【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 自由度數(shù)和操作機(jī)各手臂關(guān)節(jié)軸線間的長(zhǎng)度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動(dòng)范圍的選擇。 操作機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)器人本體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它們常和執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)成一體，驅(qū)動(dòng)臂桿和載荷完成指定的運(yùn)動(dòng)。通常的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式有以下四種 : ：可直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制性能好，而且成本低廉；通 常不需要反饋就能對(duì)位置和速度進(jìn)行控制。但是由于采用開(kāi)環(huán)控制，沒(méi)有誤差校正能力，運(yùn)動(dòng)精度較差，負(fù)載和沖擊震動(dòng)過(guò)大時(shí)會(huì)造成“失步”現(xiàn)象。 ：直流伺 服電機(jī)具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動(dòng)力矩，相對(duì)功率大及快速響應(yīng)等特點(diǎn)，并且控制技術(shù)成熟。其安裝維修方便，成本低。 ：交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，使用維修方便，與步進(jìn)電機(jī)相比價(jià)格要貴一些。隨著可關(guān)斷晶閘管 GTO，大功率晶閘管 GTR 和場(chǎng)效應(yīng)管 MOSFET等電力電子器件、脈沖調(diào)寬技術(shù) (PWM)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，使交流伺服電機(jī)在調(diào)速性能方面可以與直流電機(jī)媲美。采用 16 位 CPU+32 位 DSP 三環(huán) (位置、速度、電流 )全數(shù)字控制，增量式碼盤(pán)的反饋可達(dá)到很高的精度。三倍過(guò)載輸出扭矩可以實(shí)現(xiàn)很大的啟 動(dòng)功率，提供很高的響應(yīng)速度。 ： 液壓伺服馬達(dá)具有較大的功率 /體積比，運(yùn)動(dòng)比較平穩(wěn)，定位精度較高，負(fù)載能力也比較大，能夠抓住重負(fù)載而不產(chǎn)生滑動(dòng)，從體積、重量及要求的驅(qū)動(dòng)功率這幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)考慮，不失為一個(gè)合適的選擇方案。但是，其費(fèi)用較高，其液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。為避免本系統(tǒng)也出現(xiàn)同類問(wèn)題，在可能的前提下，本系統(tǒng)將盡量避免使用該種驅(qū)動(dòng)方式。 常用的驅(qū)動(dòng)器有電機(jī)和液壓、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置等。其中采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)是最常用的驅(qū)動(dòng)方式。電極驅(qū)動(dòng)具有精度高，可靠性好，能以較大的變速范圍滿足機(jī)器人應(yīng)用要求等特點(diǎn)。所 以在這次設(shè)計(jì)中我選擇了直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器。因?yàn)樗哂畜w積小、轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反應(yīng)快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。 本課題的機(jī)器人將采用直流伺服電動(dòng)機(jī)。因?yàn)樗哂畜w積小、轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反應(yīng)快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。 控制系統(tǒng)選擇 對(duì)于焊接機(jī)器人這種精度要求不高的工業(yè)機(jī)器人，大多采用示教再現(xiàn)編程。示教方本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 式作為一種成熟的技術(shù)，易被熟悉工作任務(wù)的人員掌握。無(wú)論是手把手示教或示教盒示教，都是以在線編程，由示教操作人員操作移動(dòng)末端執(zhí)行器和手 臂到所需的位置。然后記錄（存儲(chǔ)）下這些操作和數(shù)據(jù)。示教過(guò)程完成后，即可應(yīng)用，機(jī)器人以再現(xiàn)方式重復(fù)進(jìn)行示教時(shí)存于存儲(chǔ)器的點(diǎn)位、軌跡和各種操作。再現(xiàn)過(guò)程的速度可以與示教時(shí)速度不同。 利用示教手柄由人工引導(dǎo)末端執(zhí)行器經(jīng)過(guò)所要求的軌跡，此時(shí)位置傳感器就檢測(cè)出機(jī)器人操作機(jī)上各關(guān)節(jié)處的坐標(biāo)（或轉(zhuǎn)角）值，控制系統(tǒng)的裝置記錄（儲(chǔ)存）下這些數(shù)字化的數(shù)據(jù)信息。再現(xiàn)時(shí)，機(jī)器人控制系統(tǒng)重復(fù)再現(xiàn)示教者示教的軌跡和操作技能。手把手示教也能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制，所不同的是它只記錄各軌跡程序段的兩端位置。軌跡運(yùn)動(dòng)速度則按各軌跡程序段對(duì)應(yīng)的功能數(shù) 據(jù)輸入。 確定機(jī)器人手臂的配置形式 手臂的配置形式反映了機(jī)器人操作機(jī)的總體布局。根據(jù)任務(wù)要求 ,要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人焊接功能 ,則機(jī)器人的工作范圍要廣 ,所以我選擇了立柱式的配置方式。其特點(diǎn)是占地面積小 ,工作范圍大 ,機(jī)器人手臂可繞立柱回轉(zhuǎn)。 根據(jù)分析 ,可將機(jī)器人的參數(shù)列在表 21中： 表 21 機(jī)器人的主要參數(shù) 項(xiàng)目 技術(shù)要求 結(jié)構(gòu)型式 自由度數(shù) 6 運(yùn)動(dòng)范圍 1? 2? 3? 4? 5? 6? 308186。 314186。 292186。 578186。 244186。 534186。 最大速度 2m∕ s 腕部最大負(fù)荷 5 ㎏ 續(xù)表 21 項(xiàng)目 技術(shù)要求 驅(qū)動(dòng)方式 直流電機(jī) 重復(fù)定位精度 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖 22 機(jī)器人傳動(dòng)原理圖 圖 22 是整個(gè)機(jī)器人本體機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)共有 30 個(gè) 齒輪， 為了實(shí)現(xiàn)在同一平面改變傳遞方向 90176。 ,有 10 個(gè)齒輪為圓錐齒輪 ,有利于簡(jiǎn)化系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式的結(jié)構(gòu)形式。如果采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu) ,則必然以空間交叉方式變向 ,就不利于簡(jiǎn)化系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式的結(jié)構(gòu)形式。 機(jī)器人主要由立柱與基座組成的回轉(zhuǎn)基座以及大臂、小臂、手腕組成。 基座是一個(gè)鋁制的整體鑄件，其上裝有關(guān)節(jié) 1 的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在基座內(nèi)安置了關(guān)節(jié) 1的回轉(zhuǎn)軸及其軸承、軸承座等。 大臂和小臂的結(jié)構(gòu)形式相似，都由內(nèi)部鋁制的整體鑄件骨架與外表面很薄的鋁板殼相互膠接而成。內(nèi)部鑄件既作臂的承力骨架，又作內(nèi)部齒輪組的輪殼與軸的支承座。 大臂上 裝有關(guān)節(jié) 2， 3 的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，內(nèi)部裝有對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)齒輪組。關(guān)節(jié) 2， 3 都采用了三級(jí)齒輪減速，其中第一級(jí)采用錐齒輪，以改變傳動(dòng)方向 90176。第二、三級(jí)均采用圓柱直齒輪進(jìn)行減速。關(guān)節(jié) 2 傳動(dòng)的最末一個(gè)大齒輪固定在立柱上；關(guān)節(jié) 3 傳動(dòng)的最末一個(gè)大齒輪固定在小臂上。 小臂端部連接具有 3R 手腕，在臂的根部裝有關(guān)節(jié) 4， 5 的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在小臂的中部，靠近手腕處，裝有關(guān)節(jié) 6 的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。關(guān)節(jié) 4， 5 均采用兩級(jí)齒輪傳動(dòng)，不同的是關(guān)節(jié) 4采用兩級(jí)圓柱直齒輪，而關(guān)節(jié) 5 采用第一級(jí)圓柱直齒輪，第二級(jí)錐齒輪，使傳動(dòng)軸線改變方向 90176。關(guān)節(jié) 6 采用三級(jí)齒輪傳動(dòng) ，第一級(jí)與第二級(jí)為錐齒輪，第三級(jí)為圓柱直齒本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 輪，關(guān)節(jié) 4， 5， 6 的齒輪組除關(guān)節(jié) 4 第一級(jí)齒輪裝在小臂內(nèi)以外，其余的均裝在手腕內(nèi)部。 所設(shè)計(jì)的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下： ，既用作內(nèi)部齒輪安裝殼體與軸的支承座，又兼作承力骨架，傳遞集中載荷。這樣不僅節(jié)省材料，減少加工量，又使整體質(zhì)量減輕。手臂外壁與鑄件骨架采用膠接，使連接件減少，工藝簡(jiǎn)單，減輕了質(zhì)量。 。一般在無(wú)軸向載荷處，載荷外環(huán)采用端面打沖定位的方法。 c. 采用薄壁軸承與滑動(dòng)銅襯套，以減少結(jié)構(gòu)尺寸，減輕質(zhì)量。 d. 有些 小尺寸齒輪與軸加工成一體，減少連接件，增加了傳遞剛度。 e. 大、小臂，手腕部結(jié)構(gòu)密度大，很少有多余空隙。如電機(jī)與臂的外壁僅有 間隙，手腕內(nèi)部齒輪傳動(dòng)安排亦是緊密無(wú)間。這樣使總的尺寸減少，質(zhì)量減少。 f. 工作范圍大，適應(yīng)性廣。 PUMA 除了自身立柱所占空間以外，它的工作空間幾乎是他的長(zhǎng)臂所能達(dá)到的全球空間。再加之其手腕軸的活動(dòng)角度大，因此使它工作時(shí)位姿的適應(yīng)性強(qiáng)。譬如用手腕擰螺釘，手腕關(guān)節(jié) 4， 6 配合，一次就能轉(zhuǎn) 1112176。 g. 由于結(jié)構(gòu)上采用了剛性齒輪傳動(dòng)，調(diào)整齒輪間隙機(jī)構(gòu)，彈性萬(wàn)向聯(lián)軸器，工藝上加工精密，多用整體鑄件，使得重復(fù)定位精度高。 h. 機(jī)器人手臂材料的選擇： 機(jī)器人手臂的材料應(yīng)根據(jù)手臂的工作狀況來(lái)選擇。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)器人手臂要完成各種運(yùn)動(dòng)。因此，對(duì)材料的一個(gè)要求是作為運(yùn)動(dòng)的部件，它應(yīng)是輕型材料。而另一方面，手臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這將大大降低它的運(yùn)動(dòng)精度。因此，在選擇材料時(shí)，需要對(duì)質(zhì)量、剛度、阻尼進(jìn)行綜合考慮，以便有效地提高手臂的動(dòng)態(tài)性能。 機(jī)器人手臂材料首先應(yīng)是結(jié)構(gòu)材料。手臂承受載荷時(shí)，不應(yīng)有變形和斷裂。從力學(xué)角度看，即要具有一定的強(qiáng)度。手臂材料應(yīng)選擇高強(qiáng)度材料，如鋼、鑄鐵、 合金鋼等。機(jī)器人手臂是運(yùn)動(dòng)的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比較輕。綜合而言，應(yīng)該優(yōu)先選擇強(qiáng)度大而密度小的材料做手臂。其中，非金屬材料有尼龍 聚乙烯和碳素纖維等；金屬材料以輕合金為主。在我們的設(shè)計(jì)中為減輕機(jī)器人本體的重量選用鑄鋁材料。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 第 3章 機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 通過(guò)總體分析后 ,確定了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。所設(shè)計(jì)的腰關(guān)節(jié)部分采用二級(jí)齒輪減速傳動(dòng)。 圖 31 機(jī)器人腰關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器和齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 電動(dòng)機(jī)的選擇 設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為 JG JG JG3，根據(jù)平行軸定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 : 2333222221111 lmJlmJlmJJ GGG ?????? （ 31） 1m 、2m、3m分別為 10kg、 5kg、 12kg。1l、 2l 、 3l 分別為重心到第 一關(guān)節(jié)軸的距離，其值分別為 300mm、 700mm、 1500mm，在式（ 31）中 2111 lmJ G ?? 、 2222 lmJG ?? 、 2333 lmJG ??故 1GJ 、2GJ、 2GJ 可忽略不計(jì)。所以繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： 2332222111 lmlmlmJ ??? （ 32） = 222 ????? = mkg? 同理可得小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 : 2532422 lmlmJ ?? = 22 ??? 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 = mkg? 式中： 4l —— 小臂重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離 mm 。 5l —— 腕部重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離 mm 。 設(shè)主軸速度為 219176。 /s，則旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下 ???JT （ 33） 式中： T —— 旋轉(zhuǎn)開(kāi)始的轉(zhuǎn)矩 mN? ?w —— 角加速度 2/srad 使機(jī)器人主軸從 ??00w 到 0 219w ??/s所需時(shí)間為 : 1ts?? 則： 01 1 1 1 . 2 23 0 . 2 5 1 1 5 . 61wwT J w J N mt ?? ?? ? ? ? ? ? ? ?? 若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn) 開(kāi)始時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可假定為 120Nm? 電動(dòng)機(jī)的功率可按下式估算 ? LPLPmP ?? M)( ～ （ 34） 式中： mP —— 電動(dòng)機(jī)功率 W ； LPM —— 負(fù)載力矩 mN? ； LP? —— 負(fù)載轉(zhuǎn)速 srad/ ； ?