机械手-3-DOF工业机器人的结构设计(机械手)-正文

1、机械手-3-dof工业机器人的结构设计(机械手)-正文 3-dof工业机器人的结构设计 学生姓名:李明明 班级:0781052 19 指导老师:许 瑛摘要:在当今大规模制造业中,企业为提高生产效率,保障产品质量,普遍重视生产过程的自动化程度,工业机器人作为自动化生产线上的重要成员,逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平,。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平,目前,工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作,工作方式一般采取示教再现的方式。 本设计介绍了关于工业机器人的

2、一些基本常识和原理,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,并参考通用型工业六自由度机器人的结构。根据对工业六自由度机器人的总体结构及传动系统的分析和探讨,进行三自由度工业机器人的结构设计。关键在于三轴(臂)的传动系统的设计以及整体的结构设计,避免运动的干涉,在本次设计中主要负责第一臂与底座的结构设计及其传动原理,对第一臂与底座的各零部件的结构设计。 关键词:三自由度 机器人 传动原理 控制 3-dof structural design of industrial robots srudent name: limingming class:0781052 19 s

3、upervisor:xu ying abstract?: in the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. as an important part of the automation production line, i

4、ndustrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. the technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting an

5、d stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way. the design of industrial robots on some basic common sense and principles, including the composition of industrial robots, classification, main technical performance paramet

6、ers and the movement of industrial robots, with reference to general-purpose industrial 6-dof robots structure, conduct three degrees of freedom industrial robot structural design, based on the industry overall structure of six degrees of freedom robot and transmission system analysis and discussion

7、 of the 3-dof industrial robot for structural design. the key lies in the fact that three axis arm transmission system design and the whole structure design, avoid the interference in the sports, mainly responsible for the design of the arm and base structure design and its transmission principle of

8、 first arm and the base of the parts of the structure design.keywords: 3-dofrobots transmission principle control signature of supervisor: 指导老师签名:目录1 引言01 1. 1 选题的依据和意义02 1. 2 国内外研究概况03 1. 3 论文主要内容052机器人结构分析06 2. 1 总体结构的概述06 2. 2 第一轴(大臂)的结构07 2. 3 第二轴结构09 2. 4 第三轴结构10 2. 5 传动方案的确定113设计计算12 3. 1 电动机的

9、选择124 传动结构的设计计算16 4. 1第一轴的传动结构设计16 4. 2轴承的选择31 4.2.1 斜齿轮传动轴上的轴承315 机器人各零部件的结构设计32 5. 1 转角范围的控制设计32 5. 2 主要零部件的结构设计(第一臂与底座)33 5.2 .1 第一轴转臂的结构33 5.2 .2 底座的结构设计336 总 结34 参考文献35 致 谢36附录 a外文文献翻译附录 bcad图a0总装配图与各零件图 1 引言 在加速科技进步中,机械制造业的发展起着关键的作用,其任务是在工业生产中迅速将工艺装备的独立单元变为自动化综合体(自动化工段,生产线和自动化车间),将来甚至实现自动化工厂。这

10、种自动化生产最重要的特点是具有柔性,它能预料到,在节省劳力(或无人)情况下,根据工艺条件调整装配,以适应多种产品生产。 当代柔性自动化生产的建立和广泛应用,取决于作为科技进步的催化剂的机床制造、机器人技术、计算机技术、微电子技术、仪器制造等技术的加速发展。工业机器人是多品种的经常更换产品的生产过程自动化的通用手段。在机械制造中,工业机器人既有效地用于柔性生产系统组成工艺装备的基本工序中,也有效地用于辅助操作中。工业机器人与传统自动化手段不同之处,首先在于它在各种生产功能上的通用性和重新调整的柔性。在柔性生产系统中,工业机器人广泛应用于数控机床、锻压机床、铸造机械和仓储设备上,以完成传送装备和其

11、它操作。工业机器人和基本工艺装备、辅助手段以及控制装置一起形成各种不同形式的机器人技术综合体?柔性生产系统基本结构模块。 随着工业技术和经济的惊人发展,标志着多品种中、小批量生产最新水平的fms(柔性制造系统),fa(工厂自动化)技术更加引人注目;作为fms、fa技术重要组成之一的工业机器人技术也将得到迅速发展。应用工业机器人是提高生产过程自动化,改善劳动环境条件,提高产品质量和生产效率手段之一。本次设计是根据对工业六自由度机器人的总体结构及传动系统的分析和探讨,进行三自由度工业机器人的结构设计。关键在于三轴(臂)的传动系统的设计以及整体的结构设计,避免运动的干涉。在本次设计中主要负责第一臂与

12、底座的结构设计。 在设计中许瑛老师给予了很大的指导和帮助,在此谨致谢意。 限于水平,本设计难免有缺点、错误,恳请各位老师批评指正。 1.1选题的依据及意义: 在现代工业中,生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中,加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法;程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外,还有大量的装卸、搬运、装配等作业,有待于进一步实现机械化。机器人的出现并得到应用,为这些作业的机械化奠定了良好的基础。 “工业机器人”(industria

13、l robot):多数是指程序可变(编)的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置(国内称作工业机器人或通用机器人)。 机器人是一种具有人体上肢的部分功能,工作程序固定的自动化装置。机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势,但功能较少,适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人,而把工业机械人称为通用机器人。 而少自由度工业机械人中大多数为机械手,而机械手机器人主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件(或工具)的部件,根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式,如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构,使手部完成各种转动(摆动)、移动或复合运动来实现规

14、定的动作,改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式,称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体,需有6个自由度。自由度是机 械手设计的关 键参数。自由度越多,机械手的灵活性越大,通用性越广,其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。 机械手的种类,按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手;按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种;按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。 1.2 国内外研究概况 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

15、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。 据国际机器人联盟(ifr)2006年5月发布的“2006世界机器人调查”显示,2005年世界新安装工业机器人121000台,比2004年的97000台增长25%。这是继2003

16、年工业机器人安装数量重回增长态势后的重大突破,2005年也成为近15年来世界工业机器人新安装台数最多的年份,比上一个峰值2000年的99000台增长22000台。 资料来源:world robotics 2006 图1-1: 1991-2005年各年世界新安装工业机器人台数 据国际机器人联盟统计局预测,截至2005年底,全世界在运行中的工业机器人共有914000台,比2004年增加8%。其中,有50%来源于亚洲地区;欧洲和美洲分别占1/3和16%;而澳大利亚和非洲地区大概占1%的比例。 资料来源:world robotics 2006 图1-2: 1991-2005年各年全世界运行中的工业机器

17、人总数 就2005年几大应用领域的工业机器人类型来看,机械手的产量遥遥领先于其他类型的工业机器人,约达到43500台。其中,亚洲地区机械手的产量比2004年增加了27%;美洲地区机械手的产量幅度更是高达53%;虽然欧洲地区2005年机械手的产量比上年略有下降,但其产量仍接近14000台。接下来依次是:点焊接机器人、弧焊机器人、装配机器人和分配机器人,其产量分别约为20500台、17500台、13000台和4500台。表1反映了2005年亚、欧、美三大地区各类型工业机器人的产量增幅情况。 类 型 机械手点焊接机器人弧焊机器人装配机器人 分配机器人 地 增 区 幅 亚洲地区 27% 64% 82%

18、 101% 23%美洲地区 53% 22% 33% 36% 121%欧洲地区 -6% -27% 6% 1% -23% 表1-1: 2005年亚、欧、美三大地区各类型工业机器人产量增幅表资料来源:world robotics 20061.3 论文的主要内容: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。在本次设计是根据对工业六自由度机器人的总体结构及传动系统的分析和探讨,进行三自由度工业机器人的结构设计。关键在于三轴(臂)的传动系统的设计以及整体的结构设计,避免运动的干涉。在本次设计中的要求,主要负责第一臂与底座的结构设计。这次设计的机器人主要部位为第一轴与底

19、座,设计一个第一轴转动角速度为90/s,转角范围为0270。底座能够实现第一臂转角 (0270)转角范围控制的 3-dof工业机器人。第一步,查阅资料,工业机器人原理,了解工业机器人在国内的发展状况和生存问题。了解3-dof工业机器人的特点以及在日常生产生活中的用途。根据其运用的场合不同,适当选择合适的方案,以达到实用、经济、可靠的目的。第二步,在对所选课题有个初步的了解之后,在确定3-dof工业机器人的结构设计内容。第三步,机器人的总体方案设计,进行系统的方案的设计、比较与确定,依据对选择的传动方案,查阅相关参考文献,从而完成,第一、第二、第三轴的传动选择。设计好了之后,确定出总体的结构及整

20、体方案。第四步,选择电动机,通过计算出第一轴上的转动惯量,选择合适的电动机,从而进行第一轴的传动结构的设计及计算。根据齿轮轴径值,查阅机械设计手册,选择底座的轴承。第五步,根据方案,画出装配图,装配图画好后,从装配图中设计选择第一轴零部件以及完成对零部件图的初步绘制。 2 机器人的结构分析 2.1总体结构的概述 目前,世界上已有许多工业机器人,其中大部分属于“示教再现”型。如果将这类机器人称作第一代,那么,具有一定程度的视觉、触觉、或某种分析、判断能力的工业机器人就属于第二代了。不少国家正在积极研制具有观觉、触觉等功能的工业机器人,并取得了不少成果,但是,真正将这些成果应用于生产实际的还为数不

21、多。在实际生产(如喷漆、焊接、装配等)中被广泛应用的工业机器人,示教再现型还是较多。 一般的机器人,它由机器人的机构部分、传感器组、控制部分及信息处理部分构成。机构部分有机械手和移动机构两部分组成;传感器有测量机器人自身位置姿态和速度、加速度的内传感器和了解外部环境及作业对象工作情况的外传感器;控制器是直接控制机器人运动的装置,只要不是自主型移动机器人,它通常放在与机器人不同的地方,通过导线连接。在工业机器人的控制装置中,有电动机驱动电路、ptp运动目标点和cp运动轨迹数据的记忆装置和定位控制电路等。信息处理装置通过信息传输装置与机器人本体相连,多用于智能机器人。 机器人具有六自由度,即大臂的

22、回转、臂的左右摆动、臂的上下摆动、手腕的回转、手腕的伸缩和手爪的抓取。当然,图中没有表示出控制系统及手爪抓取的那一部分。该六自由度机器人运动的情况说明如下:首先,由电动机m1经过传动系统带动大臂的回转运动,且与大臂相连的所有其它手臂、手腕及机械构件也随大臂一起作回转运动;而后另一手臂由电动机m2驱动作左右摆动;还有,第三臂由电动机m3驱动作上下摆动;最后,手腕的回转、伸缩及手爪的抓取由其它三个电动机驱动。 2.2第一轴(大臂)的结构 大臂的结构图(图2-1)及其传动原理简图(图2-1): 图2-1 图2-2 第一臂,也即大臂,该手臂实现工业机器人的回转运动,整个系统由伺服电动机驱动。为了实现传

23、动的设计要求以及结构的最优化设计要求,整个减速系统采用了三级斜齿轮传动,且所有的斜齿轮都装在一个箱体(减速箱)里面。然而,与一般情况不同的是,第三级斜齿轮直接固定在机座上,从而使其它的(上级的斜齿轮)传动机构绕着它转动,且电动机又固定在大臂上,所以导致大臂带着电动机、减速箱一起作回转运动。 2.3 第二轴的结构 第二轴的结构图(图2-2):图2-2 第二轴,该手臂实现工业机器人的左右摆动,整个系统由伺服电动机驱动。为了实现传动的设计要求以及结构的最优化设计要求,整个减速系统采用了一级齿轮传动。由电动机上的一个齿轮和轴承右侧的一个齿轮啮合,轴承通过定位销与第二大臂固定,电动机带动齿轮,把动力传给

24、与第二臂固定的轴承,使得第二臂实现水平线上的前后摆动。2.4第三轴的结构第三轴的结构图(图2-3):图2-3第三轴,该手臂实现工业机器人的上下摆动,整个系统由伺服电动机驱动。为了实现传动的设计要求以及结构的最优化设计要求,整个系统采用了一级齿轮内啮合传动。由电动机上的一个齿轮和第三臂上的一个大齿轮内啮合,电动机带动小齿轮,小齿轮带动第三臂上的大齿轮使得第三臂整个做上下摆动。从而实现第三臂实际操作。 2.5 传动方案的确定 根据工业机器人的总体结构分析可知,工业机器人的三轴的传动结构并不复杂。第一轴采用的是齿轮传动,第二轴、第三轴则采用的是摆线针轮行星齿轮传动。当然,参照以上的传动结构分析,现拟

25、定如下三种传动方案: 方案一:第一轴:齿轮传动(直齿或斜齿) 第二轴、第三轴:齿轮传动(直齿或斜齿) 方案二:第一轴:蜗杆蜗轮传动 第二轴、第三轴:蜗杆蜗轮传动 方案三:第一轴:蜗杆蜗轮传动 第二轴、第三轴:齿轮传动(直齿或斜齿) 方案比较论证 首先,已知各种传动的传动比u:直齿圆柱齿轮传动,u4;斜齿轮传动,u6;蜗杆蜗轮传动,5u70,常用15u50;摆线针轮行星齿轮传动, 11u87(单级)。然后估算各轴的传动比,初选转速为1500r/min的原动机,则u11500/15100, u21500/2075。 三轴传动的确定:蜗杆蜗轮传动的特点:1)传动平稳,振动冲击和噪声均很小;2)传动比

26、也较大,结构比较紧凑。而在这里采用此传动,则需要两级传动才能满足要求,蜗杆蜗轮的传动是两轴交错的,这样一来也就增加了结构的复杂性,且同时也增加了转动时的负荷;3)由于蜗杆蜗轮啮合轮齿间相对滑动速度大,使得摩擦损耗大,因而传动效率较低。因此,第一轴采用齿轮传动。要实现设计要求,如采用圆柱直齿轮传动则需要四级传动,而采用斜齿轮则需要三级就可以,并且知道在相同的条件下,采用斜齿轮传动比圆柱齿轮传动,在结构上尺寸要小得多,由此可知,采用斜齿轮传动。斜齿传动有如下优点:1)啮合性能好;2)重合度大,传动平稳;3)结构紧凑,并且在总体结构上也是合理的。 总上所述,选择方案一为最佳。三轴都采用齿轮传动。 3

27、 设计计算 3.1电动机的选择 第一轴的电动机的选择 根据设计方案可知,第二轴、第三轴的所有重量都是第一轴的负荷,所以说,第一轴的转动惯量是很大的,必须计算各零部件的转动惯量,计算出最终动力源轴上所需要的最大的转动惯量,再根据动力源轴上的转动惯量进行选择电动机。下面计算第一轴上的转动惯量: 如图3-1-1,该轴的转动轴与第二轴的转动轴不同,该转动轴的轴线为ob线,则在这种情况下, 图3-1-1 第三臂的转动惯量: kgm2 第二轴的转动惯量: (3-1-1) kgm2 两电动机的转动惯量: kgm2 两个齿轮的转动惯量: kgm2 减速箱的转动惯量: kgm2 第一轴本身的转动惯量: kgm2

28、 所以,总的转动惯量为: kgm2 而转动角加速度为: 1/s2 则输出轴的转矩为由式(3-1-7)得: nm 转换到电动机上的转矩为: nm 根据要求,选p3kw,n1000r/min的mgma型伺服电机,为28.4nm。 第二轴的电动机的选择 根据设计方案可知,第三轴的所有重量都是第二轴的负荷,所以说,第二轴的转动惯量也是很大的,必须计算各零部件的转动惯量,计算出最终动力源轴上所需要的最大的转动惯量,再根据动力源轴上的转动惯量进行选择电动机。下面计算二轴上的转动惯量:第二轴的转动惯量: j2m/12(a2+b2+c2+d2)+mp25.742kgm2电动机的转动惯量: j28.5*0.42

29、1.366 kgm2齿轮的转动惯量 j轮250*0.2523.125 kgm2减速箱的转动惯量: j减150*0.45230.375 kgm2第二轴的总惯量: j总5.742+1.36+3.125+30.375 40.602 kgm2第三臂的转动惯量:j334*0.221.36kgm2电动机的转动惯量:j轮3100*0.5225kgm2减速箱的转动惯量:j减+150*0.45230.375kgm2总的转动惯量为:j总23.43+1.36+25+30.37580.165kg2转换到电动机上的转矩为: m电14.17n*m根据要求m电m额,选p2.5kw, n1000r/min的gy2.5型电动机

30、第三轴的电动机的选择第三臂的转动惯量:j334*0.221.36kgm2电动机的转动惯量:j轮3100*0.5225kgm2减速箱的转动惯量:j减+150*0.45230.375kgm2总的转动惯量为:j总23.43+1.36+25+30.37580.165kg2转换到电动机上:m电1.3m/u9.45n*m根据要求m电,所以满足要求。 4.2轴承的选择 4.2.1斜齿轮传动轴上的轴承 根据齿轮轴径值,差滚动轴样本或机械设计手册得,第二轴上选用圆锥混子轴承7204,c15500n;第三轴上选用圆锥云子轴承7205,c19520n。 5 机器人各零部件的结构设计 5.1 转角范围的控制设计 控制

31、系统是工业机器人的重要组成部分,在某种意义上讲,控制系统起着与人脑相似的作用,工业机器人的手部、腕部、臂部、行走机构等的动作以及与相关机械的协调动作都是通过控制系统来实现的。主要控制内容有动作的顺序、动作的位置与路径、动作的时间。 按设计要求要实现的转角范围,可以直接由控制系统来完成,控制动作的位置或动作的时间,从而控制转角。这里用挡块结构设计来实现控制转角范围。第一轴的控制转角(0270)的挡块结构示意图如图5-1 图5-1 5.2主要零部件的结构设计(第一臂与底座) 5.2.1 第一轴转臂的结构:如图5-2,具体尺寸见附图(零件图)。 5.2.2底座的结构设计:如图5-3 图5-2 图5-

32、3 总 结 通过这次设计,使我对工业机器人有了感性的认识,同时对国内外的工业机器人的发展也有所了解。根据国内外机器人发展的经验、现状及近几年的动态,结合当前国内经济发展的具体情况,机器人技术重点应在开展智能机器人、机器人化及其相当技术的开发及应用。经过努力,我国已研制了许多示教再现型工业机器人以及喷涂、焊接装配等机器人。而国外,工业机器人的发展更迅速,机器人化机械已经兴起。 通过这次设计,使我综合运用机械设计的理论和实际知识,结合生产实际知识,培养分析和解决一般工程实际问题的能力,并使所学的知识得到进一步巩固、深化和扩展;通过设计,使我掌握机械设计的一般规律,树立正确的设计思想,培养独立分析和

33、解决实际问题的能力;学会从机器功能的要求出发,合理选择传动机构类型,制定设计方案,正确计算零件的工作能力,确定它的尺寸、形状、结构及材料,并考虑制造工艺、使用、维护、经济和安全等问题,培养独立设计能力。 当然在设计过程中,也碰到了许多问题。在老师的指导和一些同学的帮助下,我也尽自己的努力去克服困难,最后顺利地完成了整个设计。由于本人缺乏经验及水平有限,设计仍存在一些问题,如机器人的动力学分析以及缺少机器人的动作模拟仿真,望老师给予指正。 参考文献 1.孙桓 等主编.机械原理第六版 .高等教育出版社,2001 2.马香峰 主编.工业机器人的操作机设计 冶金工业出版社 ,1996 3.宗光华 张慧慧译.机器人设计与控制科学出版社 , 2004 4. 郑笑级 工业机器人技术及应用m 北京:煤炭工业出版社,20045.y.fujimoto and /.onomous control and 3d dynamic simulation walking robot incuding environmental force interaction. ieee robbtics and automnation magzuine,1998,52:334