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压铸产品取件机器人结构设计及强度分析,压铸,产品,机器人,结构设计,强度,分析

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摘要本文研究对象压铸产品取件机器人本质上是一种串联机器人，其主体结构分别为机械臂安装的底座机构，多个运动关节模组机构组成的串联机械臂及末端夹持执行机构。压铸产品取件机器人各关节主体零件大多数采用复杂形状的大铸件，一些辅助零件比较小且数量多，机械臂一体式的结构增强了整个串联机械臂的强度和刚度；在驱动布局上，相邻两轴的电机安装于同一轴部的主体零件上，极大的提高了动力的传递效率；六自由度取件机器人末端设计一种气动机械爪，极大的提高机器人的工作空间和抓取效率。本文具体研究内容如下：首先，根据工作空间和自由度的要求，在满足各个运动构件的参数要求情况下，设计压铸产品取件机器人的总体机械结构方案；其次，根据工作要求和性能指标要求，对压铸产品取件机器人的抓取运动进行轨迹的规划和设计；最后，根据技术参数和性能指标要求，绘制压铸产品取件机器人的二维装配图，并对压铸产品取件机器人中的传感器、驱动装置等设备进行选型和设计。 关键词：压铸产品取件机器人 方案设计 轨迹规划 样机模型ABSTRACTIn this paper, the flexible manufacturing system pick-and-place manipulator is essentially a series robot, whose main structure is the base mechanism of the mechanical arm installation, the series mechanical arm composed of multiple moving joint module mechanisms and the end clamping actuator. Flexible Manufacturing System The main body parts of the pick-and-place manipulators mostly use large castings with complex shapes. Some auxiliary parts are relatively small and numerous. The integrated structure of the mechanical arms enhances the strength and rigidity of the entire series of mechanical arms. In the drive layout, the motors of two adjacent axes are mounted on the body parts of the same shaft. The specific research content of this paper is as follows:Firstly, according to the requirements of working space and degree of freedom, the overall mechanical structure scheme of the flexible manufacturing system pick-and-place manipulator is designed under the condition that the parameters of each moving component are met.Secondly, according to the requirements of work and performance indicators, the trajectory planning and design of the grabbing movement of the flexible manufacturing system.Finally, according to the technical parameters and performance index requirements, draw a three-dimensional assembly drawing of the flexible manufacturing system pick-and-place manipulator, and select and design the sensors, driving devices and other equipment in the flexible manufacturing system.Keywords: flexible manufacturing system pick-and-place manipulator；scheme design；trajectory planning；prototype model目 录摘要IABSTRACTII目 录III第1章 绪论11.1 研究的背景及目的11.2 国内外压铸产品取件机器人研究现状11.3 本课题研究的意义31.4 本章小结3第2章 压铸产品取件机器人的方案设计42.1 设计要求42.2 压铸产品取件机器人原理介绍42.3 设计内容5第3章 样机设计63.1 气动抓取机构设计63.2 底座设计63.3 机械臂设计73.4 整机设计8第4章 样机轨迹规划与部件选型104.1 机械臂轨迹规划104.2 转动惯量及重力矩计算114.3 驱动电机和减速器选型计算134.3 气缸选型16第5章 压铸产品取件机器人仿真分析17第6章 工程定额预算216.1 压铸产品取件机器人制造的成本预算216.2 压铸产品取件机器人制造对环境的影响216.3 压铸产品取件机器人的社会效应22结论23参考文献1致谢33第1章 绪论1.1 研究的背景及目的压铸产品取件机器人本质上是一种串联工业机器人。在工业生产中，大多数工业机器人所采用的机构为串联机构，串联机构是一种开式运动链机构，它是由一系列连杆通过转动关节或移动关节串联形成的，其末端执行器相当于一条通过多个关节串联而成的悬臂梁。目前对串联机构研究较为成熟，串联机构具有结构简单，成本低，控制简单，运动空间大等优点。发展机器人产业对于提高一个国家的国际竞争力具有重要的战略意义，工业机器人是一个科技集合体。在工业机器人的设计开发过程中，机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等众多先进学科被用于制造现代化智能装备。经过近三十年的发展，各种用途的机器人在各个特定的领域已快速应用并不断地向智能化发展1、2。目前压铸产品取件机器人被广泛应用于压铸产品工业处理生产线中，压铸产品取件机器人采取紧凑型设计，设计时串联机器人采用轻量化的刚性镁铝合金加之覆盖在其上的塑料外壳，在机器人进行工作时能够很好地吸收外界的振动及冲击波，从而能够保证机器人的运动精度。设计拥有人体尺寸和人体肢体动作，在压铸产品取件机器人操作时能够有非常好的人机交互感，当机器人与人类发生碰撞时，它能够在几毫秒的时间内暂停运动并且可以很轻松的再次进行复位，其关节处没有任何加紧点，在关节开合的过程中不会对人体造成危害。压铸产品取件机器人的结构设计适用于机器视觉的部件定位、引导式编程，加之结构设计时智能化和多功能用途的末端执行器，可以很好的满足了目前生产中的柔性生产和灵活制造的需求。目前压铸产品取件机器人被广泛的应用于小件装配的环境中，相比较于传统手工装配工艺，压铸产品取件机器人的广泛应用与发展大大的解决了高速增长的产品需求与目前手工操作难以满足生产要求之间的矛盾。因此，无论从战略角度还是经济性考虑，压铸产品取件机器人的应用前景非常光明，我们应不断地开拓进取以再一次突破机器人自动化的界限。1.2 国内外压铸产品取件机器人研究现状早在上世纪90年代，国外就对压铸产品取件机器人进行了大量的研究，国外专家学者对压铸产品取件机器人的研究主要包括机械臂在运动时的运动轨迹规划，双臂协调算法以及力矩和作用力的控制等几方面3-5。国内外上下料机构主要采用不同形式的机械手来配合输送线，本文主要设计也包括气动机械手的设计方面，以及上下料机械手的设计。机械手首先是从美国开始研制的，1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手6。它的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构。1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手，商名为Unimate(即万能自动)。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产工业机械手7。1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran的机械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转，手臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型8。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vic-arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于1毫米9。德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。德国KuKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制10。目前国外一些机器人制造公司纷纷将制造方向转移到面向制造业的仿人型工业机器人。瑞典ABB公司基于机器人安全操作，精密、轻量化、柔顺控制以及灵敏度几个方面考虑，设计开发一款压铸产品取件机器人，可以实现机器人柔性反馈补偿11。DLA公司在轻型机械臂和机械手的基础上研发一款人形移动式机器人，通过旋转和移动底座扩大机器人的移动范围，该种机器人的优点是重量轻，工作空间大、负载能力强12。日本安川公司研发一款SDA10压铸产品取件机器人，该种型号机器人有一个底座两条机械臂，每条机械臂有7轴，手臂末端安装有灵活度和精确度都很高的机械爪，基于其特点，此类机器人被广泛应用于包装、零部件装配以及搬运等行业13。由于国内工业化以及智能装配水平相比于欧美发达国家还是有一定差距，国内对压铸产品取件机器人的研发起步比较晚，目前国内对压铸产品取件机器人的研究主要集中在运动学，机械臂轨迹规划以及双臂协控等领域。在国家863计划以及科学基金的支持下，上海交通大学设计了一款柔性串联机器人，此类机器人采用谐波减速器加步进电机对每个关节进行控制，可以很大的提高机器人的重复转动精度14-16。哈尔滨工业大学设计研发出一种六自由度直流驱动电机的机械手，可以灵巧的实现机械手的抓取以及很好的避障功能。北京理工大学研发出一种具有30个自由度的双臂机器人，可以很好的实现机器人自主协调反应以及很好的高速视觉伺服控制等。随着工业机械手（机器人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展频繁。目前，在国内外各种机器人和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势分为两个方向：其一是机器人的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，满足相对具体任务的工业机器人，主要采用性价比高的模块，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。1.3 本课题研究的意义在中国经济快速发展的大环境下，智能制造被越来越多的提及。本课题为解决压铸零部件在制造和装配过程中复杂的打磨和清洗环节等问题，设计一种具有高精度，高灵巧，高协调性的压铸产品取件机器人。整个压铸产品取件机器人仿照人形躯干和手臂设计，有很好的人机交互感。本文对压铸产品取件机器人进行了结构设计，设计的机构为后期机械臂的运动学分析、动力学分析、误差处理以及控制系统的设计提供了必不可少的结构基础。1.4 本章小结本章主要对本次设计的研究背景、研究目的意义、研究现状及发展趋势做了阐述，并且在了解当下典型工业机器人结构的基础上提出了自己的研究思路和主要工作，为后续工作安排及研究内容奠定了基础。第2章 压铸产品取件机器人的方案设计2.1 设计要求相比于传统人工打磨压铸件产品效率低、工作环境差、打磨效率不高的缺点，压铸产品取件机器人可以完成一些复杂状况下的装配工作，压铸产品取件机器人具有避障能力强、运动灵活度高、人机协作操作性好的特点17，目前压铸产品取件机器人已广泛的应用在工业生产中，相比于传统的手工生产，压铸产品取件机器人的应用大大提高了生产效率。本文结合机器人技术，设计研发一款压铸产品取件机器人样机，设计目的是使机器人有更好的刚度、更大的承载能力、更稳定的运动以及更精准的重复定位精度18、19。本课题主要设计一款柔性制造系统中取放料机械手，其目的是将物料从某一位置抓取放置于另一位置，该机械手能够模仿人类手臂对物品进行自由的取放，是一种典型的关节型机械手。本文研究的机械手的主要参数如下：表2-1 机械手的主要参数序号机械手功能机械手功能参数1自由度62最大抓取重量3kg3S-轴关节角+90 -904L-轴关节角+90 -905U-轴关节角+90 -206R-轴关节角+160 -1607B-轴关节角+120 -1208T-轴关节角+360 -3609大臂长度250mm10小臂长度180mm11机械手重量60kg12安装方式落地式2.2 压铸产品取件机器人原理介绍本课题目的是设计一款可升降的压铸产品取件机器人，其系统包括机械手固定系统，机械臂和抓取机构等三部分。本课题固定系统是设计一款底座，目的是连接升降机构和压铸产品取件机器人，底座设计要有很好地强度和刚度，考虑到升降机构的运动性能，底座设计时应尽可能的轻量化，考虑到和双臂的连接，底座应有良好的结合性。本课题机械臂采用6自由度机械臂，机械臂的设计将伺服电机、减速器、传感器以及部分电路集成在关节内，这样整个机械臂就形成一个模块化系统。其中电机作为机械臂各个关节的动力来源，通过给定的不同信号分别控制不同的关节，最终通过各个关节的协同作用控制整个机械臂的运动；减速器可以实现关节大力矩输出和较高的负载自重比；传感器可以实现机械臂中电路的通断，可以很好地监控各个关节的相互作用。整个机械臂呈模块化设计，可以很好地实现机械臂的稳定性，延长关节的使用寿命，并且能够快速大量的生产机械臂。本课题夹持机构采用气动夹持机构，气动机械手的夹持机构要完成相对物料的夹紧、松开，伸出、缩回等运动，是机械手传递机构中的重要部分。通过夹持机构将物料从某一位置和方位，按一定运动轨迹传递到另一位置和方位。由于气动机械手是以空气为介质，具有使用、维修方便、安全、可靠、成本低、寿命长等特点，采用气动方式控制的机械手机构被很多场合所采用。2.3 设计内容相比于并联机器人具有运动速度高、结构紧凑、刚度高、承载能力大、动力学性能好的优点，串联机器人存在刚度较低、承载能力差的劣势；此外，由于串联结构中存在误差的累积和放大会影响执行器的运动精度以及串联机构在运动过程中由于机构位置和姿态的不断变化会产生较大的惯性载荷，最终会造成串联机构在运动过程中稳定性较差。因此，在当今工业生产中，在某些精密生产领域串联机构已经不能满足人们生产生活的需求，为提高串联机器人的工作精度和负载能力，开发研制压铸产品取件机器人可有效的解决传统抓取机构工作时效率低，误差大的劣势。本课题研究的主要内容如下：（1）对压铸产品取件机器人进行结构设计与优化，设计的压铸产品取件机器人总体机械结构满足各个运动构件的参数要求。设计要求压铸产品取件机器人在工作过程中运动平稳，无互相干涉的现象，以实现机器人的最佳工作性能。（2）对压铸产品取件机器人进行协同装配或者搬运操作进行轨迹的规划和设计，所谓轨迹规划，就是指机器人根据自身的任务，求得解决这一任务解决方案的过程。简而言之，就是将要求的任务转变为末端执行器期望的运动和力，以此预判机器人的运动范围。（3）对压铸产品取件机器人进行有限元受力分析，分析机器人在有效载荷下的应力应变状况。根据分析结果，可以分析找出机械臂在额定载荷下的受力变形大小和应力集中区域，根据分析数据，研发人员可有效的规避设计过程中的一些问题点，大大的提高了机器人的研发速度和研发质量。（4）设计时考虑加工工艺性和装配工艺性，尽量使用标准件，通用件，降低制造成本。采用较为人性化的设计理念，方便劳动者的操作和使用，减少劳动者的体力消耗。第3章 样机设计样机设计是实现压铸产品取件机器人分拣、打磨的基础，在压铸产品取件机器人样机设计的基础上，通过开发机械臂运动程序，实现样机的抓取和打磨。本文目的是设计研发出一台像人手一样灵活与智能化的压铸产品取件机器人，基于控制与视觉补偿技术，结合机械臂高灵巧性的运动性能以及强大的工作空间，可以精确快速的完成压铸件产品的抓取、打磨等任务。3.1 气动抓取机构设计本课题要求压铸产品取件机器人在设计时要能实现自动定位抓取功能，本课题夹持机构采用气动夹持机构，气动机械手的夹持机构要完成相对物料的夹紧、松开，伸出、缩回等运动，是机械手传递机构中的重要部分。气动夹持机构结构三维图如图3-1所示：图3-1 气动夹持机构结构如图3-1所示，整个夹持机构由气缸法兰、气缸、夹齿1、夹齿2等零部件组成。所述整个夹持机构和机械臂末端相连接，所述气缸法兰和机械臂末端通过螺钉固联，所述气缸和法兰固联，所述夹齿和气缸相连。当机械手控制系统发出抓取命令时，气缸吸气，一对夹齿收缩实现机械手的抓取动作；当机械手控制系统发出完成命令时，气缸放气，另一对夹齿收缩实现机械手的松放动作；气缸的一吸一合完成机械手的抓取物品动作。3.2 底座设计压铸产品取件机器人的底座设计时不仅要能够和机构中的底座支撑平台很好地相配合，还要与机器人的机械臂具有很好地连接性，设计时保证机械臂的安装具有合适的距离，以防机械臂在运动时出现和底座干涉碰撞的情况。压铸产品取件机器人的底座支撑机构如图3-2所示。图3-2为整个压铸产品取件机器人的支撑机构。其中底座支撑机构由支撑底图3-2 机械手底座机构座，关节1旋转平台机构组成。所述底座支撑机构与底座支撑平台相固，底座支撑机构与支撑底座相连，关节1旋转平台可以360旋转，实现取件机器人的运动灵活性和工作空间。底座支撑机构不仅要有很好的刚度、强度，还要有很轻的重量，因此在选取底座支撑材料时选取碳纤维作为整个机构的材料来源；所述双臂连接机构和底座支撑机构相连，其结构相当于人体的肩膀，采用图3-2设计的机构可以很好地实现整个取件机器人的固定与旋转功能。3.3 机械臂设计整个机械臂相当于我们人体的整个手臂，人体手臂有手臂、腕关节、肘关节、肩关节以及连接他们的骨骼和肌肉等组成，整个手臂有七个自由度，其中腕关节和肩关节各有三个，肘关节有一个。因此，机械臂设计时，应充分考虑这些特点，本文中设计的机械臂满足上述特点。机械臂的结构如图3-3所示：图3-3 机械臂结构图3-3为机械臂的三维结构图，由机械臂肩关节，机械臂肘关节，机械臂腕关节组成。整个机械臂在设计时包括七个模块化的关节，L型连接件，机械臂内部的线缆、电机、减速器布置等。整个机械臂的各关节在布局上是交叉的，目的是使每个关节的应力集中于减速器的交叉滚柱轴环上同时还可以缩短机械臂长度。机械臂中每个关节采用中空结构设计，这样设计目的是便于机械臂中每条关节的模块化设计，设计时将高转速大功率电机，大功率电机驱动器，高减速比减速器等零部件紧凑的安置于各关节中，整体上增大了机械臂的负载与自重比例，有效的缩短了整个机械臂的研发周期。3.4 整机设计压铸产品取件机器人可以完成一些复杂状况下的抓取工作，压铸产品取件机器人设计时要能很好的实现避障能力、运动灵活度、人机协作操作性等特点。因此，在对整个压铸产品取件机器人系统设计时应很好的对系统进行空间布局，在保证实现安装精度的前提下，做整体结构时应充分从平台整体方案布局、传动件、连接件以及零件材料等各方面进行计算和选取，确保整个压铸产品取件机器人系统工作过程中的平稳性、可靠性、精密性。整机结构如图3-4所示：图3-4 整机结构设计图3-4为整个压铸产品取件机器人机构的三维设计图，由底座支撑机构、机械臂与气动抓取机构组成。整个压铸产品取件机器人系统在设计时考虑到制造安装精度，运行条件，工作环境对实现精密对位有很大的影响，应考虑系统的对位精准原则。考虑到连接件的加工与装配工艺制订直接影响着机械臂运动的平稳性以及运动精度的可靠性，应考虑整个系统的制造工艺性。考虑到高强度、高刚度的材料不但能有效的提高对位平台的刚性，而且还可以优化整个系统的结构尺寸，使系统整体布局更加紧凑和增加对位平台的有效工作空间，应考虑整个系统的强度刚度原则。考虑到系统在运动过程中由于速度和加速度比较大，设计方案时应能够有效的减小系统的震动和惯性，良好的减震设计不但能有效的降低系统工作时的噪音还可以延长平台的使用寿命，应考虑整个系统的缓冲减震性原则。考虑到电机、直线导轨、减速器等零部件因其制造工艺和材料的原因，售价往往会高出一般精密度零部件好几倍。因此，在对系统整体方案做设计时应通过缜密的理论分析和模拟仿真分析优化平台的布局方案，最终能够实现一般精度零部件代替精密级的零部件并同时使二者拥有相似的对位精度，因此应考虑系统的经济性原则。第4章 样机轨迹规划与部件选型系统方案选定后，建立压铸产品取件机器人结构三维模型，确定各个零部件之间的配合关系。根据系统要实现的功能要求，通过分析计算选择合适的动力元件和传动元件，零部件的合适选择能大大的提高系统的对位精度和工作寿命。4.1 机械臂轨迹规划为了能够更好的进行精密抓取和代替人工完成工作任务，在压铸产品取件机器人结构设计好的基础上，对机械臂进行运动及位置规划。简而言之，是为压铸产品取件机器人规划出到达指定地点的最短距离以及为机械臂规划出一条无碰撞的运动轨迹，从而实现物体抓取运动规划的目的。压铸产品取件机器人工作的环境比较复杂，因此需要机器人有精准的重复定位精度和很高的灵巧性及避障功能20、21。压铸产品取件机器人轨迹规划时需要考虑单条机械臂的速度、加速度、受力载荷、信号干扰等一系列因素，还要考虑双臂联合运动时整个系统的协同性以及双臂的避障性能，因此压铸产品取件机器人在进行轨迹规划时要轨迹规划曲线高阶导数具有连续性还要有较小的运动惯量、加速度等保持运动的稳定和灵巧22、23。本课题对压铸产品取件机器人的轨迹规划采用三角函数插值法计算：设关节转动角度函数为(t)，t0,T,在t=0时，关节转动角度函数为t，t=T时，关节转动角度函数为T，机械臂在稳定运动的情况下要有一定的起始运动约束条件：&0=t，0=0，0=0&T=T，T=0，T=0（4-1）各关节运动插值函数H()满足下述条件：0H1,01,=tT（4-2）设H()为自变量，各个关节转动角度函数为n(t)，n1,7，t0,T相对时间的函数表示为：nt=nt+nT-ntH（4-3）式中：nt第n个关节起始转动角度；nT第n个关节最终转动角度。可得：t=T-tH=1TT-tH（4-4）t=1T2T-tH（4-5）t=1T3T-tH（4-6）将式（4-1）代入式（4-3）式（4-6）可得H()应满足条件：&H0=0，H0=0，H0=0&H1=1，H1=0，H1=0（4-7）设H=ksin2,01（4-8）对式（4-8）进行求导可得：&H=-k2cos2+k2&H=-k22sin2+k2+k（4-9）将式（4-9）代入式（4-7）可得机械臂的插值函数：&H=-k2sin2+&H=-cos2+1,01&H=2sin2&H=42cos2（4-10）综上：通过n(t)与H()之间的关系可知机械臂第n（1n7）个关节的函数表达式：&nt=nt+nT-nt-12sin2tT+tT&t=1TnT-nt-cos2tT+1&t=1T2nT-nt2sin2tT&t=1T3nT-nt42cos2tT（4-11）式（4-11）即为采用三角函数插值法计算的柔性机械手在工作时运动轨迹函数曲线，机械臂中所有关节的回转都是按照此函数进行轨迹运行的。4.2 转动惯量及重力矩计算在对压铸产品取件机器人进行受力分析时，为简化计算，忽略那些较轻，对机器人受力影响不大的构件。只考虑各主要杆件及末端负载所引起的惯性力。m6表示机械爪和压铸产品的质量。其他关节根据ABB机器人IRB120质量初步分配各连杆质量为m5=2kg，m4=6kg，杆3及其附属部分质量之和等效为m3=10kg，杆2及其附属部分质量等效为m2=5kg。手腕回转关节转动惯量计算：压铸产品质量按照压铸产品取件机器人最大载荷确定，质量3kg。根据查阅现有产品可知，机械爪质量在1kg左右。为简化其模型方便计算，将机械爪及压铸产品整体简化为LWH=260mm260mm20mm的薄板，其转动惯量计算为:J6=m6L212=40.26212=0.03kgm2（4-12）考虑到摩擦力矩及重力矩影响，取安全系数1.5，则M=J1.51.9Nm（4-13）手腕俯仰关节转动惯量及重力矩计算：前端机械爪及其负载等效为LWH=260mm260mm20mm的薄板，手腕整体部分近似为长度为l=80mm，半径R=30mm的圆柱体，前端机械爪及其负载重心简化到其中心位置，其重心距离关节5轴线200mm。则绕关节5轴线的转动惯量为：J5=m5123R2+l2+m5l22+m612W22+m60.220.19kgm2（4-14）惯性力矩MJ=J5=4.78Nm（4-15）重力矩MG=mglg=69.80.1Nm=5.88Nm（4-16）取安全系数1.5，总力矩M总=MJ+MG1.516Nm（4-17） 小臂扭转关节转动惯量及力矩计算:小臂关节及手腕、前端负载绕关节4轴线旋转，可分为三部分分别计算其绕关节4轴线旋转的转动惯量小臂部分简化为长方体，端面尺寸120mm120mmJ1=m412a2+b2=6120.122+0.122=0.0144kgm2（4-18）手腕部分简化为长度为l=70mm，半径R=40mm的圆柱体J2=12m5R2=1220.042=0.0016kgm2（4-19）由上式得J3=0.03kgm2，J总=0.046kgm2，M=J总1.51.73Nm 小臂俯仰关节转动惯量及重力矩计算：将大臂、小臂部分共同简化为端面为abc=150mm150mm300mm的长方体，总重量约为m合=12kg，重心简化至杆件中心。其他各部分简化同上。其中质量m5的杆件距关节3轴线l1=335mm，质量为m6的杆件距关节3轴线l=510mm。J总=m合12b2+c2+m合c22+m5123R2+l2+m612W22+m5l12+m6l22=12120.32+0.152+120.152+21230.042+0.072+4120.1252+20.3352+40.512 1.65kgm2（4-20）MJ=J总25.98Nm（4-21）MG=mglf=229.80.2Nm=43.12Nm（4-22）取安全系数为1.5M总=(MJ+MG)1.5103.66Nm（4-23）将大臂简化为abc=40mm130mm300mm的长方体，各关节轴线距关节2轴线的距离可通过上述内容及大臂长度推算得知质量为m5的杆件距关节3轴线l1=635mm，质量为m6的杆件距关节3轴线l2=810mm。J总=m212(b22+c22)+m2(c22)2+m合12(b合2+c合2)+m合(c合+c22)2+m512(3R2+l2)+m612(W2)2+m5l12+m6l22=512(0.132+0.32)+50.152+1212(0.32+0.152)+120.452+212(30.042+0.072)+4120.1252+20.6352+40.812 6.14kgm2（4-24）MJ=J总96.4Nm（4-25）MG=mgle=279.80.35Nm=92.61Nm（4-26）由于在计算时已经考虑重力矩影响，故取安全系数为1.2M总=(MJ+MG)1.2226.8Nm（4-27）大臂支座部分简化为l=100mm,R=100mm的圆柱体。大臂中心轴线与关节1轴线距离为l1=150mm，连杆3、4组合部分中心轴线距关节1轴线距离为l2=450mm，手腕中心轴线与关节1轴线距离为l3=635mm，机械爪与负载轴线与关节1轴线距离为l4=810mm。则 J总=12mR2+m212(a22+c22)+m2(c22)2+m合12(a合2+c合2) +m合(c合+c22)2+m512(3R2+l2)+m612(W2)2+m5l12+m6l22=12100.12+5120.042+0.32+50.152+10120.132+0.32+100.452+212(30.042+0.072)+6120.1252+20.6352+60.812 7.06kgm2（4-28）考虑重力及摩擦影响，取摩擦系数为1.5，则 M=J1.5133Nm（4-29） 4.3 驱动电机和减速器选型计算腕部回转关节驱动电机和减速器选型计算：通过计算得知输出端需求转矩1.9Nm，转速60r/min。伺服电机选用安川系列的SGMJV-A5ADA61，功率为50W，额定转速为3000r/min，最高转速6000r/min，额定转矩为0.159Nm，转子的转动惯量为0.041410-4kgm2，重量为0.3kg。减速器选用CSG的CSG-14谐波减速器，减速比为50:1，输入端转动惯量为0.03310-4kgm2，质量为0.52kg。输出功率为：P输出=Tn9550=1.9609550kw=0.012kw（4-30）假定传动效率为0.95，则输入功率为：P输入=P输出=0.0120.95kw=0.013kw（4-31）电机输出端所需转矩：TM=TRi=1.9500.95=0.04Nm（4-32）经过计算可知，腕选型满足设计要求。腕部俯仰关节驱动电机和减速器选型计算：通过计算得知输出端需求转矩16Nm，转速50r/min。伺服电机选用安川系列的SGMJV-01ADA61，功率为100W，额定转速为3000r/min，最高转速6000r/min，额定转矩为0.318Nm，转子的转动惯量为0.066510-4kgm2，重量为0.4kg。减速器选用CSG的CSG-20谐波减速器，减速比50:1，输入端转动惯量为0.19310-4kgm2，质量为0.68kg。输出功率为:P输出=Tn9550=16509550kw=0.084kw（4-33）假定传动效率为0.95，则输入功率为:P输入=P输出=0.0840.95kw=0.088kw（4-34）电机输出端所需转矩:TM=TRi=16500.95Nm=0.3Nm（4-35）经过计算可知选型满足设计要求。小臂扭转关节驱动电机和减速器选型计算：通过计算得知输出端需求转矩1.73Nm，转速60r/min。伺服电机选用安川系列的SGMJV-A5ADA61，功率为50W，额定转速为3000r/min，最高转速6000r/min，额定转矩为0.159Nm，转子的转动惯量为0.041410-4kgm2，重量为0.3kg，减速器选用CSG的CSG-14谐波减速器，减速比为50:1，输入端转动惯量为0.03310-4kgm2， 质量为0.52kg。输出功率为:P输出=Tn9550=1.73609550kw=0.01kw（4-36）假定传动效率为0.95，则输入功率为:P输入=P输出=0.010.95kw=0.011kw（4-37）电机输出端所需转矩:TM=TRi=1.73500.95=0.04Nm（4-38）经过计算可知选型满足设计要求。小臂俯仰关节驱动电机和减速器选型计算：通过计算得知输出端需求转矩101.88Nm，转速40r/min。伺服电机选用安川系列的SGMJV-06ADA61，功率为600W，额定转速为3000r/min，最高转速6000r/min，额定转矩为1.91Nm，转子的转动惯量为0.66710-4kgm2，重量为1.7kg。减速器选用日本帝人公司的RV-20E减速器，减速比为80:1，启动、停止时的允许转矩412Nm，允许力矩882Nm，瞬时最大允许转矩833Nm，质量为4.7kg 。输出功率为:P输出=Tn9550=101.88409550kw=0.427kw（4-39）假定传动效率为0.95，则输入功率为:P输入=P输出=0.4270.95kw=0.449kw（4-40）电机输出端所需转矩:TM=TRi=101.88800.95Nm=1.32Nm（4-41）经过计算可知选型满足设计要求。大臂俯仰关节驱动电机和减速器选型计算：通过计算得知输出端需求转矩226.8Nm，转速40r/min。伺服电机选用安川系列的SGMAV-10ADA61，功率为1000W，额定转速为3000r/min，最高转速6000r/min，额定转矩为3.18Nm，转子的转动惯量为1.2010-4kgm2，重量为3.6kg。减速器选用日本帝人公司的RV-20E减速器，减速比为80:1，启动、停止时的允许转矩412Nm，允许力矩882Nm，瞬时最大允许转矩833Nm，质量为4.7kg。输出功率为：P输出=Tn9550=226.8409550kw=0.95kw（4-42）假定传动效率为0.95，则输入功率为：P输入=P输出=0.950.95kw=0.99kw（4-43）电机输出端所需转矩：TM=TRi=226.8800.95Nm=2.95Nm（4-44）经过计算可知选型满足设计要求。腰部回转关节驱动电机和减速器选型计算：通过计算得知输出端需求转矩133Nm，转速40r/min。伺服电机选用安川系列的SGMJV-06ADA61，功率为600W，额定转速为3000r/min，最高转速6000r/min，额定转矩为1.91Nm，转子的转动惯量为0.66710-4kgm2，重量为1.7kg。减速器选用日本帝人公司的RV-20E减速器，减速比为80:1，启动、停止时的允许转矩412Nm，允许力矩882Nm，瞬时最大允许转矩833Nm，质量为4.7kg。输出功率为：P输出=Tn9550=133409550kw=0.56kw（4-45）假定传动效率为0.95，则输入功率为：P输入=P输出=0.560.95kw=0.586kw（4-46）电机输出端所需转矩：TM=TRi=133800.95Nm=1.728Nm（4-47）经过计算可知选型满足设计要求。4.3 气缸选型根据气缸的相关技术资料，可以计算出气缸最大理想输出力，公式如下：气缸推力F1=PD24（4-48）气缸拉力F2=P4D2-d2（4-49）式中：P气缸工作压力（MPa）；D气缸活塞直径（mm)；d气缸活塞杆直径（mm）。查阅各厂家资料，先选用SC系列的标准型气缸，气缸活塞直径D=32mm，气缸活塞杆直径d=10mm，运动方式为复动式，运动的速度范围为30-800mm/s，使用的工作压力范围为0.11MPa，可以保持1.5MPa的耐压力，推杆的行程范围为25500mm。假如气缸的工作压力为0.25MPa时，根据上述公式可以得到F1=PD24=0.253223.144=200.96N（4-50）F2=P4D2-d2=0.253.144322-102=181.335N（4-51）当气缸垂直方向安装时，向上推力约为理论力的50%，则F1=100.48N。初步选用MGCLFN32-100型号的导向气缸，采用32mm的缸径，100mm的行程。推板端连接夹齿，实现夹齿与气缸的同步运动，这种双导杆气缸是单杠双导杆气缸,是由气缸和双导杆组成，双导杆与固定于缸体的线性轴承滚动配合，接载安装板与双导杆盒气缸活塞杆连成一体，可以依据单杆计算。F1=PD24=804.24N（4-52）F2=0.25PD-d2=380.12N（4-53）因为导向气缸是与机械臂末端方向安装，法兰盘起到支撑带动作用，法兰盘机构依靠螺钉连接气缸，质量较小，50%的效率也足以推动吸盘机构进行运动，故满足设计需求。第5章 压铸产品取件机器人仿真分析六自由度工业机器人机械特性取决于其整体结构的强度、刚度及稳定性，故需要对压铸产品取件机器人的关键部件的变形及受力进行分析。对机器人整体结构分析可知，其腰部关节与大臂所受载荷较大，且对整体机构的机械特性影响较大，但是采用传统方式分析难度较大，因此采用ANSYS软件分析其极限情况下的变形及应力情况。有限元分析法是一种利用近似的方法将相对比较复杂的问题简单化之后再进行求解，它将连续的一个整体结构离散化成为有限个比较小的单元，又在每一个单元中设定有限个节点数，通过节点将这些有限个子单元相互连接起来。在ANSYS Workbench中对结构的应力、应变分析最多，模拟分析的流程包含：前处理、求解和后处理。分析过程的项目流程图如图5-1所示：图5-1有限元分析项目流程图通常用解析法解决方程性质比较简单和几何边界相对规则的工程上的问题，比如结构力学分析、流体中的流场动力学分析和传热学中的温度场分布等。但是对于复杂的工程技术情况下的非线性或者边界不规则的问题，解析法就不能使用，可以使用能够解决各种复杂的结构模型的有限元方法。ANSYS软件是以有限元思想为基础的一个涉及结构、流体、电磁场、温度场等的通用软件，它能与多数CAD软件之间实现数据的共享与交换，是目前相对使用比较多的一种分析软件24。结构静力学分析是ANSYS分析中最基础的一种分析方法，通常的工程计算中最广泛应用的分析方法就是静力分析。静力分析主要是计算结构在静载荷的平衡状态下的情况，不考虑惯性和阻尼效应的影响，所以必须对结构进行充分的约束25。根据经典力学理论动力学通用方程为：Mx+Cx+Kx=F(t)（5-1）式中：M质量矩阵；C阻尼矩阵；K刚度矩阵；x位移矢量；F(t)力矢量；x速度矢量；x加速度矢量。在静力学分析中，机械结构所受的力与时间t无关，所以与时间t有关的量都可以忽略，那么上式就可以简化为：Kx=F（5-2）式中：K常量矩阵；F静态力。由于之前已经在Solidworks中建立了腰部关节及大臂的三维模型，而且ANSYS为弥补其自身几何建模能力的不足，提供了与Solidworks软件的接口，因此选择直接将CAD模型导入ANSYS中的方法。由于过多的特征和细节结构可能会导致丢失信息，使实体模型网格划分变得困难，因此将与分析意图影响不大的零件特征(如圆角、倒角等)去除，以简化分析。由于ANSYS软件能与多数CAD软件之间实现数据的共享与交换并且其在三维建模上不算完备，首先使用Solidworks建立结构的三维模型，并另存为分析软件可以识别的step格式，然后再导入分析软件里面进行分析，导入的三维模型如图5-2所示。对取件机器人模型进行网格划分，在界面设置中选择自由网格划分，并设置网格最小单元边长为1.0mm，划分完成的结果如图5-3所示，网格中共有502014个节点，315829个单元格。图5-2 取件机器人模型图5-3 取件机器人模型网格划分对取件机器人模型施加固定约束和作用力，根据实际情况，固定约束表面选取取件机器人底部端面，载荷施加的位置在取件机器人末端上，根据设计要求，取件机械手最大载荷为3KG，因此在取件机械化手末端施加大小为30N的力，固定约束和挤压力的模型如图5-4所示：图5-4 载荷约束模型取件机器人静力学的求解分析包括应力、应变，分析结果云图如图5-5所示：a）受力变形云图 b）受力应变云图图5-5 静力学应力应变云图图5-5静力学分析结果中a）为取件机器人受力变形云图，b）为取件机器人受力应变云图。由图a）可知，取件机器人的最大变形在末端抓取关节处，最大变形为0.043mm；由图b）可知，取件机器人的最大应变为5.293MPa，最大应力应变点在末端抓取关节处。由此分析在设计加工取件机器人时应加强其末端抓取关节处的强度和刚度。由取件机器人的材料特性可知，静力学分析中最大应力变形远小于材料的屈服极限，取件机器人在工作过程中不会因负载变形对其使用性能造成影响，因此设计满足使用需求。第6章 工程定额预算6.1 压铸产品取件机器人制造的成本预算本工业机器人设计中的螺钉均采用35号钢，设计的轴承均采用轴承钢，同步带轮材料为铝，同步带采用橡胶制作，采用45号钢的零件有：大臂支座法兰、大臂圆筒、支座肋板、支座底板、电机支座、底座圆筒、底座焊接法兰。其余零件均采用2024合金。其中，所有的螺钉均为标准件，其余的为非标件。气缸选用的型号为MGCLFN32-100，电机选用的型号如表6-1，减速器的型号选用如表6-2：表6-1 电机选用的型号电机型号数量SGMJV-A5A2SGMJV-06A2SGMJV-01A1SGMJV-10A1表6-2 减速器选用的型号减速器型号数量减速比谐波减速器（CSG-20）180：1谐波减速器（CSG-14）250：1RV 减速器（RV-20E）350：16.2 压铸产品取件机器人制造对环境的影响本机器人设计采用的材料大多为45号钢和2024合金。45号钢：常用中碳调质结构钢。该钢冷塑性一般，退火、正火比调质时要稍好，具有较高的强度和较好的切削加工性，经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性，材料来源方便。适合于氢焊和氩弧焊，不太适合于气焊。焊前需预热，焊后应进行去应力退火。正火可改善硬度小于160HBS毛坯的切削性能。该钢经调质处理后，其综合力学性能要优化于其他中碳结构钢，但该钢淬透性较低，水中临界淬透直径为1217mm，水淬时有开裂倾向。当直径大于80mm时，经调质或正火后，其力学性能相近，对中、小型模具零件进行调质处理后可获得较高的强度和韧性，而大型零件，则以正火处理为宜，所以，此钢通常在调质或正火状态下使用。2024合金：一种高强度硬铝，可进行热处理强化，在淬火和刚淬火状态下塑性中等，点焊焊接良好，用气焊时有形成晶间裂纹的倾向，合金在淬火和冷作硬化后其可切削性能尚好，退火后可切削性低：抗腐蚀性不高，常采用阳极氧化处理与涂漆方法或表面加包铝层以提高其抗腐蚀能力。用途主要用于制作各种高负荷的零件和构件（但不包括冲压件锻件）如飞机上的骨架零件，蒙皮，隔框，翼肋，翼梁，铆钉等150以下工作零件。故本设计使用材料对环境无污染，而且该机器人在工作过程中也不会污染环境，制作中没有产生工业三废。6.3 压铸产品取件机器人的社会效应工业机器人承担了很多危险或令人厌烦的工作，许多职业病、工伤及因此需要付出的高昂代价都可以避免了。此外由于机器人总是以相同的方式完成其工作，所以产品质量十分稳定，这也会给企业带来确定的效益；机器人可以24小时不间断地工作，一人同时看两台甚至更多台机器，有效节省人工费用。产品的生产率可以预测，库存量也可以得到较好的控制。采用机械手生产，可以更大程度保障工人的工作安全性。不会出现由于工作疏忽或者疲劳造成的工伤事故。在需要倒班的生产车间中，晚上更容易出现生理性疲劳，导致发生安全事故，使用机械手则可确保安全生产。另外，有些较为危险的工种，采用工业机器人操作，精确度更高，稳定性更高，安全性更强，可以保障人员安全。以往企业中很难精确的保证每天的生产量，因为总会有一些员工偷懒。而作为监管人员每天的事情非常多，很难时时刻刻去抓员工的工作效率。使用机械手生产后，用工人员减少，员工管理也更方便了。结论在毕业设计的十六周时间里，我学习到了很多课本外的知识，深刻的理解了实践和理论的区别。本设计主要根据现有的知识理论设计一种压铸产品取件机器人，以实现解决压铸产品取件机器人在零件及货物的装配及抓取等问题。设计中对整个系统进行了气动抓取机构，底座设计，机械臂结构设计等。对压铸产品取件机器人进行了轨迹规划设计，对机械臂中电机进行了选型与计算，对抓取系统中气缸进行了计算与校核。本文已经完成压铸产品取件机器人结构设计、强度分析这几方面的工作，但是对于六轴工业机器人这样一个复杂的机械系统而言，仍有很多工作需要完成。以下为继续研究的工作：1.优化压铸产品取件机器人整体结构及各杆件的结构，以达到强度、刚度更好，重量更轻的目的；2.对压铸产品取件机器人进行动力学仿真，验证机器人在动载荷作用下的性能稳定性；3.对压铸产品取件机器人进行轨迹优化，以实现压铸产品取件机器人的运动轨迹达到最优状态。参考文献1 王天然. 机器人技术的发展J.机器人, 2017, 39(4):385-386.2 于靖军, 刘辛军, 等. 机器人机构学的数学基础M. 北京：机械工业出版社, 2008.3 Zhang Zhi Yong, He Dong Jian, Tang Jing Lei, et al. Picking Robot Arm Trajectory Planning MethodJ. Sensors & Transducers, 2014, 162(1)：11-204 Younsung Choi, Donghyung Kim, Soonwoong Hwang, et al. Dual-arm robot motion planning for collision avoidance using B-spline curveJ. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 2017,