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毕业设计（论文）任务书题目四自由度直角坐标机器人机械结构改进设计及定位精度分析姓名何思渊学号20133410258题目类型工程实际科 研实验室建设其它一、课题主要研究（设计）内容： 1) 对四自由度机器人进行实际的操作，观察各模块的运动形式和动作范围，了解机器人机械系统各个部件的工作原理和机械结构。2) 使用AutoCAD软件绘制出四自由度机器人改进后的零件图和装配图。3) 对四自由度机器人进行实际的操作，通过测量机器人的定位精度，对机器人运动定位精度进行分析并研究提高定位精度的方法。二、工作进度要求（分阶段提出具体时间要求）：1、熟悉课题时间：本学期第16周成果：查阅资料，熟悉课题。2、开题报告时间：本学期第17周成果：编写开题报告，交由老师指导并修改。3、开题答辩时间：本学期第18周成果：开题报告答辩。4、绘制四自由度直角坐标机器人机械结构改进后的零件图，装配图时间：下学期第1周成果：绘制四自由度直角坐标机器人机械结构改进后的零件图，装配图。5、设计四自由度直角坐标机器人定位精度分析方法时间：下学期 2 周成果：确定四自由度直角坐标机器人定位精度分析方法6、中期检查时间：下学期第 3-5 周成果：准备好中期检查所需的各种材料，完成中期答辩。7、改进分析说明书 时间：下学期第6-12周成果：按要求完成毕业论文撰写。三、应查阅的主要参考文献：1孙英飞,罗爱华. 我国工业机器人发展研究J. 科学技术与工程,2012,12:2912-2918+3031.2马光,申桂英. 工业机器人的现状及发展趋势J. 组合机床与自动化加工技术,2002,03:50-53.3孙学俭,于国辉,周文乔,徐光霁. 对世界工业机器人发展特点的分析J. 机器人技术与应用,2002,03:8-9.4孙志杰,王善军,张雪鑫. 工业机器人发展现状与趋势J. 吉林工程技术师范学院学报,2011,07:61-62.5张红霞. 国内外工业机器人发展现状与趋势研究J. 电子世界,2013,12:5+7.6 李定坤,叶声华,任永杰,王一. 机器人定位精度标定技术的研究J. 计量学报,2007,03:224-227.7 黄松,胡晓兵,周飞,高雅楠,范启忠. 关节机器人定位精度影响因素分析J. 机械,2014,04:70-74.8 李新征,易建强,赵冬斌. 基于视觉的机器人定位精度提高方法J. 计算机测量与控制,2005,06:545-547.9 吴培良,孔令富,孔亮. 一种普适机器人系统同时定位、标定与建图方法J. 自动化学报,2012,04:618-631.10 龚星如,沈建新,田威,廖文和. 工业机器人定位误差补偿方法与实验研究J. 机械与电子,2012,07:64-67.11 R.Saravanan,S.Ramabalan,C.Balamurugan,A.Subash. Evolutionary Trajectory Planning for an Industrial RobotJ. International Journal of Automation & Computing,2010,02:190-198.四、毕业设计（论文）预期成果或结论性观点通过AutoCAD完成一张四自由度直角坐标机器人的A0尺寸装配图。五、毕业设计（论文）完成提交方式（设计、作品照片、实物、模型、技术文档或论文、含有技术文档或论文的光盘等）设计，论文。指导教师： 审核人： 年 月 日 年 月 日 四自由度直角坐标机器人机械结构改进设计及定位精度分析摘 要在现代的制造业中，四自由度直角坐标机器人已经成为了工业生产不可缺少的核心自动化设备。四自由度直角坐标机器人的能力，以适应工作环境，并能服务于各类生产工作强度大，精度高，速度快，易于控制，可显著提高生产工业自动化水平。国内四自由度直角坐标机器人起步晚，市场占有率低，许多人还没有掌握核心技术，可靠性低，小型应用程序，零件互换性低。 我们设计了四个自由度直角坐标机器人的可携带上下工件。四个自由度机器人的由两个机构和两个旋转自由度平移自由度的组织的，根据机器人的运动参数，选择足够的电力伺服电机，然后估算自由移动所需的力，选择所述驱动转矩机制，而不是正确的，合适的尺寸减小。伺服电机减速机传动机构，转动腰部由移动机器人手臂垂直旋转水平运动和操作臂的末端。伺服电机电缆在机器人辅助系统作进一步审议，触发机制和零线布局设计设计坦克链装置。关键词：四自由度，直角坐标，四自由度直角坐标机器人，机械设计Mechanical Design of a 4-DOF Cylindrical Industrial RobotAbstractIn modern manufacturing, industrial robot has become an indispensable core automation equipment. Industrial robot has good adaptability, can adapt to all kinds of mass production, high precision, fast speed, easy to control, can significantly improve the automation level of production. Domestic industrial robots started late, has low market share, low reliability, and many core technologies have not yet mastered. The application scope is small, the interchangeability of parts is low.The design of a kind of four degree of freedom cylindrical coordinate robot, can realize the workpiece moving up and down. The four degree of freedom robot mechanism is composed of two rotational degrees of freedom and two translational degrees of freedom mechanism. According to the robot movement parameters, servo motor is selected, and then estimates the sufficient power, force and torque of each degree of freedom movement needs, choose the appropriate transmission ratio and suitable reducer. Drive mechanism motion through the servo motor reducer, and then we can realize the robot waist rotation, vertical lifting arm, arm movement and rotation of the end effector. In part of the design of robot auxiliary system, we take the arrangement of servo motor wire tank chain, design the trigger switch and wire arranging mechanism the zero position into consideration.Key Words： 4-DOF; Cylindricalcoordinates; Industrial Robot; Mechanical design目 录摘 要Abstract第一章 引 言11.1 四自由度直角坐标机器人11.1.1 四自由度直角坐标机器人的概念及特点11.1.2 四自由度直角坐标机器人的组成11.1.3 国内外发展状况21.2 研究内容21.2.1 研究方法21.2.2 研究成果21.3研究意义2第二章 机构结构设计42.1 设计分析及方案拟定42.1.1 设计要求42.1.2 设计流程52.1.3 方案拟定52.2 主要结构件设计62.2.1旋转平台结构62.2.2滚珠丝杠结构72.2.3中间连接器92.2.4外壳设计112.3受载变形校核11第三章 传动机构设计133.1腰部转动133.1.1减速器选择133.1.2伺服电机选择143.1.3传动法兰盘设计153.2竖直平移163.2.1滚珠丝杠及螺母选择163.2.2伺服电机选择183.2.3联轴器选择193.3水平平移203.3.1滚珠螺母丝杠选择213.3.2伺服电机选择213.3.3联轴器选择223.4手臂末端操纵器旋转233.4.1伺服电机选择233.4.2减速器选择24第四章 辅助机构设计254.1 坦克链线路设计254.2 机构零点设计26第五章 机械结构改进设计及定位精度分析285.1 机械结构改进设计285.2 定位精度分析28第六章 总结与展望286.1 总结286.2 展望28参考文献30致谢31附录32- 12 - 第一章 引言1.1四自由度直角坐标机器人1.1.1四自由度直角坐标机器人的概念及特点我们的专家讲解四自由度直角坐标机器人的概念也不同，集成在论证的各个方面，从四度，可以在功能上可以实现自由直角坐标机器人，四自由度直角坐标机器人是一个机器具有以下特点：（1）具有的机构的移动操作;（1）具有通用性，可以实现各种运动操作;（2）是有一定程度的智能，可以重复编程;（3）是有一定程度的独立性，在一定程度上不依赖于人的操纵。1.1.2四自由度直角坐标机器人的组成四自由度直角坐标机器人一般由机械系统和控制系统组成，四自由度直角坐标型四自由度直角坐标机器人的机械系统组成由下图可知：图1.1 四自由度直角坐标型四自由度直角坐标机器人机械系统组成（1）驱动机构：本设计使用四个交流伺服电机驱动四个自由度。至于压力，所述液压驱动装置的体积是大的，因为不使用一个大的行程。（2）执行机构：执行机构的设计包括一个底座，腰部机关，事业单位和结束机械臂。使用螺母和两个行星齿轮减速传动，能够旋转运动转换成线性运动或到高速转换为低速，则动力被传递到致动器。1.1.3国外发展上世纪中叶，美国结合都手工和机器操作机的优点，该程序自动执行的动作机制，称为四自由度直角坐标机器人的发展。 20世纪60年代末，通用汽车的机械手臂，建立了车身焊接的自动化生产线。自那时以来，开发和应用的四个自由度直角坐标机器人，在各个工业国家的注意。日本也被称为“机器人王国”可以在日本的四自由度直角坐标机器人产业被看作是发达的，现在在日本智能四自由度直角坐标机器人取得了巨大成就。随后，四自由度直角坐标机器人产业开始兴起在欧洲2。四度在中国的自由度直角坐标机器人的发展很快，但相比世界先进的四自由度直角坐标机器人，技术差距依然明显3。国内四自由度直角坐标机器人起步较晚，相比国外的先进技术，可靠性低的国内四自由度直角坐标机器人，狭小的应用，生产线，工艺技术落后，低零件的互换性4。四自由度直角坐标机器人，可以在恶劣的环境，劳动强度高，劳动繁琐工作中使用，从解放人。1.2研究内容1.2.1研究方法现在设计的四自由度直角坐标机器人具有四个自由度，使用笛卡尔，使用这种机器人装载和的工件装卸卸。该系统的主要部件的机械设计的设计。四度机器人的自由度是腰部旋转，臂垂直升降，水平伸缩臂和操纵器臂旋转的终点。的四个自由度，以确定其自己的传输模式下，选择齿轮。确定的功率要求机器人运动的各运动部件，然后选择合适的伺服电机和减速。机器人手臂的三维实体设计软件设计的整体结构的SolidWorks 2013，身体质量，质量等参数的中心的分析是很方便的。1.2.2研究基本的设计任务，具体结果如下：（1）整体结构设计完成四个自由度直角坐标机器人，其包括一个基座，腰部旋转平台，垂直机身，水平臂和旋转平台设计的尖端;简单的设计（2）完成住房封装，整个传感器的设计机构和零极限位置;（3）完成组装机器人三维实体，并绘制了机器人的2D绘图。1.3意义直角坐标机器人有四个自由度是一个重要的现代制造业自动化机械，一些机械，工作环境恶劣危险的，没有创新的工作可以由机器人取代人工。在金属热压，需要人们在炉子附近工作，冲压床，车床或钻孔加热温度四个自由度直角坐标机器人的，该程序可以被写入，以防止碰撞其他处理工具，以避免工作出现危险的可能性6。四 - 自由度直角坐标机器人可适应多品种小批量的生产，高精密高速，易于控制，可显著提高自动化生产水平。小负荷旋转臂车型目前四度自由直角坐标机器人的市场容量，广泛的应用8。第二章 机构结构设计2.1设计分析及方案拟定2.1.1设计要求主要解决问题：按下表中参数的要求，设计一种四自由度直角坐标型四自由度直角坐标机器人，完成该四自由度直角坐标机器人的机械结构设计、驱动装置设计、传动装置设计、各自由度零点和极限位置设计及传感器选择：表2.1 机器人设计参数最大负载/kg腰部、臂部回转角度/伸缩行程/mm高度行程/mm最大旋转角速度/(rads-1)最大移动速度/(ms-1)重复定位精度/mm3360500500210.1机器人的工作空间是指机器人正常工作时手臂末端操纵器能活动的范围，可从上表推得，工作空间图如下：图2.1 机械手臂工作空间2.1.2设计流程（1）分析四个自由度，选择适当的驱动方式、传动装置和机构件；（2）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配；（3）对实体模型相关参数进行测量估算，按设计要求，最终确定电机、减速器、丝杠等产品参数，完成装配；（4）对机器人运动进行动画仿真和受载分析，验证设计正确性；（5）绘制二维工程图。流程图如下图所示：图2.2 设计流程2.1.3方案拟定根据设计需求，设计出的四自由度直角坐标机器人大致外形图如图2.1所示。图2.3 四自由度直角坐标机器人图 从上表表明，该设计参数，机器人臂行程为500mm，体积较大，使用电动机作为驱动装置。考虑到缺乏精密步进电机，在一般的加速性能，容易产生丢步或过冲，高性能的交流伺服效果并不好电机，但机械手臂起动频率高的设计也因为和需要快速启动和停止，你需要因此达到一定的传动精度，选用交流伺服电机。选择齿轮行星齿轮减速机传动和螺杆螺母驱动器，其中的行星齿轮减速器腰高扭矩的低速传输，螺丝螺母手臂水平和垂直平移的车程。确定草图机构机器人确定机器人的整体结构，直角坐标机器人四度的机制设计框图自由如下所示：图2.4 机器人运动简图伺服电机和行星齿轮减速机，实现了机器人的低转腰运动;考虑为500mm的水平移动行程的设计，是比较大的，也有使用前部和后部横向臂的平移滚珠螺杆旋转伺服马达来实现水平和垂直移动两个直线移动螺母设置成90度的角度偏差，固定于一个共同的十字形钢结构，沿水平方向以实现横向螺母不移动回来的螺纹作用往复运动;低功率伺服马达和行星齿轮连接，在该水平臂固定在支承板，操纵器的端部的效果旋转的一端。2.2主要结构件设计设计的机器人主要结构包括旋转平台、滚珠丝杠、中间连接器、和外包装。2.2.1旋转平台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。旋转平台结构如下图所示， 图2.5 旋转平台结构图内支撑套支撑机身重量，外支撑套带动腰部转动。内支撑套和外支撑套间的连接通过两个轴承实现：止推轴承承受整个机身的重力，向心圆柱滚柱轴承起到防止机构径向力失衡的作用。传动法兰盘用螺栓连接在外支撑套上，其内圈有键槽，配合减速器输出轴，输出轴转动，带动法兰盘和外支撑套转动。减速器用螺栓连接至内支撑套上，输出轴伸出，旋上螺母，压紧内外支撑套,实现腰部的轴向固定。2.2.2滚珠丝杠结构滚珠丝杠结构实现了手臂的上下和前后平移，结构如图所示： 图2.6 滚珠丝杠机构丝杠安装采用两端支撑方式，两端各装有一个角接触球轴承(22-8-7,32-15-9)，轴承由其两端的轴承座固定，轴承座安装应使丝杠轴线与支撑板平行。轴承座自行设计，其三维模型如下图：图2.7 轴承座导轨为滚珠丝杠结构提供了足够的支撑力。导轨首先选择滚珠型直线导轨，主要考虑其轨宽和轨长，滑块主要是确定类型和数量。导轨选择轨宽15mm，轨长根据工作行程需求选择600mm。滑块选择四方型滑块，其结构及总体尺寸如下图所示： 图2.8 四方型滑块由于支撑板是主要承载部件，需要校核支撑板的受压稳定性。分析支撑板受力，支撑板可以看作下端固定上端自由的压杆，压力为机身的重力，作用点在机身的中心位置，如下图所示：图2.9 支撑板压杆模型临界压力的公式为(1)式中：Fcr是临界压力；E是支撑板材料45钢的弹性模量，一般是196-216GPa；I是支撑板的惯性矩，可由三维模型的质量属性得到，40067 kgmm2；是长度系数，对于一端固定一端自由的情况，值为2.1；L是支撑板长度600mm。计算得到，Fcr=4.981010N，远大于实际所受重力。2.2.3中间连接器（1）中间连接器的设计中间连接器是连接水平丝杠和竖直丝杠的装置，它将由竖直丝杠螺母机构旋转而产生的竖直方向的位移，传递给水平丝杠螺母机构，使得手臂能够正常上下移动。中间连接器由两个螺母滑块连接器和一块中间连接板组成，相互之间用内六角螺栓连接，其结构如下图所示。 图2.10 中间连接器螺母滑块连接器自行设计，材料选择45钢，其制造工艺流程简单来说是铸造、铣平面、钻孔、攻螺纹。其安装尺寸由上述滚珠丝杠的螺母及滑块位置决定，外形如下图所示。图2.11 螺母滑块连接器图2.12 中间连接板（2）中间连接板的强度校核中间连接板主要需校核其与螺栓接触面上的挤压应力，挤压的强度条件是(2)式中：Fbs是挤压力，Abs是挤压面面积，bs是挤压许用应力。由中间连接器的三维模型可知，工作中的连接板与16个螺栓相互接触，螺栓直径3mm，连接板厚度5mm，单个螺栓对连接板的挤压面的面积Abs为1510-6m2。图2.13 连接板受力图总的挤压力F为水平手臂的重力，由Solidworks三维建模，经过测量得到质量m不大于15kg，因此单个螺栓孔受到挤压力为Fbs=mg/16=9.2N(3)因此，运算得到挤压许用应力bs0.613MPa(4)查表，可知钢材的挤压许用应力bs355MPa，远大于最低要求。2.2.4外壳设计机器人外壳外形图如图所示，其主要作用是滚珠丝杠的防尘，导线线路的排布和整体机型的美观。外壳采用铝合金蒙皮包装，蒙皮厚度为3mm，质量轻。材料塑性好，采用锻压加工工艺，锻压成型。再以钻头打螺栓孔，以便于安装固定。为方便制造，将整体的外壳分成三段，分别制造。外壳及其总体尺寸如下图所示： 图2.14 外壳图2.3受载变形校核受载变形校核可简单的由模型模拟机器人的末端受载时的挠度，得到形变偏移值。应用Solidworks Simulation的有限元分析功能，简单分析弯曲变形。根据机器人结构受力情况分析，主要是支撑板、丝杠、导轨等结构同时承载负载重量，因此受载的模型可简化如下图：图2.15 简化的受载模型下端做固定端，右上端的伸出端受向下的负载3kg，及30N的力，材料统一选择合金钢，其弹性模量是2.11011N/m2。运行结果为最大位移量0.0392mm，基本满足重复定位精度0.1mm的要求。详见附录1。第三章 传动系统设计变速箱的设计主要是确定传输模式，驱动器选择电机，减速机的选择和设计和选择的其他辅助配件。机器人平移自由度的设计是用来实现滚珠丝杠螺母，旋转自由度被用来实现一个行星齿轮减速。选择电机步进马达和AC伺服马达，考虑到缺乏精密步进电机，步进电机加速性能一般，易产生丢失步骤和过冲。机械手臂起动频率高的设计，要求快速启动和停止，以及需要达到一定的传动精度，因此选择交流伺服电机。3.1腰部转动腰部旋转采用行星齿轮减速器传动。 图3.1 腰部减速器减速器输出轴上有键槽，可直接连接在底盘的传动法兰盘上，带动腰部的上平台转动。3.1.1 减速器选择由于伺服电机的机器人的相对转动比腰部驱动慢，取大的腰围尺寸的机器人时，它可以是一个行星齿轮减速机，实现了传输的更大的传动比。降低了整个机器人臂体的尺寸尽可能地紧凑，选择齿轮单元的类型，我们选择了一个弹性套筒中空输入齿轮，实心轴输出。（1）确定的P 2的期望的功率驱动单元?:P2 =KMgv（5）其中：米腰部用32.6公斤，约m33kg测量质量的旋转部分的三维实体模型，再加上需要运行的致动器和3公斤重的端部上面，基于总质量的M = 40千克; K是一个安全系数，K = 1.2; g是重力加速度; v是机构的速度，以2米/秒; 为摩擦系数，= 0.15。计算P2 = 141.1W。（2）确定齿轮传动比i：（6）其中：n1为电机转速，N2腰部速度。腰围最大旋转角速度2= 2rad / S，速度N2 =9.552= 19.1r / min时，伺服电机的转速n1 = 3000转/分，那么我= =一百五十七分之三千19.1，取I = 120，三种传输。（3）确定使用系数f1：查减速器技术手册，假设均衡负载下启动次数少，每日工作12小时，f1=1.25。（4）被驱动设备的扭矩T2：T2=9550P2/n2(7)式中：P2是驱动设备所需功率，n2是腰部最大转速。计算得T2=70.5Nm。（5）减速器输出扭矩T2N：T2NT2f1=88.1Nm(8)根据传动比i、减速器输出扭矩T2N88.1Nm，查询减速器技术手册，选择减速器：px-85-120-S，减速器相关技术参数如下表：表3.1 腰部减速器技术参数减速器型号减速比i满载效率额定输出扭矩T2N/Nm转动惯量J/(kgcm2)最大径向力Fr/N最大轴向力Fa/NPX-85-120-S120901000.7440420（6）减速器径向、轴向力校核：减速器轴在径向不受外力作用，因此不用校核。轴向有紧固螺钉对轴的拉力，考虑到紧固螺钉的作用仅仅是防止机身径向不平衡，所受轴向力很小，轴向力可不用校核。3.1.2 伺服电机选择（1）电机所需功率P1N：P1NKP2f1=193.7W(9)式中：K是安全系数，P2是驱动设备所需功率，是满载效率，f1是设备使用系数。查伺服电机和减速器的技术手册，所选减速器对应电机的安装尺寸为90mm，对应伺服电机功率750W，因此选择电机型号：MSME 082G1，相关技术参数见下表：表3.2 腰部伺服电机技术参数电机型号功率P/W交流电源/V额定转速n/(rmin-1)最大转速nmax/(rmin-1)额定转矩T/(Nm)最大转矩Tmax/(Nm)转子转动惯量JM/(kgcm2)MSME 082G1750AC200300060002.47.10.87（2）伺服电机惯量比校核：估算负载惯量：(10)式中：估算电机和减速器的惯量：(11)计算得：J负载惯量/J电机+减速器=2.50倍T电机，所以转矩满足要求。3.1.3传动法兰盘设计传动法兰盘连接PX85行星齿轮减速器和腰部旋转平台，与行星齿轮减速器的输出轴用键连接，与腰部旋转平台用螺栓连接，将行星齿轮减速器的扭矩传递给腰部旋转平台，使腰部旋转运动得以实现。传动法兰盘的设计图如下： 图3.2 传动法兰盘3.2竖直平移竖直平移传动方式选择滚珠螺母丝杠（图片）。伺服电机需要安装在顶部，为防止机械手臂自重下滑，伺服电机应带有制动器。滚珠螺母丝杠的丝杠一端连接联轴器，伺服电机输出轴连接联轴器另一端。3.2.1滚珠丝杠及螺母选择（1）选择螺母型号由三维实体所建立的模型，可选择法兰式单螺母，F型，切边六孔。 图3.3 丝杠螺母（2）确定丝杠导程BP由传动关系图可得(14)式中：vmax是工作台最大平移速度1m/s；i是传动比，i=1；nmax是电机最大转速6000r/min，计算可得导程Bp等于10mm。（3）确定丝杠公称直径BD已知是摩擦系数0.03；WA是负载质量，可由三维实体建模测量得出WA=20kg；g是重力加速度，计算导向面的摩擦力Fa：Fa=WAg=0.25209.8=49 N(15)因此丝杠旋转需承受的推力F：F=Fa+ WAg=676.2 N(16)乘以安全系数K=1.2,得F1=KF=811.44 N(17)查阅该公司提供的产品相关资料，丝杠直径BD=12mm时，丝杠动载荷Ca是2.5KN，CaF1，满足要求。（4）确定丝杠长度丝杠总长一般是工作行程、螺母长度、安装长度、连接长度和余量的总和。由所建立的三维实体模型可知丝杠总长为650mm。（5）确定滚珠丝杠精度在无特殊要求的情况下，根据一般选取的经验，选用C7标准。C7标准表示选取丝杠精度等级为7级，300mm的丝杠长度上，行程误差不超过0.050mm。（6）校核扭矩克服摩擦力Fa，也就是产生所需推力的驱动扭矩T：(18)式中：B是进给丝杠的效率，取B=0.96。计算可得T=9.75 Nmm，远小于伺服电机所能提供的扭矩，所以校验合格。综上，所选择的螺母丝杠技术参数如下表：表3.3 丝杠螺母技术参数螺母型号直径BD/mm导程BP/mm丝杠总长度BL/mm丝杠动载荷Ca/KN丝杠质量BW/kg1210-2 F型 切边六孔12106502.50.63.2.2伺服电机选择（1）伺服电机功率确定估算出伺服电机的最大功率P：P=K(1+) WAgv(19)式中：WA是水平手臂质量，通过三维实体模型建立可得WA =20kg；是摩擦系数0.1；v是平移最大速度1m/s；K是安全系数，取K=1.2。计算得P=282.24W，取功率P=400W的交流伺服电机，可选电机型号：MSME 042G1，它的有关技术参数如下表：表3.4 竖直移动伺服电机技术参数电机型号功率P/W交流电源/V额定转速n/(rmin-1)最大转速nmax/(rmin-1)额定转矩T/(Nm)最大转矩Tmax/(Nm)转子转动惯量JM/(kgcm2)有无制动器MSME 042G1400AC200300060001.33.80.28有（2）伺服电机惯量比校核测量丝杠的三维模型，得滚珠丝杠的质量BW=0.6kg，则负载部分的惯量： JL=JC+JB=JC+1/8BWBD2+WABP2/(42)(20)式中：JC是所选联轴器的惯量，JC=3.210-5kgm2，WA是水平手臂质量，通过三维实体模型建立可得WA =20kg，计算可得JL=1.1910-4kgm2。预选电机的惯量JM=0.2810-4 kgm2，则惯量比：JL/JM=4.25倍30倍(21)（3）伺服电机转矩校核一般伺服电机的运转模式如图：图3.4 伺服电机运转模式由最大速度1m/s，移动距离为0.5m，可假设：加速时间ta=0.1s，匀速时间tb=0.4s，减速时间td=0.1s，循环时间tc=1.2s。移动转矩Tf：(22)式中：B是进给丝杠的效率，取0.96；是摩擦系数，取0.1；其他参数可由前面的表格得到，计算上式得Tf=0.0325Nm。加速时转距Ta：(23)式中：JL和JM分别是负载部分的惯量和预选电机的惯量，N是电机最高转速100r/s，计算得Ta=0.956Nm。减速时转矩Td：(24)式中：JL和JM分别是负载部分的惯量和预选电机的惯量，N是电机最高转速100r/s，计算得Td=0.891Nm。因此，最大转矩就是加速时的转矩Ta=0.956Nm，乘以安全系数K=1.2，TaK=1.15 Nm 3.8Nm（400W电机的最大转矩）。确认有效转矩Trms：(25)乘以K，TrmsK=0.454 Nm1.3 Nm(400W电机额定转矩)。根据以上计算可知功率750W电机满足转矩和惯量比要求，适合选用。3.2.3联轴器选择：（1）选择联轴器首先确定联轴器的力矩TT=T1K1K2K3(26)式中：T1是伺服电机的力矩，选择伺服电机时可在手册上查得，值为1.27Nm；K1、K2、K3是联轴器的工况系数；假定：负载变动较大，K1取1.7，每天运转8h，K2取1.00，每小时启停120次，K3取1.5的条件下，T=3.24Nm，力矩不大，联轴器可初步选择夹紧式联轴器。夹紧式联轴器是一种金属弹性联轴器，轴拆装方便，但正常工作承受的力矩有限，对同轴度要求不是很高，并且该联轴器正反转时的转动特性一致，非常适用于机器人等频繁启停的场合。伺服电机的输出轴径14mm和丝杠的输入轴径10mm，由此选择联轴器型号TS4C-40-1014，如下图。图3.5 铝合金弹性联轴器（2）校核力矩查阅企业联轴器产品说明书9，TS4C-40-1014型联轴器的拧紧力矩达4Nm，大于联轴器实际工作时所承受的力矩T=3.24Nm，满足实际要求。3.3水平平移水平盘滚珠丝杆传动机构。螺母水平固定并旋转的螺杆推动整个机器人臂相对于所述纵向平移螺母实现机械臂水平摇摄。水平和垂直平移平移相同的传输模式，一致的运动参数，所以一致的螺母，伺服马达和联轴器选择方法，不同之处在于电平不克服机械手臂翻译重力，功耗减小，从而使马达选择功率发生变化。3.3.1滚珠螺母丝杠选择水平平移自由度滚珠丝杠选择同竖直平移，详细技术参数见表3-3。3.3.2伺服电机选择（1）伺服电机功率确定估算出伺服电机的最大功率P：P=KWAgv(27)式中：WA是水平手臂质量，通过三维实体模型建立可得WA =20kg；是摩擦系数0.1；v是平移最大速度1m/s；K是安全系数，取K=1.2。计算得P=24W，取功率P=200W的交流伺服电机，可选电机型号：MSME 022G1，它的有关技术参数如下表：表3.5 水平移动伺服电机技术参数电机型号功率P/W交流电源/V额定转速n/(rmin-1)最大转速nmax/(rmin-1)额定转矩T/(Nm)最大转矩Tmax/(Nm)转子转动惯量JM/(kgcm2)MSME 022G1200AC200300060000.641.910.14（2）伺服电机惯量比校核测量丝杠的三维模型，得滚珠丝杠的质量BW=0.6kg，则负载部分的惯量： JL=JC+JB=JC+1/8BWBD2+WABP2/(42)(28)式中：JC是所选联轴器的惯量，JC=3.210-5kgm2，WA是水平手臂质量，通过三维实体模型建立可得WA =20kg，计算可得JL=1.1910-4kgm2。预选电机的惯量JM=0.1410-4 kgm2，则惯量比：JL/JM=8.5倍30倍(29)（3）伺服电机转矩校核伺服电机的运转模式同竖直平移的运转模式：加速时间ta=0.1s，匀速时间tb=0.4s，减速时间td=0.1s，循环时间tc=1.2s。移动转矩Tf不变，Tf=0.0325Nm。加速时转距Ta：(30)式中：JL和JM分别是负载部分的惯量和预选电机的惯量，N是电机最高转速100r/s，计算得Ta=0.868Nm。减速时转矩Td：(31)式中：JL和JM分别是负载部分的惯量和预选电机的惯量，N是电机最高转速100r/s，计算得Td=0.803Nm。因此，最大转矩就是加速时的转矩Ta=0.868Nm，乘以安全系数K=1.2，TaK=1.04 Nm 1.91Nm（400W电机的最大转矩）。确认有效转矩Trms：(32)乘以K，TrmsK=0.411 Nm0.64 Nm(400W电机额定转矩)。根据以上计算可知，惯量比和功率虽然有较大余量，但根据转矩选择200W电机。3.3.3联轴器选择（1）选择联轴器联轴器仍选用夹紧式弹性联轴器，选择方法同上，首先确定联轴器的力矩T：T=T1K1K2K3(33)式中：T1是伺服电机的力矩，选择伺服电机时可在手册上查得，值为0.64Nm；K1、K2、K3是联轴器的工况系数；假定：负载变动较大，K1=1.7，每天运转8小时，K2=1.00，每小时启停120次，K3=1.5的工况下，T=1.64Nm，伺服电机的输出轴径11mm和丝杠的输入轴径10mm，由此选择联轴器型号TS4C-40-1011。（2）校核力矩查阅企业联轴器产品说明书，TS4C-40-1011型联轴器的拧紧力矩达4Nm，大于联轴器实际工作时所承受的最大力矩T=1.64Nm，满足实际要求。3.4手臂末端操纵器旋转末端操纵器由法兰盘连接，需承载3kg重物，伺服电机连接行星齿轮减速器，减速器输出轴直接连接法兰盘，带动法兰盘旋转，如下图：图3.6 末端传动结构图预算法兰盘连同末端操纵器和重物总共10kg。伺服电机和减速器的选择方法同腰部电机和减速器的选择，具体过程不再给出。3.4.1伺服电机选择经估算，选择电机功率100W，电机的相关参数如下表：表3.6 末端伺服电机技术参数电机型号功率P/W交流电源/V额定转速n/(rmin-1)最大转速nmax/(rmin-1)额定转矩T/(Nm)最大转矩Tmax/(Nm)转子转动惯量JM/(kgcm2)MSME 012G1100AC200300060000.320.950.0513.4.2减速器选择经估算，减速器选择的型号是PL-50-120-S，相关技术参数如下表：表3.7 末端行星减速器技术参数减速器型号减速比i满载效率额定输出扭矩T2N/(Nm)转动惯量J/(kgcm2)最大径向力Fr/N最大轴向力Fa/NPL-50-120-S12090100.029440420PL型减速器如图所示： 图3.7 PL型行星齿轮减速器第四章 辅助机构设计4.1 导线线路设计机械有线线路的工具，如软管或油箱铺设一般使用链助剂。坦克链通常安装在机床上，牵引和保护电缆和软管的，该储箱的形状卷绕机械辅助设备。坦克链一般用在往复运动更频繁的场合，对牵引和保护导线和软管。坦克，安装和拆卸，在坦克链各环节的一些连接在一起的坦克，节与节是自由旋转，线，链节从两侧打开，便于插入线。坦克链画出一个。图4.1 坦克链一节一般在两个连接点之间有电缆连接，并且两点间有相对的往复运动的情况下，考虑使用坦克链。线路简图如下图所示： 1是软管，2、3、4是坦克链条，5是外壳内布线图4.2 线路简图所有的导线一起在基座的下端，与基座壳体固定连接。第一分路连接750W伺服电机内侧基座的下基部。其余的由软管上的机器人外壳腰部相连，可以舒展腰弯转。从上从壳体槽的卡体的迹线的壳体部的腰部的转移时，400W伺服电机连接到机器人的顶部，另一部分连接到在垂直方向移动坦克链滑块，向上和一起向下与滑块，坦克伸缩运动上下链。两个伺服马达水平地坦克链被连接到滑动件的横向运动，沿所述水平运动与拉伸滑块。丝的软管和坦克链状排列，并且在软管或油箱链之间没有相对运动。注意，导线在槽内的链填高达90的空隙，最大在软管填补80的间隙。4.2机构零点设计当普通机床等机构刚刚起步，它必须首先确定整个组织的运动部件的位置，和机械零位相对机构，刚刚好下列行为由程序来控制操作顺序。机构设计是确定机构零机械零位，并设计开始行开关和连接器。选择传感器的主要机构零的设计。传感器选项包括：光栅传感器，位移传感器，压力传感器，限位开关。微动开关是机械武力，关闭迅速联系的，因为它的价格便宜的机制，应用广泛，可靠，便于安装，所以使用的微动开关的零位开关的机器人。它的内部结构如下所示：图4.3 微动开关结构图 上图中：1)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。在本次设计的机器人中，操作体是机械手臂上的外壳，外壳前进压上驱动杆，驱动杆传导外力至内部弹簧结构，推动可动接点进行开关动作。微动开关安装位置如下图表示：1、2、3、4均为微动开关图4.4 微动开关安装位置第5章 机械结构改进设计及定位精度分析5.1 机械结构改进设计 优化设计是一门新兴学科，它是基于数学规划理论和计算机编程的基础上，数字电脑计算，许多在寻找最好的或最合适的设计，希望的设计，使所需的经济指标均达到最佳，它可以成功地解决复杂的问题，以及其它的分析方法是难以解决的，优化的设计提供了一个重要的科学设计方法的工程设计，因此采用这种设计方法可以大大提高设计效率和设计质量。优化设计主要包括两个方面：一是如何准确地反映设计问题到实际问题，适用于优化数学模型，数学模型包括：选择合适的设计变量，目标函数的优化问题和制约因素。我们的目标函数是关系优化指标设计问题和制约因素之间所需的设计变量的函数反映的范围和设计变量来实现相互之间的关系;第二个是如何获得的最优解的数学模型：这可以归因于需要在给定的目标函数的极值条件或最佳值的问题。机械设计是对于给定的负载或环境条件的优化，机械产品形式，几何关系或其他因素，功能的机械系统，强度和经济性为目的的优化的范围内，选择的设计变量。成立 目标函数和约束条件，目标函数来获取的现代设计方法的最佳值，当前机械优化设计已被广泛应用于航天，航空和国防的各个部门。优化设计是20世纪60年代初期和发展，这是最优化理论和计算机技术在设计领域，提供了重要的科学的设计方法，工程设计。有了这个新的方法，我们可以找出最佳的设计，从而大大提高了设计效率和质量。因此，优化设计是现代设计理论与方法的一个重要领域，它已被广泛应用于各种工业部门。数值优化方法的发展经历了数值分析和非数值分析的三个阶段。数学规划在20世纪50年代开发的应用形成数学的一个分支，进行优化设计奠定了理论基础。 1960年开发计算机和计算机技术进行优化设计提供了强有力的手段，使工程师专注于选择最佳的解决方案。优化技术成功地应用于机械设计或启动了20世纪60年代后期，在开发计算机辅助设计（CAD）近年来，引进优化设计方法后，使得无论在设计，工程和设计参数，以保持选择的优化设计，但同时加快设计速度，缩短设计周期。在科学技术的发展要求机械产品更新日益所以今天，优化设计和计算机辅助设计相结合，使一个完全自动化的工程设计，这已经成为一个重要趋势的设计方法。优化设计方法多样，主要有以下几种：1无约束优化设计方法;无约束的优化设计，优化设计并不绑定功能，不受约束可以分为两类，一类是利用目标函数的第一或二阶导数的无约束优化方法，如最速下降法，共轭梯度法，牛顿法和变尺度方法。无约束最优化方法，另一种是只使用目标函数值，如坐标旋转法，单纯形法和替换鲍威尔方法。这种方法的计算效率高，稳定性好。 2约束优化设计方法：优化问题最约束优化问题，根据处理的限制的方法，可分为直接和间接方法。直接的方法常用的方法有复杂的方法，约束坐标旋转法，网络法。它的意义在于构建一个反复的过程，使每一个迭代点在可行区域，同时逐步减少目标函数值，直到找到一个最佳的解决方案。遗传算法 遗传算法（遗传算法简称GA），在20世纪70年代初由荷兰密歇根州（Michigan）的大学新的可能性的美国（荷兰）教授提出的优化方法。 GA的所提出的算法，它模仿法的自然演进，对随机生成的人口繁殖进化和自然选择，适者生存的非确定性的性质，而不是那些出来，如此循环，使品质和人群不断变化的个体，质量最终收敛于全局最优解。遗传算法是健壮，适应性，全局优化和隐含并行。主要应用领域：函数优化，组合优化，机器学习，控制近年来在遗传算法，图像处理，故障诊断，人工生命而言，在机械工程领域的神经网络也进行了广泛的应用，主要表现在：（1）机械结构优化：简单的遗传算法的线性健身，不断交叉和变异概率不能动态地适应整个优化过程中提出的非线性健身和自适应的交叉和改进遗传算法变异概率，该算法为解决工程结构优化，功能多的极端问题的参考。 （2）可靠性分析：根据建议的制度框架，遗传算法来优化系统的可靠性框架结构的可靠性分析。（3）诊断：网络权和偏置在现实形式的基因构成染色体载体，利用基因多点交叉和突变的人口动态最优选择，我们提出了一个新的基因算法，并在此基础上设计出的变压器故障诊断系统网上基于遗传算法和溶解气体分析。（4） 参数识别：在现有的TS模型参数的识别方法的基础上，提出了一种最小二乘方法之前结束粗标识参数，以确定近似的范围的参数，然后遗传算法参数的前提下，并结论参数同时优化参数辨识。 （5）机械构造：通过机械设计过程中的状态下的空间来解决问题，利用遗传算法来控制搜索过程，建立完善的系统，新的遗传密码，以适应新的编码系统，以重建交叉突变和遗传操作，并利用复制，交换和突变发生一次迭代，最后自动生成一组优化设计。此外，GA也可以在模糊逻辑控制器（FLC），机器人运动学使用，逆向工程，节能设计，复合材料优化，金属成型，数控加工误差控制和自适应预测等方面的优化。尽管遗传算法来解决很多问题，但仍存在不少问题，如参数优化算法本身，如何避免过早收敛，如何提高经营方式或引进新的行动，以提高算法的效率，遗传算法;和其他优化算法的问题相结合。遗传算法求解约束优化问题，一般罚函数法，算法惩罚因子的合理选择是难点所在。太小惩罚因子，它可能会导致极小解极小解不是整个罚函数的原始目标函数;惩罚因子取得过大，可能会导致多个局部最小值的可行域，以搜索过程更加困难。但研究方法来挽回局势，为遗传算法，高效，稳健，几乎没有人涉及通用处理时间限制。因此，为了保证在遗传算法求解约束优化问题可以发展自己的才能和遗传算法的方法求解约束优化问题还需要进一步研究。机械优化设计和产品开发：生产是中心任务，和竞品5.2 定位精度分析 1.机器人精度：精度机器人的位姿精度包括路径精度。这主要是由于机械误差（传输错误，关节间隙和柔性连杆机构），控制误差和错误的解决算法。 （1）姿势的准确性姿精度偏差表示指令位置和指令从相同方向接近时，真正的地方姿势姿态平均取向。姿势的精度被分成：1） 位置精度：指令构成的实际位置，并且群集中心的位置之间的差。 B）姿态精度：指令姿势和姿势真正改变态度的平均水平。 2） 路径精确性表示从相同的起始点的偏移到达的过程中，机器人关节命令轨迹和实际轨迹平均的同一端。 2.机器人精度= 0.5基准分辨率+ 3机制的错误。重复定位精度：指机器人姿势相同的指令，从同一方向N次之后，实际上，与位置和姿态传播抵触的范围内的重复响应,它是统计数据的准确性。 4.地点：地点是有序的机器人机器或持有人具有相对固定的位置。 5.追踪：指的是工业用机器人的运动的轨迹，即该点，速度和加速度的位置。 6.轨迹精度;指机器人关节之间的小偏差，以产生实际轨迹与理论轨迹。 7.运动学及参数：运动是利用坐标和坐标变换矩阵方程来描述机器人关节的每一个动作的运动，描述其运动轨迹，因此计划实现其控制和轨迹。它分为两大类，正和逆运动学，正向运动学开始从支架坐标，之后的坐标矩阵变换矩阵坐标机器人，逆运动学反之亦然的关节位置和方向。主的主要参数包含坐标，角度和其它变换矩阵。 8. 机器人动力学和参数：有效控制机器人，优化设计和仿真的目的机器人之间的关系动力学主要研究机器人的运动和力量。机器人动力学问题可分为正，逆问题。 n中的问题是公知的，每个机器人关节的驱动力（或扭矩）来解决机器人（关节位移，速度和加速度）主要用于机器人仿真研究，逆问题是公知的，每个关节的关节力或力矩解决所需。主要用于实时控制机器人。主要参数包括位移，速度，角度，加速度，角加速度9机器人标准和技术规格：机器人标准包括通用技术标准，安全标准，验收标准，测试标准，接口标准，形状和颜色标准，产品标准。工业机器人的安全性的基本要求，推动控制要求，与安全相关的控制系统的性能（软件/硬件）的要求，机器人停止功能要求，减速控制要求，操作要求模式，教控制要求和安全要求和试验方法确认校准的具体要求：指的是校对的机械，设备等很准确。在特定条件下，与参考标准，包括参考材料，包括测定装置分配的特性，并确定它的指示误差。校准是基于校准规范或校准方法可用于统一的规定可能是它自己的。校准结果记录在校准证书或校准报告也可以在校准因子或校准曲线的形式提供表示该校准结果。 标准：标准是获得在一定范围内的最佳秩序，经协商一致制定，经公认机构规范性文件，共同使用和重复使用。它巩固了科学，技术和实践经验的成果的基础上，由有关，特别是在经主管机关核准发行的形式各方共识，为共同准则和合规性的基础。 标准制定和除以采用国际标准，区域标准型，国家标准，行业标准，企业标准。国家标准（GB）：国家标准，这是经国家标准化主管部门发布的具有重要意义的国家经济，技术的发展，并在统一的国家，国家标准是全国范围内统一的技术