四自由度圆柱坐标机器人机械手臂设计.doc

四自由度圆柱坐标型工业机器人机械设计摘 要在现代制造业中，工业机器人已成为不可或缺的核心自动化妆备工业机器人适应工作环境能力强，可担任多种类型多种强度的生产工作，精度高、速度快、易于控制，可明显提高生产的工业自动化水平国内工业机器人起步晚，市场占有率低，许多核心技术还没有掌握，可靠性低，应用范畴小，零部件互换性低现设计一种四自由度的圆柱坐标型机器人，能实现工件的上下搬运该四自由度机器人由两个旋转自由度机构和两个平移自由度机构构成，根据机器人运动参数，选择足够功率的伺服电机，然后，估算驱使机构各自由度运动需要的力及扭矩，选择传动比合适且大小合适的减速器通过伺服电机减速器驱动机构的运动，实现机器人腰部旋转，手臂的竖直升降，手臂的水平移动和末端操纵器的旋转在机器人辅助系统的设计部分，还考虑了伺服电机导线坦克链的排布，机构零点位置的触发开关及其导线排布的设计核心词：四自由度，圆柱坐标，工业机器人，机械设计Mechanical Design of a 4-DOF Cylindrical Industrial RobotAbstractIn modern manufacturing, industrial robot has become an indispensable core automation equipment. Industrial robot has good adaptability, can adapt to all kinds of mass production, high precision, fast speed, easy to control, can significantly improve the automation level of production. Domestic industrial robots started late, has low market share, low reliability, and many core technologies have not yet mastered. The application scope is small, the interchangeability of parts is low.The design of a kind of four degree of freedom cylindrical coordinate robot, can realize the workpiece moving up and down. The four degree of freedom robot mechanism is composed of two rotational degrees of freedom and two translational degrees of freedom mechanism. According to the robot movement parameters, servo motor is selected, and then estimates the sufficient power, force and torque of each degree of freedom movement needs, choose the appropriate transmission ratio and suitable reducer. Drive mechanism motion through the servo motor reducer, and then we can realize the robot waist rotation, vertical lifting arm, arm movement and rotation of the end effector. In part of the design of robot auxiliary system, we take the arrangement of servo motor wire tank chain, design the trigger switch and wire arranging mechanism the zero position into consideration.Key Words： 4-DOF; Cylindrical coordinates; Industrial Robot; Mechanical design 目 录摘 要 ⅰAbstract ⅱ第一章 引 言 11.1 工业机器人 11.1.1 工业机器人的概念及特点 11.1.2 工业机器人的构成 11.1.3 国内外发展状况 21.2 研究内容 21.2.1 研究措施 21.2.2 研究成果 21.3研究意义 2第二章 机构构造设计 42.1 设计分析及方案拟定 42.1.1 设计规定 42.1.2 设计流程 52.1.3 方案拟定 52.2 重要构造件设计 62.2.1旋转平台构造 62.2.2滚珠丝杠构造 72.2.3中间连接器 92.2.4外壳设计 112.3受载变形校核 11第三章 传动机构设计 133.1腰部转动 133.1.1减速器选择 133.1.2伺服电机选择 143.1.3传动法兰盘设计 153.2竖直平移 163.2.1滚珠丝杠及螺母选择 163.2.2伺服电机选择 183.2.3联轴器选择 193.3水平平移 203.3.1滚珠螺母丝杠选择 213.3.2伺服电机选择 213.3.3联轴器选择 223.4手臂末端操纵器旋转 233.4.1伺服电机选择 233.4.2减速器选择 24第四章 辅助机构设计 254.1 坦克链线路设计 254.2 机构零点设计 26第五章 总结与展望 285.1 总结 285.2 展望 28参照文献 30道谢 31附录 32第一章 引言1.1工业机器人1.1.1工业机器人的概念及特点国内专家学者对于工业机器人的概念解释也各有不同，综合各方面的说法，从工业机器人能实现的功能来讲，工业机器人是有如下功能的机器：（1）具有执行运动操作的机构；（1）具有通用性，可实现多种运动操作；（2）有一定限度的智能，能反复编程；（3）有一定的独立性，一定限度上不依赖人的操纵。

1.1.2工业机器人的构成工业机器人一般由机械系统和控制系统构成，四自由度圆柱坐标型工业机器人的机械系统构成由下图可知：图1.1 四自由度圆柱坐标型工业机器人机械系统构成（1）驱动机构：本次设计采用四个交流伺服电机驱动四个自由度至于气压，液压驱动的装置体积较大，因行程较大而不采用2）执行机构：本次设计的执行机构重要涉及底座、腰部机构、手臂机构和末端操纵器采用丝杠螺母和行星齿轮减速器两种传动方式，能将旋转运动转换成直线运动或将高转速转换成低转速，再将动力传递给执行装置1.1.3国内外发展状况上世纪中叶，美国结合机械手和操作机两者的优势，开发了一种可自动执行动作的机械装置，称为工业机器人60年代末，美国通用汽车公司采用机械手臂，建立了汽车焊接车身的自动化生产线此后，工业机器人的研制和应用，受到各个工业发达国家的注重日本又称为“机器人的王国”，可见日本的工业机器人产业非常发达，如今的日本在智能型工业机器人上获得了巨大成就随后，工业机器人产业又开始在欧洲崛起[2]工业机器人在中国发展的不久，但相比世界上先进的工业机器人，技术差距仍旧明显[3]国内工业机器人起步晚，相比国外先进技术，国内工业机器人可靠性较低，应用领域较窄，生产线技术落后，零部件互换性低[4]。

工业机器人且可用于环境恶劣，劳动强度高，劳动单调乏味的工作中，将人们从中解放出来1.2 研究内容1.2.1研究措施现设计一种工业机器人，有四个自由度，采用圆柱坐标型，运用该种机器人实现工件的上下料搬运本次设计重要设计机械系统部分该机器人的四个自由度分别是腰部旋转、手臂竖直升降、手臂的水平伸缩和手臂末端操纵器旋转由四个自由度拟定各自传动方式，选择传动装置拟定机器人各个运动部件运动所需的功率，再选择合适的伺服电机和减速器设计机械手臂整体构造采用的三维实体设计软件是SolidWorks ，对于分析机构的质量、质心等参数十分以便1.2.2研究成果 本次设计基本完毕任务，具体成果如下：（1）完毕四自由度圆柱坐标型机器人的整体构造设计，涉及基座、腰部旋转平台、竖直机身、水平手臂和末端旋转平台的设计；（2）完毕外壳包装的简朴设计，完毕机构零点和极限位置的传感器设计；（3）完毕机器人三维实体的装配，并绘制出机器人的二维工程图1.3研究意义工业机器人已经是现代制造业中举足轻重的自动化机械，某些机械式的、工作环境恶劣危险的、没有创新性的作业完全可以由机器人替代人工完毕在金属热压加工中，需要人工作在加热的窑炉、冲压床、车床或钻床附近，工业机器人耐高温，程序写好就可以避免与其她加工工具碰撞，避免了工作中浮现危险的也许[6]。

工业机器人能适应多品种中小批量生产，高精度高速度，容易控制，能明显提高生产自动化水平目前小负载旋转臂机型工业机器人市场容量大、应用广泛[8]第二章 机构构造设计2.1设计分析及方案拟定2.1.1设计规定重要解决问题：按下表中参数的规定，设计一种四自由度圆柱坐标型工业机器人，完毕该工业机器人的机械构造设计、驱动装置设计、传动装置设计、各自由度零点和极限位置设计及传感器选择：表2.1 机器人设计参数最大负载/kg腰部、臂部回转角度/º伸缩行程/mm高度行程/mm最大旋转角速度/(rad·s-1)最大移动速度/(m·s-1)反复定位精度/mm336050050021±0.1 机器人的工作空间是指机器人正常工作时手臂末端操纵器能活动的范畴，可从上表推得，工作空间图如下：图2.1 机械手臂工作空间2.1.2设计流程（1）分析四个自由度，选择合适的驱动方式、传动装置和机构件；（2）用三维建模软件完毕重要零件（涉及所有构造件）的三维建模，并初步完毕三维实体模型装配；（3）对实体模型有关参数进行测量估算，按设计规定，最后拟定电机、减速器、丝杠等产品参数，完毕装配；（4）对机器人运动进行动画仿真和受载分析，验证设计对的性；（5）绘制二维工程图。

流程图如下图所示：图2.2 设计流程2.1.3方案拟定根据设计需求，设计出的工业机器人大体外形图如图2.1所示图2.3 工业机器人图由上面的设计参数表可知，机器人手臂的行程是500mm，较大，宜使用电机作为驱动装置考虑到步进电机精度局限性，加速性能一般，易产生丢步或过冲，性能效果没有交流伺服电机好，又由于所设计的机械手臂起动频率高，且规定迅速启停，需达到一定传动精度，因此选择交流伺服电机 传动装置选择行星齿轮减速器传动和丝杠螺母传动，其中行星齿轮减速器用于腰部高扭矩低转速的传动，丝杠螺母用于手臂的水平和竖直平移传动拟定机器人的机构简图，以拟定机器人的整体构造，所设计的工业机器人的机构简图如下图：图2.4 机器人运动简图采用伺服电机和行星齿轮减速器实现机器人的腰部低转速旋转运动；考虑设计中水平方向移动行程500mm，相对较大。