工业机器人研究毕业论文

1、工业机器人研究毕业论文摘要1绪论11.1 工业机器人研究的目的和意义11.2 工业机器人在国外的发展现状与趋势1.3 工业机器人的分类1.4 本课题研究的主要容2总体方案的确定2.1 结构设计概述2.2 基本设计参数2.3 工作空间的分析2.4 驱动方式2.5 传动方式确定3搬运机器人的结构设计3.1 驱动和传动系统的总体结构设计3.2 手爪驱动气缸设计计算3.3 进给丝杠的设计计算3.4 驱动电机的选型计算.专业.专注.3.5 手臂强度校核4搬运机器人的控制系统4.1 机器人控制系统分类4.2 控制系统方案分析4.3 机器人的控制系统方案确定4.4 PLC及运动控制单元选型5结论与展望致谢.

2、专业.专注.1绪论1.1工业机器人研究的目的和意义工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来，机器人技术及其产品发展很快，已成为柔性制造系统（FMS、自动化工厂（FA）、计算机集成制造系统（CIMS）的自动化工具。广泛采用工业机器人、不仅提高产品的质量与数量而且也保障人身安全、改善劳动环境、减轻劳动强度、提高劳动生产率、节约材料消耗以及降低生产成本有着十分重要的意义。与计算机、网络技术一样，工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。20世纪80年代以来，工业机器人技

3、术逐渐成熟、并很快得到推广，目前已经在工业生产的许多领域得到应用。在工业机器人逐渐得到推广和普及工程中，下面三个方面的技术进步起着非常重要的作用。1驱动方式的改变20世纪70年代后期，日本安川电动机公司研制出了第一台全自动的工业机器人而此前的工业机器人基本上采用液压驱动方式。但与采用液压驱动的机器人相比，采用伺服电动机驱动机器人在响应速度、精度、灵活性等方面都有很大的提高。因此它逐步代替了采用液压驱动的机器人成为工业机器人驱动方式的主流。在此过程中，谐波减速器、RV减速器等高性能减速机构的发展也功不可没。近年来，交流伺服驱动已经逐渐代替传统的直流伺服驱动方式，直线电动机等新型驱动方式在许多应用

4、领域也有了长足发展。2信息处理速度的提高机器人的动作通常是通过机器人的各个环节的驱动电动机的运动而实现的。为了是机器人完成各种复杂动作，机器人控制器需要进行大量计算并在此基础上向机器人的各个环节的驱动电动机发出必要的控制指令。随着信息技术的不断发展，CPU勺计算能力有了很大的提高，机器人控制器的性能也有了很大提高，高性能机器人控制器甚至可以同时控制20多个关节。机器人控制性能的提高，也进一步促进了工业机器人本身性能的提高并扩大了工业机器人的应用围。近年来，随着信息技术和网络技术的发展已经出现了多台机器人通过网络共享信息并在此基础上进行协调控制的技术趋势。1.2 工业机器人在国外的发展现状与趋势

5、目前，工业机器人有很大一部分应用于制造业的物流搬运中，极大的促进物流自动化，随着生产的发展，搬运机器人的各方面的性能都得到了很大的改善和提高。气动机械手大量应用到物流搬运机器人领域。在手爪的机械结构方面根据.专业.专注.所应用场合的不同以及对工件夹持的特殊要求，采取了多种形式的机械结构来完成对工件的夹紧和防止工件脱落的锁紧措施。在针对同样的目标任务，采取多种运动方式相结合的方式来达到预定的目的。驱动方面采用了一台工业机器人多种驱动方式情况，由液压驱动、气压驱动、步进电机驱动、伺服电机的驱动等等。越来越多的搬运机器人是采用混合驱动系统的，这样能够更好的发挥各驱动方式的优点，避免缺点并在它的控制精

6、度方面和搬运效率方面有了很大的提高。在搬运机械手的控制方面出现了多种控制方式。如、有原始的电控机械手，较先进的基于工控机控制的，基于PC控制的，进一步的嵌入式PC控制技术，还采用PLC可编程控制的。在物料搬运方面，近年来呈现出的趋势就是系统化。无论是我国还是国外，物料搬运的发展都是由单一设备走向成套设备；由单机走向系统。在制造业方面，随着JIT、FMSCIMS等现代制造技术的发展，对物料的搬运系统也提出了新的要求，其特点是力求减少库存、压缩等待和辅助时间，使多品种、少批量的物料准时到达要求的地点。这一趋势在机械工业方面得到了很大的应用，其中采用了机器人等先进的物料搬运技术，促进了机械工业的技术

7、进步和生产水平提高。当代工业机器人技术发展一方面表现在工业机器人应用领域的扩大和机器人的种类增多；另一方面表现在机器人机械系统的性能的提高和控制系统的智能化。前者指的是应用领域的横向拓宽，后者是在性能及水平上的纵向提高，又使扩大机器人应用领域的拓宽和性能水平的提高，又使扩大机器人应用领域成为可1工业机器人机械系统性能的提高进一步提高工业机器人的运动精度。机器人是一种多关节开链结构，因此机器人手臂的刚度一般都不高，另外由于构件的尺寸误差和传动间隙的存在，以及机器人手臂末端误差的放大作用，是当前机器人的定位与运动还不能达到很高的精度。度大、精度高的数控机床相比，机器人在工作精度上大为逊色。因此，至

8、今工业机器人在精密装配及其他精密作业中的应用中仍受到了很大的限制，除了精密作业要求高精度机器人以外，采用离线编程的工业机器人系统也要求该机器人要具有足够高的定位精度和运动精度。进一步提高机器人工作精度的主要办法：提高机器人的加工精度与装配精度，采用无障传动的减速机构，采用直接驱动电机，通过标定机器人的。2误差补偿通过实验检测对机器人运动误差进行实时修正，提高机器人手的灵活度和避障能力：当前常用机器人手的灵活度的都不够高，即手臂末端达到某一工作点时，手臂可能采取的姿态是有限的，有时要有很大的灵活度和很强的避障能力。例如:当时喷涂机器人喷涂车身表面时，要求机器人能将车身表面的各个角落都喷上漆，必须

9、要有高灵活度机器人手才行。另外，在有限空间及有障碍的复杂环境中作业的机器人。例如：在核电站工作的机器人也要求其具有高灵活度的机器人手臂。为了提高工业机器人手臂的灵活度，主要采用具有冗杂自由度的机器人手臂和在机器人手臂机构上采用膨胀胶关节及双向弯曲手臂。3提高机器人的运动速度和响应频率：为了提高机器人作业频率以及提高具有感知功能机器人的反应速度就必须提.专业.专注.高机器人运动速度和响应频率。这一点对装配机器人来说尤为重要。为此一方面可以通过采用高强度材料和轻质材料（如碳纤维复合材料）制造机器人手臂以达到减轻手臂重量和提高手臂动态特性的目的；另一方面也可以通过采用直接驱动电机或其他高性能驱动电机

10、，从控制和驱动方面提高机器人系统的运动速度与响应频率。4提高机器人手爪或手腕的操作能力、灵活性与快速反应能力：为了使机器人能像人一样进行各种复杂作业如装配作业、维修作业及设备操作。机器人就必须有一个运动灵活和动作灵敏的手腕和手爪。这一点对装配作业机器人、核工业机器人和在空间上作业的空间机器人来说是特别重要的。5采用模块化组合式机器人结构：提高机器人快速维修性能，根据优化设计，制造出多种不同尺寸和规格的手臂和连接器模块，用少量的可组合成多种机器人配置。这种机器人能进行快速维修，可以实现自动恢复。所以这种机器人结构最适用于空间机器人、核工业机器人等。如这种基本结构能推广于一般工业机器人将使工业机器

11、人的成本下降，生产周期及维修周期缩短。1.3 工业搬运机器人的分类搬运机器人【transferrobot是可以进行自动化搬运作业的工业机器人。最早的搬运机器人出现在1960年的美国，Versatran和Unimate两种机器人首次用于搬运作业。搬运作业是指用一种设备握持工件，是指从一个加工位置移到另一个加工位置。搬运机器人可安装同的末端执行器以完成各种不同形状和状态的工件搬运工作，大大减轻了人类繁重的体力劳动。目前世界上使用的搬运机器人愈10万台，被广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配流水线、码垛搬运、集装箱等的自动搬运。部分发达国家已制定出人工搬运的最大限度，超过限度的必须由搬

12、运机器人来完成。机器人自动搬运系统主要由搬运机器人、工件自动识别系统、自动启动装置、自动传输装置组成，适合于工件自动搬运的场合，尤其适合自动化程度较高的流水线等工业场合，提高生产效率和自动化程度。机器人自动搬运系统可根据用户的要求配备不同的手爪（如机械手爪，真空吸盘，电磁吸盘等），可实现对各种工件的抓取搬运，具有定位准确，工作节拍可调，工作空间大，性能优良，运行平稳可靠，维修方便等特点。物料搬运机器人的设计：1.3.1 按作业用途分类如前所述，各类工业机器人的应用围非常广泛，而且还有一种机器人多种用途的情况。通常我们依据其具体的作业用途来称呼它，如一条自动生产线上使用了相同结构的数台机器人，有

13、的用于点焊就称为点焊机器人，有的用于搬运工件就称为搬运机器人，以此类推，便有喷漆机器人、涂胶机器人、装配机器人和测量机器人等有的作业具有一定围，如潜入水下作勘查、采矿和铺4管道的机器人，就统称为水下机器人，类似还有宇航机器人等。1.3.2 按操作机的运动形态分类按工业机器人操作机运动部件的运动坐标把机器人区分为：直角坐标式机器人、极坐标式机器人，圆柱坐标式机器人和关节式机器人，另外还有少数复杂的机器。人是采用以上方式组合的组合式机器人。1.3.3 按机器人的负荷和工作围分类按照这种分类方法，工业机器人分为：超大型机器人一一负荷为1OKN以上。大型机器人负荷110KN,工作空间为110立方米。中

14、型机器人负荷为1001000N。工作空间为0.11立方米。小型机器人一一负荷为1100N,工作空间为0.1立方米。超小型机器人一一负荷小于1N,工作空间为0.1立方米。以上所谓机器人的负荷是指在机器人的规定性能条件下，机器人所能搬移的重量中包括了机器人末端执行器的重量。1.3.4 按机器人具有的运动自由度数分类机器人的自由度数的定义是：操作机各运动部件独立运动数目之和。这种运动只有两种形态：直线运动和旋转运动，其腕端的任何复杂的运动都可由这两种运动来合成。工业机器人的自由度数。一般为27个，简易型的24个自由度，复杂型的5一一7个自由度。自由度数越多，机器人的柔性越大，结构和控制也就越复杂，所

15、以并非越多越好。1.4 本课题研究的主要容(1)确定机器人运动参数及工作行程。(2)根据工件的负载情况，工作空间以及各个运动的实现形式对搬运机器人进行整体方案的设计：(1)对搬运机器人的手爪、小臂、大臂的结构设计，绘制各部分的结构草图。(2)由第二步所给定的条件和第三步的结构特点，选取驱动系统并确定驱动电机的驱动方式和传统方式。.专业.专注.(4)对个结构的质量进行粗估完成对手爪的夹紧气缸、小臂、大臂、丝杠的驱动电机以及腰部、腕部的旋转驱动电机的计算选型。(5)根据电机的外形尺寸及输出轴轴径以及电机的重量完善结构草图。(6)通过以确定的结构的质量的分析，验算重要零件的受力情况，绘制装配图2总体

16、设计方案的确定2.1结构设计概述一个机器人系统结构有下列互相作用的部分组成：机械手、环境、任务机械手是由具有传动执行装置的机械。它有臂、关节和末端执行装置构成，组合为一个互相连接，互相依赖的运动结构。机械手用于执行指定的作业业务。工业机器人的末端执行器是安装在腕端的附加装置机器人的手部可分为夹持式和吸附式两大类。夹持式是执行手：夹持方式由外夹式和撑式之分；吸附式得分为空气负压式和电磁式两种。任务是指机器人要完成的工作，机器人的类型是随着工作任务的特点而决定的。例如SCARHL器人就非常适合平面上的工件的抓取。环境是指机器人所处的周围环境。环境不仅由几何条件(可达空间)所决定的而且由环境和它们所

17、包含的每一个事物的全部自然特性所决定的。2.2基本设计参数根据次机械手的应用场合和实地的应用要求，其主要的设计参数要求如下:(1)抓取的重物：2Kg(2)机械手的自由度数：4个(3)运动参数：大臂升降：线速度：0.02m/s小臂伸缩：线速度：0.02m/s手腕俯仰：角速度：3.14rad/s腰部旋转：角速度：3.14rad/s(4)运动行程大臂升降：300mm小臂伸缩：300mm腰部旋转：正负90度手腕俯仰：正负90度2.3工作空间分析2.3.1 基座及连杆1基座基座是整个机器人本体的支撑，为保证机器人运行的稳定性，采用两块“Z”字形实心铸铁作为支撑。基座上面是接线盒子，所有电机的驱动信号和反

18、馈信号都从中出入。接线盒.专业.专注.子外面有一个引入线出口和一个引出线出口2大臂大臂长度230mm具体尺寸如图所示：小臂长度180mmM体尺寸如图所示:.专业.专注.2.3.2 机械手的设计工业机器人的手又称为末端执行器，它使机器人直接用于抓取和握紧(吸附)专用工具(如喷枪、扳手、焊具、喷头等)进行操作的部件。它具有模仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂的前端。由于被握工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态等不同，因此工业机器人末端操作器是多种多样的，大致可分为以下几类：(1)夹钳式取料手(2)吸附式取料手(3)专用操作器及转换器(4)仿生多指灵巧手本文设计对象为物料搬运机器人，并不需要复杂

19、的多指人工指，只需要设计能从不同角度抓取工件的钳形指。手指是直接与工件接触的部件。手指松开和加紧工件是通过手指的开与闭合来实现的。该设计采用两个手指，其外形如图所示：图2J机械手手指形状传动机构是向手指传递运动和动力，以实现夹紧和松开动作的机构。根据手指开合的动作特点分为回转型和平移形。本文采用回转型传动机构。图2.4为初步设计的机械手机构简图(只画出了一半，另一半关于中心线对称)。图2.4机械手机构简图在图中，O为电机输出轴，曲柄OA、连杆AB、滑块B和支架结构曲柄滑块机构：滑块B、连杆BC、摇杆CE和支架构成滑块摇杆机构。通过两个机构串联，使电机最终驱动DE的来回摆动，从而实现手指的开合运

20、动。.专业.专注.图中的黑线和蓝线表示机构运行的两个极限位置。为便于手指的顺利合拢，可以在两个手指之间设置一个弹簧，这样还可以提供适当的夹紧力。另外，在选用电机的时候，要使电机的功率足以克服弹簧的收缩和开，并且提供足够加紧物体的力。2.3.3 驱动方式该机器人一共具有四个独立的传动关节，连同末端机械手的运动，一共需要五个动力源。机器人常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。这三种方法各有所长，各种驱动方式的特点见表2.1:表2.1三种驱动方式的特点对照液压驱动：(1)输出功率很大，压力围为50-140Pa,利用液体不可缩性，控制精度较高。(2)控制性能输出功率大，可无级调速，反应

21、灵敏，可实现连续轨迹控制(3)响应速度很高(4)结构性能及体积结构适当，执行结构可标准化、模拟化，以实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大.(5)安全性防爆性能好，用液压做传动介质，在一定条件下有火灾危险。(6)在工业机器人中应用围适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机器人、点焊机器人和托运机器人。(7)成本维修及使用液压元件成本较高方便，但油液对环境温度有一定要求。气动驱动：(1)输出功率大，压力围为48-60Pa,最大可达Pa气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速。(2)控制性能不易控制，难以实现高速、高精度连续轨迹控制。(3)响应速度较高。(4)结构性能及体

22、积结构适当，执行机构可标准化、模拟化，以实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小。(5)安全性防爆性能好，高于1000kPa(10个大气压)时应注意设备的抗压性。(6)对环境的影响排气时有噪声。.专业.专注.(7)在工业机器人中的应用围适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制机器人，如冲压器机器人本体的气动平衡及装配机器人气动夹具。(8)成本维修及使用成本方便。电机驱动：(1)输出功率较大控制精度，功率较大，能精确定位，反应灵敏。(2)控制性能可实现高速、高精度连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂。(3)响应速度很局0(4)结构性能及体积伺服电机易于标准化，结构

23、性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除DD电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题。(5)安全性设备自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境防爆性能较差。(6)对环境的影响无。(7)在工业机器人中应用围适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机器人，如AC伺服喷涂机器人、点焊机器人、弧焊机器人、装配机器人等。(8)成本维修及使用成本高较复杂。机器人驱动系统各有优缺点，通常对机器人的驱动系统的要求有：(1)驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高;(2)反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁的起、

24、制动，正反转切换；(3)驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；(4)安全可靠；(5)操作和维护方便；(6)对环境无污染，噪声要小；(7)经济上合理，尤其要尽量减少占地面积。基于上述驱动系统的缺点和机器人驱动系统的设计要求，本文选用直流伺服电机驱动的方式对机器人进行驱动。2.4传动方案的确定2.41传动方案分析:方案一：.专业.专注.1大It电机2流出器iF曾同我轴4曲,h减速卷杆首电机T寸举Q同步应招带导向杆升降滑用11手用用2Z帏动方案第一、二、自由度均采用伺服电机加减速器的结构形式。大臂的驱动电机和小臂的回转轴共线。小臂的传动方案与大臂的传动方案相同，这样虽然结构上较为简单，但对大臂产生

25、了一定的不利影响并且对转矩的计算也会较为麻烦。第三个自由度即就是升降机结构采用电机步进电机加同步齿形带的传动方案。同步齿形带具有精度高，结构紧凑，传动比恒定等特点。但对安装的精度要求较高，负载能力也很有限并且不能实现反向自锁，需要另加断电保护装置。手抓结构采用较为简单的气动控制直线运动的手爪。方案二：大笆可t.三浦适格工人讨回希希斗十售F，曰速揩小卜臂起川T小皆习电机9底速器10声睡漕孙壮项11气缸1?手瓜.专业.专注.第一二自由度均采用交流伺服电机加减速器的驱动模式，故此结构较为简单。电机和小臂的关节轴是同一方向的。这是在充分考虑到小臂的驱动电机对大臂所产生的附加弯矩的条件下，对大臂的结构设

26、计特别做了加强处理。第三个自由度为丝杠螺母的升降运动，采用的传动方式是电机轴经过一级齿轮减速，再驱动滑动丝杠，利用滑动丝杠的大减速比的特点，达到控制上升的速度不至于过快。同时选择单头的滑动丝杠具有很好的自锁性能，从而在系统突然断电的情况下，不致使此自由度方向上发生运动，从而保证了结构的安全。第四自由度旋转机构也是采用电机加谐波减速器的结构形式。手爪采用目前广泛采用的而且技术成熟的连杆导杆式气动机械手，这一机械手的造价低廉、结构简单、针对此处所抓取的工件的特点是不易变形的金属工件，所以对夹紧力的要求不是太高，故采用气动机械手爪完全可以达到设计要求。1大胃电机2减速器3大背回转轴4电机5减速器6同

27、步齿形带7大臂B小臂关节固定机构9带轮10小臂11电机12减速器13潦珠丝杠14气缸15手爪图27传动方案三如图2-4所示，第一自由度采用步进电机加减速装置的传动模式。大臂与回转关节之间采用谐波减速器传递动力。小臂的驱动电机考虑到它的重量会对大臂造成较大的附加弯矩则把小臂的驱动电机安装在大臂的回转轴的轴线方向，电机输出轴与小臂的回转轴之间通过同步齿形带相连接，保证了小臂回转的精度。但这样就使的小臂的传动结构复杂，有多段承受弯矩的轴，并且电机轴也承受了一定的弯矩。第三个自由度采用滚珠丝杠并配以电机加减速器驱动的传动方案，这是利用了滚珠丝杠的传动精度高，并且是把旋转运动转换为直线运动，而不需要中间

28、环节的转化，结构简单。但滚珠丝杠必须附加自锁装置以确保能够做到断电保护。滚珠丝杠的造价高，重量也较重，因此在滚珠丝杠的材料选择方面而要求加工材料要较轻，并且滚珠丝杠需要电机的输出转矩也较大，自身减速比较小。机器人的手爪部分仍然采用较为常用的气缸配合连杆.专业.专注.式气动机械手的结构，其作用与方案一所述的相同。2.4.2伺服驱动与步进驱动的比较(1)低频特性不同步进电机在低速是容易出现低频振动现象，振动频率与负载情况以及与驱动器的性能有关。当步进电机工作在低频的时候一般还采用阻尼技术来克服低频振动现象。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。(2)矩频特性不同步进电机的输出力

29、矩随转速的升高而降低，而且在较高的转速时会急剧下降所以其最高的工作转速在300600r/min。交流伺服电机为恒力矩输出即使在额定转速以都能输出额定的转矩，在额定转速以上为恒功率输出。(3)过载能力不同不仅电机一般不具有过载能力，交流伺服电机具有较强的过载能力而步进电机因为没有这种过载能力，为了克服启动时较大的惯性力矩，往往要选取具有较大静转矩的电机，而机器人正常工作时又不需要这麽大的转矩，所以便出现了力矩浪费的现象。运行性能不同步进电机的控制一般为开环控制，速度过快或负载过大都会出现失转或堵转现象。交流伺服电机为驱动系统为闭环控制，驱动器可以直接对电动机编码器反馈信号进行采样，在部构成位置环

30、和速度环，能避免失步或过冲现象。综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机，所以在一些对位置和速度要求较高的场合，采用交流伺服系统的优势更为明显。此次的搬运机器人对工件的抓取，对其驱动系统的要求就是要能够较为准确的完成对位置和速度的控制，这样选取交流伺服电机就能够很好的满足这一点。通过对上面的方案的比较，综合分析后我认为方案二有更多的优势，而且结构合理，能够比较好的完成本次的输送线出货台的物料搬运工作。故此次方案二作为本次设计的最终设计方案。3搬运机器人的结构设计3.1驱动和传动系统的总体结构设计(1)底座如图所示：电机和谐波减速器通过连轴套筒相连，谐波减速器的输出轴和大臂的回转关节轴

31、直接相连。外壳材料采用45钢底座的轴承采用角接触轴承，使利用了它既能承受轴向力也能承受一定的径向力的特点。电机和减速器通过外壳部的凸台进行安装，这样使得结构简单，加工和安装方便。里面部件的材料采用铝合金位于底部的电机通过谐波减速器的减速对顶端轴进行驱动，从而带动了大臂回转轴和大臂一起转动，需要注意的是臂回转轴是做成一体的。.专业.专注.1电也2镂3电机周更44#5M6大If国藤勤7焯8力噌3弟曲910电机11才噌12胱13Ml14楹815电机16燥黑17建联台13气依19和20甫动当M母21清触布图31机器人的结构设计方案图(2)传动装置传动的主要方式是采用交流伺服电机加减速器的传动模式，大臂

32、的轴承选择的是角接触轴承，用此来承受较大的负载产生的弯矩，避免了减速器的输出轴，以及电机轴承受的附加载荷，从而保护了减速器和电机。大臂的长度尽可能做的短一些，这样会在整体结构简单的情况下将小臂回转关节的电机自身重量和减速器的重量尽可能多的通过壳体传递到地面，另外对大臂的设计也采用了增加强度的处理，从而尽可能电机和减速器所产生的附加弯矩对机构的影响。小臂回转关节采用了电机减速器后直接驱动小臂关节轴旋转，从而带动小臂的旋转。这里大、小臂的运动具有独立性的特点。(3)升降机构此处机械手的升降机构是采用电机加一级齿轮减速，传递动力给滑动丝杠，利用滑动丝杠的大的降速比来完成夹持工件的机械手上下移动，这样

33、可把电机输出的转动转化成丝杠螺母的上下移动，并且整体结构较为简单。同时考虑滑动丝杠的原因也是利用了滑动丝杠的反向自锁的特性，从而实现了断电保护。在滑动丝杠的外螺母上连接导向杆，这样可以对螺母起到导向作用，同时可以减少负载产生的附加弯矩对滑动丝杠的影响，进一步提高了机械手抓取时的抓取精度。(4)旋转机构如图所示，此处的旋转机构主要是利用步进电机利用键连接来驱动机械手进行旋转来实现抓取工件位姿的调整，这里是考虑到机械手在抓取工件时所需要的位姿来进行设计的，使得机械手的手爪更方便有效的完成工件的抓取。.专业.专注.机械手爪受力分析:如图13)P：机械夹持器轴向施加的作用力工C：大持活塞中心嗯手指支点

34、的即:离；R：支点错轴的半程：相中间连杆对手指的乐力用；九摩擦加二D构件间的摩擦系数:角度条件工髀三尺寸条科:a4iaX1O-其中:巴气却的理的除出力IW）D：气趾的时神mm3P：T作压力CKgflfcm?气缸晌效率一般为85%.则由（39）公式可用到气缸的M名为mU.K5乂工业SmIJSx109.8H)4二5苫册ininxlO:根据气tr的选型表可以选择的气去T内彼为63mm,山气新兰的选型手册可选LG系列气缸主要的技术参数为工气缸内针63mm最大仃程800nim,T作人力范围O0H98MPn.耐乐力147Mp上小需耍给仙,援冲行程20mm.选抨FB后法兰盘结构/根拓所选择的气缸，井计算出在

35、。.5F的室际输出力F是杳满足于指li-J胆动b的曼求.4915MPd的比h卜或际输Hlh0.85x3.14m、八，0.5xl(fX1()M63,；1.4邱.4UI*故此结果满足要求3.3 进给丝杠的设计当机械手爪抓起工件时，丝杠的负载就由以下几个部分组成：工件、手爪、驱动气缸、手爪与气缸的连接套筒、俯仰电机、减速器、丝杠套杯与L型支架等组成。它们的重量可以做一下粗估：工件40N,手爪20N,驱动气缸20N,手爪与气缸的连接套筒20N,俯仰电机55N,减速器5N,丝杠套杯与L型支架40N等组成。考虑到实际的影响因素，可以估计出丝杠的真实负载约为F=230N考虑到先前方案分析是提到丝杠要求反向自

36、锁的特点，先根据其负载情况粗选滑动丝杠的类型为单头梯形丝杠。大径d1=39mm中径d2=27mnvj、径d3=23mm,螺距P=6mm,螺杆材料为45钢，螺母材料为ZCuSn5Pb5Zn5,高度H=600mm.对所选的丝杠进行验算：.专业.专注.丝杠螺杆的耐磨性验算：国为工作压强式子当中，=0.5P=0.5x6=3mm,而n=H/F600/6=lOOmwi0带入一上式得；P二-二0.0。6期/西工并且考虑到螺杆升降速度EO,Olm/Sp3.14x27x3x100并H不是连续工作P”10N，mL可见PP,满足耐磨性要求(2)螂鼓强度校核：根据螺母材料告表,取p-35N/m2,次5-50N-mm2

37、mm-中由螺纹剪切强度公式厂一立一检验，式中工b=0.65IM).65X6=3.9加1。M加I)=d,+2dxdFO而I所以r=-二0.00327N/mm2a1314K40x3.9x100螺纹的弯曲应力。5二3x160x3力/73.14x40x3.9xKX)=0.0075则满足TPP4.Tf仃内(仃的。螺纹的强度足够,3)自锁性险证,因为是单头蝶纹,故导程十二6nni,所以幅纹升角2-arcLgarc叽3.14x27-4.05.由表面的胡对青铜的摩擦系数0.080,10.此虻可以针对此阻国取到f=O.10jp-arctg-=arctg=5.75;cos(cr/2)cos7所以/1(Q,故可日锁

38、,3.5驱动电机的选型计算3.5.1手爪旋转电机的选型计算根据惯性匹配公式，折算到同服电机:的全部负我转动惯量为人口.专业.专注.由公式可知；九=4（经产十工叫2其中：小各旋转件的转动惯量（二叫:各旋轧件的用速匣出:伺服电机的角速度（rad/s）：网各直线运动件的质量（kg）；匕各直线运动件的速度S内卜I）根据旋转机构的特点，可以把工件看成是一个绕电机轴的轴线旋转的圆柱体模型,打动惯量：J二L打二苒4x0,05=0.OO5kgrn2a2，手爪美于电机轴的转动惯量同理得4=；x2xO.|2=0.01kgJ。气缸手爪连接套筒关于电机地的物动惯量/=；x2m02?印）4kgwJ气址关于电机轴的转动惯

39、量*4*0.05-=0.005kg.用，则总转动惯量为：4=4+4+，”4=O.M5M.OIM.04+0.005=0.06kg53并考虑到正计和喊速器的转动惯量，则可扩大使（=0.07kg0，又由折算公式：（=4（些）叫（上）gf来计算根据tcoiU）初始的条件：4二31rad/v，口所具有的检定转速为310nid/5=从而可以俑定所用到的谐波减速器的减速比为，=KKL由机枸木身的特点同为I：网=0,”=0。带入折算公式，则得（=0.07（1-=0.07乂10/kg掰、又，J310根据0.25乙1,由此可以从MINAS系列电机的型号表中选出电机的，纣转动惯量4=0.20幻。7kg.ni山此得总

40、的折算到电机轴上的转动惯量J产JfJu=0.20x）040.07x10=0,27x10kg-阳J专业.专注.2）伺服电机的转矩计算,电机所需全矩可以用快速号载1起动也矩i丁二工心十7O，式中，。国一空载起动时折算到电机轴上的加速转矩；一折算到电机轴上的摩擦转知：八一由于丝杠预紧引起的附加转矩;心乂一伺服电机输出转矩的最大值：由此乂由公式丁皿W其中，灯一最大快速移动时伺服电机的转速;，一系统的时间常数；可寿到。皿60f2cl4x5000x0.27,1(广60k0X)2摩擦力也主要是由轴承的运动所产生的摩擦力所形成，记:0.2Nm、此处没有涉及到丝杠预紧，所以F=0N出乂，3;；=1刈：（交流伺服

41、电机人=LX）,3为电机的过载系数，所以T=丁+TfATr印T3b十;U1+U=q5ine.fIS18至此我们可以选出的电机型号为MINAS系列的电机，其额定功率为02K机轴定转矩为。.64%,最大静转矩为1.91Nwr,二。,51N.用.转子量匹配原则：0.25二门可以粗选电机的转动惯量为J*=2.84xl0-1,Mkg.用，带制动器，则总的折算到电机轴上的转动惯量为：J,=（L17+2.84）又107=4.0乂10I*15至此所选择的电机的额定功率为L5KW.额定转矩为4.77Nw,最大转矩为143Nm,电机惯昂为2.84x1（尸kgm2（带制动器,额定转速为3000%j口，最高转速为50

42、00711n,重量为6.5kg,电机输出轨直径为I9rnma3.5.3小臂驱动电机的选型计算一对小臂的负载进行估算:工件40N,手爪20N,一转电机重15N,气缸于爪连接套筒20N.击波减速器5N,支架40N,丝杠25N,旅速4轮5N,丝杠躯动电机65N,箱体30N.小臂3。N。根据转动惯量的平行移轴定珅7二24”十明公），对各个部分的将动惯量分别进行分析./.=x4x0.-r4x0.5:=1.02kgtir上J邯=；x2x0.152+2xOR=O.5O225kgm2.专业.专注.=x2x0.03：+2xO.52=0.5kgm:J/打“小=-x2x(1092-O,(2)+2xO.52=0.5k

43、g*nr2=&4丑=-x0.5x0r06?+0,5x0,5=()r126kg-m:.2Dn=:xL5x”25T,5X0.5=0.422kg*m/占架=1x4k()J1+4x(X51=L02ksm2蛇也2,5x0.01152+2,5x0,18?=0.081kg-m1/露轮畸运赛=-xO.5xO.(X53+0.5x0.181=009kgn/一的转动惯量为九二167x1。kg.倒(带制动器)则总的折算到电机轴上的转动惯量为:J.=C16.7+6,78)X10-4=23.48xl0-4m3o2)小臂伺服电机的转矩计算:电机所需转矩用快速空载起动转矩计算，得了+3+1十,kg一可得折算到电机轴上的各个负

44、我的转动惯量为J,二10.75x(-)=5.57x1。q*.疝口根据伺服电机208.3的惯量匹闻原则;0.25GOOTC7dOT=67N的（加速度时间为61k60x0.50.5s）摩擦力矩1：要是由釉承的运动所产乍的摩擦力所形成,记丁,=O.5Ns此处由于没有涉及到预紧，所以=0N.乂几武=4=1弼匚（交流伺服电机八L8）所以丁二兀.+乙现川明IlilHlJiiJI/PUi、ft即就妻72%=7+。3=21218IS至此所选择的电机的额定功率为3KW.额定转矩1435切.最大转矩大臂的谐波减速器选型为XBW80134120,传动比为134,输入转速03000%疝/输出拈矩l20Nm,质量为10

45、电效率为7。80%口3.6手臂强度校核大小博主要承受来口首体nq及臂端部件重量载荷，明首体要承受均匀投荷和突加载荷.由材料力学知识知道弯矩最大处发生在左端截面处，7由重力产生弯矩M1=也2突加载荷产生的弯矩m2=pi.专业.专注.故左端最大弯矩2为计算简便将两臂近似看作等我面长方体。则大小臂必须满足弯曲正此力的强度条件：铝公金材料拉IE强度|仃/介白31OMP1Qn5材料抗压强度1-二&)MP口大小臂胶合过程如E(I)大樗强度校核加/曲电机二12,5a,叫1a罂=0,5口,切大也二10依,总跳=0.5tga人:曾受力情况守=333%，P440N0.3朋2=。口7，人力=0.09加则bh2007

46、/0,0甲-6=945x103甘“M二仁”二“p3：+440x0,3-147M.切22=147/9.45X10-5=L56MP%所以大馆满圮强度要求;(2)小臂强度校核1件4ON.手爪2ON.旋转电机重15N,气缸手爪连接套筒20N,谐波减速器5N,支架40N,丝杠25N,减速齿轮5N,丝杠驱动电机65N,箱体30N,小臂30N.小臂受力情况q-pN/,p-2X5A/=O.Sfnnj/j=(L05阳川,A-().O7m/n.专业.专注._bh2_0,05x0,07*6608X10一分，一.yM=仁”=6。乂0+285x0.5=150N第22兀皿=Mm/W-/=15%.)8x1(F3=3.68M

47、及W【b铝合金4搬运机器人的控制系统4.1机器人控制系统分类1、程序控制系统：给每一个自由度施加一定规律的控制作用，机器人就可实现要求的空间轨迹。2、自适应控制系统：当外界条件变化时，为保证所要求的品质或为了随着经验的积累而自行改善控制品质，其过程是基于操作机的状态和伺服误差的观察，再在调整非线性模型参数，一直到误差消失为止。这种系统的结构和参数能随时间和条件自动改变。3、人工智能系统：事先无法编制运动程序，而是要求在运动过程中根据所获得周围状态信息，实时确定控制作用。4、机器人控制系统结构机器人控制系统按其控制方式可分为两类：1）集中控制方式：用一台计算机实现全部控制功能，结构简单，成本低，

48、但实时性差，难以扩展，其构成框图如图所示：2）主从控制方式：采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能。LRI主计%ft系与门篇窟昧碑篁生M口/.A放工锻控制例服靠元图42主从捽利方式.专业.专注.主CPI现管理、坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等；从CPU实现所有关节的动作控制。其构成框图如图3所示。主从控制方式系统实时性较好，适用于高精度、高速度控制，但其系统扩展性较差，维修困难。4. 2控制系统方案设计4.1.1 控制系统方案分析控制系统通常是指在复杂的条件下，将预定的控制目标转变为期望的机械运动。控制系统使被控机械实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制，以及这些被空机械

49、量的精确综合控制。搬运机器人的手部、小臂、大臂的动作都是通过控制系统来控制的，所以控制系统是搬运机器人的重要组成部分，控制系统的设计对于机器人的总体设计而言至关重要。目前，搬运机器人的控制方式大多采用可编程序的点位控制（PTP）方式，而在各种控制方式中，可编程序控制器（PLC）因其通用性好、编程方便、成本较低、易于设计和维护等优点而被广为使用，它完全可以取代继电器控制柜，而且可以实现比继电器功能强得多的控制功能。4.1.2 控制系统特点1、编程方法简单可编程控制器的梯形图语言程序一般采用顺序控制设计方法。这种编程方法很有规律，容易掌握。对于复杂的控制系统，设计梯形图语言程序和调试程序比设计和调试继电器控制系统所花的时间要少得多。2、控制系统简单，通用性强尽管现在世界各个生产可编程控制器的厂家和公司，有着多种品牌和种类，但其基本结构和工作原理大致相同。配以各种组件就可以灵活的组成各种规模和不同要求的控制系统。3、抗干扰能力强可编程控制器采用了一系列硬件和软件的抗干扰能力措施，如滤波、隔离、屏蔽、自诊断器、自恢复等使之具有很浅的抗干扰能力。一般无故障的时间数已经达到数万小时以上，可以应用于有强干扰的工业生产现场。现在可编程控制器已经被公认为最可靠的工业控制设备之一。4、可靠性高继电接触器控制系统使用了大量的机械触电，连线复杂，各