吸盤式Scara機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

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1、 目 錄 摘 要I ABSTRCTII 1 緒論1 1.1 課題背景1 1.2 機器人的定義及特點1 1.2.1 機器人的定義1 1.2.2 機器人的特點2 1.3 機器人的構(gòu)成及分類3 1.3.1 機器人的構(gòu)成3 1.3.2 機器人的分類4 1.4 機器人的應(yīng)用與發(fā)展5 1.4.1 機器人的應(yīng)用5 1.4.2 機器人的發(fā)展7 1.5 本文的研究容9 2 SCARA機器人的研究意義和原理設(shè)計10 2.1 SCARA機器人的研究意義10 2.2 SCARA機器人的特點10 2.3 SCARA機器人傳動方案的確定11

2、 30 / 35 3 吸盤式SCARA機械臂驅(qū)動設(shè)計15 3.1 機器人驅(qū)動方案的對比分析及選擇15 3.2 各自由度步進電機的選擇16 3.2.1 第一自由度步進電機的選擇17 3.2.2 第二自由度步進電機的選擇17 3.2.3 第三自由度步進電機的選擇18 3.2.4 第四自由度步進電機的選擇19 4 吸盤式SCARA機械臂集成模塊化機構(gòu)設(shè)計20 4.1 同步齒形帶傳動設(shè)計20 4.1.1 求出設(shè)計功率Pd20 4.1 2 選擇帶的節(jié)距20 4.1 3 確定帶輪直徑和帶節(jié)線長20 4.2 絲杠螺母設(shè)計23 4.2.1 絲杠耐磨性計

3、算23 4.2.2 絲杠穩(wěn)定性計算23 4.2.3 絲杠剛度計算24 4.2.4 絲杠和螺母螺紋牙強度計算24 4.2.5 螺紋副自鎖條件校核25 4.3 各輸出軸的設(shè)計25 4.3.1 機身輸出軸設(shè)計25 4.3.2 大臂輸出軸設(shè)計26 4.3.3 帶輪軸設(shè)計26 4.3.4 升降軸設(shè)計26 4.4 殼體設(shè)計27 結(jié) 論30 致 31 參考文獻32 吸盤式Scara機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計 摘 要 在裝配機器人中,平面關(guān)節(jié)型裝配機器人<即SCARA型>是應(yīng)用最廣泛的一種裝配機器人。本文設(shè)計的SCARA機器人既可以用于實際

4、生產(chǎn),又可以用于教學(xué)實驗和科學(xué)研究。用于實際生產(chǎn),它能夠滿足裝配作業(yè)容改變頻繁的要求,用于教學(xué)實驗,它能夠使人更直觀地了解機器人機構(gòu)組成、動作原理等,所以開發(fā)SCARA機器人具有廣泛的實際和應(yīng)用前景,本課題的研究工作正是在這樣的背景下提出來的。 本文設(shè)計的SCARA機器人具有下列特點:通用性好、重復(fù)定位精度高、體積小、重量輕、外形美觀、適于觀察、成本低,對其本體的可行方案進行了充分的論證后,設(shè)計成具有四自由度的結(jié)構(gòu),由機身、大臂、小臂及手腕組成,諧波減速器、同步齒型帶、絲杠螺母等組成了SCARA機器人簡單可靠的傳動方案,該 機器人的四個關(guān)節(jié)均選用混合式步進電機驅(qū)動。 關(guān)鍵詞 SC

5、ARA機器人 / 機械臂 / 結(jié)構(gòu)設(shè)計 THE RESEARCH ABOUT STRUCTURE ABSTRCT Among assembly robots, plane articulated assembly robot< SCARA manipulator>is used most widely. The presented SCARA manipulator in this paper can be used not only in practical producing where it can meet the needs of frequentl

6、y changed assembly task, but also in teaching experiment and scientific researching where it can make person understand both the mechanical components and the principle of motion more directly. So the development oft he SCARA manipulator has important practical meanings and application perspective.

7、This is just the background of this project. The presented SCARA manipulator in this paper has following characters: good universality, high accuracy of repeating location, small volume, light weight, beautiful appearance, convenient observation, low cost, so the structure of robot is fully conside

8、red which has four freedoms and comprises base, big arm, small arm and wrist. The simply reliable transmission scheme of SCARA manipulator is composed of harmonic deceleration and synchronically toothed belt and feed screw; the four joints are all driven by stepping motors. KEY WORDSSCARA manipul

9、ate, Machinery arm, Structural Design 1 緒論 1.1 課題背景 機器人自誕生之日起 ,便顯示出其強大的生命力,機器人首先在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用,并給傳統(tǒng)工業(yè)帶來了質(zhì)的飛躍。它不僅提高了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的自動化程度,提高了勞動生產(chǎn)率而且還推動了以資源消耗低環(huán)境污染少為特征的新型工業(yè)的誕生隨著人類在機械工程、電氣工程、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、控制論、傳感技術(shù)、信息學(xué)、聲學(xué)、仿生學(xué)、及人工智能等學(xué)科領(lǐng)域的飛速發(fā)展,機器人技術(shù)的應(yīng)用也正在向農(nóng)業(yè)、林業(yè)、畜牧、養(yǎng)殖、海洋開發(fā)、宇宙探索、國防建設(shè)、安全救濟、生物醫(yī)學(xué)、服務(wù)娛樂等新領(lǐng)域拓展開來,并已

10、取得顯著進展,機器人技術(shù)已成為高科技應(yīng)用領(lǐng)域中的重要組成部分。 機器人主要有兩大類：用于制造環(huán)境下的工業(yè)機器人和用于非制造環(huán)境下的服務(wù)機器人。工業(yè)機器人是一種對生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)條件具有較強的適應(yīng)性和靈活性的柔性自動化裝備,它主要用于現(xiàn)代制造業(yè)中代替人們從事繁重、重復(fù)單調(diào)、環(huán)境惡劣危險、人做不了或做不好的工作,從而減輕了人們的勞動強度,改善了勞動環(huán)境,并有效地提高了生產(chǎn)的自動化程度,提高了產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率。工業(yè)機器人是柔性化制造系統(tǒng) 必不可少的自動化工具,它的發(fā)展和應(yīng)用情況已成為一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。 1.2 機

11、器人的定義及特點 機器人的研究、開發(fā)和應(yīng)用涉及多剛體動力學(xué)、機構(gòu)學(xué)、機械設(shè)計、傳感技術(shù)、電氣液壓驅(qū)動、控制工程、智能控制、計算機科學(xué)技術(shù)、人工智能和仿生學(xué)等學(xué)科,機器人技術(shù)是一門跨學(xué)科的綜合性技術(shù)。早在20世紀60年代初,美國就制造出了第一臺工業(yè)機器人,目前己經(jīng)發(fā)展到第三代一智能機器人。由于機器人技術(shù)和機器人的重要作用,各工業(yè)化國家近幾年都把它的研究和開發(fā)列為國策,制訂一系列規(guī)劃,多方采取措施,以加快發(fā)展。許多發(fā)展中國家也紛紛建立技術(shù)開發(fā)中心,應(yīng)用和生產(chǎn)機器人,可以說當今正在掀起一個世界圍的機器人研制熱潮。 1.2.1 機器人的定義 機器人是1920年由捷克作家卡雷爾·卡

12、佩克在劇本中塑造的一個具有人的外表、特征和功能,愿意為人服務(wù)的機器奴仆" Robot"一詞衍生出來的。機器人的定義是多種多樣的,其原因是它具有一定的模糊性,機器人不斷在發(fā)展,新的機型、新的功能不斷涌現(xiàn),根本原因主要是因為機器人涉及到了人的概念,成為一個難以回答的哲學(xué)問題,就像機器人一詞最早誕生于科幻小說之中一樣,人們對機器人充滿了幻想。也許正是由于機器人定義的模糊,才給了人們充分的想像和創(chuàng)造空間。在把機器人理解為仿人機器的同時,也可以廣義地把機器人理解為仿動物的機器。我們可以這樣說:機器人是一個在三維空間中具有較多自由度的,并能實現(xiàn)諸多擬人動作和功能的機器,而工業(yè)機器人

13、Robot>則是在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用的機器人。美國機器人工業(yè)協(xié)會提出的工業(yè)機器人定義為:"工業(yè)機器人是用來進行搬運材料、零件、工具等可再編程的多功能機械手、或通過不同程序的調(diào)用來完成各種工作任務(wù)的特種裝置。"英國機器人協(xié)會、日本機器人協(xié)會等也采用了相類似的定義。我國科學(xué)家對機器人的定義是:"機器人是一種自動化的機器,所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力,如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力,是一種具有高度靈活性的自動化機器。"在研究和開發(fā)未知及不確定環(huán)境下作業(yè)的機器人的過程中,人們逐步認識到機器人技術(shù)的本質(zhì)是感知、決策、行動和交互技術(shù)的結(jié)合。隨著人們對機器人技術(shù)

14、智能化本質(zhì)認識的加深,機器人技術(shù)開始源源不斷地向人類活動的各個領(lǐng)域滲透。結(jié)合這些領(lǐng)域的應(yīng)用特點,人們發(fā)展了各式各樣的具有感知、決策、行動和交互能力的特種機器人和各種智能機器人,如移動機器人、微機器人、水下機器人、醫(yī)療機器人、軍用機器人、空中空間機器人、娛樂機器人等。對不同任務(wù)和特殊環(huán)境的適應(yīng)性,也是機器人與一般自動化裝備的重要區(qū)別。這些機器人從外觀上己遠遠脫離了最初仿人形機器人和工業(yè)機器人所具有的形狀,更加符合各種不同應(yīng)用領(lǐng)域的特殊要求,其功能和智能程度也大大增強,從而為機器人技術(shù)開辟出更加廣闊的發(fā)展空間。 1.2.2 機器人的特點 機器人最顯著的特點有以下幾個: 1.可編程。生產(chǎn)自動

15、化的進一步發(fā)展是柔性自動化。機器人可隨其工作環(huán)境變化的需要而再編程,因此它在小批量多品種具有均衡高效率的柔性制造過程中能發(fā)揮很好的功用,是柔性制造系統(tǒng)中的一個重要組成部分。 2.擬人化。機器人在機械結(jié)構(gòu)上有類似人的行走、腰轉(zhuǎn)、大臂、小臂、手腕、手爪等部分,在控制上有電腦。此外,智能化機器人還有許多類似人類的"生物傳感器",如皮膚型接觸傳感器、力傳感器、負載傳感器、視覺傳感器、聲覺傳感器、語言功能等.傳感器提高了機器人對周圍環(huán)境的自適應(yīng)能力。 3.通用性。除了專門設(shè)計的專用機器人外,一般機器人在執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)時具有較好的通用性。比如,更換機器人手部末端操作器<手爪、工具等>便可

16、執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)。 4.機電一體化。機器人技術(shù)涉及的學(xué)科相當廣泛,但是歸納起來是機械學(xué)和微電子技術(shù)的應(yīng)用,特別是計算機技術(shù)的應(yīng)用密切相關(guān)。因此,機器人技術(shù)的發(fā)展必將帶動其它技術(shù)的發(fā)展,機器人技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用水平也可以從一個方面驗證一個國家科學(xué)技術(shù)和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和水平。 1.3 機器人的構(gòu)成及分類 1.3.1 機器人的構(gòu)成 一個機器人系統(tǒng),一般由操作機、驅(qū)動單元、控制裝置和為使機器人進行作業(yè)而要求的外部設(shè)備組成。 1.操作機<又稱執(zhí)行系統(tǒng)> 操作機是機器人完成作業(yè)的實體,它具有和人手臂相似的動作功 能,是可在空間抓放物體或進行其它操作的機械裝置。通常由下列部 分構(gòu)成。

17、<1>末端執(zhí)行器又稱手部,是操作機直接執(zhí)行工作的裝置,并可設(shè)置夾持器、工具、傳感器等,是工業(yè)機器人直接與工業(yè)對象接觸以完成作業(yè)的機構(gòu)。 <2 >手腕是支承和調(diào)整末端執(zhí)行器姿態(tài)的部件,主要用來確定和改變末端執(zhí)行器的方位和擴大手臂的動作圍,一般具有2-3個回轉(zhuǎn)自由度以調(diào)整末端執(zhí)行器的姿態(tài)。有些專用機器人可以沒有手腕而直接將末端執(zhí)行器安裝在手臂的端部。 <3>手臂它由操作機的動力關(guān)節(jié)和連接桿件等構(gòu)成,是用于支承和調(diào)整手腕和末端執(zhí)行器位置的部件。手臂有時不止一條,而且每條手臂,也不一定只有一節(jié)<如關(guān)節(jié)型就可能有多節(jié)>,所以,它有時還應(yīng)包括肘和肩的關(guān)節(jié),即手臂和手臂間<靠近末端執(zhí)行器的一節(jié)通常叫小臂

18、,靠近機座的,通常叫大臂>,手臂與機座間用關(guān)節(jié)連接,因而擴大了末端執(zhí)行器姿態(tài)的變化圍和運動圍。 <4>機座有時稱為立柱,是工業(yè)機器人機構(gòu)中相對固定并承受響應(yīng)力的基礎(chǔ)部件?？煞止潭ㄊ胶鸵苿邮絻深?移動式機座下部安裝了移動機構(gòu),它可以擴大機器人的活動圍。 2.驅(qū)動單元 它是由驅(qū)動器、減速器、檢測元件等組成的組件,是用來為操作機各部件提供動力和運動的裝置。驅(qū)動器是將電能或流體能等轉(zhuǎn)換成機械能的動力裝置,通常是電動機、液壓或氣動裝置。驅(qū)動形式不同,傳動裝置也有所不同。 3.控制裝置 它是由人對機器人的啟動、停機及示教進行操作的一種裝置,它指揮機器人按規(guī)定的要求動作?？刂蒲b置包括檢測<如傳感器

19、>和控制<如計算機>兩部分,可用來控制驅(qū)動單元,檢測其運動參數(shù)是否符合規(guī)定要求,并進行反饋控制。這就是閉環(huán)控制。如果沒有反饋控制,就是較簡單的開環(huán)控制。 4.人工智能系統(tǒng) 對于智能機器人,還應(yīng)有人工智能系統(tǒng)。它主要由兩部分組成,一部分為感覺系統(tǒng)<硬件>,主要靠各類傳感器來實現(xiàn)其感覺功能。另一部分為決策一規(guī)劃智能系統(tǒng)<軟件>,它包括邏輯判斷、模式識別、大容量數(shù)據(jù)庫和規(guī)劃操作程序等功能。 1.3.2 機器人的分類 目前世界各國對處于發(fā)展階段的機器人還沒有統(tǒng)一的分類標準,大致有以下幾種分類方法。 1.按使用圍分類 <1>固定程序的專用機器人<機械手> 通常根據(jù)主機的特定要求設(shè)計成固定程

20、序<或簡單的可變程序>。這種機器人<機械手>多為氣動或液動,用行程開關(guān)、機械擋塊來控制其工作位置。工作對象單 一,動作較少,結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)簡單,價格低廉。 <2>可編程序的通用機器人工作程序可變,以適應(yīng)不同的工作對象,通用性強,適合于以多品種、中小批量生產(chǎn)為特點的柔性制造系統(tǒng)中。 2.按使用行業(yè)、部門和用途分類 <1 >工業(yè)機器人它們又可按作業(yè)類別分為鍛壓、焊接、表面噴涂、裝卸、裝配、檢測等機器人。 <2>采掘機器人如海洋探礦機器人等。 <3>軍事用途機器人 <4>服務(wù)機器人如醫(yī)療機器人,家用機器人,教學(xué)機器人等。 3.按機械結(jié)構(gòu)、坐標系特點分類 按機械結(jié)構(gòu)、坐標系特點可分為直角

21、坐標型;圓柱坐標型;球坐標型;多關(guān)節(jié)型。 4.按機器人運動控制方式分類 <1>點位控制機器人就是由點到點的控制方式,這種控制方式只能在目標點處準確控制機器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài),完成預(yù)定的操作要求。目前應(yīng)用的工業(yè)機器人中,很多是屬于點位控制方式的,如上下料搬運機器人、點焊機器人等。 <2>連續(xù)軌跡控制機器人機器人的各關(guān)節(jié)同時作受控運動,準確控制機器人末端執(zhí)行器按預(yù)定的軌跡和速度運動,并能控制末端執(zhí)行器沿曲線軌跡上各點的姿態(tài)?；『?、噴漆和檢測機器人等均屬連續(xù)軌跡控制方式。 5.按驅(qū)動方式分類 按驅(qū)動方式可分為液壓驅(qū)動式、氣動式、電力驅(qū)動式<這是目前用得最多的一類>。

22、 6.根據(jù)機器人的功能水平和技術(shù)的先進程度按"代"分類 <1>第一代機器人其特點是采用開關(guān)量控制,示教再現(xiàn)控制或數(shù)字控制,其作業(yè)路徑和運動參數(shù)需通過示教或編程給定。60年代以來,工業(yè)中實際應(yīng)用的絕大多數(shù)工業(yè)機器人都屬于第一代機器人,它包括可編程序<用于上下料>的工業(yè)機器人,具有記憶裝置的示教再現(xiàn)型機器人,數(shù)控型搬運機器人等。 <2>第二代機器人是70年代開始出現(xiàn)的,其技術(shù)特點是采用計算機直接控制,是通過具有視覺、觸覺的攝像機和傳感器,能"感覺"外界信息并通過計算機進行計算和分析 自動 地控制操作機進行運動和操作,因此,其控制方式較第一代機器人要復(fù)雜得多,目前這類機器人已開始在工業(yè)生產(chǎn)、

23、排險救災(zāi)等場合應(yīng)用,并將進入普及階段。 <3>第三代機器人即智能機器人。這是國外正在積極研究,開發(fā)的高級機器人,其主要特點是具有人工智能。包括: 模式識別能力、規(guī)劃決策能力、知識庫、專家系統(tǒng)、人機交互能力等。這一類機器人目前正在研究開發(fā)之中 1.4 機器人的應(yīng)用與發(fā)展 1.4.1 機器人的應(yīng)用 在發(fā)達國家,機器人己廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、國防、科技、生活等各個領(lǐng)域。產(chǎn)業(yè)部門應(yīng)用最多的當推汽車工業(yè)和電子工業(yè),在金屬加工、塑料成型、機械制造等行業(yè)也有普遍應(yīng)用,并逐漸向纖維加工、食品工業(yè)、家用產(chǎn)品制造等行業(yè)發(fā)展。 焊接作業(yè)包括點焊和弧焊,是機器人用得最多的作業(yè)之一。傳統(tǒng)的點焊機雖然可以減輕人

24、的勞動強度,焊接質(zhì)量也較好,但它適宜少品種大批量的生產(chǎn)環(huán)境,其夾具和焊槍位置不能隨零件的改變而變化,而點焊機器人可通過重新編程來調(diào)整空間點位,滿足不同零件的需要,故特別適宜于小批量多品種的生產(chǎn)環(huán)境?；『缸鳂I(yè)由于其焊縫多為空間復(fù)雜曲線,故多由人工完成,連續(xù)軌跡控制的機器人可以勝任此任務(wù),故廣泛用于各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)和容器的焊接。Unimate, Motoman, ASEA等都是典型的焊接機器人。 噴漆作業(yè)由于環(huán)境惡劣,國外大量使用了機器人,挪威生產(chǎn)的Trallfa機器人是目前世界上用得最多的噴漆機器人,該機器人為關(guān)節(jié)式,6自由度,電液或全電動伺服驅(qū)動,采用示教再現(xiàn)方式,既可實行點位控制,也可實行連續(xù)

25、軌跡控制。 搬運物料的作業(yè)包括為機床上下料,為自動生產(chǎn)線轉(zhuǎn)運工件,搬運機器人和數(shù)控機床一起組成柔性加工系統(tǒng),一條柔性生產(chǎn)線可配置幾臺至十幾臺搬運機器人,典型的搬運機器人是T3和Funac機器人。 機器人用于裝配作業(yè)是隨著視覺系統(tǒng)的發(fā)展而發(fā)展起來的,電子工業(yè)用得最多,主要用在電路板的裝配上,還有電動機、發(fā)動機部件、閥門等產(chǎn)品的裝配。PUMA機器人是一種典型的裝配機器人,有6個自由度,關(guān)節(jié)式,直流伺服電機驅(qū)動,微機控制點位或連續(xù)軌跡,用VAL語言示教編程,其手腕機構(gòu)具有順應(yīng)性,可克服裝配中的誤差。 國外的航空航天工業(yè)中應(yīng)用機器人也十分廣泛,如鉚接裝配作業(yè)就大量使用了機器人,此外如電氣插頭的裝

26、配,發(fā)動機風(fēng)扇外殼和高壓渦輪的焊接,飛機座艙蓋和風(fēng)擋鉆孔作業(yè),飛機機身和垂直尾翼鉆孔,都采用了機器人。某些飛機機身、機艙的噴漆作業(yè),發(fā)動機零部件等離子噴涂也采用了機器人。在空間開發(fā)中,航天飛機上收放衛(wèi)星的機器人是加拿大Spar公司生產(chǎn)的,美國NASA實施的火星探測計劃,發(fā)射了兩個火星探測器海盜I和海盜H,它們也是一種機器人,在火 星上采集樣品,作各種實驗,并能將實驗結(jié)果發(fā)回地球。 在海洋開發(fā)方面,美國曾用Curv號有纜水下機器人成功地從西班牙附近900米深的海底打撈一顆因B-52轟炸機失事掉入水中的氫彈。挪威卑爾根公司生產(chǎn)的一種水下機器人,可在水下600米處作業(yè),裝有電視攝像機,可收集海底

27、標本,切割石油管道和纜索等。 在放射性環(huán)境中,如在核電站里,機器人可用來檢查、修復(fù)管道、閥門等,如日本東芝公司研制的一種蛇形機器人,具有八個關(guān)節(jié),可以在狹小的空間里操作,臂長達2.25米,臂頂端裝有電視攝像機。在 軍 事 方面,機器人己用于偵察、布雷、排除爆炸物、裝填彈藥等。在建筑中,己有一種爬壁機器人可用來修理墻面,擦洗窗戶。此外還有摘果實、擠牛奶、剪羊毛、清理垃圾、監(jiān)護病人的機器人等。 總之,機器人的應(yīng)用面相當廣泛,機器人的工作特點是在計算機控制下離開人的干預(yù)進行各項工作。用機器人代替人,可以使人擺脫高溫、有毒、粉塵、振動、放射性、強噪音等惡劣環(huán)境,而去從事機器人的監(jiān)控、維護等工作,使

28、工作性質(zhì)發(fā)生了變化,減輕了勞動強度,同時也改善了就業(yè)結(jié)構(gòu)。機器人工作抗干擾能力強,一心一意按所編程序工作,動作精度、重復(fù)精度高,因此能保證和提高產(chǎn)品質(zhì)量。解決多品種小批量生產(chǎn)的自動化問題二隨著人民生活水平的提高,人們要求提供更豐富更多樣的產(chǎn)品。因此,用傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式難以滿足人們的需求,當前柔性制造系統(tǒng)的飛速發(fā)展正是適應(yīng)了這種發(fā)展趨勢,而機器人是柔性系統(tǒng)中不可缺少的提高勞動生產(chǎn)率的關(guān)鍵設(shè)各。與人相比,機器人有一個最大的特點:不知疲倦、不需要休息,在合宜的條件下,可以連續(xù)工作,因此可以大提高勞動生產(chǎn)率。機器人對于改善勞動條件、減少安全事故,減少人受危險環(huán)境的傷害等方面都有顯著的效果。 1.4.2

29、 機器人的發(fā)展 現(xiàn)代工業(yè)機器人起源于數(shù)控機床和遠程控制器。1954年,美國的George Devol首先把遠程控制器的桿結(jié)構(gòu)與數(shù)控銑床的伺服軸結(jié)合起來,研制出了第一臺通用機械手。這種機械手可以通過讓其沿一系列點運動,將運動位置以數(shù)字形式存貯起來,動作執(zhí)行時,使伺服系統(tǒng)驅(qū)動機械手各關(guān)節(jié)軸來再現(xiàn)這些位置,從而讓機械手完成一些簡單的工作。正是由于這個機械手具有了編程示教再現(xiàn)功能,因此許多人把它作為現(xiàn)代工業(yè)機器人產(chǎn)生的標志。在隨后的生產(chǎn)應(yīng)用中,為了適應(yīng)各種不同用途需要,相繼出現(xiàn)了直角坐標、關(guān)節(jié)坐標、極坐標等許多種不同結(jié)構(gòu)的機器人。與第一代示教再現(xiàn)型機器人不同,第二代機器人是具有感覺功能的適應(yīng)控制機

30、器人。這種機器人帶有傳感器,能感知環(huán)境和對象的情況,以控制自身動作的變化。在機器人視覺、觸覺研究的同時,機器人其他感覺功能的開發(fā)也已經(jīng)開始,對機器人的接近覺、聽覺、滑覺以及會話等功能都進行了研究,并取得了一定的成果。而且這種有感知功能的機器人開始被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的焊接、裝配及機械加工等作業(yè)。智能機器人被人們稱為第三代機器人,它是能利用感覺和識別功能做決策行動的機器人。從七十年代后期開始,人們對智能機器人的規(guī)劃生成系統(tǒng)<問題解決系統(tǒng),路徑搜索等>,環(huán)境的理解系統(tǒng)<感覺智能,包括視覺,觸覺等>,知識獲得與利用系統(tǒng)<知識工程和專家系統(tǒng)等>,人一機接口系統(tǒng),運動系統(tǒng)等問題展開了更加廣泛、深入地研究。

31、智能機器人的研究是一個艱巨而又廣泛的問題,隨著研究的不斷深入,相關(guān)科學(xué)的飛速發(fā)展<如第五代智能計算機>,具有智能的機器人在不久的將來一定會出現(xiàn)?？v觀機器人的發(fā)展過程,可以看出, 自從機器人在五十年代誕生以來,在短短的四十多年里由于各種有關(guān)技術(shù)的發(fā)展,特別是自動控制技術(shù)、集成電路技術(shù)及微型計算機技術(shù)的應(yīng)用,在國際形式的推動下,各國在經(jīng)濟上和科技上展開激烈的競爭,機器人的生產(chǎn)和應(yīng)用隨之得到了迅速的發(fā)展。它經(jīng)歷了第一代工業(yè)機器人的研究、實用化、普及,第二代感知功能機器人的研究、實用化,以及第三代智能機器人的研究等各個階段。 我國的機器人研究始于70年代。經(jīng)過近20年努力,特別是經(jīng)過"七11."攻關(guān)

32、、" 863"計劃,取得了一批重要成果,掌握了機器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、機器人語言等技術(shù)。就全國來說,目前我國機器人研究開發(fā)工作做得較好的地區(qū)是:以中科院自動化研究所為首的東北地區(qū)機器人工程中心,以機電部機床所為龍頭的華南地區(qū)的機器人工程中心。而各工程中心_L作的側(cè)重點又有所不同:東北地區(qū)以特種機器人、水下機器人開發(fā)為L,華北地區(qū)以噴漆Y1lt人、焊接機器人開發(fā)為主,華東地區(qū)以搬運機器人、裝配機器人、移動機器人開發(fā)為主。 1986年,國家把智能機器人列為高技術(shù)發(fā)展計劃,研究目標是跟蹤世界先進水平,工作容主要是圍繞特種機器人進行攻關(guān)。 進 入 90 年代,在國市場經(jīng)濟發(fā)展的推動下,確

33、定了特種機器人與工業(yè)機器人及其應(yīng)用工程并重、以應(yīng)用帶動關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)研究的發(fā)展方針,實現(xiàn)了高技術(shù)發(fā)展與國民經(jīng)濟主戰(zhàn)場的密切銜接,研制出有自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)機器人系列產(chǎn)品,并小批試產(chǎn),完成了一批機器人應(yīng)用工程,建立了9個機器人產(chǎn)業(yè)化基地和7個科研基地。 我國的高等院校,如國防科技大學(xué)、交通大學(xué)、航空航天大學(xué)、工業(yè)大學(xué)等在步行機器人、精密裝配機器人及7自由度機器人研制等前沿領(lǐng)域做出了可喜的成績,正在逐步縮短在機器人技術(shù)方面與世界先進水平的差距。 綜上所述,我國機器人發(fā)展已跨過了起步階段,走上了進步和發(fā)展的道路。今后的任務(wù)是把機器人技術(shù)推廣到更多的工業(yè)自動化生產(chǎn)領(lǐng)域和其他更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域,大力開

34、展跨區(qū)域交流合作,與國際接軌,早日躋身于世界先進行列。 1.5 本文的研究容 SCARA機器人為平面關(guān)節(jié)型機器人,一般采用步進電機驅(qū)動,控制簡單,編程方便。主要應(yīng)用于電子產(chǎn)品中異形元件裝配,小型機電產(chǎn)品如電機、空壓機、電器、泵類等的裝配工作,是一種小型經(jīng)濟型機器人。該機器人的突出特點是機構(gòu)承載能力強,具有較好的通用性,重復(fù)定位精度高,動作速度快,應(yīng)用圍廣。此課題為自擬實際開發(fā)的科研課題。該論文涉及計算機技術(shù)、電子、機械、檢測技術(shù)及傳感器技術(shù)等多學(xué)科的知識,主要完成了以下的工作: 1.在進行充分的課題可行性論證及詳細的理論計算之后,用AutoCAD等計算機圖形輔助設(shè)計軟件完成了SCARA

35、機器人的機械本體結(jié)構(gòu)設(shè)計。為了滿足靈活性強、工作空間大、重量輕及結(jié)構(gòu)緊湊等工作要求,將其設(shè)計為具有四個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的機器人。 2.建立了SCARA機器人的運動學(xué)數(shù)學(xué)模型,得到了運動學(xué)方程的正解和反解,并在運動學(xué)分析的基礎(chǔ)上,求得了SCARA機器人的雅可比矩陣。 3機械臂模塊的規(guī)劃與數(shù)學(xué)描述：研究機械臂的功能約束,研究具有明確機械功能的模塊定義方法及數(shù)學(xué)描述； 4機械臂模塊的工程設(shè)計：研究模塊化機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方法,設(shè)計出機械臂及吸盤的整體結(jié)構(gòu)。 2 SCARA機器人的研究意義和原理設(shè)計 2.1 SCARA機器人的研究意義 目前,國外已有各種專用和通用的裝配機器人

36、在生產(chǎn)中得到應(yīng)用,主要類型大致有直角坐標型、圓柱坐標型和關(guān)節(jié)型三大類。關(guān)節(jié)型裝配機器人又有垂直關(guān)節(jié)型<即空間關(guān)節(jié)型>和平面關(guān)節(jié)型<即SCARA型>兩種。拒統(tǒng)計資料介紹,在這些裝配機器人中,平面關(guān)節(jié)型裝配機器人是應(yīng)用數(shù)量最多且較為廣泛的一種裝配機器人。1991年世界上4萬余臺在生產(chǎn)上應(yīng)用的裝配機器人中,SCARA機器人約占3/4左右。其主要應(yīng)用領(lǐng)域為電子電氣業(yè)、家用電器業(yè)、精密機械業(yè)。從事印刷電路板上電子元器件的插入作業(yè);家用電器及儀器儀表的組裝作業(yè):小型電器開關(guān)、接觸器等電器產(chǎn)品的組裝作業(yè)?？梢哉f,SCARA型機器人在輕型、較簡單且要求機器人價格較低的裝配作業(yè)顯了身手。隨 著 社 會需求的增大

37、和技術(shù)的進步,裝配機器人將會得到迅速的發(fā)展,多品種、少批量生產(chǎn)方式和為提高產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率的生產(chǎn)工藝需求,將是推動裝配機器人發(fā)展的直接動力。近年來計算機、CIMS及柔性自動裝配系統(tǒng)等的發(fā)展,又為裝配機器人的應(yīng)用和發(fā)展提供了良好的可能性。1972年我國開始研制機器人,但發(fā)展緩慢,受經(jīng)濟、觀念等因素的制約,基本沒有什么應(yīng)用,直到1986年,機器人研究所成立,中國的機器人才向?qū)嵱秒A段發(fā)展。隨著國教育和科技的發(fā)展,哈工大等高校出現(xiàn)了專門的機器人機構(gòu),研究水平在某些方面己達到國際先進水平。在應(yīng)用方面,一汽等大型企業(yè)己開始使用機器人自動化生產(chǎn)線。但總體來說,國機器人發(fā)展還是趨于落后,特別是在應(yīng)用方面發(fā)展

38、緩慢。究其原因,除了經(jīng)濟因素的制約外,很重要的一點是有關(guān)機器人的教育跟不上,知道機器人的人很多,但真正了解、懂機器人的人少而又少,這就使我國的機器人發(fā)展缺乏智力支持,加強機器人技術(shù)教育,緩解人才危機迫在眉睫。而研制結(jié)構(gòu)簡單、成本較低SCARA機器人用于教學(xué)可以提高教育的現(xiàn)代化水平,用于實際生產(chǎn)可以大大提高工作效率,還可以用于科學(xué)研究工作,為開發(fā)更先進的裝配機器人提供有利條件,隨著我國經(jīng)濟和科技的發(fā)展,我們有能力也有必要進行這方面的研究。 2.2 SCARA機器人的特點 根據(jù)工作環(huán)境、工作特點等要求,本SCARA機器人應(yīng)具備以下幾個特點: 1.外形美觀,適于觀察。 如果作為示教用機器人

39、應(yīng)該讓觀看者賞心悅目,同時能直觀地了解它的構(gòu)成和動作原理。故機器人的外形應(yīng)巧妙設(shè)計,部分外殼應(yīng)采用透明材料,部結(jié)構(gòu)應(yīng)簡單明了,另外,機器人的動作應(yīng)連續(xù),速度適中。 2.成本低 在滿足所要求功能的前提下,盡可能降低成本,這是設(shè)計的基本要求.如果作為教學(xué)用機器人只要求有一些示性動作,而對實踐的功能要求不高,速度等參數(shù)可在一定圍調(diào)整,定位精度要求也不高,故機構(gòu)盡可能采用規(guī)則件、標準件,驅(qū)動元件采用便宜的步進電機,而光電碼盤等測試校驗元件則可不用,其功能由軟件部分實現(xiàn)補償。這樣,結(jié)構(gòu)大大簡化,成本也隨之降低。 3.體積小,重量輕 SCARA機器人要求抓取重量不大,動作圍也很小,故體積很小,展開

40、應(yīng)在60 x 80cm2左右。要實現(xiàn)SCARA機器人的四個自由度,部零件應(yīng)盡量小巧,結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能緊湊。重量輕是機器人研制的一個 方向,在滿足強度和剛度的條件下,零部件越輕越好,故材料要首選 鋁質(zhì)輕質(zhì)材料,零件特別是具有定位功能的殼體定位板應(yīng)采用板筋結(jié)構(gòu),各零件的空間分布要合理,減小傾覆力矩。 4.傳動原理簡單 本SCARA機器人采用步進電機驅(qū)動,速度要求不高,故減速比可在一定圍調(diào)整,只要能滿足轉(zhuǎn)矩即可。選擇減速方案可根據(jù)空間結(jié)構(gòu)要求,優(yōu)先選用標準諧波減速器,跨距轉(zhuǎn)大的傳動可選用同步帶傳動,力求一步到位,傳動簡單。 2.3 SCARA機器人傳動方案的確定 根據(jù)課題特點,參考《國典型

41、工業(yè)機器人圖冊》,初步確定以下方案: 圖2-1 傳動原理圖 如圖所示:大臂轉(zhuǎn)動采用諧波減速,小臂轉(zhuǎn)動采用二級同步帶減速,升降軸采用絲杠螺母傳動,手腕轉(zhuǎn)動采用步進電機直接驅(qū)動。這種方案主要考慮了傳動鏈的簡化,結(jié)構(gòu)比較簡單易行。 方案一具有以下特點: 1.第一個自由度采用諧波減速器,適合結(jié)構(gòu)特點,減速比大、體積小、重量輕、精度高、回差小、承載能力大、噪音小、效率高、定 位安裝方便,由于使用標準件,價格也不高。 2.第二個自由度采用二級同步齒型帶減速,充分利用了大臂的空間,結(jié)構(gòu)緊湊,傳動比恒定,傳動功率大,效率較高,但對安裝有一定要求,需加調(diào)整裝置。 3. 第三個自由度采用

42、絲杠螺母傳動。電機直接驅(qū)動絲杠螺母傳動的同時兼有減速的作用,一步把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動,傳動精度較高,絲杠有自鎖功能,速度不宜過高。 4.全部采用步進電機驅(qū)動,不配光電碼盤。步進電機價格便宜,體積小,控制方便,為減少零部件,簡化結(jié)構(gòu),不用碼盤進行位置速度檢測,這就要求在控制中采取一些措施,速度不能太高,以防止電機丟步。 SCARA機器人為平面關(guān)節(jié)型機器人,四個自山度包括大臂、小臂的旋轉(zhuǎn),腕部的升降及旋轉(zhuǎn),為了使機器人的臂轉(zhuǎn)動,所需要的最大轉(zhuǎn)矩是當臂呈水平狀態(tài),如圖2-1所示。設(shè)各部分的尺寸和重量如下: 1大臂的第一和第二關(guān)節(jié)軸之間的距離為350m m,質(zhì)量為m,<3 kg左右> 其重心

43、在距離第一關(guān)節(jié)軸150 mm處。 2小臂的第二和第三關(guān)節(jié)軸之間的距離為200 mm,質(zhì)量為m,<0 .8 k g左右>,其重心在距離第二關(guān)節(jié)軸100m m處。 3.腕部升降裝置及最大物重質(zhì)量合計為m3 < 4kg左右>,重心在距第二關(guān)節(jié)軸200 mm處。 圖2-2 SCARA機器人手臂的重量分布 該機器人的基本技術(shù)參數(shù)如下: 大臂回轉(zhuǎn) :+900,300/s 小臂回轉(zhuǎn) :1600,150/s 手腕升降:l00mm 手腕回轉(zhuǎn) :土1800,600/s 負載重量:19.6N 3 吸盤式Scara機械臂驅(qū)動設(shè)計 3.1 機器人驅(qū)動方案的對比分析及選擇 對機器人驅(qū)動裝置的

44、一般要求如下: 1.動裝置的重量盡可能要輕,單位重量的輸出功率<即功率/重量比>要高,效率也要高; 2.反應(yīng)速度要快,即要求力/重量比和力矩/慣量比要大; 3.動作平滑,不產(chǎn)生沖擊; 4.控制盡可能靈活,位移偏差和速度偏差要小; 5.安全可靠; 6. 操作和維護方便; 7. 對環(huán)境無污染,噪聲要小; 8. 經(jīng)濟上合理,尤其是要盡量減少占地面積。 通常的機器人驅(qū)動方式有以下四種: 1.步進電機:可直接實現(xiàn)數(shù)字控制,控制結(jié)構(gòu)簡單,控制性能好,而且成本低廉;通常不需要反饋就能對位置和速度進行控制;位置誤差不會積累;步進電機具有自鎖能力<變磁阻式>和保持轉(zhuǎn)矩<水磁式>的能力,這

45、對于控制系統(tǒng)的定位是有利的,適于傳動功率不大的關(guān)節(jié)或小型機器人。 2.直流伺服電機:直流伺服電機具有良好的調(diào)速特性,較大的啟動力矩,相對功率大及快速響應(yīng)等特點,并且控制技術(shù)成熟。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本較高,而且需要外圍轉(zhuǎn)換電路與微機配合實現(xiàn)數(shù)字控制。若使用直流伺服電機,還要考慮電刷放電對實際工作的影響。 3.交流伺服電機:交流伺服電機結(jié)構(gòu)簡單,運行可靠,使用維修方便,與步進電機相比價格要貴一些。隨著可關(guān)斷晶閘管GTO,大功率晶閘管GTR和場效應(yīng)管MOSFET等電力電子器件、脈沖調(diào)寬技術(shù)和計算機控制技術(shù)的發(fā)展,使交流伺服電機在調(diào)速性能方面可以與直流電機媲美。采用16位CPU+32位DS

46、P三環(huán)<位置、速度、電流>全數(shù)字控制,增量式碼盤的反饋可達到很高的精度。三倍過載輸出扭矩可以實現(xiàn)很大的啟動功率,提供很高的響應(yīng)速度。 4.液壓伺服馬達: 液壓伺服馬達具有較大的功率/體積比,運動比較平穩(wěn),定位精度較高,負載能力也比較大,能夠抓住重負載而不產(chǎn)生滑動,從體積、重量及要求的驅(qū)動功率這幾項關(guān)鍵技術(shù)考慮,不失為一個合適的選擇方案。但是,其費用較高,其液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。為避免本系統(tǒng)也出現(xiàn)同類問題,在可能的前提下,本系統(tǒng)將盡量避免使用該種驅(qū)動方式。 SCARA機器人負載并不大,決定了機器人必須重量輕<10-20Kg>,另外其作業(yè)圍也不大,所以機器人必須體積小。對此機器人,這些特點

47、決定了它的驅(qū)動方式。又通過以上比較,由于步進電機的諸多優(yōu)點,初選上述方案中的步進電機方案進行詳細的計算和選擇,并在此基礎(chǔ)上參考同類機器人的驅(qū)動方案,最后確定一種適合我國國情的實施方案。 SCARA機器人四個關(guān)節(jié)均選用步進電機驅(qū)動。第一個關(guān)節(jié)傳動采用小體積、大轉(zhuǎn)矩、高減速比的諧波減速器。第二關(guān)節(jié)采用了同步齒形帶的傳動結(jié)構(gòu),可以獲得較大的輸出轉(zhuǎn)矩。第三關(guān)節(jié)采用了具有自鎖功能的絲杠螺母傳動。第四關(guān)節(jié)采用步進電機直接驅(qū)動,構(gòu)件選用高強、輕質(zhì)材料<鋁合金>以減輕重量。 3.2 各自由度步進電機的選擇 本機器人前兩個自由度是平面旋轉(zhuǎn),若軸承是光滑的,則旋轉(zhuǎn)所需的靜轉(zhuǎn)矩比較小。因為將臂伸開呈一條直線

48、時轉(zhuǎn)動慣量最大,所以在旋轉(zhuǎn)開始時可產(chǎn)生步進電機的轉(zhuǎn)矩不足。下面估算一下繞機器人臂的旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。如圖2-1所示,設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動慣量分別為JG1、JG2、JG3根據(jù)平行軸定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量為: J1=JG1+m1l12+ JG2+m2l22+JG3+m3l32〔2-1〕 其中,m1,m2,m3前面已經(jīng)說明,分別為:3kg ,0 .8k g ,4 kg ,l1、l2、l3 分別為各重心到第一關(guān)節(jié)處的距離,其值為150mm,450mm,550mm. 在式2-1中,JG1《m1l12 JG2《m2l22 JG3《m3l32 可忽略不計,所以繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)

49、動慣量為: J1 =m1112 +m2122+m3l32 <2-2> =3x0.15 2+ 0.8x0.452+4x0.552 =1.44 kg.m 2 同理可得小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量: J2 =m2l42+m3l52<2-3> =0.8x0.12 +4x0.22 =0.168kg.m 2 式中:14-小臂重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離mme 15- 腕 部 重 心 距 第 二關(guān)節(jié)軸的水平距離mmo 3.2.1 第一自由度步進電機的選擇 設(shè)大臂速為w0=300/s,則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下<靜摩擦力矩忽略不計>: T=Jw

50、 <2-4> 式中:T一旋轉(zhuǎn)開始的轉(zhuǎn)矩N.m J一轉(zhuǎn)動慣量 kg.m 2 W0一角加速度 rad/s2 使機器人大臂從w0=0到w1=300/s所需的時間為: △t= O.ls則: T1=J1xW1=J1x/t=1.44xπ/〔6x0.1〕=7.54N.m. 若考慮繞機器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩,則旋轉(zhuǎn)開始時的啟動轉(zhuǎn)矩可假定為ION.m,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: T01= 2T = 2x10=20N.m 選擇諧波減速器: 型號:XB-50-

51、84B <杯形> 額定輸出轉(zhuǎn)矩:30N.m 減 速 比 : i1 =84 重 量 : 13.72N 設(shè)諧波減速器的傳遞效率: =90%,步進電機應(yīng)輸出力矩為: Tow1=TO1/=20/<84x0.9>=0.27Nm <2-5> 選擇混合式步進電機： 型號：57BYG250B-0152 靜轉(zhuǎn)矩 :0.7N .m 步轉(zhuǎn)角 :0.90 3.2.2 第二自由度步進電機的選擇 原理同2.2.1。設(shè)小臂轉(zhuǎn)速w2= 150/s,角速度從0加到w2所需加速時間△t = 0.2s,則同步帶應(yīng)輸出轉(zhuǎn)矩為: T2=J2.w2

52、=0.168π/<12x0.2>=0.22N.m 設(shè)安全系數(shù)為2,同步帶減速比i=10,同步帶傳動效率為: =85% <單級傳動>。則電機所需輸出力矩為: Tow2=2T2/=2x0.22/<10x0.852>=0.06N.m 選擇混合式步進電機<四通電機公司產(chǎn)品> 型號 : 45BYG25OA-0121 靜轉(zhuǎn)矩 ;0.2N.m 步距角 :0.90 3.2.3 第三自由度步進電機的選擇 絲杠螺母傳動,實現(xiàn)腕部的升降,設(shè)絲杠軸向承載總和為:Q=34.3 N。 絲杠基本參數(shù)選擇: 螺紋牙形:梯形螺紋,B= 300 螺

53、 距:P=2mm 公稱直徑:d=10mm, 中 徑: d2=9.Smm 摩擦系數(shù):f=0.1 螺旋升角為: =arctg〔P/πd2〕= arctg〔2/9.5π〕=3.8340 〔2-6〕 當量摩擦角為:： ’=tg-1f’=arctg=5.9110 <2-7> 螺紋阻力矩為: T1=d2Qtg<+’>/2=9.5x34.3xtg<3.8340+5.9110>=0.031N.m <2-8> 螺紋所受摩擦力矩: T2=ftQDm/2

54、 <2-9> 式中: I一摩擦系數(shù),取0.1 Dm 一支撐面平均直徑,此例中取螺母外徑和的一半,即< 10+40> 12=25 mm。代入數(shù)據(jù)得: T2=0.1x34.3x25/2=0.047N.m 絲杠所受力矩為阻力矩與摩擦力矩之和,即: T= T1 +T 2 =0.031+0.047=0.078N.m 安全系數(shù)取2,則電機所需輸出最小轉(zhuǎn)矩為: Tow3=2T=2x0.078=0.156N.m 選擇混合式步進電機<四通電機公司產(chǎn)品> 型 號 : 57BYG25OB-0152 靜轉(zhuǎn)矩 : 0.7N.m 步轉(zhuǎn)角 :0.90 3

55、.2.4 第四自由度步進電機的選擇 腕部旋轉(zhuǎn)直接用步進電機驅(qū)動,設(shè)手爪及物體的最大當量半徑為R=50mm,則轉(zhuǎn)動慣量為: J1=1/2mR2<2-10> 式中:m一手爪及物體總質(zhì)量,設(shè)為3 kg,代入數(shù)據(jù)得: J1=3X0.052/2=0.00375Kg.m2 設(shè)轉(zhuǎn)速為w3=600/s,加速時間△t=0.1s,由式子〔2-4〕的電機需輸出轉(zhuǎn)矩為： Tow4=J3w3=0.00375xπ/〔3x0.1〕=0.04N.m 選擇混合式步進電機<四通電機公司產(chǎn)品> 型 號 : 45BYG25OA-0121 靜轉(zhuǎn)矩 :0

56、.2N.m 步距角 :0.90 4 吸盤式Scara機械臂集成模塊化機構(gòu)設(shè)計 4.1 同步齒形帶傳動設(shè)計 由 2. 2. 2知 ,同步帶輸出轉(zhuǎn)矩為:0.22N.m,輸出轉(zhuǎn)速為: w=150/s,單級傳動效率為: = 85%,傳動比i=10,取安全系數(shù)k=3, 則同步帶傳遞功率為: P=kTw/ 2=3x0.22π/〔12x0.852〕=0.24W <2-11> 設(shè)傳動比分配為:第一級傳動i1=5,,第二級傳動i2=2,帶輪依次為I、II、III、IV,則:IV輪轉(zhuǎn)速:n1 =150/s=2.5r/min II、III輪轉(zhuǎn)速:

57、n2 =n3 =2n4 =2x2.5=5r/min I輪 轉(zhuǎn) 速: n1= in4= 10x2.5=25r/min 設(shè)中心距:L,=100mm, L2=250mm 4.1.1 求出設(shè)計功率Pd 由文獻[12]表9.3-11查得載荷修正系數(shù)ko=1.6,因為未使用緊 輪,又是減速運動,故文獻[12]中表9.3-11的附加修正系數(shù)均為零。 則： Pd=koP=1.6x0.24=0.384W 4.1 2 選擇帶的節(jié)距 由 Pd= 0.384 W 和n1= 25r/min,從[12]圖9.3-4中查得帶的節(jié)距代號為XL,對應(yīng)的節(jié)距為Pd=5.08mm<見表9.3-1-2

58、[1]>. 4.1 3 確定帶輪直徑和帶節(jié)線長 由表9.3-10[1],帶輪I齒數(shù)最小可取10,考慮到制造和安裝等因素,取Z1=13。則: Z2=i1Z1=5Z1=65 根據(jù)[12]表9.3-6標準系列,取Z2=60 同理可得:Z3=17, Z4=40 重新計算傳動比: i1=Z2/Z1=4.6 i2=Z4/Z3=2.4 i=i1i2=10.8 由表9.3-6可得I , II, III, N各帶輪的直徑: D1 =21.02mm, d2=97.02mm d3 =27.49mm, d4=64.68mm 由[12]式<15>可得帶長計算公式: Lp=2

59、Lcos +π〔d2+d1〕/2+π〔d2-d1〕/180 <2-12> 式中:L一中心距mm Lp一 帶長mm =arcsin</2L> 代入數(shù)據(jù)計算可得: Lp1=2L1cos 1+π1〔d2+d1〕/2+π1〔d2-d1〕/180 =2x100xcos[arcsin<97.02-21.02>/2L1>]+πx〔97.02+21.02〕/2+π1 x〔97.02-21.02〕/180=402mm 同理可得：Lp2=646.7mm 按[12]表9.3-2,選擇最接近算值的標準帶長: Lp1 = 406.

60、4mm,齒數(shù)80, 代號160 Lp2 =635 mm,齒數(shù)125,代號25 近似計算中心距: L≈M+ <2-13> 式中:M=Pbx〔2Zb-Z1-Z2〕/8 L一中心距 mm Pb一節(jié)距,這里為5.080 mm Zb一帶齒數(shù),這里Zbl=80. Zb2=125 Z2,ZI為配合帶輪齒數(shù)則: M1=Pb1x〔2Zb1-Z1-Z2〕/8=5.08x〔2x80-13-60〕=55.245mm L1=M1+=103.515mm 取整,則L1=103mm 同理可得：M2=122.55

61、5mm L2=244.401mm 取整,則L2=245mm 進行標準帶寬的選擇: 小帶輪I齒數(shù)ZI=13,轉(zhuǎn)速為n=25r/min由[12]表9.3-12插法得XL型帶的基準額定功率為Po=1.25 W 嚙合齒數(shù): Zm=Z1/2-PbZ1/2π2b1 =13/2-5.08x13x〔60-13〕/2π2x103 =5.0<6 則嚙合齒數(shù)系數(shù)為: KZ = I一 0.2x<6一Zm>=0.8 由文獻[13]表4-20可以查Pb=50.8的XL型同步帶的基準寬度為bso=9.5mm, 同步帶寬為: bs=<

62、Pd/P0KZ>1/1.14bso=<0.384/1.25x0.8>1/1.14x9.5=4.10mm 查文獻[13]表4-25得帶寬的標準值,為安全可靠, 帶寬bs=7.9mm, 帶寬系數(shù):KW=〔bs/bso〕1.44=0.81, 帶的許用拉應(yīng)力查表9.3-11[2]得：Ta=50.17N, 帶的單位長度質(zhì)量查表9.3-11[l]得:m=0.022 kg/m 帶的圓周速度:v=PbZ1n1/60000=5.08x13x25/60000=0.03m/s 帶的工作能力:P=vx10- =<0.8x0.81x50.17-

63、7.9x0.022x0.032>x0.03x10-3 =0.98x10-3KW>0.384W=Pd 額定功率大于設(shè)計功率,故帶的傳動能力足夠。 結(jié)果整理如下: 兩極同步帶類型均為為XL型同步齒型帶Pb=5.08mm,帶寬bs=7.9mm 一級同步齒型帶齒數(shù):Zp1=80,帶長：Lp1=402mm,代號160 二級同步齒型帶齒數(shù):Zp2=125,帶長：Lp1=646.71mm,代號250 各帶輪齒數(shù)：Z1=13,Z2=60,Z3=17,Z4=40 各帶輪節(jié)徑：d1=21.02mm,d2=97.02mm,d3=27.49mm,d4=64.68mm

64、 傳動中心距：L1=103mm,L2=245mm 圖4-1 SCARA機器臂大臂結(jié)構(gòu)圖 4.2 絲杠螺母設(shè)計 設(shè)絲杠所受軸向載荷總和為34.3N,由于載荷較小,強度不成問題,根據(jù)結(jié)構(gòu)要求,從標準系列中選取以下參數(shù): 螺 距 :p=2mm,梯形螺紋 導(dǎo)程 : s=2mm 頭 數(shù) : Z=1 螺母高度與螺紋中徑之比: =H/d2=1.5 螺紋牙工作高度:h=1mm 4.2.1 絲杠耐磨性計算 絲杠材料采用鋼,螺母材料選用青銅,根據(jù)［21］表3-8取許用比壓[P]一11N/mm2 對于單頭標準梯形螺紋: d2≧0.8 =1.7mm 式中:P

65、一軸向載荷N, 根據(jù)標準系列,取絲杠公稱直徑d=10mm 4.2.2 絲杠穩(wěn)定性計算 柔度：= l/i 式中: 一長度系數(shù),這里取2 l一絲杠最大工作長度取200mm i一危險截面慣性半徑,i=d1/4=2.25mm 帶入數(shù)據(jù)得：=2x200/2.25=177.8 絲杠臨界壓縮載荷:Pc=π2EI/2 式中:E一彈性模量,鋼取20.58x104N/mm2 I-慣性矩,I=πd14/64=490.9mm4 代入數(shù)據(jù)得：Pc=12389.45N 取絲杠穩(wěn)定安全系數(shù)nW = 4 則:Pc/nw=3097.5N》34.3N 故絲杠穩(wěn)定。 4.2.3 絲杠剛度計

66、算 一個導(dǎo)程的變形量的最大值: =4ps/πEd12+16Ms2/π2Gd14 式中:p一軸向載荷34.3 N s一 導(dǎo)程 2mm E一 彈性模量20.58x104N/mm2 D1一 絲杠小徑 9mm M一絲杠傳遞扭矩,由2.2.3知,M=T=0.078Nm G一 切變模量 83.3x103N/mm 將數(shù)據(jù)代入得: =6.15x10-6mm 一米變形量為: 1000=6.15x10-3/2=3.08m 200mm變形量為： 200=200s/2=0.6m\ 由變形量可知,絲杠變形較小,剛度足夠。 4.2.4 絲杠和螺母螺紋牙強度計算 螺母所受彎曲應(yīng)力: w=3phs/πdb2LZ=3x34.31x2/π10x1.32x15x1=0.26N/mm2 式中:b一齒根寬度b=0.65s=1.3mm,其它字母意義同前。 青銅的許用彎曲應(yīng)力為:[ w]=49N/mm2,故w <［a］ 螺母螺紋所受剪切應(yīng)力: =ps/πdbLZ=34.3x2/πx10x1.3x15x1=0.11N/mm2 青銅的許用剪切應(yīng)力為[]=34.3N/ mm 2,