串连机器人设计.doc

学号成绩交通与机械工程学院串联机器人设计说明书设计名称 机器人技术大作业 学 院 交通与机械工程学院 专业年级 机械电子工程 2012级 姓 名 林巧智 2013 年 5 月 30 日 串联机器人设计说明书 一、 设计任务构思和设计一种串联式焊接机器人，6自由度，保证工作空间为1立方米的矩形。二、 设计要求1. 要求设计机器人的运动方案和结构方案、尺寸设计；2. 说明机器人如何实现动作的，描述工作原理；3. 列出机器人的各运动参数，推导运动学方程；4. 绘出各部分的工作原理图和结构图；5. 机器人运动方案用机构简图表达，结构图用二维或三维模型表达。三、大作业提交形式1.设计说明书1份，有设计附图；2.做一次作品设计过程演示，交PPT电子版。第一章 机器人整体设计1.1 尺寸设计 操作机的工作空间：机器人操作机正常运行时，末端执行器坐标系的原点能在空间活动的最大范围；或者说该原点可达点占有的体积空间。这一空间又称可达空间或总工作空间，记作W(P)。灵活工作空间：在总工作空间内，末端执行器可以任意 姿态达到的点所构成的工作空间，记作Wp (P)。次工作空间：总工作空间中去掉灵活工作生间所余下的部分，记作Ws (P)。根据定义，工作空间有: 。 如图1所示的3R操作机，由三杆L1，L2，和H组成。后两杆的长度之和小于L1的长度。取手心点P 为末端执行器的参考点，令l1，l2 分别为L1，L2 杆的长度，h为手心点P 到关节点O3的长度(即H杆的长度)，则：圆C1:半径为，圆C4:半径为，分别是该操作机的总工作空间的边界。它们之间的环形而积即W(P) 。圆C2:半径为 ， 圆C3:半径为 ，分别是灵活工作空间的边界。它们之间的环形面积即Wp(P)。圆C1到圆C2之间；圆C3到圆C4之间两环形面积即为次工作空间。 图1-1 3R机械手的工作空间图假设3R机器人大臂长538.14mm，小臂长433.07mm，手腕长为73.07mm。工作空间的半径为R=l2h，即为360mm，则最大内接正方形边长为510mm。要求此机械手的工作空间为1m³。则比例系数为1.96倍。所以此次设计的3R机器人的大臂长为1055mm，小臂长为849mm，手腕长为143.3mm。1.2原理描述 xy 图 1-2 运动结构图 图 1-3 运动简图此机器人设计成3R，具有六自由度的机器人，六个关节都是转动关节，如图2-1和图2-2所示。1.3 运动副空间机构（包括串联机构、并联机构和混联机构）大多数都是由低副构成。常见的低副有转动副R、移动副P、球面副S、胡克铰链T和螺旋副H等，它们是组成运动链的主要构件，也是构成串联机器人的主要元素。如图2.1所示：（a）移动副（P）（b）转动副（R）（c）球面副（S）（d）虎克铰链（T）（e）螺旋副（H）图1-4 运动副(a) 移动副P：两个构件沿公共轴线相对直线移动，具有一个自由度。 (b) 转动副R：两个构件绕公共轴线相对转动，具有一个自由度。 (c) 球面副S：两个构件之间有3个以球面为中心的相对转动，具有三个自由度。 (d) 胡克铰链T：两个构件之间具有两个独立的相对转动，具有两个自由度。 (e) 螺旋副H：用于将回转运动转换成直线运动，只有一个自由度，这里设计的机器人手臂运用的是转动副，手腕处是球运动副。1.3.1球铰链球铰链可用德国INA公司生产的GLK系列45，结构如图1-5所示图1-5 GLK球铰链结构如图1-5所示球铰链的核心零件是一带螺栓的球体，其外表面布满小滚珠，再装在两个半球状的铰座中，借组片状导向环保持滚珠的均匀分布。在球体螺栓上紧固球面帽，以保证球铰接的密封。 图1-6 GLK系列球铰链结构图1-6为GLK系列球铰链的内部结构。GLK系列球铰链有F 和F两种规格，主要尺寸参数如表1-1所示：表1-1 GLK系列球铰链的主要参数型号质量/kg偏转角/××H/mmD/mmMa/mmMb/mmMc/mmF 2.320×20×36014470M20×1.5M17×1M40×1.5F 4.520×20×36018590M25×1.5M25×1.5M56×2本文设计的机械手结构要求小巧，故选择GLK F 型号球铰链。1.4 球轴承丝杠连接，球铰链连接和胡克铰链连接都需要球轴承。选择成对安装的角接触球轴承，并且是面对面的排列方式，这种轴承形式能承受双向的轴向载荷，承受能力随着接触角的增大而增加，并且通过预紧可以限制轴或者外壳的轴向位移，同时通过预紧可以增加轴承的刚度和旋转精度。这里的轴承固定形式采用全固式，轴承内圈分别通过轴肩和套筒固定，外圈则通过轴承端盖固定。对于角接触球轴承47的选择，这里选择依据是：（1）有效空间。轴承安装处的轴颈尺寸和安装空间是已知的，它们就是出不选择轴承类型的主要依据。（2）承载能力。滚动轴承的承载能力与轴承类型和尺寸有关，角接触球轴承可以同时承受径向载荷和轴向载荷的联合作用，其轴向载荷能力的大小随着接触角的增大而增大。（3）速度特性。滚动轴承的工作转速上升到一定限度后，滚动体和保持架的惯性力，以及极小的形状偏差，不仅导致运转状态的恶化，而且造成摩擦面见温度升高和润滑剂的性能变化，从而导致滚动体回火或轴承元件的胶合失效。在一定转速和润滑条件下，滚动轴承所能允许的最高转速称之为轴承的极限转速。它与轴承的类型，尺寸，精度，游隙，保持架的材料与结构，润滑方式，润滑剂的性质和用量，载荷的大小和方向以及散热条件等有关。一般来说，角接触球轴承具有较高的极限转速。（4）摩擦特性。存在于轴承内部各元件间的摩擦，不仅影响轴承的温升，功率损耗，承载能力和使用寿命，而且在各种控制仪表中，影响系统的精度和可靠性。轴承中的摩擦，是以摩擦力矩的大小度量的，一般来说，球轴承比滚子轴承的摩擦力矩小。调心性。由于孔外壳和轴的加工与安装误差，以及受载后轴的挠曲变形，轴和内外圈轴线在工作中不可能保持重合，会产生一定的偏斜，轴线的偏斜将引起轴承内部接触应力的不均匀分布，造成轴承的早期失效。轴承能够自动补偿轴和外孔壳中心线的相对偏斜，从而保证轴承正常工作状态的能力称为轴承的调心性。（5）运转精度。用滚动轴承支承的轴，其轴向及径向运转精度既与轴承零件的精度及弹性变形有关，也与相邻部件的精度及弹性变形有关。就轴承本身而言，滚动体的直径差，轴承的工作游隙及刚度等都不同程度地影响着轴承的运转精度。正确选用滚子轴承有利于提高轴承及轴的运转精度。（6）振动噪声特性。滚动轴承的振动和噪声实际上是由于某种原因产生的振动，通过与之相连的零部件传到机器里面，引起空气振动，即形成噪声。滚动轴承中最基本的振动是滚动体通过振动，即使滚动轴承的几何形状完全正确，承受径向载荷时，由于存在径向游隙，运转过程中滚动体逐渐进入和退出载荷区，使得内圈中心的径向位置发生周期性的变化，从而产生频率为滚动体公转速度与滚动体个数乘积的振动，即滚动体通过振动。降低轴承的振动和噪声，除了提高轴承及支座的设计水平，制造精度和安装质量外，还可通过适当减小径向游隙，采用间隙调整和预紧装置，使用性能良好的润滑剂等措施。此外轴承的选用还应考虑工作性能。选用的GB/T292-1994,7205AC/DF型成对安装角接触球轴承。第二章 机器人各部分设计2.1 机身设计 机身是由回转缸与升降缸单独驱动的回转机身，如图2-1所示。升降油缸在下，回转油缸在上。升降运动由活塞1驱动，靠考升降活塞杆内花键套2导向。回转运动靠摆动油缸5驱动。因摆动缸安置在升降活塞杆的上方，故活塞杆尺寸要加大。1-活塞； 2-花键套； 3-花键轴； 4-升降油缸； 5-摆动油缸； 6-摆动缸定片； 7-摆动缸动片 图 2-1 回转缸与升降缸单独驱动的会转型机身2.2 臂部设计 图2-2所示，手臂做回转运动的机构，活塞油缸两腔分别进压力油，推动齿条活塞作往复移动，而与齿条啮合的齿轮及作往复回转，由于齿轮与手臂固联，从而实现手臂的回转运动。图 2-2油缸和齿轮齿条手臂机构2.3 腕部设计 如图2-3所示，齿轮，链轮传动实现手腕的偏转，仰俯和回转三个自由度的运动的手腕结构示意图。工作原理如下：当油缸1中的活塞做左右移动时，通过链条链轮2，锥齿轮3和4带动花键轴5和6转动，而花键轴6与行星架9连成一体，因而也就带动行星架做偏转运动，即为手腕所增加的360°的偏转运动。由于增加了花键6的偏转运动，将诱使手腕产生附加俯仰和回转运动。这两个诱导运动产生的原因是当B轴和S轴不动时，齿轮21和23是相对不动的，由于行星架9的回转运动，势必带动齿轮22绕齿轮21和齿轮11绕齿轮23转动，齿轮22的自转通过锥齿轮20,16,17,18传递到摆动轴19，引起手腕的诱导俯仰运动。而齿轮11的自转通过锥齿轮12,13,14,15传递到手部夹紧缸的壳体，是手腕做诱导回转运动。同样当S，T轴不动时，B轴的转动也会诱使手部夹紧缸的壳体做附加回转运动。1-油缸； 2-链轮； 3，4-锥齿轮； 5,6-花键轴； 7-传动轴； 8-腕架； 9-行星架； 10,11,22,24-圆柱齿轮； 12,13,14,15,16,17,18,20-锥齿轮； 19-摆动轴； 21，23-双联圆柱齿轮； 25-传动轴 图 2-3 齿轮链轮传动三自由度手腕原理图2.4 电机选择2.4.1主回转轴电机选择主电机传动比选择：主回转轴电机转矩，转动惯量计算： 根据转矩、转动惯量选择电机型号：松下电机MGMA 3KW，额定转矩28.4N·m，最大转矩，63.7N·m，电机转动惯量，额定转速1000r/min,最大转速，2000r/min，外形分类F型。2.4.2大臂摆动电机选择大臂摆动电机选用：传动比选择：电机转矩，转动惯量计算：根据转矩、转动惯量选择电机型号：松下电机MGMA 3KW，额定转矩28.4N·m，最大转矩，63.7N·m，电机转动惯量，额定转速1000r/min,最大转速，2000r/min，外形分类F型。2.4.3大臂转动电机选择大臂转动电机选用：传动比选择：电机转矩转、动惯量计算：根据转矩、转动惯量选择电机型号：松下电机MGMA 900W，额定转矩8.62N·m，最大转矩，19.3N·m，电机转动惯量，额定转速1000r/min,最大转速，2000r/min，外形分类D型。2.4.4小臂摆动电机选择小臂摆动电机的选择：传动比选择：根据转矩、转动惯量选择电机型号：松下电机MGMA 900W，额定转矩8.62N·m，最大转矩，19.3N·m，电机转动惯量，额定转速1000r/min,最大转速，2000r/min，外形分类D型。2.4.5小臂转动电机选择小臂转动电机选择： 传动比选择： 根据转矩、转动惯量选择电机型号：松下电机MDMA 750W，额定转矩3.57N·m，最大转矩，10.7N·m，电机转动惯量，额定转速2000r/min,最大转速，3000r/min，外形分类D型。2.4.6手腕摆动电机选择手腕摆动电机选择传动比选择：根据转矩、转动惯量选择电机型号：松下电机MQMA 200W，额定转矩0.64N·m，最大转矩，0.91N·m，电机转动惯量，额定转速3000r/min,最大转速，5000r/min，外形分类A型。第三章 运动学方程3.1建立坐标系 图 3-1 3R机器人的六杆操作机及各连杆的坐标系3R机器人的六杆及赋给各杆的坐标系。3R机器人有六个转动关节且两个转动关节的轴线相较于一点，共六个自由度：杆1绕固定坐标系的Z0轴旋转；杆2绕杆1坐标系的Z1轴旋转；杆3绕杆2坐标系的Z2轴旋转；杆4绕杆3坐标系的Z3轴旋转；杆5绕杆4坐标系的Z4轴旋转；杆6绕杆5坐标系的Z5轴旋转。机器人手爪夹持工件时，需确定它于被夹持工件上固连坐标系的相对位置关系和相对姿态关系。3.2 3R机器人正解表3-1 3R机器人各连杆的参数杆件号关节转角扭角杆长a距离d10°-90°0020°0°0d23-90°-90°a2040°90°a3d450°90°0060°0°00根据上表所示的机器人各连杆的参数和齐次变换矩阵公式，可求得：求得所有变换矩阵： 求末杆的位姿矩阵：3. 3 3R机器人逆解将3R的运动方程可以写作如下形式：若末端连杆的位姿已经给定，即 为已知，则求关节变量 的值称为运动逆解。1. 求式中,正、负号对应于 的两个可能解。2. 求则得两方程：由上式可得：式中,正、负号对应于 的两个可能解。3. 求综上说述：6求5求4求第四章 3R机器人附录 xy运动结构图 运动简图 各连杆操作坐标3R机器人三维图