【文章內(nèi)容簡介】 下運動；考慮到本設(shè)計中的機器人工作范圍不大，故利用液壓缸驅(qū)動實現(xiàn)手臂的伸縮運動；末端夾持器則采用內(nèi)撐連桿杠桿式夾持器，用小型液壓缸驅(qū)動夾緊。圖 23 機器人外形圖　工業(yè)機器人主要技術(shù)性能參數(shù)工業(yè)機器人的技術(shù)參數(shù)是說明其規(guī)格和性能的具體指標(biāo)。主要技術(shù)參數(shù)有如下：抓取重量：抓取重量是用來表明機器人負荷能力的技術(shù)參數(shù)，這是一項主要參數(shù)。這項參數(shù)與機器人的運動速度有關(guān)，一般是指在正常速度下所抓取的重量。抓取工件的極限尺寸：抓取工件的極限尺寸是用來表明機器人抓取功能的技術(shù)參數(shù)，它是設(shè)計手部的基礎(chǔ)。坐標(biāo)形式和自由度：說明機器人機身、手部、腕部等共有的自由度數(shù)及它們組成的坐標(biāo)系特征。運動行程范圍：指執(zhí)行機構(gòu)直線移動距離或回轉(zhuǎn)角度的范圍，即各運動自由度的運動量。根據(jù)運動行程范圍和坐標(biāo)形式就可確定機器人的工作范圍。運動速度：是反映機器人性能的重要參數(shù)。通常所指的運動速度是機器人的最大運動速度。它與抓取重量、定位精度等參數(shù)密切有關(guān)，互相影響。目前，國內(nèi)外機器人的最大直線移動速度為 1000mm/s 左右，一般為 200～400mm/s；回轉(zhuǎn)速度最大為 180186。/s，一般為 50186。/s。定位精度和重復(fù)定位精度：定位精度和重復(fù)定位精度是衡量機器人工作質(zhì)量的一項重要指標(biāo)。 本設(shè)計中的三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機器人的有關(guān)技術(shù)參數(shù)見表 21。表 21三自由度圓柱坐標(biāo)型機器人參數(shù)機械手類型 三自由度圓柱坐標(biāo)型抓取重量 8Kg自由度 3 個（1 個回轉(zhuǎn) 2 個移動）機座 長 120mm，回轉(zhuǎn)運動，回轉(zhuǎn)角 180176。，步進電機驅(qū)動 單片機控制腰部機構(gòu) 長 680mm，伸縮運動，升降范圍 450mm，步進電機驅(qū)動 單片機控制手臂機構(gòu) 長 826mm，伸縮運動，伸縮范圍 50mm，液壓缸驅(qū)動 行程開關(guān)控制末端執(zhí)行器 液壓缸驅(qū)動 行程開關(guān)控制3 三自由度圓柱坐標(biāo)工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)設(shè)計 工業(yè)機器人的運動系統(tǒng)分析 機器人的運動概述工業(yè)機器人的運動，可從工業(yè)機器人的自由度，工作空間和機械結(jié)構(gòu)類型等三方面來討論。如圖 31 所示，為工業(yè)機器人機構(gòu)的簡圖。圖 31 機構(gòu)簡圖工業(yè)機器人的運動自由度所謂機器人的運動自由度是指確定一個機器人操作位置時所需要的獨立運動參數(shù)的數(shù)目，它是表示機器人動作靈活程度的參數(shù)。本設(shè)計的工業(yè)機器人具有四轉(zhuǎn)動副和移動副兩種運動副，具有手臂伸降，旋轉(zhuǎn)，前后往復(fù)三自由度。圖 32 工作空間圖機器人的工作空間和機械結(jié)構(gòu)類型（1）工作空間：工作空間是指機器人正常運行時，手部參考點能在空間活動的最大范圍，是機器人的主要技術(shù)參數(shù)，工作空間圖如圖 32。（2）機械結(jié)構(gòu)類型：圓柱坐標(biāo)型為本設(shè)計所采用方案，這種運動形式是通過一個轉(zhuǎn)動，兩個移動，共三個自由度組成的運動系統(tǒng)（代號 RPP） ，工作空間圖形為圓柱形。它與直角坐標(biāo)型比較，在相同的工作條件下，機體占體積小，而運動范圍大。 工業(yè)機器人的運動過程中各動作如圖 33 和表 31。圖 33 工業(yè)機器人的運動過程中各動作表 31 運動過程中各動作機器人動作 機器人工步機器人開機，處于 A 位 工步一手臂上升 工步二，工步七，工步十三旋轉(zhuǎn)至 B 位 工步三手臂伸出 工步四, 工步十手臂下降 工步五，工步十一夾緊工件 工步六手臂收縮 工步八，工步十四旋轉(zhuǎn)至 C 位 工步九放松工件 工步十二實現(xiàn)運動過程中的各工步是由工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)和各種檢測原件來實現(xiàn)的，這里尤其要強調(diào)的是機器人對工件的定位夾緊的準(zhǔn)確性，這是本次設(shè)計成敗之關(guān)鍵所在。工業(yè)機器人的末端執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計是用來抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、準(zhǔn)確和牢靠程度都將直接影響到工業(yè)機械手的工作性能，它是工業(yè)機械手的關(guān)鍵部件之一。設(shè)計時要注意的問題（1）末端執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)有足夠的夾緊力，為使手指牢靠的夾緊工件，除考慮夾持工件的重力外，還應(yīng)考慮工件在傳送過程中的動載荷。（2）末端執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)有一定的開閉范圍。其大小不僅與工件的尺寸有關(guān)，而且應(yīng)注意手部接近工件的運動路線及其方位的影響。（3）應(yīng)能保證工件在末端執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)準(zhǔn)確定位。（4）結(jié)構(gòu)盡量緊湊重量輕，以利于腕部和臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計。（5）根據(jù)應(yīng)用條件考慮通用性?？傮w結(jié)構(gòu)設(shè)計采用內(nèi)撐連桿杠桿式夾持器，用小型液壓缸驅(qū)動夾緊，它的結(jié)構(gòu)形式如圖 34。內(nèi)撐連桿杠桿式夾持器采用四連桿機構(gòu)傳遞拉緊力，即當(dāng)液壓缸 1 工作時，推動推桿 2向下運動，使兩鉗爪 3 向里收縮，從而帶動手爪 4 夾緊工件。該種夾持器多用于圓柱實心零件的夾持。圖 34 末端執(zhí)行器液壓油缸的選擇和夾緊力的校驗（1）初選油缸型號考慮到所要夾持的是很小的薄壁零件，最大工作載荷很小，故初選液壓缸型號為YHG1C63/3645LF2HL1Q，它的主要技術(shù)參數(shù)如表 32。表 32 冶金設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)液壓缸技術(shù)規(guī)格活塞桿直徑 /mm 油口直徑速度比缸 徑/mm 2通徑/mm 聯(lián)接螺紋63 22 28 10 夾緊力校驗：1）零件的計算M=8KgG=Mg==其中 g 取 2）緊力的計算：要夾持住零件必須滿足條件： ，f 為手指與工件的靜摩擦系數(shù)，工件材GfN?2料為 45 號鋼，手指為鋼材，表 [7]25 f=，N 為作用在零件內(nèi)壁上壓緊力， G 為零件重力。所以 N≥G/2f=（N） 。式 [4]460 可知驅(qū)動力的計算公式為：P=2btanα/(cη)為斜面傾角， ， 為傳動機構(gòu)的效率，這里為平摩擦傳動，表 [7]22 ?o35??? 這里取 , b=,c=29mm。??? 取 P=1200(N)。 ???P由公式 [11] 415 ， ，D 為汽缸的內(nèi)徑(m)，P 為工作壓力（Pa）,由表 3mF??4?3[11]，表 33 負載與壓力關(guān)系表負載/N 5000 5000～10000 10000～20220 20220～30000 30000～50000 50000工作壓力/MPa～1 ～2 ～3 3～4 4～5 5～7取 p=。查得 [12]： =～, 所以m? NPDF )1063(.4622 ??????由以上計算可知液壓缸能產(chǎn)生的推力 F= 大于夾緊工件所需的推力P=1200N。所以該液壓缸能夠滿足要求。手爪的強度校驗 手爪的結(jié)構(gòu)形式如圖 37：圖 37 手爪結(jié)構(gòu)圖 這種結(jié)構(gòu)是在手爪外側(cè)用螺釘固定彈簧板兩端固定。當(dāng)手爪工作時，由于夾緊過程具有彈性，就可以避免易損零件被抓傷，變形和破損。工件與彈簧片間的力：由上節(jié)可知 F=280N。則手爪截面上的剪應(yīng)力為： [τ]=30MPa，τ=Q/A= ][ ??????MPa故彈性爪滿足強度要求。 手臂的設(shè)計要求（1）手臂的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)滿足機器人完成作業(yè)任務(wù)提出的工作空間要求（2）根據(jù)手臂所受載荷和結(jié)構(gòu)的特點，合理選擇手臂截面形狀和高強度輕質(zhì)材料。（3）盡量減小手臂重量和相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量和偏重力矩，以減小驅(qū)動裝置的負荷；減少運動的動載荷與沖擊，提高手臂運動的響應(yīng)速度。（4）設(shè)法減小機械間隙引起的運動誤差，提高運動的精確性和運動剛度。采用緩沖和限位裝置提高定位精度。本設(shè)計中手臂由滾珠絲杠驅(qū)動實現(xiàn)上下運動，結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便，還設(shè)計有兩根導(dǎo)柱導(dǎo)向，以防止手臂在滾珠絲杠上轉(zhuǎn)動，確保手臂隨機座一起轉(zhuǎn)動。它的結(jié)構(gòu)如下圖。圖 38 手臂結(jié)構(gòu)圖選用軸向腳架型液壓缸，活塞桿末端為外螺紋結(jié)構(gòu)，手臂與末端執(zhí)行器連同活塞桿一起轉(zhuǎn)動。伸縮液壓油缸的選擇選液壓缸型號為 YHG1C63/36200LJ1HL1Q，它的主要技術(shù)參數(shù)如表 33。 表 33 冶金設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)液壓油技術(shù)規(guī)格活塞桿直徑 /mm 油口直徑速度比缸徑/mm 2通徑/mm 聯(lián)接螺紋63 28 36 10 活塞桿的強度校核末端執(zhí)行器的重量為：。工件重量為：8Kg。由靜力平衡方:Σ MB=0 R1LAB QLBC=0Σ MA=0 R2LAB QLAC=0求得支反力為: R1=R2=以 A 點為坐標(biāo)原點，得剪力圖和彎矩圖如下：活塞桿[τ]=140MPa, [σ]=240MPa.則在 B 處橫截面上的剪應(yīng)力為：τ B= RB/A= 安全。][)127(493.??????MPa在 B 處的彎應(yīng)力為：σ B= MB/A= 安全。][)127(68. ??????Pa結(jié)構(gòu)設(shè)計通過安裝在支座上的步進電機和諧波齒輪直接驅(qū)動轉(zhuǎn)動機座轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)機器人的旋轉(zhuǎn)運動，通過安裝在頂部的步進電機和聯(lián)軸器帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動實現(xiàn)手臂的上下移動。采用了雙導(dǎo)柱導(dǎo)向，以防止手臂在滾珠絲杠上轉(zhuǎn)動，確保手臂隨機座一起轉(zhuǎn)動。支撐梁采用槽鋼，以減輕重量和節(jié)省材料，它的結(jié)構(gòu)如圖 310。該種設(shè)計采用了環(huán)形軸承的機器人支承結(jié)構(gòu)。它由電動機 2 直接驅(qū)動一杯形柔輪諧波減速器。這種諧波減速器只有剛輪 柔輪 7 和諧波發(fā)生器 8 三大件，而無單獨的外殼（這種結(jié)構(gòu)有利于傳動系統(tǒng)的小型化、輕型化） 。由柔輪 7 輸出低速的回轉(zhuǎn)運動帶動與之固聯(lián)的機座回轉(zhuǎn)殼體 5 實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運動。齒形皮帶傳動 4 和位置傳感器 6作為機座用來檢測手臂機座的角位移。1—支座，2—步進電機，3—諧波齒輪，4—轉(zhuǎn)動機座5—支承工字梁，6—滾珠絲杠，7—導(dǎo)向柱，8—彈性膜片聯(lián)軸器圖 310 腰部和基座結(jié)構(gòu)圖1—支座，2—電機，3—軸承，4—帶傳動，5—殼體6—位置傳感器，7—柔輪，8—波發(fā)生器，9—剛輪圖 311 環(huán)形軸承的機器人機座步進電機的選取工業(yè)機器人的旋轉(zhuǎn)和上下移動采用了步進電機驅(qū)動，下面就給出各種驅(qū)動方式的比較，以作為選取步進電機作為驅(qū)動方式的依據(jù)。表 34 各種驅(qū)動方式比較 比較內(nèi)容 驅(qū)動方式電機 驅(qū)動 氣壓傳動 液壓傳動 機械傳動異步電機，直流電機步進或伺服電機輸出力矩輸出力矩較大輸出力可較大輸出力矩較小 氣體壓力小，輸出力矩小，如需輸出力矩較大，結(jié)構(gòu)尺寸過大液體壓力高，可以獲得較大的輸出力控制性能速度