四自由度圆柱坐标型工业机器人机械设计
摘 要
在现代制造业中，工业机器人已成为不可或缺的核心自动化装备。工业机器人适应工作环境能力强，可担任各种类型各种强度的生产工作，精度高、速度快、易于控制，可显著提高生产的工业自动化水平。国内工业机器人起步晚，市场占有率低，许多核心技术还没有掌握，可靠性低，应用范围小，零部件互换性低。
现设计一种四自由度的圆柱坐标型机器人，能实现工件的上下搬运。该四自由度机器人由两个旋转自由度机构和两个平移自由度机构组成，根据机器人运动参数，选择足够功率的伺服电机，然后，估算驱使机构各自由度运动需要的力及扭矩，选择传动比合适且大小合适的减速器。通过伺服电机减速器驱动机构的运动，实现机器人腰部旋转，手臂的竖直升降，手臂的水平移动和末端操纵器的旋转。在机器人辅助系统的设计部分，还考虑了伺服电机导线坦克链的排布，机构零点位置的触发开关及其导线排布的设计。
关键词：四自由度，圆柱坐标，工业机器人，机械设计
Mechanical Design of a 4-DOF Cylindrical
Industrial Robot
Abstract
In modern manufacturing, industrial robot has become an indispensable core automation equipment. Industrial robot has good adaptability, can adapt to all kinds of mass production, high precision, fast speed, easy to control, can significantly improve the automation level of production. Domestic industrial robots started late, has low market share, low reliability, and many core technologies have not yet mastered. The application scope is small, the interchangeability of parts is low.
The design of a kind of four degree of freedom cylindrical coordinate robot, can realize the workpiece moving up and down. The four degree of freedom robot mechanism is composed of two rotational degrees of freedom and two translational degrees of freedom mechanism. According to the robot movement parameters, servo motor is selected, and then estimates the sufficient power, force and torque of each degree of freedom movement needs, choose the appropriate transmission ratio and suitable reducer. Drive mechanism motion through the servo motor reducer, and then we can realize the robot waist rotation, vertical lifting arm, arm movement and rotation of the end effector. In part of the design of robot auxiliary system, we take the arrangement of servo motor wire tank chain, design the trigger switch and wire arranging mechanism the zero position into consideration.
Key Words： 4-DOF; Cylindrical coordinates; Industrial Robot; Mechanical design
目 录
摘 要 .................................................................... ⅰ Abstract ................................................................... ⅱ
第一章 引 言 ............................................................. 1
1.1 工业机器人 . ......................................................... 1
1.1.1 工业机器人的概念及特点 ........................................ 1
1.1.2 工业机器人的组成 .............................................. 1
1.1.3 国内外发展状况 ................................................ 2
1.2 研究内容 . ........................................................... 2
1.2.1 研究方法 ...................................................... 2
1.2.2 研究成果 ...................................................... 2
1.3研究意义 ............................................................ 2
第二章 机构结构设计 ....................................................... 4
2.1 设计分析及方案拟定 . ................................................. 4
2.1.1 设计要求 ...................................................... 4
2.1.2 设计流程 ...................................................... 5
2.1.3 方案拟定 ...................................................... 5
2.2 主要结构件设计 . ..................................................... 6
2.2.1旋转平台结构 . .................................................. 6
2.2.2滚珠丝杠结构 . .................................................. 7
2.2.3中间连接器 . .................................................... 9
2.2.4外壳设计 . ..................................................... 11
2.3受载变形校核 ....................................................... 11
第三章 传动机构设计 ...................................................... 13
3.1腰部转动 ........................................................... 13
3.1.1减速器选择 . ................................................... 13
3.1.2伺服电机选择 . ................................................. 14
3.1.3传动法兰盘设计 . ............................................... 15
3.2竖直平移 ........................................................... 16
3.2.1滚珠丝杠及螺母选择 . ........................................... 16
3.2.2伺服电机选择 . ................................................. 18
3.2.3联轴器选择 . ................................................... 19
3.3水平平移 ........................................................... 20
3.3.1滚珠螺母丝杠选择 . ............................................. 21
3.3.2伺服电机选择 . ................................................. 21
3.3.3联轴器选择 . ................................................... 22
3.4手臂末端操纵器旋转 ................................................. 23
3.4.1伺服电机选择 . ................................................. 23
3.4.2减速器选择 . ................................................... 24
第四章 辅助机构设计 ...................................................... 25
4.1 坦克链线路设计 . .................................................... 25
4.2 机构零点设计 . ...................................................... 26
第五章 总结与展望 ........................................................ 28
5.1 总结 . .............................................................. 28
5.2 展望 . .............................................................. 28
参考文献 .................................................................. 30
致谢 ...................................................................... 31
附录 ...................................................................... 32
第一章 引言
1.1工业机器人
1.1.1工业机器人的概念及特点
我国专家学者对于工业机器人的概念解释也各有不同，综合各方面的说法，从工业机器人能实现的功能来讲，工业机器人是有以下功能的机器：
（1）具有执行运动操作的机构；
（1）具有通用性，可实现多种运动操作；
（2）有一定程度的智能，能重复编程；
（3）有一定的独立性，一定程度上不依赖人的操纵。
1.1.2工业机器人的组成
工业机器人一般由机械系统和控制系统组成，四自由度圆柱坐标型工业机器人的机械系统组成由下图可知：
图1.1 四自由度圆柱坐标型工业机器人机械系统组成
（1）驱动机构：本次设计采用四个交流伺服电机驱动四个自由度。至于气压，液压驱动的装置体积较大，因行程较大而不采用。
（2）执行机构：本次设计的执行机构主要包括底座、腰部机构、手臂机构和末端操纵器。采用丝杠螺母和行星齿轮减速器两种传动方式，能将旋转运动转换成直线运动或将高转速转换成低转速，再将动力传递给执行装置。
1.1.3国内外发展状况
上世纪中叶，美国结合机械手和操作机两者的优势，开发了一种可自动执行动作的机械装置，称为工业机器人。60年代末，美国通用汽车公司采用机械手臂，建立了汽车焊接车身的自动化生产线。此后，工业机器人的研制和应用，受到各个工业发达国家的重视。日本又称为“机器人的王国”，可见日本的工业机器人产业非常发达，如今的日本在智能型工业机器人上取得了巨大成就。随后，工业机器人产业又开始在欧洲崛起[2]。
工业机器人在中国发展的很快，但相比世界上先进的工业机器人，技术差距依旧明显[3]。国内工业机器人起步晚，相比国外先进技术，国内工业机器人可靠性较低，应用领域较窄，生产线技术落后，零部件互换性低[4]。工业机器人且可用于环境恶劣，劳动强度高，劳动单调乏味的工作中，将人们从中解放出来。
1.2 研究内容
1.2.1研究方法
现设计一种工业机器人，有四个自由度，采用圆柱坐标型，利用该种机器人实现工件的上下料搬运。本次设计主要设计机械系统部分。该机器人的四个自由度分别是腰部旋转、手臂竖直升降、手臂的水平伸缩和手臂末端操纵器旋转。由四个自由度确定各自传动方式，选择传动装置。确定机器人各个运动部件运动所需的功率，再选择合适的伺服电机和减速器。设计机械手臂整体结构采用的三维实体设计软件是SolidWorks 2013，对于分析机构的质量、质心等参数十分方便。
1.2.2研究成果
本次设计基本完成任务，具体成果如下：
（1）完成四自由度圆柱坐标型机器人的整体结构设计，包括基座、腰部旋转平台、竖直机身、水平手臂和末端旋转平台的设计；
（2）完成外壳包装的简单设计，完成机构零点和极限位置的传感器设计；
（3）完成机器人三维实体的装配，并绘制出机器人的二维工程图。
1.3研究意义
工业机器人已经是现代制造业中举足轻重的自动化机械，一些机械式的、工作环境恶劣危险的、没有创新性的作业完全可以由机器人替代人工完成。在金属热压加工中，需要人工作在加热的窑炉、冲压床、车床或钻床附近，工业机器人耐高温，程序写好就可以防止与其他加工工具碰撞，避免了工作中出现危险的可能[6]。
四自由度圆柱坐标型工业机器人机械设计
摘 要
在现代制造业中，工业机器人已成为不可或缺的核心自动化装备。工业机器人适应工作环境能力强，可担任各种类型各种强度的生产工作，精度高、速度快、易于控制，可显著提高生产的工业自动化水平。国内工业机器人起步晚，市场占有率低，许多核心技术还没有掌握，可靠性低，应用范围小，零部件互换性低。
现设计一种四自由度的圆柱坐标型机器人，能实现工件的上下搬运。该四自由度机器人由两个旋转自由度机构和两个平移自由度机构组成，根据机器人运动参数，选择足够功率的伺服电机，然后，估算驱使机构各自由度运动需要的力及扭矩，选择传动比合适且大小合适的减速器。通过伺服电机减速器驱动机构的运动，实现机器人腰部旋转，手臂的竖直升降，手臂的水平移动和末端操纵器的旋转。在机器人辅助系统的设计部分，还考虑了伺服电机导线坦克链的排布，机构零点位置的触发开关及其导线排布的设计。
关键词：四自由度，圆柱坐标，工业机器人，机械设计
Mechanical Design of a 4-DOF Cylindrical
Industrial Robot
Abstract
In modern manufacturing, industrial robot has become an indispensable core automation equipment. Industrial robot has good adaptability, can adapt to all kinds of mass production, high precision, fast speed, easy to control, can significantly improve the automation level of production. Domestic industrial robots started late, has low market share, low reliability, and many core technologies have not yet mastered. The application scope is small, the interchangeability of parts is low.
The design of a kind of four degree of freedom cylindrical coordinate robot, can realize the workpiece moving up and down. The four degree of freedom robot mechanism is composed of two rotational degrees of freedom and two translational degrees of freedom mechanism. According to the robot movement parameters, servo motor is selected, and then estimates the sufficient power, force and torque of each degree of freedom movement needs, choose the appropriate transmission ratio and suitable reducer. Drive mechanism motion through the servo motor reducer, and then we can realize the robot waist rotation, vertical lifting arm, arm movement and rotation of the end effector. In part of the design of robot auxiliary system, we take the arrangement of servo motor wire tank chain, design the trigger switch and wire arranging mechanism the zero position into consideration.
Key Words： 4-DOF; Cylindrical coordinates; Industrial Robot; Mechanical design
目 录
摘 要 .................................................................... ⅰ Abstract ................................................................... ⅱ
第一章 引 言 ............................................................. 1
1.1 工业机器人 . ......................................................... 1
1.1.1 工业机器人的概念及特点 ........................................ 1
1.1.2 工业机器人的组成 .............................................. 1
1.1.3 国内外发展状况 ................................................ 2
1.2 研究内容 . ........................................................... 2
1.2.1 研究方法 ...................................................... 2
1.2.2 研究成果 ...................................................... 2
1.3研究意义 ............................................................ 2
第二章 机构结构设计 ....................................................... 4
2.1 设计分析及方案拟定 . ................................................. 4
2.1.1 设计要求 ...................................................... 4
2.1.2 设计流程 ...................................................... 5
2.1.3 方案拟定 ...................................................... 5
2.2 主要结构件设计 . ..................................................... 6
2.2.1旋转平台结构 . .................................................. 6
2.2.2滚珠丝杠结构 . .................................................. 7
2.2.3中间连接器 . .................................................... 9
2.2.4外壳设计 . ..................................................... 11
2.3受载变形校核 ....................................................... 11
第三章 传动机构设计 ...................................................... 13
3.1腰部转动 ........................................................... 13
3.1.1减速器选择 . ................................................... 13
3.1.2伺服电机选择 . ................................................. 14
3.1.3传动法兰盘设计 . ............................................... 15
3.2竖直平移 ........................................................... 16
3.2.1滚珠丝杠及螺母选择 . ........................................... 16
3.2.2伺服电机选择 . ................................................. 18
3.2.3联轴器选择 . ................................................... 19
3.3水平平移 ........................................................... 20
3.3.1滚珠螺母丝杠选择 . ............................................. 21
3.3.2伺服电机选择 . ................................................. 21
3.3.3联轴器选择 . ................................................... 22
3.4手臂末端操纵器旋转 ................................................. 23
3.4.1伺服电机选择 . ................................................. 23
3.4.2减速器选择 . ................................................... 24
第四章 辅助机构设计 ...................................................... 25
4.1 坦克链线路设计 . .................................................... 25
4.2 机构零点设计 . ...................................................... 26
第五章 总结与展望 ........................................................ 28
5.1 总结 . .............................................................. 28
5.2 展望 . .............................................................. 28
参考文献 .................................................................. 30
致谢 ...................................................................... 31
附录 ...................................................................... 32
第一章 引言
1.1工业机器人
1.1.1工业机器人的概念及特点
我国专家学者对于工业机器人的概念解释也各有不同，综合各方面的说法，从工业机器人能实现的功能来讲，工业机器人是有以下功能的机器：
（1）具有执行运动操作的机构；
（1）具有通用性，可实现多种运动操作；
（2）有一定程度的智能，能重复编程；
（3）有一定的独立性，一定程度上不依赖人的操纵。
1.1.2工业机器人的组成
工业机器人一般由机械系统和控制系统组成，四自由度圆柱坐标型工业机器人的机械系统组成由下图可知：
图1.1 四自由度圆柱坐标型工业机器人机械系统组成
（1）驱动机构：本次设计采用四个交流伺服电机驱动四个自由度。至于气压，液压驱动的装置体积较大，因行程较大而不采用。
（2）执行机构：本次设计的执行机构主要包括底座、腰部机构、手臂机构和末端操纵器。采用丝杠螺母和行星齿轮减速器两种传动方式，能将旋转运动转换成直线运动或将高转速转换成低转速，再将动力传递给执行装置。
1.1.3国内外发展状况
上世纪中叶，美国结合机械手和操作机两者的优势，开发了一种可自动执行动作的机械装置，称为工业机器人。60年代末，美国通用汽车公司采用机械手臂，建立了汽车焊接车身的自动化生产线。此后，工业机器人的研制和应用，受到各个工业发达国家的重视。日本又称为“机器人的王国”，可见日本的工业机器人产业非常发达，如今的日本在智能型工业机器人上取得了巨大成就。随后，工业机器人产业又开始在欧洲崛起[2]。
工业机器人在中国发展的很快，但相比世界上先进的工业机器人，技术差距依旧明显[3]。国内工业机器人起步晚，相比国外先进技术，国内工业机器人可靠性较低，应用领域较窄，生产线技术落后，零部件互换性低[4]。工业机器人且可用于环境恶劣，劳动强度高，劳动单调乏味的工作中，将人们从中解放出来。
1.2 研究内容
1.2.1研究方法
现设计一种工业机器人，有四个自由度，采用圆柱坐标型，利用该种机器人实现工件的上下料搬运。本次设计主要设计机械系统部分。该机器人的四个自由度分别是腰部旋转、手臂竖直升降、手臂的水平伸缩和手臂末端操纵器旋转。由四个自由度确定各自传动方式，选择传动装置。确定机器人各个运动部件运动所需的功率，再选择合适的伺服电机和减速器。设计机械手臂整体结构采用的三维实体设计软件是SolidWorks 2013，对于分析机构的质量、质心等参数十分方便。
1.2.2研究成果
本次设计基本完成任务，具体成果如下：
（1）完成四自由度圆柱坐标型机器人的整体结构设计，包括基座、腰部旋转平台、竖直机身、水平手臂和末端旋转平台的设计；
（2）完成外壳包装的简单设计，完成机构零点和极限位置的传感器设计；
（3）完成机器人三维实体的装配，并绘制出机器人的二维工程图。
1.3研究意义
工业机器人已经是现代制造业中举足轻重的自动化机械，一些机械式的、工作环境恶劣危险的、没有创新性的作业完全可以由机器人替代人工完成。在金属热压加工中，需要人工作在加热的窑炉、冲压床、车床或钻床附近，工业机器人耐高温，程序写好就可以防止与其他加工工具碰撞，避免了工作中出现危险的可能[6]。