机械手-工业机器人1.zip

第一章 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,不仅可提高产品的质量与数量,而且保障人身安全、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。和计算机、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的过程中，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开发出了第一台全电动的工业机器人，而此前的工业机器人基本上采用液压驱动方式。与采用液压驱动的机器人相比，采用伺服电动机驱动的机器人在响应速度、精度、灵活性等方面都有很大提高，因此，也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、R V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领域也有了长足发展。2.信息处理速度的提高2.信息处理速度的提高机器人的动作通常是通过机器人各个关节的驱动电动机的运动而实现的。为了使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关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，C P U的计算能力有了很大提高，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。机器人控制器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范围。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。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的情况，有液压驱动，气压驱动，步进电机驱动，伺服电机驱动等等。愈来愈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。并且在它的控制精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：由原始的电控的机械手，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，还有采用 PLC 可编程控制的。！所有下载了本文的注意：本论文附有！所有下载了本文的注意：本论文附有 CAD 图纸和完整版说明书，凡下载了本文的读者请留下你的联系方式（图纸和完整版说明书，凡下载了本文的读者请留下你的联系方式（QQ 邮箱），或加我百度用户名邮箱），或加我百度用户名 QQ，我把图纸发给你。最后，希望此文能够帮到你！，我把图纸发给你。最后，希望此文能够帮到你！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,FMS,CIMS 等现代制造技术的发展，对物料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城的扩大和机器人种类的增多。另一方面表现在机器人机械系统性能的提高和控制系统的智能化。前者是指应用领域的横向拓宽，后者是在性能及水平上的纵向提高。机器人应用领城的拓宽和性能水平的提高二者相辅相承、相互促进。应用领城的扩大对机器人不断提出断的要求，推动机器人技术水平的提高.反过来，机器人性能与智能水乎的提高，又使扩大机器人应用领域成为可能。1工业机器人机械系统性能的提高。进一步提高业机器人的运动精度。机器人是一种多关节开链式结构，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，使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，至今工业机器人在精密装配及其它精密作业中的应用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是：提高机器人的加工精度与装配精度，采用无隙传动的减速机构，采用直接驱动电机，通过标定进行机器人的2误差补偿，通过实时检侧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:当前常用的机器人手肴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。当用喷涂机器人喷涂车身内表面时，要求机器人能将车身内表面的各个角落都喷上漆，必须要有高灵活度机器人手有才行。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。为了提工业机器人手臂的灵活度，主要是采用具有冗余自由度的机器人手臂和在机器人手臂机构上采用膨铰关节及可双向弯曲的手臂。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效率，以及提高具有感知功能机器人的反应速度，就必须提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或轻质材料(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它高性能驱动电机，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站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。用少量的模块可组合成多种机器人配置。这种机器人能进行快速维修，可以实现自动修复。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。如这种积木结构能推广用于一般工业机器人，将使工业机器人的成本下降、生产周期及维修周期缩短。1.3 工业机器人的分类 （3）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；（4）由第 2 步所给定的条件和第 3 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动方式；（5）对各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；（6）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。（7）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，绘制最终装配图。第二章 总体设计方案确定2.1 结构设计概述一个机器人系统结构由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，它由臂，关节和末端执行装置构成，组合为一个互相连接，互相依赖的运动机构。机械手用于执行指定的作业任务。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。夹持式的是指型手，夹持方式有外夹式和内撑式之分，吸附式的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：SCARA 机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，而且由环境和它所包含的每一个事物的全部自然特性所决定。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：sm02.0；小臂伸缩：线速度：sm02.0；手腕俯仰：角速度：srad14.3；腰部旋转：角速度：srad14.3；（4）运动行程：大臂升降：300mm小臂伸缩:300mm腰部旋转:90手腕俯仰:902.3 工作空间分析2.4 传动方案的确定：2.4.1 传动方案分析2.4.1 传动方案分析方案 1：图 2-2 传动方案一第一、二、自由度均采用伺服电机加减速器的结构形式。大臂的驱动电机和大臂的回转轴共线。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，但对大臂产生了一定的附加弯矩，对工件的抓取精度产生了一定的不利影响，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。同步齿形带具有传动精度高，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。手爪的结构采用较为简单的气动控制直线运动的手爪。方案二：图 2-3 传动方案二第一、二自由度均采用交流伺服电机加减速器的驱动模式，故此结构可以较为简单。电机轴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。方案三：图 2-4 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。但这样就使得小臂的传动机构很复杂，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。滚珠丝杠的造价较高，重量也较重，因此在滚珠丝杠的材料选择方面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，自身的减速比较小。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2.4.2 伺服驱动与步进驱动的比较1）低频特性不同歨进电机在低速时容易出现低频振动现象，振动的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速的时候一般还应采取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）矩频特性不同不进电机的输出力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min600300r。交流伺服电机为恒力矩输出即使在额定转速以内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比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么大的转矩，所以便出现了力矩浪费的现象。4）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，在内部构成位置环和速度环，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动机，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。此次的搬运机器人队工件的抓取，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。第三章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直接相连。外壳的材料采用 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里的特点。电机和减速器通过外壳内部的凸台进行安装，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。图 3-1 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，以及电机轴承受附加载荷，从而保护了减速器和电机。大臂的长度尽可能的做的短一些，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极可能多得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后直接驱动小臂关节轴旋转，从而带动小臂旋转，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，这样可以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的作用，同时可以减少负载产生的附加弯矩对滑动丝杠的影响，进一步挺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。3.2 气动手爪的选型计算机械手爪受力分析：（如图 3-3）P：机械夹持器轴向施加的作用力；e：夹持器活塞中心至手指支点的距离；R：支点销轴的半径；：中间连杆对手指的压力角；：摩擦角；：构件间的摩擦系数；角度条件：2；尺寸条件：ea；lea；如图 3-2 所示，设力 P 的方向与中间连杆之间的夹角为，作用在中间连杆上的分力为 F，P/2=Fcos+sin（3.1）图 3-2 则作用在连赶上的分力 F 可以用下面的式子来表示：F=sin+cos12P（3.2）设中间连杆与手指之间的夹角，即压力角 图 3-2 手爪结构 为，手指支点的反力为 R，手指支点轴的半径为r，连接销与手指支点的距离为l。手指支点到指尖的距离为l.则根据绕手指支点的力矩平衡关系可得到下式：llQ coslF0sinRr（3.3）其中 R 可根据下式求得：cos222FQQFR (3.4)则将（3.2）（3.3）代入（3.4）中可得如下式子：lrRlPlQ)sin(cos2)sin(cos （3.5）由于lrR很小，可以忽略。设手指与手部中心线夹角为，并且注意到（2/）+=，可由此改写为2/,则（3.5）式子最终可以改写成：)sincos)(2tglPlQ（3.6）图 3-3 手爪受力分析则最终得到活塞杆的输出力 P 与夹紧力Q之间的关系为：P=)sincos)(2tgllQ （3.7）由于工件夹紧时手指所处的位置，设手指夹紧部分的摩擦系数为f=0.5。则可得到2/GfQ，由已知得到工件重 4kg 则可推得Q=40N。由此时手爪所处的位置可得到：0由此（3.7）式子可以简化为：)(2tgllQP （3.8）测得45，又知道15，则 tg()=33带入（3.8）式则得到：P=378.5401312=231.2N。3.3 手爪驱动气缸设计计算3.3 手爪驱动气缸设计计算手指的理论驱动力为 P，选用驱动气缸时应考虑手指与回转轴之间的摩擦以及气缸的活塞与缸壁之间的摩擦。因为回转轴处的效率较低，从工作的安全和动作的可靠性考虑，所取手指的驱动力为 N=5P=1156N。由气缸的输出力计算公式：N=42210PD （3.9）其中：F：气缸的理论输出力（kgf）D：气缸的缸径（mm）P：工作压力（kgf/cm2）气缸的效率一般为 85%，则由（3.9）公式可得到气缸的缸径为：21085.04PND=24610108.9105.08.914.385.011564=58.86mm。根据气缸的选型表可以选择的气缸内径为 63mm。由气缸气的选型手册可选 LG系列气缸。主要的技术参数为：气缸内径 63mm，最大行程 800mm，工作压力范围 0.0490.98MPa，耐压力 1.47MPa，不需要给油。缓冲行程 20mm，选择 FB后法兰盘结构。根据所选择的气缸，并计算出在 0.5 MPa 下的实际输出力F是否满足手指的驱动力的要求。在P=0.5MPa的压力下实际输出力f=462210105.06310414.385.0=1323N。故此结果满足要求。3.4 进给丝杠的设计计算：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。它们的重量可以做以下粗估：工件 40N，手爪 20 N，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的丝杠要求反向自锁的特点，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1d=39mm，中径2d=27mm，小径3d=23mm,螺距 P=6mm。螺杆材料为 45 钢，螺母的材料为 ZCuSn5Pb5Zn5，高度 H=600mm。对所选的丝杠进行验算：(1)丝杠螺杆的耐磨性验算：因为工作压强 P=F/(d2H1n),式子当中，mmPH365.05.01，而n=H/P=600/6mm100。带 入 上 式 得:P=1003273.14160=0.0063N/2,并且考虑到螺杆升降速度0.04m/s,并且不是连续工作 PP=10N/2。可见 P PP。满足耐磨性要求。（2）螺纹强度校核：根据螺母材料查表，取p=35 N/2，bp=50 N/2。由螺纹剪切强度公式=bnDF4检验。式子中：b=0.65P=0.656=3.9。D4=d1+2acd=40.所以=1009.34014.3160=0.00327 N/2。螺纹的弯曲应力b=nbDFH2413=1003.9403.14316032=0.0075 N/2。则满足：P PP，p，bbp。螺纹的强度足够。（3）自锁性验证：因为是单头螺纹，故导程 S=P=6,所以螺纹升角=arctg2dS=arctg2714.36=4.05。由表面的钢对青铜的摩擦系数 f=0.080.10,此处可以针对此范围取到 f=0.10，得=)2/cos(farctg=arctgcos710.0=75.5所以rT=0.51mN。转子 量匹配原则：125.0MLJJ可以粗选电机的转动惯量为MJ=2.84410 kgm2（带制动器）。则总的折算到电机轴上的转动惯量为：rJ=（1.17+2.84）410=424.01 10 kg m。2）伺服电机的转矩计算：电 机 所 需 要 的 转 矩 可 以 用 快 速 空 载 起 动 转 矩 来 计 算，由 此 得 到mNTTTTTfamaxmax。其中maxaT=tJnr602max=42 3.14 5000 4.01 1060 0.05=4.19Nm（取加速度时间为 0.05s）。160 0.5 0.0060.009522 3.14 0.8 10fF STN mi（此处取阻尼系数5.0f）此处没有涉及到丝杠预紧，所以mNT 0又rrTTT8.1max（交流伺服电机8.1）所以mNTTTTrfamax，即就是8.1maxfarTTT 4.190.00952.331.8N m。至此所选择的电机的额定功率为 1.5KW，额定转矩为 4.77Nm，最大转矩为 14.3 Nm，电机惯量为 2.84410 kgm2（带制动器），额定转速为 3000minr，最高转速为 5000minr，重量为 6.5kg，电机输出轴直径为 19mm。3.5.3 小臂驱动电机的选型计算3.5.3 小臂驱动电机的选型计算1）对小臂的负载进行估算：工件 40N，手爪 20 N，旋转电机重 15 N，气缸手爪连接套筒 20 N，谐波减速器 5 N，支架 40 N，丝杠 25 N，减速齿轮 5 N，丝杠驱动电机 65 N，箱体 30 N，小臂 30 N。根据转动惯量的平行移轴定理iiiiidmrmJ)21(22，对各个部分的转动惯量分别进行分析。222m02kg.15.041.0421工件J 222m0.50225kg5.0215.0221手爪J222m0.5kg5.0203.0221气缸J2222m0.5kg5.020.06-09.0221）（连接套筒J222m0.126kg5.00.50.060.521减速器J22211.5 0.251.5 0.50.422kg m2J旋转电机222m02kg.15.041.0421支架J222m0.081kg18.02.50115.02.521丝杠J222m0.09kg18.00.506.00.521齿轮减速器J转动惯量为MJ=16.7410 kgm2（带制动器）。则总的折算到电机轴上的转动惯量为：rJ=（16.7+6.78）410=4223.48 10 kg m。2）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mNTTTTTfamaxmax。其中maxaT=tJnr602max=42 3.14 3000 23.48 1060 0.2=3.69Nm（加速度时间 0.2s）。摩擦力矩主要是由轴承的运动所产生的摩擦力所形成，记为fT=0.2Nm。此处没有涉及到预紧，所以mNT 0又由rrTTT8.1max（交流伺服电机8.1）所以mNTTTTrfamax，即8.1maxfarTTT 3.690.22.161.8N m。至此所选择的电机的额定功率为 2KW，额定转矩 9.54Nm，最大转矩为 28.5 Nm，电机惯量为 16.7410 kgm2（带制动器），额定转速为 2000minr，最高转速为 3000minr，重量为 12.5kg，电机输出轴直径为 22mm。小臂的谐波减速器的生产厂家是陕西蔡家坡渭河工具厂生产。型号选择为XBW321078。输入转速3000minr，输出转矩 6Nm，传动比为 107。质量为 0.5kg。3.5.4 大臂驱动电机的选型计算：3.5.4 大臂驱动电机的选型计算：1）：kgm5.12小臂电机，kgm5.0减速器，kgm10大臂，kgm5.0支架。小臂驱动电机关于大臂驱动轴的转动惯量211211121dmrmJ=2112.50.0752+12.50.32=1.16kgm2。同理可得小臂减速器关于大臂驱动轴的转动惯量：2J210.50.032+0.50.32=0.045kgm2小臂负载关于大臂驱动轴的转动惯量：3J6.67+31.50.32=9.51kgm2大臂关节轴的转动惯量：4J21100.082=0.032kgm2由此可得到总的转动惯量为21.160.0459.510.03210.75hJkg m由折算公式：22)()(iiihkhLvmJJkgm2可得折算到电机轴上的各个负载的转动惯量为LJ2421.510.75()5.57 10208.3kg m。根据伺服电机的惯量匹配原则：125.0MLJJ，可以粗选电机的转动惯量为MJ=21.1410 kgm2（带制动器）。则总的折算到电机轴上的转动惯量为：rJ=（21.1+5.57）410=4226.67 10 kg m。2）大臂伺服电机的转矩计算：电 机 所 需 要 的 转 矩 可 以 用 快 速 空 载 起 动 转 矩 来 计 算，由 此 得 到mNTTTTTfamaxmax。其中maxaT=tJnr602max=42 3.14 3000 26.67 1060 0.5=1.67Nm（加速度时间为 0.5s）摩擦力矩主要是由轴承的运动所产生的摩擦力所形成，记fT=0.5Nm。此处由于没有涉及到预紧，所以mNT 0。又rrTTT8.1max（交流伺服电机8.1）所以mNTTTTrfamax，即就是8.1maxfarTTT 1.670.51.211.8N m。至此所选择的电机的额定功率为 3KW，额定转矩 14.3Nm，最大转矩为42.9 Nm，电 机 惯 量 为 21.1410 kgm2（带 制 动 器），额 定 转 速 为2000minr，最高转速为 3000minr，重量为 14.7kg，电机输出轴直径为 24mm。大臂的谐波减速器选型为 XBW80134120，传动比为 134，输入转速3000minr。输出转矩 120Nm，质量为 10kg，效率为 70%80%。3.6 手臂强度校核手臂强度校核大小臂主要承受来自臂体自身及臂端部件重量载荷，即臂体要承受均匀载荷和突加载荷。由材料力学知识知道弯矩最大处发生在左端截面处，由重力产生弯矩 212qlM 突加载荷产生的弯矩 2MPl 故左端最大弯矩 22qlMPl 为计算简便将两臂近似看作等截面长方体。则大小臂必须满足弯曲正应力的强度条件：maxmaxZMW 矩形截面积：26ZbhW 铝合金材料拉压强度铝合金=MPa310235Q材料拉压强度235Q=MPa160大小臂胶合过程如下：(1)大臂强度校核kgm5.12小臂电机，kgm5.0减速器，kgm10大臂，kgm5.0支架。大臂受力情况mNq333，NP440,ml3.0,mb07.0,mh09.0则35221045.9609.007.06mbhWZ mNPlqlM1473.044023.0333222 23556.11045.91475maxmaxQZMPaWM 所以大臂满足强度要求。（2）小臂强度校核工件 40N，手爪 20 N，旋转电机重 15 N，气缸手爪连接套筒20 N，谐波减速器 5 N，支架 40 N，丝杠 25 N，减速齿轮 5 N，丝杠驱动电机 65 N，箱体 30 N，小臂 30 N。小臂受力情况mNq60，NP285,mml5.0,mmb05.0,mmh07.035221008.4607.005.06mbhWZ mNPlqlM1505.028525.060222 铝合金68.31008.41505maxmaxMPaWMZ第四章 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，再调整非线性模型的参数，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的周围状态信息，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，但实时性差，难以扩展，其构成框图如图所示。图 4-1 集中控制方式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。图 4-2 主从控制方式主 CPU 实现管理、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4.2.1 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，以及这些被控机械量的精确综合控制。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。4.2.2 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控制系统结构简单，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干扰能力措施，如滤波、隔离、屏蔽、自诊断、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，各触点在吸合和断开时容易受到电弧的损伤，所以寿命多，工作可靠性差。而可编程控制器以软件代替硬件，许多继电器的触点和繁杂的连线可以用程序来实现，大量的开关动作可以用无触电的电子电路来完成，因此寿命长，可靠性大大的提高。5体积小、结构紧凑，安装、维护方便可编程控制器体积小、质量小，便于安装。通常可编程控制器都有自诊断、故障报警、故障显示的功能，便于操作和维修人员检查，可以较容易的通过更换模块插件来迅速排出故障。它的结构精凑，与硬件连方式简单，接线少，易于维护。4.3 机器人的控制系统方案确定本次控制系统采用的方案是 PLC+交流伺服系统。交流伺服系统由交流伺服电动机和伺服电动机驱动器组成，它已经成为无刷直流伺服系统的代替品。近年来交流伺服驱动技术有了飞速的发展，它不仅能克服了直流伺服电动机在结构上存在的电刷维护困难、造价高、寿命短、应用环境受限制等缺点，同时又发挥了交流伺服电动机坚固耐用、经济可靠及动态响应好等优点。一个伺服驱动系统并不仅仅是驱动器与电动机的组合，而是一个完整复杂的控制系统。完整的交流伺服驱动系统包括：伺服控制器、伺服驱动器、伺服电动机以及至少一个检测元件，所有这些部件都在一个闭环控制系统中运行：驱动器接受控制控制器的指令信息，然后将电流送给电动机，通过电动机转换成扭矩，然后带动负载；检测元件测量负载的位置（角度、直线位移）、速度、加速度等参数，输入控制器实现指令信息值与实际位置值的比较，然后通过闭环控制使实际位置值和指令信息值保持一致。4-1 交流伺服系统控制框图机器人各关节由电机输出动力，通过各种传动方案，带动各关节运动，传感器、编码器将检测记录到的运动部件的运动状况并以开关量形式传递给 I/O，PLC接收到这些信号并经过处理后，发出指令，传递给 I/O，系统进入下一道命令执行中。PLC 是要对搬运机器人的执行机构进行控制，控制机器人对工件的抓取。对搬运机器人的控制包括 PLC 通过 I/O 接口向机器人发出控制指令，以及获取机器人的工作状态信息等内容。PLC 接收机器人的各种工作状态信号、指令及传感系统，包括各指令开关、工件识别传感信号和执行机构的 4-3 机器人控制系统框图位置信号等，实现 PLC 对搬运机器人的状态信息的获取。在机器人控制系统中，提供了搬运工作模式(运行、示教等)设置。机器人伺服系统开启停止、重启、继续和回零等输入控制端口。通过这些控制端口 PLC 可以对焊接机器人进行上述的控制,同时也提供了搬运机器人所处的运行模式。伺服系统的开、停、就绪和急停等状态输出端口通过读取这些端口的状态。PLC 就能获知机器人的搬运基本状态。4.4 PLC 及运动控制单元的选型 针对本次控制系统的方案，选择 SYSMAC 的 CS1 系列的 PLC，与之配套的 MC单元为 MC421，此处注意到 MC421 能够实现四轴的伺服驱动，分别对应本次 SCARA机器人的四个伺服电机的伺服驱动。系统的配置图如 4-4 所示：MC 的控制面板主要有 LED 指示器、单元号设置开关，X/Y 轴和 Z/U 轴连接器、I/O连接器、示教盒连接器、MPG 连接器等组成。各个部分的分布如图 4-5 所示。1、单元号设置开关单元号的设置确定了 CPU 单元专用 I/O 单元区的那些字分给 MC 单元。CS1-MC421 占用了 50 个字。2、连接器 图 4-4 控制系统配置图 图 4-5 MC 单元控制面板1)I/O 连接器 用于外部输入输出的连接器，包括各轴的限值输入、急停输入、圆点接近输入、外部输入、常规输入。2）示教盒连接器 用于连接示教盒。3)MPG 连接器 用于 MPG（手动脉冲发生器）或同步译码器的连接器。第五章 结论与展望搬运机器人在工业机器人的领域中扮演着非常重要的角色，本次设计的主要目的是围绕实验室的建设，设计与实地环境相符的搬运机器人来实现输送线出货台上的工件到 AGV 小车上的搬运，从而实现工件的传送和运输这一环节的自动化操作。论文工作总结如下：（1）根据各种传动方式之间的联系及特点，通过取长补短，主要考虑了结构紧凑简单等原则，确定了机器人的整体设计方案；（2）各个回转关节的驱动方式均采用电机加减速器的方式的传动设计，大臂的回转关节和大臂做成一体，大臂的截面形状采用等强度处理；（3）在各个关节的结构设计中，充分考虑到附加载荷对电机轴的影响，回转关节轴的载荷通过固定在其两端的轴承把负载的附加载荷传递到轴承上，从而保护了电机和减速器；（4）在进给机构的设计中，滑动丝杠自锁性可以很好的保护工件不会在断电的情况下落，造成意想不到的事故；由于时间有限，本次设计还存在一定的不足，还有待进一步提高，展望如下：在传动系统的结构设计中，由于考虑到结构的紧凑型和尽量简单的特点，故把小臂驱动电机安装在小臂的回转关节轴上，但这样会造成大臂附加载荷过大，引起一定的不稳定因素，在今后的中可以尽可能选择质量较小在电机的选择和减速器的选择，或尽量减少电机在悬臂梁上的结构。在手爪的设计中可以把手爪设计成可以替换的具有通用性的手爪，这样可以在搬运不同类型的工件时只需要更换机械手的手指，从而拓展了机器人的应用范围。