工业机器人球坐标型机械臂结构设计 论文正文 - 图文(5)

正了解、懂机器人的人少而又少，这就使我国的机器人发展缺乏智力支持，加强机器人技术教育，缓解人才危机迫在眉睫。而研制结构简单、成本较低球坐标型机器人用于教学可以提高教育的现代化水平，用于实际生产可以大大提高工作效率，还可以用于科学研究工作，为开发更先进的装配机器人提供有利条件，随着我国经济和科技的发展，我们有能力也有必要进行这方面的研究。

2.2 工业机器人的特点

根据工作环境、工作特点等要求，本工业机器人应具备以下几个特点: 1.外形美观，适于观察。

如果作为示教用机器人应该让观看者赏心悦目，同时能直观地了解它的构成和动作原理。故机器人的外形应巧妙设计，部分外壳应采用透明材料，内部结构应简单明了，另外，机器人的动作应连续，速度适中。

2.成本低

在满足所要求功能的前提下，尽可能降低成本，这是设计的基本要求.如果作为教学用机器人只要求有一些示范性动作，而对实践的功能要求不高，速度等参数可在一定范围内调整，定位精度要求也不高，故机构尽可能采用规则件、标准件，驱动元件采用便宜的直流伺服电机，而光电码盘等测试校验元件则可不用，其功能由软件部分实现补偿。这样，结构大大简化，成本也随之降低。

3.体积小，重量轻

工业机器人要求抓取重量不大，动作范围也很小，故体积很小，展开一般不超过一米左右。要实现工业球坐标型机器人的三个自由度，内部零件应尽量小巧，结构应尽可能紧凑。重量轻是机器人研制的一个

方向，在满足强度和刚度的条件下，零部件越轻越好，故材料要首选

铝质轻质材料，零件特别是具有定位功能的壳体定位板应采用板筋结构，各零件的空间分布要合理，减小倾覆力矩。

4.传动原理简单

本工业机器人采用直流伺服电机驱动，速度要求不高，故减速比可在一定范围内调整，只要能满足转矩即可。选择减速方案可根据空间结构要求，优先选用标准谐波减速器，跨距转大的传动可选用同步带传动，力求一步到位，传动简单。

2.3 工业机器人传动方案的确定

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根据课题特点，参考《国内典型工业机器人图册》，初步确定以下方案如图9所示。

图9 传动图

如图所示:大臂转动采用行星齿轮减速器，小臂转动采用二级同步带减速，伸缩

轴采用丝杠螺母传动。这种方案主要考虑了传动链的简化，结构比较简单易行。

方案一具有以下特点:

1.第一个自由度采用行星齿轮减速器，适合结构特点，减速比大、体积小、重量轻、精度高、回差小、承载能力大、噪音小、效率高、定位安装方便，由于使用标准件，价格也不高。

2.第二个自由度采用二级同步齿型带减速，充分利用了大臂的空间，结构紧凑，传动比恒定，传动功率大，效率较高，但对安装有一定要求，需加调整装置。

3. 第三个自由度采用丝杠螺母传动。电机直接驱动丝杠螺母传动的同时兼有减速的作用，一步把旋转运动转变为直线运动，传动精度较高，丝杠有自锁功能，速度不宜过高。

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工业机器人球坐标机械臂的自由度包括大臂、小臂的旋转运动以及小臂上的伸缩运动，为了使机器人的大臂转动，所需要的最大转矩是当小臂呈水平状态，如图2-1所示。

该机械臂的基本技术参数如下：

大臂长度及回转角度：500mm，±1200，300/s； 小臂长度及回转角度：300mm，±900，300/s； 小臂移动距离：300mm； 负载重量：20Kg；

驱动方式：直流或伺服电机。

3 工业机器人球坐标机械臂结构设计

3.1 机械臂驱动方案的对比分析及选择

对机械臂驱动装置的一般要求如下:

1.动装置的重量尽可能要轻，单位重量的输出功率(即功率/重量比)要高，效率也要高;

2.反应速度要快，即要求力/重量比和力矩/惯量比要大; 3.动作平滑，不产生冲击;

4.控制尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小; 5.安全可靠; 6. 操作和维护方便;

7. 对环境无污染，噪声要小;

8. 经济上合理，尤其是要尽量减少占地面积。 通常的机械臂驱动方式有以下四种:

1.步进电机：可直接实现数字控制，控制结构简单，控制性能好，而且成本低廉;通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制；位置误差不会积累;步进电机具有自锁能力(变磁阻式)和保持转矩(水磁式)的能力，这对于控制系统的定位是有利的，适于传动功率不大的关节或小型机器人。

2.直流伺服电机：直流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动力矩，相对功率大及快速响应等特点，并且控制技术成熟。但其结构复杂，成本较高，而且需要外围转换电路与微机配合实现数字控制。若使用直流伺服电机，还要考虑电刷放电对实

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际工作的影响。

3.交流伺服电机：交流伺服电机结构简单，运行可靠，使用维修方便，与步进电机相比价格要贵一些。随着可关断晶闸管GTO，大功率晶闸管GTR和场效应管MOSFET等电力电子器件、脉冲调宽技术(PWM)和计算机控制技术的发展，使交流伺服电机在调速性能方面可以与直流电机媲美。采用16位CPU+32位DSP三环(位置、速度、电流)全数字控制，增量式码盘的反馈可达到很高的精度。三倍过载输出扭矩可以实现很大的启动功率，提供很高的响应速度。

4.液压伺服马达：液压伺服马达具有较大的功率/体积比，运动比较平稳，定位精度较高，负载能力也比较大，能够抓住重负载而不产生滑动，从体积、重量及要求的驱动功率这几项关键技术考虑，不失为一个合适的选择方案。但是，其费用较高，其液压系统经常出现漏油现象。为避免本系统也出现同类问题，在可能的前提下，本系统将尽量避免使用该种驱动方式。

由以上可知，伺服电机是最适合机械臂关节用电机的。而除了步进电机，其他类型的电动机都可以作为伺服电机使用。这就要综合考虑组成伺服电机的各种电机特性。在所有电动机的设计及运行中的一个重要问题是散热，和其他设备发热一样，电动机所产生的热量最终使其尺寸和功率的决定性因素。热量主要是由流过电流的绕组电阻产生，但还包括由铁耗、摩擦损耗、电刷损耗以及短路电流损耗等所产生的热量，铁耗包括涡流损耗和磁滞损耗。因为W=I2 R，所以电流越大，发热量越大。导线越粗发热量越少，但成本也越高，线圈也越重（惯性最大），并需要更大的安装空间。所有电机都会发热，但重要的是电动机的散热路径，因为如果散热快，那么电动机就可以散去更多的热量而避免损坏。

在直流电机中，转子上有绕组并有电流流过，于是在转子中会产生热，这些热必须从转子通过气隙、永久磁体以及电动机机体向周围环境散发（也可以通过从轴到轴承散失掉）。空气是很好的绝缘体，因此，直流电机的总热传导系数相当低。另一方面，在交流电机中，转子式永久磁体，绕组在定子上。在定子中产生的热量通过电动机机体传导再散失到空气中。结果是，由于在热的传送途径中没有气隙的存在，因此交流电机总的热传导系数比较高，从而交流电机可以承受相当大的电流而不损坏，这样在相同的尺寸下功率也会较大。

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图10 带载运行电机定子表面温升曲线

由以上的分析可知，采用永磁体的无刷直流电动机既克服了直流电动机机械换向的不足，又具有功耗小、体积小、质量轻、运行稳定、维护方便、调速范围宽等优点，与反馈环节相结合组成伺服控制系统带载能力强，易于控 …… 此处隐藏：1738字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……