摘 要隨著工業(yè)自動化的不斷發(fā)展，現(xiàn)代機電設備中都存在控制電路板，板上有不少芯片插件需要在裝配時準確插入芯片座。在中、大批量生產中，電路板生產線上這種取芯片-插入芯片的裝配動作一小時要做數千次，只有裝配機器人能滿足如此高節(jié)奏、高要求的生產任務。機器人具有各種關節(jié)的形式，電子插件裝配機器人在垂直方向上要求手臂有很高的剛度，而在水平方向動作靈活。工業(yè)機器人被廣泛應用于工業(yè)生產的各個部門,如采掘、噴涂、焊接、醫(yī)療等各大領域。由于工業(yè)機器人的出現(xiàn),它不斷替代了人們的繁重勞動,大大提高了勞動生產率,減輕了人們的勞動強度,此外,它能在高溫、低溫、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染環(huán)境條件下進行操作,日益體現(xiàn)出它的優(yōu)越性。本課題的目的是構思、設計一種形體和功率較小，適合在生產線上按程序指定動作，以要求的裝配精度完成電路板插件裝配的小型工業(yè)機器人，且具有較好的經濟性和性能/價格比。本課題所設計的垂直關節(jié)四自由度插件裝配機器人，也叫SCARA機器人，對于此次機器人設計進行了機械部分設計和控制接口部分的設計。機械部分的設計，根據SCARA機器人結構的特點，三個旋轉關節(jié)和一個升降關節(jié)，完成了設計機器人的整體機械傳動結構、交流伺服電機的選型和各個零件的設計計算及校核，并運用AutoCAD 繪制了總體裝配圖和部分零件圖。控制部分的設計，設計了以單片機為下位機控制機，PC機為上位控制機的二級體系結構，從而完成對SCARA機器人的閉環(huán)控制。在此控制電路中，下位機系統(tǒng)由單片機、鎖存器、外部擴展EPROM、譯碼器、伺服驅動器等組成，并完成了控制電路的硬件配線。下位機和上位機的數據交換，需通過MAX202CPE作為中間元件來完成通訊，從而從PC機中獲得動作指令。關鍵詞：SCARA 機器人,控制器,單片機,伺服電機ABSTRACTWith the continuous development of industrial automation, the modern electromechanical equipment can exist control circuit board, board has many chip plugins require accurate in assembling a insert the chip. In mass production, circuit board production line this take chip-insert the chip assembly action an hour to do thousands of times, only to meet such a high assembly robot rhythm, high requirement of production tasks. Robot has all kinds of joints in the form of electronic assembly robot in vertical direction plugin required in the arm has very high rigidity, and flexible motion in a horizontal direction. Industrial robot have been widely used in industrial production of various sectors, such as mining, spraying, welding, medical and so on various fields. With the industrial robot appear, it replaced the people's heavy constantly labor, greatly improving the productivity and reduce the labor intensity of the people, in addition, it can be in high temperature, low temperature, deep water, the universe, radioactive and other toxic, pollution environment conditions operation, increasingly reflects its superiority.The aim of this project is to conceive, design a kind of form and power smaller, suitable for in the production line in a program specified action to demand the assembling accuracy of complete circuit board assembly of small industrial robots plugins, and has the good efficient and performance/price ratio. This subject is the design of vertical joints 4-dof plugin assembly robot, also called SCARA robot, robot design for the mechanical design and control interface part of the design.The design of mechanical part, according to the characteristic of structure of SCARA robot which have three rotating joint and a lift joints, completed the design of robot mechanical transmission structure, the selection of ac servo motors and each part of the design calculation and check, and use AutoCAD mapped the general assembly drawing and part drawing.Control part of the design, design with the single chip microcomputer as the next place machine control machine, the PC for upper secondary system control machine structure, thus completing the SCARA robot closed loop control. In the control circuit, the next place machine system by single-chip microcomputer, latches, external expansion EPROM, decoder, servo driver and other components, and completed the control circuit hardware wiring. A machine and the upper machine under the data exchange, need to pass MAX202CPE as components to complete the communication among, thus from PCS get motion commands.Key Words: SCARA Robot, Controller, Single Chip, Servo motor目錄1. 緒論11.1 工業(yè)機器人的發(fā)展及研究現(xiàn)狀11.2 SCARA 機器人概述41.3 本課題研究意義41.4 總體方案52. 機械部分設計62.1 控制用電機的種類 特點和選型62.2 伺服電機減速機的配型78171718193 機械標準件的選型與校核213.1 銷連接的選型與校核212123264.系統(tǒng)控制部分設計2828282930315.結論335.1 總結335.2 展望33參考文獻34致謝351. 緒論 工業(yè)機器人的發(fā)展及研究現(xiàn)狀機器人自誕生之日起，就顯示出了其強大的生命力。機器人不僅在工業(yè)生產中得到了廣泛應用，而且給傳統(tǒng)產業(yè)也帶來了質的飛躍。它不僅提高了傳統(tǒng)產業(yè)的工業(yè)自動化程度，提高了勞動生產率，還促進了資源消耗低，環(huán)境污染少的新興產業(yè)的誕生。由于人類在機械工程，電氣工程，微電子技術，計算機技術、控制論、傳感技術、信息學、聲學、仿生學和人工智能等學科領域的快速發(fā)展，機器人技術的應用也正在向農業(yè)，林業(yè)，畜牧養(yǎng)殖業(yè)、海洋開發(fā)、宇宙探索、國防建設、安全救災、生物醫(yī)藥、服務娛樂等新的發(fā)展領域拓展，并已取得了顯著的進展。機器人技術已成為高新科技應用中的重要組成部分。機器人有兩大類：用于制造環(huán)境下的工業(yè)機器人和制造環(huán)境服務機器人。機器人產業(yè)是一種生產環(huán)境和生產條件，具有較強的適應性和靈活性的柔性自動化設備，主要是應用在現(xiàn)代工業(yè)制造代替人從事繁重的，單調重復，環(huán)境風險，人做不了的或做不好的工作，從而減少了工人的勞動強度，改善了勞動環(huán)境，有效提高了生產的自動化程度，提高產品質量和勞動生產率。工業(yè)機器人是一種柔性制造系統(tǒng)（柔性制造系統(tǒng)），工廠自動化（足協(xié)）和計算機集成制造系統(tǒng)（計算機集成制造系統(tǒng)）必不可少的自動化工具，它的開發(fā)和應用已成為工業(yè)自動化水平的重要標志。 工業(yè)機器人的發(fā)展歷程1954年，美國人喬治·迪沃設計了第一臺可編程的機器人，名叫“通用自動化（Universal Automation） ，此機器人自帶內存，可以實現(xiàn)點至點的運動。 之后，1956年，迪沃和被稱為”工業(yè)機器人之父“的約瑟夫樓·恩格爾·伯杰成立了Unimation公司，開始設計和生產了UNIMATE工業(yè)機器人，并于1960年研制出第一臺機器人樣機。同時，在美國的AMF （American Machine and Foundry）公司也設計和制造了一臺圓柱坐標機器人Versatran ， Unimation和Versatran便成為世界上第一臺工業(yè)機器人。 1962年，通用汽車公司裝配生產線時，安裝了世界上第一臺工業(yè)機器人UNIMATE ，由此開創(chuàng)了機器人從科幻變作為人們服務的工具的時代。20世紀60年代是工業(yè)機器人的發(fā)展的萌芽階段。工業(yè)機器人首次在汽車生產線，焊接，涂裝和其他工業(yè)生產工作中進行作業(yè)，并呈現(xiàn)良好出了的較好的柔韌性和穩(wěn)定性，大大提高了生產效率，因此，在工業(yè)生產中得到了推廣。在20世紀70年代，隨著計算機技術，自動控制理論和日益增長的需求為自動化工業(yè)生產的發(fā)展，工業(yè)機器人技術已發(fā)展迅速。名字為PUMA（Programmable Universal Machine for Assembly）的一般工業(yè)機器人得到了開發(fā)，它是一個具有多個聯(lián)合關節(jié)，全電動，多CPU分層控制的機器人，使用一個val專門的編程語言，可以配置的視覺，觸覺和力傳感器，它的誕生標志著工業(yè)機器人已進入了一個新的發(fā)展階段，到現(xiàn)在為止，現(xiàn)代工業(yè)機器人的機械結構，控制結構和編程語言也均是基于PUMA機器人的基礎發(fā)展衍生出來的。20世紀80年代，將具有感覺、思考、決策和動作能力的系統(tǒng)統(tǒng)稱為智能機器人。進入20世紀90年代后，更將此概念作為了工業(yè)機器人的研究和應用的指導方向，并開拓出了更巨大的空間。 國外的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢在發(fā)達國家，工業(yè)機器人技術已經取得了非常廣泛的應用。有著“機器人王國”稱號的日本，在工業(yè)機器人的擁有臺數占到世界工業(yè)機器人總數的42%，其在機器人密度和先進程度上均處于世界領先。美國的機器人的發(fā)展，雖然又錯過一段時期，但依靠其強大的綜合國力，其技術也得以迅猛發(fā)展，處于世界領先水平。在歐洲，德國、意大利和法國在此方面的發(fā)展比較突出和領先。在亞洲，除了日本，韓國在工業(yè)機器人密度，也位居世界前三名。目前，國外機器人技術正在向智能機器和智能系統(tǒng)的方向發(fā)展，其發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面： 1 在制造業(yè)中，工業(yè)機器人的應用越來越廣泛，將在食品，能源，采礦和建筑行業(yè)等新的領域中得到迅速發(fā)展。在傳統(tǒng)行業(yè)中，比如：橡膠，包裝和塑料等，工業(yè)機器人的需求將進一步增長。2 工業(yè)機器人的價格不斷下降，性能不斷改進，速度更快，精度更高，可靠性更好，并且易于操作和維護。機器人的價格相較于勞動力成本越來越低，可以降低生產成本，這必將更加推動機器人的投資、研制和開發(fā)。3 機器人控制系統(tǒng)的發(fā)展方向是：基于工控機的開放式機器人控制器。控制系統(tǒng)的開放化，模塊化和標準化，將成為今后發(fā)展的方向，人機控制界面更加容易操作和友好。單元式的方式發(fā)展工業(yè)機器人，使各個機器人之間能夠協(xié)調控制，組成具有兼容性更加強大的控制技術。4 機器人的通訊方式和編程語言，兼容性更加，并逐漸通用化。5 關節(jié)型機器人的各個機械結構逐漸發(fā)展模塊化、可重構化。6 傳感器的發(fā)展直接關系到，機器人的智能化的程度。除了靈敏、先進的傳感器，實現(xiàn)動作的各種算法，比如：非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布情形下的多傳感器融合算法等。7 機器人技術的研究主要集中在結構和功能的方面，并用運用創(chuàng)新的設計方法，同時需要不斷探索和發(fā)展高強度的輕質材料，以進一步提高機器人的性能。8 虛擬模擬技術在機器人技術中得到更強大的發(fā)展。9 趨于實現(xiàn)遠程和網絡化控制機器人，并且可以將遙控、監(jiān)控技術運用到其中，實現(xiàn)智能化機器人的遠程管理和自動管理。 我國的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢我國政府非常重視機器人技術研究和發(fā)展。目前中國已基本掌握了機器人的設計和制造技術，控制系統(tǒng)的硬件和軟件的設計和一些關鍵部件的生產技術，機器人運動學和軌跡規(guī)劃，生產出了，點焊，焊接，裝配，切割，包裝，裝卸，堆疊和各種用途的機器人，機器人應用工程的實施，建立了一批機器人運動產業(yè)化基地，并形成大量的機器人研制力量。目前，我國針對工業(yè)機器人的應用研究和發(fā)展，已應用于汽車，摩托車，機械制造，電子及電器，工程機械，石油，化工等行業(yè)。然而，在工業(yè)機器人技術及其工程應用水平方面，我國和國外工業(yè)機器人強國還是有一定的差距.我國還沒有形成真正的機器人產業(yè)，產品品種少，狹窄的適用范圍，機器人的標準化程度低，可靠性低于國外產品。而且，我國在許多與機器人相關的產業(yè)中的發(fā)展也十分的落后，比如：在伺服電機和伺服行星減速機方面，均未能實現(xiàn)技術之車。新產品開發(fā)過于依賴的國家科學的研究計劃和資金，不能形成面向市場的研究，研發(fā)未能形成良性發(fā)展。根據國內和國外的發(fā)展經驗和當前形勢的機器人與目前國內的經濟發(fā)展。在當前的情況下，我們的機器人技術將專注于：研究柔性仿形工業(yè)機器人產業(yè)化技術，完成焊接和點膠等工作；研究智能機器人的開發(fā)，包括：人機交換建模系統(tǒng)，虛擬模擬技術等；研究以機器人為基礎的重組裝配系統(tǒng)，像開放式、模塊化的裝配機器人；用來推進我國當前工業(yè)自動化的進程，滿足工業(yè)自動化需求。 SCARA 機器人概述SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm，中文譯名：選擇性合規(guī)裝配機器手臂）是一種圓柱坐標工業(yè)機器人。SCARA機器人有三個旋轉關節(jié)，均與軸線互相平行，在平面內進行定位和定向。另一個關節(jié)是移動關節(jié)，用于完成末端件在垂直于平面的運動。這類機器人的特點是結構輕便、響應快，例如Adept1型SCARA機器人運動速度可達10m/s，比一般關節(jié)式機器人快數倍。它最適用于平面定位，垂直方向進行裝配的作業(yè)。 1978年，日本山梨大學的牧野洋（Makino）教授及其學生研制出一種SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm ）機器人。 與一般的關節(jié)型機器人不同的是，該機器人具有四個軸和四個運動自由度 ，包括X,Y,Z方向的平動自由度和繞Z軸的轉動自由度 。SCARA 機器在平面內運動十分靈活，而在垂直方向上具有很大的剛性，此特性十分適合于垂直方向的裝配工作，在裝配或者搬運等工作中的效率和穩(wěn)定性均十分好，實現(xiàn)快速和高效的目的。如今SCARA機器人已經應用到了各個領域中，并大大提高了工業(yè)的生產效率，并為工廠獲取了較好的經濟效益。 本課題研究意義工業(yè)機器人的應用，改變傳統(tǒng)的生產模式，是提高企業(yè)的綜合競爭力的一個重要角色.隨著中國加入WTO和經濟全球化的發(fā)展，市場競爭日趨激烈，我國制造業(yè)迫切需要進行大規(guī)模的技術改造和設備更新，工業(yè)機器人技術和自動化生產設備的需求將繼續(xù)增加.可是我國機器人的發(fā)張速度較慢，長期依賴大量進口工業(yè)機器人。機器人自動化生產設備從國外引進不僅價格昂貴，而且使用效果并不理想，這嚴重制約了中國制造業(yè)的健康發(fā)展。據統(tǒng)計，在2004年之前引進的機器人自動化類的生產設備已經近一半是不正常運行狀態(tài)，包括有較大問題的占33 ，根本不能使用的占16。主要原因包括：外國自動化系統(tǒng)不適合國內企業(yè)的技術體系，選擇不合理，缺乏足夠的售前和銷售的技術支持，目前狀態(tài)的售后服務不專業(yè)等，而機器人控制系統(tǒng)和機械結構均相對封閉，行業(yè)間沒有相互交流，最總導致了價格比較昂貴，售后服務不完美，機器人技術的應用和發(fā)展的相對緩慢。因此，我國自身研究和設計擁有自主知識產權的工業(yè)機器人是具有十分重要的意義。 總體方案SCARA 機器人由三部分組成，包括：機械本體、驅動器、傳感裝置。下圖4.1， 為SCARA 機器人的結構示意圖?？刂破骶褪前üた貦C和單片機系統(tǒng)的整個控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)人機交互、指令輸出、接受反饋并作出發(fā)出調整指令等功能?？刂破靼l(fā)出的運動指令控制驅動機械傳動結構，驅動各關節(jié)，包括：大小臂、升降臂和末端執(zhí)行器的運動，以實現(xiàn)指定動作。傳感裝置經檢測將作出反饋，并將反饋信息傳送至控制器，控制器經計算從而對機器人進行微調，實現(xiàn)精確控制。機構簡圖： 圖4.1控制器發(fā)出動作指令，給機械傳動系統(tǒng)。機械傳動結構，執(zhí)行收到的動作指令，驅動機器人本體完成功能動作。（3）機器人本體是 SCARA 機器人的重要組成部分它是機器人作業(yè)任務的執(zhí)行機用于完成機器人的所有功能動作。傳感檢測裝置是檢測機械本體到達指定位置的精確程度，反饋給控制器并進行調整，以達到精確位置。 擬采取的技術措施選用電氣驅動方式。為了減小機器人的體積，減輕驅動裝置重量，同時滿足控制精度要求我們選擇電氣驅動作為機器人的驅動方式，并選用控制用電機作為驅動元件。選用交流伺服電機。它具有運行平穩(wěn)、噪音小、起動轉矩大、運動范圍廣等特點，而且交流伺服電機都采用閉環(huán)控制，因此其控制精度高和可靠性強。交流伺服電機，在各個領域中的工業(yè)自動化中已得到了廣泛使用。選用單片機作為運動控制器。單片機具有很好的實時性，且運行速度快，穩(wěn)定性好，成本很低， 因此我們單片機設計運動控制器，以實現(xiàn)對機器人的四關節(jié)伺服電機的實時、獨立控制。2. 機械部分設計 控制用電機的種類 特點和選型為了減小機器人的體積，減輕驅動裝置重量，同時滿足控制精度要求，我們選擇的機器人的驅動方式為電氣驅動，選用微型電機作為驅動器。交流伺服電機擁有諸多優(yōu)點：1無電刷和換向器，工作可靠性高，對維護和保養(yǎng)要求低。2起動轉矩大、運行范圍較廣、無自轉現(xiàn)象等。而且交流伺服電機都采用閉環(huán)控制，因此其控制精度高和可靠性強。交流伺服電機，在各個領域中的工業(yè)自動化中已得到了廣泛使用。為滿足所設計的工業(yè)機器人的各項要求，此次設計決定選用日本YASKAWA 安川公司的SCMAH交流伺服電機作為驅動器。表2.1 列出了此次設計初選的交流伺服電機的型號規(guī)格。機器人關節(jié)名稱電機型號額定輸出瞬間最大扭矩額定電流A額定轉速r/min重量大臂關節(jié)SCMAH-04A3000小臂關節(jié)SCMAH-02A0.6373000升降關節(jié)SCMAH-01A3000末端執(zhí)行SCMAH-A3A3000圖2.1為，所選交流伺服電機的機械尺寸：圖2-1 交流伺服電機的機械尺寸 伺服電機減速機的配型伺服電機屬于高轉速，低扭矩的微型驅動設備。伺服電機的轉矩一般都很小，選擇電機勢必要考慮轉矩的問題。選取轉矩大的電機，會增加電機體積和提高成本，同時機器人的結構就不緊湊。增大傳動比，也可以增大轉矩，包括：齒輪傳動、帶傳動或減速機等中間傳動裝置。伺服減速機具有較大的傳動比，且精度較高、且應用廣泛。所以，要給各個伺服電機進行減速機配型，以滿足工作要求。經過查閱資料，并與老師和同學交流后，選用了上海楓信傳動機械 的伺服電機專用行星減速機。圖2.2和表2.2，表示的是伺服電機專用行星減速機的外形安裝尺寸及與伺服電機的配合尺寸：圖2.2 減速機的外形尺寸表2.2 尺寸大小升降關節(jié)的傳動結構設計及部件的設計計算與校核SCARA 機器人的升降關節(jié)用于驅動機器人的末端執(zhí)行器進行升降運動，從而實現(xiàn)末端執(zhí)行器在垂直方向的定位。常用的直線驅動方式主要有：氣液壓驅動、直線電機驅動、齒輪齒條、同步帶和絲杠螺母副等。滾珠絲杠副具有傳動效率高、運動平穩(wěn)、使用壽命長等特點，廣泛應用與各種工業(yè)設備、精密儀器和數控機床等。因此，我們選用滾珠絲杠副和滾動導軌副作為SCARA 機器人的升降關節(jié)。滾珠絲杠螺母副的計算和選型（1）工作載荷Fm的計算 Fm為工作最大載荷，是指滾珠絲杠副在驅動工作臺時所承受的最大軸向力。已知移動部件總重G=40N，所以 =G=40N。（2）FQ最大動載荷的計算設Z方向最快的速度v=0.25m/s=15m/min，初選絲杠基本導程 =10mm,則此時絲杠轉速n=1200v/ =1500r/min。取滾珠絲杠的使用壽命T= 15000h(一般機電設備取T=15000h；n為絲杠每分鐘轉速)，代入 ，得絲杠壽命系數=1350(單位為：106 r)。查表3-30，取載荷系數=1.1，再取硬度系數 =1.0，代入公式： （2-1） 得最大動載荷 =486.3N。（3）初選型號 根據計算出的最大動載荷，查表3-33，選用啟東潤澤機床附件 生產的FL2506型滾珠絲杠副，為浮動反向器內循環(huán)式，其公稱直徑為=25mm，基本導程為=10mm，雙螺母滾珠總圈為3 2圈=6圈，精度等級取4級，額定動載荷為10400N，大于，故滿足要求。（4）傳動效率的計算 將公稱直徑 =20mm，基本導程 =10mm，代入 （2-2）得絲杠螺旋升角=9°´,取摩擦角 =10´，代入，得傳動效率=98.6% 。（5）剛度的驗算1）縱向滾珠絲杠的支承，采用單推單推的方式，采取圓錐滾子軸承面對面組配。已知左、右支承的中心距離約為=360mm；鋼的彈性模量=；查機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書表3-33，得滾珠直徑=2.3812mm，算得絲杠底徑=-=20-2.3812=17.6188mm，則絲杠截面積 （2-3）絲杠的拉伸或壓縮變形量 （2-4）I為絲杠底徑的截面。慣性矩（其中“+”號用于拉伸，“-”用于壓縮。由于轉矩M一般較小，式中第二項在計算是可酌情忽略）。所以， （2-5）綜上求得絲杠在工作載荷Fm作用下產生的拉/壓變形量mm 。 2）滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量無預緊時 （2-6）有預緊時 （2-7）滾珠直徑，單位為mm；單圈滾珠數，（外循環(huán)），（內循環(huán)）；滾珠總數量，=Z圈數列數預緊力，單位為N。（當滾珠絲杠副有預緊力，且預緊力達到軸向工作載荷的1/3時，值減小一半左右）單圈滾珠數目=（20/10）-3=4；該型號絲杠為雙螺母，滾珠總圈數為32=6圈，總滾珠總數量 =46=24 。滾珠絲杠預緊時，取軸向預緊力13.3N 。代入公式（3-7）得 ，mm。因為絲杠加有預緊力，且為軸向負載的三分之一，所以實際變形量可減小一半，取=1.41mm。3）將以上算出的、代入 （2-8）得變形總量。由表3-27形成偏差和變動量知，4級精度滾珠絲杠任意315mm400mm軸向行程內行程的變動量允許18，而對于跨度為330mm 的滾珠絲杠，總的變形量<18，可見絲杠剛度足夠。（6）壓桿穩(wěn)定性校核滾珠絲杠屬于細長桿，如果軸向負載過大，則可能產生失穩(wěn)現(xiàn)象。失穩(wěn)時的臨界載荷Fk應滿足： （2-9） 臨界載荷，單位為N；絲杠支承系數；壓桿穩(wěn)定安全系數，一般取2.54，垂直安裝時取小值；滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為mm 。查表3-34可知雙推單推的絲杠支承系數=2，絲杠底徑 =17.6188mm ，求得界面慣性矩 ；壓桿穩(wěn)定安全系數K取2.5；滾動螺母至軸向固定處的距離350mm取最大值 。代入上式，得臨界載荷 60517.9N，遠大于工作載荷Fm=40N，故絲杠不會失穩(wěn)。綜上所述，初選的滾珠絲杠螺母副滿足使用要求。直線移動導軌副的計算與選型（1）滑塊承受工作載荷的計算及導軌型號的選取工作載荷是影響直線滾動導軌副使用壽命的重要因素。本設計中的Z軸工作臺為豎直布置，采用雙導軌、兩滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即垂直于工作臺面的工作載荷全部由一個滑塊全部承擔，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為： （2-10）其中：絲杠的驅動轉矩，導軌中心間距，帶入式（2-10），得最大工作載荷。查機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書表3-41，根據工作載荷，初選直線滾動導軌副的型號為系列的型，其額定動載荷，額定靜載荷。 根據結構設計，考慮工作行程應留有一定余量，查機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書表3-35，按標準系列，選取導軌的長度為，可按需要進行截斷裝配。（2）距離額定壽命的計算已知上述選取的系列型導軌副的滾道硬度為，工作溫度不超過，每根導軌上配有一只滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大。查機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書表3-36和表3-40，分別取硬度系數、溫度系數、接觸系數、精度系數、載荷系數，代入式（3-11）得導軌的距離額定壽命： （2-11）遠大于，故導軌的距離額定壽命滿足要求。 同步帶的計算和選型（1）確定同步帶傳動的設計功率 （2-12）式中：載荷修正系數，根據原動機工作類型和每日運轉時間等因素查機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書表3-18，取（載荷變動微小，每天工作小時<10h）； 工作機上的驅動功率，=0.04kW； 則有：（2）確定同步帶傳動的帶型和節(jié)距 根據同步帶傳動的設計功率，由機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書圖3-14查得帶的型號為XXL型，對應節(jié)距 。（3）確定小帶輪的齒數和節(jié)圓直徑 由帶輪轉速和XL型帶，查機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書表3-17得小帶輪的最少許用齒數，初選，小帶輪節(jié)圓直徑；小帶輪節(jié)圓直徑初定后應驗算帶速，不合適則重取。同步帶的速度應滿足： （2-13）極限帶速為：MXL、XXL、XL型，；L、H型，；XH、XHH型，。此XL型小帶輪的,所以。（4）確定大帶輪的齒數和節(jié)圓直徑由于在絲杠運動中，同步帶是用于將電機的回轉運動降速后變成工作臺的直線運動，傳動比,則大帶輪齒數；大帶輪節(jié)圓直徑。查機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書表3-16得，大小帶輪的節(jié)圓直徑 ，外徑。（5）初選中心距，確定同步帶的接線長度和齒輪若中心距 未給定，則可根據下式進行初選： （2-14）則帶的節(jié)線長度為： （2-15）得：。查機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書表3-13得，對應齒數為：。（6）計算實際中心距設計同步帶傳動時，中心距應該可以調整，以便獲得適當的張緊力。此時，實際中心距為： （2-16）則。（7）校驗同步帶與小帶輪的嚙合齒數由公式： （2-17）由于 ，故可得：，故滿足嚙合要求。（8）計算基準額定功率 （2-18）式中：基準帶寬下的許用工作拉力，查機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書表3-21得， ；單位長度質量， 查機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書表3-21，得 ； 同步帶的線速度，單位為：；將已知條件代入上述公式得：（9）確定實際所需要的同步帶寬度 確定實際所需要的同步帶寬度為： （2-19） 式中：帶所能傳遞功率，單位為：kW； 小帶輪嚙合齒數系數嚙合系數；查機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書表3-22得，因為，所以?。淮霐祿茫汗嗜』鶞蕩捈纯蓾M足使用要求。（10）帶的工作能力驗算 由公式： （2-20）其中：嚙合系數，查機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書表3-22得，； 齒寬系數；基準帶寬下的許用工作拉力，查機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書表3-21得， ；單位長度質量， 查機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書表3-21，得 ； 同步帶的線速度，單位為：；帶入已知數據，可得帶的工作能力：因此帶的校驗合格，滿足使用要求。（11）帶的規(guī)格數據整理1)帶：選用XXL型同步帶， ， ， ；2)帶輪：， ，；3）傳動中心距：精確計算，；帶的型號為B72XXL6.4，對應帶輪型號選擇，采用雙邊擋圈，帶輪最小寬度。大小臂的設計由于此次設計的SCARA機器人采用的是類懸臂式的結構,其大小臂及軸上零件的重量對機器人的整體動態(tài)性能有重要影響，因此，對于大小臂的材料有一定的要求，除了大小臂外，還應設計重量較輕，剛性較好的軸上零件。所以，在對臂部及關節(jié)的設計中我們采用高強度鋁合金材質鑄造而成的結構，以減輕重量。大小臂關節(jié)的設計及校核計算由于SCARA機器人擁有三個垂直旋轉的自由度，所以，各個軸都是豎直安裝，要承受軸向和徑向兩個方向的力，所以采用角接觸球軸承，并靠軸肩、軸承套和軸承蓋定位，將軸上的力轉移到基座上來。設計如圖：第二自由度和第一自由度設計相似。大臂關節(jié)和小臂關節(jié)，均豎直安裝，是主要承受扭矩的軸，所以進行扭轉強度條件計算，已知軸的扭轉強度條件為：式中：扭轉切應力，Mpa； T軸所受的扭轉，N.m； 軸的抗扭截面系數，mm； N-軸的轉速，r/min； P-軸傳遞的功率，kW； D-計算截面處的軸的直徑，mm； 許用扭轉切應力。已知等效到大臂關節(jié)軸方向上最大負載轉矩，則可得到40Mpa。已知等效到小臂關節(jié)軸上的最大負載轉矩，則可得到25Mpa。由于軸的材料是45鋼，其許用扭轉切應力為45Mpa。所以大臂關節(jié)軸和小臂關節(jié)軸，均符合扭轉強度要求。末端執(zhí)行器的設計為滿足裝配、搬運等不同作業(yè)的需要，我們設計了可更換夾持器的末端執(zhí)行器。其包括電機安裝板、伸出軸、銷和卡盤，夾持器需要完成上下和旋轉兩個動作，故設計卡盤與夾持器通過螺紋連接，卡盤與伸出軸通過銷進行軸向和徑向固定。如圖2.4：機器人的傳感器傳感器是機電一體系統(tǒng)的重要組成部分，傳感器的選用直接影響到系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定可靠性。機器人作為一種典型的機電一體化系統(tǒng)，對傳感器提的要求主要在以下幾方面：1 精度。機器人工作時所能達到的精度與傳感器自身的精度有著直接聯(lián)系，因此，應根據設計機器人所要求的工作精度，選擇適合工作的傳感器。同時，還應考慮成本高低，要使元器件充分發(fā)揮作用，所以滿足要求的情況下，不必過分追求高精度。2 重復性。對于像SCARA機器人這樣示教再現(xiàn)機器人，為了保證機器人能夠準確再現(xiàn)工作所要求的示教軌跡，傳感器的重復性必不可少。因此，安裝時必須保證其重復性。3 體積大小和重量?？紤]到裝配機器人的結構緊湊性和運動穩(wěn)定性，對于安裝在大小臂上所有零件均要求較輕的重量，以減小對機器人動態(tài)性能的影響，所以傳感器需要重量輕，體積小。4 穩(wěn)定性和可靠性。工業(yè)機器人的工作環(huán)境往往會比較惡劣的條件，尤其在一些重工業(yè)領域，要抗干擾能力強，具有較好穩(wěn)定性和可靠性的傳感器來適應這種環(huán)境，以完成機器人的工作。5 響應時間。傳感器的響應時間直接決定著機器人的控制精度和工作效率。所以，傳感器的響應時間短。本次設計選用的傳感器是交流伺服電機自帶的增量式編碼器。增量型編碼器：安川交流伺服電機自帶的 13 比特增量型編碼器，與同軸安裝于電機末端，可實現(xiàn)電機的精確運動控制。交流伺服電機將編碼器的脈沖串行數據傳送至伺服電機驅動器，驅動器經分頻后將數據傳送給單片機，而后進入上位機，經過計算輸出動作指令。3 機械標準件的選型與校核 銷連接的選型與校核本次設計中的末端執(zhí)行器中，運用到了銷，故對其進行介紹：銷可以分為圓柱銷、圓錐銷和異形銷等。圓柱銷依靠少量過盈固定在孔中，對銷孔的尺寸，形狀，表面粗糙度等要求較高，銷孔在裝配前須鉸削。通常被連接件的兩孔應同時鉆鉸，孔壁的粗糙答不大于Ra0.6m。裝配時，在銷上涂上潤滑油，用銅棒將銷打入孔中。圓錐銷裝配時，被連接件的兩孔也應同時粘鉸，但必須控制徑、鉆孔時按圓錐銷小頭直徑選用鉆頭，用1：50錐度的鉸刀鉸孔。鉸孔時用試裝法控制孔徑，以圓錐銷自由插入全長的80%85%為宜。然后用軟錘敲入。敲入后銷的大頭可被連接件表面平齊?；蚵冻霾怀^倒棱值。拆卸帶內螺紋的圓柱銷和圓錐時，可用拔銷器拔出，有螺尾的圓錐銷可用螺母旋出，通孔中的圓錐可以從小頭向外敲出。 銷的材料為35、45鋼（開口銷為低碳鋼），許用切應力，許用擠壓應力。已知末端執(zhí)行器軸方向上最大負載轉矩，則周向，軸向最大載荷G=30N，則，均遠小于許用切應力。故銷滿足工作條件。聯(lián)軸器的選型與校核聯(lián)軸器的分類本次傳動裝置的設計中，采用了聯(lián)軸器，這里對其做簡單介紹：聯(lián)軸器是機械傳動中常用的部件。它用來把兩軸聯(lián)接在一起，機器運轉時兩軸不能分離；只有在機器停車并將聯(lián)接拆開后，兩軸才能分離。聯(lián)軸器所聯(lián)接的兩軸，由于制造及安裝誤差、承載后的變形以及溫度變化的影響等，往往不能保證嚴格的對中，而是存在著某種程度的相對位移。這就要求設計聯(lián)軸器時，要從結構上采取各種不同的措施，使之具有適應一定范圍的相對位移的性能。根據對各種相對位移有無補償能力（即能否在發(fā)生相對位移條件下保持聯(lián)接的功能），聯(lián)軸器可分為剛性聯(lián)軸器（無補償能力）和撓性聯(lián)軸器（有補償能力）兩大類。1. 剛性聯(lián)軸器這類聯(lián)軸器有套筒式、夾殼式和凸緣式等。凸緣聯(lián)軸器是把兩個帶有凸緣的半聯(lián)軸器聯(lián)成一體，以傳遞運動和轉矩。凸緣聯(lián)軸器的材料可用灰鑄鐵或碳鋼，重載時或圓周速度大于30m/s時應用鑄鋼或碳鋼。由于凸緣聯(lián)軸器屬于剛性聯(lián)軸器，對所聯(lián)兩軸的相對位移缺乏補償能力，故對兩軸對中性的要求很高。當兩軸有相對位移存在時，就會在機件內引起附加載荷，使工作情況惡化，這是它的主要缺點。但由于構造簡單、成本低、可傳遞較大轉矩，故當轉速低、無沖擊、軸的剛性大、對中性較好時亦常采用。這類聯(lián)軸器因具有撓性，故可補償兩軸的相對位移。但因無彈性元件，故不能緩沖減振。常用的有以下幾種：（1) 十字滑塊聯(lián)軸器十字滑塊聯(lián)軸器由兩個在端面上開有凹槽的半聯(lián)軸器和一個兩面帶有凸牙的中間盤所組成。由于凸牙可在凹槽中滑動，故可補償安裝及運轉時兩軸間的相對位移。這種聯(lián)軸器零件的材料可用45鋼，工作表面須進行熱處理，以提高其硬度；要求較低時也可用Q235鋼，不進行熱處理。為了減少摩擦及磨損，使用時應從中間盤的油孔中注油進行潤滑。因為半聯(lián)軸器與中間盤組成移動副，不能發(fā)生相對轉動，故主動軸與從動軸的角速度應相等。但在兩軸間有相對位移的情況下工作時，中間盤就會產生很大的離心力，從而增大動載荷及磨損。因此選用時應注意其工作轉速不得大于規(guī)定值。這種聯(lián)軸器一般用于轉速,軸的剛度較大，且無劇烈沖擊處。效率，這里為摩擦系數，一般取為0.120.25；為兩軸間徑向位移量，單位為；為軸徑，單位為。（2）滑塊聯(lián)軸器這種聯(lián)軸器與十字滑塊聯(lián)軸器相似，只是兩邊半聯(lián)軸器上的溝槽很寬，并把原來的中間盤改為兩面不帶凸牙的方形滑塊，且通常用夾布膠木制成。由于中間滑塊的質量減小，又具有較高的極限轉速。中間滑塊也可用尼龍6制成，并在配制時加入少量的石墨或二硫化鉬，以便在使用時可以自行潤滑。這種聯(lián)軸器結構簡單，尺寸緊湊，適用于小功率、高轉速而無劇烈沖擊處。 聯(lián)軸器的選型與校核本設計中，為了結構緊湊和減輕重量，且安裝方便，故選用套筒式聯(lián)軸器。對軸上套筒聯(lián)軸器進行校核計算：套筒式聯(lián)軸器的工作，主要取決于鍵的強度。假定載荷在鍵上的工作面上均勻分布，普通平鍵的強度條件為： 已知在大臂關節(jié)軸方向上最大轉矩，且為普通圓頭平鍵，k=5，l=L-b=19，則：；已知小臂關節(jié)軸軸上的最大轉矩，為單圓頭普通平鍵，k=5，l=L-b /2=12.5,則：。軸承的分類及選用軸承的主要分類及用途1. 深溝球軸承最具代表性的滾動軸承，用途廣泛，可承受徑向負荷與雙向軸向負荷，適用于高速旋轉及要求低噪聲、低振動的場合。主要用途：汽車：后輪、變速器、電氣裝置部件，儀表、內燃機、建筑機械、鐵路車輛、裝卸搬運機械、農業(yè)機械、各種產業(yè)機械。2. 角接觸球軸承套圈與球之間有接觸角，標準的接觸角為15°、30°和40°，接觸角越大軸向負荷能力也越大，接觸角越小則越有利于高速旋轉，單列軸承可承受徑向負荷與單向軸向負荷。主要用途：單列：機床主軸、高頻馬達、燃汽輪機、離心分離機、小型汽車前輪、差速器小齒輪軸。雙列：油泵、羅茨鼓風機、空氣壓縮機、各類變速器、燃料噴射泵、印刷機械。3. 四點接觸球軸承可承受徑向負荷與雙向軸向負荷，單個軸承可代替正面組合或背面組合的角接觸球軸承，適用于承受純軸向負荷或軸向負荷成份較大的合成負荷，該類軸承承受任何方向的軸向負荷時都能形成其中的一個接觸角（），因此套圈與球總在任一接觸線上的兩面三刀點接觸。主要用途：飛機噴氣式發(fā)動機、燃汽輪機。4. 調心球軸承因外圈滾道表面是以軸承中心為中心的球面，故能自動調心，允許內圈（軸）相對外圈（外殼）軸線偏斜量。一般不宜承受純軸向載荷。主要用途：木工機械、紡織機械傳動軸、立式帶座調心軸承。5. 圓柱滾子軸承圓柱滾子與滾道呈線接觸，有較大的徑向負荷能力，不僅適用于能夠承受重負荷與沖擊負荷，而且適用于高速旋轉 N型及NU型可軸向移動，能適應因熱膨脹或安裝誤差引起的軸與外殼相對位置的變化，最適應用作自由端軸承NJ型及NF型可承受一定程度的單向軸向負荷，NH型及NUP型可承受一定程度的雙向軸向負荷內圈或外圈可分離，便于裝拆NNU型及NN型抗徑向負荷的剛性強，大多用于機床主軸。主要用途：中型及大型電動機、發(fā)電機、內燃機、裝卸搬運機械、燃汽輪機、減速裝置、機床主軸、各類產業(yè)機械。6. 實體型滾針軸承有內圈軸承的基本結構與NU型圓柱滾子軸承相同，但由于采用滾針，體積可以縮小，并可承受大徑向負荷無內圈軸承要把具有合適精度和硬度的軸的安裝面作為滾道面使用。主要用途：汽車發(fā)動機、變速器、泵、挖土機履帶輪、提升機、橋式起重機、壓縮機。7. 圓錐滾子軸承該類軸承內有形狀為圓臺的滾子，內圈大擋邊引導滾子，設計上使得內圈滾道面、外圈滾道面以及滾子滾動面的各圓錐面的頂點相交于軸承中心線上的一點，單列軸承可承受徑向負荷與單向軸向負荷，雙列軸承可承受徑向負荷與雙向軸向負荷，適用于承受重負荷與沖擊負荷，按接觸胸（）的不同，分為小錐角、中錐角和大錐角三種型式，接觸角越大軸向負荷能力也越大。主要用途：汽車的前后輪、差速器小齒輪軸、變速器。機床主軸、建筑機械、大型農業(yè)機械、鐵路車輛齒輪減速裝置、軋鋼機輥頸及減速裝置。8. 調心滾子軸承因外圈滾道表面是以軸承中心為中心的球面，故能自動調心，一般不宜承受純軸向載荷。但具有較大的軸向承載能力，允許內圈（軸）相對外圈（外殼）軸線偏斜量。主要用途：造紙和印刷機械、各種減速裝置、火車及動車車軸、軋鋼機齒輪箱座、軋鋼機輥道子、破碎機、振動篩、木工機械、各類產業(yè)用減速機、立式帶座調心軸承。9. 推力球軸承只能承受軸向載荷。高速離心力大，鋼球與保持架磨損，發(fā)熱嚴重，壽命降低，故極限轉速很低，為了防止鋼球與滾道之間的滑動，工作是必須加有一定的軸向載荷。軸線必須與軸承座底面垂直，載荷必須與軸線重合，以保證鋼球載荷的均勻分配。主要用途：汽車轉向銷、機床主軸。10. 推力圓柱滾子軸承該軸承包括三個組成部分，有墊圈形滾道圈（軸圈、座圈）與圓柱滾子和保持架組件構成。圓柱滾子采用凸面加工，因此滾子與滾道面之間的壓力分布均勻，可承受單向軸向負荷，軸向負荷能力大，軸向剛性也強。主要用途：石油鉆機、制鐵制鋼機械。11. 推力滾針軸承在同樣內經條件下，與其他類型軸承相比，其外徑最小，內圈或外圈可以分離，工作是允許內、外圈有少量的軸向錯動。有較大的徑向承載能力。一般不帶保持架。摩擦系數比較大。此軸承所占的空間小，有利于緊湊性的機械設計。主要用途：耕耘機、汽車、機床等設備的變速裝置。12. 推力圓錐滾子軸承該類軸承裝有圓臺形滾子（大端為球面），滾子由滾道圈（軸圈、座圈）擋邊準確引導，設計上使得軸圈和座圈滾道面以及滾子滾動面的各圓錐面的頂點相交于軸承中心線上的一點，單向軸承可承受單向軸向負荷，雙向軸承可承受雙向軸向負荷，雙向軸承將中圈與軸配合，但由于采用間隙配合，因此必須用軸套等使中圈軸向定位推力調心滾子軸承。軸承選型本設計中，多采用的是角接觸球軸承，套圈與球之間有接觸角，標準的接觸角為15°、30°和40°，接觸角越大軸向負荷能力也越大，接觸角越小則越有利于高速旋轉。可以同時承受徑向載荷及軸向載荷。能在較高的轉速下正常工作。由于一個軸承只能承受單向的軸向力，因此，一般成對使用。角接觸球軸承的校核：根據軸上零件的受力，從而得到軸承的受力狀況，進而對其進行力的分析，經查表，并代入公式：得到，當量動載荷，式中，X、Y分別為徑向動載荷系數和軸向動載荷系數。由滾動軸承壽命的計算公式：式中，為指數，對于球軸承，；對于滾子軸承，。從而得到軸承的使用壽命。鍵的分類及選用鍵的分類1平鍵聯(lián)接。它具有結構簡單、裝拆方便、對中性較好等優(yōu)點，因而得到廣泛應用。鍵的兩側面是工作面，它來傳遞扭矩，但不能承受軸向力，不能對軸上的零件起到軸向固定的作用。按鍵構造分，有圓頭（A型0、方頭（B型）及單圓頭（C型）三種。鍵一般用抗拉強度MPa的碳鋼或精拔鋼制造，常用的材料為45號鋼。2半圓鍵。鍵在槽中能繞其幾何中心擺動以適應輪轂中鍵槽的斜度，工作時，其側面來傳遞扭矩。特點是：工藝性較好，裝配方便、尤其適用于錐形軸與輪轂的聯(lián)接。缺點是鍵槽較深，對軸的強度削弱較大，故一般只用于輕載聯(lián)接中。3楔鍵聯(lián)接。工作時，*鍵的楔緊作用來傳遞扭矩，同時還可承受單向的軸向載荷，對輪轂起到單向的軸向定位作用。它分為普通楔鍵及鉤頭楔鍵兩種。常用于一些低速、輕載和對傳動精度要求不高的聯(lián)接中。4切向鍵。工作時，*工作面上的擠壓力和軸與輪轂間的摩擦力來傳遞扭矩。用一個切向鍵時，只能單間傳動；有反轉要求時，必須用兩個切向鍵，常用于重型機械、直徑較粗的軸等場合。鍵的選用考慮到本系統(tǒng)受力不大，沒有軸向受力，不需要用鍵軸向固定，故決定采用平鍵連接。控制系統(tǒng)的整體結構工控機（Industry Personal Computer）簡稱IPC ，具有強大的數據處理能力和交互性，可以兼容各種軟件，利用這些軟件能夠快速的完成機器人的軌跡規(guī)劃、運動學和動力學的求解。電腦本身能具有標準的接線結構，較好的開放性，可擴展性，操作熟悉簡單，同時還能夠防止塵土，并且抗干擾能力強，能夠在工業(yè)環(huán)境下穩(wěn)定可靠的運行。 因此我們選用工控機作為機器人的上位機。在工控機的操作系統(tǒng)中，多使用的是Windows操作系統(tǒng)，但是此系統(tǒng)在工業(yè)中實用性不高，不能快速響應去控制機器人的運動。而單片機的實時性不錯，且運行速度快，可靠性高，成本很低。所以，我們選