三自由度圆柱坐标型工业机器人设计

精品文档 1 欢迎下载 目目 录录 目录目录 1 中文摘要中文摘要 2 AbstractAbstract 2 第第 1 1 章章 绪论绪论 3 第第 2 2 章章 工业机器人的总体设计工业机器人的总体设计 3 2 1 工业机器人的组成及各部分关系概述 3 2 2 工业机器人的设计分析 4 2 2 1 设计要求 5 2 2 2 总体方案拟定 5 2 2 3 工业机器人的主要技术参数 5 第第 3 3 章章 工业机器人的机械系统设计工业机器人的机械系统设计 6 3 1 工业机器人的运动系统分析 6 3 1 1 机器人的运动概述 6 3 1 2 机器人的运动过程分析 7 3 2 工业机器人的执行机构设计 8 3 2 1 末端执行机构设计 8 3 2 2 手臂机构设计 11 3 2 3 腰部和基座设计 12 3 3 工业机器人的机械传动装置设计 18 3 3 1 滚珠丝杠的选择 18 3 3 2 谐波齿轮的选择 19 3 3 3 联轴器的选择 20 第第 4 4 章章 工业机器人的计算机控制系统概述工业机器人的计算机控制系统概述 20 4 1 工业机器人控制系统的特点及对控制功能的基本要求 21 4 2 计算机控制系统的设计方案 22 4 3 硬件电路的组成 22 第第 5 5 章章 工业机器人运行时应采取的安全措施工业机器人运行时应采取的安全措施 22 5 1 安全要求 22 5 2 实施方法 23 鸣谢鸣谢 23 参考文献参考文献 24 精品文档 2 欢迎下载 中文摘要中文摘要 在工业上 自动控制系统有着广泛的应用 如工业自动化机床控制 计算机系统 机 器人等 而工业机器人是相对较新的电子设备 它正开始改变现代化工业面貌 本设计为 三自由度圆柱坐标型工业机器人 其工作方向为两个直线方向和一个旋转方向 在控制器 的作用下 它执行将工件从一条流水线拿到另一条流水线这一简单的动作 本文是对整个设 计工作较全面的介绍和总结 关键词 关键词 三自由度 圆柱坐标 工业机器人 AbstractAbstract Industrially automatic control systems are found in numerous applications such as automation machine tool control computer systems and robotics Industrial robots are relatively new electromechanical devices that are beginning to change the appearance of modern industry This scheme introduced a cylindrical robot for three degree of freedom It is composed of two linear axes and one rotary axis current control only allows these devices move from one assembly line to other assembly line in space perform relatively simple taskes This paper is more comprehensive introduction and summing up for the for the whole design work KeyKey wordswords three degrees of freedom cylindrical Industrial robot 精品文档 3 欢迎下载 三自由度圆柱坐标型工业机器人设计三自由度圆柱坐标型工业机器人设计 专业 机械设计制造及其自动化 学号 2001121622 姓名 刘建军 指导老师 李作全 第一章第一章 绪论绪论 机器人工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科 它集中了机械工程 电子工程 计算机工程 自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果 是当代科学技术发 展最活跃的领域之一 也是我 国科技界跟踪国际高科技发展的重要方面 工业机器人的 研究 制造和应用水平 是一个国家科技水平和经济实力的象征 正受到许多国家的广泛 重视 目前 工业机器人的定义 世界各国尚未统一 分类也不尽相同 最近联合国国际标 准化组织采纳了美国机器人协会给工业机器人下的定义 工业机器人是一种可重复编程的 多功能操作装置 可以通过改变动作程序 来完成各种工作 主要用于搬运材料 传递工 件 参考国外的定义 结合我国的习惯用语 对工业机器人作如下定义 工业机器人是一种机体独立 动作自由度较多 程序可灵活变更 能任意定位 自动 化程度高的自动操作机械 主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸工件或夹具 工业机器人以刚性高的手臂为主体 与人相比 可以有更快的运动速度 可以搬运更 重的东西 而且定位精度相当高 它可以根据外部来的信号 自动进行各种操作 工业机器人的发展 由简单到复杂 由初级到高级逐步完善 它的发展过程可分为三 代 第一代工业机器人就是目前工业中大量使用的示教再现型工业机器人 它主要由手部 臂部 驱动系统和控制系统组成 它的控制方式比较简单 应用在线编程 即通过示教存 贮信息 工作时读出这些信息 向执行机构发出指令 执行机构按指令再现示教的操作 第二代机器人是带感觉的机器人 它具有寻力觉 触觉 视觉等进行反馈的能力 其 控制方式较第一代工业机器人要复杂得多 这种机器人从 1980 年开始进入了实用阶段 不 久即将普及应用 第三代工业机器人即智能机器人 这种机器人除了具有触觉 视觉等功能外 还能够 根据人给出的指令认识自身和周围的环境 识别对象的有无及其状态 再根据这一识别自 动选择程序进行操作 完成规定的任务 并且能跟踪工作对象的变化 具有适应工作环境 的功能 这种机器人还处于研制阶段 尚未大量投入工业应用 第第 2 2 章章 工业机器人的总体设计工业机器人的总体设计 2 12 1 工业机器人的组成及各部分关系概述工业机器人的组成及各部分关系概述 精品文档 4 欢迎下载 图图 2 12 1 工业机器人的组成图工业机器人的组成图 它主要由机械系统 执行系统 驱动系统 控制检测系统及智能系统组成 A 执行系统 执行系统是工业机器人完成抓取工件 实现各种运动所必需 的机械部件 它包括手部 腕部 机身等 1 手部 又称手爪或抓取机构 它直接抓取工件或夹具 2 腕部 又称手腕 是连接手部和臂部的部件 其作用是调整或改变手部的工作 方位 3 臂部 是支承腕部的部件 作用是承受工件的负荷 并把它传递到预定的位置 4 机身 是支承手臂的部件 其作用是带动臂部自转 升降或俯仰运动 B 驱动系统 为执行系统各部件提供动力 并驱动其动力的装置 常用的 机械传动 液压传动 气压传动和电传动 C 控制系统 通过对驱动系统的控制 使执行系统按照规定的要求进行工作 当发 生错误或故障时发出报警信号 D 检测系统 作用是通过各种检测装置 传感装置检测执行机构的运动情况 根据 需要反馈给控制系统 与设定进行比较 以保证运动符合要求 图图 2 22 2 各部分关系图各部分关系图 2 22 2 工业机器人的设计分析工业机器人的设计分析 精品文档 5 欢迎下载 2 2 1 设计要求 综合运用所学知识 搜集有关资料独立完成三自由度圆柱坐标型工业机器人操作机 和驱动单元的设计工作 原始数据 自动线上有 两条输送带之间距离为 1 5m 需设计工业机器人将 一零件从 A 带送到 B 带 零件尺寸 内孔 100 壁厚 10 高 100 零件材料 45 钢 2 2 2 总体方案拟定 在工业机器人的诸多功能中 抓取和移动是最主要的功能 这两项功能实现的 技术基础是精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动 本次设计就是在这一思维下 展开的 根据设计内容和需求确定圆柱坐标型工业机器人 利用步进电机驱动和谐波 齿轮传动来实现机器人的旋转运动 利用另一台步进电机驱动滚珠丝杠旋转 从而使 与滚珠丝杠螺母副固连在一起的手臂实现上下运动 考虑到本设计中的机器人工作范 围不大 故利用液压缸驱动实现手臂的伸缩运动 末端夹持器则采用内撑连杆杠杆式 夹持器 用小型液压缸驱动夹紧 图图 2 32 3 机器人外形图机器人外形图 2 2 3 工业机器人主要技术性能参数 工业机器人的技术参数是说明其规格和性能的具体指标 主要技术参数有如 下 A 抓取重量 抓取重量是用来表明机器人负荷能力的技术参数 这是一项主要参数 这项 参数与机器人的运动速度有关 一般是指在正常速度下所抓取的重量 B 抓取工件的极限尺寸 抓取工件的极限尺寸是用来表明机器人抓取功能的技术参数 它是设计手部 的基础 C 坐标形式和自由度 说明机器人机身 手部 腕部等共有的自由度数及它们组成的坐标系特征 D 运动行程范围 精品文档 6 欢迎下载 指执行机构直线移动距离或回转角度的范围 即各运动自由度的运 动量 根据运动行程范围和坐标形式就可确定机器人的工作范围 E 运动速度 是反映机器人性能的重要参数 通常所指的运动速度是机器人的最大运动速 度 它与抓取重量 定位精度等参数密切有关 互相影响 目前 国内外机器人 的最大直线移动速度为 1000mm s 左右 一般为 200 400mm s 回转速度最大为 180 s 一般为 50 s F 定位精度和重复定位精度 定位精度和重复定位精度是衡量机器人工作质量的一项重要指标 G 编程方式和存储容量 本设计中的三自由度圆柱坐标型工业机器人的有关技术参数见表 1 1 表 1 1 机械手类型三自由度圆柱坐标型 抓取重量 2 69Kg 自由度3 个 1 个回转 2 个移动 机座长 120mm 回转运动 回转角 180 步进电机驱动 单片机控制 腰部机构长 680mm 伸缩运动 升降范围 450mm 步进电机驱动 单片机控制 手臂机构长 826mm 伸缩运动 伸缩范围 50mm 液压缸驱动 行程开关控制 末端执行器液压缸驱动 行程开关控制 第第 3 3 章章 工业机器人的机械系统设计工业机器人的机械系统设计 3 13 1 工业机器人的运动系统分析工业机器人的运动系统分析 3 1 1 机器人的运动概述 工业机器人的运动 可从工业机器人的自由度 工作空间和机械结构类型等三方 面来讨论 如图 2 1 所示 为工业机器人机构的简图 图图 3 13 1 机构简图机构简图 精品文档 7 欢迎下载 a 工业机器人的运动自由度 所谓机器人的运动自由度是指确定一个机器人操作位置时所需要的独立运动参数的数 目 它是表示机器人动作灵活程度的参数 本设计的工业机器人具有四转动副和移动副两种运动副 具有手臂伸降 旋转 前后 往复三自由度 b 机器人的工作空间和机械结构类型 1 工作空间 工作空间是指机器人正常运行时 手部参考点能在空间活动的最大范 围 是机器人的主要技术参数 工作空间图如图 3 2 图图 3 23 2 工作空间图工作空间图 2 机械结构类型 圆柱坐标型为本设计所采用方案 这种运动形式是通过一个转动 两个移动 共三个自 由度组成的运动系统 代号 RPP 工作空间图形为圆柱形 它与直角坐标型比较 在相同 的工作条件下 机体占体积小 而运动范围大 3 1 2机器人的运动过程分析 工业机器人的运动过程中各动作如图 3 3 和表 3 1 图图 3 33 3 精品文档 8 欢迎下载 表 3 1 机器人开机 处于 A 位工步一 手臂上升工步二 工步七 工步十三 旋转至 B 位工步三 手臂伸出工步四 工步十 手臂下降工步五 工步十一 夹紧工件工步六 手臂收缩工步八 工步十四 旋转至 C 位工步九 放松工件工步十二 实现运动过程中的各工步是由工业机器人的控制系统和各种检测原件来实现的 这里 尤其要强调的是机器人对工件的定位夹紧的准确性 这是本次设计成败之关键所在 3 23 2 工业机器人的执行机构设计工业机器人的执行机构设计 3 2 1 末端执行机构设计 工业机器人的末端执行机构设计是用来抓持工件或工具的部件 手部抓持工件的 迅速 准确和牢靠程度都将直接影响到工业机械手的工作性能 它是工业机械手的关 键部件之一 3 2 1 1 设计时要注意的问题 a 末端执行机构应有足够的夹紧力 为使手指牢靠的夹紧工件 除考虑夹持工件的重 力外 还应考虑工件在传送过程中的动载荷 b 末端执行机构应有一定的开闭范围 其大小不仅与工件的尺寸有关 而且应注意手 部接近工件的运动路线及其方位的影响 c 应能保证工件在末端执行机构内准确定位 d 结构尽量紧凑重量轻 以利于腕部和臂部的结构设计 e 根据应用条件考虑通用性 3 2 1 2 总体结构设计 采用内撑连杆杠杆式夹持器 用小型液压缸驱动夹紧 它的结构形式如图 2 4 内 撑连杆杠杆式夹持器采用四连杆机构传递撑紧力 即当液压缸 1 工作时 推动推杆 2 向下 运动 使两钳爪 3 向外撑开 从而带动弹性爪 4 夹紧工件 该种夹持器多用于内孔薄壁零 件的夹持 精品文档 9 欢迎下载 图图 3 43 4 末端执行器末端执行器 3 2 1 3 液压油缸的选择和夹紧力的校验 a 初选油缸型号 考虑到所要夹持的是很小的薄壁零件 最大工作载荷很小 故初选液压缸型号为 Y HG1 C40 22 25LF2HL1Q 它的主要技术参数如表 2 2 表 3 2 冶金设备标准液压油技术规格 活塞杆直径 mm油口直径 速度比 缸 径 mm 1 46 2 通径 mm 联接螺纹 40222810M18x1 5 b 夹紧力校验 1 零件的计算 22 22 3 9 3 14 6050 100 345400 345400 78009 826 4 10 VRrh mm mv GmgvgN 其中 g 取 9 8 取 G 27 N 2 紧力的计算 要夹持住零件必须满足条件 GfN 2 f 为手指与工件的静摩擦系数 工件材料为 45 号钢 手指为钢材 查 机械零件手 册 表 2 5 f 0 15 N 为作用在零件内壁上压紧力 G 为零件重力 精品文档 10 欢迎下载 所以 取 N 100 N 90 15 0 2 27 2 N f G N 由 机械制造装备 式 4 60 可知驱动力的计算公式为 2 PbNtgc 为斜面倾角 为传动机构的效率 这里为平摩擦传动 o 35 查 机械零件手册 表 2 2 这里取 0 85 92 0 85 0 b 77 5mm c 29mm 取 p 500 N 29 440 2985 0 1 5 77100352 0 tgP 按 液压传动与气压传动 公式 4 15 m P D F 4 2 D 为汽缸的内径 m P 为工作压力 Pa 由 液压传动与气压传动 表 9 1 负载 F N 50000 工作压力 p MPa5 7 取 p 0 5MPa 由 液压系统设计 可查得 0 9 0 95 所以 m NP D F5659 0105 0 4 1040 14 3 4 6 232 由以上计算可知液压缸能产生的推力 F 565N 大于夹紧工件所需的推力 P 500N 所以该液压缸能够满足要求 3 2 1 4 弹性爪的强度校验 弹性爪的结构形式如图 3 7 精品文档 11 欢迎下载 图图 3 73 7 弹性爪结构图弹性爪结构图 这种结构是在手爪外侧用螺钉固定弹簧板两端固定 当弹性手工作时 由于夹紧过程具有 弹性 就可以避免易损零件被抓伤 变形和破损 工件与弹簧片间的力 由上节可知 F 100N 则弹簧爪截面上的剪应力为 30MPa Q A 故弹性爪满足强度要求 5 10110202 1002 33 MPa 3 2 2 手臂机构的设计 3 2 2 1 手臂的设计要求 a 手臂的结构和尺寸应满足机器人完成作业任务提出的工作空间要求 b 根据手臂所受载荷和结构的特点 合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料 c 尽量减小手臂重量和相对其关节回转轴的转动惯量和偏重力矩 以减小驱动装置 的负荷 减少运动的动载荷与冲击 提高手臂运动的响应速度 d 要设法减小机械间隙引起的运动误差 提高运动的精确性和运动刚度 采用缓冲 和限位装置提高定位精度 本设计中手臂由滚珠丝杠驱动实现上下运动 结构简单 装拆方便 还设计有 两根导柱导向 以防止手臂在滚珠丝杠上转动 确保手臂随机座一起转动 它的 结构如下图 图图 3 83 8 手臂结构图手臂结构图 选用轴向脚架型液压缸 活塞杆末端为外螺纹结构 手臂与末端执行器连同活塞杆一 起转动 3 2 2 2 伸缩液压油缸的选择 选液压缸型号为 Y HG1 C50 28 100LJ1HL1Q 它的主要技术参数如表 2 3 表 3 3 冶金设备标准液压油技术规格 活塞杆直径 mm油口直径 速度比 缸 径 mm 1 46 2 通径 mm 联接螺纹 精品文档 12 欢迎下载 50283610M18x1 5 3 2 2 3 活塞杆的强度校核 末端执行器的重量为 10 389Kg 工件重量为 2 64Kg 由静力平衡方 MB 0 R1 LAB Q LBC 0 MA 0 R2 LAB Q LAC 0 求得支反力为 R1 524 88N R2 673 16N 以 A 点为坐标原点 得剪力图和弯矩图如下 由 表得活塞杆 140MPa 240MPa 则在 B 处横截面上的剪应力为 B RB A 安全 1 1 1028 4 16 673 23 MPa 在 B 处的弯应力为 B MB A 安全 4 29 1028 16 39 40 33 MPa 3 2 3 腰部和基座设计 3 2 3 1 结构设计 通过安装在支座上的步进电机和谐波齿轮直接驱动转动机座转动 从而实现机器人 精品文档 13 欢迎下载 的旋转运动 通过安装在顶部的步进电机和联轴器带动滚珠丝杠转动实现手臂的上下移动 采用了双导柱导向 以防止手臂在滚珠丝杠上转动 确保手臂随机座一起转动 支撑梁采 用槽钢 以减轻重量和节省材料 它的结构如图 2 10 该种设计采用了环形轴承的机器人支承结构 它由电动机 2 直接驱动一杯形柔轮谐波 减速器 这种谐波减速器只有刚轮 9 柔轮 7 和谐波发生器 8 三大件 而无单独的外壳 这种结构有利于传动系统的小型化 轻型化 由柔轮 7 输出低速的回转运动带动与之固 联的机座回转壳体 5 实现手臂的回转运动 齿形皮带传动 4 和位置传感器 6 作为机座用来 检测手臂机座的角位移 1 支座 2 步进电机 3 谐波齿轮 4 转动机座 5 支承工字梁 6 滚珠丝杠 7 导向柱 8 锥环无键联轴 器 图图 3 103 10 腰部和基座结构图腰部和基座结构图 1 支座 2 电机 3 轴承 4 带传动 5 壳体 精品文档 14 欢迎下载 6 位置传感器 7 柔轮 8 波发生器 9 刚轮 图图 3 113 11 环形轴承的机器人机座环形轴承的机器人机座 3 2 3 2 步进电机的选取 工业机器人的旋转和上下移动采用了步进电机驱动 下面就给出各种驱动方式的 比较 以作为选取步进电机作为驱动方式的依据 表 3 4 各种驱动方式比较 驱动方式 电机 驱动 比较内 容机械传动 异步电机 直流电机 步进或伺服 电机 气压传动液压传动 输出力 矩 输出力矩较大输出力可 较大 输出力矩较 小 气体压力小 输出力矩小 如需输出力矩 较大 结构尺 寸过大 液体压力高 可以 获得较大的输出力 控制性 能 速度可高 速度 和加速度均由机 构控制 定位精 度高 可与主机 严格同步 控制性能 较差 惯 性大 步 易精确定 位 控制性能好 可精确定位 但控制系统 复杂 可高速 气体 压缩性大 阻 力效果差 冲 击较严重 精 确定位较困难 低速步易控制 油液压缩性小 压 力流量均容易控制 可无级调速 反应 灵敏 可实现连续 轨迹控制 应用范 围 适用于自由度少 的专用机械手 高速低速均能适 用 适用于抓 取重量大 和速度低 的专用机 械手 可用于程序 复杂和运动 轨迹要求严 格的小型通 用机械手 中小型专用通 用机械手都有 中小型专用通用机 械手都有 特别时 重型机械手多用 由上表可知步进电机应用于驱动工业机器人有着许多无可替代的优点 如控制性能好 可精确定位 体积较小可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手等 下面就 对步进电机的型号进行选取 初选电机为 BF 反应式步进电机 型号为 90BF001 它的有关技术参数如下表 表 3 5 电机型 号 相数步距角 电 压 V 最大静转矩 N m Kgf cm 最高 空载 启动 频 率 HZ 运行 频率 HZ 转子转动惯 量 10Kg m 5 2 分配 方 式 质量 Kg 90BF0014 0 9 80 3 922000800017 64 四相 八拍 4 5 A 传动系统等效转动惯量计算 传动系统的转动惯量是一种惯性负载 在电机选用时必须加以考虑 由于传动系统的各 精品文档 15 欢迎下载 传动部件并不都与电机轴同轴线 还存在各传动部件转动惯量向电机轴折算的问题 最后 要计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量 即传动系统等效转动惯量 1 电机转子转动惯量的折算 D J 由 机电综合设计指导 表 2 18 查出 1 764 cm2 D J 2 联轴器转动惯量的折算 L J 8 2 2 cmKg DM J c L 式中 为圆柱质量 Kg D 为圆柱体直径 cm L 为圆柱体长度 c M 对于钢材 材料密度为 把数据代入上式得 108 7 33 cmKg 99 2 8 2 2 cmKg DM J c L 3 滚珠丝杠转动惯量的折算 S J 查 机电综合设计指导 表 4 2 P119 得出 1m 长的滚珠丝杠的转动惯量为 0 94 cm2 丝杠长度 L 420mm 所以滚珠丝杠转动惯量 0 94 0 42 0 39 cm2 S J 4 手臂转动惯量的折算 G J 工作台是移动部件 其移动质量折算到滚珠丝杠轴上的转动惯量可按下式进行计算 G J 见 机电综合设计指导 公式 2 6 P8M L JG 20 2 式中 为丝杠导程 cm 为工作台质量 kg 0 LM 所以 2 2 20 15 1 71 14 3 2 8 0 2 cmkgM L JG 5 系统等效转动惯量计算 J 2 294 6 15 1 39 0 99 2 764 1 cmkgJJJJJ GSLD B B 验算矩频特性 步进电机最大静转矩是指电机的定位转矩 从 机电综合设计指导 表 2 21 maxj M 中查得 步进电机的名义启动转矩与最大静转矩的关系为 mM j 92 3 maxmq M maxj M 见 机电综合设计指导 公式 2 29 P32 maxjmq MM 查 机电综合设计指导 表 2 12 P35 得 0 707 所以 精品文档 16 欢迎下载 mMmq 77 2 92 3 707 0 步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动 步进电机所需空载启动力 矩可按下式计算 见 机电综合设计指导 公式 2 30 P32 0 MMMM KfKaKq 式中 为空载启动力矩 N cm 为空载启动时运动部件由静止升速到最大快进 Kq M ka M 速度 折算到电机轴上的加速力矩 N cm 为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩 Kf M N cm 有关的各项力矩值计算如下 Kq M 1 加速力矩 见 机电综合设计指导 公式 2 32 和 2 33 P32 360 10 60 2 max max 2max p b Ka v n t n JJM 式中 为传动系统等效转动惯量 为电机最大角加速度 为与运动部件最大快 J max n 进速度对应的电机最大转速 t 为运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间 为运动部件最大快进速度 为初选步进电机的步距角 为脉冲当量 max v b p min 1250 36001 0 9 05000 360 max max r v n p b cm t n JMKa 17 4110 2 060 125014 32 294 6 10 60 2 22max 2 空载摩擦力矩 见 机电综合设计指导 公式 2 34 P35 i LfG Mkf 2 0 式中 为运动部件的总重量 为导轨摩擦系数 齿轮传动降速比 为传动系数总G f i 效率 取 0 8 为滚珠丝杠的基本导程 0 L cmMkf 55 0 18 014 3 2 8 0005 0 8 971 3 附加摩擦力矩 见 机电综合设计指导 公式 2 35 P35 2 0 0 0 1 2 i LF M YJ 精品文档 17 欢迎下载 式中 为滚珠丝杠预紧力 为滚珠丝杠未预紧时的传动效率 现取 0 96 YJ F 0 0 cmM 428 1 96 0 1 18 014 3 2 8 0337 114 2 0 所以 步进电机所需空载启动力矩 cmMMMM KfKaKq 148 43428 1 550 0 17 41 0 初选电机型号应满足步进电机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转矩 即 见 机电综合设计指导 公式 2 31 P32 mqKq MM 从上式可知电机初步满足要求 C C 启动矩频特性校核 步进电机启动有突跳启动和升速启动 突跳启动很少使用 升速启动是步进电机从静 止状态开始逐渐升速 在零时刻 启动频率为零 在一段时间内 按一定的升速规律升速 启动结束时 步进电机达到了最高运行速度 查看 机电综合设计指导 图 2 21 P36 从 90BF001 矩特性图中 可查得 纵向 空载启动力矩 对应的允许启动频率 查 机 Kq Mcm 148 43 Zyq Hf2100 电综合设计指导 表 2 11 P34 步进电机 150BF002 启动频率 yqZq fHf 2000 所以所选电机不会丢步 D D 运行矩频特性校核 步进电机的最高快进运行频率可按下式计算 KJ f 见 机电综合设计指导 公式 2 36 P36 P KZ v f 60 1000 max 式中 为运动部件最大快进速度 算得 max v ZKZ Hf33 8333 快进力矩的计算公式 KJ M 见 机电综合设计指导 公式 2 37 0 MMM KfKJ P37 式中 为附加摩擦力矩 为快进时 折算到电机轴上的摩擦力矩 算得 0 M Kf M cmMMM KfKJ 1 9781 4280 55 0 查看 机电综合设计指导 图 2 22 P36 从 90BF001 运行矩频特性图中 可知 快进力矩 对应的允许快进频率 KJ Mmcm 0 019781 978 KJyKJ ff 所以 所用的电机都满足快速进给运行矩频特性要求 综上所述 所选用的步进电机 90BF001 符合要求 可以使用 3 2 3 3 轴承的选取 精品文档 18 欢迎下载 a 环形轴承 3 作为机座的支承原件 是为机器人研制的专用轴承 具有宽度小 直径 大 精度高 刚度大 承载能力高 可承受径向力 轴向力和倾覆力矩 装置方便等特点 价格高 b 丝杠下部装有圆锥滚子轴承 型号为 30204 它的有关参数如下 基本额定 极限转速 r min 轴承代号 动载荷 Ca KN 静载荷 C0a KN 脂润滑油润滑 3020428 230 5800010000 3 33 3 工业机器人的机械传动装置的选择工业机器人的机械传动装置的选择 此处省略 NNNNNNNNNNNN字 如需要完整说明书和设计 图纸等 请联系 扣扣 九七一九二零八零零 另提供全套机 械毕业设计下载 该论文已经通过答辩 C 刚度验算 按最不利情况考虑 即在螺距 导程 内受轴向力引起的弹性变形与受转矩引起弹性变 形方向一致 此时变形量为最大 计算公式为 S 4 1 2 2 n1 Gd PT16 2 1 n Ed FP4 式中 T1 tan m F 2 d0 v 1000tan 2 40 383 40 8 1321 N mm 磨擦系数 f 0 025 当量磨擦角 v 40 8 剪切弹性模量 G 8 33 N mm2 4 10 所以 S 442 2 76 351033 8 8132116 25 76 351006 2 810004 0 0387 m 其中 危险截面 35 76 E 2 06 1 d 每米螺杆长度上的螺矩的弹性变形 6 6 m p 15 m s s 3 106 0387 0 m s s m 因为滚球丝杆精度要求为 3 级精度 由表 15 8 查得 精品文档 19 欢迎下载 p 15 m s s m 所以其刚度满足要求 D 计算效率 0 960 96 v tan tan 408383tan 383tan 3 3 2 谐波齿轮的选择 谐波齿轮的特点 与一般齿轮传动相比 有如下特点 a 传动比大 一级谐波齿轮减速比可以在 50 500 之间 在只传递运动的装置 中可达 1000 采用多级或复波式传动时 传动比可以更大 b 这种传动同时啮合的齿数多 可达总齿数的 30 40 故承载能力大 c 运动误差小 无冲击 齿的磨损小 传动精度高 传动平稳 d 效率高 减速传动下 一般可达 0 7 0 9 结构简单 零件少 重量轻 在 承载能力和传动比相同的条件下 比一般齿轮减速器的体积和重量约减少 1 2 1 3 e 缺点是起动力矩大 柔轮易疲劳损坏 故柔轮的材料和热处理条件要求高 传动比小于 35 时不能采用谐波传动 由于谐波减速传动装置明显的优点 已广泛用于机器人和其它机电一体化机械设备中 本设计中的谐波齿轮采用带杯形柔轮的谐波传动组合件 它是由三个基本构件构成 的 带凸缘的环形刚轮 杯形的柔轮和柔性轴承 椭圆盘构成的波发生器 型号 XB1 80 100 2 3 3 机型号 100 既柔轮的公称内径为 80mm 减速比 100 三大件订货 精度等级 最大空回小于 3 分 角 最大传动误差小于 3 分 角 3 3 3联轴器的选择 该机构利用锥环对之间的磨擦实现与毂之间的无间隙连接传递转矩 且可任意调节两 面联接件之间的角度位置 通过选择所用锥环的对数 可传递不同大小的转矩 图 2 12 所 示为采用锥环 锥环夹紧环 无键消隙联轴器 可使动力传递没有反向间隙 螺钉 5 通过 压圈 3 施加轴向力时 由于锥环之间的楔紧作用 内外环 2 分别产生径向弹性变形 消除 轴 4 与套筒 1 之间的配合间隙 并产生接触压力 通过磨擦传递转矩 而且套筒 1 与轴 4 之间的角度位置可以任意调节 这种联轴器定心性好 承载能力高 传递功率大 转速高 使用寿命长 具有 过载保护能力 能在受振动和冲击载荷等恶劣环境下连续工作 安装 使用和维护方 便 作用于系统中的载荷小 噪声低 精品文档 20 欢迎下载 1 套筒 2 内外环 3 压圈 4 轴 5 螺栓 图图 3 123 12 消隙联轴器消隙联轴器 第四章第四章 工业机器人的计算机控制系统概述工业机器人的计算机控制系统概述 4 14 1 工业机器人控制系统的特点及对控制功能的基本要求工业机器人控制系统的特点及对控制功能的基本要求 工业机器人具有多个自由度 每个自由度一般包括一个伺服机构 它们必须协调起来 组成一个多变量控制系统 这种多变量的控制系统 一般要用计算机来实现 因此 机器 人控制系统也是一个计算机控制系统 控制系统的功能是控制机器人操作机的运动和操作 以满足作业的要求 在作业中机器人的工作任务是要求操作机的末端执行器按点位或轨迹 运动 并保持设定的姿态 在运动中或在规定的某点位执行作业规定的操作 对工业机器 人的控制功能大致有如下的基本要求和特点 A 实现对位姿 速度 加速度等的控制功能 在机器人的各类作业中 运动和控制方式主要有两种 1 点位控制方式 PTP 控制 这种控制方式考虑到末端执行器在运动过程中只在某些 规定的点上进行操作 因此只要求末端执行器在目标点处保证准确的位姿以满足作业质量 要求 而对达到目标点的运动轨迹 包括移动的路径和运动的姿态 则不作任何规定 这 种控制方式易于实现 但不易达到较高的定位精度 适用于上下料 搬运 点焊和在电路 板上安插元件等只要求在目标点保持末端执行器准确的位姿的作业中 2 连续轨迹控制方式 CP 控制 这种控制方式要求末端执行器严格按规定的轨迹和 速度在一定精度要求内运动 以完成作业要求 这种必须保证机器人各关节连续 同步地 实现相应的运动 这种连续轨迹运动 可看成是若干密集轨迹曲线 若设定的点足够密 就能用点位控制的方法实现所需精度的连续轨迹运动 B 存储和示教功能 要使机器人具有完成预定作业的功能 须先将要完成的作业示教给机器人 这个操作过 程称为示教 将示教内容记录下来 称为存储 使工业机器人按照存储的示教内容进行动 作 称为再现 所以工业机器人的动作是通过示教 存储 再现的过程实现的 C 对外部环境的检测和感觉功能 4 24 2 计算机控制系统的设计方案计算机控制系统的设计方案 控制系统采用二级计算机控制方式 选用 IBM PC 80C51 系列 CPU 精品文档 21 欢迎下载 第一级机担负管理 示教编程 控制再现 轨迹正逆运算 机器人语言的编辑和编译 通 过串行通讯方式传送给二级机做位置给定 第二级机负责位置伺服控制软件的计算 位置 检测等工作 根据插补算出的各关节位置增量做位置给定 一级机与示教盒通讯采用串行 RS 232 接口 既接收示教盒信息 完成示教动作 又向 示教盒发送信息 显示示教情况 还可以连接软驱 CRT 终端 二级机接口电路将计算机输出数字量转换成相应的模拟量 驱动伺服控制系统 选用 速度单元 伺服电机及光电编码盘等伺服调速系统 4 14 1 机器人控制系统框图机器人控制系统框图 4 34 3 硬件电路的组成硬件电路的组成 图 3 1 是采用 MCS 51 系列单片机组成的控制系统硬件电路原理图 电路的组成如下 i 主从 CPU 都采用 8031 芯片 ii 主从 CPU 各扩展程序存储器 27256 一片 扩展数据存储器 62256 一片 iii 主 CPU 扩展可编程串行通信接口芯片 8251A 一片 可编程多功能接口芯 片 8155 一片 电平转换芯片 MAX232 一片 iv 从 CPU 扩展可编程多功能接口芯片 8155 六片 D A 转换器 DAC0832 六片 运算放大器 A741 六片 PWM 功率放大器六片 光电编码器六片 v 地址锁存器 译码器各两片 vi 键盘电路 显示电路 vii 光电编码电路 功率放大电路 viii 报警电路 暂停 急停电路 复位电路 第五章第五章 工业机器人运行时应采取的安全措施工业机器人运行时应采取的安全措施 有些国家已经颁布了关于机器人的安全法规和相应的规程 国际标准化协会也有业 机器人安全规范 ISO TC184 SC2 WG3 DP10218 在工业机器人的生产厂家 有严格 的管理规定和详尽的技术保障体系 在机器人应用工程中 要参照有关规程 规范以及工业机器人的说明资料 注意 精品文档 22 欢迎下载 落实安全措施 杜绝发生机器人伤人或其它事故 5 15 1 安全要求安全要求 工业机器人能代替人在危险有害的环境中作业 但又给人另一种危险 即机 器人伤人事故 这是工业机器人安全管理的最为重要的一条原则 此外 除了通 用的工业安全规程外 还要注意工业机器人的特殊性 采取相应可靠的对策 对工业机器人应用工程的安全要求有如下几条 a 必须为工业机器人和周边设备安装安全护栏 以防止人靠近而造成伤害 工 业机器人的动作范围不能超越护栏 b 在护栏出入口的门上必须设置插拔式电接点点开关 其插座有导线与控制系 统的电路连接 只有拔下开关的插头 才能打开对应的门 这时 工业机器 人及周边设备停止运转 并且将工业机器人锁定在示教模式 c 在距操作者的地方设置紧