北航专业课程设计3R机器人.docx

机械设计专业课程设计计算说明书机械设计专业课程设计计算说明书设计题目：3R机器人机械工程及自动化学院（系）100712班设 计 者：杨永真 陈翔 陈记凡 张进 张沛指导教师：王伟 吴琼老师2013年11月18日（北京航空航天大学）目录一、设计任务书2二、国内外研究现状4三、总体方案设计53.1设计思路的确定53.2传动方案的确定53.3驱动装置的选择63.3.1驱动方案的分析63.3.2电机选型与计算63.4减速器的选择7四、机械系统的结构及二维图设计74.1机械系统的结构设计74.2二维图设计11五、机械臂三维模型设计11六、控制部分146.1交流伺服电机146.2驱动器GS0020A146.3安装和接线15七、运动仿真分析197.1建模197.2运动仿真197.3数据分析207.3.1角速度和角加速度的分析207.3.2转矩分析22八、有限元分析238.1建模过程238.2网格划分278.3有限元分析29九、项目分工35十、参考资料36一、设计任务书1、设计题目：3R机器人2、设计要求（1）设计要求一型号RB03驱动方式交流伺服驱动有效负载3Kg重复定位精度0.05运动范围J1轴170J2轴-60+150J3轴-17075J4轴190J5轴125J6轴360额定速度J1轴2.62rad/sJ2轴2.62rad/sJ3轴3.14rad/sJ4轴4.71rad/sJ5轴4.71rad/sJ6轴4.71rad/s（2）设计要求二周围环境温度045湿度2080%（不结露）其他1、避免与易燃易爆及腐蚀性气体、液体接触；2、勿溅水、油、粉尘等；3、远离电器噪音源（等离子）。安装方式地面安装电柜质量125Kg本体质量75Kg180Kg3R机器人设计图如下3、设计任务（1）完成3R机器人总体方案设计和论证，绘制总体原理方案图。（2）完成主要传动部分的结构设计。（3）完成装配图一张（用A0图纸），零件图2张（A3）。（4）编写设计说明书1份。二、国内外研究现状自上世纪90年代以来，随着计算机技术、微电子技术和网络技术的迅猛发展，机器人技术也得到了飞速发展。原本用于生产制造的工业机器人水平不断提高，各种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展。机器人的各种功能被相继开发并得到不断增强，机器人的种类不断增多，机器人的应用领域也从最初的工业控制拓展到各行各业，从军事到民用，从天上到地下，从工业到农业、林、牧、渔，从科研探索到医疗卫生行业，从生产领域到娱乐服务行业，甚至还进入寻常百姓家。工业机器人的结构形式很多，常用的有直角坐标式、柱面坐标式、球面坐标式、多关节坐标式、伸缩式、爬行式等等，根据不同的用途还在不断发展之中。根据不同的应用场合可采取不同的结构形式，但目前用得最多的是模仿人的手臂功能的多关节式的机器人，这是因为多关节式机器人的手臂灵活性最大，可以使空间位置和姿态调至任意状态，以满足需要。理论上讲，机器人的关节愈多，自由度也愈多，关节冗余度愈大，灵活性愈好；但同时也给机器人逆运动学的坐标变换和各关节位置的控制带来复杂性。进入21世纪，世界经济结构正在发生重大而深刻的变革，但制造业依然是世界各发达与发展中国家加快经济发展、提高国家综合竞争力的重要途径。我国是一个制造业大国，尚处于工业化进程之中，在未来相当长的时期里，制造业仍将在国民经济中占主导地位。在新一轮国际产业结构调整中，我国正逐步成为世界最重要的制造业基地之一。然而目前我国装备制造业的整体水平与发达国家相比尚有较大的差距，尤其是在战略必争装备技术与竞争前核心技术、基础制造装备与成套关键装备制造技术等方面差距更大，这种差距又主要体现在先进装备的自主设计与独立制造能力差，成套与系统集成、优化能力差，技术创新和集成创新能力差。这些差距已经成为制约我国制造业乃至其他行业经济发展的关键瓶颈问题之一。三、总体方案设计3.1设计思路的确定为实现总体机构在空间位置提供的6个自由度，可以有不同的运动组合，根据本课题的要求现可以将其设计成关节型机器人。关节型又称回转坐标型，这种机器人的手臂与人体上肢类似，其前三个关节都是回转关节，这种机器人一般由立柱和大小臂组成，立柱与大臂间形成肩关节，大臂和小臂间形成肘关节，可使大臂作回转运动和使大臂作俯仰摆动，小臂作俯仰摆动。其特点是工作空间范围大，动作灵活，通用性强、能抓取近距离的物体，工艺操作精度高。3.2传动方案的确定上图为机械臂传动系统的简图。交流伺服电机1通过减速器与立柱同轴转动，带动整个机械臂做腰转运动；交流伺服电机2通过减速器带动大臂做肩关节的转动；同理，交流伺服电机3带动小臂转动（位置可根据需要调整）。3.3驱动装置的选择3.3.1驱动方案的分析由于驱动方式为交流伺服驱动，所以我们采用的是交流伺服电机配以行星齿轮减速器的方式交流伺服电机的特点：1.输出功率较大，可满足负载要求；2.电机及电源的投资花费少，使用成本低；3.结构简单。3.3.2电机选型与计算J3处电机功率的估算：P3=Fv=mg3r=39.83.140.191W=17.63W考虑之间杆臂上的质量，取系数k=1.2，P3=17.631.2=21.2WJ2处电机功率的估算：取最大臂长0.5计算；估算两臂重1.2kg（材料初步定为铝合金，密度估算为2.7g/cm3，长0.5米，宽高皆估为3cm）P2=Fv=mg2R=3+1.229.82.620.5W=46.22WJ1处电机功率的估算：将转动惯量等效至J1轴，等效转动惯量为：J=mr2=30.52+1.20.252=0.825kgm2取加速时间t=1s，=2.62rad/s，=2.62rad/s2故转矩M=J=0.8252.62Nm=2.1625Nm功率P1=n1M9550=2.622.16256029.550W=6.0W所以我们最终选择了60CB020C-010000型号的交流伺服电机。3.4减速器的选择电机的额定转速为3000rpm，J1轴的设计转速为2.62rad/s，J2轴的设计转速为2.62rad/s，J3轴的设计转速为3.14rad/s，故各关节的传动比为i1=120,i2=120,i3=100.最终，在J1轴处，我们选用了PF40行星减速器，其减速比为120：1，额定转矩为28Nm；在J2和J3轴处，我们选用了WPL60直角型行星减速器，减速比分别为120：1和100：1，额定转矩为72Nm。四、机械系统的结构及二维图设计4.1机械系统的结构设计1、 动力源根据前述计算结果我们选择了60CB020C-010000型交流伺服电机，额定功率200瓦，转矩0.64N*m，额定转速3000r/min，三个关节的额定转速分别为J1=2.62r/s，J2=2.62r/s，J3=3.14r/s，根据以上额定转速，分别选择减速比为120：1，120：1和100：1的普通减速器，详细型号参数见上文。将其作为动力源，驱动机械臂的运动。2、 传动机构机械臂传动机构采用最直接的键连接的方法进行传动，由于电机输出经过减速器的减速，输出的速度与所需转速一致，同时电机输出轴与需要驱动的机械臂距离较短，可以直接驱动，因此采用键连接的方式直接驱动。最下方电机输出轴所选键为键6*20，另外两个电机输出轴所选键为4*20，具体计算见上文。 电机1与键的连接电机2与键的连接电机3与键的连接3、 导向支撑机构（1）底座电机的支撑机构底座电机的支撑机构采用推力轴承与调心圆锥滚子轴承的组合结构，推力轴承可以保证机械臂上部分与底座的轴向定位，同时减少两者之间的转动摩擦，减少损耗；调心圆锥滚子轴承可以保证机械臂上部分与底座的径向定位，防止机械臂的径向摇摆。调心圆锥滚子轴承内圈采用双向固定，外圈采用单向固定，另外一个方向的固定由推力轴承来承担。二维图如下图所示：（2）大臂电机的导向支撑结构大臂电机的支撑结构仅采用一对深沟球轴承，分别与大臂1和大臂2进行连接，减少大臂转动时与立柱的摩擦，同时提供支撑。轴承采用两端单向固定方式，用立柱轴肩和大臂轴肩进行固定。大臂之间采用结构件进行连接，同时采用垫片，使两个大臂之间的距离可调。二维图如下：减速器（3）小臂电机的导向支撑机构小臂电机支撑机构同样如大臂电机，采用一对深沟球轴承连接方式如上述，定位方式同样采用轴肩进行两端单向定位。二维图如下：小臂（4）所用轴承列表轴承位置轴承型号数量底座电机支撑滚动轴承512201滚动轴承231201大臂电机支撑滚动轴承62012小臂电机支撑滚动轴承620124、 机架部分机架部分由底座，转盘，立柱组成；底座内部提供底座电机的安装空间，外部提供调心滚子轴承的安装位置。转盘下部提供推力轴承的安装位置，中心钻孔，与减速器输出轴接触。立柱与转盘通过螺钉相连，上部分提供电机，滚子轴承安装位。5、 连接零件连接零件采用螺钉，螺栓连接，保证零件间的固联。零件列表如下：连接件位置连接件型号数量挡环连接内六角螺钉M5124底座电机与减速器连接螺栓M5164M5螺母4其他电机与减速器连接螺栓M5148M5螺母8电机与底座连接内六角螺钉M6154转盘与立柱连接螺钉M6114其他电机与机座的连接内六角螺钉M5158连接件与大臂的连接螺钉M41044.2二维图设计通过三维装配体导入成二维图，在进行修改，得到二维装配体图。二维图见零号图纸二维零件图见两张3号图纸五、机械臂三维模型设计1、 设计过程三维图零件设计基于我们初步选择的电机和减速器尺寸；（1） 首先建立电机和减速器三维实体模型（2） 根据电机和减速器尺寸设计相应机架和机械手臂尺寸，机械手臂长度由初步设定的手臂长度来确定。（3） 根据设计轴，孔尺寸生成适合尺寸的轴承（4） 根据轴承尺寸在机架手臂上添加固定轴承的轴肩，定位孔（5） 设计螺钉，螺栓的定位孔。（6） 生成相应合适尺寸的螺钉，螺栓（7） 对装配图进行装配2、 三维图简图（1） 三维装配体简图：爆炸视图如下图：（2）三维零件图预览大臂零件图 立柱零件图转盘零件图六、控制部分6.1交流伺服电机我们所选择的电机型号为60CB020C-01000，技术数据如下：规格型号单位60CB020C-01000060CB040C-01000060CB060C-010000货物编码031702031752031802额定输出功率W200400600额定转矩Nm0.641.271.91瞬间最大转矩Nm1.913.825.73额定转速rpm3000最高转速rpm3600电机转子惯量kgcm20.170.30.44转矩系数Nm/A0.7120.7120.712额定相电流A1.272.53.73瞬间最大相电流A3.697.3311.0电枢绕组相电阻13.05.583.0电枢绕组相电感mH31.8717.3310.07机械时间常数ms1.521.080.91电气时间常数ms2.453.113.36重量kg1.01.41.8编码器P/R2500负载惯量负载惯量电机转子惯量10（倍）适配驱动器GS0020AGS0040AGS0075A据此，选择驱动器为GS0020A.6.2驱动器GS0020A其命名规则如下：技术特性：输入电压：小于1KW采用单相AC220V反馈方式：增量式编码器控制方式：采用外部输入模拟量速度控制，根据模拟量的幅值（0-10V）和极性控制电机的转速和方向。驱动器总体尺寸：6.3安装和接线单相电源接线：依说明书：将电源通过非熔丝断路器、噪声滤波器、电磁接触器接到驱动器L1、L2两个借口上。电机与驱动器连接：将电机的U,V,W,FG，分别于驱动器连接，编码器转接线插入驱动器相应插口中。与控制器的连接：驱动器插口如下：七、运动仿真分析7.1建模我们将Solidworks所建的三维模型导入到Adams里进行了仿真分析，如下图：7.2运动仿真在三维零件的基础上，我们添加了若干运动付（Joints）以及重力和负载，在三个关节分别添加了Mo7tion，并编写了运动函数，完成了一系列动作。如下图：7.3数据分析7.3.1角速度和角加速度的分析立柱速度峰值为115deg/sec=2rad/s角加速度峰值约为2 rad/s2大臂速度峰值为125deg/s=2.18rad/s加速度峰值为1000 deg/s2小臂速度峰值为265deg/s=4.6rad/s角加速度峰值为1750 deg/s27.3.2转矩分析J1处转矩转矩峰值为1.7Nm，符合电机和减速器的转矩要求J2处转矩转矩峰值约为30 Nm，符合电机和减速器的转矩要求J3处转矩峰值为7.5 Nm，符合电机和减速器的转矩要求八、有限元分析8.1建模过程分析的对象为如图红色大臂1：电机输出轴与大臂末端以键的方式相固联：1.在Solidworks中将此零件另存为成parasolid(*.x_t)格式，运行Mechanical APDL Product Launcher 14.5, 点击File-Import-Para打开此文件。2.生成节点和单元组成的网格之前，需要定义合适的单元属性，其中单元类型（ElementType）和材料常数（MaterialProps）是必须定义的。定义单元类型：点击Preprocessor-Element Type-Add，根据实际要求我选择的单元类型为Solid-Brick 8 node 185。定义材料常数：点击Preprocessor-Material Props-Material Models-Structural，再点击Linear-Elastic-Isotropic, 输入弹性模量（EX）为2.2e11，泊松比（PRXY）为0.3；点击Density，输入密度为2700（机器人材料为铝合金，密度为2700kg/m3）3.创建力的作用点：点击Preprocessor-Modeling-Create-Keypoints，利用KP Between KPs命令，创建出如图所示的力的作用点（KP143）8.2网格划分建模基本完成，接下来进行网格划分：点击Preprocessor-Meshing-Mesh Attributes-Picked Volumes，点击选择整个零件，并选择单元类型（ElementType）和材料常数（MaterialProps）：之后点击Preprocessor-Meshing-Mesh-Volumes-Free，选择整个零件，网格划分前后对比如图：8.3有限元分析开始进行有限元分析：点击Solution-Analysis Type-New Analysis-Static开始分析。限制自由度：由于是静态分析，而电机输出轴和臂是用键相连，所以在分析时可以将臂中键槽的三个面的自由度限制为0。点击Solution-Define Loads-Apply-Structural-Displacement-On areas，选择键槽的三个面，并且将自由度设置为0。添加受力：经过分析，静态时，当臂与地面相水平时受力最大，臂末端受力约为31.2N。点击Solution-Define Loads-Apply-Structural-Force/Moment-On Key Points命令，选取之前所创建的关键点KP143，在VALUE文本框中输入31.2，方向垂直于臂，即为x方向。添加重力加速度：重力加速度方向垂直于臂的方向，即x方向，点击Solution-Define Loads-Apply-Structural-Inter