直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p>　　直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，不但使傳統(tǒng)工業(yè)的生產(chǎn)發(fā)生了根本性的變化，而且也對人類社會的生產(chǎn)產(chǎn)生了重大的影響。機(jī)器人作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的一種工具，不僅大大的提高了生產(chǎn)力，而且把人從各種生產(chǎn)環(huán)境中解放出來。目前，許多國家的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)得到很好的發(fā)展，我國也在進(jìn)行深入的研

2、究和開發(fā)。本文主要是設(shè)計(jì)一個(gè)搬運(yùn)工件的直角坐標(biāo)機(jī)器人，它可以應(yīng)用在自動化生產(chǎn)線上與人工相比具有速度快、定位精度準(zhǔn)確的特點(diǎn)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性能。作為直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本文用了第二、三、四章詳細(xì)闡述了設(shè)計(jì)過程，第五章簡要介紹了機(jī)器人的控制部分，第六對機(jī)器人進(jìn)行了效果分析，并總結(jié)了直角坐標(biāo)機(jī)器人的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)不拘泥于常規(guī)，使產(chǎn)品具有更廣闊的發(fā)展空間，必將成為機(jī)器人的發(fā)展趨勢。</p><p>　　關(guān)鍵詞：直線、直角

3、坐標(biāo)機(jī)器人、結(jié)構(gòu)</p><p>　　Cartesian Robot Design</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the continuous development of modern industry,not only the production of traditional indu

4、stries has undergone a fundamental change, but also the production of human society has had a major impact. Robot as a tool of modern industrial production, not only greatly increase the productivity and the production e

5、nvironment from a variety of liberation. Currently, many countries have very good industrial robot technology development, China is also in-depth research and development. Porters of thi</p><p>　　Key words:

6、Straight line Cartesian coordinate Structure</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　一 緒 論1</b>

7、</p><p><b>　　1.1選題背景1</b></p><p>　　1.2直角坐標(biāo)機(jī)器人的應(yīng)用及分類1</p><p>　　1.3當(dāng)前機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展2</p><p>　　1.3.1機(jī)器人發(fā)展的概況2</p><p>　　1.3.2直角坐標(biāo)機(jī)器人的發(fā)展情況4</p>

8、<p>　　1.4選題的意義和目的及設(shè)計(jì)基本步驟5</p><p>　　1.5本文研究的主要內(nèi)容5</p><p>　　二 直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作原理7</p><p>　　2.1實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度運(yùn)動的基本原理7</p><p>　　2.2末端執(zhí)行器抓取工件的基本原理7</p><p><b&

9、gt;　　2.1.1概述7</b></p><p>　　2.2.2手指式手部的工作原理8</p><p>　　三 直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)10</p><p>　　3.1直角坐標(biāo)機(jī)器人外形方案的確定10</p><p>　　3.2.1直角坐標(biāo)機(jī)器人傳動方式的選擇10</p><p>　　3.2.2直

10、角坐標(biāo)機(jī)器人驅(qū)動方式的選擇11</p><p>　　3.3直角坐標(biāo)機(jī)器人外形尺寸的確定11</p><p>　　3.4傳動部件、驅(qū)動部件類型及主要參數(shù)的選擇12</p><p>　　3.4.1傳動部件參數(shù)的選擇12</p><p>　　3.4.2驅(qū)動部件的選擇19</p><p>　　3.5其它輔助部件的設(shè)計(jì)

11、22</p><p>　　3.5.1直線導(dǎo)軌的選擇22</p><p>　　3.5.2滾動軸承的選擇23</p><p>　　3.5.3機(jī)器人拖鏈的選擇24</p><p>　　3.5.4其它部件的設(shè)計(jì)24</p><p>　　3.6機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)24</p><p>　　3.6.1

12、機(jī)械手的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)24</p><p>　　3.6.2機(jī)械手的手部尺寸及抓取范圍25</p><p>　　3.6.3機(jī)械手傳動裝置的設(shè)計(jì)25</p><p>　　3.6.4機(jī)械手驅(qū)動裝置的選擇26</p><p>　　3.6.5機(jī)械手其它部件的選擇26</p><p>　　四 機(jī)器人的校核及結(jié)構(gòu)的可靠性分析2

13、7</p><p>　　4.1軸承的校核27</p><p>　　4.2各主要功能部件的可靠性分析27</p><p>　　4.3各自由度間連接件的可靠性分析28</p><p>　　4.4軸的校核計(jì)算29</p><p>　　五 機(jī)器人的控制31</p><p>　　5.1步進(jìn)電機(jī)的

14、概況31</p><p>　　5.2步進(jìn)電機(jī)的工作原理31</p><p>　　5.3步進(jìn)電機(jī)的控制32</p><p>　　5.5直角坐標(biāo)機(jī)器人的控制方式33</p><p>　　5.3.1步進(jìn)電機(jī)專用控制芯片的概述與特性33</p><p>　　5.3.2專用芯片的選擇及電路設(shè)計(jì)34</p>

15、<p>　　六 直角坐標(biāo)機(jī)器人的效果分析及技術(shù)評價(jià)37</p><p>　　6.1直角坐標(biāo)機(jī)器人的效果分析37</p><p>　　6.1.1直角坐標(biāo)機(jī)器人與人工操作的比較37</p><p>　　6.1.2采用機(jī)器人工作帶來的問題37</p><p>　　6.2直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的技術(shù)評價(jià)37</p>

16、<p>　　6.2.1整體結(jié)構(gòu)技術(shù)評價(jià)37</p><p>　　6.2.2零件的技術(shù)分析38</p><p><b>　　結(jié)束語39</b></p><p><b>　　致謝40</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)41</b></p>

17、<p><b>　　一 緒 論</b></p><p><b>　　1.1選題背景</b></p><p>　　工業(yè)自動化的歷史是以技術(shù)手段的快速更新為特征的。這種自動化技術(shù)的更新不論是看作世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的誘因還是結(jié)果，都和世界經(jīng)濟(jì)密切相關(guān)。工業(yè)機(jī)器人在20世紀(jì)60年代毫無疑問是一種獨(dú)特的設(shè)備，將其和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)

18、輔助制造（CAM）系統(tǒng)結(jié)合在一起應(yīng)用，這是現(xiàn)代制造業(yè)自動化的最新發(fā)展趨勢。這些技術(shù)起碼在引導(dǎo)工業(yè)自動化向一個(gè)新的領(lǐng)域過渡[1]。</p><p>　　機(jī)器人的使用量增長的主要原因是價(jià)格不斷降低。在20世紀(jì)90年代的十年間，機(jī)器人價(jià)格降低而勞動力成本增加。機(jī)器人不僅越來越便宜，而且它們在工業(yè)領(lǐng)域變得更加有效——速度更快、操作更準(zhǔn)確、更富有柔性。如果在成本統(tǒng)計(jì)中將質(zhì)量因素考慮在內(nèi)，應(yīng)用機(jī)器人的成本將比它的實(shí)際下降快得

19、多。由于機(jī)器人作業(yè)變得愈加有效，而勞動力成本不斷升高，因此工業(yè)中越來越多的作業(yè)更適合于應(yīng)用機(jī)器人自動化。這是工業(yè)推動機(jī)器人發(fā)展的主要因素。其次是非經(jīng)濟(jì)因素造成的，隨著機(jī)器人作業(yè)能力的增強(qiáng)，它們可以完成更加危險(xiǎn)或不可能完成的工作。</p><p>　　機(jī)器人的使用不僅提高生產(chǎn)了生產(chǎn)效率而且增強(qiáng)了工作范圍。在許多領(lǐng)域中用到機(jī)器人搬運(yùn)，如在汽車制造、食品包裝、化學(xué)醫(yī)藥、電子器件等。而直角坐標(biāo)機(jī)器人在碼垛機(jī)和搬運(yùn)機(jī)使用越

20、來越多，其特點(diǎn)是負(fù)載范圍大，小到幾公斤，大到幾屯；運(yùn)行速度快，且速度可調(diào)整；動作靈活，可完成復(fù)雜的任務(wù)；可靠性高，維護(hù)簡單。</p><p>　　1.2直角坐標(biāo)機(jī)器人的應(yīng)用及分類</p><p>　　因末端操作工具的不同，直角坐標(biāo)機(jī)器人可以非常方便的用作各種自動化設(shè)備，完成如焊接、搬運(yùn)、上下料、包裝、碼垛、拆垛、檢測、探傷、分類、裝配、貼標(biāo)、噴碼、打碼、（軟仿型）噴涂、目標(biāo)跟隨、排爆等一系

21、列工作。特別適用于多品種，便批量的柔性化作業(yè)，對于穩(wěn)定，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動生產(chǎn)率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代期著十分重要的作用。</p><p>　　按用途分為：焊接機(jī)器人、碼垛機(jī)器人、涂膠（點(diǎn)膠）機(jī)器人、檢測（監(jiān)測）機(jī)器人、分揀機(jī)器人、裝配機(jī)器人、排爆機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、特種機(jī)器人等。</p><p>　　按結(jié)構(gòu)形式分為：壁掛（懸臂）機(jī)器人、龍門機(jī)器人、倒掛機(jī)器人等</p

22、><p>　　按自由度分為：兩坐標(biāo)機(jī)器人、三坐標(biāo)機(jī)器人、四坐標(biāo)機(jī)器人、五坐標(biāo)機(jī)器人、六坐標(biāo)機(jī)器人。[2]</p><p>　　1.3當(dāng)前機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展</p><p>　　1.3.1機(jī)器人發(fā)展的概況</p><p>　　（1）世界機(jī)器人的發(fā)展情況</p><p>　　兩院院士宋健曾說過：“機(jī)器人學(xué)的進(jìn)步和應(yīng)用是本世紀(jì)自動

23、控制最有說服力的成就， 是當(dāng)代最高意義上的自動化”?？茖W(xué)的進(jìn)步與技術(shù)的創(chuàng)新，為機(jī)器人的研究與應(yīng)用開辟了廣闊的思路與空間。</p><p>　　20世紀(jì)50年代是機(jī)器人的萌芽期，其概念是“一個(gè)空間機(jī)構(gòu)組成的機(jī)械臂，一個(gè)可重復(fù)編程動作的機(jī)器”。1954年美國戴沃爾發(fā)表了“通用重復(fù)型機(jī)器人”的專利論文，首次提出“工業(yè)機(jī)器人”的概念；1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺數(shù)控工業(yè)機(jī)器人原型；1959年美國UNIMATIO

24、N公司推出第一臺工業(yè)機(jī)器人。</p><p>　　60年代隨著傳感技術(shù)和工業(yè)自動化的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入成長期，機(jī)器人開始向?qū)嵱没l(fā)展，并被用于焊接和噴涂作業(yè)中?！　?0年代隨著計(jì)算機(jī)和人工智能的發(fā)展，機(jī)器人進(jìn)入實(shí)用化時(shí)代。日本雖起步較晚，但結(jié)合國情，面向中小企業(yè)，采取了一系列鼓勵使用機(jī)器人的措施，其機(jī)器人擁有量很快超過了美國 ，一舉成為“機(jī)器人王國”。　　80年代，機(jī)器人發(fā)展成為具有各種移動機(jī)構(gòu)、通過傳感器

25、控制的機(jī)器人的運(yùn)動。使機(jī)器人的運(yùn)動與控制更加的準(zhǔn)確穩(wěn)定。</p><p>　　80年代后期至今天機(jī)器人的技術(shù)日臻成熟，使得機(jī)器人有了更進(jìn)一步的發(fā)展，產(chǎn)生了有力覺視覺的機(jī)器人并隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了智能機(jī)器人，智能機(jī)器人的產(chǎn)生為機(jī)器人工業(yè)的發(fā)展提出了一個(gè)更新的發(fā)展方向，為今后機(jī)器人工業(yè)的發(fā)展指明了方向。</p><p>　?。?）國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展情況</p><

26、p>　　我國工業(yè)機(jī)器人起步于20世紀(jì)40年代初期，經(jīng)過30多年的發(fā)展，大致可分為3個(gè)階段：70年代的萌芽，80年代的開發(fā)期，90年代的實(shí)用化期。在高技術(shù)發(fā)展的失去下，隨著改革開放方針的實(shí)施，我國機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展得到政府的重視的支持。在80年代中期，國家組織了對工業(yè)機(jī)器人需求的行業(yè)調(diào)研，結(jié)果表明，對第一代工業(yè)機(jī)器人的需求主要集中在汽車行業(yè)（占總需求的60%～70%）。在眾多專家的建議和規(guī)劃下，于“七五”期間，由機(jī)電部主持，中央各部委

27、，中科院能及地方科研所的大學(xué)參加，國家投入相當(dāng)資金進(jìn)行了工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)技術(shù)、基礎(chǔ)元器件、幾類工業(yè)機(jī)器人整機(jī)及應(yīng)用工程的開發(fā)研究。經(jīng)過五年攻關(guān)，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機(jī)器人成套技術(shù)（包括機(jī)械手、控制系統(tǒng)、驅(qū)動轉(zhuǎn)動單元、測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造應(yīng)用的小批量生產(chǎn)的工藝技術(shù)等）的開發(fā)，研制出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊的搬運(yùn)等作業(yè)機(jī)器人整機(jī)，幾類專用和能耐通用控制系統(tǒng)及幾類關(guān)鍵元部件的主要性能指標(biāo)達(dá)到80年代初國外同類產(chǎn)品的水平，并且形成小批量生產(chǎn)能力。經(jīng)過80年

28、代的尤其是后5 年的努力，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展基本上可以立足于國內(nèi)。90年代中期，國家已選擇以焊接機(jī)器人的工程應(yīng)用為重點(diǎn)進(jìn)行開發(fā)</p><p>　　工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢</p><p>　?、贆C(jī)器人朝著標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。若想提高運(yùn)動速度的運(yùn)動精度，減輕重量和減安裝占用空間，必將導(dǎo)致工業(yè)機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化的模塊化，以降低制造成本的提高可靠性。</p><p>

29、;　?、谧⒁庋芯啃滦蜋C(jī)器人結(jié)構(gòu)。隨著工業(yè)機(jī)器人作業(yè)精度的提高、作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜化，應(yīng)開發(fā)新型微動機(jī)構(gòu)保證動作精度，開發(fā)多關(guān)節(jié)、多自由度的手臂和手指，研制新型的機(jī)構(gòu)等以適應(yīng)復(fù)雜作業(yè)的需要。</p><p>　　③機(jī)器人朝著智能化方向發(fā)展。在多品種，小批量生產(chǎn)的柔性自由行自動化生技術(shù)中，要求工業(yè)機(jī)器人對外部環(huán)境和對象物體有處適應(yīng)能力，具有一定的“智能”，機(jī)器人的智能化是批機(jī)器人具有感覺、知覺等，既有很強(qiáng)的檢測功能的判斷

30、功能。為此，必須規(guī)范性類似人類感覺傳感器（如觸覺傳感器、視覺傳感器、測距傳感器等，）、發(fā)展式傳感器的信息融合技術(shù)，通過各種傳感器得到關(guān)于工作對象的外部環(huán)境的信息，以及信息為中存儲的數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)、規(guī)劃的資料，以完成模式，用“專家系統(tǒng)”等智能系統(tǒng)進(jìn)行問題求解，動作規(guī)劃。</p><p>　?、苎芯繖C(jī)器人協(xié)作控制。先進(jìn)制造技術(shù)的協(xié)作機(jī)器人學(xué)的研究與發(fā)展趁著積極的促進(jìn)作用。隨著先進(jìn)制造技術(shù)的，工業(yè)機(jī)器人已從當(dāng)初的柔性上、下

31、料裝置正在成為高度柔性、高效率和可重組的裝配制造的加工系統(tǒng)中的生產(chǎn)設(shè)備。在這樣的生產(chǎn)線上，機(jī)器人是作為一個(gè)群體工作的，不論每個(gè)機(jī)器人在生產(chǎn)線上起什么作用，它總是作為系統(tǒng)中的一員而存在。而面向先進(jìn)制造環(huán)境的機(jī)器人柔性裝配系統(tǒng)和機(jī)器人加工系統(tǒng)中，不僅有多機(jī)器人的集成，還有機(jī)器人與生產(chǎn)、線周邊設(shè)備、生產(chǎn)管理系統(tǒng)以及人的集成。因此，用系統(tǒng)的觀點(diǎn)來發(fā)展新的機(jī)器人，有大量的理論與實(shí)踐的工作要做。</p><p>　　(4)發(fā)

32、展工業(yè)機(jī)器人的意義</p><p>　?、贆C(jī)器人對外部環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，能代替人從事危險(xiǎn)有害的操作。在人無法接近的地方或者在長時(shí)間工作對人體有害的場所，機(jī)器人都不受影響。只有根據(jù)工作環(huán)境條件進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，選用適當(dāng)?shù)牟牧虾徒Y(jié)構(gòu)，工業(yè)機(jī)器人就可以在惡劣環(huán)境中工作。</p><p>　?、跈C(jī)器人能持久，耐勞，可以把人從繁重單調(diào)的環(huán)境中解脫出來，并能擴(kuò)展和延伸人的功能。</p><

33、;p>　　③機(jī)器人動作準(zhǔn)確性高，可保證穩(wěn)定的提高產(chǎn)品質(zhì)量。工業(yè)機(jī)器人不像人一樣，容易受精神和心理因素的影響，它不會因?yàn)榫o張、馬虎、疲勞或視覺差等原因引起失誤。</p><p>　?、軝C(jī)器人的通用性靈活性好，能滿足產(chǎn)品品種迅速變化的要求，更重要的是對產(chǎn)品品種多樣化，而且是層出不窮，不斷發(fā)展。</p><p>　?、莶捎霉I(yè)機(jī)器人后可明顯提高勞動生產(chǎn)率和降低成本。</p>

34、<p>　　1.3.2直角坐標(biāo)機(jī)器人的發(fā)展情況</p><p>　　直角坐標(biāo)機(jī)器人是工業(yè)機(jī)器人的一種，它已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于自動化生產(chǎn)中，它具有結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動直觀性強(qiáng)，坐標(biāo)方向位置精度容易控制，漂浮物精度較高；制造安裝高速方便，容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。缺點(diǎn)是占據(jù)空間大而相應(yīng)的工作范圍較小。適用上下裝卸工件和傳送物料，易于成行排列布置與傳送帶配合使用。</p><p>　　1.4選題的意義和

35、目的及設(shè)計(jì)基本步驟</p><p>　　作為一名機(jī)械電子專業(yè)的學(xué)生，機(jī)器人是機(jī)械和電子結(jié)合得最緊密的產(chǎn)品，能夠有機(jī)會認(rèn)識和了解機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，我感到很榮幸。畢業(yè)設(shè)計(jì)是對大學(xué)四年以來所學(xué)的知識的一個(gè)總結(jié)，也是發(fā)揮自己的理論與實(shí)踐相結(jié)合的一個(gè)很好的機(jī)會，為以后的工作打下了一個(gè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是在為今后的就業(yè)做一次很好的準(zhǔn)備，因此，畢業(yè)設(shè)計(jì)有十分重要的意義。</p><p>　　在設(shè)計(jì)直角坐標(biāo)機(jī)器人

36、的結(jié)構(gòu)主要有以下幾個(gè)步驟</p><p>　　了解機(jī)器人及其相關(guān)技術(shù)</p><p>　　由于目前機(jī)器人的數(shù)量還比較少并且應(yīng)用不十分廣泛，所以對機(jī)器人了解只是理論上的一些了解，并不十分系統(tǒng)。再進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，了解機(jī)器人的基本組成形式，各機(jī)器人都有什么樣的特點(diǎn)，并且在工業(yè)生產(chǎn)中的具體工作形式。</p><p>　　了解直角坐標(biāo)機(jī)器人的主要用途</p>

37、<p>　　機(jī)械設(shè)計(jì)的目的就是為了滿足生產(chǎn)的需要，因此了解設(shè)計(jì)對象的主要用途是進(jìn)行設(shè)計(jì)的必要準(zhǔn)備。</p><p>　　根據(jù)用途運(yùn)用所學(xué)知識進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　由于在畢業(yè)實(shí)習(xí)的時(shí)候沒有看到過直角坐標(biāo)機(jī)器人的具體結(jié)構(gòu)，通過對CA6140機(jī)床刀架的觀察和分析，根據(jù)其運(yùn)動原理進(jìn)行直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。按照三個(gè)自由度進(jìn)行設(shè)計(jì)，如空間一個(gè)物體在直角坐標(biāo)系中運(yùn)動，分為x、y

38、、z三個(gè)方向的運(yùn)動。</p><p>　　融入我的設(shè)計(jì)思想使設(shè)計(jì)更具有特色</p><p>　　由于直角坐標(biāo)機(jī)器人相對其它各類的機(jī)器人應(yīng)用較為廣泛，并已是成型的產(chǎn)品，為了培養(yǎng)自己的創(chuàng)新能力，在設(shè)計(jì)時(shí)提出了自己的設(shè)計(jì)思想使結(jié)構(gòu)更加的合理。</p><p>　　1.5本文研究的主要內(nèi)容</p><p>　　本文以一種門式直角坐標(biāo)機(jī)器人設(shè)計(jì)為主線，

39、來研究直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作原理、結(jié)構(gòu)形式。其三個(gè)自由度的運(yùn)動基本原理很相似，在設(shè)計(jì)時(shí)為了使設(shè)計(jì)更加的多樣化，采用不同的傳動方式，第一、二自由度采用同步帶傳動，而第三自由自由度采用絲杠傳動。第一、二自由度結(jié)構(gòu)相似利于制造加工。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展工業(yè)機(jī)器人得到了更為廣泛的應(yīng)用，特別是直角坐標(biāo)機(jī)器人在數(shù)控加工中心中應(yīng)用十分廣泛，它已經(jīng)成為自動化生產(chǎn)的重要組成總部分。本文的第二、三、四章重點(diǎn)介紹設(shè)計(jì)過程。</p><p&

40、gt;　　二 直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作原理</p><p>　　2.1實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度運(yùn)動的基本原理</p><p>　　直角坐標(biāo)機(jī)器人的主要功能就是能夠使得末端執(zhí)行器到達(dá)空間指定位置。待實(shí)現(xiàn)的工作空間大都為矩形空間。由笛卡爾坐標(biāo)系的知識可知空間中的任意一點(diǎn)可以分別由X、Y、Z方向三個(gè)點(diǎn)的集合來表示。因此為了研究問題方便，可以把空間任意兩點(diǎn)的曲線運(yùn)動簡化為分別在三個(gè)自由度方向的直線運(yùn)動。<

41、/p><p>　　能夠?qū)崿F(xiàn)直線運(yùn)動的原理有很多，在機(jī)械產(chǎn)品中得到應(yīng)用的有以下幾種，下表為它們之間傳動性能的比較：</p><p>　　表2-1傳動性能對比表</p><p>　　通過以上的分析，在本次設(shè)計(jì)中采用選擇滾珠絲桿傳動與同步帶傳動方式。</p><p>　　2.2末端執(zhí)行器抓取工件的基本原理</p><p><

42、;b>　　2.1.1概述</b></p><p>　　如今，查閱有關(guān)機(jī)械手的書籍，會發(fā)現(xiàn)的各類很多。按其抓取方式主要分為以下兩種：[3]</p><p><b>　?。?）吸附式</b></p><p><b>　　①空氣負(fù)壓吸盤</b></p><p><b>　?、诖?/p>

43、力吸盤</b></p><p><b>　　手指式</b></p><p><b>　?、倨揭剖?lt;/b></p><p><b>　　②回轉(zhuǎn)式</b></p><p>　　針對眾多的結(jié)構(gòu)形式，選擇的方法其實(shí)很簡單。大部分是根據(jù)特定工作的要求專門設(shè)計(jì)的。例如，當(dāng)確定手

44、部大小、形狀，手指個(gè)數(shù)以及動作自由度時(shí)，必須考慮被抓取物件的大小、形狀、重量、材質(zhì)、外力的物理?xiàng)l件以及旋轉(zhuǎn)環(huán)境等。而這些又決定手部的抓取機(jī)能，即約束性、操作性和感覺性。[1]</p><p>　　約束性是指手爪對工件的約束和握緊程度。例如，廣泛使用的二指手爪，在抓取水平旋轉(zhuǎn)的圓棒工件時(shí)，手指只對圓棒半徑方向進(jìn)行約束，而軸向約束是借助手指與圓棒工件之間的摩擦力來實(shí)現(xiàn)的。如果施加一個(gè)較大的軸向外力，工件就可能從手指中

45、滑落出去。同樣，圓棒工件圓周方向的回轉(zhuǎn)也是靠摩擦力來限制的。</p><p>　　操作性是指手爪能夠抓取的物件的幾何特性，包括極限尺寸形狀以及在抓取不同形式圓棒時(shí)能否保持同一中心線的同心特性。</p><p>　　感覺性是指手指對工件的控制能力定位精度等。例如，是否使用傳感器，有無力學(xué)反饋等。最簡單的一各形式利用微型開關(guān)來檢測判斷是否抓住工件。</p><p>　　

46、在某種場合，一臺機(jī)器人可以備有多種形狀、用途和機(jī)能不同的數(shù)種可換手爪。</p><p>　　由于本次設(shè)計(jì)的工件是1～3kg的小工件所以綜合各各方面考慮，選擇手指式手部。</p><p>　　2.2.2手指式手部的工作原理</p><p>　　手指式手部是由手指傳動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動裝置三部分組成，它對抓取工件的形狀具有較大的適用性，可以抓取軸盤套類零件，一般情況下多采用二指

47、，少數(shù)為三指或多指。驅(qū)動裝置是為傳動機(jī)構(gòu)提供動力的，驅(qū)動源有液壓、氣動、電動等常見的傳動機(jī)構(gòu)往往通過滑槽、斜面、齒輪齒條、連桿等推動杠桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)加緊或松開。</p><p><b>　　手指式手部的分類</b></p><p>　?、侔催\(yùn)動形式可分為平穩(wěn)型和回轉(zhuǎn)型兩種。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動，適用于夾持平板、方料。在夾持不同的圓棒工件時(shí)，不會引起中心位置

48、的偏移。但這種手指的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，體積大，要求加工精度高?；剞D(zhuǎn)型指部的張開和閉合靠指根部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)。驅(qū)軸支點(diǎn)為一個(gè)的，稱為單支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，為兩個(gè)的，稱雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型。這種手指結(jié)構(gòu)簡單，形狀小巧，但夾持不同工件會產(chǎn)生定位誤差。</p><p>　?、诎词种戈P(guān)節(jié)可分為無關(guān)節(jié)型、固定關(guān)節(jié)型和自由關(guān)節(jié)型。無關(guān)節(jié)指是一個(gè)平指構(gòu)件，固定關(guān)節(jié)是指本件是一個(gè)具有固定彎曲角度的構(gòu)件，一般成折線狀。自由體關(guān)節(jié)本體分為指根和指尖兩部分

49、比較復(fù)雜。</p><p>　　③按指端形狀可分為：V型指，主要夾持圓柱形工件；平面指，夾持方形、板狀和細(xì)小棒類工件；其它形狀如圓形、鉤型、尖型及其它與工件相適應(yīng)特型指。</p><p>　?、馨粗该嫘问娇煞譃?：光滑型，指面平整光滑，用來夾持已加工完成表面光整的工件，避免碰傷；齒型，指面上有齒紋，增加摩擦力，確保夾緊牢靠，多用于夾持粗坯、半成品工件；柔性型，指面使用橡膠，增大摩擦力、保護(hù)

50、工件表面作用。</p><p>　　對手指式手部的基本要求</p><p>　?、偈种讣泳o力大小適宜，力量過大則動力消耗多，結(jié)構(gòu)也龐大，不經(jīng)濟(jì)，甚至損壞工件；力量過小則夾持不住或產(chǎn)生松動、脫落。</p><p>　?、趹?yīng)具有足夠的開閉角度或開閉距離，便于抓取和退出工件。</p><p>　?、蹜?yīng)無可否認(rèn)工件能準(zhǔn)確定心或定位。</p>

51、;<p>　?、茉诒ＷC本身強(qiáng)度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，以利于減輕總負(fù)載。</p><p>　?、菔植拷Y(jié)構(gòu)應(yīng)能適應(yīng)工作環(huán)境提出的特殊要求。如耐高溫、耐腐蝕、能承受鍛捶沖擊力等。</p><p>　　通過以上的分析，同時(shí)考慮本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選擇回轉(zhuǎn)式手臂和直型指的結(jié)構(gòu)。至于具體尺寸以及其它的設(shè)計(jì)計(jì)算問題將在下第三章中詳細(xì)說明。</p><p&g

52、t;　　三 直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　本章主要系統(tǒng)的介紹直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程。其中包括各零部件形狀以及主要設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇。為了使讀者更好的了解直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，依據(jù)實(shí)際產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程為主線來安排本章的結(jié)構(gòu)。</p><p>　　3.1直角坐標(biāo)機(jī)器人外形方案的確定</p><p>　　目前直角坐標(biāo)機(jī)器人主要有兩種結(jié)構(gòu)形式。一種是門式直角坐

53、標(biāo)機(jī)器人，另一種是臂式直角坐標(biāo)機(jī)器人。哪下表所示它們各自有特點(diǎn)：</p><p>　　表3-1兩種機(jī)器人性能對比表</p><p>　　鑒于此，選擇了其中一種即門式直角坐標(biāo)機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在這里需要指出的是，兩種結(jié)構(gòu)還存在一個(gè)共同的缺點(diǎn)就是一臺機(jī)器人只能對應(yīng)唯一的工作空間。</p><p>　　3.2直角坐標(biāo)機(jī)器人傳動及驅(qū)動方式的選擇</p>&l

54、t;p>　　3.2.1直角坐標(biāo)機(jī)器人傳動方式的選擇</p><p>　　直角坐標(biāo)機(jī)器人的母體（即三個(gè)自由度部件）的傳動方式大體有四種，分別是滾珠絲杠傳動方式、齒輪齒條傳動方式、同步帶傳動方式、以及液壓傳動方式。在設(shè)計(jì)中選擇了滾珠絲杠傳動方式與同步帶傳動方式主要是因?yàn)闈L珠絲杠具有精度高、摩擦阻力小、定位精度高，而同步帶具有傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性能好的特點(diǎn)。至于其它方式在第二章中以做了詳細(xì)的介紹，在這里就不

55、重述了。</p><p>　　3.2.2直角坐標(biāo)機(jī)器人驅(qū)動方式的選擇</p><p>　　直角坐標(biāo)機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)是直接驅(qū)動使各運(yùn)動部件動作的機(jī)構(gòu)，對于機(jī)器人的性能的功能影響很大。如果沒有有效的伺服驅(qū)動系統(tǒng)，無論機(jī)器人具有多高的智能和優(yōu)越的傳感器，也是無濟(jì)于事的。</p><p>　　直角坐標(biāo)機(jī)器人的驅(qū)動方式有三種：液壓、電動和氣壓。這三種方式的比較如表3-2給出&

56、lt;/p><p>　　表3-2三種驅(qū)動方式的特點(diǎn)比較表</p><p>　　通過以上的比較可以看出，液壓驅(qū)動方式具有輸出力大、速度快、易控制、定位精度高的優(yōu)點(diǎn)，但是液壓系統(tǒng)較為復(fù)雜，同時(shí)對環(huán)境要求高。隨著步進(jìn)、伺服電機(jī)的發(fā)展，電動驅(qū)動逐漸體現(xiàn)出它的優(yōu)點(diǎn)：動力源簡單、維護(hù)使用方便又便于與計(jì)算機(jī)對接，能實(shí)現(xiàn)精確控制。鑒于以上的原因，選擇了電伺服驅(qū)動的方式。對于門式直角坐標(biāo)機(jī)器人，采用單邊驅(qū)動的方

57、式。</p><p>　　3.3直角坐標(biāo)機(jī)器人外形尺寸的確定</p><p>　　在設(shè)計(jì)之初，設(shè)計(jì)的參數(shù)為0.8mx0.6mx0.3m。搬運(yùn)工作質(zhì)量為1～3kg.根據(jù)以上的設(shè)計(jì)要求初步估算各自由度部件的尺寸，如圖3-1所示：</p><p>　　這里需要指出的是，第一自由度用戶需要的行程800mm而設(shè)計(jì)的長度近1.3米如果第一處、自由度的跨度較大，則需要第二自由度的

58、跨度相應(yīng)增大，以減小阻力矩的影響。所以第一自由度的跨度為800mm,第二自由度的跨度為300mm。經(jīng)驗(yàn)表明，如果采用單邊驅(qū)動方式，則相鄰自由度跨度之比小于3∶1。</p><p><b>　　圖3-1結(jié)構(gòu)尺寸</b></p><p>　　3.4傳動部件、驅(qū)動部件類型及主要參數(shù)的選擇</p><p>　　3.4.1傳動部件參數(shù)的選擇</p&

59、gt;<p>　　由于選擇了選擇了滾珠絲杠和同步帶傳動方式，應(yīng)設(shè)計(jì)滾珠絲杠和同步帶的主要參數(shù)。在計(jì)算之前，先將各自由度的負(fù)載估算臺下：第一自由度負(fù)載80kg；第二自由度負(fù)載50kg；第三自由度負(fù)載20kg。</p><p>　?。?）第一自由度傳動部件的選擇：</p><p>　　第一自由度帶所受到的力主要上摩擦力，由第一自由度的負(fù)載估算為80kg，在這里估算所受力為60N，

60、要求帶傳動的最高速度為0.5m/s，傳送的功率估計(jì)為500W，帶輪轉(zhuǎn)速100r/min。</p><p><b>　　1）設(shè)計(jì)功率</b></p><p>　　由表[4，14.1-55]查得 </p><p><b>　　2）選定帶型和節(jié)距</b></p><p>　　根據(jù)，由圖[4,14.1

61、-14]確定為 H型，節(jié)距</p><p><b>　　3）確定小帶輪齒數(shù)</b></p><p>　　根據(jù)帶型H和小帶輪轉(zhuǎn)速由表[4，14.1-56]查得小帶輪的最小齒數(shù)在這里取</p><p><b>　　4）小帶輪節(jié)圓直徑</b></p><p>　　由表[4，14.1-60]查得其外徑&l

62、t;/p><p>　　5）在這里大帶輪和小帶輪相同，傳動比為1因此大帶輪的外徑與小帶輪相同所以有 </p><p><b>　　6）帶速v</b></p><p><b>　　7）初定軸間距</b></p><p><b>　　取</b></p><p>

63、<b>　　8）確定帶長及齒數(shù)</b></p><p>　　由表[4，14.1-51]查得帶長代號為1100的H型同步帶，其節(jié)線長，節(jié)線長上的齒數(shù)。</p><p><b>　　9）實(shí)際軸間距a</b></p><p>　　10）小帶輪嚙合齒數(shù)</p><p><b>　　11）基本額定功

64、率</b></p><p>　　由表[4，14.1-58]查得，</p><p><b>　　12）計(jì)算帶寬</b></p><p>　　由表[4，14.1-57]查得H型帶</p><p>　　由表[4，14.1-52]查得，應(yīng)選帶寬代號為300的H型帶，其</p><p>　　13

65、）帶輪結(jié)構(gòu)和尺寸</p><p>　　傳動選用的同步帶為1100H300；</p><p>　　（2）第二自由度傳動部件的設(shè)計(jì)</p><p>　　為了簡化設(shè)計(jì)的步驟，第二自由度的負(fù)載小于第一自由度的負(fù)載，在這里估算所受力為60N，要求帶傳動的最高速度為0.4m/s，傳送的功率為400W，帶輪轉(zhuǎn)速100r/min。</p><p><b

66、>　　1）設(shè)計(jì)功率</b></p><p>　　由表[4，14.1-55]查得 </p><p><b>　　2）選定帶型和節(jié)距</b></p><p>　　根據(jù)，由圖[4,14.1-14]確定為 H型，節(jié)距</p><p><b>　　3）確定小帶輪齒數(shù)</b></

67、p><p>　　根據(jù)帶型H和小帶輪轉(zhuǎn)速由表[4，14.1-56]查得小帶輪的最小齒數(shù)在這里取</p><p><b>　　4）小帶輪節(jié)圓直徑</b></p><p>　　由表[4，14.1-60]查得其外徑</p><p>　　5）在這里大帶輪和小帶輪相同，傳動比為1因此大帶輪的外徑與小帶輪相同所以有 </p>

68、<p><b>　　6）帶速v</b></p><p><b>　　7）初定軸間距</b></p><p><b>　　取</b></p><p><b>　　8）確定帶長及齒數(shù)</b></p><p>　　由表[4，14.1-51]查得帶長

69、代號為840的H型同步帶，其節(jié)線長，節(jié)線長上的齒數(shù)。</p><p><b>　　9）實(shí)際軸間距</b></p><p>　　10）小帶輪嚙合齒數(shù)</p><p><b>　　11）基本額定功率</b></p><p>　　由表[4，14.1-58]查得，</p><p>&

70、lt;b>　　12）計(jì)算帶寬</b></p><p>　　由表[4，14.1-57]查得H型帶</p><p>　　由表[4，14.1-52]查得，應(yīng)選帶寬代號為300的H型帶，其</p><p>　　13）帶輪結(jié)構(gòu)和尺寸</p><p>　　傳動選用的同步帶為840H300；</p><p>　?。?/p>

71、3）第三自由度傳動部件設(shè)計(jì)</p><p>　　由于第三自由度為豎直方向，通過對傳動部件的分析，不適合采用帶傳動，因此，采用絲杠傳動，絲杠的軸向力為第三自由度負(fù)載的全部作用力，于是，絲杠的軸向載荷為200N。必要的條件為：絲杠載荷；電機(jī)最大轉(zhuǎn)速n=3000r/min；絲杠導(dǎo)程=10mm；當(dāng)量轉(zhuǎn)速（考慮在運(yùn)動過程中，軸向載荷較小，電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，這里簡化取當(dāng)量轉(zhuǎn)速為1500r/min）；當(dāng)量負(fù)載（根據(jù)運(yùn)動中負(fù)載不變和

72、原則）。</p><p><b>　　計(jì)算動負(fù)載[5]</b></p><p><b>　　由公式 </b></p><p><b>　　其中：壽命系數(shù)，</b></p><p><b>　　轉(zhuǎn)速系數(shù)，</b></p><p>

73、　　要求壽命，=300×16×10＝48000h</p><p><b>　　綜合系數(shù)，</b></p><p>　　其中：查表3-3得；查表3-4得；查表3-5得；查表3-6得；查表3-7得</p><p><b>　　表3-3溫度系數(shù)</b></p><p><b>

74、;　　表3-4硬度系數(shù)</b></p><p><b>　　表3-5精度系數(shù)</b></p><p>　　表3-6負(fù)載性質(zhì)系數(shù) </p><p>　　表3-7可靠性系數(shù) </p><p><b>　　經(jīng)計(jì)算，得</b></p><p><b>　　因此

75、得到</b></p><p>　　選用RNBS標(biāo)準(zhǔn)型螺帽精度轉(zhuǎn)造滾珠絲杠副，其型號為RNBS2510A，其額定動載荷為3.24KN>2.1KN，符合要求</p><p>　　根據(jù)豎直方向的工作行程為300mm，選用標(biāo)準(zhǔn)螺桿長度500mm的滾珠絲杠副。</p><p>　　不發(fā)生共振臨界轉(zhuǎn)速校核：</p><p>　　式中

76、E—材料的拉、壓彈性模量，鋼的</p><p>　　J—絲杠軸最小截面慣性矩（）；</p><p>　　A—絲杠軸最小截面面積；</p><p>　　—臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長度（m）；</p><p><b>　　ρ—材料密度鋼的；</b></p><p>　　—安全系數(shù)，取=0.8；</p>

77、<p>　　將E、J、A、ρ、的值代入得</p><p>　　其中：查表3-8得：=3.927，</p><p>　　由滾珠絲杠副參數(shù)知：絲杠螺紋底徑mm</p><p><b>　　臨界轉(zhuǎn)速長度：mm</b></p><p>　　經(jīng)計(jì)算得， 符合要求</p><p>　　表3-8支

78、撐方式系數(shù)</p><p><b>　　臨界壓縮載荷校核：</b></p><p>　　不發(fā)生失穩(wěn)的最大壓縮載荷，以表示，按歐拉公式計(jì)算</p><p>　　式中 E、J、—含義同上；</p><p>　　—最大受壓長度（m）；</p><p>　　—絲杠支承方式系數(shù)；</p>

79、<p><b>　　—安全系數(shù)，取=；</b></p><p>　　將E、J、、π的值代入上式可簡化得</p><p>　　其中：查表3-8得：=2.00，</p><p>　　由滾珠絲杠副參數(shù)知：絲杠螺紋底徑mm</p><p><b>　　臨界轉(zhuǎn)速長度：mm</b></p>

80、;<p>　　經(jīng)計(jì)算得15.2KN， 符合要求。</p><p>　　3.4.2驅(qū)動部件的選擇</p><p>　?。?）控制電機(jī)的概述</p><p>　　隨著自動控制系統(tǒng)和計(jì)算裝置的，在普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生出多種具有特殊性能的小功率電機(jī)，它們在自動控制系統(tǒng)和計(jì)算裝置中分別作為執(zhí)行元件、檢測元件和解算元件，這種電機(jī)統(tǒng)稱為控制電機(jī)?？刂齐姍C(jī)與普通

81、旋轉(zhuǎn)電機(jī)的基本工件原理沒有本質(zhì)上的區(qū)別，但普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)著重于對起動和運(yùn)行狀態(tài)力能指標(biāo)的要求，而控制電機(jī)則著重于特性的高精度和快速響應(yīng)。</p><p>　　控制電機(jī)的輸出功率一般較小，通常從數(shù)百毫瓦到數(shù)百瓦，系列產(chǎn)品的機(jī)殼外徑一般由12.5mm到130mm，重量從數(shù)十克到數(shù)千克，這類電機(jī)也稱微電機(jī)或微控電機(jī)。在大功率的自動控制系統(tǒng)中，有些控制電機(jī)的輸出功率也可達(dá)數(shù)十千瓦，機(jī)殼外徑達(dá)數(shù)百毫米。[5]</p&g

82、t;<p>　　控制電機(jī)已成為現(xiàn)代機(jī)電一體化的工業(yè)自動化系統(tǒng)以及軍事裝備中必不可少的重要元件。它與一些典型環(huán)節(jié)進(jìn)行適當(dāng)組合，就可以構(gòu)成不同用途的伺服系統(tǒng)和解算元件。</p><p>　　控制電機(jī)的用途與分類如下表表示</p><p>　　表3-9電機(jī)的分類與用途</p><p>　　由上述可知，第一、二自由度的電機(jī)選用步進(jìn)電機(jī)，第三自由度選用伺服電機(jī)。

83、由第一自由度的受力及帶輪的尺寸可知，所需轉(zhuǎn)矩為T=2.18Nm,在考慮振動、波動、過載等因素等，取電機(jī)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩1.5T，選擇永磁感應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)其型號為110BYG450A,[5，1.2-22]步進(jìn)角1.8度，最大轉(zhuǎn)矩10.3Nm。由于第二自由度的負(fù)載小于第一自由度負(fù)載，為了使設(shè)計(jì)簡化，第二自由度采用同樣型號的電機(jī)。</p><p>　　第三自由度采用絲杠傳動，所以軸向力即為負(fù)載的重力。驅(qū)動力就主要由三部分組成

84、，即個(gè)載荷產(chǎn)生的摩擦力矩、絲杠副預(yù)緊力摩擦力矩、慣性力矩。</p><p>　?。?）外載荷產(chǎn)生的摩擦力矩</p><p><b>　　其中：—軸向載荷；</b></p><p>　　—預(yù)緊時(shí)的傳動效率。對1、2、3級精度絲杠副，取0.9；4級以下精度取0.85；</p><p>　?。?）絲杠副預(yù)緊力摩擦力摩擦力矩&l

85、t;/p><p><b>　　其中：—基本導(dǎo)程；</b></p><p><b>　　—預(yù)加載荷；</b></p><p><b>　?。?）慣性力矩</b></p><p>　　其中：—折合到電動機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量；</p><p><b>　

86、　—電動機(jī)當(dāng)量轉(zhuǎn)速；</b></p><p><b>　　—加速時(shí)間；</b></p><p>　　折合轉(zhuǎn)動慣量按下式計(jì)算：</p><p>　　其中：—電動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量；</p><p>　　—各轉(zhuǎn)動件轉(zhuǎn)動慣量；</p><p><b>　　—各轉(zhuǎn)動件角速度；</b&g

87、t;</p><p>　　—各直線運(yùn)動件的質(zhì)量；</p><p>　　—各直線運(yùn)動件的速度；</p><p>　　由上式可得到，外載荷產(chǎn)生的摩擦力矩=0.37Nm；絲杠副預(yù)緊力摩擦力摩擦力矩=0.04Nm；其中；第三自由度總負(fù)載估算20kg；的確定需要作軌跡規(guī)劃。</p><p>　　直角坐標(biāo)機(jī)器人的軌跡規(guī)劃：</p><

88、p>　　由于直線導(dǎo)軌的運(yùn)行距離較長，做拋物線—直線—拋物線形式的軌跡規(guī)劃。[6]</p><p><b>　　圖3-2軌跡規(guī)劃圖</b></p><p>　　如上圖可知加速度是不變的，則加加速時(shí)間為最快速度與加速度之比。取加速度為0.2g，則上長時(shí)間為0.255s.</p><p><b>　　于是得慣性轉(zhuǎn)矩</b>

89、</p><p><b>　　于是驅(qū)動力矩</b></p><p>　　在綜合考慮其它因素的影響，取電機(jī)的驅(qū)動力矩1.5選交流伺電機(jī)60CB系列，其型號為：60CB020C 功率200W 轉(zhuǎn)矩0.64Nm。同時(shí)加PLS80精密行星減速器減速比。</p><p>　　3.5其它輔助部件的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.5

90、.1直線導(dǎo)軌的選擇</p><p>　　1）導(dǎo)軌類型的選擇原則</p><p>　?、倬然ゲ桓缮嬖瓌t：導(dǎo)軌的各項(xiàng)精度制造和使用時(shí)互不影響才易得到較高的精度。如矩形導(dǎo)軌的直線性與側(cè)面導(dǎo)軌的直線性在制造進(jìn)互不影射；又如平—V導(dǎo)軌的組合，上導(dǎo)軌（工作臺）的橫向尺寸的變化不影射導(dǎo)軌的工作精度。</p><p>　?、陟o、動摩擦系數(shù)相接近的原則：例如選用滾動導(dǎo)軌或塑料導(dǎo)軌，

91、由于摩擦系數(shù)小且靜、動摩擦系數(shù)相近，所以可獲得低的運(yùn)動速度和很高的重復(fù)定位精度。</p><p>　?、蹖?dǎo)軌能自動貼合的原則；要使導(dǎo)軌精度高，必須使相互結(jié)合的導(dǎo)軌有自動貼合的性能。對水平位置工作的導(dǎo)軌，可以靠工作臺的自重來貼合；其他導(dǎo)軌靠附加的彈簧力或者滾輪的壓力使其貼合。</p><p>　?、芤苿訉?dǎo)軌（例如工作臺）在移動過程中，始終全部接觸的原則：也就是固定的導(dǎo)軌長，移動的導(dǎo)軌短。&l

92、t;/p><p>　　⑤對水平安置的導(dǎo)軌，以下導(dǎo)軌為基準(zhǔn)，上導(dǎo)軌為彈性體的原則：以長的固定不動的下導(dǎo)軌為剛性較強(qiáng)的剛體為基準(zhǔn)，移動部件的上導(dǎo)軌為能具有一定變形的彈性體。</p><p>　　⑥能補(bǔ)償因受力變形和受熱變形的原則：例如龍門式機(jī)床的橫梁導(dǎo)軌，將中間部位制成凸形，以補(bǔ)償主軸箱（或刀架）移動到中間位置進(jìn)的彎曲變形。[7]</p><p>　　第一、二自由度的受力主

93、要由徑向的壓力引起的摩擦力，因此，選擇凹形對稱V形導(dǎo)軌，其有導(dǎo)向精度高，磨損后能自動補(bǔ)償，易保存潤滑油，高低速均可采用的特點(diǎn)。V形導(dǎo)軌的尺寸為B=20，b=2，α=90°。第一、二自由度分別采用四根導(dǎo)軌。第三自由度采用兩根微型直線導(dǎo)軌。</p><p>　　3.5.2滾動軸承的選擇</p><p>　　在選擇軸承時(shí)，首先要選擇軸承類型，可以根據(jù)常用標(biāo)準(zhǔn)軸承的基本特點(diǎn)進(jìn)行選擇，同時(shí)

94、在選擇軸承時(shí)還要考慮以下主要因素。</p><p><b>　?、佥S承的載荷</b></p><p>　　根據(jù)載荷的大小選擇軸承類型時(shí)，由于滾子軸承中主要元件間是線接觸，宜用于承受較大的載荷，承載后變形也較小。而球軸承中則主要為點(diǎn)接觸，宜用于承受較輕的或中等的載荷，在載荷較小時(shí)，可優(yōu)先選用球軸承。</p><p>　　根據(jù)載荷的方向選擇軸承類型

95、時(shí)，對于純軸向載荷，一般選用推力軸承。較小的純軸向載荷時(shí)，可選用推力軸承；較大的純軸向載荷可選用推力滾子軸承，對于純徑向載荷，一般選用深溝球軸承、圓柱滾子軸承或滾針軸承。當(dāng)承受徑向載荷的同時(shí)，還有不大的軸向載荷時(shí)，可行用深溝球軸承或接觸角不大的角接觸球軸承或圓錐滾子軸承；當(dāng)軸向載荷較大時(shí)可選用接觸角較大的角接觸球軸承或圓錐滾子軸承，或者選用向心軸承和推行為軸承組合在一起的結(jié)構(gòu)，分別承擔(dān)徑向載荷和軸向載荷。</p><

96、p><b>　?、谳S承的轉(zhuǎn)速</b></p><p>　　在一般轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)速的高低對類型的選擇不發(fā)生什么影響，只有在轉(zhuǎn)速較高時(shí)，才會有比較顯著的影響。</p><p><b>　?、圯S承的調(diào)心性能</b></p><p>　　當(dāng)軸的中心線與軸承座中心線不重合而有角度誤差時(shí)，或因軸受罰而彎曲或傾斜時(shí)，會造成軸承的內(nèi)外圈

97、軸線發(fā)生偏斜。這時(shí)采用有一定調(diào)心性能調(diào)心軸承或帶座外球面球軸承。</p><p><b>　?、茌S承的安裝和拆卸</b></p><p>　　便于裝拆，也是在選擇軸承類型時(shí)應(yīng)考慮的一個(gè)因素，在軸承座沒有部分面而必須沿軸向安裝和拆卸軸承部件時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇內(nèi)外圈可分離的軸承（如N0000、NA0000、30000等）。[8]</p><p>　　根

98、據(jù)以上的要求可知，由于在本傳動中，第一、二自由度分別用帶傳動，其承受的軸向力較小，主要承受徑向力為主，因此，對于第一、二自由度選用深溝球軸承，為了設(shè)計(jì)簡化采用相同的型號；而第三自由度主要心承受軸向載荷為主，所以采用現(xiàn)個(gè)角接觸球軸承對背安裝。由以上的分析，選用的軸承為6205，7202AC。[9]</p><p>　　3.5.3機(jī)器人拖鏈的選擇</p><p>　　機(jī)器人采用PFP系列拖鏈。

99、其主要參數(shù)如下：內(nèi)腔尺寸：15×30外腔尺寸20×30彎曲半徑28。拖鏈的長度L=1000mm。</p><p>　　3.5.4其它部件的設(shè)計(jì)</p><p>　　其它部件都已經(jīng)給出圖紙，可按照圖紙加工，其中技術(shù)要求在圖中已注明。</p><p>　　3.6機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　3.6.1機(jī)械手的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)&l

100、t;/p><p>　　機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：</p><p>　?。?）手部的工作范圍較大。</p><p>　　（2）該機(jī)構(gòu)為省力機(jī)構(gòu)。</p><p>　　（3）結(jié)構(gòu)簡單，抓取方形物體。 </p><p>　　圖3-3機(jī)械手抓取范圍簡圖</p><p>　　3.6.2機(jī)械手的手部尺寸及抓

101、取范圍</p><p>　　根據(jù)負(fù)載大小，估計(jì)工件的結(jié)構(gòu)尺寸。由于采用直指結(jié)構(gòu)，只能夾取矩形工件。設(shè)工件為鋼質(zhì)，根據(jù)密度可計(jì)算出夾取工件的體積為。機(jī)械手手部抓取范圍如上圖所示。</p><p>　　3.6.3機(jī)械手傳動裝置的設(shè)計(jì)</p><p>　　由于機(jī)械手傳動裝置的移動距離比較短，所以傳動選擇滑動絲桿的傳動裝置。這里取最大的驅(qū)動力為300N。</p>

102、<p><b>　?。?）材料的選擇</b></p><p>　　螺桿45號鋼，；選擇梯形螺紋°</p><p>　　（2）由耐磨性計(jì)算 </p><p>　　取ψ=2，對于梯形螺紋[10]</p><p>　　其中：F—驅(qū)動力（N）</p><p>　　[]—許用壓強(qiáng)（M

103、Pa）由表[10，22.4-7]得[P]=8MPa</p><p><b>　　—絲桿中徑（mm）</b></p><p>　　ζ梯形螺紋時(shí)ζ=0.8</p><p>　　經(jīng)過計(jì)算得3.46mm</p><p>　　根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的梯形螺紋，查書[10，21.1-14]選擇螺紋的公稱直徑d=20mm,螺距P=2mm，小徑=17

104、.5mm，中徑=19mm</p><p><b>　　（3）自鎖性驗(yàn)算</b></p><p>　　由公式可知當(dāng)量摩擦角</p><p><b>　　其中：—當(dāng)量摩擦角</b></p><p>　　f—摩擦系數(shù)，查表[10，22.4-6]，得f=0.15</p><p>　　

105、α—牙形角，這里α=30°</p><p>　　則計(jì)算得當(dāng)量摩擦角=8°24`</p><p><b>　　螺紋升角</b></p><p>　　其中：S—導(dǎo)程（mm）,這時(shí)取單線，則S=P=2mm</p><p>　　經(jīng)計(jì)算可得螺紋升角λ=1°55`</p><p>

106、;　　這里λ<8°24`，能滿足要求。</p><p><b>　?。?）螺桿強(qiáng)度計(jì)算</b></p><p>　　其中：T—傳遞轉(zhuǎn)矩（Nm），=0.51Nm</p><p>　　σ—當(dāng)量應(yīng)力（MPa），</p><p>　　將各參數(shù)代入上式可得σ=1.33MPa，查表[10，22.4-8]得計(jì)算得<

107、;/p><p>　　[σ]=118-71（MPa）,σ<[σ]滿足要求，</p><p>　　經(jīng)過上述的計(jì)算可知，選用的絲桿可滿足要求，絲桿長度為80mm.絲母長度為40mm。</p><p>　　3.6.4機(jī)械手驅(qū)動裝置的選擇</p><p>　　機(jī)械手采用伺服電機(jī)驅(qū)動，機(jī)械手需要垂直安裝，同上述計(jì)算可知，傳動的力矩為0.51Nm，在綜合

108、考慮其它因素的影響，取電機(jī)的驅(qū)動力矩1.2T，選擇交流伺服電動機(jī)，60CB系列，其型號為：60CB020C,功率200W,轉(zhuǎn)矩0.64Nm</p><p>　　3.6.5機(jī)械手其它部件的選擇</p><p>　　機(jī)械手絲桿主要受力為軸向力。所以選擇兩個(gè)角接觸軸承背對背安裝。其型號為7202AC。至于其它的附件的設(shè)計(jì)在圖紙中已經(jīng)給出，詳見圖紙。</p><p>　　四

109、 機(jī)器人的校核及結(jié)構(gòu)的可靠性分析</p><p><b>　　4.1軸承的校核</b></p><p>　　取第一自由度進(jìn)行軸承校核，工作按每天16小時(shí)每年工作300天，工作10算壽命，可知預(yù)期壽命為48000h，由設(shè)計(jì)手冊可知，同步帶的預(yù)緊力為1047N，采用深溝球軸承，由受力分析得，每個(gè)軸承所受力為1077N，，根據(jù)設(shè)計(jì)手冊[9]，6205軸承的基本額定載荷為，，

110、</p><p>　?。?）當(dāng)量動載荷P[8]</p><p>　　其中：—載荷系數(shù)，這里取為1.2</p><p>　　—徑向力，=1077N</p><p>　　在這里只考慮徑向力的作用，忽略軸向力作用。</p><p>　　計(jì)算得當(dāng)量動載荷為P=1292.4N</p><p><b&

111、gt;　　（2）驗(yàn)算壽命</b></p><p>　　其中：n—帶輪轉(zhuǎn)速，這里取最大轉(zhuǎn)速為500r/min</p><p>　　，P—基本額定動載荷，當(dāng)量載荷。</p><p>　　計(jì)算得73217h>48000h，計(jì)算壽命滿足預(yù)期的壽命，因此軸承可以滿足要求。</p><p>　　4.2各主要功能部件的可靠性分析</

112、p><p>　　直角坐標(biāo)機(jī)器人各個(gè)主要功能部件的選擇與計(jì)算在上一章已經(jīng)做了詳細(xì)的介紹，其間為了確定零部件的型號曾經(jīng)做了下面的假設(shè)，匯總在表4-1中。在設(shè)計(jì)完成后，經(jīng)過計(jì)算，得到了部件的重量匯總在表4-2中。通過對兩個(gè)表的對比可以看出，按假設(shè)選定的各個(gè)部件都可以滿足使用的要求。</p><p>　　表4-1部件估算質(zhì)量表</p><p>　　表4-2部件實(shí)際質(zhì)量表

113、 </p><p>　　4.3各自由度間連接件的可靠性分析</p><p>　　由于各個(gè)自由度之間都使用螺栓連接，現(xiàn)就連接螺栓進(jìn)行強(qiáng)度校核。各個(gè)自由度的連接都采用受橫向載荷的螺栓組連接，可按下式進(jìn)行校核</p><p>　　其中：f—結(jié)合面間摩擦系數(shù)，取f=0.15</p><p><b>　　m—為結(jié)合面對數(shù)<

114、/b></p><p>　　—可靠性系數(shù)，取=1.2</p><p>　　—每個(gè)螺栓的軸向載荷</p><p><b>　　R—外載荷</b></p><p><b>　　z—螺栓個(gè)數(shù)</b></p><p>　　所選取的螺栓的直徑為</p><p&

115、gt;　　其中：；S為安全系數(shù)，</p><p><b>　　經(jīng)過計(jì)算：</b></p><p>　　對于一、二自由度連接螺栓，這里取M8可滿足要求。</p><p>　　對于二、三自由度連接螺栓，取M8螺栓可滿足要求。</p><p>　　對于第三自由度和機(jī)械手連接螺栓，取M8可滿足要求。</p><

116、;p><b>　　4.4軸的校核計(jì)算</b></p><p>　　由軸的受力可知，在此設(shè)計(jì)中，軸的受力不大，在進(jìn)行校核時(shí)采用，彎扭合成強(qiáng)度條件進(jìn)行校核，由帶輪的受力可知，只有在水平面上受到力的作用，而在豎直面上忽略帶輪的作用力，根據(jù)其結(jié)構(gòu)畫出了軸的零件簡單圖如下圖4-1，其受力結(jié)構(gòu)簡圖如圖4-2。</p><p><b>　　圖4-1軸結(jié)構(gòu)圖 <

117、/b></p><p>　　圖4-2受力結(jié)構(gòu)簡單圖</p><p>　　由帶輪的預(yù)緊力，與工作的拉力可知，圖中，由力與力矩平衡關(guān)系可以得出，此軸的扭矩T由上述計(jì)算可知為T=2180Nmm,根據(jù)上述條件可畫出彎矩圖與扭矩圖如下4-3所示。</p><p>　　圖4-3軸的載荷分析圖</p><p>　　已知軸的彎矩和扭矩后，可以判斷出在圖

118、中所示的B-B截面的左側(cè)為危險(xiǎn)截面，對此處做彎扭合成強(qiáng)度校核計(jì)算，按第三強(qiáng)度理論計(jì)算應(yīng)力[11]</p><p>　　其中：—軸的計(jì)算應(yīng)力（MPa）</p><p>　　M—軸所受的彎矩（Nmm）</p><p>　　T—軸所受的扭矩（Nmm）</p><p>　　[]—對稱循環(huán)變應(yīng)力時(shí)軸的許用彎曲應(yīng)力，由表[8，15-4]得，=55MPa&

119、lt;/p><p>　　α—折合系數(shù)，這里取為α=1</p><p>　　W—軸的抗彎截面系數(shù)（），這里，b、t為鍵的尺寸b=8mm、t=4mm</p><p>　　經(jīng)過計(jì)算可得，計(jì)算應(yīng)力，</p><p><b>　　滿足設(shè)計(jì)要求合格</b></p><p><b>　　五 機(jī)器人的控制&

120、lt;/b></p><p>　　5.1步進(jìn)電機(jī)的概況</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是一種把電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移的電氣機(jī)械。電脈沖的數(shù)量代表了轉(zhuǎn)子的角位移量，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與電脈沖的頻率成正比，旋轉(zhuǎn)方向取決于脈沖的順序，轉(zhuǎn)矩是由于磁阻作用所產(chǎn)生。步進(jìn)電機(jī)一定要與控制脈沖聯(lián)系起來才能運(yùn)行，否則無法工作。對定子繞組所加電源形式既不是正弦波交流也不是恒定直流，而是電脈沖電壓、電流，所以也稱為