北航專業(yè)課程設(shè)計3R機器人

1、機械設(shè)計專業(yè)課程設(shè)計計算說明書設(shè)計題目：3R機器人機械工程及自動化學(xué)院（系）100712班設(shè) 計 者：楊永真 陳翔 陳記凡 張進 張沛指導(dǎo)教師：王偉 吳瓊老師2013年11月18日（北京航空航天大學(xué)）目錄一、設(shè)計任務(wù)書2二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀4三、總體方案設(shè)計53.1設(shè)計思路的確定53.2傳動方案的確定53.3驅(qū)動裝置的選擇6驅(qū)動方案的分析6電機選型與計算63.4減速器的選擇7四、機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及二維圖設(shè)計74.1機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計74.2二維圖設(shè)計11五、機械臂三維模型設(shè)計11六、控制部分146.1交流伺服電機146.2驅(qū)動器GS0020A146.3安裝和接線15七、運動仿真分析197.1建模1

2、97.2運動仿真197.3數(shù)據(jù)分析20角速度和角加速度的分析20轉(zhuǎn)矩分析22八、有限元分析238.1建模過程238.2網(wǎng)格劃分278.3有限元分析29九、項目分工35十、參考資料36一、設(shè)計任務(wù)書1、設(shè)計題目：3R機器人2、設(shè)計要求（1）設(shè)計要求一型號RB03驅(qū)動方式交流伺服驅(qū)動有效負(fù)載3Kg重復(fù)定位精度±0.05運動范圍J1軸±170°J2軸-60°+150°J3軸-170°75°J4軸±190°J5軸±125°J6軸±360°額定速度J1軸2.62rad/sJ2

3、軸2.62rad/sJ3軸3.14rad/sJ4軸4.71rad/sJ5軸4.71rad/sJ6軸4.71rad/s（2）設(shè)計要求二周圍環(huán)境溫度045濕度2080%（不結(jié)露）其他1、避免與易燃易爆及腐蝕性氣體、液體接觸；2、勿濺水、油、粉塵等；3、遠離電器噪音源（等離子）。安裝方式地面安裝電柜質(zhì)量125Kg本體質(zhì)量75Kg180Kg3R機器人設(shè)計圖如下3、設(shè)計任務(wù)（1）完成3R機器人總體方案設(shè)計和論證，繪制總體原理方案圖。（2）完成主要傳動部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計。（3）完成裝配圖一張（用A0圖紙），零件圖2張（A3）。（4）編寫設(shè)計說明書1份。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀自上世紀(jì)90年代以來，隨著計算機技術(shù)、微

4、電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，機器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。原本用于生產(chǎn)制造的工業(yè)機器人水平不斷提高，各種用于非制造業(yè)的先進機器人系統(tǒng)也有了長足的進展。機器人的各種功能被相繼開發(fā)并得到不斷增強，機器人的種類不斷增多，機器人的應(yīng)用領(lǐng)域也從最初的工業(yè)控制拓展到各行各業(yè)，從軍事到民用，從天上到地下，從工業(yè)到農(nóng)業(yè)、林、牧、漁，從科研探索到醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)，從生產(chǎn)領(lǐng)域到娛樂服務(wù)行業(yè)，甚至還進入尋常百姓家。 工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)形式很多，常用的有直角坐標(biāo)式、柱面坐標(biāo)式、球面坐標(biāo)式、多關(guān)節(jié)坐標(biāo)式、伸縮式、爬行式等等，根據(jù)不同的用途還在不斷發(fā)展之中。根據(jù)不同的應(yīng)用場合可采取不同的結(jié)構(gòu)形式，但目前用得最多的是模

5、仿人的手臂功能的多關(guān)節(jié)式的機器人，這是因為多關(guān)節(jié)式機器人的手臂靈活性最大，可以使空間位置和姿態(tài)調(diào)至任意狀態(tài)，以滿足需要。理論上講，機器人的關(guān)節(jié)愈多，自由度也愈多，關(guān)節(jié)冗余度愈大，靈活性愈好；但同時也給機器人逆運動學(xué)的坐標(biāo)變換和各關(guān)節(jié)位置的控制帶來復(fù)雜性。進入21世紀(jì)，世界經(jīng)濟結(jié)構(gòu)正在發(fā)生重大而深刻的變革，但制造業(yè)依然是世界各發(fā)達與發(fā)展中國家加快經(jīng)濟發(fā)展、提高國家綜合競爭力的重要途徑。 我國是一個制造業(yè)大國，尚處于工業(yè)化進程之中，在未來相當(dāng)長的時期里，制造業(yè)仍將在國民經(jīng)濟中占主導(dǎo)地位。在新一輪國際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，我國正逐步成為世界最重要的制造業(yè)基地之一。  然而目前

6、我國裝備制造業(yè)的整體水平與發(fā)達國家相比尚有較大的差距，尤其是在戰(zhàn)略必爭裝備技術(shù)與競爭前核心技術(shù)、基礎(chǔ)制造裝備與成套關(guān)鍵裝備制造技術(shù)等方面差距更大，這種差距又主要體現(xiàn)在先進裝備的自主設(shè)計與獨立制造能力差，成套與系統(tǒng)集成、優(yōu)化能力差，技術(shù)創(chuàng)新和集成創(chuàng)新能力差。這些差距已經(jīng)成為制約我國制造業(yè)乃至其他行業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸問題之一。三、總體方案設(shè)計3.1設(shè)計思路的確定為實現(xiàn)總體機構(gòu)在空間位置提供的6個自由度，可以有不同的運動組合，根據(jù)本課題的要求現(xiàn)可以將其設(shè)計成關(guān)節(jié)型機器人。關(guān)節(jié)型又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型，這種機器人的手臂與人體上肢類似，其前三個關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂間形

7、成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)運動和使大臂作俯仰擺動，小臂作俯仰擺動。其特點是工作空間范圍大，動作靈活，通用性強、能抓取近距離的物體，工藝操作精度高。3.2傳動方案的確定上圖為機械臂傳動系統(tǒng)的簡圖。交流伺服電機1通過減速器與立柱同軸轉(zhuǎn)動，帶動整個機械臂做腰轉(zhuǎn)運動；交流伺服電機2通過減速器帶動大臂做肩關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動；同理，交流伺服電機3帶動小臂轉(zhuǎn)動（位置可根據(jù)需要調(diào)整）。3.3驅(qū)動裝置的選擇驅(qū)動方案的分析由于驅(qū)動方式為交流伺服驅(qū)動，所以我們采用的是交流伺服電機配以行星齒輪減速器的方式交流伺服電機的特點：1.輸出功率較大，可滿足負(fù)載要求；2.電機及電源的投資花費少，使用成本低；3.結(jié)

8、構(gòu)簡單。電機選型與計算J3處電機功率的估算：P3'=Fv=mg3r=3×9.8×3.14×0.191W=17.63W考慮之間桿臂上的質(zhì)量，取系數(shù)k=1.2，P3=17.63×1.2=21.2WJ2處電機功率的估算：取最大臂長0.5計算；估算兩臂重1.2kg（材料初步定為鋁合金，密度估算為2.7g/cm3，長0.5米，寬高皆估為3cm）P2=Fv=mg2R=3+1.22×9.8×2.62×0.5W=46.22WJ1處電機功率的估算：將轉(zhuǎn)動慣量等效至J1軸，等效轉(zhuǎn)動慣量為：J=mr2=3×0.52+1.2

9、15;0.252=0.825kgm2取加速時間t=1s，=2.62rad/s，=2.62rad/s2故轉(zhuǎn)矩M=J=0.825×2.62Nm=2.1625Nm功率P1=n1M9550=2.62×2.1625×602×9.550W=6.0W所以我們最終選擇了60CB020C-010000型號的交流伺服電機。3.4減速器的選擇電機的額定轉(zhuǎn)速為3000rpm，J1軸的設(shè)計轉(zhuǎn)速為2.62rad/s，J2軸的設(shè)計轉(zhuǎn)速為2.62rad/s，J3軸的設(shè)計轉(zhuǎn)速為3.14rad/s，故各關(guān)節(jié)的傳動比為i1=120,i2=120,i3=100.最終，在J1軸處，我們選用了PF

10、40行星減速器，其減速比為120：1，額定轉(zhuǎn)矩為28Nm；在J2和J3軸處，我們選用了WPL60直角型行星減速器，減速比分別為120：1和100：1，額定轉(zhuǎn)矩為72Nm。四、機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及二維圖設(shè)計4.1機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計1、 動力源根據(jù)前述計算結(jié)果我們選擇了60CB020C-010000型交流伺服電機，額定功率200瓦，轉(zhuǎn)矩0.64N*m，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，三個關(guān)節(jié)的額定轉(zhuǎn)速分別為J1=2.62r/s，J2=2.62r/s，J3=3.14r/s，根據(jù)以上額定轉(zhuǎn)速，分別選擇減速比為120：1，120：1和100：1的普通減速器，詳細(xì)型號參數(shù)見上文。將其作為動力源，驅(qū)動機械臂的運動。

11、2、 傳動機構(gòu)機械臂傳動機構(gòu)采用最直接的鍵連接的方法進行傳動，由于電機輸出經(jīng)過減速器的減速，輸出的速度與所需轉(zhuǎn)速一致，同時電機輸出軸與需要驅(qū)動的機械臂距離較短，可以直接驅(qū)動，因此采用鍵連接的方式直接驅(qū)動。最下方電機輸出軸所選鍵為鍵6*20，另外兩個電機輸出軸所選鍵為4*20，具體計算見上文。 電機1與鍵的連接電機2與鍵的連接電機3與鍵的連接3、 導(dǎo)向支撐機構(gòu)（1）底座電機的支撐機構(gòu)底座電機的支撐機構(gòu)采用推力軸承與調(diào)心圓錐滾子軸承的組合結(jié)構(gòu)，推力軸承可以保證機械臂上部分與底座的軸向定位，同時減少兩者之間的轉(zhuǎn)動摩擦，減少損耗；調(diào)心圓錐滾子軸承可以保證機械臂上部分與底座的徑向定位，防止機械臂的徑向搖

12、擺。調(diào)心圓錐滾子軸承內(nèi)圈采用雙向固定，外圈采用單向固定，另外一個方向的固定由推力軸承來承擔(dān)。二維圖如下圖所示：（2）大臂電機的導(dǎo)向支撐結(jié)構(gòu)大臂電機的支撐結(jié)構(gòu)僅采用一對深溝球軸承，分別與大臂1和大臂2進行連接，減少大臂轉(zhuǎn)動時與立柱的摩擦，同時提供支撐。軸承采用兩端單向固定方式，用立柱軸肩和大臂軸肩進行固定。大臂之間采用結(jié)構(gòu)件進行連接，同時采用墊片，使兩個大臂之間的距離可調(diào)。二維圖如下：減速器（3）小臂電機的導(dǎo)向支撐機構(gòu)小臂電機支撐機構(gòu)同樣如大臂電機，采用一對深溝球軸承連接方式如上述，定位方式同樣采用軸肩進行兩端單向定位。二維圖如下：小臂（4）所用軸承列表軸承位置軸承型號數(shù)量底座電機支撐滾動軸承5

13、12201滾動軸承231201大臂電機支撐滾動軸承62012小臂電機支撐滾動軸承620124、 機架部分機架部分由底座，轉(zhuǎn)盤，立柱組成；底座內(nèi)部提供底座電機的安裝空間，外部提供調(diào)心滾子軸承的安裝位置。轉(zhuǎn)盤下部提供推力軸承的安裝位置，中心鉆孔，與減速器輸出軸接觸。立柱與轉(zhuǎn)盤通過螺釘相連，上部分提供電機，滾子軸承安裝位。5、 連接零件連接零件采用螺釘，螺栓連接，保證零件間的固聯(lián)。零件列表如下：連接件位置連接件型號數(shù)量擋環(huán)連接內(nèi)六角螺釘M5×124底座電機與減速器連接螺栓M5×164M5螺母4其他電機與減速器連接螺栓M5×148M5螺母8電機與底座連接內(nèi)六角螺釘M6&#

14、215;154轉(zhuǎn)盤與立柱連接螺釘M6×114其他電機與機座的連接內(nèi)六角螺釘M5×158連接件與大臂的連接螺釘M4×1044.2二維圖設(shè)計通過三維裝配體導(dǎo)入成二維圖，在進行修改，得到二維裝配體圖。二維圖見零號圖紙二維零件圖見兩張3號圖紙五、機械臂三維模型設(shè)計1、 設(shè)計過程三維圖零件設(shè)計基于我們初步選擇的電機和減速器尺寸；（1） 首先建立電機和減速器三維實體模型（2） 根據(jù)電機和減速器尺寸設(shè)計相應(yīng)機架和機械手臂尺寸，機械手臂長度由初步設(shè)定的手臂長度來確定。（3） 根據(jù)設(shè)計軸，孔尺寸生成適合尺寸的軸承（4） 根據(jù)軸承尺寸在機架手臂上添加固定軸承的軸肩，定位孔（5） 設(shè)計

15、螺釘，螺栓的定位孔。（6） 生成相應(yīng)合適尺寸的螺釘，螺栓（7） 對裝配圖進行裝配2、 三維圖簡圖（1） 三維裝配體簡圖：爆炸視圖如下圖：（2）三維零件圖預(yù)覽大臂零件圖 立柱零件圖轉(zhuǎn)盤零件圖六、控制部分6.1交流伺服電機我們所選擇的電機型號為60CB020C-01000，技術(shù)數(shù)據(jù)如下：規(guī)格型號單位60CB020C-01000060CB040C-01000060CB060C-010000貨物編碼 031702031752031802額定輸出功率W200400600額定轉(zhuǎn)矩N·m0.641.271.91瞬間最大轉(zhuǎn)矩N·m1.913.825.73額定轉(zhuǎn)速rpm3000最高

16、轉(zhuǎn)速rpm3600電機轉(zhuǎn)子慣量kg·cm20.170.30.44轉(zhuǎn)矩系數(shù)N·m/A0.7120.7120.712額定相電流A1.272.53.73瞬間最大相電流A3.697.3311.0電樞繞組相電阻13.05.583.0電樞繞組相電感mH31.8717.3310.07機械時間常數(shù)ms1.521.080.91電氣時間常數(shù)ms2.453.113.36重量kg1.01.41.8編碼器P/R2500負(fù)載慣量 負(fù)載慣量電機轉(zhuǎn)子慣量×10（倍）適配驅(qū)動器 GS0020AGS0040AGS0075A據(jù)此，選擇驅(qū)動器為GS0020A.6.2驅(qū)動器GS0020

17、A其命名規(guī)則如下：技術(shù)特性：輸入電壓：小于1KW采用單相AC220V反饋方式：增量式編碼器控制方式：采用外部輸入模擬量速度控制，根據(jù)模擬量的幅值（0-10V）和極性控制電機的轉(zhuǎn)速和方向。驅(qū)動器總體尺寸：6.3安裝和接線單相電源接線：依說明書：將電源通過非熔絲斷路器、噪聲濾波器、電磁接觸器接到驅(qū)動器L1、L2兩個借口上。電機與驅(qū)動器連接：將電機的U,V,W,FG，分別于驅(qū)動器連接，編碼器轉(zhuǎn)接線插入驅(qū)動器相應(yīng)插口中。與控制器的連接：驅(qū)動器插口如下：七、運動仿真分析7.1建模我們將Solidworks所建的三維模型導(dǎo)入到Adams里進行了仿真分析，如下圖：7.2運動仿真在三維零件的基礎(chǔ)上，我們添加了

18、若干運動付（Joints）以及重力和負(fù)載，在三個關(guān)節(jié)分別添加了Mo7tion，并編寫了運動函數(shù)，完成了一系列動作。如下圖：7.3數(shù)據(jù)分析角速度和角加速度的分析立柱速度峰值為115deg/sec=2rad/s角加速度峰值約為2 rad/s2大臂速度峰值為125deg/s=2.18rad/s加速度峰值為1000 deg/s2小臂速度峰值為265deg/s=4.6rad/s角加速度峰值為1750 deg/s2轉(zhuǎn)矩分析J1處轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩峰值為1.7Nm，符合電機和減速器的轉(zhuǎn)矩要求J2處轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩峰值約為30 Nm，符合電機和減速器的轉(zhuǎn)矩要求J3處轉(zhuǎn)矩峰值為7.5 Nm，符合電機和減速器的轉(zhuǎn)矩要求八、有限元分

19、析8.1建模過程分析的對象為如圖紅色大臂1：電機輸出軸與大臂末端以鍵的方式相固聯(lián)：1.在Solidworks中將此零件另存為成parasolid(*.x_t)格式，運行Mechanical APDL Product Launcher 14.5, 點擊File-Import-Para打開此文件。2.生成節(jié)點和單元組成的網(wǎng)格之前，需要定義合適的單元屬性，其中單元類型（ElementType）和材料常數(shù)（MaterialProps）是必須定義的。定義單元類型：點擊Preprocessor-Element Type-Add，根據(jù)實際要求我選擇的單元類型為Solid-Brick 8 node 185。定

20、義材料常數(shù)：點擊Preprocessor-Material Props-Material Models-Structural，再點擊Linear-Elastic-Isotropic, 輸入彈性模量（EX）為2.2e11，泊松比（PRXY）為0.3；點擊Density，輸入密度為2700（機器人材料為鋁合金，密度為2700kg/m3）3.創(chuàng)建力的作用點：點擊Preprocessor-Modeling-Create-Keypoints，利用KP Between KPs命令，創(chuàng)建出如圖所示的力的作用點（KP143）8.2網(wǎng)格劃分建?；就瓿桑酉聛磉M行網(wǎng)格劃分：點擊Preprocessor-Mesh

21、ing-Mesh Attributes-Picked Volumes，點擊選擇整個零件，并選擇單元類型（ElementType）和材料常數(shù)（MaterialProps）：之后點擊Preprocessor-Meshing-Mesh-Volumes-Free，選擇整個零件，網(wǎng)格劃分前后對比如圖：8.3有限元分析開始進行有限元分析：點擊Solution-Analysis Type-New Analysis-Static開始分析。限制自由度：由于是靜態(tài)分析，而電機輸出軸和臂是用鍵相連，所以在分析時可以將臂中鍵槽的三個面的自由度限制為0。點擊Solution-Define Loads-Apply-Structural-Displacement-On areas，選擇鍵槽的三個面，并且將自由度設(shè)置為0。添加受力：經(jīng)過分析，靜態(tài)時，當(dāng)臂與地面相水平時受力最大，臂末端受力約為31.2N。點擊Solution-Define Loads-Apply-Structural-Force/Moment-On Key Points命令，選取之前所創(chuàng)建的關(guān)鍵點KP143，在VALUE文本框中輸入31.2，方向垂直于臂，即為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，點擊Solution-Define Loads-Apply-Str