【文章內(nèi)容簡介】 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，可從工業(yè)機(jī)器人的自由度，工作空間和機(jī)械結(jié)構(gòu)類型等三方面來討論。如圖 31 所示，為工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的簡圖。 圖 31 機(jī)構(gòu)簡圖 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)自由度 所謂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)自由度是指確定一個(gè)機(jī)器人操作位置時(shí)所需要的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)目，它是表示機(jī)器人動(dòng)作靈活程度的參數(shù)。本設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人具有四轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副兩種運(yùn)動(dòng)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(jī)器人的工作空間和機(jī)械結(jié) 構(gòu)類型 遼寧科技大學(xué)本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11頁 （ 1）工作空間 ： 工作空間是指機(jī)器人正常運(yùn)行時(shí)，手部參考點(diǎn)能在空間活動(dòng)的最大范圍，是機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)，工作空間圖如圖 32。 （ 2）機(jī)械結(jié)構(gòu)類型 ： 圓柱坐標(biāo)型為本設(shè)計(jì)所采用方案，這種運(yùn)動(dòng)形式是通過一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)移動(dòng)，共三個(gè)自由度組成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)（代號(hào) 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(jī)體占體積小，而運(yùn)動(dòng)范圍大。 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程分析 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程中各動(dòng)作如圖 33 和表 31。 圖 33 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程中各動(dòng)作 表 31 運(yùn)動(dòng)過程 中各動(dòng)作 機(jī)器人動(dòng)作 機(jī)器人工步 機(jī)器人開機(jī)，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(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過程中的各工步是由工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)和各種檢測原件來實(shí)現(xiàn)的，這里尤其要強(qiáng)調(diào)的是機(jī)器人對(duì)工件的定位夾緊的準(zhǔn)確性，這是本次設(shè)計(jì)成敗之關(guān)鍵所在。 遼寧科技大學(xué)本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12頁 工業(yè)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)器人的 末端執(zhí) 行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(jī)械手的工作性能，它是工業(yè)機(jī)械手的關(guān)鍵部件之一。 設(shè)計(jì)時(shí)要注意的問題 （ 1） 末端執(zhí)行機(jī)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(dòng)載荷。 （ 2） 末端執(zhí)行機(jī)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(yùn)動(dòng)路線及其方位的影響。 （ 3） 應(yīng)能保證工件在 末端執(zhí)行機(jī)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(jì)。 （ 5） 根據(jù) 應(yīng)用條件考慮通用性。 總體 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 采用內(nèi)撐連桿杠桿式夾持器，用小型液壓缸驅(qū)動(dòng)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(jī)構(gòu)傳遞拉 緊力，即當(dāng)液壓缸 1 工作時(shí)，推動(dòng)推桿 2 向下運(yùn)動(dòng)，使兩鉗爪 3 向里收縮 ，從而帶動(dòng) 手爪 4 夾緊工件。該種夾持器多用于圓柱實(shí)心 零件的夾持。 圖 34 末端執(zhí)行器 遼寧科技大學(xué)本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 13頁 液壓油缸的選擇和夾緊力的校驗(yàn) （ 1） 初選油缸型號(hào) 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(hào)為 YHG1C63/36 45LF2HL1Q，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 缸 徑 /mm 活塞桿直徑 /mm 油口直徑 速度比 通徑 /mm 聯(lián)接螺紋 2 63 22 28 10 夾緊力校驗(yàn) ： 1）零件的計(jì)算 M=8Kg G=Mg== 其中 g取 2）緊力的計(jì)算： 要夾持住零件必須滿足條件： GfN?2 ， f 為手指與工件的靜摩擦系數(shù)，工件材料為 45 號(hào)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(dòng)力的計(jì)算公式為： P=2btanα /(cη ) ? 為斜面傾角， o35?? ， ? 為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率，這里為平摩擦傳動(dòng)，表 [7]22 ??? 這里取 , b=,c=29mm。 a n2 0 ???????P 取 P=1200(N)。 由 公式 [11] 415 ，mPDF ??42? ， D 為汽缸的內(nèi)徑 (m)， P 為工作壓力（ Pa） ,由表 33[11]， 表 33 負(fù)載與壓力關(guān)系表 負(fù)載 /N 5000 5000～ 10000 10000～ 20210 20210～ 30000 30000～ 50000 50000 工作壓力 /MPa ～ 1 ～ 2 ～ 3 3～ 4 4～ 5 5～ 7 取 p=。查得 [12]： m? =～ , 所以 遼寧科技大學(xué)本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 14頁 NPDF )1063( 6232 ???????? ??? 由以上計(jì)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(qiáng)度校驗(yàn) 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(shí)，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= ][ 280233 ?????? ? ?? MP a 故彈性 爪滿足強(qiáng)度要求 。 手臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 手臂的設(shè)計(jì)要求 （ 1） 手臂的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)滿足機(jī)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(diǎn)，合理選擇手臂截面形狀和高強(qiáng)度輕質(zhì)材料。 （ 3） 盡量減小手 臂重量和相對(duì)其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和偏重力矩，以減小驅(qū)動(dòng)裝置的負(fù)荷；減少運(yùn)動(dòng)的動(dòng)載荷與沖擊，提高手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度。 （ 4） 設(shè)法減小機(jī)械間隙引起的運(yùn)動(dòng)誤差，提高運(yùn)動(dòng)的精確性和運(yùn)動(dòng)剛度。采用緩沖和限位裝置提高定位精度。 本設(shè)計(jì)中手臂由滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便，還設(shè)計(jì)有 遼寧科技大學(xué)本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 15頁 兩根導(dǎo)柱導(dǎo)向，以防止手臂在滾珠絲杠上轉(zhuǎn)動(dòng)，確保手臂隨機(jī)座一起轉(zhuǎn)動(dòng)。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(dòng)。 伸縮 液壓油缸的選擇 選液壓缸型號(hào)為 YHG1C63/36 200LJ1HL1Q，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 缸徑 /mm 活塞桿直徑 /mm 油口直徑 速度比 通徑 /mm 聯(lián)接螺紋 2 63 28 36 10 活塞桿的強(qiáng)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 R1 LAB Q LBC=0 Σ MA=0 R2 LAB Q LAC=0 遼寧科技大學(xué)本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 16頁 求得支反力為 : R1= R2= 以 A 點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，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= ][)1027(423?? ????M P a 安全。 在 B 處的彎應(yīng)力為： σ B= MB/A= ][)1027(1633?? ????M P a 安全。 腰部和基座設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 通過安裝在支座上的步進(jìn)電機(jī)和諧波齒輪直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)座轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過安裝在頂部的步進(jìn)電機(jī)和聯(lián)軸器帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂的上下移動(dòng)。采用了雙導(dǎo)柱導(dǎo)向，以防止手臂在滾珠絲杠上轉(zhuǎn)動(dòng)，確保 手臂隨機(jī)座一起轉(zhuǎn)動(dòng)。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。 遼寧科技大學(xué)本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 17頁 該種設(shè)計(jì)采用了環(huán)形軸承的機(jī)器人支承結(jié)構(gòu)。它由電動(dòng)機(jī) 2 直接驅(qū)動(dòng)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(dú)的外殼（這種結(jié)構(gòu)有利于傳動(dòng)系統(tǒng)的小型化、輕型化）。由柔輪 7 輸出低速的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)與之固聯(lián)的機(jī)座回轉(zhuǎn)殼體 5 實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。齒形皮帶傳動(dòng) 4 和位置傳感器 6 作為機(jī)座用來檢測手臂機(jī)座的角位移。 1— 支座， 2— 步進(jìn)電機(jī)， 3— 諧波齒輪， 4— 轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)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(jī)， 3— 軸承， 4— 帶傳動(dòng)， 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(jī)器人機(jī)座 步進(jìn)電機(jī)的選取 工業(yè)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)和上下移動(dòng)采用了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，下面就給出各種驅(qū)動(dòng)方式的比較，以作為選取步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)方式的依據(jù)。 遼寧科技大學(xué)本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 18頁 表 34 各種驅(qū)動(dòng)方式比較 比較內(nèi)容 驅(qū)動(dòng)方式 機(jī)械傳動(dòng) 電機(jī) 驅(qū)動(dòng) 氣壓傳動(dòng) 液壓傳動(dòng) 異步電機(jī)，直流電機(jī) 步進(jìn)或伺服電機(jī) 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 速度可高，速度和加速度均由機(jī)構(gòu)控制，定位精度高，可與主機(jī)嚴(yán)格同步 控制性能較差，慣性大，步易精確定位 控制性能好，可精確定位，但控制系統(tǒng)復(fù)雜 可高速，氣體壓縮性大，阻力效果差，沖擊較嚴(yán)重，精確定位較困難，低速步易控制 油液壓縮性小，壓力流量均容易控制，可無級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 應(yīng)用 范圍 適用于自由度少的專用機(jī)械手，高速低速均能適用 適用于抓取重量大和速度 低的專用機(jī)械手 可用于程序復(fù)雜和運(yùn)動(dòng)軌跡要求嚴(yán)格的小型通用機(jī)械手 中小型專用通用機(jī)械手都有 中小型專用通用機(jī)械手都有，特別時(shí)重型機(jī)械手多用 由上表可知步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)器人有著許多無可替代的優(yōu)點(diǎn)，如控制性能好，可精確定位，體積較小可用于程序復(fù)雜和運(yùn)動(dòng)軌跡要求嚴(yán)格的小型通用機(jī)械手等，下面就對(duì)步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)進(jìn)行選取。 初選電機(jī)為 BF 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)為： 90BYG503， 有關(guān)技術(shù)參數(shù)如下表： 表 35 BF 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)參數(shù)表 電 機(jī) 型號(hào) 相數(shù) 步距角 （ 176。 ） 電壓 V 最大靜轉(zhuǎn)矩 /Nm 最高空載啟動(dòng)頻率 /Hz 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 /105Kgcm2 分配方式 質(zhì)量 Kg 90BYG503 3 0． 6 60 7 1600 四相八拍 遼寧科技大學(xué)本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 19頁 （ 1） 傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是一種慣性負(fù)載 ,在電機(jī)選用時(shí)必須加以考慮。由于傳動(dòng)系統(tǒng)的各傳動(dòng)部件并不都與電機(jī)軸同軸線，還存在各傳動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量向電機(jī)軸折算