機器人手臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計說明書

摘要機械手能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。機械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機器人，也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機器人，它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身平安，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。是一門涉及計算機科學(xué)、機械學(xué)、電子學(xué)、自動控制、人工智能等多個方面的學(xué)科，它代表了機電一體化的最高成就。現(xiàn)今，機械手已經(jīng)運用到各個領(lǐng)域，特別是在裝配作業(yè)方面。在裝配機械手中，平面關(guān)節(jié)型裝配機械手〔即SCARA型〕是應(yīng)用最廣泛的一種裝配機械手。本課題提出設(shè)計一種效勞機械手，用于電子元器件等的裝配，在分析國內(nèi)外SCARA產(chǎn)品根底上，經(jīng)過不同方案的比擬，在確定了最優(yōu)方案后通過認真的計算，仔細的校核，使設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、經(jīng)濟合理，能滿足教學(xué)實驗等需要，對于更好地熟悉和掌握相關(guān)課程具有重要的意義。本文設(shè)計的是一種小型效勞裝配機械手，主要對這種機械手進行結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計。本文設(shè)計的SCARA機器人具有以下特點：通用性好、體積小、重量輕、外形美觀、本錢低，對其本體的可行方案進行了充分的研究后，設(shè)計成具有多個自由度的結(jié)構(gòu)，由機身、大臂、小臂及手腕組成，諧波減速器、齒輪、絲杠螺母等組成了機械手簡單可靠的傳動方案。該電機的多個關(guān)節(jié)均采用步進電機驅(qū)動，具有控制簡單、本錢低的特點。關(guān)鍵詞：工業(yè)機械手自由度機器人AbstractRobotisakindofsciencerelatedtomanyotheronessuchascomputerscience,mechanism,electronics,automationcontrolandartificialintelligence.Now,robotsareusedinmanyfields,especiallyintheaspectofassemblytask.Itrepresentstheup-mostlevelofmechatronics.Amongassembly,planearticulatedassemblyrobot(SCARAmanipulator)isusedmostwidely.Thistopicputsforwarddesigningakindofassemblerobot,usedforanassembleelectronicscomponent,afteranalydomesticandinternationalSCARA,thesurfaceofsphereSCARAetc.Throughcomparewithdifferentproject.Aftermakingsuresuperiorproject,thoughthecarefulcalculationandcheck.Makedesignwithsimplestructure,credibilitycirculate,reasonablecost,cansatisfytheteachingexperimentetc..ThepresentedSCARAmanipulatorinthispaperisapint-sizedassemblyrobot,wherethestructureofSCARAmanipulatorisdesigned.ThepresentedSCARAmanipulatorinthispaperhasfollowingcharacters:gooduniversality,smallvolume,lightweight,beautifulappearanceandlowcost,sothestructureofrobotisfullyconsideredwhichhasfourfreedomsandisconsistedofcomprisesbase,bigarm,smallarmandwrist.ThesimplereliabletransmissionschemeofSCARAmanipulatoriscomposedofharmonicdecelerationandgearwheelandfeedscrew.Thefourjointsarealldrivenbysteppingmotors,whichhasthecharactersofsimplecontrolandlowcost.Keyword:IndustrialrobotsFreedomRobot目錄摘要IAbstractII第1章緒論1第2章總體方案設(shè)計32.1工業(yè)效勞機器手的傳動系統(tǒng)設(shè)計3機械手驅(qū)動系統(tǒng)的比擬與選擇32.1.2傳動機構(gòu)的比照與分析52.2機械手總體設(shè)計方案的比擬確定6第3章步進電機的選擇及其校核計算113.1主要技術(shù)參數(shù)確定113.2各自由度步進電機的選擇11第一自由度步進電機的選擇12第二自由度步進電機的選擇13第三自由度步進電機的選擇13第四自由度步進電機的選擇14第五自由度步進電機的選擇143.3第一自由度軸傳動系統(tǒng)的計算與校核14第一自由度軸的等效轉(zhuǎn)動慣量的計算143.3.2步進電機1的校核153.4第二自由度軸傳動系統(tǒng)計算與校核15第二自由度等效轉(zhuǎn)動慣量的計算153.4.2步進電機2的校核163.5第三自由度軸傳動系統(tǒng)的計算與校核16第三自由度等效轉(zhuǎn)動慣量的計算163.5.2步進電機3的校核17第4章系統(tǒng)整體的設(shè)計與校核184.1同步齒形帶傳動設(shè)計18求出設(shè)計功率18選擇帶的節(jié)距18確定帶輪直徑和帶節(jié)線長18選擇帶長Lp19近似計算中心距19進行標(biāo)準帶寬的選擇204.2各輸出軸的設(shè)計21機身輸出軸設(shè)計214.2.2大臂輸出軸設(shè)計214.2.3大臂與小臂連接軸設(shè)計214.2.4帶輪軸設(shè)計21升降軸設(shè)計224.3滾珠絲杠副校核23最大工作載荷計算23最大動負載C的計算與校核23傳動效率計算23剛度計算24絲杠穩(wěn)定性驗算244.4機械身的設(shè)計254.5其他局部結(jié)構(gòu)設(shè)計25第5章控制系統(tǒng)設(shè)計275.1機器人控制的特點275.2機器人控制的分類28點位控制(PTP)機器人：28連續(xù)軌跡控制(CP)機器人：28結(jié)論29參考文獻30致謝31第1章緒論機器人一詞最早出現(xiàn)于1920年捷克作家KarelCapek的劇本《羅薩姆的萬能機器人》中，捷克的Robota意為“苦力”、“勞役”，是一種人造勞動者，英語Robot由此衍生而來。機器人技術(shù)是綜合了計算機、控制論、機構(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、行動和交互四大技術(shù)的綜合，是當(dāng)代研究十分活潑，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機器人應(yīng)用水平是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。機器人工業(yè)已成為世界各國備受關(guān)注的產(chǎn)業(yè)。本文所述機械手主要指效勞機械手，即具有操作機(機械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的自動化生產(chǎn)設(shè)備[2]。20世紀50年代，在自動機和自動線上出現(xiàn)了可以代替人力傳遞和裝卸工件的機械手，隨后在某些危險作業(yè)領(lǐng)域出現(xiàn)了由操作人員直接控制或遙控的操作機。工業(yè)機器手是在自動操作機根底上開展起來的一種能模仿人手臂的某些動作和控制功能，并按照可變的預(yù)定程序、軌跡和其他要求，操縱工具實現(xiàn)多種操作的自動化機械系統(tǒng)。1987年ISO〔國際標(biāo)準化組織〕采納了美國機器人協(xié)會〔RIA〕的建議，給機器人下了定義，即“機器人是一種可反復(fù)編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機；或者為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改編的和可編程的動作的專門系統(tǒng)。我國國家標(biāo)準GB/T12643-97將工業(yè)機器人定義為“工業(yè)機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機[5]?！惫I(yè)機械手大體按坐標(biāo)形式即操作機手臂在運動時所取的參考坐標(biāo)系的形式可分為：(1)直角坐標(biāo)式通過沿x-y-z三個互相垂直的直角坐標(biāo)的移動來實現(xiàn)末端執(zhí)行器〔手部〕空間位置的改變，即沿x軸的縱向移動，沿y軸的橫向移動和沿z軸的升降。這種機械手的位置精度高，控制無耦合，比擬簡單，避障性好，但占空比大〔即機器人機構(gòu)所占空間與動作空間之比〕，靈活性較差。(2)圓柱坐標(biāo)式通過兩個移動和一個轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)末端執(zhí)行器空間位置的改變。這種機械手的位置精度僅次于直角坐標(biāo)式，控制簡單，避障性好，但結(jié)構(gòu)龐大，兩個移動軸的設(shè)計較復(fù)雜，難與其他機械手協(xié)調(diào)工作。(3)球坐標(biāo)式又稱極坐標(biāo)式。機械手手臂運動由1個直線運動和2個轉(zhuǎn)動所組成，即沿x軸方向的伸縮，繞y軸的俯仰和繞z軸的回轉(zhuǎn)。機械手體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，其位置精度尚可，但避障性差，有平衡問題，位置誤差與臂長成正比，能與其他機械手協(xié)調(diào)工作。(4)關(guān)節(jié)坐標(biāo)式又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型，分為垂直關(guān)節(jié)坐標(biāo)和平面〔水平〕關(guān)節(jié)坐標(biāo)，機械手由立柱和大小臂組成，立柱與大臂通過肩關(guān)節(jié)相連接，立柱繞z軸旋轉(zhuǎn)，形成腰關(guān)節(jié)，大臂與小臂形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)和俯仰，小臂作俯仰。機械手工作空間范圍大，動作靈活，避障性好，能抓取靠近機座的物體，但位置精度較低，有平衡問題，控制耦合比擬復(fù)雜，目前應(yīng)用越來越多。機械手的驅(qū)動裝置用來驅(qū)動操作機工作，按動力源的不同可分為電動、液動和氣動三種，其執(zhí)行機構(gòu)電動機、液壓缸和氣缸可以與操作機直接相連，也可通過齒輪、諧波和鏈條裝置與操作機相連。控制系統(tǒng)用來控制工業(yè)機器人按規(guī)定要求動作，可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。本課題提出設(shè)計一種平面關(guān)節(jié)型機械手的模型，這種機械手的結(jié)構(gòu)緊湊，傳動原理簡單而實用，本錢低，重量輕，慣性小，精度高且在運行中具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。本論文在平面關(guān)節(jié)型機械手研制以及相關(guān)領(lǐng)域研究成果根底上，對機械手本體的機械結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，在確定了總體設(shè)計方案之后對整個機構(gòu)的傳動系統(tǒng)加以計算與校核。培養(yǎng)了自己獨立設(shè)計、計算、分析問題和解決問題的能力，使理論教學(xué)與設(shè)計實踐緊密結(jié)合起來；并且在不斷摸索改良以及指導(dǎo)老師的悉心指導(dǎo)下，使設(shè)計的圖紙能接近實際模型制作的要求，滿足相關(guān)課程實驗教學(xué)的需要。第2章總體方案設(shè)計本設(shè)計課題要求機械手完成水平面內(nèi)搬運運動，這包括XY平面運動，以及Z向上下運動。為了完成裝配作業(yè)，還要求手腕具有一定柔順性。這樣一來如果全部運動都設(shè)計成由機械手本體來完成，那么必然增加機械手本體復(fù)雜性，并會影響機械手位置精度。另一方面，這種機械手通用性差，本錢也高[3]。鑒于上述原因，同時考慮機械手應(yīng)具有良好的通用性，以保證這個課題完成后，所提供機械手技術(shù)，具有較好的產(chǎn)業(yè)化、商品化前景。所以，在設(shè)計中，本人把機械手設(shè)計成平面關(guān)節(jié)式機械手，具有四個自由度：兩個完成水平面內(nèi)回轉(zhuǎn)運動，一個完成Z軸上下運動，另一個完成繞Z軸旋轉(zhuǎn)運動。圖2-1機械手結(jié)構(gòu)示意圖2.1工業(yè)效勞機器手的傳動系統(tǒng)設(shè)計機械手驅(qū)動系統(tǒng)的比擬與選擇工業(yè)效勞機械手的驅(qū)動可分為液壓，氣動和電動三種根本類型。1．液壓驅(qū)動液壓傳動機械手有很大的抓取能力，抓取力可高達上百公斤，液壓力可達7Mpa，液壓傳動平穩(wěn)，動作靈敏，但對密封性要求高，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：〔1〕輸出功率很大，壓力范圍為50-140N/cm2〔2〕控制性能：利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級調(diào)速，反響靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。〔3〕結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機構(gòu)可標(biāo)準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量較大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較大。〔4〕液壓系統(tǒng)可實現(xiàn)自我潤滑，過載保護方便，使用壽命長。液壓驅(qū)動需配置液壓系統(tǒng)，易產(chǎn)生泄漏而影響運動精度。系統(tǒng)易發(fā)熱，出現(xiàn)故障后較難找出原因?！?〕適用于重載、低速驅(qū)動，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機械手、點焊機械手和托運機械手。2．氣壓驅(qū)動氣壓傳動機械手結(jié)構(gòu)簡單，動作迅速，價格低廉，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，只有幾十牛到百牛力。氣壓驅(qū)動具有以下特點：輸出功率大，壓力范圍為48-60N/cm2，最高可達100N/cm2控制性能：氣體壓縮性能大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實現(xiàn)高速高精度的連續(xù)軌跡控制。結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機構(gòu)可標(biāo)準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題小。適用于中小負載驅(qū)動，精度要求較低的有限點位程序控制機器人，如沖壓機械手本體的氣動平衡和及裝配機械手氣動夾具。3．電力驅(qū)動這種驅(qū)動是目前在工業(yè)機器手中用的最多的一種。早期多采用步進電動機〔SM〕驅(qū)動，后來開展了直流伺服電動機〔DC〕，現(xiàn)在交流伺服電動機〔AC〕驅(qū)動也開始廣泛應(yīng)用。上述驅(qū)動單元有的直接驅(qū)動機構(gòu)運動，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，反響靈敏，可實現(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、速度較高的機械手，如AC伺服噴涂機械手、點焊機械手、弧焊機械手、裝配機械手等。電力驅(qū)動可分為普通交流電動機驅(qū)動，交、直流伺服電動機驅(qū)動和步進電動機驅(qū)動。各種電機驅(qū)動的特點：〔1〕普通交、直流電動機驅(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械手。〔2〕直流伺服電動機：直流伺服電動機具有良好的啟動、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。直流伺服電動機按勵磁方式不同，有永磁式和電磁式之分；按轉(zhuǎn)速上下及轉(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有多種：無槽電樞直流伺服電動機，繞組鐵芯細長，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，轉(zhuǎn)動慣量很小，靈敏度更高，功率較?。挥≈评@組直流伺服電動機，可承受頻繁的起動、換向，切率中等。這類電動機的轉(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，受負載影響小，故可與絲杠直接連接，承受過載、重載能力強〕之分?！?〕交流伺服電動機：交流伺服電動機幾乎具有直流伺服電動機的所有優(yōu)點，且結(jié)構(gòu)簡單，制造、維護簡單，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，可到達更大的功率和更高的轉(zhuǎn)速。隨著計算機控制技術(shù)、電子技術(shù)的開展，交流伺服電動機已之泛取代直流伺服電動機?！?〕步進電動機：步進電動機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。步進電動機結(jié)構(gòu)簡單、控制簡便、價格較低，但易失步，具有轉(zhuǎn)子慣量低、反響靈敏、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，不需反響編碼器和相應(yīng)的電子線路。步進電動機輸出轉(zhuǎn)角與輸入脈沖個數(shù)成嚴格正比關(guān)系，轉(zhuǎn)子速度主要取決于脈沖頻率，故控制簡便。步進電動機系統(tǒng)主要由步進控制器、功率放大器及步進電動機組成。純硬件的步進電動機控制器由脈沖發(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電動機的各個繞組，使步進電動機按既定的方向和速度旋轉(zhuǎn)。假設(shè)采用微機技術(shù)，用軟件與硬件相結(jié)合，那么控制器不僅可在硬件上簡化線路，降低本錢，而且又提高可靠性。綜上所述，本機械手功率不高，轉(zhuǎn)速不高，又考慮到機械手的特點和步進電機的諸多優(yōu)點，故驅(qū)動方案應(yīng)首選步進電機。2.1.2傳動機構(gòu)的比照與分析工業(yè)機械手的傳動系統(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，提高其運動和位置精度。工業(yè)機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)機械手常用的傳動方式及其特點[13]?！?〕滾珠絲杠：傳動效率高，達，有利于主機的小型化和減輕勞動強度；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?！?〕同步帶：靠齒嚙合傳動，傳動比準確，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。廣泛應(yīng)用于各種機械傳動?！?〕齒輪傳動：傳動比大、范圍寬；元件少，體積小，重量輕；同時嚙合的齒數(shù)多，承載能力高；且誤差能互相補償，故運動精度高?？刹捎谜{(diào)整波發(fā)生器到達無側(cè)隙嚙合；運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪音低，傳動效率也比擬高，且傳動比大時，效率并不顯著下降，但主要零件—柔輪的制造工藝比擬復(fù)雜?！?〕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。綜上所述，由于腕部需進行Z向運動，且受徑向力很小，應(yīng)選用滾珠絲杠傳動；臂部需穩(wěn)定，高效的傳動，又考慮到結(jié)構(gòu)需簡單易拆卸，以及經(jīng)濟因素，所以選用同步帶傳動。日本開發(fā)的平面關(guān)節(jié)式裝配機器手是目前使用最廣泛的機械手，它專門用于垂直安裝作業(yè)，如在印刷電路中插入元器件的機械手，所以有四個關(guān)節(jié)：三個水平轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)一個垂直滑動關(guān)節(jié)就足夠了。機械手能抓取元部件在水平方向定位，在垂直方向進行插入作業(yè)。它的平面轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)可以“放松”使插入元件時可以順著孔的位置作微小調(diào)整，具有柔順性，因而稱為在選擇方向具有柔順性的安裝機械手，機械手在水平方向具有順應(yīng)性，垂直方向上具有很大剛性，適合于裝配作業(yè)使用。如圖1-1所示，兩個水平回轉(zhuǎn)臂類似人的手臂，假設(shè)在手部加水平方向的力，θ2軸就會作微小旋轉(zhuǎn)，順從地移位，這種移位對彈性變形力有吸收作用，從而可方便地進行軸與孔的裝配作業(yè)。2.2機械手總體設(shè)計方案的比擬確定方案一：圖2-2設(shè)計方案一如圖2-2所示：大臂擺動軸由兩級齒形帶減速后驅(qū)動，小臂擺動軸同樣用兩級齒形帶減速后驅(qū)動。垂直升降軸經(jīng)一級齒形帶減速后再由齒輪驅(qū)動齒條作垂直運動。手部回轉(zhuǎn)軸直接由步進電動機驅(qū)動。其結(jié)構(gòu)設(shè)計特點如下：(1)采用步進電動機驅(qū)動雖然其動力特性不如直流伺服電動機，但由于該機器人負載較小，速度不高，同時又采用了適宜的加減速方案，因而使其能滿足操作要求，并使系統(tǒng)本錢大為降低。(2)第一和第二個自由度均采用兩級齒形帶傳動，這是常用的減速方法，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動比恒定，傳動效率較高，功率大，工作可靠，但需占用一定的空間。(3)升降軸為齒條傳動，根本具備齒輪傳動的特點，為減少驅(qū)動功率的消耗，設(shè)置了拉力彈簧平衡系統(tǒng)。(4)根據(jù)裝配作業(yè)的，點位控制即可滿足操作要求。方案二：圖2-3設(shè)計方案二結(jié)構(gòu)特點如下(1)采用步進電動機驅(qū)動雖然其動力特性不如直流伺服電動機，但由于該機器人負載較小，速度不高，同時又采用了適宜的加減速方案，因而使其能滿足操作要求，并使系統(tǒng)本錢大為降低?！?〕各自由度獨立采用電動機聯(lián)接諧波減速器，設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，且具有小體積，大轉(zhuǎn)矩，高減速比的優(yōu)點。〔3〕大小臂結(jié)構(gòu)簡單；第三關(guān)節(jié)采用絲杠螺母傳動從而把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，并且具有自鎖功能。方案三：圖2-4設(shè)計方案三DD驅(qū)動結(jié)構(gòu)特點如下：電動機直接驅(qū)動各自由度的軸，消除了減速裝置。同傳統(tǒng)的電動機伺服驅(qū)動相比，DD驅(qū)動減少了減速機構(gòu)，從而減少了系統(tǒng)傳動過程中減速機構(gòu)所產(chǎn)生的間隙和松動，極大地提高了機械手的精度，同時也減少了由于減速機構(gòu)的摩擦及傳送轉(zhuǎn)矩脈動所造成的機械手控制精度降低。而DD驅(qū)動由于具有上述優(yōu)點，所以機械剛性好，可以高速高精度動作，且具有部件少、結(jié)構(gòu)簡單、容易維修、可靠性高等特點。作為DD驅(qū)動技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是DD電動機及其驅(qū)動器。它應(yīng)具有以下特性：出轉(zhuǎn)矩大：為傳統(tǒng)驅(qū)動方式中伺服電動機輸出轉(zhuǎn)矩的50～100倍?！?〕轉(zhuǎn)矩脈動?。篋D電動機的轉(zhuǎn)矩脈動可抑制在輸出轉(zhuǎn)矩的5％～10％以內(nèi)。〔3〕效率：與采用合理阻抗匹配的電動機〔傳統(tǒng)驅(qū)動方式下〕相比，DD電動機是在功率轉(zhuǎn)換較差的使用條件下工作的。因此，負載越大，越傾向于選用較大的電動機。DD驅(qū)動的優(yōu)點是摩擦力矩小，機械剛度高，消除間隙，轉(zhuǎn)子慣性小。存在的問題是：由于由電動機直接驅(qū)動，因此使得電動機必須有低轉(zhuǎn)速高扭矩的要求，這樣的電機在市場上的售價相比照擬高。方案四：圖2-5設(shè)計方案四如圖2-6所示：機器人關(guān)節(jié)均選用步進電機驅(qū)動。大臂轉(zhuǎn)動采用諧波減速器作為減速機構(gòu)；小臂轉(zhuǎn)動采用二級同步齒形帶減速；腕部升降采用絲杠螺母傳動；手腕轉(zhuǎn)動用步進電機直接驅(qū)動。這個設(shè)計方案的特點是：第一個關(guān)節(jié)傳動采用的諧波減速器具有小體積，大轉(zhuǎn)矩，高減速比的優(yōu)點。第二個關(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)采用絲杠螺母傳動從而把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，并且具有自鎖功能。比擬四種方案，方案一結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜而且空間布局不夠合理，零部件過多，整個裝置有很多齒輪，這就增加了本錢，而且加工困難。同時第三自由度采用了齒輪及齒輪齒條傳動，所以需要平衡裝置，不能自鎖。方案二增加了第二自由度處的轉(zhuǎn)動慣量，使系統(tǒng)平衡性變差。另外，大臂小臂的結(jié)構(gòu)過于薄弱，易產(chǎn)生變形。方案三存在的問題是由電動機直接驅(qū)動，因此使得電動機必須有低轉(zhuǎn)速高扭矩的要求，這樣的電機在市場上的售價相比照擬高，方案不夠經(jīng)濟實惠；方案四結(jié)構(gòu)比擬簡單，第一自由度采用諧波減速器體積小，重量輕，定位安裝方便，從而節(jié)省了空間，而且減速比大，承載能力大，效率高，噪聲小。同時第二自由度采用的同步齒形帶充分利用了大臂的空間，也使結(jié)構(gòu)更為緊湊。驅(qū)動系統(tǒng)方面，驅(qū)動裝置全部選用步進電動機，符合設(shè)計的要求。傳動系統(tǒng)方面，升降軸絲杠有自鎖功能省去了同類機械手設(shè)計中常用的平衡裝置，由于手腕的升降電機放在小臂的頂端，直接與絲杠聯(lián)接，簡化了結(jié)構(gòu)，提高了精度。此外方案四的標(biāo)準件多，零部件少且容易加工，也降低了本錢。綜合考慮，由于方案四傳動鏈簡單，傳動精度高，應(yīng)選擇此種方案為最終方案。觀察初步設(shè)計方案〔圖1-5〕，考慮到小臂懸置于第二自由度軸上，這樣就增加了大臂末端的負重，使得彎矩過大，容易造成整體機構(gòu)的變形，為了使方案更加完善，本人對設(shè)計圖又做了修改如圖1-6，在第二自由度軸上下兩端用兩塊合金板將小臂與大臂連接在一起，從而完成了整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計。圖2-6總體方案第3章步進電機的選擇及其校核計算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，而且本錢低廉；通常不需要反響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和保持轉(zhuǎn)矩的能力，這對于控制系統(tǒng)的定位是有利的，適于傳動功率不大的關(guān)節(jié)或小型機械手。3.1主要技術(shù)參數(shù)確定圖3-1機械手手臂的重量分布如圖3-1所示，設(shè)各局部的尺寸和重量如下：1.大臂的第一和第二關(guān)節(jié)軸之間的距離為348mm，質(zhì)量為M1(4kg左右)，重心在距離第一關(guān)節(jié)軸143mm處，L1=143mm。2.小臂的第二和第三關(guān)節(jié)軸之間的距離為194mm，質(zhì)量為M2(1kg左右)，重心在距第二關(guān)節(jié)軸97mm處，L2=348+97=445mm。3.腕部升降裝置及最大物重合計為M3(30kg左右)，重心在距第二關(guān)節(jié)軸194mm處，L3=348+194=542mm。L4=97mm(小臂重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離)。L5=194mm(腕部重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離)。該機械手的根本技術(shù)參數(shù)如下：大臂回轉(zhuǎn)：，小臂回轉(zhuǎn)：，手腕升降：120mm，30mm/s手腕回轉(zhuǎn)：，大臂小臂連接處回轉(zhuǎn)：，負載重量：294N3.2各自由度步進電機的選擇本機械手前兩個自由度是平面旋轉(zhuǎn)，假設(shè)軸承是光滑的，那么旋轉(zhuǎn)所需的靜轉(zhuǎn)矩比擬小。因為將臂伸開呈一條直線時轉(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)矩缺乏。如圖3-1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〔3.1〕其中：M1，M2，M3分別為4Kg，1Kg，4Kg；L1，L2，L3分別為143mm，445mm，542mm。JG1〈〈M1L12、JG2〈〈M2L22、JG3〈〈M3L32，故可忽略不計，以繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量為：J1=M1L12+M2L22+M3L32(3.2)=4×0.1432+1×0.4452+4×0.54222同理可得小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量：M2=1Kg，L4=97mm；M3=4Kg，L5=194mm。J2=M2L42+M3L52(3.3)=1×0.0972+4×0.19422第一自由度步進電機的選擇設(shè)大臂速度為，那么旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下：式中：T-旋轉(zhuǎn)開始時轉(zhuǎn)矩N.mJ–轉(zhuǎn)動慣量kg.m2-角加速度rad/s2使機械手大臂從到所需的時間為：那么：(3.4)假設(shè)考慮繞機器人手臂的各局部重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，那么旋轉(zhuǎn)開始時的啟動轉(zhuǎn)矩可假定為10N.m，取平安系數(shù)為2，那么諧波減速器所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為：(3.5)選擇諧波減速器：⑴型號：XB3-50-120〔XB3型扁平式諧波減速器〕額定輸出轉(zhuǎn)矩：20N.m減速比：i1=120設(shè)諧波減速器的的傳遞效率為：，步進電機應(yīng)輸出力矩為：(3.6)選擇BF反響式步進電機型號：55BF003步距角：1.5°第二自由度步進電機的選擇原理同上，設(shè)小臂轉(zhuǎn)速，角速度從0加到所需加速時間，那么同步帶應(yīng)輸出轉(zhuǎn)矩為：(3.7)設(shè)平安系數(shù)為2，同步帶減速比i=10，同步帶傳動效率為：〔單級傳動〕。那么電機所需輸出力矩為：(3.8)選擇反響式步進電機型號：45BF005Ⅱ靜轉(zhuǎn)矩：步距角：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=35N絲杠根本參數(shù)選擇：螺距：P=2mm公稱直徑：d=10mm摩擦系數(shù)：f=0.1螺旋升角為:λ=arctgp/πd2=3.834°(3.9)當(dāng)量摩擦角為:ρ=tg-1f’=5.911°(3.10)螺紋阻力矩為：(3.11)螺紋所受摩擦力矩：(3.12)式中:f-摩擦系數(shù),取0.1Dm-支撐面平均直徑,取螺母內(nèi)外徑的一半,既(10+40)/2=25mm絲杠所受力矩為阻力矩與摩擦力矩之和，即：T=T1+T2(3.13)平安系數(shù)取2，那么電機所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為：(3.14)選擇反響式步進電機型號：70BF003靜轉(zhuǎn)矩：步距角：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(dāng)量半徑為R=50mm，那么轉(zhuǎn)動慣量為：(3.15)式中：m-手爪及物體總重量，設(shè)為30kg，代入數(shù)據(jù)：J32設(shè)轉(zhuǎn)速為：，加速時間，得電機輸出轉(zhuǎn)矩為：(3.16)選擇電機型號：45BF005Ⅱ靜轉(zhuǎn)矩：步距角：1.5°第五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(dāng)量半徑為R=80mm，那么轉(zhuǎn)動慣量為：(3.15)式中：m-手爪及物體總重量，設(shè)為20kg，代入數(shù)據(jù)：J32設(shè)轉(zhuǎn)速為：，加速時間，得電機輸出轉(zhuǎn)矩為：(3.16)選擇電機型號：45BF005Ⅱ靜轉(zhuǎn)矩：步距角：1.5°3.3第一自由度軸傳動系統(tǒng)的計算與校核第一自由度軸的等效轉(zhuǎn)動慣量的計算z方向的轉(zhuǎn)動慣量為由估算知諧波減速器轉(zhuǎn)動慣量。從資料查得55BF003步進電機轉(zhuǎn)子慣量為JD12。因此，自由度θ1傳動系統(tǒng)上所有慣量折算到電機軸1上的等效轉(zhuǎn)動慣量:(3.17)說明：(1)電機軸的轉(zhuǎn)子慣量和諧波減速器慣量之半〔輸入局部〕的和；(2)諧波減速器慣量之半〔輸出局部〕折算到電機軸時除以i2；(3)Z方向上的轉(zhuǎn)動慣量折算到電機軸時除以i2。根據(jù)初選的i=120，那么2。3.3.2步進電機1的校核根據(jù)公式，電機空載啟動力矩為:(3.18)因為本設(shè)計中第一自由度沒有采用滾珠絲杠副傳動，所以絲杠預(yù)緊附加摩擦力矩等于零，即M0=0。設(shè)摩擦力矩可忽略不計，那么僅剩加速力矩項，即(3.19)(3.20)式中：傳動系統(tǒng)各部件慣量折算到電機軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量2；運動部件最大快進速度；運動部件從靜止啟動加速到最大快進速度所需的時間t=0.1s。所以電機最大轉(zhuǎn)速為：那么:所以:(3.21)電機名義啟動力矩，三相六拍運行，通過查表得電機最大靜轉(zhuǎn)矩，所以Mkq<Mmq，初選電機滿足最大靜轉(zhuǎn)矩校核要求。3.4第二自由度軸傳動系統(tǒng)計算與校核第二自由度等效轉(zhuǎn)動慣量的計算z軸的轉(zhuǎn)動慣量為:=m2L42+m3L522=1680kg2(3.22)從資料查得45BF005Ⅱ步進電機轉(zhuǎn)子慣量為JD22。根據(jù)初選的i=10，那么自由度θ2傳動系統(tǒng)上所有慣量折算到電機軸2上的等效轉(zhuǎn)動慣量為：(3.23)3.4.2步進電機2的校核根據(jù)公式：電機空載啟動力矩為(3.24)因為第二自由度沒有采用滾珠絲杠副傳動，所以絲杠預(yù)緊附加摩擦力矩等于零，即M0=0。設(shè)摩擦力矩可忽略不計，那么僅剩加速力矩項，即式中：傳動系統(tǒng)各部件慣量折算到電機軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量2；運動部件最大快進速度；運動部件從靜止啟動加速到最大快進速度所需的時間t=0.2s。所以電機最大轉(zhuǎn)速為：(3.25)那么:(3.26)所以:(3.27)電機名義啟動力矩，三相六拍運行，通過查表得電機最大靜轉(zhuǎn)矩，所以(3.28)Mkq<Mmq，初選電機滿足最大靜轉(zhuǎn)矩校核要求。3.5第三自由度軸傳動系統(tǒng)的計算與校核第三自由度等效轉(zhuǎn)動慣量的計算電機3轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量JD32絲杠轉(zhuǎn)動慣量：(3.29)移動質(zhì)量折算到絲杠軸的等效轉(zhuǎn)動慣量為：(3.30)移動件質(zhì)量為=30kg，傳動系統(tǒng)各運動部件慣量折算到電機3軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量為：〔傳動比i=1〕(3.31)3.5.2步進電機3的校核電機空載啟動力矩為：其中加速力矩:(3.32)電機最大轉(zhuǎn)速為絲杠最大轉(zhuǎn)速的i倍，即nmax=ins，絲杠最大轉(zhuǎn)速ns為ns=vs/p=15r/s=450r/min(3.33)所以，加速時間t=0.1s，那么Mka。絲杠預(yù)緊附加摩擦力矩：(3.34)預(yù)緊力FYJ=Fm/3=37.625/3=12.54N；L0=0.2cm；傳動總效率；杠未預(yù)緊時傳動效率：；那么M0空載摩擦力矩很小，設(shè)為2M0，即Mkf=2M0因此，空載啟動力矩：Mkq(3.35)滿足最大靜轉(zhuǎn)矩校核，因為第四、第五自由度軸的計算與校核方法類同于第一軸和第二軸，這里從略。第4章系統(tǒng)整體的設(shè)計與校核4.1同步齒形帶傳動設(shè)計由上可知，同步帶輸出轉(zhuǎn)矩為：，輸出轉(zhuǎn)速為：，單級傳動效率為：η=85%，傳動比i=10，取平安系數(shù)k=3，那么同步帶傳遞功率為：(4.1)設(shè)傳動比分配為：第一級傳動比i1=5，第二級傳動比i2=2。帶輪依次為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ。Ⅳ輪轉(zhuǎn)速：n4=15°/s=2.5r/minⅡ，Ⅲ輪轉(zhuǎn)速：n2=n3=i2n4=2×2.5=5r/minⅠ輪轉(zhuǎn)速:n1=in4=10×2.5=25r/min設(shè)中心距:L1=100mm，L2=250mm求出設(shè)計功率由文獻查得載荷修正系數(shù)k0=1.6，因未使用張緊輪，又是減速運動，故附加修正系數(shù)均為零，那么：(4.2)選擇帶的節(jié)距由Pd=0.384W和n1=25r/min，查得帶的節(jié)距代號為XL，對應(yīng)的節(jié)距為Pb=5.08mm。確定帶輪直徑和帶節(jié)線長帶輪Ⅰ最小許用齒數(shù)可取10，考慮到制造和安裝等因素，取Z1=13。那么:Z2=i1Z1=5Z1=65(4.3)根據(jù)標(biāo)準系列，取Z2=60同理可得：Z3=17，Z4=40重新計算傳動比：(4.4)(4.5)(4.6)由公式可以計算各帶輪的直徑，，選擇帶長Lp帶長計算公式：(4.7)式中：L–中心距mmLp–帶長mmd1，d2–配合帶輪直徑mm代入數(shù)據(jù)計算可得：同理：按表選擇最接近算值的標(biāo)準帶長：Lp1=406.4mm，代號160，齒數(shù)80Lp2=635mm，代號250，齒數(shù)125近似計算中心距(4.8)式中：(4.9)L–中心距mmPb–節(jié)距，這里為5.08mmZb–帶齒數(shù)，這里Zb1=80，Zb2=125Z2、Z1為配合帶輪齒數(shù)，那么：M1==55.245mm，L1==103.515mm取整，那么L1=103mm同理M2=122.555mm，L2=244.401mm取整，那么L2=245mm進行標(biāo)準帶寬的選擇1．小帶輪Ⅰ齒數(shù)Z1=13，轉(zhuǎn)速為n1=25r/min。由內(nèi)插法得XL型帶的基準寬度bs0=9.5mm，基準額定功率為P0=1.25W2．計算同步帶傳動的嚙合齒數(shù)Zm(4.10)那么嚙合系數(shù)為Kz=1-0.2〔6-Zm〕=0.8(4.11)3．同步帶寬bs(4.12)選擇標(biāo)準帶寬bs=7.9mm，代號0314．確定帶寬系數(shù)(4.13)5．確定額定功率(4.14)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：兩級同步帶類型均為XL型同步齒型帶Pb=5.08mm，帶寬bs=7.9mm一級同步帶齒數(shù)：Zp1=80，帶長：Lp1=402mm，代號160二級同步帶齒數(shù)：Zp2=125，帶長：Lp2=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傳動中心距：L1=103mm，L2=245mm圖4-1機械手大臂機構(gòu)圖4.2各輸出軸的設(shè)計各軸的材料均選用45號鋼，軸的許用扭剪應(yīng)力[τ]=30MPa，由許用應(yīng)力確定的系數(shù)為C=120。機身輸出軸設(shè)計此軸傳遞扭矩T=20N.m，轉(zhuǎn)速ω=30°/s，那么傳遞功率為：(4.15)(4.16)(4.17)與諧波減速器連接局部軸徑最小，由于它承受了大臂、小臂、腕部及負載所帶來的彎距，另外減速器的軸頸較大，故d的值可取大一些，這里取d=30mm；軸承局部Φ=40mm，軸承選為7208ACGB/292角接觸球軸承，其余根據(jù)結(jié)構(gòu)確定。由于載荷不大，軸承選的較大，強度足夠，這里不再詳算。4.2.2大臂輸出軸設(shè)計此軸的設(shè)計功率為，轉(zhuǎn)速ω=15°/s，那么：(4.18)最小軸徑在兩臂連接處，有鍵槽，承受一定彎矩，軸徑選用Φ16，軸承局部選用軸徑Φ17其余按結(jié)構(gòu)確定。軸承選為單列角接觸球軸承，型號為7003ACGB/292，另外考慮到此軸的軸向定位，故兩個軸端設(shè)計成螺紋狀，通過兩個圓螺母進行軸向的定位與緊固，螺紋直徑為M14，其余根據(jù)結(jié)構(gòu)確定。4.2.3大臂與小臂連接軸設(shè)計此軸傳遞扭矩T=8N.m，轉(zhuǎn)速ω=30°/s，那么傳遞功率為：(4.15)(4.16)(4.17)由于它承受了小臂、腕部及負載所帶來的彎距，故d的值可取大一些，這里取d=25mm；軸承局部Φ=30mm，軸承選為7206ACGB/292角接觸球軸承，其余根據(jù)結(jié)構(gòu)確定。由于載荷不大，軸承選的較大，強度足夠，這里不再詳算。4.2.4帶輪軸設(shè)計此軸傳遞的扭矩為：(4.19)此軸的轉(zhuǎn)速為ω=30°/s，那么傳遞功率為：(4.20)(4.21)(4.22)由于軸上有鍵槽，且承受一定彎矩，故取d=15mm，軸承處軸頸取為Φ=12mm。軸承選為軸承選為單列角接觸球軸承型號為7002ACGB292。升降軸設(shè)計升降軸上為滾珠絲杠螺母副，故需設(shè)計成空心軸，主要承受軸向拉力，取絲杠內(nèi)徑d=14mm，絲杠外徑D=18mm，用兩光杠與一直線軸承導(dǎo)向，絲杠采用一對面對面角接觸球軸承支撐，軸承局部軸徑選用Φ12，軸承型號為7201ACGB/292。光桿采用Φ5鋼棒，與升降軸同一平面平行放置。圖4-2升降軸導(dǎo)向示意圖絲杠傳遞扭矩，那么光杠所受圓周力(4.23)那么光杠所受徑向力為(4.24)光杠撓度最大值：(4.25)式中：L-光杠長度120mmE-彈性模量200GpaI-慣性矩將數(shù)據(jù)代入得：(4.26)由變形量可知，光杠變形較小，剛度足夠。4.3滾珠絲杠副校核滾珠絲杠副初選為外循環(huán)插管式，預(yù)緊方式為雙螺母墊片式預(yù)緊，導(dǎo)珠管埋入式，公稱直徑dm=10mm，導(dǎo)程〔螺距〕L0=2mm，螺紋旋向為右旋，定位滾珠絲杠副，精度等級為3級，絲杠螺紋長度157mm，絲杠總長度L=234mm，滾珠絲杠副型號VFC〔Z〕1002-2.5最大工作載荷計算絲杠軸向承載總和為：Fz=35N，沿Z軸方向，即絲杠軸向。因此，滾珠絲杠副的進給牽引力，即最大工作載荷Fm為Fm=Fz+fFy。設(shè)橫向工作載荷為:Fy=0.5Fz=17.5N(4.27)導(dǎo)桿和軸套之間的摩擦系數(shù)f=0.15。因此，絲杠最大工作載荷為:(4.28)最大動負載C的計算與校核滾珠絲杠最大動負載(4.29)式中：L為工作壽命，L=60nt/106；n為絲杠轉(zhuǎn)速，n=1000v/L0；v為最大切削力條件下的進給速度〔m/min〕，因為最高進給速度vmax=30mm/s=1.8m/min所以:(4.30)t為額定使用壽命(h)，可取t=15000h；fm為運轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，無沖擊取1.2。因此，(4.31)(4.32)查得型號VFC〔Z〕1002-2.5的滾珠絲杠副的額定動負載Ca=10470N。Ca>C，可知動負載校核足夠，余度很大。傳動效率計算(4.33)根據(jù)初選滾珠絲杠型號從表中查得螺旋升角，摩擦角，那么，傳動效率較高。剛度計算1.絲杠的拉壓變形量:(4.34)式中：Fm為絲杠的工作載荷(N)；L為滾珠絲杠在支承間的受力長度，取L=157mm；；絲杠底徑d1近似于外徑與滾珠直徑之差，即d1=d-dw，絲杠外徑d=d0-0.2dw，絲杠公稱直徑d0=10mm，滾珠直徑dw由表查得dw=1.587mm，因此，絲杠底徑d1=9.682-1.587=8.095mm，截面積。于是拉壓變形量為:(4.35)該變形量可忽略不計，因工作載荷很小，滾道接觸變形量從略。2.大臂與小臂連接軸的彎曲變形量:(4.34)式中：F為連接軸的工作載荷(N)；為連接軸在支承間的受力長度，取=36mm；；I為截面慣性矩，連接軸在大小臂之間的有效軸徑為30mm，因此，有圓形截面慣性矩公式可得：I=于是彎曲變形量為:(4.35)因工作載荷較小且變形量較小，所以該變形量可忽略不計，即剛度值滿足要求。絲杠穩(wěn)定性驗算絲杠臨界壓縮載荷：(4.36)E為絲杠材料彈性模量，對于鋼：；I為慣性截面矩，對絲杠圓截面(d1為絲杠底徑)；L為絲杠最大工作長度，這里L(fēng)=157mm；fz為絲杠支承方式系數(shù)，采用一端固定一端自由的支撐方式，fz=0.25；因此：。(4.37)取絲杠穩(wěn)定平安系數(shù)nw=4那么：(4.38)故絲杠穩(wěn)定。4.4機械身的設(shè)計機身局部采用高強，輕質(zhì)的鑄造鋁合金材料以減輕重量，圓形結(jié)構(gòu)。大臂殼體采用鑄鋁，方形結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，強度大。小臂外殼采用鑄鋁，圓柱形結(jié)構(gòu)。4.5其他局部結(jié)構(gòu)設(shè)計機身輸出軸通過一聯(lián)軸器與諧波減速器連接，同時手臂升降電機與升降軸之間也通過聯(lián)軸器相連接。帶輪1以螺釘與電機軸相連，如圖3-3。帶輪2通過軸肩與套桶保證其軸向的定位，帶輪3通過軸肩與套筒進行軸向定位，另外以一鍵進行周向的定位如圖3-4。帶輪4的定位是通過銷與套筒完成的，如圖3-5。小臂分別在大臂輸出軸的兩端與大臂相連，通過兩鍵實現(xiàn)周向定位，其他局部具體的尺寸與結(jié)構(gòu)在這里不一一表達，詳見圖紙。圖4-3帶輪1與電機的連接圖4-4帶輪2和帶輪3與帶輪軸的連接圖4-5帶輪4與大臂輸出軸的連接第5章控制系統(tǒng)設(shè)計控制系統(tǒng)一般由控制計算機和伺服控制器組成。前者發(fā)出指令協(xié)調(diào)各關(guān)節(jié)驅(qū)動器之間的運動，同時還要完成編程、示教/再現(xiàn)以及和其他環(huán)境狀況〔傳感器信息〕、工藝要求、外部相關(guān)設(shè)備之間的信息傳遞和協(xié)調(diào)工作。后者控制各關(guān)節(jié)驅(qū)動器，使各桿按一定的速度、加速度和位置要求進行運動。圖5-1機械手開環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖SCARA機器人的控制結(jié)構(gòu)中，其機械本體采用四自由度的形式，各關(guān)節(jié)均采用混合式步進電動機作為驅(qū)動裝置。機器人步進電機的運動控制器采用自行研制的控制卡，同時實時地控制SCARA機器人的四軸聯(lián)動?？刂瓶ㄅc計算機之間進行通訊，接受用戶的指令(運動控制程序)輸入并且實時的進行數(shù)據(jù)處理，從而完成需要完成的任務(wù)或作業(yè)。在整個控制結(jié)構(gòu)中，運動控制卡控制四個關(guān)節(jié)的電機的運動，計算機負責(zé)協(xié)調(diào)用戶與控制器之間通訊。圖4-1即為本SCARA機器人的控制系統(tǒng)圖。5.1機器人控制的特點機器人的控制技術(shù)與傳統(tǒng)的自動機械控制相比，沒有根本的不同之處。然而，機器人控制系統(tǒng)一般是以機器人的單軸或多軸運動協(xié)調(diào)為目的的控制系統(tǒng)。其控制結(jié)構(gòu)要比一般自動機械的控制復(fù)雜得多，與一般的伺服系統(tǒng)或過程控制系統(tǒng)相比，機器人控制系統(tǒng)有如下特點:1、傳統(tǒng)的自動機械是以自身的動作為重點，而機器人的控制系統(tǒng)更著重本體與操作對象的相互關(guān)系。無論以多么高的精度控制手臂，假設(shè)不能夾持操作物體到達目的位置，作為機器人來說，那就失去了意義，這種相互關(guān)系是首要的。2、機器人的控制與機構(gòu)運動學(xué)及動力學(xué)密切相關(guān)。根據(jù)給定的任務(wù)，經(jīng)常要求解運動學(xué)正問題和逆問題，因此，往往要根據(jù)需要，選擇不同的基準坐標(biāo)系，并作適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換。而且還因機器人各關(guān)節(jié)之間慣性力、哥氏力的耦合作用以及重力負載的影響使問題復(fù)雜化，所以使機器人控制問題也變得復(fù)雜。3、即使一個簡單的機器人也至少有3-5個自由度。每個自由度一般包含一個伺服機構(gòu)，多個獨立的伺服系統(tǒng)必須有機地協(xié)調(diào)起來，組成一個多變量的控制系統(tǒng)。所以，機器人的控制，一般是一個計算機控制系統(tǒng)，計算機軟件擔(dān)負著艱巨的任務(wù)。4、描述工業(yè)機器人狀態(tài)和運動的數(shù)學(xué)模型是一個非線性模型，隨著狀態(tài)的變化，其參數(shù)也在變化，各變量之間還存在耦合。因此，僅僅是位置閉環(huán)是不夠的，還要利用速度，甚至加速度閉環(huán)。系統(tǒng)中還經(jīng)常采用一些控制策略，比方重力補償、前饋、解耦基于傳感信息的控制和最優(yōu)PID控制等。5、機器人還有一種特有的控制方式：示教再現(xiàn)控制方式。當(dāng)要機器人完成某作業(yè)時，可預(yù)先移動機器人的手臂，來示教該作業(yè)順序、位置以及其它信息，在執(zhí)行時，依靠機器人的動作再現(xiàn)功能，可重復(fù)進行該作業(yè)。總而言之，機器人控制系統(tǒng)是一個與運動學(xué)和動力學(xué)原理密切相關(guān)的、有耦合的、非線性的多變量控制系統(tǒng)。隨著實際工作情況的不同，可以采用各種不同的控制方式，從簡單的編程自動化，微處理機控制到小型計算機控制等。5.2機器人控制的分類點位控制(PTP)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(biāo)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。連續(xù)軌跡控制(CP)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)。弧焊、噴漆和檢測機器人等均屬連續(xù)軌跡控制方式。結(jié)論工業(yè)機械手的誕生和機器人學(xué)的建立，無疑是20世紀人類科學(xué)技術(shù)的重大成就。開發(fā)機械手柔性裝配系統(tǒng)可以大幅度提高生產(chǎn)柔性和生產(chǎn)率，縮短生產(chǎn)周期，保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低本錢，獲得明顯的經(jīng)濟效益。裝配機械手是機械手柔性裝配系統(tǒng)重要的組成局部，也是柔性裝配系統(tǒng)的特征。是以柔性制造技術(shù)和柔性裝配技術(shù)為代表的先進制造技術(shù)，滿足了多品種、小批量的產(chǎn)品個性化的市場需求，把人從繁重的重復(fù)勞動中解放出來，降低了產(chǎn)品本錢，縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，提高了市場的競爭能力。裝配機械手是典型的機電一體化產(chǎn)品和重要的先進制造裝備[16]。在對課題進行了深入了解后，本文對平面關(guān)