六自由度搬运机器人设计(毕业论文)


编号

南京航空航天大学

毕业设计
题 目 六自由度搬运机器人设计

学生姓名 学 系 专 班 号 部 业 级

机电工程系 机械工程及自动化

指导教师

二〇〇八年六月

南京航空航天大学 本科毕业设计(论文)诚信承诺书
本人郑重声明:所呈交的毕业设计(论文) (题目: 六自由度

搬运机器人设计 )是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成 果。尽本人所知,除了毕业设计(论文)中特别加以标注引用的内容 外,本毕业设计(论文)不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 的成果作品。

作者签名: (学号) :

2012 年





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六自由度搬运机器人设计





搬运工业机器人是一多自由度组成的高精度空间运动机械,所以必须具有运动的灵活性 和准确性,以及动态性能的平稳性。因此,操作机与普通机械设备相比,除满足高强度、刚 度、可靠性之外,还必须具有灵巧的构形和良好的动态性能。本文的研究内容为确定搬运工 业机器人的动力源、驱动器容量;设计传动方式、关节及杆件的结构,利用 pro/Engineer 软件 进行三维建模;绘制装配图及部分关键零件图,对关键零部件进行受力分析及强度校核。

关键词:工业机器人,结构设计,传动方案设计,三维建模

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Handling robot structural design of three degrees of freedom

Abstract
The handling of industrial robots is more than one degree of freedom of the high-precision machinery space motion, and so must have the flexibility and accuracy of movement, smooth and dynamic performance. Therefore, the operating machine compared with the general machinery and equipment, in addition to meet the high strength, stiffness, reliability, but also must have a smart configuration and good dynamic performance. The contents of this paper is to determine the source of power handling in industrial robots, drive capacity; design transmission mode, the joints and the structure of the rod, to pro/Engineer Software for three-dimensional modeling; assembly drawing and some of the key parts diagram, the key components stress analysis and strength check.

KeyWords : Industrial

robots; Structural design; Transmission design; Three-dimensional

modeling.

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要................................................................................................................................................. i

Abstract ................................................................................................................................................ ii 第一章 引 1.1 言 ............................................................................................................................. - 1 -

工业机器人的定义 ................................................................................................................ - 1 -

1.2 工业机器人的技术参数 ........................................................................................................... - 1 1.2.1 负载能力(机器人臂力) ............................................................................................. - 1 1.2.2 定位精度 ......................................................................................................................... - 2 1.2.3 运动速度 ......................................................................................................................... - 2 1.2.4 自由度 ............................................................................................................................. - 2 1.2.5 工作范围 ......................................................................................................................... - 2 1.3 工业机器人的应用范围与研究现状 ....................................................................................... - 2 1.3.1 工业机器人的应用范围 ................................................................................................. - 3 1.3.2 国内工业机器人研究现状 ............................................................................................. - 3 1.3.3 工业机器人的优点 ......................................................................................................... - 4 第二章 2.1 工业机器人设计任务 ................................................................................................... - 6 -

六自由度搬运工业机器人的设计要求 ................................................................................ - 6 -

2.2 主要技术指标........................................................................................................................... - 6 2.3 功能分析................................................................................................................................ - 6 机械传动方案设计及驱动原件选型 ........................................................................... - 6 -

第三章 3.1

传动方案设计........................................................................................................................ - 6 -

3.2 电动机及减速器的选型计算 .................................................................................................. - 7 3.2.1 腰部电机及减速器的选型计算 ..................................................................................... - 8 3.2.3 大臂摆动电动机及减速器的选型计算 ......................................................................... - 8 第四章 4.1 搬运机器人机械结构设计 ........................................................................................... - 9 -

腰关节结构设计 .................................................................................................................... - 9 -

4.2 肩关节结构设计..................................................................................................................... - 11 4.3 肘关节结构设计 .................................................................................................................. - 13 iii

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4.4 大臂的设计.......................................................................................................................... - 14 第五章 关键零部件的校核 ....................................................................................................... - 15 5.1 螺钉连接的强度校核 .......................................................................................................... - 15 5.1.1 确定螺柱组连接所受的工作载荷 ............................................................................... - 15 5.1.2 计算倾覆力矩的工作拉力 ........................................................................................... - 15 5.1.3 求每个螺钉所需的预紧力 ........................................................................................... - 16 5.1.4 计算螺柱直径 .............................................................................................................. - 16 5.2 校验螺柱组连接接合面的工作能力 ................................................................................ - 16 搬运机器人的装配过程 ........................................................................................... - 17 -

第六章

6.1 电机与谐波减速器的装配 .................................................................................................... - 17 6.2 回转腰身与四点接触式轴承的装配 .................................................................................. - 18 -

6.3 腰关节总装配图 .................................................................................................................... - 19 6.4 肩关节的装配........................................................................................................................ - 19 6.5 大臂及平行四边形结构的装配 .......................................................................................... - 20 -

6.6 总装配.................................................................................................................................... - 20 第七章 7.1 总结和展望 ................................................................................................................. - 21 -

总结...................................................................................................................................... - 21 -

7.2 展望........................................................................................................................................ - 21 参考文献....................................................................................................................................... - 22 致 谢............................................................................................................................................. - 23 -

iv

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第一章 引
1.1 工业机器人的定义



世界机器人之父恩格尔伯格先生认为,机器人目前尚没有准确的定义,但有一点可以确 定,机器人不一定像人,但能替代人工作。美国不仅将工业机器人和服务机器人看成是机器 人,还将无人机、水下潜器、月球车甚至巡航导弹等都看成是机器人。机器人技术是综合了 计算器、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术。 它一般由机械本体、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成,是一种综合了人和机器特 长、能在三维空间完成各种作业的机电一体化装置。它既有人对环境状态的快速反应和分析 判断能力,又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力,特别适合于多品种、 小批量的柔性生产。 机器人从应用环境出发可分为两大类,即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人, 就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人,通常是指一种能模拟人的手、臂的部 分动作,按照预订的程序、轨迹及其他要求,实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置。 而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人,包 括:服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。 在国家标准中,工业机器人被定义为:“一种能自动定位控制、可重复编程的、多功能的,多 自由度的操作机。它能搬运材料、零件或操持工具,用已完成各种作业。”机器人赖以完成各 种作业的机械实体被定义为:“具有和人手臂相似的动作功能,可在空间抓放物体或进行其他 操作的机械装置。”可见,工业机器人是一机电系统,操作机是它的执行机构,该机构与电子 器件密切相关,它的灵活程度和动态性能,直接影响着机器人的工作质量。

1.2 工业机器人的技术参数
工业机器人的技术参数是说明机器人规格与性能的具体指标,包括以下几个方面。 1.2.1 负载能力(机器人臂力) 这项参数一般指机器人在正常运行速度下所能握取的工件重量, 它与机器人才的运行速度 高低有关。当机器人运行速度可调时,低速运行时所能握取工件最大重量比高速时大,为安

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全起见,也有将高速时所能提取的工件重量作为指标的,此时则常指明运行速度。 1.2.2 定位精度 定位精度的高低取决于位置控制方式以及工业机器人的运动部件本身的精度和刚度,与 提取重量。运行速度等也有密切关系。一般的专业机械手采用固定挡块控制,可达到较高的 定位精度( ± 0.02mm ) ;采用行程开关、点位计等电控元件进行控制,位置精度相应较低 (± 1mm) ;工业机器人的伺服系统是一种位置跟踪系统,即使在高速重载情况下,也可防止 机器人发生剧烈的冲击和振动,因此可以获得较高的位置精度,目前最高可达到 0.01mm. 1.2.3 运动速度 机器人运动部件的每个自由度,起运行全过程一般包括启动速度、等速运行和减速制动 等阶段。一般所说的运动速度,是指机器人在运动过程中最大的运动速度。目前,工业机器 人的最大直线速度大部分在 1500mm/s 以下,最大回转运行速度一般不超过 120 度 每秒。国 内一般应用的直线速度在 300~800mm/s,回转速度为 50 度每秒左右。 1.2.4 自由度 自由度是指确定机器人手部中心位置和手部方位的独立变化参数。工业机器人的每一个 自由度,都要相应地配对一个原动件(如伺服电机、油缸、气缸、步进电机等驱动装置) ,当 原动件按一定的规律运动时,机器人各运动部件就随之作确定的运动,自由度数与原动件数 必须相等,只有这样才能使工业机器人具有确定运动。工业机器人自由度越多,其动作越灵 活,适应性越强,但结构相应越复杂。一般来说,工业机器人具有 3~5 个自由度即满足使用 要求(其中臂部 2~3 个自由度,腕部 1~2 个自由度) 。 1.2.5 工作范围 工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合,也叫做工作区域。 因为末端操作器的形状和尺寸是多种多样的,为了真实反映机器人的特征参数,所以是指不 安装末端操作器时的工作区域。工作范围的形状和大小是十分重要的,机器人在执行某作业 时可能会因为存在手部不能到达的作业死区而不能完成任务。

1.3 工业机器人的应用范围与研究现状

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1.3.1 工业机器人的应用范围 最早将工业机器人技术用于物体的搬运和码垛的国家是日本和瑞典。20 世纪 70 年代末 日本第一次将工业机器人用于码垛作业。1974 年,瑞典 ABB 公司研发了全球第一台全电控 式工业机器人 IRB6,主要应用于工件的取放和物料的搬运。随着计算机技术、伺服技术以及 多轴运动控制技术的发展和日趋成熟,日本、美国、意大利、瑞典、德国、韩国等国家工业 机器人的研发取得了很好的成绩,相应的推出了自己的搬运机器人,如日本的 FANU 和 OKURA 以及 FUJI 系列,德国的 KUKA 系列,瑞典的 ABB 系列等。 德国、瑞典以及日本 等国家的搬运机器人一般为四轴空间关节式机器人,主要有机器人本体、控制柜和末端执行 器组成,机器人本体由基座、臂部以及腕部组成。 搬运机器人的主体多采用优质轻巧的铸铝 或铸铁材料制造,连杆式关节型的机构形式,均利用 CAD 和 FEM 有限元技术进行结构优化 设计,具有较高的机械性能和抗震能力;驱动系统采用模块数字化 AC 伺服电动机和 RV 减 速器,取消了腕部关节电动机和平衡块,大大优化了整体结构;这些先进的搬运机器人最显 著的技术点就是采用了基于 PC 的开放式控制系统,令机器人能够高速、精准、稳定可靠的 运行。 1.3.2 国内工业机器人研究现状 目前,我国自主研发的搬运机器人的结构形式主要有直角坐标型、关节型。直角坐标机 器人具有定位精度高、空间轨迹易于求解、计算机控制简单等优点,但所占空间范围大、相 工作范围小、操作灵活性差、运动速率较低。 与直角坐标机器人相比,关节型机器人机身小 而且工作空间大,动作灵活,可满足更多的生产要求,应用范围更广。为了提高国产关节型 机器人的市场竞争力,促进产业化发展,在近十年里,我国涌现出了一批具有较强实力的专 家企业、产业基地和科研院校。 哈尔滨工业大学于 2004 年推出 1600 型基于 FFS 的高速高 精度称重包装码垛生产线,采用全新结构形式与原理的新型全自动称重、包装、机器人码垛 生产线,生产可达 1600 包/小时以上。 清华大学精仪系自动化实验室陈恳、向东和北京邮电 大学自动化学院李金泉以及北京理工大学机械与车辆工程学院付铁共同开发了 TH50 型码垛 机器人,负载 50kg,旋转 70、度的情况下可搬运 1000 袋/小时。 上海交通大学机器人研究 所携手沃迪包装科技有限公司开发出了新一代 TPR 系列码垛机器人,具有独特的线性四连杆 机构,采用高强度铝合金制造的节能环保手臂,生产能力可达 160/包。 工业机器人是部分或完全代替人工操作的自动化装置,目前随着机器人研究的不断深入 和发展,机器人的使用范围越来越广泛。比如农业、医疗等方向。目前,工业机器人的应用
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领域主要在以下 3 个方面:恶劣工作环境;危险工作场合、特殊作业场合;自动化生产领域。 在这些领域中应用的机器人主要包括以下几种。 (1)焊接机器人。焊接机器人需要 6 个自由度,3 个自由度用来控制焊具跟随焊缝的空 间轨迹,另 3 个自由度保持焊具与工件表面有正确的姿态关系,这样才能保证良好的焊缝质 量。 (2)材料搬运机器人。材料搬运机器人可用来上下料、码垛、卸货以及抓取零件重新定 位。 (3)检测机器人。零件制造过程中的检测以及成品检测都是保证产品质量的关键问题。 它主要有两个工作内容:确认零件尺寸是否在允许的公差内;零件质量控制上的分类。 (4)装配机器人。装配机器人是一个比较复杂的作业过程,不仅要检测装配作业过程中 的误差,而且要试图纠正这种误差。因此,装配机器人应用了许多传感器,其中听觉传感器 用来判断压入件或滑入件是否到位。 (5)喷漆和喷涂。一般在三维表面作业至少要 5 个自由度。由于可燃环境的存在,驱动 装置必须防燃防爆。在大件上作业时,往往把机器人装在一个导轨上,以便行走。 (6)其他诸如密封和黏贴、清砂和抛光、熔模铸造和压铸、锻造等等也有广泛的应用。 1.3.3 工业机器人的优点 综上所述,工业机器人的应用给人类带来了许多好处,如: (1) 、减少劳动力费用; (2) 、提高生产率; (3) 、改进产品质量; (4) 、增加制造过程的柔性; (5) 、减少材料浪费; (6) 、控制和加快库存的周转; (7) 、降低生产成本; (8) 、消除了危险和恶劣的劳动岗位。 我国工业机器人的应用前景是十分宽广的。但是,由于我国工业基础比较薄弱,劳动力 比较丰富、低廉,给工业机器人的发展和应用带来一定的困难。只有符合我国的国情,才能 推动和加快我国工业机器人的发展和应用。因此,要注意以下 3 个问题。 (1) 、发展经济型机器人,企业可望尽早取得投资效益。

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(2) 、发展特种机器人,在一些人力无法工作的领域里用机器人去干,市场潜力大。 (3) 、走企业技术改造道路,用机器人技术和其他高新技术去改造旧企业,促进了机器 人技术自身的发展和应用。 随着科技的进步,市场的发展,工业机器人的广泛应用已渐趋可能,在未来的制造业中, 越来越多的工业机器人将被应用,越来越好的机械手将被创造,毫不夸张地说,工业机器人 是人类是走向先进制造的一个标志,是人类走向现代化、高科技进步的一个象征。 因此如何 设计出一个功能强大,结构稳定的工业机器人变成了迫在眉睫的问题。

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第二章

工业机器人设计任务

2.1 六自由度搬运工业机器人的设计要求
1.熟练使用三维软件对工业机器人的前三个关节机械结构进行三维建模; 2.根据技术指标确立前三关节传动方案,动力源件; 3.熟练使用 AutoCAD 生成工程图纸,主要为总装配图和部件图及关键零件图; 4.对机器人的关键零部件进行受力分析及强度校核。

2.2 主要技术指标
1. 工业机器人第一关节转角范围:±160°,第二关节转角范围:120°,-30°,第三关 节转角范围:+60°,-120°; 2. 工业机器人可达工作空间:第一关节:1.5m;第二关节:1.4m;第三关节 0.6m ; 3. 工业机器人各关节转动最大速度,第一关节:150°/s;第二关节:200°/s;第三 关节:195°/s ; 4. 工业机器人可承载载荷范围:0—15Kg。

2.3 功能分析
系统共有 6 个自由度,分别是夹紧、旋转、俯仰、小臂摆动、大臂的摆动及腰部的回转。 搬运机器人用途很广,一般只需点位控制,即被搬运零件无严格的运动轨迹要求,只需要起 始点和终了点位姿准确,如机床用的上下料机器人,工件码垛机器人等。它的前三关节是转 动关节。它利用顺序的三次圆弧运动来改变“手”的空间位置,其特点是结构紧凑,所占空间 体积小,相对的工作空间大,还能绕过基座周围一些障碍物。

第三章
3.1 传动方案设计

机械传动方案设计及驱动原件选型

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3-1

搬运机器人机构示意图

图 1-1 为搬运机器人机构示意图 ,1 为腰部电机,2 为谐波减速器,3 为肩部电机,4 为 RV 减速器,5 平行四边形杆件。采用电气控制,机械传动,其优点:1)精度高,伺服电 机作为动力源,腰部采用谐波减速器传动,传动平稳承载能力高。肩部采用 RV 减速器传动, 不仅传动比高、噪声小而且刚性好。2)控制精度高,根据设定的参数实现精确控制,在高精 度传感器、 计量装置、 计算机技术的支持下, 能够大大超过其他控制方式达到的控制精度。 3) 改善环保水平,由于使用能源品种的减少及其优化的性能,污染减少了,噪音降低了,能够 提供良好的工作环境。4)与齿轮传动相比,传动更加精确,消除了齿轮间隙。

3.2 电动机及减速器的选型计算
工业机器人除去加持装置总共有六个自由度,总共需用六个伺服电机,由于本文只研究 前三个关节,在此只做前三个关节的电机选型计算。
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3.2.1 腰部电机及减速器的选型计算 主电机传动比选择:腰部电机的驱动力矩等于其负载的转动惯量与角加速度的乘积,令 腰部为 J1 轴,因此 J1 轴电动机的负载的转动惯量就是整个机器人旋转时的转动惯量根据减 速器和伺服电机的选用方法,我们只需求出 J1 轴电机的最大负载转动惯量即可,由于转动惯 量是由机器人的 pr/e 三维模型测量的得到的,因此我们只需将机器人各部件装配为 J1 轴转 动惯量最大的姿态,然后测量这个最大惯量,将测量圆整为 IJ1MAX =1588kg ? m2,J1 轴的启动转 矩为 T1= IJ1max ? 1=1588 ? 2 ? =9977.7N ? m。 电动机与减速器初步选型: 电动机选用 CFM112S 型,带制动器,堵转转矩 31N ? m,最大动态转矩为 108.5N ? m,额定转矩 为 4500r/min,重量为 36kg, 转动惯量 88 ? 10-4 kg ? m2。 减速器采用谐波减速器, 减速比 154:1, 减速器额定转矩为 6000N ? m,允许的加减速转矩为 10000N ? m,回程误差为 3arcmin,最大轴 向力 49033N,输出轴倾覆力矩:8800N ? m,输入端转动惯量 26.2 ? 10-4kg ? m2,额定使用寿命不 小于 20000h。负载惯量折算到电动机输出端的惯量为 I=0.6696 kg ? m2,负载惯量和电动机自 身输出惯量比为 7.9。 3.2.2 小臂摆动电动机及减速器的选型计算 令曲柄为 J2 轴,由受力分析可知 J2 受轴向拉压力 F,且 F 是以电动机的行程为自变量的函 数,根据 pro/e 计算出其转动惯量,假设角加速度为 4 ? rad/s2 ,得 T=19.39N ? m。 电动机选用 sew 的 CFM71M,带制动器,其堵转扭矩为 5.5N ? m,最大动态转矩为 21.5N ? m 额定 转速为 4500r/m,质量 13kg,转动惯量 8.03 ? 10-4 kg ? m2 ,额定功率按照 4500r/min 计算为 3.06kw,按照 4000r/min 计算为 2.7kw。减速器选用 RV 减速器,额定转矩 110N ? m,最大减速 转矩为 169N ? m, 减速器速比为 7:1, 额定输入转速为 1500r/min,最大输入转速为 6000r/min, 输入转动惯量 2.7 ? 10-4kg ? m2,额定寿命 15000h。 3.2.3 大臂摆动电动机及减速器的选型计算 由 pro/e 三维模型测量得到负载的转动惯量为 I=204kg ? m2,由 T=I ? ,得 T=28.08N ? m,伺 服电动机初步选择 sew 的 CFM71S,带制动器,堵转转矩为 5N ? m,最大动态转矩为 16.5N ? m, 额定转速为 4500r/min,质量为 11.8kg, 转动惯量 6.65X10-4 kg ? m2,其额定功率按照 4500r/min 计算为 3kW,按照 4000r/min 计算为 2.09kW。 减速器选用 RV 减速器,额定转矩 110N ? m,最大减速转矩为 169N ? m,减速器速比为 7:1, 额定输入转速为 1500r/min,最大输入转速为 6000r/min,输入转动惯量 2.7 ? 10-4kg ?m2,额定
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寿命 15000h。

第四章
4.1 腰关节结构设计

搬运机器人机械结构设计

图 4-1

腰关节三维结构图

如图4-1为用pro/Engineer设计的腰关节三维结构。腰关节采用电机在下,使用杯式谐波传 动和四点接触式薄壁轴的关节机构。由于使用特制轴承的缘故,使其结构紧凑,腰关节高度 尺寸小。电机与谐波减速器的箱体连接之后又将电动机的边缘嵌入支架的凹台之上,再将谐 波减速器的壳体与支架进行连接从而将整个腰身的重力传递到支架上。 谐波传动比大,单级传动可为 50-300,传动平稳,承载能力高,齿面磨损小而均匀,传动效 率高。在制造精度相同的条件下,谐波齿轮的传动精度要比普通传动齿轮高一级。精密谐波 传动的回差一般在 1 分-3 分之间,甚至可以实现无回差运动。通常来说,深沟球轴承内外圈 的沟槽曲率比滚珠的曲率稍微大一些,因此滚珠与内外圈在沟槽的底部进行接触。与之不同, 四点接触球轴承减小了沟槽的曲率,结果使滚珠与沟槽的两侧接触,即意味着每一个滚珠与 内外圈共计有四个点接触。由于轴承事先进行了预紧,即使受到倾斜于转轴方向的作用力, 也不会发生晃动,甚至单个轴承也能承受一定程度的力矩载荷。

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图 4-2

腰关节二维剖视图

电机轴与谐波减速器的波发生器相联,柔轮与回转台联接,回转台与四点接触式球轴承 过盈配合,与上档圈间隙配合,在回转台与上挡圈之间,因其相对转动的转速较低,采用毛 毡式密封圈。下挡圈与回转台之间用螺钉联接,下挡圈与底座不接触,并随着回转台一起运 动。这样整个腰关节及其以上部分的重力大部分都传递到支架上。四点接触式球轴承只承受 较小的轴向力。如图 4-3 为腰关节的爆炸分解图

图 4-3

腰关节爆炸分解图

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毕业设计(论文)报告纸 4.2 肩关节结构设计

图 4-4 肩关节三维结构图

肩关节采用同轴减速传动,驱动大臂转动和小臂四边形传动件的曲柄转动的两减速器为 同一轴线,左电机通过 RV 减速器带动曲柄,曲柄再通过四边形结构带动小臂摆动。右电机 通过 RV 减速器带动大臂右侧的法兰,使大臂转动。为了使大臂支承可靠,其左侧又通过轴 承支撑在曲柄上,形成双支点结构。相较于谐波传动,RV 传动独特的大圆盘输出机构解决了 谐波传动刚性不足的问题,同时两级传动扩大了传动比范围,特别适合于载荷大,过载能力 高,刚度高的场合。在现有的机械手系统中,所采用的传动机构主要有蜗轮蜗杆传动、行星 轮系传动、链传动、带传动等。带传动的主要优点是:1)适用于中心距较大的传动;2)带 具有良好的饶性,可缓和冲击、吸收振动;3)过载时带与带轮间出现打滑,打滑虽使传动失 效,但可防止损坏其他零件;4)结构简单、成本低廉。在本次设计中,鉴于手臂传动中心距 较大,传动要求相对高的精度,故相比较后选择行星齿轮传动。由于 RV 减速器具有传动比 范围大、结构紧凑体积小、运动精度高、刚度大、回差小,传动效率高等一系列优点,因此 是目前高精度传动的最佳选择。

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图 4-5

RV 减速器实物图

图 4-6

肩关节二维剖视图

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毕业设计(论文)报告纸 4.3 肘关节结构设计

图 4-7

肘关节三维结构图

肘关节是利用四连杆结构,通过肩部电动机带动曲柄运动,再通过传动杆使小臂摆动。 由连杆组成的传动机构可以把连续的旋转运动转化为间歇往复运动,实现不等速运动,即减 速比连续变化的运动传递功能,再进一步甚至能实现空间直线或曲线运动轨迹。为了达到设 计指标要求,针对小臂所能到达的空间范围进行了机构运动分析。

图 4-8

肘关节运动分析图

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毕业设计(论文)报告纸 4.4 大臂的设计
有限元计算结果表明, 一般情况下, 各个臂的强度基本不容易出现问题, 基本上是 60MPa 以下,很多情况下在 40MPa 以下,所以机器人手臂的材料一般是弹性模量大,密度小、阻尼 大的材料,可以选择铝合金、铸铁,当然也可以采用 Q235 钢材焊接。设计过程中,空间关 节式机器人的结构从末端执行器到基座整个流程不能有明显的薄弱环节,因机器人为串联结 构,其中有一薄弱环节,那么整个机器人都会有问题。机器人的大臂、小臂和底座尽可能不 开口或减少开口。若必须开口,那么添加盖板不仅妖气防尘作用,还要起连接作用,盖板螺 钉需要选择较大型号,且布置也应较密。

图 4-9

大臂三维结构图

大臂是采用的方形截面且为等壁厚。因为在相同的周长下,圆内包含的面积最大,其次 是方形。根据切应力公式,则扭转切应力就最小,抗扭性能会强。当大臂为变臂厚时,计算 切应力时采用的是最小壁厚,那么切应力就相对较大,抗扭性能会差,故采用等壁厚较好。

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第五章 关键零部件的校核
5.1 螺钉连接的强度校核

图 5-1

螺钉连接分布图

采用内六角螺钉连接,布局如图 5.1.1 确定螺柱组连接所受的工作载荷 只受横向载荷 Fv (作用于接合面,垂直向下)

?根据 proe 质量分析,得到前 5 个自由度的总质量
m总 ? 674.82kg FV ? m总g ? 674.82 ? 9.81 ? 6619.98N

?倾覆力矩(顺时针方向)
m? F .98 V l? 6 6 1 9 ? 5? 74.6 3 8 0? 3840.508 N mm

5.1.2 计算倾覆力矩的工作拉力 在倾覆力矩作用下,左面的螺钉受到加载作用而右面的螺钉受到减载作用,故左面的螺 受力较大,得知为
Fmax ? Mlmax
4

?l
i ?1

?

M ? 75 ? 12679.468N 4 ? 752

i

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5.1.3 求每个螺钉所需的预紧力

横向工作载荷 Fv 将使连接件下滑,采用普通螺柱连时是靠摩擦力来承受,M 对摩擦力影 响,虽在 M 的作用下,左边的压力减小,但右面的拉力增大,所以保证不下滑的条件,由式 (11-27)可知;
F0 ? ks Fv zf

k s =1.2 f =0.2

? F0 ?

1.2 ? 6619.98 ? 9929.97N 4 ? 0.2

5.1.4 计算螺柱直径 螺柱所受的总拉力由式(11-19)求得
Fb ? F0 ? c1 F c1 ? c2 ?

由表 11-5 取

c1 =0.3 c1 ? c2

? Fb ? F0 ?

c1 F ? 13733.81N c1 ? c2 ?

查表选择螺柱材料为 Q235,性能等级 5.6,屈服强

? s ? 360 N mm 2 ,安全系数 S ? 4 ,则需用应力为

?? ? ?

?s
S

? 90 N mm2

根据式(11-21)求得螺柱危险剖面的直径(螺纹小径)为:
d1 ? 4 ?1.3Fb

? ?? ?

?

4 ? 1.3 ? 13733.81 ? 15.90mm 3.14 ? 90

?初取直径 d1 =16 mm

5.2

校验螺柱组连接接合面的工作能力
1)连接接合面右端不超过许用值,以防止接合面压溃,由式(11-39)有:

? p max ?

zF0 M ? A W

式中,接合面面积 A ? h2l2 ? 200 ? 200 ? 40000mm2 ;
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毕业设计(论文)报告纸
接合面抗弯剖面模量: W ?
l2 h2 2 ? 1.33 ?106 mm3 6 4 ? 9929.97 3.8 ?106 ? ? ? 3.850 N mm2 6 40000 1.33 ?10

?? p max

由表 11-9 查得
2 ? ?? p ? ? ? 0.5? ? ? 0.5 ? 500 ? 250 N mm ? ? p max

2)连接接合面左端应保持一定的预紧力,以防止接合面产生间隙,即 ? p min ? 0 由式 (11-38)

? p min

zF0 M 4 ? 9929.97 3.8 ?106 ? ? ? ? ?0 A W 40000 1.33 ?106

由于会产生间隙, 应提高预紧力, 由 ? p min ? 0 , 求得不产生间隙的最小预紧力 F0 =28570 N 由式(11-19)重新求得螺柱所受到的总拉力
Fb ' ? F0 ? c1 F ? 28570 ? 0.3 ?12679.468 ? 32373.84N c1 ? c2 ?

由式(11-21)重新求得螺柱危险截面的剖面直径 d1> 20 mm

?取 d1' =20mm 的螺钉,误差小于 5%,在工程允许范围内,查 GB/T901-1988,B 级等长
螺钉 M20 ? 1.5

第六章 搬运机器人的装配过程 6.1 电机与谐波减速器的装配

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毕业设计(论文)报告纸

图 6-1

电机与谐波减速器的装配图

6.2 回转腰身与四点接触式轴承的装配

图 6-2 四点接触式轴承的装配图

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毕业设计(论文)报告纸 6.3 腰关节总装配图

图 6-3

腰关节的总装图

6.4 肩关节的装配

图 6-4

肩关节的装配

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毕业设计(论文)报告纸

6.5 大臂及平行四边形结构的装配

图 6-5 大臂及平行四边形结构的装配

6.6 总装配

图 6-6 总装图

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毕业设计(论文)报告纸

第七章
7.1 总结

总结和展望

历经一个学期的努力,六自由度机搬运机器人的前三关节设计任务终于完成了。在这段 时间内,使我温习和巩固了大学四年所学的专业知识,综合运用了所学的机械和电子方面的 知识,极大的提高了我分析问题,解决问题的能力。回顾过去的两个多月,感觉收获颇丰: 通过对机械手的整体传动方案设计,典型结构设计,使我对大学四年所学的机械方面的 知识以及专业方面的知识有了更深一步的了解和认识,而不像以前一样仅仅停留在书本的概 念上。掌握了机械结构整体方案设计的原则和要求,在设计过程中熟练的查取了相关的设计 手册,为以后工作上的需要打下了坚实的基础。 通过对各个典型机构的设计,充分的理解和掌握了机械设计方面的知识,并且把材料力 学和理论力学的知识进行了实际的应用。 通过这一学期应用 pro/e 和 AutoCAD 软件设计工业机器人结构,极大地提高了我的绘图 能力,并对 proe 的模拟仿真和有限元分析应用方面有了进一步的学习和收获,为以后走向工 作岗位更好的工作打下了坚实的基础。 由于论文的研究时间、本人的能力和知识范围有限,本论文的研究工作还存在着一些不 足之处,存在一些需要完善和改进的地方: 1)因为六自由度搬运机器人,要想得到最优化结构设计,必须每设计一个关节就要进行 有限元分析,不断地修改,不断地改善,而本人在有限元分析软件方面的应用能力不足,不 能对每一结构进行有限元分析,且因时间也比较紧迫,在关键零部件的校核方面,计算比较 繁琐,没有对过多零部件进行校核计算。 2)在零件的结构加工工艺性方面的认识不足,有些零件的加工性能可能会欠考虑。

7.2 展望
在工资水平较低的中国,制造业尽管仍属于劳动力密集型,但工业机器人的使用已经越 来越普及。那些电子和汽车业的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自动化 生产。但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、华东沿海地区的中国本土制造厂也开始 对机械手表现出越来越浓厚的兴趣,因为他们要面对工人流失率高,以及交货周期缩短带来
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毕业设计(论文)报告纸
的挑战。 工业机器人可以确保运转周期的一贯性,提高品质。另外,让工业机器人取代普通工人 从模具中取出零件不仅稳定,而且也更加安全。同时,不断发展的模具技术也为工业机器人 提供了更多的市场机会。 随着科技的进步,市场的发展,工业机器人的广泛应用已渐趋可能,在未来的制造业中, 越来越多的工业机器人将被应用,越来越好的工业机器人将被创造,毫不夸张地说,工业机 器人是人类是走向先进制造的一个标志,是人类走向现代化、高科技进步的一个象征。

参考文献
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毕业设计(论文)报告纸

致 谢
这次毕业设计能圆满成功,要感谢陈 X 教授的耐心指导。他那丰富的专业知识和孜孜不 倦的敬业态度让我深有感触。从他身上让我学会了一种严谨求知的精神,培养了我独立思考 的能力。今后我会倍加努力的学习与工作,不断提升自己的能力。在此,学生对您表示衷心 的感谢和深深的敬意。 同时,在设计的过程中还得到了研究生耿 XX 以及同学的帮助,在此一并表示衷心的感 谢。在做毕设的过程中,我查阅了很多书籍,自学了很多以前没接触过的知识,这些都要感 谢学校图书馆优越的学习环境和丰富的学习资源,在此对图书馆的所有工作人员表示衷心的 感谢。

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