1、 四自由度圓柱坐標型工業機器人機械設計摘 要在現代制造業中，工業機器人已成為不可或缺的核心自動化裝備。工業機器人適應工作環境能力強，可擔任各種類型各種強度的生產工作，精度高、速度快、易于控制，可顯著提高生產的工業自動化水平。國內工業機器人起步晚，市場占有率低，許多核心技術還沒有掌握，可靠性低，應用范圍小，零部件互換性低。現設計一種四自由度的圓柱坐標型機器人，能實現工件的上下搬運。該四自由度機器人由兩個旋轉自由度機構和兩個平移自由度機構組成，根據機器人運動參數，選擇足夠功率的伺服電機，然后，估算驅使機構各自由度運動需要的力及扭矩，選擇傳動比合適且大小合適的減速器。通過伺服電機減速器驅動機構的運動

2、，實現機器人腰部旋轉，手臂的豎直升降，手臂的水平移動和末端操縱器的旋轉。在機器人輔助系統的設計部分，還考慮了伺服電機導線坦克鏈的排布，機構零點位置的觸發開關及其導線排布的設計。關鍵詞：四自由度，圓柱坐標，工業機器人，機械設計Mechanical Design of a 4-DOF Cylindrical Industrial RobotAbstractIn modern manufacturing, industrial robot has become an indispensable core automation equipment. Industrial robot has good

3、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 ap

4、plication 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 translationa

5、l 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

6、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

7、the zero position into consideration.Key Words： 4-DOF; Cylindrical coordinates; Industrial Robot; Mechanical design目 錄摘 要Abstract第一章 引 言11.1 工業機器人11.1.1 工業機器人的概念及特點11.1.2 工業機器人的組成11.1.3 國內外發展狀況21.2 研究內容21.2.1 研究方法21.2.2 研究成果21.3研究意義2第二章 機構結構設計42.1 設計分析及方案擬定42.1.1 設計要求42.1.2 設計流程52.1.3 方案擬定52.2

8、主要結構件設計62.2.1旋轉平臺結構62.2.2滾珠絲杠結構72.2.3中間連接器92.2.4外殼設計112.3受載變形校核11第三章 傳動機構設計133.1腰部轉動133.1.1減速器選擇133.1.2伺服電機選擇143.1.3傳動法蘭盤設計153.2豎直平移163.2.1滾珠絲杠及螺母選擇163.2.2伺服電機選擇183.2.3聯軸器選擇193.3水平平移203.3.1滾珠螺母絲杠選擇213.3.2伺服電機選擇213.3.3聯軸器選擇223.4手臂末端操縱器旋轉233.4.1伺服電機選擇233.4.2減速器選擇24第四章 輔助機構設計254.1 坦克鏈線路設計254.2 機構零點設計26

9、第五章 總結與展望285.1 總結285.2 展望28參考文獻30致謝31附錄32- 42 - 第一章 引言1.1工業機器人1.1.1工業機器人的概念及特點我國專家學者對于工業機器人的概念解釋也各有不同，綜合各方面的說法，從工業機器人能實現的功能來講，工業機器人是有以下功能的機器：（1）具有執行運動操作的機構；（1）具有通用性，可實現多種運動操作；（2）有一定程度的智能，能重復編程；（3）有一定的獨立性，一定程度上不依賴人的操縱。1.1.2工業機器人的組成工業機器人一般由機械系統和控制系統組成，四自由度圓柱坐標型工業機器人的機械系統組成由下圖可知：圖1.1 四自由度圓柱坐標型工業機器人機械系統

10、組成（1）驅動機構：本次設計采用四個交流伺服電機驅動四個自由度。至于氣壓，液壓驅動的裝置體積較大，因行程較大而不采用。（2）執行機構：本次設計的執行機構主要包括底座、腰部機構、手臂機構和末端操縱器。采用絲杠螺母和行星齒輪減速器兩種傳動方式，能將旋轉運動轉換成直線運動或將高轉速轉換成低轉速，再將動力傳遞給執行裝置。1.1.3國內外發展狀況上世紀中葉，美國結合機械手和操作機兩者的優勢，開發了一種可自動執行動作的機械裝置，稱為工業機器人。60年代末，美國通用汽車公司采用機械手臂，建立了汽車焊接車身的自動化生產線。此后，工業機器人的研制和應用，受到各個工業發達國家的重視。日本又稱為“機器人的王國”，可

11、見日本的工業機器人產業非常發達，如今的日本在智能型工業機器人上取得了巨大成就。隨后，工業機器人產業又開始在歐洲崛起2。工業機器人在中國發展的很快，但相比世界上先進的工業機器人，技術差距依舊明顯3。國內工業機器人起步晚，相比國外先進技術，國內工業機器人可靠性較低，應用領域較窄，生產線技術落后，零部件互換性低4。工業機器人且可用于環境惡劣，勞動強度高，勞動單調乏味的工作中，將人們從中解放出來。1.2 研究內容1.2.1研究方法現設計一種工業機器人，有四個自由度，采用圓柱坐標型，利用該種機器人實現工件的上下料搬運。本次設計主要設計機械系統部分。該機器人的四個自由度分別是腰部旋轉、手臂豎直升降、手臂的

12、水平伸縮和手臂末端操縱器旋轉。由四個自由度確定各自傳動方式，選擇傳動裝置。確定機器人各個運動部件運動所需的功率，再選擇合適的伺服電機和減速器。設計機械手臂整體結構采用的三維實體設計軟件是SolidWorks 2013，對于分析機構的質量、質心等參數十分方便。1.2.2研究成果本次設計基本完成任務，具體成果如下：（1）完成四自由度圓柱坐標型機器人的整體結構設計，包括基座、腰部旋轉平臺、豎直機身、水平手臂和末端旋轉平臺的設計；（2）完成外殼包裝的簡單設計，完成機構零點和極限位置的傳感器設計；（3）完成機器人三維實體的裝配，并繪制出機器人的二維工程圖。1.3研究意義工業機器人已經是現代制造業中舉足輕

13、重的自動化機械，一些機械式的、工作環境惡劣危險的、沒有創新性的作業完全可以由機器人替代人工完成。在金屬熱壓加工中，需要人工作在加熱的窯爐、沖壓床、車床或鉆床附近，工業機器人耐高溫，程序寫好就可以防止與其他加工工具碰撞，避免了工作中出現危險的可能6。工業機器人能適應多品種中小批量生產，高精度高速度，容易控制，能顯著提高生產自動化水平。目前小負載旋轉臂機型工業機器人市場容量大、應用廣泛8。第二章 機構結構設計2.1設計分析及方案擬定2.1.1設計要求主要解決問題：按下表中參數的要求，設計一種四自由度圓柱坐標型工業機器人，完成該工業機器人的機械結構設計、驅動裝置設計、傳動裝置設計、各自由度零點和極限

14、位置設計及傳感器選擇：表2.1 機器人設計參數最大負載/kg腰部、臂部回轉角度/º伸縮行程/mm高度行程/mm最大旋轉角速度/(rad·s-1)最大移動速度/(m·s-1)重復定位精度/mm336050050021±0.1機器人的工作空間是指機器人正常工作時手臂末端操縱器能活動的范圍，可從上表推得，工作空間圖如下：圖2.1 機械手臂工作空間2.1.2設計流程（1）分析四個自由度，選擇適當的驅動方式、傳動裝置和機構件；（2）用三維建模軟件完成主要零件（包括所有結構件）的三維建模，并初步完成三維實體模型裝配；（3）對實體模型相關參數進行測量估算，按設計要求，

15、最終確定電機、減速器、絲杠等產品參數，完成裝配；（4）對機器人運動進行動畫仿真和受載分析，驗證設計正確性；（5）繪制二維工程圖。流程圖如下圖所示：圖2.2 設計流程2.1.3方案擬定根據設計需求，設計出的工業機器人大致外形圖如圖2.1所示。圖2.3 工業機器人圖由上面的設計參數表可知，機器人手臂的行程是500mm，較大，宜使用電機作為驅動裝置。考慮到步進電機精度不足，加速性能一般，易產生丟步或過沖，性能效果沒有交流伺服電機好，又因為所設計的機械手臂起動頻率高，且要求快速啟停，需達到一定傳動精度，因此選擇交流伺服電機。傳動裝置選擇行星齒輪減速器傳動和絲杠螺母傳動，其中行星齒輪減速器用于腰部高扭矩

16、低轉速的傳動，絲杠螺母用于手臂的水平和豎直平移傳動。確定機器人的機構簡圖，以確定機器人的整體結構，所設計的工業機器人的機構簡圖如下圖：圖2.4 機器人運動簡圖采用伺服電機和行星齒輪減速器實現機器人的腰部低轉速旋轉運動；考慮設計中水平方向移動行程500mm，相對較大，水平手臂前后平移也是利用伺服電機驅動滾珠絲杠旋轉實現，將水平移動和豎直移動的兩個螺母角度偏差90度放置，共同固定在一個十字型鋼板結構件上，達到水平方向絲杠螺母水平不移動，絲杠前后移動的效果；將一小功率伺服電機和行星齒輪減速器連接，固定在水平手臂支撐板的一端，實現末端操縱器的旋轉。2.2主要結構件設計設計的機器人主要結構包括旋轉平臺、

17、滾珠絲杠、中間連接器、和外包裝。2.2.1旋轉平臺結構旋轉平臺是腰部旋轉的實現的基礎，一般要求有足夠的穩定性，結構要求便于裝修。它將基座和上方的運動機構連接起來，承載運動機構的重量，旋轉平臺的設計對于機器人的平衡性有很大影響。旋轉平臺結構如下圖所示，1）套筒2）PX85減速器3）向心圓柱滾柱軸承4）內支撐套5）外支撐套6）加強筋7）傳動法蘭盤8）固定套筒9）固定墊片10）止推軸承圖2.5 旋轉平臺結構圖內支撐套支撐機身重量，外支撐套帶動腰部轉動。內支撐套和外支撐套間的連接通過兩個軸承實現：止推軸承承受整個機身的重力，向心圓柱滾柱軸承起到防止機構徑向力失衡的作用。傳動法蘭盤用螺栓連接在外支撐套上

18、，其內圈有鍵槽，配合減速器輸出軸，輸出軸轉動，帶動法蘭盤和外支撐套轉動。減速器用螺栓連接至內支撐套上，輸出軸伸出，旋上螺母，壓緊內外支撐套,實現腰部的軸向固定。2.2.2滾珠絲杠結構滾珠絲杠結構實現了手臂的上下和前后平移，結構如圖所示：圖2.6 滾珠絲杠機構絲杠安裝采用兩端支撐方式，兩端各裝有一個角接觸球軸承(22-8-7,32-15-9)，軸承由其兩端的軸承座固定，軸承座安裝應使絲杠軸線與支撐板平行。軸承座自行設計，其三維模型如下圖：圖2.7 軸承座導軌為滾珠絲杠結構提供了足夠的支撐力。導軌首先選擇滾珠型直線導軌，主要考慮其軌寬和軌長，滑塊主要是確定類型和數量。導軌選擇軌寬15mm，軌長根據

19、工作行程需求選擇600mm。滑塊選擇四方型滑塊，其結構及總體尺寸如下圖所示：圖2.8 四方型滑塊由于支撐板是主要承載部件，需要校核支撐板的受壓穩定性。分析支撐板受力，支撐板可以看作下端固定上端自由的壓桿，壓力為機身的重力，作用點在機身的中心位置，如下圖所示：圖2.9 支撐板壓桿模型臨界壓力的公式為(1)式中：Fcr是臨界壓力；E是支撐板材料45鋼的彈性模量，一般是196-216GPa；I是支撐板的慣性矩，可由三維模型的質量屬性得到，40067 kg·mm2；是長度系數，對于一端固定一端自由的情況，值為2.1；L是支撐板長度600mm。計算得到，Fcr=4.98×1010N，

20、遠大于實際所受重力。2.2.3中間連接器（1）中間連接器的設計中間連接器是連接水平絲杠和豎直絲杠的裝置，它將由豎直絲杠螺母機構旋轉而產生的豎直方向的位移，傳遞給水平絲杠螺母機構，使得手臂能夠正常上下移動。中間連接器由兩個螺母滑塊連接器和一塊中間連接板組成，相互之間用內六角螺栓連接，其結構如下圖所示。圖2.10 中間連接器螺母滑塊連接器自行設計，材料選擇45鋼，其制造工藝流程簡單來說是鑄造、銑平面、鉆孔、攻螺紋。其安裝尺寸由上述滾珠絲杠的螺母及滑塊位置決定，外形如下圖所示。圖2.11 螺母滑塊連接器圖2.12 中間連接板（2）中間連接板的強度校核中間連接板主要需校核其與螺栓接觸面上的擠壓應力，擠

21、壓的強度條件是(2)式中：Fbs是擠壓力，Abs是擠壓面面積，bs是擠壓許用應力。由中間連接器的三維模型可知，工作中的連接板與16個螺栓相互接觸，螺栓直徑3mm，連接板厚度5mm，單個螺栓對連接板的擠壓面的面積Abs為15×10-6m2。圖2.13 連接板受力圖總的擠壓力F為水平手臂的重力，由Solidworks三維建模，經過測量得到質量m不大于15kg，因此單個螺栓孔受到擠壓力為Fbs=mg/16=9.2N(3)因此，運算得到擠壓許用應力bs0.613MPa(4)查表，可知鋼材的擠壓許用應力bs355MPa，遠大于最低要求。2.2.4外殼設計機器人外殼外形圖如圖所示，其主要作用是滾

22、珠絲杠的防塵，導線線路的排布和整體機型的美觀。外殼采用鋁合金蒙皮包裝，蒙皮厚度為3mm，質量輕。材料塑性好，采用鍛壓加工工藝，鍛壓成型。再以鉆頭打螺栓孔，以便于安裝固定。為方便制造，將整體的外殼分成三段，分別制造。外殼及其總體尺寸如下圖所示：圖2.14 外殼圖2.3受載變形校核受載變形校核可簡單的由模型模擬機器人的末端受載時的撓度，得到形變偏移值。應用Solidworks Simulation的有限元分析功能，簡單分析彎曲變形。根據機器人結構受力情況分析，主要是支撐板、絲杠、導軌等結構同時承載負載重量，因此受載的模型可簡化如下圖：圖2.15 簡化的受載模型下端做固定端，右上端的伸出端受向下的負

23、載3kg，及30N的力，材料統一選擇合金鋼，其彈性模量是2.1×1011N/m2。運行結果為最大位移量0.0392mm，基本滿足重復定位精度±0.1mm的要求。詳見附錄1。第三章 傳動系統設計傳動系統設計主要是傳動方式的確定，驅動電機的選擇，減速器的選擇以及其他輔助傳動件的設計與選擇。本次設計的機器人平移自由度均采用滾珠絲杠螺母實現，旋轉自由度均采用行星齒輪減速器實現。電機的選擇有步進電機和交流伺服電機，考慮到步進電機精度不足，步進電機加速性能一般，易產生丟步和過沖。所設計的機械手臂起動頻率高，要求快速啟停，且需達到一定傳動精度，因此選擇交流伺服電機。3.1腰部轉動腰部旋轉

24、采用行星齒輪減速器傳動。圖3.1 腰部減速器減速器輸出軸上有鍵槽，可直接連接在底盤的傳動法蘭盤上，帶動腰部的上平臺轉動。3.1.1 減速器選擇因為機器人腰部的旋轉相對伺服電機較慢，傳動比大，再考慮到機器人腰部尺寸較大，可采用行星齒輪減速器，能實現較大傳動比的傳動。為減小整個機器人手臂的體積，盡量使機構緊湊，在減速器型號選擇方面，均選擇彈性齒輪軸套空心輸入，實心軸輸出方式。（1）確定驅動設備所需功率P2：P2=KMgv(5)式中：m通過三維實體模型腰部以上旋轉部分質量的測量為32.6kg，近似取m33kg，加上運行所需末端操縱器和3kg重物，總質量取M=40kg；K是安全系數，K=1.2；g是重

25、力加速度；v是機構運行速度，取2m/s；是摩擦系數，=0.15。計算得P2=141.1W。（2）確定減速器的傳動比i：(6)式中：n1是電機轉速，n2是腰部轉速。腰部轉動最大角速度為2=2rad/s，轉速n2=9.552=19.1r/min，伺服電機轉速n1=3000r/min，則i=3000/19.1=157，取i=120，三級傳動。（3）確定使用系數f1：查減速器技術手冊，假設均衡負載下啟動次數少，每日工作12小時，f1=1.25。（4）被驅動設備的扭矩T2：T2=9550×P2/n2(7)式中：P2是驅動設備所需功率，n2是腰部最大轉速。計算得T2=70.5N·m。（

26、5）減速器輸出扭矩T2N：T2NT2×f1=88.1N·m(8)根據傳動比i、減速器輸出扭矩T2N88.1N·m，查詢減速器技術手冊，選擇減速器：px-85-120-S，減速器相關技術參數如下表：表3.1 腰部減速器技術參數減速器型號減速比i滿載效率額定輸出扭矩T2N/N·m轉動慣量J/(kg·cm2)最大徑向力Fr/N最大軸向力Fa/NPX-85-120-S120901000.7440420（6）減速器徑向、軸向力校核：減速器軸在徑向不受外力作用，因此不用校核。軸向有緊固螺釘對軸的拉力，考慮到緊固螺釘的作用僅僅是防止機身徑向不平衡，所受軸向力

27、很小，軸向力可不用校核。3.1.2 伺服電機選擇（1）電機所需功率P1N：P1NK·P2÷×f1=193.7W(9)式中：K是安全系數，P2是驅動設備所需功率，是滿載效率，f1是設備使用系數。查伺服電機和減速器的技術手冊，所選減速器對應電機的安裝尺寸為90mm，對應伺服電機功率750W，因此選擇電機型號：MSME 082G1，相關技術參數見下表：表3.2 腰部伺服電機技術參數電機型號功率P/W交流電源/V額定轉速n/(r·min-1)最大轉速nmax/(r·min-1)額定轉矩T/(N·m)最大轉矩Tmax/(N·m)轉子轉

28、動慣量JM/(kg·cm2)MSME 082G1750AC200300060002.47.10.87（2）伺服電機慣量比校核：估算負載慣量：(10)式中：估算電機和減速器的慣量：(11)計算得：J負載慣量/J電機+減速器=2.50倍<20倍(12)慣量比滿足要求。（3）伺服電機轉矩校核：根據傳動比i、減速器輸出扭矩T2N88.1N·m，可以計算得到伺服電機最小所需的輸出扭矩T電機：T電機=T2N ÷ i ÷ 0.81 N·m(13)電機額定扭矩T=2.4 N·m>T電機，所以轉矩滿足要求。3.1.3傳動法蘭盤設計傳動法蘭盤

29、連接PX85行星齒輪減速器和腰部旋轉平臺，與行星齒輪減速器的輸出軸用鍵連接，與腰部旋轉平臺用螺栓連接，將行星齒輪減速器的扭矩傳遞給腰部旋轉平臺，使腰部旋轉運動得以實現。傳動法蘭盤的設計圖如下：圖3.2 傳動法蘭盤3.2豎直平移豎直平移傳動方式選擇滾珠螺母絲杠（圖片）。伺服電機需要安裝在頂部，為防止機械手臂自重下滑，伺服電機應帶有制動器。滾珠螺母絲杠的絲杠一端連接聯軸器，伺服電機輸出軸連接聯軸器另一端。3.2.1滾珠絲杠及螺母選擇（1）選擇螺母型號由三維實體所建立的模型，可選擇法蘭式單螺母，F型，切邊六孔。圖3.3 絲杠螺母（2）確定絲杠導程BP由傳動關系圖可得(14)式中：vmax是工作臺最大

30、平移速度1m/s；i是傳動比，i=1；nmax是電機最大轉速6000r/min，計算可得導程Bp等于10mm。（3）確定絲杠公稱直徑BD已知是摩擦系數0.03；WA是負載質量，可由三維實體建模測量得出WA=20kg；g是重力加速度，計算導向面的摩擦力Fa：Fa=·WAg=0.25×20×9.8=49 N(15)因此絲杠旋轉需承受的推力F：F=Fa+ WAg=676.2 N(16)乘以安全系數K=1.2,得F1=K·F=811.44 N(17)查閱該公司提供的產品相關資料，絲杠直徑BD=12mm時，絲杠動載荷Ca是2.5KN，Ca>F1，滿足要求。（

31、4）確定絲杠長度絲杠總長一般是工作行程、螺母長度、安裝長度、連接長度和余量的總和。由所建立的三維實體模型可知絲杠總長為650mm。（5）確定滾珠絲杠精度在無特殊要求的情況下，根據一般選取的經驗，選用C7標準。C7標準表示選取絲杠精度等級為7級，300mm的絲杠長度上，行程誤差不超過0.050mm。（6）校核扭矩克服摩擦力Fa，也就是產生所需推力的驅動扭矩T：(18)式中：B是進給絲杠的效率，取B=0.96。計算可得T=9.75 N·mm，遠小于伺服電機所能提供的扭矩，所以校驗合格。綜上，所選擇的螺母絲杠技術參數如下表：表3.3 絲杠螺母技術參數螺母型號直徑BD/mm導程BP/mm絲杠

32、總長度BL/mm絲杠動載荷Ca/KN絲杠質量BW/kg12×10-2 F型 切邊六孔12106502.50.63.2.2伺服電機選擇（1）伺服電機功率確定估算出伺服電機的最大功率P：P=K(1+) WA·gv(19)式中：WA是水平手臂質量，通過三維實體模型建立可得WA =20kg；是摩擦系數0.1；v是平移最大速度1m/s；K是安全系數，取K=1.2。計算得P=282.24W，取功率P=400W的交流伺服電機，可選電機型號：MSME 042G1，它的有關技術參數如下表：表3.4 豎直移動伺服電機技術參數電機型號功率P/W交流電源/V額定轉速n/(r·min-1)

33、最大轉速nmax/(r·min-1)額定轉矩T/(N·m)最大轉矩Tmax/(N·m)轉子轉動慣量JM/(kg·cm2)有無制動器MSME 042G1400AC200300060001.33.80.28有（2）伺服電機慣量比校核測量絲杠的三維模型，得滾珠絲杠的質量BW=0.6kg，則負載部分的慣量： JL=JC+JB=JC+1/8·BW×BD2+WA·BP2/(42)(20)式中：JC是所選聯軸器的慣量，JC=3.2×10-5kg·m2，WA是水平手臂質量，通過三維實體模型建立可得WA =20kg，計算可

34、得JL=1.19×10-4kg·m2。預選電機的慣量JM=0.28×10-4 kg·m2，則慣量比：JL/JM=4.25倍<30倍(21)（3）伺服電機轉矩校核一般伺服電機的運轉模式如圖：圖3.4 伺服電機運轉模式由最大速度1m/s，移動距離為0.5m，可假設：加速時間ta=0.1s，勻速時間tb=0.4s，減速時間td=0.1s，循環時間tc=1.2s。移動轉矩Tf：(22)式中：B是進給絲杠的效率，取0.96；是摩擦系數，取0.1；其他參數可由前面的表格得到，計算上式得Tf=0.0325N·m。加速時轉距Ta：(23)式中：JL和JM

35、分別是負載部分的慣量和預選電機的慣量，N是電機最高轉速100r/s，計算得Ta=0.956N·m。減速時轉矩Td：(24)式中：JL和JM分別是負載部分的慣量和預選電機的慣量，N是電機最高轉速100r/s，計算得Td=0.891N·m。因此，最大轉矩就是加速時的轉矩Ta=0.956N·m，乘以安全系數K=1.2，TaK=1.15 N·m <3.8N·m（400W電機的最大轉矩）。確認有效轉矩Trms：(25)乘以K，TrmsK=0.454 N·m<1.3 N·m(400W電機額定轉矩)。根據以上計算可知功率750

36、W電機滿足轉矩和慣量比要求，適合選用。3.2.3聯軸器選擇：（1）選擇聯軸器首先確定聯軸器的力矩TT=T1×K1×K2×K3(26)式中：T1是伺服電機的力矩，選擇伺服電機時可在手冊上查得，值為1.27N·m；K1、K2、K3是聯軸器的工況系數；假定：負載變動較大，K1取1.7，每天運轉8h，K2取1.00，每小時啟停120次，K3取1.5的條件下，T=3.24N·m，力矩不大，聯軸器可初步選擇夾緊式聯軸器。夾緊式聯軸器是一種金屬彈性聯軸器，軸拆裝方便，但正常工作承受的力矩有限，對同軸度要求不是很高，并且該聯軸器正反轉時的轉動特性一致，非常適用

37、于機器人等頻繁啟停的場合。伺服電機的輸出軸徑14mm和絲杠的輸入軸徑10mm，由此選擇聯軸器型號TS4C-40-1014，如下圖。圖3.5 鋁合金彈性聯軸器（2）校核力矩查閱企業聯軸器產品說明書9，TS4C-40-1014型聯軸器的擰緊力矩達4N·m，大于聯軸器實際工作時所承受的力矩T=3.24N·m，滿足實際要求。3.3水平平移水平平移傳動機構采用滾珠絲杠。螺母水平方向固定不動，轉動的絲杠帶動整個機械手臂相對于螺母前后平移，實現機械手臂的水平平移。水平平移和豎直平移采用相同的傳動方式，運動參數一致，因此絲杠螺母、伺服電機和聯軸器選擇方法一致，不同在于水平平移不用克服機械手

38、臂的重力，消耗功率減小，因此電機選擇的功率有所變動。3.3.1滾珠螺母絲杠選擇水平平移自由度滾珠絲杠選擇同豎直平移，詳細技術參數見表3-3。3.3.2伺服電機選擇（1）伺服電機功率確定估算出伺服電機的最大功率P：P=KWA·gv(27)式中：WA是水平手臂質量，通過三維實體模型建立可得WA =20kg；是摩擦系數0.1；v是平移最大速度1m/s；K是安全系數，取K=1.2。計算得P=24W，取功率P=200W的交流伺服電機，可選電機型號：MSME 022G1，它的有關技術參數如下表：表3.5 水平移動伺服電機技術參數電機型號功率P/W交流電源/V額定轉速n/(r·min-1

39、)最大轉速nmax/(r·min-1)額定轉矩T/(N·m)最大轉矩Tmax/(N·m)轉子轉動慣量JM/(kg·cm2)MSME 022G1200AC200300060000.641.910.14（2）伺服電機慣量比校核測量絲杠的三維模型，得滾珠絲杠的質量BW=0.6kg，則負載部分的慣量： JL=JC+JB=JC+1/8·BW×BD2+WA·BP2/(42)(28)式中：JC是所選聯軸器的慣量，JC=3.2×10-5kg·m2，WA是水平手臂質量，通過三維實體模型建立可得WA =20kg，計算可得JL

40、=1.19×10-4kg·m2。預選電機的慣量JM=0.14×10-4 kg·m2，則慣量比：JL/JM=8.5倍<30倍(29)（3）伺服電機轉矩校核伺服電機的運轉模式同豎直平移的運轉模式：加速時間ta=0.1s，勻速時間tb=0.4s，減速時間td=0.1s，循環時間tc=1.2s。移動轉矩Tf不變，Tf=0.0325N·m。加速時轉距Ta：(30)式中：JL和JM分別是負載部分的慣量和預選電機的慣量，N是電機最高轉速100r/s，計算得Ta=0.868N·m。減速時轉矩Td：(31)式中：JL和JM分別是負載部分的慣量和預

41、選電機的慣量，N是電機最高轉速100r/s，計算得Td=0.803N·m。因此，最大轉矩就是加速時的轉矩Ta=0.868N·m，乘以安全系數K=1.2，TaK=1.04 N·m <1.91N·m（400W電機的最大轉矩）。確認有效轉矩Trms：(32)乘以K，TrmsK=0.411 N·m<0.64 N·m(400W電機額定轉矩)。根據以上計算可知，慣量比和功率雖然有較大余量，但根據轉矩選擇200W電機。3.3.3聯軸器選擇（1）選擇聯軸器聯軸器仍選用夾緊式彈性聯軸器，選擇方法同上，首先確定聯軸器的力矩T：T=T1

42、5;K1×K2×K3(33)式中：T1是伺服電機的力矩，選擇伺服電機時可在手冊上查得，值為0.64N·m；K1、K2、K3是聯軸器的工況系數；假定：負載變動較大，K1=1.7，每天運轉8小時，K2=1.00，每小時啟停120次，K3=1.5的工況下，T=1.64N·m，伺服電機的輸出軸徑11mm和絲杠的輸入軸徑10mm，由此選擇聯軸器型號TS4C-40-1011。（2）校核力矩查閱企業聯軸器產品說明書，TS4C-40-1011型聯軸器的擰緊力矩達4N·m，大于聯軸器實際工作時所承受的最大力矩T=1.64N·m，滿足實際要求。3.4手臂

43、末端操縱器旋轉末端操縱器由法蘭盤連接，需承載3kg重物，伺服電機連接行星齒輪減速器，減速器輸出軸直接連接法蘭盤，帶動法蘭盤旋轉，如下圖：圖3.6 末端傳動結構圖預算法蘭盤連同末端操縱器和重物總共10kg。伺服電機和減速器的選擇方法同腰部電機和減速器的選擇，具體過程不再給出。3.4.1伺服電機選擇經估算，選擇電機功率100W，電機的相關參數如下表：表3.6 末端伺服電機技術參數電機型號功率P/W交流電源/V額定轉速n/(r·min-1)最大轉速nmax/(r·min-1)額定轉矩T/(N·m)最大轉矩Tmax/(N·m)轉子轉動慣量JM/(kg·

44、cm2)MSME 012G1100AC200300060000.320.950.0513.4.2減速器選擇經估算，減速器選擇的型號是PL-50-120-S，相關技術參數如下表：表3.7 末端行星減速器技術參數減速器型號減速比i滿載效率額定輸出扭矩T2N/(N·m)轉動慣量J/(kg·cm2)最大徑向力Fr/N最大軸向力Fa/NPL-50-120-S12090100.029440420PL型減速器如圖所示：圖3.7 PL型行星齒輪減速器第四章 輔助機構設計4.1 導線線路設計機床等機械導線線路的鋪設一般是采用軟管或者坦克鏈等輔助件。坦克鏈是一般裝在機床機械上，用于牽引和保護電

45、纜及軟管的，形似坦克鏈的機械輔助裝置。坦克鏈一般用在往復運動較為頻繁的場合，用來牽引和保護導線及軟管。坦克鏈由若干的坦克鏈節連接而成，節與節可自由轉動，導線在安裝和拆卸時，坦克鏈的節從兩側打開，方便導線放入。坦克鏈一節如圖所示。圖4.1 坦克鏈一節一般在兩個連接點之間有電纜連接，并且兩點間有相對的往復運動的情況下，考慮使用坦克鏈。線路簡圖如下圖所示：1是軟管，2、3、4是坦克鏈條，5是外殼內布線圖4.2 線路簡圖所有導線匯集在基座下端，跟基座殼固連。基座下端第一次分流，連接基座內的750W伺服電機。其余通過軟管連接到機器人腰部的外殼上，可以隨著腰部旋轉而彎曲伸縮。自腰部外殼出分流，一部分從機身

46、外殼的卡線槽中走線，連接機器人頂端400W伺服電機，另一部分通過坦克鏈連接至豎直方向移動的滑塊上，同滑塊一起上下移動，坦克鏈上下伸縮移動。水平放置的兩個伺服電機分別用坦克鏈連接至水平移動的滑塊上，隨滑塊一起水平移動伸縮。導線布置在軟管和坦克鏈中，并與軟管或者坦克鏈之間沒有相對移動。注意的是，導線在坦克鏈中最多填滿90的空隙，在軟管中最多填滿80的空隙。4.2機構零點設計一般機床等機構剛啟動時，要首先確定運動部件在整個機構中的位置，及相對機構機械零點的位置，方才好進行下面的一系列由程序控制的操作。機構零點的設計就是確定機構的機械零點位置，并設計出發開關和連接線路。選擇傳感器是機構零點設計的主要問

47、題。可供選擇的傳感器有：光柵傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、限制開關等。微動開關是一種靠機械外力作用，通斷迅速的接點機構，由于其價格便宜，使用廣泛，使用可靠，安裝方便，因此使用微動開關作為機器人的零點位置開關。其內部結構如下圖所示：圖4.3 微動開關結構圖 上圖中：1)是操作體，2)是驅動桿，3)是接點間隔，4)是端子，5)是可動片，6)是安裝孔，7)是開關外殼。在本次設計的機器人中，操作體是機械手臂上的外殼，外殼前進壓上驅動桿，驅動桿傳導外力至內部彈簧結構，推動可動接點進行開關動作。微動開關安裝位置如下圖表示：1、2、3、4均為微動開關圖4.4 微動開關安裝位置第五章 總結與展望5.1總結圓

48、柱坐標型搬運機器人在工業機器人領域中有非常廣泛的應用，這次設計的主要目的是結合實際工業需求，設計一種能夠自動搬運工件的工業機器人，該種機器人有四個自由度。總結如下：（1）此次設計的任務是利用三維設計軟件，完成一種四自由度圓柱坐標型機器人的整體結構設計，并對其進行仿真分析，驗證其正確性；（2）此次任務完成了以下內容：完成機器人整機設計，包括基座、腰部旋轉平臺、豎直機身、水平手臂和末端旋轉平臺的設計；完成對交流伺服電機、行星輪減速器減速、滾珠絲杠等的產品的選型；完成外殼的簡單設計，完成機構零點和極限位置的微動開關設計；成機器人三維實體的裝配，并繪制出機器人的二維工程圖。（3）成果有以下幾個：三維零

49、件模型圖紙若干、三維機器人裝配圖一份、二維機器人裝配圖一份、二維零件圖若干。5.2展望由于時間和本人能力有限，這次設畢業計還存在一些不足之處，還可以有所提高，展望如下：（1）由于時間有限，本次畢業設計沒有設計機器人的控制部分，末端控制器的手爪部分也沒有設計，實際工程設計中控制系統設計至關重要；（2）機器人的傳感器設計不豐富，僅設計了零點位置和極限位置的機械式限位開關，如一些位置傳感器，速度傳感器以及力和觸覺傳感器都未有設計；（3）考慮到線速度要求較高，最大線速度有1m/s，造成選擇電機時會有較大的功率余量，機器人底座占用的空間變大，而實際小負載機器人的工程設計中，線速度要求沒有1m/s這么高；

50、（4）工業機器人傳動機構的傳動效率是一個比較重要的參數，在這方面未作考慮，實際工程設計上面需要考慮效率問題；（5）機器人外殼設計不完善，未能將機器人內部結構完全包括在內，實際應用中會使用耐高溫帆布伸縮套和耐磨帆布軟連接，隨著機械手臂的運動而伸縮，并且起到封閉作用。參 考 文 獻1 張福學.機器人技術及其應用M.第1版，北京：電子工業出版社，2000. 740.2 馬光, 申桂英.工業機器人的現狀及發展趨勢J.組合機床與自動化加工技術，2002(3): 48-51.3 曹文祥,馮雪梅.工業機器人研究現狀及發展趨勢J.機械制造，2010，49(558): 41-43.4 孫學儉, 于國輝, 周文喬

51、,等.對世界工業機器人發展特點的分析J.機器技術與應用，2002(3): 8-9. 5 韓服善.基于Solidworks 2000的圓柱坐標型工業機械手設計J.起重運輸機械，2008（12）：42-44.6 馮晉中.2013年中國工業機器人市場研究報告R.MIR睿工業, 2013.7 韓建海.工業機器人M.武漢: 華中科技大學出版社，2009: 1-19.8陸正勇. 我國工業機器人企業的機遇與挑戰Z/OL. 2014-1-18. 9 潘麗霞. 論工業機器人的發展與應用J. 山西科技，2010，25(3): 22-23.10 河北滄州天碩聯軸器有限公司.精密聯軸器Z.河北：河北滄州天碩聯軸器有限公司,2009.11 珠海