柔性冲压生产线搬运机器人设计

全套设计（图纸）加扣扣194535455全套设计（图纸）加扣扣194535455摘要目前，工业机器人已经广泛运用于工厂的生产车间，搬运机器人更是在车间的生产线上随处可见。由于生产车间的人工劳动力越来越缺乏，而生产车间的劳动强度也不断增强，故而越来越多工业机器人被运用到生产中，其中常见的有搬运机器人、弧焊机器人、点焊机器人等。在生产车间中机器人是工业生产中的主要劳动力，工业机器人的运用使得车间生产效率大大提高。我国的工业机器人相比国外强者来说，技术还很缺乏，需要不断的研究改进。近年来我国在工业机器人的理论、技术研究方面取得了傲人的成就，使得我国与国外强者在机器人方面的技术差距不断减小。本课题针对工厂的规模限制以及工厂中冲压机床的数量不足的现象，设计了一种搬运机器人组成柔性生产冲压线，以便将多道工序在同一机床加工。其主要任务是将指定位置的汽车冲压模具，搬运到冲压机床工作台上，在冲压完成后将工件搬运到另一处指定地点。首先，针对柔性冲压生产线的实际情况对机器人进行结构设计、材料的选择及其强度、刚度验证，包括机器人应具有的合理自由度的确定、各个关节尺寸设计，及各个运动关节的结构设计。其次，对机器人关节所需动力源的计算选择，并给出相关技术参数。本文所选择的提供机器人运动的动力元件为液压缸。进行液压缸活塞驱动力计算，及其材料的强度、刚度验证。然后，给出机器人运动控制的初步方案。最后，根据已经设计好的尺寸运用绘图软件建模。将所设计机器人模型导入ADAMS中，通过运动关系副的添加进行运动分析，得到其角速度以及角加速度的运动曲线图，以验证其合理性。关键词：工业机器人结构设计液压缸控制系统

ThedesignofhandlingrobotaboutflexiblepunchlineAbstract：Atpresent,industrialrobothavebeenwidelyusedinindustrialmachineryproductionworkshop,theuseofrobotismorecommon.Duetothelackoflaborismoreandmorecommoninproductionworkshop,andthelaborintensityisalsogrowing.,Moreandmoreindustrialrobotshavebeenappliedtoproduction,whichmainlyarehandlingrobot,weldingrobot,weldingrobotetc.Robotisthekeyequipmentintheindustrial.Withthehelpofrobot,theefficiencyisimproved.Comparedwithforeignrobot,ourrobotintechnologyisbehindthem,sowehavetodomoreandmoreresearchaboutthis.However,recentyearswehavemadegreatprogressintechnology,materialsanddesign.Weareonthewaytocatchupwitheasterncountries.Thedesignisforsolvingtheproblemwhicharethelackofpunchingmachineandlimitsize,soIhavedesignedaflexiblestampingproductionlinecomposedbyarobot,itsmainfunctionismultiplyingseveralprocessonasamemachinetool..Itsmaintaskistospecifythelocationofthecarstampingdie,movingtothestampingmachinetoolworkbench,afterthestampingiscompletedthen,movedtoanotherdesignatedlocation.Firstly,choosethematerialswhichisabletosatisfythestiffnessandthestrengthintheactualsituation.Also,Ihavedesignthestructureofthemachine.Next,dothejobwhichisverifyingthefreedomandstructureSecondly,thecalculationandselectionofthepowersourcefortherobotjointsisgiven,andtherelevanttechnicalparametersaregiven.Thepowerelementoftherobotmotionishydrauliccylinder.Hydrauliccylinderpistondrivingforce,anditsmaterialstrength,stiffnessverification.Then,thepreliminaryschemeofrobotmotioncontrolisgiven.Finally,accordingtothesizeofthedesigndothegraphicssoftware.ModeltherobotIhavedesignedintoADAMS.Throughthekinematicanalysis,theangularvelocityandangularaccelerationofthemotioncurveareobtained,andtherationalityofthemotioncurveisverified.Keywords:Industrialrobot，Structuredesign，Hydrauliccylinder，Controlsystem

目录第1章绪论 第1章绪论1.1设计背景及来源随着现代科学技术的快速发展，工业生产将面临越来越多的挑战与压力。工业生产的强度不断提高，生产精度要求也在不断的提高，以及高温高压、低温低压等恶劣的工作环境，已经不适合人工操作，故由工业机器人代替人工操作的现象越来越普遍。工业机器人是模仿人的动作，按照已经编写好的程序，及空间运动轨迹，实现抓取、搬运或进行加工的机器。工业机器人不但可以适应恶劣的工作环境，还可以提高生产效率以及生产精度等，故而工业机器人的快速发展势在必得。在美国、德国、日本等工业技术发达的国家中，工业机器人已经广泛应用于汽车制造以及汽车零部件制造、机械加工、交通运输等行业中[1]。在工业生产中使用工业机器人代替人工进行作业势在必行。本设计是来源于某工厂柔性生产冲压线，由于冲压机床的数量限制以及生产车间的规模限制，致使该生产线无法实现大批量、高效率生产。并且在生产过程中劳动强度大，故而若使用人工搬运所需要的劳动力大，成本高。基于上述原因，考虑设计一种机器人，实现夹取、搬运等工作，来代替人工操作，从而解决上述问题。1.2国内外工业机器人的发展现状1.2.1国外发展现状从20世纪60年代，在第一台由美国AMF公司制造的Versatran机器人，用于工业生产之后，经过几十年的不断发展，工业机器人已经广泛应用于工业生产中，国外对机器人的研究起步时间比国内要早很多，起初是对工业机器人的结构和信息处理的研究，工业生产技术的日趋进步将会使工业机器人越来越多的被使用到工业生产当中[2]。工业机器人技术在国外的发展较为成熟，工业机器人已经成为生产线上的主要“人员”，在一些机器人技术发达的国家中，机器人已经不仅仅局限于工业生产，而被使用到餐饮服务等行业中。国外的工业机器人技术发展速度可以用飞速来形容，是计算机技术之后又一次的技术创新。国外最为典型的工业机器人技术强国有：德国、日美、美国等国家。至今在国际上公认的拥有典型代表的是日系和欧系机器人，日系主要以安川、FANUC等为代表，欧系有德国的KUKA、瑞典ABB等[3]。在20世纪80年代，是日本机器人发展最为繁荣的阶段。德国拥有的工业机器人的数量在当时排在世界第三位[4]。图1-1为焊接机器人的一种。图1-2为工业机器人在完成作业时的现状。图1-1焊接机器人图1-2机器人的工作场景1.2.2国内发展现状各个国家对工业机器人技术的研究及其应用都非常关注，从1962年美国出现世界上第一台工业机器人之后，日本、德国等国家的机器人技术飞速提升，成为了机器人技术强国[5]。而我国的机器人相关技术相对这些国外技术强国则较为落后，我国在“七五”中将工业机器人列为我国的重要研究内容，在沈阳展开了对工业机器人的成套技术的开发研究，并获得了令人欣喜的成就。1986年，863计划的实施，让我国取得大量可喜的成就，研究制造出一批特种机器人。1980年至1990年期间，使得我国工业机器人技术又向前迈出了很大的进步，为我国工业机器人的迅速发展奠定强硬的基础。截至2007年我国已经有130多台工业机器人运用于自动喷漆生产线，弧焊机器人已使用到汽车生产的焊接生产线上[6]。在接下来的10年里，我国对多自由度关节机器人、精密装配机器人等国际前沿领域的研究开发取得优异的成果，我国的机器人技术与国际水平逐步接近。目前，智能机器人的技术研究、机器人化机械开发研究、以机器人为基础的重组装配系统等，是我国工业机器人的主要研究内容[7]。目前生产中常见的几种机器人如下。图1-3是我国的码垛搬运机器人。图1-3码垛搬运机器人1.3存在的问题我国对机器人技术研究时间不长，技术经验不成熟，以至于同国外相比落后较大。我国对国外机器人的零件购买需求很大，并且国内已经存在的机器人数量较少。国内机器人在结构方面较为复杂，简单的结构可以减少出现的问题，在质量、维护和生产成本上将会降低。在控制方面，国内的在电子方面的技术相对国外仍不成熟，需要不断提高电子技术、降低成本，来增加机器人的精度，以及降低工业机器人的生产成本。1.4本文拟使用的方案首先，对本课题的机器人进行结构尺寸的设计。为了方便结构尺寸的确定，必须先确定机器人的自由度，即机器人所拥有的关节数目，再进行尺寸的确定。其次，对机器人的每个关节进行驱动力的计算，确定动力元件的型号或动力元件各部件的尺寸。然后，根据结构设计的结果建模。最后，对所建模型仿真分析。具体步骤如下：（1）结构设计及自由度的确定。为了使机器人结构简单，除去不必要的自由度，以减少机器人的关节，本文在设计时采用五个自由度。根据生产线实际要求，选取机座底端距离冲压机床的水平距离为1.5米，确定机器人的结构尺寸，包括机器人的腰部、大臂、小臂、手部的尺寸。（2）关节及动力元件的设计。关节是机器人的核心部位，关节决定机器人的运动，是整个机器人结构最为复杂的部位。在各关节动力源选择时选用结构紧凑，灵活的元件作为机器人的驱动部件，可以使整体结构更加紧凑。根据机器人的主要任务，选用机器人的每个关节均选用旋转型，除去伸缩型关节，使结构简单化。根据机器人各关节驱动力的计算方法，确定其驱动力的大小。然后根据驱动力的大小计算设计液压缸的结构尺寸。(3)建模。根据已确定的各部件的尺寸用solidworks建模。先绘出机器人各部位以及各动力元件的零件图，然后依据装配关系将所有零件图装配起来，形成装配体。（4）运动仿真分析。将已建立好的模型导入ADAMS中，添加各关节的运动副，以及其相互的驱动力矩，实现机器人的空间运动模型，生成其运动时关节的角速度、角加速度、速度曲线图。对绘制的曲线图进行分析，验证机器人各结构尺寸、关节的合理性。（5）空间运动方程的确定。建立机器人末端空间运动的函数，由机器人在空间运动的起始状态均为零的特殊状态，确定其函数的各系数。

第2章机器人的手部设计2.1机器人的总体方案设计本课题所设计机器人的主要任务是将冲压模具搬运到工作台上，待其冲压完成后，再将其搬离工作台。在其空间运动过程中需快速、准确的达到各指定的定位点，以保证机器人的精度要求。考虑机器人的任务将机器人设计为机械手的结构形式。此机械手由手部、臂部两大部分组成。其中臂部包括机械手的腕部、小臂、大臂、机座四个部分[8]。在工作时计算机发出任务指令，由PLC控制电磁阀的移动，控制机械手完成相关任务。2.2手部设计要求手部是工业机器人用来抓取、夹持工件的机构。它是处于机器人的操作端，是机器人在按照给定的要求，执行任务时最直接的操作部位。手部的结构参数以及其负载重量等都会影响手臂的相应参数，故在设计手部时要求质量小、结构简单紧凑[9]。其一般要求如下：（1）应具有足够的夹紧力。机器人的手部在夹紧、抓取工件后，将工件从原来的位置转移到另一个位置，在这个过程中工件会产生惯性力力，在加上工件自身的重量，为了避免工件在中途脱落，手爪必须要有足够大的夹紧力[10]。一般情况下要求夹紧力为工件的23倍。（2）应具有足够的张角。不同的工件具有不同的直径或宽度，机器人的手爪必须要有较大的夹取范围，而且要具有较小的定位误差。（3）应具有足够的加持精度。手爪加持工件时，既要求夹持准确，又不能破坏工件，必须使用与工件外形结构相适应的手爪结构。如圆柱形工件一般使用“V”形手爪，以便自动定心。（4）应具有足够的强度、刚度。手爪在夹持工件移动的过程中，会产生惯性力，同时要受到工件对手爪的反作用力，如果手爪没有足够的强度、刚度就会被折弯或断裂。对于受力大的手爪，需进行强度、刚度的验证[11]。（5）应具有一定的通用性。工业机器人手爪夹持对象往往不是固定的，一般同一个手爪会对多种不同形状的工件进行操作，所以为了适应不同的工件形状，就要求机器人的手爪具有一定的通用性。本课题所设计的是柔性生产冲压线的搬运机器人，其操作对象是汽车模具冲压件，夹持部位是模具的模柄，模柄的形状为圆柱形。“V”形手爪可以增大手爪与模柄的接触面积，从而增大摩擦力，减小夹持力度。同时“V”手爪能自动定心，能够满足夹持精度要求。故本设计采用“V”形手爪。2.3机器人动力源的选择动力源是工业机器人正常工作的前提条件，为工业机器人的工作提供能源保证。目前工业机器人所使用的最常见的有电气式动力源、液压式动力源、气压式动力源三种。此外，还有使用电动机带动凸轮等机构进行动力的传递方式，这种方式是将机构当做是一种传递动力的介质称之为“机械式”动力源[12]。各种动力源的比较如下：表2-1各种动力源的特点比较方式项目电气式液压式气压式机械式执行元件输出动力/重量极小最大小极小输出动力/体积小最大较小小响应性极快快慢快动作速度慢快稍快快控制性容易容易中间位置停止难只能固定程序工业机器人在执行任务的过程中需要较大的驱动力矩，即需要的输出动力较大，根据上述表格液压式驱动符合动力条件。2.3.1动力元件的选用表2-2是输出转矩在1100左右的液压马达参数表。表2-3是输出转矩在1000左右的部分电机参数。表2-2部分液压马达的参数型号压力/MPa转速r/min输出转矩质量kgBmv40016270102032.6Jm11-F0.355F120184001014751QJm120.8se104250117564QJm21-0.5sez1623201175802QJm21-0.5T65162400117540YmD50014111640表2-3部分三相异步电动机的规格型号输出转矩质量YVP315L1-610611095YVP315L1-811611095YTS2315M1-6980870YTSZ315M1-811461025摆动液压缸又叫做油马达，其结构特点如下：输出扭矩大。结构简单、生产制造容易。价格便宜。结构紧凑、灵活质量小液压马达与摆动液压缸的异同点：相同点：两者都是将液压能量转换为扭矩、转矩的液压元件。均具有结构紧凑、输出转矩大等优点不同点：液压马达的工作原理是将液压泵提供的液压能转换为转矩输出，其与液压泵是可以相互逆转的，运作方式为旋转。而摆动液压缸则是直接有液压油提供其输出转矩的能量，其运作方式为摆动。本设计中机器人多处关节为回转型关节，即对动力源的需求为输出转矩，且所需驱动转矩较大。同时为了设计美观，将机器人的动力元件放置于机器人机身内部，要求动力元件的尺寸小、重量轻。综合设计要求与液压缸的优点考虑，本设计采用液压油缸作为其动力元件。由于各关节均为回转关节，故需要的液压缸为摆动液压缸。2.4手爪的夹紧力计算通常情况下，夹紧力必须克服工件重力、工件在移动过程中产生的惯性力，使工件能过实现平稳移动并不脱落。夹紧力是机器人手部的主要参数，在对其进行设计时需要对其大小、方向、作用点进行分析计算[13]。夹紧力的计算步骤：（1）首先根据生产线的实际情况及设计要求，确定安全系数，根据机器人工作速度要求，计算出手爪的最大加速度，确定出工作情况系数，根据手爪夹持方位和夹持工件的方式查表确定方位系数，夹紧力。（2）根据手爪驱动力的计算公式，求出液压缸应具有的驱动力F计算。（3）在生产中使用时液压缸的驱动力F实际要大于F计算。考虑手爪的机械效率，一般取。2.4.1手指结构受力分析对手指结构受力分析如下：图2-1手爪结构受力分析在拉杆3的作用下，销轴2所产生的拉力F向上，并且通过中心点O，手指两滑槽对销轴产生的反作用力为、，反作用力、的方向为，垂直于、并指向点。A、B分别为、延长线与的交点。由得=由得由得因为所以（2-1）式中a为手指的旋转支点到中心线的距离（mm）；根据设计要求取a=30mm。b为手指旋转支点到手指夹持中心线的距离（mm）；取b=80mm。为工件在被夹紧时手指滑槽与两支点连线的夹角。取2.4.2手指对工件的夹持力的计算手指对工件夹持力可按下式计算：（2-2）式中为安全系数，通常取。本设计取=1.2；为工作情况系数，通常考虑惯性力对手指的影响；可按下式估算：其中为搬运工件时重力方向的最大上升加速度；g为重力加速度，g=9.8m/s2；为搬运工件时，工件在重力方向上的最大上升速度；根据柔性生产冲压线的实际情况，上升最大速度取。为达到最大速度的时间，根据选用的参数选取。一般取；根据要求本设计为方位系数，根据手指形状以及手指在夹持工件的位置进行选定。由于本设计是用工业机器人搬运放置于地面的汽车冲压模具，并且模柄的方向统一为竖直向上，在夹取时“V”形手指从两边夹住模柄，实现机械手对工件的抓取。故采用的是手指是垂直放置并且夹持垂直放置的工件，通过粗略计算.G为工件的所受重力。根据生产实际以冲压工件的质量为70kg为标准计算。将数据带入计算：；；将、带入式（2-2）得2.4.3夹紧缸驱动力的计算由代入公式（2-1）得：F计算考虑手爪的机械效率得：F实际=F计算/=11189.5/0.85=13164N2.4.4液压缸的尺寸计算（1）确定液压缸的直径DF实际=（D2-d2）p（2-3）液压缸活塞杆直径d与内径D、工作压力p的关系如下表2-3：表2-3液压缸活塞杆直径与工作压力p、内径D的关系活塞杆受力情况工作压力p/MPa活塞杆直径d受压及受拉P5（0.50.55）D受压及受拉5p7（0.60.7）D受压及受拉P70.7D根据表格取p=3Mpa，活塞杆直径d=0.5D。D===86mm表2-4液压缸内径、活塞杆直径的标准系列名称数值液压缸的公称压力系列（GB/T7983-1987）/MPa0.63、1.0、1.6、2.5、4.0、6.3、10.0/16.0、25.0、31.5、40.0液压缸内径系列（GB/T2348-1993）/mm8、10、12、16、20、25、40、50、63、80、（90）、100、（110）、125、（140）、160、（180）、200、（220）、250、（280）、320、（360）、400、（450）、500活塞杆直径系列（GB/T2348-1993）/mm4、5、6、8、10、12、14、16、18、20、22、25、28、32、36、40、45、50、56、63、70、80、90、100、110、125、140、160、180、200、220、250、280、320、360根据表2-4查得取D=80mm，d=40mm。（2）液压缸材料的选择选取45号钢作为液压缸的材料，其抗拉强度=600Mpa；屈服强度=355Mpa。。本设计所有液压缸均使用45号钢作为液压缸的材料。活塞杆的强度验证：[A]所以A故符合强度要求。表2-5液压缸外径标准系列产品系列代号额定压力/MPa缸筒内径材料40506380100125140160180200A型1650607695121146168194219245202050607695121146168194219245452550608310212115216819421924545325463.58210212715216819421924545B型165063.57695121152168194219245查表2-5得出液压缸外径为95mm。（3）液压缸缸盖螺钉的计算验证①缸盖螺钉数目的计算为了保证液压缸联接的紧密型，必须规定液压缸缸盖螺钉之间的间距，然后决定螺钉的数目。出于安全考虑工作压力p=2.5时，螺钉间距t。液压缸缸盖周长；取螺钉间距；螺钉数目;取Z=6②螺钉强度的验算联接螺栓的强度验算工作可按拉应力和剪切应力的合成应力来进行，即(2-4)(2-5)(2-6)式中F为液压缸负载；k为螺纹内拧紧系数，k=1.12；为螺纹内摩擦系数，通常取；为螺纹直径；为螺纹内径；Z为螺纹数目；材料的屈服极限，45号钢为355Mpa；为安全系数，通常取，故/1.2=295.8Mpa。代入式（2-4）得：=3.5mm取=4mm液压缸的密封密封的作用是使两接触面之间的缝隙封住，以减小或阻止泄漏[14]。液压缸的密封件一般采用断面形状分类，有O形、U形、V形、Y形、L形等。除O形密封件以外，其他几种密封件均属于唇形密封件。本设计采用O形密封圈加挡圈的方式密封，O形圈加档圈，以防O形圈被计入间隙中。O形密封圈的截面形状为圆形，其特点是结构简单、密封可靠、容易生产、摩擦力小，因而应用广泛，既能用于固定件的密封，又能用于运动件的密封。本设计液压缸的采用同一密封方式。2.4.5手指的刚度验证根据实际要求取手指滑槽长度L=40mm，滑槽到支点的长度d=12mm，滑槽到顶端的长度c=8mm。手指的宽度为12mm，厚度为8mm。由前面章节中对手指夹紧力、驱动力的计算可知，手指最大切应力发生在带滑槽段的手指部位，对其进行刚度的验算。查表2-6得，使用插入法计算得出。表2-6矩形截面杆扭转时的系数、2.53.04.06.00.2580.2670.2820.2990.2490.2630.2810.299==5042N对于钢件：=所以[]符合刚度要求。

第3章臂部的结构设计3.1腕部的结构设计3.1.1工业机器人的腕部结构特点腕部是位于手部与手臂之间，腕部的功能是调整机器人在运动时手部的位置，增加机器人的活动范围，使机器人变得更加灵活[15]。机器人的手腕拥有独立的自由度。为使手部变得灵活，手腕一般设有回转运动。目前，摆动液压（气）缸是应用最为广泛的回转机构，其特点是结构紧凑、灵活、必须严格密封，否则会影响扭矩的输出。手腕的结构设计应该满足下面几点要求：（1）结构应紧凑、重量轻。在结构设计时腕部的每一个自由度都要配有一套驱动装置和执行装置，并且这些装置需要容纳在腕部的结构空间中，这就要求驱动装置和执行装置的外形尺寸要小，质量要轻。（2）灵活度要高，密封性能好。对人体而言手腕几乎是最为灵活的部位，可以实现多方位的转动摆动，具有很高的自由度。作为机械手的腕部来说同样要求其灵活，以便更好的完成任务。（3）应能适应工作环境的需要。本课题所设计的手腕拥有两个自由度，一个是手腕的回转运动，实现手爪在夹取工件时的位置调整，另一个则是机器人手部的摆动，实现机器人整个手部与水平方向上的夹角。3.1.2工业机器人的腕部回转力矩计算工业机器人腕部回转时，需要克服腕部支承处的摩擦力矩、由于工件重心偏置所引起的力矩、腕部启动时的惯性力矩。腕部受力示意图如3-1所示。图3-1手腕的受力示意图腕部支承处的摩擦力矩=(3-1)式中为轴承摩擦系数，滚动轴承取=0.2，滑动轴承取=0.1；、为轴承处支反力（N）；、为轴承直径（m）。为了简化计算，取=0.1（3-2）图3-2中、分别为工件的重量、手部重量（kg）。工件重心偏置所引起的偏置力矩（3-3）式中e为工件重心与回转中心的垂直距离。由于本设计的工件为冲压模具，工件重心与模柄中心线重合，即与回转中心线重合，故e=0，=0启动时的惯性力矩将腕部的启动视为加速度一定的运动，根据回转角速度以及启动所需时间有：=（J+）(3-4)式中为回转角速度（）；为启动所需时间（s）；J为手腕回转部件对回转中心轴线的转动惯量（kg.）；为工件对回转中心轴线的转动惯量（kg.）。设①取手指、手指驱动液压缸以及手腕回转液压缸为圆柱体，高度为，直径为，总质量为。②取=0.1。③腕部的启动时间=0.2s；=150=2.616。④工件的尺寸形近似以工作台的尺寸形状计算。故J=m/2=15=将数据带入式（3-4）得=（J+）由式（3-2）、（3-3）得总力矩为：M=+=0.1+(3-5)所以M=49.783.1.3回转油缸的驱动力矩计算回转油缸的压力p与驱动力矩M的关系式如下：(3-6)式中M为回转油缸的驱动力矩（）；为回转油缸的工作压力（），此处取；R为回转油缸缸体内壁半径（mm）；r为输出轴半径（mm）；b为动片宽度（mm）；一般情况下，取；取R=2d；将关系式带入式（3-6）得R=(3-7)R===45mm根据表2-4得取R=50mm；则b=r=R/2=25mm根据表2-2得出液压缸外径为60mm。3.1.4液压缸缸盖联接计算验证①缸盖螺钉数目的计算由上一章螺钉数目计算知：螺钉间距t。液压缸外径周长L=取t=60mm则螺钉数目取Z=3②螺钉强度的验算螺钉的受力计算（3-8）（3-9）式中为计算载荷；为预紧力；。D为危险截面直径(mm)。此处为螺钉安装位置取D=55mm。螺钉的强度条件为：=1.3/故d(3-10)d为螺纹内径。由式（3-9）得3.14=2374.625N取k=1.5，将数据带入式（3-8）得=2.5带入式（3-10）得d=5.765mm取d=6mm3.2工业机器人的臂部结构计算手臂是机器人的握持部位，也是机器人主要的运动部位[16]。它的主要作用在于，支承手部和腕部，并使手部在空间中作规定的运动，所以臂部的工作范围、承载能力等性能直接影响整个工业机器人的做工性能。机器人的手臂通常有23个自由度。手臂的滋生质量较大，在工作时所承受的力包括工件重量以及手部等的自身重量。并且机器人在运动时由于惯性力的存在，会产生惯性力，影响机器人的精度[17]。3.2.1工业机器人的臂部设计要求机器人的臂部首先要能够满足规定的运动要求，因此必须满足下列要求。（1）承载能力强、刚度大、质量小。由于工件质量较大，机器人在运作时各部位承受的重量都较大，特别是臂部。为了防止在作业过程中臂部出现变形、折弯等现象，臂部的刚度要足够大，同时截面形状设计要合理。在设计手臂时，选用空心轴作为臂部结构的刚度比实心轴的承载能力要大，同时能减轻臂部质量，所以空心轴是一种不错的选择。（2）定位精度要高。臂部的运动直接影响手部及手腕的运动，当臂部精度不高时，机器人在执行任务时定位误差很大，甚至出现任务出错的现象。（3）偏重力矩要小。臂部对回转中心轴所产生的静力转矩被称之为偏重力矩，偏重力矩与手臂质量有关，故应减小手臂运动部件的重量，从而减小偏重力矩。3.2.2臂部的结构形式。能够实现左右摆动或者上下摆动的手臂被称为回转运动型手臂，而能实现升降、收缩的臂部被称为直线运动型手臂。直线型和会转型运动的组合运动型臂部被称为复合型运动手臂。本课题所使用的是回转型手臂，需要实现手臂的上下摆动，以及左右摆动。3.2.3臂部的驱动力矩计算手臂运动时所需要的驱动力矩，是手臂运动时所产生的惯性力矩与运动过程中所产生的摩擦力矩之和。=（3-11）式中为油缸密封装置处的摩擦力矩总和；为臂部运动时的惯性力矩。设手臂各部位为直径100mm，长度为1800mm的圆柱体，质量m=40kg；则=N.m.在出计算时，为了简化计算通常省略运动过程中的摩擦力矩，而已效率来代替，计算公式如下：=(3-12)=813.03/=934.52由公式3-6、3-7得出液压油缸的内径为：R==118mm查表2-4得取R=125mmr=d=63mm查表2-5得出液压缸外径为146mm。3.2.4缸盖联接件的计算验证①螺钉数目液压缸外径为146mm，则周长L为：L==3.14458.44mm取螺纹间距为t=50mm则螺钉数目Z为：Z=L/t=458.44/60=9.17取Z=10②螺钉强度验算由式（3-8）取螺钉安装处直径为D=130mm，则3.14=3979.95N由式（3-9）得=2.52.59949.875N由式（3-10）得d=7.464mm取d=8mm3.3机座的结构设计机座作为整个机器人的支撑部位，需要承受整个机器人的重量，包括机器人在作业时被抓取工件的重量，是机器人最为基础的部分。针对机器人手臂的运动情况，机座有不同的形式，同时手臂的自由度的多少，影响着机座的复杂程度，自由度越多，机座结构越复杂。通常情况下，机座有两种形式，第一种为固定式机座，它是将机器人固定在某个位置完成规定的任务，通常此类机器人运用于流水生产线上。第二种为移动式机座，一般是沿轨道做移动，此类机座必须考虑机器人的重心问题，也包括也机器人在作业过程中的重心偏移问题，设计难度相对增大。本课题为冲压模具的搬运机器人，其工作方式是在固定位置将指定地点的待加工工件搬运至工作台，在将冲压完成后的工件放置于指定地点。所以本课题采用固定式机座。用solidworks建模如下：图3-2机座的外形结构

第4章机器人的控制系统设计工业机器人控制系统的主要作用是，控制机器人各个关节在空间中的运动顺序，以及各关节在空间的位置、运动速度、运动加速度、空间运动轨迹等。工业机器人在空间的一系列运动是由各个关节的运动而引起的，工业机器人的控制系统控制各个关节的运动，实际上就是控制操作末端的运动。通过对控制系统的设定，可以控制机器人在空间中的运动轨迹、运动速度等一系列操作。故而机器人的控制系统犹如人的大脑，大脑通过神经传出一系列指令，手部等个关节按照指令完成规定的任务。4.1机器人的控制方式机器人的控制方式是多样化的，根据不同的要求，通常将其分为点位控制、智能控制以及连续轨迹控制等。机器人的点位控制方式机器人在空间的运动是连续的、不间断的，但并不是所有工业机器人一系列在空间轨迹都要进行作业，也就是说有些机器人对空间的运动轨迹并不要求，如搬运机器人。搬运机器人的任务要求是从一个位置将工件搬用至另一个指定位置，对机器人走什么样的路径到达指定点不做要求。这种只对机器人在某些空间点做出控制的方法叫做点位控制方式。控制时只要求机器人能够规定的时间内、准确到达指定点，对其运动轨迹不做规定。这种控制方式的特点是，简单容易实现、控制精度不高[18]。这种控制方式常用于搬运、点焊等工业机器人中。连续轨迹控制方式机器人的连续轨迹控制方式与点位控制不同，它要求机器人在空间运动时，对空间轨迹进行控制，即对使用此类控制方式的机器人有严格的规定运动轨迹，同时对其移动过程中的速度、加速度进行控制。通常情况下这类机器人对精度要求高。多用于弧焊、喷漆等作业中。智能控制方式智能控制是通过对机器人添加传感器，让机器人获得工作环境的实际情况，然后依据知识库做出相应的对策[19]。这类控制方式的特点是，能够使机器人拥有很强的环境适应能力，同时也拥有自我学习的能力。但其控制结构复杂、成本、技术高。本课题所设计的是冲压生产线上的搬运机器人，记住要功能为搬运，故对空间轨迹的要求不做规定，故本设计采用点位控制方式。除起点与终点外在空间中在添加适当点位，以规定机器人的大致运动轨迹。机器人的运动顺序为从原点出发到达工件点位，抓取工件后先做小臂的向上摆动，调整腕部与小臂之间的夹角，然后再做大臂的向上摆动，调整大臂与小臂之间的夹角，在做机身的旋转运动。最后在将大臂往下摆、小臂往下摆，将工件放置于工作台上。在工件加工完成后，机器人的运动与抓取时运动顺序相似。4.2控制方案的设计液压回路电磁阀PCPLC执行检测控制系统的控制方框图如下：液压回路电磁阀PCPLC执行检测图4-1系统结构框图从系统结构框图（图4-1）可以看出，pc机、PLC是系统的核心，起到控制机器人运动的作用。PC机即为计算机，利用计算机中的软件环境，以及其强大的计算功能作为机器人的大脑，实现对机器人的监测、管理。通过编程给出机器人的需要完成的运动，再由计算机发出指令，通过PLC控制、协调机器人各关节的运动。PLC控制电磁阀的移动，实现机器人关节中动力源装置即液压缸油腔的油量的调节。PLC控制电磁阀移动控制油腔油量，而油腔增加或减少油量的多少又能控制机器人的旋转方向和旋转角度的大小。同时PLC对液压回路进行控制，调节进油的速度，增加其调控精度，从而提高液压缸的精度。PC的使用优点：计算机拥有强大的软件资源，以及高速精确的计算功能，作为机器人的管理者，能减少机器人的反应时间，提高机器人的效率。同时能够进行人机交互，增加人工对工业机器人的操控性。PLC拥有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点[20]。在PLC对电磁阀进行控制时，其控制方法简单，只需要发出控制指令，即可对机器人的运动进行控制。同时PLC控制器硬件配置小，电路简单，成本低。4.3控制策略机械手在空间运动具有较大的运动惯性，当达到指定定位点要求停止运动时，由于机械手的惯性力而造成很大冲击，同时使机械手的精度降低。为了减小惯性力的影响，通常可以在结构中添加缓冲装置，以消除其惯性力。但这种方法会使结构变得复杂，同时成本增加。本文中将使用另一种减小惯性力影响的方法，通过对机械手的运动速度进行控制，以减小惯性力的影响。本文将这种方法称之为控制策略。控制策略是指将机械手的匀速运动转变为先匀加速后匀减速的运动过程。如：当机械手以0.6的速度匀速运动到某一定位点时，机械手的惯性力会产生很大的冲击力，故而造成精度的下降。若将机械手的运动速度改为前一半路程的匀加速运动，后一半路程的匀减速运动，到达指定点的速度为零，故而消除了惯性力对的影响，提高了机械手的作业精度。这种方法的缺点是机械手在到达同一指定点的时间增长。综合考虑，为了提高机械手的精度，本问使用先匀加速后匀减速的运动方案。

第5章机器人的运动仿真5.1机器人的建模根据前面几个章节对机器人结构、动力源的设计计算的结果进行建模，画出机器人各零件的三维模型，在将其装配为机器人的整体装配模型。机器人模型建立的软件有很多，其中最为常见的有proe、UG、solidworks等软件。Proe是美国参数技术公司开发的一款CAD/CAM/CAE一体化的三维绘图软件，在目前的三维软件中拥有着重要的地位，得到业界广泛的认可[21]。它第一个提出参数化设计的概念，使用单一数据库解决相关问题。Proe可以进行零件绘制、进行装配体的绘制装配、钣金设计等。UG同样是一个三维绘图软件，它是SiemensPLMSoftware公司出品，它所使用的系统为交互式系统，拥有强大的功能，可以轻松的实现复杂结构的绘制。Solidworks是世界上第一个使用基于Windows系统开发设计的三维绘图软件[22]。它具有操作简单方便的有点，得到业界的广泛推广应用。本文在根据结构设计的计算结构绘图时所用的软件为solidworks。5.1.1使用solidworks建模（1）手部的建模根据手部各零件尺寸绘制出零件图，完成零件绘制后，实行零件的装配。图5-1为手部的装配效果图：图5-1机器人手部效果图液压缸活塞杆的进行伸缩时，通过销轴在手指滑槽内的移动，使手指实现夹取与张开运动。（2）腕部的建模图5-2为手部与腕部的连接件。图5-3为腕部外形结构图5-2手部与腕部连接件图5-3腕部外形结构腕部拥有2个自由度，一个为回转运动，另一个为摆动运动。摆动结构与小臂相连接，带动手部与手腕的上下摆动。回转结构是整个手部进行回转，主要作用为调整手爪的位置，方便对工件进行抓取。（3）机器人的整体外形结构图5-4为机器人结构外形图。图5-4机器人外形图其中机身可以围绕机座做回转运动，调整整个机械手的方向。大臂能做上下摆动，调整手部在空间中的位置，主要为与水平方向的夹角。同样小臂也可以围绕大臂做上下摆动，其作用与大臂相同。手腕的上下摆动主要实现手部位置的调整。5.2机器人的仿真运动本设计在仿真运动时使用的软件为ADAMS，使用ADAMS进行仿真运动的主要任务是，机器人的运动学和动力学分析。绘制出机器人的运动学曲线图。5.2.1ADAMS的介绍ADAMS是AutomaticDynamicsAnalysisofMechanicalSystem缩写，是美国MDI（MechanicalDynamicsInc.）公司研究开发的著名机械动力学仿真分析软件[23]。ADAMS以其强大的仿真能力，以及其成熟的虚拟样机技术成为目前应用最广泛的仿真软件。它主要的作用是进行动力学、运动学分析和静力学分析[24]。它拥有5大模块系统，用户可以通过模块实现建模与仿真分析。仿真分析后有专门的模块输出仿真结果，即线速度、角速度等曲线变化图，方便用户对所建模型清晰的掌握其运动参数，同时也方便用户检查可实行性。5.2.2实际操作首先将已经建模好的文件以parasolid格式保存，以方便在ADAMS中打开。将保存的文件导入ADAMS中然后进行工作环境的设置。进行机器人的重力设置。根据模型导入情况设置正确的重力方向，本文在导入时的重力方向为-y方向。如下图：图5-5重力方向的设定设置零件材料。首先为机器人选择各部位的零件材料属性，本文使用55号钢材料。如下图图5-6材料的设定添加约束。在ADAMS中约束的类型很多，有固定副，旋转副、移动副、齿轮副等。本文中的机器人各个关节都是旋转运动，故需要旋转副。添加驱动。在机身回转关节处添加力驱动，在其他各关节处添加，力矩驱动，在手指部位添加负载力70kg。如下图：图5-7驱动的添加5.3仿真结果在仿真运行结束后，ADAMS可以绘制出相关角加度、角速度、移动速度曲线图，绘制结果如下：图5-8为机器人末端位移曲线图；图5-9为机器人末端角速度曲线图；图5-10为机器人末端速度曲线图；图5-8机器人末端位移曲线图图5-9机器人末端角速度曲线图图5-10机器人末端速度曲线图机器人在进行空间运动时，每个关节的角速度、角加速度会随着机器人末端移动速度的变化而变化。上述曲线图是机器人末端操作器，在按照某个规定轨迹运动时的角速度、位移、移动速度图的变化情况。从上述图线可以得知：由于机器人惯性力的存在，机器人各曲线图出现变化剧烈的现象。机器人末端操作器角速度与速度曲线图变化趋势相近，位移曲线图与速度曲线图变化率大致相同。说明机器人在空间运动的情况与实际符合。5.4轨迹方程5.4.1空间坐标的选用对机器人运动轨迹的描述可以在关节空间中进行，也可以在直角坐标中进行[24]。两种表示方法在其本质上是相同的，但在具体的表示形式上各不相同。关节空间是将机器人在空间运动的关节变量以时间函数t来表达，其速度。、加速度的表达式需通过对关节变量函数式求导得出。而直角坐标空间是直接将机器人末端操作器的速度、加速度用时间函数t来表达。两种表达方式各有其优缺点。前者的优点是其描述对象为运动关节，不需要通过其他转换。后者的优点是方便直观，但在机器人执行时还需转换为关节空间。当规定机器人的运动路径时必须在直角坐标空间中进行。在不要求机器人按照规定的路径运动的情况下，最好使用关节空间坐标[25]。由于本设计机器人使用控制方式为点位控制，即对其运动要求是在规定的时间到达规定的点位，对其在空间中的路径不做要求。机器人可以选择不同轨迹进行运动，但其所用的时间是相同的。故选用关节空间坐标。5.4.2坐标方程的确定本文在考虑轨迹规划时，采用起始点与终止点的手腕关节角度函数来表示其运动轨迹。用来表示起始时的角度，即手部在抓取工件时的角度。用来表示在终点时的角度。即：（5-1）由于机器人在起始点、终点的角速度都为零，故（5-2）由（5-1）、（5-2）确定唯一多项式：（5-3）运动过程中其速度为：（5-4）加速度为：（5-5）将式（5-1）、（5-2）带入（5-3）、（5-4）得（5-6）由式（5-6）可得（5-7）由以上公式可知三次多项式函数为：（5-8）取机器人从抓取工件到把工件放置到工作台上，所用时间。起夹取工件时腕关节的角度为，到达工作台时的角度。将数据带入（5-7）可得：由式（5-3）、（5-4）（5-5）可得轨迹方程为：（5-9）在求出方程的四个系数之后，便得到了机器人的轨迹方程，而根据方程式（5-9）可以算出任何时刻机器人关节在空间中的位置，驱动系统便可以据此控制关节在空间的运动，从而控制机器人执行指定的任务。

总结本文主要从机器人的结构设计出发对机器人各关节的驱动力的计算、验证，根据计算结果选择了相应的动力源，并计算设计其相关参数、及其强度刚度验证。在结构确定后对机器人进行建模，以及仿真运动。通过以上工作得出以下结论：（1）结构的设计。机器人每增加一个自由度，其灵活程度将大大增加，但其结构就会变得非常复杂，而致使机器人的生产成本大大增加。同时自由度的增加会使机器人的空间运动复杂化，从而在其轨迹规划上难度大大增加，控制难度也随之提升。故而在设计机器人结构是应避免不必要的自由度出现。采用结构简单的回转关节结构，可以使设计过程简单清晰。回转关节的设计需要注意其回转的较大大小，即工作范围。同时转动时的控制精度决定了工业机器人的定位精度的大小。（2）动力元件的选择设计。动力元件是工业机器人在运动时的动力来源，是机器人实现空间运动的必要条件。在选择时，需要考虑到机器人的结构问题，根据结构的设计要求，选择结构紧凑、驱动力足够的驱动元件，并且要求其精度达到设计要求。（3）控制系统的设计。机器人的控制系统控制着机器人在空间中运动，对其自身的控制精度同样有着要求，即对其响应时间有着要求。在设计时增加人机互动可以增强人工对机器人的控制。在控制系统中加入plc的控制，可以使系统简单方便。

致谢从大四上学期期末时开始了本次毕业设计的准备工作，经过前期准备和几个月的设计计算工作，本次毕业论文终于完稿。在这过程中，无论是设计计算工作，还是模型的建立，甚至到论文的编写都遇到了不同程度的问题与困难。经过资料的查阅以及老师的指导，最终解决了设计过程总所遇到的困难。本次论文能顺利完成，首先要感谢我的指导老师刘念聪老师，感谢刘老师对我的耐心指导，以及对我在设计计算过程、论文的认真检查、批改，感谢他的无私付出。其次感谢在此过程中帮助、关心我的同学和朋友，你们的支持给了我很大的动力，谢谢大家。最后感谢本文中所涉及到的所有文学作者，你们的文学成果是我此次论文的基础。

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