3505_四自由度SCARA機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1、四自由度SCARA機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第一章　緒論 1.1 引言 機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多門學(xué)科而形成的高新技術(shù)。其本質(zhì)是感知、決策、行動(dòng)和交互四大技術(shù)的綜合，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用水平是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。 工業(yè)機(jī)器人既具有操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置，是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。 目前機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域主要還是集中在汽車工業(yè)，它占現(xiàn)有機(jī)器人總數(shù)的2.89%。其次是電器制造業(yè)，約占16.4%，而化工業(yè)則占11.7

2、%。此外，工業(yè)機(jī)器人在食品、制藥、器械、航空航天及金屬加工等方面也有較多應(yīng)用。隨著工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域開始從制造業(yè)擴(kuò)展到非制造業(yè)，同時(shí)在原制造業(yè)中也在不斷的深入滲透，向大、異、薄、軟、窄、厚等難加工領(lǐng)域深化、擴(kuò)展。而新開辟的應(yīng)用領(lǐng)域有木材家具、農(nóng)林牧漁、建筑、橋梁、醫(yī)藥衛(wèi)生、辦公家用、教育科研及一些極限領(lǐng)域等非制造業(yè)。 一般來說，機(jī)器人系統(tǒng)可按功能分為下面四個(gè)部分川: （1）機(jī)械本體和執(zhí)行機(jī)構(gòu):包括機(jī)身、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、操作機(jī)構(gòu)、框架、機(jī)械連接等內(nèi)在的支持結(jié)構(gòu)。 （2）動(dòng)力部分:包括電源、電動(dòng)機(jī)等執(zhí)行元件及其驅(qū)動(dòng)電路。 （3）檢測(cè)傳感裝置:包括傳感器及其相應(yīng)的信號(hào)檢測(cè)電路。 （4）

3、控制及信息處理裝置:由硬件、軟件構(gòu)成的機(jī)器人控制系統(tǒng)。 1.2 國(guó)內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 1、總體來說： （1）工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的10.3萬美元降至2005年的5萬美元。 （2）機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化;由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī);國(guó)外己有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。 (3)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于CP機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化:器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模

4、塊化結(jié)構(gòu);大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 (4)機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中己有成熟應(yīng)用。 (5)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用己從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。 (6)當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，

5、使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國(guó)發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。 (7)機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從1994年美國(guó)開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置己成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。 2、國(guó)內(nèi)和國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀： 國(guó)內(nèi)： 從整體上來說，我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)還很薄弱，機(jī)器人研究仍然任重而道遠(yuǎn)。我國(guó)市場(chǎng)上機(jī)器人總共擁有量近萬臺(tái)，僅占全球總量的0.56%，其中完全國(guó)產(chǎn)機(jī)器人行業(yè)集中度僅為占30%，其余皆為從日本、美國(guó)、瑞典、德國(guó)、意大利等20多個(gè)國(guó)家引進(jìn)。究其原因，很大程度在于自主品牌不夠，發(fā)展壯大自主品牌及其自動(dòng)化成

6、套裝備產(chǎn)業(yè)成為當(dāng)務(wù)之急，由于機(jī)器人是最典型的機(jī)電一體化、數(shù)字化裝備，技術(shù)附加值很高，應(yīng)用范圍很廣，作為先進(jìn)裝備制造業(yè)的支撐技術(shù)和信息化社會(huì)的新興產(chǎn)業(yè)，將對(duì)未來生產(chǎn)和社會(huì)發(fā)展起著越來越重要的作用。國(guó)外專家預(yù)測(cè)，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車．計(jì)算機(jī)之后出現(xiàn)的一種新的大型高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。隨著我國(guó)企業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提高、人民生活需求水平的提高，機(jī)器人市場(chǎng)也會(huì)越來越大，這就給機(jī)器人研究、開發(fā)、生產(chǎn)者帶來巨大商機(jī)，目前中科院常州中心常州機(jī)械電子工程研究所致力于機(jī)器人及智能裝備技術(shù)的開發(fā)。 國(guó)外：在國(guó)外，應(yīng)用于制造業(yè)的機(jī)器人取得了較顯著進(jìn)展，已成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備而得到工業(yè)界廣泛應(yīng)用，從而也形成了一批在國(guó)際上較有影響力的

7、、知名機(jī)器人公司。如德國(guó)的KUKA、瑞典的ABB、日本的安川等。據(jù)專家預(yù)測(cè)，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車、計(jì)算機(jī)之后出現(xiàn)的一種新的大型高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。據(jù)聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)(UNECE)和國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)(IFR)的統(tǒng)計(jì)，2002年至2004年，世界機(jī)器人市場(chǎng)年增長(zhǎng)率平均在10%左右，2005年達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的30%，2007年全球機(jī)器人實(shí)際安裝量達(dá)到650萬臺(tái)，機(jī)器人安裝量比2006年增加3%，達(dá)到了114365臺(tái)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來全球機(jī)器人行業(yè)發(fā)展迅速，2008年全球機(jī)器人行業(yè)總銷售量比2006年增長(zhǎng)25％。而無論在使用、生產(chǎn)還是出口方面，日本一直是全球領(lǐng)先者，目前日本已經(jīng)有130余家專業(yè)的機(jī)器人制造商。世界

8、各國(guó)主要行業(yè)對(duì)機(jī)器人的需求詳人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上，我國(guó)現(xiàn)有機(jī)器人研究開發(fā)和應(yīng)用工程單位200多家，其中從事機(jī)器人研究和應(yīng)用的有75家，共開發(fā)生產(chǎn)各類機(jī)器人約3000多臺(tái)，90%以上用于生產(chǎn)，引進(jìn)機(jī)器人做應(yīng)用工程的約1000多臺(tái)。在國(guó)內(nèi)，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)剛剛起步，但增長(zhǎng)的勢(shì)頭非常強(qiáng)勁，我國(guó)機(jī)器人經(jīng)過20多年的發(fā)展已在產(chǎn)業(yè)化的道路上邁開了步伐。近幾年，我國(guó)應(yīng)用于制造業(yè)的機(jī)器人及自動(dòng)化生產(chǎn)線和工程項(xiàng)目、相關(guān)產(chǎn)品的年產(chǎn)銷額已近五億元。 1.3SCARA機(jī)器人簡(jiǎn)介 SCARA機(jī)器人(如圖1一1所示)很類似人的手臂的運(yùn)動(dòng)，它包含肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)來實(shí)現(xiàn)水平和垂直運(yùn)動(dòng)，在平面內(nèi)

9、進(jìn)行定位和定向，是一種固定式的工業(yè)機(jī)器人。它具有四個(gè)自由度，其中，三個(gè)是旋轉(zhuǎn)自由度，一個(gè)是移動(dòng)自由度。3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其軸線相互平行，手腕參考點(diǎn)的位置是由兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角位移p，和pZ，及移動(dòng)關(guān)節(jié)的位移Z來決定的。這類機(jī)器人結(jié)構(gòu)輕便、響應(yīng)快，例如Adeptl型SCARA機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)10m/S，比一般的關(guān)節(jié)式機(jī)器人快數(shù)倍。它能實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)，全臂在垂直方向的剛度大，在水平方向的柔性大，具有柔順性。 圖1一1SCARA機(jī)器人 SCARA機(jī)器人最適用于平面定位，廣泛應(yīng)用于垂直方向的裝配。廣泛應(yīng)用于需要高效率的裝配、焊接、密封和搬運(yùn)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域，具有高剛性、高精度、高速度、安裝空間小、工

10、作空間大的優(yōu)點(diǎn)。由于組成的部件少，因此工作更加可靠，減少維護(hù)。有地面安裝和頂置安裝兩種安裝方式，方便安裝于各種空間?？梢杂盟鼈冎苯咏M成為焊接機(jī)器人、點(diǎn)膠機(jī)器人、光學(xué)檢測(cè)機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、插件機(jī)器人等，效率高，占地小，基本免維護(hù)。 1.4 項(xiàng)目研究的主要內(nèi)容 本課題是要設(shè)計(jì)一個(gè)教學(xué)SCARA機(jī)器人。作為工業(yè)機(jī)器人的SCARA己有很多成熟的產(chǎn)品，但大多驅(qū)動(dòng)裝置采用伺服電機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)采用RV減速機(jī)，由這些部件構(gòu)成的整機(jī)價(jià)格昂貴，不適宜于作為教學(xué)用途。而教學(xué)機(jī)器人相對(duì)而言對(duì)運(yùn)動(dòng)精度的要求要比工業(yè)場(chǎng)合用的機(jī)器人所要求的精度低，對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和穩(wěn)定性的要求也不高，它只需具備機(jī)器人的基本元素，達(dá)到一

11、定的精度即可。實(shí)際上由步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成的開環(huán)系統(tǒng)精度已經(jīng)很高，能滿足教學(xué)用途，而且成本比伺服電機(jī)構(gòu)成的閉環(huán)、半閉環(huán)系統(tǒng)低很多。諧波傳動(dòng)也是精度高、傳動(dòng)平穩(wěn)并且很成熟的一項(xiàng)傳動(dòng)技術(shù)。因此自主開發(fā)低成本的教學(xué)機(jī)器人很有意義。對(duì)本機(jī)器人的研制，擬采用步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力裝置，采用諧波減速機(jī)作為傳動(dòng)鏈的主要部件，同時(shí)輔以同步齒形帶和滾珠絲杠等零部件來構(gòu)成機(jī)器人的機(jī)械本體。 項(xiàng)目研究的總體步驟是: 選出最優(yōu)傳動(dòng)方案一一關(guān)鍵零部件選型一一機(jī)械系統(tǒng)三維建模一一零部件工程圖和總裝圖 1.5　擬解決的關(guān)鍵問題 （1）抗傾覆力矩問題的解決。 　　SCARA機(jī)器人的大臂和小臂重量大，懸伸也大，造成很大的

12、傾覆力矩，影響機(jī)器人的性能，通過合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來加以解決。 （2）運(yùn)動(dòng)要靈活，升降運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)套長(zhǎng)度不宜過短，否則可能產(chǎn)生卡死現(xiàn)象；一般要有導(dǎo)向裝置。結(jié)構(gòu)布置要合理，便于裝修。 第二章 SCARA機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 近年來，工業(yè)機(jī)器人有一個(gè)發(fā)展趨勢(shì):機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊化和可重構(gòu)化。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化;由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī);國(guó)外己有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。本章介紹模塊化的設(shè)計(jì)方法在SCARA機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。 2.1 SCARA機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) SCARA機(jī)器人設(shè)計(jì)的技術(shù)參數(shù)應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，其結(jié)構(gòu)要

13、符合機(jī)械設(shè)計(jì)原理。首先要確定其運(yùn)動(dòng)空間、外形尺寸及設(shè)計(jì)方案。 2.1.1 SCARA機(jī)器人的技術(shù)參數(shù) 機(jī)構(gòu)形態(tài) 平面關(guān)節(jié)式(SCARA型) 自由度 4 負(fù)載能力 ≥3 Kg 重復(fù)定位精度 ±0.1mm 動(dòng)作范圍 關(guān)節(jié)Ⅰ轉(zhuǎn)動(dòng) 0～200° 關(guān)節(jié)Ⅱ轉(zhuǎn)動(dòng) 0～180° 關(guān)節(jié)Ⅲ升降 0～150mm 關(guān)節(jié)Ⅳ轉(zhuǎn)動(dòng) 0°～360° 最大速度 關(guān)節(jié)Ⅰ轉(zhuǎn)動(dòng) 180o /S 關(guān)節(jié)Ⅱ轉(zhuǎn)動(dòng) 60o /S 關(guān)節(jié)Ⅲ升降 40mm/S 關(guān)節(jié)Ⅳ轉(zhuǎn)動(dòng) o /S 關(guān)節(jié)Ⅰ長(zhǎng)度 190mm 關(guān)節(jié)Ⅱ長(zhǎng)度 210mm 關(guān)節(jié)Ⅲ行程 150mm 最大展開半徑 400

14、mm 高 度 680mm 本體重量 ≤50Kg 安裝環(huán)境 溫度 0～+45oC 濕度 20～80%不結(jié)露 振動(dòng) 0.5G以下 其它 避免易燃、腐蝕性氣體、液體 勿濺水、油、粉塵等 勿接近電器噪聲源 操作方式 示教再現(xiàn)/編程 電源容量 單相220V 50Hz 8A 2.1.2SCARA機(jī)器人外形尺寸與工作空間 此設(shè)計(jì)題目機(jī)器人工作半徑為400mm，高度不超過700mm。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)包括肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)及手腕，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使各關(guān)節(jié)的半徑、重量及各關(guān)節(jié)中零件裝配盡量合理，初步設(shè)計(jì)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)尺寸如下： 圖2-1 機(jī)器人外形尺寸

15、 圖2-2 機(jī)器人最大動(dòng)作范圍示意圖 2.1.3 SCARA機(jī)器人的總體傳動(dòng)方案的確定 比較目前同類SCARA機(jī)器人本體設(shè)計(jì)方案，參考《國(guó)內(nèi)典型工業(yè)機(jī)器人圖冊(cè)》，初步選用下述傳動(dòng)方案： （1）四旋轉(zhuǎn)自由度均選擇減速電機(jī)傳動(dòng)，精度高，傳動(dòng)比大，效率高，噪聲小，振動(dòng)小，傳動(dòng)部分的零件都是標(biāo)準(zhǔn)件，易購買，安裝方便。 （2）旋轉(zhuǎn)自由度選擇減速電機(jī)和同步帶傳動(dòng)，精度高，傳動(dòng)比高，結(jié)構(gòu)緊湊。 （3）移動(dòng)選擇同步帶傳動(dòng)，傳動(dòng)精度高，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)比恒定，傳動(dòng)效率高，但安裝要求高，負(fù)載能力有限。 由于主軸處于機(jī)器人小臂末端，相對(duì)線速度大，對(duì)重量和慣量特別

16、敏感，所以傳動(dòng)方案要求同時(shí)實(shí)現(xiàn)Ｚ軸方向直線運(yùn)動(dòng)和繞Ｚ軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并要求其結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕。因此，三四關(guān)節(jié)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)需要慎重考慮，最終選擇同步齒形帶聯(lián)合滾珠絲杠以實(shí)現(xiàn)Ｚ軸垂直（第三移動(dòng)自由度）運(yùn)動(dòng)，而用電機(jī)集成行星減速器來實(shí)現(xiàn)Ｚ軸旋轉(zhuǎn)（第四旋轉(zhuǎn)自由度）運(yùn)動(dòng)。 各關(guān)節(jié)的傳動(dòng)方案最終確定如下： 1軸（大臂回轉(zhuǎn)）：伺服電機(jī)１－－諧波減速器－－大臂 2軸（小臂回轉(zhuǎn)）：伺服電機(jī)２－－同步齒形帶－－諧波減速器－－小臂 3軸（手腕垂直直線運(yùn)動(dòng)）：伺服電機(jī)３－－同步齒形帶－－滾珠絲杠－－主軸 4軸（手腕旋轉(zhuǎn)）：伺服電機(jī)４－－行星減速器－－主軸 2.2 機(jī)器人底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本六自由度機(jī)器

17、人除自身本體底座外（圖2-3），還配備了方形底座（圖2-4），方形底座采用M16螺栓固定于控制柜上臺(tái)面,機(jī)器人本體通過M12內(nèi)六角螺釘固定在方形底座上。 　 　　　　　　　　　　圖２－3　機(jī)器人本體底座尺寸圖 圖2-4 機(jī)器人方形底座 2.3 關(guān)節(jié)1各零件的設(shè)計(jì)計(jì)算 關(guān)節(jié)1的主要零件包括電機(jī)、減速器、轉(zhuǎn)動(dòng)軸。轉(zhuǎn)動(dòng)軸的設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)滿足扭矩及轉(zhuǎn)矩。 根據(jù)機(jī)器人外形尺寸圖及設(shè)計(jì)要求的機(jī)器人機(jī)身質(zhì)量，粗略限定各個(gè)部分的質(zhì)量為：機(jī)座，大臂質(zhì)量，小臂質(zhì)量，手腕質(zhì)量。 2.3.1 電機(jī)1及減速器的計(jì)算、選擇。 設(shè)各關(guān)節(jié)及手腕繞各自中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為、、，根據(jù)平行

18、軸定理，可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為: 式中：、、-----大臂、小臂、手腕的估計(jì)質(zhì)量； 、、--------各重心到第一關(guān)節(jié)處的距離，其值大約為100mm，300mm，400mm。 由于、、，故、、可忽略不計(jì)，所以軸（機(jī)座旋轉(zhuǎn)軸）的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 機(jī)器人大臂從到所需時(shí)間為，則啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為 考慮摩擦力矩及、、，則可假定為，取安全系數(shù)為2，則諧波減速器所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為。據(jù)此，選擇日本電產(chǎn)新寶（浙江）有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為WPC63-100-CND的單級(jí)諧波減速器。，其傳動(dòng)比為100，平均輸出扭矩為70.可滿足力矩要求。 表2-1減速機(jī)型號(hào)、規(guī)格

19、 表2-2 減速機(jī)尺寸表 交流伺服電動(dòng)機(jī)，是一種將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變成軸向角位移或角速度的控制電機(jī)。輸入的電壓信號(hào)稱為控制信號(hào)或控制電壓，改變控制電壓的極性和方向改變伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。 交流伺服電動(dòng)機(jī)的輸出功率為0.1-100w，其中最常用的在30w以下。其電源頻率在50Hz時(shí)，電壓是36，110，220，380V；電源頻率是400Hz，電壓是20，26。36，115V。 自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的要求有： 良好的要可控制 單相供電時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象 運(yùn)行穩(wěn)定 運(yùn)轉(zhuǎn)隨轉(zhuǎn)矩的增高而均勻下降 快速響應(yīng) 接到信號(hào)時(shí)快速

20、啟動(dòng)，失去信號(hào)能自動(dòng)制動(dòng)并立刻停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 與步進(jìn)電機(jī)相比較，在控制方式上相似（脈沖串和方向信號(hào)），但在使用性能和應(yīng)用場(chǎng)合上存在著較大的差異。 （1）控制精度不同 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為3.6°、 1.8°，五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步進(jìn)電機(jī)步距角更小。 （2）低頻特性不同步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。振動(dòng)頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動(dòng)器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動(dòng)頻率為電機(jī)空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時(shí)，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象，比如在電機(jī)上

21、加阻尼器，或驅(qū)動(dòng)器上采用細(xì)分技術(shù)等。交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能（FFT），可檢測(cè)出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。 （3）矩頻特性不同 步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300～600RPM。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000RPM或3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。 （4）過載能力不同 步進(jìn)電機(jī)一般不具有過載能力。交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力。 （5）運(yùn)行

22、性能不同 步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過高或負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問題。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。 （6）速度響應(yīng)性能不同 步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要200～400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好。 因此選擇電機(jī)類型為伺服電機(jī)。 設(shè)諧波減速器的傳動(dòng)效率為，伺服電機(jī)需輸出力矩為 選擇日本富士伺服電機(jī)小慣量系列，型號(hào)為GYS201DC

23、2-T2A，額定轉(zhuǎn)速為3000，額定功率200W，額定轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)矩為0.7，滿足要求。 表2-3 電機(jī)1型號(hào)及尺寸表 2.3.2 關(guān)節(jié)1傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)計(jì)算及校核 軸的分類： 按軸受的載荷和公用可分為： （1）心軸：只承受彎矩不承受扭矩的軸，主要用于支撐回轉(zhuǎn)零件，如：車輛軸和滑輪軸。 （2）傳動(dòng)軸：只承受扭矩不承受彎矩或只承受很小的彎矩的軸，主要用于傳遞轉(zhuǎn)矩，如：汽車的轉(zhuǎn)動(dòng)軸。 （3）轉(zhuǎn)軸：同時(shí)承受彎矩和轉(zhuǎn)矩的軸，既支撐零件又傳遞轉(zhuǎn)矩，如：減速器軸。 軸的材料： 關(guān)節(jié)1是傳動(dòng)軸，既承受轉(zhuǎn)矩也承受轉(zhuǎn)矩。軸的失效形式是疲勞斷裂，應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、韌性和耐磨

24、性。 軸的材料從以下中選取: （1）碳素鋼：優(yōu)質(zhì)碳素鋼具有較好的機(jī)械性能，對(duì)應(yīng)力集中敏感性較低，價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛。例如：35、45、50等優(yōu)質(zhì)碳素鋼。一般軸采用45鋼，經(jīng)過調(diào)質(zhì)或正火處理；有耐磨性要求的軸段，應(yīng)進(jìn)行表面淬火及低溫回火處理?。輕載或不重要的軸，使用普通碳素鋼Q235、Q275等. （2）合金鋼：具有較高的機(jī)械性能，對(duì)應(yīng)力集中比較敏感，淬火性較好，熱處理變形小，價(jià)格較貴。多使用于要求重量輕和軸頸耐磨性的軸。例如：汽輪發(fā)電機(jī)軸要求，在高速、高溫重載下工作，采用27Cr2Mo1V、38CrMoAlA等?；瑒?dòng)軸承的高速軸，采用20Cr、20CrMnTi等。? （3）

25、球墨鑄鐵：吸振性和耐磨性好，對(duì)應(yīng)力集中敏感低，價(jià)格低廉，使用鑄造制成外形復(fù)雜的軸。例如：內(nèi)燃機(jī)中的曲軸。 軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求有：? （1）便于軸上零件的裝配?軸的結(jié)構(gòu)外形主要取決于軸在箱體上的安裝位置及形式，軸上零件的布置和固定方式，受力情況和加工工藝等。為了便于軸上零件的裝拆，將軸制成階梯軸，中間直徑最大，向兩端逐漸直徑減小。近似為等強(qiáng)度軸。? （2）保證軸上零件的準(zhǔn)確定位和可靠固定? 軸上零件的軸向定位方法主要有：軸肩定位、套筒定位、圓螺母定位、軸端擋圈定位和軸承端蓋定位。 傳動(dòng)1軸的設(shè)計(jì)計(jì)算如下： （1）選用45鋼正火處理? （2）?由表2-4

26、查得強(qiáng)度極限s? （3）?由表2--4查得其許用彎曲應(yīng)力?[ 材料 編號(hào) 毛坯直徑/mm 硬度 HBW 抗拉強(qiáng)度極限 拉伸屈服極限 彎曲疲勞極限 剪切疲勞極限 備注 優(yōu)質(zhì)碳素鋼 45 應(yīng)用最廣 45 應(yīng)用最廣 表2-4 軸的常用材料及其主要力學(xué)性能 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度估算輸出端直徑 由表2-5，取A最小值A(chǔ)=103 軸的材料 Q235—A 20 Q275 35 45 、 、 表2-5 軸常用材料的許用切應(yīng)力及A值 則，取軸的

27、直徑為整數(shù) 軸的抗扭強(qiáng)度條件為 由表1-5，取=45 滿足條件 初估軸徑后，就可按照軸上零件的安裝順序從處開始逐段確定軸徑，上面計(jì)算的是軸段1的直徑，由于軸段1上安裝連軸器，因此軸段1直徑的確定和連軸器型號(hào)同時(shí)進(jìn)行。這次選用的是波紋管連軸器。故軸段1直徑＝20mm。 右端用軸肩固定，考慮到在軸段2上裝套筒，故取軸徑＝22mm。 在軸段3上要安裝軸承，其直徑應(yīng)該便于軸承安裝，又應(yīng)該符合軸承內(nèi)徑系列， 即軸段3的直徑應(yīng)與軸承型號(hào)的選擇同時(shí)進(jìn)行。現(xiàn)取角接觸球軸承型號(hào)為7205，其內(nèi)徑＝25mm。通常一根軸上的兩個(gè)軸承取相同型號(hào)，故取軸段7的直徑＝25mm。 軸段

28、4上用軸肩固定軸承，故?。?0mm。 軸段5上作成齒輪軸，尺寸與齒輪相同。 根據(jù)結(jié)構(gòu)確定軸段6的直徑＝30mm。 各軸段長(zhǎng)度的確定 各軸段長(zhǎng)度主要根據(jù)軸上零件的轂長(zhǎng)或軸長(zhǎng)零件配合部分的長(zhǎng)度確定。另一些軸段長(zhǎng)度，除與軸上零件有關(guān)外，還與箱體及軸承蓋等零件有關(guān)。 根據(jù)聯(lián)軸器取 。 考慮到套筒長(zhǎng)度取 。 根據(jù)軸承寬度取 。 根據(jù)結(jié)構(gòu) 。 圖2-5 關(guān)節(jié)1階梯軸 軸的強(qiáng)度校核：軸在初步完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，進(jìn)行校核計(jì)算。計(jì)算準(zhǔn)則是滿足軸的強(qiáng)度或剛度要求。進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況，采取相應(yīng)的方法，并恰當(dāng)?shù)剡x取其許用應(yīng)力，對(duì)于用于傳遞轉(zhuǎn)矩的軸應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件

29、計(jì)算，對(duì)于只受彎矩的軸（心軸）應(yīng)按彎曲強(qiáng)度條件計(jì)算，兩者都具備的按疲勞強(qiáng)度條件進(jìn)行精確校核等。 （1）軸上的轉(zhuǎn)矩T： 主軸上的傳遞的功率： （4-8） 求作用在齒輪上的力： （2）畫軸的受力簡(jiǎn)圖 見圖4－2 （3）計(jì)算軸的支撐反力 在水平面上 在垂直面上 （4）畫彎矩圖 見圖2-6 在水平面上，剖面左側(cè) 剖面右側(cè) 在垂直面上 合成彎矩，剖面左側(cè) 剖面右側(cè) （5）畫轉(zhuǎn)矩圖 見圖4－2 （6）判斷危險(xiǎn)截面 截面左右的合成彎矩左側(cè)相對(duì)右側(cè)大些，扭矩為T，則判斷左側(cè)為危險(xiǎn)截

30、面，只要左側(cè)滿足強(qiáng)度校核就行了。 （7）軸的彎扭合成強(qiáng)度校核 許用彎曲應(yīng)力，， 截面左側(cè) （8）軸的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核 查得抗拉強(qiáng)度 ，彎曲疲勞強(qiáng)度，剪切疲勞極限，等效系數(shù)， 截面左側(cè) 查得，；查得絕對(duì)尺寸系數(shù)，；軸經(jīng)磨削加工，表面質(zhì)量系數(shù)。則 彎曲應(yīng)力 ， 應(yīng)力幅 平均應(yīng)力 切應(yīng)力 安全系數(shù) 查許用安全系數(shù)，顯然，則剖面安全。 其它軸用相同方法計(jì)算，結(jié)果都滿足要求。 圖2-6 彎矩圖 2.3.3 軸承類型的選擇 主軸輸出端用一對(duì)角接觸球軸承支撐，它可

31、以同時(shí)承受徑向載荷與軸向載荷，能在高速度下正常工作。承受軸向載荷的能力由接觸角α決定，接觸角大則承受的能力也高。代號(hào)70000AC，α=25o。 與其它軸承相比，角接觸球軸承具有以下特點(diǎn)： （1）可同時(shí)承受徑向負(fù)荷和軸向負(fù)荷。能在較高的轉(zhuǎn)速下工作。接觸角越大，軸向承載力越高。高精度和高轉(zhuǎn)速軸承通常取15度的接觸角。在軸向力的作用下，接觸角會(huì)增大。 （2）單列軸承只能承受一個(gè)方向的軸向負(fù)荷，在承受徑向負(fù)荷時(shí)，將引起附加軸向力。并且只能限制或外殼在一個(gè)方向的軸向位移。若是成對(duì)雙聯(lián)安裝，使一對(duì)軸承的外圈相對(duì)，即寬端面對(duì)寬端面，窄端面對(duì)窄端面。這樣即可避免引起附加軸向力，而且可在兩個(gè)

32、方向使軸或外殼限制在軸向游隙范圍內(nèi)。 （3）一般為內(nèi)圈或外圈帶鎖口，內(nèi)、外圈不可分離。外圈加熱膨脹后與內(nèi)圈、滾動(dòng)體、保持架組件裝配。裝球數(shù)比深溝球軸承多，額定負(fù)荷在球軸承中最大，剛性強(qiáng)，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。可以利用內(nèi)、外圈相互位移調(diào)整徑向游隙。常成對(duì)使用，并施加預(yù)負(fù)荷，以提高軸承剛性。 初選單列角接觸球軸承（GB/T 292-1994）7000AC,d=10mm,基本額定載荷：Cr=4.75kN;Cor=2.12kN 軸承內(nèi)部軸向力與軸向載荷： S=0.68FrFr為軸向力 Fa= S=0.68Fr=0.68×68=46.24N 則 Fa'=68+46.24=114.24N ==

33、2.47>e=0.68 X=0.41,Y=0.87 軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷P=fp (XFr+YFa) fp 為載荷系數(shù)， P=1.1（0.41×68+0.87×114.24）=139.9N 軸承壽命 L10h=106 ×(ftC/P)ε/(60n) ft為溫度系數(shù)，ε為壽命指數(shù) L10h=106 ×(2200/181.9)3 /(60×3000)=34×106 >15000h S=0.68FrFr為軸向力 Fa= S=0.68Fr=0.68×39.2=26.7N 則 Fa'=39.2+26.7=65.86N ==2.47>e=0.68 X=0.41,Y=0.87 軸承

34、的當(dāng)量動(dòng)載荷 P=fp (XFr+YFa) fp 為載荷系數(shù) P=1.1（0.41×39.2+0.87×65.85）=80.7N 軸承壽命 L10h=106 ×(ftC/P)ε/(60n) ft為溫度系數(shù)，ε為壽命指數(shù) L10h=106 ×(2200/80.7)3 /(60×3000) =1.1×10.5>15000h 故所選軸承滿足要求。 滾珠軸承的選擇與校核計(jì)算相同。 2.4 關(guān)節(jié)2各零件的設(shè)計(jì)計(jì)算 關(guān)節(jié)2的運(yùn)動(dòng)和關(guān)節(jié)1相同，做平面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其結(jié)構(gòu)和1軸也相似，主要包括電機(jī)、減速器、主軸。考慮其結(jié)構(gòu)，為了使結(jié)構(gòu)更合理緊湊，用同步帶改變力的傳遞方向。 2

35、.4.1 電機(jī)2及減速器的計(jì)算選型 與關(guān)節(jié)1的計(jì)算類似，忽略、，所以繞第二關(guān)節(jié)軸的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： 機(jī)器人大臂從到所需時(shí)間為，則啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為 考慮摩擦力矩及、，則可假定為，取安全系數(shù)為2，則諧波減速器所需輸出最小轉(zhuǎn)矩。選擇日本電產(chǎn)新寶（浙江）有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為WPC-63-80-CN諧波減速器。其減速比為80，容許平均力矩為，可滿足設(shè)計(jì)要求。 諧波減速器規(guī)格、尺寸查表（同1軸諧波減速器）。 伺服電機(jī)2需輸出的力矩為 選擇日本富士伺服電機(jī)小慣量系列，型號(hào)為GYS101DC2-T2C，額定轉(zhuǎn)速為3000，額定功率100W，額定轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)矩為0.

36、32，可滿足輸出力矩要求。其規(guī)格、尺寸查表（同電機(jī)1）。 2.4.2 同步齒形帶的選型計(jì)算 為減少機(jī)器人整體尺寸，2軸采用伺服電機(jī)、同步帶、諧波減速器的驅(qū)動(dòng)方式。 2軸電機(jī)為GYS101DC2-T2C型，功率100W，額定轉(zhuǎn)速3000r/min。此處傳動(dòng)比，同步帶主要起改變傳動(dòng)方向的作用，并不改變輸出力矩。 （1）確定齒形帶的計(jì)算功率。 同步齒形帶傳遞的功率隨載荷性質(zhì)、速度增減和張緊輪的配置而變化。其功率為 式中：--------考慮載荷性質(zhì)和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的工況修正系數(shù)，其值見表2-6，查表確定。 載荷性質(zhì) 每天工作小時(shí)數(shù)/h 變化

37、情況 瞬時(shí)峰值載荷及額定工作載荷 平穩(wěn) 1.4 小 較大 很大 表2-6 同步帶的工況修正系數(shù) P---------傳遞的功率。 則同步帶的計(jì)算功率為 （2）選定帶型和節(jié)距。 根據(jù)圓弧齒形帶選型圖（表2-7），功率，轉(zhuǎn)速，可選3M同步齒形帶，節(jié)距。 （3）大小帶輪齒數(shù)及節(jié)圓半徑。 根據(jù)帶輪轉(zhuǎn)速和帶型3M，根據(jù)表2-8可確定小帶輪的最小齒數(shù)。此設(shè)計(jì)中，由于安裝尺寸限制，2軸選擇小齒輪齒數(shù)為40。 則帶輪節(jié)圓直徑為 因?yàn)槭峭葌鲃?dòng)，

38、傳動(dòng)比為1，故，兩帶輪型號(hào)和尺寸完全相同。 表2-7圓弧齒同步帶選型圖 帶輪轉(zhuǎn)速/ 帶型 3M 5M 8M 14M 20M - - - - - 表2-8帶輪最小齒數(shù) （4）同步帶帶速計(jì)算。 （5）初選中心距。 中心距滿足下述條件 ，即 根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸要求，確定。 （6）帶長(zhǎng)及其齒數(shù)確定。 帶長(zhǎng)根據(jù)下式計(jì)算 根據(jù)圓弧齒同步帶長(zhǎng)度系列查得，其節(jié)線長(zhǎng)，節(jié)線上的齒數(shù)

39、。 同步帶實(shí)際中心距為 式中 故中心距為 小帶輪嚙合齒數(shù)為 （7）基本額定功率。 當(dāng)齒數(shù)40，小帶輪轉(zhuǎn)速3000時(shí)，基本額定功率為0.3kW，滿足設(shè)計(jì)要求。 （8）要求帶寬。 式中：-----嚙合系數(shù)，因，取=1； -----帶長(zhǎng)系數(shù)，按表可查得; -----帶基準(zhǔn)寬度，查表確定=6mm。 根據(jù)上式，要求帶寬，取。 （9）作用在軸上的力。 緊邊張力 松邊張力 （10

40、）帶輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 綜上，2軸同步帶的型號(hào)最終確定為40-3M-9，按照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》進(jìn)行設(shè)計(jì)。 2.5 關(guān)節(jié)3各零件的設(shè)計(jì)計(jì)算 關(guān)節(jié)3通過絲杠使機(jī)器人手臂做上下平移運(yùn)動(dòng)，此關(guān)節(jié)主要進(jìn)行絲杠螺母的設(shè)計(jì)計(jì)算。 2.5.1 絲杠螺母的設(shè)計(jì)及校核 3軸為直線驅(qū)動(dòng)，選擇絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)，從而實(shí)現(xiàn)腕部的升降。 滾珠絲杠主要有如下特點(diǎn)：傳動(dòng)效率高，摩擦力矩小、傳動(dòng)具有可逆性、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動(dòng)精度高、定位精度與重復(fù)定位精度高、使用壽命長(zhǎng)、同步性好，實(shí)用可靠，潤(rùn)滑簡(jiǎn)單，維修方便。 支承方式的選擇： 兩端固定：固定前為減少因絲杠自重的下垂和熱補(bǔ)償應(yīng)進(jìn)行預(yù)拉伸

41、。兩端各采用一個(gè)角接觸球軸承，外圈定位，內(nèi)圈分別用螺母進(jìn)行限位和預(yù)緊；調(diào)節(jié)軸承的間隙，并根椐預(yù)計(jì)進(jìn)行溫升產(chǎn)生的熱膨脹量對(duì)絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸。只要實(shí)際溫升不超過預(yù)計(jì)溫升，這種支承方式就不會(huì)產(chǎn)生軸向間隙。 為進(jìn)行滾珠絲杠的選擇，需要計(jì)算滾珠絲杠的負(fù)載、最大動(dòng)載荷、傳動(dòng)效率，并進(jìn)行剛度的驗(yàn)算。 （1）計(jì)算滾珠絲杠的負(fù)載。 由于3軸為豎直安裝，滾珠絲杠負(fù)載力主要包括手腕和負(fù)載本身的重力和加速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力。 如前所述，設(shè)手腕的質(zhì)量，負(fù)載質(zhì)量，第3軸運(yùn)動(dòng)的直線加速度最大為（加速到40mm/s所用的時(shí)間為4ms），則機(jī)器人手腕加速時(shí)產(chǎn)生的慣性力為： 手腕的

42、重力為： 則絲杠軸所受的最大負(fù)載力為 式中：K-----參考系數(shù)，其與導(dǎo)軌類型有關(guān)，見表2-9。 （2）計(jì)算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速。 設(shè)計(jì)要求3軸的直線速度，假設(shè)絲杠導(dǎo)程P=2mm，則絲杠的轉(zhuǎn)速為 （3）計(jì)算滾珠絲杠的最大動(dòng)載荷。 根據(jù)負(fù)載力的大小，可計(jì)算滾珠絲杠的最大動(dòng)載荷。最大動(dòng)載荷的計(jì)算公式為 式中：-----滾珠絲杠的壽命，且 其中，T為使用壽命，普通機(jī)械取h，數(shù)控機(jī)床及一般機(jī)電設(shè)備取T=15000h，這里取T=15000h，n為絲杠的轉(zhuǎn)速（r/min），根據(jù)前述計(jì)算結(jié)果，取n=1200r/

43、min； -----載荷系數(shù)，其選擇可參考表2-9；這里取=1； -----硬度系數(shù)。當(dāng)絲杠的硬度時(shí)，取=1.0；當(dāng)絲杠的硬度時(shí)，取=1.11；當(dāng)絲杠的硬度時(shí)，取=1.56；當(dāng)絲杠的硬度時(shí)，取=2.4； -----滾珠絲杠的最大工作載荷（N），根據(jù)上述計(jì)算，=172N。 運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài) 平穩(wěn)或輕度沖擊 中等沖擊 較大沖擊或振動(dòng) 表2-9 載荷系數(shù) 代入以上數(shù)據(jù)，可得滾珠絲杠的最大動(dòng)載荷為 據(jù)此，初步選擇日本精工株式會(huì)社NSK，KA系列滾珠絲杠，其公稱直徑，螺距，額定動(dòng)載荷 其他尺寸參數(shù)見下表2-10~2-16 用途 工業(yè)用機(jī)

44、器人 正交坐標(biāo)型 垂直多關(guān)節(jié)型 精 度 等 級(jí) 組裝 其他 組裝 其他 C0 C1 C2 C3 C5 Ct7 Ct10 表2-10 不同用途區(qū)分的滾珠絲杠精度等級(jí)表 軸徑 導(dǎo)程 行程 表2-11 不銹鋼KA系列的絲杠軸外徑和導(dǎo)程的組合 軸外徑 C0 C1 C2 C3 C5

45、 表2-12 絲杠軸全長(zhǎng)的制造范圍 軸徑 導(dǎo)程 表2-13 絲杠軸外徑及導(dǎo)程的組合 D----內(nèi)循環(huán)式 表2-14 螺母型號(hào)及規(guī)格 表2-15 法蘭形狀 表2-16 軸端形狀及尺寸 （1）剛度的驗(yàn)算。 滾珠絲杠屬于受軸向力的細(xì)長(zhǎng)桿，如果軸向負(fù)載過大，則可能產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷應(yīng)滿足 式中：-----臨界載荷（N）； E-----絲杠材料的彈性模量，材料為鋼，；

46、 I-----按絲杠底徑確定的截面慣性矩，且； -----絲杠支撐系數(shù)，其參考數(shù)值見表2-17； K-----壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.5~4，垂直安裝時(shí)取最小值； a-----滾珠絲杠兩端支撐件的距離，單位為mm。 安裝方式 雙推-自由 雙推-簡(jiǎn)支 雙推-雙推 雙推-單推 表2-17 絲杠支撐系數(shù) 由此，可計(jì)算絲杠失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷為 綜上，初選的滾珠絲杠滿足設(shè)計(jì)要求。 （2）計(jì)算傳動(dòng)效率。 滾珠絲杠的傳動(dòng)效率一般在0.8~0

47、.9，可由下式計(jì)算： 式中：-----絲杠的螺旋角，可由下式算出 -----摩擦角，一般取10’。 由此可計(jì)算出滾珠絲杠的傳動(dòng)效率為 2.5.2 絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算 光杠的功用是承受載荷和導(dǎo)向。 光杠設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的要求 導(dǎo)向精度高，承載能力大，剛度好；精度保持性好，壽命長(zhǎng)；摩擦阻力小，低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性良好，便于加工、裝配、調(diào)整和維修；生產(chǎn)成本低。 光杠類型的選擇 按導(dǎo)軌面的摩擦性質(zhì)可分為滑動(dòng)導(dǎo)軌事和滾動(dòng)導(dǎo)軌副。滑動(dòng)導(dǎo)軌副優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便和抗震性能良好，缺點(diǎn)是功率損耗大，磨損快。與滑動(dòng)導(dǎo)軌相比，滾動(dòng)導(dǎo)軌具有磨擦因數(shù)小

48、，動(dòng)、靜摩擦因數(shù)很接近。因此，摩擦力小，啟動(dòng)輕便，運(yùn)動(dòng)靈敏，不易爬行；磨損小，精度保持性好，壽命長(zhǎng)；具有較高的重復(fù)定位精度，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)；可采用油脂潤(rùn)滑，潤(rùn)滑系統(tǒng)簡(jiǎn)單。在此設(shè)計(jì)選用滾動(dòng)類型的光杠。 每根絲杠配以兩根光杠，受到的最大拉力為68N F'=68/2=34N 根據(jù)建導(dǎo)軌的彎曲變形來設(shè)計(jì)導(dǎo)軌，抗彎截面系數(shù)： [W]=πd3/32=3.14×203/32=785mm3 M=34×0.36=12.24N·m σ= M/[W]<[σ] 則心軸滿足強(qiáng)度要求，并且有很大的安全的儲(chǔ)備。 光杠由于各方面要求不是很高，可自主加工生產(chǎn)。 軸承采用深溝球軸承 軸向力Fr=50/2=25N,

49、 徑向力Fa =50tan60=86.6N, 取90N 當(dāng)量動(dòng)載荷：P=fp (XFr + Ya)Fa /Fr=90/25>e e為判斷系數(shù)，它反映了軸向載荷對(duì)軸承承載能力的影響。 查表得： X=0.56 Y=1.71 P=1(0.56×50+1.71×90)=181.9N 軸承壽命 L10h=106 ×(ftC/P)ε/(60n) ft為溫度系數(shù)，ε為壽命指數(shù) L10h=106 ×(2200/181.9)3 /(60×3000) =34×106 >15000h 故所選軸承滿足要求。 2.5.3 電機(jī)3的選型計(jì)算 由于負(fù)載不大，因此3軸不采用減速器，而由電機(jī)

50、通過同步帶直接驅(qū)動(dòng)絲杠進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，根據(jù)功率相等的原則，有 式中：F-----軸向力； T-----電機(jī)力矩； V-----直線運(yùn)動(dòng)速度； ----電機(jī)轉(zhuǎn)速； -----絲杠的傳動(dòng)效率。 由于 則電機(jī)輸出力矩可由下式計(jì)算 考慮到同步帶的傳動(dòng)效率以及摩擦等因素，取安全系數(shù)為2，則電機(jī)所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為。 由于此軸為無減速傳動(dòng)，故所需的電機(jī)的轉(zhuǎn)速與絲杠的轉(zhuǎn)速相同。 根據(jù)以上電機(jī)力矩和轉(zhuǎn)速的要求，選取3軸電機(jī)為富士GYS101DC2-T2C伺服電機(jī)，額定功率100W，額

51、定轉(zhuǎn)速為3000r/min時(shí)轉(zhuǎn)矩為0.318，滿足設(shè)計(jì)要求。 2.5.4 3軸同步帶的選型計(jì)算 3軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)為GYS101DC2-T2C。功率為100W，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，傳動(dòng)比i=1. 設(shè)計(jì)計(jì)算與2軸相似，帶輪齒數(shù)為24，則小帶輪節(jié)圓直徑為 同步帶帶速計(jì)算 ，即 初選中心距滿足下述條件 由于結(jié)構(gòu)限制，確定=70mm 帶長(zhǎng)為 根據(jù)圓弧齒形帶長(zhǎng)度系列差得，其節(jié)線長(zhǎng)，齒數(shù)為Z=45。 同步帶實(shí)際中心距為 式中 代入后得 小帶輪嚙合齒數(shù)為 當(dāng)齒數(shù)2

52、4，轉(zhuǎn)速3000r/min，基本額定功率為0.16kW，滿足設(shè)計(jì)要求。 要求帶寬為 可取帶寬為9mm。 綜上，3軸的同步帶型號(hào)可確定為24-3M-9。 2.6 關(guān)節(jié)4各零件設(shè)計(jì)計(jì)算 關(guān)節(jié)4做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，電機(jī)通過減速器控制旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)。 2.6.1 電機(jī)4 及減速器的選型計(jì)算 與以上計(jì)算類似，4軸電機(jī)選擇步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)4選擇白山電機(jī)型號(hào)為BS42HB47-01。減速器選擇行星減速器，行星減速器為森創(chuàng)PS系列，減速比為5:1，型號(hào)為PS40-005。 表2-18 電機(jī)4型號(hào)及規(guī)格 表2-19 行星減速器規(guī)格 2

53、.6.2 手爪安裝法蘭的設(shè)計(jì)計(jì)算 手腕軸端法蘭盤的尺寸，如圖2-6所示。安裝前端工具時(shí)， 注意與零位光電開關(guān)之間位置方向關(guān)系。 圖2-7 手腕軸端法蘭盤尺寸圖 第3章 總結(jié) 隨著機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，其應(yīng)用必將越來越廣泛。機(jī)器人學(xué)這門課程必將越來越重要，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的缺口也必然越來大。研制教學(xué)機(jī)器人是很有必要的。 目前本設(shè)計(jì)所完成的主要工作是:在分析設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上提出SCARA機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案;用三維造型軟件完成四自由度SCARA機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成機(jī)器人整體裝配圖及主要零部件的工程圖繪制。 所設(shè)計(jì)SCARA機(jī)器人基本上實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，符合發(fā)展趨勢(shì)。三個(gè)模塊相互獨(dú)立

54、、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零部件少、精度高、可靠性高，不僅適用于SCARA平面關(guān)節(jié)式裝配機(jī)器人設(shè)計(jì)，其一二關(guān)節(jié)模塊結(jié)構(gòu)同樣適用于其他關(guān)節(jié)式機(jī)器人前端轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)。采用特殊軸承和特殊的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)解決了機(jī)器人的抗傾覆問題，這種特殊結(jié)構(gòu)有益于提高系統(tǒng)機(jī)械性能。 分析了SCARA機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解和逆解。建立了機(jī)器人末端位姿誤差計(jì)算模型。該模型不需要進(jìn)行求導(dǎo)，只需進(jìn)行相應(yīng)的矩陣乘法運(yùn)算。該位姿變換方程與位姿誤差模型同樣適用于運(yùn)動(dòng)部件間存在坐標(biāo)變換的復(fù)雜系統(tǒng)。 通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，讓我靈活運(yùn)用知識(shí)的能力有了全面的提高，讓我增加在工作崗位上大干一場(chǎng)的信心，也讓我認(rèn)識(shí)到我國(guó)機(jī)械工業(yè)的發(fā)展與世界先進(jìn)水平還有差距，我們肩負(fù)責(zé)任重

55、大。 畢業(yè)設(shè)計(jì)作為一個(gè)教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，是學(xué)生走向工作崗位前的一次難得的實(shí)習(xí)機(jī)會(huì)，也是培養(yǎng)合格機(jī)械工程人才的重要一步。這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)是我人生中一段難得的經(jīng)歷?；叵胍幌逻^程：深深體會(huì)到了“絕知此事要軀行”的含義。無論從開始的論文資料收集到外文翻譯與設(shè)計(jì)制圖都遇到了許多意想不到的問題。在老師與同組同學(xué)的幫助下，困難一一克服，理論知識(shí)和實(shí)際工作良好的結(jié)合起來，使我的設(shè)計(jì)能力得到進(jìn)一步的提高。 由水平有限，又是第一次較完整地接觸一個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)，所以設(shè)計(jì)中必然存在著許多不足的地方，甚至難免會(huì)有一些錯(cuò)誤，希望各位老師指正，我將會(huì)虛心改正。 明天是嶄新的，我相信，成功來于我們的不斷努力！

56、 參考文獻(xiàn)： [1] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 單行本 減速器和變速器，聞邦椿主編，機(jī)械制造出版社，2015年. [2] 機(jī)械制圖與設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)，萬靜，許紀(jì)倩主編，中國(guó)電力出版社，2014年. [3]機(jī)械設(shè)計(jì)，譚慶昌主編，高等教育出版社，2004年. [4]機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，第四版，張建民主編，高等教育出版社，2014年. ［5］機(jī)械設(shè)計(jì)，濮良貴，紀(jì)名剛主編，高等教育出版社，2001年. [6]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，第四版，第四卷，成大先主編，化學(xué)工業(yè)出版社，2002年. [7]工業(yè)機(jī)器人運(yùn)用技術(shù)，郭洪紅主編，科學(xué)出版社，2008年. [8]Zlatanov D,Gosselin C M.

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60、化學(xué)工業(yè)出版社，2002. 謝 辭 本文是在尊敬的導(dǎo)師高金剛副教授的精心指導(dǎo)下完成的。高老師師淵博的學(xué)識(shí)、開闊的視野、敏銳的洞察力、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、求實(shí)創(chuàng)新的工作作風(fēng)，永遠(yuǎn)是我學(xué)習(xí)的榜樣，也將始終引導(dǎo)和激勵(lì)著學(xué)生在科學(xué)技術(shù)的殿堂里探索前進(jìn)。老師令人敬佩的平易近人的處世方式也為學(xué)生樹立了榜樣。學(xué)生所取得的每一點(diǎn)點(diǎn)成績(jī)和每一次的進(jìn)步，無不凝聚著老師大量的心血。在此論文完成之際，謹(jǐn)向高老師致以最崇高的敬意和衷心的感謝。高老師全面活躍的思維方式、一絲不茍的治學(xué)態(tài)度和勤奮務(wù)實(shí)的工作作風(fēng)給我留下了深刻的印象，并將使我受益終生。感謝我的家人。他們的支持和理解是我完成學(xué)業(yè)的前提和動(dòng)力。沒有他們的支持我不可能順利完成我的學(xué)業(yè)。值此論文完成之際，向所有給予我關(guān)心和幫助的老師、同學(xué)和親友致以深深的謝意和美好的祝福。 39