scara型裝配機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2024-07-22 22:17 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 考慮，選擇方案一。機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方案的對比分析及選擇:對機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置的一般要求如下:，單位重量的輸出功率 (即功率/重量比)要高，效率也要高。，即要求力/重量比和力矩/慣量比要大。，不產(chǎn)生沖擊。，位移偏差和速度偏差要小。 。，噪聲要小。，尤其是要盡量減少占地面積。通常的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式有以下四種 ::可直接實(shí)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(huì)積累。步進(jìn)電機(jī)具有自鎖能力 (變磁阻式)和保持轉(zhuǎn)矩 (水磁式)的能力，這對于控制系統(tǒng)的定位是有利的，適于傳動(dòng)功率不大的關(guān)節(jié)或小型機(jī)器人 。:直流伺服電機(jī)具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動(dòng)力矩，相對功率大及快速響應(yīng)等特點(diǎn)，并且控制技術(shù)成熟。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，而且需要外圍轉(zhuǎn)換電路與微機(jī)配合實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。若使用直流伺服電機(jī)，還要考慮電刷放電對實(shí)際工作的影響。:交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，使用維修方便，與步進(jìn)電機(jī)相比價(jià)格要貴一些。隨著可關(guān)斷晶閘管 GTO，大功率晶閘管GTR和場效應(yīng)管MOSFET等電力電子器件、脈沖調(diào)寬技術(shù)(PWM)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，使交流伺服電機(jī)在調(diào)速性能方面可以與直流電機(jī)媲美。采用 16位 CPU+32位 DSP三環(huán) (位置、速度、電流)全數(shù)字控制，增量式碼盤的反饋可達(dá)到很高的精度。三倍過載輸出扭矩可以實(shí)現(xiàn)很大的啟動(dòng)功率，提供很高的響應(yīng)速度。: 液壓伺服馬達(dá)具有較大的功率/體積比，運(yùn)動(dòng)比較平穩(wěn)，定位精度較高，負(fù)載能力也比較大，能夠抓住重負(fù)載而不產(chǎn)生滑動(dòng)，從體積、重量及要求的驅(qū)動(dòng)功率這幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)考慮，不失為一個(gè)合適的選擇方案。但是，其費(fèi)用較高，其液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。為避免本系統(tǒng)也出現(xiàn)同類問題，在可能的前提下，本系統(tǒng)將盡量避免使用該種驅(qū)動(dòng)方式。 SCARA機(jī)器人負(fù)載并不大，決定了機(jī)器人必須重量輕 (10~20Kg)，另外其作業(yè)范圍也不大，所以機(jī)器人必須體積小。對此機(jī)器人，這些特點(diǎn)決定了它的驅(qū)動(dòng)方式。又通過以上比較，由于步進(jìn)電機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)，初選上述方案中的步進(jìn)電機(jī)方案進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算和選擇，并在此基礎(chǔ)上參考同類機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方案，最后確定一種適合我國國情的實(shí)施方案?！CARA機(jī)器人兩個(gè)關(guān)節(jié)均選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。機(jī)器人大臂，小臂均采用了二級齒帶傳動(dòng)，升降軸采用一級齒帶加齒輪齒條實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng)。 各自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇 本機(jī)器人前兩個(gè)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。因?yàn)閷⒈凵扉_呈一條直線時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大，所以在旋轉(zhuǎn)開始時(shí)可產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩不足。下面估算一下繞機(jī)器人臂的旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)慣量為:J1=JG1+ m1 1 12+JG2+m2 122+ JG3 + m3l32 (21) 其中，m1, m2, m3分別為大臂，小臂, 腕部的質(zhì)量為3kg,4kg 。1 1, 12, l3分別為各重心到第一關(guān)節(jié)處的距離，其值為150mm ,450mm,550mm。在式(21)中，JG1≤m1 1 12，JG2m2122,JG3 m3l32故JG1,JG2,JG3,可忽略不計(jì),所繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為: J1= m1 1 12+ m2122+ m3l32 =3++4 (22) = 同理可得小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量: J2= m2 1 42+ m3 l52 =+4 = (23)式中： l4 小臂重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離 mm?！? l5 腕部重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離 mm。 第一自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇設(shè)大臂速度為ω1=300/s，使機(jī)器人大臂從ω0=0到ω1=300/s所需的時(shí)間為:△t=, 則同步帶應(yīng)輸出轉(zhuǎn)矩為: （24）設(shè)安全系數(shù)為2，同步帶減速比i=10，同步帶傳動(dòng)效率為:η=85% 。則電機(jī)所需輸出力矩為:T=(2T1)/iη2=20 N m （25）選擇步進(jìn)電機(jī)型號： KP8M2037步距角：最大啟動(dòng)力矩: kg cm 第二自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇:設(shè)小臂速度為ω2=150/s, 角速度從0到ω2 所需加速度時(shí)間△t=, 則同步帶應(yīng)輸出轉(zhuǎn)矩為: T2= J2 ω2 = N m （26）設(shè)安全系數(shù)為2，同步帶減速比i=10，同步帶傳動(dòng)效率為:η=85% 。則電機(jī)所需輸出力矩為: （27）選擇步進(jìn)電機(jī)型號： KP56LMS21步距角：最大啟動(dòng)力矩: kg cm 第三自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇絲杠螺母傳動(dòng),實(shí)現(xiàn)腕部的升降,設(shè)絲杠軸向承載總和為: Q=。絲杠基本參數(shù)選擇:螺紋牙形: 梯形螺紋，β=300螺 距 : P=2mm公稱直徑: d=10mm,中 徑: d =摩擦系數(shù): f=螺旋升角為: λ=arctgP/(πd2)=arctg2/()= (28)當(dāng)量摩擦角為: (29)螺紋阻力矩為:T1=d2/2 Q tg(λ+ρˊ)=tg(+)= m (210)螺紋所受摩擦力矩為: T2≈fc Q Dm/2 （211）式中: fc 摩擦系數(shù)， Dm 支撐面平均直徑,此例中取螺母內(nèi)外徑和的一半,即(10+40)/2= 25 :T2≈(25)/2= m （212）絲杠所受力矩為阻力矩與摩擦力矩之和,即:T= T1 + T2 =+= N m （213）安全系數(shù)取2,則電機(jī)所需最小轉(zhuǎn)矩為:T3=2 T=2= N m （214）選擇電機(jī)型號: KP56LMS21步距角：最大啟動(dòng)力矩: kg cm 同步齒形帶傳動(dòng)設(shè)計(jì),同步帶輸出轉(zhuǎn)矩為: m , 輸出轉(zhuǎn)速為:ω=150/s,單級傳動(dòng)效率為:η=85%,傳動(dòng)比為:10,取安全系數(shù)為k=3,則同步帶傳遞功率為:P=k T ω/η2 =3(π/12)/ = (215)設(shè)傳動(dòng)比分配為:第一級傳動(dòng)i1=5, 第二級傳動(dòng)i2=2, 帶輪依次為I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ,則：Ⅳ輪轉(zhuǎn)速： n4=150/s= r/minⅡ、III輪轉(zhuǎn)速: n2=n3=i2n4=2=5r/min I輪轉(zhuǎn)速: n1=in4=10=25r/min設(shè)中心距: L1=100mm,L2=250mm(1)求出設(shè)計(jì)功率 Pd 由文獻(xiàn)[12] k0=，因?yàn)槲词褂脧埦o輪,又是減速運(yùn)動(dòng)，故文獻(xiàn)[12]中表 。則: Pd=k0P== w(2)選擇帶的節(jié)距 由Pd= n1=25r/min，從[12],對應(yīng)的節(jié)距為Pd= ([1])。(3)確定帶輪直徑和帶節(jié)線長 [1]，帶輪 I齒數(shù)最小可取 10，考慮到制造和安裝等因素，取 Z1=13。則： Z2=i1Z1=5Z1=65根據(jù)【12]表 ，取Z2=60同理可得: Z3=17, Z4=40重新計(jì)算傳動(dòng)比:i1= Z2/ Z1=60/13= i2= Z4/ Z3=40/17= i= i1l2=由表 I,II,III,Ⅳ各帶輪的直徑:d1=, d2=d3=, d4=由[12]式 (15)可得帶長計(jì)算公式: (216)式中: L中心距mm Lp帶長 mm d1,d2一配合帶輪直徑 mm 代入數(shù)據(jù)計(jì)算 可得 :按[12]表 ，選擇最接近算值的標(biāo)準(zhǔn)帶長:Lp1= 齒數(shù) 80 代號160Lp2=635 mm 齒數(shù) 125 代號250近似計(jì)算中心距: (217)式中： L 中心距160
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