圆柱坐标系工业搬运机器人结构毕业设计.docx

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1、摘 要 文章综述了机器人近几十年来的发展状况及有关的问题，并对圆柱坐 标系机器人进行了结构方面的设计。 对在圆柱坐标系机器人设计的过程中所遇到 的问题进行了初步的研究和分析：对其结构选型、设计计算作了定量的研究； 对 其定位、 精度确定等问题进行了初步研究； 对其发展历史、 现状及其未来的发展 趋势做了一定程度的分析和探讨。 本测量机结构为通过两根丝杠轴在电机的带动 下转动，实现丫，Z轴的移动，通过电机带动谐波齿轮，实现 Z轴的转动，进而 使机械手有三个自由度。圆柱坐标系机器人已广泛应用于工业生产的各个领域， 关键词： 圆柱形机器人，误差，精度，伺服电机ABSTRACTThis paper r

2、eviewed the development of robots in recent decades the situation and related issues, and cylindrical coordinate system for the structure of the robot design. Cylindrical coordinate system in the process of robot design issues encountered in the preliminary research and analysis: Selection of its st

3、ructure, design and calculation of quantitative research; its position on issues such as accuracy to determine a preliminary study ; their development history, current situation and future development trend of doing a certain degree of analysis and discussion. Structure of the measuring machine scre

4、w through the two-axis motor driven in rotation, the realization of Y, Z axis movement, through the harmonic gear drive motor, the realization of Z-axis of rotation, so that there are three degrees of freedom manipulator. Cylindrical coordinate system the robot has been widely used in various fields

5、 of industrial production,Key words: cylindrical robot, error, precision, servo motor第 1 章绪论1.1 机器人工业发展史 .1.2工业机器人的定义1.3机器人的结构1.4机器人的几何模型1.5机器人的主要技术参数1.6工业机器人的分类目录第 2 章工业机器人结构总体设计2.1确定机器人类型2.2机器人基座 .2.3谐波齿轮传动 .2.3.1 谐波齿轮构成2.3.2 谐波齿轮特点2.3.3 谐波齿轮传动的工作原理2.4丝杠 .2.5伺服电机 .2.3.3 伺服电机类型选择2.3.3 交流伺服电机工作原理2.3

6、.3 交流伺服电机控制方法第 3 章结构强度分析与计算 .103. 1Y 轴设计3.1.1 滚珠丝杠副的选择和计算 103.1.2 丝杆校验 123.1.3 伺服电机的选择 143.1.4 轴承的选择 173. 2Z 轴设计 183.2.1 滚珠丝杠副的选择和计算 183.2.2 丝杆校验 . 213.2.3 伺服电机的选择 243.2.4 轴承的选择 273.3 谐波齿轮的选择和计算 283.4 主轴上伺服电机的选择和计算 303.5 螺栓的计算 313.5.1连接Z轴与Y轴的螺栓的计算 31第 4 章结构强度分析与计算 . 34致谢 35参考文献 36第 1 章 绪论1.1 机器人工业发展

7、史 1958年，美国推出了世界上第一台工业机器人实验样机。 1967年，日本引进了美国的工业机器人技术，经过消化、仿制、改进、创新，到1980 年，机器人技术在日本取得了极大的成功与普及。80 年代以来， 国际机器人的发展速度平均保持在 25 30年增长率， 所生产的机器人主要 用于改善恶劣的工作条件。我国机器人技术起步较晚， 1987 年，北京首届国际机器人展览会上，我国展出 了 10 余台自行研制或仿制的工业机器人。经过“七五” 、“八五”攻关，我国研 制和生产的工业机器人已达到了工业应用水平。1.2 工业机器人的定义 国际上关于机器人的几种定义a. 美国机器协会（ RIA）： 机器人是一

8、种用于移动各种材料、 零件、工具或专用装置的， 通过程序动作来执 行各种任务，并具有编程能力的多功能操作机。b. 日本工业机器人协会：工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执行装置的、 能够完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。国际标准化组织（ISO）:机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多 功能操作机， 这种操作机具有几个轴， 能够借助可编程操作来处理各种材料、 零 件、工具和专用装置，以执行各种任务。c. 中国：机器人是一种拟人功能的机械电子装置。1.3 机器人的结构（1）机器人的体系结构 从体系结构来看，机器人分为三大部分六个系统，分别是： 三大部分：机械部分（用于实现各种动作）

9、 、传感部分（用于感知内部和外部的 信息）、控制部分（控制机器人完成各种动作） 。六个系统：A 驱动系统：提供机器人各部位、各关节动作的 原动力。B.机械结构系统：完成各种动作。C感受系统：由内部传感器和外部传感器组成。D.机器人-环境交互系统：实现机器人与外部设备的联系和协调并构成功能单元。精品文档E.人机交互系统：是人与机器人联系和协调的单元。F控制系统：是根据程序和反馈信息控制机器人动作的中心。分为开环系统和 闭环系统。(2) 机器人的机械结构：工业机器人一般有以下几部分构成(如图 1-1):机身部分：如同机床的床身结构一样，机器人机身构成机器人的基础支撑。 有的 机身底部安装有机器人行

10、走机构；有的机身可以绕轴线回转，构成机器人的腰。臂部分：分为大臂、小臂和手腕，完成各种动作。末端操作器：可以是拟人的手掌和手指，也可以是各种作业工具，如焊枪、喷漆 枪等。关节：分为滑动关节和转动关节。实现机身、手臂各部分、末端操作器之间的相 对运动。图1-1h f *移动关节图1-21.4机器人的几何模型：b利用关节图形符号，可以把复杂的真实机器人抽象成简单的几何模型，以便研究精品文档其运动和进行受力分析 一个形状和大小不同的工业机器人，可能有着相同的几何模型（仅几何参数不 同），并有着相同的运动学分析结果。a 5R型工业机器人b机器人几何模型图1-31.5机器人的主要技术参数（1）自由度：

11、指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目。（2）工作精度：包括定位精度和重复定位精度。可以用精密度、正确度、和准 确度三个参数来衡量。（3）定位精度：指机器人实际到达的位置和设计的理想位置之间的差异。（4）重复定位精度：指机器人重复到达某一目标位置的差异程度。（5）工作范围：指机器人末端操作器所能到达的 区域。（6）工作速度：指机器人各个方向的移动速度或转动速度。 这些速度可以相同, 可以不同。（7） 承载能力：指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。 1.6工业机器人的分类（1）按用途分：工业机器人、空间机器人、水下机器人、军用机器人、排险救 灾机器人、教学机器人和娱乐机器人等。（2

12、）按主要功能分：操作机器人：主要是模仿人的手和手臂的工作。移动机器人：工业生产中带有行走机构的机器人完成运输，上下料等工作。 信息机器人：主要指以计算机系统为基础的智能行为模拟装置。人机机器人：机器人和真人之间构成一个闭环系统。如假肢机器人。（3）按坐标系统来分：直角坐标型：只具有移动关节 圆柱坐标型：具有一个转动关节、其余为移动关节的机器人。 球坐标型：具有两个转动关节、其余为移动关节的机器人。精品文档关节型：具有三个转动关节的机器人直角坐标型底座回转球坐标型图1-4(4) 按受控方式分：点位控制型、连续控制型。(5) 按驱动方式分：液压驱动、气压驱动、电气驱动等。第 2 章 工业机器人结构

13、总体设计设计一台工业机器人是一项复杂而又艰巨的任务， 由于本人实践经验的缺乏 和认识上的不足， 因此在设计上不可能面面俱到。 本次设计仅仅只设计机器人的 总体机械结构，而对于控制系统以及细节部分如机械手设计等等不作详细的探 讨。2.1 确定机器人类型 根据机器人的运动参数确定其运动形式，然后才能确定其结构。常见的运动 形式有以下几种 ： 直角坐标型：机器人的主体结构的关节都是移动关节。 特点：结构简单，刚度高。关节之间运动相互独立， 没有耦合作用。 占地面积大， 导轨面防护比较困难。 圆柱坐标型：圆柱坐标式机器人主体结构具有三个自由度：腰转、升降和伸缩。 亦即具有一个旋转运动和两个直线运动。

14、特点：通用性较强；结构紧凑；机器人腰转时将手臂缩回，减少了转动惯量。受 结构限制，手臂不能抵达底部，减少了工作范围。球面坐标式 （极坐标）： 机器人主体结构具有三个自由度， 两个旋转运动和一个 直线运动。特点：工作范围较大；占地面积小；控制系统复杂 关节式机器人： 关节式机器人的主体结构的三个自由度腰转关节、 肩关节、 肘关 节全部是转动关节。特点：动作灵活，工作空间大；关节运动部位密封性好；运动学复杂，不便于控 制。综合比较以上几种方案的不同优缺点及对设计要求的全面认识， 本次设计采用圆 柱坐标型结构（如图 1.1 i ）。此结构有以下优点：通用性较强；结构紧凑；机 器人腰转时将手臂缩回，减

15、少了转动惯量。受结构限制，手臂不能抵达底部，减 少了工作范围。本设计的 Y、Z 轴两个坐标方向分别摆放一根丝杠轴，并配上轴承座、滑块、 电机等。Z轴由谐波齿轮传动，配上薄壁密封交叉滚子轴承、电机等。这样的结 构实现三自由度运动。2.2 机器人基座 基座作为机器人的一个基准面，其稳定程度对搬运的精度有着极其重要的影响。 因此在选材上应符合以下条件：（1）硬度高；（2）耐磨损；（3）变形小；（4）价格相对便宜。 用钢作成固定的基座，其优点是：稳定性好，受温度变化影响小，不易变形，造 价低廉，易于加工。2.3 谐波齿轮传动谐波齿轮传动具有结构简单、 传动比大 （几十几百）、传动精度高、 回程误差小、

16、 噪声低、传动平稳、承载能力强、效率高等优点，故在工业机器人、航空、火箭精品文档等机电一体化系统中日益得到广泛的应用图2-12.3.1谐波齿轮构成：谐波齿轮传动是谐波齿轮行星传动的简称。是一种少 齿差行星传动。通常由刚性圆柱齿轮 G柔性圆柱齿轮R、波发生器H和柔性 轴承等零部件构成。柔轮和刚轮的齿形有直线三角齿形和渐开线齿形两种，以后者应用较多。2.3.2谐波齿轮特点：谐波齿轮传动既可用做减速器，也可用做增速器。柔 轮、刚轮、波发生器三者任何一个均可固定，其余二个一为主动，另一个为 从动。传动比大，且外形轮廓小，零件数目少，传动效率高。效率高达92% 96%,单级传动比可达504000b承载能

17、力较高：柔轮和刚轮之间为面接触多齿啮合，且滑动速度小，齿面摩损均匀。柔轮和刚轮的齿侧间隙是可调：当柔轮的扭转刚度较高时，可实现无侧隙的 高精度啮合。谐波齿轮传动可用来由密封空间向外部或由外部向密封空间传递运动。2.3.3谐波齿轮传动的工作原理谐波传动由三个主要构件所组成，即具有内齿的刚轮I、具有外齿的柔轮2和波发生器3。通常波发生器为主动件，而刚轮和柔轮之一为从动件，另一 个为固定件。当波发生器装入柔轮内孔时，由于前者的总长度略大于后者的 内孔直径，故柔轮变为椭圆形，于是在椭圆的长轴两端产生了柔轮与刚轮轮 齿的两个局部啮合区；同时在椭圆短轴两端，两轮轮齿则完全脱开。至于其 余各处，则视柔轮回转

18、方向的不同，或处于啮合状态，或处于非啮合状态。当波发生器连续转动时，柔轮长短轴的位置不断交化，从而使轮齿的啮合处 和脱开处也随之不断变化，于是在柔轮与刚轮之间就产生了相对位移，从而 传递运动。在波发生器转动一周期间，柔轮上一点变形的循环次数与波发生器上的凸起 部位数是一致的，称为波数。常用的有两波和三波两种。为了有利于柔轮的 力平衡和防止轮齿干涉，刚轮和柔轮的齿数差应等于波发生器波数（即波发生 器上的滚轮数）的整倍数，通常取为等于波数。(1)齿差：谐波齿轮传动中，刚轮的齿数 zG略大于柔轮的齿数zR,其齿数 差要根据波发生器转一周柔轮变形时与刚轮同时啮合区域数目来决定。即 zG-zR=i。目前

19、多用双波和三波传动。错齿是运动产生的原因( 2)变形： 波发生器的长度比未变形的柔轮内圆直径大：当波发生器装入 柔轮内圆时，迫使柔轮产生弹性变形而呈椭圆状，使其长轴处柔轮轮齿插入 刚轮的轮齿槽内，成为完全啮合状态；而其短轴处两轮轮齿完全不接触，处 于脱开状态。由啮合到脱开的过程之间则处于啮出或 啮入状态 。 当波发生器连续转动时：迫使柔轮不断产生变形，使两轮轮齿在进行啮入、 啮合、啮出、脱开的过程中不断改变各自的工作状态，产生了所谓的错齿运 动，从而实现了主动波发生器与柔轮的运动传递。2.4 丝杠 本设计采用滚珠丝杠副，滚珠丝杠副没有滑动丝杠粘滞摩擦，消除了在传动 过程中可能出现的爬行现象，它

20、是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件， 其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动， 它是传统滑 动丝杠的进一步延伸发展。 这一发展的深刻意义如同滚动轴承对滑动轴承所带来 得改变一样。 滚珠丝杠副因优良的摩擦特性使其广泛的运用于各种工业设备、 精 密仪器、 精密数控机床。 尤其是近年来， 滚珠丝杠副作为数控机床直线驱动执行 单元，在机床行业得到广泛运用， 极大的推动了机床行业的数控化发展。 这些都 取决于其具有以下几个方面的优良特性： 传动效率高、定位精度高、传动可逆 性、使用寿命长、同步性能好。2.5 伺服电动机 伺服电动机又称控制电动机、 执行电动机。 在自动控制系统中

21、作为执行元件， 把输入的电压信号转换成轴的角位移或角速度输出。 输入的电压信号又称为控制 信号或控制电压， 改变控制电压可以改变伺服电动机的转速及转向。 它和一般的 电机的不同点在于它要接受控制信号的控制。 有了控制信号， 立即转动； 控制信 号消失，立即停止。因此，可控性好、响应快及运行平稳是对伺服电机的基本要 求。2.5.1 伺服电动机类型的选择 伺服电机是电气伺服控制系统的动力部件。 它是将电能转化为机械能的一种 能量转化装置。由于它们的工作在很宽的速度和负载范围内受到连续而精确的控 制，因而在各种自动控制系统中得到了广泛的应用。伺服电机的种类很多，三坐标测量机中的驱动电机主要有歩进电机

22、、直流伺 服电机与交流伺服电机三种。表 2.1列出了伺服电机特点及应用。表2.1常用伺服电动机的主要特点及应用举例种类主要特点应用实例歩进电机1转角与控制脉冲数成比例，可构成直接数字控制2有定位转矩（自锁力）3可构成廉价的开环控制系统计算机外围设备、 办公机械、以及对 速度、精度要求不 高的中、小功率自 动控制装置等直流伺服电机1高响应特性2高功率密度（体积小、重量轻）3可实现高精度数字控制4有直接换向部件，需维护NC机械、机器人、 计算机外围设备、 办公机械、音响及 音像设备、计测机 械、医疗机械交流伺服电机1对定子电流的激励分量和转矩分量分别控制，调 速系统复杂2具有直流伺服电动机的全部优

23、点，且无换向部件 3结构简单、坚固、容易维护，但控制装置成本高功率放大的 NC机 械直流伺服电机一般带有电刷，电机转动时产生的火花影响了它的使用，电刷 也限制了电机的转速，增加了日常维护工作，并影响寿命。70年代，随着矢量控制理论的发展和大规模集成电路制造技术的进步，使矢量变换控制走向实用， 交流伺服电机逐渐得到广泛应用。 它在控制精度、调速范围、力能指标等各项技 术性能方面都不亚于直流伺服电机。交流伺服电机的定子常采用三相绕组，转子 为永久磁铁。常用旋转变压器或脉冲编码器作为速度检测与位置检测元件，也可用测速发电机作为检测元件。交流伺服电机的调速比可达10000以上，在1r/min 的低速下

24、仍能平滑旋转。在相同的输出转矩下，其体积比直流伺服电机小，并且 转矩的波动小。电机的噪声小，振动小。最主要的是它无需采用电刷，使它的运 行速度比直流电机高，且寿命长、维护简单。随着功率电子器件与现代科技的发 展，交流伺服电机正逐渐代替直流伺服电机，是比较理想的驱动元件。2.5.2交流伺服电机的工作原理将励磁绕组接在交流电源 上，将控制绕组接于伺服放大器输出的控制电压 上如图2.2所示。当控制电压=0时，电机内只有交流励磁电压 加于励磁绕组 上，气隙中形成脉振磁场，转子没有启动力矩不会转动。如果控制电压10,且使控制绕组内的电流超前或滞后于励磁电流， 则在气隙中形成正向或反向旋转磁 场，转子产生

25、电磁转矩，使转子转动起来。因此，改变控制电压的大小和相位，就可控制交流伺服电机转动的快慢和方向。这说明交流伺服电机可做到受控即 精品文档精品文档 动。交流伺服电机同样可做到控制信号消失后即刻停止转动。要想使伺服电机停转，必须在控制信号消失后使正转时的合成转矩变负或使反转时的合成转矩变 正。即使正转时的正向电磁转矩小于反向电磁转矩； 反转时的正向电磁转矩大于 反向电磁转矩。2.5.3交流伺服电机的控制方法对于伺服电动机不仅有启动、停止的控制，还有转向和转速的控制。只要 能改变控制电压和励磁电压的大小比例及相位，就能改变合成转矩的大小和方 向，达到上述控制的目的。其基本控制方法有：（1） 幅值控制

26、 保持控制电压 与励磁电压 之间的相位差始终为900,仅 改变控制电压的幅值或将 反向，以控制伺服电机的转速与转向。（2）相位控制 保证控制电压 的幅值不变，通过移相器改变其相位，实 现对伺服电机的控制。（3）幅-相控制 同时改变控制电压 的幅值与相位，对伺服电机进行控制。 在这三种控制方法中，相位控制需复杂的线路，电机发热也较厉害，故较少用。另外两种方法实现较简单，应用较广泛。第3章结构强度分析与计算3.1Y轴设计Y轴结构是一组丝杠组装零件组，其中包括丝杠轴、轴端固定座、丝杠上的 滑块、轴承、轴承盖、螺钉以及电机等零件，其作用是在机器工作时丝杠在电 机的驱动下实现Y方向上的运动。3.1.1滚

27、珠丝杠副的选择和计算夹持方式选择外夹式夹持一圆柱形工件，直径为50mm高为100mm计算载荷预计工作载荷2体积 v= n 100 10=2 10* ( m3)4重量 V=v “ g=2 10* 7.8 103 10=15.6N预计手部、腕部结构、丝杆、导向杆与各轴承等零件的质量 手部和腕部结构的质量约为m=5kg 丝杆和导向杆的质量约为 m=8kg各轴承零件的质量约为 m=2kg最大工作载荷 Fm= W+(n+m+m)g=165.6N丝杠工作长度I = 1m 平均转速n尸100r/min，最大转速nmax= 300r/min，最高 移动速度Vmax=1.5m/min使用寿命Lh = 15000

28、h左右，丝杠材料为CrWMrl冈，滚道 硬度为5862HRC传动精度要求曲.03。确定滚珠丝杠副的导程R工作台最高移动速度Vmax，电机最高转速nmax，传动比等确定Ph :Ph =maxmax当电机与滚珠丝杠副直接连接时，i=1Ph =Vmax= 1500=5mmnm ax300计算额定动载荷Ca求计算载荷FcFc =KF KHKAFm =1.2 1.0 1.0 165.6=200N（其中，系数由表3-1、3-2、3-3 查得）表3-1载荷系数载荷性质无冲击平稳运转一般运转有冲击和振动运转Kf11.21.21.51.52.5表3-2硬度系数滚道实际硬度HRC 5855504540Kh1.01

29、.111.562.43.85表3-3精度系数精度系数C、DE、FGHKa1.01.11.251.43根据寿命条件计算额定动载荷CaFnm LhC 1.67 104-200100 150001.67 104:900N表3-4FFZD型丝杆参数表规格 代号lsdQ导程%叭亘径d2RUS摊母璀连挨尺寸动载 ca (KN简)Co=16mm导程：p=5mm螺旋角：入=arctan(16 n )=5 36滚珠直径：do=3.5mm滚道半径：R =0.52 do=0.52 x 3.5=1.82mmf d 、偏心距：e = 0.707 R专 J = 0.707 汉(1.821.75) =4.949 汉 10,

30、 mm丝杠内径：d2=12.9mm3.1.2丝杆校验 稳定性验算：假设为双推一简支(F S),因为丝杠较长，所以用压杆稳定性来求 临界载荷Fcr一()2式中：E 丝杠的弹性模量，对于钢 E=206GPaI a 丝杠危险截面的轴惯性矩 d4:0.012946464= 1.36 10所以-2 206 109 1.36 10亠(2/3 1)2，长度系数，两端用铰接时，=2/3=6.215 103N故 空=6.215疋10 =37.5S = 2.54 （参考表3-5）,丝杠是安全的，不 Fm165.6会失稳。表3-5稳定性系数支承方式双推一自由双推一简支双推一双推有关系数FOF SF FS342.53

31、.322/3fc1.8753.9274.730注：二一长度系数；仁一临界转速系数。 临界转速ncr验证高速运转时，需验算其是否会发生共振的最高转速，要求丝杠最高转速 nmax 0.0174KVy T=0.32 N m0.284 N m Tr=0.95 N m0.564 N m3.1.4轴承的选择(1) 预紧力Fp计算b =0.1Fp =b Ca=0.1 900=90N(2) 行程补偿值C-t =3 Clu /亍程 +(8-14) R=1000+12 5=1060C =11.8 .：t lu 10=11.8 3 1060 10=39.64(3) 预拉伸力Ftt为温差，一般取30C2 2Ft =1

32、.95：t d2 =1.95 3 74.3 =973.5N(4) 轴承的选用计算各种类型轴承的选用应从允许的空间，轴承负载大小和方向，高速性能，旋 转精度，刚度，振动与噪声，轴向游动，摩擦力矩，安装与拆卸等方面综合考 虑，全面衡量，择优选择满足设计要求的轴承类型。a. 轴承所承受的最大轴向载荷为：FBmax 二 Ft Fmax =973.5+33.仁1006.6 Nb. 轴承类型滚珠丝杠的支承方式为两端固定，固定端选用背靠背60。角接触推力球轴承。c. 轴承内径轴承内径d略小于丝杠底径d2=12.9，取d =10mmFbp =1/3 FBmax，代入得 Fbp 335.5 Nd. 轴承预紧力预加负荷一 Fbpe. 按样本选轴承型号规格确定滚珠丝杠支承用的轴承为 51200型(机械设计课程设计轴承表8-146)推力球轴承3.2Z轴设计Z轴结构是一组丝杠组装零件组，其中包括丝杠轴、轴端固定座、丝杠上的 滑块、轴承、轴承盖、螺钉以及电机等零件，其作用是在机器工作时丝杠在电 机的驱动下实现Z方向上的运动。3.2.1滚珠丝杠副的选择和计算Y轴上的重量+丝杠工作长度I = 1m 平均转速 n尸100r/min，最大转速 nma尸150r/min ,最高移动速度 Vmax=1.