组成。系统图如图5所示。其工作空间由机器人技术参数范围决定。图 5 工业机器人系统关节型串联机器人其原理可简述为各个连杆首尾相接、末端开放的链式结构。在作业过程中实现其要求任务的坐标运动，大多数时间这个链式结构的末端是无法支撑的，因而对工业机器人的技术要求更为重要。3.1 工业机器人的基本技术要求3.1.1 工业机器人的自由度与工作空间在工业应用中，机器人被用来作一系列重复性高，同时要求精度的作业。在工业机器人运动过程中，手臂端部执行装置能否到达指定位置，是衡量一台工业机器人好坏的标准。而到达指定位置的路径，便是对工业机器人自由度提出要求的决定性因素。比如在汽车制造业，对车体内结构进行焊接工作，由于焊接角度与车身内部结构的复杂性，很难通过一条直线到达指定焊接位置，此时，多自由度的串联机器人便可以通过灵活的手臂进行焊接操作。工业机器人末端所能到达的点的集合，称为机器人的工作空间，工作空间的大小根据所设计机器人每个关节大小决定。常见的工业机器人的结构形式有以下五种：直角坐标型机器人、圆柱坐标型机器人、球坐标型机器人、关节型机器人和并联型机器人。图6简单描述了常见机器人的工作空间。工作空间表示了机械手能够达到的位置，但同时应避免机械手自身关节的干涉或奇异性，更重要的是避免工作时机械臂与环境障碍物的不必要的接触。所以，机器人工作前必须研究其工作环境。图 6 常见机器人结构形式与工作空间3.1.2 机器人技术参数现今工业机器人的各种性能指标，应用以下四点来衡量：第一，运动范围是选择机器人的第一参考要素，根据需要工作的长度、广度以及最大距离，来确定机器人的类型。第二，负载能力是在选定机器人种类后，进行系列选型，能达到的最大载荷。第三，精度的要求不一而论，比如医疗机器人与卸货机器人，所需精度必然不同，根据具体任务确定。最后，重复精度，当机器人完成一系列动作指令后，再次达到同一点的精确能力的大小。本次设计六自由度串联机器人采用串联关节式结构，拥有六个活动自由度，按工业标准要求设计，速度快、柔性好；每个关节按照模块化结构设计，简单、紧凑，需完全满足运动任务要求；机器人本体采用超硬铝材料，手爪夹持工件最大直径在75CM内。在工作过程中，运动需平稳可靠，无燥声，运行精度高。根据需要进行机器人技术参数拟定。表 1 机器人技术参数机构形态串联关节型自由度6负载能力10Kg重复定位精度0.08mm动作范围关节转动-150 +150关节转动-150 -30关节转动+50 -70关节转动-150 +150关节转动-90 +90关节转动-180 +180最大速度关节转动60o /S关节转动60o /S关节转动60o /S关节转动60o /S关节转动60o /S关节转动60o /S本体重量95Kg安装环境温度0+45oC湿度2080%不结露其它 避免易燃、腐蚀性气体、液体 勿溅水、油、粉尘等 勿接近电器噪声源初拟定六自由度搬运机器人的技术参数，以实际情况而定。每个关节的最大转速以60/s为准。考虑抓取工件的最大力矩，以及实验室中工件模型重量，设计中所抓取工件以不超过10kg为宜。3.2 六自由度机器人结构设计根据初拟定六自由度搬运机器人的技术参数，六个自由度从下往上依次命名，一关节为在XOY基准面上的转动，字母表示为JT1。二关节为绕X轴的转动，表示为JT2。三关节依然为绕Y轴的转动，表示为JT3。四关节为绕Y轴的转动，表示为JT4。五关节为绕X轴的转动，表示为JT5。六关节为绕X轴的转动，表示为JT6自由度坐标系拟定如图7所示。根据初拟定的自由度分布，得出此工业机器人的自由度计算：自由度计算公式：F= 3n - 2pl - 2ph公式中各个字母的意义：活动构件的数目n，低副的数目pl，高副的数目ph活动构件共计6个n=6，转动副共计6个pl=6，复合铰链，局部自由度和虚约束在本次设计中没有出现，ph=0，所以可得：F= 36 - 26=6 此机构的自由度符合设计要求。 图 7 六自由度分布六自由度搬运机器人由于关节大小限制，实现空间内的六自由度移动，所以每个关节所占空间大小必须尽量缩小，同时也应考虑驱动机器人动作所需动力源及配套传动装置的体积大小，一般工业用六自由度机器人都是由伺服电机与减速器进行直连，完成驱动与输出。3.2.1 一关节设计为了能够保证在占用最小体积的前提下，产生较大的传递扭矩和传递精度，一关节的结构形式采用交流伺服电机与摆线针式减速器直连如图8，也可以选用近几年主流的机器人用RV减速器进行减速输出。并且，在减速器与电机之间添加一个齿轮轴，实现机器人的回转，与摆线针式减速器的功能相近的RV减速器同样能够承受较大的轴向载荷、径向载荷以及倾覆力矩，将RV减速机的针齿壳机架固定于底座上，输出盘与机器人二关节通过回转支架连接，减少了中间的传动关节，在一定程度上保证了传动精度。电机的固定是通过连接螺钉与回转支架相连，此种结构设计与以往的传动方案设计不同，使得减速器的输入端与输出端在同一侧，一般设计中往往把电机的固定端与不动构件相连接，这样做的好处是减少传动惯量，同时，这种方法让机器人的轴向尺寸增加了一个电机的尺寸，与工业机器人的关节设计要求相悖。且传动可靠性低，零部件繁多，精度上不容易控制。图 8 一关节设计图此外，为了使得安装方便同时减少结构的复杂性，电机不再单独设计外壳。机器人的每个关节都有转动范围，传感器的设置必不可少。若超出机器人的转角极限值，机器人电源线、控制线将被拉断，甚至威胁人的生命，因此在每个关节的极限位置需设置定位块。3.2.2 二关节设计二关节主要完成JT2沿Y轴的转动自由度，输出转矩，传递到第三关节。所以图 9 二关节设计二关节的结构除了要与一关节相连接，接收转矩，并且要输出转矩带动三关节移动。设计构型如图9所示。二关节驱动装置同样是交流伺服电机，不同的是利用谐波减速器进行减速与增大转矩。图 10 二关节结构图10所示在二关节构件中，电机与谐波减速器钢轮同样固定于构件本体，谐波柔轮与外侧机器人大臂通过螺栓连接，传递转矩，带动上部关节的移动。二关节下部底盘开有孔槽，与一关节连接盘相连接。其中，电机轴与谐波减速器连接，依靠于波发生器配套轴套互相以键相连，实现转矩传递。3.2.3 三关节设计图 11 三关节外形与内部结构三关节输出的转矩有两个，一种是绕大臂上端的Y轴转矩，另一个是绕X轴的输出连接转矩。图11可以明显看出与大臂相连的为谐波减速器柔轮，其连接方式与二关节电机减速器直连原理相同。谐波波减速器体积较小，传动精度较高，传递扭矩大，被广泛的应用于机器人活动关节的设计中。但是谐波减速器刚性较差，柔轮为弹性件，不能承受较大的径向载荷和轴向载荷。所以结构设计中使用圆柱滚子轴承来承受腕部其他关节对其产生的弯矩。在上部电机输出于同步带轮，利用同步带进行转矩传递，此设计可以缩短轴向设计尺寸，使得三关节的整体尺寸不至于在单一方向尺寸过长，以影响机器人运动时，某些特殊位置的动作路径。3.2.4 四、五关节设计经过三关节的转矩输出可以看出，整个三关节以后的部分，全部重量与机器人运动所产生的启动、停止转矩全部会对大臂的连接处产生极大的扭矩。所以，为了使机器人运动过程中所产生的扭矩最小化，而又能够实现六关节的结构设计，四关节的设计经过甄选，采用轻型XL系列同步带传动，这样便可以保证精确地传动比和减轻末端关节的重量。图 12 四、五关节结构图首先电机固定在电机板上，电机轴与同步带轮相连接，通过同步带传递转矩，另一同步带轮连接谐波轴，谐波减速器输出端直接与五关节相连。五关节为整个机械手构件中体积最小，零件最少的关节，输入由置于四关节中的步进电机，通过同步带传递与左侧轴，又经一对直齿圆锥齿轮，使绕Y轴转矩变为绕X轴转矩，再经谐波轴传递于五关节内减速器，输出在法兰盘结构，完成转矩输出。3.3 机器人大臂结构优化机械手臂是机器人的一个重要组成部分，在机器人运动中承担很重要的角色。但是机械手臂的结构设计在现行的国际标准里并没有一个唯一的设计标准。国内工业机器人的研发、生产尚处于行业初期，还没有形成商品化、系列化。机械手臂的结构设计处于经验设计阶段，大多采用相似设计，其结构的合理性、科学性没有理论依据，让经过铸造、加工出来的机械手臂，一方面可能存在手臂材料过于结实、使得运动时的重量和惯量增加的问题，给机械手的运行带来负面影响，另一方面，局部结构的强度可能又不够，影响整体刚度，并有可能在使用中提前损坏11。为了验证机械手臂结构设计的合理性，就必须生产样机，再做大量强度试验来验证，然后再对结构进行改进，之后才能小批生产形成商品，这样使整个开发周期延长，开发成本也相应增加。本课题结构设计，利用三维设计软件SolidWorks进行机器人大臂的结构设计，同时应用软件集成的SimulationgXpress分析向导功能，对设计的机器人大臂进行结构设计上的优化。图 13 机器人大臂结构设计三维建模如图13所示，完成连接二、三关节的大臂设计。然后，运行软件集成的SimulationgXpress分析向导，首先需要为大臂受力添加夹持部位。机械手一端通过螺栓与谐波减速器相连，周围利用圆柱轴承承载径向力，波发生器再与交流伺服电机相连，从而实现机械手臂的转动。所以，整个运动过程中的受力都在与轴承接触面和螺栓连接。机械手另一端要承受整个三关节以上和拿取重物、往复运动的受力。在选取受力分析位置时，应选取受力最大的一个位置，也就是水平位置对大臂进行受力分析，受力情况与下端类似，轴承接触面和螺栓连接共同受到向下的力。所以，夹持位置选择如图14上图左侧圆盘螺栓连接处和圆盘外圆面，作为夹具图 14 大臂受力图与静态应力分布位置。受力方向为上图右箭头，沿右侧圆盘向下分布。给定大臂材料，为铝合金铸件系列。然后运行模拟，可以得到静态应力分布图，如图14下，图中所示应力较为集中的部位为左侧圆盘与连杆连接位置。因此可以考虑优化的方案为，根据谐波减速器的型号，相应增加连接螺栓个数以分担受力；铸造时在大臂形体结合处盘与连杆处增加缓冲设计以减少应力集中；在一些受力比较轻的地方减少材料以减轻整个大臂的质量，从而可以降低伺服电机功率增加经济性和稳定性。图15是大臂优化后的应力分布图，可以看出在盘与连杆处增加了后筋设计，极大减小了应力集中的问题；并且在手臂不受力的中间部位掏出肋板槽，极大减轻了模型的重量，使得整体的重量得以降低，为驱动装置的选型降低成本。在最基本受力分析后就可以根据机器人任务的实际需要增加其它辅助部件，结合控制部件等优化外形，形成机器人大臂的最终设计。图 15 优化后大臂应力分布图3.4 总体外形与最大动作范围设计完毕六自由度搬运机器人的六个转动关节，画出六关节装配后的整体外形图，与最大范围示意图，为接下来的内部传动设计做基础。图 16 机器人最大动作范围图 17 总体关节设计图一个典型的机器人系统由本体、关节伺服驱动系统、计算机控制系统、传感系统、通讯接口等几部分组成。多自由度串联机器人具有46个自由度，其中23个自由度决定了末端执行器在空间的位置，其余23个自由度决定了末端执行器在空间的姿态。完成六自由度机械手的总体关节设计后，便是对机器人内部构件传动部件进行分析设计。通过每个关节不同的最大扭矩，进行减速器与电机的选型。4 传动设计随着加工制造业加工精度的提高，一系列精度高、传动平稳、减速比大的减速器随之出现，其中，RV减速器不仅保留了传统摆线针轮行星传动所具有的体积小、图 18 RV减速器与谐波减速器重量轻、传动效率高等优点，而且采用两级减速机构，使得处于低速级的摆线针轮行星传动更加平稳。谐波减速装置体积小、重量轻、传动比大，是机器人设计优先选择的减速装置。在工业机器人应用范围，从长远看RV减速器所带来的经济效益远比普通单级减速器大12。一般情况下，工业串联机器人的关节都是电机直连RV减速器，剩余关节都是电机通过同步带轮连接谐波减速器进行驱动。在市场上教学类串联机器人虽然可用蜗轮蜗杆或者行星减速器，但相对占用空间大，速度低，只在低端产品中使用。本课题所设计的六自由度搬运机器人所采用的减速器类型为一关节RV减速器，其后关节为谐波减速器。4.1 减速器结构及工作原理4.1.1 RV减速器图18是RV传动的机构简图，它由渐开线行星齿轮传动和摆线针轮行星传动两部分组成，渐开线行星齿轮与曲柄轴连为一体，作为RV减速器的第一级传动。如图18所示，减速器第一减速部为摆线针轮行星传动，第二减速部为行星齿轮传动。RV减速器其主轴承机构内置，安装有径向止推滚珠轴承，因此能够支撑外部负荷，力矩刚性、允许力矩大13。在机器人一关节，使用RV-E型减速机。第1减速部，正齿轮减速机构，输入轴的旋转从输入齿轮传递到正齿轮，按齿数比进行减速。图 18 RV减速器传动简图第2减速部，差动齿轮减速机构。正齿轮与曲柄轴相连接，变为第2减速部的输入。在曲柄轴的偏心部分，通过滚动轴承安装RV齿轮。另外，在外壳内侧仅比RV齿轮的齿数多1个的销，以同等齿距排列。如果固定外壳转动正齿轮，则RV齿轮由于曲柄轴的偏心运动也进行偏心运动。此时如果曲柄轴转动1周，则RV齿轮就会沿与曲柄轴相反的方向转动1个齿。这个转动被输出到第2减速部的轴。图 19 RV减速器输入输出方法在本课题中，应用在一关节的RV减速器，其输入输出方式为外壳固定的第一种减速方式。第1 减速部与第2 减速部相加得到的减速比i 因使用方法而异，可以根据下列公式所示的速比值算出。轴转动的情况R = 1 + Z2/Z1Z4 i = 1/RR：速比值 Z1：输入齿轮的齿数 Z2：正齿轮的齿数Z3：RV齿轮的齿数 Z4：销根数 i：减速比4.1.2 谐波减速器谐波齿轮传动由三个基本构件组成：谐波发生器（简称波发生器）是由凸轮（通常为椭圆形）及薄壁轴承组成，随着凸轮转动，薄壁轴承的外环作椭圆形变形运动（弹性范围内）；刚轮是刚性的内齿轮；柔轮是薄壳形元件，具有弹性的外齿轮。以上三个构件可以任意固定一个，成为减速传动及增速传动；或者发生器、刚轮主动，柔轮从动，成为差动机构（即转动的代数合成）14。谐波传动工作过程如下图所示，当波发生器为主动时，凸轮在柔轮内转动，使长轴附近柔轮及薄壁轴承发生变形（可控的弹性变形），这时柔轮的齿就在变形的过程中进入（啮合）或退出（啮出）刚轮的齿间，在波发生器的长轴处处于完全啮合，而短轴方向的齿就处于完全的脱开状态。图 20 谐波减速器构成与原理波发生器通常为椭圆形的凸轮，凸轮位于薄壁轴承内。薄壁轴承装在柔轮内，此时柔轮由原来的圆形而变成椭圆形，椭圆长轴两端的柔轮与之配合的刚轮齿则处于完全啮合状态，即柔轮的外齿与刚轮的内齿沿齿高啮合。这是啮合区，一般有30%左右的齿处在啮合状态；椭圆短轴两端的柔轮齿与刚轮齿处于完全脱开状态，简称脱开；在波发生器长轴和短轴之间的柔轮齿，沿柔轮周长的不同区段内，有的逐渐退出刚轮齿间，处在半脱开状态，称之为啮出；有的逐渐进入刚轮齿间，处在半啮合状态，称之为啮入。波发生器在柔轮内转动时，迫使柔轮产生连续的弹性变形，此时波发生器的连续转动，就使柔轮齿的啮入啮合啮出脱开这四种状态循环往复不断地改变各自原来的啮合状态。这种现象称之为错齿运动，正是这一错齿运动，使减速器可以将输入的高速转动变为输出的低速转动。柔轮齿和刚轮齿在节圆处啮合过程就如同两个纯滚动（无滑动）的圆环一样，两者在任何瞬间，在节圆上转过的弧长必须相等。由于柔轮比刚轮在节圆周长上少了两个齿距，所以柔轮在啮合过程中，就必须相对刚轮转过两个齿距的角位移，这个角位移正是减速器输出轴的转动，从而实现了减速的目的。4.2 设计计算及减速器选型机器人关键部件的选型，需经由各个关节的技术要求，进行受力分析，结合标准减速器及电机手册，进行能够满足运行需求的最适合配件进行定型号，及最终的装配图图纸的设计。4.2.1 尺寸及力矩分析图 21 机器人关键尺寸由任务书可得知本课题所设计的机械手，其搬运任务为质量在10KG以内的回转体零件，整体机器人重量在95KG内。首先计算出使一关节转动的最大转动惯量，之后再进行一关节RV减速器的配型。机器人一关节所需最大转动惯量，为机器人大臂转到水平位置，末端执行装置在最远位置时，加上工件重量，整个机械手位于最大伸长量。根据转动惯量定义：dJ = x2 dm ， dm = dx= m/ldx ， 转动惯量： J=1/3ml2质量为m ，长度为l，到一点距离x，材料密度 ，转动惯量J有转矩公式：M = J J=1/3ml2 =1/3m（580+350+160+130)2 =148kgm2 = w / t =5/6 s-1所以由公式得：一关节最大转动惯量约为M=2500Nm图 22 负载循环线图由计算可得图22中计算参数，T1= 2500Nm T2 = 500Nm T3 = 1500Nm Tem = 7000Nmt1 = 0.2sec t2 = 0.5sec t3 = 0.2sec tem = 0.05secN1 = N3 = 10r/minN2 = 20r/min Nem = 20r/min计算平均输出转速：有平均输出转速，结合负载循环图，可以为接下来的减速器选型提供所必需的数据。根据一关节转矩计算，依次类比计算二关节、三关节所需力矩大小。进行减速器选型。4.2.2 减速器选型第一关节减速器采用RV减速器，依照手册与设计经验，选择RV-E系列主轴承内置型减速器。图 23 RV-E型减速器型号标记表 2 RV-160E型号规格如图23所示，确定型号所必需的数据有额定输出转矩及速比值。根据关节一的负载特性，可计算出额定转速，根据图24匹配能够允许的转矩，暂时选定边框号。输出转速机器人参数最高为20r/min 45r/min减速器最高输出转速。有时由于紧急停止或外部的冲击，可能会给减速机施加较大的转矩。所以，在选择时应注意，额定图中所显示的值表示的是此时的瞬时最大允许转矩值。RV-E型减速机的寿命受曲轴中使用的滚动轴承的寿命的限制。减速机各种型号，都按额定转矩、额定输出转速运转时，寿命时间按如下设定。计算减速机的寿命是否满足要求规格值：最后确定规格：RV-160E-81第二关节选用谐波减速器进行降速与增大力矩。首先要先确定产品系列。由于要减小关节大小，选用的产品系列定为XB1单级谐波传动减速器组件。然后计算出输出转矩，根据负载情况确定工况系数后选择机型大小。工况系数如下图所示。表 3 工况系数有转矩公式：M = J J=1/3ml2 =1/3m（580+350+130)2 =246kgm2 = w / t =5/6 s-1所以由公式得：二关节最大转动惯量约为M=205Nm求出二关节的旋转扭矩后，可以进行二关节的减速器及伺服电机选型，对谐波减速器选型的步奏如下。XB1型谐波减速器选型见表3所示，根据输出扭矩进行减速器机型的选择。由表中数据所示，XB1机型100的减速器。按照常规伺服电机的输出转速1500rpm，输出转速选择15，可以满足二关节转速10rpm。表 4 XB1单级谐波减速器规格依照上述方法，以此计算三关节、四关节及以后关节的旋转扭矩，进行减速器的选型计算。最后减速器型号选定依次：XB1单级谐波减速器机型80，四关节机型选择50号。4.2.3 电机选型通过RV减速器与谐波减速器手册，机器人每个关节的减速器装置选择完毕。与之相配的伺服电机选型就较之轻松。本课题中所设计的各个关节中，应用的电机种类有两种，一种伺服电机一种步进电机。伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降，伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的使用成本较高，其精度决定于编码器的精度。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。图 24 伺服电机与步进电机应用步进电机与伺服电机的标准各不相同。两种电机都广泛的应用于数字控制系统中。但其两者的控制精度是有不同的，以松下全数字系列交流伺服电机为例，其脉冲当量为360/10000=0.036。对于一个普通的步进电机的脉冲当量可谓极小。除了控制精度上有所差别，在两种电机的低频特性上还有不同。步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。另外，步进电机在较高转速时其输出力矩会急剧下降，而相对的，交流伺服电机为恒力矩输出，在额定转速内以额定转矩输出。重要的，步进电机一般不具有过载能力，而交流伺服电机可以，这样大致上确定了六自由度搬运机器人的负载型关节的电机选择。在运行性能上，步进电机的开环控制有时会出现丢步或堵转现象15。交流伺服可直接对电机编码器反馈信号进行采样，控制性能可靠。图 25 型号的选定表