球面SCARA機器人機械部分設計(proe三維圖-總圖用三維圖)

球面SCARA機器人機械部分設計(proe三維圖-總圖用三維圖),球面,scara,機器人,機械,部分,部份,設計,proe,三維,總圖 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書2011 目 錄 1前言……………………………………………………………………………… 1 1.1課題來源與技術要求分析…………………………………………………… 1 1.2國內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀……………………………………………………… 1 1.3研究目的……………………………………………………………………… 2 1.4設計內(nèi)容及思路……………………………………………………………… 2 2球面SCARA機器人機械結構設計……………………………………………… 4 2.1運動方案及主要技術參數(shù)的擬定…………………………………………… 4 2.1.1方案擬定…………………………………………………………………… 5 2.1.2脈沖當量和傳動比的確定………………………………………………… 6 2.2各傳動系統(tǒng)設計與校核……………………………………………………… 7 2.2.1第一自由度電機校核……………………………………………………… 8 2.2.2第一自由度同步帶傳動設計……………………………………………… 9 2.2.3第一自由度諧波減速器選擇……………………………………………… 10 2.2.4第二自由度電機校核……………………………………………………… 11 2.2.5第二自由度諧波減速器選擇……………………………………………… 13 2.2.6第三自由度電機校核……………………………………………………… 13 2.2.7球面SCARA機器人外形圖………………………………………………… 15 3 Pro/E軟件簡介………………………………………………………………… 16 4工業(yè)機器人運行時應采取的安全措施………………………………………… 18 4.1安全要求……………………………………………………………………… 18 4.2實施方法……………………………………………………………………… 18 5結 論…………………………………………………………………………… 19 參考文獻…………………………………………………………………………… 20 致 謝…………………………………………………………………………… 21 附 錄…………………………………………………………………………… 22 1 前言 1.1課題來源與技術要求分析 課題“球面SCARA機器人機械部分設計”來源于鹽城工學院的教學實驗。要求設計的機器人具有三個自由度：大臂軸的水平旋轉運動；小臂軸的垂直回轉運動；頂針的垂直上下運動。球面SCARA機器人可以單獨使用，也可以與其他機器人組合使用。球面SCARA機器人有著許多實際和潛在的應用：（1）繪圖，球面SCARA機器人可以在球面上畫線、繪圖案、在皮革或橡皮球表面著色，在地球儀的表面繪制世界地圖等；（2）裝配，傳統(tǒng)的裝配機器人通常只適合在單一方向上裝配，如平面SCARA機器人在印刷電路板上沿垂直方向安裝電子元件。而球面SCARA機器人可在各個方向作業(yè)；（3）雕刻，在球面或自由曲面上雕刻，在珠寶行業(yè)中存在潛在的應用；（4）打印，在球面SCARA機器人的末端裝上噴墨頭，可以在球面或自由曲面上進行噴墨打??；（5）非接觸三維測量等[1]。 1.2 國內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀 那么什么是機器人呢？人們一般的理解來看，機器人是具有一些類似人的功能的機械電子裝置，或者叫自動化裝置，它仍然是個機器，它有三個特點，一個是有類人的功能，比如說作業(yè)功能，感知功能，行走功能，還能完成各種動作，它還有一個特點是根據(jù)人的編程能自動的工作，這里一個顯著的特點，就是它可以編程，改變它的工作、動作、工作的對象，和工作的一些要求，它是人造的機器或機械電子裝置。但從完整的更為深遠的機器人定義來看，應該更強調機器人智能，所以人們又提出來機器人的定義是能夠感知環(huán)境，能夠有學習、情感和對外界一種邏輯判斷思維的這種機器。那么這給機器人提出來更高層次的要求，展望21世紀，機器人將是一個與20世紀計算機的普及一樣，會深入地應用到各個領域，在21世紀的前20年是機器人從制造業(yè)走向非制造業(yè)的發(fā)展一個重要時期，也是智能機器人發(fā)展的一個關鍵時期[2]。 近幾年，國內(nèi)外機器人領域發(fā)展主要有如下幾個趨勢[3]： （1）機器人在制造業(yè)的應用范圍越來越廣闊，并向食品、 核能、 礦業(yè)和建筑等工業(yè)新領域擴展。 （2）機器人性能不斷提高，而單機價格不斷下降，平均單機價格從1991年的10.3萬美元降至2002年的6.5萬美元。 （3）機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。 例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機檢測系統(tǒng)三位一體化，由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機，國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問世。 （4）機器人編程語言趨于通用化。 （5）工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化；器件集成度提高，控制柜日漸小巧，且采用模塊化結構；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 （6） 機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、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應用。 （7） 虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 （8）當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控、遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入使用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名的實例。 （9）機器人遙控、監(jiān)控技術朝著人機交互控制方向發(fā)展，遙控加局部自治系統(tǒng)遙控機器人的發(fā)展使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。 （10）機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。 1.3研究目的 機器人是最典型的機電一體化數(shù)字化裝備，技術附加值很高，應用范圍很廣，作為先進制造業(yè)的支撐技術和信息化社會的新興產(chǎn)業(yè)，將對未來生產(chǎn)和社會發(fā)展起越來越重要的作用。專家預測，機器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車，計算機之后出現(xiàn)的新的大型高技術產(chǎn)業(yè)。據(jù)國際機器人聯(lián)合會IFR統(tǒng)計，世界機器人市場前景很好，從20世紀下半葉起，世界機器人產(chǎn)業(yè)一直保持著穩(wěn)步增長的良好勢頭。進入90年代，機器人產(chǎn)品發(fā)展速度加快，年增長率平均在10%左右，2000年增長率上升到15%，如今，工作在各個領域的機器人早已突破100萬臺[4]。 我國近幾年機器人自動化生產(chǎn)線已經(jīng)不斷出現(xiàn)，并給用戶帶來顯著效益。隨著我國工業(yè)企業(yè)自動化水平的不斷提高，機器人自動化線的市場也越來越大，并且逐漸成為自動化生產(chǎn)線的主要方式。我國機器人自動化生產(chǎn)線裝備的市場剛剛起步，而國內(nèi)裝備制造業(yè)正處于由傳統(tǒng)裝備向先進制造裝備轉型的時期，這就給機器人自動化生產(chǎn)線研究開發(fā)者帶來巨大商機[5]。 1.4設計內(nèi)容及思路 設計內(nèi)容：設計總體方案，確定機器人的總體結構，繪制機器人機械結構裝配圖。進行機器人大臂、小臂結構設計，并繪制其部裝圖、零件圖。各電機的選擇、各零部件設計計算和選擇。繪制機器人主要結構的三維造型圖。 設計思路：先對機器人的整體結構進行分析,制定出合理的整體設計方案，提出一到兩種可行性比較高的初步設計方案；然后再根據(jù)工作要求、工作時間、工作強度等對初步設計方案進行論證，最后在根據(jù)論證結果選擇最合理的設計方案；完成后，再進行對機器人方案圖樣的設計：機器人零件圖，部分部件的裝配圖以及聯(lián)系尺寸圖；機械結構設計完成后，再根據(jù)圖紙用Pro/E軟件塑造出其三維造型圖。最后再畫好裝配圖，完成整個設計。 2 球面SCARA機器人機械結構設計 2.1 運動方案及主要技術參數(shù)的擬定[6] 要求設計的球面SCARA機器人技術參數(shù)如表2-1。 表2-1 球面SCARA機器人主要技術參數(shù) 自由度：3個（，，r） 動作范圍 最高空行程速度 最高工進速度 定位精度 第一軸 360° 120(o)/s 90(o)/s 0.03° 第二軸 360° 120(o)/s 90(o)/s 0.03° 第三軸r 100mm 50mm/s 40mm/s 0.015mm 工件最大直徑φ：200mm 第三軸最大抗力5N 在對機器人三個自由度軸的傳動系統(tǒng)進行設計時，要保證規(guī)定的動作范圍、速度和精度?？紤]到實際運動中的干涉問題，第二軸的實際動作范圍是小于360o的，并且應該采取相應的安全措施。最后完成球面SCARA機器人的裝配圖，以及一些關鍵零件的零件圖。 以下是關于球面SCARA機器人的一些簡介： 圖2-1 SCARA機器人 通常的平面SCARA機器人的如上圖2-1所示。大臂轉動（θ1），軸線與小臂轉動（θ2）軸線平行。工具轉動（θ4），軸線與移動軸線重合，并和θ1，θ2平行。 球面SCARA機器人的基本自由度布置如下圖2-2所示。大臂的軸線θ1和小臂軸線θ2垂直相交，如下圖2-2所示，這樣可以保證裝在r自由度軸上的工具在球上或自由曲面上進行作業(yè)。 制造的時候，只要保證控制精度，并且能夠確保球面SCARA機器人的工具中心線通過球坐標的原點，那么工具末端一定可以在球面上實現(xiàn)精確定位。此外，工具還可以從球面上的任何半徑方向接近工件，具有很高靈活性。 圖2-2 球面SCARA機器人 球面SCARA機器人不僅可以單獨使用，也可以與其他機器人組合使用，總而言之，球面SCARA機器人有著許多實際和潛在的應用，關鍵看人們?nèi)绾问褂煤烷_發(fā)它。 2.1.1方案擬定 （1）自由度配置。對于本課題的球面SCARA機器人，自由度θ1和θ2的配置方式可以有幾種形式，如下圖2-3所示。 對于方案（a），驅動θ2以及臂2占據(jù)了球坐標系的中心，會影響工件的安放。對于方案（b），臂1與臂2及其驅動軸線相交在球心處，避開了球系中心。至于方案（c），θ1驅動工件轉動，機器人臂2的運動θ2沒有與θ1耦合。綜合考慮，選擇方案b。 （2）驅動方式。常用的驅動方式有液壓驅動、氣動驅動以及電力驅動。考慮到本設計中的驅動力矩不是很大，運動速度比較高，而且定位精度要求較高，采用電力驅動。至此，第一軸自由度θ1和第二軸θ2均采用步進電機驅動。步進電機驅動結構比較簡單，而且成本低，也能實現(xiàn)比較精確的定位精度。對于第三自由度，r是工件向球面半徑方向的往復直線運動，可以采用直線電機，不僅結構簡單，而且節(jié)約成本。 （3）傳動方式。由于工件夾持機構是沿著Z軸安裝的，所以第一軸θ1的驅動電機軸線不能與Z軸重合，可以考慮采用同步帶作遠距離傳動。至于第二軸θ2的驅動電機，對軸線沒什么特別要求，可以與Y軸同軸線，故采用直接傳動?？紤]到定位精度比較高，在電機1和2的輸出軸上分別配置減速傳動裝置。至于第三軸，則直接采用直線電機。 圖2-3 球面SCARA機器人自由度配置 2.1.2脈沖當量和傳動比的確定 根據(jù)設計任務提出的定位精度要求分別對三個自由度軸進行脈沖當量的確定和傳動比的選定。由于傳動誤差的存在，實際的脈沖當量應高于定位精度的要求。 a、第一自由度軸θ1。定位精度要求為0.03，初選步距角θb=1.5°的75BF004步進電機。設脈沖當量為0.03（°）/脈沖，則傳動比為i=θb/δp=1.5/0.03=50，i=n1/n2。 現(xiàn)初選同步帶傳動速比為i2=1。第一級速比要求i1≥50，速比較大。從諧波減速器標準表獲知可初選機型為40的XB3扁平式諧波減速器，其傳動比為i1=65。于是第一自由度軸的脈沖當量δp=1.5/65=0.023（°）/脈沖，小于題目要求的定位精度值（0.03°），滿足要求。因此，第一自由度軸的運動參數(shù)為： θb=1.5°，i1=65，i2=1，i=i1×i2=65，δp=0.023（°）/脈沖 b、由于小臂是在第二自由度軸的電機驅動下轉動的，所以當電機停電后，小臂由于重力的作用，會自動掉落，所以要求小臂傳動能夠自鎖。因此，第二自由度軸不能采用普通的電機，應選用自鎖電機。第二自由度軸θ2，初選步距角為1.5°的K10自鎖步進電機。同第一自由度軸，取i=65，δp=0.023（°）/脈沖。沒有同步帶傳動。因此，第二自由度軸的運動參數(shù)為： θb=1.5°，i=65，δp=0.023（°）/脈沖 c、考慮到為了使結構簡單以及重量問題，再加上第三自由度本就是直線運動，采用直線電機，這樣可以避免由于使用絲杠帶來的誤差，而且直線電機由于沒有中間轉換環(huán)節(jié)，因而使整個傳動機構得到簡化，提高了精度，減少了振動和噪音，并且裝配靈活性大，往往可將電機和其它機件合成一體。 現(xiàn)取電機型號為43000系列size17直線電機其中i=1.5，則實際脈沖當量δp=θb L0/360i=0.0138mm/脈沖，小于題設定位精度值（0.015mm），滿足要求。因此，第三自由度軸r的運動參數(shù)為： θb=1.5°，L0=5mm，i=1.5，δp=0.0138mm/脈沖 2.2各傳動系統(tǒng)設計與校核 根據(jù)初擬方案，球面SCARA機器人z軸上的慣性負載如圖2-4所示： 圖2-4 z軸上慣性負載 初步擬定方案為R1=100mm，R2=150mm，R3=250mm，R4=260mm，R5=200mm。估計連桿1的質量M1=2kg，連桿2的質量M2=2kg，第二自由度驅動裝置質量MD2=2.5kg，工具及進給機構質量Mt=3kg。 第一自由度各轉動慣量折算到電機軸1上的等效轉動慣量計算： Z軸的轉動慣量為： JZ∑=MTR12+M2R22+ MD2R32+M1R22+ JB=2762.71kg·cm2 式中：JB為同步皮帶輪慣量。初擬皮帶輪尺寸D=90mm，B=40mm，則 JB=0.78×D4×B×10-8 kg·cm2=20.47kg·cm2 設諧波減速器轉動慣量Jx≈JB，Jx =4kg·cm2。從資料中查到75BF004步進電機轉子轉動慣量JD1=0.1284 kg·cm2。因此，自由度θ1傳動系統(tǒng)上所有的慣量折算到電機軸1上的等效轉動慣量為： （2-1） 帶入數(shù)據(jù)得：J1∑=2.79 kg·cm2。 2.2.1第一自由度電機校核 a、最大靜轉矩校核[7] 我們知道，步進電機空載啟動是指電機在沒有外加工作負載下的啟動?？蛰d啟動力矩為 Mkq=Mka+Mkf+Mo （2-2） 在本課題中，第一自由度沒有采用滾珠絲杠傳動，所以滾珠絲杠預緊附加摩擦力矩等于零，即M0=0。設摩擦力矩可忽略不計，則僅剩加速力矩項Mka，即Mkq≈Mka。Mka=J1∑，設電機在1秒內(nèi)啟動完畢，θ1軸達到最高空行程速度120（°）/s,電機軸△n=120°i1i2=120o×65=7800 o，△t=1s,=△n/△t=136.14(s-2), 則 Mka= J1∑×10-2N·cm=2.79×136.14×10-2=3.80N·cm 電機名義啟動力矩為Mmq=Mjmax。三相六拍運行λ=0.866，查得電機最大靜轉矩Mjmax=0.49N· m，因此Mmq=0.49×0.866=0.42 N·m。 Mkq＜Mmq初選電機滿足最大靜轉矩校核要求。 b、啟動矩頻特性校核 電機啟動時具有一定的啟動頻率，還需要校核啟動矩頻特性，保證啟動時電機不會丟步。為了保證平穩(wěn)性，突跳啟動是不可取的，一般需要升降速過程。 圖（a）表示按指數(shù)曲線升降速；圖（b）表示按直線過渡升降速；圖（c）表示將fmax分成若干級，啟動脈沖以階梯變化來實現(xiàn)升速過渡，只要突跳頻率分級后不大，不出現(xiàn)失步現(xiàn)象是可以的。但是，從理論上來講，突跳是在瞬間完成的，時間趨于零，角加速度還是很大的，因此按圖（d）方式階梯變化。 電機使θ1軸在△t時間內(nèi)從靜止升速到120（°）/s的速度，則電機的頻率要從f0=0在△t時間內(nèi)升到fmax=7800（°）／θb=5200HZ。現(xiàn)分為5個階段升速，每階段升速時間0.25s，延時0.05s，升速頻率fq=5200／5=1040 HZ?？偟纳贂r間為△t=（0.25+0.05）×4+0.25=1.45s。 圖2-5 步進電機升降速過程 空載啟動，不計摩擦，則電機空載啟動力矩為空載加速力矩，即 Mkq=Mka=J1∑ =△n/△t=(1040×15o)× Mkq=2.79×108.9×10-2=3.04N·cm 查步進電機75BF004啟動頻率特性曲線，Mkq=3.04N·cm對應的允許啟動頻率fyq=2000 HZ，fq=1040 HZ，fq＜fyq。因此，按（d）方式進行階梯啟動不會丟步。 c、運行矩頻特性校核 快速進給時是空載，即球面SCARA機器人末端操作器不進行作業(yè)加工。電機快速進給力矩為MKJ=Mkf+M0。在本題中，M0=0，Mkf很小，現(xiàn)設近似于啟動加速力矩，即Mkf≈3.04N·cm，因此電機快速進給力矩為MKJ≈3.04N·cm。電機快速運行頻率為fkJ=fmax=5200 HZ。查步進電機75BF004運行矩頻特性曲線可知，對應MKJ=3.04 N·cm的允許快進頻率為fykJ=14000 HZ，fkJ＜fykJ，符合要求，快進時不會丟步。 工作進給時，電機工進力矩為MGJ=Mt+M0+Mf。在本題中，M0=0，Mf為Mf=3.04N·cm。工作負載沿z軸方向，F(xiàn)z=5N，并通過工件球心。現(xiàn)設球面機器人工作負載荷Fz引起的側力Fx=Fy=0.5Fz=2.5N，工件直徑φ=20cm。因此，Mt=φFx／2=2.5×10=25N·cm，MGJ=Mt+Mf=28.04 N·cm。已知θ1的最高工進速度nG1=90（°）/s，i=65，θb=1.5°，因此電機工作進給運行頻率為fGJ=90°×65／1.5°=3900 HZ。查步進電機75BF004運行矩頻特性曲線，與MGJ=28.04N·cm相對應的允許工進頻率為fyGJ=8100 HZ，fGJ＜fyGJ，因此步進電機在工進時不會丟步。 2.2.2第一自由度同步帶傳動設計[8] 已知同步帶傳動速比i2=1，設計計算如下： 1．設計功率 Pd=（K0+K1+K2）Pm （2-3） 同步帶傳遞名義功率Pm為 Pm=（kw） 式中：M為傳遞扭矩（N·m）；n為轉速（r/min）。 快進扭矩MkJ=0.0304 N·m，快進速度nkJ=120°×60／360°=20r/min。工進扭矩MGJ=0.2804，工進速度nGJ=90°×60／360°=15 r/min。則快進名義功率PkJm=0.0304×20／9550=6.36×10-5kW，工進名義功率PGJM=0.2804×15／9550=4.40×10-4kW。故取同步帶傳遞名義功率Pm=4.40×10-4kW，n=15r/min。 查得載荷修正系數(shù)K0=1.4（第一類機械，連續(xù)工作）。K1=K2=0，則 Pd=1.4×4.40×10-4=6.16×10-4kW 2．選擇帶的型號 選L型帶，查得L型帶的節(jié)距Pb=9.525mm。 3．帶輪齒數(shù)與直徑 查得L型帶小帶輪最小許用齒數(shù)zmin=12，取z1=z2=20，d1=d2=Pbz／π=60.64mm。 4．帶長 當d1=d2時，Lp=2A+π（d1+d2）／2。現(xiàn)初選中心距A=200mm，則 Lp=2×200+π×60=685mm 選擇標準帶長：長度代號390，節(jié)線長990.6mm，同步帶齒數(shù)zb=104。 5．實際傳動中心距 當z1=z2時，A≈2M，M=Pb（2zb-z1-z2）／8。 M=9.525（2×104-2×20）／8=200，A≈2M=400mm。 6．帶寬 同步帶基準寬度bso=25.4mm。由z1=20，n1=100r/min查得L型帶的基準額定功率P0=0.12kW。用插值法求得n=15r/min時，P0=1.8×10-2kW。 嚙合齒數(shù)zm=ent[z／2]=ent[16]=16＞6，故kz=1 =1.32mm （2-4） 取帶寬代號：075，帶寬19.1mm。 7．同步帶參數(shù) L型帶，節(jié)距Pb=9.525mm，帶輪直徑d1=d2=60.64mm，齒數(shù)z1=z2=20，帶長代號390，節(jié)線長990.6mm，中心距A≈400mm，帶寬代號075，帶寬bs=19.1mm。 2.2.3第一自由度諧波減速器選擇[6] 由B3扁平式諧波減速器的規(guī)格和額定功率表知，選用機型40，速比65，代號為：XB3-40-65-1-3/3。 該諧波減速器最高輸入轉速可達3500r/min；輸出扭矩10 N·m。 電機工進轉速為15r/min×i=15×65=975r/min，扭矩MGJ=0.28144 N·m。 電機快進轉速為20r/min×i=20×65=1300r/min，扭矩MKJ=0.03144 N·m。 因此，無論工進、快進，該諧波減速器在傳遞功率和扭矩上均有很大的安全裕度。 2.2.4第二自由度電機校核 a第二自由度各轉動慣量折算到電機軸2上的等效轉動慣量的計算 Y軸的轉動慣量為： JY∑=MTR42+M2R52=3×2602+2×2002=2828㎏·㎝2 設諧波減速器轉動慣量Jx≈4kg·cm2。從資料中查到K10自鎖電機轉子轉動慣量較小，可忽略不計，即JD2≈0。因此，自由度θ1傳動系統(tǒng)上所有的慣量折算到電機軸1上的等效轉動慣量為: = 2.70 kg·cm2 帶入數(shù)據(jù)得J2∑=2.70 kg·cm2。 b第二自由度軸校核 1.最大切應力校核 小臂重力對軸產(chǎn)生的轉矩M1= GTR4+ G2R5=11.8 N·m。啟動加速度對軸產(chǎn)生的加速度轉矩為Mka′= JY∑/i=0.65m。故軸危險截面所受最大轉矩為: Mmax= M1+ Mka′=12.45 轉距產(chǎn)生的切應力： τ1max=Mmax/Wp=1.61<<[τ] 2.最大正應力校核 小臂重力對軸產(chǎn)生的彎矩為M2=GT×（R3－R1）=4.5N·m。對軸產(chǎn)生的正應力為： τ2max=M2/Wy=1.2<<[τ] 故軸的需用滿足使用要求。 c自鎖電機2的校核 由于小臂是在第二自由度軸的電機驅動下轉動的，所以當電機停電后，小臂由于重力的作用，會自動掉落，所以要求小臂傳動能夠自鎖。因此，第二自由度軸不能采用普通的電機，應選用自鎖電機。 最大靜轉矩校核 電機空載啟動力矩為Mkq=Mka+Mkf+Mo 在本課題中，第一自由度軸沒有采用滾珠絲杠傳動，所以滾珠絲杠預緊附加摩擦力矩等于零，即Mo=0。設摩擦力矩可忽略不計，則僅剩加速力矩Mka，即Mkq≈Mka。Mka=J2∑，設電機在1秒內(nèi)啟動完畢，θ1軸達到最高空行程速度120（°）/s,電機軸△n=120°i=120o×65=7800 o，△t=1s,=△n/△t=136.14(s-2), 則： Mka= J2∑×10-2N·cm=2.7×136.14×10-2=3.68cm=0.0368m 電機名義啟動力矩為Mmq=Mjmax，三相六拍運行λ=0.866，電機最大靜轉矩Mjmax=0.784N· m，因此Mmq=0.866×0.784=0.679 N·m。 Mkq《Mmq，所以初選電機滿足最大靜轉矩校核要求。 啟動矩頻特性校核 電機啟動時具有一定的啟動頻率，還需要校核啟動矩頻特性，保證啟動時電機不會丟步。為了保證平穩(wěn)性，突跳啟動是不可取的，一般需要升降速過程。 圖（a）表示按指數(shù)曲線升降速；圖（b）表示按直線過渡升降速；圖（c）表示將fmax分成若干級，啟動脈沖以階梯變化來實現(xiàn)升速過渡，只要突跳頻率分級后不大，不出現(xiàn)失步現(xiàn)象是可以的。但是，從理論上來講，突跳是在瞬間完成的，時間趨于零，角加速度還是很大的，因此可以按圖（d）方式階梯變化。 圖2-6 步進電機升降速過程 電機使θ2軸在△t時間內(nèi)從靜止升速到120（°）/s的速度，則電機的頻率要從f0=0在△t時間內(nèi)升到fmax=7800（°）／θb=5200HZ?，F(xiàn)分為5個階段升速，每階段升速時間0.25s，延時0.05s，升速頻率fq=5200／5=1040 HZ。總的升速時間為△t=（0.25+0.05）×4+0.25=1.45s。 空載啟動，不計摩擦，則電機空載啟動力矩為空載加速力矩，即： Mkq=Mka=J2∑ =△n/△t=(1040×15o)× Mkq=2.7×108.9×10-2=2.94cm=0.0294m 查步進電機70BF003啟動頻率特性曲線，Mkq=2.94cm對應的允許啟動頻率fyq=1300 HZ，fq=1040 HZ，fq＜fyq。因此，按（d）方式進行階梯啟動不會丟步。 運行矩頻特性校核 快速進給時是空載，即球面SCARA機器人末端操作器不進行作業(yè)加工。電機快速進給力矩為MKJ=Mkf+M0。本課題中，M0=0，Mkf很小，現(xiàn)設近似于啟動加速力矩，即Mkf≈2.94N·cm，因此電機快速進給力矩為MKJ≈2.94cm。電機快速運行頻率為fkJ=fmax=5200 HZ。查步進電機70BF003運行矩頻特性曲線可知，對應MKJ=2.94 N·cm的允許快進頻率為fykJ=16000 HZ，fkJ＜fykJ，校核合格，快進時不會丟步。 工作進給時，電機工進力矩為MGJ=Mt+M0+Mf。本課題中，M0=0，Mf仍可設為Mf=2.94N·cm。工作負載沿z軸方向，F(xiàn)z=5N，并通過工件球心?，F(xiàn)在設球面機器人工作負載荷Fz引起的側力Fx=Fy=0.5Fz=2.5N，工件直徑φ=20cm。因此，Mt=φFy／2=2.5×10=25N·cm，MGJ=Mt+Mf=27.94 N·cm。已知θ1的最高工進速度nG1=90（°）/s，i=65，θb=1.5°，因此電機工作進給運行頻率為fGJ=90°×65／1.5°=3900 HZ。查步進電機70BF003運行矩頻特性曲線，與MGJ=27.940 N·cm相對應的允許工進頻率為fyGJ=8000 HZ，fGJ＜fyGJ，因此在工進時步進電機不會丟步。 2.2.5諧波減速器的選擇[1] 查B3扁平式諧波減速器的規(guī)格和額定功率表知，選用機型40，速比65，代號為：XB3-40-65-1-3/3。 該諧波減速器最高輸入轉速可達3500r/min；輸出扭矩10 N·m。 電機工進轉速為15r/min×i=15×65=975r/min，扭矩MGJ=0.27991 N·m。 電機快進轉速為20r/min×i=20×65=1300r/min，扭矩MKJ=0.02991 N·m。 因此，無論工進、快進，該諧波減速器在傳遞功率和扭矩上均有很大的安全裕度。 2.2.6第三自由度電機校核 直線電機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能而不需要任何中間轉換機構的裝置；結構多樣，可以根據(jù)需要制成扁平型、圓筒型或盤型等各種形式；可以采用交流電源、直流電源或脈沖電源等各種電源進行工作；不同種類具有截然不同的工作特點，可以根據(jù)需要選擇。能滿足高速、大推力的驅動要求，也能滿足低速、精細的要求，如步進直線電動機[9]。 （1）轉動慣量計算 電機3轉子轉動慣量 JD3=0.015kg·cm2 絲杠轉動慣量 Js=0.78×24×14×10-3=0.18 ㎏·㎝2 移動質量折算到絲杠軸慣量 Jm==0.0032㎏·㎝2，（已知移動件質量為Mm=0.5kg） 傳動系統(tǒng)各運動部件慣量折算到電機3軸上總等效轉動慣量為 J3∑=JD3+ ( Js + Jm)/i2=0.58㎏·㎝2 （2）最大靜轉矩校核 空載啟動力矩為：Mkq=Mka+Mkf+Mo （2-10） 其中：加速力矩 Mka= J3∑×2πnmax×10-2/60t 電機最大轉速為絲杠最大轉速的i倍，絲杠最大轉速在動負載校核中已經(jīng)算出ns=600r/min，所以nmax=600×1.5=900r/min，加速時間預定為1s，則Mka=1.06N·cm。 絲杠預緊附加摩擦力矩 M0= 預緊力FYJ=Fm／3=5.375／3=1.79N；L0=0.5cm；傳動總效率η=0.8；絲杠未預緊時傳動效率：η0=0.9；i=1.5；則M0=0.023 N·cm。 空載摩擦力矩很小，現(xiàn)在設為2M0，即 Mkf=0.045 N·cm 因此，空載啟動力矩 Mkq=1.064+0.045+0.0225=1.13 N·cm 滿足最大靜轉矩校核，Mkq≤λMjmax=0.866×19.6=16.97 N·cm（三相六拍運行λ=0.866；Mjmax=0.196 N·m。） （3）啟動矩頻特性校核 最大運行頻率fmax=vmax／δp=50／0.01388=3600Hz。 分為三個階梯啟動。每個階梯啟動頻率為fq=fmax／3=1200Hz，在0.25s內(nèi)完成升速，0.05s過渡，則相應的角加速度為 ε=△n/△t, △n=1200×1.5×π/180 s-2, △t=0.25, ε=125.66 s-2 加速力矩Ma=J3∑ε×10-2=1.42 N·cm，M0=0.023 N·cm，Mkf=0.045 N·cm，則空載啟動力矩為 ＝1.49 N·cm 空載啟動頻率為 fq=1200Hz 滿足要求。啟動時間為△t=（0.025+0.05）×2+0.25=0.85s。 （4）運行矩頻特性校核[10] 快速進給vmax=50mm/s，快速進給力矩MKJ=Mkf+M0，其中M0=0.023 N·cm；Mkf為快速進給時折算到電機軸上的摩擦力矩，本課題不同于工作臺進給系統(tǒng)，Mkf較小，設Mkf=2M0=0.045 N·cm，因此，電機快速進給力矩MKJ=0.068 N·cm，電機快速運行頻率fKJ=3600Hz，滿足要求。 工作進給vGJ=40mm/s，工作進給力矩MGJ=Mt+M0+Mf。M0=0.025 N·cm，Mf=0.045 N·cm，Mt為工作負載折算到電機軸上的力矩Mt=FmL0／2πηi，F(xiàn)m=5.38N，L0=0.5cm，η=0.8，i=1.5，Mt=0.36 N·cm，則MGJ=0.42N·cm。電機工作進給頻率fGJ=vGJ／δP=40／0.01388=2880Hz。 因此，電機工作進給力矩MGJ=0.42 N·cm，電機工作進給頻率fGJ=2880Hz，滿足要求。 2.2.7球面SCARA機器人外形圖 圖2-7 球面SCARA機器人外形圖 3 Pro/E軟件簡介[11] Proe是美國PTC公司旗下的產(chǎn)品Pro/Engineer軟件的簡稱。Pro/E（Pro/Engineer操作軟件）是美國參數(shù)技術公司（Parametric Technology Corporation，簡稱PTC）的重要產(chǎn)品。是一款集CAD/CAM/CAE功能一體化的綜合性三維軟件，在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位，并作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣，是現(xiàn)今最成功的CAD/CAM軟件之一。 1. proe的概述 在中國也有很多用戶直接稱之為“破衣”。1985年，PTC公司成立于美國波士頓，開始參數(shù)化建模軟件的研究。1988年，V1.0的Pro/ENGINEER誕生了。經(jīng)過10余年的發(fā)展，Pro/ENGINEER已經(jīng)成為三維建模軟件的領頭羊。目前已經(jīng)發(fā)布了Pro/ENGINEER WildFire6.0（中文名野火6)。PTC的系列軟件包括了在工業(yè)設計和機械設計等方面的多項功能，還包括對大型裝配體的管理、功能仿真、制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等等。Pro/ENGINEER還提供了全面、集成緊密的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境。是一套由設計至生產(chǎn)的機械自動化軟件，是新一代的產(chǎn)品造型系統(tǒng)，是一個參數(shù)化、基于特征的實體造型系統(tǒng)，并且具有單一數(shù)據(jù)庫功能的綜合性MCAD軟件。 2. proe的特點和優(yōu)勢 經(jīng)過20多年不斷的創(chuàng)新和完善，pore現(xiàn)在已經(jīng)是三維建模軟件領域的領頭羊之一，它具有如下特點和優(yōu)勢： 參數(shù)化設計和特征功能 Pro/Engineer是采用參數(shù)化設計的、基于特征的實體模型化系統(tǒng)，工程設計人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，您可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。這一功能特性給工程設計者提供了在設計上從未有過的簡易和靈活。 單一數(shù)據(jù)庫 Pro/Engineer是建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫上，不象一些傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)建立在多個數(shù)據(jù)庫上。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中的資料全部來自一個庫，使得每一個獨立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管他是哪一個部門的。換言之，在整個設計過程的任何　一處發(fā)生改動，亦可以前后反應在整個設計過程的相關環(huán)節(jié)上。 例如，一旦工程詳圖有改變，NC（數(shù)控）工具路徑也會自動更新；組裝工程圖如有任何變動，也完全同樣反應在整個三維模型上。這種獨特的數(shù)據(jù)結構與工程設計的完整的結合，使得一件產(chǎn)品的設計結合起來。這一優(yōu)點，使得設計更優(yōu)化，成品質量更高，產(chǎn)品能更好地推向市場，價格也更便宜。 全相關性：Pro/ENGINEER的所有模塊都是全相關的。這就意味著在產(chǎn)品開發(fā)過程中某一處進行的修改，能夠擴展到整個設計中，同時自動更新所有的工程文檔，包括裝配體、設計圖紙，以及制造數(shù)據(jù)。全相關性鼓勵在開發(fā)周期的任一點進行修改，卻沒有任何損失，并使并行工程成為可能，所以能夠使開發(fā)后期的一些功能提前發(fā)揮其作用。 基于特征的參數(shù)化造型：Pro/ENGINEER使用用戶熟悉的特征作為產(chǎn)品幾何模型的構造要素。這些特征是一些普通的機械對象，并且可以按預先設置很容易的進行修改。例如：設計特征有弧、圓角、倒角等等，它們對工程人員來說是很熟悉的，因而易于使用。 裝配、加工、制造以及其它學科都使用這些領域獨特的特征。通過給這些特征設置參數(shù)（不但包括幾何尺寸，還包括非幾何屬性），然后修改參數(shù)很容易的進行多次設計疊代，實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)。 數(shù)據(jù)管理：加速投放市場，需要在較短的時間內(nèi)開發(fā)更多的產(chǎn)品。為了實現(xiàn)這種效率，必須允許多個學科的工程師同時對同一產(chǎn)品進行開發(fā)。數(shù)據(jù)管理模塊的開發(fā)研制，正是專門用于管理并行工程中同時進行的各項工作，由于使用了Pro/ENGINEER獨特的全相關性功能，因而使之成為可能。 裝配管理：Pro/ENGINEER的基本結構能夠使您利用一些直觀的命令，例如“嚙合”、“插入”、“對齊”等很容易的把零件裝配起來，同時保持設計意圖。高級的功能支持大型復雜裝配體的構造和管理，這些裝配體中零件的數(shù)量不受限制。 易于使用：菜單以直觀的方式聯(lián)級出現(xiàn)，提供了邏輯選項和預先選取的最普通選項，同時還提供了簡短的菜單描述和完整的在線幫助，這種形式使得容易學習和使用。 4 工業(yè)機器人運行時應采取的安全措施[12] 機器人的運行特性與其他設備不同。機器人以高能掠過比其機座大的空間，機器人手臂的運動形式和啟動很難預料，且可能隨生產(chǎn)和環(huán)境條件而改變。 在機器人驅動器通電情況下，維修及編程人員有時需要進入其限定空間。且機器人限定空間之間或其他相關設備的工作區(qū)之間可能相互重疊而產(chǎn)生碰撞，擠壓或由于夾持器松脫而使工件飛出等危險。 4.1 安全要求 安全防護措施的選擇和設計應考慮機器人的應用、類型及與其他相關設備的關系，該設計和選擇必須適合正在進行的工作，并且使得示教編程、設定、維護、程序驗證及故障查找要求設備布局緊湊時，也能安全操作。 基本要求： a為防止機器人誤動作產(chǎn)生的危險性，應具有異常狀態(tài)檢測、顯示、報警、緊急停機等安全防護功能。 　　b為防止其他人員誤入危險區(qū)，應具有異常檢測、顯示、報警、緊急停機等安全防護功能。 　　c附屬設備發(fā)生故障時，應具有異常檢測、顯示、報警、緊急停機等安全防護功能?！? d由于機器人系統(tǒng)的故障而停機時，應具有顯示、通知外部的功能。 e為確保在危險區(qū)進行示教作業(yè)的安全性，機器人應具有安全動作速度的功能，機器人慢速運動的最大值不超過0.25m/s。　 f在特殊環(huán)境中使用的機器人，應具有適應環(huán)境的安全防護功能?！? g控制裝置面板上各操作鍵應設動作方向標記，與操作機各軸動作方向標記相一致?！? h控制裝置與操作機上要有醒目的安全標志。 i機器人系統(tǒng)、動力裝置等都要分別設置可靠的接地端子。 4.2 實施方法 在設計和布置機器人系統(tǒng)時，為使操作員、編程員和維修人員能得到恰當?shù)匕踩雷o，應按照機器人制造廠的規(guī)范進行。為確保機器人及其系統(tǒng)與預期的運行狀態(tài)相一致，則應評價分析所有的環(huán)境條件，包括爆炸性混合物、腐蝕情況、濕度、污染、溫度、電磁干擾(EMI)、射頻干擾(RFI)和振動等是否符合要求，否則應采取相應的措施。 為了減小已知的危險和保護各類工作人員的安全，在設計機器人系統(tǒng)時，應根據(jù)機器人系統(tǒng)的作業(yè)任務及各階段操作過程的需要和風險評價的結果，選擇合適的安全防護裝置。所選用的安全防護裝置應按制造廠的說明進行使用和安裝。 5 結論 畢業(yè)設計是本科學習階段一次非常難得的理論與實際相結合的機會，我的課題是對球面SCARA機器人機械部分設計，機械部分結構設計包括確定機器人的外形尺寸和工作空間，擬定機器人各環(huán)節(jié)的總體傳動方案和主要技術參數(shù)的確定，以及三個自由度軸的校核。 通過這次完整的設計，我擺脫了單純的理論知識學習狀態(tài)，鍛煉了我綜合運用所學的專業(yè)基礎知識以及解決實際問題的能力，同時也提高我查閱文獻資料、設計手冊、設計規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能力水平，而且通過對整體的掌控，對局部的取舍，以及對細節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗得到了豐富，并且意志品質力，抗壓能力及耐力也都得到了不同程度的提升。這是我們都希望看到的也正是我們進行畢業(yè)設計的目的所在。 在這次畢業(yè)設計中，我的老師袁健給了我很大的幫助，還有我的同學，在此，謝謝他們！ 參考文獻 [1]吳振彪，胡均安.機電綜合設計指導[M]. 北京：中國人民大學出版社,2000. 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