球面SCARA機器人機械部分設(shè)計(proe三維圖-總圖用三維圖),球面,scara,機器人,機械,部分,部份,設(shè)計,proe,三維,總圖 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書2011 目 錄 1前言……………………………………………………………………………… 1 1.1課題來源與技術(shù)要求分析…………………………………………………… 1 1.2國內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀……………………………………………………… 1 1.3研究目的……………………………………………………………………… 2 1.4設(shè)計內(nèi)容及思路……………………………………………………………… 2 2球面SCARA機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計……………………………………………… 4 2.1運動方案及主要技術(shù)參數(shù)的擬定…………………………………………… 4 2.1.1方案擬定…………………………………………………………………… 5 2.1.2脈沖當(dāng)量和傳動比的確定………………………………………………… 6 2.2各傳動系統(tǒng)設(shè)計與校核……………………………………………………… 7 2.2.1第一自由度電機校核……………………………………………………… 8 2.2.2第一自由度同步帶傳動設(shè)計……………………………………………… 9 2.2.3第一自由度諧波減速器選擇……………………………………………… 10 2.2.4第二自由度電機校核……………………………………………………… 11 2.2.5第二自由度諧波減速器選擇……………………………………………… 13 2.2.6第三自由度電機校核……………………………………………………… 13 2.2.7球面SCARA機器人外形圖………………………………………………… 15 3 Pro/E軟件簡介………………………………………………………………… 16 4工業(yè)機器人運行時應(yīng)采取的安全措施………………………………………… 18 4.1安全要求……………………………………………………………………… 18 4.2實施方法……………………………………………………………………… 18 5結(jié) 論…………………………………………………………………………… 19 參考文獻…………………………………………………………………………… 20 致 謝…………………………………………………………………………… 21 附 錄…………………………………………………………………………… 22 1 前言 1.1課題來源與技術(shù)要求分析 課題“球面SCARA機器人機械部分設(shè)計”來源于鹽城工學(xué)院的教學(xué)實驗。要求設(shè)計的機器人具有三個自由度：大臂軸的水平旋轉(zhuǎn)運動；小臂軸的垂直回轉(zhuǎn)運動；頂針的垂直上下運動。球面SCARA機器人可以單獨使用，也可以與其他機器人組合使用。球面SCARA機器人有著許多實際和潛在的應(yīng)用：（1）繪圖，球面SCARA機器人可以在球面上畫線、繪圖案、在皮革或橡皮球表面著色，在地球儀的表面繪制世界地圖等；（2）裝配，傳統(tǒng)的裝配機器人通常只適合在單一方向上裝配，如平面SCARA機器人在印刷電路板上沿垂直方向安裝電子元件。而球面SCARA機器人可在各個方向作業(yè)；（3）雕刻，在球面或自由曲面上雕刻，在珠寶行業(yè)中存在潛在的應(yīng)用；（4）打印，在球面SCARA機器人的末端裝上噴墨頭，可以在球面或自由曲面上進行噴墨打??；（5）非接觸三維測量等[1]。 1.2 國內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀 那么什么是機器人呢？人們一般的理解來看，機器人是具有一些類似人的功能的機械電子裝置，或者叫自動化裝置，它仍然是個機器，它有三個特點，一個是有類人的功能，比如說作業(yè)功能，感知功能，行走功能，還能完成各種動作，它還有一個特點是根據(jù)人的編程能自動的工作，這里一個顯著的特點，就是它可以編程，改變它的工作、動作、工作的對象，和工作的一些要求，它是人造的機器或機械電子裝置。但從完整的更為深遠的機器人定義來看，應(yīng)該更強調(diào)機器人智能，所以人們又提出來機器人的定義是能夠感知環(huán)境，能夠有學(xué)習(xí)、情感和對外界一種邏輯判斷思維的這種機器。那么這給機器人提出來更高層次的要求，展望21世紀，機器人將是一個與20世紀計算機的普及一樣，會深入地應(yīng)用到各個領(lǐng)域，在21世紀的前20年是機器人從制造業(yè)走向非制造業(yè)的發(fā)展一個重要時期，也是智能機器人發(fā)展的一個關(guān)鍵時期[2]。 近幾年，國內(nèi)外機器人領(lǐng)域發(fā)展主要有如下幾個趨勢[3]： （1）機器人在制造業(yè)的應(yīng)用范圍越來越廣闊，并向食品、 核能、 礦業(yè)和建筑等工業(yè)新領(lǐng)域擴展。 （2）機器人性能不斷提高，而單機價格不斷下降，平均單機價格從1991年的10.3萬美元降至2002年的6.5萬美元。 （3）機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。 例如關(guān)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(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機，國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問世。 （4）機器人編程語言趨于通用化。 （5）工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日漸小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 （6） 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(yīng)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(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。 （7） 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預(yù)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。 （8）當(dāng)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(gòu)成完整的監(jiān)控、遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入使用化階段。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(yīng)用的最著名的實例。 （9）機器人遙控、監(jiān)控技術(shù)朝著人機交互控制方向發(fā)展，遙控加局部自治系統(tǒng)遙控機器人的發(fā)展使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。 （10）機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。 1.3研究目的 機器人是最典型的機電一體化數(shù)字化裝備，技術(shù)附加值很高，應(yīng)用范圍很廣，作為先進制造業(yè)的支撐技術(shù)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)展起越來越重要的作用。專家預(yù)測，機器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車，計算機之后出現(xiàn)的新的大型高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。據(jù)國際機器人聯(lián)合會IFR統(tǒng)計，世界機器人市場前景很好，從20世紀下半葉起，世界機器人產(chǎn)業(yè)一直保持著穩(wěn)步增長的良好勢頭。進入90年代，機器人產(chǎn)品發(fā)展速度加快，年增長率平均在10%左右，2000年增長率上升到15%，如今，工作在各個領(lǐng)域的機器人早已突破100萬臺[4]。 我國近幾年機器人自動化生產(chǎn)線已經(jīng)不斷出現(xiàn)，并給用戶帶來顯著效益。隨著我國工業(yè)企業(yè)自動化水平的不斷提高，機器人自動化線的市場也越來越大，并且逐漸成為自動化生產(chǎn)線的主要方式。我國機器人自動化生產(chǎn)線裝備的市場剛剛起步，而國內(nèi)裝備制造業(yè)正處于由傳統(tǒng)裝備向先進制造裝備轉(zhuǎn)型的時期，這就給機器人自動化生產(chǎn)線研究開發(fā)者帶來巨大商機[5]。 1.4設(shè)計內(nèi)容及思路 設(shè)計內(nèi)容：設(shè)計總體方案，確定機器人的總體結(jié)構(gòu)，繪制機器人機械結(jié)構(gòu)裝配圖。進行機器人大臂、小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計，并繪制其部裝圖、零件圖。各電機的選擇、各零部件設(shè)計計算和選擇。繪制機器人主要結(jié)構(gòu)的三維造型圖。 設(shè)計思路：先對機器人的整體結(jié)構(gòu)進行分析,制定出合理的整體設(shè)計方案，提出一到兩種可行性比較高的初步設(shè)計方案；然后再根據(jù)工作要求、工作時間、工作強度等對初步設(shè)計方案進行論證，最后在根據(jù)論證結(jié)果選擇最合理的設(shè)計方案；完成后，再進行對機器人方案圖樣的設(shè)計：機器人零件圖，部分部件的裝配圖以及聯(lián)系尺寸圖；機械結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，再根據(jù)圖紙用Pro/E軟件塑造出其三維造型圖。最后再畫好裝配圖，完成整個設(shè)計。 2 球面SCARA機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1 運動方案及主要技術(shù)參數(shù)的擬定[6] 要求設(shè)計的球面SCARA機器人技術(shù)參數(shù)如表2-1。 表2-1 球面SCARA機器人主要技術(shù)參數(shù) 自由度：3個（，，r） 動作范圍 最高空行程速度 最高工進速度 定位精度 第一軸 360° 120(o)/s 90(o)/s 0.03° 第二軸 360° 120(o)/s 90(o)/s 0.03° 第三軸r 100mm 50mm/s 40mm/s 0.015mm 工件最大直徑φ：200mm 第三軸最大抗力5N 在對機器人三個自由度軸的傳動系統(tǒng)進行設(shè)計時，要保證規(guī)定的動作范圍、速度和精度?？紤]到實際運動中的干涉問題，第二軸的實際動作范圍是小于360o的，并且應(yīng)該采取相應(yīng)的安全措施。最后完成球面SCARA機器人的裝配圖，以及一些關(guān)鍵零件的零件圖。 以下是關(guān)于球面SCARA機器人的一些簡介： 圖2-1 SCARA機器人 通常的平面SCARA機器人的如上圖2-1所示。大臂轉(zhuǎn)動（θ1），軸線與小臂轉(zhuǎn)動（θ2）軸線平行。工具轉(zhuǎn)動（θ4），軸線與移動軸線重合，并和θ1，θ2平行。 球面SCARA機器人的基本自由度布置如下圖2-2所示。大臂的軸線θ1和小臂軸線θ2垂直相交，如下圖2-2所示，這樣可以保證裝在r自由度軸上的工具在球上或自由曲面上進行作業(yè)。 制造的時候，只要保證控制精度，并且能夠確保球面SCARA機器人的工具中心線通過球坐標(biāo)的原點，那么工具末端一定可以在球面上實現(xiàn)精確定位。此外，工具還可以從球面上的任何半徑方向接近工件，具有很高靈活性。 圖2-2 球面SCARA機器人 球面SCARA機器人不僅可以單獨使用，也可以與其他機器人組合使用，總而言之，球面SCARA機器人有著許多實際和潛在的應(yīng)用，關(guān)鍵看人們?nèi)绾问褂煤烷_發(fā)它。 2.1.1方案擬定 （1）自由度配置。對于本課題的球面SCARA機器人，自由度θ1和θ2的配置方式可以有幾種形式，如下圖2-3所示。 對于方案（a），驅(qū)動θ2以及臂2占據(jù)了球坐標(biāo)系的中心，會影響工件的安放。對于方案（b），臂1與臂2及其驅(qū)動軸線相交在球心處，避開了球系中心。至于方案（c），θ1驅(qū)動工件轉(zhuǎn)動，機器人臂2的運動θ2沒有與θ1耦合。綜合考慮，選擇方案b。 （2）驅(qū)動方式。常用的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動以及電力驅(qū)動?？紤]到本設(shè)計中的驅(qū)動力矩不是很大，運動速度比較高，而且定位精度要求較高，采用電力驅(qū)動。至此，第一軸自由度θ1和第二軸θ2均采用步進電機驅(qū)動。步進電機驅(qū)動結(jié)構(gòu)比較簡單，而且成本低，也能實現(xiàn)比較精確的定位精度。對于第三自由度，r是工件向球面半徑方向的往復(fù)直線運動，可以采用直線電機，不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且節(jié)約成本。 （3）傳動方式。由于工件夾持機構(gòu)是沿著Z軸安裝的，所以第一軸θ1的驅(qū)動電機軸線不能與Z軸重合，可以考慮采用同步帶作遠距離傳動。至于第二軸θ2的驅(qū)動電機，對軸線沒什么特別要求，可以與Y軸同軸線，故采用直接傳動?？紤]到定位精度比較高，在電機1和2的輸出軸上分別配置減速傳動裝置。至于第三軸，則直接采用直線電機。 圖2-3 球面SCARA機器人自由度配置 2.1.2脈沖當(dāng)量和傳動比的確定 根據(jù)設(shè)計任務(wù)提出的定位精度要求分別對三個自由度軸進行脈沖當(dāng)量的確定和傳動比的選定。由于傳動誤差的存在，實際的脈沖當(dāng)量應(yīng)高于定位精度的要求。 a、第一自由度軸θ1。定位精度要求為0.03，初選步距角θb=1.5°的75BF004步進電機。設(shè)脈沖當(dāng)量為0.03（°）/脈沖，則傳動比為i=θb/δp=1.5/0.03=50，i=n1/n2。 現(xiàn)初選同步帶傳動速比為i2=1。第一級速比要求i1≥50，速比較大。從諧波減速器標(biāo)準表獲知可初選機型為40的XB3扁平式諧波減速器，其傳動比為i1=65。于是第一自由度軸的脈沖當(dāng)量δp=1.5/65=0.023（°）/脈沖，小于題目要求的定位精度值（0.03°），滿足要求。因此，第一自由度軸的運動參數(shù)為： θb=1.5°，i1=65，i2=1，i=i1×i2=65，δp=0.023（°）/脈沖 b、由于小臂是在第二自由度軸的電機驅(qū)動下轉(zhuǎn)動的，所以當(dāng)電機停電后，小臂由于重力的作用，會自動掉落，所以要求小臂傳動能夠自鎖。因此，第二自由度軸不能采用普通的電機，應(yīng)選用自鎖電機。第二自由度軸θ2，初選步距角為1.5°的K10自鎖步進電機。同第一自由度軸，取i=65，δp=0.023（°）/脈沖。沒有同步帶傳動。因此，第二自由度軸的運動參數(shù)為： θb=1.5°，i=65，δp=0.023（°）/脈沖 c、考慮到為了使結(jié)構(gòu)簡單以及重量問題，再加上第三自由度本就是直線運動，采用直線電機，這樣可以避免由于使用絲杠帶來的誤差，而且直線電機由于沒有中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，因而使整個傳動機構(gòu)得到簡化，提高了精度，減少了振動和噪音，并且裝配靈活性大，往往可將電機和其它機件合成一體。 現(xiàn)取電機型號為43000系列size17直線電機其中i=1.5，則實際脈沖當(dāng)量δp=θb L0/360i=0.0138mm/脈沖，小于題設(shè)定位精度值（0.015mm），滿足要求。因此，第三自由度軸r的運動參數(shù)為： θb=1.5°，L0=5mm，i=1.5，δp=0.0138mm/脈沖 2.2各傳動系統(tǒng)設(shè)計與校核 根據(jù)初擬方案，球面SCARA機器人z軸上的慣性負載如圖2-4所示： 圖2-4 z軸上慣性負載 初步擬定方案為R1=100mm，R2=150mm，R3=250mm，R4=260mm，R5=200mm。估計連桿1的質(zhì)量M1=2kg，連桿2的質(zhì)量M2=2kg，第二自由度驅(qū)動裝置質(zhì)量MD2=2.5kg，工具及進給機構(gòu)質(zhì)量Mt=3kg。 第一自由度各轉(zhuǎn)動慣量折算到電機軸1上的等效轉(zhuǎn)動慣量計算： Z軸的轉(zhuǎn)動慣量為： JZ∑=MTR12+M2R22+ MD2R32+M1R22+ JB=2762.71kg·cm2 式中：JB為同步皮帶輪慣量。初擬皮帶輪尺寸D=90mm，B=40mm，則 JB=0.78×D4×B×10-8 kg·cm2=20.47kg·cm2 設(shè)諧波減速器轉(zhuǎn)動慣量Jx≈JB，Jx =4kg·cm2。從資料中查到75BF004步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量JD1=0.1284 kg·cm2。因此，自由度θ1傳動系統(tǒng)上所有的慣量折算到電機軸1上的等效轉(zhuǎn)動慣量為： （2-1） 帶入數(shù)據(jù)得：J1∑=2.79 kg·cm2。 2.2.1第一自由度電機校核 a、最大靜轉(zhuǎn)矩校核[7] 我們知道，步進電機空載啟動是指電機在沒有外加工作負載下的啟動?？蛰d啟動力矩為 Mkq=Mka+Mkf+Mo （2-2） 在本課題中，第一自由度沒有采用滾珠絲杠傳動，所以滾珠絲杠預(yù)緊附加摩擦力矩等于零，即M0=0。設(shè)摩擦力矩可忽略不計，則僅剩加速力矩項Mka，即Mkq≈Mka。Mka=J1∑，設(shè)電機在1秒內(nèi)啟動完畢，θ1軸達到最高空行程速度120（°）/s,電機軸△n=120°i1i2=120o×65=7800 o，△t=1s,=△n/△t=136.14(s-2), 則 Mka= J1∑×10-2N·cm=2.79×136.14×10-2=3.80N·cm 電機名義啟動力矩為Mmq=Mjmax。三相六拍運行λ=0.866，查得電機最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax=0.49N· m，因此Mmq=0.49×0.866=0.42 N·m。 Mkq＜Mmq初選電機滿足最大靜轉(zhuǎn)矩校核要求。 b、啟動矩頻特性校核 電機啟動時具有一定的啟動頻率，還需要校核啟動矩頻特性，保證啟動時電機不會丟步。為了保證平穩(wěn)性，突跳啟動是不可取的，一般需要升降速過程。 圖（a）表示按指數(shù)曲線升降速；圖（b）表示按直線過渡升降速；圖（c）表示將fmax分成若干級，啟動脈沖以階梯變化來實現(xiàn)升速過渡，只要突跳頻率分級后不大，不出現(xiàn)失步現(xiàn)象是可以的。但是，從理論上來講，突跳是在瞬間完成的，時間趨于零，角加速度還是很大的，因此按圖（d）方式階梯變化。 電機使θ1軸在△t時間內(nèi)從靜止升速到120（°）/s的速度，則電機的頻率要從f0=0在△t時間內(nèi)升到fmax=7800（°）／θb=5200HZ?，F(xiàn)分為5個階段升速，每階段升速時間0.25s，延時0.05s，升速頻率fq=5200／5=1040 HZ。總的升速時間為△t=（0.25+0.05）×4+0.25=1.45s。 圖2-5 步進電機升降速過程 空載啟動，不計摩擦，則電機空載啟動力矩為空載加速力矩，即 Mkq=Mka=J1∑ =△n/△t=(1040×15o)× Mkq=2.79×108.9×10-2=3.04N·cm 查步進電機75BF004啟動頻率特性曲線，Mkq=3.04N·cm對應(yīng)的允許啟動頻率fyq=2000 HZ，fq=1040 HZ，fq＜fyq。因此，按（d）方式進行階梯啟動不會丟步。 c、運行矩頻特性校核 快速進給時是空載，即球面SCARA機器人末端操作器不進行作業(yè)加工。電機快速進給力矩為MKJ=Mkf+M0。在本題中，M0=0，Mkf很小，現(xiàn)設(shè)近似于啟動加速力矩，即Mkf≈3.04N·cm，因此電機快速進給力矩為MKJ≈3.04N·cm。電機快速運行頻率為fkJ=fmax=5200 HZ。查步進電機75BF004運行矩頻特性曲線可知，對應(yīng)MKJ=3.04 N·cm的允許快進頻率為fykJ=14000 HZ，fkJ＜fykJ，符合要求，快進時不會丟步。 工作進給時，電機工進力矩為MGJ=Mt+M0+Mf。在本題中，M0=0，Mf為Mf=3.04N·cm。工作負載沿z軸方向，F(xiàn)z=5N，并通過工件球心。現(xiàn)設(shè)球面機器人工作負載荷Fz引起的側(cè)力Fx=Fy=0.5Fz=2.5N，工件直徑φ=20cm。因此，Mt=φFx／2=2.5×10=25N·cm，MGJ=Mt+Mf=28.04 N·cm。已知θ1的最高工進速度nG1=90（°）/s，i=65，θb=1.5°，因此電機工作進給運行頻率為fGJ=90°×65／1.5°=3900 HZ。查步進電機75BF004運行矩頻特性曲線，與MGJ=28.04N·cm相對應(yīng)的允許工進頻率為fyGJ=8100 HZ，fGJ＜fyGJ，因此步進電機在工進時不會丟步。 2.2.2第一自由度同步帶傳動設(shè)計[8] 已知同步帶傳動速比i2=1，設(shè)計計算如下： 1．設(shè)計功率 Pd=（K0+K1+K2）Pm （2-3） 同步帶傳遞名義功率Pm為 Pm=（kw） 式中：M為傳遞扭矩（N·m）；n為轉(zhuǎn)速（r/min）。 快進扭矩MkJ=0.0304 N·m，快進速度nkJ=120°×60／360°=20r/min。工進扭矩MGJ=0.2804，工進速度nGJ=90°×60／360°=15 r/min。則快進名義功率PkJm=0.0304×20／9550=6.36×10-5kW，工進名義功率PGJM=0.2804×15／9550=4.40×10-4kW。故取同步帶傳遞名義功率Pm=4.40×10-4kW，n=15r/min。 查得載荷修正系數(shù)K0=1.4（第一類機械，連續(xù)工作）。K1=K2=0，則 Pd=1.4×4.40×10-4=6.16×10-4kW 2．選擇帶的型號 選L型帶，查得L型帶的節(jié)距Pb=9.525mm。 3．帶輪齒數(shù)與直徑 查得L型帶小帶輪最小許用齒數(shù)zmin=12，取z1=z2=20，d1=d2=Pbz／π=60.64mm。 4．帶長 當(dāng)d1=d2時，Lp=2A+π（d1+d2）／2?，F(xiàn)初選中心距A=200mm，則 Lp=2×200+π×60=685mm 選擇標(biāo)準帶長：長度代號390，節(jié)線長990.6mm，同步帶齒數(shù)zb=104。 5．實際傳動中心距 當(dāng)z1=z2時，A≈2M，M=Pb（2zb-z1-z2）／8。 M=9.525（2×104-2×20）／8=200，A≈2M=400mm。 6．帶寬 同步帶基準寬度bso=25.4mm。由z1=20，n1=100r/min查得L型帶的基準額定功率P0=0.12kW。用插值法求得n=15r/min時，P0=1.8×10-2kW。 嚙合齒數(shù)zm=ent[z／2]=ent[16]=16＞6，故kz=1 =1.32mm （2-4） 取帶寬代號：075，帶寬19.1mm。 7．同步帶參數(shù) L型帶，節(jié)距Pb=9.525mm，帶輪直徑d1=d2=60.64mm，齒數(shù)z1=z2=20，帶長代號390，節(jié)線長990.6mm，中心距A≈400mm，帶寬代號075，帶寬bs=19.1mm。 2.2.3第一自由度諧波減速器選擇[6] 由B3扁平式諧波減速器的規(guī)格和額定功率表知，選用機型40，速比65，代號為：XB3-40-65-1-3/3。 該諧波減速器最高輸入轉(zhuǎn)速可達3500r/min；輸出扭矩10 N·m。 電機工進轉(zhuǎn)速為15r/min×i=15×65=975r/min，扭矩MGJ=0.28144 N·m。 電機快進轉(zhuǎn)速為20r/min×i=20×65=1300r/min，扭矩MKJ=0.03144 N·m。 因此，無論工進、快進，該諧波減速器在傳遞功率和扭矩上均有很大的安全裕度。 2.2.4第二自由度電機校核 a第二自由度各轉(zhuǎn)動慣量折算到電機軸2上的等效轉(zhuǎn)動慣量的計算 Y軸的轉(zhuǎn)動慣量為： JY∑=MTR42+M2R52=3×2602+2×2002=2828㎏·㎝2 設(shè)諧波減速器轉(zhuǎn)動慣量Jx≈4kg·cm2。從資料中查到K10自鎖電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量較小，可忽略不計，即JD2≈0。因此，自由度θ1傳動系統(tǒng)上所有的慣量折算到電機軸1上的等效轉(zhuǎn)動慣量為: = 2.70 kg·cm2 帶入數(shù)據(jù)得J2∑=2.70 kg·cm2。 b第二自由度軸校核 1.最大切應(yīng)力校核 小臂重力對軸產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩M1= GTR4+ G2R5=11.8 N·m。啟動加速度對軸產(chǎn)生的加速度轉(zhuǎn)矩為Mka′= JY∑/i=0.65m。故軸危險截面所受最大轉(zhuǎn)矩為: Mmax= M1+ Mka′=12.45 轉(zhuǎn)距產(chǎn)生的切應(yīng)力： τ1max=Mmax/Wp=1.61<<[τ] 2.最大正應(yīng)力校核 小臂重力對軸產(chǎn)生的彎矩為M2=GT×（R3－R1）=4.5N·m。對軸產(chǎn)生的正應(yīng)力為： τ2max=M2/Wy=1.2<<[τ] 故軸的需用滿足使用要求。 c自鎖電機2的校核 由于小臂是在第二自由度軸的電機驅(qū)動下轉(zhuǎn)動的，所以當(dāng)電機停電后，小臂由于重力的作用，會自動掉落，所以要求小臂傳動能夠自鎖。因此，第二自由度軸不能采用普通的電機，應(yīng)選用自鎖電機。 最大靜轉(zhuǎn)矩校核 電機空載啟動力矩為Mkq=Mka+Mkf+Mo 在本課題中，第一自由度軸沒有采用滾珠絲杠傳動，所以滾珠絲杠預(yù)緊附加摩擦力矩等于零，即Mo=0。設(shè)摩擦力矩可忽略不計，則僅剩加速力矩Mka，即Mkq≈Mka。Mka=J2∑，設(shè)電機在1秒內(nèi)啟動完畢，θ1軸達到最高空行程速度120（°）/s,電機軸△n=120°i=120o×65=7800 o，△t=1s,=△n/△t=136.14(s-2), 則： Mka= J2∑×10-2N·cm=2.7×136.14×10-2=3.68cm=0.0368m 電機名義啟動力矩為Mmq=Mjmax，三相六拍運行λ=0.866，電機最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax=0.784N· m，因此Mmq=0.866×0.784=0.679 N·m。 Mkq《Mmq，所以初選電機滿足最大靜轉(zhuǎn)矩校核要求。 啟動矩頻特性校核 電機啟動時具有一定的啟動頻率，還需要校核啟動矩頻特性，保證啟動時電機不會丟步。為了保證平穩(wěn)性，突跳啟動是不可取的，一般需要升降速過程。 圖（a）表示按指數(shù)曲線升降速；圖（b）表示按直線過渡升降速；圖（c）表示將fmax分成若干級，啟動脈沖以階梯變化來實現(xiàn)升速過渡，只要突跳頻率分級后不大，不出現(xiàn)失步現(xiàn)象是可以的。但是，從理論上來講，突跳是在瞬間完成的，時間趨于零，角加速度還是很大的，因此可以按圖（d）方式階梯變化。 圖2-6 步進電機升降速過程 電機使θ2軸在△t時間內(nèi)從靜止升速到120（°）/s的速度，則電機的頻率要從f0=0在△t時間內(nèi)升到fmax=7800（°）／θb=5200HZ?，F(xiàn)分為5個階段升速，每階段升速時間0.25s，延時0.05s，升速頻率fq=5200／5=1040 HZ。總的升速時間為△t=（0.25+0.05）×4+0.25=1.45s。 空載啟動，不計摩擦，則電機空載啟動力矩為空載加速力矩，即： Mkq=Mka=J2∑ =△n/△t=(1040×15o)× Mkq=2.7×108.9×10-2=2.94cm=0.0294m 查步進電機70BF003啟動頻率特性曲線，Mkq=2.94cm對應(yīng)的允許啟動頻率fyq=1300 HZ，fq=1040 HZ，fq＜fyq。因此，按（d）方式進行階梯啟動不會丟步。 運行矩頻特性校核 快速進給時是空載，即球面SCARA機器人末端操作器不進行作業(yè)加工。電機快速進給力矩為MKJ=Mkf+M0。本課題中，M0=0，Mkf很小，現(xiàn)設(shè)近似于啟動加速力矩，即Mkf≈2.94N·cm，因此電機快速進給力矩為MKJ≈2.94cm。電機快速運行頻率為fkJ=fmax=5200 HZ。查步進電機70BF003運行矩頻特性曲線可知，對應(yīng)MKJ=2.94 N·cm的允許快進頻率為fykJ=16000 HZ，fkJ＜fykJ，校核合格，快進時不會丟步。 工作進給時，電機工進力矩為MGJ=Mt+M0+Mf。本課題中，M0=0，Mf仍可設(shè)為Mf=2.94N·cm。工作負載沿z軸方向，F(xiàn)z=5N，并通過工件球心。現(xiàn)在設(shè)球面機器人工作負載荷Fz引起的側(cè)力Fx=Fy=0.5Fz=2.5N，工件直徑φ=20cm。因此，Mt=φFy／2=2.5×10=25N·cm，MGJ=Mt+Mf=27.94 N·cm。已知θ1的最高工進速度nG1=90（°）/s，i=65，θb=1.5°，因此電機工作進給運行頻率為fGJ=90°×65／1.5°=3900 HZ。查步進電機70BF003運行矩頻特性曲線，與MGJ=27.940 N·cm相對應(yīng)的允許工進頻率為fyGJ=8000 HZ，fGJ＜fyGJ，因此在工進時步進電機不會丟步。 2.2.5諧波減速器的選擇[1] 查B3扁平式諧波減速器的規(guī)格和額定功率表知，選用機型40，速比65，代號為：XB3-40-65-1-3/3。 該諧波減速器最高輸入轉(zhuǎn)速可達3500r/min；輸出扭矩10 N·m。 電機工進轉(zhuǎn)速為15r/min×i=15×65=975r/min，扭矩MGJ=0.27991 N·m。 電機快進轉(zhuǎn)速為20r/min×i=20×65=1300r/min，扭矩MKJ=0.02991 N·m。 因此，無論工進、快進，該諧波減速器在傳遞功率和扭矩上均有很大的安全裕度。 2.2.6第三自由度電機校核 直線電機是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動機械能而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)的裝置；結(jié)構(gòu)多樣，可以根據(jù)需要制成扁平型、圓筒型或盤型等各種形式；可以采用交流電源、直流電源或脈沖電源等各種電源進行工作；不同種類具有截然不同的工作特點，可以根據(jù)需要選擇。能滿足高速、大推力的驅(qū)動要求，也能滿足低速、精細的要求，如步進直線電動機[9]。 （1）轉(zhuǎn)動慣量計算 電機3轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 JD3=0.015kg·cm2 絲杠轉(zhuǎn)動慣量 Js=0.78×24×14×10-3=0.18 ㎏·㎝2 移動質(zhì)量折算到絲杠軸慣量 Jm==0.0032㎏·㎝2，（已知移動件質(zhì)量為Mm=0.5kg） 傳動系統(tǒng)各運動部件慣量折算到電機3軸上總等效轉(zhuǎn)動慣量為 J3∑=JD3+ ( Js + Jm)/i2=0.58㎏·㎝2 （2）最大靜轉(zhuǎn)矩校核 空載啟動力矩為：Mkq=Mka+Mkf+Mo （2-10） 其中：加速力矩 Mka= J3∑×2πnmax×10-2/60t 電機最大轉(zhuǎn)速為絲杠最大轉(zhuǎn)速的i倍，絲杠最大轉(zhuǎn)速在動負載校核中已經(jīng)算出ns=600r/min，所以nmax=600×1.5=900r/min，加速時間預(yù)定為1s，則Mka=1.06N·cm。 絲杠預(yù)緊附加摩擦力矩 M0= 預(yù)緊力FYJ=Fm／3=5.375／3=1.79N；L0=0.5cm；傳動總效率η=0.8；絲杠未預(yù)緊時傳動效率：η0=0.9；i=1.5；則M0=0.023 N·cm。 空載摩擦力矩很小，現(xiàn)在設(shè)為2M0，即 Mkf=0.045 N·cm 因此，空載啟動力矩 Mkq=1.064+0.045+0.0225=1.13 N·cm 滿足最大靜轉(zhuǎn)矩校核，Mkq≤λMjmax=0.866×19.6=16.97 N·cm（三相六拍運行λ=0.866；Mjmax=0.196 N·m。） （3）啟動矩頻特性校核 最大運行頻率fmax=vmax／δp=50／0.01388=3600Hz。 分為三個階梯啟動。每個階梯啟動頻率為fq=fmax／3=1200Hz，在0.25s內(nèi)完成升速，0.05s過渡，則相應(yīng)的角加速度為 ε=△n/△t, △n=1200×1.5×π/180 s-2, △t=0.25, ε=125.66 s-2 加速力矩Ma=J3∑ε×10-2=1.42 N·cm，M0=0.023 N·cm，Mkf=0.045 N·cm，則空載啟動力矩為 ＝1.49 N·cm 空載啟動頻率為 fq=1200Hz 滿足要求。啟動時間為△t=（0.025+0.05）×2+0.25=0.85s。 （4）運行矩頻特性校核[10] 快速進給vmax=50mm/s，快速進給力矩MKJ=Mkf+M0，其中M0=0.023 N·cm；Mkf為快速進給時折算到電機軸上的摩擦力矩，本課題不同于工作臺進給系統(tǒng)，Mkf較小，設(shè)Mkf=2M0=0.045 N·cm，因此，電機快速進給力矩MKJ=0.068 N·cm，電機快速運行頻率fKJ=3600Hz，滿足要求。 工作進給vGJ=40mm/s，工作進給力矩MGJ=Mt+M0+Mf。M0=0.025 N·cm，Mf=0.045 N·cm，Mt為工作負載折算到電機軸上的力矩Mt=FmL0／2πηi，F(xiàn)m=5.38N，L0=0.5cm，η=0.8，i=1.5，Mt=0.36 N·cm，則MGJ=0.42N·cm。電機工作進給頻率fGJ=vGJ／δP=40／0.01388=2880Hz。 因此，電機工作進給力矩MGJ=0.42 N·cm，電機工作進給頻率fGJ=2880Hz，滿足要求。 2.2.7球面SCARA機器人外形圖 圖2-7 球面SCARA機器人外形圖 3 Pro/E軟件簡介[11] Proe是美國PTC公司旗下的產(chǎn)品Pro/Engineer軟件的簡稱。Pro/E（Pro/Engineer操作軟件）是美國參數(shù)技術(shù)公司（Parametric Technology Corporation，簡稱PTC）的重要產(chǎn)品。是一款集CAD/CAM/CAE功能一體化的綜合性三維軟件，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位，并作為當(dāng)今世界機械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準而得到業(yè)界的認可和推廣，是現(xiàn)今最成功的CAD/CAM軟件之一。 1. proe的概述 在中國也有很多用戶直接稱之為“破衣”。1985年，PTC公司成立于美國波士頓，開始參數(shù)化建模軟件的研究。1988年，V1.0的Pro/ENGINEER誕生了。經(jīng)過10余年的發(fā)展，Pro/ENGINEER已經(jīng)成為三維建模軟件的領(lǐng)頭羊。目前已經(jīng)發(fā)布了Pro/ENGINEER WildFire6.0（中文名野火6)。PTC的系列軟件包括了在工業(yè)設(shè)計和機械設(shè)計等方面的多項功能，還包括對大型裝配體的管理、功能仿真、制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等等。Pro/ENGINEER還提供了全面、集成緊密的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境。是一套由設(shè)計至生產(chǎn)的機械自動化軟件，是新一代的產(chǎn)品造型系統(tǒng)，是一個參數(shù)化、基于特征的實體造型系統(tǒng)，并且具有單一數(shù)據(jù)庫功能的綜合性MCAD軟件。 2. proe的特點和優(yōu)勢 經(jīng)過20多年不斷的創(chuàng)新和完善，pore現(xiàn)在已經(jīng)是三維建模軟件領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊之一，它具有如下特點和優(yōu)勢： 參數(shù)化設(shè)計和特征功能 Pro/Engineer是采用參數(shù)化設(shè)計的、基于特征的實體模型化系統(tǒng)，工程設(shè)計人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，您可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。這一功能特性給工程設(shè)計者提供了在設(shè)計上從未有過的簡易和靈活。 單一數(shù)據(jù)庫 Pro/Engineer是建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫上，不象一些傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)建立在多個數(shù)據(jù)庫上。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中的資料全部來自一個庫，使得每一個獨立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管他是哪一個部門的。換言之，在整個設(shè)計過程的任何　一處發(fā)生改動，亦可以前后反應(yīng)在整個設(shè)計過程的相關(guān)環(huán)節(jié)上。 例如，一旦工程詳圖有改變，NC（數(shù)控）工具路徑也會自動更新；組裝工程圖如有任何變動，也完全同樣反應(yīng)在整個三維模型上。這種獨特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計的完整的結(jié)合，使得一件產(chǎn)品的設(shè)計結(jié)合起來。這一優(yōu)點，使得設(shè)計更優(yōu)化，成品質(zhì)量更高，產(chǎn)品能更好地推向市場，價格也更便宜。 全相關(guān)性：Pro/ENGINEER的所有模塊都是全相關(guān)的。這就意味著在產(chǎn)品開發(fā)過程中某一處進行的修改，能夠擴展到整個設(shè)計中，同時自動更新所有的工程文檔，包括裝配體、設(shè)計圖紙，以及制造數(shù)據(jù)。全相關(guān)性鼓勵在開發(fā)周期的任一點進行修改，卻沒有任何損失，并使并行工程成為可能，所以能夠使開發(fā)后期的一些功能提前發(fā)揮其作用。 基于特征的參數(shù)化造型：Pro/ENGINEER使用用戶熟悉的特征作為產(chǎn)品幾何模型的構(gòu)造要素。這些特征是一些普通的機械對象，并且可以按預(yù)先設(shè)置很容易的進行修改。例如：設(shè)計特征有弧、圓角、倒角等等，它們對工程人員來說是很熟悉的，因而易于使用。 裝配、加工、制造以及其它學(xué)科都使用這些領(lǐng)域獨特的特征。通過給這些特征設(shè)置參數(shù)（不但包括幾何尺寸，還包括非幾何屬性），然后修改參數(shù)很容易的進行多次設(shè)計疊代，實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)。 數(shù)據(jù)管理：加速投放市場，需要在較短的時間內(nèi)開發(fā)更多的產(chǎn)品。為了實現(xiàn)這種效率，必須允許多個學(xué)科的工程師同時對同一產(chǎn)品進行開發(fā)。數(shù)據(jù)管理模塊的開發(fā)研制，正是專門用于管理并行工程中同時進行的各項工作，由于使用了Pro/ENGINEER獨特的全相關(guān)性功能，因而使之成為可能。 裝配管理：Pro/ENGINEER的基本結(jié)構(gòu)能夠使您利用一些直觀的命令，例如“嚙合”、“插入”、“對齊”等很容易的把零件裝配起來，同時保持設(shè)計意圖。高級的功能支持大型復(fù)雜裝配體的構(gòu)造和管理，這些裝配體中零件的數(shù)量不受限制。 易于使用：菜單以直觀的方式聯(lián)級出現(xiàn)，提供了邏輯選項和預(yù)先選取的最普通選項，同時還提供了簡短的菜單描述和完整的在線幫助，這種形式使得容易學(xué)習(xí)和使用。 4 工業(yè)機器人運行時應(yīng)采取的安全措施[12] 機器人的運行特性與其他設(shè)備不同。機器人以高能掠過比其機座大的空間，機器人手臂的運動形式和啟動很難預(yù)料，且可能隨生產(chǎn)和環(huán)境條件而改變。 在機器人驅(qū)動器通電情況下，維修及編程人員有時需要進入其限定空間。且機器人限定空間之間或其他相關(guān)設(shè)備的工作區(qū)之間可能相互重疊而產(chǎn)生碰撞，擠壓或由于夾持器松脫而使工件飛出等危險。 4.1 安全要求 安全防護措施的選擇和設(shè)計應(yīng)考慮機器人的應(yīng)用、類型及與其他相關(guān)設(shè)備的關(guān)系，該設(shè)計和選擇必須適合正在進行的工作，并且使得示教編程、設(shè)定、維護、程序驗證及故障查找要求設(shè)備布局緊湊時，也能安全操作。 基本要求： a為防止機器人誤動作產(chǎn)生的危險性，應(yīng)具有異常狀態(tài)檢測、顯示、報警、緊急停機等安全防護功能。 　　b為防止其他人員誤入危險區(qū)，應(yīng)具有異常檢測、顯示、報警、緊急停機等安全防護功能。 　　c附屬設(shè)備發(fā)生故障時，應(yīng)具有異常檢測、顯示、報警、緊急停機等安全防護功能。　 d由于機器人系統(tǒng)的故障而停機時，應(yīng)具有顯示、通知外部的功能。 e為確保在危險區(qū)進行示教作業(yè)的安全性，機器人應(yīng)具有安全動作速度的功能，機器人慢速運動的最大值不超過0.25m/s?！? f在特殊環(huán)境中使用的機器人，應(yīng)具有適應(yīng)環(huán)境的安全防護功能?！? g控制裝置面板上各操作鍵應(yīng)設(shè)動作方向標(biāo)記，與操作機各軸動作方向標(biāo)記相一致?！? h控制裝置與操作機上要有醒目的安全標(biāo)志。 i機器人系統(tǒng)、動力裝置等都要分別設(shè)置可靠的接地端子。 4.2 實施方法 在設(shè)計和布置機器人系統(tǒng)時，為使操作員、編程員和維修人員能得到恰當(dāng)?shù)匕踩雷o，應(yīng)按照機器人制造廠的規(guī)范進行。為確保機器人及其系統(tǒng)與預(yù)期的運行狀態(tài)相一致，則應(yīng)評價分析所有的環(huán)境條件，包括爆炸性混合物、腐蝕情況、濕度、污染、溫度、電磁干擾(EMI)、射頻干擾(RFI)和振動等是否符合要求，否則應(yīng)采取相應(yīng)的措施。 為了減小已知的危險和保護各類工作人員的安全，在設(shè)計機器人系統(tǒng)時，應(yīng)根據(jù)機器人系統(tǒng)的作業(yè)任務(wù)及各階段操作過程的需要和風(fēng)險評價的結(jié)果，選擇合適的安全防護裝置。所選用的安全防護裝置應(yīng)按制造廠的說明進行使用和安裝。 5 結(jié)論 畢業(yè)設(shè)計是本科學(xué)習(xí)階段一次非常難得的理論與實際相結(jié)合的機會，我的課題是對球面SCARA機器人機械部分設(shè)計，機械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計包括確定機器人的外形尺寸和工作空間，擬定機器人各環(huán)節(jié)的總體傳動方案和主要技術(shù)參數(shù)的確定，以及三個自由度軸的校核。 通過這次完整的設(shè)計，我擺脫了單純的理論知識學(xué)習(xí)狀態(tài)，鍛煉了我綜合運用所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識以及解決實際問題的能力，同時也提高我查閱文獻資料、設(shè)計手冊、設(shè)計規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能力水平，而且通過對整體的掌控，對局部的取舍，以及對細節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗得到了豐富，并且意志品質(zhì)力，抗壓能力及耐力也都得到了不同程度的提升。這是我們都希望看到的也正是我們進行畢業(yè)設(shè)計的目的所在。 在這次畢業(yè)設(shè)計中，我的老師袁健給了我很大的幫助，還有我的同學(xué)，在此，謝謝他們！ 參考文獻 [1]吳振彪，胡均安.機電綜合設(shè)計指導(dǎo)[M]. 北京：中國人民大學(xué)出版社,2000. 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[12]吳正彪，王正家.工業(yè)機器人[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006. 致 謝 本學(xué)位論文是在我的指導(dǎo)老師袁健老師的親切關(guān)懷與細心指導(dǎo)下完成的。從課題的選擇到論文的最終完成，袁健老師始終都給予了細心的指導(dǎo)和不懈的支持。值得一提的是，袁健老師宅心仁厚，閑靜少言，不慕榮利，對學(xué)生認真負責(zé)，在他的身上，我們可以感受到一個學(xué)者的嚴謹和務(wù)實，這些都讓我們獲益菲淺，并且將終生受用無窮。畢竟“經(jīng)師易得，人師難求”，希望借此機會向袁健老師表示最衷心的感謝。 最后要感謝的是我的父母，他們不僅培養(yǎng)了我對中國文化的濃厚的興趣，讓我在漫長的人生旅途中使心靈有了虔敬的歸依，而且也為我能夠順利的完成畢業(yè)論文提供了巨大的支持與幫助。在未來的日子里，我會更加努力的學(xué)習(xí)和工作，不辜負父母對我的殷殷期望！我一定會好好孝敬和報答他們！ 附 錄 序號 圖名 紙型 1 球面SCARA機器人裝配圖 A0 2 大臂 A1 3 小臂 A2 4 大臂部裝圖 A1 5 小臂部裝圖 A1 6 工件支承座 A3 7 小臂電機安裝板 A3 8 軸承端蓋 A4 9 球面SCARA機器人三維圖冊 一份 23