【正文】 a x ?????? ???? ?? () 由變形量可知，光杠變形較小，剛度足夠。因此，絲杠最大工作載荷為 : NF m ???? () 最大動負載 C的計算與校核 滾珠絲杠最大動負載 mmFfLC 3? () 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=所以 : m i n/4502/????? () 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 。493??? ，摩擦角 39。 24 剛度計算 : )(1 mmEALFm??? () 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； MPaE ?? ；絲 杠底徑 d1 近似于外徑與滾珠直徑之差，即d1=ddw，絲杠外徑 d=，絲杠公稱直徑已知 d0=10mm，滾珠直徑 dw由表查得 dw= ，因此，絲杠底徑 d1== ，截面積22 )( mmA ?? ? 。 () 取絲杠穩(wěn)定安全系數(shù) nw=4 則： 25 NNnPwc ???? () 故絲杠穩(wěn)定。 其他部分結(jié)構設計 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。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，其他部分具體的尺寸與結(jié)構在這里不一一敘述，詳見圖紙。 圖 51 機械手 開環(huán)控制結(jié)構圖 SCARA 機器人的控制結(jié)構中，其機械本體采用四自由度的形式，各關節(jié)均采用混合式步進電動機作為驅(qū)動裝置。圖 41 即為本 SCARA 機器人的控制系統(tǒng)圖。無論以多么高的精度控制手臂，若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 相互關系是首要的。 即使一個簡單的機器人也至少有 35個自由度。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)?？偠灾?，機器人控制系統(tǒng)是一個與運動學和動力學原理 密切相關的、有耦合的、非線性的多變量控制系統(tǒng)。 連續(xù)軌跡控制 (CP)機器人： 機器人的各關節(jié)同時作受控運動，準確控制機器人末端執(zhí)行器按預 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)。裝配機械手是機械手 柔性裝配系統(tǒng)重要的組成部分，也是柔性裝配系統(tǒng)的特征。 在對機械手 本體進行設計的過程中，遇到過一些困難，比如：在畢業(yè)設計初期，由于對設計課題缺乏了解，所以在寫開題報告是一時找不到中心，不知道重點在哪，因此在尋找資料的時候也比較盲目，后來在不斷深入探索課題，了解課題的情況下，找到了側(cè)重點；另外在選擇方案的時候一直無法確定最優(yōu)方案，不過后來在指導 老師的指導下解決了這一問題，等等。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]。 29 結(jié) 論 工業(yè) 機械 手 的誕生和機器人學的建立，無疑是 20 世紀人類科學技術的重大成就。 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)，完成預定的操作要求。 機器人還有一種特有的控制方式：示教再現(xiàn)控制方式。所以，機器人的控制，一般是一個計算機控制系統(tǒng)，計算機軟件擔負著艱巨的任務 。根據(jù)給定的任務，經(jīng)常要求解運動學正問題和逆問題，因此，往往要根據(jù)需要，選擇不同的基準坐標系，并作適當?shù)淖鴺俗儞Q。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)。控制卡與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或作業(yè)。前者發(fā)出指令協(xié)調(diào)各關節(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、外部相關設備之間的信息 傳遞和協(xié)調(diào)工作。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 34。 大臂殼體采用鑄鋁，方形結(jié)構，質(zhì)量輕 ，強度大。 : EIFlB 3 3??? () 式中： F 為 連接軸 的工作載荷 (N)； l 為 連接軸 在支承間的受力長度，取l =36mm； MPaE ?? ； 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= 844 ????? ?? D 于是彎曲 變形量為 : mmmB 810 3 ?????? ???? ?? () 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 。593/39。 CaC，可知動負載校核足夠，余度很大。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。 升降軸設計 升降軸上為滾珠絲杠螺母副，故需設計成空心軸，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 向，絲杠采用一對面對面 角接觸球軸承支撐， 軸承部分軸徑選用 Φ12， 軸承型號為 7201AC GB/292。由于載荷不大，軸承選的較大，強度足夠，這里不再詳算。/s， m in/ rn ??? 則： mmnPCd 333 ???? ? () 最小軸徑在兩臂連接處，有鍵槽，承受一定彎矩，軸徑選用 Φ16，軸承部分選用軸徑 Φ17其余按結(jié)構確定。 機身輸出軸設計 此軸傳遞扭矩 T=，轉(zhuǎn)速 ω=30176。 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。 18 第 4 章 系統(tǒng)整體的設計與校核 同步齒形帶傳動設計 由上可知，同步帶輸出轉(zhuǎn)矩為： ，輸出轉(zhuǎn)速為： s/15??? ，單級傳動效率為： η=85%，傳動比 i=10，取安全系數(shù) k=3，則同步帶傳遞功率為： WTkP ??????? ??? () 設傳動比分配為：第一級傳動比 i1=5，第二級傳動比 i2=2。設摩擦力矩可忽略不計，則僅剩加速力矩項 kaM ，即 )(10602 2m a x cmNtnJJMM kakq ????? ??? ?? m in)/(360m a xm a x rvn p b? ?? 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 ?2J =；運動部件最大快進速度 m in/900/15m a x ???? sv ；運動 部件從靜止啟動加速到最大快進速度所需的時間 t=。設摩擦力矩可忽略不計，則僅剩加速力矩項 kaM ，即 )(10602 2m a x cmNtnJJMM kakq ????? ??? ?? () m in)/(360m a xm a x rvnpb? ?? () 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 ?1J =；運動部件最大快進速度 m in/1 8 0 0/30m a x ???? sv ；運動部件從靜止啟動加速到最大快進速度所需的時間 t=。從資料查得 55BF003 步進電機轉(zhuǎn)子慣量為 JD1=。 () 螺紋阻力矩為： mNQ tgdT .)(2 39。 J2=M2L42+M3L52 () =1+4 = 第一自由度步進電機的選擇 設大臂速度為 s/301 ??? ，則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下： ??? ?JT 式中： T 旋轉(zhuǎn)開始時轉(zhuǎn)矩 J – 轉(zhuǎn)動慣量 ?? 角加速度 rad/s2 使機械手 大臂從 00?? 到 s/301 ??? 所需的時間為： st ?? 則： mNtJJT . 6/ ????????? ? ???? () 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 ，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： mNTT .20212201 ???? ()選擇諧波減速器： ⑴ 型號： XB350120 （ XB3 型扁平式諧波減速器） 額定輸出轉(zhuǎn)矩： 減速比： i1=120 設諧波減速器的的傳遞效率為： %90?? ，步進電機應輸出力矩為： mNiTT out . 20211 ????? ? () 選擇 BF 反應式步進電機 型號： 55BF003 13 靜轉(zhuǎn)矩： 步距角： 176。 該機械手 的基本技術參數(shù)如下： 大臂回轉(zhuǎn)： ??90 ， s/30? 小臂回轉(zhuǎn)： ??60 ， s/15? 手腕升降： 120mm， 30mm/s 手腕回轉(zhuǎn)： ??180 ， s/60? 大臂小臂連接處回轉(zhuǎn)： ??90 ， s/30? 負載重量： 294N 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)，若軸承是光滑的，則旋轉(zhuǎn)所需的靜轉(zhuǎn)矩比較小。 194mm，質(zhì)量為 M2(1kg 左右 )，重心在距第二關節(jié)軸 97mm 處， L2=348+97=445mm。綜合考慮，由于方案四傳動鏈簡單，傳動精度高，故選擇此種方案為最終方案。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)構更為緊湊。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。 這個設計方案的特點是：第一個關節(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。 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。它應具有 以下特性： （ 1） 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。 方案三： 8 大臂小臂絲杠 圖 24 設計方案三 DD 驅(qū)動結(jié)構特點如下： 電動機直接驅(qū)動各自由度的軸，消除了減速裝置。 (4)根據(jù)裝配作業(yè)的，點位控制即可 滿足操作要求。手部回轉(zhuǎn)軸直接由步進電動機驅(qū)動。它的平面轉(zhuǎn)動關節(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性，垂直方向上具有很大剛性，適合于裝配作業(yè)使用。 6 （ 4）蝸桿傳動：傳動 比大，工作平穩(wěn)，噪聲較小，結(jié)構緊湊，在一定條件下有自鎖性，效率低。 （ 2）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 。 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)動方案應首選步進電機 。步進電動機輸出轉(zhuǎn)角與輸入脈沖個數(shù)成嚴格正比關系，轉(zhuǎn)子速 度主要取決于脈沖頻率，故控制簡便。 （ 3）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)響應特性更好等技術特點，可達到更大的功率和更高的轉(zhuǎn)速。 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 。上述驅(qū)動單元有的直接驅(qū)動機構運動，有的通過諧波減速器裝置來減速，結(jié)構簡單緊湊。功率 /質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構緊湊，密封問題小。 4 （ 5） 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 。功率 /質(zhì)量較 大，體積小，結(jié)構緊湊，密封問題較大。 圖 21 機械手 結(jié)構示意圖 工業(yè) 服務 機器手 的傳動系統(tǒng)設計 機械手 驅(qū)動系統(tǒng)的比較與選擇 工業(yè) 服務 機械手 的驅(qū)動可分為液壓，氣動和電動三種基本類型。這樣一來如果全部運動都設計成由機械手 本體來完成，那么必然 增加機械手 本體復雜性，并會影響機械手位置精度。本論文在平面關節(jié)型機械手 研制以及相關領域研究成果基礎上，對 機械手 本體的機械結(jié)構進行了設計，在確定