物料搬运机器人机械系统设计

物料搬运机器人机械系统设计1 绪论1.1 课题概述1机器人是一种新型的自动化操作装置。它可以根据作业的不同要求，按照预先确定的程序搬运物体，装卸零件以及操持喷枪，焊把等工具去完成一定的作业。因此，它可在繁重、高温，多粉尘的劳动环境较差的场所工作。在化学工业等连续性生产过程中的自动化已基本得到解决。可是在机械工业中，加工、装配等生产并不是连续的。专用机床是解决大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除了切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，需要进一步实现机械化。机器人的出现并得到应用，为这些加工作业的机械化与自动化奠定了良好的基础。工业机器人是近代在自动控制领域中出现的一项新技术，并且已经成为了现代机械制造生产系统中的一个非常重要的组成部分。机器人的迅速发展是基于它的积极作用正慢慢的被人们所认识：第一、它能部分代替人工操作；第二、它能按照生产工艺的技术要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的输送和装卸；第三、它能操作必要的机具进行焊接和装配作业。从而能大大的改善工人的劳动条件，显著提高劳动生产率，加快实现工业生产的机械化和自动化。因而机器人受到各个先进的工业国家的重视，他们投入大量的人力和物力加以研究与应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性及污染的场合，应用的更广泛。在我国，近几年也有较快的发展，并取得了一定的效果，受到机械工业部门的重视。机器人一般分为三类。第一类是通用机器人，它不需要人工操作，也就是本文所研究的对象。它是一种完全独立的、不附属于某一个主机的装置，可以根据任务需要来编制程序，以完成各项规定的操作。它除了具备普通机械所具有的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能，是一种三元机械。第二类称为操作机（Manipulator），它需要人工的操作，操作机起源于原子、军事工业，一开始都是是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号来操作机器人，可以进行探测月球等工作。工业中采用的锻造类操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人，它主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床的上下料和工件的传送。这种机器人在国外通常被称为“Mechanical Hand”，它是为主机进行服务的，由主机驱动。除少数外，它的工作程序一般是固定的，因此是专用的。机器人按照其结构的不同又可以分为多种类型，其中关节型机器人以其结构非常紧凑，所占用的空间体积小，但其相对的工作空间却是最大的，甚至能绕过基座四周的一些障碍物等特点，成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构形式的机器人。简单的说，机器人就是用机器手代替人手，把物料从某一个地方移动到指定的位置，或按照工作要求可以操纵工件进行加工。要机器人可以像人一样拿取东西，最基本的条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和转移机构执行机构；能像肌肉那样使手臂动作的驱动传动系统；能像大脑指挥手那样进行动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。一般而言，机器人通常就是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三部分组成，如图 1.1 所示。机器人控制系统驱动-传动系统执行机构关节协调及其他信息交换计算机单关节伺服控制器电、液或气驱动装置基座部（固定或移动）腕部臂部手部腰部图1.1 机器人的一般组成2现代智能机器人与过去相比，还具有一定的智能系统，主要是增加了感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前机器人技术的研究主要集中在赋予机器人“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，还有机器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是相互独立的，或者说并不只是简简单单的叠加在一起，就能构成一个机器人的。要实现我们所期望机器人能实现的功能，机器人的各部分之间必需存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如图1.2 所示。控制系统（一）控制系统（二）驱动传动装置执行机构工作对象智能系统位形检测图1.2 机器人各组成部分之间的关系3机器人的机械系统主要由执行机构跟驱动传动系统组成。执行机构是机器人赖以完成各种工作任务的实体，它通常由连杆和关节组成，由驱动传动系统提供动力，能按照控制系统的要求完成各种工作任务。驱动传动系统包括了驱动机构和传动系统。驱动机构负责提供机器人各关节所需要的动力，传动系统可将驱动力转换为满足机器人各关节的力矩跟运动所要求的驱动力或力矩。有一些文献把机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。其中的机械系统又叫操作机(Manipulator)，相当于本文中的执行机构部分。1.2 机器人的历史、现状4机器人最早是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出了第一台机器人。它的结构是：在机体上安装一个回转长臂，端部装有使用电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。日本是工业机器人发展速度最快、应用范围最广的国家。自从1969年从美国引进二种典型机器人后，日本就一直大力从事机器人方面的研究。目前的工业机器人大部分还属于第一代，主要是依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，还不具备识别能力；改进的方面主要是降低加工与维护成本和提高加工工件的精度。第二代机器人目前正在加紧研制。它拥有微型电子计算机控制系统，有视觉和触觉能力，甚至听跟想的能力。还要研究安装各种传感器，能把感觉到的信息进行反馈，使机器人具有初步感觉的机能。第三代机器人则能独立地完成各种加工过程中的任务。它能与电子计算机跟电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一环。随着工业机器人研究制造和应用领域不断扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。国际工业机器人会议ISIR决定每年召开一次会议，讨论和研究机器人的发展及应用问题。现在，在加工工业中，生产过程的机械化、自动化已成为了突出主题。化学工业等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是实现大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。目前，工业机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。使用工业机器人代替人工操作的，主要是在危险作业（广义的）、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的工作环境。在国外机械制造业中，工业机器人应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先制订的作业程序完成规定的操作，但还不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机器人本身的损坏。随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造（CIM）要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平，要求机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。然而，目前商品化的机器人系统多采用封闭结构的专用控制器，一般采用专用计算机作为上层主控计算机，使用专用机器人语言作为离线编程工具，采用专用微处理器，并将控制算法固化在EPROM中，这种专用系统很难（或不可能）集成外部硬件和软件。修改封闭系统的代价是非常昂贵的，如果不进行重新设计，多数情况下技术上是不可能的。解决这些问题的根本办法是研究和使用具有开放结构的机器人系统。美国工业机器人技术的发展，大致经历了以下几个阶段：(1)1963-1967年为试验定型阶段。1963-1966年，万能自动化公司制造的工业机器人供用户做工艺试验。1967年，该公司生产的工业机器人定型为1900型。(2)1968-1970年为实际应用阶段。这一时期，工业机器人在美国进入应用阶段，例如，美国通用汽车公司1968年订购了68台工业机器人；1969年该公司又自行研制出SAM新工业机器人，并用21组成电焊小汽车车身的焊接自动线；又如，美国克莱斯勒汽车公司32条冲压自动线上的448台冲床都用工业机器人传递工件。(3)1970年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。1970-1972年，工业机器人处于技术发展阶段。1970年4月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业机器人会议。据当时统计，美国大约200台工业机器人，工作时间共达60万小时以上，与此同时，出现了所谓了高级机器人，例如：森德斯兰德公司（Sundstrand）发明了用小型计算机控制50台机器人的系统。又如，万能自动公司制成了由25台机器人组成的汽车车轮生产自动线。麻省理工学院研制了具有“手眼”系统的高识别能力微型机器人。其他国家，如日本、苏联、西欧，大多是从1967，1968年开始以美国的“Versatran”和“Unimate”型机器人为蓝本开始进行研制的。就日本来说，1967年，日本丰田织机公司 引进美国的“Versatran”,川崎重工公司引进“Unimate”，并获得迅速发展。通过引进技术、仿制、改造创新。很快研制出国产化机器人，技术水平很快赶上美国并超过其他国家。经过大约10年的实用化时期以后，从1980年开始进入广泛的普及时代。我国虽然开始研制工业机器人仅比日本晚5-6年，但是由于种种原因，工业机器人技术的发展比较慢。目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人技术，通过引进、仿制、改造、创新，工业机器人将会获得快速的发展。1.3 机器人发展趋势随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势：(1)提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人；(2)开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合；(3)研制各种传感器跟检测元件，如触觉、视觉、听觉、味觉和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。33物料搬运机器人机械系统设计2 物料搬运机器人的设计2.1 物料搬运机器人的功能物料搬运机器人应具备以下功能:(1)移动:通过机器人的移动实现物料的远距离搬运；(2)导航跟定位;能够自主的按照预先设置的路线运行，并获得位置资料；(3)运输:能搬运物料从A位置到B位置；(4)规划路径:在离线的状态下，操作者要为机器人在结构化的环境中寻找无碰撞路径；(5)避障(扩展功能):机器人应该具有一定的感受、适应外界环境变化的能力，尤其是要能检测出明显的障碍物，自动调用避障策略；(6)无线通讯:有数据传输功能，有效距离1000米。2.2 传感器系统13传感器系统属于机器人控制系统，是整个机器人的感觉器官，负责探测工作环境以及检测机器人自身的运动。传感器系统有能检测机器人运动的传感器和实现机器人可扩展功能所需的传感器。下面主要介绍能实现各种基本作业的传感器：(1)行进距离检测:编码器，采用积分增量思想，具有较好的短期精度；(2)偏转角度检测:陀螺，测量旋转角速度，无需外部参考，适于短时间的精确定位；(3)起点、终点摆放台检测:微动开关，反馈是否接触摆放台侧壁信息；(4)物料抓取检测:微动开关，检测物料是否被有效抓起；(5)(可扩展功能)突出的障碍物检测:采用超声波传感器行进路径上有无障碍物；(6)(可扩展功能)运行环境白色引导线检测:采用颜色传感器识别白线信息，利用白线导航。2.3 移动载体移动载体能执行轮式物料搬运机器人的移动功能。常见的移动载体有轮式、履带式和足式行走机构，此外还有各种轮、履跟腿的混合式结构。(1)轮式轮式移动载体一直是平坦地面上运动的最有效的工具。它具有能高速稳定移动、能量利用效率高、机构和控制简单等优点，缺点是移动场所限制在平面上，且一般情况下需要一定的转弯半径，因而造成灵活性下降。轮式移动载体依据车轮的数量可分为 1轮、2轮、3轮、4轮及多轮机构。单轮和双轮主要是进行直立稳定移动控制问题的基础研究，而不着眼于移动机器人的实用化问题。从高速移动时加强稳定性的观点出发，多数采用的是四轮机构。五轮以上的机构有较大的稳定性，适合子台阶、阶梯或三维弯曲路面等非平地状态的移动。全方位车轮机构是目前常用的轮式机构，具备全方位移动功能，操作灵活，特别适合干窄小空间中的移动作业。5按照所用轮子的类型和驱动方式，轮式移动载体可分为五大类，即(3,0), (2, 0), (2, 1), (1, 1)和(1, 2)，其中前面的数字表示移动度(degree of mobility)，后面的数字表示转向度(degree of steering)。轮式机器人在地面上滚动时，会受到非完整约束，这是由轮子的运动本质决定的，即轮子在地面上做无滑动的纯滚动。尽管非完整系统类别与轮式平台的类型有关，但所有轮式平台都是非完整的。5(2)履带式为了改善车轮对松软地面和不平坦地面的适应能力，履带式移动机构被广泛采用。履带式移动机构有以下特点:支承面积大，接地比压小，适于松软和泥泞地面作业。机动性好，爬坡、越沟等性能好。履带不易打滑，牵引附着能力好。履带运动方式在不平地面上的机动性很差，转弯不便，转向时能耗较大。(3)足式足式行走机器人即所谓的步行机器人。步行机器人不仅能在平地上而且能在凹凸不平的地面上行走、跨越障碍、上下台阶，具有独特的优越性能。但是，要控制它的步行和不倾倒有很大的难度，目前实现上述功能的机器人很少。四足机器人普遍存在控制复杂和步行速度低、步幅小等缺点，实用化的成果则更少。显然，本课题所研究的机器人主要在平面的环境中运行，选用轮式移动载体最为合理，即采用两轮独立驱动的方式，通过控制两个驱动轮的速度，使车体跟踪不同的轨迹曲线。这种结构方式的优点是转向灵活，当两轮速度值相同，方向不同时，车体可以原地回转。2.4 自由度与机器人的运作物料搬运机器人的整体机构如下图2.1所示，现在让我们分析一下它的运动过程：它有四个自由度，底座的旋转以及底座上部上下伸缩，手臂的前后伸缩和手部的夹紧与放松。最底部的轮子是用来使机器人能够在有效的工作范围内进行移动，以便能够得到更大的工作空间，更有利于物料的搬运。它的移动主要是前后移动，使机器人能将物料搬运到更远的位置。A表示的是底座，主要是控制机器人上半部的旋转，包括机械手，手臂，它是通过底座里的电机一旋转，带到1齿轮轴套，它与2主轴齿轮啮合，进而使主轴旋转，在底座上方C里，通过齿轮传动3带动C腰部旋转，C与B手臂已经连接固定，使其带动C，手臂D，手部E同步旋转。C中通过电机二联接一个小齿轮4，与其内部的长轴啮合，当电机二运行时，通过4使长轴进行上下运动。手臂D中有电机三，当电机三运转时，使其内部的轴旋转，然后通过丝杠传动原理，让轴进行左右伸缩，轴与手部连接，所以就使手部到达的左右伸缩的目的。手部里有电机四，它也是通过丝杠原理让手部进行夹紧与放松的动作。移动载体 D E1电机一电机二电机三电机四ABC234图2.1 物料搬运机器人结构简图2.5 控制方式的选择本次设计物料搬运机器人主要是进行工业生产中物料的搬运，是将工业生产的物料搬运实现自动化。考虑到本次设计的物料搬运机器人搬运的物料是在8KG以下，而且物料不是很复杂，精度不是很高，所以设计的物料搬运机器人采用四个自由度，分别是手臂随着腰部的旋转和上下伸缩进行运动，手臂的左右伸缩和手部的夹紧与放松。此四个自由度可以保证在工业生产中能够将物料搬运到空间的各个位置上。物料搬运机器人的四个自由度可以将夹取的物料搬运到四周的位置上，但为了让它的工作范围扩大，能够减少机器人的投入量，所以我们将它固定在带有轮子的机身上，从而实现其目的。物料搬运机器人的工作过程如下：当物料要求从物架上搬运时，机器人通过手臂的伸缩和腰部的旋转调整好位置，手部夹住物料。然后传感器发出信号，通过机器人的底座旋转，腰部伸缩，手臂伸缩将物料搬运到指定的位置，手部松开，将物料放在指定的位置，再回到下一个物料的位置，这就完成了一个周期。根据物料搬运机器人的工作过程的自动化性质，必须选取一个控制器来控制实现机器人的运动。本设计中我们可以采用PLC和单片机控制，由于我只参与物料搬运机器人的机械系统的设计，控制部分就不多介绍了。物料搬运机器人机械系统设计3 手部的设计与计算3.1 手部的设计工业机器人的手又称为末端执行器，它是机器人直接用于抓取和握紧（吸附）专用工具（如喷枪、扳手、焊具、喷头等）进行操作的部件。它具有模仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂的前端。由于被握工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态等不同，因此工业机器人末端操作器是多种多样的，大致可分为以下几类：(1)夹钳式取料手(2)吸附式取料手(3)专用操作器及转换器(4)仿生多指灵巧手本文设计对象为物料搬运机器人，并不需要复杂的多指人工指，只需要设计能从不同角度抓取工件的钳形指。手指是直接与工件接触的部件。手指松开和夹紧工件，是通过手指的张开与闭合来实现的。该设计采用两个手指，其外形如图3.1所示图3.1 机械手手指形状3.2 驱动方式5机器人常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。这三种方法各有所长，各种驱动方式的特点见表3-16：表3-1三种驱动方式的特点对照6内容驱动方式液压驱动气动驱动电机驱动输出功率 很大，压力范围为50140Pa大，压力范围为4860Pa，最大可达Pa 较大控制性能利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂响应速度 很高较高 很高结构性能及体积结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小伺服电动机易于标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除DD电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题安全性防爆性能较好，用液压油作传动介质，在一定条件下有火灾危险防爆性能好，高于1000kPa(10个大气压)时应注意设备的抗压性设备自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境的防爆性能较差对环境的影响液压系统易漏油，对环境有污染排气时有噪声无在工业机器人中应用范围适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机器人、点焊机器人和托运机器人适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制机器人，如冲压机器人本体的气动平衡及装配机器人气动夹具适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机器人，如AC伺服喷涂机器人、点焊机器人、弧焊机器人、装配机器人等成本液压元件成本较高成本低成本高维修及使用方便，但油液对环境温度有一定要求方便较复杂机器人驱动系统各有其优缺点，通常对机器人的驱动系统的要求有：(1)驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高；(2)反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁地起、制动，正、反转切换；(3)驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；(4)安全可靠；(5)操作和维护方便；(6)对环境无污染，噪声要小；(7)经济上合理，尤其要尽量减少占地面积。基于上述驱动系统的特点和机器人驱动系统的设计要求，本文选用步进电机驱动的方式对机器人进行驱动。3.3 手部夹紧力的计算拟定物料搬运机器人手部最大抓取重量为8kg，其夹角为31度。根据工作位置和工作环境的需要，最终采用如下的图示结构(图3.2)：图3.2 手部结构简图手部机架采用铸钢铸造，其摩擦系数，重力加速度取。夹紧时由力学关系可以得到公式：，从而得到夹紧力 (3.1)由公式，知所需的驱动力 (3.2)夹紧机构采用丝杠传动原理传送夹紧力，拟定丝杠的大径，螺距设为，牙型角为的梯形普通螺纹。3.4 弹簧的计算弹簧外形如下图所示(图3.3)现在通过计算来确定弹簧的旋绕比、最大工作负荷、工作极限负荷、最小工作负荷、弹簧要求刚度、总圈数、有效圈数、单圈刚度等一系列有弹簧有关的数据来确定弹簧是否合格。图3.3 手部弹簧选用材料碳素弹簧钢丝弹簧材料的许用应力及必须按照负荷性质来确定。弹簧按负荷性质分为三类：类：受变负荷作用，次数在此以上的弹簧;类：受变负荷作用，次数在次或冲击负荷的弹簧;类：受变负荷作用，次数在次以下的弹簧。旋绕比C ；或查表11-1-67 (3.3)，由表11-1-6查得最大工作负荷，单位N， (3.4)工作极限负荷， (3.5)最小工作负荷 (3.6)弹簧要求刚度 (3.7)单圈刚度 (3.8)有效圈数， (3.9)总圈 (3.10)3.5 手部电机选择原则3.5.1 一般执行电机的选择原则(1)伺服系统设计通常从选择执行电机开始的，作为伺服系统的执行元件应能方便地实现连续地、平滑地、可逆调速，对控制信号反应快捷，才能保证整个系统带动被控对象按所需要的规律及控制精度运动。(2)考虑电机的种类及控制方式。可用作伺服系统执行元件的电机种类很多，从大的类别看：有直流伺服电动机(他激的或水磁的)、直流无刷电机、两相异步电动机、三相异步电动机、滑差电动机、同步电动机、交流伺服电机、各种步进电机等等。由于它们调速方法不同、所需电源种类不同、驱动它们运转的功率放大装置更是多种多样，因而它们的机械特性、调速特性、过载能力、驱动功率的大小、以及构成系统的总成本，都各不相同，需要认真地具体分析比较来确定。直流伺服电动机、交流伺服电动机和直接驱动电动机均采用位置闭环控制，一船用于要求高精度、高速度的数控系统。步进电动机主要用于开环系统，一般用于精度、速度要求不高，成本要求低的数控系统。永磁直流伺服电动机用于一般的直流伺服系统。无槽电枢直流伺服电动机用于需要速动作、功率较大的伺服系统。空心杯电枢直流伺服电动机用于需要快速动作的伺服系统。印制绕组直流伺服电动机用于低速运行和起动、反转频繁的系统。同步型交流伺服电动机常用于位置伺服系统，如数控机床的进给系统、机器人关节伺服系统及其它机电一体化产品的运动控制包括点位控制和连续轨迹控制。常见的功率范围是数十瓦到数千瓦，个别的达到数十千瓦。而异步型交流伺服电动机主要用于需要以恒功率扩展调速范围的大功率调速系统中，如在数控机床中用作主轴系统驱动常见的功率范围是数干瓦以上。(3)通过定量的核算确定电机的具体型号与规格。选择执行电机不能只停留在确定电机的类别及其控制方式上，还必须确定具体型号与规格，需要作定量的核算。为此，要根据被控对象的运动形式(旋转或直线运动)，运动的变化规律，运动负载的性质和具体数量，运行工作体制(是长期连续运行或短时运行或间歇式运行)，结合系统的稳态性能指标要求，作定量的分析。(4)考虑被控对象工作的特点和环境条件。执行电机是伺服系统的一个重要组成部分同时又靠它驱动被控对象，因此它是伺服系统与被控对象相联系的一个关键部件。执行电机必须适应被控对象工作的特点与环境条件，它的机械结构尺寸、安装固定方式，必须与被控对象紧密配合，以求得总体的合理配置，便于安装调整，便于使用维护。这些都关系到执行电机的选择。在伺服系统应用的许多场合，要想改换别种类型的执行电机，常会遇到机械结构、体积重量、使用环境条件、电源配备等条件的限制(5)其它考虑因素。当两种电气伺服系统都能满足实际应用的要求时则产品的价格是关键因素。其它一些条件如货源方便程度、维修与服务、技术成熟度、未来发展等都可能成为选择何种电气伺服系统的考虑因素。3.5.2 电机的选用夹持部分所用电机选择步进电机，下面是步进电机的介绍：步进电机的工作原理简述：步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行元件。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 步进电机分类：步进电机可以大概分为一下几种：永磁式步进电机：一般为两相，转矩和体积较小；反应式步进电机：一般为三相，可实现大转矩输出；混合式步进电机：是指混合了永磁式和反应式的优点的电机，它又分为两相和五相。这是目前应用最广泛的一种步进电机。永磁式步进电机工作原理简述：永磁式步进电动机是一个永久磁铁电动子, 卷绕并且磁性地导电性定子。 通电导线形成一个磁场， 定子磁场分布的改变， 定子在磁场的作用下转动来带动负载。上图说明典型的步进电动机作用原理：一个两相绕阻。两相绕阻中的A向通电产生磁场，磁场方向显示如图, 因为转子受定子磁极吸引由向A向绕阻转动。然后对B向绕阻通电，使转子由A向绕阻向B向绕阻转动，即转子随磁场方向转动。磁场转到A向绕阻，转子由B向绕阻向A向绕阻转动。重覆以上这个过程。每使电动机转子顺时针转过90度，即步进电机向前进一步（一个步距角）。 步进电机与其他类型电动机的区别与联系： 步进电机与伺服电动机同样属于执行电动机，同样是将电信号转变为机械信号。其控制方式也基本相似，同样是用脉冲串和方向信号实现电机控制。但在性能和应用场合上存在较大差异： 控制精度不同： 步进电机的控制精度由步距角决定，电机P（步进电机相数）值受物理条件限制，而交流伺服电动机的控制精度则是由一个旋转编码器保证，由脉冲当量控制，能够实现较高的精度。 输出力矩不同： 步进电机的输出力矩会随电机转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，而交流伺服电机为恒力矩输出。 过载能力不同： 步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。步进电机因为没有过载能力，在选型时为了克服惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。运行性能不同：步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。速度响应性能不同： 步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，从静止加速到其额定转速3000RPM有的仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。 步进电机与同步、异步电机的性能比较： 步进电机与伺服电机属于执行电机，而同、异步电机均属交流动力电机，是靠50周交流电网供电而转动。异步电机是定子送入交流电，产生旋转磁场，而转子受感应而产生磁场。这样两磁场作用，使得转子跟着定子的旋转磁场而转动。其中转子比定子旋转磁场慢，有个转差，不同步所以称为异步机。而同步电机定子同异步电机，其转子是人为加入直流电形成不变磁场，这样转子就跟着定子旋转磁场一起转而同步，始称同步电机。步进电机的选用原则：步进电机是一种作为控制用的特种电机，它的旋转是以固定的角度（称为“步距角”）一步一步运行的，其特点是没有积累误差（精度为 100% ），所以广泛应用于各种开环控制。步进电机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 为了让更多的用户了解步进电机及步进电机驱动器，选择到最适合自己使用要求的步进电机和步进电机驱动器，特将有关选型原则介绍如下：(1)首先确定步进电机拖动负载所需要的扭矩。最简单的方法是在负载轴上加一杠杆，用弹簧秤拉动杠杆，拉力乘以力臂长度既是负载力矩。或者根据负载特性从理论上计算出来。由于步进电机是控制类电机，所以目前常用步进电机的最大力矩不超过 70Nm ，力矩越大，成本越高，如果您所选择的电机力矩较大或超过此范围，可以考虑加配减速装置。(2)确定步进电机的最高运行转速。转速指标在步进电机的选取时至关重要，步进电机的特性是随着电机转速的升高，扭矩下降，其下降的快慢和很多参数有关，如 : 驱动器的驱动电压、电机的相电流、电机的相电感、电机大小等等，一般的规律是：驱动电压越高，力矩下降越慢；电机的相电流越大，力矩下降越慢。在设计方案时，应使电机的转速控制在 1500 转 / 分或 1000 转 / 分，当然这样说很不规范，可以参考矩 - 频特性。 (3)根据负载最大力矩和最高转速这两个重要指标，再参考矩 - 频特性，就可以选择出适合自己的步进电机。如果您认为自己选出的电机太大，可以考虑加配减速装置，这样可以节约成本，也可以使您的设计更灵活。要选择好合适的减速比，要综合考虑力矩和速度的关系，选择出最佳方案。 (4)最后还要考虑留有一定的（如 30% ）力矩余量和转速余量。 (5)尽量选择混合式步进电机，它的性能高于反应式步进电机。 (6)尽量选取细分驱动器，且使驱动器工作在细分状态。 (7)选取时且勿走入只看电机力矩这一个指标的误区，也就是说并非电机的扭矩越大越好，要和速度指标一起考虑。 (8)在转速要求较高的情况下可以选择驱动电压高一点的驱动器。 (9)在选购时是采用两相的还是三相的，这并没有什么具体的要求，只要步距角能满足使用要求就行。3.6 手部电机选择夹紧机构采用螺旋传动，其驱动力矩：7 (3.11)式中为螺纹摩擦力矩，且 (3.12)为螺旋传动的轴向载荷， 当量摩擦角， 螺纹中径（mm），螺旋线升角（）， ， 螺纹传动轴向支撑面磨擦力矩：因为支撑面是环形面支撑所以 (3.13)为轴向支撑面间的摩擦系数由资料查出，深沟球轴承=0.00150.0022 取=0.0015为螺旋传动径向轴承摩擦力矩，因为无径向支撑，所以此相为选用55BF003步进电机，相数为3，额定电压27V，静态电流3A，步距角1.5/3，空载启动频率PPS为1800，空载运行频率16000，外形尺寸：总长70mm，外径，轴径，保持转矩为,合适。3.7 电机转速与夹紧力速度几何关系的确定因为在工业生产中，物料的大小虽然形状差异比较大，但整体的抓取范围相差并不是很大，所以现在将手部爪子的最大张开宽度定为120mm，最小张开宽度设为70mm。丝杠螺距为p=2.5mm，爪子夹角为如果手爪夹紧时夹紧方向位移设为x，丝杠传动的水平位移为y，那么有。那么，若电机转动一圈，丝杠向前传动一个螺距的话，即，那么例如：夹紧一个边长为100mm的立方体物料，则所以电机应该转动的圈数为圈丝杠传动最大水平位移确定：设最大水平位移为A，则物料搬运机器人机械系统设计4 手臂的设计与计算4.1 手臂结构设计图4.1物料搬运机器人手臂结构简图通过图示我们可以知道，当电机正向旋转时带动手臂主轴旋转，通过丝杠传动原理将手臂主轴上的传动轴带动，使其向前运行，前端有手部联接，所以就带动了手部前移，实现手部的伸，当电机反向旋转的时候，则向后移，实现手部的缩。4.2 手部质量计算我们要计算出手臂的转矩，但在计算它之前我们要求出它受力多少，所以我们要计算出手部的质量，然后加上物料的质量，来得出手臂的受力。我们同样选择铸钢作为手部机壳的材料来满足设计要求。手部内部各个零件的质量粗略计算：深沟球轴承1000801：0.007KG深沟球轴承1000903：0.020KG爪子的质量：图4.2物料搬运机器人爪子简图爪子采用铸钢 密度为 (4.1) 手部外壳质量：手部主轴的质量：电机质量： 其余质量估计值为 所以手部总质量：加上物料最大搬运质量8kg总的质量最后确定为27.1kg由于上述计算一少部分是概括计算，所以可能会造成计算质量与实际质量的少许偏差，但为了在计算结果满足我们预订的目标，所以我们在概括计算的基础上外加了上部分质量来满足我们忽略计算的部分，这样就可以完成与实际质量的误差量减小，符合设计的要求。4.3 手臂计算及电机选择手臂传动机构采用的和手部同样的螺旋传动机构，其驱动力矩：8 (4.2)式中为螺纹摩擦力矩，且 (4.3)为螺旋传动的轴向载荷， 当量摩擦角， 螺纹中径（mm），螺旋线升角（）， ， (4.4)螺纹传动轴向支撑面磨擦力矩：因为支撑面是环形面支撑所以 (4.5)为轴向支撑面间的摩擦系数由资料查出，深沟球轴承=0.00150.0022 取=0.0015为螺旋传动径向轴承摩擦力矩，因为无径向支撑，所以此相为选用75BF003步进电机，相数为3，额定电压30V，静态电流4A，步距角1.5/3，空载启动频率PPS为1250，空载运行频率1800，外形尺寸：总长75mm，外径，轴径，保持转矩为,合适。物料搬运机器人机械系统设计5 腰身的设计与计算5.1 腰身的结构设计腰身的结构如图所示：图5.1物料搬运机器人腰身结构简图从结构简图我们可以了解其是怎样运行的，腰身的运行过程如下，当电机正转的时候，联接在电机轴上的小齿轮旋转，通过竖直轴上的齿条啮合，带动轴向上运动，从而带动了整个上部机器人的移动，当电机反转的时候，则向下运动。5.2 腰身以上部分的重量计算通过资料我们可以知道要想知道转矩我们必须知道一些数据，主要先估算出腰身上部的质量，下面我们通过各个零件来估算其质量。深沟球轴承 1000903：0.020kg深沟球轴承 1000905：0.050kg手臂外壳质量：9其他质量通过查询和估算合计为所以总的质量5.3 腰身计算及电机选择通过上面的计算，我们已经知道了所需要的部件质量，现在把他们的质量之和求出，然后计算。然后按照公式方法计算计算方法电机L(cm)R1(cm)R2(cm)m,Wm-质量（kg）W-重量（N）-滚轮材料比重（kg/cm3）钢铁=7.8610-3（kg/cm3）铝合金=2.6910-3（kg/cm3）（转换：1kgf=9.8N）图5.2 计算方法简图负载惯量： (5.1)负载力矩： (5.2)， 选择电机 选用MT57STH56-3008A步进电机，外形尺寸：总长56mm，外径，轴径，保持转矩为,合适。物料搬运机器人机械系统设计6 底座的设计与计算6.1 底座机构设计结构简图如图所示：图6.1 物料搬运机器人底座结构简图通过图示我们可以了解其运动过程，当电机转动，通过齿轮的啮合，带动旋转轴旋转，然后通过电机的正反转来实现机器人的顺时针旋转和逆时针旋转。6.2 底座以上部分的重量计算腰身部分质量的计算MT57STH56-3008A步进电机： 深沟球轴承 1000903： 腰身外壳质量：其余部分质量之和为： 所以腰身总重量为： 通过以上我们可以计算出底座以上总重量为：6.3 底座电机选择通过计算我们得到需要电机的转矩为选用90BF004步进电机，相数为5，额定电压60V，静态电流7A，步距角0.75/1.5，空载启动频率PPS为4000，空载运行频率16000，外形尺寸：总长118mm，外径，轴径，保持转矩为,合适。物料搬运机器人机械系统设计7 零件的校核7.1 手部主轴的校核计算手部主轴示意图：图7.1手部主轴简图 此轴的材料选用45钢轴的强度校核 此轴所受的最大扭矩为 10 (7.1) (7.2) (7.3)水平面内:垂直面内:支反力: 水平面内 弯矩: 垂直面内弯矩:计算弯矩: (7.4)查机械设计教材对于脉动变化的转矩=0.6由机械设计教材表17-2,查得45号钢调质处理后,抗拉强度极限,弯曲疲劳强度极限,剪切疲劳极限,许用弯曲应力 按弯扭合成强度计算: 5 (7.5)轴的危险截面在弯矩最大处和周径最小处或弯矩较大和轴径较小有键槽处,综合分析此高速轴的危险截面在计算弯矩最大处。 因为,所以手部主轴安全。图7.2 主轴受力分析与弯矩图7.2 齿轮的校核计算57.2.1 选择齿轮材料、热处理方法、精度及齿数由资料查询，电机齿轮选用钢，调质后表面淬火，齿面硬度为，底座齿轮材料选用45钢调质，齿面硬度为。选择齿轮精度等级为8级。选择传动比为实际传动比 (7.6)传动误差 (7.7)在允许误差范围内电机齿轮和底座齿轮参数如下表7-2所示9：表7-2 齿轮参数表名称符号电机齿轮底座齿轮分度圆直径齿顶高齿根高齿全高齿顶圆直径齿根圆直径齿距齿厚齿槽宽模数中心距齿隙 7.2.2 验算齿面接触疲劳强度验算公式为： (7.8)电机齿轮的分度圆直径： 电机齿轮的齿宽： 取计算圆周速度： (7.9)(1)计算由表11.29查得， 由图11.39查得， 可由表11.39查得，但大小齿轮硬度不同，可取平均值，即 (7.10)由表11-39可以查得，由图11.69可以查得所以确定，由公式，可以求得 (7.11)由公式，可以求得 (7.12)(2)计算接触疲劳许用应力按接触面硬度平决硬度值（表11-49查得）电机齿轮的接触疲劳极限，同理，查得底座齿轮的接触疲劳极限 计算应力循环次数 (7.13) (7.14) 由图11.99查得接触疲劳寿命系数为 ，计算接触疲劳许用应力 取安全系数，按式9可得 (7.15) ，故取(3)验算：9 (7.16) 安全7.2.3 校核齿根弯曲疲劳强度校核公式 11 (7.17)(1)确定公式中的各数值由图11.149可查得， 由图11.159可查得，计算 (2)计算弯曲疲劳许用应力由图11.189可查得， 由图11.20d9可查得，计算弯曲疲劳许用应力取安全系数 (7.18)(3)校核齿根弯曲疲劳强度 安全 安全物料搬运机器人机械系统设计8 结论与展望8.1 结论科学技术在不断地的进步，人们对物质生活的要求也越来越高，现代企业必须提高生产率以在相同的时间内生产出更多的产品，如果依旧如过去那样全部采用人工生产必然会加大工人的劳动强度，而工人们也希望从危险、繁重和其它一些对身体有害的生产劳动中解脱出来，因而在科技快速发展的今天，机械化、自动化在生产生活中所起到的作用也越来越大而机器人技术的应用也是顺应潮流。在企业生产加工时可以利用工业机器人来做一些单调乏味的简单的重复性劳动，比如，将物料从一个固定的位置搬运到另一个固定的位置。这样不仅能解放生产力，也能提高劳动效率和工作质量。有些危险的场合，比如水下、存放危险物品的地方，人们可以利用机器人来代替人进行作业，这样可以减少了工人的伤亡事故。例如，在水下铺设电缆，排除可疑的危险物品或清理化学毒剂等。因为使用工业机器人可以节约生产的成本，提高产品质量和生产效率。这样可以增强企业的全球竞争力；现在企业都在慢慢把危险的和需要大量重复劳动的工作从人工向机器人转移。在本文中所设计的物料搬运机器人具有四个机械自由度，可以完成对一些小而轻的物料的抓取和搬运工作，本文所介绍的主要是对该物料机器人进行的机械结构方面设计。8.2 不足之处与未来展望因为条件有限，本设计在完成后无法进行实际的组装检验。未来随着科学技术的提高，机器人技术也会随着高速发展，企业的机械化，自动化程度也将大幅提高，机器人必定会成为主要劳动生产力。近几十年来，机器人的开发不仅越来越优化，而且涵盖了许多领域，应用的范畴十分广阔，现在，机器人已被广泛用于太空开发，深海探测等高危工作，军事上机器人的应用更是广泛。毋庸置疑，未来机器人的发展方向将朝着以下三个方面：(1)与生活紧密结合，将来人们的生活服务将全由机器人来完成；(2)生物与机械的紧密结合，将来机械部件将广泛用于手术用来代替人体损坏部份；(3)机器人将越来越人性化，以后一些简单的工作将完全交由机器人处理。物料搬运机器人机械系统设计致 谢本次毕业设计的研究与设计过程都是在朱启兵导师的悉心关怀和直接指导下完成的。朱老师渊博的理论知识，丰富的实践经验、严谨的工作作风和求实的科学态度使我受益匪浅。通过这次毕业设计，提高了自己的动手能力和设计能力，为我日后机械设计这一领域的研究作下了铺垫。本次毕业设计，我收获颇多，这与朱老师的悉心指导是分不开的。朱老师课程很忙，但是还是经常抽时间来视察学生毕业设计进度，就毕业设计过程中遇到的问题给予耐心指导，敦敦教诲，身体力行，实在令学生钦佩感动不已！值此学业完成之际，谨向辛勤指导我的导师朱启兵副教授致以最诚挚的感谢。另外还要感谢帮助过我的很多同学们，他们在学生毕业设计的过程中给出了许多有益的建议，特此表示感谢！参考文献1 陆祥生，杨秀莲.机械手一理论及应用M.北京:中国铁道出版社,1985：6-20.2 谢存禧,张铁.机器人技术及其应用M.北京:机械工业出版社,2005：