机械手设计毕业设计论文.doc

本 科 毕 业 论 文

题 目：三自由度圆柱坐标型工业机器人设计
学 院： 机械工程学院
专 业： 机械制造（辅修） 　
年　　级： 2009 　　　　　　　　　　　　　
姓 名： 李介博
指导教师： 赵华洋
完成日期： 2012.04.03

三自由度圆柱坐标型工业机器人设计

摘要 ：在工业上，随着自动控制系统广泛的应用，工业自动化机床控制、计算机系统、机器人等高科技技术也得到了长足的发展。其中工业机器人是相对较新的电子设备，它综合应用了机械电子自动控制等先进技术以及物理生物等学科的基础知识，因而能实现机械化与自动化的有机结合而广泛应用与工业生产的各个部门，逐步的改变现代化工业面貌。
工业机器人是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化程度高的自动操作机械。主要用在自动加工线和柔性制造系统中传递和装卸的工件或夹具。工业机器人以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运更重的东西，而且定位精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行各种操作。
本设计为三自由度圆柱坐标型工业机器人，其工作方向为两个直线方向和一个旋转方向。在控制器的作用下，它可执行将工件从一条流水线拿到另一条流水线这一简单的动作，本文是对整个设计工作较全面的介绍和总结。

关键词：三自由度；圆柱坐标；工业机器人；自动化

Three degrees of freedom cylindrical coordinate industrial robot design

Abstract:
In industry, along with the automatic control system of a wide range of applications, industrial automation machine control, computer systems, robots and other high-tech technology are also got rapid progress. Including industrial robot is relatively new electronic equipment, it comprehensive application of mechanical and electronic automatic control and other advanced technology and physics biological sciences foundation knowledge, and can therefore realize mechanization and automation organically and is widely used in industrial production of various sectors, gradually change modern industrial outlook.
Industrial robot is a body independent of freedom movements, the program can be more flexible changes, can arbitrary positioning, high automation automatic operate machinery. Mainly used in automatic processing lines and flexible manufacturing system transfer and loading and unloading work piece or fixture. Industrial robot arm with rigid high for the subject than people, can have faster movement speed, can carry more weight, and positioning accuracy quite high, and it may, according to the signals, automatic external to operate.
This scheme introduced a cylindrical robot for three degree of freedom. It is composed of two linear axes and one rotary axis current control only allows these devices move from one assembly line to other assembly line in space, perform relatively simple tasks. This paper is more comprehensive introduction and summing-up for the for the whole design work.

Key words:
three degrees of freedom; cylindrical; industrial robot; automation

目 录
第一章 绪论 1
第二章 工业机器人的总体设计 3
2.1 工业机器人的组成及各部分关系概述 3
2.2 工业机器人的设计分析 4
2.2.1 设计要求 4
2.2.2 总体方案拟定 5
2.2.3 工业机器人主要技术性能参数 5
第三章 工业机器人的机械系统设计 7
3.1 工业机器人的运动系统分析 7
3.1.1 机器人的运动概述 7
3.1.2 机器人的运动过程分析 8
3.2 工业机器人的执行机构设计 10
3.2.1 末端执行机构设计 10
3.2.2 手臂机构的设计 14
3.2.3 腰部和基座设计 16
3.3 工业机器人的机械传动装置的选择 23
3.3.1 滚珠丝杠的选择 23
3.3.2 谐波齿轮的选择 25
3.3.3 联轴器的选择 25
第四章 工业机器人的计算机控制系统概述 27
4.1 工业机器人控制系统的特点及对控制功能的基本要求 27
4.2 计算机控制系统的设计方案 27
4.3 硬件电路的组成 28
第五章 工业机器人运行时应采取的安全措施 30
5.1 安全要求 30
5.2 实施方法 30
总 结 32
致 谢 33
参考文献 34

内蒙古民族大学机械工程学院毕业论文

第一章 绪论
机器人工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国科技界跟踪国际高科技发展的重要方面。工业机器人的研究、制造和应用水平，是一个国家科技水平和经济实力的象征，正受到许多国家的广泛重视[5]。
目前，工业机器人的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。最近联合国国际标准化组织采纳了美国机器人协会给工业机器人下的定义：工业机器人是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件。参考国外的定义，结合我国的习惯用语，对工业机器人作如下定义：
工业机器人是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化程度高的自动操作机械。主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸工件或夹具。[7]
工业机器人以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运更重的东西，而且定位精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行各种操作。
工业机器人的发展，由简单到复杂，由初级到高级逐步完善，它的发展过程可分为三代：
第一代工业机器人就是目前工业中大量使用的示教再现型工业机器人，它主要由手部、臂部、驱动系统和控制系统组成。它的控制方式比较简单，应用在线编程，即通过示教存贮信息，工作时读出这些信息，向执行机构发出指令，执行机构按指令再现示教的操作。
第二代机器人是带感觉的机器人。它具有寻力觉、触觉、视觉等进行反馈的能力。其控制方式较第一代工业机器人要复杂得多，这种机器人从1980年开始进入了实用阶段，不久即将普及应用。
第三代工业机器人即智能机器人。这种机器人除了具有触觉、视觉等功能外，还能够根据人给出的指令认识自身和周围的环境，识别对象的有无及其状态，再根据这一识别自动选择程序进行操作，完成规定的任务。并且能跟踪工作对象的变化，具有适应工作环境的功能。这种机器人还处于研制阶段，尚未大量投入工业应用。
我国工业机器人起步于70年代初期，经过20多年的发展，大致经历了3个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。
70年代是世界科技发展的一个里程碑：人类登上了月球，实现了金星、火星的软着陆。我国也发射了人造卫星。世界上工业机器人应用掀起一个高潮，尤其在日本发展更为迅猛，它补充了日益短缺的劳动力。在这种背景下，我国于1972年开始研制自己的工业机器人。
进入80年代后，在高技术浪潮的冲击下，随着改革开放的不断深入，我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。“七五”期间，国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人。1986年国家高技术研究发展计划（863计划）开始实施，智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。
从90年代初期起，我国的国民经济进入实现两个根本转变时期，掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮，我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。
虽然中国的工业机器人产业在不断的进步中，但和国际同行相比，差距依旧明显。从市场占有率来说，更无法相提并论。工业机器人很多核心技术，目前我们尚未掌握，这是影响我国机器人产业发展的一个重要瓶颈[11]。

第二章 工业机器人的总体设计
2.1 工业机器人的组成及各部分关系概述
工业机器人通常是由三大系统组成：机械系统、控制系统、智能系统。不同用途的机器人的具体机构是不一样的，但是执行机构和驱动机构是必不可少的重要组成部分。

图2-1 工业机器人的组成图
它主要由机械系统(执行系统、驱动系统)、控制检测系统及智能系统组成。
A、 执行系统：执行系统是工业机器人完成抓取工件，实现各种运动所必需
的机械部件，它包括手部、腕部、机身等。
（1） 手部：又称手爪或抓取机构，它直接抓取工件或夹具。
（2） 腕部：又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变手部的工作方位。
（3） 臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的负荷，并把它传递到预定的位置。
（4） 机身：是支承手臂的部件，其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。
B、 驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的机械传动、液压传动、气压传动和电传动。
C、 控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。
D、 检测系统：作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求。

图2-2 各部分关系图
2.2 工业机器人的设计分析
2.2.1 设计要求
综合运用所学知识,搜集有关资料独立完成三自由度圆柱坐标型工业机器人操作机和驱动单元的设计工作。
原始数据：自动线上有Ａ，Ｂ两条输送带之间距离为1.5m，需设计工业机器人将一零件从A带送到B带。
零件尺寸：内孔￠100，壁厚10mm，高100mm。
零件材料：45钢。
2.2.2 总体方案拟定
在工业机器人的诸多功能中，抓取和移动是最主要的功能。这两项功能实现的技术基础是精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动。本次设计就是在这一思维下展开的。根据设计内容和需求确定圆柱坐标型工业机器人，利用步进电机驱动和谐波齿轮传动来实现机器人的旋转运动；利用另一台步进电机驱动滚珠丝杠旋转，从而使与滚珠丝杠螺母副固连在一起的手臂实现上下运动；考虑到本设计中的机器人工作范围不大，故利用液压缸驱动实现手臂的伸缩运动；末端夹持器则采用内撑连杆杠杆式夹持器，用小型液压缸驱动夹紧。

图2-3 机器人外形图
2.2.3 工业机器人主要技术性能参数
工业机器人的技术参数是说明其规格和性能的具体指标。主要技术参数有如
下：
A、 抓取重量：
抓取重量是用来表明机器人负荷能力的技术参数，这是一项主要参数。这项参数与机器人的运动速度有关，一般是指在正常速度下所抓取的重量。
B、 抓取工件的极限尺寸：
抓取工件的极限尺寸是用来表明机器人抓取功能的技术参数，它是设计手部的基础。
C、 坐标形式和自由度：
说明机器人机身、手部、腕部等共有的自由度数及它们组成的坐标系特征。
D、 运动行程范围：
指执行机构直线移动距离或回转角度的范围，即各运动自由度的运
动量。根据运动行程范围和坐标形式就可确定机器人的工作范围。
E、 运动速度：
是反映机器人性能的重要参数。通常所指的运动速度是机器人的最大运动速度。它与抓取重量、定位精度等参数密切有关，互相影响。目前，国内外机器人的最大直线移动速度为1000mm/s左右，一般为200～400mm/s；回转速度最大为180º/s，一般为50º/s。
F、 定位精度和重复定位精度：
定位精度和重复定位精度是衡量机器人工作质量的一项重要指标。
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1-1。
表1-1 技术参数表
机械手类型
三自由度圆柱坐标型
抓取重量
2.69Kg
自由度
3个（1个回转2个移动）
机座
长120mm，回转运动，回转角180°，步进电机驱动，单片机控制
腰部机构
长680mm，伸缩运动，升降范围450mm，步进电机驱动，单片机控制
手臂机构
长826mm，伸缩运动，伸缩范围50mm，液压缸驱动，行程开关控制
末端执行器
液压缸驱动 行程开关控制

第三章 工业机器人的机械系统设计
3.1 工业机器人的运动系统分析
3.1.1 机器人的运动概述
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。
工业机器人机构的简图，如图3-1所示。

图3-1 工业机器人机构简图
a．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。
b．机器人的工作空间和机械结构类型
（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3-2。

图3-2 工作空间图
（2）机械结构类型
圆柱坐标型为本设计所采用方案，这种运动形式是通过一个转动，两个移动，共三个自由度组成的运动系统（代号RPP），工作空间图形为圆柱形。它与直角坐标型比较，在相同的工作条件下，机体占体积小，而运动范围大。
3.1.2 机器人的运动过程分析
工业机器人的运动过程中各动作如图3-3和表3-1。

图3-3 机器人运动工步组合图
表3-1 运动各工步示意表
机器人开机处于A位
工步一
手臂上升
工步二，工步七，工步十三
旋转至B位
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位
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。

3.2 工业机器人的执行机构设计
3.2.1 末端执行机构设计
工业机器人的末端执行机构设计是用来抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、准确和牢靠程度都将直接影响到工业机械手的工作性能，它是工业机械手的关键部件之一。
3.2.1.1 设计时要注意的问题：
a. 末端执行机构应有足够的夹紧力，为使手指牢靠的夹紧工件，除考虑夹持工件的重力外，还应考虑工件在传送过程中的动载荷。
b. 末端执行机构应有一定的开闭范围。其大小不仅与工件的尺寸有关，而且应注意手部接近工件的运动路线及其方位的影响。
c. 应能保证工件在末端执行机构内准确定位。
d. 结构尽量紧凑重量轻，以利于腕部和臂部的结构设计。
e. 根据应用条件考虑通用性。
3.2.1.2 总体结构设计
采用内撑连杆杠杆式夹持器，用小型液压缸驱动夹紧，它的结构形式如图2-4。内撑连杆杠杆式夹持器采用四连杆机构传递撑紧力，即当液压缸1工作时，推动推杆2向下运动，使两钳爪3向外撑开，从而带动弹性爪4夹紧工件。该种夹持器多用于内孔薄壁零件的夹持。

图3-4 末端执行器结构图
3.2.1.3 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很小的薄壁零件，最大工作载荷很小，故初选液压缸型号为Y-HG1-C40/22×25LF2HL1Q，它的主要技术参数如表3-2。

表3-2 冶金设备标准液压油技术规格
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
40
22
28
10
M18x1.5
b． 夹紧力校验
1）零件的计算

其中g取9.8.
取G=27（N）
2） 紧力的计算：
要夹持住零件必须满足条件：2fN≥G
f为手指与工件的静摩擦系数，工件材料为45号钢，手指为钢材，查《机械零件手册》 表2-5 得f=0.15，N为作用在零件内壁上压紧力，G为零件重力。
所以 取N=100（N）
驱动力的计算公式为：
α为斜面倾角，α=35°，为传动机构的效率，这里为平摩擦传动，查资料[1]表2-2 得 这里取=0.85, b=77.5mm,c=29mm。
取p=500(N).

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》查的气缸负载规格表，表3-3

表3-3 气缸负载规格表
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：=0.9～0.95, 所以

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=500N。所以该液压缸能够满足要求。
3.2.1.4 弹性爪的强度校验
弹性爪的结构形式如图3-7：

图3-7 弹性爪结构图
这种结构是在手爪外侧用螺钉固定弹簧板两端固定。当弹性手工作时，由于夹紧过程具有弹性，就可以避免易损零件被抓伤，变形和破损。
工件与弹簧片间的力：由上节可知F=100N。
则弹簧爪截面上的剪应力为[τ]=30MPa，
τ=Q/A=
故弹性爪满足强度要求。
3.2.2 手臂机构的设计
3.2.2.1 手臂的设计要求
a、 手臂的结构和尺寸应满足机器人完成作业任务提出的工作空间要求
b、 根据手臂所受载荷和结构的特点，合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料。
c、 尽量减小手臂重量和相对其关节回转轴的转动惯量和偏重力矩，以减小驱动装置的负荷；减少运动的动载荷与冲击，提高手臂运动的响应速度。
d、 要设法减小机械间隙引起的运动误差，提高运动的精确性和运动刚度。采用缓冲和限位装置提高定位精度。
本设计中手臂由滚珠丝杠驱动实现上下运动，结构简单，装拆方便，还设计有两根导柱导向，以防止手臂在滚珠丝杠上转动，确保手臂随机座一起转动。它的结构如图3-8。

图3-8 手臂结构图
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。

3.2.2.2 伸缩液压油缸的选择
选液压缸型号为Y-HG1-C50/28×100LJ1HL1Q，它的主要技术参数如表3-4。
表3-4 冶金设备标准液压油技术规格
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
3.2.2.3 活塞杆的强度校核
末端执行器的重量为：10.389Kg。
工件重量为：2.64Kg。

图3-8 手臂结构图
活塞杆受力分析如图3-8
由静力平衡方程：
ΣMB=0 R1·LAB－Q·LBC=0
ΣMA=0 R2·LAB－Q·LAC=0
求得支反力为：
R1=524.88N
R2=673.16N
以A点为坐标原点，得剪力图和弯矩图如图3-9

图3-9 剪力图与弯矩图
由表3-3得活塞杆[τ]=140MPa, [σ]=240MPa.
则在B处横截面上的剪应力为：
τB= RB/A=
在B处的弯应力为：
σB= MB/A=
综上所述，活塞杆满足要求。
3.2.3 腰部和基座设计
3.2.3.1 结构设计
通过安装在支座上的步进电机和谐波齿轮直接驱动转动机座转动，从而实现机器人的旋转运动，通过安装在顶部的步进电机和联轴器带动滚珠丝杠转动实现手臂的上下移动。腰部采用了双导柱导向，以防止手臂在滚珠丝杠上转动，确保手臂随机座一起转动。支撑梁采用槽钢，以减轻重量和节省材料，它的结构如图3-10；基座采用了环形轴承的机器人基座，它的结构如图3-11。
该种设计采用了环形轴承的机器人支承结构。它由电动机2直接驱动一杯形柔轮谐波减速器。这种谐波减速器只有刚轮9、柔轮7和谐波发生器8三大件，而无单独的外壳（这种结构有利于传动系统的小型化、轻型化）。由柔轮7输出低速的回转运动带动与之固联的机座回转壳体5实现手臂的回转运动。齿形皮带传动4和位置传感器6作为机座用来检测手臂机座的角位移。

1——支座，2——步进电机，3——谐波齿轮，4——转动机座
5——支承工字梁，6——滚珠丝杠，7——导向柱，8——锥环无键联轴器
图3-10 腰部和基座结构图

1——支座，2——电机，3——轴承，4——带传动，5——壳体
6——位置传感器，7——柔轮，8——波发生器，9——刚轮
图3-11 环形轴承的机器人基座
3.2.3.2 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，下面表3-5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3-5 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
输出力矩
输出力矩较大
输出力可较大
输出力矩较小
气体压力小，输出力矩小，如需输出力矩较大，结构尺寸过大
液体压力高，可以获得较大的输出力
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
应用范围
适用于自由度少的专用机械手，高速低速均能适用
适用于抓取重量大和速度低的专用机械手
可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手
中小型专用通用机械手都有
中小型专用通用机械手都有，特别时重型机械手多用
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械手等，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3-5 90BF00反应式步进电机技术参数表
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10Kg·m
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
传动系统的转动惯量是一种惯性负载,在电机选用时必须加以考虑。由于传动系统的各传动部件并不都与电机轴同轴线，还存在各传动部件转动惯量向电机轴折算的问题。最后，要计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量，即传动系统等效转动惯量。
（1）、电机转子转动惯量的折算
由资料[20]《机电综合设计指导》表2-18查出=1.764㎏•cm2
（2）、联轴器转动惯量的折算

式中：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,把数据代入上式得：

（3）、滚珠丝杠转动惯量的折算
由资料[20]查表4-2得出1m长的滚珠丝杠的转动惯量为0.94㎏•cm2，丝杠长度L＝420mm，所以滚珠丝杠转动惯量：=0.94×0.42=0.39㎏•cm2
（4）、手臂转动惯量的折算
工作台是移动部件，其移动质量折算到滚珠丝杠轴上的转动惯量可按下式进行计算：
式中，为丝杠导程（cm）；为工作台质量（kg）。
所以：
（5）系统等效转动惯量计算

B、验算矩频特性
步进电机最大静转矩是指电机的定位转矩，从《机电综合设计指导》表2-21中查得。步进电机的名义启动转矩与最大静转矩的关系为：

查《机电综合设计指导》表2-12得＝0.707。所以，
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：

式中：为空载启动力矩（N•cm）；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）；为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩（N•cm）；
有关的各项力矩值计算如下：
（1）、加速力矩

式中：为传动系统等效转动惯量；为电机最大角加速度；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，为运动部件最大快进速度；为初选步进电机的步距角；为脉冲当量。

（2）、空载摩擦力矩

式中：为运动部件的总重量；为导轨摩擦系数；齿轮传动降速比；为传动系数总效率，取＝0.8；为滚珠丝杠的基本导程。

（3）、附加摩擦力矩

式中：为滚珠丝杠预紧力；为滚珠丝杠未预紧时的传动效率，现取＝0.96。

所以，步进电机所需空载启动力矩：

初选电机型号应满足步进电机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动矩即

从上式可知电机初步满足要求。
C、启动矩频特性校核
步进电机启动有突跳启动和升速启动。突跳启动很少使用。升速启动是步进电机从静止状态开始逐渐升速，在零时刻，启动频率为零。在一段时间内，按一定的升速规律升速。启动结束时，步进电机达到了最高运行速度。
由资料[20]查图2-21 90BF001矩特性图中，可查得：纵向：空载启动力矩＝对应的允许启动频率。查《机电综合设计指导》表2-11 ，步进电机150BF002启动频率，
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可按下式计算：

式中：为运动部件最大快进速度。算得。
快进力矩的计算公式：

式中： 为附加摩擦力矩，为快进时，折算到电机轴上的摩擦力矩。算得：
。
由资料[20]查图2-22，从90BF001运行矩频特性图中，可知：
快进力矩＝对应的允许快进频率；
所以,所用的电机都满足快速进给运行矩频特性要求。
综上所述，所选用的步进电机90BF001符合要求，可以使用。
3.2.3.3 轴承的选取
a、环形轴承3作为机座的支承原件，是为机器人研制的专用轴承，具有宽度小、直径大、精度高、刚度大、承载能力高（可承受径向力、轴向力和倾覆力矩）、装置方便等特点价格高。
b、丝杠下部装有圆锥滚子轴承，型号为30204， 它的有关参数如表3-6：
表3-6 型号30204圆锥滚子轴承参数表
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
3.3 工业机器人的机械传动装置的选择
3.3.1 滚珠丝杠的选择
估算：等效载荷Fm = 1000 N，丝杆有效行程420 mm , 等效转速nm = 1500r/min , 要求使用寿命Lh = 15000 h 左右，工作温度低于100℃，可靠度95%，精度为3级精度。
A、 计算载荷
Fc =
查《机电液设计手册》上册，表15-21得
= 1.1 ， = 1.0 ，=1.61 ， = 1
Fc =
= 1.11.01.6111000
= 1771 N
=
=
= 19559 N
B、 选择滚珠丝杆副的型号
滚珠丝杆副的主要尺寸为：
按= 19559N，查《机电一体化设计基础》表2-9，选用汉江机床厂C1型滚珠丝杠，系列代号为FYC1-4008-2.5。
= 40 mm , =8 mm , =4 mm , d = 39mm，滚珠直径d0=3.969mm
滚道半径 R=
偏心距 e=
丝杠内径
≤27 mm ， =24000 N , =1880 N
螺旋导程角 γ = arc tan = arc tan = 3º38′
由于螺杆长度较小，无需验算稳定性。
C、 刚度验算
按最不利情况考虑，即在螺距(导程)内受轴向力引起的弹性变形与受转矩引起弹性变形方向一致，此时变形量为最大，计算公式为：
= +
式中 T1 = ··tan( γ+)
= 1000tan (+)
= 1321 N·mm
磨擦系数f = 0.025, 当量磨擦角 = ，
剪切弹性模量 G=8.33 N/mm2
所以：= +
= 0.0387 μm
其中，危险截面= 35.76，E = 2.06
每米螺杆长度上的螺矩的弹性变形
= = 6.6 /m < () p = 15/m
因为滚球丝杆精度要求为3级精度，由资料[8]表15-8查得
() p = 15/m
所以其刚度满足要求。

D、 计算效率
η= = = 0.960 = 96%
3.3.2 谐波齿轮的选择
谐波齿轮的特点，与一般齿轮传动相比，有如下特点：
a、 传动比大。一级谐波齿轮减速比可以在50～500之间，在只传递运动的装置中可达1000。采用多级或复波式传动时，传动比可以更大。
b、 这种传动同时啮合的齿数多，可达总齿数的30%～40%。故承载能力大。
c、 运动误差小，无冲击，齿的磨损小，传动精度高，传动平稳。
d、 效率高（减速传动下，一般可达0.7～0.9），结构简单，零件少，重量轻。在承载能力和传动比相同的条件下，比一般齿轮减速器的体积和重量约减少1/2～1/3。
e、 缺点是起动力矩大，柔轮易疲劳损坏，故柔轮的材料和热处理条件要求高。传动比小于35时不能采用谐波传动。
由于谐波减速传动装置明显的优点，已广泛用于机器人和其它机电一体化机械设备中。
本设计中的谐波齿轮采用带杯形柔轮的谐波传动组合件。它是由三个基本构件构成的，带凸缘的环形刚轮，杯形的柔轮和柔性轴承、椭圆盘构成的波发生器。
型号XB1-80-100-2-3/3
机型号100，既柔轮的公称内径为80mm
减速比100
精度等级，最大空回小于3分（角）/最大传动误差小于3分（角）
3.3.3 联轴器的选择
该机构利用锥环对之间的磨擦实现与毂之间的无间隙连接传递转矩，且可任意调节两面联接件之间的角度位置。通过选择所用锥环的对数，可传递不同大小的转矩。下图3-12所示为采用锥环（锥环夹紧环）无键消隙联轴器，可使动力传递没有反向间隙。螺钉5通过压圈3施加轴向力时，由于锥环之间的楔紧作用，内外环2分别产生径向弹性变形，消除轴4与套筒1之间的配合间隙，并产生接触压力，通过磨擦传递转矩，而且套筒1与轴4之间的角度位置可以任意调节。
这种联轴器定心性好，承载能力高，传递功率大、转速高、使用寿命长，具有过载保护能力，能在受振动和冲击载荷等恶劣环境下连续工作，安装、使用和维护方便，作用于系统中的载荷小、噪声低。

1——套筒，2——内外环，3——压圈，4——轴，5——螺栓
图 3-12 消隙联轴器

第四章 工业机器人的计算机控制系统概述
4.1 工业机器人控制系统的特点及对控制功能的基本要求
工业机器人具有多个自由度，每个自由度一般包括一个伺服机构，它们必须协调起来，组成一个多变量控制系统。这种多变量的控制系统，一般要用计算机来实现。因此，机器人控制系统也是一个计算机控制系统。控制系统的功能是控制机器人操作机的运动和操作以满足作业的要求。