轮胎装配机器人结构毕业设计

轮胎装配机器人结构毕业设计内容摘要：

器人控制器的标准化和网络化 , 以及基 于 PC 机网络式控制 器 己成为研究热点。 (4)多传感器融合技术 : 为了提 高机器 人的智 能和适应性 , 多种 传感器 的使用是其 问题 解决的关键。 (5)机器人的结构要求更加灵巧 ,控制 系统愈 来愈小 ,二 者正朝 着一体 化方向发展。 (6)机器人遥控及监控技术 ,机 器人半 自主和 自主技术 ,机器人 和操作 者之间的协 调控 制 ,通过网络建立大范围内的机器人遥控系统 ,在有 延时的 情况下 ,建 立预先显示 进行遥 控 等。 (7)智能装配机器人 :利 用知识 规划 ,专家 系统等 人工智 能研究 领域成 果 ,开发出智能 型自主移动装配机器人 , 实现自主装配。 (8)并联机器人 : 传统机 器人采 用连杆和关节串联结构 ,而并联 机器人 具有非累积 定位 误差 ,执行机构的分布得到改善、结构紧凑、刚性提高、承载能力增加等优点。 (9)协作装配机器人 :随 着装配 机器人应用领域的扩大 ,对装配 机器人 也提出一些 新要 求 ,如多机器人之间的协作 ,同一机器人双臂的协作 ,甚 至人与机器人的 协作 ,这对于 重型 或精密装配任务非常重要。 (10)多智能体 (multi2agent)协调控制技术 : 这是目前 机器人 研究的 一个崭新领 域 , 主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理、感知与学习方法、建模和规 划、群体行为控制等方面进行研究。 1 .5 设计任务及主要研究内容 1 . 设计任务 总体构思一台六自由度装配机器人，能够实现汽车轮胎的局部搬运和装配。 要求选用 伺服电机驱 动，结构合理，能够灵活运动，并且具有稳定的传动系统，在三维建模的基础 上完成主要零件的校核，最终完成三个自由度的结构设计并绘制二维图。 1 . 主要研究内容 轮胎装配机器人是仿人手臂的工业机器人，主要结构以关节型为主，通过底盘、腰部 、 大臂、小臂、和腕部的各种转动和摆动，来实现轮胎的抓取和装配，并可获得很高的抓取 稳定性和操作灵活性，在汽车装配行业具有广阔的应用前景。 本文的结构安排如下： 第一章：绪论部分，主要介绍课题的研究背景及意义，并对轮胎做了简要介绍。 通过 查阅资料了解装配机器人的 定义、基本组成和分类，分析国内装配机器人的发展现状和发 展趋势，为装配机器人的设计提供参考，并且结合研究课题提出 研究 的内容与 方向。 5 毕业设计说明书论文 36296518 原创通过答辩 轮胎装配机器人结构设计 第二章：轮胎装配机器人总体结构的设计。 通过对现有各种工业机器人的结构调研分 析和结构对比，选用合理的优化方法，再根据设计功能要求确定轮胎装配机器人的总体结 构设计方案，从而定义设计参数规格，为结构设计指明方向。 第三章：机械臂的电机选型。 通过查阅相关电机选型的资料，明确电机选型原则，根 据各个关节的力矩估算和功率估算，结合市 场上电机选购的情况选取适当的电机，从而 实 现各个机械臂的驱动。 第四章： 三维结 构建模。 本设计采用法国达索公司的 CATIA 三维设计软件来模拟轮胎 装配机器人实体，从而为各种轴之间的运动关系有明确的认识，避免电机的干涉等问题， 也为之后的校核计算和有限元仿真奠定基础。 第五章：主要零件的设计分析和校核计算。 其中包括一对啮合齿轮分别通过齿面接触 疲劳强度和齿根弯曲强度的计算，继而确定啮合齿轮的最终尺寸。 最后利用一种简单的有 限元分析方法，即 Solid Works 的 Simul atio nXp res s，对关键零件的危险部分进行应力和形 变位移的校核，从而确保整个轮胎装配机器人结构设计的顺利完成。 第六章： 总结与 展望。 6 毕业设计说明书论文 36296518 原创通过答辩 上海理工大学毕业设计（论文） 第 2 章 轮胎装配机器人总体结构设计 2 .1 轮胎装配机器人结构概述 2 . 轮胎装配机器人设计思路 根据毕业设计题目要求，首先确定轮胎装配机器人为六自由度机器人，最大负载 30kg ， 可实现汽车生产线上汽车轮胎的自动装配，通过对传统汽车生产装配线的考察和调研，深 入了解分析装配过程，定义动作要求和动作范围 ，即将轮胎从料架取下，移动到 安装位 置 并定位，然后进行装配作业，最后离开安装位置，整个过程需要平稳操作，精确 定位， 安 装合理。 鉴于以上情况 ，轮胎装配机器人主要承载轴采用 AISI 1045 钢，保证足够 的刚度和强度， 从而保证精度，底座采用铸铁，确保稳定性要求；因为整个机器人机身和负载都比较重， 还要实现运动的精确可控性，因此采用交流伺服电机驱动，从而实现快速响应和工作平稳 的要求。 2 . 轮胎装配机器人方案优化 通过对其他机器人设计的考察得知，该类机械臂的设计主要有以下四种形式，下 面将 逐个介绍其结构和特点，通过比较得出最优方案： （ 1 ）直角坐标型机器人： 直角坐标型装配机器人的结构在目前的产业机器人中是最简单的。 如图 21，臂部由 三个相互正交的移动副组成，带动腕部分别沿 X、 Y 、 Z 三个坐 标轴的方 向作直线 移动。 它 具有操作简便的优点 ,被用于零部件的移送、简单的插入、旋拧等作业。 在机构方面 ,大部 分装备了球形螺丝和伺服电动机 ,具有可自动编程 , 速度快、精度高等特点。 但所占空间较 大，工作范围相对较小。 图 21 直角坐标机器人 7 毕业设计说明书论文 36296518 原创通过答辩 轮胎装配机 器人结构设计 （ 2 ）圆柱坐标型机器人： 圆柱坐标型机器 人的结 构也比 较简单，如图 2 2，臂部 由一个 转动副 和两个移动 副组 成，相对来说，所占空间较小，工作范围较大，应用较广泛。 （ 3 ）垂直多关节型机器人： 图 22 圆柱坐标机器人 垂直多关节型机器人是根据人的上肢而设计的，如图 23，它的最下 面是一个承载能 力很强的动力型旋转关节，前三个转动关节、腰关节绕 Z轴转动，臂的两个关节绕平行于 Y 轴的两轴线转动，它利用顺序的三个圆弧运动来改变手的空间位置。 关节型机器 人以臂部 各相邻部件的相对角位移为运动坐标，结构紧凑，操作灵活性最好，所占空间小，运动 速 度较高，操作范围大，能在狭窄空间内饶过各种障碍物。 但其精度受手臂姿势的影响，实 现高精度运动有一定的困难。 图 23 垂直多关节机器人 8 毕业设计说明书论文 36296518 原创通过答辩 上海理工大学毕业设计（论文） （ 4 ）平面关节型 (S CARA)装配机器人 平面关节型 ( SCARA)装配机器人是 由山梨 大学工学部精密工学研究所开 发完成的。 目 前在装配生产线上应用的数量最多 ,它是一种精密型装配机器人 , 具有 速度快、精度高、 柔 性好等特点 ,如图 24 ，采用交流伺服电机驱动 ,其重复位置精度达到了 0 .1025mm,可应用于 电子、机械和轻工业等有关产品的自动装配、搬运、调试等工作 ,适 合于工厂柔 性自动 化 生产的需求。 由于这种机器人所具有的各种特性符合用户的需求 ,因 此需求量迅 速上升。 但因为所承受载荷有限，所以不能用于重型装配。 图 24 平面关节型（ SCARA）装配机器人 （ 5 ）极坐标型机器人： 极坐标型机器人利用两个转动和一个移动来改变手的空间位置，如图 1 4，产生沿手 臂轴 X的直线移动，绕基座 轴 Y 的转动和绕关节轴 Z的摆动。 其手臂可作 绕 Z 轴的俯仰 运动， 能抓取地面上的物体。 这种机器人的特点是结构紧凑，所占空间小，运动灵活， 并能扩 大 机器人的工作空间，但旋转关节反映在末端执行器上的线位移分辨率是一个变量，精度 难 以保证。 图 25 极坐标机器人 9 毕业设计说明书论文 36296518 原创通过答辩 轮胎装配机器人结构设计 根据上面几种机器人结构特点比较，由于关节型机械臂动作灵活，所占空间小，工作 范围大，能在狭窄空间内饶过各种障碍物的特性，所以决定采用垂直多关节型装配机器人， 可以实现六个自由度，这样可以在空间上的任 意一点 , 确定任 意姿势， 平稳快速 的实现 汽 车轮胎的搬运和装配。 2 .2 机械臂设计要求 轮胎装配机器人的自由度为 6，且全部为转动关节，如图 26 所示为轮胎装配机器人的 总体结构图。 第 1 个关节即底盘关节的运动是由伺服电机传递动力而 产生回转运 动，底 盘 关节上的伺服电机通过齿轮传动驱动腰的俯仰运动，另一个伺服电机通过减速电机直接驱 动大臂的俯仰运动，后 3个关节的伺服电机驱动着手腕的回转、夹持器 的摆动以及夹持器 的周转运动 .前 3 个关节 J J J 3 控制着机器人末端执行器的位置，而后 3个关 节 S1 、 S S 3 控制机器人末端执行器的姿态。 图 26 装配机器人结构图 轮胎装配机器人预订设计规格如表 2 1。 表 21 轮胎装配机器人设计规格 10 控制轴数 3（垂直多关 节） 负载 2 0kg 重复定位 精度 177。 0. 2mm 第四关节 J4 轴（腕部扭转） 540176。 第五关节 J5 轴（腕部俯仰） 180176。 第六关节 J6 轴（腕部回转） 330176。 毕业设计说明书论文 36296518 原创通过答辩 上海理工大学毕业设计（论文） 轮胎装配机器人设计尺寸及工作空间如图 2 7。 图 27 轮胎装配机器人设计尺寸和工作空间 11 第四关节 J4 轴（腕部扭转） rad/s, 360176。 /s 第五关节 J5 轴（腕部俯仰） rad/s, 90176。 /s 第六关节 J6 轴（腕部回转） rad/s, 180176。 /s 第四关节 J4 轴（腕部扭转） 44 N178。 m 第五关节 J5 轴（腕部俯仰） 44 N178。 m 第六关节 J6 轴（腕部回转） 22 N178。 m 第四关节 J4 轴（腕部扭转） kg178。 m178。 m 第五关节 J5 轴（腕部俯仰） kg178。 m178。 m 第六 关节 J6 轴（腕部回转） kg178。 m178。 m 温度 0℃～ +45℃ 湿度 20—— 80%RH（不结露） 振动 小于 /s^2 机械臂部分重量 6 5kg 驱动方式 交流伺服电机驱动 毕业设计说明书论文 36296518 原创通过答辩 轮胎装配机器人结构设计 2 .3 机器人运动机构设计分析 2 . 小臂旋转机构设计 根据轮胎 装配机器人功能需求，设计小 臂旋转机构，首先选定传 动 方 式，主要通过对 比同步带轮传动和齿轮传动，得出结论：齿轮传动与带传动相比虽然制造、安装精度要求 较高，成本也较高，而且不宜作远距离传动。 但是其传递动力大、效率高，寿命长，工作 平稳，可靠性高，能保证恒定的传动比，能传递任意夹角两轴间的运动。 因此选用一对啮 合齿轮来传递电机的驱动，从而带动固定在另一齿轮上的 S1轴转动，小臂旋转机构设计 如图 28。 1. 轴的安装方式和轴承的选用 图 28 小臂旋转机构 根据 S1 轴所受较大轴向力的情况，选用一 端固 定一段支撑的轴承固定 方式， 结合 受 力情况选择交叉滚柱轴承和滚针轴承。 图 29 为交叉滚柱轴承的二维 表示。 图 29 交叉滚柱轴承安装形式 交叉滚柱轴承广泛用于工业机器人领域，在此就 THK 的交叉滚柱轴承为例，如图 210 ， 特点如下： 交叉滚柱轴承的 滚珠通过间隔保持器，在 呈 9 0176。 的 V 形 滚槽滚 动面上 相互垂直排列， 12 毕业设计说明书论文 36296518 原创通过答辩 上海理工大学毕业设计（论文） 因此一个轴承就可承载径向负荷、轴向负荷以及力矩负荷等各个方向的负荷。 内 外圈的 尺 寸不仅实现了最大程度的紧凑化，而 且还具有很高的刚性，非常适合于工业用机器人的关 节部及旋转部、加工中心的旋转工作台、机械手旋转部、精密旋转工作台、医疗 设备、 测 量仪器、 IC 制造装置等用途。 图 210 交叉滚柱轴承 垂直排列的滚柱通过滚子间装有的间隔保持器，防止了滚柱侧倒以及因滚柱之间相互 摩擦引起的旋转扭矩增加，不会产生滚柱的单侧接触现象或自锁现象，另外，通过调整轴 承间隙、施加予压，可实现高精度的旋转运动。 而且承受载荷比较大，刚度较大 ，两分 割 的外圈或内圈在装入滚柱和间隔保持器，后就被固定在一起不会分离，因此安装 时的操作 非常简单。 由于支承端承受 的。