五轴机器人主体结构设计及运动仿真毕业设计论文(编辑修改稿)

五轴机器人主体结构设计及运动仿真毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

计、控制电机的设计、传动的设计来进行的。 夹持型手抓结构简单，制造容易，应用广泛，所以选择夹持型手抓。 手腕是带动手抓和连接前臂的机构，所以控制手腕的电机和带轮等部件要安装 在手腕内。 前臂是带动前端的手腕和手抓连接后臂的机构，所以控制前端的电机和带轮等 部件要安装在前臂内。 后臂是带动前端手抓、手腕、前臂和连接立柱的机构，所以为了制造方便把控 制前端和后臂本身的电机和带轮等部件安装在后臂内。 立柱是带动前端手抓、手腕、前臂、后臂和连接底座的机构，所以控制立柱本 身转动的电机等部件 安装在立柱内。 底座是前几个部件的基础部分，是支撑和固定的重要部件。 包括手抓、手腕、前臂、后臂、立柱和底座等部件，有的还增设行走机构。 ① 手部 机器人手部即与物件接触的部件。 由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式 和吸附式手部。 夹持式手部由手指 (或手爪 )和传力机构所构成。 手指是与物件直接接触的构 件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。 回转型手指结构简单，制造容易，故 应用较广泛。 平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零 件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化 范围大的工件。 手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位 (是外廓或是内孔 )和物件的 重量及尺寸。 常用的指形有平面的、 V形面的和曲面的 :手指有外夹式和内撑式。 指 数有双指式、多指式和双手双指式等。 而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。 传力机构型式较 多，常用的有 :滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹 8 五轴机器人主体结构设计及运动仿真 簧式和重力式等。 吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力 (如吸盘内形成负压或产生电磁 力 )吸附物件，相应 的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。 对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。 造成负压的方式 有气流负压式和真空泵式。 对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸 盘吸料。 电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。 用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附 的物件形状、尺寸和重量大小而定。 此外，根据特殊需要，手部还有勺式 (如浇铸机械手的浇包部分 )、托式 (如冷 齿轮机床上下料机械手的手部 )等型式。 ② 手腕 机器人手腕是连接手部和手臂的 部件，并可用来调整被抓取物件的方位 (即姿 势 )。 ③ 手臂 机器人手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。 手臂的作用是带动手指 去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。 工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件 (如油缸、气缸、齿轮齿条机构、 连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等 )与驱动源 (如液压、气压或电机等 )相配合，以 实现手臂的各种运动 ［ 19］。 手臂可能实现的运动如下 : 直线运动：如伸缩、升降、横移运动。 基本运动 回转运动：如水平回转、上下摆动（即俯仰）运动。 手臂运动 直线运动与回转运动 的组合（即螺旋运动）。 复合运动 两直线运动的组合（即平面运动）。 两回转运动的组合（即空间曲面运动）。 9 五轴机器人主体结构设计及运动仿真 手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装置， 以保证手指按正确方向运动。 此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转 力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件受力状态 简单。 导向装置结构形式，常用的有 :单圆柱、双圆柱、四圆柱和 V形槽、燕尾槽等导 向型式。 ④ 立柱 机器人立 柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动 和升降 (或俯仰 )运动均与立柱有密切的联系。 机械手的立往通常为固定不动的，但 因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。 ⑤ 机座 机器人机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装 于机座上，故起支撑和连接的作用。 传动机构 带传动 带传动具有结构简单、传动平稳、能缓冲吸振、可以在大的轴间距和多轴间传 递动力，且其造价低廉、不需润滑、维护容易等特点，在近代机械传动中应用十分 广泛。 摩擦 型带传动能过载打滑、运转噪声低，但传动比不准确（滑动率在 2%以下）； 同步带传动可保证传动同步，但对载荷变动的吸收能力稍差，高速运转有噪声。 带 传动除用以传递动力外，有时也用来输送物料、进行零件的整列等。 平型带传动工作时带套在平滑的轮面上，借带与轮面间的摩擦进行传动。 传动 型式有开口传动、交叉传动和半交叉传动等，分别适应主动轴与从动轴不同相对位 置和不同旋转方向的需要。 平型带传动结构简单，但容易打滑，通常用于传动比为 3左右的传动。 平型带有胶带、编织带、强力锦纶带和高速环形带等。 胶带是平型带中用得最 多的一种。 它强度较高，传递功率范围广 ［ 20］。 编织带挠性好，但易松弛。 强力锦 纶带强度高，且不易松弛。 平型带的截面尺寸都有标准规格，可选取任意长度，用 10 五轴机器人主体结构设计及运动仿真 胶合、缝合或金属接头联接成环形。 高速环形带薄而软、挠性好、耐磨性好，且能 制成无端环形，传动平稳，专用于高速传动。 由于带传动具有传动平稳、结构简单、成本低、使用维护方便和良好的挠性及 弹性等优点，所以本设计选择带传动。 气压机械手夹持机构 气压传动以压缩气体为工作介质，靠气 体的压力传递动力或信息的流体传动。 传递动力的系统是将压缩气体经由管道和控制阀输送给气动执行元件，把压缩气体 的压力能转换为机械能而作功；传递信息的系统是利用气动逻辑元件或射流元件以 实现逻辑运算等功能，亦称气动控制系统。 气压传动由气源、气动执行元件、气动控制阀和气动辅件组成。 气源一般由 Link title压缩机提供。 气动执行元件把压缩气体的压力能转换为机械能，用来驱动工 作部件，包括气缸和气动马达 ［ 21］。 气动控制阀用来调节气流的方向、压力和流量， 相应地分为方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀。 气动辅件 包括：净化空气用的 分水滤气器，改善空气润滑性能的油雾器，消除噪声的消声器，管子联接件等。 在 气压传动中还有用来感受和传递各种信息的气动传感器。 气压传动具有下述优点：（ 1）工作介质是空气，取之不尽用之不竭，用后的空 气可以排到大气中去，不会污染环境。 （ 2）工作介质粘度很低，流动阻力很小，压 力损失小，便于集中供气和远距离输送，所以本设计机械手夹持机构驱动方式选择 气压方式。 控制机构 伺服电机（ servo motor ）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是 一种补助马达间接变速装置。 伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将 电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。 在自动控制系统中，用作执行元件， 把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。 分为直流和交流伺服 电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增 加而匀速下降。 (servomechanism)是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够 跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。 伺服主要靠脉冲来定位， 基本上可以这样理解，伺服电机接收到 1个脉冲，就会旋转 1个脉冲对 应的角度，从 11 五轴机器人主体结构设计及运动仿真 而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个 角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者 叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲 回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到 ［ 22］。 如图 图 伺服电机 直流伺服电机分为有刷和无刷电机。 有刷电 机成本低，结构简单，启动转矩大， 调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护不方便（换碳刷），产生电磁干扰，对 环境有要求。 因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。 无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力 矩稳定。 控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦 波换相。 电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各 种环境。 2. 交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般 都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的 功率。 大惯量，最高转动速度低， 且随着功率增大而快速降低，适合做低速平稳运行的应用，因此本设计采用交流伺 服电机驱动运动机构。 ，驱动器控制的 U/V/W三相电形成电磁场，转 子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据 反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。 伺服电机的精度决定于编码器的 精度（线数）。 12 五轴机器人主体结构设计及运动仿真 M为每个电机需要带动关节的重量 D为电机带动关节 的旋转直径 N为电机带动关节的最高转速 （ 1）电机 1（电机 1为控制机器人手抓旋转的电机）及减速器选型，如图 尺寸图 M=5kg D=10cm n=60r/min Jl=MD178。 /8 =5100/8 =cm178。 假设减速比为 R，则折算到伺服电机轴上的负载惯量为 178。 按照负载惯量＜ 3倍电机转子惯量 JM的原则 如果选择 30w电机，查松下 A系列伺服电机手册（图 ）得： JM= 则 178。 ＜ 3 得 R＞ 输出转速 n=83r/min,满 足要求。 所以选松下 MSMA系列（小惯量） 30w型电机，额定转速为 3000r/min。 根据减速比选择能配合松下 MSMA系列的 ECT行星减速机 PB系列 PB40减速机 减速器的减速比为 40。 （ 2）电机 2（电机 2为控制机器人手腕旋转的电机）及减速器选型，如图 尺寸图 M=6kg D=6cm n=60r/min 电机轴与控制轴的距离 d=9cm I=Ic+md178。 =MD178。 /8+md178。 =636/8+69178。 =27+486 =513kgcm178。 假设减速比为 R，则折算到伺服电机轴上的负载 惯量为 513/R178。 按照负载惯量＜ 3倍电机转子惯量 JM的原则 13 五轴机器人主体结构设计及运动仿真 如果选择 50w电机，查松下 A系列伺服电机手册（图 ）得： JM= 则 513/R178。 ＜ 3 得 R＞ 输出转速 n=44r/min,满足要求。 所以选松下 MSMA系列（小惯量） 50w型电机，额定转速为 3000r/min。 根据减速比选择能配合松下 MSMA系列的 ECT行星减速机 PB系列 PB40减速机 减速器的减速比为 48。 （ 3）电机 3（电机 3为控制机器 人前臂旋转的电机）及减速器选型，如图 尺寸图 M=8kg D=6cm n=30r/min 电机轴与控制轴的距离 d=9cm I=Ic+md178。 =MD178。 /8+md178。 =836/8+89178。 =36+648 =684kgcm178。 假设减速比为 R，则折算到伺服电机轴上的负载惯量为 684/R178。 按照负载惯量＜ 3倍电机转子惯量 JM的原则 如果选择 50w电机，查松下 A系列伺服电机手册（图 ）得： JM= 则 684/R178。 ＜ 3 得 R＞ 80 输出转速 n=,满足 要求。 所以选松下 MSMA系列（小惯量） 50w型电机，额定转速为 3000r/min。 根据减速比选择能配合松下 MSMA系列的 ECT行星减速机 PB系列 PB40减速机 减速器的减速比为 100。 （ 4）电机 4（电机 4为控制机器人后臂旋转的电机）及减速器选型，如图 尺寸图 M=10kg D=6cm n=30r/min 电机轴与控制轴的距离 d=10cm I=Ic+md178。 14 五轴机器人主体结构设计及运动仿真 =MD178。 /8+md178。 =1036/8+1010178。 =45+1000 =1045kgcm178。 假设减速比为 R，则折算到伺服电机轴上的负载惯量为 1045/R178。 按照负载惯量＜ 3倍电机转子惯量 JM的原则 如果选择 100w电机，查松下 A系列伺服电机手册（图 ）得：。