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1、装订线长 春 大 学 毕业设计（论文）纸第1章 绪论1.1 课题来源及研究的目的和意义1.1.1 课题背景自从一九五年代美国乔治狄弗发明了第一部用工业机器人并取得专利之后，机器人在现代工业范畴中逐渐崭露头角，同时进入工业以外的各项生活领域。预料二十一世纪的人类，将与有人类一手创造的【人造人】共存共荣。各种生产过程的机械化和自动化是现代技术发展的趋势。随着技术进步和国民经济的发展，为适应产品品种频繁更新所形成的中、小批量生产，作为现代最新水平的FMS（柔性制造系统）和FA（工厂自动化）技术的重要组成部分的工业机器人技术也得到了迅速发展。在制造工业中，应用工业工业机器人技术是提高生产自动化，改善劳
2、动条件，提高产品质量和生产效率的有效手段之一，也是新技术革命的一个重要内容。工业机器人是一种机械技术与电子技术相结合的高技术产品。采用工业机器人是提高产品质量与劳动生产率，实现生产过程自动化，改善劳动条件，减轻劳动强度的一种有效手段。工业机器人的诞生和发展虽只有30多年的历史，但它已应用到国民经济、军事技术等众多领域，具有广阔的应用和发展前景，显示出强大的生命力。其中，用于物料传输与装卸的搬运机器人在制造自动化系统中得到了日益广泛的应用。全套图纸，加1538937061.1.2 课题介绍所谓托板置物作业即是将输送带送来的制成品取下，堆放到托板上去的整个过程，这种工作非常单调，容易造成肉体上的疲
3、劳。堆置的东西有轻重之分，形状也各异，也有高温的物品，而且堆置作业时并非只把东西放到托板上即可，必须将它们排列的整整齐齐。要排得整齐固然要把凸凹面调整好，但却是极度缺乏变化的作业。这种单调的反复作业对人而言是一种精神与肉体的苦痛，却是机器人能发挥特长的作业项目。 操作机器人（handling robot）中专门用来堆放物品的机器人称为托板置物机器人。这种机器人可由微电脑控制，把物品依设定的形式堆置到托板上，但机器人本身却必须有调整凸凹、整齐堆放物品的能力。此中机器人能区别输送带上制成品的方向，有的还可以同时从两条输送带上将制成品依不同的形式分别堆置与不同的托板上。为了处理形状、方向各异的物品，
4、托板置物机器人还具有多种功能的手臂，如此即可依物品的大小、重量、形状分别选用不通的手臂来操作。由于这种机器人是由微电脑控制，故可让它记忆多种堆置物品的形式，并从事多种不同的作业。将物品堆上的托板的作业称为托板置物作业，相反地，将物品从托板上取下来则叫做托板取物作业（depalletizing）。由于托板取物作业需将物品从箱子或托板上一个个地取出，所以也可以利用托板置物用机器人来进行。严格来说，输送带、托板取物用机器人以及无人搬运车都是柔性制造系统（FMS）中的输送系统要素，亦即全是柔性制造系统的周边设备。当其中的输送带与托板取物用机器人合并构成一个自动输送系统时，自然就很少再有利用无人搬运车的
5、例子。机器人采用模块化设计，可根据不同需要为机器人更换模块及部分程序进行改装，适应性强。机器人广泛应用于工业、军事、医疗、教学、家庭等多领域。机器人上应用了许多尖端技术，具有结构复杂，技术含量高等特点。本课题设计箱式货物堆放机器人移动臂及腕部设计。机器人应具有移动、整齐堆放箱式货物至2m高度的能力。1.1.3 课题的目的和意义在制造业中有大量的搬运工作，而这种搬运往往又都是简单，重复，繁重，枯燥，要占用很多劳动力。人们想用自动化来改善这种状况却不太容易，因为每次搬运，对象的空间位置都是变化的，而且搬运的对象又是多样化的，所以采用一般的自动化手段很难取得较佳的效果。然而，工业机器人能够胜任这种苛
6、刻的要求，它的结构适合零件的多样化，它的指挥系统适应空间位置的变化。可以说，搬运工作要实现自动化，非机器人莫属。其意义就是使人从这种非常单调，容易造成肉体上疲劳的劳动中解脱出来，充分体现以人为本的设计思想。1.2 国内外在该方向的研究现状及分析1.2.1 双轮行走搬运机器人【日经BP社报道】日本三洋公司开发出可依靠上体“倒立”保持身体平衡的双轮行走机器人“”。 并在从2002年6月19日起至25日于福冈举行的“机器人世界杯2002福冈釜山”上做了参考展示(图)。这种机器人头部位于筒状身体的上部，底部左右各有一个轮子，头部兼作载物平台。机器人的移动当然要靠轮子，不过单单靠轮子移动形成的“两点支撑
7、”机器人站不稳，严重时甚至会跌倒。为此，新型机器人通过控制轮子的驱动力，使其上体的重心能始终位于连接两轮的轴线上，以保持身体平衡。三洋公司推出这种机器人主要是探求市场对于“生活辅助机器人”的需求。图1.1 双轮行走机器人新型机器人通过前进和后退时将上体向前方或后方探出、使得重心前移或后移。此时根据车轮速度改变上体倾斜角度，来巧妙地掌握平衡。这样一来，“即使地面稍有凹凸不平，也可以正常移动，不会跌倒。为了使头部的物品放置平台保持水平，在头部也设置了关节。除了考虑物品本身的重力外，还考虑到机器人加减速时作用于物体的惯性力，通过使头部前后左右地移动来保持平台的水平。因此，在为用户取水杯时，杯中的水不
8、会撒出来。大小为长602宽463高564mm。重20kg。移动速度方面，平地行走时最大30cm/秒。可搬运重量最大为10kg。运行时间约为1小时。车轮中嵌有一个输出功率为90W的DC(直流)电动机、头部则嵌入了两个相同的电动机。为了检测上体的平衡情况，使用了3个陀螺仪和1个3轴加速传感器。电源采用镍氢充电电池。1.2.2 洁净环境镀膜搬运机器人生产线两轴镀膜搬运机器人生产线系统就是用于光导鼓（打印机中关键零件）镀膜和搬运，适用于在洁净环境下工作。这不仅可以极大地提高生产效率、产品质量，而且还 可以减轻工人的劳动强度，从而降低产品废品率，进而降低产品生产成本。光导鼓生产全部过程是在洁净环境下完成
9、的。洁净间洁净度等级的高低将直接影响最终产品质量。本洁净间要求洁净度等级符合美国联邦标准FS209悬浮粒子M4.5洁净度级别要求，即在1立方英尺空间环境下，大于0.5 、小于5 的尘埃低于1000个，而大于5 的尘埃不准有。这就意味着机器人本体在运行过程中传动部分避免产生颗粒，采用的润滑脂具有低挥发性；另外机器人本体外表面要经常除尘，机器人外表面要求光滑、平整，便于工人除尘。机器人本体的工作环境有一些醚类腐蚀挥发性气体，采用的润滑脂具有抵抗醚类腐蚀性气体；机器人外表面将采取喷、镀锌处理以及部分零件采用不锈钢材料或者钢件表面采用镀锌处理，这样就可以满足用户要求了。机器人在工作时的振动幅度大小对产
10、品质量影响也是很大的，尤其是光导鼓在镀膜过程中和离开镀液池时的振动幅度不超过30 ，若振动幅度过大则在光导鼓镀层上会产生波纹，造成光导鼓报废，因此，机器人在生产全部过程中运行非常平稳，尤其是光导鼓在镀完膜离开镀液池时端拾器不准有抖动现象。根据以上光导鼓的生产工艺要求，机器人总体采用单臂悬臂梁结构。X 轴采用焊接结构件，焊后两次去应力处理，导轨、齿条安装螺纹孔配作加工，这既能保证导轨、齿条的安装精度，结构刚性好，又能达到整体结构平稳运行。Z 轴总体采用球墨铸造件，铸造件经过两次去应力处理后使铸件去除残余内应力，这样结构刚性好、吸振性好并且加工性能良好，有利于保证Z 轴的运动精度以及振动幅度要求。
11、机器人本体的传动部分采用进口伺服电机、德国高精度减速机以及德国联轴器、日本导轨齿轮齿条以及丝杠驱动方式，控制系统采用PLC模块控制，这完全可以达到X轴、Z轴的最大速度以及位置重复定位精度要求，以及光导鼓在镀完膜离开镀液池时的振动幅度要求，从而满足用户提出的生产工艺要求。单台机械手的控制器采用PLC， 人机接口采用触摸屏，如下图：图1.2 单台机械手功能结构图苏州用户一期的两轴镀膜搬运机器人，从2003年投产至今，机器人运行效果良好、平稳，产品合格率达到用户要求。目前，二期机器人已经进入现场安装调试阶段，机器人的各项技术指标均达到技术协议要求。更换机器人末端拾器，还可以应用在小零件或管类产品的涂
12、、镀生产线、零件搬运等生产线。1.2.3 激光导引搬运机器人投入运行由沈阳新松机器人自动化股份有限公司研制成功的拥有自主知识产权的激光导引搬运机器人，日前投入运行。据了解，与传统的电磁、光学和惯性导引方式的机器人相比，激光导引方式具有自动探测、自动寻址，停止精度高，自主性强，智能化程度高，适应性、灵活性强，安装成本低，运行可靠性高等优点。激光导引搬运机器人已在山东潍坊柴油机厂和上海文新报业集团投入使用。这批机器人目前主要用于无人车间的物资搬运工作，由于设计了激光导航和激光测距技术，机器人定位准确；由于设计了激光扫描非接触式防碰撞装置，机器人在搬运过程中的安全可靠性得以保证。另外，这批机器人运行
13、速度快，对环境没有特殊要求，在无需特殊装修的普通地面上就可以完成前进、后退、转弯、平移、自旋等多种方式操作；同时还可以自动充电，保证连续24小时正常工作。 （2004/04/06 光明日报）1.2.4 博高马公司推出5加仑瓶搬运机器人目前，在意大利饮料市场上使用5加仑瓶（18.9升）的越来越多，为此，博高马(Procomac)公司的包装机械部为优化这些容器的搬运和包装工作开发出一种新技术。 名为法努克的卸垛机械人，有六个坐标轴，承载能力为165公斤，配有两个专用机器手。该机器人是由博高马公司的包装机械部进行设计和制造的。第一个机器手，设计用来搬运两个5加仑塑料瓶，机器手的结构全用不锈钢制造；第
14、二个机器手最富有革新概念，它能把托架上的瓶子一起搬走。除此之外，它还能搬运大张的胶合板。这种可靠的、轻型的结构也是用不锈钢制成的，其手臂的动作既准确又安全。它还装有特殊的橡胶吸盘，可搬运大张的胶合板。这两个机器手都是单独控制的，由于机器人的灵敏动作，可以使两只手合拢，一起抓住瓶颈，以保证搬运的安全。这个系统具有码垛和卸垛功能，并且保证了重复动作的最高精确度。1.2.5 国产搬运机器人以往人们要想获得搬运机器人，往往只能通过进口。而今，无锡威孚集团公司和南京理工大学的10名科技人员经过多年攻关，终于成功研制了自己的搬运机器人。有关专家对这台搬运机器人进 行了鉴定，认为该项目“技术达到了上世纪九十
15、年代中期的国际水平”。 该机器人是根据威孚集团铝浇注车间的生产要求设计的。它可以同时服务于8台浇注机，完成从3台保温炉内舀取铝液倒入浇注机浇注的工作。这台机器人在现场演示时，舀取和倒入过程滴水不漏，为8台浇注机服务一遍的时间仅为385秒。这台机器人除了为浇注服务外，还具有通用机器人的功能，可以广泛用于各类环境恶劣的浇注和搬运工种。其结构为六自由度、关节式、轨迹控制式。最大负荷可达100公斤，最大工作半径达2.6米，回转动作范围为正负180度。1.3 工作内容和要求1.3.1 工作内容设计箱式货物堆放机器人的总体结构。设计箱式货物堆放机器人移动臂的详细结构。设计箱式货物堆放机器人腕部的详细结构1
16、.3.2 要求开题报告A0图纸4张设计说明书1份，20000字译文5000汉字计算机计算程序1.4 课题的重点和难点移动臂中移动副结构的设计,及腕部回转机构的实现以及手部执行机构的设计。工业机器人手部机构的加紧力分析与计算，手部机构的定位误差分析，手部机构驱动力的计算，减速机构的选用。1.5 可能用到的主要知识和技能工业机器人技术是一门跨学科的综合性技术，它涉及到力学，机构学，机械设计，机械原理，气动液压技术，机电控制，工程图学，自动控制技术，机器人工程基础，机器人动力学，机器人视觉技术，机器人运动学，机器人机构学传感技术和计算机技术等学科领域，是一门新型的综合性技术。1.6需要自学的知识和技
17、能工业机器人的定位与缓冲，机器人工程基础、机器人动力学、机器人视觉技术、机器人运动学、机器人机构学，有限元分析。1.7工作计划根据课题要求及工程实际背景，查阅相关资料，补充一些相关的知识和技能。翻译外文资料，在此基础上写开题报告。提出设计方案，并加以论证和比较。设计与计算关键参数，编写相应的计算机程序，绘制工程草图。根据草图结合一些优化设计方法，将机构加以优化，对关键部分如机构的运动轨迹等加以计算和说明。绘制三维工程图，及二维工程图。接下来的主要任务就是编写设计说明书。第2章 方案论证2.1 机器人布置形式现状2.1.1 机器人布置形式现状 (1) 圆柱坐标型 2T，1Rrrz图2.1 圆柱坐
18、标型机器人布置形式这种运动形式的工业机器人的臂部均具有回转、伸缩与升降三个自由度，其运动范围的图形为一个圆柱体。它与直角坐标型相比较，占地面积小而且活动范围大，结构简单、紧凑，并能达到较高的定位精度，应用广泛，运动直观性较强。 (2) 多关节型 3R图2.2 多关节型机器人布置形式这种运动形式的工业机器人的臂部类似人的手臂可作几个方向的转动，它由立柱和大、小两臂组成，大小两臂之间的连接为肘关节，大臂与立柱之间的连接为肩关节，可使大臂做回转运动，小臂俯仰和大臂俯仰运动。其特点是工作范围大、动作灵活、通用性强、能抓取靠近机座的物体，但是，其运动直观性差，手部中心位置是由多个回转角确定的，要达到较高
19、的定位精度很困难。 (3) 直角坐标型xzy图2.3 直角坐标型机器人布置形式直角坐标型工业机器人，其运动部分由三个相互垂直的直线移动组成，其工作空间图形为长方体。它在各个轴向的移动距离，可在各坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计算，定位精度高、结构简单，但机体占空间体积大，灵活性较差(4) 球坐标型 r图2.4 球坐标型机器人布置形式又称极坐标型，它由两个转动和一个直线移动所组成，即一个回转和一个伸缩运动组成，其工作空间为一个球体，它可以作上下俯仰动作并能够抓取地面上或较低位置的工件，具有结构紧凑、工作空间范围大的特点，但是结构较复杂。 (5) 平面关节型 z图2.5 平面关节
20、型机器人布置形式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，其工作空间的轨迹图形，其纵截面为矩形回转体，纵截面高为移动关节行程长，两回转关节转角的大小决定回转体横截面的大小、形状。这种形式又称SCARA型装配机器人，是Selective Compliance Assembly Robot Arm 的缩写，意思是具有选择柔顺性的装配机器人手臂。在水平方向由柔顺性，在垂直方向则有较大的刚性。它结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合小规格零件的插接装配，如在电子工业零件的插接、装配中应用广泛。由上述介绍与分析再结合本课题的实际需要与成本的考虑，采
21、用直角坐标型机器人。即可实现结构简单、低成本、运动精度高、刚性好、易于程序的编制以及日常的维护。2.1.2 自由度数目选取60(T直移)443202333T2T1T0T0R1R2R3R（R回转)图2.6 臂部运动组合的一般情况目前，一般工业机器人的自由度大多不超过5个。从上图可以看出由两个直移和一个回转运动组成的臂部结构占实际应用的工业机器人臂部结构的60，但是考出于实际需要和生产成本的考虑，本课题选用三个移动作为设计结构。2.1.3 机器人动力驱动装置机器人手臂必须能够持举相当重量的物品，因此其动力装置常采用油压方式。尽管重量在五十公斤以下时有电动方式就足够了,然而驱动装置仍是机器人手臂大型
22、化的主要原因.甚至随着饲服装置大型化,及其手臂上相当与肩的部位,为了不至于因手臂前端的重量儿下垂,所以通常都之多得相当粗大,工业机器人手臂之所以会又粗又大,就是这个原因.目前机器人手臂方面的硬体问题,重点在于整体重量的减轻及小型化；更进一步地总则是动力装置的轻量化与小型化。无论是轻量化还是小型化的改革，必须在最大的基本前提维持原有的功率(power)之下进行，在小型化上面临的瓶颈是：必须装减速齿轮。主要是现有的电动力马达仍有难以突破之处。最近随着稀土族（rare-earth）马达的日益精进，低速、高扭矩（torque ,转矩）的轻型化马达已大致达成实用化的阶段，于是不必使用减速器的马达直接驱动
23、式机器多关节手臂的开发工作正式展开。机器人驱动装置：驱动器（actuator），其形式分为电力式，气压式，油压式多种。动力源大部分都是电力，借助电动马达使压缩机（compressor）旋转，而将电力转换成气压或油压。1）液压式：其驱动系统的由油缸，电磁阀，油泵和油箱组成。其特点是操作力大，体积小，动作平稳，耐冲击，耐振动。但漏油对系统的工作性能影响大，与气压式相比成本高。2）气压式：其驱动系统由气缸，气阀，空气压缩机（过由气压站直接供气）和储气罐等组成。其特点是起源方便，维修简单，易于获得高速度，成本低，防火防爆，漏气对环境无影响。但操作力小，体积大，又由于空气的压缩性大，速度不易控制，响应慢
24、，动作不平稳，有冲击，臂力一般不超过300N。3）电气式：其驱动系统一般是有电机驱动。优点是电源方便，信号传递运算容易，响应快，驱动力较大，适用于中小型工业机器人，但是必须使用减速机构（如齿轮减速器，谐波齿轮减速器等），所用的电机有步进电机，DC饲服电机和AC饲服电机等。4）机械式：其驱动系统由电机，凸轮，齿轮齿条，连杆等机械装置组成，传动可靠，适用于专一简单的机械手。但这种方式结构比较庞大。2.2 设计方案概述进行货物搬运时，所要做的工作有：（1）从传送带取一个箱子；（2）将箱子放入托盘。在实现方案之前还需要给出多种附加的假定和技术要求，包括传送带速度，待搬运箱子的重量，纸箱尺寸，托盘尺寸，
25、机器人的几何形状，传感器类型和手爪的几何形状等。主要解决：（1）机器人设计和工艺要求；（2）电机顺序控制；（3）为各轴选择电机和驱动机构;（4）选择编码器；（5）视觉系统方面的考虑，包括摄像机选择，以及光电续断器的使用。图2.7为箱式货物搬运装置的总体布置图。作如下假设：（1）箱子遮断光束时使用光电续断器使传送带停下来；（2）用CCD摄像头确定箱子的放置形式；（3）把箱子放入托盘。传送带移动方向机器人位置机械挡板zyx栅栏光电断续器待搬运的箱子放在传送带的一侧用于放置箱子的托盘 图2.7 搬运装置总布置图搬运机器人总体外观设计，见图2.8。图2.8 搬运机器人总体外观图第3章 搬运机器人的详细
26、设计和计算3.1 搬运机器人外形参数的选取3.1.1 作用在丝杠上机构质量的估计有托板、谐波减速器、同步齿形带、快换接口及手部吸盘等，预估为圆柱体：直径D400mm，高H500mm,钢的为密度7860。由于预估模型为实体构件，实际结构应该比494Kg小，但由于没有考虑托板重量及电机和手部重量，故比494Kg小的不会太大，从安全角度考虑，所以预估重量450Kg。3.1.2 手部参照尺寸及抓取货物质量的确定GB/T4892-1996硬质直方体运输包装尺寸系列规定的包装箱，其底面尺寸系列有：瓦楞纸板箱按照使用瓦楞纸板不同的种类、包装内装物的最大重量及箱内尺寸之和分为30种（其中最大综合尺寸长宽高）表
27、3.1 瓦楞纸板箱分类种类内装物最大重量kg最大综合尺寸mm代 号纸结构1 类2 类3 类单瓦楞纸箱5102030407001000140017502000单瓦楞BS1.1BS1.2BS1.3BS1.4BS1.5BS2.1BS2.2BS2.3BS2.4BS2.5BS3.1BS3.2BS3.3BS3.4BS3.5双瓦楞纸箱152030405010001400175020002500双瓦楞BD1.1BD1.2BD1.3BD1.4BD1.5BD2.1BD2.2BD2.3BD2.4BD2.5BD3.1BD3.2BD3.3BD3.4BD3.5箱子长、宽比不大于2.5：1，高宽比不大于2：1并不小于0.1
28、5：1。从以上资料得知：箱式货物的重量一般不大于50Kg，尺寸不大于，结合瓦楞纸箱最大综合尺寸2500mm，求得瓦楞纸箱最大高度为800mm，这些数据用于设计手部执行机构尺寸的参照。3.1.3 滚珠丝杠运动行程预估货物是从托盘到托盘，或者是从输送带到托盘，或是从托盘到输送带搬运的。其中托盘的标准如下：本课题采用单面四向进叉托盘表3.2 GB2934-82 联运平托盘外部尺寸系列（mm）代号尺寸系列插孔高度TP1使用托盘搬运车的托盘为100使用叉车搬运的托盘为70TP2TP3研究表明1200mm系列非常适合内陆火车运输及汽车运输。从以上标准得知托盘的最大标准可取1200mm长，用于参考臂部移动距
29、离，考虑到立柱空间及中间间隙，预置1500mm来做为滚珠丝杠有效运动行程。3.2 滚珠丝杠副的参数计算与选用3.2.1 确定滚珠丝杠副的导程Ph由传动关系图，工作台最高移动速度，电机最高转速，电机与丝杠直连。根据搬运过程的实际需要，取，代入求得按滚珠丝杠副标准导程圆整取Ph10mm脉冲当量取为a0.001mm，代入式bPh/a10/0.00110000，即电机每转应发出的脉冲数b为10000个，采用增量式编码器，2500P/R即每转2500个脉冲，则编码器后应有一个倍频器，位数为4。3.2.2 确定当量转速与当量载荷当量载荷计算公式如下采用滚动导轨，查滚动导轨样本得取，由于是搬运货物，导轨只承
30、受重力，而，均无，故只有G。预估手腕及手部重量M1=450Kg，最大装载货物重量M2=50Kg。则最大G9.8(M1+M2)G的最小值只有M1平均载荷 工作台正常工作时移动速度10000mm/min14000mm/min，由于丝杠导程Ph10mm，则正常工作时丝杠的最高转速为1400r/min，最低转速为1000r/min。所以丝杠平均转速3.2.3 预期额定动载荷(1) 按预期工作时间估算按预期工作时间估算的预期额定动载荷公式如下：式中，轻微冲击1.5；丝杠P5级精度，；可靠性97，取；已知。(2) 拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大负载计算：按最大负载估算的预期额定动载荷公式如下：中预载取以上两
31、种结果的最大值3.2.4 确定允许的最小螺纹底径(1) 估算丝杠允许的最大轴向变形量有两种计算方式，分别如下：1) 采用第一种方式计算变形量已知重复定位精度232) 采用第二种方式计算变形量已知定位精度46取以上两种结果中的小值，(2) 估算最小螺纹底径丝杠要求预拉伸，取两端固定的支撑形式，螺纹最小底径计算公式如下：其中行程1500mm3.2.5 确定滚珠丝杠副规格代号选择内循环浮动式法兰型螺母，南京工艺装备制造厂生产，型号为FF4010-3。导程：Ph10mm；额定动载荷：；丝杠底径：。3.2.6 确定滚珠丝杠副预紧力滚珠丝杠副预紧力计算过程如下：3.2.7 行程补偿值及预拉伸力的确定行程补
32、偿值式中 （查样本）温差取2.5预拉伸力3.2.8 确定滚珠丝杠副支撑用的轴承型号、规格（1）轴承所承受的最大轴向载荷（2）轴承类型两端固定的支撑形式。面对面角接触球轴承，由于丝杠的极限转速，而该轴承润滑形式为脂润滑时的极限转速为2200rpm，故该轴承采用脂润滑的润滑方式。（3）轴承内径d略小于，取d30（4）轴承预紧力按样本选择轴承型号规格如下：哈尔滨轴承厂生产的接触角推力角接触球轴承；型号：7602030TVP；参数：；轴承内径：d30mm；预加负荷为2900N1744.1N。3.2.9 滚珠丝杠副工作图设计（1）丝杠螺纹长度由样本查得余程图3.1 滚珠丝杠副总体布置图（2）两固定支撑距
33、离按样本查得螺母安装连接尺寸，求得两固定支撑的距离为丝杠全长L1827mm（3）行程起点离固定支撑的距离3.2.10 电机选择（1）作用在滚珠丝杠副上的各种转矩的计算外加载荷产生的最大摩擦力矩查丝杠样本，P5级丝杠螺母副摩擦系数滚珠丝杠副预加载荷产生的预紧力矩（2）负荷转动惯量的计算各零件的惯量折算到电机主轴公式：1）工件及工作台最大重量折算到电机主轴：2）丝杠惯量折算到电机主轴其中丝杠公称直径，结构设计中丝杠全长L=1827mm=1.827m3)联轴器转动惯量图3.2 十字滑块联轴器产品外观图及特性介绍图3.3 十字滑块联轴器关键尺寸示图表3.3 所选十字滑块联轴器尺寸(mm)查设计手册，选
34、用天津金世纪科技发展有限公生产的LK4-63-3525型十字滑块联轴器，其转动惯量为则总的负载转动惯量为：（3）电机最大启加速转矩计算初选电机，PANASONIC交流伺服电机MAGMA系列，电机惯量，加速时间设置范围05000，出厂设定0，单位2ms，故预设定，设定电机最大转速（4）电机最大启动转矩（5）电机连续工作的最大转矩机械在最大工作载荷下连续均匀运转时的电机转矩（6）电机的选取选取Panasonic DIGTIAL AC SERVO MOTOR 型号MGMA, 电机惯量（带制动器），额定转矩28.4NM，最大转矩63.7NM（7）惯量匹配电机的转动惯量，满足，即（8）验算电机最大转矩（
35、9）验算电机额定转矩由以上验算过程说明选择的电机合理，电机详细参数如下：Panasonic DIGTIAL AC SERVO MOTOR 型号：MGMA额定功率：3KW额定转矩：28.4NM最大转矩：63.7NM电机惯量（带制动器）：额定转速：1000rpm最大转速：1500rpm（为用户设定值，原值为2000rpm）0该型交流伺服电机带有光电编码器，用于反馈电机的旋转角度及旋转圈数，从而反馈移动臂部的移动距离，为半闭环控制。3.2.11 传动系统刚度(1) 丝杠拉压刚度1）最小拉压刚度2）最大拉压刚度(1) 支撑轴的综合刚度1）一对预紧轴承的组合刚度由样本查出7602030TVP轴承，预加载
36、荷2900N，尺寸306216，球径，球数Z17，极速2200rpm，采用脂润滑，启动转矩0.2NM，接触角。是预加载荷的3倍，即则2）支撑轴承组合刚度3）滚珠丝杠副滚珠和滚道接触刚度由样本查得，则3.2.12 刚度验算及精度选择(1) 计算摩擦力：(2) 验算传动系统刚度已知反向差值或重复定位精度为23(3) 传动系统刚度变化引起的定位误差定位误差的计算公式如下：(4) 确定精度任意300mm内行程的变动量对于半闭环控制系统，其中：300mm定位精度46(5) 确定滚珠丝杠副的规格代号已确定的型号：FF40103 公称直径：导程：10mm螺纹长度：1697mm丝杠全长：1827mmP类5级精
37、度FF4010-3-P5/18271697图3.4 滚珠丝杠螺母外观图及FF40103型号对应的尺寸参数3.2.13 验算临界压缩载荷式中 滚珠丝杠副螺纹底径（mm），；滚珠丝杠最大受压长度（mm），；滚珠丝杠副承受的最大轴向载荷（N），；安全系数，丝杠水平安装；支撑系数，两端固定。故临界压缩载荷满足要求。3.2.14 滚珠丝杠副的极限转速的校验（避免高速运转时产生共振）对滚珠丝杠副的极限转速的校验如下：其中，由两端固定得知f21.9；由图知则即临界转速满足要求3.2.15值校验值计算公式如下：其中即值满足要求3.2.16 滚珠丝杠螺母副预紧方式的选取选用单螺母预紧中的加大钢球直径预紧图3.5
38、 单螺母预紧中的加大钢球直径预紧此种预紧方式特点如下：1.只使用滚道截面形状为双圆弧，预紧后,滚珠与滚道呈四点接触。2.只使用于预紧力较小的场合，若预紧力过大，则装配困难。3.在各种预紧中，这种结构最简单，轴向尺寸最小，可消除因螺母形状，位置误差的干涉对传动副精度和性能的影响。滚珠丝杠螺母副三维效果，如图3.6。图3.6 滚珠丝杠螺母副三维图3.3 手腕回转运动电机的选取电机详细参数如下：Panasonic DIGTIAL AC SERVO MOTOR 型号:MSMA额定功率：1.5KW额定转矩:4.77NM最大转矩:14.3NM电机惯量（带制动器）:额定转速:3000rpm最大转速:5000
39、rpm该型交流伺服电机带有光电编码器，用与反馈电机的旋转角度及旋转圈数，从而反馈手腕回转运动，为半闭环控制。3.4 减速器的选用当今的减速器是向着大功率、大传动比、小体积、高机械效率以及使用寿命长的方向发展。因此，除了不断改进材料品质、提高工艺水平外，还在传动原理和传动结构上深入探讨和创新。机器人上所用的减速器，常见的有RV减速器和谐波减速器。1)RV减速器具有长期使用不需再加润滑剂、寿命长、刚度好、减速比大、低振动、高精度、保养便利等优点，适用于在机器人上使用。它的传动效率为0.8，相对于同样减速比的齿轮组，这样的效率是很高的。它的缺点是重量重，外形尺寸较大。2)谐波减速器图3.7 谐波齿轮
40、减速器产品外观图谐波齿轮减速器是一种新型的机械传动变速机构。谐波减速器的特点：与普通齿轮传动相比,具有体积小,重量轻,结构简单,传动比范围大(单级传动比为40350,多级传动比可达1600100000),传动效率高(单级传动效率85%),传动精度高, 承载能力强等特点,噪声小，侧隙回差小，负载能力高，效率高，向密闭空间传递运动。但受其传动的理论的限制，不能传递过大的功率，功率一般都要小于40kw。可广泛用于航空、航天、工业机器人、机床微量进给、通讯设备、纺织机械、化纤机械、造纸机械、差动机构、印刷机械、食品机械和医疗器械等领域。应用：机械手关节部件功用：可用来传递同轴回转运动和直线位移运动；还
41、可与通常的齿轮任意组成完成平行轴，相交轴，相错轴之间任意速比传动。组成：柔轮，刚轮，波发生器三部分本设计题目中的手臂旋转运动选用谐波减速器。其形式为：带筒形柔轮的谐波减速器，型号尺寸：C80，传动比：100图 3.8 谐波齿轮减速器结构详图3.5 同步齿形带的选取该带利用齿与带轮进行啮合传动，因此传动效率高、速比范围大，传动噪音低，皮带内埋设螺旋连续高强度钢丝，和聚氨酯整体成型带，抗拉强度最高。整体成型带长度可任意定制。广泛用于机床、纺织、化工、仪表、冶金等行业的机械传动。图3.9 同步齿形带产品外观图表3.4 同步齿形带的公称尺寸（ISO 5296）（单位：mm）表中，节距代号为H的即是手部
42、回转机构所选的同步齿形带型号两带轮参数相同，齿数：Z=28，节距 Pb=12.7。安装同步齿形带的主要目的就是调整传动空间位置，满足手臂回转运动的实际需要。3.6 滚动直线导轨的选取图3.10 滚动直线导轨产品外观图3.6.1 滚动直线导轨副结构导轨采用优质合金钢制成，定位侧面和滚道同时磨削，保证了滚道精确的几何形状，以及滚道与安装定位面之间的精确的尺寸精度。保持架能防止钢球散落。返向器一般用工程材料制成并引导钢球反向形成连续的循环运动。密封端盖和密封底片是防尘的必要部件。导轨副的润滑通过注油杯注入润滑剂来进行。3.6.2 滚动直线导轨副特点1）承载能力大，刚度高在导轨球形滚道面上，通过成形磨
43、削加工圆弧型沟槽，增大了接触面积，能承受较大的许用载荷，承受冲击载荷和重载荷作用时，承载接触区增大，提高了系统的刚度，MC型导轨副可承受上下左右四向各种载荷，可以根据不同的目的进行安装和设计。2）工作精度高根据需要，适当增加预载荷，确保钢球不会滑动，实现平稳运动,减小了运动的冲击和振动，同时，滚动直线导轨副的运动借助钢球滚动实现，导轨副摩擦阻力小，动静摩擦阻力差值小，低速时不易产生爬行。重复定位精度高，适合作频繁启动或换向的运动部件。 3）密封防尘能力强滑块两端装有密封端盖，底部采用密封底片，具有良好的防尘性能，同时导轨固定螺孔上配有螺孔盖，防止灰尘的积塞，从而保证了产品的寿命和自适应性能。4）便于安装由于采用精密的加工技术,导轨直线度高,导轨中安装螺孔的孔距误差小,安装方便。同时HTSD-LG导轨副由于滑块内装有钢丝保持架,便于拆装。5）互换性导轨副结构形式规则,易于进行高精度的测量,增加滑块、更新滑块、调整预紧力容易。由于互换性好，导轨可以无限接长。3.6.3 本设计选用的滚动直线导轨参数LG系列用于工业机器人图3.11 LG系列滚动直线导轨结构图HTSD-LG导轨副采用中预压P2:用于轻振动，悬臂负荷和，承受扭转负荷，中等载荷。预选：HTSD-LG30，该型导轨最大长度2920mm，基本额定载荷：动载荷C=2401kgf,静载荷C04322kgf选用HTSD-L
