北航专业课程设计3R机器人Word文档格式.docx

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1、设计题目：

2、设计要求

（1）设计要求一

型号

RB03

驱动方式

交流伺服驱动

有效负载

3Kg

重复定位精度

±

0.05

运动

范围

J1轴

170°

J2轴

-60°

~+150°

J3轴

-170°

~75°

J4轴

190°

J5轴

125°

J6轴

360°

额定

速度

2.62rad/s

3.14rad/s

4.71rad/s

（2）设计要求二

周围环境

温度

0~45℃

湿度

20~80%（不结露）

其他

1、避免与易燃易爆及腐蚀性气体、液体接触；

2、勿溅水、油、粉尘等；

3、远离电器噪音源（等离子）。

安装方式

地面安装

电柜质量

125Kg

本体质量

75Kg

180Kg

3R机器人设计图如下

3、设计任务

（1）完成3R机器人总体方案设计和论证，绘制总体原理方案图。

（2）完成主要传动部分的结构设计。

（3）完成装配图一张（用A0图纸），零件图2张（A3）。

（4）编写设计说明书1份。

二、国内外研究现状

自上世纪90年代以来，随着计算机技术、微电子技术和网络技术的迅猛发展，机器人技术也得到了飞速发展。

原本用于生产制造的工业机器人水平不断提高，各种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展。

机器人的各种功能被相继开发并得到不断增强，机器人的种类不断增多，机器人的应用领域也从最初的工业控制拓展到各行各业，从军事到民用，从天上到地下，从工业到农业、林、牧、渔，从科研探索到医疗卫生行业，从生产领域到娱乐服务行业，甚至还进入寻常百姓家。

工业机器人的结构形式很多，常用的有直角坐标式、柱面坐标式、球面坐标式、多关节坐标式、伸缩式、爬行式等等，根据不同的用途还在不断发展之中。

根据不同的应用场合可采取不同的结构形式，但目前用得最多的是模仿人的手臂功能的多关节式的机器人，这是因为多关节式机器人的手臂灵活性最大，可以使空间位置和姿态调至任意状态，以满足需要。

理论上讲，机器人的关节愈多，自由度也愈多，关节冗余度愈大，灵活性愈好；

但同时也给机器人逆运动学的坐标变换和各关节位置的控制带来复杂性。

进入21世纪，世界经济结构正在发生重大而深刻的变革，但制造业依然是世界各发达与发展中国家加快经济发展、提高国家综合竞争力的重要途径。

我国是一个制造业大国，尚处于工业化进程之中，在未来相当长的时期里，制造业仍将在国民经济中占主导地位。

在新一轮国际产业结构调整中，我国正逐步成为世界最重要的制造业基地之一。

然而目前我国装备制造业的整体水平与发达国家相比尚有较大的差距，尤其是在战略必争装备技术与竞争前核心技术、基础制造装备与成套关键装备制造技术等方面差距更大，这种差距又主要体现在先进装备的自主设计与独立制造能力差，成套与系统集成、优化能力差，技术创新和集成创新能力差。

这些差距已经成为制约我国制造业乃至其他行业经济发展的关键瓶颈问题之一。

三、总体方案设计

3.1设计思路的确定

为实现总体机构在空间位置提供的6个自由度，可以有不同的运动组合，根据本课题的要求现可以将其设计成关节型机器人。

关节型又称回转坐标型，这种机器人的手臂与人体上肢类似，其前三个关节都是回转关节，这种机器人一般由立柱和大小臂组成，立柱与大臂间形成肩关节，大臂和小臂间形成肘关节，可使大臂作回转运动和使大臂作俯仰摆动，小臂作俯仰摆动。

其特点是工作空间范围大，动作灵活，通用性强、能抓取近距离的物体，工艺操作精度高。

3.2传动方案的确定

上图为机械臂传动系统的简图。

交流伺服电机1通过减速器与立柱同轴转动，带动整个机械臂做腰转运动；

交流伺服电机2通过减速器带动大臂做肩关节的转动；

同理，交流伺服电机3带动小臂转动（位置可根据需要调整）。

3.3驱动装置的选择

3.3.1驱动方案的分析

由于驱动方式为交流伺服驱动，所以我们采用的是交流伺服电机配以行星齿轮减速器的方式

交流伺服电机的特点：

1.输出功率较大，可满足负载要求；

2.电机及电源的投资花费少，使用成本低；

3.结构简单。

3.3.2电机选型与计算

J3处电机功率的估算：

P3'

=F∙v=mg∙ω3∙r=3×

9.8×

3.14×

0.191W=17.63W

考虑之间杆臂上的质量，取系数k=1.2，

P3=17.63×

1.2=21.2W

J2处电机功率的估算：

取最大臂长0.5计算；

估算两臂重1.2kg（材料初步定为铝合金，密度估算为2.7g/cm3，长0.5米，宽高皆估为3cm）

P2=F∙v=m‘g∙ω2∙R=3+1.22×

2.62×

0.5W=46.22W

J1处电机功率的估算：

将转动惯量等效至J1轴，等效转动惯量为：

J=mr2=3×

0.52+1.2×

0.252=0.825kg∙m2

取加速时间∆t=1s，ω=2.62rad/s，α=2.62rad/s2

故转矩M=J∙α=0.825×

2.62N∙m=2.1625N∙m

功率P1=n1M9550=2.62×

2.1625×

602π×

9.550W=6.0W

所以我们最终选择了60CB020C-010000型号的交流伺服电机。

3.4减速器的选择

电机的额定转速为3000rpm，J1轴的设计转速为2.62rad/s，J2轴的设计转速为2.62rad/s，J3轴的设计转速为3.14rad/s，故各关节的传动比为i1=120,i2=120,i3=100.

最终，在J1轴处，我们选用了PF40行星减速器，其减速比为120：

1，额定转矩为28N∙m；

在J2和J3轴处，我们选用了WPL60直角型行星减速器，减速比分别为120：

1和100：

1，额定转矩为72N∙m。

四、机械系统的结构及二维图设计

4.1机械系统的结构设计

1、动力源

根据前述计算结果我们选择了60CB020C-010000型交流伺服电机，额定功率200瓦，转矩0.64N*m，额定转速3000r/min，三个关节的额定转速分别为J1=2.62r/s，J2=2.62r/s，J3=3.14r/s，根据以上额定转速，分别选择减速比为120：

1，120：

1的普通减速器，详细型号参数见上文。

将其作为动力源，驱动机械臂的运动。

2、传动机构

机械臂传动机构采用最直接的键连接的方法进行传动，由于电机输出经过减速器的减速，输出的速度与所需转速一致，同时电机输出轴与需要驱动的机械臂距离较短，可以直接驱动，因此采用键连接的方式直接驱动。

最下方电机输出轴所选键为键6*20，另外两个电机输出轴所选键为4*20，具体计算见上文。

电机1与键的连接电机2与键的连接

电机3与键的连接

3、导向支撑机构

（1）底座电机的支撑机构

底座电机的支撑机构采用推力轴承与调心圆锥滚子轴承的组合结构，推力轴承可以保证机械臂上部分与底座的轴向定位，同时减少两者之间的转动摩擦，减少损耗；

调心圆锥滚子轴承可以保证机械臂上部分与底座的径向定位，防止机械臂的径向摇摆。

调心圆锥滚子轴承内圈采用双向固定，外圈采用单向固定，另外一个方向的固定由推力轴承来承担。

二维图如下图所示：

（2）大臂电机的导向支撑结构

大臂电机的支撑结构仅采用一对深沟球轴承，分别与大臂1和大臂2进行连接，减少大臂转动时与立柱的摩擦，同时提供支撑。

轴承采用两端单向固定方式，用立柱轴肩和大臂轴肩进行固定。

大臂之间采用结构件进行连接，同时采用垫片，使两个大臂之间的距离可调。

二维图如下：

减速器

（3）小臂电机的导向支撑机构

小臂电机支撑机构同样如大臂电机，采用一对深沟球轴承连接方式如上述，定位方式同样采用轴肩进行两端单向定位。

小臂

（4）所用轴承列表

轴承位置

轴承型号

数量

底座电机支撑

滚动轴承51220

1

滚动轴承23120

大臂电机支撑

滚动轴承6201

2

小臂电机支撑

4、机架部分

机架部分由底座，转盘，立柱组成；

底座内部提供底座电机的安装空间，外部提供调心滚子轴承的安装位置。

转盘下部提供推力轴承的安装位置，中心钻孔，与减速器输出轴接触。

立柱与转盘通过螺钉相连，上部分提供电机，滚子轴承安装位。

5、连接零件

连接零件采用螺钉，螺栓连接，保证零件间的固联。

零件列表如下：

连接件位置

连接件型号

挡环连接

内六角螺钉M5×

12

4

底座电机与减速器连接

螺栓M5×

16

M5螺母

其他电机与减速器连接

14

8

电机与底座连接

内六角螺钉M6×

15

转盘与立柱连接

螺钉M6×

11

其他电机与机座的连接

连接件与大臂的连接

螺钉M4×

10

4.2二维图设计

通过三维装配体导入成二维图，在进行修改，得到二维装配体图。

二维图见零号图纸

二维零件图见两张3号图纸

五、机械臂三维模型设计

1、设计过程

三维图零件设计基于我们初步选择的电机和减速器尺寸；

（1）首先建立电机和减速器三维实体模型

（2）根据电机和减速器尺寸设计相应机架和机械手臂尺寸，机械手臂长度由初步设定的手臂长度来确定。

（3）根据设计轴，孔尺寸生成适合尺寸的轴承

（4）根据轴承尺寸在机架手臂上添加固定轴承的轴肩，定位孔

（5）设计螺钉，螺栓的定位孔。

（6）生成相应合适尺寸的螺钉，螺栓

（7）对装配图进行装配

2、三维图简图

（1）三维装配体简图：

爆炸视图如下图：

（2）三维零件图预览

大臂零件图立柱零件图

转盘零件图

六、控制部分

6.1交流伺服电机

我们所选择的电机型号为60CB020C-01000，技术数据如下：

规格型号

单位

60CB020C-010000

60CB040C-010000

60CB060C-010000

货物编码

031702

031752

031802

额定输出功率

W

200

400

600

额定转矩

N·

m

0.64

1.27

1.91

瞬间最大转矩

3.82

5.73

额定转速

rpm

3000

最高转速

3600

电机转子惯量

kg·

cm2

0.17

0.3

0.44

转矩系数

m/A

0.712

额定相电流

A

2.5

3.73

瞬间最大相电流

3.69

7.33

11.0

电枢绕组相电阻

Ω

13.0

5.58

3.0

电枢绕组相电感

mH

31.87

17.33

10.07

机械时间常数

ms

1.52

1.08

0.91

电气时间常数

2.45

3.11

3.36

重量

kg

1.0

1.4

1.8

编码器

P/R

2500

负载惯量

负载惯量≤电机转子惯量×

10（倍）

适配驱动器

GS0020A

GS0040A

GS0075A

据此，选择驱动器为GS0020A.

6.2驱动器GS0020A

其命名规则如下：

技术特性：

输入电压：

小于1KW采用单相AC220V

反馈方式：

增量式编码器

控制方式：

采用外部输入模拟量速度控制，根据模拟量的幅值（0-10V）和极性控制电机的转速和方向。

驱动器总体尺寸：

6.3安装和接线

单相电源接线：

依说明书：

将电源通过非熔丝断路器、噪声滤波器、电磁接触器接到驱动器L1、L2两个借口上。

电机与驱动器连接：

将电机的U,V,W,FG，分别于驱动器连接，编码器转接线插入驱动器相应插口中。

与控制器的连接：

驱动器插口如下：

七、运动仿真分析

7.1建模

我们将Solidworks所建的三维模型导入到Adams里进行了仿真分析，

如下图：

7.2运动仿真

在三维零件的基础上，我们添加了若干运动付（Joints）以及重力和负载，在三个关节分别添加了Mo7tion，并编写了运动函数，完成了一系列动作。

7.3数据分析

7.3.1角速度和角加速度的分析

立柱

速度峰值为115deg/sec=2rad/s

角加速度峰值约为2πrad/s2

大臂

速度峰值为125deg/s=2.18rad/s

加速度峰值为1000deg/s2

速度峰值为265deg/s=4.6rad/s

角加速度峰值为1750deg/s2

7.3.2转矩分析

J1处转矩

转矩峰值为1.7N∙m，符合电机和减速器的转矩要求

J2处转矩

转矩峰值约为30N∙m，符合电机和减速器的转矩要求

J3处转矩

峰值为7.5N∙m，符合电机和减速器的转矩要求

八、有限元分析

8.1建模过程

分析的对象为如图红色大臂1：

电机输出轴与大臂末端以键的方式相固联：

1.在Solidworks中将此零件另存为成parasolid（*.x_t）格式，运行MechanicalAPDLProductLauncher14.5,点击File-Import-Para打开此文件。

2.生成节点和单元组成的网格之前，需要定义合适的单元属性，其中单元类型（ElementType）和材料常数（MaterialProps）是必须定义的。

定义单元类型：

点击Preprocessor-ElementType-Add，根据实际要求我选择的单元类型为Solid-Brick8node185。

定义材料常数：

点击Preprocessor-MaterialProps-MaterialModels-Structural，再点击Linear-Elastic-Isotropic,输入弹性模量（EX）为2.2e11，泊松比（PRXY）为0.3；

点击Density，输入密度为2700（机器人材料为铝合金，密度为2700kg/m3）

3.创建力的作用点：

点击Preprocessor-Modeling-Create-Keypoints，利用KPBetweenKPs命令，创建出如图所示的力的作用点（KP143）

8.2网格划分

建模基本完成，接下来进行网格划分：

点击Preprocessor-Meshing-MeshAttributes-PickedVolumes，点击选择整个零件，并选择单元类型（ElementType）和材料常数（MaterialProps）：

之后点击Preprocessor-Meshing-Mesh-Volumes-Free，选择整个零件，网格划分前后对比如图：

8.3有限元分析

开始进行有限元分析：

点击Solution-AnalysisType-NewAnalysis-Static开始分析。

限制自由度：

由于是静态分析，而电机输出轴和臂是用键相连，所以在分析时可以将臂中键槽的三个面的自由度限制为0。

点击Solution-DefineLoads-Apply-Structural-Displacement-Onareas，选择键槽的三个面，并且将自由度设置为0。

添加受力：

经过分析，静态时，当臂与地面相水平时受力最大，臂末端受力约为31.2N。

点击Solution-DefineLoads-Apply-Structural-Force/Moment-OnKeyPoints命令，选取之前所创建的关键点KP143，在VALUE文本框中输入31.2，方向垂直于臂，即为x方向。

添加重力加速度：

重力加速度方向垂直于臂的方向，即x方向，点击Solution-DefineLoads-Apply-Structural-Interia-Gravity-Global命令，添加x方向加速度9.8。

1、求解：

点击Solution-Solve-CurrentLS，开始计算。

2、结果：

变形图：

位移云图：

等效应力云图：

由图可知，应力集中发生在键槽周围。

求出最大位移和最大位移发生点的坐标：

点击MainMenu-GeneralPostproc-QueryResults-SubgridSolu，选择DOFsolution，USUM选项，在左侧选择栏单击MAX查看，可得：

最大位移为：

∆max=4.65781×

10-6m

最大位移节点编号为3535

绝对坐标为：

（-0.0244183,0.354181,-0.0003914）

最大位移点的位置如图所示

求出最大应力和最大应力发生点的坐标：

点击MainMenu-GeneralPostproc-QueryResults-SubgridSolu，选择Stress应力，VonMises等效应力选项，在左侧选择栏单击MAX查看，可得：

最大应力为：

σmax=2.99036×

106Pa

最大应力节点编号为2574

（0.00692969,0.00410122,0.02）

最大应力点的位置如图所示：

九、项目分工

杨永真10071158：

三维建模、运动仿真分析

陈翔10071155：

三维建模、二维图

陈记凡10071164：

有限元分析、二维图

张进10071159：

控制部分

张沛10071209：

运动仿真分析

十、参考资料

1、王之栎、王大康编著《机械设计综合课程设计》2007年12月第一版机械工业出版社。

2、吴瑞祥、王之栎、郭卫东、刘静华主编《机械设计基础（下册）》2007年2月版北京航空航天大学出版社

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