【正文】 .)(2 39。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。 J2=M2L42+M3L52 () =1+4 = 第一自由度步進電機的選擇 設(shè)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(shè)諧波減速器的的傳遞效率為： %90?? ，步進電機應(yīng)輸出力矩為： mNiTT out . 20211 ????? ? () 選擇 BF 反應(yīng)式步進電機 型號： 55BF003 13 靜轉(zhuǎn)矩： 步距角： 176。如圖 31所示，設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動慣量分別為 JG JG JG3，根據(jù)平行軸定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量為： J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22+JG3+M3L32 （ ） 其中： M1， M2， M3分別為 4Kg， 1Kg， 4Kg； L1， L2， L3分別為 143mm，445mm， 542mm。 該機械手 的基本技術(shù)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。 L4=97mm(小臂重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離 )。 194mm，質(zhì)量為 M2(1kg 左右 )，重心在距第二關(guān)節(jié)軸 97mm 處， L2=348+97=445mm。 大臂小臂絲杠螺母諧波減速器同步帶 圖 26 總體方案 11 第 3 章 步進電機的選擇及其校核計算 步進電機可直接實現(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行控制；位置誤差不會積累；步進電機具有自鎖能力和保持轉(zhuǎn)矩的能力， 這對于控制系統(tǒng)的定位是有利的，適于傳動功率不大的關(guān) 節(jié)或小型機械手 。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。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。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(gòu)更為緊湊。另外，大臂小臂的結(jié)構(gòu)過于單薄，易產(chǎn)生變形。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。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。 這個設(shè)計方案的特點是：第一個關(guān)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。 方案四： 大臂小臂 絲杠螺母諧波減速器同步帶 圖 25 設(shè)計方案四 如圖 26 所示：機器人關(guān)節(jié)均選用步進電機驅(qū)動。 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。 （ 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。它應(yīng)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。而 DD 驅(qū)動由于具有上述優(yōu)點，所以機械剛性好，可以高速高精度動作，且具有部件少、結(jié)構(gòu)簡單、容易維修、可靠性高等特點。 方案三： 8 大臂小臂絲杠 圖 24 設(shè)計方案三 DD 驅(qū)動結(jié)構(gòu)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。 （ 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。 (4)根據(jù)裝配作業(yè)的，點位控制即可 滿足操作要求。 (2)第一和第二個自由度均采用兩級齒形帶傳動，這是常用的減速方法，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動比恒定，傳動效率較高，功率大，工作可靠，但需占用一定的空間。手部回轉(zhuǎn)軸直接由步進電動機驅(qū)動。 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。它的平面轉(zhuǎn)動關(guān)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(yīng)性，垂直方向上具有很大剛性，適合于裝配作業(yè)使用。 日本開發(fā)的 平面關(guān)節(jié)式裝配機器手是目前使用最廣泛的機械手 ，它專門用于垂直安裝作 業(yè)，如在印刷電路中插入元器件的機械手 ， 所以有四個關(guān)節(jié)：三個水平轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)一個垂直滑動關(guān)節(jié)就足夠了。 6 （ 4）蝸桿傳動：傳動 比大，工作平穩(wěn)，噪聲較小，結(jié)構(gòu)緊湊，在一定條件下有自鎖性，效率低。 （ 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。 （ 2）同步帶：靠齒嚙合傳動，傳動比準(zhǔn)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 。工業(yè)機械手 傳動裝置除齒輪傳動，蝸桿傳動，鏈傳動和行星齒輪傳動外，還常用滾 珠絲杠、諧波齒輪、鋼帶、同步齒形帶和繩輪傳動，以下就是工業(yè)機械手 常用的傳動方式及其特點 [13]。 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(yīng)首選步進電機 。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)。步進電動機輸出轉(zhuǎn)角與輸入脈沖個數(shù)成嚴(yán)格正比關(guān)系，轉(zhuǎn)子速 度主要取決于脈沖頻率，故控制簡便。 （ 4）步進電動機：步進電動機是由電脈沖信號控制的，它可將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直線位移，有回轉(zhuǎn)式和直線式兩種。 （ 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(gòu)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(yīng)特性更好等技術(shù)特點，可達到更大的功率和更高的轉(zhuǎn)速。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。 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 。適用于中小 負載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機械手 ，如 AC 伺服噴涂機械手、點焊機械手、弧焊機械手、裝配機械手 等。上述驅(qū)動單元有的直接驅(qū)動機構(gòu)運動，有的通過諧波減速器裝置來減速，結(jié)構(gòu)簡單緊湊。 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。功率 /質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題小。 氣壓驅(qū)動具有以下特點： （ 1） 輸出功率大，壓力范圍為 4860N/cm2，最高可達 100N/cm2 （ 2） 控制性能：氣體壓縮性能大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實現(xiàn)高速高精度的連續(xù)軌跡控制。 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 。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。功率 /質(zhì)量較 大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較大。 液壓驅(qū)動有以下特點： （ 1）輸出功率很大，壓力范圍為 50140N/cm2 （ 2）控制性能： 利用液 體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。 圖 21 機械手 結(jié)構(gòu)示意圖 工業(yè) 服務(wù) 機器手 的傳動系統(tǒng)設(shè)計 機械手 驅(qū)動系統(tǒng)的比較與選擇 工業(yè) 服務(wù) 機械手 的驅(qū)動可分為液壓，氣動和電動三種基本類型。 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 。這樣一來如果全部運動都設(shè)計成由機械手 本體來完成，那么必然 增加機械手 本體復(fù)雜性，并會影響機械手位置精度。 3 第 2 章 總體方案設(shè)計 本設(shè)計課題要求機械手 完成水平面內(nèi)搬運運動，這包括 XY 平面運動，以及Z 向上下運動。本論文在平面關(guān)節(jié)型機械手 研制以及相關(guān)領(lǐng)域研究成果基礎(chǔ)上，對 機械手 本體的機械結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，在確定了總體設(shè)計方案之后對整個機構(gòu)的傳動系統(tǒng)加以計算與校核?？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)。機械手 工作空間范圍大，動作靈活，避障性好，能抓取靠近機座的物體，但位置 精度較低，有平衡問題，控制耦合比較復(fù)雜， 目前應(yīng)用越來越多。機械手 體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，其位置精度 尚可，但避障性差，有平衡問題，位置誤差與臂長成正比，能與其他機械手 協(xié)調(diào)工作。 (3)球坐標(biāo)式 又稱極坐標(biāo)式。 (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。 ‖ 工業(yè)機械手 大體按坐標(biāo)形式即操作機手臂在運動時所取的參考坐標(biāo)系的形式可分為： (1)直角坐標(biāo)式 通過沿 xyz 三個互相垂直的直角坐標(biāo)的移動來實現(xiàn)末端執(zhí)行器（手部）空間位置的改變，即沿 x 軸的縱向移動，沿 y 軸的橫向移動和沿z 軸的升降。 1987 年 ISO（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織）采納了美國機器人協(xié)會（ RIA）的建議，給機器人下了定義，即 ―機器人是一種可反復(fù)編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機；或者為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改編的和可編程的動作 的專門系統(tǒng)。 20 世紀(jì) 50 年代，在自動機和自動線上出現(xiàn)了可以代替人力傳遞和裝卸工件的機械手，隨后在某 些危險作業(yè)領(lǐng)域出現(xiàn)了由操作人員直接控制或遙控的操作機。機器人工業(yè)已成為世界各國備受關(guān)注的產(chǎn)業(yè)。機器人技術(shù)是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多門學(xué)科而形成的高新技術(shù)，其本質(zhì)是感知、決策、行動和交互四大技術(shù)的綜合，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。該電機的多個關(guān)節(jié)均采用步進電機驅(qū)動，具有控制簡單、成本低的特點。 本文設(shè)計的是一種小型服務(wù)裝配機械手，主要對這種機械手進行結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計。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。 I 摘 要 機械手是一門涉及計算機科學(xué)、機械學(xué)、電子學(xué)、自動控制 、 人工智能等多個方面的 學(xué) 科，它代表了機電一體化的最高成就。現(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。 本課題提出設(shè)計一種服務(wù)機械手，用于電子元器件等的裝配，在分析國內(nèi)外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。 關(guān)鍵詞 ： 工業(yè)機械手 自由度 機器人