平面关节型机器人结构设计.docx

毕 业 设 计（论文）题目： 平面关节型机器人的结构设计 姓 名： 指导教师：专 业： 摘 要平面关节型机械手采用两个回转关节和一个移动关节；两个回转关节控制前后左右运动，而移动关节则实现上下运动，它的纵截面为矩形的回转体，纵截面高为移动关节的行程长，两回转关节转角的大小决定回转体截面的大小、形状11。能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。关键词：机械手 ，轴承 ，汽缸 ABSTRACTSelective Compliance Assembly Robot Arm have two slew joints and one move joints ; two slew joints control the moving of the front and back left and right , the move joints control the moving of up and down , the vertical section is a rectangle slew , the high of the vertical section is move joints journey , the move angle of the two slew joints decide the big and small and figure of the vertical section . Mechanical hand, is also called from begins, auto hand can imitate the manpower and arms certain holding function, with by presses the fixed routine to capture, the transporting thing OR operation tools automatic operation installment. It may replace persons strenuous labor to realize the production mechanization and the automation, can operate under the hostile environment protects the personal safety, thus widely applies in departments and so on machine manufacture, metallurgy, electron, light industry and atomic energy.Key words: manipulator, axletree , cylinder目 录摘 要IABSTRACTII第1章 总体设计11.1 平面关节型机器人的技术参数21.2 平面关节型机器人的结构特点2第2章 结构设计32.1 设计时要注意的问题32.2 零件的计算32.3 夹紧力的计算3第3章 移动关节的设计计算63.1驱动方式的比较63.2汽缸的设计7第4章 小臂设计94.1 设计时注意的问题94.2 小臂结构的设计94.3 轴的设计计算104.4 轴承的选择104.5 轴承摩擦力矩的计算114.6 驱动选择和控制12第5章 大臂设计145.1 结构的设计145.2 轴的设计计算145.3轴承的选择155.4 轴承摩擦力矩的计算165.5 伺服系统的选择和控制17第6章 机身设计186.1 设计时注意的问题18小 结19参考文献21致 谢22第1章 总体设计工业机械手是一种模仿人手部分动作，按照预先设定的程序，轨迹或其他要求，实现抓取、搬运工件或操作工具的自动化装置。它在二十世纪五十年代就已用于生产，是在自动上下料机构的基础上发展起来的一种机械装置，开始主要用来实现自动上下料和搬运工件，完成单机自动化和生产线自动化，随着应用范围的不段扩大，现在用来夹持工具和完成一定的作业。实践证明它可以代替人手的繁重劳动，减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率12工业机器人的总体结构类型可分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型和关节型四种。其中, 由于关节型结构动作灵活, 操作机占地面积小, 具有较大的操作空间, 应用比较广泛, 因此, 本文也以多关节工业机器人作为研究对象。从常规体系结构的角度来看, 多关节机器人应该由机器人执行机构( 操作机) 、电气控制系统、作业环境以及人机接口等部分组成。日本开发的SCARA平面关节式机器人是目前使用最广泛的机器人。它专门用于垂直安装作业，共有四个关节：三个水平转动关节和一个垂直滑动关节。机器人能抓取元部件在水平方向定位，在垂直方向进行插入作业。它的平面转动关节可以“放松”，使插入元件时可以顺应孔的位置作微小调整，具有柔顺性，但其只能纠正侧向误差，适合于“上下”安装的装配任务。SCARA装配机器人有较大的工作区域，使进料更容易。平面关节型又称为SCARA型，即选择柔性组合机器人臂（Selective Compliance Assembly RobotArm）。SCARA型工业机器人最早由Makino于20世纪70年代后期研制成功，是具有选择柔顺性的平面关节型机器人，其所有转动关节的轴线都是与立柱平行的，其显著特点是：运动速度快、重合定位精度高。因为其结构的关系，机器人在垂直方向刚性很好，但在水平方向却有较好的柔性，因而有助于插装作业，所以SCARA型机器人广泛应用于装配、搬运等行业领域中，并成了装配机器人的主流机型。SCARA机器人为平面关节型的机器人9。总体设计的任务：包括进行机械手的运动设计，确定主要工作参数，选择驱动系统和电控系统，整体结构设计，最后绘出方案草图。1.1 平面关节型机器人的技术参数主要技术参数见表1-1表1-1机械手类型平面关节型抓取重量2.2Kg自由度3个（2个回转1个移动）大臂长400mm，回转运动，回转角240，异步电机驱动 单片机控制小臂长400mm，回转运动，回转角240，异步电机驱动 单片机控制移动关节气缸驱动 行程开关控制手指气缸驱动 行程开关控制1.2 平面关节型机器人的结构特点平面关节型机器人的结构特点如图1.2.1所示:图1.2.1 机械臂1.底座 2.大臂 3.电机 4.小臂 5.腕部（回转） 6.腕部（升降）第2章 结构设计工业机械手的手部是用来抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、准确和牢靠程度都将直接影响到工业机械手的工作性能，它是工业机械手的关键部件之一1。2.1 设计时要注意的问题设计时要注意的问题：(1) 手指应有足够的夹紧力，为使手指牢靠的夹紧工件，除考虑夹持工件的重力外，还应考虑工件在传送过程中的动载荷。(2) 手指应有一定的开闭范围。其大小不仅与工件的尺寸有关，而且应注意手部接近工件的运动路线及其方位的影响2。(3) 应能保证工件在手指内准确定位。(4) 结构尽量紧凑重量轻，以利于腕部和臂部的结构设计。(5) 根据应用条件考虑通用性4。2.2 零件的计算其中g取10取G=23（N）2.3 夹紧力的计算：2.3.1 f为手指与工件的静摩擦系数，工件材料为40号钢，手指为钢材，查参考文献8表2-5 f=0.15所以 取N=40（N）驱动力的计算图2.3.1驱动力的计算为斜面倾角，为传动机构的效率，这里为平摩擦传动，查参考文献8表2-2 这里取 0.85所以取p=55(N)2.3.2 活塞手抓重量的估算r为杆的半径，h为长度，g取102.3.3 汽缸的设计 因为气压工作压力较低，对气动组件的材质和精度要求较液压底，无污染，动作迅速反映快，维护简单，使用安全。而且此处作用力不大，所以选气压传动5。汽缸内型选择，由于行程短，选单作用活塞汽缸，借弹簧复位。汽缸的计算气压缸内径D的计算按液压传动与气压传动公式 13-1 D为汽缸的内径(m)，P为工作压力（Pa）,为负载率，负载率与汽缸工作压力有关，取，查液压传动与气压传动表13-2 由于汽缸垂直安装，所以取P=0.3。按液压传动与气压传动表13-3圆整取32mm.活塞杆直径d的计算一般，此选0.2mm按液压传动与气压传动表13-4 圆整取8mm汽缸壁厚的计算按液压传动与气压传动表13-5查得弹簧力的F的计算第3章 移动关节的设计计算3.1驱动方式的比较机械手的驱动系统有液压驱动，气压驱动，电机驱动，和机械传动四种。一台机械手可以只用一种驱动，也可以用几种方式联合驱动3。各种驱动的特点见表3-1。表3-1比较内 容驱动方式机械传动电机 驱动气压传动液压传动异步电机，直流电机步进或伺服电机输出力矩输出力矩较大输出力可较大输出力矩较小气体压力小，输出力矩小，如需输出力矩较大，结构尺寸过大液体压力高，可以获得较大的输出力控制性能速度可高，速度和加速度均由机构控制，定位精度高，可与主机严格同步控制性能较差，惯性大，步易精确定位控制性能好，可精确定位，但控制系统复杂可高速，气体压缩性大，阻力效果差，冲击较严重，精确定位较困难，低速步易控制油液压缩性小，压力流量均容易控制，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制体积当自由度多时，机构复杂，体积液较大要油减速装置，体积较大体积较小体积较大在输出力相同的条件下体积小维修使用维修使用方便维修使用方便维修使用较复杂维修简单，能在高温，粉尘等恶劣环境种使用，泄漏影响小维修方便，液体对温度变化敏感，油液泄漏易着火应用范围适用于自由度少的专用机械手，高速低速均能适用适用于抓取重量大和速度低的专用机械手可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手中小型专用通用机械手都有中小型专用通用机械手都有，特别时重型机械手多用成本结构简单，成本低，一般工厂可以自己制造成本低成本较高结构简单，能源方便，成本低液压元件成本较高，油路也较复杂3.2汽缸的设计因为气压工作压力较低，对气动组件的材质和精度要求较液压底，无污染，动作迅速反映快，维护简单，使用安全。而且此处作用力不大，所以选气压传动6。汽缸内型选择：因为活塞行程较长，往复运动，所以选双作用单活塞汽缸，利用压缩空气使活塞向两个方向运动。初选活塞杆直径d=12mm，估算其重量取5N取80N气压缸内径D的计算按液压传动与气压传动公式 13-1D为汽缸的内径(m)，P为工作压力（Pa）,为负载率，负载率与汽缸工作压力有关，取，查液压传动与气压传动表13-2 由于汽缸垂直安装，所以取P=0.3。一般，此选0.3按液压传动与气压传动表13-3圆整取40mm.一般，此选0.3mm汽缸壁厚的计算按液压传动与气压传动表13-5查得汽缸重量的计算其中：R为汽缸外径，r为汽缸内径，h为汽缸长度，g取10，为汽缸材料密度取25N第4章 小臂设计臂部是机械手的主要执行部件，其作用是支撑手部和腕部，主要用来改变工件的位置。手部在空间的活动范围主要取决于臂部的运动形式7。4.1 设计时注意的问题(1) 刚度要好，要合理选择臂部的截面形状和轮廓尺寸，空心杆比实心杆刚度大的多，常用钢管做臂部和导向杆，用槽钢左支撑板，以保证有足够的刚度8。(2) 偏重力矩要小，偏重力矩时指臂部的总重量对其支撑或回转轴所产生的力矩。(3) 重量要轻，惯量要小，为了减轻运动时的冲击，除采取缓冲外，力求结构紧凑，重量轻，以减少惯性力。(4) 导向性要好。4.2 小臂结构的设计 选45号钢。,小臂长为400mm。较核：（N）取120N其受力如图4.2.1:图4.2.1 小臂的受力图F=120+105=225（N）按材料力学公式5.11 其中h为钢的高度，b为钢的宽，Fs为所受的力。所以所以选45号钢合适。4.3 轴的设计计算材料为45号钢，受力如图4.3.1:图4.3.1大轴的受力验算： F=660N 为保证安全，选择轴直径30mm。4.4 轴承的选择因为上轴承只受径向，下轴承受轴向力和径向力，所以选用角接触球轴承，按参考文献8表9-61（GB 297-84）选7304E，d=30mm e=0.3轴承的校核 因为此处轴承做低速的摆动，所以其失效形式是，接触应力过大，产生永久性的过大的凹坑（即材料发生了不允许的永久变形），按轴承静载能力选择的公式为：机械设计13-17 其中为当量静载荷，为轴承静强度安全系数，取决于轴承的使用条件。按机械设计表3-8 作摆动运动轴承,冲击及不均匀载荷,此处1.5.上轴承受纯径向载荷,所以因此轴承合适.下轴承受径向和轴向载荷,R为径向载荷A为轴向载荷X Y分别为径向轴向载荷系数，其值按机械设计表135查取因为所以 所以因此轴承合适小轴承受力很小，所以不用教核4.5 轴承摩擦力矩的计算： 如果 （C为基本额定动载荷，P为所受当量动载荷），可按机械设计手册第二版 (16.1-13)公式: 估算其中:为滚动轴承摩擦因数，F为轴承载荷，d为轴承内径。查表机械设计手册第二版 表16.1-29得，所以也可以用此公式估算所以查表机械设计手册第二版 表16.1-29得，所以也可以用此公式估算所以取0.14.6 驱动选择和控制 因为所需驱动力小，精度要求不很高，所以选择控制方便，体积小，重量轻，防护等级为IP44,广泛用在小型机床、化工、纺织、医疗器械上的YS系列三相异步电动机。 其主要技术参数如下：型号：YS8024功率：0.75 转速：1400电流：2电压：380效率：75.5功率因素：0.75堵转转矩：2.3额定转矩：6堵转电流：6主要尺寸：总长300mm，凸缘直径120mm，电动机外圆直径80mm。该机械臂采用步进电机做驱动器件，对机械臂的运动控制也就是对步进电机的分布式控制。它可以采用开环和闭环的方式。闭环控制可以使机械臂的运动和输入的指令期望的运动参数尽可能的吻合，但是控制部分和机械部分的结构相对复杂。开环控制方式就比较简单，而且在满足电机不失步的情况下，电机的定位精度很高。因此机械臂懂得驱动控制可以采用开环控制，其开环控制系统模块如图。 图4.6.1 开环控制系统模块 PC主机通过RS232串口发送计时器参数和其他的控制参数，单片机控制器按照PC发送的参数通过驱动模块驱动步进电机的运行。进而实现对执行机构机械臂的控制。驱动模块可以选用集成芯片UCN5804B，它集成了包括：环形分配器，电流控制器，保护电路，放大驱动电路。结构简单可靠，同时用户自己也可以设计各种电路对电机进行控制驱动。第5章 大臂设计5.1 结构的设计选45号钢。,小臂长为400mm。较核：（N）取140N其受力如图5.1.1:图5.1.1 大臂的受力图F=75+120+140=335（N）按材料力学公式5.11 其中h为钢的高度，b为钢的宽，Fs为所受的力。所以所以选45号钢合适。5.2 轴的设计计算材料为45号钢。其受力如图5.2.1:图5.2.1轴的受力图验算： F=1765N 为保证安全，选择轴最小直径32mm。5.3轴承的选择大轴轴承的选择：因为上轴承只受径向，下轴承受轴向力和径向力，所以选用角接触球轴承，按参考文献8表9-61（GB 297-84）选7304E，d=50mm e=0.3轴承的校核因为此处轴承做低速的摆动，所以其失效形式是，接触应力过大，产生永久性的过大的凹坑（即材料发生了不允许的永久变形），按轴承静载能力选择的公式为：机械设计13-17 其中为当量静载荷，为轴承静强度安全系数，取决于轴承的使用条件。按机械设计表3-8 作摆动运动轴承,冲击及不均匀载荷,此处1.5.上轴承受纯径向载荷, 所以因此轴承合适.下轴承受径向和轴向载荷,R为径向载荷A为轴向载荷X Y分别为径向轴向载荷系数，其值按机械设计表135查取因为所以 所以因此轴承合适小轴承受力很小，所以不用教核5.4 轴承摩擦力矩的计算如果 （C为基本额定动载荷，P为所受当量动载荷），可按机械设计手册第二版 (16.1-13)公式: 估算其中:为滚动轴承摩擦因数，F为轴承载荷，d为轴承内径。查表机械设计手册第二版 表16.1-29得，所以也可以用此公式估算所以查表机械设计手册第二版 表16.1-29得，所以也可以用此公式估算所以取0.15.5 驱动系统的选择和控制 因为所需驱动力小，精度要求不很高，所以选择控制方便，体积小，重量轻，防护等级为IP44,广泛用在小型机床、化工、纺织、医疗器械上的YS系列三相异步电动机。 其主要技术参数如下：型号：YS8024功率：0.75 转速：1400电流：2电压：380效率：75.5功率因素：0.75堵转转矩：2.3额定转矩：6堵转电流：6主要尺寸：总长300mm，凸缘直径120mm，电动机外圆直径80mm。该机械臂采用步进电机做驱动器件，对机械臂的运动控制也就是对步进电机的分布式控制。它可以采用开环和闭环的方式。闭环控制可以使机械臂的运动和输入的指令期望的运动参数尽可能的吻合，但是控制部分和机械部分的结构相对复杂。开环控制方式就比较简单，而且在满足电机不失步的情况下，电机的定位精度很高。因此机械臂懂得驱动控制可以采用开环控制，其开环控制系统模块如图4.6.1。 图4.6.1 开环控制系统模块 PC主机通过RS232串口发送计时器参数和其他的控制参数，单片机控制器按照PC发送的参数通过驱动模块驱动步进电机的运行。进而实现对执行机构机械臂的控制。驱动模块可以选用集成芯片UCN5804B，它集成了包括：环形分配器，电流控制器，保护电路，放大驱动电路。结构简单可靠，同时用户自己也可以设计各种电路对电机进行控制驱动。 第6章 机身设计机身是支承臂部的部件，升降，回转和俯仰运动机构等都可以装在机身上。主要由两部分组成，外壳和轴承套。外壳材料采用45钢。底座的轴承可以承受轴向和径向的力，这样避免了电机过载。电机安装在端盖上，结构简单，加工安装方便，材料用质轻强度好的铝合金。位于轴承套底部的电机通过对轴的驱动，从而带动了和轴固接的大臂的转动。 图6.1 底座 1.轴 2.轴承套 3.轴承 4.外壳 5.紧定螺钉 6.端盖 7.电机 6.1 设计时注意的问题(1) 要有足够的刚度和稳定性。(2) 运动要灵活，升降运动的导套长度不宜过短，否则可能产生卡死现象；一般要有导向装置。(3)结构布置要合理，便于装修。 由于此设计要求为三个自由度，所以此处无运动要求，只用来支承。只要刚度能满足就行了，高度可根据自动线的高低确定。小 结机器人的结构设计对整个控制系统的性能有很大的影响，因此其结构的合理与精心设计是整个控制系统实现的关键之一。在结构的具体设计中，还要考虑各部分的弹性变形、摩擦、间隙和传动误差等问题。本文设计的机械臂机构简单，较容易控制。可以应用在机器人控制试验和教学等领域；加上合适的机械手爪还可以组成控制精度更高、系统更稳定的闭环机器人控制系统。基于成本及精度等的考虑，可选择电位器实现位置的反馈。如今SCARA机器人还广泛应用于塑料工业、汽车工业、电子产品工业、药品工业和食品工业等领域。它的主要职能是搬取零件和装配工作。它的第一个轴和第二个轴具有转动特性，第三和第四个轴可以根据工作的需要的不同，制造成相应多种不同的形态，并且一个具有转动、另一个具有线性移动的特性。由于其具有特定的形状，决定了其工作范围类似于一个扇形区域。随着计算机技术，微电子技术，网络技术等的快速发展，装配机器人也得到飞速发展。当前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究，并朝着智能化，多样化方向发展。一些公司通过有限元分析，模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，机器人操作机已实现优化设计。以德国KUKA公司为代表的机器人公司，已将机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人工作范围，加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了机器人性能；同时机械结构向模块化可重构化发展，例如关节模块中伺服电机，减速器，监测系统三位一体化；由关节模块，连杆模块用重组方式构造机器人整机，国外已有模块化装配机器人产品问世。由于机器人技术发展水平的不平衡，各个国家对机器人发展有不同理解，但从技术先进性来看，在这一领域，代表国际发展趋势的装配机器人研究方向主要有： 直接驱动装配机器人：传统机器人都要通过减速装置达到降速并提高输出力矩，这些传动链会增加系统功耗,惯量，误差等，并降低系统可靠性。为了减少关节惯性，实现高速，精密，大负载及高可靠性，一种趋势是采用高扭矩低速电机直接驱动。 智能装配机器人：装配机器人的一个目标是实现工作自主，因此要利用知识规划，专家系统等人工智能研究领域成果，并开发出智能型自主移动装配机器人，能在各种装配工作站工作。并联机器人：传统机器人采用连杆和关节串联结构，而并联机器人具有非累积定位误差，执行机构的分布得到改善，结构紧凑，刚性提高，承载能力增加等优点，而且其逆位置问题比较直接，奇异位置相对较少，所以近些年倍受重视。协作装配机器人：随着装配机器人应用领域的扩大，对装配机器人也提出一些新要求。如多机器人之间的协作，同一机器人双臂的协作，甚至人与机器人的协作，这对于重型或精密装配任务非常重要。可以预见的是，当机器人正在深入到自动化生产的各个领域中时，SCARA机器人还将继续领带潮流。参考文献1周伯英.工业机器人设计M . 机械工业出版社， 1995，45-462龚振帮.机器人机械设计M. 电子工业出版社 ，1995，222-2243藤森洋三.机构设计M .机械工业出版社 ，1990，119-1204加藤一郎.机械手图册M.上海科技出版社 ，1989，33-355成大先.机械设计图册（5）M .化学工业出版社 ，1999，88-906刘鸿文.材料力学M .高等教育出版社 ，1991，77-817濮良贵 纪名刚.机械设计M .高等教育出版社 ，1995，56-788周开勤.机械零件手册 M .高等教育出版社 ，1993，34-449许果，王峻峰等.一种基于SCARA机器人机械结构设计J.机器人技术，2005，（4）：65-6610付宜利,潘博,李康. 内窥镜操作机器人结构设计及运动学仿真J. 机械设计，2007，(01)：62-6511陈晓勇. 机器人的结构设计J. 机械研究与应用，2004，(01)，17（1）：53-5412张卫锋,樊炳辉. 新型变形移动机器人结构设计和分析J. 现代机械，2006，(05)：66-6713陈晓勇. 机器人的结构设计J. 四川工业学院学报，2004，(01)，23（1）：20-2114Amir-A. Amiri-M, Modelling and control of a SCARA robot using quantitative feedback theory, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part I, Journal of Systems and Control Engineering, 2009, 223(7)15Serhan Yamacli；Huseyin Canbolat, Simulation of a SCARA robot with PD and learning controllers, Simulation Modelling Practice and Theory, 2008, 16(9)16Voglewede, P.；Smith, A；Monti, A., “Dynamic Performance of a SCARA Robot Manipulator With Uncertainty Using Polynomial Chaos Theory ” , IEEE Transactions on Robotics, 2009, 25(1)17M. Taylan Das；L. Canan Dulger, “Mathematical modelling, simulation and experimental verification of a scara robot”, Simulation modelling practice and theory, 2005, 13(3)18M. T. Das；L. C. Dulger, CONTROL OF A SCARA ROBOT: PSO-PID APPROACH, Control and Intelligent Systems, 2010, 38(1)致 谢毕业设计是学生综合学习的一个难得机会，同时也是检验我这几年学习水平的一次机会。在这次做毕业设计的过程中，我获益匪浅。它让我把大学几年来所学的知识做了一次系统的复习，把之前有所遗忘的知识又加深了印象，对于专业知识的掌握更加牢靠，同时由于每个人做的题目都不相同，每个人必须学会自主学习，研究，提高了我独立分析问题和解决问题的能力，也使我学会怎样更好的利用图书馆，网络查找资料和运用资料，还使我学会如何与同学共同讨论问题。但是在设计过程中也遇到很多问题，如设计综合考虑不够周全，还有一些细节方面考虑不够仔细。不过通过反复的修改和改进，我对设计的认识有了进一步的提高，这对我以后的工作有很大的帮助,今后我会在工作中不断的学习,努力的提高自己的水平。