【正文】 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。 （ 4） 適用于 中小負(fù)載驅(qū)動，精度要求較低的有限點位程序控制機(jī)器人，如沖壓機(jī)械手 本體的氣動平衡和及裝配機(jī)械手 氣動夾具。 2．氣壓驅(qū)動 氣壓傳動機(jī)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 ，因而抓取力小，只有幾十牛到百牛力。 （ 4）液壓系統(tǒng)可實現(xiàn)自我潤滑，過載保護(hù)方便，使用壽命長。 1．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)。另一方面，這種機(jī)械手 通用性差，成本也高 [3]。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；并且在不斷摸索改進(jìn)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。 機(jī)械手 的驅(qū)動裝置用來驅(qū)動操作機(jī)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(jī)構(gòu)電動機(jī)、液壓缸和氣缸可以與操作機(jī)直接相連，也可通過齒輪、諧波和鏈條裝置與操作機(jī)相連。機(jī)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)。這種機(jī)械手 的位置精度高，控制無耦合，比較簡單，避障性好，但占空比大（即機(jī)器人機(jī)構(gòu)所占空間與動作空間之比），靈活性較差。工業(yè)機(jī)器手 是在自動操作機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)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(jī)械系統(tǒng)。機(jī)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。本文設(shè)計的 SCARA 機(jī)器人具有以下特點：通用性好、體積小、重量輕、外形美觀、成本低，對其本體的可行方案進(jìn)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(jī)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(jī)械手簡單可靠的傳動方案。現(xiàn)今，機(jī)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(jī)械手中，平面關(guān)節(jié)型裝配機(jī)械手（即SCARA 型）是應(yīng)用最廣泛的一種裝配機(jī)械手。該電機(jī)的多個關(guān)節(jié)均采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，具有控制簡單、成本低的特點。機(jī)器人工業(yè)已成為世界各國備受關(guān)注的產(chǎn)業(yè)。 1987 年 ISO（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織）采納了美國機(jī)器人協(xié)會（ RIA）的建議，給機(jī)器人下了定義，即 ―機(jī)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(jī)；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)。 (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。機(jī)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(jī)械手 協(xié)調(diào)工作。控制系統(tǒng)用來控制工業(yè)機(jī)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)。 3 第 2 章 總體方案設(shè)計 本設(shè)計課題要求機(jī)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。 鑒于上述原因，同時考慮機(jī)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(jī)械手 技術(shù)，具有較好的產(chǎn)業(yè)化、商品化前景 。 液壓驅(qū)動有以下特點： （ 1）輸出功率很大，壓力范圍為 50140N/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，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。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。 氣壓驅(qū)動具有以下特點： （ 1） 輸出功率大，壓力范圍為 4860N/cm2，最高可達(dá) 100N/cm2 （ 2） 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。 3．電力驅(qū)動 這種驅(qū)動是目前在工業(yè)機(jī)器 手 中用的最多的一種。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、點焊機(jī)械手、弧焊機(jī)械手、裝配機(jī)械手 等。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??；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。 （ 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。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)的各個繞組，使步進(jìn)電動機(jī)按既定的方向和速度旋轉(zhuǎn)。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 [13]。 （ 3）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(bǔ)償，故運動精度高。 日本開發(fā)的 平面關(guān)節(jié)式裝配機(jī)器手是目前使用最廣泛的機(jī)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(jī)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(jī)械手 總體設(shè)計方案的比較確定 方案一 ： 圖 22 設(shè)計方案一 如圖 22 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。 (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。 （ 2）各自由度獨立采用電動機(jī)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。而 DD 驅(qū)動由于具有上述優(yōu)點，所以機(jī)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。 （ 3）效率：與采用合理阻抗匹配的電動機(jī)（傳統(tǒng)驅(qū)動方式下）相比， DD電動機(jī)是在功率轉(zhuǎn)換較差的使用條件下工作的。 方案四： 大臂小臂 絲杠螺母諧波減速器同步帶 圖 25 設(shè)計方案四 如圖 26 所示：機(jī)器人關(guān)節(jié)均選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。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。另外，大臂小臂的結(jié)構(gòu)過于單薄，易產(chǎn)生變形。傳動系 統(tǒng)方面，升 降軸絲杠有 10 自鎖功能省去了同類機(jī)械手 設(shè)計中常用的平衡裝置，由于手腕的升降電機(jī)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。 大臂小臂絲杠螺母諧波減速器同步帶 圖 26 總體方案 11 第 3 章 步進(jìn)電機(jī)的選擇及其校核計算 步進(jìn)電機(jī)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(jìn)行控制；位置誤差不會積累；步進(jìn)電機(jī)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(jī)械手 。 L4=97mm(小臂重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離 )。如圖 31所示，設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動慣量分別為 JG JG 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 （ ） 其中： M1， M2， M3分別為 4Kg， 1Kg， 4Kg； L1， L2， L3分別為 143mm，445mm， 542mm。則電機(jī)所需輸出力矩為： mNi TT out . 2222 ?????? ? () 選擇反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 型號： 45BF005Ⅱ 靜轉(zhuǎn)矩： 步距角： ? 第三自由度步進(jìn)電機(jī)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 基本參數(shù)選擇： 螺距： P=2mm 公稱直徑： d=10mm 摩擦系數(shù)： f= 螺旋升角為 : λ=arctgp/πd2=176。 第五自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇 腕部旋轉(zhuǎn)直接用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，設(shè)手爪及物體的最大當(dāng)量 半徑為 R=80mm，則轉(zhuǎn)動慣量為： 23 21mRJ ? () 式中： m 手爪及物體總重量，設(shè)為 20kg，代入數(shù)據(jù)： J3= 設(shè)轉(zhuǎn)速為： s/303 ??? ，加速時間 st ?? ，得電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為： mNJT out . 6/ ????? ?? () 選擇電機(jī)型號： 45BF005Ⅱ 靜轉(zhuǎn)矩： 步距角： 176。根據(jù)初選的 i=120，則 ?1J =。 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 : ?ZJ =m2L42+m3L52== () 從資料查得 45BF005Ⅱ 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量為 JD2=。 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(jī) 3 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 JD3= 絲杠轉(zhuǎn)動慣量： 23434 . cmkgLDJ S ??????? ?? () 移動質(zhì)量折算到絲杠軸的等效轉(zhuǎn)動慣量為： 2220 . 2)2( cmkgMLJ G ???? ）（ ?? () 已知移動件質(zhì)量為 =30kg，傳動系統(tǒng)各運動部件慣量折算到電機(jī) 3 軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量為： 233 . cmkgJJJJ GSD ????? （已知傳動比 i=1） () 17 步進(jìn)電機(jī) 3 的校核 電機(jī)空載啟動力矩為： 0MMMM kfkakq ??? 其中加速力矩 : )(10602 2m a x3 cmNtnJM ka ???? ?? ? () 電機(jī)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 () 所以 m in/4 5 04 5 01m a x rn ??? ，加速時間 t=，則 Mka=。 Ⅳ 輪轉(zhuǎn)速： n4=15176。由內(nèi)插法得 XL 型帶的基準(zhǔn)寬度 bs0=，基準(zhǔn)額定功率為 P0= 2．計算同步帶傳動的嚙合齒數(shù) Zm 5)(22 1212 11 ???? ZZLZPZZ bm ? () 則嚙合系數(shù)為 Kz=（ 6Zm） = () 3．同步帶寬 bs mmbKP Pb sZds ) ()( 110????? () 選擇標(biāo)準(zhǔn)帶寬 bs=，代號 031 4．確定帶寬系數(shù) )( 0 ?? ssW bbK () 5．確定額定功率 dWZ PWKWPKKP ???????? ? 30 () 額定功率大于設(shè)計功率，故帶的傳動能力足夠。由于載荷不大，軸承選的較大，強(qiáng)度足夠，這里不再詳算。 大臂與小臂連接軸設(shè)計 此軸傳遞扭矩 T=，轉(zhuǎn)速 ω=30176。/s，則傳遞功率為： kWWTP ?????? ?? () m i n/560360 rn ??? ? () mmnPCd 013 33 ??? () 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。 圖 42 升降軸導(dǎo)向示意圖 已知絲杠傳遞扭矩 T=，則光杠所受圓周力 NTF 31 ??? ? () 則光杠所受徑向力為 NfFF v ??? () 光杠撓度最大值： EIFly 1923max ? () 式中： L光杠長度 120mm E彈性模量 200Gpa 23 I慣性矩 4641 dI ?? 將數(shù)據(jù)代入得： my ?? 1249 93m