轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真

XX 大学本科生毕业设计（论文）开题报告大学本科生毕业设计（论文）开题报告学号学生姓名系部专业年级指导教师职称设计（论文）题目轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真本课题国内外研究背景及意义：本课题国内外研究背景及意义：国外发展状况及研究背景：国外发展状况及研究背景：机器人的历史并不算长，1959 年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，机器人的历史才真正开始。英格伯格在大学攻读伺服理论，这是一种研究运动机构如何才能更好地跟踪控制信号的理论。德沃尔曾于 1946 年发明了一种系统，可以“重演”所记录的机器的运动。 1954 年 , 德沃尔又获得可编程机械手专利，这种机械手臂按程序进行工作，可以根据不同的工作需要编制不同的程序，因此具有通用性和灵活性，英格伯格和德沃尔都在研究机器人，认为汽车工业最适于用机器人干活，因为是用重型机器进行工作，生产过程较为固定。 1959 年，英格伯格和德沃尔联手制造出第一台工业机器人。 它成为世界上第一台真正的实用工业机器人。此后英格伯格和德沃尔成立了“尤尼梅逊”公司，兴办了世界上第一家机器人制造工厂。第一批工业机器人被称为“尤尼梅特”，意思是“万能自动”。 他们因此被称为机器人之父。 1962 年美国机械与铸造公司也制造出工业机器人，称为“沃尔萨特兰”，意思是“万能搬动”。”尤尼梅特”和“沃尔萨特兰”就成为世界上最早的、至今仍在使用的工业机器人。 近百年来发展起来的机器人，大致经历了三个成长阶段，也即三个时代。第一代为简单个体机器人， 第二代为群体劳动机器人，第三代为类似人类的智能机器人，它的未来发展方向是有知觉、有思维、能与人对话。第一代机器人属于示教再现型 , 第二代则具备了感觉能力 , 第三代机器人是智能I机器人 , 它不仅具有感觉能力 , 而且还具有独立判断和行动的能力。 英格伯格和德沃尔制造的工业机器人是第一代机器人，属于示教再现型，即人手把着机械手，把应当完成的任务做一遍，或者人用“示教控制盒”发出指令，让机器人的机械手臂运动，一步步完成它应当完成的各个动作 。20 世纪 70 年代，第二代机器人开始有了较大发展，第二代机器人则对外界环境实用阶段，并开始普及。 第三代机器人是智能机器人，它不仅具有感觉能力，而且还具有独立判断和行动的能力，并具有记忆、推理和决策的能力，因而能够完成更加复杂的动作。中央电脑控制手臂和行走装置，使机器人的手完成作业，脚完成移动，机器人能够用自然语言与人对话。 智能机器人在发生故障时，通过自我诊断装置能自我诊断出故障部位，并能自我修复。到了 90 年代, 随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展, 机器人技术也得到了迅猛发展。目前工业机器人已广泛地用于汽车工业、机械加工工业、电子工业及塑料制品工业等领域中。在工业生产中, 弧焊机器人、点焊机器人、装配机器人、喷漆机器人及搬运机器人等工业机器人都已被大量采用。随着科学与技术的发展, 工业机器人的应用领域也随之不断扩大。现在工业机器人的应用已开始扩大到核能、采矿、冶金、石油、化学、航空、航天、船舶、建筑、纺织、制衣、医药、生化、食品等工业领域中。除了工业机器人水平不断提高之外, 各种用于非制造业的先进机器人系统也有了很大的进展。国内发展状况及研究背景：国内发展状况及研究背景：我国的工业机器人从 20 世纪 80 年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，已基本掌握了机器人的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有 130 多台套喷漆机器人在 20 多家企业的近条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊接线上。目前，我国从事机器人研发和应用工程的单位 200 多家，拥有量为 3500台左右，其中国产占 20，其余都是从日本、美国、瑞典等 40 多个国家引进的。2000 年已生产各种类型工业机器人和系统 300 台套，机器人销售额6.74 亿元，机器人产业对国民经济的年收益额为 47 亿元。据专家对国内 542 家用户以及汽车、电子电器、工程机械个行业的部分用户进行统计分析，就全国而言，弧焊、点焊、装配、喷涂机器人应用的最多；其次是搬运、上下料（冲压、压铸、铸锻、注塑等用的大多是上下料机器人）；再次是包装、码垛、拆垛机器人和密封涂胶机器人，其他机器人用量很少。就行业而言，汽车行业以焊接、喷涂、涂胶作业较多，冲压、搬运、装配次之；电子电器行业集中在装配，如大连华录一家就用了近台，其次是搬运和喷涂；工程机械行业集中用于弧焊，喷涂其次。此外包装、码垛、拆垛机器人目前主要用于石化、轻纺和烟草行业。本课题的意义：本课题的意义：移动机器人作为机器人学发展中的一个重要分支，是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统，移动机器人具有移动功能，在代替人从事危险、恶劣(如辐射、有毒等)环境下作业和人所不及的(如宇宙空间、水下等)环境作业方面，比一般机器人有更大的机动性、灵活性。机械臂是机器人的重要组成部分，他是机器人的执行机构，组合式机械臂是由若干直线机械臂（或称一维机械臂）以不同夹角组合而成，可实现机械臂的直线伸缩，或在 X-Y 平面移动，或在 X-Y-Z 空间定位等功能，以满足不同场合下的需要。毕业设计毕业设计(论文论文)研究内容、拟解决的主要问题：研究内容、拟解决的主要问题：本课题研究的内容：本课题研究的内容：（1）查阅相关文献资料，了解目前轮式移动机器人及机械臂的研究现状与动态。给出可满足设计要求的方案（两种以上）比较，论证每个方案的可行性、实用性和有效性，确定一个最佳方案；（2）绘制机械臂的机械结构图，说明各部分的功能、工作原理和特点；（3）根据要求，建立机械臂的力学结构模型，分析结构在静态和动态时的受力情况。给出相关参数之间的计算公式；（4）对机械臂的工作原理与参数设计进行相关的计算机仿真，验证其合理性；III（5）绘制相关的机械图纸。包括零部件的加工图和组装图。给出组装调试的流程步骤及安全注意事项等相关说明。本课题拟解决的主要问题：本课题拟解决的主要问题：本课题解决的主要问题在于传动方案的拟定，组合式机械臂是由若干直线机械臂（或称一维机械臂）以不同夹角组合而成，一维机械臂的传动，本课题拟定为丝杠传动，如下图 1 为丝杠传动示意图，它的 X-Y-Z 组合效果如图 2所示。图 1图 2一维机械臂由步进电机带动丝杠转动，滑块即可在丝杠带动下沿滑座移动，在 X/Y/Z 三个方向分别布置一个一维机械臂，即构成了三维机械臂，可实现联接在手臂联接座上的手爪在空间定位。步进电机在数字化控制下能实现精准定位，因此，本传动方案更便于控制，相对于液压传动，气压传动，本传动方案结构简单，行程更大，因此，本传动方案是一种较理想的传动方案。毕业设计毕业设计(论文论文)研究方法、步骤及措施：研究方法、步骤及措施：研究方法研究方法1.1重视系统的力学性能分析 以系统科学的思想为指导，以专业知识为基础，建立合理的力学模型。1.2重视总体的传动原理分析 采用合理的传动原理图。1.3采用局部整体局部的分析方法 每个系统都有自己单独的功能，只有它们都能完成自己的功能时，才有可能整体的功能;在各个系统形成一个有机的整体时，整体就要发挥它的优势，调配各个系统，使各个系统在整体的作用下，形成最优的系统。步骤：第一周 了解整体设计及各子项目内容；查阅、收集和阅读相关资料；明确设计方向，确定设计内容。第二周 工厂调研学习第三周 同小组成员展开讨论，拟定设计方案，完成设计草图。第四周 步进电机选型及关键零配件设计计算。第五周 用 AutoCAD 绘制装配图第六周 用 AutoCAD 绘制装配图第七周 用 AutoCAD 绘制零件图第八周 用 AutoCAD 绘制零件图第九周 用 Pro/E 进行各零配件三维建模第十周 用 Pro/E 进行三维建模及仿真第十一周 编写设计说明书第十二周 编写设计说明书第十三周 编写设计计算说明书，形成毕业设计全部文件，准备答辩。第十四周 毕业答辩措施：V做好毕业设计，前提必须了解研究目的和主攻方向，要进行大量的资料收集以及计算机的辅助设计，所以需要经常去图书馆和机房查阅资料。总体思路如下：根据毕业设计题目，结合老师指导对调研对象进行初步分析；参考资料，了解调研过程，根据具体要求对研究方案进行构思；设计并画出设计的机械部分视图；对方案进行进一步针对性修改，以增加其直观性、可行性和实用性；主要参考文献：主要参考文献：1常见的几类工业机器人J. 军民两用技术与产品, 2012.10:11.2中国工业机器人:在机遇与挑战中成长J. 军民两用技术与产品,2012.10:12-14. 3顾硕. 智能化是工业机器人的发展方向J.自动化博览 2012.09: 82-85.4徐扬生, 阎镜予. 机器人技术的新进展J.集成技术2012年.01期, 2012-05: 2-5.5孙亭,李成刚,吴洪涛. 通用工业机器人模型及其简易控制系统设计J. 中国制造业信 息化 2012.09: 63-65.6胡峰,骆德渊,雷霆,柯辉. 基于 Simulink/SimMechanics 的三自由度并联机器人控制系 统仿真J.自动化与仪器仪表, 2012 年.05 期: 221-2237赵红顺.基于PLC 的气动搬运机器人控制系统设计J.机床电器, 2011(4):36-38.8肖南峰,工业机器人M,北京：机械工业出版社,2011.9陈忠平,周少华,侯玉宝.PLC 自学手册M. 北京:人民邮电出版社,2009.10李艳杰,于艳秋,王卫红.S7-200PLC 原理与实用开发指南M. 北京:机械工业出版社, 2009.11张毅，罗元，郑太雄等移动机器人技术及其应用M北京：电子工业出版社，2007.12高国富,谢少荣,罗均,机器人传感器及其应用M.北京：化学工业出版社,2005.13尹志强主编. 机电一体化系统课程设计指导书M. 北京：机械工业出版社，2007.14王鸿钰步进电机控制技术入门M上海：同济大学山版社，1999.15刘宝延，程树康步进电动机及其驱动控制系统M哈尔滨：哈尔滨工业大学出版杜，1997.16邸敏艳.电机与控制(第 2 版) M. 北京:电子工业出版社,2007.17传感器与执行器大全:传感器变送器执行器 2009/2010(年卷)M. 中国电子学会敏感技术分会,北京电子商会传感器分会,北京：机械工业出版社，2011. 18闫超勤智能移动机械臂的控制研究D,硕士学位论文,西安电子科技大学，200519张红娟.缩放式机械臂的设计与运动控制D,硕士学位论文,上海大学,2005.20滕鹏.新型单臂护理机器人机型设计与控制D.硕士学位论文,江苏大学,2006.是否可以进入设计（论文）研究：同意进入论文研究阶段指导教师签名：年 月 日是否可以进入设计（论文）研究：同意进入论文研究教研室(系、研究所)主任签名：年 月 日毕业设计（论文）任务书第 1 页VII 毕业设计（论文）题目：毕业设计（论文）题目：小型轮移组合臂机器人设计-（7）轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真毕业设计（论文）要求及原始数据（资料）毕业设计（论文）要求及原始数据（资料）组合式机械臂是由若干直线机械臂（或称一维机械臂）以不同夹角组合而成，可实现机械臂的直线伸缩，或在 X-Y 平面移动，或在 X-Y-Z 空间定位等功能，以满足不同场合下的需要。一种可参考的直线机械臂结构图如图 1-5 所示，它的一种 X-Y-Z 组合效果如图 1-6 所示。具体要求：（1）按照原理及所给示意图要求，设计相关的机械装置。对涉及到的步进电机、限位开关、压力传感器等辅助部件要留有合理的安装空间；（2）机械臂的运动速度最高速度不小大于 30cm/s, 机械臂的最大末端载荷不大于 5kg，机械臂的长度不超过 60cm。以此作为机械装置的尺寸和材质的设计依据；（3）给出相关参数之间的计算公式；（4）完成机械臂的机械原理设计，通过相关软件进行仿真验证；（5）完成相关机械图纸的绘制，加工图与组装图及其流程步骤说明。毕业设计（论文）主要内容：毕业设计（论文）主要内容：（1）查阅相关文献资料，了解目前轮式移动机器人及机械臂的研究现状与动态。给出可满足设计要求的方案（两种以上）比较，论证每个方案的可行性、实用性和有效性，确定一个最佳方案；（2）绘制机械臂的机械结构图，说明各部分的功能、工作原理和特点；（3）根据要求，建立机械臂的力学结构模型，分析结构在静态和动态时的受力情况。给出相关参数之间的计算公式；（4）对机械臂的工作原理与参数设计进行相关的计算机仿真，验证其合理性；（5）绘制相关的机械图纸。包括零部件的加工图和组装图。给出组装调试的流程步骤及安全注意事项等相关说明。学生应提交的设计文件（论文）：学生应提交的设计文件（论文）：（1）总体机械臂的机械结构图；（2）各机械部件图及其加工制作图；（3）各部件的的安装调试及安全注意事项等相关说明；（4）毕业设计学位论文；（5）结合本课题查阅并翻译 50008000 个印刷符号的英文资料。注：注：该设计为小型轮移组合臂机器人设计小型轮移组合臂机器人设计中的子项之一，须考虑项目整体的协作配合。在设计过程中，需相互沟通，充分了解和获取其他成员的参数信息、设计思路和目标，作为本设计的参考依据，同时为其他成员提供所需的信息帮组。IX第 2 页主要参考文献（资料）：主要参考文献（资料）：1常见的几类工业机器人J. 军民两用技术与产品, 2012.10:11.2中国工业机器人:在机遇与挑战中成长J. 军民两用技术与产品,2012.10:12-14. 3顾硕. 智能化是工业机器人的发展方向J.自动化博览 2012.09: 82-85.4徐扬生, 阎镜予. 机器人技术的新进展J.集成技术2012年.01期, 2012-05: 2-5.5孙亭,李成刚,吴洪涛. 通用工业机器人模型及其简易控制系统设计J. 中国制造业信 息化 2012.09: 63-65.6胡峰,骆德渊,雷霆,柯辉. 基于 Simulink/SimMechanics 的三自由度并联机器人控制系 统仿真J.自动化与仪器仪表, 2012 年.05 期: 221-223.7沈阳.PLC在工业机器人中的应用研究J.工业控制计算机,2010,23(9):95-96.8赵红顺.基于PLC 的气动搬运机器人控制系统设计J.机床电器, 2011(4):36-38.9肖南峰,工业机器人M,北京：机械工业出版社,2011.10何衍庆.常用 PLC 应用手册M. 北京:电子工业出版社,2008.11陈忠平,周少华,侯玉宝.PLC 自学手册M. 北京:人民邮电出版社,2009.12李艳杰,于艳秋,王卫红.S7-200PLC 原理与实用开发指南M. 北京:机械工业出版社, 2009.13张毅，罗元，郑太雄等移动机器人技术及其应用M北京：电子工业出版社，2007.14高国富,谢少荣,罗均,机器人传感器及其应用M.北京：化学工业出版社,2005.15尹志强主编. 机电一体化系统课程设计指导书M. 北京：机械工业出版社，2007.16王鸿钰步进电机控制技术入门M上海：同济大学山版社，1999.17刘宝延，程树康步进电动机及其驱动控制系统M哈尔滨：哈尔滨工业大学出版杜，1997.18邸敏艳.电机与控制(第 2 版) M. 北京:电子工业出版社,2007.19传感器与执行器大全:传感器变送器执行器 2009/2010(年卷)M. 中国电子学会敏感技术分会,北京电子商会传感器分会,北京：机械工业出版社，2011. 20闫超勤智能移动机械臂的控制研究D,硕士学位论文,西安电子科技大学，200521张红娟.缩放式机械臂的设计与运动控制D,硕士学位论文,上海大学,2005.22滕鹏.新型单臂护理机器人机型设计与控制D.硕士学位论文,江苏大学,2006.专 业、 班 级 学生姓名 设计（论文）工作起止日期 2013.1.156.24 指 导 教 师 签字 日期 教 研 室 主 任 签 字 日期 第 3 页XI摘 要移动机器人作为机器人学发展中的一个重要分支，是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。机械臂是机器人的重要组成部分，他是机器人的执行机构，组合式机械臂是由若干一维机械臂以不同夹角组合而成，可实现机械臂的直线伸缩，或在 X-Y 平面移动，或在 X-Y-Z 空间定位等功能，以满足不同场合下的需要。本文针对移动机器人组合式机械臂进行设计，首先进行总体的设计方案，拟定螺旋传动副为一维机械臂传动方案，对方案进行特点分析，然后针对关键传动件设计，选择电动机，对重要零件进行强度校核，对轴和轴承的寿命进行计算校核，最后对重要零部件进行结构设计，包括材料的选择、尺寸的确定、结构工艺性的满足、以及与其他零件的配合的要求等。关键词：一维机械臂，组合机械臂，移动机器人，X-Y 平面XIIAbstractMobile robot is an important branch of robotics development, is a comprehensive system including environment detecting, a variety of dynamic decision and planning, action control and execution in one. Manipulator is an important part of the robot, he is the executive body of the robot, the combined mechanical arm is composed of several one-dimensional manipulator with different angle combination, linear expansion can realize mechanical arm, or move on the X-Y plane, or function in X-Y-Z space positioning, to meet different occasions. In this paper, the mobile robot combined mechanical arm design, firstly, the overall design scheme, make the spiral transmission pair transmission scheme of one-dimensional mechanical arm, characteristics analysis of the scheme, then the motor selection for key transmission parts, design, strength check of important parts, the life of the shaft and bearings are calculated, finally the structural design of the main parts, including material selection, determine the size, structure, and meet the demand for cooperating with other parts etc.Key Words: One-dimensional mechanical arm, mechanical arm, mobile robot, X-Y planeXIII目 录摘摘 要要.IABSTRACT.II目目 录录.III第第 1 章章 绪论绪论.11.1 常见电池型号及尺寸.11.2 机构.21.3 包装机的作用.21.4 中国包装机械的发展.31.5 本课题研究目的和要求.4第第 2 章章 整体方案设计整体方案设计.52.1 设计参数与技术要求.52.2 电池包装机的传动原理.5第第 3 章章 传动设计与计算传动设计与计算.73.1 电动推杆设计计算.73.1.1 伺服电机的选择.73.1.2 滑动螺旋副的计算.103.1.3 联轴器的选用.133.2 胶辊设计.143.2.1 微型电机选择.143.2.2 微型皮带轮传动设计.15第第 4 章章 主要零部件结构设计主要零部件结构设计.174.1 机架设计.174.1.1 机架设计准则.174.1.2 机座主体设计.18XIV4.2 包装袋托架设计.184.3 集料槽设计.194.4 轴承选择与校核.204.4.1 轴承校核的概念及方法.204.4.2 电动推杆处轴承校核.21第第 5 章章 安装检验及使用维修安装检验及使用维修.225.1 检验规则.225.2 包装机安装.225.3 设备调整.225.4 使用操作.225.5 维修保养和故障排除.22总结总结.23参考文献参考文献.24致致 谢谢.25晋中学院毕业设计（论文）0第 1 章 绪论1.1 机器人的发展史机器人的历史并不算长，1959 年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，机器人的历史才真正开始。英格伯格在大学攻读伺服理论，这是一种研究运动机构如何才能更好地跟踪控制信号的理论。德沃尔曾于 1946 年发明了一种系统，可以“重演”所记录的机器的运动。 1954 年 , 德沃尔又获得可编程机械手专利，这种机械手臂按程序进行工作，可以根据不同的工作需要编制不同的程序，因此具有通用性和灵活性，英格伯格和德沃尔都在研究机器人，认为汽车工业最适于用机器人干活，因为是用重型机器进行工作，生产过程较为固定。 1959 年，英格伯格和德沃尔联手制造出第一台工业机器人。 它成为世界上第一台真正的实用工业机器人。此后英格伯格和德沃尔成立了“尤尼梅逊”公司，兴办了世界上第一家机器人制造工厂。第一批工业机器人被称为“尤尼梅特”，意思是“万能自动”。 他们因此被称为机器人之父。 1962 年美国机械与铸造公司也制造出工业机器人，称为“沃尔萨特兰”，意思是“万能搬动”。”尤尼梅特”和“沃尔萨特兰”就成为世界上最早的、至今仍在使用的工业机器人。 近百年来发展起来的机器人，大致经历了三个成长阶段，也即三个时代。第一代为简单个体机器人， 第二代为群体劳动机器人，第三代为类似人类的智能机器人，它的未来发展方向是有知觉、有思维、能与人对话。第一代机器人属于示教再现型 , 第二代则具备了感觉能力 , 第三代机器人是智能机器人 , 它不仅具有感觉能力 , 而且还具有独立判断和行动的能力。 英格伯格和德沃尔制造的工业机器人是第一代机器人，属于示教再现型，即人手把着机械手，把应当完成的任务做一遍，或者人用“示教控制盒”发出指令，让机器人的机械手臂运动，一步步完成它应当完成的各个动作 。20 世纪 70 年代，第二代机器人开始有了较大发展，第二代机器人则对外界环境实用阶段，并开始普及。 第三代机器人是智能机器人，它不仅具有感觉能力，而且还具有独立判断和行动的能力，并具有记忆、推理和决策的能力，因而能够完成更加复轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真1杂的动作。中央电脑控制手臂和行走装置，使机器人的手完成作业，脚完成移动，机器人能够用自然语言与人对话。 智能机器人在发生故障时，通过自我诊断装置能自我诊断出故障部位，并能自我修复。到了 90 年代, 随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展, 机器人技术也得到了迅猛发展。目前工业机器人已广泛地用于汽车工业、机械加工工业、电子工业及塑料制品工业等领域中。在工业生产中, 弧焊机器人、点焊机器人、装配机器人、喷漆机器人及搬运机器人等工业机器人都已被大量采用。随着科学与技术的发展, 工业机器人的应用领域也随之不断扩大。现在工业机器人的应用已开始扩大到核能、采矿、冶金、石油、化学、航空、航天、船舶、建筑、纺织、制衣、医药、生化、食品等工业领域中。除了工业机器人水平不断提高之外, 各种用于非制造业的先进机器人系统也有了很大的进展。1.2 我国机器人发展状况我国的工业机器人从 20 世纪 80 年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，已基本掌握了机器人的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有 130 多台套喷漆机器人在 20多家企业的近 30 条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊接线上。目前，我国从事机器人研发和应用工程的单位 200 多家，拥有量为 3500 台左右，其中国产占 20，其余都是从日本、美国、瑞典等 40 多个国家引进的。2000 年已生产各种类型工业机器人和系统 300 台套，机器人销售额 6.74 亿元，机器人产业对国民经济的年收益额为 47 亿元。据专家对国内 542 家用户以及汽车、电子电器、工程机械个行业的部分用户进行统计分析，就全国而言，弧焊、点焊、装配、喷涂机器人应用的最多；其次是搬运、上下料（冲压、压铸、铸锻、注塑等用的大多是上下料机器人）；再次是包装、码垛、拆垛机器人和密封涂胶机器人，其他机器人用量很少。就行业而言，汽车行业以焊接、喷涂、涂胶作业较多，冲压、搬运、装配次之；电子电器行业集中在装配，如大连华录一家就用了近 300 台，其次是搬运和喷涂；工程机械行业集中用于弧焊，喷涂其次。此外包装、码垛、拆垛机器人目前主要用于石化、轻纺和烟草行业。晋中学院毕业设计（论文）21.3 移动机器人概述 移动机器人的研究始于 60 年代末期，斯坦福研究院(SR)I 的 NiISSen 和CharleSRosen 等人，在 1966 年至 1972 年中研造出了取名 Shakey 的自主移动机器人。目的是研究应用人工智能技术，在复杂环境下机器人系统的自主推理、规划和控制。与此同时，最早的操作式步行机器人也研制成功，从而开始了机器人步行结构方面的研究，以解决机器人在不平整地域内的运动问题，设计并研制出了多足步行机器人。70 年代末，随着计算机的应用和传感器技术的发展，移动机器人研究又出现了新高潮。特别是在 80 年代中期，设计和制造机器人的浪潮席卷全世界，一大批世界著名的公司开始研制移动机器人平台，这些移动机器人主要作为大学及研究机构的移动机器人实验平台，从而促进了移动机器人学多种研究方向的出现。90 年代以来，以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术，高适应性的移动机器人控制技术，真实环境下的规划技术为标志，开展了移动机器人更高层次的研究。移动机器人的系统结构： 目前研究的移动机器人都是带有智能的机器人:机器人本身能认识工作环境、工作对象及其状态，它根据人给予的指令和“自身”认识外界的结果来独立的决定工作方法，利用操作机构和移动机构实现任务目标，并能适应工作环境的变化。 这些具有智能的机器人，有的能够模拟人类用两条腿走路，可在凹凸不平的地面上行走移动;有的具有视觉和触觉功能，能够进行独立操作、自动装配和产品检验;有的具有自主控制和决策能力。不仅能够应用各种反馈传感器，而且还能够应用人工智能中的各种学习、推理和决策技术。 移动机器人一般由硬件系统和软件系统两部分构成。据研制目的不同，移动机器人硬件系统的构成也不尽相同，比较完整的典型结构如图 1.1 所示。移动机器人的软件系统，就相当于机器人的“大脑” ，智能机器人之所以能够代替人做大量的工作，就是因为它具有和人类的大脑思维能力相仿的智能控制系统。而这个智能控制系统其实就是机器人的软件系统，是人工智能主要技术对于机器人的综合运用。 这种特殊结构的机器人在工业装配、无人恶劣环境中工作(如灭火、外星球探测和各类危险的科学研究)以及室内服务工作(如运送、导游和巡逻)等方面具有一定研究价值。轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真31.4 本课题研究目的和要求通过对移动机器人组合式机械臂进行设计，进一步巩固与深化学生对理论课程及实践性教学环节中所学知识的理解，培养学生综合运用所学基础知识、基本理论和基本技能来分析和解决相关专业问题，以及收集、整理、分析、利用资料的能力，使学生受到工程师工作能力的综合训练，提高学生的独立工作能力与综合素质。晋中学院毕业设计（论文）4第 2 章 整体方案设计2.1 动力源及传动机构方案的确定动力源及传动机构要考虑效率、成本、维护难易、失效、传动精度要求以及与整个机构的位置关系。方案一使用液动或气动作为平移和上升的动力源，传动机构主要为液压缸或气缸、活塞、回转液压缸。这就要求一套液压系统，包括液压泵、液压阀、液压缸或气缸、密封元件、导轨等。液压或气压驱动系统具有以下特点：1、液压技术是一种比较成熟的技术，它具有动力大、力(或力矩)惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点，适用于承载能力大、惯量大以及在防爆环境中工作的机机器人；缺点是：结构复杂，维护难度大、对环境有影响、硬件成本高。2、气动驱动系统具有速度快、系统结构简单、价格低等特点小负载的系统中；但由于空气的可压缩性定位不准等难于实现伺服控制，多用于程序控制的机械手中，如在上、下料和冲压机械手中应用较多。3、无论是液压还是气动，都会致使机械臂的总体重量增加，结构庞大，同时也会增加它的转动惯量，对于移动机器人上的机械臂，采用液压或气压传动，并不理想。方案二使用步进电动机作为动力源，传动机构使用丝杠滑块传动。该方案具有以下特点：1、适合于中等负载，特别适合动作复杂、运动轨迹严格的工业机器人和各种微型机器人；由于步进电机的广泛采用，这类驱动系统在机械手机器人领域里被大量选用；2、丝杠传动时，有利于主机的小型化及减轻劳动强度；摩擦力矩小，接续刚度高使温升及热变形减小，有利于改善机械臂的动态特性，提高工作精度，具有很好的高速性能。经过方案一和方案二的分析，决定采用方案二。这主要考虑到硬件的制作成本、维护成本、尽可能地降低总体方案的重量、尽可能的使结构简单，工艺性更良好，安装调试更方便。轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真52.2 拟定方案图根据上述论述，现拟定方案图。一维机械臂的传动如下图 2-1 所示，它的 X-Y-Z组合效果如图 2 所示。图 2-1图 2-2一维机械臂由步进电机带动丝杠转动，滑块即可在丝杠带动下沿导轨移动，在X/Y/Z 三个方向分别布置一个一维机械臂，即构成了三维机械臂，可实现联接在手臂联接座上的手爪在空间定位。步进电机在数字化控制下能实现精准定位，因此，本传动方案更便于控制，相对于液压传动，气压传动，本传动方案结构简单，行程更大，因此，本传动方案是一种较理想的传动方案。晋中学院毕业设计（论文）6第 3 章 传动设计与计算3.1 一维机械臂设计计算一维机械臂如下图 3-1 所示，由步进电机带动丝杠转动，滑块即可在丝杠带动下沿导轨做直线移动，通过计算机，可精确控制步进电机转过的角度，因而，可以精确控制滑块移动的距离。 图图 3-13-1 一维机械臂传动方案一维机械臂传动方案3.1.1 步进电机的选择1）机电领域中步进电机的选择原则步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。 步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。广泛应用于机电一体化产品中，如：数控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等。 选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩 Mjmax 大的电机，负载力矩大。 选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真7度是由电机的固有特性所决定。 选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足执行件快速移动的需要。 选择步进电机需要进行以下计算： （1）计算减速比 根据所要求脉冲当量，减速比 i 计算如下: i=(.S)/(360.) 式中 -步进电机的步距角（o/脉冲） S -丝杆螺距（mm) -(mm/脉冲） （2）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量 Jt。 Jt=J1+（1/i2)(J2+Js）+W/g（S/2)2 式中 Jt -折算至电机轴上的惯量(Kg.cm.s2) J1、J2 -齿轮惯量(Kg.cm.s2) Js -丝杆惯量(Kg.cm.s2) W-工作台重量（N） S -丝杆螺距（cm） （3）计算电机输出的总力矩 M M=Ma+Mf+Mt Ma=（Jm+Jt).n/T1.02102 式中 Ma -电机启动加速力矩（N.m) Jm、Jt-电机自身惯量与负载惯量(Kg.cm.s2) n-电机所需达到的转速（r/min） T-电机升速时间（s） Mf=(u.W.s)/(2i)102 Mf-导轨摩擦折算至电机的转矩（N.m) u-摩擦系数 -传递效率 晋中学院毕业设计（论文）8 Mt=(Pt.s)/(2i)102 Mt-切削力折算至电机力矩（N.m) Pt-最大切削力（N） （4）负载起动频率估算。数控系统控制电机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系，其估算公式为 fq=fq0(1-(Mf+Mt)/Ml）(1+Jt/Jm) 1/2 式中 fq-带载起动频率（Hz） fq0-空载起动频率 Ml-起动频率下由矩频特性决定的电机输出力矩（N.m) 若负载参数无法精确确定,则可按 fq=1/2fq0 进行估算. （5）运行的最高频率与升速时间的计算。由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降，因此在最高频率 时，由矩频特性的输出力矩应能驱动负载，并留有足够的余量。 （6）负载力矩和最大静力矩 Mmax。负载力矩可按式 Ma=（Jm+Jt).n/T1.02102 和式 Mt=(Pt.s)/(2i)102 计算，电机在最大进给速度时，由矩频特性决定的电机输出力矩要大于 Mf 与 Mt 之和，并留有余量。一般来说，Mf 与Mt 之和应小于（0.2 0.4)Mmax. 2）选择步进电机由原始设计参数可知：机械臂的运动速度最高速度不大于 30cm/s, 机械臂的最大末端载荷不大于 5kg，机械臂的长度不超过 60cm。（1）滑块从头到尾移动的最短时间StVS滑块移动距离，由于机械臂的总长不超过 600mm,给电机及基座预留一定安装空间，因此取丝杠长度为 420mm,t时间， s421.430t （2）电机的最高转速电机选择首先依据推杆快速行程速度。快速行程的电机转速应严格控制在电机的轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真9额定转速之内。3maxmax10hVunnP式中，为电机的额定转速（rpm） ；n 为移动时电机的转速（rpm） ；为直线运maxnmaxV行速度（m/min） ；u 为系统传动比，u=n 电机/n 丝杠=1； 丝杠导程（mm） ，hP。10hPmm所以 3136 1103600 /min10nr所以，电机最高转速选为 3000r/min.初步拟定为深圳众为兴技术股份有限公司步进电机56BYGH630DJP。56BYGH630DJP 技术参数如下：步距角：1.8机身长：78mm静力矩：1.57N.m（3）计算减速比 根据所要求脉冲当量，减速比 i 计算如下: i=(.S)/(360.) 式中 -步进电机的步距角（o/脉冲） S -丝杆螺距（mm) -(mm/脉冲） 计算得(1.8 10)/(360 0.05)1i （4）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量 Jt。 Jt=J1+（1/i2)(J2+Js）+W/g（S/2)2 式中 Jt -折算至电机轴上的惯量(Kg.cm.s2) J1、J2 -齿轮惯量(Kg.cm.s2) Js -丝杆惯量(Kg.cm.s2) W-工作台重量（N） S -丝杆螺距（cm） 晋中学院毕业设计（论文）1022Jt=J1+(1/i )(Js+Js+W/g(S/2 ) （5）计算电机输出的总力矩 M M=Ma+Mf+Mt Ma=（Jm+Jt).n/T1.02102 式中 Ma -电机启动加速力矩（N.m) Jm、Jt-电机自身惯量与负载惯量(Kg.cm.s2) n-电机所需达到的转速（r/min） T-电机升速时间（s） Mf=(u.W.s)/(2i)102 Mf-导轨摩擦折算至电机的转矩（N.m) u-摩擦系数 -传递效率 Mt=(Pt.s)/(2i)102 Mt-切削力折算至电机力矩（N.m) Pt-最大切削力（N） 3)根据负载转矩选择伺服电机根据伺服电机的工作曲线，负载转矩应满足：当设备作空载运行时，在整个速度范围内，加在伺服电机轴上的负载转矩应在电机的连续额定转矩范围内，即在工作曲线的连续工作区；最大负载转矩，加载周期及过载时间应在特性曲线的允许范围内。加在电机轴上的负载转矩可以折算出加到电机轴上的负载转矩。CLTLFT2式中，为折算到电机轴上的负载转矩（N.m） ；F 为轴向移动滑块时所需的力LT（N） ；L 为电机每转的机械位移量（m）L=0.012m；为丝杠轴承等摩擦转矩折算到CT电机轴上的负载转矩（N.m） ，N.m；为驱动系统的效率。0.01CT cFFW式中，为推杆反作用力（N） ，=5N； W 为工作台工件等滑动部分总重量cFcF（N） ，N； 为摩擦系数，。1.53 9.815W 0.2轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真11所以 50.2 158cFFWN计算转矩时下列几点应特别注意。 （a）由于镶条产生的摩擦转矩必须充分地考虑。通常，仅仅从滑块的重量和摩擦系数来计算的转矩很小的。请特别注意由于镶条加紧以及滑块表面的精度误差所产生的力矩。（b）由于轴承，螺母的预加载，以及丝杠的预紧力滚珠接触面的摩擦等所产生的转矩均不能忽略。尤其是小型轻重量的设备。这样的转矩回应影响整个转矩。所以要特别注意。（c）切削力的反作用力会使工作台的摩擦增加，以此承受切削反作用力的点与承受驱动力的点通常是分离的。如图所示，在承受大的切削反作用力的瞬间，滑块表面的负载也增加。当计算切削期间的转矩时，由于这一载荷而引起的摩擦转矩的增加应给予考虑。（d）摩擦转矩受进给速率的影响很大，必须研究测量因速度工作台支撑物(滑块，滚珠，压力)，滑块表面材料及润滑条件的改变而引起的摩擦的变化。已得出正确的数值。（e）通常，即使在同一台的机械上，随调整条件，周围温度，或润滑条件等因素而变化。当计算负载转矩时，请尽量借助测量同种机械上而积累的参数，来得到正确的数据。所以 8 0.0120.0122 3.14 0.8LCF LTT =0.03N.m所以，台达伺服电机 ECMA-C30602ES，额定转矩 0.6n/m，转速为 3000r/min，3.1.2 滑动螺旋副的计算1）螺旋传动的材料丝杠螺杆要有足够的强度，较高的耐磨性和良好的工艺性，一般采用 45 或 50 刚，较重要的螺杆可采用 40Cr 等合金钢，本丝杠采用 45 钢。推杆（螺母）应该具有较低的摩擦系数和较高的耐磨性，一般可选用铸造青铜，如ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5 及 ZCuAl10Fe3，要求较低时可采用耐磨铸铁，本推杆要求不高，采用球墨铸铁 QT400-17。晋中学院毕业设计（论文）122）耐磨性的计算 设螺母高为 H，螺距为 P，螺纹中径为，螺纹工作高度为 h，则螺纹承载圈数2dZ=H/P，螺旋总轴向载荷为，每一圈螺纹承受的轴向载荷为,其成载面积。QFzFQ/2Ad h因此。螺纹工作面上的压强为,己耐磨性条件为：cp 2QQccFF PppZAd hH表 3-1 滑动螺旋副材料的许用压强cp螺杆材料螺母材料滑动速度（m/s）许用压强钢青铜1825钢钢低速7.513钢铸铁0.041318钢青铜0.051118钢铸铁47钢耐磨铸铁68钢青铜0.10.2710设，则 ，代入上式并整理后可得：2/dH2dH2QcF Pdhp 对于锯齿螺纹，h=0.75P，由上表 3-1，选取=6Mpa则cp280.650.651.370.3 6QcFdp考虑到螺旋导程不能太小,取导程 P=4mm，选取螺杆中径，外径为 10mm27dmm3）螺母螺纹牙的强度校核在轴向载荷的作用下，螺纹牙可能在根部发生剪断或弯断，由于推杆为铸铁，QF螺牙的强度低于螺杆，故只需要校核推杆（螺母）螺纹牙的强度。材料许用应力轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真13b螺杆钢3 5s青铜40603040耐磨铸铁506040铸铁455540螺母钢0.6注：1、为材料屈服极限；s2、载荷稳定时，许用应力取大值。将一圈螺母的螺纹沿根部大径 D 处展开，并将谈看作宽度为的悬臂梁，在 h/2D处作用载荷，则螺纹牙危险平剖面 aa 的剪切强度条件为zFQ/ 80.013.14 10 3 8QFMpaDbz 符合强度要求。螺纹牙危险剖面的弯曲强度条件为22233 8 1.520.0163.14 10 386QQbbFhF hMzMpaDbWDb z 符合强度要求。4）螺杆的强度校核 螺杆工作地承受轴向压力（或拉力），又受螺纹力矩 T 的扭转作用。螺杆QF危险剖面上既有压缩（或拉伸）应力，又有扭转剪应力。因此，螺杆剖面上是正应力和剪应力的复合应力状态。按第四强度理论，其危险截面的强度条件为晋中学院毕业设计（论文）14 2222321132330.248103 ()2.263.140.2 774QeFTdd 强度符合要求。3.1.3 联轴器的选用电机功率较小，螺杆驱动装置采用联轴器联接电机。联轴器是机械传动中常用的部件。它用来把两轴联接在一起，机器运转时两轴不能分离：只有在机器停车并将联接拆开后，两轴才能分离。联轴器所联接的两轴，由于制造及安装误差、承载后的变形以及温度变化的影响等，往往不能保证严格的对中，而是存在着某种程度的相对位移。这就要求设计联轴器时，要从结构上采取各种不同的措施，使之具有适应一定范围的相对位移的性能。根据对各种相对位移有无补偿能力（即能否在发生相对位移条件下保持联接的功能） ，联轴器可分为刚性联轴器（无补偿能力）和挠性联轴器（有补偿能力）两大类。挠性联轴器又可按是否具有弹性元件分为无弹性元件的挠性联轴器和有弹性元件的挠性联轴器两个类别。十字滑块联轴器又称滑块联轴器，由两个在端面上开有凹槽的半联轴器和一个两面带有凸牙的中间盘组成。因凸牙可在凹槽中滑动，故可补偿安装及运转时两轴间的相对位移。这种联轴器零件的材料可用 45 钢，工作表面需要进行热处理，以提高其硬度；要求较低时也可用 Q275 钢，不进行热处理。为了减少摩擦及磨损，使用时应从中间盘的油孔中注油进行润滑。因为半联轴器与中间盘组成移动副，不能发生相对转动，故主动轴与从动轴的角速度应相等。但在两轴间有相对位移的情况下工作时，中间盘就会产生很大的离心力，从而增大动载荷及磨损。因此选用时应注意其工作转速不得大于规定值。弹性柱销联轴器能传递转矩的能力很大，结构更为简单，安装、制造方便，耐久性好，也有一定的缓冲和吸振能力，允许被联接两轴有一定的轴向位移以及少量的径向位移和角位移，适用于轴向窜动较大、正反转变化较多和起动频繁的场合。轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真15本次设计中，由凌斯联轴器公司样本资料，查得电动机与减速器轴之间联接选用十字滑块联轴器 LS3-C25。型号额定转矩(n.m)最高转速(rpm)径向偏差 mmLS3-C253.058001.93.2 胶辊设计图 3-2 胶辊传动图3.2.1 微型电机选择微型电动机体积、容量较小，输 出功率一般在数百瓦以下的电机和用途、性能及环境条件要求特殊的电机。全称微型特种电机，简称微电机。常用于传动机械负载，也可作为设备的交、直流电源。微电机门类繁多，大体可分为直流电动机、交流电动机、自态角电动机、步进电动机、旋转变压器、轴角编码器、交直流两用电动机、测速发电机、感应同步器、直线电机、压电电动机、电机机组、其他特种电机等 13 大类。由于胶辊所传动力很小，选择电机时参照同类产品（如打印机）进行选择，选择20BYG28-4 型步进电机型 号相数电压电流电阻电感转 矩重量接线图 机身长度序号规 格 V A mHg.cm kg mm晋中学院毕业设计（论文）1620BYG38-42100.6105.54000.08B383.2.2 微型皮带轮传动设计电机与辊轮之间以皮带轮传动， 1）与传动比 i已知大带轮转速 n2400r/m，带传动的传动比一般为 i 7，推荐值为 i25。故令 i2.5，则小带轮转速 n11000 r/m。2）功率与皮带的带型（1）单根 V 带的额定功率 pr r0P()LPP K KP0为基本额定功率；为单根 V 带额定功率增量；为包角修正系数；KL为oPK带长修正系数；查文献5表 8-4a、表 8-4b、表 8-5、表 8-2 得0.006kw，oPP0.002kw，0.97，KL1.0。K0.0080.971.00.0776kwrP（2）计算功率是根据传递功率 P 和带的工作条件参数 KA而定的，即 AcaPK P由文献5表 8-7 查得 KA1.1，P0.006kw；所以KW 进而文献5图 8-11 选择 A 型。1.1 0.0060.0066AcaPK P3）选择带轮基准直径与带速控制dd（1）小带轮基准直径；参考文献5表 8-6 和表 8-8 可确定小带轮基准直径1dd10mm。1dd（2）小带轮线速度即,113.14 10 10000.52/60 100060 1000dd nvm s=0.52m/s。 1v（3）大带轮基准直径i2.51025mm。2dd1dd3）中心距 a 及带的基准长度（1）中心距的大小要根据实际应用时结构的尺寸、传动平衡性以及使用寿命等要轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真17求适当选择。一般初选带传动中心距为oa 120120.7()2()ddddddadd即24.570mm。初选40mm。0a0a（2）相应带长doL22100120()2()136.3524dddddddLaddmma取基准长度180dLmm按1式 8-23，计算实际中心距00180 136.354061.8222ddLLaamm 变动范围min0.01559.12daaLmm max0.0367.22daaLmm4） 验算小带轮的包角2157.3180()166.0490dddda5）计算带的根数（1）计算单根rP0.0080.971.00.0776kwrP（2） V 带根数 根 取 Z1r0.01PcaPZ 轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真18第 4 章 主要零部件结构设计对于本电池包装机的零部件设计，考虑到这种包装机产品生产批量小，对于零件部件等，尽量采用标准件常用件，采用易于应用常规加工方法加工的结构。4.1 机架设计4.1.1 机架设计准则底座、机架、箱体、基板等零件都属于机架零件。机架零件可划分为四大类：即机座类、机架类、基板类和箱壳类，对机架零件一般可提出下列要求:(1)工况要求：即任何机架的设计首先必须保证机器的特定工作要求。例如，保证机架上安装的零部件能顺利运转，机架的外形或内部结构不致有阻碍运动件通过的突起,设置执行某一工况所必需的平台；保证上下料的要求、人工操作的方便及安全等。(2)刚度要求：在必须保证特定的外形条件下，对机架的主要要求是刚度。如果基础部件的刚性不足，则在工作的重力、夹紧力、摩擦力、惯性力和工作载荷等的作用下，就会产生变形，