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1、四自由度SCARA機器人結構設計 第一章　緒論 1.1 引言 機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多門學科而形成的高新技術。其本質是感知、決策、行動和交互四大技術的綜合，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用水平是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。 工業(yè)機器人既具有操作機(機械本體)、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置，是一種仿人操作、自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的自動化生產(chǎn)設備。 目前機器人應用領域主要還是集中在汽車工業(yè)，它占現(xiàn)有機器人總數(shù)的2.89%。其次是電器制造業(yè)，約占16.4%，而化工業(yè)則占11.7

2、%。此外，工業(yè)機器人在食品、制藥、器械、航空航天及金屬加工等方面也有較多應用。隨著工業(yè)機器人的發(fā)展，其應用領域開始從制造業(yè)擴展到非制造業(yè)，同時在原制造業(yè)中也在不斷的深入滲透，向大、異、薄、軟、窄、厚等難加工領域深化、擴展。而新開辟的應用領域有木材家具、農(nóng)林牧漁、建筑、橋梁、醫(yī)藥衛(wèi)生、辦公家用、教育科研及一些極限領域等非制造業(yè)。 一般來說，機器人系統(tǒng)可按功能分為下面四個部分川: （1）機械本體和執(zhí)行機構:包括機身、傳動機構、操作機構、框架、機械連接等內(nèi)在的支持結構。 （2）動力部分:包括電源、電動機等執(zhí)行元件及其驅動電路。 （3）檢測傳感裝置:包括傳感器及其相應的信號檢測電路。 （4）

3、控制及信息處理裝置:由硬件、軟件構成的機器人控制系統(tǒng)。 1.2 國內(nèi)外機器人領域研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1、總體來說： （1）工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至2005年的5萬美元。 （2）機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化;由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機;國外己有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。 (3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于CP機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化:器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模

4、塊化結構;大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 (4)機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術在產(chǎn)品化系統(tǒng)中己有成熟應用。 (5)虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用己從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 (6)當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，

5、使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。 (7)機器人化機械開始興起。從1994年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置己成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。 2、國內(nèi)和國外發(fā)展現(xiàn)狀： 國內(nèi)： 從整體上來說，我國機器人產(chǎn)業(yè)還很薄弱，機器人研究仍然任重而道遠。我國市場上機器人總共擁有量近萬臺，僅占全球總量的0.56%，其中完全國產(chǎn)機器人行業(yè)集中度僅為占30%，其余皆為從日本、美國、瑞典、德國、意大利等20多個國家引進。究其原因，很大程度在于自主品牌不夠，發(fā)展壯大自主品牌及其自動化成

6、套裝備產(chǎn)業(yè)成為當務之急，由于機器人是最典型的機電一體化、數(shù)字化裝備，技術附加值很高，應用范圍很廣，作為先進裝備制造業(yè)的支撐技術和信息化社會的新興產(chǎn)業(yè)，將對未來生產(chǎn)和社會發(fā)展起著越來越重要的作用。國外專家預測，機器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車．計算機之后出現(xiàn)的一種新的大型高技術產(chǎn)業(yè)。隨著我國企業(yè)自動化水平的不斷提高、人民生活需求水平的提高，機器人市場也會越來越大，這就給機器人研究、開發(fā)、生產(chǎn)者帶來巨大商機，目前中科院常州中心常州機械電子工程研究所致力于機器人及智能裝備技術的開發(fā)。 國外：在國外，應用于制造業(yè)的機器人取得了較顯著進展，已成為一種標準設備而得到工業(yè)界廣泛應用，從而也形成了一批在國際上較有影響力的

7、、知名機器人公司。如德國的KUKA、瑞典的ABB、日本的安川等。據(jù)專家預測，機器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車、計算機之后出現(xiàn)的一種新的大型高技術產(chǎn)業(yè)。據(jù)聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會(UNECE)和國際機器人聯(lián)合會(IFR)的統(tǒng)計，2002年至2004年，世界機器人市場年增長率平均在10%左右，2005年達到創(chuàng)紀錄的30%，2007年全球機器人實際安裝量達到650萬臺，機器人安裝量比2006年增加3%，達到了114365臺。據(jù)統(tǒng)計，近年來全球機器人行業(yè)發(fā)展迅速，2008年全球機器人行業(yè)總銷售量比2006年增長25％。而無論在使用、生產(chǎn)還是出口方面，日本一直是全球領先者，目前日本已經(jīng)有130余家專業(yè)的機器人制造商。世界

8、各國主要行業(yè)對機器人的需求詳人已應用在汽車制造廠的焊裝線上，我國現(xiàn)有機器人研究開發(fā)和應用工程單位200多家，其中從事機器人研究和應用的有75家，共開發(fā)生產(chǎn)各類機器人約3000多臺，90%以上用于生產(chǎn)，引進機器人做應用工程的約1000多臺。在國內(nèi)，機器人產(chǎn)業(yè)剛剛起步，但增長的勢頭非常強勁，我國機器人經(jīng)過20多年的發(fā)展已在產(chǎn)業(yè)化的道路上邁開了步伐。近幾年，我國應用于制造業(yè)的機器人及自動化生產(chǎn)線和工程項目、相關產(chǎn)品的年產(chǎn)銷額已近五億元。 1.3SCARA機器人簡介 SCARA機器人(如圖1一1所示)很類似人的手臂的運動，它包含肩關節(jié)、肘關節(jié)和腕關節(jié)來實現(xiàn)水平和垂直運動，在平面內(nèi)

9、進行定位和定向，是一種固定式的工業(yè)機器人。它具有四個自由度，其中，三個是旋轉自由度，一個是移動自由度。3個旋轉關節(jié)，其軸線相互平行，手腕參考點的位置是由兩個旋轉關節(jié)的角位移p，和pZ，及移動關節(jié)的位移Z來決定的。這類機器人結構輕便、響應快，例如Adeptl型SCARA機器人的運動速度可達10m/S，比一般的關節(jié)式機器人快數(shù)倍。它能實現(xiàn)平面運動，全臂在垂直方向的剛度大，在水平方向的柔性大，具有柔順性。 圖1一1SCARA機器人 SCARA機器人最適用于平面定位，廣泛應用于垂直方向的裝配。廣泛應用于需要高效率的裝配、焊接、密封和搬運等眾多應用領域，具有高剛性、高精度、高速度、安裝空間小、工

10、作空間大的優(yōu)點。由于組成的部件少，因此工作更加可靠，減少維護。有地面安裝和頂置安裝兩種安裝方式，方便安裝于各種空間?？梢杂盟鼈冎苯咏M成為焊接機器人、點膠機器人、光學檢測機器人、搬運機器人、插件機器人等，效率高，占地小，基本免維護。 1.4 項目研究的主要內(nèi)容 本課題是要設計一個教學SCARA機器人。作為工業(yè)機器人的SCARA己有很多成熟的產(chǎn)品，但大多驅動裝置采用伺服電機，傳動系統(tǒng)采用RV減速機，由這些部件構成的整機價格昂貴，不適宜于作為教學用途。而教學機器人相對而言對運動精度的要求要比工業(yè)場合用的機器人所要求的精度低，對運動速度和穩(wěn)定性的要求也不高，它只需具備機器人的基本元素，達到一

11、定的精度即可。實際上由步進電機構成的開環(huán)系統(tǒng)精度已經(jīng)很高，能滿足教學用途，而且成本比伺服電機構成的閉環(huán)、半閉環(huán)系統(tǒng)低很多。諧波傳動也是精度高、傳動平穩(wěn)并且很成熟的一項傳動技術。因此自主開發(fā)低成本的教學機器人很有意義。對本機器人的研制，擬采用步進電機作為動力裝置，采用諧波減速機作為傳動鏈的主要部件，同時輔以同步齒形帶和滾珠絲杠等零部件來構成機器人的機械本體。 項目研究的總體步驟是: 選出最優(yōu)傳動方案一一關鍵零部件選型一一機械系統(tǒng)三維建模一一零部件工程圖和總裝圖 1.5　擬解決的關鍵問題 （1）抗傾覆力矩問題的解決。 　　SCARA機器人的大臂和小臂重量大，懸伸也大，造成很大的

12、傾覆力矩，影響機器人的性能，通過合理的機械結構設計來加以解決。 （2）運動要靈活，升降運動的導套長度不宜過短，否則可能產(chǎn)生卡死現(xiàn)象；一般要有導向裝置。結構布置要合理，便于裝修。 第二章 SCARA機器人結構設計 近年來，工業(yè)機器人有一個發(fā)展趨勢:機械結構模塊化和可重構化。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化;由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機;國外己有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。本章介紹模塊化的設計方法在SCARA機器人的結構設計中的應用。 2.1 SCARA機器人的總體設計 SCARA機器人設計的技術參數(shù)應符合設計要求，其結構要

13、符合機械設計原理。首先要確定其運動空間、外形尺寸及設計方案。 2.1.1 SCARA機器人的技術參數(shù) 機構形態(tài) 平面關節(jié)式(SCARA型) 自由度 4 負載能力 ≥3 Kg 重復定位精度 ±0.1mm 動作范圍 關節(jié)Ⅰ轉動 0～200° 關節(jié)Ⅱ轉動 0～180° 關節(jié)Ⅲ升降 0～150mm 關節(jié)Ⅳ轉動 0°～360° 最大速度 關節(jié)Ⅰ轉動 180o /S 關節(jié)Ⅱ轉動 60o /S 關節(jié)Ⅲ升降 40mm/S 關節(jié)Ⅳ轉動 o /S 關節(jié)Ⅰ長度 190mm 關節(jié)Ⅱ長度 210mm 關節(jié)Ⅲ行程 150mm 最大展開半徑 400

14、mm 高 度 680mm 本體重量 ≤50Kg 安裝環(huán)境 溫度 0～+45oC 濕度 20～80%不結露 振動 0.5G以下 其它 避免易燃、腐蝕性氣體、液體 勿濺水、油、粉塵等 勿接近電器噪聲源 操作方式 示教再現(xiàn)/編程 電源容量 單相220V 50Hz 8A 2.1.2SCARA機器人外形尺寸與工作空間 此設計題目機器人工作半徑為400mm，高度不超過700mm。機器人運動關節(jié)包括肩關節(jié)、肘關節(jié)、腕關節(jié)及手腕，設計時應使各關節(jié)的半徑、重量及各關節(jié)中零件裝配盡量合理，初步設計機器人的整體結構尺寸如下： 圖2-1 機器人外形尺寸

15、 圖2-2 機器人最大動作范圍示意圖 2.1.3 SCARA機器人的總體傳動方案的確定 比較目前同類SCARA機器人本體設計方案，參考《國內(nèi)典型工業(yè)機器人圖冊》，初步選用下述傳動方案： （1）四旋轉自由度均選擇減速電機傳動，精度高，傳動比大，效率高，噪聲小，振動小，傳動部分的零件都是標準件，易購買，安裝方便。 （2）旋轉自由度選擇減速電機和同步帶傳動，精度高，傳動比高，結構緊湊。 （3）移動選擇同步帶傳動，傳動精度高，結構緊湊，傳動比恒定，傳動效率高，但安裝要求高，負載能力有限。 由于主軸處于機器人小臂末端，相對線速度大，對重量和慣量特別

16、敏感，所以傳動方案要求同時實現(xiàn)Ｚ軸方向直線運動和繞Ｚ軸的回轉運動，并要求其結構緊湊、重量輕。因此，三四關節(jié)的傳動設計需要慎重考慮，最終選擇同步齒形帶聯(lián)合滾珠絲杠以實現(xiàn)Ｚ軸垂直（第三移動自由度）運動，而用電機集成行星減速器來實現(xiàn)Ｚ軸旋轉（第四旋轉自由度）運動。 各關節(jié)的傳動方案最終確定如下： 1軸（大臂回轉）：伺服電機１－－諧波減速器－－大臂 2軸（小臂回轉）：伺服電機２－－同步齒形帶－－諧波減速器－－小臂 3軸（手腕垂直直線運動）：伺服電機３－－同步齒形帶－－滾珠絲杠－－主軸 4軸（手腕旋轉）：伺服電機４－－行星減速器－－主軸 2.2 機器人底座結構設計 本六自由度機器

17、人除自身本體底座外（圖2-3），還配備了方形底座（圖2-4），方形底座采用M16螺栓固定于控制柜上臺面,機器人本體通過M12內(nèi)六角螺釘固定在方形底座上。 　 　　　　　　　　　　圖２－3　機器人本體底座尺寸圖 圖2-4 機器人方形底座 2.3 關節(jié)1各零件的設計計算 關節(jié)1的主要零件包括電機、減速器、轉動軸。轉動軸的設計計算應滿足扭矩及轉矩。 根據(jù)機器人外形尺寸圖及設計要求的機器人機身質量，粗略限定各個部分的質量為：機座，大臂質量，小臂質量，手腕質量。 2.3.1 電機1及減速器的計算、選擇。 設各關節(jié)及手腕繞各自中心軸的轉動慣量分別為、、，根據(jù)平行

18、軸定理，可得繞第一關節(jié)軸的轉動慣量為: 式中：、、-----大臂、小臂、手腕的估計質量； 、、--------各重心到第一關節(jié)處的距離，其值大約為100mm，300mm，400mm。 由于、、，故、、可忽略不計，所以軸（機座旋轉軸）的等效轉動慣量為 機器人大臂從到所需時間為，則啟動轉矩為 考慮摩擦力矩及、、，則可假定為，取安全系數(shù)為2，則諧波減速器所需輸出的最小轉矩為。據(jù)此，選擇日本電產(chǎn)新寶（浙江）有限公司生產(chǎn)的型號為WPC63-100-CND的單級諧波減速器。，其傳動比為100，平均輸出扭矩為70.可滿足力矩要求。 表2-1減速機型號、規(guī)格

19、 表2-2 減速機尺寸表 交流伺服電動機，是一種將輸入的電壓信號轉變成軸向角位移或角速度的控制電機。輸入的電壓信號稱為控制信號或控制電壓，改變控制電壓的極性和方向改變伺服電機的轉速和方向。 交流伺服電動機的輸出功率為0.1-100w，其中最常用的在30w以下。其電源頻率在50Hz時，電壓是36，110，220，380V；電源頻率是400Hz，電壓是20，26。36，115V。 自動控制系統(tǒng)對伺服電動機的要求有： 良好的要可控制 單相供電時無自轉現(xiàn)象 運行穩(wěn)定 運轉隨轉矩的增高而均勻下降 快速響應 接到信號時快速

20、啟動，失去信號能自動制動并立刻停止轉動。 與步進電機相比較，在控制方式上相似（脈沖串和方向信號），但在使用性能和應用場合上存在著較大的差異。 （1）控制精度不同 兩相混合式步進電機步距角一般為3.6°、 1.8°，五相混合式步進電機步距角一般為0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步進電機步距角更小。 （2）低頻特性不同步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。振動頻率與負載情況和驅動器性能有關，一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現(xiàn)象對于機器的正常運轉非常不利。當步進電機工作在低速時，一般應采用阻尼技術來克服低頻振動現(xiàn)象，比如在電機上

21、加阻尼器，或驅動器上采用細分技術等。交流伺服電機運轉非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點，便于系統(tǒng)調(diào)整。 （3）矩頻特性不同 步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降，所以其最高工作轉速一般在300～600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉速（一般為2000RPM或3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額定轉矩，在額定轉速以上為恒功率輸出。 （4）過載能力不同 步進電機一般不具有過載能力。交流伺服電機具有較強的過載能力。 （5）運行

22、性能不同 步進電機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉的現(xiàn)象，停止時轉速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應處理好升、降速問題。交流伺服驅動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內(nèi)部構成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。 （6）速度響應性能不同 步進電機從靜止加速到工作轉速（一般為每分鐘幾百轉）需要200～400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好。 因此選擇電機類型為伺服電機。 設諧波減速器的傳動效率為，伺服電機需輸出力矩為 選擇日本富士伺服電機小慣量系列，型號為GYS201DC

23、2-T2A，額定轉速為3000，額定功率200W，額定轉速時轉矩為0.7，滿足要求。 表2-3 電機1型號及尺寸表 2.3.2 關節(jié)1傳動軸的設計計算及校核 軸的分類： 按軸受的載荷和公用可分為： （1）心軸：只承受彎矩不承受扭矩的軸，主要用于支撐回轉零件，如：車輛軸和滑輪軸。 （2）傳動軸：只承受扭矩不承受彎矩或只承受很小的彎矩的軸，主要用于傳遞轉矩，如：汽車的轉動軸。 （3）轉軸：同時承受彎矩和轉矩的軸，既支撐零件又傳遞轉矩，如：減速器軸。 軸的材料： 關節(jié)1是傳動軸，既承受轉矩也承受轉矩。軸的失效形式是疲勞斷裂，應具有足夠的強度、韌性和耐磨

24、性。 軸的材料從以下中選取: （1）碳素鋼：優(yōu)質碳素鋼具有較好的機械性能，對應力集中敏感性較低，價格便宜，應用廣泛。例如：35、45、50等優(yōu)質碳素鋼。一般軸采用45鋼，經(jīng)過調(diào)質或正火處理；有耐磨性要求的軸段，應進行表面淬火及低溫回火處理?。輕載或不重要的軸，使用普通碳素鋼Q235、Q275等. （2）合金鋼：具有較高的機械性能，對應力集中比較敏感，淬火性較好，熱處理變形小，價格較貴。多使用于要求重量輕和軸頸耐磨性的軸。例如：汽輪發(fā)電機軸要求，在高速、高溫重載下工作，采用27Cr2Mo1V、38CrMoAlA等?；瑒虞S承的高速軸，采用20Cr、20CrMnTi等。? （3）

25、球墨鑄鐵：吸振性和耐磨性好，對應力集中敏感低，價格低廉，使用鑄造制成外形復雜的軸。例如：內(nèi)燃機中的曲軸。 軸結構設計的基本要求有：? （1）便于軸上零件的裝配?軸的結構外形主要取決于軸在箱體上的安裝位置及形式，軸上零件的布置和固定方式，受力情況和加工工藝等。為了便于軸上零件的裝拆，將軸制成階梯軸，中間直徑最大，向兩端逐漸直徑減小。近似為等強度軸。? （2）保證軸上零件的準確定位和可靠固定? 軸上零件的軸向定位方法主要有：軸肩定位、套筒定位、圓螺母定位、軸端擋圈定位和軸承端蓋定位。 傳動1軸的設計計算如下： （1）選用45鋼正火處理? （2）?由表2-4

26、查得強度極限s? （3）?由表2--4查得其許用彎曲應力?[ 材料 編號 毛坯直徑/mm 硬度 HBW 抗拉強度極限 拉伸屈服極限 彎曲疲勞極限 剪切疲勞極限 備注 優(yōu)質碳素鋼 45 應用最廣 45 應用最廣 表2-4 軸的常用材料及其主要力學性能 按扭轉強度估算輸出端直徑 由表2-5，取A最小值A=103 軸的材料 Q235—A 20 Q275 35 45 、 、 表2-5 軸常用材料的許用切應力及A值 則，取軸的

27、直徑為整數(shù) 軸的抗扭強度條件為 由表1-5，取=45 滿足條件 初估軸徑后，就可按照軸上零件的安裝順序從處開始逐段確定軸徑，上面計算的是軸段1的直徑，由于軸段1上安裝連軸器，因此軸段1直徑的確定和連軸器型號同時進行。這次選用的是波紋管連軸器。故軸段1直徑＝20mm。 右端用軸肩固定，考慮到在軸段2上裝套筒，故取軸徑＝22mm。 在軸段3上要安裝軸承，其直徑應該便于軸承安裝，又應該符合軸承內(nèi)徑系列， 即軸段3的直徑應與軸承型號的選擇同時進行?，F(xiàn)取角接觸球軸承型號為7205，其內(nèi)徑＝25mm。通常一根軸上的兩個軸承取相同型號，故取軸段7的直徑＝25mm。 軸段

28、4上用軸肩固定軸承，故?。?0mm。 軸段5上作成齒輪軸，尺寸與齒輪相同。 根據(jù)結構確定軸段6的直徑＝30mm。 各軸段長度的確定 各軸段長度主要根據(jù)軸上零件的轂長或軸長零件配合部分的長度確定。另一些軸段長度，除與軸上零件有關外，還與箱體及軸承蓋等零件有關。 根據(jù)聯(lián)軸器取 。 考慮到套筒長度取 。 根據(jù)軸承寬度取 。 根據(jù)結構 。 圖2-5 關節(jié)1階梯軸 軸的強度校核：軸在初步完成結構設計后，進行校核計算。計算準則是滿足軸的強度或剛度要求。進行軸的強度校核計算時，應根據(jù)軸的具體受載及應力情況，采取相應的方法，并恰當?shù)剡x取其許用應力，對于用于傳遞轉矩的軸應按扭轉強度條件

29、計算，對于只受彎矩的軸（心軸）應按彎曲強度條件計算，兩者都具備的按疲勞強度條件進行精確校核等。 （1）軸上的轉矩T： 主軸上的傳遞的功率： （4-8） 求作用在齒輪上的力： （2）畫軸的受力簡圖 見圖4－2 （3）計算軸的支撐反力 在水平面上 在垂直面上 （4）畫彎矩圖 見圖2-6 在水平面上，剖面左側 剖面右側 在垂直面上 合成彎矩，剖面左側 剖面右側 （5）畫轉矩圖 見圖4－2 （6）判斷危險截面 截面左右的合成彎矩左側相對右側大些，扭矩為T，則判斷左側為危險截

30、面，只要左側滿足強度校核就行了。 （7）軸的彎扭合成強度校核 許用彎曲應力，， 截面左側 （8）軸的疲勞強度安全系數(shù)校核 查得抗拉強度 ，彎曲疲勞強度，剪切疲勞極限，等效系數(shù)， 截面左側 查得，；查得絕對尺寸系數(shù)，；軸經(jīng)磨削加工，表面質量系數(shù)。則 彎曲應力 ， 應力幅 平均應力 切應力 安全系數(shù) 查許用安全系數(shù)，顯然，則剖面安全。 其它軸用相同方法計算，結果都滿足要求。 圖2-6 彎矩圖 2.3.3 軸承類型的選擇 主軸輸出端用一對角接觸球軸承支撐，它可

31、以同時承受徑向載荷與軸向載荷，能在高速度下正常工作。承受軸向載荷的能力由接觸角α決定，接觸角大則承受的能力也高。代號70000AC，α=25o。 與其它軸承相比，角接觸球軸承具有以下特點： （1）可同時承受徑向負荷和軸向負荷。能在較高的轉速下工作。接觸角越大，軸向承載力越高。高精度和高轉速軸承通常取15度的接觸角。在軸向力的作用下，接觸角會增大。 （2）單列軸承只能承受一個方向的軸向負荷，在承受徑向負荷時，將引起附加軸向力。并且只能限制或外殼在一個方向的軸向位移。若是成對雙聯(lián)安裝，使一對軸承的外圈相對，即寬端面對寬端面，窄端面對窄端面。這樣即可避免引起附加軸向力，而且可在兩個

32、方向使軸或外殼限制在軸向游隙范圍內(nèi)。 （3）一般為內(nèi)圈或外圈帶鎖口，內(nèi)、外圈不可分離。外圈加熱膨脹后與內(nèi)圈、滾動體、保持架組件裝配。裝球數(shù)比深溝球軸承多，額定負荷在球軸承中最大，剛性強，運轉平穩(wěn)?？梢岳脙?nèi)、外圈相互位移調(diào)整徑向游隙。常成對使用，并施加預負荷，以提高軸承剛性。 初選單列角接觸球軸承（GB/T 292-1994）7000AC,d=10mm,基本額定載荷：Cr=4.75kN;Cor=2.12kN 軸承內(nèi)部軸向力與軸向載荷： S=0.68FrFr為軸向力 Fa= S=0.68Fr=0.68×68=46.24N 則 Fa'=68+46.24=114.24N ==

33、2.47>e=0.68 X=0.41,Y=0.87 軸承的當量動載荷P=fp (XFr+YFa) fp 為載荷系數(shù)， P=1.1（0.41×68+0.87×114.24）=139.9N 軸承壽命 L10h=106 ×(ftC/P)ε/(60n) ft為溫度系數(shù)，ε為壽命指數(shù) L10h=106 ×(2200/181.9)3 /(60×3000)=34×106 >15000h S=0.68FrFr為軸向力 Fa= S=0.68Fr=0.68×39.2=26.7N 則 Fa'=39.2+26.7=65.86N ==2.47>e=0.68 X=0.41,Y=0.87 軸承

34、的當量動載荷 P=fp (XFr+YFa) fp 為載荷系數(shù) P=1.1（0.41×39.2+0.87×65.85）=80.7N 軸承壽命 L10h=106 ×(ftC/P)ε/(60n) ft為溫度系數(shù)，ε為壽命指數(shù) L10h=106 ×(2200/80.7)3 /(60×3000) =1.1×10.5>15000h 故所選軸承滿足要求。 滾珠軸承的選擇與校核計算相同。 2.4 關節(jié)2各零件的設計計算 關節(jié)2的運動和關節(jié)1相同，做平面旋轉運動。其結構和1軸也相似，主要包括電機、減速器、主軸。考慮其結構，為了使結構更合理緊湊，用同步帶改變力的傳遞方向。 2

35、.4.1 電機2及減速器的計算選型 與關節(jié)1的計算類似，忽略、，所以繞第二關節(jié)軸的等效轉動慣量為： 機器人大臂從到所需時間為，則啟動轉矩為 考慮摩擦力矩及、，則可假定為，取安全系數(shù)為2，則諧波減速器所需輸出最小轉矩。選擇日本電產(chǎn)新寶（浙江）有限公司生產(chǎn)的型號為WPC-63-80-CN諧波減速器。其減速比為80，容許平均力矩為，可滿足設計要求。 諧波減速器規(guī)格、尺寸查表（同1軸諧波減速器）。 伺服電機2需輸出的力矩為 選擇日本富士伺服電機小慣量系列，型號為GYS101DC2-T2C，額定轉速為3000，額定功率100W，額定轉速時轉矩為0.

36、32，可滿足輸出力矩要求。其規(guī)格、尺寸查表（同電機1）。 2.4.2 同步齒形帶的選型計算 為減少機器人整體尺寸，2軸采用伺服電機、同步帶、諧波減速器的驅動方式。 2軸電機為GYS101DC2-T2C型，功率100W，額定轉速3000r/min。此處傳動比，同步帶主要起改變傳動方向的作用，并不改變輸出力矩。 （1）確定齒形帶的計算功率。 同步齒形帶傳遞的功率隨載荷性質、速度增減和張緊輪的配置而變化。其功率為 式中：--------考慮載荷性質和運轉時間的工況修正系數(shù)，其值見表2-6，查表確定。 載荷性質 每天工作小時數(shù)/h 變化

37、情況 瞬時峰值載荷及額定工作載荷 平穩(wěn) 1.4 小 較大 很大 表2-6 同步帶的工況修正系數(shù) P---------傳遞的功率。 則同步帶的計算功率為 （2）選定帶型和節(jié)距。 根據(jù)圓弧齒形帶選型圖（表2-7），功率，轉速，可選3M同步齒形帶，節(jié)距。 （3）大小帶輪齒數(shù)及節(jié)圓半徑。 根據(jù)帶輪轉速和帶型3M，根據(jù)表2-8可確定小帶輪的最小齒數(shù)。此設計中，由于安裝尺寸限制，2軸選擇小齒輪齒數(shù)為40。 則帶輪節(jié)圓直徑為 因為是同比傳動，

38、傳動比為1，故，兩帶輪型號和尺寸完全相同。 表2-7圓弧齒同步帶選型圖 帶輪轉速/ 帶型 3M 5M 8M 14M 20M - - - - - 表2-8帶輪最小齒數(shù) （4）同步帶帶速計算。 （5）初選中心距。 中心距滿足下述條件 ，即 根據(jù)結構尺寸要求，確定。 （6）帶長及其齒數(shù)確定。 帶長根據(jù)下式計算 根據(jù)圓弧齒同步帶長度系列查得，其節(jié)線長，節(jié)線上的齒數(shù)

39、。 同步帶實際中心距為 式中 故中心距為 小帶輪嚙合齒數(shù)為 （7）基本額定功率。 當齒數(shù)40，小帶輪轉速3000時，基本額定功率為0.3kW，滿足設計要求。 （8）要求帶寬。 式中：-----嚙合系數(shù)，因，取=1； -----帶長系數(shù)，按表可查得; -----帶基準寬度，查表確定=6mm。 根據(jù)上式，要求帶寬，取。 （9）作用在軸上的力。 緊邊張力 松邊張力 （10

40、）帶輪的結構設計。 綜上，2軸同步帶的型號最終確定為40-3M-9，按照《機械設計手冊》進行設計。 2.5 關節(jié)3各零件的設計計算 關節(jié)3通過絲杠使機器人手臂做上下平移運動，此關節(jié)主要進行絲杠螺母的設計計算。 2.5.1 絲杠螺母的設計及校核 3軸為直線驅動，選擇絲杠螺母傳動，從而實現(xiàn)腕部的升降。 滾珠絲杠主要有如下特點：傳動效率高，摩擦力矩小、傳動具有可逆性、運動平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動精度高、定位精度與重復定位精度高、使用壽命長、同步性好，實用可靠，潤滑簡單，維修方便。 支承方式的選擇： 兩端固定：固定前為減少因絲杠自重的下垂和熱補償應進行預拉伸

41、。兩端各采用一個角接觸球軸承，外圈定位，內(nèi)圈分別用螺母進行限位和預緊；調(diào)節(jié)軸承的間隙，并根椐預計進行溫升產(chǎn)生的熱膨脹量對絲杠進行預拉伸。只要實際溫升不超過預計溫升，這種支承方式就不會產(chǎn)生軸向間隙。 為進行滾珠絲杠的選擇，需要計算滾珠絲杠的負載、最大動載荷、傳動效率，并進行剛度的驗算。 （1）計算滾珠絲杠的負載。 由于3軸為豎直安裝，滾珠絲杠負載力主要包括手腕和負載本身的重力和加速運動時產(chǎn)生的慣性力。 如前所述，設手腕的質量，負載質量，第3軸運動的直線加速度最大為（加速到40mm/s所用的時間為4ms），則機器人手腕加速時產(chǎn)生的慣性力為： 手腕的

42、重力為： 則絲杠軸所受的最大負載力為 式中：K-----參考系數(shù)，其與導軌類型有關，見表2-9。 （2）計算滾珠絲杠的轉速。 設計要求3軸的直線速度，假設絲杠導程P=2mm，則絲杠的轉速為 （3）計算滾珠絲杠的最大動載荷。 根據(jù)負載力的大小，可計算滾珠絲杠的最大動載荷。最大動載荷的計算公式為 式中：-----滾珠絲杠的壽命，且 其中，T為使用壽命，普通機械取h，數(shù)控機床及一般機電設備取T=15000h，這里取T=15000h，n為絲杠的轉速（r/min），根據(jù)前述計算結果，取n=1200r/

43、min； -----載荷系數(shù)，其選擇可參考表2-9；這里取=1； -----硬度系數(shù)。當絲杠的硬度時，取=1.0；當絲杠的硬度時，取=1.11；當絲杠的硬度時，取=1.56；當絲杠的硬度時，取=2.4； -----滾珠絲杠的最大工作載荷（N），根據(jù)上述計算，=172N。 運轉狀態(tài) 平穩(wěn)或輕度沖擊 中等沖擊 較大沖擊或振動 表2-9 載荷系數(shù) 代入以上數(shù)據(jù)，可得滾珠絲杠的最大動載荷為 據(jù)此，初步選擇日本精工株式會社NSK，KA系列滾珠絲杠，其公稱直徑，螺距，額定動載荷 其他尺寸參數(shù)見下表2-10~2-16 用途 工業(yè)用機

44、器人 正交坐標型 垂直多關節(jié)型 精 度 等 級 組裝 其他 組裝 其他 C0 C1 C2 C3 C5 Ct7 Ct10 表2-10 不同用途區(qū)分的滾珠絲杠精度等級表 軸徑 導程 行程 表2-11 不銹鋼KA系列的絲杠軸外徑和導程的組合 軸外徑 C0 C1 C2 C3 C5

45、 表2-12 絲杠軸全長的制造范圍 軸徑 導程 表2-13 絲杠軸外徑及導程的組合 D----內(nèi)循環(huán)式 表2-14 螺母型號及規(guī)格 表2-15 法蘭形狀 表2-16 軸端形狀及尺寸 （1）剛度的驗算。 滾珠絲杠屬于受軸向力的細長桿，如果軸向負載過大，則可能產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，失穩(wěn)時的臨界載荷應滿足 式中：-----臨界載荷（N）； E-----絲杠材料的彈性模量，材料為鋼，；

46、 I-----按絲杠底徑確定的截面慣性矩，且； -----絲杠支撐系數(shù)，其參考數(shù)值見表2-17； K-----壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.5~4，垂直安裝時取最小值； a-----滾珠絲杠兩端支撐件的距離，單位為mm。 安裝方式 雙推-自由 雙推-簡支 雙推-雙推 雙推-單推 表2-17 絲杠支撐系數(shù) 由此，可計算絲杠失穩(wěn)時的臨界載荷為 綜上，初選的滾珠絲杠滿足設計要求。 （2）計算傳動效率。 滾珠絲杠的傳動效率一般在0.8~0

47、.9，可由下式計算： 式中：-----絲杠的螺旋角，可由下式算出 -----摩擦角，一般取10’。 由此可計算出滾珠絲杠的傳動效率為 2.5.2 絲杠的設計計算 光杠的功用是承受載荷和導向。 光杠設計應滿足的要求 導向精度高，承載能力大，剛度好；精度保持性好，壽命長；摩擦阻力小，低速運動平穩(wěn)；結構簡單、工藝性良好，便于加工、裝配、調(diào)整和維修；生產(chǎn)成本低。 光杠類型的選擇 按導軌面的摩擦性質可分為滑動導軌事和滾動導軌副?；瑒訉к壐眱?yōu)點是結構簡單、制造方便和抗震性能良好，缺點是功率損耗大，磨損快。與滑動導軌相比，滾動導軌具有磨擦因數(shù)小

48、，動、靜摩擦因數(shù)很接近。因此，摩擦力小，啟動輕便，運動靈敏，不易爬行；磨損小，精度保持性好，壽命長；具有較高的重復定位精度，運動平穩(wěn)；可采用油脂潤滑，潤滑系統(tǒng)簡單。在此設計選用滾動類型的光杠。 每根絲杠配以兩根光杠，受到的最大拉力為68N F'=68/2=34N 根據(jù)建導軌的彎曲變形來設計導軌，抗彎截面系數(shù)： [W]=πd3/32=3.14×203/32=785mm3 M=34×0.36=12.24N·m σ= M/[W]<[σ] 則心軸滿足強度要求，并且有很大的安全的儲備。 光杠由于各方面要求不是很高，可自主加工生產(chǎn)。 軸承采用深溝球軸承 軸向力Fr=50/2=25N,

49、 徑向力Fa =50tan60=86.6N, 取90N 當量動載荷：P=fp (XFr + Ya)Fa /Fr=90/25>e e為判斷系數(shù)，它反映了軸向載荷對軸承承載能力的影響。 查表得： X=0.56 Y=1.71 P=1(0.56×50+1.71×90)=181.9N 軸承壽命 L10h=106 ×(ftC/P)ε/(60n) ft為溫度系數(shù)，ε為壽命指數(shù) L10h=106 ×(2200/181.9)3 /(60×3000) =34×106 >15000h 故所選軸承滿足要求。 2.5.3 電機3的選型計算 由于負載不大，因此3軸不采用減速器，而由電機

50、通過同步帶直接驅動絲杠進行直線運動，根據(jù)功率相等的原則，有 式中：F-----軸向力； T-----電機力矩； V-----直線運動速度； ----電機轉速； -----絲杠的傳動效率。 由于 則電機輸出力矩可由下式計算 考慮到同步帶的傳動效率以及摩擦等因素，取安全系數(shù)為2，則電機所需輸出的最小轉矩為。 由于此軸為無減速傳動，故所需的電機的轉速與絲杠的轉速相同。 根據(jù)以上電機力矩和轉速的要求，選取3軸電機為富士GYS101DC2-T2C伺服電機，額定功率100W，額

51、定轉速為3000r/min時轉矩為0.318，滿足設計要求。 2.5.4 3軸同步帶的選型計算 3軸驅動電機為GYS101DC2-T2C。功率為100W，額定轉速3000r/min，傳動比i=1. 設計計算與2軸相似，帶輪齒數(shù)為24，則小帶輪節(jié)圓直徑為 同步帶帶速計算 ，即 初選中心距滿足下述條件 由于結構限制，確定=70mm 帶長為 根據(jù)圓弧齒形帶長度系列差得，其節(jié)線長，齒數(shù)為Z=45。 同步帶實際中心距為 式中 代入后得 小帶輪嚙合齒數(shù)為 當齒數(shù)2

52、4，轉速3000r/min，基本額定功率為0.16kW，滿足設計要求。 要求帶寬為 可取帶寬為9mm。 綜上，3軸的同步帶型號可確定為24-3M-9。 2.6 關節(jié)4各零件設計計算 關節(jié)4做旋轉運動，電機通過減速器控制旋轉軸的運動。 2.6.1 電機4 及減速器的選型計算 與以上計算類似，4軸電機選擇步進電機，步進電機4選擇白山電機型號為BS42HB47-01。減速器選擇行星減速器，行星減速器為森創(chuàng)PS系列，減速比為5:1，型號為PS40-005。 表2-18 電機4型號及規(guī)格 表2-19 行星減速器規(guī)格 2

53、.6.2 手爪安裝法蘭的設計計算 手腕軸端法蘭盤的尺寸，如圖2-6所示。安裝前端工具時， 注意與零位光電開關之間位置方向關系。 圖2-7 手腕軸端法蘭盤尺寸圖 第3章 總結 隨著機器人技術的進一步發(fā)展，其應用必將越來越廣泛。機器人學這門課程必將越來越重要，實驗設備的缺口也必然越來大。研制教學機器人是很有必要的。 目前本設計所完成的主要工作是:在分析設計要求的基礎上提出SCARA機器人總體設計方案;用三維造型軟件完成四自由度SCARA機器人的機械結構設計，完成機器人整體裝配圖及主要零部件的工程圖繪制。 所設計SCARA機器人基本上實現(xiàn)模塊化設計，符合發(fā)展趨勢。三個模塊相互獨立

54、、結構簡單、零部件少、精度高、可靠性高，不僅適用于SCARA平面關節(jié)式裝配機器人設計，其一二關節(jié)模塊結構同樣適用于其他關節(jié)式機器人前端轉動關節(jié)設計。采用特殊軸承和特殊的傳動結構解決了機器人的抗傾覆問題，這種特殊結構有益于提高系統(tǒng)機械性能。 分析了SCARA機器人的運動學正解和逆解。建立了機器人末端位姿誤差計算模型。該模型不需要進行求導，只需進行相應的矩陣乘法運算。該位姿變換方程與位姿誤差模型同樣適用于運動部件間存在坐標變換的復雜系統(tǒng)。 通過畢業(yè)設計，讓我靈活運用知識的能力有了全面的提高，讓我增加在工作崗位上大干一場的信心，也讓我認識到我國機械工業(yè)的發(fā)展與世界先進水平還有差距，我們肩負責任重

55、大。 畢業(yè)設計作為一個教學的重要環(huán)節(jié)，是學生走向工作崗位前的一次難得的實習機會，也是培養(yǎng)合格機械工程人才的重要一步。這次的畢業(yè)設計是我人生中一段難得的經(jīng)歷?；叵胍幌逻^程：深深體會到了“絕知此事要軀行”的含義。無論從開始的論文資料收集到外文翻譯與設計制圖都遇到了許多意想不到的問題。在老師與同組同學的幫助下，困難一一克服，理論知識和實際工作良好的結合起來，使我的設計能力得到進一步的提高。 由水平有限，又是第一次較完整地接觸一個設計任務，所以設計中必然存在著許多不足的地方，甚至難免會有一些錯誤，希望各位老師指正，我將會虛心改正。 明天是嶄新的，我相信，成功來于我們的不斷努力！

56、 參考文獻： [1] 機械設計手冊 單行本 減速器和變速器，聞邦椿主編，機械制造出版社，2015年. [2] 機械制圖與設計簡明手冊，萬靜，許紀倩主編，中國電力出版社，2014年. [3]機械設計，譚慶昌主編，高等教育出版社，2004年. [4]機電一體化系統(tǒng)設計，第四版，張建民主編，高等教育出版社，2014年. ［5］機械設計，濮良貴，紀名剛主編，高等教育出版社，2001年. [6]機械設計手冊，第四版，第四卷，成大先主編，化學工業(yè)出版社，2002年. [7]工業(yè)機器人運用技術，郭洪紅主編，科學出版社，2008年. [8]Zlatanov D,Gosselin C M.

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58、ge.H.I.Christensen,Ruzena Bajcsy.Scaling the Dynamic Approach to Path Planning and Control;Competition among Behavioral Constrains.Int.J.Robotics Research,vol,18,No,1,January 1999;37-58. ［11］機器人技術基礎，孟慶鑫，王曉東主編，哈爾濱工業(yè)大學出版社，2006年. ［12］機構構型與應用，孟憲源，姜琪 編著，機械工業(yè)出版社，2004年. ［13］C.Ronald Kube and Er

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60、化學工業(yè)出版社，2002. 謝 辭 本文是在尊敬的導師高金剛副教授的精心指導下完成的。高老師師淵博的學識、開闊的視野、敏銳的洞察力、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、求實創(chuàng)新的工作作風，永遠是我學習的榜樣，也將始終引導和激勵著學生在科學技術的殿堂里探索前進。老師令人敬佩的平易近人的處世方式也為學生樹立了榜樣。學生所取得的每一點點成績和每一次的進步，無不凝聚著老師大量的心血。在此論文完成之際，謹向高老師致以最崇高的敬意和衷心的感謝。高老師全面活躍的思維方式、一絲不茍的治學態(tài)度和勤奮務實的工作作風給我留下了深刻的印象，并將使我受益終生。感謝我的家人。他們的支持和理解是我完成學業(yè)的前提和動力。沒有他們的支持我不可能順利完成我的學業(yè)。值此論文完成之際，向所有給予我關心和幫助的老師、同學和親友致以深深的謝意和美好的祝福。 39