【導(dǎo)讀】個方面的學(xué)科，它代表了機電一體化的最高成就?，F(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。SCARA型）是應(yīng)用最廣泛的一種裝配機械手。SCARA產(chǎn)品基礎(chǔ)上，經(jīng)過不同方案的比較，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SCARA機器人具有以下特點：通用性好、體積小、重量輕、外。該電機的多個關(guān)節(jié)均采用步進電機驅(qū)動，具

　　

【正文】 為： kWWTP ?????? ?? () m in/56036 0 rn ??? ? () mmnPCd 96 376 33 ??? () 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；軸承部分 Φ=30mm，軸承選為 7206AC GB/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。 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。/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。軸承選為軸承選為 單列角接觸球軸承型號為 7002AC GB292。 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， 軸承部分軸徑選用 Φ12， 軸承型號為 7201AC GB/292。光桿采用 Φ5鋼棒，與升降軸同一平面平行放置。 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 a x ?????? ???? ?? () 由變形量可知，光杠變形較小，剛度足夠。 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） 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= Fz= () 導(dǎo)桿和軸套之間的摩擦系數(shù) f=。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 。因此， hL 4 0 310/1 5 0 0 04 5 060 6 ???? () NC 3 36 2 0 33 ???? () 查得型號 VFC（ Z） 的滾珠絲杠副的額定動負載 Ca=10470N。 CaC，可知動負載校核足夠，余度很大。 傳動效率計算 )( ???? ?? tg tg () 根據(jù)初選滾珠絲杠型號從表 中查得螺旋升角 39。493??? ，摩擦角 39。10?? ，則39。593/39。493 ???? tgtg? ，傳動效率較高。 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 ?? ? 。于是拉壓變形量為 : mm441 )( ???????? () 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。 : 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 。 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 ?????? ? 。 () 取絲杠穩(wěn)定安全系數(shù) nw=4 則： 25 NNnPwc ???? () 故絲杠穩(wěn)定。 機械手機身 的設(shè)計 機身部分采用高強，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)。 其他部分結(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 33。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。帶輪 4 的定位是通過銷與套筒完成的，如圖 35。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(gòu)在這里不一一敘述，詳見圖紙。 圖 43帶輪 1與電機的連接 圖 44 帶輪 2和帶輪 3與帶輪軸的連接 26 圖 45 帶輪 4與大臂輸出軸的連接 27 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 51 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 41 即為本 SCARA 機器人的控制系統(tǒng)圖。 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 : 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。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(guān)系是首要的。 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系，并作適當?shù)淖鴺俗儞Q。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。 即使一個簡單的機器人也至少有 35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) 。 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，比如重力補償、前饋、解耦基于傳感信息的控制和最優(yōu) PID控制等。 機器人還有一種特有的控制方式：示教再現(xiàn)控制方式。當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)?？偠灾?，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 。 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(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。 29 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，降低成本，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)重要的組成部分，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) 品成本，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)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。 在對機械手 本體進行設(shè)計的過程中，遇到過一些困難，比如：在畢業(yè)設(shè)計初期，由于對設(shè)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(dǎo) 老師的指導(dǎo)下解決了這一問題，等等。 由于對機械手本體的設(shè)計是一個涉及