五自由度机械臂pro建模三维设计1

哈尔滨理工大学学士学位论文五自由度机械臂设计摘 要本设计主要介绍关于工业机器人的一些知识和原理，包括工业机器人的组成、分类、主要技术性能参数和工业机器人的运动分析。本设计的总体内容是根据移动机构的移动能力指标，比较现有移动机构的性能特点，确定移动机构的最佳移动方式；设计一个五自由度关节式机械臂，确定五自由度工业机器人的主要技术参数和传动关系，并通过对工业机器人的动力计算为各部位选择合适的驱动电机；确定五自由度工业机器人设计计算机控制系统方案以及为所设计的五自由度工业机器人进行Pro/E建模。本论文作者在参考大量文献资料的基础上，结合设计的要求，并参考通用型机器人的结构，进行五自由度工业机器人的结构设计和其计算机控制系统的设计。本文所设计的机械手臂主要由手爪、腕、小臂、大臂和基座组成，同时用Pro/E对其进行了三维建模，可用于搜索、抓取水下管件、缆线等细长物体，也可用于抓取其它形状的物体，具有一定的通用性。机器人能自动控制，多功能，有五个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。关键词五自由度；工业机器人；三维建模29The Design Of Five Degrees Of Freedom Of Rbotic ArmAbstractThis design focuses on some knowledge and principles of industrial robots, including the composition of industrial robots, classification, the main technical performance parameters and the motion analysis of industrial robots. The overall content of this design is the ability to move of the moving mechanism based on indicators, comparing the performance characteristics of existing mobile mechanism, to determine the optimal movement mechanism moves; design a joint manipulator of five degrees, to determine five degrees of freedom of an industrial robot main technical parameters and transmission relations and through various parts of the dynamic calculation of industrial robots to choosing the right drive motor; identified the computer control system programs of the design of five degrees of freedom of industrial robots, as well as build a Pro / E model of the design of five degrees of freedom of industrial robots. The authors in reference to large number of documents on the basis,combination of design requirements, and with reference to the structure of general-purpose robot for five degrees of freedom industrial robot design and design the computer control system. The robotic arm of this article is designed mainly by gripper, wrist, forearm, arm and base composition, while using the Pro / E computer program be a three-dimensional modeling,the robotic arm can be used to search for, capture pipe fittings underwater, cables, and other fine or long objects, it can also be other shapes objects for gripping, a certain versatility. Robot can automatically control, multi-functional, there are five degrees of freedom,it can be fixed or moving, for the related automation systems.Keywords Five degrees of freedom；Industrial robot；3D modelling目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 工业机器人的组成21.3 工业机器人的分类21.4 工业机器人主要技术性能参数31.5 课题的总体内容41.6 本章小结4第2章 机械臂的结构设计52.1 五自由度工业机器人的主要参数52.2 五自由度工业机器人结构52.3 五自由度工业机器人的动力计算62.4 本章小结15第3章 机械臂的Pro/E建模163.1 创建零件163.2 装配183.3 制作装配动画193.4 本章小结21结论22致谢23参考文献24附录A25附录B29第1章 绪论1.1 课题背景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1：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，现在已开始普及应用。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2。1.2 工业机器人的组成机械加工中使用的机器人大多是代替人上肢的部分功能，按给定的程序、轨迹和要求进行工作。它主要由执行系统、驱动系统、控制系统及检测系统组成。1. 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、机身和行走机构等。(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，作用是承受工件的管理荷重，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。 2. 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。3. 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。4. 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3。1.3 工业机器人的分类工业机器人的分类方法很多，这里主要以工业机器人的驱动方式、控制功能、编程方式、控制机构、坐标形式、自由度数以及抓取重量的不同进行分类。1. 按驱动方式分为液压传动，气压传动和电动。2. 按控制功能分为重复型和智能型。重复型机器人能够按照事前编制的程序重复自动的工作。目前，机械加工系统中应用的工业机器人几乎都是这种。智能型机器人除具有重复型的功能外，还具有视觉、触觉、识别和判断功能等。3. 按编程方式分为可编程序式和示教再现式。4. 按控制方式分为点位控制和连续轨迹控制。点位控制是指机器人的运动，只控制空间点的位置，而不控制由一个定位点到另一个定位点之间的运动轨迹。连续轨迹控制是指能控制机器人的运动轨迹为空间任意曲线。5. 按控制机构分为开关型和佩服型。开关型机器人是通过机械挡块、行程开关等电器触头的开关动作，得到位置信号，从而控制运动部件定位。这种机器人结构比较简单，只能用于点位控制，难于实现复杂运动。佩服型机器人是根据连续输入指令，经过信号扩大，由佩服驱动机构控制运动。通常采用位置检测机构，检测机器人运动部件的位置和姿态变化，以控制机器人运动部件的准确定位。这种机器人可获得良好的运动特性，定位精度高，不仅适于点位控制，而且适于连续轨迹控制。6. 按坐标形式分为直角坐标式机器人、极坐标式机器人、圆柱坐标式机器人和多关节式机器人。7. 按自由度数分，机器人的自由度数越多，能用性就越广，但结构复杂。一般4到6个自由度即能满足稍复杂的使用要求了。8. 按抓取重量分大型、中型、小型和微型。大型机器人的抓取重量为100kg以上；中型机器人的抓取重量为10100kg；小型机器人的抓取重量为110kg；微型机器人的抓取重量为1kg以下4。1.4 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：1. 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。2. 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。3. 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。4. 运动行程范围：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。5. 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200400mm/s；回转速度最大为180/s，一般为50/s。6. 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。1.5 课题的总体内容1.根据移动机构的移动能力指标，比较现有移动机构的性能特点，确定移动机构的最佳移动方式。2.设计一个五自由度关节式机械臂。确定五自由度工业机器人的主要技术参数和传动关系，并通过对工业机器人的动力计算为各部位选择合适的驱动电机。3.确定五自由度工业机器人设计计算机控制系统方案。4.为所设计的五自由度工业机器人进行Pro/E建模。1.6 本章小结本章主要介绍了本设计的课题背景，工业机器人的组成、分类和主要技术性能参数以及本设计的总体内容。第2章 机械臂的结构设计2.1 五自由度工业机器人的主要参数1. 自由度数：N5 2. 抓取重量：P250N 3. 手臂伸缩：L500mm，v=0.5m/s 4. 手臂俯仰：45，30/s 5. 手臂回转：220，30/s 6. 手腕摆动：90，60/s 7. 手腕回转：300，120/s2.2 五自由度工业机器人结构以KUKA IR-662/100型机器人为参照，具有五个自由度，有六个控制轴，采用直流伺服控制。图纸A1-04为其传动原理图：1. 主要技术参数表2-1 技术参数项目技术参数结构型式空间多关节式自由度数5个驱动方式直流伺服电动机驱动腕部最大重量(抓取重量)250N操作方式示教再现/脱线编程 (1) 采用空间多关节式结构，工作范围比其它结构形式要大； (2) 轴控制机器人腰座旋转，伺服电动机轴上的小齿轮旋动腰部轴承带轮齿的内环完成运动；轴、轴分别控制大小臂的运动，其传动是通过滚珠丝杠螺母副来完成，传动刚度高；、轴控制腕部运动，伺服电动机通过(轴除外)齿形带轮、齿形带轮副、谐波减速器等来完成腕部运动； (3) 对影响精度的主要传动部分均采用锥滚子轴承，向心推力球轴承； (4) 腕关节传动比分配采用先小后大的原则，谐波减速器放在最末一级，减少传动零件的尺寸和重量；(5) 对细长管轴，大量采用焊接工艺，以减少机械加工量，降低成本； (6) 对大质量零件均采用铝材，如腕部全部采用高强度铸铝材料，从而大大减轻整机重量5。表2-2 传动关系轴号传动级数第一级第二级第三级第四级第五级2谐波减速器(i1)齿轮副(Z1/Z2)_1滚珠丝杠螺母副_1滚珠丝杠螺母副_5同步带(Z3/Z4)齿轮副(Z11/Z12)同步带(Z13/Z14)齿轮副(Z15/Z16)蜗轮蜗杆(Z17/Z18)3同步带(Z5/Z6)齿轮副(Z9/Z10)谐波减速器(i3)_2同步带(Z7/Z8)谐波减速器(i2)_2. 平衡系统由于自重、承重较大，工作时运动惯性亦较大，为使小臂接近静平衡，将伺服电动机组件、齿形带轮等大质量零部件布置在与腕部相对的另一端。在此质量静平衡的基础上，机器人还配置气动平衡系统，用两组平衡气缸分别对大臂、小臂进行平衡。通过改变气缸压力来补偿负荷变化对平衡的影响。气动平衡系统除气包外均放置在机器人外部。2.3 五自由度工业机器人的动力计算1. 手部夹紧力的计算N 9.8 k1 k2 k3G ( N )(2-1)G 抓取工件的重量（kg）k1 安全系数，取1.22.0k2 工作状况系数，可按k2=1+计算 a为机器人托运工件过程中的加速度的绝对值。k3 方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选择，这里选k3=1.03所以： N9.8 k1 k2 k3 G =2501.21.21.03370.8 ( N )2. 手指驱动力 P (2-2) 1991.7（N）蜗轮蜗杆传动效率10.97销的传动效率20.9总传动效率120.970.90.873实际驱动力 P实2281.4（N）图2-2 手指传动示意图3. 手指驱动电机的选择手指夹开的速度为60/s，蜗轮蜗杆传动比为29：1(1) 考虑到传递的功率不大，转速较低，选用ZA蜗杆传动，精度8c GB10089-88，蜗杆用35CrMo，表面淬火，硬度为45-85HRC，表面粗糙度Ra1.6 um，蜗轮轮缘选用ZCaSn10P1金属铸造。(2) 传动比i=参考表机械设计手册第二版，第四卷 表35.5-5，取Z1=1，Z2=iZ1=29查表35.5-6选取a=40,i=29,m=2d1=22.4,Z1=1,Z2=29蜗轮分度圆直径：d2=mZ2=229=58导程角r=arctan (2-3) =arctan=5.1蜗杆转矩： P1P实tg (2-4)2281.4tg5.1203.6 N T2.28Nm图2-3 蜗杆转矩受力分析蜗杆转速v160/s=1740/s290 r/min30.35 rad/s电动机功率：Pm（1.5 2.5）MLP 负载峰值力矩（Nm）LP 负载峰值转速（rad/s） 传动装置的效率，取0.70.9Pm2 (2-5)而MLPT，LPv1，0.8Pm2173 W所以：查实用机械电气技术手册电机篇表1315选伺服电机型号为：110SZ52,185W,1500r/min，220V选取同步带的传动比为=1.875 齿轮副的传动比为=1.5同步带的传动比为=1齿轮副的传动比为=1.844. 腕摆电机的选择 腕摆转速60/s10 r/min估计腕重为50kg总重G(50+25.5)g 75.59.8739.9 NF8.7NF实10.88N谐波效率TT实10.88282.88Nmm0.28Nmm图2-4 腕摆力矩分析示意图腕摆LP1085850r/min88.97rad/sPm2262.28W(MLPT，LPv1，0.8)所以：查实用机械电气技术手册电机篇表1315选伺服电动机型号：90SZ52，1500 r/min，80W，220V选取齿轮副的传动比为=1谐波减速器i3的传动比为i3=80同步带的传动比为=1.8755. 手腕回转驱动电机的选择：手腕回转转速120/s20 r/min回转转矩：McMga+Mf Mga 启动（制动）的过程中的惯性力矩MgaJ0w手臂回转在启动或制动过程中角速度的变化量，就是工作角速度，ww (rad/s)t 启动或制动过程的时间( s )J0 手部、腕部、臂部、机身及工件等回转部件对机身回转轴线的转动惯量(kgm2)Mf 密封装置处的摩擦阻力矩(Nm)Mf (2-6) 效率，取0.850.9 J0=0.096kgm2 MgaJ0 0.0960.672Nm McMga+Mf (2-7) Mga+0.672+1.42Nm LP20r/min136.5rad/s Pm2 2484.6 w所以：查实用机械电气技术手册电机篇表1315选取伺服电动机型号：130SZ04，3000r/min，600W，200V选取谐波减速器i3的传动比为i2=80同步带的传动比为=1.8756. 手臂回转驱动电机的选择： 回转转速：30/s5 r/min选取谐波减速器i1的传动比为i2=80渐开线圆柱齿轮，模数(法面模数)m=1.5齿数Z1=40，Z2=150图2-5 手臂回转示意图 F摩擦Gf550gf5509.80.1539N r =30MLPF摩擦 r16.17NmLP5 r/min0.52 rad/s1.95rad/sPm2278.8w所以：查实用机械电气技术手册电机篇表1315选伺服电动机型号：90SZ52，1500 r/min，80W，220V电机转速为n电=i1 (2-8) = 580=1500r/min符合要求7. 同步带设计：(P=300W,n=3000 r/min) Pc=KAP=1.6600960W=0.96kW参考表机械设计手册第二版，第四卷表33.1-50取载荷修正KA=1.6选取L型，节距Pb9.525mm，Zmin16查表得：小带轮齿数：Z117小带轮节径：d1=51.54mm小带轮外径：查得d0150.78 mm大带轮齿数：Z2=iZ1=1.87517=31.875，取Z232大带轮节径：d2=97.02 mm大带轮外径：查得d0296.26mm,初定中心矩a0=110mm选同步带长及齿数：LP02a0+ 2110+457.94mm查表33.1-47：选LP476.25 mm，Zb50，代号：187 理论中心距 aa0 + 110119.2mm故，选取中心距a0=120mm小带啮合齿数：Zn (2-9) 7.43Znmin6基本额定功率：查表33.1-53得Ta=244.46N,m=0.095kg/m,bs0 =25.4mm带速v=4.05m/sP0=0.99Kw所需带宽bs bs=bs0由表33.1-52 查得，L型带bs0=25.4mm,Kz=1bs=25.4=24.72mm由表33.1-48查得，选带宽代号为100的L型带，bs=25.4mm查表选双边挡圈，bf=26.7mm,t=1.5mm带轮的结构和尺寸：传动选用的同步带为187L100小带轮：Z1=17，d1=51.54mmda1=50.78mm大带轮：Z2=32，d2=97.02mm da2=96.26mm图2-6 双边挡圈示意图8. 大臂驱动丝杆的设计估算：等效载荷Fm=1000N,丝杆有效行程270mm,等效转速nm=1500r/min,要求使用寿命Lh =15000h左右，工作温度低于100，可靠度95%，精度为3级精度。(1) 计算载荷Fc= (2-10)查机电液设计手册上册，表15-21得=1.1，=1.0，=1.61，=1Fc= =1.11.01.6111000=1771N = = =19559N(2) 选择滚珠丝杆副的型号主要尺寸为：按=19559N，查表15-24，选用FF3206-5列=32mm,=6mm,=4mm,d=30.9mm27 mm,=24000N ,=1880N螺旋导程角= arctan=arctan=3251螺杆不长，无需验算稳定性。(3) 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：=+ (2-11)式中T1=tan(+) =1000tan(+)=996Nmm磨擦系数f=0.025,当量磨擦角=，剪切弹性模量G=8.33N/mm2所以：=+=0.0107m其中，危险截面=28.45，E=2.06每米螺杆长度上的螺矩的弹性变形=1.78/m()p=15/m因为滚球丝杆精度要求为3级精度，由表15-8查得()p=15/m(4) 计算效率=0.960=96%9. 丝杆驱动电机的选择电机的转速必须满足丝杆的等效转速1500 r/min,选择电机型号为：130SZ01，2.26Nm，1500r/min，350W10. 小臂丝杆和电机的选择设计原理与要求和大臂丝杆及电机相同，丝杆型号为：FF3206-5列，电机型号为：130SZ0162.4 本章小结本章内容主要确定了五自由度工业机器人的主要参数，对五自由度工业机器人的结构进行了设计并完成了五自由度工业机器人的动力计算。第3章 机械臂的Pro/E建模Pro/ENGINEER是世界上拥有用户最多的三维CAD软件，由美国PTC公司出品，其软件产品的总体设计思想体现了MDA（Mechanical Design Automation）软件的新发展，Pro/ENGINEER是一套又设计至生产机械自动化软件，是新一代的产品造型系统，是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能。Pro/ENGINEER其强大完美的功能，使其在工业造型设计、三维模型设计、计算分析、运动学分析、工程图的输出甚至加工成产品等各个方面都有所应用11。三维建模的过程大致如下图3-1：图3-1 建模过程3.1 创建零件1.运行Pro/E程序。2.单击“新建”按钮（图3-2），在“新建”对话框中的“类型”单选框中选取“零件”,在“名称”一栏出输入零件名称，把“使用缺省模板”前面的勾去掉，单击“确定”(图3-3)。选择“mmns_part_solid”,然后单击“确定”（图3-4）。 图3-2 文件 图3-3 新建图3-4 新文件选项3.单击“拉伸”按钮，点选“放置”“定义”（图3-5）,选择FRONT面，单击“草绘”（图3-6）,进入草绘平面。 图3-5 草绘选项 图3-6 放置4.单击“创建圆”按钮，在草绘平面内分别画2个圆（图3-7），单击“确认”按钮。图3-7 草绘图5.在“深度值”处输入3（图3-8），单击“确认”。图3-8 设置深度值6.保存文件，完成建模。3.2 装配1.运行Pro/E程序。2.单击“新建”按钮（图3-2），在“新建”对话框中的“类型”单选框中选取“组件”,在“名称”一栏出输入零件名称，把“使用缺省模板”前面的勾去掉，单击“确定”(图3-3)。选择“mmns_asm_design”,然后单击“确定”（图3-9）。3.单击“将元件添加到组件”按钮，选择零件。4单击“放置”,选择“缺省”（图3-10），确定。图3-9 新文件选项图3-10 放置定义5重复第3步，添加零件。6使用约束将第2个零件装配到第一个零件上。7重复第3步与第6步，将所有零件都装配在一起。8保存文件，完成装配。3.3 制作装配动画 1.运行Pro/E程序，打开已经装配好的文件。 2.选择“应用程序”下的“动画”，进入动画制作界面。3.单击“主体定义”按钮，选择“每个主体一个零件”（图3-11）图3-11 创建主体4.单击“创建新关键帧序列”按钮，在单击“编辑或创建快照”（图3-12），用“主体拖动”对个别零件进行移动。然后点击拍照按钮，重复移动和拍照（图3-13）。5.单击“启动动画” ，运行动画。6单击“回放” ，选择“捕捉”“确定”,动画被保存到组件所在的目录下，完成。 图3-12 关键帧 图3-13 拖动图3-14机械臂装配图3.4 本章小结建立了机械手的三维模型，对机械手运动学和动力学性能进行了仿真研究，分析了运动部件之间的相对关系，完成了机械手抓取不同目标物时的运动学、动力学仿真；机械手采用液压驱动方式，驱动力大、结构简单。结论本文通过对五自由度工业机器人的结构设计，建立了机械臂运动过程模型。又通过五自由度工业机器人的动力计算、建立计算机控制系统方案和对机械臂进行Pro/E三维建模，得到了如下一些结果：1五自由度机械臂可用于搜索、抓取水下管件、缆线等细长物体,也可用于抓取其它形状的物体,具有一定的通用性。2机器人能自动控制，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。3可编程控制器控制系统主要是针对五自由度工业机器人的控制。可编程控制器是通过软件来实现控制的，只需改变软件就可以实现不同的控制要求。在本文结束之际，总结自己所做的工作，受时间和研究水平所限，认为在对机器人自动控制系统进行开发与应用还应进一步深入研究，使机器人具备自动控制工作和机体在外部障碍的影响下进行自动修正的功能。致谢本文是在导师焦波老师的精心指导下和热情关怀下完成的。在论文的整个过程中无不渗透着焦波老师的大量心血。几个月来，焦老师那严谨的治学态度，开拓创新的科研作风，忘我的工作精神和对学生的关爱，无一不让我感动和钦佩，这将使我在今后的工作和学习中受益终身。在此表示衷心的感谢