【正文】 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 ,工作空間和機械結構類型等三方面來討論。 圖 31 工業(yè)機器人機構簡圖 (1)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)。 (2)機器人的工作空間和機械結構類型 ,手部參考點能在空間活動的最大圍 ,是機器人的主要技術參數(shù) ,工作空間圖如圖 32。它與直角坐標型比較 ,在相同的工作條件下 ,機體占體積小 ,而運動范圍大。如圖 33 和表 31 表示工業(yè)機器人的運動過程與流程過程。 工業(yè)機器人的執(zhí)行機構設計 末端執(zhí)行機構設計 工業(yè)機器人的末端執(zhí)行機構設計是用來抓持工件或工具的部件。 設計時要注意的問題 設計中主要需要注意的問題如下 : (1)末端執(zhí)行機構應有足夠的夾緊力 ,為使手指牢靠的夾緊工件 ,除 考慮夾持工件的重力外 ,還應考慮工件在傳送過程中的動載荷。其大小不僅與工件的尺寸有關 ,而且應注意手部接近工件的運動路線及其方位的影響。 (4)結構盡量緊湊重量輕 ,以利于腕部和臂部的結構設計。 總體結構設計 采用連桿杠桿式夾持器 ,用小型液壓缸驅(qū)動夾緊 ,它的結構形式如圖24。該種夾持器多用于實心圓柱零件的夾持。 圖 34 末端執(zhí)行器 液壓油缸的選擇和夾緊力的校驗 初選油缸型號 考慮到所要夾持的是很小的零件 ,最大工作載荷很小 ,故初選液壓缸型號為 HVBS04B3HG,它的主要技術參數(shù)如表 32。 f 為手指與工件的靜摩擦系數(shù) ,工件材料為鐵質(zhì) ,手指為鋼材 ,查《機械零件手冊》 表 25 ,N 為作用在零件外壁上壓緊力 ,為零件重力。 由《機械制造裝備》式 460 可知驅(qū)動力的計算公式為 : (32) 為斜面傾角 ,為傳動機構的效率 ,這里為平摩擦傳動。 取 《液壓傳動與氣壓傳動》公式 415 (33) D 為汽缸的內(nèi)徑 m,P 為工作壓力 (Pa),由《液壓傳動與氣壓傳動》中負載與工作壓力由表 33 所示。由《液壓系統(tǒng)設計》可查得 :~, 由式 (33)計算得 : 由以上計算可知 液壓缸能產(chǎn)生的推力 F565N 遠大于夾緊工件所需的推力P100N。 彈性爪的強度校驗 彈性爪的結構形式如圖 35: 圖 35 彈性爪結構圖 這種結構是在手爪外側用螺釘固定彈簧板兩端固定。 工件與彈簧片間的力由上節(jié)可知 N20N。 手臂機構的設計 手臂的設計要求 手臂的結構和尺寸應滿足機器人完成作業(yè)任務提出的如下工作空間要求 : (1)根據(jù)手臂所受載荷和結構的特點 ,合理選擇手臂截面形狀和高強度輕質(zhì)材料。減少運動的動載荷與沖擊 ,提高手臂運動的響應速度。采用緩沖和限位裝置提高定位精度。它的結構如下圖。 表 34 各種驅(qū)動方式比較 比較內(nèi) 容 驅(qū)動方式 機械傳動 電機 驅(qū)動 氣壓傳動 液壓傳動 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 ,結構尺寸過大 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構控制 ,定位精度高 ,可與主機嚴格同步 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)復雜 可高速 ,氣體壓縮性大 ,阻力效果差 ,沖擊較嚴重 ,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 ,可無級調(diào)速 ,反應靈敏 ,可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 應用范圍 適用于自由度少的專用機械手 ,高速低速均能適用 適用于抓取重量大和速度低的專用機械手 可用于程序復雜和運動軌跡要求嚴格的小型通用機械手 中小型專用通 用機械手都有 中小型專用通用機械手都有 ,特別時重型機械手多用 由上表可知伺服電機應用于驅(qū)動工業(yè)機器人有著許多無可替代的優(yōu)點 ,如控制性能好 ,可精確定位 ,體積較小可用于程序復雜和運動軌跡要求嚴格的小型通用機械手等 ,下面就對步進電機的型號進行選取。 (1)滾珠絲杠的選擇 根據(jù)電機以及末端執(zhí)行機構 ,擬使用如下條件 : 負載重量 W4KG 最大行程 S120mm 快速進給速度 V100mm/s 加減速時間常數(shù) 預 期壽命 Lh30000h 直線運動導程摩擦系數(shù) 根據(jù)電機的最大轉(zhuǎn)速與快速進給速度 (34) 各動作模式下的軸向負載的計算 (a)加速時加速度 ,軸向負載分別為 (35) (36) (b)勻速時軸向負載為 (37) (c)減速時軸向負載為 (38) 由上述計算結果可知 : 各動作模式 1 次循環(huán)所需的時間 (s)由表 35 所以 表 35 循環(huán)時間 動作模式 A B C 共需時間 所需時間 2 螺距為 10 的負載條件由表 36 所示 表 36 負載條件 動作模式 A B C 軸向負載 (N) 轉(zhuǎn)速 300 600 300 所需時間比例 15% 70% 15% 根據(jù)負載條件計算軸向平均負載 Pm 與平均轉(zhuǎn)速 Nm (39) (310) (d)計算所需基本動態(tài)額定負載 C 根據(jù)預期壽命 ,扣除停止時間后的凈運行使用壽命 ,預計夾緊 1s 上下運動 5s (311) 將運行系數(shù)帶入公式中得 (312) 因此選擇 BSBR2510 絲杠 (2)滾珠絲杠容許屈曲載荷 研討絲杠軸全場 L 與危險速度 Nc 屈曲載荷 Pk L 最大行程 +螺母長度 +余量 +末端尺寸 L 100+94+118+40350mm 下面就屈曲載荷進行討論 ,設負載作用點間距 (313) 式中 : ??開始引起壓曲的負載 ??負載作用點間距 E??楊氏模量 I??絲杠軸最小慣性矩 (314) n??由絲杠的支撐方法決定的系數(shù) 單推 ?單推 n1 雙推 ?簡支 n2 雙推 ?雙推 n4 雙推 ?自由 選用 因為固定 ?自由適用于低轉(zhuǎn)速 ,中精度 ,短軸向行型的絲杠。 (3)剛度的計算 機械手臂部的絲杠支撐方式采用固定 ?自由的方式 ,其中中心距為a350mm,滾珠直徑 ,絲杠底徑 ,絲杠截面積 S。 根據(jù)公式 ,求得單圈滾珠數(shù) Z12,該型號絲杠為單螺母 ,滾珠的圈數(shù) X列數(shù)為 *2,代入 60,求得滾珠與螺紋滾到間的接觸變形量 mm,因為絲杠加有預緊力 ,且取 mm,所以 ,其中絲杠的有效行程為 100mm,由《系統(tǒng)設計課程設計指導書》表3?27 知 ,滾珠絲杠的有效行程在 315mm 時 ,行程偏差允許達到 6,可見絲杠剛度足夠 [7]。 (5)伺服電機和減速器的選型與校核 TRK?5B?100 減速伺服電機 (輸入轉(zhuǎn)速為 3000r/min,減速比為 5)。為工作臺質(zhì)量 (kg)。 從上述可知 TRK?5B?100 減速伺服電機滿足要求 ,可以使用 [9], [10], [11]。采用了雙導柱導向 ,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。 1??支座 ,2??電機 ,3??減速箱 ,4??轉(zhuǎn)動機座 5??支承冷拔管 ,6??滾珠絲杠 ,7??導向柱 ,8??錐環(huán)無鍵聯(lián)軸器 圖 37 基座結構圖 (1)滾珠絲杠的選擇 根據(jù)電機以及末端執(zhí)行機構 ,擬使用條件 負載重量 W50KG 最大行程 S450mm 快速進給速度 V100mm/s 加減速時間常數(shù) 預期壽命 Lh30000h 直線運動導程摩擦系數(shù) 根據(jù)電機的最大轉(zhuǎn)速與快速進給速度 ,由公式 (34)得 載 各動作模式下的軸向負載的計算 (a)加速時加速度 ,軸向負載分別由公式 (35)和 (36)得 (b)勻速時軸向負載由公式 (37)得 (c)減速時軸向負載由公式 (38)得 各動作模式 1 次循環(huán)所需的時間 (s)由表 37 所示 表 37 循環(huán)時間 動作模式 A B C 共需時間 所需時間 8 螺距為 10 的負載條件由表 38 所示 表 38 負載條件 動作模式 A B C 軸向負載 (N) 10 轉(zhuǎn)速 300 600 300 所需時