五自由度机器人毕业论文.doc

Title：SCHEME DESIDN、KINEMATICS、DYNAMICSANALYS & SIMULATION OF FIVE DEGREE ASSEMBLY PROCESSING ROBOTMajor：Mechanical and Electronic EngineeringName：jian Guo Signature: Supervisor：Prof. Yumei HUANG Signature: AbstractThis paper studied and designed a five-DOF assembly processing robot, and carries on the kinematics and dynamics analysis, simulation. At last static analysis and modal analysis for the key parts of the robot by FEM, compared the analytical results .The main work was as follows:1) On the basis of actual situation and similar structure, Designed the kinematics and Structural programs for the five-Dof assembly processing robot, and used 3-D software to devise the structure of main part of the second proposal, at last, framed the dimensional model.2) Complied the assembly processing robot analytical soft and kinematics analytical; calculate the kinematic equations and the positive & reverse solutions, and used the Monte Carlo method to calculate the workspace of the robot , and used the vector product method to construct the speed Jacobian matrix of the robot. At last , according to virtual prototyping technology, simulated the positive & reverse solutions and the speed Jacobian matrix in ADAMS, and compared the simulation results with the analytical results to verify the correctness of the resolution of kinematic.3) Used second-class Lagrangian method to create the robot model, and deduced the robot dynamics equation. According to compiling dynamics solver program by Mat lab software , The author simulated the inverse problem of dynamics and provided the basis for the control and trajectory planning in the future.4) The paper analyzed the static state of the key components (waist, arm, wrist) of the assembly processing robot in a variety of operating conditions, obtained the stress and displacement contours, and then modified stiffness weak parts in the design; And did the modal analysis to the key parts which affected the robot performance, got the first six bands of the spectrum and vibration. The results provided the basis for avoiding working in the resonance and improving the structure of the robot, and established the foundation for transient analysis, spectrum analysis and harmonic response analysis.The paper studied the five-Dof assembly processing robots and established the foundation for the research of the series of robots in the future.Key words：Assembly Robots；Scheme design； Kinematic Analysis；Dynamic Analysis；Lagrange Method；Finite element method；Modal analysis目 录摘 要IAbstract11绪论11.1引言11.2机器人研究现状及发展趋势11.3本课题的主要研究内容和工作安排41.3.1课题研究的背景及意义41.3.2课题研究的内容及安排52 五自由度装配加工机器人的设计72.1装配加工机器人的总体方案设计72.1.1装配加工机器人运动方案的设计72.1.2机器人驱动方案的确定82.1.3机械传动方案的选择与比较92.2机器人基本结构设计112.2.1回转台机械结构设计122.2.2直线组件的设计选择132.2.3支架结构设计142.2.4大臂和小臂机械结构设计142.2.5电主轴选取及轴向力、转矩的计算152.2.6谐波减速器与电机的计算和选择162.2.7机器人关键轴的校核182.3机器人的三维模型和二维模型192.4本章小结213五自由度装配加工机器人运动学分析及仿真233.1五自由度装配加工机器人运动学分析233.2虚拟样机技术及机器人仿真233.2.1虚拟样机技术与ADAMS简介233.2.2机器人仿真模型的建立253.3奇次坐标变换及D-H法273.3.1.齐次坐标变换273.3.2. Denavt-Hartenberg(D-H)表示法283.4机器人运动学方程的建立293.4.1五自由度装配加工机器人运动学方程的建立293.4.2五自由度装配加工机器人工作空间323.4.3五自由度装配加工机器人的逆解333. 5雅可比矩阵的推算和速度分析383.6本章小结414五自由度装配加工机器人动力学分析434.1拉格朗日动力学方程简介434.1.1机械系统的动能与势能444.2动力学方程一般形式454.3装配加工机器人动力学方程的建立464.4机器人动力学仿真484.5本章小结505五自由度装配加工机器人关键部件的有限元分析515.1有限元分析方法（FEM）515.2概述515.3关键部件的有限元分析525.3.1 手腕的载荷计算及有限元分析525.3.2 小臂的载荷计算及有限元分析545.3.3大臂的载荷计算及有限元分析555.3.4 基座的载荷计算及有限元分析565.4 五自由度装配加工机器人关键部位的模态分析575.5本章小结616总结与展望63致 谢65参考文献671绪论1.1引言机器人是机器进化和科学技术发展的必然结果，机器人从问世到现在经过50多年的发展，在国民经济，科学研究以至整个社会领域发挥着越来越显著的作用，成为人们生活学习中的好帮手，近十年来各种用途的机器人得到了更广泛的应用，如焊接、喷漆、搬运等用于制造车间的工业机器人。特别是在医疗，服务、外空、国防等人类极限以外的领域，发挥着无可替代的作用。正是因为如此，世界上许多国家投入巨资发展机器人技术。机器人技术已经形成了一门新学科机器人学，以微电子技术为主导涉及了工程力学、计算机科学技术、机械电子工程学、自动控制理论、人工智能和生物学等多门学科为一体，是一门综合技术学科。1.2机器人研究现状及发展趋势现代机器人技术的研究开始于20世纪50年代，当时计算机科学技术、机械电子技术，自动化控制技术的发展为现代机器人的发展提供了有利的条件【1】。1960年到1970年是机器人技术的缓慢发展阶段，许多科研院校和个人都对机器人技术进行了研究，投入了大量的人力，物力，材料但都没有取得突破性进展，但还是取得了一些成果，主要成果是斯坦福研制的移动式机器人。到了80年代末期，对于传统的机器人生产量供过于求，结果导致国际机器人产业出现不景气，机器人产业进入了缓慢发展的时期。进入21世纪以来国际机器人处于比较稳定的发展阶段。世界上第一台机器人诞生于美国，美国研究机器人的时间比日本还早，现在已经成为世界上工业机器人技术研究的强国之一，在技术上遥遥领先。日本虽然比美国研究机器人的时间晚，但是发展很快，日本被称为“机器人王国”，其工业机器人的数量远远超过世界上其他的国家，位于世界第一。到了20世纪80年代日本的机器人技术得到了迅速发展，处于鼎盛时期，机器人逐渐应用于各个生产部门，工业机器人有了巨大的发展，机器人制造业成为发展最快的和最好的经济部门之一，带动了国民经济的发展。从上个世纪90年代中期开始，相比世界上其他国家和地区，欧洲和北美对机器人技术的研究进入了迅速发展时期。到了21世纪，国外机器人技术已经日趋成熟，被工业界广泛采用，有的已经成为机器人设计方面的参照标准和设计标准。目前世界上著名的制造工业机器人公司主要有、等，这些公司成为当地的支柱性产业，带动当地经济快速发展。目前，机器人自动化生产线已经广泛使用于汽车、电子、物流、仓储行业，提高了生产效率和产品的质量。我国于19世纪70年代年开始研制工业机器人，当时在许多科研单位和院校建立了研发中心，开始了机构学，计算机控制应用技术的研究，在应用方面，二汽建立的东风汽车驾驶室的喷漆生产线，已经成为国产机器人运行的一个窗口，并建立了点焊机器人工作站，成功研制了Z装备机器人的样机模型。相对于世界上其他国家服务型机器人，我国的服务型机器人发展比较慢，落后于其他国家服务型机器人研究技术。科学技术是第一生产力，为了加快我国在机器人研究方面的发展，特别是七五计划，863计划，在国家的重点技术支持下，我国的机器人在机器人基础技术，机器人的单元技术、运动学，机器人控制装置的研制，取得了重大发展，加速我国工业机器人技术的发展【2】。我国的机器人技术和国外相比起步比较晚，技术相对比较落后，目前主要研究用于生产线上工业机器人、为完成某项特定任务而专门开发的特种机器人、带有自动识别系统的智能机器人，并在这些方面取得了显著成就，为以后各种用途机器人的研究奠定了基础。如今机器人在很多方面被人们应用。尤其是在汽车制造、机械制造、集成电路、数字加工等主要依靠人工操作的大规模的生产企业、一些对人类具有很大危害性的行业、质量和要求比较高的行业，逐渐取代了人工操作，提高了效率，降低成本，工业机器人在越来越多的行业发挥着巨大的作用，得到了广泛的应用【3】。2005年，据不完全统计美洲地区汽车行业所需求的工业机器人占其他所有行业所需工业机器人总数的五分之三【47】。当时在亚洲汽车行业零部件加工需求的机器人占其他所有行业所需机器人的三分之一，居于各行业之首。我国对仿真机器人进行了大量的研究，例如对机器人鱼的研究，国防科技大学、哈尔滨工业大学等各大院校和科研院所都对其进行了大量的研究，投入了大量的时间，取得了重大的成就【4】。清华和哈尔滨工程大学分别设计了动态步行机器人和双足机器人【5】。我国的工业机器人主要是采取借鉴国外的先进技术，然后进行二次开发，创新比较少，制造基础零部件的能力差，缺少自己的品牌，鼓励性政策少，我国必须以市场为导向，发展一批具有核心竞争力的产品，对发展工业机器人专门立项，加速我国工业机器人的发展。近几年的我国的机器人自动化生产线已经出现，逐渐成为机器人自动化生产线的主要方式，国内制造装配业正在由传统的向机器人自动化生产转型。我国现有工业机器人生产厂家由于技术条件、资金条件等客观和主观因素的影响，导致其生产规模较小，机器人的品种单一，性价比低，研发的高科技机器人比较少，远远不能满足市场的要求。如果想占领国内市场，就必须采取相应的措施，发展科学技术，努力提高机器人的质量，提高机器人的稳定性、可靠性及降低成本以适应现代竞争的社会。目前我国为了发展机器人技术，提高我国的竞争实力，逐步在上海、沈阳、北京经济发达的地区开展机器人研究，建立了机器人及其自动化生产线产业基地，逐渐开发出一批以市场为导向的，适合我国发展的，拥有自主知识产权的机器人及其自动化生产线【2】。经过多年的发展，装配机器人的发展也有了很大的进步，用于装配的机器人占机器人总数的三分之一，并且这一趋势将不断扩大，专门设计的装配加工机器人更具有效率。目前我国在装配机器人研制方面，掌握了机械设计，控制，驱动系统等关键技术，在基础元件方面，引入了谐波减速器，传感器，运动控制器。近几年来，我国已经研制出各种各样的装配机器人，如小型电器机器人自动装配线，精密机芯机器人，开发了具有知识产权模块化直角坐标系装配机器人、CAD平台、开发了3个系列的直线运动单元以及由此组成的直角坐标装配机器人，“贤科”装配机器人是国际上比较精密的装配机器人【54】。装配机器人按适应的环境不同分为普通型装配机器人和精密装配机器人，根据臂部的运动形式，分为平面关节型装配机器人，直角坐标机器人，垂直多关节装配机器人。日本研究开发的平面关节（SCARA）装配机器人，属于精密型装配机器人，具有定位精度高，柔性好、工作空间大等优点，是目前比较常见的装配机器人，广泛用于电子、机械等相关的自动装配、搬运、调试，可以满足柔性自动化生产的要求。直角坐标装配机器人，具有结构简单，操作方面的优点，广泛用于零件的移送，插入，旋拧等。垂直多关节装配机器人，一般具有6个自由度，可以达到空间任意位置，面向的对象是空间任意位置和姿态的作业。如今，在研制装配机器人方面，主要研究装配机器人的共性技术及关键技术的研究，向多样化和智能化发展。如直接装配机器人，即不经过减速装置，采用高扭矩低速电机直接驱动；装配机器人结构灵巧，控制系统小，朝着机电一体化发展；智能装配机器人，例如自主移动装配机器人；并联机器人；协作装配机器人，多个机器人之间的协作，完成一系列任务，对于重型或精密装配非常重要【55】。随着现代科学技术的发展，各式各样的机器人已经研制出来，工业机器人的应用越来越广泛，不在仅仅用于制造业，扩大到建筑，农业，采矿，国防军事，医疗，服务等领域，机器人技术将成为未来的研究热点，近年来工业机器人技术正在从狭义的机器人概念向广义的机器人技术转移，向人机智能化、设计模块化、高速化、微型化的方向发展【6】。主要体现在以下几个方面：1.随着工业机器人应用领域的不断扩大，人们对机器人的综合性能指标的要求也越来越高，特别在某些超精密领域或重要领域，人们对工业机器人的柔性和控制精度和互换性提出了更高的要求，特别是性价比方面，于是开始研究可重构机器人，成为历史的必然，成为时代的需要，结构的模块化包括驱动部件、传感器、控制器等。可重构化适合现代制造业中的柔性生产线，主要表现在探索新的高强度轻质材料和结构的模块化。结构化的模块也提高了互换性，提高了利用率，符合现代社会的可持续发展战略。 2高速性，对于一般的室内机器人或者用于服务业的服务型的工业机器人，对于机器人的速度没有特殊的要求，但是对于室外或者用于机械加工的机器人或其他特殊领域的机器人，比较高的运行速度可以提高生产效率，降低成本，而这就对机器人的定位精度与控制精度提出了更高的要求，要求向开放式控制系统发展，提高系统控制系统的稳定性与可靠性，便于机器人的操作、3 多种传感器的综合使用。各种传感器对于机器人来说具有重要作用，利用传感器可以对外界环境做出正确的响应来传递相关信息，来保证机器人不会误操作，产生无法预测的后果，如果想让机器人进行快速和正确的操作，这就要求机器人快速正确的处理各种信息。所以除了传统的速度、加速度传感器，还加了视觉导航，力传感器等。4微型化和灵活性发展。这是未来机器人主要的方向，微型化主要体现在结构紧凑，运动方式，控制等方面提出了更高的要求，机器人的灵活性主要体现在随着机器人技术的发展，各式各样不同用途的工业机器人相继研究出来被家庭和服务行业和其他行业采用，这就要求机器人能够在不同的环境下安全，稳定的执行任务。5虚拟机器人技术。主要表现在机器人对作用的物体识别，轨迹规划，自主导航完成操作任务，计算机多媒体技术的发展为此提供了技术支持。6仿人和仿生技术。仿人机器人具有和人类相似的部分，腰部，手臂，手腕等，可以和人类一样灵活的适应各种环境，完成操作任务，具有很大的发展潜力，也是未来机器人发展方向。7产业化，只有被人们认可，被社会采用，才能被社会扶持，才有深远的发展潜力，才能给社会带来客观的经济效益。因此我们必须朝着机器人产业化的目标奋斗。1.3本课题的主要研究内容和工作安排1.3.1课题研究的背景及意义工业机器人具有大幅度提高劳动生产效率，改善劳动条件，保证产品质量，降低成本等优点【7】，所以工业机器人的应用越来越广泛并发挥无可替代的作用，从汽车工业逐渐向其他行业渗透，机器人的种类也从简单的操作手逐渐发展成各式各样的机器人，机器人已经深入到人类生活的各个方面，机器人技术与人类科技的进步、社会文明的发展有密切的关系，事实证明人类社会的发展已经离不开机器人技术，机器人技术的进步必然会推动科学技术的发展。目前，基于机器人技术在许多领域的重要性，国内外许多国家都投入大量的人力、物力、财力大力推进机器人技术的发展和应用，进行机器人技术的研究。当前和今后机器人主要向具有智能、适应各种环境，具有多种感觉（形状、硬度、温度、湿度、质量等）的方向发展。机器人方案设计、机器人结构设计、机器人仿真技术、机器人的控制技术、机器人的应用场合、以及其他特殊要求是机器人设计中主要内容之一。按照机器人结构形式可以分为关节型机器人和非关节型机器人，关节型也称串联机器人，多为有固定基础的工业机器人，其机械本体是由刚度很大的杆件通过转动（R）或移动关节(P)连接起来的一个开式运动链，单独驱动的主动关节数目称为机器人自由度，一般情况下个五自由度就可以满足要求。串联机器人具有结构紧凑、占用的空间小，相对工作空间大、运动灵活，还能绕过基座周围的障碍物，是机器人中使用最多一种结构，已成功用于工厂中各种生产线上从事一种或者多种工作【8】。并联机器人相比串联机器人起步比较晚，还有许多相关的理论问题没有解决。装配是产品生产中的一个工序，在制造装配业中占有重要的地位，人们投入大量的人力，物力，财力。装配机器人应运而生，装配机器人是在工业生产中，用于装配生产线上对零件进行加工和装配的工业机器人。按照开发内容和目的分为工业机器人，智能机器人、操纵机器人。而工业机器人按作用对象不同，分为装配机器人，点焊机器人，喷漆机器人等等。人们还将工业机器人用来研磨、成型、切削、抛光、磨削等作业，机器人广泛用于生产制造业是必然的趋势，在某些特定领域，对于形状复杂，切削力小，尺寸大的金属工件，如果采用数控机床进行加工则要设计专用的数控设备，使成本大幅度提高，需要较大的安装空间，并且存在以下缺点：柔性差，零件的加工需要多次安装，导致安装定位误差影响大，对于特殊形状的表面或者特殊部位的表面加工中心是无法加工的，而且物流的交换不方便；机床或者加工中心制造成本高，且数控机床增加了数控系统，成本更高。因此采用工业机器人来加工。日常生活中，经常需要在各类机器零件上进行钻（扩，铰）孔，其应用范围非常广泛，而真正用于钻（扩，铰）孔的工业机器人很少，有的只是更换一般工业机器人的工具头进行简单的加工，但是由于传统的工业机器人布局及结构形式，刚度差，精度低，而专门用于钻（扩，铰）孔的装配加工机器人要加强一般工业机器人的刚度和运动精度，所以本文针对这种情况研究了一种五自由度装配加工机器人主要用于在装配中钻（扩、铰）削加工，钻头旋转为主运动，轴向移动为进给运动，主要参数是最大钻孔直径，可以用于简单零件上的孔，也可用于加工外形复杂、没有对称回转轴线工件上的耽搁或者一系列的圆柱孔，如端盖、箱体、机架等零件上的各种用途的孔。钻孔就是在物体上钻孔，扩孔是在原有孔的基础上利用比孔大的钻头进行二次加工或多次加工，使孔进一步扩大，多用于打孔或毛坯孔的多次钻削，提高精度降低表面粗糙度值，属于孔的半加工方法。在钻孔时留有小余量基础上利用铰刀进行精加工就是铰孔，其特点是精度高，光洁度好。本文研究的装配加工机器人，可以提高零件的质量和加工精度，降低工人误操作带来的残次品的风险，提高了劳动生产率，加快了技术创新速度，提高在在同行业的竞争力。装配加工领域将是未来机器人技术发展的焦点之一，其重要性在机器人应用中将跃居第一位。对促进我国机器人产业化进程，扩大机器人的应用领域具有重要的理论和实际意义。1.3.2课题研究的内容及安排a. 课题研究的主要内容本论文设计的五自由度装配加工机器人主要用于钻（扩、铰）削加工。按结构属于串联机器人，因此具有串联机器人的特点。此外该机器人可单独固定，也可安装在自动导航车或移载机连接。本文的主要研究内容是：根据已有的工业机器人的结构和钻（扩、铰）削的特点设计了一种五自由度装配加工机器人，对机器人进行了运动方案设计和结构方案设计，进行了运动学正反解、速度分析、求出工作空间，基于第二类拉格朗日方程建立了机器人的动力学方程及动力学模型。通过有限元软件对机器人的关键部件进行有限元分析并修改相关部件等相关问题进行了研究。b. 本文研究的内容包括以下几个部分：第1章 绪论 本章主要介绍国内外工业机器人发展现状、研究背景、意义及研究的主要内容。第2章 五自由度装配加工机器人方案设计本章首先对五自由度装配加工机器人进行总体方案设计主要包括运动方案和结构方案，然后运用三维软件solid edge对主要部件进行结构设计，最后建立机器人三维实体模型。 第3章 五自由度装配加工机器人运动学分析及仿真首先，描述了运动学的相关理论，建立了所设计五自由度装配加工机器人运动学方程，求出运动学正解、逆解、工作空间、速度雅可比矩阵，在此基础上编写各个求解软件。然后利用仿真软件ADAMS进行运动学仿真，将仿真结果与运动学模型的解析算法算出结果进行比较，初步验证了机器人运动学解析算法的正确性。第4章 五自由度装配加工机器人动力学分析本章采用第二类拉格朗日方法建立装配加工机器人的运动学模型；求出动力学方程，编写动力学求解程序，对动力学的逆向问题进行了仿真，对动力学方程进行了验证，为以后的控制和轨迹规划提供了依据。第5章 五自由度装配加工机器人关键部件的有限元分析首先基于电主轴在加工过程中的轴向力及力矩，然后对于机器人运动过程中，手腕、小臂、大臂、基座多种工况进行了静态分析，得到了应力云图和位移云图的分布。最后对影响机器人性能指标的关键部件基座、臂部、腕部进行了模态分析，提取了各部件的前六阶模态，得到了对应的频谱振动特性，为改进机器人的结构提供了依据。第6章 总结与展望 总结了全文，对课题的进一步深入研究进行展望。2 五自由度装配加工机器人的设计装配机器人在工业生产中用于装配生产线上对零件或者部件进行装配的工业机器人，属于高、精、尖的一体化产品，涉及到许多方面的知识，是一门综合学科，主要包括以下几个基本部分：机械结构本体、动力部分、执行机构、传感与检测部分、控制及信息处理部分等【9】。现有的装配加工机器人由于采用传统的结构形式及布局，在运动精度和刚性方面存在缺陷。装配加工机器人与一般的搬运、抓取工业机器人不同，其基本功能是提供加工所需要的运动和动力，其基本原理是通过刀具与加工对象的相对运动完成加工任务并达到精度要求，装配加工机器人对刚度和精度要求比较高，影响刚度的主要因素是连杆和关节的刚性以及机器人的布局形式，影响精度的主要因素是零件和铰关节的变形，表面形状误差、位置误差、传动误差。所以其关键零部件的设计与制造和合理的布局对其综合性能是非常重要的。2.1装配加工机器人的总体方案设计总体设计的主要内容有：确定基本参数，选择传动方式手臂配置形式，然后进行结构设计，同时要对各部件的刚度，强度进行必要的验算。针对不同用途的机器人或者机械手有不同的设计方法。2.1.1装配加工机器人运动方案的设计机器人的自由度是根据机器人的用途来决定的，机器人的自由度数目越多，动作也就越灵活，完成给定任务的方式越多，但是自由度过多会导致机器人的结构比较复杂，相应的降低了机器人的刚性，一般情况下五自由度机器人就能满足基本的位姿，除非有特殊要求的机器人。手臂一般情况下至少需要有三个自由度，才可以保证机器人手部到达工作空间的任意位置，完成作业。常用的机器人手臂构形有下面几种如图2-1。图2-1在常用的机器人手臂构形Fig.2-1the arm configuration of commonly used robotic手腕用来调整手部的方向、姿态。一般常见腕关节具有两个自由度，基本上可以满足要求，但对于有特殊要求的复杂作业的工业机器人则需要手腕具有三个自由度来完成指定的任务，如焊接、喷漆机器人。常见的腕关节分为弯曲式和转动式，弯曲式腕关节的相邻运动构件轴线在运动中相互间的角度有变化，以B表示，转动式相邻运动构件的轴线在运动中没有角度变化，用R表示。多自由度腕关节由B、R这两种形式组成【10】。腕关节的两种结构如图2-2.图2-2 腕关节的两种结构Fig.2-2 Two kind of wrist structure本文研究的机器人主要用于装配加工中的钻（扩、铰）削加工，对于一般的机器人五个自由度就可以满足加工的要求，所以选择五个自由度，前三个自由度决定该机器人的位置，后两个自由度决定电主轴的姿态，并且要求其在X、Y方向的范围较小，Z向范围比较大，五自由度装配加工机器人需要一个偏摆关节和一个俯仰关节，结合实际需要机器人结构紧凑、灵活、能够避障。因此选择关节型机器人，使用四个旋转关节和一个直线关节，先偏摆后俯仰，实现机器人末端的位姿，第二关节选用直线关节来满足在Z向空间上的要求。综合常用的工业机器人手臂构形和手腕的构形，选择机器人的运动形式如图2-3图2-3机器人的运动形式Fig.2-3 The form of robot motion2.1.2机器人驱动方案的确定工业机器人的驱动与控制方式是根据它们的特点结合生产工艺的要求来选择的，一般选择控制性能好、体积小维修方便、成本低的方式，驱动方式一般有四种：液压驱动、气压驱动、机械联动、电气驱动。对于一台机器人驱动方式的选择，我们可以使用一种驱动方式也可以在条件的允许下同时使用多种方式联合驱动【11】。机械联动速度高、输出力矩大，适合于自由度少的简单机器人。液压驱动，可无级调速，动作灵敏，密封要求高，成本较高，一般是用于重型机械手。气压驱动输出力较小，资源广泛，价格低，工作稳定性差。电气驱动的由步进电机 、直流电机、交流电机为驱动元件，是目前采用最多的、无污染、响应快、控制性能好。但控制系统复杂，用于对运动轨迹严格要求的工业机器人。由于所设计的机器人为五自由度机器人，机械联动不适合于五自由度装配加工机器人；液压驱动虽然灵敏度高，但是密封性要求高，经常用于重型机械手，而本设计的负载比较小；气压驱动稳定性差，影响加工精度，通过比较，综合考虑初选上述方案中的伺服电机作为各个关节的驱动。装配加工机器人中各个回转关节的驱动均采用安川交流伺服电机。第二关节采用带抱闸的交流伺服电机直接驱动具有自锁功能的直线组件，结构简单。2.1.3机械传动方案的选择与比较机械系统的传动方案设计是机器人设计过程中最主要的问题之一。常用的传动形式有齿轮传动、链传动、行星齿轮、滚珠丝杠、带传动、谐波减速装置【11】。传动的好坏直接影响到最后的控制性能，在条件允许的情况下，传动系统应避免自己加工制造，尽可能采用知名厂家成熟的传动产品。机器人的链式结构在灵巧性和空间可达性有很大的优势，但是弹性变形和机械误差会在一系列的串联或者并联悬挂杆件中形成累积，对机器人的刚度和精度有很大的影响。所以在机器人传动系统设计中不但要满足强度还要考虑传动装置对系统刚度和精度的影响，而且还得优先选择结构紧凑和灵巧性高的传动装置，具体的选择要依据实际情况来选择。工业机器人的常用的传动形式如表2-1表2-1常用的传动形式Table 2-1 The form of commonly used transmission传动形式特征优点缺点直接连结传动直接装载关节上结构紧凑需考虑电机自重，转动惯量大，能耗大远距离连结传动经远距离传动装置与关节相连不考虑电机自重，平衡性良好额外的间隙和柔性，结构庞大，能耗大间接传动经速比远1的传动装置与关节相连经济、对在和变化不敏感，便于制动设计、方便一些运动转换传动精度低、结构不紧凑、引入误差，降低可靠性直接驱动不经中间关节或减速比=1的传动装置与关节相连精度高，振动小，传动损耗小、可靠性高，响应快控制系统设计困难，对传感原件要求高，成本高机构传动设计的时侯，要综合考虑各种因素，既要满足规定的运动形式、给定运动轨迹、运动规律，还要遵循机构的运动链要短，且关节相对位移移动小，完成同样的动作，在条件允许的情况下优先选择构件少和运动副少的机构，使机器人的传动成本大大的降低，减轻整个机器人的重量，节省了材料，不但提高了机器人的刚度，而且减少振动，也降低了由于零件的制造、安装误差而形成的累积误差【12】；低副机构加工方便，有较高的承载能力，所以优先选用低副。根据本项目特点，综合以上传动形式的优缺点，综合考虑初步选择如图2-4的两种传动方案及布置方式（a）、（b）。图2-4 5自由度装配加工机器人的传动方案与布置形式 Fig.2-4 Transmission scheme & arrangement of 5-Dof robot （a）（b）通过比较两种传动方式,传动方案(b)手腕结构轻，结构紧凑，采用电机直接驱动末端执行器的俯仰，把电机合理的安装在大臂的里面，使结构紧凑充分利用了大臂里面的空间，并且使电机后置，平衡了机器人以基座为轴线两端的质量，所以选择方案（b）的传动方案与布置形式。方案（b）腰部关节由伺服电机经过谐波减速器驱动回转台转动，结构简单，通用性强，安装和拆卸方便，便于维修。五自由度装配加工机器人的直线移动关节采用摩擦小，刚度高，承载能力大的直线组件，由交流伺服电机带动大臂、小臂、手腕移动，满足机器人工作空间高度上的要求。机器人小臂和手腕的摆动均是通过同步带传动，由于大臂小臂均是一端固定在直线组件上一端悬空，设计中为了平衡机器人两端的质量，减少由于末端重量太大，产生一定的力矩，对系统的影响，参照已有的机器人综合考虑把小臂旋转关节的伺服电机和手腕伺服电机均配置在大臂接近于基座轴线。手腕的俯仰，因为需要的扭矩较小，所需要的电机质量小，按照就近放置的原则，把伺服电机放在手腕的末端直接带动手腕的俯仰【13】。各关节回转运动都采用交流伺服电机与谐波减速器连接的传动方式实现，谐波减速器承载能力强、旋转精度高、小体积、大转矩、高减速比，可以获得较大的输出转矩的优点。直线采用带抱闸的伺服电机直接驱动具有自锁功能的直线组件，结构简单。机械系统主要构件包括基座、支架、腰部、大臂、小臂、腕关节、电主轴支架、交流伺服电机、谐波减速器等【14】。参考已有同类机器人的参数，结合实际的工作情况，机器人的技术参数如表2-2表2-2 五自由度装配加工机器人技术参数Table 2-2 5-DOF serial robot technology parameters结 构 形 式串联型自由度5（4个回转一个移动）关节速度腰部回转关节直线关节小臂回转关节手腕回转关节末端执行器俯仰关节各关节运动范围腰部回转关节直线关节小臂回转关节手腕回转关节末端执行器回转关节几何尺寸大臂关节直线关节小臂关节2.2机器人基本结构设计机器人的机械系统是机器人的重要组成部分，也是基础组成部分，一般的机器人由基座、腰部、臂部、腕部、末端执行器等几部分组成，每一部分都可以包含有若干个零件，每个零件可以有多个自由度，把他们连接起来就构成一个具有多自由度机械系统。机器人常见的结构形式是用其坐标系描述的，分为直角坐标机器人、圆柱坐标机器人、球坐标机器人、开链连杆式关节型机器人及移动型机器人，在何部位采用何种关节，则要求他做何种运动而决定，机器人的关节保证了机器人各部位的可动性。机器人机械部分设计的合理性和可靠性直接影响整个机器人的综合性能和控制精度，所以机械部分的设计对于整个系统来说具有至关重要的作用。机器人的基座，支撑着机器人上部所有的质量，所以要求基座的接触面要足够大，具有足够的刚度和稳定性，一般机器人的基座有固定式和移动式两种【15】。机器人的臂部，相当于人类的胳膊，上接腰身，下连手腕，通常由大臂和小臂组成，一般带动末端执行器做平面运动。机器人的腕部，一般有二个转动自由度，以实现末端执行器必要的姿态，但对于复杂的作业，如焊接和喷漆往往需要三个转动自由度。末端执行器，是工业机器人和大多数服务型机器人直接从事工作的部分，根据机器人的类型，可以设计成夹持型的夹爪，也可以是某种工具，也可以是非夹持型的。采用模块化设计还可以有效地提高设计的重用性，增加系统的可靠性，并能根据客户需要对系统进行合理配置从而满足市场的不同需求，五自由度装配加工机器人基本的结构设计包括回转台设计、直线组件的设计、大臂和小臂、手腕等。这一节我们将采用模块化设计的思想对回转台、直线组件、大臂、小臂及其驱动装置进行设计。2.2.1回转台机械结构设计回转台又称机器人的基座，是机器人重要的组成部分，用来实现腰部关节的回转运动，腰部轴系及传动链的精度和腰部零件的刚度对末端执行器的运动精度有很大的影响。因此腰座与其连接的手臂要有可靠的定位基准面。基座承受装配加工机器人臂部及后面杆件的全部重量、工作中的工作载荷和外载荷，安装机器人的回转台的安装面要足够大【15】。在设计中，采用十字交叉滚子轴承为机器人基座的支承元件，十字交叉滚子轴承是一种圆柱滚子在轴承内外圈之间垂直交叉排列的轴承，其单个轴承能够承受径向力、轴向力、倾覆力矩和其他联合载荷单独作用或者联合作用。本文腰关节的回转由安川交流伺服电机作为输入把HD谐波减速器柔轮输出的回转运动带动与之相固联的基座回转【16】。机器人的腰关节模块外形图如图2-5所示。由于交叉滚子轴承内圈回转的精度比外环回转的精度高，故本文选择交叉滚子轴承内圈回转的方式。图2-6表示了采用十字交叉圆柱滚子轴承内圈回转时的安装方式。图2-5 五自由度装配加工机器人的回转台模块Fig.2-5 The model of 5-DOF assembly processing robots waist图2-6 交叉滚子轴承的安装方式Fig 2.6 Cross cylindrical roller bearing installation method1-回转台，2,6-内六角螺钉，3-上压圈，4-基座，5-下压圈，7-交叉滚子轴承2.2.2直线组件的设计选择常用的直线驱动机构主要有普通滑动导轨、液压导轨、气浮导轨、滚动导轨【17】。前面两种结构简单成本低，但是导轨的摩擦系数随速度变化，低速时容易产生爬行现象，磨损大，通常用于对精度要求低的场合。气浮导轨刚度和阻尼低，对制造精度和环境空气条件要求较高。滚动导轨在工业机器人中应用最广泛，因为具有摩擦小、刚度高、承载能力大、精度高，容易制造成标准件。因此，本设计中我们采用南京工艺装备制造公司的DZHK-600精密工作台为五自由度装配加工机器人的升降关节。（1）此直线导轨副采用滚珠丝杠副，并且工作台由FFB型滚珠丝杠副和GGB船型直线滚动导轨组成，并且施加一定的预载荷，消除了间隙，提高了接触刚度和定位精度，可实现无间隙运动，具有高效率、高精度、寿命长、磨损小、简洁等优点。（2）本文所采用的滚珠丝杠副轴承采用常见的一端固定，另一端简支的支承形式，这样可以释放丝杠由于受热而发生的变形，减少热变形对丝杠导轨精度的影响。从而提高了导轨副的运动精度。（3）工作台整体刚性较强，根据功能要求的不同，参照工作台的的承载能力可以进行各种组合使用。主要技术参数：如表2-3表2-3精密线性模组技术参数Table 2-3 Precision linear model technical data工作台型号搭载重量（N）工作台高度(mm)台面尺寸(mm)工作行程(mm)滚珠丝杠副滚动导轨副公称直径(mm)导程(mm)公称尺寸(mm)DZHK2500120405*380600255352.2.3支架结构设计五自由度装配加工机器人一般通过机架或者基座安装在固定地点或安装在自动导航车上组成移动式机器人。机架或基座是装配加工机器人重要的组成部分，其结构设计的合理性直接关系到机器人的整机性能和运动精度。所以，在进行基座或机架设计时应尽量选择合理的材料及结构，减少对机器人的影响，尽量满足以下基本要求【18】：1) 机架应具有足够的接触面积、足够的刚度来承载机器人本体的所有重量和一些未知的外载荷。2) 机架应具有较好的稳定性，受外界因素影响小、抵抗震动，并尽量减少热载荷对机架的影响。3) 若作为装配加工机器人的支架，要尽量减小机架的重量，对于基座来说支架也是负载，满足要求的情况下尽量降低成本。铸造弯板一般用于零部件的检测和机械加工中的装夹，也可以用来支撑一些工作台。具有刚性好、成本低、位置精度高、生产周期短等优点。因此本文采用铸铁弯板机架来支撑机器人直线关节及大臂等部分。图2-7是设计的5自由度装配加工机器人支架的三维模型。图2-7 五自由度装配加工机器人机架的三维模型Fig.2-7 The 3-dimension model of 5-DOF assembly processing robots rack2.2.4大臂和小臂机械结构设计五自由度装配加工机器人相当于有移动关节和转动关节组成的具有开链式连杆结构，机器人整体静、动态性能和其臂部关节的结构及布置形式、末端执行器的结构及重量有直接关系，对机器人整体的稳定性、工作效率、可靠性都有很大影响，因此在进行这些部件时要选择合理的材料和机械结构。在设计中机器人大臂、小臂、手腕均为铸铝合金，因为铝合金具有强度高、质量轻等优点。其结构如图2-8所示。图2-8 五自由度装配加工机器人的臂部模块Fig.2-8 The model of 5-DOF assembly processing robots arm2.2.5电主轴选取及轴向力、转矩的计算高速电主轴可以简单的认为是“电机+主轴”，电主轴将电机的转子直接安装在转轴上，转轴可以直接装卡刀具，因而具有结构紧凑，节能高效的特点，一般配备变频电源使用。电主轴一般按照支承型式、润滑方式、冷却方式、换刀型式、用途来分类。电主轴一般的选用只需配套满足功率，电流和使用要求的变频电源和外用冷却，润滑设施即可。选用电主轴时需要从以下几个方面考【56】：1.功率和转速 对于高速电主轴来说，功率和转速要同时考虑，不同转速下相同功率的电主轴外形尺寸相差悬殊。功率输出一样的时候，低速电主轴需要更大体积的电机；转速相同时，转矩大的电机需要更大的体积。2.转矩 同样转速时，转矩大的电机需要更大的体积，但是放弃了高速性，电主轴的优势不能很好的体现。3.转速 电主轴的工作转速要选用适当，避免造成浪费，选用时应该考虑所有的速度应用范围，选用最低工作转速低于实际所需时易造成电主轴体积偏大，相反会造成配套电源或润滑转置的难度。五自由度装配加工机器人的电主轴选用洛阳轴研科技股份公司的80XD24C电主轴，其技术参数如表2-4。五自由度装配加工机器人的电主轴主要用于钻（扩、铰）削加工，由于在加工的过程中，电主轴会产生轴向力及转矩，对后面的构件具有很大的影响，所以必须考虑到电主轴等效过来的轴向力及扭矩。通过查询机械加工工艺手册，得到钻孔时轴向力和转矩的转化公式，此公式是通过大量实验，通过测力仪测得的数据，并将数据经数学方法处理得到的计算式，常见的形式为：式中