三轴驱动机器人结构设计分析方案.docx
《三轴驱动机器人结构设计分析方案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《三轴驱动机器人结构设计分析方案.docx（41页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
三轴驱动机器人结构设计分析方案
三轴驱动机器人结构设计方案
20世纪中叶之后，生产力已高度发展，已有了高度自动化的机械设备。
但由于市场的激烈竞争，只有产品多样化和不断更新换代，才能适应人们更高的现代需要。
1961年美国Unimation公司推出第一部实用的工业机器人，由于它适应柔性自动化要求，因而得到了很快的发展。
今天的机器人已经广泛应用于工业生产上。
机器人的广泛应用，对人类社会的影响决不亚于蒸汽机出现对人类的影响，它极大提高了劳动生产率，提高了产品质量，降低了成本，还极大的减轻了人的劳动强度，改善了劳动条件，所以世界上先进国家都在努力发展机器人技术。
⑴
机器人是先进制造技术和自动化装备的典型代表，是人造机器的“终极”形
式。
它涉及到机械、电子、自动控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成，因此它的发展与众多学科发展密切相关。
一方面，机器人在制造业应用的范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高，功能越来越强，并向着成套技术和装备的方向发展；另一方面，机器人向着非制造业应用发展以及微小型方向发展，并将服务于人类活动的各个领域。
[2]
机械手在工业生产中的应用极为广泛：
（1）建造旋转体零件（轴类、盘类、环类）自动线；
（2）在实现单机自动化方面；（3）铸、锻、焊、热处理等热加工方面。
还有具有感知能力并能对感知的信息作出反应的工业机械手称为智能机械手，它是现代机器人的发展方向。
利用机械手或类似机械设备节省人力和实现生产合理化的要求，机械手的应用必将飞跃发展。
[3]智能机器人的开发是
机器人应用的全新领域。
⑷
工业机器人是一种提高制造业生产力的工具。
它可以承担那些对人类可能有
危险的工作。
最早的工业机器人就曾用来在核能发电厂中更换核燃料棒。
工业机
器人也能在装配线上工作，如安装印刷电路板上的电子元器件。
这样，人们就可
以从这种单调的工作中解脱出来。
机器人还能拆除炸弹，为伤残人服务，为我们
的社会做各种各样的工作。
⑸
第一章绪论
1.1引言
工业机器人诞生于20世纪60年代,在20世纪90年代得到迅速发展，是最先产业化的机器人技术。
它是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域。
它的出现是为了适应制造业规模化生产，解决单调、重复的体力劳动和提高生产质量而代替人工作业。
在我国，工业机器人的真正使用到现在已经接近20多年了,已经基本实现了试验、弓I进到自主开发的转变,促进了我国制造业、勘探业等行业的发展。
机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。
在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。
机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，
抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。
当代柔性自动化生产的建立和广泛应用，取决于作为科技进步的催化剂的机床制造、机器人技术、计算机技术、微电子技术、仪器制造等技术的加速发展。
工业机器人是多品种的经常更换产品的生产过程自动化的通用手段。
在机械制造
中，工业机器人既有效地用于柔性生产系统组成工艺装备的基本工序中，也有效
地用于辅助操作中。
工业机器人与传统自动化手段不同之处，首先在于它在各种生产功能上的通用性和重新调整的柔性。
在柔性生产系统中，工业机器人广泛应用于数控机床、锻压机床、铸造机械和仓储设备上，以完成传送装备和其它操作。
工业机器人和基本工艺装备、辅助手段以及控制装置一起形成各种不同形式的机器人技术综合体一柔性生产系统基本结构模块。
机器人是先进制造技术和自动化装备的典型代表，是人造机器的“终极”形式。
它涉及到机械、电子、自动控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成，因此它的发展与众多学科发展密切相关。
一方面，机器人在制造业应用的范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高，功能越来越强，并向着成套技术和装备的方向发展；另一方面，机器人向着非制造业应用发展以及微小型方向发展，并将服务于人类活动的各个领域。
⑹
在理论上，随着世界经济和技术发展，人类活动领域的不断扩大，机器人应有正迅速向社会生产和生活的各个领域扩展，也从制造领域转向非制造领域，各种各样的机器人产品随之出现。
⑺SA70（单轴伺服机械手的设计，不但在技术上可以追踪机器人的发展趋势，而且还可以填补工业机器人的应用的空白，促进我国工业机器人的技术水平的提高和产业化水平的发展。
⑹
本次设计是根据对工业三自由度机器人的总体结构及传动系统的分析和探讨，进行三自由度工业机器人的结构设计。
关键在于三轴（臂）的传动系统的设计以及整体的结构设计。
1.2工业机器人的含义及技术概述
工业机器人的定义为：
一种能够自动定位控制，可重复编程的，多功能的，多自由度的操作机。
工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。
自从1962年
美国研制出世界上第一台工业机器人以来，机器人技术及其产品发展很快，已成为柔性制造系统（FMS）、自动化工厂（FA）、计算机集成制造系统（CIMS）的自动化工具。
机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序轨迹极其它要求,实现抓取，搬运工件或操做工具的自动化装置。
在我国由于大多数工业机器人所执行的工作为模拟人的手臂而工作，因而通常把工业机器人称做操作机械手。
智能机器人是机器人的发展方向，它具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。
具有触觉、力觉或简单的视觉的工业机器人，能在较为复杂的环境下工作；如具有识别功能或更进一步增加自适应、自学习功能，
即成为智能型工业机器人。
它能按照人给的“宏指令”自选或自编程序去适应环境，并自动完成更为复杂的工作。
1.3工业机器人的组成
工业机器人一般由执行系统、驱动系统、控制系统和人工智能系统组成。
如图1-1所示。
目前，具有人工智能系统的工业机器人即智能机器人还处于研究实验阶段。
而应用于生产实际的多数是那些具有执行系统、驱动系统和控制系统的工业机器人。
图1-1机器人的一般组成
要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构一一执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动-传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。
这些系统的性能就决定了机器人的性能。
对于现代智能机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。
目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，以及机器人的触觉装置。
机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机器人的。
要实现机器人所期望实现的功能，机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。
它们之间的相互关系如图1-2所示。
间的关系
机器人的机械系统主要由执行机构和驱动-传动系统组成。
执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动-传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。
驱动-传动系统主要包括驱动机构和传动系统。
驱动机构提供机器人各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。
有的文献则把机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。
其中的机械系统又叫操作机（Manipulator），相当于本文中的执行机构部分。
1.4工业机器人的发展及国内外发展趋势
一、工业机器人的发展历程
早在1954年美国乔治•德沃尔首次设计出第一台电子程序可编的工业机器人，并于1961年发表了该项专利。
1962年美国通用汽车公司投入使用，标志着第一代机器人诞生。
从此机器人开始成为人类生活中的现实。
之后日本
使工业机器人得到迅速的发展。
目前，日本已成为世界上工业机器人产量和拥有量最多的国家。
80年代，世界上生产技术的高度自动化和集成化，使工业机器人得以进一步发展，并在这个时代起着十分重要的作用。
第一代机器人，一般指工业上大量使用的可编程机器人及遥控操作机。
可编程机器人可根据操作人员所编程序完成一些简单重复性作业。
遥控操作机制每一步动作都要靠操作人员发出。
1982年，美国通用汽车公司在装配线上为机器人装备了视觉系统，从而宣告了第二代机器人一感知机器人的问世。
这代机器人，带有外部传感器，可进行离线编程。
能在传感系统支持下，具有不同程度感知环境并自行修正程序的功能。
第三代机器人为自治机器人，正在各国研制和发展。
它不但具有感知功能，还具有一定决策和规划能力。
能根据人的命令或按照所处环境自行做出决策规划动作即按任务编程。
我国机器人研究工作起步较晚，从“七五”开始国家投入资金，对工业机器及其零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发和研制。
1986年国家高技术研究发展计划开始实施，智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。
我国工业机器人起步于70年代初期，经过20多年的发展，大致经历了3个阶段：
70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。
70年代是世界科技发展的一个里程碑：
人类登上了月球，实现了金星、火星的软着陆。
我国也发射了人造卫星。
世界上工业机器人应用掀起一个高潮，尤其在日本发展更为迅猛，它补充了日益短缺的劳动力。
在这种背景下，我国于1972年开始研制自己的工业机器人。
进入80年代后，在高技术浪潮的冲击下，随着改革开放的不断深入，我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。
“七五”期间，国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人。
1986年国家高技术研
究发展计划（863计划）开始实施，智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。
从90年代初期起，中国的国民经济进入实现两个根本转变时期，掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮，我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。
中国工业机器人经过“七五”攻关计划、“九五”攻关计划和863计划的支
持已经取得了较大进展，工业机器人市场也已经成熟，应用上已经遍及各行各业。
虽然中国的工业机器人产业在不断的进步中，但和国际同行相比，差距依旧明显。
从市场占有率来说，更无法相提并论。
工业机器人很多核心技术，目前我们尚未掌握，这是影响我国机器人产业发展的一个重要瓶颈。
我国未来工业机器人技术发展的重点有：
第一，危险、恶劣环境作业机器人：
主要有防暴、高压带电清扫、星球检测、油汽管道等机器人；第二，医用机器人:
主要有脑外科手术辅助机器人，遥控操作辅助正骨等；第三,仿生机器人：
主要有移动机器人，网络遥控操作机器人等。
其发展趋势是智能化、低成本、高可靠性和易于集成。
二、工业机器人在工业、生产中的应用
工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工、金属制品业和简单装配等工序上，以及在原子能工业等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。
在日、美、西欧等一些工业发达的国家中，工业机器人得到越来越广泛的应用。
三、工业机器人在其他领域中的应用
随着科技的发展，机器人功能和性能的不断改善和提高，机器人的应用领域日益在扩大，其应用范围已不限于工业，还用于农业、林业、交通运输业、原子能工业、医疗、福利事业、海洋和深空探测等事业中。
四、工业机器人的发展趋势
机器人是先进制造技术和自动化装备的典型代表，是人造机器的“终极”形式。
它涉及到机械、电子、自动控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成，因此它的发展与众多学科发展密切相关。
当今工业机器人的发展趋势主要有：
（一）工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降。
（二）机械结构向模块化可重构化发展。
例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；有关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人。
（三）工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化，网络化；器件集成度提高，控制柜日渐小巧，采用模块化结构，大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。
（四）机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，视觉、力觉、声觉、触觉等多传感器的融合技术在产品化系统中已有成熟应用。
（五）机器人化机械开始兴起。
从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。
总体趋势是，从狭义的机器人概念向广义的机器人技术概念转移，从工业机器人产业向解决方案业务的机器人技术产业发展。
机器人技术的内涵已变为灵活应用机器人技术的、具有实际动作功能的智能化系统。
机器人结构越来越灵巧，控制系统愈来愈小，其智能也越来越高，并正朝着一体化方向发展。
五、我国工业机器人发展面临的挑战与前景
自从20世纪60年代人类制造了第一台工业机器人以来，机器人就显示出了极强的生命力。
经过40年的飞速发展，在工业发达国家，机器人已经广泛应用于汽车工业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、物流、制造业等诸多领域中。
尽管如此，我国工业机器人产业化却存在着巨大的问题。
除了众多历史原因造成制造业水平低下的原因外，更多的是对工业机器人产业的认识和定位上存在着不同观点。
首先，我国基础零部件制造能力差。
虽然我国在相关零部件方面有了一定的基础，但是无论从质量、产品系列全面，还是批量化供给方面都与国外存在较大的差距。
特别是在高性能交流伺服电机和精密减速器方面的差距尤其明显，因此造成关键零部件的进口，影响了我国机器人的价格竞争力。
第二，中国的机器人还没有形成自己的品牌。
虽然已经拥有一批企业从事
机器人的开发，但是都没有形成较大的规模，缺乏市场的品牌认知度，在机器人市场方面一直面临国外机器人品牌的打压。
国外机器人作为成熟的产业采用整机降价，吸引国内企业购买，而在后续的维护备件费用很高的策略，逐步占领中国市场。
第三，国家认识不到位，在鼓励工业机器人产品方面的政策少。
工业机器人的制造及应用水平，代表了一个国家的制造业水平，我们必须从国家高度认识发展中国工业机器人产业的重要性，这是我国从制造大国向制造强国转变的重要手段和途径。
第二章工业机器人的设计
机器人应用领域广泛，包括建筑、医疗、采矿、核能、农牧渔业、航空航天、水下作业、救火、环境卫生、教育、娱乐、办公、家用、军用等方面，工业机器人在国内主要应用于危险、有毒、有害的工作环境以及产品质量要求高（超洁、同一性）的重复性作业场合，如焊接、喷涂上下料、插件、防爆等。
2.1机械手的设计方法
机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序轨迹极其它要求，实现抓取，搬运工件或操做工具的自动化装置。
在我国由于大多数工业机器人所执行的工作为模拟人的手臂而工作，因而通常把工业机器人称做操作机械手。
机械手的特点：
（1）对环境的适应性强能代替人从事危险，有害的工作。
在长时间工作
对人体有害的场所，机械手不受影响，只要根据工作环境进行合理的设计，选择适当的材料和结构，机械手就可以在异常高温或低温，异常压力和有害气体，粉
尘，放射线作用下，以及冲压，灭等危险环境中胜任工作。
（2）机械手能持久，耐劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人的功能。
（3）由于机械手的动作准确，因此可以稳定和提高产品的质量，同时又可以避免人为的操作错误。
（4）机械手特点是通过用工业机械手的通用性，灵活性好，能很好的适应产品的不断变化，以满足柔性生产的需要。
2.1.1机械手的选择与分析
为实现机器人的末端执行器在空间的位置而提供的3个自由度，可以有不同的运动组合，通常可以将其设计成圆柱坐标型、直角坐标型、球坐标型、关节型、平面关节型五种形式。
直角坐标型直角坐标型机器人，其运动部分的三个相互垂直的直线组成，其工作空间为长方体，它在各个轴向的移动距离可在坐标轴上直接读出，直观性
强，易于位置和姿态的编程计算，定位精度高，结构简单，但机体所占空间大，灵活性较差。
根据本次设计的要求，三轴同时可以模拟操作员取出动作，并可以沿着规定路径连续运动，因此选择直角坐标型。
2.1.2直角坐标机器人的设计方法
（一）直角坐标机器人概念：
工业应用中，能够实现自动控制的、可重复编程的、多功能的、多自由度的、运动自由度建成空间直角关系、多用途的操作机。
他能够搬运物体、操作工具，以完成各种作业。
关于机器人的定义随着科技的不断发展，在不断的完善，直角坐标机器人作为机器人的一种，其含义也在不断的完善中。
图2-2典型直角坐标机器人
（二）直角坐标机器人的特点：
1、自由度运动，每个运动自由度之间的空间夹角为直角；
2、自动控制的，可重复编程，所有的运动均按程序运行；
3、一般由控制系统、驱动系统、机械系统、操作工具等组成。
4、灵活，多功能，因操作工具的不同功能也不同。
5、高可靠性、高速度、高精度。
6、可用于恶劣的环境，可长期工作，便于操作维修。
（三）直角坐标机器人的应用：
因末端操作工具的不同，直角坐标机器人可以非常方便的用作各种自动化设备，完成如焊接、搬运、上下料、包装、码垛、拆垛、检测、探伤、分类、装配、贴标、喷码、打码、（软仿型）喷涂、目标跟随、排爆等一系列工作。
特别适用于多品种、便批量的柔性化作业，对于稳定提高产品质量，提高劳动生产率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。
图2-3直角坐标机器人的应用
随着直角坐标机器人的应用越来越广泛，直角坐标机器人的设计工作日益显得重要。
成功的设计一台直角坐标机器人涉及到很多方面的工作，包括机械结构、动力驱动、伺服控制等等。
（四）机器人设计特点：
1机器人的设计是一个复杂的工作，工作量很大，涉及的知识面很多，往往需要多人完成。
2、机器人设计是面向客户的设计，不是闭门造车。
设计者需要经常和用户在一起，不停分析用户要求，寻求解决方案。
3、机器人设计是面向加工的设计，再好的设计，如果工厂不能加工出产品,设计也是失败的，设计者需要掌握大量的加工工艺及加工手段。
4、机器人设计是一个不断完善的过程。
（五）机器人设计流程：
1、使用要求的分析：
每一个机器人都是根据特定的要求的产生而设计的，设计的第一步就是要将使用要求分析清楚，确定设计时需要考虑的参数，包括：
机器人的定位精度，重复定位精度；机器人的负载大小，负载特性；
机器人运动的自由度数量，每自由度的运动行程；机器人的工作周期或运动速度，加减速特性；机器人的运动轨迹，动作的关联；
机器人的工作环境、安装方式；机器人的运行工作制、运行寿命；其他特殊要求；
2、机械模型初建：
机器人从机械结构分大体可分为龙门结构、壁挂结构，
垂挂结构，根据安装空间的要求选择不同的结构，每种结构的力学特性、运动特
性都是不一样的。
后续的设计必须是基于一个确定的结构
图2-4机器人的基本结构图
3、运动性能计算：
有关该性能的参数有：
平均速度：
V=S/t最大速度：
Vmax=at
加速度/减速度：
a=F/m
其中：
S为运动行程
t为定位运动时间
F加速时的驱动力
M运动物体质量和
4、力学特性分析
一个机器人是由许多定位单元组成的，每根定位系统都要分析。
需要分析的项目如下：
图2-5力学分析图
水平推力Fx正压力Fz侧压力Fy
MxMyMz
5、机械强度校核:
每个定位单元，每个梁都要进行校核，尤其双端支撑梁和悬臂梁
1）挠度变形计算
图2-6挠度变形图
F:
负载（N）;
L:
定位单元长度（mrh；
E:
材料弹性模量；
I:
材料截面惯性矩（mm4）;
f:
挠度形变（mm
注意：
在计算挠度形变时，梁的自重产生的变形不能忽视，梁的自重按均布载荷计算。
以上公式计算的是静态形变，实际应用中，因为机器人一直处于运动状态，必须计算加速力产生的形变，形变直接影响机器人的运行精度。
2）扭转形变计算：
当一根梁的一端固定，另一端施加一个绕轴扭矩后，将产生扭曲变形。
实际应用中产生该形变的原因一般是负载偏心或有绕轴加速旋转的物体存在。
&驱动元件选择
常用的驱动系统有：
交流/直流伺服电机驱动系统、步进电机驱动系统、直线伺服电机/直线步进电机驱动系统。
每一个驱动系统都由电机和驱动器两部分组成。
驱动器的作用是将弱电信号放大，将其加载在驱动电机的强电上，驱动电机。
电机则是将电信号转化成精确的速度及角位移。
需要计算的项目如下：
电机功率：
电机扭矩：
电机转速：
减速机减速比
电机惯量/负载惯量的匹配关系
图2-7扭转力矩分析图
7、机械结构设计
在完成了前面六项工作后，一个直角坐标机器人定位系统的雏形就已经在设计者的头脑中形成了，接下来的工作就是将雏形画成工程图，以便生产。
机器人
的运动轨迹具有不确定性，灵活多变，往往在一个位置不存在位置干涉，但到下一个位置就干涉了。
8、设备寿命校核
机械结构设计完成后，要对整台设备进行寿命计算，核心元件的寿命到要计算，如机器人轨道的寿命，减速机的寿命，伺服电机的寿命等。
机器人的运行寿命与运行速度、负载大小、结构形式、工作环境、工作制等有关。
如果发现机器人的运行寿命太短，需要重新调整设计。
以上为一个机器人机械结构部分的设计方法，至于控制系统部分这里不加说明。
2.2机械手的结构设计
2.2.1机器人的总体设计
（一）主体结构设计
工业机器人主体结构设计的主要问题是选择由连杆件和运动副组成的坐标形式。
本次设计的三轴伺服驱动机器人的坐标形式是直角坐标式机器人，主要完成3轴可以同时模拟操作员取出动作，能连续运动并有C轴水平旋转功能。
（二）传动方式
传动方式选择是指选择驱动源及传动装置与关节部件的连接形式和驱动形式，主要包括：
（1）直接连接传动：
驱动源或带有机械传动装置直接与关节相连。
（2）远距离连接传动：
驱动源通过远距离机械传动后与关节相连。
（3）间
接驱动：
驱动源经一个速比远大于1的机械装置与关节相连。
（4）直接传动：
驱动源不经过中间环节或经过一个速比等于1的机械传动这样的中间环节与关
节相连。
（三）模块化结构设计
模块化机器人是有一些标准化、系列化的模块件通过具有特殊功能的结合部用积木拼接的方式组成一个工业机器人系统。
模块化设计是指基本模块设计和结合部设计。
模块化工业机器人主
升级会员 