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

HarbinInstituteofTechnology綜合課程設(shè)計(jì)Ⅱ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：******* 姓名：**** 學(xué)號：*********** 指導(dǎo)教師：***哈爾濱工業(yè)大學(xué)2017年10月26日目錄第1章SCARA機(jī)器人簡介 1第2章SCARA機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) 22.1SCARA機(jī)器人的驅(qū)動方式 2液壓驅(qū)動 2氣壓驅(qū)動 2電力驅(qū)動 32.2SCARA機(jī)器人驅(qū)動方式的確定 42.3SCARA機(jī)器人的減速器選擇 52.4SCARA機(jī)器人傳動機(jī)構(gòu)的對比與分析 52.5SCARA機(jī)器人機(jī)構(gòu)桿件參數(shù)初定 62.6SCARA機(jī)器人運(yùn)動空間計(jì)算 72.7SCARA機(jī)械臂材料初定 9第3章SCARA機(jī)器人關(guān)節(jié)元件設(shè)計(jì)計(jì)算 103.1滾珠絲桿滾珠花鍵的計(jì)算及選型 103.1.1計(jì)算滾珠絲桿花鍵的負(fù)載 103.1.2計(jì)算滾珠絲杠花鍵的轉(zhuǎn)速 113.1.3螺母的選擇 113.1.4計(jì)算滾珠絲杠花鍵的最大動載荷 113.1.5剛度的驗(yàn)算 123.1.6計(jì)算傳動效率 12滾珠絲杠花鍵選擇 133.1.8滾珠絲杠花鍵驅(qū)動電機(jī)的選擇與計(jì)算 133.23軸同步齒形帶的設(shè)計(jì)與選型 143.2.1確定同步齒形帶的計(jì)算功率 143.2.2選定帶型和節(jié)距 153.2.3大小帶輪齒數(shù)及節(jié)圓半徑。 153.2.4同步帶帶速計(jì)算 173.2.5初選中心距 173.2.6帶長及齒數(shù)確定 173.2.7基本額定功率 183.2.8帶寬計(jì)算 183.2.9作用于軸上的力計(jì)算 193.34軸同步齒形帶的設(shè)計(jì)與選型 193.3.1確定同步齒形帶的計(jì)算功率 193.3.2選定帶型和節(jié)距 203.3.3大小帶輪齒數(shù)及節(jié)圓半徑。 203.3.4同步帶帶速計(jì)算 203.3.5帶長及齒數(shù)確定 213.3.6基本額定功率 213.3.7帶寬計(jì)算 213.3.8作用于軸上的力計(jì)算 22第4章1軸和2軸電機(jī)及減速器的選擇與計(jì)算 234.1小臂驅(qū)動電機(jī)（2軸）及減速器的計(jì)算與選擇 234.2大臂驅(qū)動電機(jī)（1軸）及減速器的計(jì)算與選擇 24第5章剛度校核 265.1大臂的剛度校核 265.2小臂的剛度校核 27附錄1滾珠絲杠花鍵 28附錄2安川伺服電機(jī) 30附錄3諧波減速器 41參考文獻(xiàn) 46SCARA機(jī)器人簡介 （老師評價(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)是移動關(guān)節(jié)，用于完成末端件在垂直于平面的運(yùn)動。手腕參考點(diǎn)的位置是由兩旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角位移φ1和φ2，及移動關(guān)節(jié)的位移z決定的，即p=f(φ1,φ2,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，適合于搬動和取放物件，如集成電路板等。如今SCARA機(jī)器人還廣泛應(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、另一個(gè)具有線性移動的特性。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是因?yàn)閾碛幸粋€(gè)移動自由度。SCARA機(jī)器人的1個(gè)移動自由度和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。2.1SCARA機(jī)器人的驅(qū)動方式SCARA機(jī)器人的驅(qū)動方式可分為液壓，氣動和電動三種基本類型。液壓驅(qū)動液壓傳動機(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，液壓傳動平穩(wěn)，動作靈敏，但對密封性的要求高，不宜在高或低溫現(xiàn)場工作，需配備一套液壓系統(tǒng)。液壓驅(qū)動有以下特點(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；（4） 液壓系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自我潤滑，過載保護(hù)方便，使用壽命慈航；（5） 適用于低速，重載傳動。氣壓驅(qū)動氣壓傳動機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單，動作迅速，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；（4） 適用于中小負(fù)載驅(qū)動，精度要求較低的有限點(diǎn)位程序控制機(jī)器人。電力驅(qū)動電力驅(qū)動是目前在工業(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，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)動也開始廣泛使用。上述驅(qū)動單元有的直接驅(qū)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動，有的通過諧波減速器裝置來減速，結(jié)構(gòu)簡單緊湊。電動驅(qū)動的控制精度高，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)動可分為普通交流電動機(jī)驅(qū)動，交、直流伺服電動機(jī)驅(qū)動和步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動。各種電機(jī)驅(qū)動的特點(diǎn)：(1) 普通交、直流電動機(jī)驅(qū)動需加減速裝置，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) 直流伺服電動機(jī)：直流伺服電動機(jī)具有良好的啟動、制動和調(diào)速特性，可很方便地在較寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑的無級調(diào)速，動態(tài)響應(yīng)特性和穩(wěn)定性好，可適應(yīng)頻繁啟動、反向、制動等工作狀況。直流伺服電動機(jī)按勵磁方式不同，有永磁式和電磁式之分；按轉(zhuǎn)速高低及轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量大小，有高速、小慣量（小慣量直流伺服電動機(jī)有多種：無槽電樞直流伺服電動機(jī)，繞組鐵芯細(xì)長，故轉(zhuǎn)動慣量小，其功率較大；空心杯轉(zhuǎn)子直流伺服電動機(jī)，轉(zhuǎn)動慣量很小，靈敏度更高，功率較小；印制繞組直流伺服電動機(jī)，可承受頻繁的起動、換向，切率中等。這類電動機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小，電感小，故換向性能好，動態(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) 交流伺服電動機(jī)：交流伺服電動機(jī)幾乎具有直流伺服電動機(jī)的所有優(yōu)點(diǎn)，且結(jié)構(gòu)簡單，制造、維護(hù)簡單，具有調(diào)速范圍寬、穩(wěn)速精度高，動態(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，交流伺服電動機(jī)已廣泛取代直流伺服電動機(jī)。(4) 步進(jìn)電動機(jī)：步進(jìn)電動機(jī)是由電脈沖信號控制的，它可將電脈沖信號轉(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)電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、控制簡便、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、無積累定位誤差等優(yōu)良性能，其控制線路簡單，不需反饋編碼器和相應(yīng)的電子線路。步進(jìn)電動機(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，故控制簡便。步進(jìn)電動機(jī)系統(tǒng)主要由步進(jìn)控制器、功率放大器及步進(jìn)電動機(jī)組成。純硬件的步進(jìn)電動機(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)電動機(jī)的各個(gè)繞組，使步進(jìn)電動機(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化線路，降低成本，而且又提高可靠性。2.2SCARA機(jī)器人驅(qū)動方式的確定對于SCARA機(jī)器人的驅(qū)動裝置的一般的要求：(1) 驅(qū)動裝置的質(zhì)量要盡可能的輕，但是單位質(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)動慣量比直要大些；(3) 動作要平滑，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)動裝置要安全可靠；(6) 驅(qū)動裝置要操作方便和它的維護(hù)也很方便；(7) 它對環(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)動系統(tǒng)。2.3SCARA機(jī)器人的減速器選擇現(xiàn)在，在機(jī)器人的傳動系統(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比和較大的承載能力，而且它的傳動精度也比較高，傳動中比較的平穩(wěn)，傳動的效率比較的理想，它的結(jié)構(gòu)簡單、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合等特點(diǎn)。2.4SCARA機(jī)器人傳動機(jī)構(gòu)的對比與分析SCARA工業(yè)機(jī)械手的傳動系統(tǒng)要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、轉(zhuǎn)動慣量和體積小，要求消除傳動間隙，提高其運(yùn)動和位置精度。工業(yè)機(jī)械手傳動裝置除齒輪傳動，蝸桿傳動，鏈傳動和行星齒輪傳動外，還常用滾珠絲杠、諧波齒輪、鋼帶、同步齒形帶和繩輪傳動，以下就是工業(yè)機(jī)械手常用的傳動方式及其特點(diǎn)：(1) 滾珠絲杠：傳動效率高，達(dá)0.9-0.98,有利于主機(jī)的小型化和減輕勞動強(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)的動態(tài)特性和提高工作精度；工作壽命長，傳動無間隙，無爬行傳動精度高，具有很好的高速性能；抗沖擊振動性能差，承受徑向載荷能力差。(2) 同步帶：靠齒嚙合傳動，傳動比準(zhǔn)確，傳動效率高，初張緊力最小，瞬間速度均勻，單位質(zhì)量傳遞的功率最大；與鏈和齒輪傳動相比，噪聲小，不需潤滑，傳動比、線速度范圍大，傳遞功率大；耐沖擊振動較好，維修簡便、經(jīng)濟(jì)。廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械傳動。(3) 諧波齒輪傳動：傳動比大、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)動精度高。可采用調(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，傳動效率也比較高，且傳動比大時(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：傳動比大，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SCARA機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的傳動方式進(jìn)行合理的選擇，為后續(xù)的關(guān)節(jié)電機(jī)型號的選擇和具體計(jì)算校核提供基礎(chǔ)。各關(guān)節(jié)的傳動方案決定了整體機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，是SCARA機(jī)器人能否傳輸運(yùn)動、精準(zhǔn)定位的一大參考值，因而在傳動方案的選擇中，查詢《國內(nèi)典型工業(yè)機(jī)器人圖冊》的機(jī)器人傳動的經(jīng)典傳動方案，現(xiàn)給出傳動方案如下：第一二關(guān)節(jié)自由度均選擇交流伺服電機(jī)傳動，不僅保證了傳動精度，而且在效率和振動方面，也有良好的提高，此外，模塊化的產(chǎn)品也市場化，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，在結(jié)構(gòu)緊湊的基礎(chǔ)上，保證了設(shè)計(jì)任務(wù)書中對三，四關(guān)節(jié)速度及運(yùn)動范圍的要求。最終的傳動方案如表2-1所示：表2-1傳動方案2.5SCARA機(jī)器人機(jī)構(gòu)桿件參數(shù)初定由于scara是相對成熟的工業(yè)級產(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2-1IRB910SC-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。2.6SCARA機(jī)器人運(yùn)動空間計(jì)算利用Matlab結(jié)合DH法計(jì)算SCARA機(jī)器人運(yùn)動空間，計(jì)算程序如下所示。運(yùn)動空間如圖2-2所示。%前置法計(jì)算scara運(yùn)動空間L1=325;%大臂長度L2=235;%小臂長度a=[];%空矩陣保存解點(diǎn)坐標(biāo)theta1_max=130;%關(guān)節(jié)1最大運(yùn)動范圍theta2_max=125;%關(guān)節(jié)2最大運(yùn)動范圍theta3_max=180;%關(guān)節(jié)3最大運(yùn)動范圍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不會影響最終成圖形狀d4_max=80;%關(guān)節(jié)4最大運(yùn)動范圍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fori=-N:Ntheta1=i*theta1_max*deg2rad/N;A01=[cos(theta1)-sin(theta1)00sin(theta1)cos(theta1)00001d10001];forj=-N:Ntheta2=j*theta2_max*deg2rad/N;A12=[cos(theta2)-sin(theta2)0L1sin(theta2)cos(theta2)00001d20001];fork=-N:Ntheta3=k*theta3_max*deg2rad/N;A23=[cos(theta3)-sin(theta3)0L2sin(theta3)cos(theta3)00001d30001];forp=0:Nd4=p*d4_max/N;A34=[10000100001d40001];T04=A01*A12*A23*A34;a=[aT04*A];endendendendscatter3(a(1,:),a(2,:),a(3,:));%繪三維散點(diǎn)圖axisequal;圖2-2SCARA機(jī)器人運(yùn)動空間2.7SCARA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)，對于實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的機(jī)械臂來說，在滿足輕度和剛度的條件下，零部件越輕越好。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)量的對比，發(fā)現(xiàn)任務(wù)書所提負(fù)載所對應(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，保證了其傳動的高效性，與過去的滑動絲桿相比，其驅(qū)動扭矩僅占傳統(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)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)。計(jì)算滾珠絲杠花鍵的最大動載荷根據(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>55HRC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為滾珠絲桿的最大工作載荷(N)。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，且滾珠絲杠長度受行程限制長度不會太長，且沒有兩軸端壓力的產(chǎn)生，不會有失穩(wěn)的可能性，所以剛度不驗(yàn)算。3.1.6計(jì)算傳動效率滾珠絲桿的傳動效率一般在0.8~0.9，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效率。傳動效率較高。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滾珠絲杠花鍵驅(qū)動電機(jī)的選擇與計(jì)算由于負(fù)載力不大，動絲桿進(jìn)行直線運(yùn)動。因此3軸和4軸可以不采用減速器，采用同步帶傳動同時(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)動速度； ——電機(jī)轉(zhuǎn)速； ——絲杠的傳動效率；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)，選擇帶保持制動器的電機(jī)，詳細(xì)代號為SGM7J04A7C6E。.4軸選擇安川SGM7J系列，詳細(xì)代號為SGM7JA5A7A61。詳細(xì)數(shù)據(jù)見附錄2。3.23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，結(jié)合同步帶不僅改變傳動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3M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。表3-2帶輪的最小齒數(shù)=25=50同步帶帶速計(jì)算初選中心距中心距滿足下述條件根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸要求取帶長及齒數(shù)確定帶長的計(jì)算公式如下根據(jù)圓弧齒同步帶長度系列查得，其節(jié)線長，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?；绢~定功率基本額定功率是各種帶型對應(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度的質(zhì)量，各參數(shù)見表3-3所示。表3-3同步帶的基準(zhǔn)寬度、許用工作拉力和單位長度的質(zhì)量選擇L（輕型），算得帶寬計(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； ——帶長系數(shù)，按表可查得=1； ——帶基準(zhǔn)寬度，查表確定；算得： 取bs=19mm。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。3.34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。=25=50