数控机床用机器人执行系统

时间：2020-12-31 05:04:38 来源：蒲公英阅读网 本文已影响人

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　数控机床用机器人执行系统 摘 摘

　 要 数控机床上下机床(NC machines up and down machines)是在工业生产中或在危险、恶劣的环境中，例如在压制、印刷、铸造、热处理、焊接、前体加工、塑料生产、机械工程和容易装配中，使用机器进行某些单调、频繁和重复的长期操作，以在核工业等部门进行替换和执行的机器。

　数控机床的刀具载荷主要由手和位移机构组成。工件是用手抓住的。根据所覆盖物体的形状、尺寸、重量、材料和操作要求，有不同的结构形式，如展开、夹紧、吸盘等。运动机构允许手执行不同的旋转(平移)、运动或复合运动，以执行预定的动作并改变所捕捉对象的位置和姿势。提升、拉伸、旋转等机构的独立运动。，被称为机器人的自由度。要捕捉房间中对象的任何位置和方向，有六个自由度。自由度是机器人构造的关键参数。自由度越高，机器人越灵活，越多才多艺，结构也越复杂。通用机器人有两到三个自由度。

　数字机床是近几十年发展起来的自动化生产设备。数控机床是工业机器人的一个重要分支。它的特点是能够为各种任务开发程序，从结构和性能到个人和机器的利益，特别是人的智能和适应性。机器人技术的精确性和在不同条件下运行的能力在所有经济领域都有广阔的增长前景。

　自动化系统广泛应用于工业领域，如工业自动化机器控制、计算机系统、机器人等。工业机器人是相对新颖的电子设备，改变了现代工业的面貌。实际的机器人由一个带手腕(或手臂)的身体和一个位于机身末端的仪器(通常由几种夹具组成)以及一个辅助推进系统组成。本文全面介绍了机器人的整体设计工作和一般技术，包括力学、力学、电气工程、自动化技术、传感器技术和计算机技术。

　关键词：手臂

　夹持器

　工业机器人

　 Abstract

　NC machines up and down machines are machines that perform monotonous, frequent and repeated long-term operations in industrial production or in dangerous and harsh environments, such as pressing, printing, casting, heat treatment, welding, precursor

　processing, plastic production, mechanical engineering and easy assembly, to replace and execute in nuclear industry and other departments.

　The tool load of CNC machine tools mainly consists of hand and displacement mechanism.

　The workpiece is grasped by hand.

　According to the shape, size, weight, material and operation requirements of the covered objects, there are different structural forms, such as unfolding, clamping, suction cups, etc.

　The motion mechanism allows the hand to perform different rotations (translations), motions, or compound motions to perform predetermined motions and change the position and posture of the captured object.

　Independent movement of lifting, stretching, rotating and other mechanisms.

　, known as the degree of freedom of the robot.

　To capture any position and orientation of objects in a room, there are six degrees of freedom.

　Degree of freedom is a key parameter for robot construction.

　The higher the degree of freedom, the more flexible the robot is, the more versatile it is, and the more complex its structure is.

　Universal robots have two to three degrees of freedom.

　Digital machine tools are automatic production equipment developed in recent decades.

　Numerical control machine tool is an important branch of industrial robot.

　Its characteristic is that it can develop programs for various tasks, from structure and performance to the interests of individuals and machines, especially human intelligence and adaptability.

　The accuracy of robot technology and its ability to operate under different conditions have broad growth prospects in all economic fields.

　Automation systems are widely used in industrial fields, such as industrial automation machine control, computer systems, robots, etc.

　Industrial robots are relatively new electronic equipment, which has changed the face of modern industry.

　The actual robot consists of a body with wrist (or arm), an instrument at the end of the body (usually consisting of several clamps) and an auxiliary propulsion system.

　This paper introduces the overall design work and general technology of the robot, including mechanics, mechanics, electrical engineering, automation technology, sensor technology and computer technology. Key words ：arm

　grippers

　industrial robots

　目

　录

　摘

　要 ..................................................... I

　ASTRACT ................................................... I

　1. 绪论 ...................................................... 4

　 1.1

　选题背景 .......................................................... 1 1.2

　设计目的 .......................................................... 1 1.3

　国内外研究现状和趋势业 ............................................ 2

　2. 数控机床用机器人 的总体设计 ................................ 3

　 2.1

　工业机器人的组成及各部分的关系概述 ................................ 3 2.2 数控机床用机器人设计分析 .......................................... 3 3. 数控机床用机器人 的运动系统分析 ............................ 6

　 3.1 工业机器人的运动自由度 ............................................ 6 3.2 机器人的运动空间和机械结构类型 .................................... 6 4. 数控机床用机器人 的执行机构设计 ............................ 8

　 4.1 末端执行机构设计 .................................................. 8 4.2 手臂机构的设计 ................................................... 11 4.3 腰部和基座设计 ................................................... 14 总

　结 .................................................. 15

　 参考文献 ................................................... 16

　 致

　谢 .................................................... 17

　 附

　录 ......................................... 错误! ! 未定义书签。

　 绪论 1 选题背景

　机器人是在自动化制造过程中使用的自动机构，允许工件被记录和移动。这是在机械自动化制造领域开发的一种新设备。近年来，机器人的开发和制造已经成为新技术领域，特别是电子计算机领域的一项迅速发展的新技术。它进一步促进了机器人的发展，改善了机器人的实现。机械的和自动化的。

　机器人可以代替人类做危险、重复性和干的工作，减少人类劳动，提高劳动生产率。机器人被越来越频繁地使用。在机械工业中，它们适用于装配运输工件和工件的部件，尤其适用于数控机床和装配机床的自动控制。

　机器人已经成为柔性制造系统柔性制造系统和柔性制造单元柔性制造系统的重要组成部分。该机器与机器人一起形成了一个适用于中小型批量生产的柔性加工系统或柔性制造单元。这节省了大量紧凑且适应性强的工件过渡。柔性生产系统随着工件的变化而变化。这样，公司可以不断更新产品，提高产品质量，更好地满足市场需求。目前，工业机器人的技术水平与技术应用水平之间存在一定差距，潜在应用也较小。机器人的发展对提高我国自动化生产有着直接的影响，无论是在经济上还是技术上。所有这些考虑都是必需的。因此，开发机器人结构至关重要。

　2 设计目的 在该国许多工厂卸载数控机床仍然是手工操作、劳动密集型和低效的。为了提高生产率，降低成本，将生产线发展成一个灵活的制造系统，适应现代化的自动化大规模生产，开发机器人技术来代替人工制造步骤来提高生产率。

　机器人主要与数控旋转机械(数控铣床、加工中心等)形成生产线。)，实现自动和无人值守的处理(进料、处理、加工)。中国制造业发展迅速，越来越多的资本流入制造业，越来越多的制造商进入制造业。这种设计可以是 生产设施满足数控机床加工过程中工件的安装和卸载以及生产现场中心的加工要求。

　这降低了员工的工作强度，减少了工作时间，提高了生产率和生产率。

　3 国内外研究现状和趋势 国内外对机器人和机器人的研究已经成为科学研究的顶峰。以下是当前的游戏状态和总体趋势: 可以重建的机械结构。例如，伺服电机、制动电机、关节模块中的测试系统被集成到三个位置。用关节和桅杆模块重新启动机器人。

　工业机器人控制正在发展成为基于PC机的开放式控制器，以简化标准化和连通性。更高的设备集成、紧凑的控制和模块化结构显著提高了系统的可靠性和易用性。易于维护。

　传感器在机器人中的作用越来越重要。除了位置、速度和加速度等传统传感器外，机器人还使用视觉和功率等安装和焊接传感器，而遥控机器人使用视觉、听觉、电影和敏感传感器。用于决策控制多处理器连接配置的多处理器连接技术已经成为智能机器人的关键技术。

　横向、横向、顶部、门窗喷涂机的标准化、规范化、模块化、设计，柔性模具设计机器人的开发，柔性模具设计组合机构的开发，服务器轴的导向曲线，控制系统的开发； 咒骂、搬运、组装、切割等。工业机器人学，标准化，规范化，模块化，规范化；离线编程和动态系统模拟。

　一般来说，有两个方向:机器人智能、多个传感器、多个控制器、复杂的控制算法、复杂的发动机控制系统。第二个组成部分涉及制造业，它主要使用低成本模块来完成相对特定的工业机器人任务。该系统经济高效、简单可靠，拥有大量工业控制器、面向市场的模块化组件，可满足您的工作需求。【3】

　第一章数控机床用机器人的总体设计

　1 1.1 工业机器人的组成及各部分关系概述

　 它主要由机械系统(执行系统、推进系统)、控制检测系统和智能系统组成。

　执行系统:工业机器人完成工件并执行需要系统的各种动作。

　机械零件，包括手腕、手腕、身体等。

　手:被配置来执行工作的机器人的操作，也称为夹具夹持器或夹紧机构，直接捕捉工件或张力的手段。

　手腕:也叫手腕，是连接手和手臂的部分。功能是调整或改变手的工作方向。

　手臂:连接底座和手的部分是支撑手腕的手腕部分。它可以管理和拉紧工件，改变手的空间位置，满足机器人的工作空间，并将不同的载荷传递给基座。

　身体:机器人充当砂锅的基本单元是承载手臂的部件。功能是旋转、增加或倾斜手臂的驱动力。

　推进系统:为单个系统部件提供动力并驱动它们的装置。常用 机械驱动、液压驱动、气动驱动、电动驱动。

　控制:驱动系统的控制在发生时执行规定的工作。

　如果出现错误，将发出警告信号。

　捕捉系统(Capture system):功能是通过不同的测试和传感器单元检测驱动机构的运动，如有必要，向控制器提供反馈，并将其与设置进行比较，以确保运动符合要求。【4】

　 2 1.2 数控机床用机器人的设计分析

　1.2.1 设计要求

　通过设计机器人，培养综合运用所学过的基本理论、基本知识和基本方法分析能力和解决问题的能力。

　有关数据：设计一机器人、将铝活塞铸造毛坯从模具中取出，并运送到离模具 2 米远处的铝活塞毛坯箱里。

　零件尺寸：外孔

　 ￠101.6，高

　106。

　零件材料：铝。

　1.2.2 总体方案拟定

　在工业机器人的众多功能中，捕捉和移动是最重要的功能。这两种功能的技术基础是巧妙的机械结构和良好的服务控制。这个设计源于这个想法。工业机器人的工作方式由设计内容和要求决定。机器人的旋转运动是在步进发动机和锥形齿轮箱的帮助下完成的。液压缸用于上下移动臂。因此，液压缸驱动臂的电压移动必须考虑到设计机器人的小工作面积；最终的阻力吸收由一个带有杠杆的小液压缸控制。[5]

　 图 1-1

　机器人外形图

　1.2.3 数控机床用机器人主要技术性能参数

　工业机器人的技术参数是描述其规格和性能的具体指标。主要技术参数如下: 重量捕捉: 负载重量是测量机器人承载能力的技术参数。这是一个主要参数。该参数指的是机器人移动的速度，通常是以正常速度捕获的重量。

　捕获工件极限: 工件的边界尺寸是代表机器人抓取功能的技术参数。这是手的设计基础。

　坐标和自由度: 描述机器人身体、手、手腕等的自由度。，有共同之处，以及坐标系的特征。

　运动范围: 直线运动或执行机构的旋转角度区域之间的距离，即运动的各个自由度移动的量。基于 路径的范围和坐标决定了机器人的范围。

　速度: 这是反映机器人性能的一个重要参数。运动速度通常指机器人的最大速度。它与肋骨重量、定位精度和交互效应等参数密切相关。目前，机器人在国内外的最大直线运动约为 1000 毫米，通常为 200-400 毫米秒，最大速度为 180/秒，通常为 50/秒

　f 定位精度和重复定位精度: 定位精度和重复性是衡量机器人工作质量的重要指标。[6] g 编程方式和存储容量:

　 本设计中的三自由度圆柱坐标型工业机器人的有关技术参数见表 2-1。

　表 1-1 工业机器人的技术参数

　机器人类型 三自由度圆柱坐标型 抓取重量 2.38Kg 自由度 3 个（1 个回转 2 个移动）

　机座内部 回转运动，回转角 0°--180°，步进电机驱动 腰部机构 伸缩运动，升降范围 400mm，液压缸驱动 手臂机构 伸缩运动，伸缩范围 70mm，液压缸驱动 末端执行器 液压缸驱动

　4 1.2.4 对整机设计的要求 机器功能要求:预期使用功能的实现是机械设计的基本前提，性能指标的良好使用是设计的主要目标。此外，可用性、可靠性、重量轻、重量轻、效率、形状、噪音等。通常也是机械结构所需要的。

　机器的经济性要求:机器的成本效益必须在整个建造、制造和部署过程中加以考虑，并考虑到全面和集成的设计。盈利能力的设计反映在功能的正确定位、实现使用要求的最简单的技术方法以及最简单和最合理的结构上。

　5 1.25 对零部件设计的要求 机械部件是组成机器的基本单元，机器的设计要求最终由零件设计来满足，因此在部件构造中满足的要求必须来源于设计机器的要求，即在确保机器的功能和经济要求方面都要考虑到[11]。

　机器的正常功能需要在预定的工作时间内完美可靠地执行。这要求模具部件在预期寿命期间不会导致各种可能的故障，即满足模具部件的强度、刚度、冲击稳定性、耐磨性和温度升高的条件。必须如此。这些条件是确定模塑零件可操作性的标准。

　为了尽可能降低组件的生产成本，必须考虑组件的设计和生产等各个方面。在设计阶段选择材料和模具，构建简单、合理的部件结构，设置部件加工的公差等级，并仔细考虑部件的加工和装配过程。此外，尽可能使用标准化、序列化和通用组件。

　第二章数控机床用机器人的运动系统分析 工业机器人的运动，可从工业机器人的自由度，工作空间和机械结构类型等三方

　面来讨论。

　1 2.1 工业机器人的运动自由度

　所谓机器人的运动自由度是指确定一个机器人操作位置时所需要的独立运动参数的数目，它是表示机器人动作灵活程度的参数。

　 本设计的工业机器人具有四转动副和移动副两种运动副，具有手臂伸降，旋转，前后往复三自由度。[7] 2 2.2 机器人的工作空间和机械结构类型

　1 2.2.1 工作空间

　 工作空间是指机器人正常运行时，手部参考点能在空间活动的最大范围，是机器人的主要技术参数，工作空间图如图 2-1。

　图 2-1

　工作空间图 2 2.2.2 机械结构类型

　 圆柱坐标式是设计中采用的方案。这种运动形式是由一次旋转、两次运动和总共三个自由度组成的运动系统(代码为 RPP)。工作空间图形是圆柱形的。与直角坐标式相比，在相同的工作条件下，人体体积小，运动范围大。

　二.机器人运动过程分析

　 工业机器人的运动过程中各动作如图 3-2 和表 3-1。

　图 2-2 运动过程

　表 2-1 运动过程工序 机器人开机，处于 A 点 工步一 手臂上升 工步二，工步七，工步十三 旋转至 B 点 工步三 手臂伸出 工步四, 工步十 手臂下降 工步五，工步十一 夹紧工件 工步六 手臂收缩 工步八，工步十四 旋转至 C 点 工步九 放松工件 工步十二 实现运动过程中的各工步是由工业机器人的控制系统和各种检测原件来实现的，这里尤其要强调的是机器人对工件的定位夹紧的准确性，这是本次设计成败之关键所在。[8]

　第三章数控机床用机器人的执行 机构设计

　3.1 末端执行机构设计

　工业机器人的最终操作是用来夹持工件或工具的部件。手柄的速度、精度和可靠性直接影响工业机器人的工作性能，工业机器人是工业机器人最重要的组成部分之一。

　1 3.1.1 设计时要注意的问题：

　a.端部驱动机构应具有足够的弹性，以用手指紧紧地拧紧工件，并另外考虑工件的重力。

　b.封闭体必须有开放区域。尺寸不仅取决于工件的尺寸，还取决于工件附近手的轨迹及其位置的影响。

　c.工件能够确保最终加工机构中的准确位置。

　也就是说，结构尽可能紧凑和轻便，以便于手腕和手臂的结构。[9] 2 3.1.2 结构设计

　 采用滑槽杠杆式回转型夹持器，用小型液压缸驱动夹紧，它的结构形式如图 4-1。滑槽杠杆式回转型夹持器，当驱动器推动杆 2 向上运动时，圆柱销 3 在两杆 4 的滑槽中移动，迫使与支架 1 相铰接的两手指（钳爪）产生夹紧动作和夹紧力。当杆 2 向下运动时，手指松开。

　图 3-1

　末端执行器

　 3 3.1.3 液压油缸的选择和夹紧力的校验

　a.初选油缸型号 考虑到所要夹持的是比较小的零件，最大工作载荷很小，故初选液压缸型号为Y-HG1-C40/22×25LF2HL1Q，

　b.夹紧力校验 1）零件的计算 22393.14 50.8 106858940( )8589402780 9.8 23.4( )10V R hmmm vG mg vg N       （3-1）

　 图 3-2 零件实体图 其中 g 取 9.8 取 G=24（N）

　紧力的计算：

　要夹持住零件必须满足条件：

　2NfF G 

　f 为手指与工件的静摩擦系数，工件材料为铝，手指为钢材，查《机械零件手册》 表 2-5

　f=0.15，N 为作用在零件内壁上压紧力，G 为零件重力。

　所以

　 2480( )2 2 0.15NGF Nf  

　 （3-2）

　取NF =80（N）

　由《机械制造装备》式 4-56 可知驱动力的计算公式为 ：

　212 cosNP lFb

　 （3-3）

　图 3-3 滑槽杠杆式回转型夹持器  为斜面倾角， 49 o   ，  为传动机构的效率，这里为平摩擦传动， 查《机械零件手册》表 2-2 92 . 0 85 . 0   

　这里取 0.85 b=90.8mm,l=154.53mm。

　所以 2 012 154.53 80 cos 49 137.880.85 90.8P      

　 （3-4）

　取 p=150(N) 按《液压传动与气压传动》公式

　mPDF 42

　 （3-5）

　D 为汽缸的内径(m)，P 为工作压力（Pa）,由《液压传动与气压传动》表 3-1 表 3-1 液压传动与气压传动 负载 F/N

　<5000 5000 ～10000 10000 ～20000 20000 ～30000 30000 ～50000 >50000 工作压力 p/MPa <0.8～1 1.5～2 2.5～3 3～4 4～5 >5～7 取 p=0.5MPa。由《液压系统设计》可查得：m =0.9～0.95, 所以

　N PDF 565 9 . 0 10 5 . 04) 10 40 ( 14 . 3462 3 2     

　（3-6）

　由以上计算可知液压缸能产生的推力 F=565N 大于夹紧工件所需的推力 P=150N。所以该液压缸能够满足要求。[10] （3）弹性爪的强度校验

　 当弹性手工作时，由于夹过程具有弹性，就可以避免易损零件被抓伤，变形和 损。

　工件与弹簧片间的力：

　由上节可知 F=80N。

　则弹簧爪截面上的剪应力为[τ]=30MPa， τ=Q/A= 3 32 804 [ ]2 20 10 1 10MPa      

　（3-7）

　故弹性爪满足强度要求。

　3.2

　 手臂机构的设计

　1 3.2.1 手臂的设计要求

　A.臂的结构和尺寸必须满足机器人的工作要求。

　b.根据臂的重量和结构特性，选择臂切口的形状和高强度的轻质材料是有意义的。

　c.最小化臂重量、惯性矩和相对于关节旋转轴的力矩，以降低驱动力的应变；减少运动负荷和冲击，提高手臂运动响应速度。

　这意味着最小化由机械距离引起的运动误差，并提高运动精度和运动刚度。带缓冲限制的定位精度更高。

　悬臂直接连接在底座升降缸上，结构简单，易于组装，安装导轨时，防止活塞杆转动，臂随臂转动。结构是这样的。

　图 3-4

　手臂结构图 手臂与末端执行器的联结结构如图 4-5 所示：

　选用轴向脚架型液压缸，活塞杆末端为外螺纹结构，手臂与末端执行器连同活塞杆一起转动。[11]

　 图 3-5 手臂与末端执行器的联结结构 3.2.2 . 伸缩液压油缸的选择

　选液压缸型号为 Y-HG1-C50/36×40LF4HL1Q，它的主要技术参数如表 4-2。

　 缸

　 径 /mm 活塞杆直径 /mm 油口直径 速度比 通径/mm 联接螺纹 1.46

　2

　 50 28 36 10 M18x1.5 表 3-2

　冶金设备标准液压油技术规格

　 3.2.3. 活塞杆的强度校核

　末端执行器的重量约为：12Kg。

　 工件重量为：2.38Kg。

　 由静力平衡方 ΣM B =0

　R 1 ·LAB －Q·LBC=0

　 （3-8）

　 ΣM A =0

　R2·LAB － Q·LAC=0

　（3-9）

　求得支反力为：

　 R 1 =292N

　 R 2 =628.93N 以 A 点为坐标原点，得剪力图和弯矩图如下：

　由[]表得活塞杆[τ]=140MPa, [σ]=240MPa. 则在 B 处横截面上的剪应力为：

　τB= R 2 /A=3 2628.931.02 [ ](28 10 )4MPa  

　安全。

　 （3-10）

　在 B 处的弯应力为：

　σ B = M B /A=3 394.3421.89 [ ](28 10 )16MPa  

　 安全。[12]

　（3-11）

　3.3

　腰部和基座设计

　3.3.1. 结构设计

　安装在支架上的步进电机和锥齿轮直接驱动旋转底座旋转，从而实现机器人的旋转运动，并通过安装在顶部的液压缸上下移动手臂。导杆导杆用于确保手臂一起旋转。其结构类似于装配图。

　3.3.2. 步进电机的选取

　工业机器人的旋转和上下移动采用了步进电机驱动，下面就给出各种驱动方式的比较，以作为选取步进电机作为驱动方式的依据。

　表 3-3 各种驱动方式比较 比较内 容 驱动方式 机械传动 电机 驱动 气压传动 液压传动 异步电机，直流电机 步 进 或 伺 服电机 控制性能 速度可高，速度和加速度均由机构控制，定位精度高，可与主机严格同步 控 制 性 能较差，惯性大，步易精确定位 控制性能好，可精确定位，但 控 制 系 统复杂 可高速，气体压缩性大，阻力效果差，冲击较严重，精确定位较困难，低速步易控制 油液压缩性小，压力 流 量 均 容 易 控制，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制 体积 当自由度多时，机构复杂，体积 液较大 要 油 减 速装置，体积较大 体积较小 体积较大 在输出力相同的条件下体积小 维修使用 维修使用方便 维 修 使 用方便 维 修 使 用 较复杂 维修简单，能在高温，粉尘等恶劣环境种使用，泄漏影响小 维修方便，液体对温度变化敏感，油液泄漏易着火 应用范围 适用于自由度少的专用机器人，高速低速均能适用 适 用 于 抓取 重 量 大和 速 度 低的 专 用 机器人 可 用 于 程 序复 杂 和 运 动轨 迹 要 求 严格 的 小 型 通用机器人 中小型专用通用机器人都有 中小型专用通用机器人都有，特别时重型机器人多用 由上表可知步进电机应用于驱动工业机器人有着许多无可替代的优点，如控制性能好，可精确定位，体积较小可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机器人等，下面就对步进电机的型号进行选取。

　初选电机为 BF 反应式步进电机，型号为：90BF001。它的有关技术参数如下表：

　表 4-4 反应式步进电机的参数 电

　机 型

　号 相数

　步 距角 /（°）

　电压 /V 最大静转矩 /N · m(Kgf·cm) 最高空载启动频 率 /HZ 运 行频率 /HZ 转 子 转动惯量 105 Kg·m2 分 配 方 式 质量 /Kg 90BF001 4

　0．9

　80

　3.92 2000 8000 17.64 四 相八拍 4．5 A、传动系统等效转动惯量计算 驱动系统的速度是一个惯性负载，在选择发动机时必须加以考虑。由于不是驱动系统的所有传动部件都与发动机轴同轴运行，所以在将各个驱动组件的惯性矩转换成发动机波时也存在问题。最后，计算将整个推进系统转换成发动机轴的整个惯性速率，即推进系统的等效惯性。

　（1）、电机转子转动惯量DJ 的折算 由《机电综合设计指导》表 2-18 查出DJ =1.764 ㎏•cm2

　(2）、联轴器转动惯量LJ 的折算

　) / (822cm KgD MJcL

　 （3-12）

　式中：cM 为圆柱质量（Kg），D 为圆柱体直径（cm）,L 为圆柱体长度。

　对于钢材，材料密度为 ) 10 8 . 73 3cm Kg  ,把数据代入上式得：

　) ( 99 . 2822cm KgD MJcL  

　 （3-13）

　（3）、手臂转动惯量GJ 的折算 工作台是移动部件，其移动质量折算到活塞轴上的转动惯量GJ 可按下式进行计算：

　MLJ G2 0)2(

　；见《机电综合设计指导》公式（2-6）P8 式中，0L 为活塞工

　作长度（cm）； M 为工作台质量（kg）。

　所以：222 015 . 1 7114 . 3 28 . 0)2( cm kg MLJ G     

　 （3-14）

　（4）系统等效转动惯量J 计算 2294 . 6 15 . 1 39 . 0 99 . 2 764 . 1 cm kg J J J J JG S L D         

　 （3-15）

　B、验算矩频特性 步进电机最大静转矩max jM 是指电机的定位转矩，从《机电综合设计指导》表 2-21中查得 m Mj   92 . 3max。步进电机的名义启动转矩mqM 与最大静转矩max jM 的关系为：

　max j mqM M  

　 见《机电综合设计指导》公式（2-29）P32 查《机电综合设计指导》表 2-12 P35 得  ＝0.707。所以， m M mq      77 . 2 92 . 3 707 . 0

　步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。步进电机所需空载启动力矩可按下式计算：

　0M M M MKf Ka Kq  

　见《机电综合设计指导》公式（2-30）P32 式中：KqM 为空载启动力矩（N•cm）；kaM 为空载启动时运动部件由静止升速到最大快进速度，折算到电机轴上的加速力矩（N•cm）；KfM 为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩（N•cm）；

　有关KqM 的各项力矩值计算如下：

　（1）加速力矩 36010602maxmax2 maxpbKavntnJ J M    见《机电综合设计指导》公式（2-32）和（2-33）P32 式中：J 为传动系统等效转动惯量；  为电机最大角加速度；maxn 为与运动部件最大 快进速度对应的电机最大转速；t 为运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间，maxv 为运动部件最大快进速度；b 为初选步进电机的步距角；p 为脉冲当量。

　（3-16）

　（3-17）

　min / 1250360 01 . 09 . 0 5000360maxmaxrvnpb 

　 （3-18）

　cmtnJ M Ka         17 . 41 102 . 0 601250 14 . 3 2294 . 6 106022 2 max（3-19）

　（2）、空载摩擦力矩 iL f GM kf 20

　（3-20）

　见《机电综合设计指导》公式（2-34）P35 式中：

　G 为运动部件的总重量；f 为导轨摩擦系数； i 齿轮传动降速比；  为传动系数总效率，取  ＝0.8；0L 为活塞工作长度。

　cm M kf        55 . 01 8 . 0 14 . 3 28 . 0 005 . 0 8 . 9 71

　 （3-21）

　C、启动矩频特性校核 前进电机以短路起动和速度起动方式起动。跳绳很少使用。启动尝试是步进电机，以零启动频率稳定在静态。一段时间后。在起动过程结束时，步进电机达到最大运行速度。

　查看《机电综合设计指导》图 2-21 P36，从 90BF001 矩特性图中，可查得：

　纵向：空载启动力矩KqM＝cm   148 . 43对应的允许启动频率Z yqH f 2100 。查《机电综合设计指导》表 2-11 P34，步进电机 150BF002 启动频率yq Z qf H f   2000,所以所选电机不会丢步。

　D、运行矩频特性校核 步进电机的最高快进运行频率KJf可按下式计算：

　PKZvf 601000max 见《机电综合设计指导》公式（2-36）P36 式中：maxv为运动部件最大快进速度。算得Z KZH f 33 . 8333 。

　快进力矩KJM的计算公式：

　0M M MKf KJ 

　见《机电综合设计指导》公式（2-37）P37

　式中：0M 为附加摩擦力矩， KfM 为快进时，折算到电机轴上的摩擦力矩。

　算得：

　cm M M MKf KJ    1.978 1.428 0.550＝ ＋ ＝。

　综上所述，所选用的步进电机 90BF001 符合要求，可以使用。

　[14] 3.轴承的选择 A.环形轴承 3 作为机座的支承原点。它是为机器人研制的一种特殊轴承。具有宽度小、直径大、精度高、刚度高、承载能力强(可承受径向力、轴向力和倾覆力矩)、使用方便、价格昂贵等特点。

　B.推力轴承，型号 30204，其相关参数如下:

　 表 3-5 止推轴承的参数

　轴承代号

　基本额定

　 极限转速

　 r/min 动载荷

　 Ca/KN 静载荷

　 C0a/KN

　 脂润滑 油润滑

　 30204， 28.2 30.5 8000 10000 4 .齿轮的选取 齿轮的参数如下表所示 表 3-6 齿轮的参数 名称 代号 小齿轮 大齿轮

　 分度圆直径 d 80 152

　 齿数 z 20 38

　 大端模数 m 4

　 节锥角 

　27.759o

　62.241o

　锥距 R 85.882

　 齿宽 b 26

　 齿距 p 12.56

　 工作齿高 h’

　6.8

　 齿高 h 7.552

　 顶圆锥角 

　30.777o

　63.756o

　跟圆锥角 f

　25.742o

　58.723o

　齿顶圆直径 d 

　88.014 154.116

　 冠顶距 kA

　73.891 37.989

　大端分度圆弧齿厚 s 7.583 4.977 齿轮材料为 20Cr 且经渗碳淬火，接触材料系数：KHC=0.86

　 弯曲材料系数

　 KFC=0.97。

　 总 总

　 结 该结构的任务是构建数字机械工业机器人。通过查阅材料和文件，你对目前国内外一些工业机器人的结构和工作原理有了一些了解和理解。在研究的基础上，理论分析和设计计算可以从理论上进行。然而，每一个理论产品都需要在实践中进一步检验，以便与实践有其他关系来提炼和使自己合理。

　在该草案中，主要任务是: 1.对该课题的可行性进行了分析，并参观了生产中的工业机器人，实现了该课题。

　2.设计一个场景，从中你可以选择最佳的组合方法。

　3.可能的驱动分析选择了更合理的方法。最近选择的推进方法是气动推进系统。

　4.在实践中，设计单个组件是为了确定最重要的技术参数。检查一些部件的强度和刚度。

　通过这个最终设计，我培养了自己独立解决实际问题和整合所学知识的能力。在设计过程中，您首先需要了解类似产品的工作原理和优缺点，然后进行比较分析，最后确定总体方案。在设计过程中，我对这个问题进行了深入的探讨，并与实际表现进行了充分的接触。为了开发合格的产品，考虑到分析过程中遇到的问题，需要简化流程和组件放置。

　设计过程的另一个优点是扩展了收集查询和分析数据的能力。在整个设计过程中，我们需要通过各种方式寻找有用的材料并一起分析来亲自处理它。这样，我们可以更快、更有效地利用我们的知识。

　在这份草案中，我还了解到联合分析至关重要，无法理解。通过这种方式，我们可以更有效地完成设计任务，而无需继续前进。另一方面，如果你造了一辆车，你就不能开发出好的产品。

　 参考文献

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　周伯英．《工业机械人设计》．机械工业出版社，1995 [3]

　龚振帮．《机械人机械设计》．电子工业出版社，1995 [4]

　成大光．《机械设计图册》（5）．化学工业出版社，1999 [5]

　郑堤、唐可洪．《机电一体化设计基础》．机械工业出版社，1997 [6]

　张铁、谢存禧．《机器人学》．华南理工大学出版社，2004 [7]

　冯辛安．《机械制造装备设计》．机械工业出版社，1999 [8]

　沈鸿. 《机械工程手册》．机械工业出版社，1983 [9]

　吴宗泽,罗圣国. 《机械设计课程设计手册第二版》．高等教育出版社，1999 [10]

　廖念钊,莫雨松等. 《互换性与技术测量第四版》．中国计量出版社，2000 [11]

　陈锦昌,刘就女,刘林. 《计算机工程制图》．华南理工大学出版社，1999 [12]

　濮良贵，纪名刚. 《机械设计》．高等教育出版社,1995 [13]

　何立民. 《单片机高级教程:应用与设计》．北京航空航天大学出版社，2000 [14]

　哈尔滨工业大学理论力学教研室. 《理论力学》．高等教育出版社，1997 [15]

　余达太,马香峰. 《工业机器人应用工程》．冶金工业出版社，2001。

　致 致

　 谢

　 随着毕业日子的到来，毕业设计即将结束。经过几周的努力，我的毕业设计终于完成了。在毕业设计之前，我觉得毕业设计只是对我这几年所学知识的简单总结。然而，我发现我对这个毕业设计的看法有点太片面了。毕业设计不仅是对过去所学知识的检验，也是对自身能力的提高。通过这次毕业设计，我很清楚的知道我原来的知识还很欠缺。还有很多东西要学。我总觉得我有一些东西，我什么都知道，而且我有点低调。通过这次毕业设计，我意识到学习是一个长期积累的过程。在今后的工作和生活中，我们应该不断学习，努力提高自己的知识和综合素质。

　在此衷心感谢学校、学院各位老师三年来给我的教育和培养，特别要感谢老师在我的毕业设计期间, 悉心指导和不啬赐教，他于百忙中不忘记我提出的问题进行耐心的解答与指导，并提出宝贵的意见。在此表示衷心的感谢！