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机械毕业设计全套

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JCJD01-051@生产线装配机器人手臂设计,机械毕业设计全套

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Administrator-lh A d m i n i s t r a t o r - l h M i c r o s o f t - nts , nts 哈尔滨工业大学华德应用技术学院 毕业设计（论文） 题 目 生产线装配机器人手臂设计 专 业 车 辆 工 程 学 号 1089311204 学 生 朱海滨 指导教师 于连志 答辩日期 2011.12.30 哈工大华德学院 nts 1 毕业设计（论文）任务书 学生姓名 朱海滨 系部 汽车工程系 专业、班级 车辆工程 0893112 指导教师姓名 于连志 职称 助工 从事 专业 交通运输 是否外聘 是 否 题目名称 生产线装配机器人 手臂 设计 一、设计（论文）目的、意义 目的： 随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展 , 必将迎来装配机器人的飞速发展。我国机器人技术虽起步较晚 , 在国家科技攻关项目及国家 863 计划的支持下也得到了一定的发展 , 但与国际先进水平还有很大差距 , 目前国际机器人界都在加大科研力度 ,进行机器人 共性技术及关键技术的研究 , 并朝着智能化和多样化方向发展。因此 , 发展我国的装配机器人事业急不可待。我对于本课题的研究，通过对课题的逐步深入和研究，来完成对装配机器人的初步设计，在这基础上我还想做出一些创新，一方面开发一下创新思维，一方面在这个领域里做出一点突破，为装配机器人事业出一份力。 这次毕业设计对我以后学习和工作也有深远的现实意义 : （ 1）对设计方案的思考，还有对设计中一些关键问题的解决，这些都培养了我自己进行综合分析和提高解决实际问题的能力，从而达到巩固、扩大、深化所学知识的目的。 （ 2）在设 计中，查阅相关资料、手册，学习这些资料中的知识要点和设计方法，从而运用到自己的设计中。这些培养了我调查研究，熟悉有关技术政策，运用国家标准、规范、手册、图册等工具书，进行设计计算、数据处理、编写技术文件的独立工作能力。 （ 3）通过指导教师地言传身教，还有自己对设计的见解，研究出一套或是多套设计方案。这样使自己建立正确的设计思想；初步掌握解决本专业工程技术问题的方法和手段；从而使自己受到一次工程师的基本训练。 nts 2 二、设计（论文）内容、技术要求（研究方法） (一 ) 1.六自由度关节型机器人总体传动方 案确定； 2.通过计算选择合理的机器人组件； 3.设计机器人本体结构； 4.绘制机器人总装图、必要的零件图和相应的硬件电路图； 5.针对设计的机器人设计其相应的控制电路； 6.编写设计计算说明书。 配图、操纵机构装配图及各主要零部件的零件图。 (二 )、本设计主要研究方法： 1.文献调研和实际考察，研究前人经验、现实的需要以及存在的问题 2.对所要研究的课题进行初步可行性分析 3.进行实地设计和改进 (三 )、论文要求 1.参考文献篇数： 10 篇以上（其中不少于 2 篇外文文献） 2.内容充实，结构清晰合理，符合 规范 3.必须进行大量的实地调查 设计（论文）完成后应提交的成果 （一）计算说明部分 1. 根据相关参数完成 机械手臂 及零部件设计、计算和校核； 3、 2.撰写设计说明书 10000 字以上； （二）图纸部分 绘制两张 零 号图纸以上，其中至少有一张 CAD 图 nts 3 四、设计（论文）进度安排 第 1-2 周：收集资料，完成开题报告，完成总体设计方案并及时写好毕业设计日志； 10 月20 日 开题检查 第 3-7 周： 1、完成整体设计，材料的选择和相关计算，完成所有草图的绘制； 2、 11 月 18日 指导教师进行中期检查； 3、 11 月 24 日 全系中期检查并及时写好毕业设计日志。 第 8-9 周： 1、完成所有正式图纸的绘制和论文草稿； 2、 12 月 8 日结题检查 。 第 10-11 周： 1、对毕业设计论文的内容、格式、英、汉文摘要、毕业论文等内容进行修改 ，2、完成正式论文的装订； 3、 12 月 19 日上交所有毕业设计相关材料。 第 12 周： 1、准备毕业设计答辩。 2、 12 月 29 日答辩 。 五、主要参考资料 1.期刊类：相关资料（中国学术期刊网） 2.书籍：相关汽车设计、机械设计等书籍 3.网络：相关专业网站 4.其他：相关科研资料 六、备注 指导教师签字： 年 月 日 教研室主任签字： 年 月 日 nts 4 nts I 摘要 状 配是产品生产的后续工序 , 在制造业中占有重要地位 , 在人力、物力、财力消耗中占有很大比例，所以为了节约装配时间，实现装配的自动化，装配机器人应运而生。本文介绍了装配机器人的设计过程，其中绪论中介绍了设计的背景和意义，还有简要的设计要求，然后根据设计要求先进行机器人的总体设计，接着针对每个部分进行了具体的结构设计，最后为该机器人设计了一套单片机控制系统。所设计的机器人为关节型机器人，自由度为六个；应用步进电机来驱动每个关节的运动；在减速器设计中应用了结构紧凑的谐波齿轮减速；在传动过程应用了同步带传动； 机器人的控制系统为基于单片机 STC89C52 的控制步进电机的控制系统。 关键词： 工业机器人；谐波齿轮减速；单片机控制；生产线 nts II Abstract Assembly is a follow-up production processes in the manufacturing sector, which plays an important role in the manufacturing. It takes a large proportion in the consumption of human, material and financial, so in order to save assembly time, to achieve the automation of the assembly, the assembly robot came into being. This article describes the design process of the assembly robot. There are the background and significance of the design in the introduction, which followed by a brief design requirements. And then it is described the overall design of the robot according to the requirements, and then the concrete structure design. Finally, a microcomputer control system for the robot is designed. The robot is articulated robot of 6 degrees of freedom. Stepper motor is applied in driving the movement of each joint. The harmonic gear is applied in the compact design. Timing belt is used in the transmission process. The control system which mainly controls the stepper motors is based on microcontroller STC89C52 Keywords : Industrial robots; harmonic gear; microcomputer control; production line nts III 目录 摘要 . I Abstract . II 第 1 章 绪论 . 1 1.1 装配机器人的概念 . 1 1.2 工业机器人的分类 . 1 1.3 工业机器人的基本结构 . 2 1.4 装配机器人发展现状 . 2 1.5 装配机器人发展趋势 . 4 1.6 课题研究的意义与内容 . 5 第 2 章 装配机器人的总体设计 . 7 2.1 设计目标和设计内容 . 7 2.2 设计方案 . 7 2.2.1 运动方案的确定 . 7 2.2.2 传动方式的确定 . 8 2.2.3 驱动电机的选择 . 9 第 3 章 装配机器人手臂各部分的结构设计 . 10 3.1 基本设计参数 . 10 3.2 机器人各关节力和力矩的计算 . 10 3.3 机器人各关节结构的设计 . 13 3.3.1 关节 1（腰部）的结构设计 . 13 3.3.3 关节 3的结构设计 . 18 3.3.4 手腕的结构设计 . 20 3.3.5 手爪的结构设计 . 22 第 4 章 装配机器人控制系统硬件设计 . 28 4.1控制电路各芯片的选择 . 28 4.2控制电路原理图的设计 . 31 结论 . 33 致谢 . 34 参考文献 . 35 nts 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计 -1- 第 1 章 绪论 1.1 装配机器人的概念 设计所指的装配机器人是工业机器人的一种。所谓工业机器人，就是一种具有自动控制操作移动功能，能完成各种作业的可编程的机电一体化产品。也可称为机器人操作臂、机器人臂、机械手等。从外形来看，它和人的手臂相似，是由一系列刚性连杆通过一系列柔性关节交替连接而成的开式链。这些连杆就像人的骨架，分别类似于胸、上臂和下臂，工业机器人的关节相当于人的肩关节、肘关节和腕关节，如图 1-1 所示。操作臂的前端装有末端执行 器或相应的工具。也常称为手或手抓。手抓是由两个或多个手指所组成，手指可以“开”或“合”，实现抓取动作和细微操作。综上所述，装配机器人就是指应用在自动化生产线通过计算机控制能够完成所要求的装配任务的工业机器人。 突 1-1 工业机器人基本结构图 1.2 工业机器人的分类 nts 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计 -2- 工业机器人按发展历史的演变顺序可分类三类，第一代机器人、第二代机器人和第三代机器人。 第一代机器人具有示教再现的功能后具有可编程 NC 装置，设有位置、速度、力等内部信息的检测元件（内部传感器）和基于这些传感器的控制系统的私服机构。现在工业中应用 的喷漆、搬运、电焊机器人，大多属于第一代机器人。 第二代机器人不仅具有内部传感器，还能利用外部传感器探测外部环境和操作对象的有关信息，来改变行动，进行规划，适应外界的变化和干扰。第二代机器人的中心技术是传感器技术和微机控制技术。 第三代智能机器人将极大地扩展机器人的应用领域，是当前研究的重点。智能机器人本身能够认识工作环境、工作对象及其状态，他根据人给予的指令和自身认识外界的结果，独立地决定工作方式，由操作机构和移动机构实现任务目标，并能适应工作环境的变化。 1.3 工业机器人的基本结构 机器人整机，基本上由 两部分组成，一是操作机，一是控制装置，操作机是机器人的本体结构，包括： 基座、驱动器或驱动单元、手臂、手腕、末端执行器、行走机构以及安装在操作机上的各种感受装置等。控制装置一般包括计算机控制系统、司服驱动系统、电源装置以及与操作者联系的装置等。 驱动器或驱动单元是机器人的动力执行机构，根据动力源的类别不同， 可分为电机驱动， 液压驱动和气动驱动三类。电动驱动在多数情况下采用直流、交流司服电机， 也可采用力矩电机、步进电机等。 手臂和手腕是机器人操作机中的基本部件，它由旋转运动和往复运动的机构组成。其结构形式 是多种多样的， 但多数机器人的手臂和手腕是由关节和杆件构成的空间机构， 一般有 310 个自由度组成，工业机器人一般有 3 6 个自由度，由于机器人具有多自由度手臂、手腕的机构， 使操作运动具有通用性和灵活性， 这也是区别于一般自动机的特点。 末端执行器是机器人手腕末端机械接口所连接的直接参与作业的机构，如夹持器，焊钳，焊枪，喷枪或其他作业工具，传感器等。 1.4装配机器人发展现状 nts 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计 -3- 装配是产品生产的后续工序 , 在制造业中占有重要地位 , 在人力、物力、财力消耗中占有很大比例 , 作为一项新兴的工业技术 , 机器人 装配应运而生。 1)我国的发展现状 经过多年来的研究与开发 , 我国在装配机器人方面有了很大的进步。目前在装配机器人研制方面 , 基本掌握了机构设计制造技术 , 解决了控制、驱动系统设计和配置、软件设计和编制等关键技术 , 还掌握了自动化装配线及其周边配套设备的全线自动通信、协调控制技术 , 在基础元器件方面 , 谐波减速器、六轴力传感器、运动控制器等也有了突破。 我国已研制出精密型装配和实用型装配机器人 ,如广东吊扇电机机器人自动装配线 , 小型电器机器人自动装配线 , 以及自动导引汽车发动机装配线 , 精密机芯机器人自动 装配线等机器人示范应用工程。近几年来 , 大连贤科机器人技术有限公司 !与国内 5家高校、科研所合作 , 开发出具有自主知识产权的系列化模块化直角坐标型装配机器人 CAD 设计平台 ;开发出两个系列共 4 种规格的平面关节型装配机器人 ; 开发出两种类型 3 个系列的直线运动单元以及由此组成的直角坐标型装配机器人 ; 研制出基于开放式体系结构的机器人控制器。 贤科 !自主开发的装配机器人已在家电、电子仪表、轻工等行业得到初步应用 ,其质量不亚于国外同类产品 , 是国内当之无愧的最精密的装配机器人。 上海交通大学研制的 精密一号装配机 器人 !, 是一台带有多传感器和多任务操作系统、可离线编程的高速、高精度、四轴 SCARA 平面关节式智能精密装配机器人。装配机器人属于高、精、尖的机电一体化产品 , 其自主开发一直受到国家 863智能机器人主题专家们的关注 , 必将取得更大的突破。 2)国外的发展现状 美、日、西欧的制造业中约 40% 的劳动力用于装配 , 西德电子工业产品总成本的 50 70% 是装配。装配机器人是高质量、高柔性、高效率完成自动装配的理想手段。所以装配机器人得到迅速发展 , 如美国工业界 Delph i法调查表明到2000年应用于装配和检 验的机器人销售台数将从 1985年占工业机器人总数 16%猛增到 35%。日本装配机器人的增长比任何其他工业应用领域的机器人都快 , 增长速度比欧洲和美国更快。日本装配机器人的增长臂人和其他工业应用领域的机器人都快 , 增长速度比欧洲和美国更快。日本机器人的广泛的应用领域在装配工段 , 1985年装配机器人已达 15800台 , 是焊接机器人的两倍 , 成为工业应用领nts 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计 -4- 域中应用最多的机器人。 1995 年为 33500 台 , 产值为 2590 3000 亿日元 , 到2004 年 , 达到 55000 台 , 产值 4200 5100亿日 元。这个数值远远高于其他领域机器人的发展速度 , 为世界所瞩目。日本作为机器人王国 , 各产业中应用的机器人总数占世界的 40%。其中装配机器人近年来异军突起 ,发展迅速。据日本产业机器人协会统计 , 在 1982 1991年的 10年中 , 日本用于装配作业的机器人台数为 177500台 , 居工程应用数量之首。据日本产业机器人协会的统计 , 日本装配机器人 1980年左右首次达到最高点。生产台数为 2849台 , 产值 2497亿日元 , 以后又呈上升趋势。目前 , 日本应用的装配机器人的主要型号有 : 直角坐标型、水平多关节型、垂直多 关节型及圆柱坐标型等。据日本产业机器人协会的预测 , 在日本制造业 , 装配机器人的需求逐年上升。 1.5 装配机器人发展趋势 目前机器人领域正在加大科研力度 , 进行装配机器人共性技术及关键技术的研究 , 并朝着智能化和多样化的方向发展。主要研究内容集中在以下几个方面 : 1)装配机器人操作机结构的优化设计技术 : 探索新的高强度轻质材料 , 进一步提高负载 /自重比 , 同时机构进一步向着模块化、可重构方向发展。 2)直接驱动装配机器人 : 传统机器人都要通过一些减速装置来达到降速并提高输出力矩 , 这些传动链会增加系统功耗、 惯量、误差等 , 并降低系统可靠性 , 为了减小关节惯性 , 实现高速、精密、大负载及高可靠性。一种趋势是采用高扭矩低速电机直接驱动。 3)机器人控制技术 : 重点研究开放式 , 模块化控制系统 , 人机界面更加友好 , 语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化 , 以及基于 PC机网络式控制器己成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外 , 离线编程的实用化的完善成为研究重点。 4)多传感器融合技术 : 为进一步提高机器人的智能和适应性 , 多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效 可行的多传感器融合算法 , 特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化。 5)机器人的结构要求更加灵巧 , 控制系统愈来愈小 , 二者正朝着一体化方nts 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计 -5- 向发展。 6)机器人遥控及监控技术 , 机器人半自主和自主技术 , 多机器人和操作者之间的协调控制 , 通过网络建立大范围内的机器人遥控系统 , 在有时延的情况下 , 建立预先显示进行遥控等。升虚拟机器人技术 : 基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术 , 实现机器人的虚拟遥操作和人机交互。 7)智能装配机器人 : 装配机器人的一 个目标是实现工作自主 , 因此要利用知识规划 , 专家系统等人工智能研究领域成果 , 开发出智能型自主移动装配机器人 ,能在各种装配工作站工作。 8)并联机器人 : 传统机器人采用连杆和关节串联结构 , 而并联机器人具有非累积定位误差 , 执行机构的分布得到改善、结构紧凑、刚性提高、承载能力增加等优点 , 而且其逆位置问题比较直接、奇异位置相对较少 , 所以近些年来倍受重视。 9)协作装配机器人 : 随着装配机器人应用领域的扩大 , 对装配机器人也提出一些新要求 , 如多机器人之间的协作 , 同一机器人双臂的协作 , 甚至人与机器人的 协作 , 这对一于重型或精密装配任务非常重要。 10)多智能体 (multiagent) 协调控制技术 : 这是目前机器人研究的一个崭新领域 , 主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理 , 感知与学习方法 , 建模和规划、群体行为控制等方面进行研究 1。 1.6 课题研究的意义与内容 随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展 , 必将迎来装配机器人的飞速发展。我国机器人技术虽起步较晚 , 在国家科技攻关项目及国家 863计划的支持下也得到了一定的发展 , 但与国际先进水平还有很大差距 , 目前国际机器人界都 在加大科研力度 ,进行机器人共性技术及关键技术的研究 , 并朝着智能化和多样化方向发展。因此 , 发展我国的装配机器人事业急不可待。我对于本课题的研究，通过对课题的逐步深入和研究，来完成对装配机器人的初步设计，在这基础上我还想做出一些创新，一方面开发一下创新思维，一方面在这个领域里做出一点突破，为装配机器人事业出一份力。 这次毕业设计对我以后学习和工作也有深远的现实意义 ： 1）对设计方案的思考，还有对设计中一些关键问题的解决，这些都培养了nts 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计 -6- 我自己进行综合分析和提高解决实际问题的能力，从而达到巩固、扩大、深化所学知 识的目的。 2）在设计中，查阅相关资料、手册，学习这些资料中的知识要点和设计方法，从而运用到自己的设计中。这些培养了我调查研究，熟悉有关技术政策，运用国家标准、规范、手册、图册等工具书，进行设计计算、数据处理、编写技术文件的独立工作能力。 3）通过指导教师地言传身教，还有自己对设计的见解，研究出一套或是多套设计方案。这样使自己建立正确的设计思想；初步掌握解决本专业工程技术问题的方法和手段；从而使自己受到一次工程师的基本训练。 本设计的主要的设计要求如下： 该 关节型 装配机器人的设计，要求机器人结构本体简单 、轻量、低摩擦和较低的重复定位精度。对机器人的控制采用单片机的控制系统，利用 STC89C52单片机组成的控制系统，完成对机器人的定向、定位以及手抓动作的精确控制。要求机器人动作迅速、便于控制。 nts 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计 -7- 第 2 章 装配机器人的总体设计 本 章对 生产线自动转配机器人 的工作模式、总体结构进行了分析与设计。结合具体的使用过程， 对系统实现的功能和可靠性要求等方面进行了简要介绍。 2.1 设计目标和设计内容 本次设计的最终目的是在确保零件的安全搬运的情况下，实现轴类零件准确装配的机器人自动化装配， 从而实现工装配生产线的全自动化。在本次设计中， 需要完成机器人各部分的结构设计和部分之间的准确连接； 选择合适的传动方式和驱动电机， 实现准确的传动精度和运行的平稳性； 设计合理的末端执行器用以完成对零件（如轴、盘等）的加持和装配；选择合适的减速器在保证合适传动比的情况下，实现结构的紧凑。 本设计所要解决的主要问题是：三自由度腕部的结构设计，腕部的传动方法的结构设计；各部分的结构设计；在保证结构紧凑的情况下，各部分相互连接的结构设计；各个关节驱动的结构设计和各件的安装等 。 2.2 设计方案 2.2.1 运动方案的确定 根据主要的运动参数选择运动形式是结构设计的基础。常见机器人的运动形式有五种：直角坐标型 、 圆柱坐标型、极坐标型、关节型和 SCARA 型 ，同一种运动形式为适应不同生产工艺的需要，可采用不同的结构。所选用的运动形式，在满足需要的情况下，应使自由度最少 、 结构最简单。 在以上五种运动形式中，关节型机器人动作灵活，工作空间大，在作业空间内手臂的干涉最小，结构紧凑 ， 占地面积小，关节上相对运动部位容易密封防尘，这些特点都符合装配机器人的设计要求，因此 ， 本设计运动方式确定为关节型。 nts 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计 -8- 图 2-1 关节型机器人 结构简图 关节机器人由 2 个肩关节和 1 个肘关节进行定位，由 2 个或 3 个腕关节进行定向。其中，一个肩关节绕铅直轴线旋转，另一个肩关节实现仰俯。这两个肩关节正交。肘关节平行于第二个肩关节轴线。其结构简图如图 2-1。 2.2.2 传动方式的确定 传动机构用来把驱动器的运动传递到关节和动作部位。机器人中常用的传动机构有： 齿轮传动、螺旋传动、皮带及链传动、流体传动和连杆机构与凸轮传动。 1.齿轮传动 机器人中常用的齿轮传动机构是行星齿轮传动机构和谐波传动机构。电动机是高转速、小力矩的驱动器， 而机器人通常却 要求低转速、大力矩， 因此， 常用行星齿轮机构和谐波传动机构减速器来完成速度和力矩的变换和调节。此外， 由于谐波传动的结构简单、体积小，重量轻、传动精度高、承载能力大、传动比大， 且具有高阻尼特性。因此， 在本次的设计中选用谐波传动。 在手抓的设计中，为了实现手抓的“开”、“合”，主要的传动方式有齿轮齿条传动、平行四杆机构传动等，齿轮齿条传动，不仅能实现旋转运动向直线运动的转换，而且传动较为精确，结构紧凑，便于设计，所以手抓的传动方式选用齿轮齿条转动。 nts 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计 -9- 2.同步带传动 同步带传动是机电一体 化产品设计中常用到的传动方式，同步带也叫做同步齿形带，带内侧的工作面制成齿形，带轮的轮缘表面也制成相应的齿形带与带轮是靠齿的啮合进行传动的。同步带通常以钢丝绳作负载心层，由于钢丝绳受载后变形极小，仍能保持带长不变，故带与带轮间不会产生相对滑动，传动比 较 恒定。同步带薄而轻，可用于高速场合，效率可达 98%，以上同步带传动的优点都很适合本设计的传动要求 3，能实现关节 3 的准确传动，因此，在本设计中还应用到同步带传动。 2.2.3 驱动电机的选择 驱动机器人关节运动的电机有伺服电机、步进电机和舵机等，其中步进电机结构简单。制造容易、价格低廉。它的转子转动惯量小、动态响应速度快、易于启停、正反转和无级变速也容易实现。这其中动态响应速度快、易于启停、容易实现正反转和无级变速的特点和适合本设计的要求。因此，本设计选用步进电机作为驱动电机。 步进电机放的种类很多，主要按其工作原理可分为反应式、永磁式和混合式（永磁感应式）步进电机。其中，混合式步进电机的转子上此案有永久磁钢，可以说是永磁式，但是从定子和转子的导磁体来看，又和反应式相似，所以是永磁式和反应式相结合的一种形式，故称为混合式。该类电机的特点是输出转巨大、动态性能好 、步距角小、驱动电源电流小、功耗低、性价比较高，综合了永磁式和反应式两种电机的特点，当绕组断电时具有自锁能力，本设计每个关节的动态转矩较小，运用混合式这一特点就可以实现断电式的关节自锁，因此，本设计选用混合式步进电机。 nts 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计 -10- 第 3 章 装配机器人手臂各部分的结构设计 3.1 基本设计参数 1） 结构形式： 关节式 2） 自由度数： 6 3） 驱动方式： 混合型步进电机 4） 大臂回转角度 ： 20/s 5） 小臂回转角度： 45 6） 手腕回转角度： 180 7） 大臂长度 : 250mm 8） 小臂长度 : 250mm 9） 最大持重： 0.5Kg 10） 环境温度 ： 0 500 C 11） 电源： 3 相； 380V/50Hz 3.2 机器人各关节力和力矩的计算 上一节列出的设计参数中，装配机器人的最大持重为 0.5Kg，在加上手爪的重量和工作中的不确定因素，初步确定机器人的末端载荷重量为 即载荷 。 这里计算机器人各关节所受的力和力矩时，采用力雅克比矩阵，将广义操作力矢量通过力雅克比矩阵换算成关节力矢量，从而计算出每个关节所受的力和力矩。具体过程如下： 本设计仿照 PUMA560 机器人的雅克比建立过程 5计算出本设计机器人的雅克比矩阵，如下： nts 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计 -11- , , ,以此类推。 nts 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计 -12- 当 ， 时， nts 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计 -13- 已知末端广义力矢量 式中， n 为末端所受力矩。 设 为 6关节的驱动力 由公式 得出驱动力为： 设 为 6关节所受力矩 由上式得出 由此，就得出了每个关节所受的力和力矩。 3.3 机器人各 关节结构的设计 3.3.1 关节 1（腰部）的结构设计 腰部的结构设计如图 3-1所示，下方的步进电机带动谐波齿轮 6的波发生器旋转，通过谐波齿轮传动来实现减速增距，输出通过键连接和螺栓连接与其他部分连接，实现了关节 1的旋转运动。 nts 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计 -14- 图 3-1 关节 1的结构图 上图中，步进电机用螺栓固定在电机底座上，谐波齿轮采用柔轮固定，波发生器输入，钢轮输出的传动形式，柔轮同样固定在电机底座上，电机与波发生器采用键连接实现径向固定，由于电机输出轴所受的轴向力较小，所以利用 2个弹性挡圈就可以实现轴向固定。图中的轴承 选用的是深沟球轴承，因为输出轴基本不受轴向力。 以下是关于谐波齿轮的设计过程。 设谐波齿轮的额定输出转矩 M=100Nm ， ,在机械设计手册中图 17.4-4中，做 100Nm 的水平线，交点的纵坐标分别为 。由交点在作水平轴垂线，交得 由公式 ，得出 所以 d=0.8 时符合设计 要求，因此选用波高 d=0.8， 选用 56mm。 谐波齿轮的集合参数计算： 初步设定传动比 ， 波数 ， 已知波高 查机械设计手册中表 17.4-4 得出，模数 ，齿距mm nts 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计 -15- 钢轮齿数 由于本设计为柔轮固定式，所以柔轮齿数 齿顶高 齿根高 顶隙 分度圆齿厚 钢轮分度圆直径 钢轮齿顶圆直径 钢轮齿压力角 柔轮分度圆直径 柔轮齿顶圆直径 柔轮压力角 钢轮齿根圆直径 柔轮齿根圆直径 柔轮结构尺寸 : 取 这里用到的谐波齿轮的传动比 ，在 3.3 节得出的加在腰部的力矩nts 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计 -16- 则所需步进电机的动态转矩 。根据转 矩我们选择混合型步进电机 70BYG001，它的技术参数如下： 相数 : 2 电压 /V: 28 相电流 /A: 3 步距角 (): 1.8/0.9 步进角误差 (%): 20 每转步数 : 200/400 每相电阻 /: 0.9 起动频率 /pps: 1200 运行频率 /pps: 1500 静态转矩 /(Nm): 127.510-2 定位转矩 /(Nm): 127.510-2 有以上数据可以看出， 70BYG001 型步进电机满足本设计要求。 外形和安 装尺寸如图 3-2 所示。 图 3-2 70BYG 安装尺寸图 3.3.2 关节 2 的结构设计 nts 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计 -17- 图 3-3 关节 2 结构图 关节 2 的结构图如上图所示，同样是步进电机带动谐波齿轮传动，经过谐波齿轮减速增距，输出轴带动机器人大臂进行旋转运动。 如 图 3-3 所示，关节 1 中的输出轴带动关节 2 的底座旋转，步进电机固定在底座中的内孔中，用螺钉与底座连接，同关节 1 的设计一样，电机与谐波齿轮的连接为键连接和应用弹性挡圈作轴向固定。谐波齿轮的输出轴与固定在大臂箱体内的法兰盘用键连接上，同时用紧定螺钉做轴向固定。左边的输出轴结构如图，选用的轴承为深沟球轴承。 这里所用到的谐波齿轮与关节所用到的结构尺寸相同，设计过程同上。 在 3.3 节得出的加在腰部的力矩 ，则所需步进电机的动态转矩 。 根 据 转 矩 我 们 选 择 混 合 型 步 进 电 机55BYG002。 在这里的步进电机选择步进电机型号为 55BYG002。主要技术参数为： 型号 : 55BYG002 相数 : 2 电压 /V: 15 相电流 /A: 0.44 步距角 (): 1.8/0.9 步进角误差 (%): 20 每转步数 : 200/400 每相电阻 /: 22 起动频率 /pps: 1000 nts 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计 -18- 运行频率 /pps: 1000 静态转矩 /(Nm): 34.310-2 定位转矩 /(Nm): 34.310-2 安装尺寸如下图 3-4 所示： 图 3-4 55BYG002 安装尺寸图 3.3.3 关节 3 的结构设计 关节 3 的结构设 计如图 3-5 所示，同样是应用了谐波齿轮实现减速增距，输出轴通过同步带将运动传递到关节 3 的驱动轴上。 图 3-5 关节 3 的基本结构图 nts 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计 -19- 关节 3的减速部分的设计同关节 1的设计相同，同步带 设计过程如下。 同步带的设计： 1） 确定带的设计功率 设计功率 2） 选择带型和节距 由表 3-10选择 XL型同步带，基准带宽 , 由表 3-10得 XL 型同步带参数如下： 齿形角 齿根厚 齿高 齿根圆角半径 齿顶圆角半径 带高 带宽基本尺寸有三种分别是： 代号分别为：3） 确定小带轮齿数和小带轮节圆直径 查表 3-17，得 初定 4） 确定大齿轮齿数 和大带轮节圆直径 5） 出选中心距 ，带的节线长度 ,带的齿数 有关系式 得出 初选 由公式 nts 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计 -20- 即节线长度 查表确定 极限偏差： 从而选择长度代号为 ，带齿数 6） 计算实际中心距 7） 校验带与小带轮的啮合齿数 啮合齿数 满足要求，此处 表示取整。 8） 计算基准额定功率 由式： 式中， 计算得出 9） 确定实际所需同步带宽度 式中， 因此，由上式得出 所以选 10） 带的工作能力验算 由式 式中 因此，算得 说明带的工作能力合格。 关节 3 所用的步进电机与关节 2 所用的相同。主要技术参数与安装尺寸在3-3-2节中已经介绍，再次不作赘述。 3.3.4 手腕的结构设计 机器人的手腕是手臂与手爪之间的衔接部分，用于改变手抓在空间的方位。手腕的结构一般比较复杂，直接影响机器人的灵巧性 5。做普遍的手腕是由两个nts 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计 -21- 或三个相互垂直的关节轴组 成魔兽玩的第一个关节就是机器人的第四个关节。 本设计中的手腕为三轴相互垂直的手腕，如图 3-6 所示，手腕中的第一个关节同样是采用谐波齿轮减速 ，输出轴带动手腕中的其他部分；第二个关节中，电机的输出轴与第一关节中电机的输出轴垂直，由于负载较小，所以直接应用同步带将运动传递到第二个关节的驱动轴上，实现了设计要求；第三个轴的要求之要带动手爪的旋转即可，所以直接与法兰盘相连接。 手腕结构中的同步带与关节 3 的结构和尺寸相同，设计过程同上。 图 3-6 手腕部分的机构 腕关节中所用的电机分别为 55BYG002 和 35BYG001， 55BYG002 的技术参数和安装尺寸在 3-3-2 中介绍， 35BYG001 的主要尺寸和安装尺寸如下： 型号 : 35BYG001 相数 : 2 nts 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计 -22- 电压 /V: 12 相电流 /A: 0.35 步距角 (): 1.8/0.9 步进角误差 (%): 3/6 每转步数 : 200/400 每相电阻 /: 9 每相电感 /mH: 起动频率 /pps: 2000 运行频率 /pps: 7500 静态转矩 /(Nm): 4.910-2 定位转矩 /(Nm): 3.810-2 图 3-7 步进电机 35BYG001 安装尺寸 3.3.5 手爪的结构设计 机械结构的确定 由于机器人的工作负载较小，机器人手臂的动力源为步进电机，为了方便整体的控制，机械手抓也选择步进电机控制。 传动机构上我选择齿轮齿条传动，来实现手抓的开合，因为齿轮传动工作可靠，使用寿命长，瞬间传动比为常数，更重要的是齿轮传动结构紧凑，传动精确，这点非常符合机器人的设计要求。结构图如下图所示，步 进电机带动上齿轮，上齿轮带动 齿轮下方的长齿条 ，使得与此啮合的 齿条运动方向相反， 齿条与弹 簧坐相互用螺母拧紧，然后推动前方的推杆， 实现两手抓的 “开 ”与 “合 ”。 为了 实现 齿轮与齿条的间 的自动回位 ，使传动更精确， 齿条之间加了一根压缩nts 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计 -23- 弹簧。具体结构如图 3-8 所示。 图 3-8 手爪的结构图 手爪中的齿轮的设计过程如下： 齿条所受的力主要是夹持工件是所受的反作用力 工件重力 取摩擦系数 则 工作载荷 初定齿轮模数 齿数 则 设传动比 转矩 小齿轮用 40Cr，调质处理，硬度 241HB 286HB，平均取为 260HB，大齿轮用 45 钢，调质处理，硬度 229HB 286HB，平均取为 240HB。直齿传动。 齿面接触疲劳强度计算 初步计算小齿轮直径 小齿轮转矩 T1=180Nmm 齿宽系数 参照表齿轮相对于轴承的位置悬臂布置时，软齿面接触，d=0.3-0.4，取 0.35 解除疲劳极限 =710MPa nts 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计 -24- =580MPa 初步计算的许用接触应力 由公式 0.9 =0.9x710=639MPa 0.9 =0.9x580=522MPa Ad 值 取 Ad=85 初步计算小齿轮直径 d1 d1 =85x =7.67mm 取d1=30mm 初步齿宽 b=dd1=0.35x30=10.5mm 取b=15mm 校核计算 圆周速度： v= = =1.57m/s 精度等级 选 8 级精度 初选齿数 z 和模数 m z1=20；z2=iz1=1x20=180mm m=d1/z1=30/20=1.5 使用系数 KA KA=1.5 动载系数 Kv Kv=1.1 齿间载 荷分配系数 ， 先求 Ft= = =12N = =0.6N/mm 100N/mm =1.88-3.2( )cos =1.88-3.2( )=1.61 = = =0.89 nts 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计 -25- 由此得 = = =1.26 齿向载荷分配系数 =A+B( ) +C10-3b 1.17+0.16 +0.61 10-3 15 2.42 载荷系数 K K=KAKv =1.5x1.1x1.26x2.42=5.49 弹性系数 ZE ZE=189 节点区域系数 ZH ZH=2.5 接触最小安全系数 SHmin SHmin=1.05 接触寿命系数 ZN ZN=1.2 许用接触应力 = = =798MPa = = =845MPa 验算 =189.8x2.5x0.89x =364MPa 计算结果表明，齿轮传动副接触疲劳强度比较合适，齿轮尺寸无需调整。否则，尺寸调整后还应再进行验算。 确定传动主要尺寸 实 际 分 度 圆 直 径 d 齿 轮 无 需 圆 整 d1=mz1=2x15=30mm nts 哈尔滨工业大学 华德应用技术学院 毕业设计 -26- d2=mz2=1x30=30mm 中心 a