压铸产品取件机器人结构设计及强度分析（全套CAD图纸+设计说明书+翻译）
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压铸
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摘 要
由于压铸车间环境恶劣，对工人身体健康危害极大，因此压铸生产中取件动作通常是由取件机器人完成的。但是传统取件机器人多为三自由度机械手，功能单一，对不同零件的适应能力较差，无法满足多种零件生产的需求。基于此本文借助三维设计软件及有限元分析软件，设计并分析了一台用于压铸车间自动取件的关节式六轴工业机器人。
本文所做主要工作为六轴机器人的结构设计及关键部件的强度校核。通过查阅资料以及根据实际工作需要，确定了该机器人的性能参数和初步设计方案。通过设计计算，选定合适的伺服电机和减速器。通过仿真和强度计算，设计出各个零部件模型，并与伺服电机和减速器模型进行整体装配，实现了运动仿真。
将机器人腰部关节与大臂模型导入ANSYS软件，对这两个关键部件进行静力校核以分析其强度及变形情况，并根据分析结果对杆件进行优化。在此基础上，运用D-H参数法建立了六轴工业机器人的数学模型，推导了运动学正、反解的方程，并在Matlab中对方程进行了求解，为将来进行轨迹规划奠定理论基础。通过对压铸产品取件机器人进行仿真建模及分析，结果表明机械性能基本满足设计要求。
关键字：工业机器人、结构设计、ANSYS分析、运动学仿真
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C. et (: 008, , 314, 19, 2008. 008 in up a of of in in of on in to 1 t is of in in To in to of a 970s, to to as of of of of of in to do of s be in a At of 010 do in 1. in as a of 0% of 007, In 1st of is an 2. 2 T. X. . 1. of FR to in At of T a it to in 3. in it a by 4. S, by of to 5. a is to c a to 6. In a is a th 2007. 6 U, is 007 013 7. a of a in As to of 8. to 9. 2 he of is in to of a in “2006as BB up on of of in s in is 006, 5800 an 9% on in 0% of In to to as of 000 on of to in As a to on a of to as In in in 2. T. X. . in in as It in Up to 006, 0,000 ,000 in of of it in in 010, 3. of of of 006 007FR is is be is is To a of of a to in in to to 008 010 to to in to on a is 2007, it in a as is an of 4. 5. AV 6. to of of a ,000 of to 0 as is a a in so in of a in of in of It is to a to 6 T. X. . 7. (2006as be is to of is to on of on in be to of 3 of is a in as to to to is a of to to a is so of To is a to to as be be be to 10. 8. a of is as a of It a a is of as on by to is of a of as a a is of to of to on to is as in of 4 is a in is in it is to in is a of in of on 8 T. X. . o a of be 1. as to 2. in 3. to to in 5 in of in a in on in to We &D a . 2007), , (006), , Y.: of 82006) 5. , , , N.: s) of 42006), , , K., S., L., Y., M.: 116119 (2005) 960, .S .S h.D in 982, 990 he as 992, 995 he is of of of is a “a of of he is on of 863 a is of in yea 1 中国机器人技术发展 报告 摘要 ：近些年来，机器人技术取得了长足的进步。这篇文章摘取了一些关于中国机器人学研究及发展的图片，尤其是在工业机器人、专用服务机器人及家用服务机器人领域。此外，针对新型机器人产品发展过程中的低效率难题，提出对模块结构，中间件和关键功能模块构建统一的平台和标准，从而提高中国机器人企业的全球竞争力。 关键字 ：工业机器人，专业机器人，家用机器人， 功能模块 1 前言 众所周知，制造业及技术正面临经济全球化的挑战，尤其是在绿色制造技术、高集成制造技术、信息制造技术及极端环境下的制造技术。为了保持在全球舞台上的竞争力，未来的工业制造必须把最高的生产力和灵活性与最小的生产设备生命周期成本及熟练的劳动力结合在一起。 自 1970 年以来，机器人已经被引入以协助工人完成某些任务，比如汽车装配，电子设备，金属及塑料件加工以及处理各种半成品。信息技术、通讯技术和机器人自动化技术的使用已经成为了提高生产率，创造就业资格，从而提高制造业竞争力的关键技术。此外，机器人常常代替人 去做繁琐甚至危险的工作。通过机器人的应用，产品质量和人们的健康也得到了提升。因此，机器人在全球范围内的需求一直在增加。截至到 2010年底，大约有 1200台工业机器人在全球范围内的工厂工作 1。 伴随着在汽车行业和其他行业，如电气 /电子工业，化学工业，金属工业，食品 、 饮料行业的投资加大， 计部门估计 2007 年全球工业机器人投资将会增加 10%左右。 如图 1所示。 进入 21 世纪，对很多国家尤其是日本，欧洲 等 国家来说，人口老龄化是一个非常急迫的问题 2。 人口出生率的下降，在日常生活中照顾老年人口的需要以及 劳动力短缺的问题扩大了机器人的工作区域。与此同时，随着工业 术，控制技术，组件性 2 能的发展，机器人的机械性能得到了大幅改善。因此，它已经具备足够的智慧和力量来为人们日常生活服务 3。 图 1全球工业机器人统计报告（从 鉴于机器人在未来生活中扮演的重要角色， 它一直是 政府和企业资助研究的主要课题 4。 在美国，有数个由美国国防部资助的发展军事机器人的计划，包括自主机器人计划，联合机器人程序，无人机地图，无人水下航行器等 5。 此外，微软提出了一个新的概念 。 那就是机器人与早期的 提供一个共同的平台，即微软机器人工作室，以支持不同的客户，硬件和应用 6。 在未来，每个家庭拥有自己的机器人不再是梦想。 欧洲于 2007年 1月开始第 7研究框架计划。全部预算达到了 760亿欧元，执行时间为从 2007年到 2013年 7。此外，在机器人技术和应用领域有一大批有代表性的综合性项目，如 和 为亚洲最大的机器人市场，日本政府和企业开始极端条件下的机器人计划，微机器人计划，人形机 器人计划，原子项目以开发不同类型的机器人和技术 8。 韩国也开始了先进的机器人技术计划和个人机器人技术方案，以此来开发工业机器人，家用机器 3 人和特种机器人 9。 2 中国机器人发展趋势 中国制造正向持续创新型转型，并将工艺、生产设备和服务视作提高其全球竞争力与人民生活水平的关键因素。在机器人领域的研究和开发力度将强有力的为中国经济增长和就业创造新的机遇。 与此同时，中国的机器人技术在近些年里取得了巨大进步。国家中长期科学和技术发展规划纲要“（ 2006确表示中国服务机器人的发展战略，中国应研究通用的基础技术，如设计方法，制造过程，智能控制，系统集成等。在政府支持下，一些机器人企业，新松集团，博时集团，智通机器人公司，正在快速发展。此外，一些合资企业，首钢安川机器人公司， 机器人制造公司，也都成长于中国。此外，一些来自大学的高科技公司也专注于机器人高科技新产品。 从使用范围的考虑，中国机器人研究领域主要有三个方向，包括工业机器人，专业服务机器人和家庭使用机器人。 业机器人 作为亚洲第三大机器人市场，中国机器人投资一直在快速增加。在 2006年，约安装 5800台工业机器人，较前一年增长 29%。工业机器人已主要用在汽车行业和电气 /电子行业，包括他们的供应链，占机器人总销售的 60%以上。为了提高产品的竞争力，许多机器人企业加大投入来着重开发核心技术和具有自主知识产权的部分，如图 2 所示。海尔集团已经取得了每年出售超过 1000 台的工业塑料成型机器人的产品和销售额。近年来，企业投入更多的技术力量和资金来启动关于汽车及零部件生产线集成制造软件项目的研究，并取得了一些进展 。 作为一个发展中国家，中国开始了多项国家重大项目，以改善基础设施，这需要一些可以在特殊环境 下工作的特殊的工业机器人着眼于国家重大工程需求，一系列特殊工业的机器人的被开发以取代国外产品，如燃料管道检测机器人和电力维修和操作的机器人等。在西气东输工程中，燃料管道检测机器人沿轨道探测 4 海底油气管道，以确保安全和保持石油天然气输送过程中的低环境污染。 图 2点焊机器人和装配机器人 业使用机器人 机器人可以为士兵在战场上提供保护，并且在一些极端环境比如灾区、有毒泄漏区域、核泄漏区域代替人们进行处置。它扩大了人们的工作条件和改善了人们居住条件。因此，更多的多专业用途的机器人出现在我们的日常生活中。截至2006年底，全球已安装约 40000台用于专业使用的机器人。其中，超过 9000台应用在防御，救援和安全方面，在专业使用机器人总数中占据最高的比例。此外，在 2010年它还将在防御、救援和安全方面继续保持高增长。如图 3所示 。 图 006年底之间专业使用机器人的销 售的的比较和（从 2007的预计销售 5 对于中国来说，以人为本是制定政策和研究方向的核心思想。人们生活条件改善和安全是机器人研究的首要问题。因此，专业使用机器人的研究可以分为两种类型：一种是用于人们安全，另一种是用于改善人们生活条件。 为了提高人们的安全标准，一系列用于石油化工，矿山和灾难救援，反恐和反暴力的专业使用机器人被开发。通过这些机器人的帮助，人们可以拥有一个生活和工作得安全环境。由中国开发的反恐和反暴力的机器人已被用于人民代表大会的安全检测，并协助警方来保证 2008年 北京奥运会和 2010年上海世界博览会的安全，如图 4所示。此外，中国已经把更多的注意力放在发展专业用途的机器人上，以帮助人们在极端环境下做出科学研究，包括用于在水下，冰层，油气田工作的机器人。着眼于极地极端的环境中，提出了一种制造小型无人飞行器的建议。在 2007年 10月，在南极它成功地实现了科学研究，制作了一份详细的关于南极中山站周围冰盖温度的调查表，如图 5所示。 健康是人们生活条 件的重要指数，因此外科手术机器人是专业使用机器人的一个重要分支 。 图 6外科手术机器人和骨科机器人 图 4 反恐 机器人 图 5 极地 用小型无人机 6 在中国越来越多的外科手术机器人被使用以期提高高精密先进医学技术设备的水平。通过手术机器人，手术的精确度得到了稳定提高，且手术成本作出相应递减。 脑外科手术机器人可以为医生精确的提供所需要的位置，并且成功进行了 2000多例临床应用。通过坐标变换，骨科机器人已经成功应用于为 50个临床病例进行远端钉孔锁定，减少 X 射线辐射剂量并且缩短了手术时间，如图 6 所示 用机器人 中国是一个制造业大国，拥有坚实的产品制造基础。广东， 江苏和浙江省如此多的生产玩具，医疗保健和家用设备的工厂以至于为家用 机器人的推广打下了坚实的基础。 通过基础技术的提高，中国在家用机器人市场占据了较好的市场份额。 与传统的工业机器人相比，家用的机器人需要工作在常见的生活条件，其中充满了突发障碍。 由于很难对真实环境做一个精准的预测，因此家用机器人需要有足够的智慧和移动性来为人们服务。 图 7 人形 机器人和教学机器人 国家中长期科学和技术发展规划纲要“（ 2006确表示中国服务机器人的发展战略，中国应研究通用的基础技术，如设计方法，制造过程，智能控制，系统集成等。 因此，家用机器人的发展可以分为两个层次：高层是先进技术的发展，包括仿人机器人样机，智能控制系统，和组件。此外，开发老年人用系列产品残疾 7 人用辅助机器人，包括智能轮椅，智能行走援助机，康复运动机器人，多功能护理床等低层是低成本家用机器人的发展，其中包括先进的教育机器人和竞赛机器人，智能玩具，娱乐机器人，网络娱乐机器人，等等这两个层次有不同的侧重点。高层侧重新技术和组件的积累， 低层侧重于产品应用。高层发展起来的技术可以用于提高低层产品的智能性。 3 机器人模块结构 伴随着老年社会的到来，为人们日常生活服务的机器人将会有巨大市场，比如说医院、福利设施、家庭等地方都需要大量这类机器人。然而，对于服务机器人的要求因用户的不同而不同。机器人企业必须改变按订单生产的业务模式，以满足市场需求。 因为当前的机器人有它自己的结构和控制软件所以制造机器人是非常复杂的。机器人企业需要耗费大量的工作，选择组件，设计功能，为组件编写不同的驱动软件，并测试每个组件来开发新产品。也正因为机器人产品研发时间如此之长，阻碍了机器人产业的发展。 为了解决这个问题，企业对拥有一个统一的标准和平台具有强烈需求，因此，企业可以选择标准的功能模块来开发新的机器人产品，只是更加注重用户需求，而不是某些硬件 结构，如图 8所示。因此，新产品开发时间将会缩短并且效率将会大幅提高。 对于未来机器人产业而言，机器人中间件和功能模块将是构建统一的平台和标准的关键技术 10。 中间件是被定义为介于操作系统与应用程序之间的一类软件技术。它可以提供一个共同在分布式系统编程抽象。功能模块是支持机器人组件功能的软件模块，如传感器，控制器和电动机。 基于统一的设计标准，孤立部件由中间件包装来构造功能模块。那么新产品的设计只是一些功能模块的组合，比如说传感器功能模块，执行机构功能模块，控制功能模块等。因此机器人企业可以快速的开发新产品。 比如说，一个机器人臂由传感器模块输出关节角度，控制模块对执行机构输 8 送控制命令组成，而这些控制命令又是基于传感模块信息和执行机构模块来产生的。此外，机器人臂也被用作设计人形机器人和工业机器人的手臂功能模块。 图 8机器人模块结构 4 挑战和解决措施 尽管近些年来中国机器人产业得到了长足发展，但仍然存在很多急需解决的问题。首先，机器人的研究已接近国外，但工业机器人在序列化和质量方面是不够的，因此，很难提高企业在全球市场上的竞争力。第二，小企业积极配合学校，但大企业几乎没有与大学的合作。 因此，技术对话的结果并不好。第三，大量原型被开发，在一些关键部件和技术方面仍存在性能差距，以及一些传感器和执行器都是依靠进口。 9 为了保持中国机器人的长期健康发展，一些解决方案应该使用： 括焊接，装配汽车，纳米制造用于人工心脏， 人形机器人打乒乓球等，培育了一些大机器人企业关键技术和产品 。 间件，关键的功能结构和技术，并在家庭，敬老院，和工厂做应用示范。 ，研联盟，并加强国际学习和合作，来形成一些在世界上有影响力的方向。 5 总结 结合世界上机器人的发展趋势和研究课题，文中介绍了中国机器人发展状况和特点。根据 国家政策和资金的支持，工业机器人，专业用途的机器人，家用机器人技术已经在最近取得了很大进展。专注于机器人发展过程中的缺点，提出了相应的解决方案，以提高中国机器人企业的全球竞争力。 我们可以确信在中国十一五和十二五规划期间 机器人 R D 和它的应用将有很大的进步 。 参考文献 ： 1. 2007), 2. in 3. in 006), 4. Y.: of 10 8006) 5. 6. 7. 8. N.: s) of 42006), 9. 10. K., S., L., Y., M.: 116119 (2005) 本 科 毕 业 设 计 压铸产品 取件 机器人结构设计及强度 分析 I 摘 要 由于 压铸车间 环境恶劣，对工人 身体 健康危害极大 ，因此 压铸生产中取件动作 通常 是由取件机器人完成的。 但是 传统 取件机器人多 为 三自由度机械手，功能单一，对不同 零件的 适应能力较差 ， 无法满足多 种 零件生产的需求 。基于此 本文 借助 三维 设计软件 及 有限元 分析软件 ， 设计并分析了一台用于压铸车间自动取件的 关节式六轴 工业机器人 。 本文所做 主要工作为六轴机器人的结构设计及关键部件的强度 校核 。 通过 查阅 资料以及 根据实际工作 需要，确定了 该 机器人的性能参数 和 初步 设计 方案 。 通过设计计算 ，选定合适的伺服电机和减速器。 通过仿真 和强度计算，设计出 各个 零部件模型，并与伺服电机和减速器模型进行整体装配，实现了运动 仿真 。 将机器人腰部关节 与大臂模型导入 件 ，对 这两个 关键部件进行静力校核以分析其强度及变形情况 ，并 根据 分析结果 对杆件进行优化 。 在此 基础上 ，运用 立了六轴工业机器人的数学模型， 推导了 运动学正 、 反 解 的 方程 ， 并在 程 进行了求解 ， 为将来进行轨迹规划奠定理论基础 。 通过对 压铸产品 取件机器人进行仿真建模及分析， 结果表明 机械性能基本满足设计要求。 关键字： 工业机器人 、 结构 设计、 析 、运动学 仿真 of of of is by of to to up to of a of So of a of is In of is of of At of is on of of by of by of an to of On -H to a of a By of 录 1 绪论 . 1 景及研究意义 . 1 业机器人国内外研究现状 . 1 文主要研究工作和内容 . 2 章小结 . 3 2 取件机器人设计思路 . 4 件机器人主要参数 . 4 件机器人的传动方案 . 4 件机器人动态静力学建模 . 5 件机器人驱动系统选型计算 . 6 章小结 . 16 3 取件机器人结构设计 . 17 件机器人整体结构 . 17 节轴 5 结构形式 . 18 他关节轴的结构形式 . 19 动电机和减速器选型校核 . 20 章小结 . 26 4 主要部件设计计算及校核 . 27 步带选型计算 . 27 速器输入轴的设计与计算 . 28 机接长轴的设计计算 . 30 要螺栓组校核计算 . 31 章小结 . 35 取件机器人关键部件有限元分析及优化 . 36 部关节和大臂有限元模型的建立 . 36 部关节 和大臂有限元模型网格划分 . 36 部关节和大臂有限元分析及优化 . 37 章小结 . 42 6 取件机器人运动学分析 . 43 件机器人 数法建模 . 43 铸产品取件 机器人运动学分析 . 45 章小结 . 50 总结与展望 . 51 参考文献 . 52 致谢 . 54 1 绪论 1 1 绪论 景及研究意义 工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备 1。伴 随着近年来国内制造业升级的需求及工业自动化的发展， 工业机器人 在越来越多的领域得到了 广泛 应用 。 压力铸造由于 其 生产效率高， 生产出 的产品表面粗糙度好， 结构 强度大等优点，在 我国 制造业 中应用广泛 2。 但是 在压铸生产过程中， 会 产生诸如 有害气体、噪声和热辐射等 对生产一线的工人们身体健康造成极大危害 的 污染物 。 压铸 车间 环境 如 图 1 除此之外，人工取件不仅生产 效率低，人工成本高，而且每天数千次的重复动作极易导致工人出现健康问题。 因此 为了保障工人的身体健康和降低工人的劳动强度，采用压铸取件机器人替代工人具有重要的应用价值 。本文 正是基于此目的研制了一款可用于压铸车间自动取件的 六轴 关节式工业机器 人。 如 图 1示 为采用工业机器人之后的压铸车间， 采用机器人 取代人工之后 ， 生产效率提高， 所需 工人数量 减少 ，并且工人现在只需要操纵机器人完成工作即可，大大减轻了劳动强度。 业机器人国内外 研究现状 自 上世纪 60 年代 ，世界上第一台工业机器人在美国诞生之 日起， 至今已有五十余图 1统 压铸车间 图 1用 机器人后的压铸车间 毕业 设计 2 年的发展历史 3。 在 过去的 五十多年里， 得益于 伺服电机及精密减速器的发展，工业机器人制造水平突飞猛进 。 目前 ,市场上 工业机器人产品种类很多 ， 大部分市场被日本生产的机器人与欧洲生产的机器人所瓜分，国产 机器人 所占比重很小。 为满足 其经济发展需要， 日本 在上个世纪 70 年代 便开始了工业机器人的研发工作，目前日本国内已经产生了安川、爱普生、松 下、 蜚声海内外 的机器人生产厂家。 欧洲机器人 发展起步也较早， 并且占有巨大市场份额。 在工厂中 ，我们 随处 可见瑞典 司 出产的产品。 除此之外 ，德国的 也具有 极高的市场地位。 我国 工业机器人研究工作起步于上世纪八十年代，虽然起步较晚，但是近年来发展迅速， 2013 年 已经超越日本 成为 全球机器人第一大市场 4。 也正是 因为我国机器人市场的巨大潜力以及工业机器人对未来制造业 重要的 支柱作用 ， 我国政府已经把发展工业机器人列入国家战略 。 目前 ，国内 比较著名的机器人生产企业 主要有沈阳新松 机器人、安徽埃夫特 智能装备 有限公司等企业 。 2011 年 富士康提出 三年 时间里用 一百万台工业机器人取代人工作业，虽然计划仍未完成，但是也从侧面反映了我国机器人市场的发展前景以及未来工业机器人取代人工的必然性。 但 是 同时 应看到 ，国产机器人与国外同类型产品相比仍缺乏竞争性 。 同时工业 机器人配套产业 如 精密减速器、控制系统等 仍然 发展缓慢，核心技术被国外企业所垄断5。 国内企业应抓住中国制造业转型的历史机遇，加快国内机器人及相关产业的开发，争取早日达到乃至超越国际先进水平。 文 主要 研究 工作和内容 本课题主要研究内容为压铸产品 取件机器人结构设计及强度分析，并实际制作样机。本文 主要 从结构设计、关键部件有限元分析、运动学 分析这三部分 对工业机器人系统进行研究。 主要内容 如下所示： （ 1） 通过查阅与工业机器人有关 的资料 ， 初步 了解 工业机器人的结构 及 运动 原理 。 （ 2） 研究现有典型工业机器人（如 川工业机器人）的参数 ， 及 考虑到工厂实际应用时所需满足的条 件 ， 确定压铸产品取件 机器人的相关性能 参数，如关节运动速度等。 同时考虑压铸机的尺寸及运动路径 ， 在此基础上 ， 大致确定机器人各杆1 绪论 3 件的几何参数。 （ 3） 在初步完成工业机器人的机械本体设计的基础上 ， 进行驱动方式的选择 ， 为保证机器人的运动精度，采用安川伺服电机与 速机和谐波减速机的组合。通过对工作行程的确定及各关节加速度、转动惯量等的计算初步选定伺服电机及减速器的型号。 （ 4） 根据电机与减速的结构 ， 对机器 人的零部件内部空间做出了调整 ， 完善了机器人本体结构的设计并绘制草图。 （ 5） 采用 件进行各零部件三维建模并进行装配，并进行动态仿真来检查各零部件之间是否发生干涉。 （ 6） 运用 件 对 机器人 关键 部件（ 如 腰部关节、大臂） 进行有限元 分析，并 根据分析结果对机器人 杆件 优化， 以确保设计参数符合实际需求。 （ 7） 运用 数法 建立六轴工业机器人的数学模型， 确定 各 连杆 的参数， 并推导出运动学正、反解的方程 。在此基础上 ，运用 件 验证 正 、 反解 方程 的正确性 。 章 小结 本章 主要对本课题研究背景及工业机器人的发展现状做了阐述， 并且 在了解现有产品原理结构的基础上提出了自己的研究思路 和 主要工作，为后续 工作 安排 及 研究内容 奠定了 基础。 毕业 设计 4 2 取件机器人 设计 思路 件机器人 主要参数 通过 对国际上众多著名 机器人 生产厂商 （如 产品进行 分析 并结合压铸车间取件 工作要求 确定 压铸产品 取件机器人的 性能 参数 ， 如 表 2示 。该工业 机器人有效荷载 3 表 2铸产品 取件机器人主要 性能 参数 关节 i 关节 角 i 变化 范围（ ） 关节运动 速度 （ /s） 腰部 回转） +90 40 大臂 俯仰） +90 40 小臂俯仰 ） +90 40 臂 扭转 ） +160 60 腕部 俯仰） +120 00 T 轴 （ 腕部 回转） +360 60 件 机器人的传动方案 目前 ，市场上主流机器人产品的传动方案主要有两种类型：一是各关节采用多级齿轮 传动 。二是 电机与精密减速器直接相连方式传动。 多级 齿轮 传动方式成本 较 低，但是 多级 齿轮传动误差容易累积， 所占 空间也较大。除此 之外 ，单件 生产 工艺 复杂性会大大提高。电机 与精密 减速器 组合 的传动方式，虽然成本较高，但是结构紧凑，传动精确，且加工件数量大大减少。综合 考虑 两种传动方式的 优 劣，确定采用电机与精密减速器组合的传动方式 。 对于六轴 工业机器人的各关节来说，通常是一台伺服电机带动一个减速器，再带动一个运动的部件进行运动。 关节 1、 2、 3、 4 均为电机 经减速器减速并 进行 力矩放大后，驱动杆件运动。 关节 5、 6 位于工业机器人末端 ， 为保证机器人手臂整体刚度 ， 应尽量减轻机器人手臂末端重量，故考虑将机器人关节 5、 6 的 电机后置。但是 此种 方案将导致关节 6 的 传动 链 增加同步带 传动 和一对锥齿轮传动 ， 此举不但使传动方案复杂性增加，而且 在 有限的生产条件下精度很难保证。 考虑到 关节 6 所用 电机 及 减速器质2 取件机器人设计 思路 5 量 较 轻，故权衡 利弊 之后 ， 决定采用关节 5 处 电机后置，经同步带 传动 之后驱动减速器运动；关节 6 处 电机置于此关节轴线上，与减速器直接相连。 件机器人动态静力学建模 根据达朗贝尔原理 ， 将惯性力作为假想 的 外力 作用在构件上， 然后 用静力学方法进行分析， 这种分析方法称为动态静力分析 6。 为方便 分析， 将工业机器人简化成由 多根 连杆组成的连杆 系统 ， 运用 动态 静力 分析方法 ， 求解各个关节处的约束力 。 受力简图 如 图 2示 由于机器人由 很多 构件组成 ， 为 简化受力分析 ， 忽略 质量很小的构件 及 一些 较小 的零部件 所引起的惯性力 ， 只计入那些尺寸大、质量大的构件所引起的 惯性力 。 从 压铸产品 取件机器人的末端关节开始， 对 压铸产品 取件机器人的每个关节列出力矩衡方程和力平衡方程 ， 运用动态静力学方法将其简化转化为静力系 ， 通过求解整体及其各部 分的力系平衡方程来 求出 各个关节处的约束力或力矩 ， 这些参数是选择伺服电机及 减速器 的重要 依据 ， 同时也可作为关节、连杆等 其他 零件设计和校核的基础。 图 2械 系统受力简图 腰部回转关节 S、腕部扭转关节 R 和腕部回转关节 T 处的驱动力矩 ,T 等于其角加 速度与 负载的转动 惯量 的乘积 。由于其计算比较直观 ， 所以不在 动态静力学模型中求解这三个关节的 驱动力矩 。 毕业 设计 6 腕部俯仰关节动态静力学平衡方程为： 446 BF m m g L(2小臂俯仰关节动态静力学平衡方程为： 33 2 500 U B BF m g m g L F L M (2大臂俯仰关节 动态静力学平衡方程为： 42 1 300 L U UF m g m g L F L M (2式中： 大臂俯仰关节 L 处伺服电机驱动力矩； 小臂俯仰关节 U 处伺服电机驱动力矩； 腕部俯仰关节 B 处伺服电机驱动力矩。 件机器人驱动系统选型计算 本文中选 用直角坐标式工作循环图 ， 将各执行构件的 运动次序和 时间 绘制在直角坐标系中 ， 横坐标表示执行构件的运动时间 ， 纵坐标表示各 杆 件的 位移 ， 各区段间均用直线连接。 根据 查 找 资料得知， 压铸机每完成一次压铸时间 大 约 在 7 秒左右， 则 机器人完成一次取件 并 回 复 至初始位置约 左右。 机器人各机构工作时间分配如下： 机器人工作行程时间 （共 3s） :手爪抓取工件 （ ， 腰部关节回转 30 度（ 手臂抬举动作（ 腰部回转 60 度（ 手臂放下动作（ 手腕转动 90度（ 手抓松开放件（ 空行程时间 （共 ：手臂抬举动作（ 腰部回转 90 度动作（ 手腕回转 90 度（ 手臂放下动作（ 手抓在完成抓取工件动作之 后，为配合压铸机的顶出工件作用，机器人腰部关节需旋转一定角度，待手臂抬起之后，再完成剩余行程的回转。各机构工作循环图如 图 2 取件机器人设计 思路 7 2示 ： 图 2机构 工作循环图 角加速度计算 司相同荷载的 业机器人初定。 图 2件 运动简图 按照压铸产品取件机器人工作时的工作行程及姿态建立工业机器人的运动路径图抓取 工件时位置 复位 时位置 毕业 设计 8 象，如 图 2示： a) 22 2 2 2 23 4 0 5 0 0 3 7 4c o s , 4 8 . 52 2 3 4 0 5 0 0a b b) 274s i n , 5 3 . 7 , 9 5 . 2340 c) 22 2 2 2 23 4 0 3 7 4 5 0 0c o s , 8 8 . 82 2 3 4 0 3 7 4a b 采用梯形图法求解角加速度，假设 停止角加速度 与启动角加速度 相等。腰部关节角加 速度计算 如 图 2示。 由工作行程可知，腰部关节在 转过 90 度左右，此关节平稳运行时角速度为 240 /s ，故 ( ) 240/s 12 = 90 解得 x ， 由此可知加速时间为 因此 290 4 r a d / 1 2 5 s 1 8 0 同理可通过计算得知大臂俯仰关节（关节 2）角加速度为 25 s ， 小臂俯仰关节（关节 3）角加速度为 25 s ，手腕旋转（关节 6）角加速度为 213.5 s ，由于小臂旋转（关节 4）及手腕俯仰（关节 5）在此过程中无动作，根据其他关节运动情况确定小臂旋转关节及手腕俯仰关节角加速度为 28 s 。 图 2形图 求解加速度法 2 取件机器人设计 思路 9 转动惯量及重力矩计算 压铸产品 取件机器人进行受力分析时 ， 为 简化 计算 ，忽略那些 较轻 ，对机器人受力 影响不大的 构件 。 只考虑 各主要 杆件及末端负载所引起的惯性力 。6械手抓 和 压铸产品 的质量 。 其他关节根据 器人 量初步分配各连杆质量为 杆 3 及 其 附属部分 质量之和等效为 0杆 2 及其 附属部分质量 等效为 1) 手腕回转关节转动惯量计算 压铸产品 质量按照 压铸产品 取件机器人最大荷载确定，质量 3据查阅现有产品可知，机械手抓质量在 1右。为简化其模型方便计算，将机械手抓及 压铸产品 整体简化为 3 0 0 m m 2 5 0 m m 1 5 m H 的薄板，其转动惯量计算公式为 : 2612，则 2 2 2664 0 . 3 0 . 0 3 k g 1 2 考虑到摩擦力矩及重力矩影响，取安全系数 1 . 5 1 . 9 N m 2) 手腕俯仰关节转动惯量及重力矩计算 前端机械手抓及其负载等效为 3 0 0 m m 2 5 0 m m 1 5 m H 的薄板，手腕整体部分近似为长度为 70 ，半径 40 的圆柱体，前端机械手抓及其 负载重心简化到其中心位置，其重心距离关节 5 轴线 210 则绕关节 5 轴线的转动惯量为 62 2 2 2 255 5 62 2 2 2 22= 3 ( ) ( ) 0 . 2 11 2 2 1 2 224( 3 0 . 0 4 0 . 0 7 ) 2 0 . 0 3 5 0 . 1 2 5 4 0 . 2 11 2 1 20 . 1 9 k g m m l m l m 5 4 . 7 8 N 重力矩 6 9 . 8 0 . 1 N m 5 . 8 8 N m m g 力矩 = ( ) 1 . 5 1 6 N M 总毕业 设计 10 3) 小臂扭转关节转动惯量及力矩计算 小臂关节及手腕、前端负载绕关节 4 轴线旋转，可分为三部分分别计算其绕关节 4轴线旋转的转动惯量 小臂部分简化为长方体，端面尺寸 1 2 0 m m 1 2 0 m m 2 2 2 2 241 6( + b ) ( 0 . 1 2 0 . 1 2 ) 0 . 0 1 4 4 k g 1 2 手腕部分简化为长度为 70 ， 半径 =40圆柱体 2 2 22511 2 0 . 0 4 0 . 0 0 1 6 k g m R 由 1）得 23 0 k g 20 . 0 4 6 k g 总 ， 1 . 5 1 . 7 3 N m 总4) 小臂俯仰关节转动惯量及重力矩计算 将连杆 3、连杆 4 部分共同简化为端面为 1 5 0 m m 1 5 0 m m 3 0 0 m 的长方体，总重量约为 =12重心简化至杆件中心。其他各部分简化同上。其中质量 轴线 35量为6 轴线 l=510 2 2 2 2 2 2 2 2565 1 6 22 2 2 2 2 2 2 22( ) ( ) ( 3 ) ( )1 2 2 1 2 1 2 21 2 2 4( 0 . 3 0 . 1 5 ) 1 2 0 . 1 5 ( 3 0 . 0 4 0 . 0 7 ) 0 . 1 2 5 2 0 . 3 3 5 4 0 . 511 2 1 2 1 21 . 6 5 k g m 合总 合m b c m R l m l m . 9 8 N m总重心位置如 图 2示 2 2 9 . 8 0 . 2 N m 4 3 . 1 2 N m m g l 取安全系数为 ( ) 1 . 5 1 0 3 . 6 6 N m 总 M 5) 将大臂简化为 4 0 m m 1 3 0 m m 3 0 0 m 的长方体，各关节轴线距关节 2 轴线的距离可通过 4）中内容及大臂长度推算得知质量为5 轴线1 635，质量为6 轴线2 810。 2 取件机器人设计 思路 11 2 2 2 2 2 22 2 22 2 22 2 2 2 2565 1 6 22 2 2 2 2 22 2 2 2 22( ) ( ) ( ) ( )1 2 2 1 2 2( 3 ) ( )1 2 1 2 25 1 2( 0 . 1 3 0 . 3 ) 5 0 . 1 5 ( 0 . 3 0 . 1 5 ) 1 2 0 . 4 51 2 1 224( 3 0 . 0 4 0 . 0 7 ) 0 . 1 2 5 2 0 . 6 3 5 4 0 . 8 11 2 1 26 . 1 4 k g c cJ b c m b c m R l m l m l 合总 合 合 合 合9 6 . 4 N 总 重心位置如 图 2示 2 7 9 . 8 0 . 3 5 9 2 . 6 1 N m g l N m 由于在计算时已经考虑重力矩影响，故取安全系数为 ( ) 1 . 2 2 2 6 . 8 N M 总 6) 大臂支座部分简化为 1 0 0 m m , 1 0 0 m 的圆柱体。连杆 2 中心轴线与关节 1 轴线距离为1 150，连杆 3、 4 组合部分中心轴线距关节 1 轴线距离为2 450，连杆 5 中心轴线与关节 1 轴线距离为3 635，机械手抓与负载轴线与关节 1轴线距离为4 810。则 2 2 2 2 2 2 22 2 22 2 22 2 2 2 2565 1 6 22 2 2 2 2 2 22 2 2 21( ) ( ) ( ) ( )2 1 2 2 1 2 2( 3 ) ( )1 2 1 2 21 5 1 01 0 0 . 1 ( 0 . 0 4 0 . 3 ) 5 0 . 1 5 ( 0 . 1 3 0 . 3 ) 1 0 0 . 4 52 1 2 1 226( 3 0 . 0 4 0 . 0 7 ) 0 . 1 2 5 2 0 . 6 3 5 6 0 . 81 2 1 2mm c cJ m R a c m a c m R l m l m l 合总 合 合 合 合2217 . 0 6 k g m考虑重力及摩擦影响 ， 取摩擦系数为 1 . 5 1 3 3 N 毕业 设计 12 腕部 回转关节驱动电机和减速器选型计算 算得知 输出端需求转矩 m ，转速 60r / 伺服电机选用安川系列的功率为 50w ， 额定转速为 3000r/ 最高转速 6000r/ 额定转矩为 m ， 最大加速扭矩为 m ， 转子的转动惯量为 420 . 0 4 1 4 1 0 k g m ，重量为 减速器选用 波减速器 ， 减速比为 50:1， 最大加速扭矩 46 最大输入转速 14000r/ 输入端转动惯量为 420 . 0 3 3 1 0 k g m ， 输出功率为 1 . 9 6 0= k w 0 . 0 1 2 k 5 0 9 5 5 0输 出 假定传动效率为 输入功率为 0 . 0 1 2= = k w 0 . 0 1 3 k 9 5 输 出输 入电机输出端 所需 转矩 图 2心 位置示意图 图 2件 长度示意图 2 取件机器人设计 思路 13 1 . 9 0 . 0 4 N 0 . 9 5i 经过计算得出 ， 腕 选型满足设计要求。 腕部 俯仰关节驱动电机和减速器选型计算 算得知 输出端需求转矩 16转速 50r/伺服电机选用安川系列的功率为 100w ， 额定转速为 3000r/ 最高转速 6000r/ 额定转矩为 m ， 最大加速扭矩为 m ， 转子的转动惯量为 420 . 0 6 6 5 1 0 k g m ，重量为 减速器选用 波减速器 ， 减速比 50:1， 最大加速扭矩127N m ， 最大输入转速 10000r/ 输入端转动惯量为 420 . 1 9 3 1 0 k g m ， 输出功率为 1 6 5 0= k w 0 . 0 8 4 k 5 0 9 5 5 0输 出 假定传动效率为 输入功率为 0 . 0 8 4= = k w 0 . 0 8 8 k 9 5 输 出输 入电机输出端 所需 转矩 16 N m 0 . 3 4 N 0 . 9 5i 经过计算得出选型满足设计要求。 小臂扭转 关节驱动电机和减速器选型计算 算得知 输出端需求转矩 m ，转速 60r/伺服电机选用安川系列的功率为 50w ， 额定转速为 3000r/ 最高转速 6000r/ 额定转矩为 m ， 最大加速扭矩为 m ， 转子的转动惯量为 420 . 0 4 1 4 1 0 k g m ，重量为 减速器选用 波减速器 ， 减速比为 50:1， 最大加速扭毕业 设计 14 矩 46 最大输入转速 14000r/ 输入端转动惯量为 420 . 0 3 3 1 0 k g m ， 输出功率为 1 . 7 3 6 0= 0 . 0 1 k 5 0 9 5 5 0k w输 出假定传动效率为 输入功率为 0 . 0 1= = 0 . 0 1 1 k 9 5PP k w 输 出输 入电机输出端 所需 转矩 1 . 7 3 0 . 0 4 N 0 . 9 5i 经过计算得出选型满足设计要求。 小臂 俯仰关节驱动电机和减速器选型计算 算得知 输出端需求转矩 m ，转速 40r/伺服电机选用安川系列的 功率为 600w ， 额定转速为 3000r/ 最高转速 6000r/额定转矩为 m ， 最大加速扭矩为 m ， 转子的转动惯量为 420 . 6 6 7 1 0 k g m ，重量为 减速器选用日本帝人公司的 速器 ， 减速比为 81:1， 启动、停止时的允许转矩 412N m ， 允许力矩 882N m ，瞬时最大允许转矩 833N m ， 。 输出功率为 1 0 1 . 8 8 4 0= k w 0 . 4 2 7 k 5 0 9 5 5 0输 出假定传动效率为 输入功率为 0 . 4 2 7= = k w 0 . 4 4 9 k 9 5 输 出输 入电机输出端 所需 转矩 2 取件机器人设计 思路 15 1 0 1 . 8 8 N m 1 . 3 2 N 0 . 9 5i 经过计算得出选型满足设计要求。 大臂 俯仰关节驱动电机和减速器选型计算 算得知 输出端需求转矩 m ，转速 40r/伺服电机选用安川系列的 功率为 1000w ， 额定转速为 3000r/ 最高转速 6000r/额定转矩为 m ， 最大加速扭矩为 m ， 转子的转动惯量为 421 1 0 k g m ，重量为 速器选用日本帝人公司的 速器 ， 减速比为 81:1， 启动、停止时的允许转矩 412N m ， 允许力矩 882N m ，瞬时最大允许转矩 833N m ， 质量为 输出功率为 2 2 6 . 8 4 0= k w 0 . 9 5 k 5 0 9 5 5 0输 出 假定传动效率为 输入功率为 0 . 9 5= = k w 0 . 9 9 k 9 5 输 出输 入电机输出端 所需 转矩 2 2 6 . 8 N m 2 . 9 5 N 0 . 9 5i 经过计算得出选型满足设计要求。 腰部回转 关节驱动电机和减速器选型计算 算得知 输出端需求转矩 133N m ，转速 40r/伺服电机选用安川系列的功率为 600w ， 额定转速为 3000r/ 最高转速 6000r/ 额定转矩为 m ， 最大加速扭矩为 m ， 转子的转动惯量为 420 . 6 6 7 1 0 k g m ， 重量为 减速器选用日本帝人公司的 速器 ， 减速比为 81:1， 启动、停止时的允许转矩 412N m ， 允许力矩 882N m ，瞬时最大允许转矩 833N m ， 质量为 毕业 设计 16 输出功率为
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