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摘 要 通過對機械設(shè)計、制造及其自動化專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，總結(jié)大學(xué)四年所學(xué)的知識，對機械手各部分機械結(jié)構(gòu)和功能的論述和分析，以及實際操作中的應(yīng)用情況，設(shè)計了一種SCARA的機械手。重點針對機械手的手爪、手腕、手臂、腰座等各部分機械結(jié)構(gòu)以及機械手的密封性進行了詳細的設(shè)計。 關(guān)鍵詞：SCARA機械手，自由度，密封性 27 Abstract Based on the mechanical design, manufacturing and automation professional courses, reviewing the study four years of university knowledge, discussion and analysis of the manipulator mechanical structure and function of each part, and the actual operation of the application, the design of a SCARA manipulator. The mechanical design of manipulator, wrist, arm, waist seat, and the tightness of manipulator are mainly discussed in detail. Key Words：SCARA manipulator, degree of freedom, sealing property 目 錄 摘 要 I Abstract II 目 錄 III 第1章 緒論 5 1.1 引言 5 1.2國內(nèi)外機器人領(lǐng)域研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 5 1.3SCARA機器人簡介 6 1.4 平面關(guān)節(jié)型機器人關(guān)鍵技術(shù) 7 1.4.1 操作機構(gòu)設(shè)計與傳動技術(shù) 7 1.4.2 機器人計算機控制技術(shù) 8 1.4.3 檢測傳感技術(shù) 9 1.5 主要研究內(nèi)容及意義 10 1.6 課題要求及本文主要工作 10 1.6.1 課題要求 10 第2章 機械手總體結(jié)構(gòu)分析 11 2.1機械手總體設(shè)計 11 2.1.1 機械手設(shè)計原則 11 2.1.2 機械手本體的模塊化設(shè)計 12 2.1.3 機械手本體的模塊化設(shè)計 12 2.2機械手驅(qū)動方案 13 2.2.1 機械手驅(qū)動方式 13 2.2.2 控制電機的類型、特點 13 2.3機械手轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)設(shè)計 14 2.4機械手移動關(guān)節(jié)設(shè)計 15 2.5滾珠絲杠選型設(shè)計與計算 15 2.6本章小結(jié) 18 第3章 轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)設(shè)計計算 20 3.1 轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)減速機的設(shè)計計算 20 3.2 電機的設(shè)計計算 20 3.3 同步齒形帶的設(shè)計計算 21 第4章 機械手的密封性設(shè)計 24 結(jié) 論 26 參考文獻 27 致 謝 28 第1章 緒論 1.1 引言 機器人技術(shù)是集計算機、控制論、機械論、信息與傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等學(xué)科于一體的高新技術(shù)。其實質(zhì)是感知、決策、行動、互動四種技術(shù)的融合。這是一個非?；钴S和廣泛使用的當(dāng)代研究領(lǐng)域。機器人應(yīng)用水平是國家工業(yè)自動化水平的重要標志。 該工業(yè)機器人具有操作機、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感器、仿人操作、自動控制、再編程、全自動操作的三維空間各種生產(chǎn)設(shè)備。 目前，機器人應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在汽車行業(yè)，占機器人總數(shù)的2.89%。其次是電氣制造業(yè)，約占16.4%，而化學(xué)工業(yè)占11.7%。此外，工業(yè)機器人在食品、制藥、設(shè)備、航空航天和金屬加工等方面也有較多的應(yīng)用。隨著工業(yè)機器人的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域開始擴大，從制造業(yè)向非制造業(yè)，在原有的制造業(yè)同時是深穿透連續(xù)、大、薄、軟、窄、厚，硬加工領(lǐng)域的深化、擴展。新型木家具、畜牧漁業(yè)、建筑、橋梁、醫(yī)療、辦公、家庭教育研究等非制造業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用領(lǐng)域。 一般來說，機器人系統(tǒng)可以根據(jù)功能分為四個部分： （l）機械機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)：包括機體、傳動機構(gòu)、操作機構(gòu)、機架、機械連接等在內(nèi)的內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)。 2）電源部分：包括電源、電機等驅(qū)動裝置及其驅(qū)動電路。 3）檢測傳感器裝置：包括傳感器及其相應(yīng)的信號檢測電路。 4）控制和信息處理裝置：由硬件和軟件組成的機器人控制系統(tǒng)。 1.2國內(nèi)外機器人領(lǐng)域研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 （1）工業(yè)機器人的性能改善（高速、高精度、高可靠性、方便操作和維護），且單價繼續(xù)下降，平均單價從10萬3000美元下降到91美元的2005美元。 2）機械結(jié)構(gòu)模塊化和可重構(gòu)。例如，伺服電機、減速器、關(guān)節(jié)檢測系統(tǒng)等模塊在三者的集成；由關(guān)節(jié)模塊和連桿模塊與重組機器人構(gòu)成；國外有模塊化機器人產(chǎn)品要求城市。 （3）工業(yè)機器人控制系統(tǒng)以開放式控制系統(tǒng)為發(fā)展方向，基于CP機，易于標準化，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備集成化，控制柜結(jié)構(gòu)緊湊，模塊化，提高了系統(tǒng)的可靠性、可操作性和可維護性。 （4）機器人傳感器的作用起著越來越重要的作用，除了位置、速度和加速度傳感器的傳統(tǒng)，裝配、焊接機器人還用于視覺、觸覺傳感器和融合技術(shù)的遠程控制機器人視覺、聲音、環(huán)境建模和決策控制力覺、觸覺等多傳感器；多傳感器融合技術(shù)已經(jīng)成熟，在產(chǎn)品的系統(tǒng)配置中的應(yīng)用。 （5）虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人技術(shù)中的作用已經(jīng)從模擬和排練發(fā)展到過程控制，如操縱機器人在遠程操作環(huán)境中的參與感。 （6）當(dāng)代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點是非自治系統(tǒng)的人機交互控制的追求，而是致力于操作者和機器人，即遠程監(jiān)控遠程操作系統(tǒng)和地方自治，形成一個完整的體系，走出實驗室進入實用階段的智能機器人。在Mars的“寄居的機器人，最著名的例子是發(fā)射系統(tǒng)的成功應(yīng)用。 （7）機器人的機械化開始興起。自1994美國研制出“虛擬軸機床”以來，該裝置已成為國際上研究的熱點之一，并對其實際應(yīng)用領(lǐng)域進行了探索和發(fā)展。 1.3SCARA機器人簡介 SCARA機器人（圖1-1）很類似人的手臂的運動，包括肩、肘、腕關(guān)節(jié)來實現(xiàn)水平和垂直運動，在平面和定位是一種固定式工業(yè)機器人。它有四個自由度，其中三個是旋轉(zhuǎn)自由度，一個是運動自由度。3旋轉(zhuǎn)接頭，其軸線相互平行，手腕的參考點的位置是由角位移，確定和PZ，和位移Z運動的兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。這種機器人結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度快。例如，Adeptl SCARA的機器人可以在速度為10m/s的舉動，比常規(guī)的多關(guān)節(jié)機器人快幾倍。它可以實現(xiàn)平面運動，整個手臂的剛性在垂直方向上是大的，并且在水平方向上的靈活性是大的和靈活的。 圖1-1SCARA機器人 圖1-2 SCARA機器人裝配線 圖1-3 SCARA機器人 SCARA機器人是最適合水平定位和廣泛應(yīng)用在垂直裝配。廣泛應(yīng)用于高效裝配、焊接、密封、搬運等領(lǐng)域，具有剛性高、精度高、速度快、安裝空間小、工作空間大等優(yōu)點。由于組件數(shù)量少，工作更可靠，維護更少。有兩種安裝方式的地板安裝和頂部安裝，易于安裝在各種空間。它們可以直接用作焊接機器人、點膠機器人、光學(xué)檢測機器人、搬運機器人、插件機器人等，效率高、占地面積小，基本免維護。 1.4 平面關(guān)節(jié)型機器人關(guān)鍵技術(shù) 1.4.1 操作機構(gòu)設(shè)計與傳動技術(shù) 由于機器人運行速度快，定位精度高，需要設(shè)計和計算運動學(xué)和動力學(xué)來解決機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計和傳動鏈設(shè)計問題。包括： （l）重量輕、剛性好、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造的小型慣性技術(shù)是普遍采用的、布局合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，如驅(qū)動電機安裝在底座上，它可以減少手臂的慣性，增強機體的剛度；在不影響使用性能的情況下，盡可能使用各種組件的中空結(jié)構(gòu)。此外，材料的選擇是至關(guān)重要的整體性能。 （2）設(shè)計、制造工藝及調(diào)節(jié)精度傳動軸直接由伺服電機驅(qū)動，無間隙，無間隙，摩擦少，磨損少，提高剛性、精度和可靠性；軸承采用預(yù)緊措施，保證傳動精度和穩(wěn)定性。 （3）傳動平穩(wěn)，精度高，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動設(shè)計效率高，制造和調(diào)整技術(shù)由于在解決機械結(jié)構(gòu)的問題，往往提出了更高的要求，對傳動機構(gòu)，有時有多級傳輸，因此要實現(xiàn)上述目的，常用的方法有：鋼帶傳動，實現(xiàn)無摩擦、高精度無間隙傳動；滾珠絲杠傳動，可提高傳動效率和傳動平穩(wěn)，起動和低速性能，摩擦磨損??；使用RV減速器傳動鏈短、伸縮。同時，合理設(shè)置檢測系統(tǒng)的位置，進一步提高系統(tǒng)精度。 1.4.2 機器人計算機控制技術(shù) 由于自動化生產(chǎn)線和裝配精度的要求和外圍設(shè)備的限制，裝配機器人的控制過程非常復(fù)雜，末端運動穩(wěn)定，位置軌跡準確。在這個階段，機器人有兩種主要控制方式：首先，專用的控制系統(tǒng)，如FANUC、德國Motoman，工人等；二是基于PC機的運動控制結(jié)構(gòu)，如庫卡、ABB、工程、RCS等。控制領(lǐng)域經(jīng)常涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括： （l）采用點控制和軌跡控制的雙控制技術(shù)，為裝配機器人安裝高級編程語言和操作系統(tǒng)。常用的編程方法有教學(xué)編程和離線編程。另一方面，合理選擇關(guān)節(jié)驅(qū)動功率和可變比，終端基點密度和基點插值方法，使運動精度和軌跡平滑。 （2）裝配機器人的柔順運動控制 由于機器人柔順運動控制是一種變參數(shù)的非線性控制，它可以使機器人末端執(zhí)行器與工作對象或環(huán)境之間的運動和狀態(tài)滿足給定的要求。這種控制的關(guān)鍵是選擇一個合適的控制算法。 （3）誤差建模技術(shù) 在機器人運動中，機器人的制造誤差、傳動間隙和控制算法誤差會導(dǎo)致機器人末端位置誤差。因此，有必要對機器人運動進行誤差補償，建立合理可靠的誤差模型，優(yōu)化公差分配，校準系統(tǒng)誤差，并采用適當(dāng)?shù)恼`差補償環(huán)節(jié)。 （4）控制軟件技術(shù) 如阻尼算法、前饋控制、預(yù)測算法等先進的現(xiàn)代控制理論引入機器人控制器使機器人具有更準確的定位，固定外形、速度快、調(diào)整時間短，甚至可以在低剛性機器人結(jié)構(gòu)實現(xiàn)無振動的特點，有助于提高機器人的性能。 1.4.3 檢測傳感技術(shù) 傳感器技術(shù)是檢測傳感技術(shù)的關(guān)鍵。它主要用于檢測機器人本身和作業(yè)對象和工作環(huán)境的狀態(tài)，并向控制器提供信息以確定系統(tǒng)動作。傳感器的精度、靈敏度和可靠性在很大程度上決定了系統(tǒng)的性能。檢測傳感技術(shù)包含兩個方面：一是傳感器本身的研究與應(yīng)用，二是檢測設(shè)備的研發(fā)。包括： （1）多維ligio傳感器技術(shù) 多維力傳感器是當(dāng)今世界研究的熱點，涉及的內(nèi)容多、難度大。它可以同時檢測三維空間的全部信息。它廣泛應(yīng)用于精密裝配，雙手協(xié)調(diào)，零力演示等。本實用新型包括彈性體、傳感器頭、集成蓮藕單元、數(shù)據(jù)處理單元、專用電源等。 （2）視覺科技 視覺與觸覺視覺技術(shù)與傳感器技術(shù)的關(guān)系類似于人類，與觸覺相比，視覺信息處理技術(shù)具有復(fù)雜和高速能力，成本高，觸覺相對簡單，可靠，易于實現(xiàn)。但在某些情況下，視覺可以完成物體的形狀和姿態(tài)的識別，可以更全面的獲取環(huán)境數(shù)據(jù)，在一些特殊的場合如裝配，具有很大的優(yōu)勢定位，尤其是自主無人駕駛遙控組件，組件，組件和其他干預(yù)條件。因此，如何利用合適的硬件系統(tǒng)進行信息的采集和傳輸，并對數(shù)據(jù)進行分析、處理和識別，以獲得有用的信息，是控制的關(guān)鍵問題。 （3）多傳感器信息融合技術(shù) 由于裝配機器人采用各種傳感器采集信息，獲取的信息也多種多樣，必須采用有效的手段對信息進行處理，才能獲得有用的信息。因此，信息融合技術(shù)已成為制約檢測技術(shù)發(fā)展的瓶頸。 （3）傳感設(shè)備的集成與智能化技術(shù) 傳感裝置的集成可以構(gòu)成復(fù)合傳感器或矩陣傳感器，傳感器與測量裝置的集成可以構(gòu)成集成傳感器。這些方法可以使傳感器的功能越來越小，提高檢測和傳感系統(tǒng)的性能，更加穩(wěn)定可靠。傳感裝置的智能化是將微型計算機或微處理器添加到傳感裝置中，使其具有自動判斷、自動處理和自動操作的功能。加快系統(tǒng)響應(yīng)，消除或減少環(huán)境因素的影響，提高系統(tǒng)精度，延長平均無故障時間。 1.5 主要研究內(nèi)容及意義 本課題是設(shè)計一個SCARA教學(xué)機器人。作為工業(yè)機器人SCARA有很多成熟的產(chǎn)品，但是他們中的大多數(shù)驅(qū)動伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)采用RV減速器，價格是由這些組件是昂貴的，不適合作為教學(xué)使用。但教學(xué)機器人相對于運動精度要求比工業(yè)機器人場合要求精度低，對速度和穩(wěn)定性要求不高，它只需要具備機器人的基本要素，就可以達到一定的精度。事實上，步進電機組成的開環(huán)系統(tǒng)精度高，能滿足教學(xué)需要，且成本遠低于伺服電機組成的閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)。諧波傳動也是一種精度高、傳動穩(wěn)定、非常成熟的傳動技術(shù)。因此，研制低成本的教學(xué)機器人是非常有意義的。機器人的發(fā)展，以步進電機為動力裝置，以諧波減速器為傳動鏈的主要部分，輔以同步齒帶和滾珠絲杠等零件，構(gòu)成機器人的機械本體。 1.6 課題要求及本文主要工作 1.6.1 課題要求 1. 機械臂具有三個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，一個移動關(guān)節(jié)，所有關(guān)節(jié)的軸線都平行。 2. 轉(zhuǎn)動空間最大直徑1000mm，移動行程800mm 3. 傳動機構(gòu)及本體的設(shè)計； 4. 機械臂運動空間分析和控制方案 5. 傳動方式：直流伺服電機，直流步進電動機，螺旋轉(zhuǎn)動 6. 驅(qū)動方式：直流伺服電機 7. 材料：鋁合金 8. 總質(zhì)量：6kg 末端載荷：2kg 第2章 機械手總體結(jié)構(gòu)分析 機械手總體結(jié)構(gòu)見圖2-1?？紤]機械手的操作功能和范圍，采用旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)置四個自由度，即大臂活動關(guān)節(jié)、中臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、小臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和手旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。此外，還有一個抓手打開和關(guān)閉。機械手的每個關(guān)節(jié)由電動機構(gòu)成，直流伺服電機作為驅(qū)動元件。錐齒輪作為減速器，輸入輸出軸為90度。機器人必須滿足耐高壓、耐腐蝕、重量輕、等，由于鋁合金比重小，具有很高的耐腐蝕性，所以本文采用鋁合金作為機械體的材料，同時采用圓柱殼的形狀，從而充分利用內(nèi)部空間，而且減少流體阻力運動。同時，提高結(jié)構(gòu)的耐高壓性。機械手的內(nèi)部空間是有限的，控制器，驅(qū)動器和電源放置在與外螺旋電纜接頭機械手的機械手密接插件。 圖2-1 SCARA機械手總體結(jié)構(gòu)圖 2.1機械手總體設(shè)計 2.1.1 機械手設(shè)計原則 為了保證傳動精度和工作穩(wěn)定性的力學(xué)系統(tǒng)，在機械手本體的設(shè)計，應(yīng)做到以下幾個方面。 1．減少或消除傳動間隙。如消除變形引起的間隙的預(yù)緊方法的使用或穿彈性螺母驅(qū)動。 2．提高剛度。應(yīng)選擇剛性更好的材料，并合理選擇手臂截面形狀和輪廓尺寸。 3．提高抗振動。提高靜剛度，阻尼，固有頻率增加的改進措施可以提高抗振系統(tǒng)。 4．減少摩擦。使用傳輸部件的摩擦阻力小，導(dǎo)向軸承零件，如滾珠絲杠，動壓導(dǎo)軌支撐等。 5．縮小體積緊湊。如高強度輕質(zhì)復(fù)合材料的使用。 2.1.2 機械手本體的模塊化設(shè)計 隨著機械手應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，機械手產(chǎn)品也向多品種，小批量，低成本等方向發(fā)展，這提出了新的要求，對機械手本體的設(shè)計和生產(chǎn)。機械手本體的設(shè)計應(yīng)標準化，模塊化，從而縮短開發(fā)和生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本。模塊化設(shè)計可以有效地提高設(shè)計的可重用性，增加系統(tǒng)的可靠性，并根據(jù)客戶的需要系統(tǒng)的合理配置，以滿足市場的不同需求。 2.1.3 機械手本體的模塊化設(shè)計 CAD（計算機輔助設(shè)計）技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展對現(xiàn)代制造業(yè)的重要影響。它利用計算機技術(shù)作為一種工具，幫助工程設(shè)計人員進行產(chǎn)品設(shè)計，從而使設(shè)計人員從繁瑣，費時，效率低，傳統(tǒng)的手工繪制的圖形的精度低，降低設(shè)計人員的勞動強度，大大提高了設(shè)計效率，縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期和制造周期，提高產(chǎn)品整體質(zhì)量，因此被廣泛地應(yīng)用于機械，電子，汽車，飛機，船舶，建筑等行業(yè)，已成為現(xiàn)代工程設(shè)計領(lǐng)域的一項關(guān)鍵技術(shù)。二維CAD的主要功能是計算機輔助繪圖，使用二維CAD繪圖技術(shù)的工程圖紙不能完全表達設(shè)計師的設(shè)計思想，零件材料，顏色，形狀的表達，硬度和其他信息，而不是二維CAD技術(shù)的實現(xiàn)。在許多情況下，二維圖紙是不完整的，只能表達信息，而不是直接的，它帶來了畫畫的困難。因此，應(yīng)運而生的三維CAD技術(shù)。三維CAD技術(shù)來滿足人們的設(shè)計思維習(xí)慣，它可以直觀，零件信息的完整表達，有效地提高產(chǎn)品的設(shè)計效率，還可完成裝配干涉分析，空間運動分析，質(zhì)量屬性分析，有限元分析，自動生成二維工程圖，等處理分析，很快得到推廣和應(yīng)用。三維CAD已成為產(chǎn)品設(shè)計的一個重要技術(shù)。 目前，三維CAD領(lǐng)域有三個主流系統(tǒng)；PTC公司的Pro/Engineer，EDS的UG和達索SolidWorks。SolidWorks是基于特征的三維CAD專業(yè)軟件，具有功能強大的三維造型設(shè)計，自由曲面設(shè)計，二維圖紙，文檔數(shù)據(jù)的管理生產(chǎn)，計算機輔助制造，仿真和分析。 三維建模是機械手機構(gòu)設(shè)計的一個重要組成部分。利用Solidworks三維CAD軟件可以快速的機械手本體的機械零件的設(shè)計和裝配，建立三維模型。同時，也可以根據(jù)需要進行裝配干涉，對機械手本體的分析和模擬空間運動，質(zhì)量屬性，動態(tài)性能。因此，設(shè)計的機械系統(tǒng)，我們使用solidworks設(shè)計機械手，并利用SolidWorks和AutoCAD進行二維工程圖設(shè)計。 2.2機械手驅(qū)動方案 2.2.1 機械手驅(qū)動方式 常用的機械手驅(qū)動方式主要有液壓驅(qū)動氣壓驅(qū)動和電力驅(qū)動三種。 1液壓傳動。以液體為工作介質(zhì)的液壓驅(qū)動，通過將電能轉(zhuǎn)換為液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲃拥挠蛪弘姶砰y，使液壓驅(qū)動機構(gòu)的運動。液壓驅(qū)動輸出功率大，精度高，速度快，運行穩(wěn)定，但需要獨立的液壓源，和液體易泄漏，設(shè)備難以小型化，因此不能滿足機械手的驅(qū)動裝置體積小，重量輕，要求。 2氣壓傳動。工作原理和液壓傳動一樣，壓力由壓縮空氣驅(qū)動作為工作介質(zhì)，具有工作速度高，成本低，無泄漏污染，但功率小，動作不夠穩(wěn)定，不易小型化，難以實現(xiàn)精確控制。和機械手需要加工精度高，驅(qū)動功率較大，所以壓力驅(qū)動為機械手的驅(qū)動方式也有一定的局限性。液壓傳動和氣壓傳動用于工業(yè)機械手Unimate機械手早，最早是由液壓驅(qū)動的工作模式。 3電氣傳動。它是將電能轉(zhuǎn)化為電磁力，電磁力驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的。電力驅(qū)動，控制精度高，響應(yīng)速度快，操作簡單方便，無污染，這些特征更好地滿足機械手的設(shè)計要求。因此，電力驅(qū)動成為機械手的主要驅(qū)動方式，所述控制電機是最常見的執(zhí)行器。 2.2.2 控制電機的類型、特點 為了減小機械手的體積，降低了驅(qū)動裝置的重量，同時滿足控制精度的要求，我們選擇電驅(qū)動機械手的驅(qū)動方式，并選取控制電機作為驅(qū)動裝置?？刂齐姍C可分為步進電機，直流伺服電機和交流伺服電動機三。他們有不同的特點。 1，步進電機。也被稱為電脈沖電動機，它是電脈沖信號轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的機械角位移的執(zhí)行元件，角位移的大小和速度分別與電脈沖數(shù)的輸入頻率成正比。步進電機沒有積累誤差，長期定位準確，不易失步，具有成本低，結(jié)構(gòu)簡單，控制性能好，機電一體化系統(tǒng)，因此它被廣泛地應(yīng)用在開環(huán)結(jié)構(gòu)。 2，直流伺服電機。整流器的直流伺服電動機的電刷和換向器由磁場產(chǎn)生的，磁動勢和電樞磁動勢正交，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。它具有較高的響應(yīng)速度，精度和頻率，具有優(yōu)良的控制特性，但其機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且由于電刷和換向器的使用壽命短，因此需要經(jīng)常修理。 3，交流伺服電機。交流伺服電機的大小和方向的氣隙磁場的檢測，而不是換向器和電刷的電力電子變換器，并通過勵磁電流、氣隙磁場的方向相同，有效電流的垂直方向與氣隙磁場來控制主磁通和轉(zhuǎn)矩。它具有穩(wěn)定可靠的特點，輸出轉(zhuǎn)矩恒定，過載能力強，加速和良好的動態(tài)性能，而且由于閉環(huán)控制的使用，從而達到較高的控制精度和可靠的控制性能可以。交流伺服電動機已廣泛應(yīng)用在工業(yè)自動化控制領(lǐng)域。 為了滿足機械手的運行速度快，高動態(tài)性能和良好的設(shè)計精度控制，采用日本安川公司II系列交流伺服電機作為驅(qū)動裝置，并驅(qū)動伺服電機與伺服電機配合控制電機運行的選擇。 2.3機械手轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)設(shè)計 目前，機器人的傳動系統(tǒng)中主要是使用VR減速器或諧波減速器。VR減速器是近幾年發(fā)展起來的以兩級減速和中心圓盤支撐為主的全封閉式擺線針輪減速器，與其它減速方式相比，VR減速器具有減速比大、同軸線傳動、傳動精度高、剛度大、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，適用于重載、高速和高精度場合。諧波減速器也具有傳動比大，承載能力大，傳動精度高，傳動平穩(wěn)，傳動效率高，結(jié)構(gòu)簡單、體積小，重量輕等優(yōu)點，而且相對于VR減速器而一言，其制造成本要低很多，所以在本設(shè)計中采用諧波減速機。SCARA機器人大小臂均要承受軸向壓力和傾覆力矩，所以大臂和小臂均采用諧波減速機加推力向心交叉短圓柱滾子軸承結(jié)構(gòu)。而推力向心交叉短圓柱滾子軸承剛度高，能承受軸向壓力與徑向扭矩，與諧波減速機配合正符合SCAAR機器人大小臂高剛性及高的抗傾覆力矩的要求。這樣有利于縮短傳動鏈，簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計。由于主軸處于機器人小臂末端，相對線速度大，對重量與慣量特別敏感，所以傳動方式要求同時實現(xiàn)Z軸方向直線運動和繞Z軸的回轉(zhuǎn)運動，并要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕。經(jīng)過比較，選擇同步齒形帶加滾珠絲杠來實現(xiàn)Z軸上下運動，而用同步齒形帶加帶鍵的滑動軸套來實現(xiàn)Z軸旋轉(zhuǎn)運動。 2.4機械手移動關(guān)節(jié)設(shè)計 移動機械手用于直線升降運動，機械手本體部分傳動連接，從而在垂直方向?qū)崿F(xiàn)末端執(zhí)行器的定位裝置。常見的線性驅(qū)動方式主要有液壓驅(qū)動，氣壓驅(qū)動，直線電機驅(qū)動，旋轉(zhuǎn)電機和絲杠螺母副聯(lián)合驅(qū)動等。滾動絲杠螺母具有小的摩擦力矩傳動的特點，傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，剛性好，傳動精度高，使用壽命長等特點，已廣泛應(yīng)用于機電一體化系統(tǒng)，與滾動導(dǎo)軌副精度高，摩擦系數(shù)小，潤滑方便，使用壽命長。因此，我們使用電機聯(lián)合滾動絲桿螺母機構(gòu)和滾動導(dǎo)軌副設(shè)計機械手。 本次設(shè)計機械手的手臂移動關(guān)節(jié)如下，電機帶動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，滾珠絲杠軸承兩端固定在圓筒支架上，手臂固定在絲杠螺母座上。當(dāng)電機轉(zhuǎn)動時，電機的輸出軸帶動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動絲杠螺母沿螺桿軸線方向作直線運動，實現(xiàn)手臂的移動運動。 初選絲杠的基本技術(shù)參數(shù)，如表2-1所示。 表2-1 絲杠軸的基本技術(shù)參數(shù) 名稱 公稱直徑 螺距 接觸角 摩擦系數(shù) 螺紋類型 數(shù)值 16mm 4 45° 0.1 梯形螺紋 則以上參數(shù)可得： 螺旋升角 當(dāng)量摩擦角 螺紋阻力矩 上式中，表示摩擦系數(shù)，Q表示可承載絲杠軸面的平均直徑，因而取螺母內(nèi)外徑的平均值，取為，所以： 絲杠所受力矩 安全系數(shù)2，最小力矩電機輸出。 2.5滾珠絲杠選型設(shè)計與計算 （1）滾珠絲杠副具有傳動效率高，運動平穩(wěn)，精度高，經(jīng)久耐用等優(yōu)點，同步的特點，從而滿足設(shè)計要求。首先，滾珠絲杠連接裝置質(zhì)量的工作條件：m1為4kg，工件（末端執(zhí)行部分）質(zhì)量m2為2kg，行程長度Ls為800mm，最大速度V為6m/min，加速時間t為0.5s，步進電機轉(zhuǎn)速1250r/min，導(dǎo)向面摩擦系數(shù)μ為0.003，步進電機轉(zhuǎn)動慣量Jm為0.8N.M，絲杠傳動精度±0.03mm，額定工作壽命時間Lh為10000h。 （2）絲杠導(dǎo)程精度的選擇 + 0.3mm定位精度的C7，滾珠絲杠的精度水平，針對實驗室環(huán)境和經(jīng)濟的要求，對滾珠絲杠的選擇。 （3）滾珠絲杠的導(dǎo)程及長度選擇 從表2-3顯示，電機轉(zhuǎn)速1250r /分鐘，提升聯(lián)合線性運動速度100mm/s，即6m/min，滾珠絲杠導(dǎo)程，查看《現(xiàn)代機械設(shè)計手冊》，所以我們應(yīng)該選擇5mm。 （4）絲杠直徑的選擇 這樣，通過絲桿的長度和導(dǎo)程P = 5mm，可選的螺桿直徑為16mm。 （5）最大軸向負荷的計算 加速度： 各狀態(tài)下的受力情況如表2-2所示 表2-2各個狀態(tài)的受力情況表 作用在滾珠絲桿上的最大軸向負載為：。 計算載荷求解： 根據(jù)表2-3所示：選取，，。 表2-3 求解載荷的參數(shù)表 （6）支撐方式的選擇 由于絲杠行程800mm，6m/min，最大速度，所以支撐螺旋軸選擇固定支撐。 （7）額定動載荷計算計算 壽命： ￠ =（2-22） （8）滾珠絲杠副選擇 名義上的滾珠絲杠動態(tài)負荷等于或略大于選擇原則，THK滾動預(yù)壓滾珠絲杠BTK2005-2.6，Ca=6KN。 BTK2005-2.6的參數(shù)主要為：絲杠軸外徑d=16mm，導(dǎo)程P=5mm，鋼球中心直徑dp=16.5mm，溝槽谷徑d1=14.2mm，基本額定載荷Ca=6KN，C0a=16.5KN，剛性K=150N/μm；螺旋升角為3.64o。 （9）滾珠絲杠的剛度驗算 變形是確定工作負載和扭矩，因為兩者的結(jié)合，所以，在一定程度上引導(dǎo)過程，偏移和在實際過程中，取，這將確保在最壞的情況下，鉛的最大變形預(yù)測。所以： pp 式中，A為絲杠截面積，；為絲杠的極慣性矩，；G為絲杠切變模量，對鋼G=83.3GPa； 在上式中，為平均工作負載，表示摩擦系數(shù)，T表示轉(zhuǎn)矩，取摩擦系數(shù)為0.0025，則=8'40"； 工作是在由導(dǎo)程誤差引起的彈性變形的桿的長度 通常要求絲杠誤差應(yīng)小于1／2傳動精度，即： ，該絲杠滿足剛度要求。 （10）效率驗算 滾珠絲杠副的傳動效率為: 要求在 90%~95%之間，所以所選的絲杠副合格。 2.6本章小結(jié) 本章主要對機械手的技術(shù)參數(shù)和基本要求，在實驗室環(huán)境中進行分析，完成了機械手的本體設(shè)計。 首先確定傳動方案，然后采用自底向上的設(shè)計原理，SolidWorks環(huán)境下的三維建模；然后是關(guān)鍵部件的選型計算，從而確定結(jié)構(gòu)模型的主要結(jié)構(gòu)和部件，與整體一致的設(shè)計原則。 一般來說，結(jié)構(gòu)和布局的模塊化制造方便，該模塊可以應(yīng)用在一些精度和結(jié)構(gòu)尺寸組合運動結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。 第3章 轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)設(shè)計計算 3.1 轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)減速機的設(shè)計計算 大臂的轉(zhuǎn)動速度為角速度≤1.8rad/s，電機初選四通步進電機，兩相混合式86BYG250B-0402。最高轉(zhuǎn)速為30OORPM，設(shè)計電機按1500RPM工作，則: 初選諧波減速器為北京中技克美諧波傳動有限責(zé)任公司的機型為60的XB3扁平型諧波減速器，其傳動比可以是100(XB3-60系列組件的規(guī)格和額定數(shù)值見下表) 表3-1 XB3-60-100的規(guī)格和額定數(shù)值表 機型 速比 最高輸入轉(zhuǎn)速rpm 輸入轉(zhuǎn)速3000rpm 半流體潤滑脂 油潤滑 輸入功率 Kg 輸出功率 kg 輸出扭矩 N.m 60 100 30000 50000 0.145 30 30 3.2 電機的設(shè)計計算 軸(機座旋轉(zhuǎn)軸)的等效轉(zhuǎn)動慣量為 式中:初擬機座的外徑為150mm，內(nèi)徑為100mm，帶輪直徑60mm，寬40mm. 設(shè)諧波減速器轉(zhuǎn)動慣量 電機的轉(zhuǎn)子慣量86BYG250B-0402電機的轉(zhuǎn)子慣量 因此自由度弓傳動系統(tǒng)上所有慣量折算到電機軸1上的等效慣量為 電機軸扭矩為T= 因為所選材料的摩擦系數(shù)f=0.002 取響應(yīng)時間△T=o.045，則 所選兩相混合式步進電機86BYG25OBN一0402電機在3O00rpm時扭矩為06N.m，滿足要求，其余幾個電機的選擇計算類似，第二自由度選擇86BYG25OAN，第三和第四自由度是兩個56BYG25OB。 表3-2步進電機技術(shù)數(shù)據(jù) 序號 型號 相數(shù) 步距角 （。） 靜態(tài)相流 （A） 相電電阻 相電感 (mH) 保持轉(zhuǎn)矩 (Nm) 定位轉(zhuǎn)矩 (Nm) 重量 (Kg) 1 86BYG250BN 2 0.9/1.8 4 1.1 11 5.0 0.08 2.6 2 86BYG250BN 2 0.9/1.8 3.6 0.9 7.2 0.4 0.08 1.5 3 56BYG250B 2 0.9/1.8 2.4 0.9 2.4 0.65 0.03 0.48 3.3 同步齒形帶的設(shè)計計算 考慮到整體結(jié)構(gòu)，選擇一對直徑60mm左右的帶輪同步齒型帶傳遞的設(shè)計功率隨載荷性質(zhì)、速度增減和張緊輪的配置而變化。令凡為考慮載荷性質(zhì)和運轉(zhuǎn)時間的工況修正系數(shù)，KZ為考慮增速的修正系數(shù)，K為考慮張緊輪的修正系數(shù)。 設(shè)計功率為： 2、 選擇帶型和帶輪節(jié)徑及齒數(shù)參照“同步帶選型圖”選擇帶型為L型，則選擇帶輪20L050，節(jié) 3、 節(jié)徑60.64mm，外徑59.88mm，齒數(shù)為20，節(jié)距P=9.525mm。接下來驗算帶速，同步帶傳動速度為 查表知L型帶帶速限制為Vmax=40—50m/S。所以帶輪滿足要求。 (3)同步帶的節(jié)線長度Lp，齒數(shù)Zb及傳動中心距 初選中心距 取 =89.7702 (4)確定實際嚙合齒數(shù)Zm (5)確定實際同步帶寬度 （1） 選取同步帶的寬度為12.7mm，帶輪寬度為14+2mm。 第4章 機械手的密封性設(shè)計 由于機械手在戶外，設(shè)備的密封性成為設(shè)計中最重要的部分。在各種靜密封或動密封的應(yīng)用中，O形密封圈是一種高效經(jīng)濟的密封元件，是一種具有雙向功能的密封件。安裝時，徑向或軸向初始壓縮使O型密封本身具有初始密封能力。系統(tǒng)的密封力和初始密封力產(chǎn)生總的密封力，隨著系統(tǒng)壓力的增大而增大。O型密封圈結(jié)構(gòu)緊湊，外形小巧，安裝方便。適用于解決多種密封問題。 機械手與非水環(huán)境機械手最大的區(qū)別是必須保護機械手不受腐蝕和密封。機械手的防腐主要從材料考慮。手指和手掌的外殼采用鋁合金，鋁合金具有良好的耐蝕性，機械加工完成后，合金表面經(jīng)陽極氧化處理，進一步提高了耐蝕性。錐齒輪的小部分，軸承和軸的關(guān)鍵采用鉻鎳不銹鋼材料，該材料不僅耐大氣腐蝕，水，蒸汽，耐腐蝕性可以硝酸，硫酸和鹽酸，并具有優(yōu)良的冷加工性。 通常，密封分為兩部分：相對靜止接頭和相對運動之間的靜密封，以及接合面之間的動態(tài)密封。解決靜密封問題并不難。通常采用“O”型密封圈的方法。這是很難解決的問題，移動和密封。動密封是指電機軸的延伸密封，因為電機軸只要轉(zhuǎn)動，軸與殼體就會有間隙，很容易漏氣。在機械手上，電機除了涉及動密封外，其余均為靜密封。最重要的是在軸延伸的動態(tài)密封。 　　由于電機功率較低，有必要對這種密封方式的摩擦損耗進行估算，又因為機械手在抓取時轉(zhuǎn)速非常低，所以不考慮摩擦功率損失，只對其摩擦損耗力矩進行估算. 取接觸圓環(huán)面作為研究對象，建立如圖4-1所示的極坐標系。 圖4-1 極坐標系 在圓環(huán)面上取一微元區(qū)域S，可得到該微元上摩擦損耗力矩為： 式中：P為接觸面的壓力（包括水壓合壓蓋預(yù)緊力）；f為接觸面的摩擦系數(shù)。 化簡可得： 舍去二次微小量，上式變?yōu)椋? 所以整個圓環(huán)面上的摩擦損耗力矩為： 根據(jù)設(shè)計結(jié)果，；；取壓蓋的預(yù)緊力和轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)處錐齒輪副的作用力為20N，則，??；在半液摩擦狀態(tài)時摩擦系數(shù)，因此有： 根據(jù)前面所述的電機計算轉(zhuǎn)矩損失率為： 由此可見，這種密封方式的轉(zhuǎn)矩損失率較小，對機械手影響不大。 結(jié) 論 本設(shè)計通過結(jié)合機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)本科四年的知識，來完成特定的功能，滿足了機器人設(shè)計的特殊要求，更好地反映和機械自動化專業(yè)的畢業(yè)生理論研究層面的設(shè)計制造，實踐能力和專業(yè)的精神和態(tài)度，較強的針對性和明確的實施，實現(xiàn)理論與實踐的有機結(jié)合。 本文研制了四自由度機械手。在分析了機械手工作環(huán)境及作業(yè)性能的基礎(chǔ)上，本文進行了機械手關(guān)節(jié)驅(qū)動方式的設(shè)計，并從機械手關(guān)節(jié)動力裝置、傳動裝置以及密封件等方面，對關(guān)鍵器件進行了選型。設(shè)計說明機械手具有良好的水密性能，同時也驗證了機械手本體結(jié)構(gòu)設(shè)計的有效性和可行性，為研究機械手智能控制搭建了實驗平臺。 綜上，經(jīng)過資料的收集、方案的選擇比較和論證，到分析計算，再到工程圖紙的繪制以及畢業(yè)設(shè)計論文的撰寫等各個環(huán)節(jié)，我對大學(xué)四本科階段的知識有了一個整體的深層次的理解，同時對工程的理解更加深刻和準確。因此，通過畢業(yè)設(shè)計實現(xiàn)了預(yù)期目標。 參考文獻 參考文獻 [1]濮良貴，繼名剛．《機械設(shè)計》．北京：機械工業(yè)出版社，2006.5 [2]王蘭美．《機械制圖》．北京：高等教育出版社，2004.2 [3]褚瑞卿．《通用機械與設(shè)備》．武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，1996.1 [4]李新城．《材料成型學(xué)》．北京：機械工業(yè)出版社，2006.1 [5]文九巴．《機械工程材料》．北京：機械工業(yè)出版社，2007.1 [6]劉鴻文．《簡明材料力學(xué)》．北京：高等教育出版社，2006.4 [7]劉建壽， 趙紅霞．《機械手設(shè)計概述》．武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2005.1 [8]趙雪松 ，趙曉芬．《機械制造技術(shù)基礎(chǔ)》．武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006.9 [9]劉建壽 ，宋郁琴． 水下機器人滑履支承滑瓦摩擦功耗與機械傳動效率[J]．礦山機械，2005年第10期．第33卷．第46-47頁 [10張祥珍.《建材機械與設(shè)備》上冊.武漢工業(yè)大學(xué)出版社，2003 [11]廖漢元.機械設(shè)備.北京：機械工業(yè)出版社，1998 [12]武漢建筑材料工業(yè)學(xué)院（許林發(fā)主編）.《建筑材料機械及設(shè)備》.中國建筑工業(yè)出版社，1980 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