五自由度机器人毕业论文 - 图文

2 五自由度装配加工机器人设计

2.2.4大臂和小臂机械结构设计

五自由度装配加工机器人相当于有移动关节和转动关节组成的具有开链式连杆结构，机器人整体静、动态性能和其臂部关节的结构及布置形式、末端执行器的结构及重量有直接关系，对机器人整体的稳定性、工作效率、可靠性都有很大影响，因此在进行这些部件时要选择合理的材料和机械结构。

在设计中机器人大臂、小臂、手腕均为铸铝合金，因为铝合金具有强度高、质量轻等优点。其结构如图2-8所示。

图2-8 五自由度装配加工机器人的臂部模块 Fig.2-8 The model of 5-DOF assembly processing robot’s arm

2.2.5电主轴选取及轴向力、转矩的计算

高速电主轴可以简单的认为是“电机+主轴”，电主轴将电机的转子直接安装在转轴上，转轴可以直接装卡刀具，因而具有结构紧凑，节能高效的特点，一般配备变频电源使用。电主轴一般按照支承型式、润滑方式、冷却方式、换刀型式、用途来分类。电主轴一般的选用只需配套满足功率，电流和使用要求的变频电源和外用冷却，润滑设施即可。选用电主轴时需要从以下几个方面考【56】：

1.功率和转速 对于高速电主轴来说，功率和转速要同时考虑，不同转速下相同功率的电主轴外形尺寸相差悬殊。功率输出一样的时候，低速电主轴需要更大体积的电机；转速相同时，转矩大的电机需要更大的体积。

2.转矩 同样转速时，转矩大的电机需要更大的体积，但是放弃了高速性，电主轴的优势不能很好的体现。

3.转速 电主轴的工作转速要选用适当，避免造成浪费，选用时应该考虑所有的速度应用范围，选用最低工作转速低于实际所需时易造成电主轴体积偏大，相反会造成配套电源或润滑转置的难度。

五自由度装配加工机器人的电主轴选用洛阳轴研科技股份公司的80XD24C电主轴，其技术参数如表2-4。五自由度装配加工机器人的电主轴主要用于钻（扩、铰）削加工，由于在加工的过程中，电主轴会产生轴向力及转矩，对后面的构件具有很大的影响，所以必须考虑到电主轴等效过来的轴向力及扭矩。

通过查询机械加工工艺手册，得到钻孔时轴向力和转矩的转化公式，此公式是通过大量实验，通过测力仪测得的数据，并将数据经数学方法处理得到的计算式，常见的形式

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为：

F?CFdZFfyFKF

T?GdZTfyTKF

式中 CF、G由工件的材料和切削条件决定

各种因素对切削力的修正KF为实际加工条件与所得经验公式条件不符合时，系数之积。

取刀具直径d为6mm，进给量f为0.13mm，式中各个系数如表2-5

表2-4 电主轴技术参数

Table 2-4 Electric spindle technical parameters

主轴型号

转速 r/min

80XD24C

24000

KW 1

电机Motor

A 4

Hz 400

1.5

80×200

油脂

水

变频器 安装尺寸

润滑

冷却

轴端连接 ER11

表2-5 钻削各个系数 Table 2-5 Drilling each coefficient

加工材料 铸铁 钢

刀具材料 高速钢 高速钢

轴向力

转矩

F(N)

T(N.M)

CF

420 600

ZF

1.0 1.0

yF

0.8 0.7

G

0.206 0.305

ZT

2.0 2.0

yT

0.8 0.8

492.7 863.1

1.45 2.14

最终取F1=1.2FN=1034N,T1=1.2T=2.6N.m。

2.2.6谐波减速器与电机的计算和选择

本节针对机器人结构的实际情况来对交流伺服电机和谐波减速器，进行选型。 谐波减速器由三个主要部分组成，即：具有内齿的刚轮G，谐波发生器H、具有外齿的容易变形的柔轮R。利用柔轮在运动的时候与刚轮的齿数差产生的弹性机械波来传递力、力矩、运动的一种新型行星齿轮传动，实际中双波传动因为结构简单且传动比大被广泛应用【19】。对于谐波减速器的三个基本部分，固定的方式不同，输出的传动比是不同的，当波发生器固定时，若刚轮输入而柔轮输出，传动比略大于1，反之，传动比略小于1。而当波发生器输出，无论刚轮输入、柔轮固定还是刚轮固定、柔轮输入，都具较大的增速比，实际中很少见。而当通常波发生器为输入时，柔轮、钢轮两个任何一个固定，另一个输出，都具有较大的减速比【44】。本文主要采用比较常见的固定方式，即波发生器为输入，刚轮固定、柔轮作为输出带动机器人的各关节运动。

目前广泛用于工业机器人中的谐波减速器有三种，带杯形柔轮的谐波传动、带环形柔轮的外齿合复波式谐波传动，带环形柔轮的谐波减速传动。本文选用的谐波减速器均为日本Harmonic Drive生产的SHF—2UH,其输入端直接与电机相连接，输出直接与各关节相连，其结构简图如图2-9所示.

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图2-9 谐波减速器的结构简图

Fig.2-9 Structural diagram of the harmonic reducer

伺服电机的选择一般根据以下几个公式【52】

?vj??wi?J??Ji????mj??（2-1）

ww??ij??

??ML?J?J??

t22PL?MLn 9550?式中：J?折算到电机轴上的转动惯量（kg?m2） Ji?第i个旋转件的角速度（kg?m2)

?i?第i个件的旋转角速度（rad/s）??伺服电机的角速度(rad/s) mj?第i个直线移动件的质量（kg） vj?第i个直线移动件的速度（m/s）t?电机启动时间（s）

PL?克服惯性力所需电机轴上的功率（KW）n?电机转速（r/min）

??传动机械效率

1.底座电机的选择：

在机器人的基座处建立局部坐标系，通过solid edge的检查功能，测量绕Z轴旋转的转动惯量 J=82 kg.m^2 通过公式（2-1）就可以求出折算到电机轴上的转动惯量为

J?201.02?10?4kg.m2wML?J?10.5N.m

t

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电机的启动时间t=0.3s,考虑摩擦力矩，取安全系数为2，则最小转矩为：

Mmin?2ML?21N?m

预选安川交流伺服电机SGMGH 44A,额定转矩T?28.4N?m?21N.m，额定功率P=4.4KW,通过式（2-1）计算出

P?Mn21?1500??3.51KW?4.4KW 9550?9550?0.94上面是按照等效到电机主轴上的转动惯量计算的，由于装配加工机器人在加工时电主轴会产生轴向力，当电主轴和手腕在一条线上，且与大臂、小臂垂直加工时受到的力矩最大，上一节已经计算出电主轴在加工中转化的力或力矩,即F=1034N,已知在上述位置的时候L=1200mm.所以得到

T?FL?1034?1200?1240.8N.m

谐波减速器的减速比i?100，传动效率为94%，则转化到电机上的扭矩为Tout

T1204.8T1out?out=?12.8N.m

i??100?94%取安全系数为2，则输出扭矩为

T电机?2.0T1out?25.6N.m?28.4N.m，

P?Mn25.6?1500??4.2KW?4.4KW 9550?9550?0.94所以选择的SGMGH44A满足要求，同理可以计算出各个关节的力矩以及所选的伺服电机、减速器，如表2-4：

表2-4 关节力矩及电机选择 Table2-4 Joint torques and motor selection

关节 腰部旋转关节 大臂旋转关节 小臂旋转关节 手腕俯仰关节 直线关节

计算所得转矩 25.6N.m 4N.m 1.8N.m 0.278N.m 6.725N.m

减速器选择 SHG-40-100-2UH SHG-32-100-2UH SHG-20-100-2UH SHG-20-100-2UH

无

电机选择 SGMGH44A SGMG H13A SGMPH08A SGMPH01A SGMGH13A

各关节交流伺服电机技术参数如表2-5

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