SCARA工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)計(jì)算說明書

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上Harbin Institute of Technology綜合課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目：SCARA工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)院系： 機(jī)電工程學(xué)院 班級(jí)： * 姓名： * 學(xué)號(hào)： * 指導(dǎo)教師： * 哈爾濱工業(yè)大學(xué)2017年10月26日專心-專注-專業(yè)目錄第1章 SCARA機(jī)器人簡(jiǎn)介（老師評(píng)價(jià)：設(shè)計(jì)的很笨。 嚶嚶嚶。）SCARA機(jī)器人，又稱選擇順應(yīng)性裝配機(jī)器手臂，是一種圓柱坐標(biāo)型的特殊類型的工業(yè)機(jī)器人。SCARA機(jī)器人有3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其軸線相互平行，在平面內(nèi)進(jìn)行定位和定向。另一個(gè)關(guān)節(jié)是移動(dòng)關(guān)節(jié)，用于完成末端件在垂直于平面的運(yùn)動(dòng)。手腕參考點(diǎn)的位置是由兩旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角位移1和2，及移動(dòng)關(guān)節(jié)的位

2、移z決定的，即p=f(1,2,z)，如圖所示。這類機(jī)器人的結(jié)構(gòu)輕便、響應(yīng)快，例如Adept1·用于平面定位，垂直方向進(jìn)行裝配的作業(yè)。1978年，日本山梨大學(xué)牧野洋發(fā)明SCARA，該機(jī)器人具有四個(gè)軸和四個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，(包括沿X,Y,Z方向的平移和繞Z軸的旋轉(zhuǎn)自由度)。SCARA系統(tǒng)在x,y方向上具有順從性，而在Z軸方向具有良好的剛度，此特性特別適合于裝配工作，例如將一個(gè)圓頭針插入一個(gè)圓孔，故SCARA系統(tǒng)首先大量用于裝配印刷電路板和電子零部件；SCARA的另一個(gè)特點(diǎn)是其串接的兩桿結(jié)構(gòu)，類似人的手臂，可以伸進(jìn)有限空間中作業(yè)然后收回，適合于搬動(dòng)和取放物件，如集成電路板等。如今SCARA機(jī)器

3、人還廣泛應(yīng)用于塑料工業(yè)、汽車工業(yè)、電子產(chǎn)品工業(yè)、藥品工業(yè)和食品工業(yè)等領(lǐng)域。它的主要職能是搬取零件和裝配工作。它的第一個(gè)軸和第二個(gè)軸具有轉(zhuǎn)動(dòng)特性，第三和第四個(gè)軸可以根據(jù)工作的需要的不同，制造成相應(yīng)多種不同的形態(tài)，并且一個(gè)具有轉(zhuǎn)動(dòng)、另一個(gè)具有線性移動(dòng)的特性。由于其具有特定的形狀，決定了其工作范圍類似于一個(gè)扇形區(qū)域。SCARA機(jī)器人可以被制造成各種大小，最常見的工作半徑在100毫米至1000毫米之間，此類的SCARA機(jī)器人的凈載重量在1千克至200千克之間。第2章SCARA機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)SCARA機(jī)器人之所以能夠在平面內(nèi)靈活定位，依靠的是三個(gè)軸線相互平行的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。同理，之所以能夠在垂直方向上定位

4、是因?yàn)閾碛幸粋€(gè)移動(dòng)自由度。SCARA機(jī)器人的1個(gè)移動(dòng)自由度和3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度使其能滿足要求的情況下完成一系列復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。2.1 SCARA機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式SCARA機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓，氣動(dòng)和電動(dòng)三種基本類型。2.1.1液壓驅(qū)動(dòng)液壓傳動(dòng)機(jī)械手有很大的抓取能力，抓取力可高達(dá)上百公斤，液壓力可達(dá)7MPa，液壓傳動(dòng)平穩(wěn)，動(dòng)作靈敏，但對(duì)密封性的要求高，不宜在高或低溫現(xiàn)場(chǎng)工作，需配備一套液壓系統(tǒng)。液壓驅(qū)動(dòng)有以下特點(diǎn)：（1）輸出功率大；（2）控制精度較高，可無極調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制；（3）結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化，模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)；（4）液壓系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自我潤(rùn)滑，過載保護(hù)方便，使用

5、壽命慈航；（5）適用于低速，重載傳動(dòng)。2.1.2氣壓驅(qū)動(dòng)氣壓傳動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作迅速，價(jià)格低廉，由于空氣可壓縮，所以工作速度穩(wěn)定性差，氣壓一般為0.7MPa，因而抓取力小，只有幾十到幾百牛。氣壓驅(qū)動(dòng)具有以下特點(diǎn)：（1）輸出功率大；（2）氣體壓縮性能大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實(shí)現(xiàn)高速高精度的連續(xù)軌跡控制；（3）結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化，模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)；（4）適用于中小負(fù)載驅(qū)動(dòng)，精度要求較低的有限點(diǎn)位程序控制機(jī)器人。2.1.3電力驅(qū)動(dòng)電力驅(qū)動(dòng)是目前在工業(yè)機(jī)器手中用的最多的一種。早期多采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，后來發(fā)展了直流伺服電機(jī)，現(xiàn)在交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)也開始廣泛使用。上述驅(qū)動(dòng)

6、單元有的直接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，有的通過諧波減速 器裝置來減速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)高速、 高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜。適用于中小負(fù)載、要求具 有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機(jī)械手，如AC伺服噴涂機(jī) 械手、點(diǎn)焊機(jī)械手、弧焊機(jī)械手、裝配機(jī)械手等。電力驅(qū)動(dòng)可分為普通交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，交、直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電動(dòng) 機(jī)驅(qū)動(dòng)。各種電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)：(1)普通交、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)需加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差， 慣性大，適用于中型或重型機(jī)械手。(2)直流伺服電動(dòng)機(jī)：直流伺服電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速特性， 可很

7、方便地在較寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑的無級(jí)調(diào)速，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和穩(wěn)定性好，可適 應(yīng)頻繁啟動(dòng)、反向、制動(dòng)等工作狀況。直流伺服電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式不同，有永磁 式和電磁式之分；按轉(zhuǎn)速高低及轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大小，有高速、小慣量（小慣量 直流伺服電動(dòng)機(jī)有多種：無槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)，繞組鐵芯細(xì)長(zhǎng)，故轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 小，其功率較大；空心杯轉(zhuǎn)子直流伺服電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，靈敏度更高，功 率較??；印制繞組直流伺服電動(dòng)機(jī)，可承受頻繁的起動(dòng)、換向，切率中等。這類 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，電感小，故換向性能好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，快速性能好， 低速無爬行）和低速、大慣量（大慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)有永磁式和電磁式兩種， 其中永磁式用得較多，它的低速

8、性能好，輸出轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，轉(zhuǎn)子慣量大， 受負(fù)載影響小，故可與絲杠直接連接，承受過載、重載能力強(qiáng)）之分。(3)交流伺服電動(dòng)機(jī)：交流伺服電動(dòng)機(jī)幾乎具有直流伺服電動(dòng)機(jī)的所有優(yōu) 點(diǎn)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、維護(hù)簡(jiǎn)單，具有調(diào)速范圍寬、穩(wěn)速精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特 性更好等技術(shù)特點(diǎn)，可達(dá)到更大的功率和更高的轉(zhuǎn)速。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、電 子技術(shù)的發(fā)展，交流伺服電動(dòng)機(jī)已廣泛取代直流伺服電動(dòng)機(jī)。(4)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是由電脈沖信號(hào)控制的，它可將電脈沖信號(hào) 轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直線位移，有回轉(zhuǎn)式和直線式兩種。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 控制簡(jiǎn)便、價(jià)格較低，但易失步，具有轉(zhuǎn)子慣量低、反應(yīng)靈敏、能提供較大的低速轉(zhuǎn)矩、無漂移

9、、無積累定位誤差等優(yōu)良性能，其控制線路簡(jiǎn)單，不需反饋編碼 器和相應(yīng)的電子線路。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與輸入脈沖個(gè)數(shù)成嚴(yán)格正比關(guān)系，轉(zhuǎn) 子速度主要取決于脈沖頻率，故控制簡(jiǎn)便。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)主要由步進(jìn)控制器、 功率放大器及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)組成。純硬件的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器由脈沖發(fā)生器、環(huán)形 分配器、控制邏輯等組成，它的作用就是把脈沖串分配給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各個(gè)繞組， 使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按既定的方向和速度旋轉(zhuǎn)。若采用微機(jī)技術(shù)，用軟件與硬件相結(jié)合， 則控制器不僅可在硬件上簡(jiǎn)化線路，降低成本，而且又提高可靠性。2.2 SCARA機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式的確定對(duì)于SCARA機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置的一般的要求：(1)驅(qū)動(dòng)裝置的質(zhì)量要盡可能的輕，但

10、是單位質(zhì)量的輸出功率（功率/質(zhì)量m的比）要高，效率也要高；(2)反應(yīng)的速度需要快些，也就是力/質(zhì)量和力矩/轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比直要大些；(3)動(dòng)作要平滑，不產(chǎn)生沖擊；(4)控制應(yīng)要盡可能的靈活，位移和速度的偏差要小些；(5)驅(qū)動(dòng)裝置要安全可靠；(6)驅(qū)動(dòng)裝置要操作方便和它的維護(hù)也很方便；(7)它對(duì)環(huán)境無污染或污染很少，噪音也要??；(8)經(jīng)濟(jì)要便宜些，最主要的是要盡量減少它的占地面積。綜合考慮所設(shè)計(jì)的SCARA機(jī)器人的參數(shù)和所需要完成的工作條件，所以本次設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)都選擇交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。2.3 SCARA機(jī)器人的減速器選擇現(xiàn)在，在機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)中最常使用的有RV減速器和諧波減速器，根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇了

11、斯諾伐克Spinea諧波減速器。減速器的類型和特點(diǎn)：諧波減速器RV減速器：該減速器具有較大的傳動(dòng)比和較大的承載能力，而且它的傳動(dòng)精度也比較高，傳動(dòng)中比較的平穩(wěn)，傳動(dòng)的效率比較的理想，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積比較小質(zhì)量又輕，它的制造的成本價(jià)格要比RV減速器制造的成本價(jià)格要低的很多。RV減速器：該減速器一般應(yīng)用于負(fù)載比較大，速度和精度要求比較高的場(chǎng)合等特點(diǎn)。2.4 SCARA機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的對(duì)比與分析SCARA工業(yè)機(jī)械手的傳動(dòng)系統(tǒng)要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和體積小， 要求消除傳動(dòng)間隙，提高其運(yùn)動(dòng)和位置精度。工業(yè)機(jī)械手傳動(dòng)裝置除齒輪傳動(dòng)， 蝸桿傳動(dòng)，鏈傳動(dòng)和行星齒輪傳動(dòng)外，還常用滾珠絲杠、諧波齒輪、鋼

12、帶、同步 齒形帶和繩輪傳動(dòng)，以下就是工業(yè)機(jī)械手常用的傳動(dòng)方式及其特點(diǎn)：(1)滾珠絲杠：傳動(dòng)效率高，達(dá)0.9-0.98,有利于主機(jī)的小型化和減輕勞動(dòng) 強(qiáng)度；摩擦力矩小，接觸鋼度高，使溫升及熱變形減小，有利于改善主機(jī)的動(dòng)態(tài) 特性和提高工作精度；工作壽命長(zhǎng)，傳動(dòng)無間隙，無爬行傳動(dòng)精度高，具有很好 的高速性能；抗沖擊振動(dòng)性能差，承受徑向載荷能力差。(2)同步帶：靠齒嚙合傳動(dòng)，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，傳動(dòng)效率高，初張緊力最小， 瞬間速度均勻，單位質(zhì)量傳遞的功率最大；與鏈和齒輪傳動(dòng)相比，噪聲小，不需 潤(rùn)滑，傳動(dòng)比、線速度范圍大，傳遞功率大；耐沖擊振動(dòng)較好，維修簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)。 廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械傳動(dòng)。(3)諧波齒輪傳動(dòng)：

13、傳動(dòng)比大、范圍寬；元件少，體積小，重量輕；同時(shí) 嚙合的齒數(shù)多，承載能力高；且誤差能互相補(bǔ)償，故運(yùn)動(dòng)精度高?？刹捎谜{(diào)整波 發(fā)生器達(dá)到無側(cè)隙嚙合；運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪音低，傳動(dòng)效率也比較高，且傳動(dòng)比大時(shí)， 效率并不顯著下降，但主要零件一柔輪的制造工藝比較復(fù)雜。(4)蝸桿傳動(dòng)：傳動(dòng)比大，工作平穩(wěn)，噪聲較小，結(jié)構(gòu)緊湊，在一定條件 下有自鎖性，效率低。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，對(duì)SCARA機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的傳動(dòng)方式進(jìn)行合理的選擇，為后續(xù)的關(guān)節(jié)電機(jī)型號(hào)的選擇和具體計(jì)算校核提供基礎(chǔ)。各關(guān)節(jié)的傳動(dòng) 方案決定了整體機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，是SCARA機(jī)器人能否傳輸運(yùn)動(dòng)、精準(zhǔn)定位的一大參考值，因而在傳動(dòng)方案的選擇中，查詢國(guó)內(nèi)典型工業(yè)機(jī)

14、器人圖冊(cè)的機(jī)器 人傳動(dòng)的經(jīng)典傳動(dòng)方案，現(xiàn)給出傳動(dòng)方案如下：第一二關(guān)節(jié)自由度均選擇交流伺服電機(jī)傳動(dòng)，不僅保證了傳動(dòng)精度，而且在效率和振動(dòng)方面，也有良好的提高，此外，模塊化的產(chǎn)品也市場(chǎng)化，所以易購買，而且安裝也較為方便；第三關(guān)節(jié)和第四關(guān)節(jié)選擇滾珠絲桿滾珠花鍵以及同步帶傳動(dòng)，在結(jié)構(gòu)緊湊的基礎(chǔ)上，保證了設(shè)計(jì)任務(wù)書中對(duì)三，四關(guān)節(jié)速度及運(yùn)動(dòng)范圍的要求。最終的傳動(dòng)方案如表2-1所示：關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案大臂回轉(zhuǎn)伺服電機(jī)1à諧波減速器à大臂小臂回轉(zhuǎn)伺服電機(jī)2à諧波減速器à小臂Z軸方向直線運(yùn)動(dòng)伺服電機(jī)3à同步齒形帶à絲桿螺母à主軸Z軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)伺服電機(jī)

15、4à同步齒形帶à花鍵à主軸表2-1 傳動(dòng)方案2.5 SCARA機(jī)器人機(jī)構(gòu)桿件參數(shù)初定由于scara是相對(duì)成熟的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，因此可參考具體的實(shí)機(jī)進(jìn)行參數(shù)初定。這里選用ABB公司3公斤級(jí)臂展550mm的SCARA機(jī)器人作為參考，其外形圖如圖2-1所示。 圖2-1 IRB 910SC - 3/0.55 外形圖任務(wù)書要求最大展開半徑要求為560mm，初定大臂325mm，小臂235mm。2.6 SCARA機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間計(jì)算利用Matlab結(jié)合DH法計(jì)算SCARA機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間，計(jì)算程序如下所示。運(yùn)動(dòng)空間如圖2-2所示。%前置法計(jì)算scara運(yùn)動(dòng)空間 L1=325;%大臂長(zhǎng)度

16、L2=235;%小臂長(zhǎng)度a=;%空矩陣保存解點(diǎn)坐標(biāo)theta1_max=130;%關(guān)節(jié)1最大運(yùn)動(dòng)范圍theta2_max=125;%關(guān)節(jié)2最大運(yùn)動(dòng)范圍theta3_max=180;%關(guān)節(jié)3最大運(yùn)動(dòng)范圍d1=0; d2=0; d3=0;%建立DH坐標(biāo)參數(shù) 參數(shù)取決于機(jī)器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)暫取0 不會(huì)影響最終成圖形狀d4_max=80;%關(guān)節(jié)4最大運(yùn)動(dòng)范圍deg2rad=pi/180;N=10;%設(shè)置循環(huán)次數(shù) 嵌套循環(huán)運(yùn)算量大 求解費(fèi)時(shí)r=10; %設(shè)執(zhí)行器距關(guān)節(jié)四在x方向上偏移量為rA=r;0;0;1;%執(zhí)行器坐標(biāo)原點(diǎn)在第四關(guān)節(jié)坐標(biāo)中表示%機(jī)器人學(xué)中的算法for i=-N:N theta1=i*thet

17、a1_max*deg2rad/N; A01=cos(theta1) -sin(theta1) 0 0 sin(theta1) cos(theta1) 0 0 0 0 1 d1 0 0 0 1 ; for j=-N:N theta2=j*theta2_max*deg2rad/N; A12=cos(theta2) -sin(theta2) 0 L1 sin(theta2) cos(theta2) 0 0 0 0 1 d2 0 0 0 1 ; for k=-N:N theta3=k*theta3_max*deg2rad/N; A23=cos(theta3) -sin(theta3) 0 L2 sin

18、(theta3) cos(theta3) 0 0 0 0 1 d3 0 0 0 1; for p=0:N d4=p*d4_max/N; A34=1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 d4 0 0 0 1; T04=A01*A12*A23*A34; a=a T04*A; end end endendscatter3(a(1,:),a(2,:),a(3,:);%繪三維散點(diǎn)圖axis equal; 圖2-2 SCARA機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間2.7 SCARA機(jī)械臂材料初定機(jī)械臂的材料要根據(jù)工作狀況來選擇，SCARA機(jī)械臂具有體積小，重量輕的特點(diǎn)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械臂來說，在滿足輕度和剛度的條件下，零部

19、件越輕越好。通常情況下，可以從以下大類材料中選取: （1）合金鋼（2）經(jīng)過熱處理的優(yōu)質(zhì)鋼（3）輕型合金，如鋁合金綜上，本次設(shè)計(jì)擬定大臂、小臂材料為鋁合金1060。第3章 SCARA機(jī)器人關(guān)節(jié)元件設(shè)計(jì)計(jì)算經(jīng)查詢市場(chǎng)上現(xiàn)有SCARA機(jī)器人的各項(xiàng)參數(shù)，主要是負(fù)載和本體質(zhì)量的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)任務(wù)書所提負(fù)載所對(duì)應(yīng)的本體質(zhì)量余量很大，所以此次設(shè)計(jì)按照從末端開始設(shè)計(jì)的思路來進(jìn)行設(shè)計(jì)。3.1 滾珠絲桿滾珠花鍵的計(jì)算及選型相比于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，新一代的SCARA機(jī)器人使用了滾珠絲桿花鍵由絲桿螺母、花鍵螺母、絲桿三部分組成。由于絲桿中的鋼球在螺母與絲桿之間來回滑動(dòng)，保證了其傳動(dòng)的高效性，與過去的滑動(dòng)絲桿相比，其驅(qū)動(dòng)扭矩

20、僅占傳統(tǒng)絲桿的三分之一3.1.1 計(jì)算滾珠絲桿花鍵的負(fù)載由于 3軸是豎直安裝，滾珠絲桿的負(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)量為4.5kg，負(fù)載質(zhì)量為1.5kg ，第3軸的運(yùn)動(dòng)直線加速度最大設(shè)為a=25m/s，則機(jī)器人手腕加速度時(shí)產(chǎn)生的慣性力為 手腕的重力為 聯(lián)立式子可得絲杠軸所受的最大負(fù)載力為 3.1.2 計(jì)算滾珠絲杠花鍵的轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)要求3軸的直線運(yùn)動(dòng)速度500mm/s ，取絲杠導(dǎo)程為20mm ，則絲杠的轉(zhuǎn)速由 計(jì)算得出 3.1.3 螺母的選擇根據(jù)滾珠絲桿中鋼球循環(huán)方式的不同，絲桿螺母分為:彎管式、循環(huán)器式、端蓋式，這里選擇彎管式，它通過彎管讓鋼球進(jìn)

21、行循環(huán)，鋼球經(jīng)過絲桿軸的溝槽滑 入彎管，接著滾進(jìn)溝槽中，循環(huán)往復(fù)。3.1.4 計(jì)算滾珠絲杠花鍵的最大動(dòng)載荷根據(jù)負(fù)載力的大小，可由下列式子計(jì)算出滾珠絲桿的最大動(dòng)載荷：式中：為滾珠絲桿的壽命，且，其中，T為使用壽命普通機(jī)械取，設(shè)計(jì)任務(wù)書要求年限壽命為3年，按一年365天，每天3班制，計(jì)算得26280h；n為絲桿的轉(zhuǎn)速1500(r/min) ；為載荷系數(shù)。參考表，這里取=1。 為硬度系數(shù)。當(dāng)絲桿硬度>58HRC時(shí)，取=1.0；當(dāng)絲桿的硬度>55 HRC 時(shí)，取=1.11；當(dāng)絲桿的硬度> 50HRC時(shí)，取=1.56；當(dāng)絲桿的硬度>45HRC 時(shí)，取=2.4；Fm為滾珠絲桿的最大

22、工作載荷(N)。運(yùn)動(dòng)狀態(tài)平穩(wěn)或輕度沖擊1.01.2中等沖擊1.21.5較大沖擊或振動(dòng)1.52.5代入公式計(jì)算3.1.5 剛度的驗(yàn)算由于滾珠絲杠花鍵部和滾珠絲杠部間距很小，且滾珠絲杠長(zhǎng)度受行程限制長(zhǎng)度不會(huì)太長(zhǎng)，且沒有兩軸端壓力的產(chǎn)生，不會(huì)有失穩(wěn)的可能性，所以剛度不驗(yàn)算。3.1.6 計(jì)算傳動(dòng)效率滾珠絲桿的傳動(dòng)效率一般在 0.80.9，可計(jì)算得出: 式中：為絲杠的螺旋升角，為導(dǎo)程，為滾珠絲杠軸外徑。為摩擦角，一般取10°。由此可以計(jì)算出滾珠絲杠花鍵的傳動(dòng)效率。 傳動(dòng)效率較高。3.1.7滾珠絲杠花鍵選擇綜上，選擇THK公司的BNS-2020A型的滾珠絲杠花鍵。詳細(xì)數(shù)據(jù)由附錄1給出。3.1.8

23、 滾珠絲杠花鍵驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇與計(jì)算由于負(fù)載力不大，動(dòng)絲桿進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。因此 3 軸和 4 軸可以不采用減速器，采用同步帶傳動(dòng)同時(shí)利用其減速，減速比均為2。根據(jù)功率相等的原則，有如下式子： 式中： 軸向力； 電機(jī)力矩； 直線運(yùn)動(dòng)速度； 電機(jī)轉(zhuǎn)速； 絲杠的傳動(dòng)效率；又由式子：最終推導(dǎo)如下公式：代入公式計(jì)算的（3軸）（4軸）考慮到同步帶的傳動(dòng)效率，安全系數(shù)為2，則電機(jī)的最小轉(zhuǎn)矩（3軸）（4軸）所需功率為P=230W（3軸）P=0.524W（4軸）3軸選擇安川SGM7J系列，為了保持絲杠斷電后的狀態(tài)，選擇帶保持制動(dòng)器的電機(jī)，詳細(xì)代號(hào)為SGM7J04A7C6E。.4軸選擇安川SGM7J系列，詳細(xì)代號(hào)為S

24、GM7JA5A7A61。詳細(xì)數(shù)據(jù)見附錄2。3.2 3軸同步齒形帶的設(shè)計(jì)與選型為了減小機(jī)器人總體設(shè)計(jì)外形尺寸，使結(jié)構(gòu)緊湊，3軸和4軸均通過同步帶傳遞運(yùn)動(dòng)與力矩，下面進(jìn)行他們的選擇與計(jì)算。根據(jù)選擇的關(guān)節(jié) 3 軸的電機(jī)型號(hào)，結(jié)合同步帶不僅改變傳動(dòng)方向的作用而且改變了輸出力矩的特性可以計(jì)算功率等參數(shù)。3.2.1 確定同步齒形帶的計(jì)算功率 考慮到速度增減、功率的高低、載荷的大小和預(yù)緊力對(duì)帶輪的影響，其功率計(jì)算公式為式中：考慮載荷性質(zhì)和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的工況修正系數(shù)；傳遞的功率載荷變化情況瞬時(shí)峰值載荷及額定工作載 荷每天工作小時(shí)數(shù)/h<101016>16平穩(wěn)1.21.41.5小150%1.41.61.

25、7較大150%250%1.61.71.85很大250%450%1.71.852大而且頻繁>450%1.8522.05表 3-1 同步帶的工況修正系數(shù)由表3-1 得=2，根據(jù)所選用電機(jī)得傳遞功率P=230w，計(jì)算得3.2.2 選定帶型和節(jié)距參考如圖 3-1 所示的圓弧齒同步帶選型圖，依據(jù)上述計(jì)算的功率 Pd，轉(zhuǎn)速 n， 據(jù)此可以選擇同步齒形帶。圖3-1 圓弧齒同步帶選型圖選定同步齒形帶帶型為3M3.2.3 大小帶輪齒數(shù)及節(jié)圓半徑。根據(jù)帶輪轉(zhuǎn)速和帶型，根據(jù)表3-2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，3 軸選擇小帶輪。帶輪轉(zhuǎn)速（r/min-1）帶型3M5M8M14M20M&l

26、t;90010142228349001200142028283412001800162432323818003600202836360048002230表 3-2 帶輪的最小齒數(shù)取小帶輪的齒數(shù)=25則小帶輪節(jié)圓直徑為則大帶輪的齒數(shù)=50則大帶輪節(jié)圓直徑為3.2.4 同步帶帶速計(jì)算3.2.5 初選中心距中心距滿足下述條件根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸要求取 3.2.6 帶長(zhǎng)及齒數(shù)確定帶長(zhǎng)的計(jì)算公式如下根據(jù)圓弧齒同步帶長(zhǎng)度系列查得，其節(jié)線長(zhǎng)，節(jié)線上齒數(shù)同步帶的實(shí)際中心距為 計(jì)算得a=73.28mm。3.2.7 基本額定功率基本額定功率是各種帶型對(duì)應(yīng)于基準(zhǔn)寬度的額定功率，為各帶型的許 用工作拉力，m 為寬度為的帶單位

27、長(zhǎng)度的質(zhì)量，各參數(shù)見表 3-3 所示。項(xiàng)目帶型參數(shù)MXLXXLXLLHXHXXHbs0/mm6.46.49.525.476.2101.6127.0Ta/N273150245210040505400m/kgm-10.0070.010.0220.0960.4481.4842.473表 3-3 同步帶的基準(zhǔn)寬度、許用工作拉力和單位長(zhǎng)度的質(zhì)量選擇L（輕型），算得3.2.8 帶寬計(jì)算同步帶帶寬計(jì)算公式如下式其中： 嚙合系數(shù)，因，取 =1；帶長(zhǎng)系數(shù)，按表可查得=1；帶基準(zhǔn)寬度，查表確定；算得：取bs=19mm。3.2.9 作用于軸上的力計(jì)算 緊邊張力松邊張力最終根據(jù)以上計(jì)算參數(shù)選取寧波伏龍同步帶公司的26

28、1-3M同步帶。3.3 4軸同步齒形帶的設(shè)計(jì)與選型計(jì)算和選型過程基本與3軸相同。3.3.1 確定同步齒形帶的計(jì)算功率 功率計(jì)算公式為式中：考慮載荷性質(zhì)和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的工況修正系數(shù)；傳遞的功率由表3-1 得=1.5，根據(jù)所選用電機(jī)得傳遞功率P=0.524w，計(jì)算得3.3.2 選定帶型和節(jié)距參考如圖 3-1 所示的圓弧齒同步帶選型圖，依據(jù)上述計(jì)算的功率 Pd，轉(zhuǎn)速 n， 據(jù)此可以選擇同步齒形帶。選定同步齒形帶帶型為3M。3.3.3 大小帶輪齒數(shù)及節(jié)圓半徑。取小帶輪的齒數(shù)=25則小帶輪節(jié)圓直徑為則大帶輪的齒數(shù)=50則大帶輪節(jié)圓直徑為3.3.4 同步帶帶速計(jì)算3.3.5 帶長(zhǎng)及齒數(shù)確定帶長(zhǎng)的計(jì)算公式如下根

29、據(jù)圓弧齒同步帶長(zhǎng)度系列查得，其節(jié)線長(zhǎng)，節(jié)線上齒數(shù)同步帶的實(shí)際中心距為 計(jì)算得a=73.28mm。3.3.6 基本額定功率基本額定功率是各種帶型對(duì)應(yīng)于基準(zhǔn)寬度的額定功率，為各帶型的許用工作拉力，m 為寬度為的帶單位長(zhǎng)度的質(zhì)量，各參數(shù)見表 3-3 所示。選擇MXL（超輕型），算得3.3.7 帶寬計(jì)算同步帶帶寬計(jì)算公式如下式取bs=8mm。3.3.8 作用于軸上的力計(jì)算 緊邊張力松邊張力最終根據(jù)以上計(jì)算參數(shù)選取寧波伏龍同步帶公司的261-3M同步帶。第4章 1軸和2軸電機(jī)及減速器的選擇與計(jì)算4.1 小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)（2軸）及減速器的計(jì)算與選擇SCARA機(jī)器人小臂設(shè)計(jì)如圖4-1所示圖4-1 SCARA機(jī)器人小臂設(shè)計(jì)利用SolidWorks將此模型的質(zhì)量及繞2軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算得出：質(zhì)量為m1=6.92kg繞2軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1=0.303kg/m2由任務(wù)書可知，關(guān)節(jié)2最大運(yùn)動(dòng)速度w=450°/s，選擇加速時(shí)間為t=0.1s，則角加速度：=t=450°/s0.1s=78.54/s2則所需扭矩為T=J×=0.303×78.54=23.80Nm考慮到摩擦力矩，取安全系數(shù)為1.2則減速機(jī)輸出的最小轉(zhuǎn)矩為Tmin=1.2T/=1.2×23