摘 要機(jī)械手是一門涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、自動(dòng)控制、人工智能等多個(gè)方面的學(xué)科，它代表了機(jī)電一體化的最高成就。現(xiàn)今，機(jī)械手已經(jīng)運(yùn)用到各個(gè)領(lǐng)域，特別是在裝配作業(yè)方面。在裝配機(jī)械手中，平面關(guān)節(jié)型裝配機(jī)械手（即SCARA型）是應(yīng)用最廣泛的一種裝配機(jī)械手。本課題提出設(shè)計(jì)一種服務(wù)機(jī)械手，用于電子元器件等的裝配，在分析國(guó)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(rèn)真的計(jì)算，仔細(xì)的校核，使設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、經(jīng)濟(jì)合理，能滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)等需要，對(duì)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(jì)的是一種小型服務(wù)裝配機(jī)械手，主要對(duì)這種機(jī)械手進(jìn)行結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的SCARA機(jī)器人具有以下特點(diǎn)：通用性好、體積小、重量輕、外形美觀、成本低，對(duì)其本體的可行方案進(jìn)行了充分的研究后，設(shè)計(jì)成具有多個(gè)自由度的結(jié)構(gòu)，由機(jī)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(jī)械手簡(jiǎn)單可靠的傳動(dòng)方案。該電機(jī)的多個(gè)關(guān)節(jié)均采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有控制簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)械手 自由度 機(jī)器人AbstractRobot is a kind of science related to many other ones such as computer science, mechanism, electronics, automation control and artificial intelligence. Now, robots are used in many fields, especially in the aspect of assembly task. It represents the up-most level of mechatronics. Among assembly, plane articulated assemblyrobot (SCARA manipulator) is used most widely.This topic puts forward designing a kind of assemble robot, used for an assemble electronics component, after analy domestic and international SCARA, the surface of sphere SCARA etc. Through compare with different project. After making sure superior project, though the careful calculation and check.Make design with simple structure,credibility circulate, reasonable cost, can satisfy the teaching experiment etc.The presented SCARA manipulator in this paper is a pint-sized assembly robot, where the structure of SCARA manipulator is designed. The presented SCARA manipulator in this paper has following characters: good universality, small volume, light weight, beautiful appearance and low cost, so the structure of robot is fully considered which has four freedoms and is consisted of comprises base, big arm, small arm and wrist. The simple reliable transmission scheme of SCARA manipulator is composed of harmonic deceleration and gear wheel and feed screw. The four joints are all driven by stepping motors, which has the characters of simple control and low cost.Keyword: Industrial robots Freedom Robot31目錄摘 要IAbstractII第1章緒論1第2章 總體方案設(shè)計(jì)32.1 工業(yè)服務(wù)機(jī)器手的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)32.1.1機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的比較與選擇32.1.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的對(duì)比與分析52.2 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案的比較確定6第3章 步進(jìn)電機(jī)的選擇及其校核計(jì)算113.1 主要技術(shù)參數(shù)確定113.2 各自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇113.2.1 第一自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇123.2.2 第二自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇133.2.3 第三自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇133.2.4 第四自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇143.2.5 第五自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇143.3 第一自由度軸傳動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算與校核143.3.1 第一自由度軸的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算143.3.2 步進(jìn)電機(jī)1的校核153.4 第二自由度軸傳動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算與校核153.4.1 第二自由度等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算153.4.2 步進(jìn)電機(jī)2的校核163.5 第三自由度軸傳動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算與校核163.5.1 第三自由度等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算163.5.2 步進(jìn)電機(jī)3的校核17第4章 系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)與校核184.1 同步齒形帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)184.1.1求出設(shè)計(jì)功率184.1.2選擇帶的節(jié)距184.1.3確定帶輪直徑和帶節(jié)線長(zhǎng)184.1.4選擇帶長(zhǎng)Lp194.1.5近似計(jì)算中心距194.1.6進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)帶寬的選擇204.2 各輸出軸的設(shè)計(jì)214.2.1 機(jī)身輸出軸設(shè)計(jì)214.2.2 大臂輸出軸設(shè)計(jì)214.2.3 大臂與小臂連接軸設(shè)計(jì)214.2.4 帶輪軸設(shè)計(jì)214.2.5 升降軸設(shè)計(jì)224.3 滾珠絲杠副校核234.3.1 最大工作載荷計(jì)算234.3.2 最大動(dòng)負(fù)載C的計(jì)算與校核234.3.3傳動(dòng)效率計(jì)算234.3.4剛度計(jì)算244.3.5絲杠穩(wěn)定性驗(yàn)算244.4機(jī)械手機(jī)身的設(shè)計(jì)254.5其他部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)25第5章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)275.1 機(jī)器人控制的特點(diǎn)275.2 機(jī)器人控制的分類285.2.1 點(diǎn)位控制(PTP)機(jī)器人：285.2.2 連續(xù)軌跡控制(CP)機(jī)器人：28結(jié) 論29參考文獻(xiàn)30致謝31第1章緒論機(jī)器人一詞最早出現(xiàn)于1920年捷克作家Karel Capek的劇本羅薩姆的萬(wàn)能機(jī)器人中，捷克的Robota意為“苦力”、“勞役”，是一種人造勞動(dòng)者，英語(yǔ)Robot由此衍生而來(lái)。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)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(dòng)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。機(jī)器人應(yīng)用水平是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。機(jī)器人工業(yè)已成為世界各國(guó)備受關(guān)注的產(chǎn)業(yè)。本文所述機(jī)械手主要指服務(wù)機(jī)械手，即具有操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置，是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備2。20世紀(jì)50年代，在自動(dòng)機(jī)和自動(dòng)線上出現(xiàn)了可以代替人力傳遞和裝卸工件的機(jī)械手，隨后在某些危險(xiǎn)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(jī)。工業(yè)機(jī)器手是在自動(dòng)操作機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種能模仿人手臂的某些動(dòng)作和控制功能，并按照可變的預(yù)定程序、軌跡和其他要求，操縱工具實(shí)現(xiàn)多種操作的自動(dòng)化機(jī)械系統(tǒng)。1987年ISO（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織）采納了美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)（RIA）的建議，給機(jī)器人下了定義，即“機(jī)器人是一種可反復(fù)編程和多功能的，用來(lái)搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)；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(dòng)作的專門系統(tǒng)。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12643-97將工業(yè)機(jī)器人定義為“ 工業(yè)機(jī)器人是一種具有自動(dòng)控制的操作和移動(dòng)功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機(jī)5?！惫I(yè)機(jī)械手大體按坐標(biāo)形式即操作機(jī)手臂在運(yùn)動(dòng)時(shí)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x-y-z三個(gè)互相垂直的直角坐標(biāo)的移動(dòng)來(lái)實(shí)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(dòng)，沿y軸的橫向移動(dòng)和沿z軸的升降。這種機(jī)械手的位置精度高，控制無(wú)耦合，比較簡(jiǎn)單，避障性好，但占空比大（即機(jī)器人機(jī)構(gòu)所占空間與動(dòng)作空間之比），靈活性較差。(2)圓柱坐標(biāo)式 通過兩個(gè)移動(dòng)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器空間位置的改變。這種機(jī)械手的位置精度僅次于直角坐標(biāo)式，控制簡(jiǎn)單，避障性好，但結(jié)構(gòu)龐大，兩個(gè)移動(dòng)軸的設(shè)計(jì)較復(fù)雜，難與其他機(jī)械手協(xié)調(diào)工作。(3)球坐標(biāo)式 又稱極坐標(biāo)式。機(jī)械手手臂運(yùn)動(dòng)由1個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)所組成，即沿x軸方向的伸縮，繞y軸的俯仰和繞z軸的回轉(zhuǎn)。機(jī)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(zhǎng)成正比，能與其他機(jī)械手協(xié)調(diào)工作。 (4)關(guān)節(jié)坐標(biāo)式 又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型，分為垂直關(guān)節(jié)坐標(biāo)和平面（水平）關(guān)節(jié)坐標(biāo)，機(jī)械手由立柱和大小臂組成，立柱與大臂通過肩關(guān)節(jié)相連接，立柱繞z軸旋轉(zhuǎn)，形成腰關(guān)節(jié)，大臂與小臂形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)和俯仰，小臂作俯仰。機(jī)械手工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，避障性好，能抓取靠近機(jī)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(lái)越多。機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)裝置用來(lái)驅(qū)動(dòng)操作機(jī)工作，按動(dòng)力源的不同可分為電動(dòng)、液動(dòng)和氣動(dòng)三種，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)、液壓缸和氣缸可以與操作機(jī)直接相連，也可通過齒輪、諧波和鏈條裝置與操作機(jī)相連?？刂葡到y(tǒng)用來(lái)控制工業(yè)機(jī)器人按規(guī)定要求動(dòng)作，可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。本課題提出設(shè)計(jì)一種平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手的模型，這種機(jī)械手的結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)原理簡(jiǎn)單而實(shí)用，成本低，重量輕，慣性小，精度高且在運(yùn)行中具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。本論文在平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手研制以及相關(guān)領(lǐng)域研究成果基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)械手本體的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，在確定了總體設(shè)計(jì)方案之后對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)系統(tǒng)加以計(jì)算與校核。培養(yǎng)了自己獨(dú)立設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析問題和解決問題的能力，使理論教學(xué)與設(shè)計(jì)實(shí)踐緊密結(jié)合起來(lái)；并且在不斷摸索改進(jìn)以及指導(dǎo)老師的悉心指導(dǎo)下，使設(shè)計(jì)的圖紙能接近實(shí)際模型制作的要求，滿足相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。第2章 總體方案設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)課題要求機(jī)械手完成水平面內(nèi)搬運(yùn)運(yùn)動(dòng)，這包括XY平面運(yùn)動(dòng)，以及Z向上下運(yùn)動(dòng)。為了完成裝配作業(yè)，還要求手腕具有一定柔順性。這樣一來(lái)如果全部運(yùn)動(dòng)都設(shè)計(jì)成由機(jī)械手本體來(lái)完成，那么必然增加機(jī)械手本體復(fù)雜性，并會(huì)影響機(jī)械手位置精度。另一方面，這種機(jī)械手通用性差，成本也高3。鑒于上述原因，同時(shí)考慮機(jī)械手應(yīng)具有良好的通用性，以保證這個(gè)課題完成后，所提供機(jī)械手技術(shù)，具有較好的產(chǎn)業(yè)化、商品化前景。所以，在設(shè)計(jì)中，本人把機(jī)械手設(shè)計(jì)成平面關(guān)節(jié)式機(jī)械手，具有四個(gè)自由度：兩個(gè)完成水平面內(nèi)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，一個(gè)完成Z軸上下運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)完成繞Z軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。圖2-1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖2.1 工業(yè)服務(wù)機(jī)器手的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1.1機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的比較與選擇工業(yè)服務(wù)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)可分為液壓，氣動(dòng)和電動(dòng)三種基本類型。1液壓驅(qū)動(dòng)液壓傳動(dòng)機(jī)械手有很大的抓取能力，抓取力可高達(dá)上百公斤，液壓力可達(dá)7Mpa，液壓傳動(dòng)平穩(wěn)，動(dòng)作靈敏，但對(duì)密封性要求高，不宜在高或低溫現(xiàn)場(chǎng)工作，需配備一套液壓系統(tǒng)。液壓驅(qū)動(dòng)有以下特點(diǎn)：（1）輸出功率很大，壓力范圍為50-140N/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(wú)級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。（3）結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量較大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較大。（4）液壓系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自我潤(rùn)滑，過載保護(hù)方便，使用壽命長(zhǎng)。液壓驅(qū)動(dòng)需配置液壓系統(tǒng)，易產(chǎn)生泄漏而影響運(yùn)動(dòng)精度。系統(tǒng)易發(fā)熱，出現(xiàn)故障后較難找出原因。（5）適用于重載、低速驅(qū)動(dòng)，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機(jī)械手、點(diǎn)焊機(jī)械手和托運(yùn)機(jī)械手。2氣壓驅(qū)動(dòng) 氣壓傳動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作迅速，價(jià)格低廉，由于空氣可壓縮，所以工作速度穩(wěn)定性差，氣壓一般為0.7Mpa，因而抓取力小，只有幾十牛到百牛力。氣壓驅(qū)動(dòng)具有以下特點(diǎn)：（1） 輸出功率大，壓力范圍為48-60N/cm2，最高可達(dá)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(shí)現(xiàn)高速高精度的連續(xù)軌跡控制。（3） 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題小。（4） 適用于中小負(fù)載驅(qū)動(dòng)，精度要求較低的有限點(diǎn)位程序控制機(jī)器人，如沖壓機(jī)械手本體的氣動(dòng)平衡和及裝配機(jī)械手氣動(dòng)夾具。3電力驅(qū)動(dòng) 這種驅(qū)動(dòng)是目前在工業(yè)機(jī)器手中用的最多的一種。早期多采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（SM）驅(qū)動(dòng)，后來(lái)發(fā)展了直流伺服電動(dòng)機(jī)（DC），現(xiàn)在交流伺服電動(dòng)機(jī)（AC）驅(qū)動(dòng)也開始廣泛應(yīng)用。上述驅(qū)動(dòng)單元有的直接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，有的通過諧波減速器裝置來(lái)減速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜。適用于中小負(fù)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(jī)械手，如AC伺服噴涂機(jī)械手、點(diǎn)焊機(jī)械手、弧焊機(jī)械手、裝配機(jī)械手等。電力驅(qū)動(dòng)可分為普通交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，交、直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。各種電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)：（1）普通交、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)械手。（2）直流伺服電動(dòng)機(jī)：直流伺服電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速特性，可很方便地在較寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑的無(wú)級(jí)調(diào)速，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和穩(wěn)定性好，可適應(yīng)頻繁啟動(dòng)、反向、制動(dòng)等工作狀況。直流伺服電動(dòng)機(jī)按勵(lì)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(dòng)慣量大小，有高速、小慣量（小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)有多種：無(wú)槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)，繞組鐵芯細(xì)長(zhǎng)，故轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，其功率較大；空心杯轉(zhuǎn)子直流伺服電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，靈敏度更高，功率較??；印制繞組直流伺服電動(dòng)機(jī)，可承受頻繁的起動(dòng)、換向，切率中等。這類電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，電感小，故換向性能好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，快速性能好，低速無(wú)爬行）和低速、大慣量（大慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)有永磁式和電磁式兩種，其中永磁式用得較多，它的低速性能好，輸出轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，轉(zhuǎn)子慣量大，受負(fù)載影響小，故可與絲杠直接連接，承受過載、重載能力強(qiáng)）之分。 （3）交流伺服電動(dòng)機(jī)：交流伺服電動(dòng)機(jī)幾乎具有直流伺服電動(dòng)機(jī)的所有優(yōu)點(diǎn)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、維護(hù)簡(jiǎn)單，具有調(diào)速范圍寬、穩(wěn)速精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性更好等技術(shù)特點(diǎn)，可達(dá)到更大的功率和更高的轉(zhuǎn)速。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、電子技術(shù)的發(fā)展，交流伺服電動(dòng)機(jī)已之泛取代直流伺服電動(dòng)機(jī)。（4）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是由電脈沖信號(hào)控制的，它可將電脈沖信號(hào)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。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制簡(jiǎn)便、價(jià)格較低，但易失步，具有轉(zhuǎn)子慣量低、反應(yīng)靈敏、能提供較大的低速轉(zhuǎn)矩、無(wú)漂移、無(wú)積累定位誤差等優(yōu)良性能，其控制線路簡(jiǎn)單，不需反饋編碼器和相應(yīng)的電子線路。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與輸入脈沖個(gè)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(jiǎn)便。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)主要由步進(jìn)控制器、功率放大器及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)組成。純硬件的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(jìn)電動(dòng)機(jī)的各個(gè)繞組，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按既定的方向和速度旋轉(zhuǎn)。若采用微機(jī)技術(shù)，用軟件與硬件相結(jié)合，則控制器不僅可在硬件上簡(jiǎn)化線路，降低成本，而且又提高可靠性。綜上所述，本機(jī)械手功率不高，轉(zhuǎn)速不高，又考慮到機(jī)械手的特點(diǎn)和步進(jìn)電機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)，故驅(qū)動(dòng)方案應(yīng)首選步進(jìn)電機(jī)。2.1.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的對(duì)比與分析工業(yè)機(jī)械手的傳動(dòng)系統(tǒng)要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和體積小，要求消除傳動(dòng)間隙，提高其運(yùn)動(dòng)和位置精度。工業(yè)機(jī)械手傳動(dòng)裝置除齒輪傳動(dòng)，蝸桿傳動(dòng)，鏈傳動(dòng)和行星齒輪傳動(dòng)外，還常用滾珠絲杠、諧波齒輪、鋼帶、同步齒形帶和繩輪傳動(dòng)，以下就是工業(yè)機(jī)械手常用的傳動(dòng)方式及其特點(diǎn)13。（1）滾珠絲杠：傳動(dòng)效率高，達(dá)0.9-0.98，有利于主機(jī)的小型化和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度；摩擦力矩小，接觸鋼度高，使溫升及熱變形減小，有利于改善主機(jī)的動(dòng)態(tài)特性和提高工作精度；工作壽命長(zhǎng)，傳動(dòng)無(wú)間隙，無(wú)爬行傳動(dòng)精度高，具有很好的高速性能；抗沖擊振動(dòng)性能差，承受徑向載荷能力差。（2）同步帶：靠齒嚙合傳動(dòng)，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，傳動(dòng)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(dòng)相比，噪聲小，不需潤(rùn)滑，傳動(dòng)比、線速度范圍大，傳遞功率大；耐沖擊振動(dòng)較好，維修簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)。廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械傳動(dòng)。（3）齒輪傳動(dòng)：傳動(dòng)比大、范圍寬；元件少，體積小，重量輕；同時(shí)嚙合的齒數(shù)多，承載能力高；且誤差能互相補(bǔ)償，故運(yùn)動(dòng)精度高?？刹捎谜{(diào)整波發(fā)生器達(dá)到無(wú)側(cè)隙嚙合；運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪音低，傳動(dòng)效率也比較高，且傳動(dòng)比大時(shí)，效率并不顯著下降，但主要零件柔輪的制造工藝比較復(fù)雜。（4）蝸桿傳動(dòng)：傳動(dòng)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。綜上所述，由于腕部需進(jìn)行Z向運(yùn)動(dòng)，且受徑向力很小，故選用滾珠絲杠傳動(dòng)；臂部需穩(wěn)定，高效的傳動(dòng)，又考慮到結(jié)構(gòu)需簡(jiǎn)單易拆卸，以及經(jīng)濟(jì)因素，所以選用同步帶傳動(dòng)。日本開發(fā)的平面關(guān)節(jié)式裝配機(jī)器手是目前使用最廣泛的機(jī)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(jī)械手，所以有四個(gè)關(guān)節(jié)：三個(gè)水平轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)一個(gè)垂直滑動(dòng)關(guān)節(jié)就足夠了。機(jī)械手能抓取元部件在水平方向定位，在垂直方向進(jìn)行插入作業(yè)。它的平面轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)可以“放松”使插入元件時(shí)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(jī)械手，機(jī)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。如圖1-1所示，兩個(gè)水平回轉(zhuǎn)臂類似人的手臂，若在手部加水平方向的力，2軸就會(huì)作微小旋轉(zhuǎn)，順從地移位，這種移位對(duì)彈性變形力有吸收作用，從而可方便地進(jìn)行軸與孔的裝配作業(yè)。2.2 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案的比較確定方案一：圖2-2 設(shè)計(jì)方案一 如圖2-2所示：大臂擺動(dòng)軸由兩級(jí)齒形帶減速后驅(qū)動(dòng)，小臂擺動(dòng)軸同樣用兩級(jí)齒形帶減速后驅(qū)動(dòng)。垂直升降軸經(jīng)一級(jí)齒形帶減速后再由齒輪驅(qū)動(dòng)齒條作垂直運(yùn)動(dòng)。手部回轉(zhuǎn)軸直接由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下：(1)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)雖然其動(dòng)力特性不如直流伺服電動(dòng)機(jī)，但由于該機(jī)器人負(fù)載較小，速度不高，同時(shí)又采用了合適的加減速方案，因而使其能滿足操作要求，并使系統(tǒng)成本大為降低。(2)第一和第二個(gè)自由度均采用兩級(jí)齒形帶傳動(dòng)，這是常用的減速方法，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)比恒定，傳動(dòng)效率較高，功率大，工作可靠，但需占用一定的空間。(3)升降軸為齒條傳動(dòng)，基本具備齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)，為減少驅(qū)動(dòng)功率的消耗，設(shè)置了拉力彈簧平衡系統(tǒng)。(4)根據(jù)裝配作業(yè)的，點(diǎn)位控制即可滿足操作要求。方案二：圖2-3 設(shè)計(jì)方案二結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下(1)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)雖然其動(dòng)力特性不如直流伺服電動(dòng)機(jī)，但由于該機(jī)器人負(fù)載較小，速度不高，同時(shí)又采用了合適的加減速方案，因而使其能滿足操作要求，并使系統(tǒng)成本大為降低。（2）各自由度獨(dú)立采用電動(dòng)機(jī)聯(lián)接諧波減速器，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且具有小體積，大轉(zhuǎn)矩，高減速比的優(yōu)點(diǎn)。（3）大小臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；第三關(guān)節(jié)采用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)從而把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，并且具有自鎖功能。方案三：圖2-4 設(shè)計(jì)方案三DD驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)各自由度的軸，消除了減速裝置。同傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)相比， DD驅(qū)動(dòng)減少了減速機(jī)構(gòu)，從而減少了系統(tǒng)傳動(dòng)過程中減速機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的間隙和松動(dòng)，極大地提高了機(jī)械手的精度，同時(shí)也減少了由于減速機(jī)構(gòu)的摩擦及傳送轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)所造成的機(jī)械手控制精度降低。而DD驅(qū)動(dòng)由于具有上述優(yōu)點(diǎn)，所以機(jī)械剛性好，可以高速高精度動(dòng)作，且具有部件少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易維修、可靠性高等特點(diǎn)。作為DD驅(qū)動(dòng)技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是DD電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器。它應(yīng)具有以下特性：（1） 出轉(zhuǎn)矩大：為傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式中伺服電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的50100倍。（2）轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)?。?DD電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)可抑制在輸出轉(zhuǎn)矩的510以內(nèi)。 （3）效率：與采用合理阻抗匹配的電動(dòng)機(jī)（傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式下）相比， DD電動(dòng)機(jī)是在功率轉(zhuǎn)換較差的使用條件下工作的。因此，負(fù)載越大，越傾向于選用較大的電動(dòng)機(jī)。DD驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是摩擦力矩小，機(jī)械剛度高，消除間隙，轉(zhuǎn)子慣性小。存在的問題是：由于由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，因此使得電動(dòng)機(jī)必須有低轉(zhuǎn)速高扭矩的要求，這樣的電機(jī)在市場(chǎng)上的售價(jià)相對(duì)比較高。 方案四：圖2-5 設(shè)計(jì)方案四如圖2-6所示：機(jī)器人關(guān)節(jié)均選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。大臂轉(zhuǎn)動(dòng)采用諧波減速器作為減速機(jī)構(gòu)；小臂轉(zhuǎn)動(dòng)采用二級(jí)同步齒形帶減速；腕部升降采用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)；手腕轉(zhuǎn)動(dòng)用步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。這個(gè)設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn)是：第一個(gè)關(guān)節(jié)傳動(dòng)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(diǎn)。第二個(gè)關(guān)節(jié)采用了同步齒形帶的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，可以獲得較大的輸出轉(zhuǎn)矩。第三關(guān)節(jié)采用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)從而把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，并且具有自鎖功能。比較四種方案，方案一結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜而且空間布局不夠合理，零部件過多，整個(gè)裝置有很多齒輪，這就增加了成本，而且加工困難。同時(shí)第三自由度采用了齒輪及齒輪齒條傳動(dòng)，所以需要平衡裝置，不能自鎖。方案二增加了第二自由度處的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使系統(tǒng)平衡性變差。另外，大臂小臂的結(jié)構(gòu)過于單薄，易產(chǎn)生變形。方案三存在的問題是由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，因此使得電動(dòng)機(jī)必須有低轉(zhuǎn)速高扭矩的要求，這樣的電機(jī)在市場(chǎng)上的售價(jià)相對(duì)比較高，方案不夠經(jīng)濟(jì)實(shí)惠；方案四結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，第一自由度采用諧波減速器體積小，重量輕，定位安裝方便，從而節(jié)省了空間，而且減速比大，承載能力大，效率高，噪聲小。同時(shí)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。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面，驅(qū)動(dòng)裝置全部選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，符合設(shè)計(jì)的要求。傳動(dòng)系統(tǒng)方面，升降軸絲杠有自鎖功能省去了同類機(jī)械手設(shè)計(jì)中常用的平衡裝置，由于手腕的升降電機(jī)放在小臂的頂端，直接與絲杠聯(lián)接，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，提高了精度。此外方案四的標(biāo)準(zhǔn)件多，零部件少且容易加工，也降低了成本。綜合考慮，由于方案四傳動(dòng)鏈簡(jiǎn)單，傳動(dòng)精度高，故選擇此種方案為最終方案。觀察初步設(shè)計(jì)方案（圖1-5），考慮到小臂懸置于第二自由度軸上，這樣就增加了大臂末端的負(fù)重，使得彎矩過大，容易造成整體機(jī)構(gòu)的變形，為了使方案更加完善，本人對(duì)設(shè)計(jì)圖又做了修改如圖1-6，在第二自由度軸上下兩端用兩塊合金板將小臂與大臂連接在一起，從而完成了整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。圖2-6 總體方案第3章 步進(jìn)電機(jī)的選擇及其校核計(jì)算步進(jìn)電機(jī)可直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反饋就能對(duì)位置和速度進(jìn)行控制；位置誤差不會(huì)積累；步進(jìn)電機(jī)具有自鎖能力和保持轉(zhuǎn)矩的能力，這對(duì)于控制系統(tǒng)的定位是有利的，適于傳動(dòng)功率不大的關(guān)節(jié)或小型機(jī)械手。3.1 主要技術(shù)參數(shù)確定圖3-1 機(jī)械手手臂的重量分布如圖3-1所示，設(shè)各部分的尺寸和重量如下：1.大臂的第一和第二關(guān)節(jié)軸之間的距離為348mm，質(zhì)量為M1(4kg左右)，重心在距離第一關(guān)節(jié)軸143mm處，L1=143mm。2.小臂的第二和第三關(guān)節(jié)軸之間的距離為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。3.腕部升降裝置及最大物重合計(jì)為M3(30kg左右)，重心在距第二關(guān)節(jié)軸194mm處，L3=348+194=542mm。L4=97mm(小臂重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離)。L5=194mm(腕部重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離)。該機(jī)械手的基本技術(shù)參數(shù)如下：大臂回轉(zhuǎn)：，小臂回轉(zhuǎn)：，手腕升降：120mm，30mm/s手腕回轉(zhuǎn)：，大臂小臂連接處回轉(zhuǎn)：，負(fù)載重量：294N3.2 各自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇本機(jī)械手前兩個(gè)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。因?yàn)閷⒈凵扉_呈一條直線時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大，所以在旋轉(zhuǎn)開始時(shí)可產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩不足。如圖3-1所示，設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為JG1、JG2、JG3，根據(jù)平行軸定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22+JG3+M3L32 （3.1）其中：M1，M2，M3分別為4Kg，1Kg，4Kg；L1，L2，L3分別為143mm，445mm，542mm。JG1M1L12、JG2M2L22、JG3M3L32，故可忽略不計(jì)，以繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：J1= M1L12+M2L22+M3L32 (3.2)=4×0.1432+1×0.4452+4×0.5422=1.46kg.m2同理可得小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：M2=1Kg，L4=97mm；M3=4Kg，L5=194mm。J2=M2L42+M3L52 (3.3)=1×0.0972+4×0.1942=0.16kg.m23.2.1 第一自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇設(shè)大臂速度為，則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下：式中：T - 旋轉(zhuǎn)開始時(shí)轉(zhuǎn)矩 N.mJ 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 kg.m2- 角加速度rad/s2使機(jī)械手大臂從到所需的時(shí)間為：則： (3.4)若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可假定為10N.m，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： (3.5)選擇諧波減速器：型號(hào)：XB3-50-120 （XB3型扁平式諧波減速器）額定輸出轉(zhuǎn)矩：20N.m 減速比：i1=120 設(shè)諧波減速器的的傳遞效率為：，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)輸出力矩為： (3.6)選擇BF反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)型號(hào)：55BF003靜轉(zhuǎn)矩：0.686N.m步距角：1.5°3.2.2 第二自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇原理同上，設(shè)小臂轉(zhuǎn)速，角速度從0加到所需加速時(shí)間，則同步帶應(yīng)輸出轉(zhuǎn)矩為： (3.7) 設(shè)安全系數(shù)為2，同步帶減速比i=10，同步帶傳動(dòng)效率為：（單級(jí)傳動(dòng)）。則電機(jī)所需輸出力矩為： (3.8) 選擇反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 型號(hào)：45BF005 靜轉(zhuǎn)矩：0.196N.m步距角：3.2.3 第三自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)，實(shí)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=0.1螺旋升角為:=arctgp/d2=3.834° (3.9)當(dāng)量摩擦角為: =tg-1f=5.911° (3.10)螺紋阻力矩為： (3.11)螺紋所受摩擦力矩： (3.12)式中:f-摩擦系數(shù),取0.1 Dm-支撐面平均直徑,取螺母內(nèi)外徑的一半,既(10+40)/2=25mm絲杠所受力矩為阻力矩與摩擦力矩之和，即：T=T1+T2=0.078N.m (3.13)安全系數(shù)取2，則電機(jī)所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為： (3.14)選擇反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 型號(hào)：70BF003 靜轉(zhuǎn)矩：0.784N.m 步距角：3.2.4 第四自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇腕部旋轉(zhuǎn)直接用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，設(shè)手爪及物體的最大當(dāng)量半徑為R=50mm，則轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： (3.15)式中：m - 手爪及物體總重量，設(shè)為30kg，代入數(shù)據(jù)：J3=0.0375kg.m2設(shè)轉(zhuǎn)速為：，加速時(shí)間，得電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為： (3.16)選擇電機(jī)型號(hào)：45BF005靜轉(zhuǎn)矩：0.196N.m步距角：1.5° 3.2.5 第五自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇腕部旋轉(zhuǎn)直接用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，設(shè)手爪及物體的最大當(dāng)量半徑為R=80mm，則轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： (3.15)式中：m - 手爪及物體總重量，設(shè)為20kg，代入數(shù)據(jù)：J3=0.064kg.m2設(shè)轉(zhuǎn)速為：，加速時(shí)間，得電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為： (3.16)選擇電機(jī)型號(hào)：45BF005靜轉(zhuǎn)矩：0.196N.m步距角：1.5° 3.3 第一自由度軸傳動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算與校核3.3.1 第一自由度軸的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為由估算知諧波減速器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。從資料查得55BF003步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量為JD1=0.617kg.cm2。因此，自由度1傳動(dòng)系統(tǒng)上所有慣量折算到電機(jī)軸1上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量: (3.17)說(shuō)明：(1)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)子慣量和諧波減速器慣量之半（輸入部分）的和；(2)諧波減速器慣量之半（輸出部分）折算到電機(jī)軸時(shí)除以i2；(3)Z方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到電機(jī)軸時(shí)除以i2。根據(jù)初選的i=120，則=3.63kg.cm2。3.3.2 步進(jìn)電機(jī)1的校核根據(jù)公式，電機(jī)空載啟動(dòng)力矩為: (3.18)因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中第一自由度沒有采用滾珠絲杠副傳動(dòng)，所以絲杠預(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(jì)，則僅剩加速力矩項(xiàng)，即 (3.19) (3.20)式中：傳動(dòng)系統(tǒng)各部件慣量折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=3.63kg.cm2；運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度；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t=0.1s。所以電機(jī)最大轉(zhuǎn)速為： 則:所以: (3.21) 電機(jī)名義啟動(dòng)力矩，三相六拍運(yùn)行，通過查表得電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩，所以Mkq<Mmq，初選電機(jī)滿足最大靜轉(zhuǎn)矩校核要求。3.4 第二自由度軸傳動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算與校核3.4.1 第二自由度等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:=m2L42+m3L52=0.168kg.m2=1680kg.cm2 (3.22) 從資料查得45BF005步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量為JD2=0.137kg.cm2。根據(jù)初選的i=10，則自由度2傳動(dòng)系統(tǒng)上所有慣量折算到電機(jī)軸2上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： (3.23)3.4.2 步進(jìn)電機(jī)2的校核根據(jù)公式：電機(jī)空載啟動(dòng)力矩為 (3.24)因?yàn)榈诙杂啥葲]有采用滾珠絲杠副傳動(dòng)，所以絲杠預(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(jì)，則僅剩加速力矩項(xiàng)，即 式中：傳動(dòng)系統(tǒng)各部件慣量折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=16.8kg.cm2；運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度；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t=0.2s。所以電機(jī)最大轉(zhuǎn)速為： (3.25)則: (3.26)所以: (3.27)電機(jī)名義啟動(dòng)力矩，三相六拍運(yùn)行，通過查表得電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩，所以 (3.28) Mkq<Mmq，初選電機(jī)滿足最大靜轉(zhuǎn)矩校核要求。3.5 第三自由度軸傳動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算與校核3.5.1 第三自由度等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算電機(jī)3轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JD3=0.5194kg.cm2絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： (3.29)移動(dòng)質(zhì)量折算到絲杠軸的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： (3.30)已知移動(dòng)件質(zhì)量為=30kg，傳動(dòng)系統(tǒng)各運(yùn)動(dòng)部件慣量折算到電機(jī)3軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： （已知傳動(dòng)比i=1） (3.31)3.5.2 步進(jìn)電機(jī)3的校核電機(jī)空載啟動(dòng)力矩為：其中加速力矩: (3.32)電機(jī)最大轉(zhuǎn)速為絲杠最大轉(zhuǎn)速的i倍，即nmax=ins，絲杠最大轉(zhuǎn)速ns為ns=vs/p =15r/s=450r/min (3.33)所以，加速時(shí)間t=0.1s，則Mka=2.545N.cm。絲杠預(yù)緊附加摩擦力矩： (3.34)預(yù)緊力FYJ=Fm/3=37.625/3=12.54N；L0=0.2cm；傳動(dòng)總效率；杠未預(yù)緊時(shí)傳動(dòng)效率：；則M0=0.0949N.cm空載摩擦力矩很小，設(shè)為2M0，即Mkf=2M0=0.1897N.cm因此，空載啟動(dòng)力矩：Mkq=2.545+0.0949+0.1897=2.8296N.cm (3.35)滿足最大靜轉(zhuǎn)矩校核，因?yàn)榈谒摹⒌谖遄杂啥容S的計(jì)算與校核方法類同于第一軸和第二軸，這里從略。第4章 系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)與校核4.1 同步齒形帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)由上可知，同步帶輸出轉(zhuǎn)矩為：0.21N.m，輸出轉(zhuǎn)速為：，單級(jí)傳動(dòng)效率為：=85%，傳動(dòng)比i=10，取安全系數(shù)k=3，則同步帶傳遞功率為： (4.1)設(shè)傳動(dòng)比分配為：第一級(jí)傳動(dòng)比i1=5，第二級(jí)傳動(dòng)比i2=2。帶輪依次為，。輪轉(zhuǎn)速：n4=15°/s=2.5r/min，輪轉(zhuǎn)速：n2=n3=i2n4=2×2.5=5 r/min輪轉(zhuǎn)速:n1=in4=10×2.5=25r/min設(shè)中心距:L1=100mm，L2=250mm4.1.1求出設(shè)計(jì)功率 由文獻(xiàn)查得載荷修正系數(shù)k0=1.6，因未使用張緊輪，又是減速運(yùn)動(dòng)，故附加修正系數(shù)均為零，則： (4.2)4.1.2選擇帶的節(jié)距由Pd=0.384W和n1=25 r/min，查得帶的節(jié)距代號(hào)為XL，對(duì)應(yīng)的節(jié)距為Pb=5.08mm。4.1.3確定帶輪直徑和帶節(jié)線長(zhǎng)帶輪最小許用齒數(shù)可取10，考慮到制造和安裝等因素，取Z1=13。則:Z2=i1Z1=5Z1=65 (4.3)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)系列，取Z2=60同理可得：Z3=17，Z4=40重新計(jì)算傳動(dòng)比： (4.4) (4.5) (4.6)由公式可以計(jì)算各帶輪的直徑 ， ， 4.1.4選擇帶長(zhǎng)Lp帶長(zhǎng)計(jì)算公式： (4.7)式中：L 中心距 mm Lp 帶長(zhǎng) mm d1，d2 配合帶輪直徑 mm 代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得：同理：按表選擇最接近算值的標(biāo)準(zhǔn)帶長(zhǎng)：Lp1=406.4mm，代號(hào)160，齒數(shù)80Lp2=635mm， 代號(hào)250，齒數(shù)1254.1.5近似計(jì)算中心距 (4.8)式中： (4.9)L 中心距 mmPb 節(jié)距，這里為5.08mmZb 帶齒數(shù)，這里Zb1=80，Zb2=125Z2、Z1為配合帶輪齒數(shù)，則：M1=55.245mm，L1=103.515mm取整，則L1=103mm同理M2=122.555mm，L2=244.401mm取整，則L2=245mm4.1.6進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)帶寬的選擇 1小帶輪齒數(shù)Z1=13，轉(zhuǎn)速為n1=25r/min。由內(nèi)插法得XL型帶的基準(zhǔn)寬度bs0=9.5mm，基準(zhǔn)額定功率為P0=1.25W 2計(jì)算同步帶傳動(dòng)的嚙合齒數(shù)Zm (4.10)則嚙合系數(shù)為Kz=1-0.2（6-Zm）=0.8 (4.11)3同步帶寬bs (4.12)選擇標(biāo)準(zhǔn)帶寬bs=7.9mm，代號(hào)0314確定帶寬系數(shù) (4.13)5確定額定功率 (4.14)額定功率大于設(shè)計(jì)功率，故帶的傳動(dòng)能力足夠。結(jié)果整理如下：兩級(jí)同步帶類型均為XL型同步齒型帶Pb=5.08mm，帶寬bs=7.9mm一級(jí)同步帶齒數(shù)：Zp1=80，帶長(zhǎng)：Lp1=402mm，代號(hào)160二級(jí)同步帶齒數(shù)：Zp2=125，帶長(zhǎng)：Lp2=646.71mm，代號(hào)250各帶輪齒數(shù)：Z1=13，Z2=60，Z3=17，Z4=40各帶輪節(jié)徑：d1=21.02mm，d2=97.02mm，d3=27.49mm，d4=64.68mm傳動(dòng)中心距：L1=103mm，L2=245mm 圖4-1 機(jī)械手大臂機(jī)構(gòu)圖4.2 各輸出軸的設(shè)計(jì) 各軸的材料均選用45號(hào)鋼，已知軸的許用扭剪應(yīng)力=30MPa，由許用應(yīng)力確定的系數(shù)為C=120。4.2.1 機(jī)身輸出軸設(shè)計(jì)此軸傳遞扭矩T=20N.m，轉(zhuǎn)速=30°/s，則傳遞功率為： (4.15) (4.16) (4.17)與諧波減速器連接部分軸徑最小，由于它承受了大臂、小臂、腕部及負(fù)載所帶來(lái)的彎距，另外減速器的軸頸較大，故d的值可取大一些，這里取d=30mm；軸承部分=40mm，軸承選為7208AC GB/292角接觸球軸承，其余根據(jù)結(jié)構(gòu)確定。由于載荷不大，軸承選的較大，強(qiáng)度足夠，這里不再詳算。4.2.2 大臂輸出軸設(shè)計(jì)此軸的設(shè)計(jì)功率為，轉(zhuǎn)速=15°/s，則： (4.18)最小軸徑在兩臂連接處，有鍵槽，承受一定彎矩，軸徑選用16，軸承部分選用軸徑17其余按結(jié)構(gòu)確定。軸承選為單列角接觸球軸承，型號(hào)為7003AC GB/292，另外考慮到此軸的軸向定位，故兩個(gè)軸端設(shè)計(jì)成螺紋狀，通過兩個(gè)圓螺母進(jìn)行軸向的定位與緊固，螺紋直徑為M14，其余根據(jù)結(jié)構(gòu)確定。4.2.3 大臂與小臂連接軸設(shè)計(jì)此軸傳遞扭矩T=8N.m，轉(zhuǎn)速=30°/s，則傳遞功率為： (4.15) (4.16) (4.17)由于它承受了小臂、腕部及負(fù)載所帶來(lái)的彎距，故d的值可取大一些，這里取d=25mm；軸承部分=30mm，軸承選為7206AC GB/292角接觸球軸承，其余根據(jù)結(jié)構(gòu)確定。由于載荷不大，軸承選的較大，強(qiáng)度足夠，這里不再詳算。4.2.4 帶輪軸設(shè)計(jì)此軸傳遞的扭矩為： (4.19) 此軸的轉(zhuǎn)速為=30°/s，則傳遞功率為： (4.20) (4.21) (4.22) 由于軸上有鍵槽，且承受一定彎矩，故取d=15mm，軸承處軸頸取為=12mm。軸承選為軸承選為單列角接觸球軸承型號(hào)為7002AC GB292。4.2.5 升降軸設(shè)計(jì)升降軸上為滾珠絲杠螺母副，故需設(shè)計(jì)成空心軸，主要承受軸向拉力，取絲杠內(nèi)徑d=14mm，絲杠外徑D=18mm，用兩光杠與一直線軸承導(dǎo)向，絲杠采用一對(duì)面對(duì)面角接觸球軸承支撐，軸承部分軸徑選用12，軸承型號(hào)為7201AC GB/292。光桿采用5鋼棒，與升降軸同一平面平行放置。 圖4-2 升降軸導(dǎo)向示意圖已知絲杠傳遞扭矩T=0.078N.m，則光杠所受圓周力 (4.23)則光杠所受徑向力為 (4.24)光杠撓度最大值： (4.25)式中：L-光杠長(zhǎng)度120mm E-彈性模量200Gpa I-慣性矩 將數(shù)據(jù)代入得： (4.26)由變形量可知，光杠變形較小，剛度足夠。4.3 滾珠絲杠副校核滾珠絲杠副初選為外循環(huán)插管式，預(yù)緊方式為雙螺母墊片式預(yù)緊，導(dǎo)珠管埋入式，公稱直徑dm=10mm，導(dǎo)程（螺距）L0=2mm，螺紋旋向?yàn)橛倚ㄎ粷L珠絲杠副，精度等級(jí)為3級(jí)，絲杠螺紋長(zhǎng)度157mm，絲杠總長(zhǎng)度L=234mm，滾珠絲杠副型號(hào)VFC（Z） 1002-2.54.3.1 最大工作載荷計(jì)算絲杠軸向承載總和為：Fz=35N，沿Z軸方向，即絲杠軸向。因此，滾珠絲杠副的進(jìn)給牽引力，即最大工作載荷Fm為Fm=Fz+fFy。設(shè)橫向工作載荷為:Fy=0.5 Fz=17.5N (4.27)導(dǎo)桿和軸套之間的摩擦系數(shù)f=0.15。因此，絲杠最大工作載荷為: (4.28)4.3.2 最大動(dòng)負(fù)載C的計(jì)算與校核滾珠絲杠最大動(dòng)負(fù)載 (4.29)式中：L為工作壽命，L=60nt/106；n為絲杠轉(zhuǎn)速，n=1000v/L0；v為最大切削力條件下的進(jìn)給速度（m/min），因?yàn)樽罡哌M(jìn)給速度vmax=30mm/s=1.8m/min所以: (4.30)t為額定使用壽命(h)，可取t=15000h；fm為運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，無(wú)沖擊取1.2。因此， (4.31) (4.32)查得型號(hào)VFC（Z） 1002-2.5的滾珠絲杠副的額定動(dòng)負(fù)載Ca=10470N。Ca>C，可知?jiǎng)迂?fù)載校核足夠，余度很大。4.3.3傳動(dòng)效率計(jì)算 (4.33) 根據(jù)初選滾珠絲杠型號(hào)從表中查得螺旋升角，摩擦角，則，傳動(dòng)效率較高。4.3.4剛度計(jì)算1.絲杠的拉壓變形量: (4.34)式中：Fm為絲杠的工作載荷(N)；L為滾珠絲杠在支承間的受力長(zhǎng)度，取L=157mm；絲杠底徑d1近似于外徑與滾珠直徑之差，即d1=d-dw，絲杠外徑d=d0-0.2dw，絲杠公稱直徑已知d0=10mm，滾珠直徑dw由表查得dw=1.587mm，因此，絲杠底徑d1=9.682-1.587=8.095mm，截面積。于是拉壓變形量為: (4.35)該變形量可忽略不計(jì)，因工作載荷很小，滾道接觸變形量從略。2.大臂與小臂連接軸的彎曲變形量: (4.34)式中：