【正文】 tan γ 1000tan 1321 N m 分配方式 質(zhì)量 Kg 90BF001 4 0． 9 80 392 2021 8000 1764 四相八拍 4． 5 A 傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是一種慣性負(fù)載在電機(jī)選用時(shí)必須加以考慮由于傳動(dòng)系統(tǒng)的各傳動(dòng)部件并不都與電機(jī)軸同 軸線還存在各傳動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量向電機(jī)軸折算的問題最后要計(jì)算整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量即傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 1 電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算 由《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表 218 查出 1764 ㎏ cm2 2 聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算 式中為圓柱質(zhì)量 KgD 為圓柱體直徑 cmL 為圓柱體長度 對(duì)于鋼材材料密度為把數(shù)據(jù)代入上式得 3 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算 查《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表 42 P119 得出 1m 長的滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為094 ㎏ cm2 絲杠長度 L＝ 420mm 所以滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 094 042 039 ㎏ cm2 4 手臂轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量的折算 工作臺(tái)是移動(dòng)部件其移動(dòng)質(zhì)量折算到滾珠絲杠軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可按下式進(jìn)行計(jì)算 見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式 26P8 式中為絲杠導(dǎo)程 cm 為工作臺(tái)質(zhì)量 kg 所以 5 系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 B 驗(yàn)算矩頻特性 步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是指電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩從《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表 221中查得步進(jìn)電機(jī)的名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為 見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式 229P32 查《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表 212 P35 得＝ 0707 所以 步進(jìn)電 機(jī)空載啟動(dòng)是指電機(jī)在沒有外加工作負(fù)載下的啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩可按下式計(jì)算 見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式 230P32 式中為空載啟動(dòng)力矩 Ncm 為空載啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件由靜止升速到最大快進(jìn)速度折算到電機(jī)軸上的加速力矩 Ncm 為空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩 Ncm 有關(guān)的各項(xiàng)力矩值計(jì)算如下 1 加速力矩 見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式 232 和 233P32 式中為傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為電機(jī)最大角加速度為與運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度對(duì)應(yīng)的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速 t 為運(yùn)動(dòng)部件從靜止啟動(dòng)加速到最大快進(jìn)速度所需 的時(shí)間為運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度為初選步進(jìn)電機(jī)的步距角為脈沖當(dāng)量 2 空載摩擦力矩 見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式 234P35 式中為運(yùn)動(dòng)部件的總重量為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)齒輪傳動(dòng)降速比為傳動(dòng)系數(shù)總效率?。?08 為滾珠絲杠的基本導(dǎo)程 3 附加摩擦力矩 見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式 235P35 式中為滾珠絲杠預(yù)緊力為滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率現(xiàn)?。?096 所以步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩 初選電機(jī)型號(hào)應(yīng)滿足步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩小于步進(jìn)電機(jī)名義啟 動(dòng)轉(zhuǎn)矩即 見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式 231P32 從上式可知電機(jī)初步滿足要求 C 啟動(dòng)矩頻特性校核 步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)有突跳啟動(dòng)和升速啟動(dòng)突跳啟動(dòng)很少使用升速啟動(dòng)是步進(jìn)電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)開始逐漸升速在零時(shí)刻啟動(dòng)頻率為零在一段時(shí)間內(nèi)按一定的升速規(guī)律升速啟動(dòng)結(jié)束時(shí)步進(jìn)電機(jī)達(dá)到了最高運(yùn)行速度 查看《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》圖 221 P36 從 90BF001 矩特性圖中可查得 縱向空載啟動(dòng)力矩＝對(duì)應(yīng)的允許啟動(dòng)頻率查《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表 211 P34 步進(jìn)電機(jī) 150BF002 啟動(dòng)頻率 所以所選 電機(jī)不會(huì)丟步 D 運(yùn)行矩頻特性校核 步進(jìn)電機(jī)的最高快進(jìn)運(yùn)行頻率可按下式計(jì)算 見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式 236P36 式中為運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度算得 快進(jìn)力矩的計(jì)算公式 見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式 237P37 式中 為附加摩擦力矩 為快進(jìn)時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩算得 查看《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》圖 222 P36 從 90BF001 運(yùn)行矩頻特性圖中可知 快進(jìn)力矩＝對(duì)應(yīng)的允許快進(jìn)頻率 所以所用的電機(jī)都滿足快速進(jìn)給運(yùn)行矩頻特 性要求 綜上所述所選用的步進(jìn)電機(jī) 90BF001 符合要求可以使用 3 軸承的選取 a 環(huán)形軸承 3 作為機(jī)座的支承原件是為機(jī)器人研制的專用軸承具有寬度小直徑大精度高剛度大承載能力高可承受徑向力軸向力和傾覆力矩裝置方便等特點(diǎn)價(jià)格高 b 絲杠下部裝有圓錐滾子軸承型號(hào)為 30204 它的有關(guān)參數(shù)如下 軸承代號(hào) 基本額定 極限轉(zhuǎn)速 rmin 動(dòng)載荷 Ca KN 靜載荷 C0a KN 脂潤滑 油潤滑 30204 282 305 8000 10000 33 工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械傳動(dòng)裝置的選擇 滾珠絲杠的選擇 估算等效載荷 Fm 1000 N 絲桿有效行程 420 mm 等效轉(zhuǎn)速 nm 1500 rmin 要求使用壽命 Lh 15000 h 左右工作溫度低于 100℃可靠度 95 精度為 3級(jí)精度 A 計(jì)算載荷 Fc 查 上冊(cè)表 1521 得 11 10 161 1 Fc 6111000 1771 N 19559 N B 選擇滾珠絲桿副的型號(hào) 主要尺寸為 按 19559N 查《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》表 29 選用漢江機(jī)床廠 C1 型滾珠絲杠系列代號(hào)為 FYC1400825 40 mm 8 mm 4 mm d 39mm 滾珠直徑 d0 3969mm 滾道半徑 R 偏心距 e 絲杠內(nèi)徑 ≤ 27 mm 24000 N 1880 N 螺旋導(dǎo)程角 γ arctan arctan 3o38′ 螺桿不長無需驗(yàn)算穩(wěn)定性 C 剛度驗(yàn)算 按最不利情況考慮即在螺距 導(dǎo)程 內(nèi)受軸向力引起的彈性變形與受轉(zhuǎn)矩引起彈性變形方向一致此時(shí)變形量為最大計(jì)算公式為 式中 T1 m Kgf LAC 0 求得支反力為 R1 52488N R2 67316N 以 A 點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)得剪力圖和彎矩圖如下 由 []表得活塞桿 [τ ] 140MPa [σ ] 240MPa 則在 B 處橫截面上的剪應(yīng)力為 τ B RBA 安全 在 B 處的彎應(yīng)力為 σ B MBA 安全 腰部和基座設(shè)計(jì) 1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 通過安 裝在支座上的步進(jìn)電機(jī)和諧波齒輪直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)座轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過安裝在頂部的步進(jìn)電機(jī)和聯(lián)軸器帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂的上下移動(dòng)采用了雙導(dǎo)柱導(dǎo)向以防止手臂在滾珠絲杠上轉(zhuǎn)動(dòng)確保手臂隨機(jī)座一起轉(zhuǎn)動(dòng)支撐梁采用槽鋼以減輕重量和節(jié)省材料它的結(jié)構(gòu)如圖 210 該種設(shè)計(jì)采用了環(huán)形軸承的機(jī)器人支承結(jié)構(gòu)它由電動(dòng)機(jī) 2 直接驅(qū)動(dòng)一杯形柔輪諧波減速器這種諧波減速器只有剛輪 9柔輪 7和諧波發(fā)生器 8三大件而無單獨(dú)的外殼這種結(jié)構(gòu)有利于傳動(dòng)系統(tǒng)的小型化輕型化由柔輪 7 輸出低速的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)與之固聯(lián)的機(jī)座回轉(zhuǎn)殼體 5實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)齒 形皮帶傳動(dòng) 4和位置傳感器 6 作為機(jī)座用來檢測(cè)手臂機(jī)座的角位移 1 支座 2 步進(jìn)電機(jī) 3 諧波齒輪 4 轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)座 5 支承工字梁 6 滾珠絲杠 7 導(dǎo)向柱 8 錐環(huán)無鍵聯(lián)軸器 圖 310 腰部和基座結(jié)構(gòu)圖 1 支座 2 電機(jī) 3 軸承 4 帶傳動(dòng) 5 殼體 6 位置傳感器 7 柔輪 8 波發(fā)生器 9 剛輪 圖 311 環(huán)形軸承的機(jī)器人機(jī)座 2 步進(jìn)電機(jī)的選取 工業(yè)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)和上下移動(dòng)采用了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下面就給出各種驅(qū)動(dòng)方 式的比較以作為選取步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)方式的依據(jù) 表 34 各種驅(qū)動(dòng)方式比較 比較內(nèi) 容 驅(qū)動(dòng)方式 機(jī)械傳動(dòng) 電機(jī) 驅(qū)動(dòng) 氣壓傳動(dòng) 液壓傳動(dòng) 異步電機(jī)直流電機(jī) 步進(jìn)或伺服電機(jī) 輸出力矩 輸出力矩較大 輸出力可較大 輸出力矩較小 氣體壓力小輸出力矩小如需輸出力矩較大結(jié)構(gòu)尺寸過大 液體壓力高可以獲得較大的輸出力 控制性能 速度可高速度和加速度均由機(jī)構(gòu)控制定位精度高可與主機(jī)嚴(yán)格同步 控制性能較差慣性大步易精確定位 控制性能好可精確定位但控制系統(tǒng)復(fù)雜 可高速氣體壓縮性大阻力效果差沖擊較嚴(yán)重精確定位較 困難低速步易控制 油液壓縮性小壓力流量均容易控制可無級(jí)調(diào)速反應(yīng)靈敏可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 應(yīng)用范圍 適用于自由度少的專用機(jī)械手高速低速均能適用 適用于抓取重量大和速度低的專用機(jī)械手 可用于程序復(fù)雜和運(yùn)動(dòng)軌跡要求嚴(yán)格的小型通用機(jī)械手 中小型專用通用機(jī)械手都有 中小型專用通用機(jī)械手都有特別時(shí)重型機(jī)械手多用 由上表可知步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)器人有著許多無可替代的優(yōu)點(diǎn)如控制性能好可精確定位體積較小可用于程序復(fù)雜和運(yùn)動(dòng)軌跡要求嚴(yán)格的小型通用機(jī)械手等下面就對(duì)步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)進(jìn)行選取 初選電機(jī)為 BF 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為 90BF001 它的有關(guān)技術(shù)參數(shù)如下表 表 35 電機(jī)型號(hào) 相數(shù) 步距角 176。 LBC 0 ∑ MA 0 R2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 單片機(jī)控制 腰部機(jī)構(gòu) 長 680mm伸縮運(yùn)動(dòng)升降范圍 450mm步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 單片機(jī)控制 手臂機(jī)構(gòu) 長 826mm 伸縮運(yùn)動(dòng)伸縮范圍 50mm 液壓缸驅(qū)動(dòng) 行程開關(guān)控制 末端執(zhí)行器 液壓缸驅(qū)動(dòng) 行程開關(guān)控制 第 3 章 工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 31 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)分析 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)概述 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)可從工業(yè)機(jī)器人的自由度工作空間和機(jī)械結(jié)構(gòu)類型等三方面來討論 如圖 21 所示為工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)圖 圖 31 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 a．工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)自由度 所謂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)自由度是指確定一個(gè)機(jī)器人操作位置時(shí)所需要的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)目它是表示機(jī)器人動(dòng)作靈活程度的參數(shù) 本設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人具有四轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副兩種運(yùn)動(dòng)副具有手臂伸降旋轉(zhuǎn)前后往復(fù)三自由度 b．機(jī)器人 的工作空間和機(jī)械結(jié)構(gòu)類型 1 工作空間 工作空間是指機(jī)器人正常運(yùn)行時(shí)手部參考點(diǎn)能在空間活動(dòng)的最大范圍是機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)工作空間圖如圖 32 圖 32 工作空間圖 2 機(jī)械結(jié)構(gòu)類型 圓柱坐標(biāo)型為本設(shè)計(jì)所采用方案這種運(yùn)動(dòng)形式是通過一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)移動(dòng)共三個(gè)自由度組成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)代號(hào) RPP 工作空間圖形為圓柱形它與直角坐標(biāo)型比較在相同的工作條件下機(jī)體占體積小而運(yùn)動(dòng)范圍大 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程分析 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程中各動(dòng)作如圖 33 和表 31 圖 33 表 31 機(jī)器人開機(jī)處于 A 位 工步一 手臂上升 工步二工步七工步十三 旋轉(zhuǎn)至 B 位 工步三 手臂伸出 工步四 工步十 手臂下降 工步五工步十一 夾緊工件 工步六 手臂收縮 工步八工步十四 旋轉(zhuǎn)至 C 位 工步九 放松工件 工步十二 實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過程中的各工步是由工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)和各種檢測(cè)原件來實(shí)現(xiàn)的這里尤其要強(qiáng)調(diào)的是機(jī)器人對(duì)工件的定位夾緊的準(zhǔn)確性這是本次設(shè)計(jì)成敗之關(guān)鍵所在 32 工業(yè)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行機(jī) 構(gòu)設(shè)計(jì)是用來抓持工件或工具的部件手部抓持工件的迅速準(zhǔn)確和牢靠程度都將直接影響到工業(yè)機(jī)械手的工作性能它是工業(yè)機(jī)械手的關(guān)鍵部件之一 1 設(shè)計(jì)時(shí)要注意的問題 a 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)有足夠的夾緊力為使手指牢靠的夾緊工件除考慮夾持工件的重力外還應(yīng)考慮工件在傳送過程中的動(dòng)載荷 b 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)有一定的開閉范圍其大小不僅與工件的尺寸有關(guān)而且應(yīng)注意手部接近工件的運(yùn)動(dòng)路線及其方位的影響 c 應(yīng)能保證工件在末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)準(zhǔn)確定位 d 結(jié)構(gòu)盡量緊湊重量輕以利于腕部和臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) e 根據(jù)應(yīng)用條件考慮通用性 2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 采用內(nèi)撐連桿杠桿式夾持器用小型液壓缸驅(qū)動(dòng)夾緊它