小型碼垛機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-機(jī)械手設(shè)計(jì)【三維SW】

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Robot technique is make use of calculator of memory function, plait the distance function come to control operation machine auto completion industry produce medium a certain appointed technique of mission, is all countries nowadays competitively development of high and new technology one of the technique contentses. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the of welding, spraying, transporting and stowing etc , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way. .It's robot's turn to constitute by the hand, arm, waistline and base etc. and have top and bottom anticipate, inside out with turn etc. variety function, and structure simple, operation convenience. Drive a way to drive for the electrical engineering, adoption step enter electrical engineering. KEY WORDS: robot; work way; structure design; the step enter electrical engineering 1 緒論 1.1引言 機(jī)器人技術(shù)是一種高新技術(shù)，它涉及諸多學(xué)科及技術(shù)領(lǐng)域，綜合了計(jì)算機(jī)、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、控制論、仿生學(xué)和人工智能等多學(xué)科而形成的。機(jī)器人按照用途可分為工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人和特種機(jī)器人，其中工業(yè)機(jī)器人是目前應(yīng)用最多、技術(shù)上發(fā)展最成熟的一類機(jī)器人。 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，使得機(jī)器人在碼操、噴涂、揮接、測(cè)量等行業(yè)有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。碼圾機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)物流和包裝自動(dòng)化的關(guān)鍵裝備，可以實(shí)現(xiàn)高速、自動(dòng)、連續(xù)、準(zhǔn)確的碼操任務(wù)，滿足產(chǎn)品碼圾需求。人工碼操是強(qiáng)度大、重復(fù)性高的勞動(dòng)，特別是高粉塵、有毒、有害等物料，基本不適合人工碼設(shè)，因此有必要研發(fā)一種碼操機(jī)器人，減低生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)工人的身心傷害。 工業(yè)機(jī)器人有多種不同的分類方式，按照機(jī)器人工作空間的坐標(biāo)系形式可以分成：直角坐標(biāo)式機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人、關(guān)節(jié)式機(jī)器人和機(jī)器人。關(guān)節(jié)式機(jī)器人和機(jī)器人如圖所示。關(guān)節(jié)式機(jī)器人由一個(gè)時(shí)關(guān)節(jié)和兩個(gè)肩關(guān)節(jié)定位，腕關(guān)節(jié)進(jìn)行定向。關(guān)節(jié)式機(jī)器人的構(gòu)型動(dòng)作靈活，工作空間大，占地面積小，結(jié)構(gòu)緊湊，手臂的干涉最小。按照機(jī)器人的用途可以分成：燥接機(jī)器人、噴涂機(jī)器人、碼躲機(jī)器人、裝配機(jī)器人和專門用途的機(jī)器人。 1.2碼操機(jī)器人的特點(diǎn)與分類 1.2.1碼探機(jī)器人的特點(diǎn) 碼操機(jī)器人相對(duì)于輝接機(jī)器人、裝配機(jī)器人和噴涂等機(jī)器人有很大的區(qū)別，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：【1】 （1）碼操機(jī)器人搬運(yùn)的物料實(shí)現(xiàn)水平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)和空間內(nèi)的平移，動(dòng)作難度較小，無(wú)需進(jìn)行物料的翻轉(zhuǎn)動(dòng)作。碼垛任務(wù)只需要四個(gè)自由度，關(guān)節(jié)控制末端位置，和關(guān)節(jié)控制末端姿態(tài)； (2)碼圾機(jī)器人利用了“平行四邊形”原理，通過(guò)兩組平行四連桿的傳動(dòng)，使機(jī)器人末端的腕部關(guān)節(jié)軸線始終與地面垂直，保證了包裝的袋子或者箱子在搬運(yùn)過(guò)程中的平穩(wěn)狀態(tài)； (3)碼操機(jī)器人減少了兩個(gè)自由度，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零部件少，性能更可靠， (4)故障率降低，保養(yǎng)和維護(hù)起來(lái)方便； (5)集成性較高，占地面積小，方便企業(yè)優(yōu)化配置廠房面積； (6)功率消耗低，大大降低了客戶的生產(chǎn)運(yùn)行成本和能源的消耗； (7)適用性和靈活性高，面對(duì)產(chǎn)品的多樣性或特定客戶的產(chǎn)品的尺寸、形狀、體積及托盤(pán)的形狀和尺寸發(fā)生變化時(shí)，只需要在控制器上稍作修改即可滿足需求，不會(huì)影響正常的生產(chǎn)，這是傳統(tǒng)的碼操裝備無(wú)可比擬的； (8)控制方式和示教方法簡(jiǎn)便； (9)碼圾的任務(wù)相對(duì)于揮接或裝配任務(wù)，定位精度要求相對(duì)較低。 1.2.2碼圾機(jī)器人的分類 碼探機(jī)器人按照驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)和結(jié)構(gòu)的不同可以分成：混聯(lián)碼操機(jī)器人，并聯(lián)碼探機(jī)器人和關(guān)節(jié)式串聯(lián)碼圾機(jī)器人。歐洲和美國(guó)主要以關(guān)節(jié)式串聯(lián)碼操機(jī)器人為主。混聯(lián)碼操機(jī)器人主要以日本的機(jī)器人為代表。【2】 并聯(lián)機(jī)器人具有以下特點(diǎn)：無(wú)累計(jì)誤差，精度較高；運(yùn)動(dòng)部分重量輕，速度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，驅(qū)動(dòng)裝置可置于固定平臺(tái)上；結(jié)構(gòu)緊湊，承載能力大；并聯(lián)機(jī)構(gòu)的各向同性優(yōu)異。同時(shí)，由于并聯(lián)機(jī)器人工作空間較小，承載能力弱，在現(xiàn)實(shí)的自動(dòng)化生產(chǎn)線重載環(huán)境下，適用性和靈活性不高，因此在食品行業(yè)和快速分揀、蹄選行業(yè)等輕載環(huán)境下，并聯(lián)機(jī)器人突顯出它的優(yōu)勢(shì)，在高速重載行業(yè)，主要是混聯(lián)碼設(shè)機(jī)器人和串聯(lián)關(guān)節(jié)式碼躲機(jī)器人。本節(jié)就碼躲行業(yè)常用的混聯(lián)碼棵機(jī)器人和串聯(lián)關(guān)節(jié)式碼圾機(jī)器人兩種機(jī)器人做出對(duì)比。兩者的區(qū)別在于混聯(lián)碼設(shè)機(jī)器人四個(gè)關(guān)節(jié)中，兩個(gè)關(guān)節(jié)為移動(dòng)關(guān)節(jié)，其余為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，后者的四個(gè)關(guān)節(jié)皆為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。兩者都經(jīng)過(guò)兩個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，使末端的腕部關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸線始終與地面垂直。 混聯(lián)碼操機(jī)器人【3】和關(guān)節(jié)式串聯(lián)機(jī)器人的第一關(guān)節(jié)與第四關(guān)節(jié)同為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。而混聯(lián)碼操機(jī)器人的第二關(guān)節(jié)和第三關(guān)節(jié)為移動(dòng)關(guān)節(jié)，第二關(guān)節(jié)為水平移動(dòng)，第三關(guān)節(jié)為垂直移動(dòng)，兩關(guān)節(jié)部分各有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，每個(gè)電機(jī)控制同步帶輪的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，從而帶動(dòng)其滑塊的運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)大臂上下運(yùn)動(dòng)，小臂前后運(yùn)動(dòng)。這樣結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以滿足驅(qū)動(dòng)大慣性力矩負(fù)載和快速運(yùn)動(dòng)精確定位的要求。 目前搬運(yùn)機(jī)器人研發(fā)方面，均采用四軸旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，與兩個(gè)旋轉(zhuǎn)和兩個(gè)移動(dòng) 關(guān)節(jié)的混聯(lián)碼操機(jī)器人比較，具有如下優(yōu)勢(shì)： 結(jié)構(gòu)緊湊，外形美觀，為目前四軸搬運(yùn)碼操機(jī)器人的主流發(fā)展方向； 維護(hù)方便，故障率低，與滾珠絲杠、精密行星減速機(jī)的傳動(dòng)方式相比，減速機(jī)傳動(dòng)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，使用壽命長(zhǎng)，前者在潤(rùn)滑與密封方面較后者復(fù)雜； 成本基本持平，兩者使用相同數(shù)量的伺服電機(jī)和減速機(jī)，混聯(lián)碼操機(jī)器人還另外需要滾珠絲杠和導(dǎo)軌； 關(guān)節(jié)式碼操機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)方式定位精度高于混聯(lián)碼圾機(jī)器人的直線關(guān)節(jié)方式的定位精度； 在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，混聯(lián)碼操機(jī)器人的結(jié)構(gòu)較關(guān)節(jié)式碼操機(jī)器人更為復(fù)雜，需要解決伺服電機(jī)、同步帶傳動(dòng)、滾珠絲杠和導(dǎo)軌的布置問(wèn)題； 混聯(lián)碼操機(jī)器人雖然也有行程放大的機(jī)構(gòu)，但由于外觀尺寸的限制，滾珠絲杠和導(dǎo)軌的長(zhǎng)度受限，運(yùn)動(dòng)空間小于關(guān)節(jié)式碼探機(jī)器人。 1.3碼躲機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 從上世紀(jì)八十年代開(kāi)始，歐美以及日本等國(guó)家，在推廣搬運(yùn)碼圾的自動(dòng)化和機(jī)器人化方面取得了很大的進(jìn)步，在國(guó)家“七五”、“八五”期間，我國(guó)許多高?？蒲性核惭芯亢烷_(kāi)發(fā)了碼操機(jī)器人，并取得了一些成果。 1.3.1國(guó)外碼垛機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在國(guó)外起步較早，第一次將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于碼操作業(yè)的是在世紀(jì)年代，由日本提出的。目前，世界各發(fā)達(dá)國(guó)家的機(jī)器人公司針對(duì)各種載荷、運(yùn)行空間和運(yùn)行環(huán)境，不斷推出高性能、高可靠性、高速、高精度的碼探機(jī)器人。碼圾機(jī)器人市場(chǎng)主要分為歐系和日系。歐系碼操機(jī)器人以ABB和KUKA為代表，日系碼操機(jī)器人以FANUC和YASKAWA為代表。【4】 ABB公司是全球領(lǐng)先的工業(yè)機(jī)器人供應(yīng)商，在碼操作業(yè)方面，有著全套先進(jìn)的機(jī)器人解決方案。1974年，設(shè)計(jì)研發(fā)了全世界第一臺(tái)全電控式、微處理器控制的工業(yè)機(jī)器人。隨著技術(shù)積累，最近公司研制了全球速度最快的緊湊型四軸碼操機(jī)器人。在工作節(jié)拍方面，每小時(shí)最快可以達(dá)到2190次，工作空間的直徑達(dá)到2400mm，在運(yùn)行速度方面，較相同類型的機(jī)器人提升了百分之十五左右，在占地面積方面，只是同類機(jī)器人的五分之四，在工廠狹小空間內(nèi)的高速作業(yè)，將更加適用。針對(duì)不同行業(yè)的需求，開(kāi)發(fā)了特殊規(guī)格的機(jī)器人，是實(shí)現(xiàn)高精度拾放料作業(yè)的并聯(lián)機(jī)器人，范圍可達(dá)1600mm。 作為全球最大機(jī)器人生產(chǎn)商之一的德國(guó)KUKA機(jī)器人公司，涵蓋了所有應(yīng)用場(chǎng)合和負(fù)荷等級(jí)的機(jī)器人類型，其中Iitan是目前市場(chǎng)上最強(qiáng)悍的工業(yè)機(jī)器人主要應(yīng)用于包裝及蹄選，承載能力可以達(dá)到1300Kg，最大作用范圍3202mm，重復(fù)定位精度也能達(dá)到±0.2mm。憑借矯健的身姿，獲得了全球公認(rèn)的紅點(diǎn)設(shè)計(jì)獎(jiǎng)。機(jī)器人在長(zhǎng)時(shí)間停止時(shí)，伺服系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，節(jié)約電力的消耗，減少運(yùn)行成本。同時(shí)機(jī)器人配有助力彈簧，用于降低驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載，提局機(jī)器人的承載能力?！?】 日本安川公司于1977年研制出第一臺(tái)全電動(dòng)工業(yè)機(jī)器人，至今在全球已生產(chǎn)13萬(wàn)多臺(tái)機(jī)器人。安川機(jī)器人的MP系列是專門應(yīng)用于碼操作業(yè)的，碼操機(jī)器人的負(fù)載能力達(dá)到了160kg重復(fù)定位精度達(dá)到±0.5mm。 1.3.2國(guó)內(nèi)碼塊機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀 我國(guó)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)研究與應(yīng)用開(kāi)始于上世紀(jì)70年代，自主研發(fā)的碼操機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)形式有直角坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。近幾年，在碼圾機(jī)器人方面，出現(xiàn)了一批具有較強(qiáng)研發(fā)實(shí)力的科研院所和專家企業(yè)?！?】 上海交通大學(xué)與上海沃迪科技有限公司研發(fā)了TPR系列碼操機(jī)器人。TPR系列機(jī)器人與日本碼操機(jī)器人結(jié)構(gòu)相似，具有獨(dú)特的線性四連桿機(jī)構(gòu)利用工控機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、PLC實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的控制，并且可以通過(guò)人機(jī)交互，核心算法由工控機(jī)完成，控制軟件在平臺(tái)上編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)碼操機(jī)器人生產(chǎn)能力達(dá)到1600包/小時(shí)。 沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化公司是我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化基地，我國(guó)第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人樣機(jī)，就是在該公司研發(fā)與制造成功的。在機(jī)器人技術(shù)方面，新松機(jī)器人優(yōu)化了機(jī)器人控制、操作機(jī)設(shè)計(jì)、工程應(yīng)用和機(jī)器人作業(yè)等關(guān)鍵技術(shù)難題，解決了高精度插補(bǔ)、機(jī)器人語(yǔ)言、多軸協(xié)調(diào)和傳感器控制等技術(shù)，研發(fā)了具有我國(guó)自主版權(quán)的機(jī)器人控制器其應(yīng)用涵蓋搬運(yùn)、偉接、沖壓、噴涂以及機(jī)加工等領(lǐng)域。 清華大學(xué)陳懇、楊向東和北京郵電大學(xué)李金泉以及北京理工大學(xué)付鐵共同開(kāi)發(fā)了TH50型碼躲機(jī)器人，負(fù)載50kg，可搬運(yùn)1000袋小時(shí)。HT50型碼操機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與ABB、KUKA等機(jī)器人不同，第二關(guān)節(jié)和第三關(guān)節(jié)采用滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)，HT50碼設(shè)機(jī)器人是各關(guān)節(jié)直接驅(qū)動(dòng)方式，這種驅(qū)動(dòng)方式的好處是可以減小驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速機(jī)的功率，不需要平衡氣趕、彈賛等元器件?！?】 相對(duì)于國(guó)外工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)制造方面與國(guó)外還存在一定的差距，大部分技術(shù)還是被國(guó)外公司掌握，自主產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)較少因此，發(fā)展自主產(chǎn)權(quán)和核心競(jìng)爭(zhēng)力的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品，已成為我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。 1.4課題來(lái)源與意義 本課題來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目“面向大型沖壓生產(chǎn)線作業(yè)的 鍛壓機(jī)器人幵發(fā)與產(chǎn)業(yè)化”。隨著我國(guó)碼操、包裝等物流產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，不斷 增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求與生產(chǎn)效率之間的矛盾，對(duì)碼躲設(shè)備的生產(chǎn)效率提出了更高的 要求，但目前我國(guó)的碼探機(jī)器人市場(chǎng)多為國(guó)外機(jī)器人公司所壟斷，國(guó)外碼躲機(jī) 器人產(chǎn)品在中國(guó)的年產(chǎn)銷額已近五億元，因此研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的低成本 碼探機(jī)器人產(chǎn)品己成為我國(guó)機(jī)器人領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題。碼操的自動(dòng)化可以保 護(hù)工人的人身安全，減少產(chǎn)品的破損，快速地將物品碼放整齊。碼躲機(jī)器人能 夠幫助人們從事單調(diào)勞累的工作，降低勞動(dòng)成本、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量和提高勞動(dòng)生 產(chǎn)率，研究分析碼躲機(jī)器人具有廣闊的市場(chǎng)前景。 1.5本文主要研究?jī)?nèi)容： 碼垛機(jī)器人作為集機(jī)械、電子、信息、智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科于一體的高新機(jī)電產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此本課題側(cè)重于對(duì)小型碼垛機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。力求在既定的課題要求內(nèi)完成對(duì)小型碼垛機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，多自由度手臂，以及碼垛機(jī)器人的抓取結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行不斷的探索。 對(duì)本課題中小型碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)包含如下幾個(gè)方面： 1.小型碼垛機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.小型碼垛機(jī)器人多自由度手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3. 小型碼垛機(jī)器人的抓取結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1.6本章小節(jié) 本章介紹了工業(yè)機(jī)器人特點(diǎn)及分類，碼躲機(jī)器人特點(diǎn)及分類，綜述國(guó)內(nèi)外碼塊機(jī)器人研究進(jìn)展，最后闡述了本課題的來(lái)源與意義及主要研究?jī)?nèi)容，同時(shí)介紹了本文的研究?jī)?nèi)容和各章節(jié)的安排。 2 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 2.1 引言 碼操機(jī)器人是碼操自動(dòng)化生產(chǎn)線的重要組成部分，碼探機(jī)器人本體是碼操機(jī)器人系統(tǒng)的載體與核心，其設(shè)計(jì)的科學(xué)性與合理性將直接影響碼操機(jī)器人的制造與使用，本章將重點(diǎn)研究碼操機(jī)器人的本體構(gòu)型和主要技術(shù)參數(shù)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與減速機(jī)的類型，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算，確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速機(jī)的型號(hào)，并建立機(jī)器人的三維模型。 2.2碼垛機(jī)器人本體的構(gòu)型分析 作為機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)，碼垛機(jī)器人的機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。手臂是機(jī)械手的執(zhí)行部件，它主要起到對(duì)機(jī)械手腕部和抓取手部的支撐作用，并帶動(dòng)它們進(jìn)行空間的往復(fù)，循環(huán)等運(yùn)動(dòng)?！?】 碼垛機(jī)器人臂部設(shè)計(jì)需要達(dá)到的基本目標(biāo)： （1）手臂自重輕，承載能力大，強(qiáng)度大，剛度好 （2）手臂運(yùn)動(dòng)靈活性好 （3）手臂運(yùn)動(dòng)速度高，靈敏度好 本設(shè)計(jì)采用四桿平行機(jī)構(gòu)，雙搖桿機(jī)構(gòu),以使調(diào)整器、大臂和上臂組成的雙平行四邊形結(jié)構(gòu)能夠保證末端執(zhí)行器始終與水平面平行，如圖(1)所示。 為了使碼垛機(jī)器人輕量化，其操作臂均采用空心薄壁桿件。 2.2.1碼垛機(jī)器人的技術(shù)參數(shù) 根據(jù)碼探機(jī)器人項(xiàng)目任務(wù)書(shū)上的設(shè)計(jì)要求，機(jī)器人要能完成碼躲的基本功能，末端需要連接執(zhí)行手爪，機(jī)器人本體能夠靈活運(yùn)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)抓取袋狀或箱體的功能。雖然碼設(shè)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)構(gòu)型、用途以及客戶的個(gè)性化要求各異，國(guó)內(nèi)外機(jī)器人供應(yīng)商提供的技術(shù)參數(shù)也不相同，但一般來(lái)說(shuō)，碼操機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)有：自由度、重復(fù)定位精度、工作空間范圍、運(yùn)行速度和末端承載能力。本文項(xiàng)目要求的碼操機(jī)器人臂展為2000mm，末端承載能力達(dá)到50kg， 具有個(gè)4個(gè)自由度的關(guān)節(jié)分布，重復(fù)定位精度為±1mm。下表列出了碼操機(jī)器人各項(xiàng)參數(shù)。 項(xiàng)目 參數(shù) 項(xiàng)目 參數(shù) 本體構(gòu)造 關(guān)節(jié)型（多自由度） 最大速度 S軸（旋轉(zhuǎn)） 90度每秒 載荷 50kg L軸（大臂） 85度每秒 重復(fù)定位精度 ±1mm U軸（小臂） 85度每秒 動(dòng)作范圍 S軸（旋轉(zhuǎn)） ±90度 T軸（同轉(zhuǎn)） 210度每秒 L軸（大臂） 0度~90度 本體重量 ≤800kg U軸（小臂） 135度~180度 末端執(zhí)行器重量 ≤60kg T軸（同轉(zhuǎn)） 360度 功率 ≤10KW 2.2.2碼操機(jī)器人總體設(shè)計(jì) 碼操機(jī)器人本體主要由底座、主構(gòu)架、大臂、小臂、腕部和末端執(zhí)行器組成的，具有四個(gè)自由度，即四個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，四個(gè)關(guān)節(jié)分別為：底座與主構(gòu)架之間，主構(gòu)架與大臂之間，大臂與小臂之間以及腕部與末端執(zhí)行器之間的四個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。底座是碼操機(jī)器人的承重基礎(chǔ)部件，固定在地面或支架上，主構(gòu)架是大臂的支撐部件，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的回轉(zhuǎn)功能，主構(gòu)架可以在底座上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，大臂是小臂的支撐部件，大臂的擺動(dòng)可以改變末端執(zhí)行器在水平方向上的行程，而、臂的俯仰則可以實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器在垂直方向上的位置變換，腕部的末端執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)可以調(diào)整承載目標(biāo)的旋轉(zhuǎn)角度和位置?！?】 碼探機(jī)器人可用于箱狀、塊狀和袋狀等物料的碼躲搬運(yùn)，機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)如圖所示： 1、底座通過(guò)一個(gè)軸線垂直于地面的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與主構(gòu)架聯(lián)接。 1、主構(gòu)架安裝在底座上，為整個(gè)臂部提供支撐，其上安裝有大臂、小臂和保持腕部水平的連桿。大臂、小臂與連桿相互構(gòu)成平行四邊形，增加了整個(gè)臂部的剛度。各連桿參數(shù)的選擇將直接影響碼操機(jī)器人的工作范圍。 3、第三關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用后置式，即第三關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)和減速機(jī)在主構(gòu)架上，這樣將明顯改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和降低系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)慣量。 4、腕部與臂部之間有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，末端關(guān)節(jié)通過(guò)串聯(lián)平行四邊形機(jī)構(gòu)的疊加效應(yīng)，滿足腕部的易控性。 碼探機(jī)器人為了保持末端腕部的軸線與地面垂直，利用了“平行四邊形”原理，通過(guò)水平保持連桿和腕部水平保持連桿組成的兩個(gè)平行四邊形，保證末端腕部的軸線與地面垂直。其原理是：理是：°如圖所示，無(wú)論碼躲機(jī)器人處于何種位置與姿態(tài)，θ1,θ2和θ3的角度始終不變，并且三個(gè)角度之和等于180°。另外小臂傳動(dòng)連打利用一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)，將小臂的動(dòng)力傳遞到支撐小臂，這樣的四連打機(jī)構(gòu)具有四個(gè)功能： 1、增加整個(gè)臂部剛度 平行四邊形的相互稱合作用，增加了整個(gè)機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度減小了啟動(dòng)與急停情況下造成的機(jī)器人顫動(dòng)。 2、行程放大功能 見(jiàn)圖，線段BCD在同一直線上，即BCD是同一連桿，OABC是平行四邊形，線段OA和BC是等長(zhǎng)的，OA即是小臂，在小臂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)連桿BCD會(huì)繞點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)的角速度和角加速度相同，而線段CD的長(zhǎng)度大于線段BC的長(zhǎng)度，因此小臂和支撐小臂組成的平行四邊形具有行程放大的作用，放大系數(shù)為線段CD長(zhǎng)度與線段BC長(zhǎng)度的比值。 3、減小系統(tǒng)慣量 碼操機(jī)器人第三關(guān)節(jié)（u軸）的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速機(jī)采用了后置式分布，通過(guò)平行四邊形傳遞動(dòng)力，使驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)可以放置在主構(gòu)架上，減小了系統(tǒng)的慣量。在選擇第一關(guān)節(jié)和第二關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)可作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，降低驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率和力矩，節(jié)約成本，同時(shí)增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 4、碼操機(jī)器人利用“平行四邊形”原理簡(jiǎn)化了機(jī)器人位姿的控制，降低了 過(guò)程控制的難度，可以縮短機(jī)器人的工作周期和研發(fā)設(shè)計(jì)成本。 圖2-1碼垛機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu) 2.3臂長(zhǎng)及參數(shù) 2.3.1 臂的結(jié)構(gòu) 本文設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如下圖所示： 首先確定l6 /l5 的值。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，比值一般為2~6，根據(jù)實(shí)際需要選取5。因此在本設(shè)計(jì)中取l6 為1.5m，l5 =l6 /5=30cm。令l4 的長(zhǎng)度與l6 的長(zhǎng)度相等，也為1.5m。調(diào)整器為等腰直角三角形，腰長(zhǎng)為15cm。水平保持架連桿l2 的長(zhǎng)度為1.5m，小臂l3 的長(zhǎng)為30cm，小臂連動(dòng)桿l1 =l2 =1.5m。l7 =l2 =150cm。因此，l1 ，l3 ，l4 ，l5 組成平行四邊形結(jié)構(gòu)，可以保證前臂與小臂一直保持平行。A，B，C，D也構(gòu)成平行四邊形結(jié)構(gòu)，因此在三角形調(diào)整器的調(diào)整下，AE可以一直與O1 O2 保持平行，C1 B1 也保持平行，從而使得機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)一直保持水平。 經(jīng)過(guò)仔細(xì)的分析，并在實(shí)際需要的基礎(chǔ)上，當(dāng)前臂轉(zhuǎn)動(dòng)到水平位置，大臂轉(zhuǎn)動(dòng)到豎直位置，如圖實(shí)線所示位置時(shí)爪手上升到最高點(diǎn)；當(dāng)機(jī)構(gòu)處在如圖所示虛線位置時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)爪手下降到最低點(diǎn)，此時(shí)大臂l4 與水平面成45度角。 2.3.2前臂 對(duì)前臂處于實(shí)線位置時(shí)進(jìn)行受力分析，如下： 令前臂FB的重量為600N,手部執(zhí)行端重量為40N，貨物重量為500N。 由此時(shí)系統(tǒng)平衡可得到： 由mg到B的距離為37cm，前臂連動(dòng)桿到前臂的距離為15cm可知： 又由， 取F點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)則， 所以，由以上計(jì)算可得到前臂的受力圖和彎矩圖，如下： 前臂的受力圖和彎矩圖 由于A處受力為： 且A處承受最大彎矩，很顯然，A處為危險(xiǎn)截面。 綜上所述，本設(shè)計(jì)采取Q235為前臂的材料。Q235材料 又知， 經(jīng)分析查表知，前臂在A處的截面模量為： 綜上所述，選取 又由于材料 因此綜上，最終選擇 ： 2.3.3小臂 有以上數(shù)據(jù)，換算到小臂的轉(zhuǎn)矩為 因?yàn)樾”鄣淖畲筠D(zhuǎn)動(dòng)力矩為3630Nm小于大臂危險(xiǎn)截面處的力矩3810Nm，因此，為了保證外觀的協(xié)調(diào)性與空心型鋼的選擇性，將小臂的壁厚設(shè)計(jì)為與大臂壁厚相同，即采用的寬度為100mm,高度為100mm,壁厚為10mm。因此其強(qiáng)度顯然滿足實(shí)驗(yàn)要求。 2.3.4 l1 (小臂傳動(dòng)桿)的校核 經(jīng)分析，當(dāng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)至如圖所示虛線位置時(shí)，小臂傳動(dòng)桿只受拉力，且此時(shí)所受拉力最大，為f1 =12100N。 2.3.5對(duì)l7 (前臂連動(dòng)桿）進(jìn)行校核 由于l7 只受拉力作用，且受最大力為2220N, 2.3.6對(duì)大臂的校核 作出手部，前臂，調(diào)整器的受力簡(jiǎn)圖，如下圖所示（有的力未畫(huà)出）： 又因?yàn)椋? 因此，A點(diǎn)受到豎直向下的合力為： 有因?yàn)?，大臂自身重量約為500N 因此，當(dāng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)至如圖所示位置時(shí)，U軸（大臂旋轉(zhuǎn)軸）所受力矩為： 所以前臂的受力圖及彎矩圖如圖所示： 大臂的受力圖和彎矩圖 2.4 本章小結(jié) 本章根據(jù)碼操機(jī)器人的工況及載荷特點(diǎn)介紹了碼操機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù) 和本體構(gòu)成，對(duì)碼躲機(jī)器人的本體構(gòu)型進(jìn)行詳細(xì)的描述，利用“平行四邊形”原理，保證末端執(zhí)行器的軸線始終與地面垂直，初步完成了四自由度碼操機(jī)器人本體規(guī)劃和設(shè)計(jì)。 3 腰部及關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì) 3.1電機(jī)的種類 在碼圾機(jī)器人系統(tǒng)的總體規(guī)劃與方案設(shè)計(jì)完成后，首先要進(jìn)行機(jī)器人驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算。除了確定驅(qū)動(dòng)方式外，還需要確定驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的具體參數(shù)，例如各個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩?cái)?shù)值和功率等。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)相對(duì)于氣壓和液壓驅(qū)動(dòng)方式，運(yùn)動(dòng)速度快，定位精度高，驅(qū)動(dòng)效率高，對(duì)溫度變化不敏感，噪聲和污染都比較小。根據(jù)實(shí)際的需要，碼操機(jī)器人選用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。 目前，機(jī)器人電機(jī)主要有以下幾種： (1)直流伺服電機(jī)：直流伺服電機(jī)調(diào)速特性好，功率密度大和快速響應(yīng)特性優(yōu)異，具有較大的啟動(dòng)力矩，并且直流伺服電機(jī)的控制技術(shù)成熟，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本比較高。在500W以內(nèi)的功率范圍，通常釆用直流伺服電機(jī)，而本文的碼躲機(jī)器人各個(gè)電機(jī)的功率明顯要大于500W。 (2)步進(jìn)電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制性能強(qiáng)，可直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制與調(diào)節(jié)，具有自鎖能力和保持轉(zhuǎn)矩的能力，同時(shí)位置誤差不會(huì)積累，適用于傳動(dòng)效率小和功率不大的小型機(jī)器人或關(guān)節(jié)機(jī)器人。 (3)交流伺服電機(jī)：交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用維修方便，成本較高，可靠性能好，快速響應(yīng)能力優(yōu)異，并且交流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩與電動(dòng)機(jī)本身慣量之比大，可頻繁進(jìn)行正反向和加減速運(yùn)行，在短時(shí)間內(nèi)具有較好的承受過(guò)載能力。 碼探機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)該具有較大功率質(zhì)量比、扭矩慣量比、調(diào)速范圍寬和啟動(dòng)力矩高的特點(diǎn)。特別是碼操機(jī)器人的腕部關(guān)節(jié)，由于需要快速響應(yīng)，應(yīng)該選用體積小、質(zhì)量小的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并且需要有很高的可靠性、穩(wěn)定性以及較大的短時(shí)間過(guò)載能力，交流伺服電機(jī)是最優(yōu)的選擇。 機(jī)器人的電伺服系統(tǒng)大多采用永磁同步型交流伺服電機(jī)，主要生產(chǎn)廠商有博世、德國(guó)西門子、力士樂(lè)公司、美國(guó)AB公司、日本松下以及安川公司等。其中安川電機(jī)瞬時(shí)力矩大，可以過(guò)載，超低慣量，設(shè)定簡(jiǎn)單，維護(hù)簡(jiǎn)便，靈活性強(qiáng)，相配備的伺服驅(qū)動(dòng)器速度響應(yīng)達(dá)到1.6KHz，減少啟動(dòng)加速時(shí)的振動(dòng)以及停止減速時(shí)機(jī)械前端的顫動(dòng)。最終本文選用安川交流伺服電機(jī)。 3.2減速機(jī)的種類 碼躲機(jī)器人末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)是由各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡合成形成的，末端執(zhí)行器的定位精度也是取決于所使用驅(qū)動(dòng)裝置與傳動(dòng)裝置的精度。適用于機(jī)器人的精密減速機(jī)有以下特點(diǎn)：輸出轉(zhuǎn)矩高、回程間隙小、承受傾覆力矩大、剛度大、可潤(rùn)滑性好等。目前，減速機(jī)的結(jié)構(gòu)形式和精度都有了很大的進(jìn)步與發(fā)展，RV減速機(jī)、擺線針輪減速機(jī)、諧波減速機(jī)以及行星減速機(jī)都可以應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人?！?0】 (1)行星減速機(jī)【11】 行星減速機(jī)主要的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)為：行星輪、太陽(yáng)輪和外齒圈，行星減速機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，單級(jí)的減速比一般不會(huì)超過(guò)10，同時(shí)減速機(jī)的極數(shù)一般也不超過(guò)3。行星減速機(jī)具有高剛度，高精度，傳動(dòng)效率高、減速比范圍大、輸入與輸出同軸、方便與電機(jī)集成一體化等特點(diǎn)，多數(shù)安裝在步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)上，但行星減速機(jī)的制造精度要求較高，應(yīng)用于要求結(jié)構(gòu)緊湊的傳動(dòng)系統(tǒng)。 (2)諧波減速機(jī)【12】 諧波傳動(dòng)是上世紀(jì)50年代隨著太空科技的發(fā)展，基于薄殼彈性形變理論發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新型傳動(dòng)技術(shù)。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，諧波減速機(jī)不僅應(yīng)用于空間技術(shù)領(lǐng)域，現(xiàn)已推廣到能源、機(jī)器人、紡織和醫(yī)療等諸多領(lǐng)域。諧波減速機(jī)的特點(diǎn)如下： 1.傳動(dòng)速比大，傳動(dòng)范圍廣。諧波減速機(jī)的單級(jí)傳動(dòng)比為70~320如果采用復(fù)合形式傳動(dòng)，速比可以更高。 2.傳動(dòng)效率高。相對(duì)于其它類型減速機(jī)，在相同的傳動(dòng)比條件下，諧波傳動(dòng)與行星齒輪傳動(dòng)的效率相當(dāng)。在傳動(dòng)比為時(shí)100時(shí)，傳動(dòng)效率為85%左右。 3.同時(shí)哨合的齒輪數(shù)多。諧波減速機(jī)在工作狀態(tài)時(shí)，同時(shí)哨合的齒數(shù)可以達(dá)到齒輪總數(shù)的30%~50%這是突出于其他類型減速機(jī)的。 4.傳動(dòng)精度高。減速機(jī)傳動(dòng)零部件在相同的制造精度條件下，諧波減速機(jī)的傳動(dòng)精度比其它減速機(jī)的傳動(dòng)精度高一級(jí)，同時(shí)諧波減速機(jī)的回差率小，可以實(shí)現(xiàn)零回差傳動(dòng)。 5.利用其柔性的特點(diǎn)，可以在密閉空間內(nèi)傳遞運(yùn)動(dòng)，這是其它機(jī)械傳動(dòng)都 無(wú)法實(shí)現(xiàn)的傳動(dòng)方式。 6.諧波減速機(jī)的主要零件柔輪的制造工藝較復(fù)雜，承載能力差，因此諧波減速機(jī)主要應(yīng)用于小功率、大傳動(dòng)比的場(chǎng)合。 （3）減速機(jī)【13】 RV減速機(jī)是基于擺線針輪傳動(dòng)發(fā)展起來(lái)的一種新型減速機(jī)，20世紀(jì)年80代日本幵始研發(fā)減速機(jī)，國(guó)內(nèi)從90年代初開(kāi)展了相關(guān)研究。減速機(jī)的特點(diǎn)是重量輕、體積小、傳動(dòng)效率高和傳動(dòng)速比大。RV減速機(jī)主要應(yīng)用在機(jī)器人行業(yè)。減速機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和原理圖如圖2-3所示。減速原理為： 第一級(jí)：直（正）齒輪減速 輸入齒輪與直（齒輪哨合并使之旋轉(zhuǎn)，直（正）齒輪與曲柄軸相連接。在此處，按齒數(shù)差減速，該部分為第一級(jí)減速。 第二級(jí)：行星齒輪減速 直（正）齒輪驅(qū)動(dòng)曲柄軸，引起兩個(gè)RV齒輪的偏心運(yùn)動(dòng)，RV齒輪相互偏轉(zhuǎn)度以提供平衡負(fù)載；RV齒輪的偏心運(yùn)動(dòng)引起擺線輪與位于外殼內(nèi)緣的圓柱形針齒的哨合；如果曲柄軸旋轉(zhuǎn)一周，RV齒輪沿著與曲柄軸的旋轉(zhuǎn)方向相反方向旋轉(zhuǎn)個(gè)1齒數(shù)的距離。RV齒輪的偏心運(yùn)動(dòng)使得輪齒與針齒緊密接觸，許多輪齒共同承擔(dān)負(fù)載。輸出可以是軸或外殼。如果是外殼固定，那么軸為輸出。如果軸固定，那么外殼是輸出。 目前，本生產(chǎn)的RV減速機(jī)的精度在一弧分以內(nèi)，為了跟上世界先進(jìn)水平，發(fā)展我國(guó)的機(jī)器人事業(yè)和填補(bǔ)國(guó)內(nèi)RV減速機(jī)的空白，我國(guó)從“九五”幵始研制高精度傳動(dòng)，并制造出減速機(jī)的樣機(jī)，總體的性能與國(guó)外有很大的差距，高剛度、高精度的減速機(jī)主要依賴進(jìn)口。減速機(jī)的兩大品牌是日本的納博特斯克原本帝人減速機(jī)制造公司和日本住友減速機(jī)。兩者的產(chǎn)品整體相似，價(jià)格也大同小異，住友減速機(jī)的封裝性和封閉性要優(yōu)于納博特斯克減速機(jī)，納博特斯克減速機(jī)的輸出軸需要自己設(shè)計(jì)加工制造，由于本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人關(guān)節(jié)所選的伺服電機(jī)類型與尺寸各不相同，與電機(jī)輸出軸配套的減速機(jī)的輸入軸的尺寸參數(shù)不同，選用輸入軸非標(biāo)件比較方便，即自行設(shè)計(jì)加工減速機(jī)輸入軸。 圖2-4左圖為RV減速機(jī)的立體剖視結(jié)構(gòu)圖。 圖2-4RV減速機(jī)實(shí)物圖【15】 工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)一般都需要承受較大的傾覆力矩，特別是第一軸的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，相當(dāng)于懸臂梁結(jié)構(gòu)，機(jī)器人的臂展越大，就對(duì)機(jī)器人基座支撐傾覆力矩的要求越高。若使用其他類型減速機(jī)，例如行星減速機(jī)或諧波減速機(jī)，需要配套使用交叉滾子軸承，而RV減速機(jī)自身配有主軸承（類似于交叉滾子軸承），將軸承與減速機(jī)集成一體，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，可承受傾覆力矩大，可靠性和穩(wěn)定性好，便于安裝與設(shè)計(jì)。綜上所述，由于重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、剛度大、回差小、體積小、傳動(dòng)效率高和傳動(dòng)速比大等優(yōu)點(diǎn)，減速機(jī)是碼設(shè)機(jī)器人傳動(dòng)的最佳選擇，因此本文選用RV減速機(jī)。 在初步構(gòu)造機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)后，可以對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)的伺服電機(jī)和減速機(jī)進(jìn)行選型與計(jì)算。選擇電機(jī)和減速機(jī)的基本要求是使其滿足轉(zhuǎn)速、力矩和慣量匹配等要求。電機(jī)和減速機(jī)在不同工況下，所選擇的參數(shù)不同，若機(jī)器人是連續(xù)工作，那么選擇匹配的力矩參數(shù)應(yīng)為額定輸出力矩；若機(jī)器人是周期工作，那么選擇匹配的力矩參數(shù)應(yīng)為最大加速力矩。在一般情況下，機(jī)器人是以周期工作方式運(yùn)行的。 3.3碼躲機(jī)器人關(guān)節(jié)的詳細(xì)設(shè)計(jì) 3.3.1回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)T軸的設(shè)計(jì) T軸是在碼操機(jī)器人手臂的最前端，即機(jī)器人的腕部關(guān)節(jié)，主要功能是驅(qū)動(dòng)夾持器的旋轉(zhuǎn)。末端的負(fù)載由兩部分組成：夾持器和包裝袋（箱）。包裝袋（箱）和負(fù)載可以看成一個(gè)長(zhǎng)方體，長(zhǎng)、寬、高分別為a、b、c因此在計(jì)算慣量時(shí)可以利用公式： （3-4）【16】 上式中，m為負(fù)載的質(zhì)量，本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人末端承受負(fù)載為50，包裝箱的尺寸：長(zhǎng)為0.9m寬為0.5m代入公式得： J=3.708kg.m2 碼探機(jī)器人在碼圾過(guò)程中，由于空間位姿的變化，速度與加速度隨時(shí)都在變化。根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍需要并初期計(jì)算，方案規(guī)劃階段確定加速時(shí)間為0.1s，軸的速度與加速度參數(shù)為： 式中，n4為軸的額定轉(zhuǎn)速，α4為軸的角加速度。 初選伺服電機(jī)是YASKAWA的旋轉(zhuǎn)型伺服電機(jī)SGMSV-15A,，額定輸出功率為1.5KW。額定轉(zhuǎn)矩為4.9Nm瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩為14.7N.m，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，最高轉(zhuǎn)速為5000r/min，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為2.25*10-4 kg.m2帶制動(dòng)器。減速機(jī)選用納博特斯克的RV-40E減速機(jī)，減速比為81:1，輸出轉(zhuǎn)矩為334N.m容許加速減速轉(zhuǎn)矩為1029N.m，瞬時(shí)最大容許轉(zhuǎn)矩為2058Nm,減速機(jī)輸入軸慣性矩為2.4*10-5 kg.m2。 T軸減速機(jī)輸出端的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量換算到電機(jī)端為： 負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與減速機(jī)輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和與伺服電機(jī)自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的 比值為： （3-5） 機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)慣量匹配的要求是負(fù)載的慣量與伺服電機(jī)的慣量比值小于15，上式計(jì)算兩者比值小于4，即慣量得到了匹配。 T軸在啟動(dòng)加速階段，加速力矩與加速度的數(shù)值成正比例關(guān)系： RV-40E減速機(jī)在轉(zhuǎn)速35r/min時(shí)，效率為90%，伺服電機(jī)能提供到減速機(jī)末端的 最大力矩為： （3-6） 伺服電機(jī)提供到減速機(jī)末端的轉(zhuǎn)速為： 負(fù)載啟動(dòng)時(shí)所需要的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小于伺服電機(jī)能提供到減速機(jī)末端的最大力矩，且伺服電機(jī)提供到減速機(jī)末端的轉(zhuǎn)速為大于該關(guān)節(jié)的額定回轉(zhuǎn)角速度，因此所選擇的伺服電機(jī)和減速機(jī)是合適的?；剞D(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸的電機(jī)和減速機(jī)的參數(shù)如表3-2所示： 表3-2T軸電機(jī)和減速機(jī)參數(shù)【17】 伺服電機(jī) RV減速機(jī) 型號(hào) SGMSV-15A RV-40E-81-B-B 額定功率/KW 3000 - 額定轉(zhuǎn)速/rpm 2.25 - 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/×10-4 kg.m2 4.6 0.24 重量/KG - 9.5 減速比 5000 81 最大轉(zhuǎn)速/rpm 4.9 70 額定轉(zhuǎn)矩/N.m 14.7 334 最大轉(zhuǎn)矩/N.m 2058 RV減速機(jī)對(duì)裝配精度、潤(rùn)滑、密封、安裝等條件要求極為嚴(yán)格，為發(fā)揮最佳性能，設(shè)計(jì)時(shí)需要注意。T軸關(guān)節(jié)減速機(jī)的安裝如圖3-5所示。確保軸承擋圈不會(huì)碰到電機(jī)安裝座；設(shè)計(jì)電機(jī)安裝座時(shí)必須在公差范圍內(nèi)，安裝精度低會(huì)引起振動(dòng)和噪聲；在減速機(jī)使用前，確保封入指定量和指定型號(hào)的潤(rùn)滑脂，如納博特斯克制造的Molywhite RE00潤(rùn)滑油；減速機(jī)安裝座與減速機(jī)之間，減速機(jī)輸出軸端與末端輸出軸之間使用密封圈密封；緊固輸出軸的螺栓是用規(guī)定的轉(zhuǎn)矩梓緊的；伺服電機(jī)內(nèi)部配有密封圈，但設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)時(shí)，還需要密封圈 進(jìn)行減速機(jī)與伺服電機(jī)之間的密封。 伺服電機(jī)的輸出軸一般有兩種形式：直軸、不帶鍵槽與直軸、帶鍵槽、帶螺孔。使用直軸、不帶鍵槽傳動(dòng)時(shí)，需要在電機(jī)軸輸出端使用聯(lián)軸器或者動(dòng)力鎖，造成結(jié)構(gòu)上的不緊湊，密封、維護(hù)和潤(rùn)滑也不方便，與減速機(jī)輸出軸的連接不合適。因此選用直軸、帶鍵槽、帶螺孔，安裝時(shí)只需要平鍵和電機(jī)固定螺栓預(yù)緊即可完成轉(zhuǎn)矩傳遞。在電機(jī)安裝座和輸出軸端部都需要安裝油嘴和放油孔，潤(rùn)滑油需要定期的更換。圖3-5中的主軸承是減速機(jī)上自身配備的軸承，完成的功能類似于交叉滾子軸承，承受軸向力和負(fù)載的彎矩。 3.3.2旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸的設(shè)計(jì) 計(jì)算碼設(shè)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，需要機(jī)器人本體的尺寸參數(shù)，這個(gè)尺寸參數(shù)是根據(jù)后面章節(jié)所敘述確定下來(lái)的，將在下一章詳細(xì)論述。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸伺服電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是整個(gè)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。由此，只需要求出機(jī)器人最大負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 設(shè)主構(gòu)架、大臂、小臂及腕部繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為根據(jù)平行軸定理，可得繞S軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： （3-7） 式中，m1、m2、m3、m4 分別為腰部、大臂、小臂以及手腕的估算質(zhì)量，需要注意的是腰部的質(zhì)量不僅是機(jī)械結(jié)構(gòu)本身的質(zhì)量，還有L軸關(guān)節(jié)和U軸關(guān)節(jié)的電機(jī)和減速機(jī)的質(zhì)量，腕部的質(zhì)量有軸關(guān)節(jié)的電機(jī)、減速機(jī)和負(fù)載的質(zhì)量。m1、m2、m3、m4 的數(shù)值分別為220kg、60kg、40kg和100kg。L1、l2、l3 和l4分別為各部件的重心到旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)S軸的軸線處的距離，由于， 故可以忽略不計(jì)，腰部的重心在旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸的軸線上，故l1 的數(shù)值為0。同時(shí)通過(guò)充分的分析與估計(jì)，l2、l3 和l4 最大值分別為400mm，1000mm，2000mm。因此 可以容易得到各個(gè)部件繞自身重心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 S軸機(jī)座旋轉(zhuǎn)軸的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： S軸的速度與加速度的參數(shù)為： 式中，n1為S軸的額定轉(zhuǎn)速，α1為軸的角加速度。 初選伺服電機(jī)是YASKAWA的旋轉(zhuǎn)型伺服電機(jī)SGMSV-50A,，額定輸出功率為5KW。額定轉(zhuǎn)矩為15.8Nm瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩為47.6N.m，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，最高轉(zhuǎn)速為5000r/min，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為14.5*10-4 kg.m2帶制動(dòng)器。減速機(jī)選用納博特斯克的RV-320E減速機(jī)，減速比為185:1，輸出轉(zhuǎn)矩為334N.m容許加速減速轉(zhuǎn)矩為7840N.m，瞬時(shí)最大容許轉(zhuǎn)矩為12250Nm,減速機(jī)輸入軸慣性矩為1.79*10-5 kg.m2。 軸減速機(jī)輸出端的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量換算到電機(jī)端為： (3-9) 負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與減速機(jī)輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和與伺服電機(jī)自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的 比值為： ( 3-10) 機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)慣量匹配的要求是負(fù)載的慣量與伺服電機(jī)的慣量比值小于15，上式計(jì)算兩者比值為慣量得到了匹配。 S軸在啟動(dòng)加速階段，加速力矩與加速度的數(shù)值成正比例關(guān)系： (3-11) RV320E 減速機(jī)在轉(zhuǎn)速35r/min時(shí)，效率為90%，伺服電機(jī)能提供到減速機(jī)末端的 最大力矩為： (3-12) 伺服電機(jī)提供到減速機(jī)末端的轉(zhuǎn)速為： 負(fù)載啟動(dòng)時(shí)所需要的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小于伺服電機(jī)能提供到減速機(jī)末端的最大力矩，且伺服電機(jī)提供到減速機(jī)末端的轉(zhuǎn)速為大于該關(guān)節(jié)的額定回轉(zhuǎn)角速度，因此所選擇的伺服電機(jī)和減速機(jī)是合適的。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)S軸的電機(jī)和減速機(jī)的參數(shù) 如表3-3所示： 表3-3S軸電機(jī)和減速機(jī)參數(shù)【18】 伺服電機(jī) RV減速機(jī) 型號(hào) SGMSV-50A RV-40E-81-B-B 額定功率/KW 5 - 額定轉(zhuǎn)速/rpm 3000 - 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/×10-4 kg.m2 14.5 0.4 重量/KG 16.5 47 減速比 - 185 最大轉(zhuǎn)速/rpm 5000 35 額定轉(zhuǎn)矩/N.m 15.8 3136 最大轉(zhuǎn)矩/N.m 47.6 12250 一般工業(yè)機(jī)器人在選擇第一關(guān)節(jié)軸時(shí)，偏向于使用減速機(jī)的C系列， C系列對(duì)比系E列有以下特點(diǎn)： (1)C系列是中空結(jié)構(gòu)：電纜可以穿過(guò)減速機(jī)內(nèi)部，結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省設(shè)計(jì)的空間； (2)系列內(nèi)部有壓力角球軸承：相對(duì)于E系列減速機(jī)，C系列的壓力角球軸承型號(hào)更大，增加可靠性，降低總成本，內(nèi)置角接觸軸承結(jié)構(gòu)提高了支撐外部負(fù)載的能力，增加了力矩剛性及最大允許力矩，減少了所需要組件的數(shù)量，使安裝和維護(hù)簡(jiǎn)單化。 以上兩點(diǎn)是C系列較E系列優(yōu)異的方面，但同時(shí)使C用系列減速機(jī)時(shí)需要電機(jī)偏置，造成多一級(jí)齒輪傳動(dòng)，底座的設(shè)計(jì)與制造精度和難度將大大提高，對(duì)安裝與維護(hù)的要求也會(huì)變高，并且C系列的成本要比系列的成本高出很多。本文的第一軸S軸的選擇是E系列，主要是考慮到：電機(jī)與減速機(jī)同軸，設(shè)計(jì)與安裝制造方便，使用與維護(hù)起來(lái)成本低，由于第一關(guān)節(jié)S軸的旋轉(zhuǎn)角度范圍往往達(dá)不到360°，電纜可以直接固定在基座上，設(shè)計(jì)負(fù)載為50kg，S軸的彎矩在系列減速機(jī)可承受彎矩的范圍內(nèi)，在極端的工作負(fù)載下，可以對(duì)機(jī)器人的軌跡進(jìn)行合理規(guī)劃，避免彎矩過(guò)大造成的減速機(jī)損壞。 S軸關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)與T軸關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)相似，本文不再詳細(xì)敘述。 3.3.3小臂旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇 大臂旋轉(zhuǎn)軸L軸和小臂旋轉(zhuǎn)軸U軸的計(jì)算方法較T軸和S軸繁瑣，驅(qū)動(dòng)力矩是以關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為自變量的函數(shù)，因此根據(jù)實(shí)際需要與設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)大臂和小臂的最大驅(qū)動(dòng)力矩進(jìn)行計(jì)算以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 由第二章中對(duì)機(jī)構(gòu)的分析知，小臂旋轉(zhuǎn)力的最大力矩為： 選擇小臂旋轉(zhuǎn)軸和大臂旋轉(zhuǎn)軸的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，如下表所示： 表3-4為L(zhǎng)軸電機(jī)和加速機(jī)的參數(shù)，表表2-5為U軸電機(jī)和減速機(jī)參數(shù)。 表3-4L軸電機(jī)和減速機(jī)參數(shù)【19】 伺服電機(jī) RV減速機(jī) 型號(hào) SGMSV-30A RV-160E-101-B-B 額定功率/KW 2.9 - 額定轉(zhuǎn)速/rpm 1500 - 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/×10-4 kg.m2 54.5 0.151 重量/KG 13.5 28 減速比 - 101 最大轉(zhuǎn)速/rpm 3000 45 額定轉(zhuǎn)矩/N.m 18.6 1568 最大轉(zhuǎn)矩/N.m 45.1 7840 電機(jī)減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩：TL =45.1×101N.m=4555N.m 電機(jī)減速機(jī)輸出額定轉(zhuǎn)速：rL =1500/101=14.85r/min 由于小臂受力的旋轉(zhuǎn)矩小于伺服電機(jī)能提供到減速機(jī)末端的最大力矩，所以選擇的伺服電機(jī)和減速器是合適的。 3.3.4大臂旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇 由第二章中對(duì)機(jī)構(gòu)的分析知，大臂旋轉(zhuǎn)力的最大力矩為： 選擇小臂旋轉(zhuǎn)軸和大臂旋轉(zhuǎn)軸的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，如下表所示： 表3-4為L(zhǎng)軸電機(jī)和加速機(jī)的參數(shù)，表表2-5為U軸電機(jī)和減速機(jī)參數(shù)。 表3-4L軸電機(jī)和減速機(jī)參數(shù)【20】 伺服電機(jī) RV減速機(jī) 型號(hào) SGMSV-30A RV-160E-101-B-B 額定功率/KW 2.9 - 額定轉(zhuǎn)速/rpm 1500 - 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/×10-4 kg.m2 54.5 0.151 重量/KG 13.5 28 減速比 - 101 最大轉(zhuǎn)速/rpm 3000 45 額定轉(zhuǎn)矩/N.m 18.6 1568 最大轉(zhuǎn)矩/N.m 45.1 7840 電機(jī)減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩：TL =45.1×101N.m=4555N.m 電機(jī)減速機(jī)輸出額定轉(zhuǎn)速：rL =1500/101=14.85r/min 由于大臂受到的旋轉(zhuǎn)力的力矩小于伺服電機(jī)能提供到減速機(jī)末端的輸出轉(zhuǎn)矩(4555Nm)，所以選擇的伺服電機(jī)和減速器是合適的。 3.5 本章小結(jié) 本章根據(jù)碼操機(jī)器人的工況及載荷特點(diǎn)介紹了碼操機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)和本體構(gòu)成，同時(shí)介紹了機(jī)器人常用驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速機(jī)的類型與特點(diǎn)。最后通過(guò)計(jì)算，確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速機(jī)的型號(hào)，并建立機(jī)器人的三維模型，給出各關(guān)節(jié)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。 4手部的設(shè)計(jì) 4.1 手部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.1.1 概述 工業(yè)機(jī)器人的手又稱為末端執(zhí)行器，它是機(jī)器人直接用于抓取和握緊（吸附）專用工具（如噴槍、扳手、焊具、噴頭等）進(jìn)行操作的部件。它具有模仿人手動(dòng)作的功能，并安裝于機(jī)器人手臂的前端。由于被握工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)等不同，因此工業(yè)機(jī)器人末端操作器是多種多樣的，大致可分為以下幾類： (1)夾鉗式取料手 (2)吸附式取料手 (3)專用操作器及轉(zhuǎn)換器 (4)仿生多指靈巧手 本文設(shè)計(jì)對(duì)象為碼垛機(jī)器人，并不需要復(fù)雜的多指人工指，只需要設(shè)計(jì)能從不同角度抓取工件的鉗形指。 手指是直接與工件接觸的部件。手指松開(kāi)和夾緊工件，是通過(guò)手指的張開(kāi)與閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該設(shè)計(jì)采用兩個(gè)鉗形手指，其外形如圖3.1所示 圖4.1 機(jī)械手手指形狀 4.1.2 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)問(wèn)題 1 應(yīng)具有足夠的握力（即夾緊力） 在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。 2 手指間應(yīng)有一定的開(kāi)閉角 兩個(gè)手指張開(kāi)與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開(kāi)閉角。手指的開(kāi)閉角保證工件能順利進(jìn)入或脫開(kāi)。若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。 3 應(yīng)保證工件的準(zhǔn)確定位 為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶‘V’形面的手指，以便自動(dòng)定心。 4 應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求具有足夠的強(qiáng)度和剛度以防止折斷或彎曲變形，但應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，自重輕。 5 應(yīng)考慮被抓取對(duì)象的要求 應(yīng)根據(jù)抓取工件的形狀、抓取部位和抓取數(shù)量的不同，來(lái)設(shè)計(jì)和確定手指的形狀。 4.1.3 手部夾緊力的計(jì)算 擬定物倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人手部最大抓取重量為50kg。并采用氣壓缸執(zhí)行手指的夾緊動(dòng)作。如下圖3-2所示。 圖4-2 手部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 手指的長(zhǎng)度設(shè)定為30cm，貨物的寬度為50cm，氣壓缸到指關(guān)節(jié)的豎直距離為10cm，由夾取貨物時(shí)系統(tǒng)平衡可以得到夾取貨物最小的夾緊力F有如下關(guān)系： 所以本設(shè)計(jì)中手部的夾緊力為625N。手部中的手指，手指關(guān)節(jié)等的詳細(xì)尺寸設(shè)計(jì)見(jiàn)零件圖。 4.2 氣壓缸的選擇 4.2.1 氣壓缸的簡(jiǎn)介 單作用氣缸只有一腔可輸入壓縮空氣，實(shí)現(xiàn)一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。其活塞桿只能借助外力將其推回；通常借助于彈簧力，膜片張力，重力等。單作用氣缸的特點(diǎn)是：【21】 1）僅一端進(jìn)（排）氣，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耗氣量小。 2）用彈簧力或膜片力等復(fù)位，壓縮空氣能量的一部分用于克服彈簧力或膜片張力，因而減小了活塞桿的輸力。 3）缸內(nèi)安裝彈簧、膜片等，一般行程較短；與相同體積的雙作用氣缸相比，有效行程小一些。 4）氣缸復(fù)位彈簧、膜片的張力均隨變形大小變化，因而活塞桿的輸出力在行進(jìn)過(guò)程中是變化的。 由于以上特點(diǎn)，單作用活塞氣缸多用于短行程。其推力及運(yùn)動(dòng)速度均要求不高場(chǎng)合，如氣吊、定位和夾緊等裝置上。單作用柱塞缸則不然，可用在長(zhǎng)行程、高載荷的場(chǎng)合。 二、雙作用氣缸 工作原理圖【22】 雙作用氣缸指兩腔可以分別輸入壓縮空氣，實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)動(dòng)的氣缸。其結(jié)構(gòu)可分為雙活塞桿式、單活塞桿式、雙活塞式、緩沖式和非緩沖式等。此類氣缸使用最為廣泛。 ??????? 1）雙活塞桿雙作用氣缸雙活塞桿氣缸有缸體固定和活塞桿固定兩種。 缸體固定時(shí)，其所帶載荷（如工作臺(tái)）與氣缸兩活塞桿連成一體，壓縮空氣依次進(jìn)入氣缸兩腔（一腔進(jìn)氣另一腔排氣），活塞桿帶動(dòng)工作臺(tái)左右運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)范圍等于其有效行程s的3倍。安裝所占空間大，一般用于小型設(shè)備上?；钊麠U固定時(shí)，為管路連接方便，活塞桿制成空心，缸體與載荷（工作臺(tái)）連成一體，壓縮空氣從空心活塞桿的左端或右端進(jìn)入氣缸兩腔，使缸體帶動(dòng)工作臺(tái)向左或向左運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)范圍為其有效行程s的2倍。適用于中、大型設(shè)備。 三、緩沖氣缸 圖緩沖氣缸【23】 1—活塞桿；2—活塞；3—緩沖柱塞；4—柱塞孔；5—單向密封圈；6—節(jié)流閥；7—端蓋；8—?dú)饪? 緩沖氣缸對(duì)于接近行程末端時(shí)速度較高的氣缸，不采取必要措施，活塞就會(huì)以很大的力（能量）撞擊端蓋，引起振動(dòng)和損壞機(jī)件。為了使活塞在行程末端運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，不產(chǎn)生沖