【正文】 () 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。 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 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 3 軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量為： 233 . cmkgJJJJ GSD ????? （已知傳動比 i=1） () 17 步進電機 3 的校核 電機空載啟動力矩為： 0MMMM kfkakq ??? 其中加速力矩 : )(10602 2m a x3 cmNtnJM ka ???? ?? ? () 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 () 所以 m in/4 5 04 5 01m a x rn ??? ，加速時間 t=，則 Mka=。根據(jù)初選的 i=120，則 ?1J =。則電機所需輸出力矩為： mNi TT out . 2222 ?????? ? () 選擇反應(yīng)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 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。 L4=97mm(小臂重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離 )。傳動系 統(tǒng)方面，升 降軸絲杠有 10 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。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。 （ 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。 （ 2）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。 機械手 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。 （ 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；且誤差能互相補償，故運動精度高。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)。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??；印制繞組直流伺服電動機，可承受頻繁的起動、換向，切率中等。 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。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。 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 ?？刂葡到y(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)。 (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。機器人工業(yè)已成為世界各國備受關(guān)注的產(chǎn)業(yè)。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、成本低，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。工業(yè)機器手 是在自動操作機基礎(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械系統(tǒng)。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)。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。 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)。 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 ，因而抓取力小，只有幾十牛到百牛力。 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。隨著計算機控制技術(shù)、電子技術(shù)的發(fā)展，交流伺服電動機已之泛取代直流伺服電動機。 傳動機構(gòu)的對比與分析 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。 綜上所述，由于腕部需進行 Z 向運動，且受徑向力很小，故選用滾珠絲杠傳動；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。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，同時又采用了合適的加減速方案，因而使其能滿足操 7 作要求，并使系統(tǒng)成本大為降低。 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。存在 9 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對比較高。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。觀察初步設(shè)計方案（圖 15），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 16，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。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 12 進電機的轉(zhuǎn)矩不足。21 ??? ?? () 螺紋所受摩擦力矩： mNDQfT m . ???? () 式中 :f摩擦系數(shù) ,取 Dm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= () 安全系數(shù)取 2，則電機所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為： 14 mNTT o u t .1 5 7 ???? () 選擇反應(yīng)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，則轉(zhuǎn)動慣量為： 23 21mRJ ? () 式中： m 手爪及物體總重量，設(shè)為 30kg，代入數(shù)據(jù)： J3= 設(shè)轉(zhuǎn)速為： s/603 ??? ，加速時間 st ?? ，得電機輸出轉(zhuǎn)矩為： mNJT out . 3/ ????? ?? () 選擇電機型號： 45BF005Ⅱ 靜轉(zhuǎn)矩： 步距角： 176。所以電機最大轉(zhuǎn)速為： min/6005120360360 m a xm a xm a x rvivn p b ?????? ? ? 則 : mNcmNJM ka . ??? ? ? 所以 : mNMM kakq .?? () 電機 名義啟動力矩 maxjmq MM ?? ，三相六拍運行 ?? ，通過查表得電機最大靜轉(zhuǎn)矩 mNM j . a x ? ，所以 mNM mq . ??? MkqMmq，初選電機滿足最大靜轉(zhuǎn)矩校核要求。帶輪依次為 Ⅰ ，Ⅱ ， Ⅲ ， Ⅳ 。/s，則傳遞功率為： kWWTP ?????? ?? () m in/56036 0 rn ??? ? () mmnPCd 33 ??? () 與諧波減速器連接部分軸徑最小，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；軸承部分 Φ=40mm，軸承選為 7208AC GB/292 角接觸球軸承，其余根據(jù)結(jié)構(gòu)確定。 帶輪軸設(shè)計 此軸傳遞的扭矩為： 22 mNi TT . 20 ?????? ? () 此軸的轉(zhuǎn)速為 ω=30176。設(shè)橫向工作載荷為 : Fy= Fz= () 導(dǎo)桿和軸套之間的摩擦系數(shù) f=。493 ???? tgtg? ，傳動效率較高。 小臂外殼采用鑄鋁，圓柱形結(jié)構(gòu)。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。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 : 28 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。 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。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。在對課題進行了深入了解后，本文對平面關(guān)節(jié)型機械手 的機械結(jié)構(gòu)加以分析和研究，從而得到機械手 總體結(jié)構(gòu)的正確方案。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，降低成本，獲得明顯的經(jīng)濟效益。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)。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。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。帶輪 4 的定位是通過銷與套筒完成的，如圖 35。 絲杠穩(wěn)定性驗算 絲杠臨界壓縮載荷： )()( 2222 NL EIflEIP zc ??? ?? () E 為絲杠材料彈性模量，對于鋼： MPaE ?? ； I 為慣性截面矩，對絲杠圓截面 441 ?? ? (d1為絲杠底徑 )； L 為絲杠最大 工作長度，這里 L=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=； 因此： NP c 4242 104 3 5 7/ 1 ?????? ? 。 傳動效率計算