四自由度圆柱坐标机器人机械手臂设计教材

1、四自由度圆柱坐标型工业机器人机械设计 摘要 在现代制造业中，工业机器人已成为不可或缺的核心自动化装备。工业机器人适应工作 环境能力强，可担任各种类型各种强度的生产工作，精度高、速度快、易于控制，可显著提 高生产的工业自动化水平。国内工业机器人起步晚，市场占有率低，许多核心技术还没有掌 握，可靠性低，应用范围小，零部件互换性低。 现设计一种四自由度的圆柱坐标型机器人，能实现工件的上下搬运。该四自由度机器人 由两个旋转自由度机构和两个平移自由度机构组成，根据机器人运动参数，选择足够功率的 伺服电机，然后，估算驱使机构各自由度运动需要的力及扭矩，选择传动比合适且大小合适 的减速器。通过伺服电机减速器

2、驱动机构的运动，实现机器人腰部旋转，手臂的竖直升降， 手臂的水平移动和末端操纵器的旋转。在机器人辅助系统的设计部分，还考虑了伺服电机导 线坦克链的排布，机构零点位置的触发开关及其导线排布的设计。 关键词： 四自由度，圆柱坐标，工业机器人，机械设计 Mechanical Design of a 4-DOF Cylindrical Industrial Robot Abstract In modern manufacturing, industrial robot has become an indispensable core automation equipment. Industrial r

3、obot has good adaptability, can adapt to all kinds of mass production, high precision, fast speed, easy to control, can significantly improve the automation level of production. Domestic industrial robots started late, has low market share, low reliability, and many core technologies have not yet ma

4、stered. The application scope is small, the interchangeability of parts is low. The design of a kind of four degree of freedom cylindrical coordinate robot, can realize the workpiece moving up and down. The four degree of freedom robot mechanism is composed of two rotational degrees of freedom and t

5、wo translational degrees of freedom mechanism. According to the robot movement parameters, servo motor is selected, and then estimates the sufficient power, force and torque of each degree of freedom movement needs, choose the appropriate transmission ratio and suitable reducer. Drive mechanism moti

6、on through the servo motor reducer, and then we can realize the robot waist rotation, vertical lifting arm, arm movement and rotation of the end effector. In part of the design of robot auxiliary system, we take the arrangement of servo motor wire tank chain, design the trigger switch and wire arran

7、ging mechanism the zero position into consideration. Key Words： 4-DOF; Cylindrical coordinates; Industrial Robot; Mechanical design ii 目录 摘 要 Abstract 第一章 引 言 1 1.1 工业机器人 . 1 1.1.1 工业机器人的概念及特点 1 1.1.2 工业机器人的组成 1 1.1.3 国内外发展状况 2 1.2 研究内容 . 2 1.2.1 研究方法 2 1.2.2 研究成果 2 1.3 研究意义 2 第二章 机构结构设计 4 2.1 设计分析及

8、方案拟定 . 4 2.1.1 设计要求 4 2.1.2 设计流程 5 2.1.3 方案拟定 5 2.2 主要结构件设计 . 6 2.2.1 旋转平台结构. 6 2.2.2 滚珠丝杠结构. 7 2.2.3 中间连接器 . 9 2.2.4 外壳设计 . 11 2.3 受载变形校核 11 第三章 传动机构设计 13 3.1 腰部转动 13 3.1.1 减速器选择 . 13 iii 3.1.2 伺服电机选择 . 14 3.1.3 传动法兰盘设计 . 15 3.2 竖直平移 16 3.2.1 滚珠丝杠及螺母选择 . 16 3.2.2 伺服电机选择 . 18 3.2.3 联轴器选择 . 19 3.3 水平

9、平移 20 3.3.1 滚珠螺母丝杠选择 . 21 3.3.2 伺服电机选择 . 21 3.3.3 联轴器选择 . 22 3.4 手臂末端操纵器旋转 23 3.4.1 伺服电机选择 . 23 3.4.2 减速器选择 . 24 第四章 辅助机构设计 25 4.1 坦克链线路设计 . 25 4.2 机构零点设计 . 26 第五章 总结与展望 28 5.1 总结. 28 5.2 展望. 28 参考文献 30 致谢 31 附录 32 iv 第一章 引言 1.1 工业机器人 1.1.1 工业机器人的概念及特点 我国专家学者对于工业机器人的概念解释也各有不同，综合各方面的说法，从工业机器 人能实现的功能来

10、讲，工业机器人是有以下功能的机器： （1）具有执行运动操作的机构； （1）具有通用性，可实现多种运动操作； （2）有一定程度的智能，能重复编程； （3）有一定的独立性，一定程度上不依赖人的操纵。 1.1.2 工业机器人的组成 工业机器人一般由机械系统和控制系统组成，四自由度圆柱坐标型工业机器人的机械系 统组成由下图可知： 四自由度圆 柱坐标型工 业机器人机 械系统 驱动机构 伺服电机驱 动 末端操纵器 减速器传动 图 1.1 执行机构 丝杠螺母传动 减速器传动 四自由度圆柱坐标型工业机器人机械系统组成 （1）驱动机构：本次设计采用四个交流伺服电机驱动四个自由度。至于气压，液压驱动 的装置体积较

11、大，因行程较大而不采用。 （2）执行机构： 本次设计的执行机构主要包括底座、 腰部机构、手臂机构和末端操纵器。 采用丝杠螺母和行星齿轮减速器两种传动方式，能将旋转运动转换成直线运动或将高转速转 换成低转速，再将动力传递给执行装置。 1.1.3 国内外发展状况 上世纪中叶，美国结合机械手和操作机两者的优势，开发了一种可自动执行动作的机械 装置，称为工业机器人。 60 年代末，美国通用汽车公司采用机械手臂，建立了汽车焊接车身 的自动化生产线。此后，工业机器人的研制和应用，受到各个工业发达国家的重视。日本又 称为“机器人的王国”，可见日本的工业机器人产业非常发达，如今的日本在智能型工业机器 人上取得

12、了巨大成就。随后，工业机器人产业又开始在欧洲崛起2。 工业机器人在中国发展的很快，但相比世界上先进的工业机器人，技术差距依旧明显 国内工业机器人起步晚，相比国外先进技术，国内工业机器人可靠性较低，应用领域较窄， 生产线技术落后，零部件互换性低 4 。工业机器人且可用于环境恶劣，劳动强度高，劳动单 调乏味的工作中，将人们从中解放出来。 1.2 研究内容 1.2.1 研究方法 现设计一种工业机器人，有四个自由度，采用圆柱坐标型，利用该种机器人实现工件的 上下料搬运。本次设计主要设计机械系统部分。该机器人的四个自由度分别是腰部旋转、手 臂竖直升降、手臂的水平伸缩和手臂末端操纵器旋转。由四个自由度确定

13、各自传动方式，选 择传动装置。确定机器人各个运动部件运动所需的功率，再选择合适的伺服电机和减速器。 设计机械手臂整体结构采用的三维实体设计软件是 SolidWorks 2013，对于分析机构的质量、 质心等参数十分方便。 1.2.2 研究成果 本次设计基本完成任务，具体成果如下： （1）完成四自由度圆柱坐标型机器人的整体结构设计，包括基座、腰部旋转平台、竖直 机身、水平手臂和末端旋转平台的设计； （2）完成外壳包装的简单设计，完成机构零点和极限位置的传感器设计； （3）完成机器人三维实体的装配，并绘制出机器人的二维工程图。 1.3 研究意义 工业机器人已经是现代制造业中举足轻重的自动化机械，一

14、些机械式的、工作环境恶劣 危险的、没有创新性的作业完全可以由机器人替代人工完成。在金属热压加工中，需要人工 作在加热的窑炉、冲压床、车床或钻床附近，工业机器人耐高温，程序写好就可以防止与其 他加工工具碰撞，避免了工作中出现危险的可能 6 工业机器人能适应多品种中小批量生产，高精度高速度，容易控制，能显著提高生产自 动化水平。目前小负载旋转臂机型工业机器人市场容量大、应用广泛 8。 第二章 机构结构设计 2.1 设计分析及方案拟定 2.1.1 设计要求 主要解决问题：按下表中参数的要求，设计一种四自由度圆柱坐标型工业机器人，完成 该工业机器人的机械结构设计、驱动装置设计、传动装置设计、各自由度零

15、点和极限位置设 计及传感器选择： 表 2.1 机器人设计参数 最大负载 /kg 腰部、臂部回 转角度 /o 伸缩行程 /mm 高度行程 /mm 最大旋转角 速度 -1 /（rad s-1） 最大移动 速度 /（m s-1） 重复定位 精度 /mm 3 360 500 500 2 1 0.1 机器人的工作空间是指机器人正常工作时手臂末端操纵器能活动的范围，可从上表推得， 工作空间图如下： 图 2.1 机械手臂工作空间 2.1.2 设计流程 （1）分析四个自由度，选择适当的驱动方式、传动装置和机构件； （2）用三维建模软件完成主要零件（包括所有结构件）的三维建模，并初步完成三维实体模 型装配； （

16、3）对实体模型相关参数进行测量估算，按设计要求，最终确定电机、减速器、丝杠等产品 参数，完成装配； （4）对机器人运动进行动画仿真和受载分析，验证设计正确性； 5）绘制二维工程图 流程图如下图所示： 图 2.2 设计流程 2.1.3 方案拟定 根据设计需求，设计出的工业机器人大致外形图如图 2.1 所示 图 2.3 工业机器人图 由上面的设计参数表可知， 机器人手臂的行程是 500mm，较大，宜使用电机作为驱动装置 考虑到步进电机精度不足，加速性能一般，易产生丢步或过冲，性能效果没有交流伺服电机 好，又因为所设计的机械手臂起动频率高，且要求快速启停，需达到一定传动精度，因此选 择交流伺服电机。

17、 传动装置选择行星齿轮减速器传动和丝杠螺母传动，其中行星齿轮减速器用于腰部高扭 矩低转速的传动，丝杠螺母用于手臂的水平和竖直平移传动。 确定机器人的机构简图，以确定机器人的整体结构，所设计的工业机器人的机构简图如 下图： 图 2.4 机器人运动简图 采用伺服电机和行星齿轮减速器实现机器人的腰部低转速旋转运动；考虑设计中水平方 向移动行程 500mm，相对较大，水平手臂前后平移也是利用伺服电机驱动滚珠丝杠旋转实现， 将水平移动和竖直移动的两个螺母角度偏差 90 度放置，共同固定在一个十字型钢板结构件 上，达到水平方向丝杠螺母水平不移动，丝杠前后移动的效果；将一小功率伺服电机和行星 齿轮减速器连接

18、，固定在水平手臂支撑板的一端，实现末端操纵器的旋转。 2.2 主要结构件设计 设计的机器人主要结构包括旋转平台、滚珠丝杠、中间连接器、和外包装。 2.2.1 旋转平台结构 旋转平台是腰部旋转的实现的基础，一般要求有足够的稳定性，结构要求便于装修。它 将基座和上方的运动机构连接起来，承载运动机构的重量，旋转平台的设计对于机器人的平 衡性有很大影响。 旋转平台结构如下图所示， 1）套筒 2） PX85减速器 3）向心圆柱滚柱轴承 4）内支撑套 5）外支撑套 6）加强筋 7）传动法兰盘 8）固定套筒 9）固定垫片 10）止推轴承 图 2.5 旋转平台结构图 内支撑套支撑机身重量，外支撑套带动腰部转动

19、。内支撑套和外支撑套间的连接通过两 个轴承实现：止推轴承承受整个机身的重力，向心圆柱滚柱轴承起到防止机构径向力失衡的 作用。传动法兰盘用螺栓连接在外支撑套上，其内圈有键槽，配合减速器输出轴，输出轴转 动，带动法兰盘和外支撑套转动。减速器用螺栓连接至内支撑套上，输出轴伸出，旋上螺母， 压紧内外支撑套 , 实现腰部的轴向固定。 2.2.2 滚珠丝杠结构 滚珠丝杠结构实现了手臂的上下和前后平移，结构如图所示： 图 2.6 滚珠丝杠机构 丝杠安装采用两端支撑方式，两端各装有一个角接触球轴承 （22-8-7,32-15-9） ，轴承由 其两端的轴承座固定，轴承座安装应使丝杠轴线与支撑板平行。轴承座自行设

20、计，其三维模 型如下图： 图 2.7 轴承座 导轨为滚珠丝杠结构提供了足够的支撑力。导轨首先选择滚珠型直线导轨，主要考虑其 轨宽和轨长，滑块主要是确定类型和数量。导轨选择轨宽 15mm，轨长根据工作行程需求选择 600mm。滑块选择四方型滑块，其结构及总体尺寸如下图所示： 图 2.8 四方型滑块 由于支撑板是主要承载部件，需要校核支撑板的受压稳定性。分析支撑板受力，支撑板 可以看作下端固定上端自由的压杆，压力为机身的重力，作用点在机身的中心位置，如下图 所示： 图 2.9 支撑板压杆模型 临界压力的公式为 Fcr 2EI ( L) 2 (1) 式中： Fcr是临界压力； E是支撑板材料 45

21、钢的弹性模量，一般是 196-216GPa；I 是支撑 板的惯性矩，可由三维模型的质量属性得到， 40067 kgmm2；是长度系数，对于一端固定 一端自由的情况， 值为 2.1；L 是支撑板长度 600mm。计算得到， Fcr=4.98 1010N，远大于 实际所受重力。 2.2.3 中间连接器 （1）中间连接器的设计 中间连接器是连接水平丝杠和竖直丝杠的装置，它将由竖直丝杠螺母机构旋转而产生的 竖直方向的位移，传递给水平丝杠螺母机构，使得手臂能够正常上下移动。中间连接器由两 个螺母滑块连接器和一块中间连接板组成， 相互之间用内六角螺栓连接， 其结构如下图所示。 图 2.10 中间连接器 螺

22、母滑块连接器自行设计，材料选择 45 钢，其制造工艺流程简单来说是铸造、铣平面、 钻孔、攻螺纹。其安装尺寸由上述滚珠丝杠的螺母及滑块位置决定，外形如下图所示。 图 2.11 螺母滑块连接器 图 2.12 中间连接板 （2）中间连接板的强度校核 中间连接板主要需校核其与螺栓接触面上的挤压应力，挤压的强度条件是 (2) AFbbss bs 式中： Fbs是挤压力， Abs是挤压面面积， bs是挤压许用应力。 由中间连接器的三维模型可知，工作中的连接板与 16 个螺栓相互接触，螺栓直径 3mm， 连接板厚度 5mm，单个螺栓对连接板的挤压面的面积 Abs 为 1510-6m2。 图 2.13 连接板

23、受力图 总的挤压力 F 为水平手臂的重力，由 Solidworks 三维建模，经过测量得到质量 m不大于 (3) 15kg，因此单个螺栓孔受到挤压力为 Fbs=mg/16=9.2N 因此，运算得到挤压许用应力 - 10 - (4) bs 0.613MPa 查表，可知钢材的挤压许用应力 bs 355MPa，远大于最低要求。 2.2.4 外壳设计 机器人外壳外形图如图所示，其主要作用是滚珠丝杠的防尘，导线线路的排布和整体机 型的美观。外壳采用铝合金蒙皮包装，蒙皮厚度为3mm，质量轻。材料塑性好，采用锻压加 工工艺，锻压成型。再以钻头打螺栓孔，以便于安装固定。为方便制造，将整体的外壳分成 三段，分别

24、制造。 外壳及其总体尺寸如下图所示： 图 2.14 外壳图 2.3 受载变形校核 受载变形校核可简单的由模型模拟机器人的末端受载时的挠度，得到形变偏移值。应用 Solidworks Simulation 的有限元分析功能，简单分析弯曲变形。 根据机器人结构受力情况分析，主要是支撑板、丝杠、导轨等结构同时承载负载重量， 因此受载的模型可简化如下图： 图 2.15 简化的受载模型 下端做固定端，右上端的伸出端受向下的负载 3kg，及 30N 的力，材料统一选择合金钢， 其弹性模量是 2.1 1011N/m2。运行结果为最大位移量 0.0392mm，基本满足重复定位精度 0.1mm的要求。详见附录

25、1。 - 12 - 第三章 传动系统设计 传动系统设计主要是传动方式的确定，驱动电机的选择，减速器的选择以及其他辅助传 动件的设计与选择。本次设计的机器人平移自由度均采用滚珠丝杠螺母实现，旋转自由度均 采用行星齿轮减速器实现。电机的选择有步进电机和交流伺服电机，考虑到步进电机精度不 足，步进电机加速性能一般，易产生丢步和过冲。所设计的机械手臂起动频率高，要求快速 启停，且需达到一定传动精度，因此选择交流伺服电机。 3.1 腰部转动 腰部旋转采用行星齿轮减速器传动。 图 3.1 腰部减速器 减速器输出轴上有键槽，可直接连接在底盘的传动法兰盘上，带动腰部的上平台转动。 3.1.1 减速器选择 因为

26、机器人腰部的旋转相对伺服电机较慢，传动比大，再考虑到机器人腰部尺寸较大， 可采用行星齿轮减速器，能实现较大传动比的传动。 为减小整个机器人手臂的体积，尽量使机构紧凑，在减速器型号选择方面，均选择弹性 齿轮轴套空心输入，实心轴输出方式。 （1）确定驱动设备所需功率 P2： P2=KMgv（5） 式中：m 通过三维实体模型腰部以上旋转部分质量的测量为 32.6kg，近似取 m33kg， 加上运行所需末端操纵器和 3kg重物，总质量取 M=40kg；K是安全系数， K=1.2；g是重力 加速度； v 是机构运行速度，取 2m/s；是摩擦系数， =0.1。5 计算得 P2=141.1W。 （2）确定减

27、速器的传动比 i： - 13 - i= n1 n2 (6) 式中： n1 是电机转速， n2 是腰部转速。腰部转动最大角速度 为 2=2rad/s，转 速 n2=9.552=19.1r/min ，伺服电机转速 n1=3000r/min ，则 i=3000/19.1=157，取 i=120，三级传动。 （3）确定使用系数 f1： 查减速器技术手册，假设均衡负载下启动次数少，每日工作12小时， f1=1.25。 （4）被驱动设备的扭矩 T2： T2=9550P2/n2（7） 式中： P2是驱动设备所需功率， n2 是腰部最大转速。计算得 T2=70.5N m。 （5）减速器输出扭矩 T2N： T2

28、NT2f 1=88.1N m（8） 根据传动比 i 、减速器输出扭矩 T2N 88.1N ，m查询减速器技术手册，选择减速器： px-85-120-S，减速器相关技术参数如下表： 表 3.1 腰部减速器技术参数 减速器型号 减速比 i 满载效率 额定输出扭矩 T2N/N m 转动惯量 J/(kg cm2) 最大径向 力 Fr/N 最大轴向 力 Fa/N PX-85-120-S 120 90 100 0.7 440 420 （6）减速器径向、轴向力校核： 减速器轴在径向不受外力作用，因此不用校核。轴向有紧固螺钉对轴的拉力，考虑到紧 固螺钉的作用仅仅是防止机身径向不平衡，所受轴向力很小，轴向力可不

29、用校核。 3.1.2 伺服电机选择 （1）电机所需功率 P1N： P1N K2P1=f193.7W（9） 式中： K是安全系数， P2是驱动设备所需功率， 是满载效率， f1是设备使用系数。 查伺服电机和减速器的技术手册，所选减速器对应电机的安装尺寸为 90mm，对应伺服 电机功率 750W，因此选择电机型号： MSME 082G1，相关技术参数见下表： 交流 最大转速 额定转矩 最大转矩 转子转动惯 功率 额定转速 n 电机型号 电源 nmax T Tmax 量 P/W -1 /(r min-1) -1 2 /V -1 /(r min ) /(N m) /(N m) 2 JM /(kg cm

30、 ) MSME 750 AC200 3000 6000 2.4 7.1 0.87 082G1 表 3.2 腰部伺服电机技术参数 2）伺服电机惯量比校核： 估算负载惯量： 21 1 2 1 2 J负载惯量 =m1 L +m2 D 负载惯量 3 12 1 2 1 2 = 20 0.52 +20 0.12 3 =2.52N m 式中： 估算电机和减速器的惯量： J电机+减速器 =J电机 +J减速器 -4 -4 2 =0.87 10-4 +0.7 10-4 1202 =1.01N m 计算得： J 负载惯量 /J 电机 + 减速器 =2.50倍T电机，所以转矩满足要求。 3.1.3 传动法兰盘设计 传

31、动法兰盘连接 PX85行星齿轮减速器和腰部旋转平台，与行星齿轮减速器的输出轴用键 连接，与腰部旋转平台用螺栓连接，将行星齿轮减速器的扭矩传递给腰部旋转平台，使腰部 旋转运动得以实现。 传动法兰盘的设计图如下： - 15 - 图 3.2 传动法兰盘 3.2 竖直平移 竖直平移传动方式选择滚珠螺母丝杠（图片） 。伺服电机需要安装在顶部，为防止机械手 臂自重下滑，伺服电机应带有制动器。滚珠螺母丝杠的丝杠一端连接联轴器，伺服电机输出 轴连接联轴器另一端。 3.2.1 滚珠丝杠及螺母选择 （1）选择螺母型号 由三维实体所建立的模型，可选择法兰式单螺母， F 型，切边六孔。 图 3.3 丝杠螺母 2）确定

32、丝杠导程 BP 由传动关系图可得 BP vmax i nmax (14) 式中：vmax 是工作台最大平移速度 1m/s；i 是传动比，i=1；nmax 是电机最大转速 6000r/min， 计算可得导程 Bp 等于 10mm （3）确定丝杠公称直径 BD - 16 - 已知 是摩擦系数 0.03；W A是负载质量，可由三维实体建模测量得出 W A=20kg；g 是重 力加速度，计算导向面的摩擦力 Fa： Fa=WA g=0.25 209.8=49 N（15） 因此丝杠旋转需承受的推力 F： F=Fa+ WAg=676.2 N（16） 乘以安全系数 K=1.2, 得 F1=KF=811.44

33、N（17） 查阅该公司提供的产品相关资料， 丝杠直径 BD=12mm时，丝杠动载荷 Ca是 2.5KN ，CaF1， 满足要求。 （4）确定丝杠长度 丝杠总长一般是工作行程、螺母长度、安装长度、连接长度和余量的总和。由所建立的 三维实体模型可知丝杠总长为 650mm。 （5）确定滚珠丝杠精度 在无特殊要求的情况下，根据一般选取的经验，选用 C7标准。 C7标准表示选取丝杠精度 等级为 7 级，300mm的丝杠长度上，行程误差不超过 0.050mm。 （6）校核扭矩 克服摩擦力 Fa，也就是产生所需推力的驱动扭矩 T： (18) Fa L0 2B 式中： B是进给丝杠的效率，取 B=0.96。计

34、算可得 T=9.75 N mm，远小于伺服电机所 能提供的扭矩，所以校验合格。 综上，所选择的螺母丝杠技术参数如下表： 表 3.3 丝杠螺母技术参数 螺母型号 直径 BD/mm 导程 BP/mm 丝杠总长度 BL/mm 丝杠动载荷 Ca/KN 丝杠质量 BW/kg 1210-2 F型 12 10 650 2.5 0.6 切边六孔 3.2.2 伺服电机选择 （1）伺服电机功率确定 - 17 - 估算出伺服电机的最大功率 P： P=K(1+) WAgv(19) 式中： WA 是水平手臂质量，通过三维实体模型建立可得 WA =20kg；是摩擦系数 0.1；v 是平移最大速度 1m/s；K 是安全系数

35、，取 K=1.2 。 计算得 P=282.24W，取功率 P=400W 的交流伺服电机，可选电机型号： MSME 042G1， 它的有关技术参数如下表： 表 3.4 竖直移动伺服电机技术参数 电机 型号 功 率 P/W 交流 额定转 转子转动惯量 2 JM /(kg cm ) 有无制 动器 电源 /V 额定转速 -1 n/(r min ) 最大转速 最大转矩 Tmax/(N m) -1 nmax/(r min ) 矩 T/(N m) MSME 400 AC200 3000 6000 1.3 3.8 0.28 有 042G1 2)伺服电机惯量比校核 测量丝杠的三维模型，得滚珠丝杠的质量 BW=0

36、.6kg，则负载部分的惯量： 2 2 2 JL=JC+JB=JC+1/8 BWBD2+WABP2/(4 2)(20) 式中： JC是所选联轴器的惯量， JC=3.2 10-5kgm2，WA是水平手臂质量，通过三维实体模 型建立可得 WA =20kg，计算可得 JL=1.19 10-4kgm2。 预选电机的惯量 JM=0.28 10-4 kg m2，则惯量比： JL/JM =4.25倍30 倍(21) (3)伺服电机转矩校核 般伺服电机的运转模式如图： 图 3.4 伺服电机运转模式 由最大速度 1m/s，移动距离为 0.5m，可假设：加速时间 ta=0.1s，匀速时间 tb=0.4s，减速 时间

37、 td=0.1s，循环时间 tc=1.2s。 移动转矩 Tf ： - 18 - BP 2B ( gWA F) (22) 式中： B是进给丝杠的效率，取 0.96；是摩擦系数，取 0.1；其他参数可由前面的表格 得到，计算上式得 Tf=0.0325N m。 加速时转距 Ta： +移动转矩 (23) (JL JM ) 2 Nr /s 加速时间 s 式中： JL和 JM分别是负载部分的惯量和预选电机的惯量， N 是电机最高转速 100r/s，计 算得 Ta=0.956Nm。 减速时转矩 Td： (JL JM ) 2 Nr /s 加速时间 s - 移动转矩 (24) 式中： JL和 JM分别是负载部分

38、的惯量和预选电机的惯量， N 是电机最高转速 100r/s，计 算得 Td=0.891N m。 因此，最大转矩就是加速时的转矩 Ta=0.956N m，乘以安全系数 K=1.2，TaK=1.15 Nm 3.8Nm（400W 电机的最大转矩）。 确认有效转矩 Trms： rms Ta2 ta Tf2 tb +Td2 td (25) 0.9562 0.1 0.03252 0.4+0.8912 0.1 1.2 0.378N m 乘以 K ，TrmsK=0.454 Nm1.3 Nm（400W 电机额定转矩 ）。根据以上计算可知功率 750W 电机满足转矩和惯量比要求，适合选用。 3.2.3 联轴器选择

39、： （1）选择联轴器 首先确定联轴器的力矩 T T=T1K1K2K3（26） 式中：T1 是伺服电机的力矩，选择伺服电机时可在手册上查得，值为 1.27Nm；K1、K2、 K 3是联轴器的工况系数； 假定：负载变动较大， K1取 1.7，每天运转 8h，K2取 1.00，每小时启停 120次， K3 取 1.5的条件下， T=3.24Nm，力矩不大，联轴器可初步选择夹紧式联轴器。 夹紧式联轴器是一种金属弹性联轴器，轴拆装方便，但正常工作承受的力矩有限，对同 轴度要求不是很高，并且该联轴器正反转时的转动特性一致，非常适用于机器人等频繁启停 的场合。 伺服电机的输出轴径14mm 和丝杠的输入轴 径

40、 10mm，由 此选择 联轴器 型号 TS4C-40-1014，如下图。 图 3.5 铝合金弹性联轴器 （2）校核力矩 查阅企业联轴器产品说明书 9，TS4C-40-1014 型联轴器的拧紧力矩达 4Nm，大于联轴器 实际工作时所承受的力矩 T=3.24Nm，满足实际要求。 3.3 水平平移 水平平移传动机构采用滚珠丝杠。螺母水平方向固定不动，转动的丝杠带动整个机械手 臂相对于螺母前后平移，实现机械手臂的水平平移。 水平平移和竖直平移采用相同的传动方式，运动参数一致，因此丝杠螺母、伺服电机和 联轴器选择方法一致，不同在于水平平移不用克服机械手臂的重力，消耗功率减小，因此电 机选择的功率有所变动

41、。 3.3.1 滚珠螺母丝杠选择 水平平移自由度滚珠丝杠选择同竖直平移，详细技术参数见表 3-3 。 3.3.2 伺服电机选择 （1）伺服电机功率确定 估算出伺服电机的最大功率 P： - 21 - P=K WA gv(27) 式中： WA 是水平手臂质量，通过三维实体模型建立可得 WA =20kg；是摩擦系数 0.1；v 是平移最大速度 1m/s；K 是安全系数，取 K=1.2 。 计算得 P=24W，取功率 P=200W的交流伺服电机，可选电机型号： MSME 022G1 ，它的 有关技术参数如下表： +移动转矩 (30) 表 3.5 水平移动伺服电机技术参数 转子转动 电机型 号 功率 P

42、/W 交流电 源/V 额定转速 -1 n/(r min ) 最大转速 -1 nmax/(r min ) 额定转矩 T/(N m) 最大转矩 T max/(N m) 惯量 2 JM/(kg cm ) MSME 200 AC200 3000 6000 0.64 1.91 0.14 022G1 (JL JM ) 2 Nr /s 加速时间 s - 移动转矩 (31) 式中： JL和 JM分别是负载部分的惯量和预选电机的惯量， N 是电机最高转速 100r/s，计 算得 Td=0.803N m。 因此，最大转矩就是加速时的转矩 Ta=0.868N m，乘以安全系数 K=1.2，TaK=1.04 Nm 1

43、.91N m（400W 电机的最大转矩）。 确认有效转矩 Trms： 2 2 2 (32) Ta ta Tf tb+Td td tc 0.8682 0.1 0.03252 0.4+0.803 2 0.1 1.2 0.342N m 乘以 K，TrmsK=0.411 N m0.64 Nm（400W电机额定转矩 ）。 根据以上计算可知，惯量比和功率虽然有较大余量，但根据转矩选择 200W 电机。 3.3.3 联轴器选择 （1）选择联轴器 联轴器仍选用夹紧式弹性联轴器，选择方法同上，首先确定联轴器的力矩 T ： T=T1K1K2K3（33） 式中：T1 是伺服电机的力矩，选择伺服电机时可在手册上查得，

44、值为 0.64Nm；K1、K2、 K 3是联轴器的工况系数； 假定：负载变动较大， K1=1.7，每天运转 8 小时， K2=1.00，每小时启停 120 次， K3=1.5 的工况下， T=1.64Nm， 伺服电机的输出轴径11mm 和丝杠的 输入轴 径 10mm，由 此选择 联轴 器型 号 TS4C-40-1011。 （2）校核力矩 查阅企业联轴器产品说明书， TS4C-40-1011型联轴器的拧紧力矩达 4Nm，大于联轴器实 际工作时所承受的最大力矩 T=1.64Nm，满足实际要求。 3.4 手臂末端操纵器旋转 末端操纵器由法兰盘连接，需承载 3kg 重物，伺服电机连接行星齿轮减速器，减

45、速器输 出轴直接连接法兰盘，带动法兰盘旋转，如下图： 图 3.6 末端传动结构图 预算法兰盘连同末端操纵器和重物总共 10kg。伺服电机和减速器的选择方法同腰部电机 和减速器的选择，具体过程不再给出。 3.4.1 伺服电机选择 经估算，选择电机功率 100W，电机的相关参数如下表： 表 3.6 末端伺服电机技术参数 转子转动惯 电机型 号 功率 P/W 交流电 源 /V 额定转速 n/(r min -1) 最大转速 nmax/(r min -1) 额定转矩 T/(N m) 最大转矩 Tmax/(N m) 量 JM/(kg cm2) MSME 100 AC200 3000 6000 0.32 0

46、.95 0.051 012G1 3.4.2 减速器选择 经估算，减速器选择的型号是 PL-50-120-S，相关技术参数如下表： - 23 - 表 3.7 末端行星减速器技术参数 减速器型号 减速比 i 满载效 率 额定输出扭矩 T 2N /(N m) 转动惯量 2 J/(kg cm2) 最大径向 力 Fr/N 最大轴向 力 Fa/N PL-50-120-S 120 90 10 0.029 440 420 PL型减速器如图所示： - 24 - 第四章 辅助机构设计 4.1 导线线路设计 机床等机械导线线路的铺设一般是采用软管或者坦克链等辅助件。 坦克链是一般装在机床机械上，用于牵引和保护电缆及

47、软管的，形似坦克链的机械辅助 装置。坦克链一般用在往复运动较为频繁的场合，用来牵引和保护导线及软管。坦克链由若 干的坦克链节连接而成，节与节可自由转动， 导线在安装和拆卸时，坦克链的节从两侧打开， 方便导线放入。坦克链一节如图所示。 图 4.1 坦克链一节 一般在两个连接点之间有电缆连接，并且两点间有相对的往复运动的情况下，考虑使用 坦克链。线路简图如下图所示： - 25 - 1是软管， 2、3、4是坦克链条， 5 是外壳内布线 图 4.2 线路简图 所有导线汇集在基座下端， 跟基座壳固连。 基座下端第一次分流， 连接基座内的 750W 伺 服电机。其余通过软管连接到机器人腰部的外壳上，可以随

48、着腰部旋转而弯曲伸缩。自腰部 外壳出分流，一部分从机身外壳的卡线槽中走线，连接机器人顶端 400W 伺服电机，另一部 分通过坦克链连接至竖直方向移动的滑块上，同滑块一起上下移动，坦克链上下伸缩移动。 水平放置的两个伺服电机分别用坦克链连接至水平移动的滑块上， 随滑块一起水平移动伸缩。 导线布置在软管和坦克链中，并与软管或者坦克链之间没有相对移动。注意的是，导线在坦 克链中最多填满 90的空隙，在软管中最多填满 80的空隙。 4.2 机构零点设计 一般机床等机构刚启动时，要首先确定运动部件在整个机构中的位置，及相对机构机械 零点的位置，方才好进行下面的一系列由程序控制的操作。机构零点的设计就是确

49、定机构的 机械零点位置，并设计出发开关和连接线路。选择传感器是机构零点设计的主要问题。可供 选择的传感器有：光栅传感器、位移传感器、压力传感器、限制开关等。微动开关是一种靠 机械外力作用，通断迅速的接点机构，由于其价格便宜，使用广泛，使用可靠，安装方便， 因此使用微动开关作为机器人的零点位置开关。其内部结构如下图所示： 图 4.3 微动开关结构图 上图中： 1) 是操作体， 2) 是驱动杆， 3) 是接点间隔， 4) 是端子， 5) 是可动片， 6) 是安装 孔，7) 是开关外壳。在本次设计的机器人中，操作体是机械手臂上的外壳，外壳前进压上驱 - 26 - 动杆，驱动杆传导外力至内部弹簧结构，

50、推动可动接点进行开关动作 微动开关安装位置如下图表示： 1、 2、 3、4 均为微动开关 图 4.4 微动开关安装位置 - 27 - 第五章 总结与展望 5.1 总结 圆柱坐标型搬运机器人在工业机器人领域中有非常广泛的应用，这次设计的主要目的是 结合实际工业需求，设计一种能够自动搬运工件的工业机器人，该种机器人有四个自由度。 总结如下： （1）此次设计的任务是利用三维设计软件， 完成一种四自由度圆柱坐标型机器人的整体结构 设计，并对其进行仿真分析，验证其正确性； （2）此次任务完成了以下内容： 完成机器人整机设计， 包括基座、腰部旋转平台、 竖直机身、 水平手臂和末端旋转平台的设计；完成对交流

51、伺服电机、行星轮减速器减速、滚珠丝杠等的 产品的选型；完成外壳的简单设计，完成机构零点和极限位置的微动开关设计；成机器人三 维实体的装配，并绘制出机器人的二维工程图。 （3）成果有以下几个：三维零件模型图纸若干、三维机器人装配图一份、二维机器人装配图 一份、二维零件图若干。 5.2 展望 由于时间和本人能力有限，这次设毕业计还存在一些不足之处，还可以有所提高，展望 如下： （1）由于时间有限，本次毕业设计没有设计机器人的控制部分，末端控制器的手爪部分也没 有设计，实际工程设计中控制系统设计至关重要； （2）机器人的传感器设计不丰富，仅设计了零点位置和极限位置的机械式限位开关，如一些 位置传感器

52、，速度传感器以及力和触觉传感器都未有设计； （3）考虑到线速度要求较高，最大线速度有 1m/s，造成选择电机时会有较大的功率余量， 机器人底座占用的空间变大， 而实际小负载机器人的工程设计中， 线速度要求没有 1m/s 这么 高； （4）工业机器人传动机构的传动效率是一个比较重要的参数，在这方面未作考虑，实际工程 设计上面需要考虑效率问题； （5）机器人外壳设计不完善，未能将机器人内部结构完全包括在内，实际应用中会使用耐高 - 28 - 温帆布伸缩套和耐磨帆布软连接，随着机械手臂的运动而伸缩，并且起到封闭作用 - 29 - 参考文献 1 张福学 . 机器人技术及其应用 M. 第 1 版，北京：

53、电子工业出版社， 2000. 740. 2 马光, 申桂英 .工业机器人的现状及发展趋势 J. 组合机床与自动化加工技术， 2002(3): 48-51. 3 曹文祥 , 冯雪梅 .工业机器人研究现状及发展趋势 J. 机械制造， 2010， 49(558): 41-43. 4 孙学俭 , 于国辉 , 周文乔 ,等. 对世界工业机器人发展特点的分析 J. 机器技术与应用， 2002(3): 8-9. 5 韩服善 . 基于 Solidworks 2000 的圆柱坐标型工业机械手设计 J. 起重运输机械， 2008( 12)： 42-44. 6 冯晋中 .2013 年中国工业机器人市场研究报告 R.

54、MIR 睿工业 , 2013. 7 韩建海 . 工业机器人 M. 武汉: 华中科技大学出版社， 2009: 1-19. 8 陆 正 勇 . 我 国 工 业 机 器 人 企 业 的 机 遇 与 挑 战 Z/OL. 2014-1-18. http:/ 9 潘丽霞 . 论工业机器人的发展与应用 J. 山西科技， 2010，25(3): 22-23. 10 河北沧州天硕联轴器有限公司 . 精密联轴器 Z. 河北：河北沧州天硕联轴器有限公司 ,2009. 11 珠海松下马达有限公司 .Panasonic A5 系列松下伺服马达使用说明书 Z. 广东：珠海松下马达有限公 司,2000. 12 湖北星星传动

55、设备有限公司 . 伺服减速机样本 Z. 湖北：湖北星星传动设备有限公司 ,2008. 13 李敬宇，周盛军，安来侃，等 . 螺杆系统手册 Z. 深圳：深圳威远精密技术有限公司 ,2013. - 30 - 附录： 1、零件受载分析报表 - 31 - 零件 1 说明 无数据 模拟对象为 日期 : 2014 年 5 月 27 日 设计员 : Solidworks 算例名称 : 算例 1 分析类型 : 静应力分析 Table of Contents 说明 - 32 - 假设 - 33 - 模型信息 - 33 算例属性 - 34 单位 - 34 - 材料属性 - 35 载荷和夹具 - 36 接头定义 -

56、 36 接触信息 - 37 网格信息 - 38 传感器细节 - 39 合力 - 39 - 横梁 - 39 - 算例结果 - 40 结论 - 42 - - 32 - 假设 模型信息 模型名称 : 零件 1 当前配置 : 默认 实体 文档名称和参考引用 视为 容积属性 文档路径 / 修改日期 凸台 - 拉伸 4 实体 质量 :10.3793 kg 体积 :0.00134796 m3 密度 :7700 kg/m3 重量 :101.717 N 零 件 1.SLDPRT May 26 17:00:22 2014 - 33 - 算例属性 算例名称 算例 1 分析类型 静应力分析 网格类型 实体网格 热力效果 : 打开 热力选项 包括温度载荷 零应