平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題目：平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 姓 名： 指導(dǎo)教師： 專 業(yè)： 平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手采用兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)；兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后左右運(yùn) 動(dòng)，而移動(dòng)關(guān)節(jié)則實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，它的縱截面為矩形的回轉(zhuǎn)體，縱截面高為移動(dòng)關(guān)節(jié)的行 程長(zhǎng)，兩回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的大小決定回轉(zhuǎn)體截面的大小、形狀 [11] 0 能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng) 操作裝置。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以 保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。 關(guān)鍵詞：機(jī)械手，軸承，汽缸 ABSTRACT

2、 Selective Compliance Assembly Robot Arm have two slew joints and one move joints ; two slew joints control the moving of the front and back left and right , the move joints control the moving of up and down , the vertical section is a rectangle slew , the high of the vertical section is move joint

3、s' journey , the move angle of the two slew joints decide the big and small and figure of the vertical section . Mechanical hand, is also called from begins, auto hand can imitate the manpower and arm's certain holding function, with by presses the fixed routine to capture, the transporting thing '

4、OR' operation tool's automatic operation installment. It may replace person's strenuous labor to realize the production mechanization and the automation, can operate under the hostile environment protects the personal safety, thus widely applies in departments and so on machine manufacture, metallur

5、gy, electron, light industry and atomic energy. Key words: manipulator, axletree , cylinder 摘 要 I… ABSTRACT II.. 第1章 總體設(shè)計(jì) 錯(cuò)誤！未定義書簽。 1.1 平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人的技術(shù)參數(shù) 2 1.2 平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 2 第2章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 2.1 設(shè)計(jì)時(shí)要注意的問(wèn)題 3 2.2 零件的計(jì)算 3. 2.3 夾緊力的計(jì)算 3 第3章 移動(dòng)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算 6 3.1 驅(qū)動(dòng)方式的比較 6 3.2 汽缸的設(shè)計(jì) 7 第4章小臂設(shè)計(jì) 9 4.1 設(shè)計(jì)時(shí)

6、注意的問(wèn)題 9 4.2 小臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 9. 4.3 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 10 4.4 軸承的選擇 10 4.5 軸承摩擦力矩的計(jì)算 11 4.6 驅(qū)動(dòng)選擇和控制 12 第5章大臂設(shè)計(jì) 14 5.1 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 14 5.2 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 14 5.3 軸承的選擇 15 5.4 軸承摩擦力矩的計(jì)算 16 5.5 伺服系統(tǒng)的選擇和控制 17 第6章機(jī)身設(shè)計(jì) 18 6.1設(shè)計(jì)時(shí)注意的問(wèn)題 18 小 結(jié) 19 參考文獻(xiàn) 21 致 謝 22 第1章總體設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)械手是一種模仿人手部分動(dòng)作，按照預(yù)先設(shè)定的程序，軌跡或其他要求，實(shí)現(xiàn) 抓取、搬運(yùn)工件或操作工具的自動(dòng)化裝

7、置。它在二十世紀(jì)五十年代就已用于生產(chǎn)，是在自 動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種機(jī)械裝置，開(kāi)始主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料和搬運(yùn)工 件，完成單機(jī)自動(dòng)化和生產(chǎn)線自動(dòng)化，隨著應(yīng)用范圍的不段擴(kuò)大，現(xiàn)在用來(lái)夾持工具和完 成一定的作業(yè)。實(shí)踐證明它可以代替人手的繁重勞動(dòng)，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條 件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率［12］ 工業(yè)機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)類型可分為直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型和關(guān)節(jié)型四種。 其中，由于關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)動(dòng)作靈活，操作機(jī)占地面積小，具有較大的操作空間，應(yīng)用比較 廣泛，因此，本文也以多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人作為研究對(duì)象。從常規(guī)體系結(jié)構(gòu)的角度來(lái)看 ，多 關(guān)節(jié)機(jī)器人應(yīng)該由機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)(操作機(jī))、電

8、氣控制系統(tǒng)、作業(yè)環(huán)境以及人機(jī)接口等 部分組成。 日本開(kāi)發(fā)的SCARA2面關(guān)節(jié)式機(jī)器人是目前使用最廣泛的機(jī)器人。它專門用于垂直安 裝作業(yè)，共有四個(gè)關(guān)節(jié)：三個(gè)水平轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)垂直滑動(dòng)關(guān)節(jié)。機(jī)器人能抓取元部件在 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)可以順應(yīng)孔的位置作微小調(diào)整，具有柔順性，但其只能糾正側(cè)向誤差，適合于“上下” 安裝的裝配任務(wù)。SCARAI配機(jī)器人有較大的工作區(qū)域，使進(jìn)料更容易。 平面關(guān)節(jié)型又稱為 SCARA?,即選擇柔性組合機(jī)器人臂( Selective Compliance Assembly RobotArm)。SCAR摩工業(yè)機(jī)器

9、人最早由 Makino于20世紀(jì)70年代后期研制成功， 是具有選擇柔順性的平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人，其所有轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的軸線都是與立柱平行的，具顯 著特點(diǎn)是：運(yùn)動(dòng)速度快、重合定位精度高。因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)的關(guān)系，機(jī)器人在垂直方向剛性很 好，但在水平方向卻有較好的柔性，因而有助于插裝作業(yè)，所以 SCAR即機(jī)器人廣泛應(yīng)用 于裝配、搬運(yùn)等行業(yè)領(lǐng)域中，并成了裝配機(jī)器人的主流機(jī)型。 SCARAB器人為平面關(guān)節(jié)型 的機(jī)器人［9］。 總體設(shè)計(jì)的任務(wù)：包括進(jìn)行機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)，確定主要工作參數(shù)，選擇驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和 電控系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后繪出方案草圖。 1.1 平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人的技術(shù)參數(shù) 主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1-1

10、表1-1 機(jī)械手類型 平向美節(jié)型 抓取重量 2.2Kg 自由度 3個(gè)（2個(gè)回轉(zhuǎn)1個(gè)移動(dòng)） 大臂 長(zhǎng)400mm回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)角240,異步電機(jī)驅(qū)動(dòng) 單片機(jī)控制 小臂 長(zhǎng)400mm回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)角240,異步電機(jī)驅(qū)動(dòng) 單片機(jī)控制 移動(dòng)關(guān)節(jié) 氣缸驅(qū)動(dòng)行程開(kāi)關(guān)控制 手指 氣缸驅(qū)動(dòng)行程開(kāi)關(guān)控制 1.2 平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如圖1.2.1所示: 圖1.2.1 機(jī)械臂 6.腕部（升降） 1.底座 2.大臂 3.電機(jī) 4.小臂 5.腕部（回轉(zhuǎn)） 第2章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)械手的手部是用來(lái)抓持工件或工具的部件。手部抓

11、持工件的迅速、準(zhǔn)確和牢靠 程度都將直接影響到工業(yè)機(jī)械手的工作性能，它是工業(yè)機(jī)械手的關(guān)鍵部件之一 ［1］。 2.1 設(shè)計(jì)時(shí)要注意的問(wèn)題 設(shè)計(jì)時(shí)要注意的問(wèn)題： (1)手指應(yīng)有足夠的夾緊力，為使手指牢靠的夾緊工件，除考慮夾持工件的重力外， 還應(yīng)考慮工件在傳送過(guò)程中的動(dòng)載荷。 (2)手指應(yīng)有一定的開(kāi)閉范圍。其大小不僅與工件的尺寸有關(guān)，而且應(yīng)注意手部接近 工件的運(yùn)動(dòng)路線及其方位的影響［2］0 (3)應(yīng)能保證工件在手指內(nèi)準(zhǔn)確定位。 (4)結(jié)構(gòu)盡量緊湊重量輕，以利于腕部和臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 (5)根據(jù)應(yīng)用條件考慮通用性［4］0 2.2 零件的計(jì)算 _2 2 V - ：(R -r )h =

12、 3.14 (352 -252) 150 = 282600(mm3) m = Pv , 282600 G =mg = ： vg =7800 ——9— 10 = 22.0428(N ) 10 其中g(shù)取10 取 G=23 (Nl) 2.3夾緊力的計(jì)算： 2.3.1 4fN _G f為手指與工件的靜摩擦系數(shù)，工件材料為 40號(hào)鋼，手指為鋼材，查參考文獻(xiàn)［8］表 2-5 f=0.15 所以 N 一旦=23 38.33 4f 4 0.15 取 N=40 (NI) 1 驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 P = 4tg N — 圖2.3.1驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 a為斜面傾角，a =15°

13、,“為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率，這里為平摩擦傳動(dòng), 查參考文獻(xiàn)［8］表2-2。=085-0.92這里取0.85 所以 1 P=4 tg150 40 50.44 0.85 取 p=55(N) 2.3.2 活塞手抓重量的估算 G1 =w2h：g =3.14 252 150 7800 10 ： 23(N) r為桿的半徑，h為長(zhǎng)度，g取10 2.3.3 汽缸的設(shè)計(jì) 因?yàn)闅鈮汗ぷ鲏毫^低，對(duì)氣動(dòng)組件的材質(zhì)和精度要求較液壓底，無(wú)污染，動(dòng)作迅 速反映快，維護(hù)簡(jiǎn)單，使用安全。而且此處作用力不大，所以選氣壓傳動(dòng) ⑸。 汽缸內(nèi)型選擇，由于行程短，選單作用活塞汽缸，借彈簧復(fù)位。 汽缸的計(jì)算 氣壓缸

14、內(nèi)徑D的計(jì)算 按《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》公式 13-1 二 D2 F =——P 4 D 為汽缸的內(nèi)徑（m）, P為工作壓力（Pa）,“為負(fù)載率，負(fù)載率與汽缸工作壓力有關(guān), 取P = 0.40 ,查《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》表 13-2 P = 0.30 - -0.65由于汽缸垂直安裝, 所以取P=0.3 4F 4 55 ' 二P = 3.14 0.4 0.3 106 =0.02416(m) =24.16(mm) 按《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》表 13-3圓整取32mm. 活塞桿直徑d的計(jì)算 股% =0.2 ——0.3,此選 0.2 ,d =0.2D =0.2 32 =6.

15、4 mm 按《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》表13-4圓整取8mm 汽缸壁厚6的計(jì)算 按《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》表13-5查得6 = 4 彈簧力的F的計(jì)算 F G1 =23(N) 第3章移動(dòng)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算 3.1 驅(qū)動(dòng)方式的比較 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓驅(qū)動(dòng)，氣壓驅(qū)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，和機(jī)械傳動(dòng)四種。一臺(tái)機(jī)械手 可以只用一種驅(qū)動(dòng)，也可以用幾種方式聯(lián)合驅(qū)動(dòng)［3］。 各種驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)見(jiàn)表3-1。 表3-1 比較 內(nèi)容 驅(qū)動(dòng)方式 機(jī)械傳動(dòng) 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 氣壓傳動(dòng) 液壓傳動(dòng) 異步電 機(jī)，直流 電機(jī) 步進(jìn)或伺服 電機(jī) 輸出 力矩 輸出力矩較大 輸出力可 較大 輸出力矩較 小

16、 氣體壓力小， 輸出力矩小， 如需輸出力 矩較大，結(jié)構(gòu) 尺寸過(guò)大 液體壓力高，可 以獲得較大的輸 出力 控制 性能 速度可圖，速度 和加速度均由 機(jī)構(gòu)控制，定位 精度局，可與主 機(jī)嚴(yán)格同步 控制性能 較差，慣 性人，步 易精確定 位 控制性能 好，可精確 定位，但控 制系統(tǒng)復(fù)雜 川圖速，氣體 壓縮性大，阻 力^果差，沖 擊較嚴(yán)重，精 確定位較困 難，低速步易 控制 油液壓縮性小， 壓力流量均容易 控制，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 體積 當(dāng)自由度多時(shí)， 機(jī)構(gòu)復(fù)雜，體積 液較大 要油減速 裝置，體 積較大 體積較小 體積較大 在輸出力相同的 條件下

17、體積小 維修 使用 維修使用方便 維修使用 方便 維修使用較 復(fù)雜 維修簡(jiǎn)單，能 在圖溫，粉塵 等惡劣環(huán)境 維修方便，液體 對(duì)溫度變化敏 感，油液泄漏易 種使用，泄漏 影響小 著火 應(yīng)用 適用于自由度 適用于抓 可用于程序 中小型專用 中小型專用通用 范圍 少的專用機(jī)械 取重量大 復(fù)雜和運(yùn)動(dòng) 通用機(jī)械手 機(jī)械手都有，特 手，高速低速均 和速度低 軌跡要求嚴(yán) 都有 別時(shí)重型機(jī)械手 能適用 的專用機(jī) 格的小型通 多用 械手 用機(jī)械手 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本 成本低 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能

18、 液壓元件成本較 成本 低，一? D可 成本較局 源方便，成本 高，油路也較復(fù) 以自己制造 低 雜 3.2 汽缸的設(shè)計(jì) 因?yàn)闅鈮汗ぷ鲏毫^低，對(duì)氣動(dòng)組件的材質(zhì)和精度要求較液壓底，無(wú)污染，動(dòng)作迅速 反映快，維護(hù)簡(jiǎn)單，使用安全。而且此處作用力不大，所以選氣壓傳動(dòng) [6]0 汽缸內(nèi)型選擇：因?yàn)榛钊谐梯^長(zhǎng)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所以選雙作用單活塞汽缸，利用壓縮 空氣使活塞向兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。 初選活塞桿直徑d=12mm估算其重量 d c 一 0.012 c G2 k更（￡）2h：g =3.14 （―^―）2 0.55 7800 10 =4.85（N） 取5N

19、F = G Gi G2 = 23 23 5 = 51 取80N 氣壓缸內(nèi)徑D的計(jì)算 按《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》公式 13-1 _ 2 2 F一）p 4 D為汽缸的內(nèi)徑（m）, P為工作壓力（Pa）,“為負(fù)載率，負(fù)載率與汽缸工作壓力有 關(guān)，取P =0.40 ,查《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》表 13-2 P =0.30--0.65由于汽缸垂直安裝, 所以取 P=0.3o 一般 dq =0.2--0.3,此選 0.3 4F 4 80 D 6 6 = 0.03054(m) = 30.54(mm) 1.1 P 0.91 10 3.14 0.4 0.3 0.91 10 按《液壓傳動(dòng)與氣壓傳

20、動(dòng)》表 13-3圓整取40mm. 一股 % =0.2 ——0.3,此選 0.3 ,d =0.3D =0.3 40 =12mm 汽缸壁厚6的計(jì)算 按《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》表13-5查得6 = 4 汽缸重量的計(jì)算 G3 =[(R2 —r2)h：g =3.14(0.0242 - 0.0202) 0.55 7800 10= 23.7(N) 其中：R為汽缸外徑，r為汽缸內(nèi)徑，h為汽缸長(zhǎng)度，g取10, P為汽缸材料密度 G3 取 25N 第4章小臂設(shè)計(jì) 臂部是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支撐手部和腕部，主要用來(lái)改變工件的位置C 手部在空間的活動(dòng)范圍主要取決于臂部的運(yùn)動(dòng)形式[7]。

21、1.2 設(shè)計(jì)時(shí)注意的問(wèn)題 (1)剛度要好，要合理選擇臂部的截面形狀和輪廓尺寸， 空心桿比實(shí)心桿剛度大的多, 常用鋼管做臂部和導(dǎo)向桿，用槽鋼左支撐板，以保證有足夠的剛度 [8]0 (2)偏重力矩要小，偏重力矩時(shí)指臂部的總重量對(duì)其支撐或回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的力矩。 (3)重量要輕，慣量要小，為了減輕運(yùn)動(dòng)時(shí)的沖擊，除采取緩沖外，力求結(jié)構(gòu)緊湊， 重量輕，以減少慣性力。 (4)導(dǎo)向性要好。 1.3 小臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) bh2 選 45 號(hào)車岡。P=7.85g/cm3,Wy =——=34.8cm3,b = 30mm,h = 48mm ,/」、臂長(zhǎng)為 6 400mm 較核：G 小臂=mg = 7.85

22、 m 0.03 m 0.048 m 0.4 m 10 = 90 (NJ) 取 120N 其受力如圖4.2.1: 圖4.2.1小臂的受力圖 F=120+105=225(N) M =F1ML +G小臂 xg =105父0.4+120父0.2 =66(N.m) M Wy 66 7.5(10")3 = 8.8MPa <[ ] =100MPa , 3 Fs 按《材料力學(xué)》公式5.11 .=3Fs 2 hb 其中h為鋼的高度，b為鋼的寬，F(xiàn)s為所受的力 3 Fs 以 t = = 0.97MPa E [ t] = 60MPa 2 hb 所以

23、選45號(hào)鋼合適。 4.3軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 材料為45號(hào)鋼，受力如圖4.3.1: kF T 圖4.3.1大軸的受力 驗(yàn)算： - - M 66 F1 = F2 = — = 6 6 660( N ) F=660N l 10 10 M 66 2、 w = -] = = 0.66(cm ) .，100Mpa 3 x 32w 66 dmin — — 2 -18.9(mm) 二 10 10 4 F 7= 。-2 3 ..r 4 Fs rmin = ，=2.16(mm) :3 二 為保證安全，選擇軸直徑30mm 4.4 軸承的選擇 因?yàn)樯陷S承只受徑向，

24、下軸承受軸向力和徑向力，所以選用角接觸球軸承， 按參考文獻(xiàn)[8]表 9-6 — 1 (GB 297-84)選 7304E, d=30mmc=31.5kN c0=17.2kN e=0.3 軸承的校核 因?yàn)榇颂庉S承做低速的擺動(dòng)，所以其失效形式是，接觸應(yīng)力過(guò)大，產(chǎn)生永久性的過(guò)大 的凹坑(即材料發(fā)生了不允許的永久變形)，按軸承靜載能力選擇的公式為： 《機(jī)械設(shè)計(jì)》13-17 Co _ SoPO 其中P。為當(dāng)量靜載荷，So為軸承靜強(qiáng)度安全系數(shù)，取決于軸承的使用條件。 按《機(jī)械設(shè)計(jì)》表3-8作擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)軸承,沖擊及不均勻載荷,So =1 ——1.5此處1.5. 上軸承受純徑向載荷,.Po =

25、F1 = 660(N) 所以 S0P0 =660 1.5 = 990(N):二 Co =17.2(KN) 因此軸承合適. 下軸承受徑向和軸向載荷，B =X°R ? YoA R為徑向載荷 A為軸向載荷 X Y分別為徑向軸向載荷系數(shù)，其值按《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 13- 5查取 因?yàn)?A 18o o.2727 ；e = o.3 R 66o 所以 Xo=1 Yo =0 Po =XoR YoAuR = 66oN 所以 S0Po =660 1.5=990(N) :。=17.2(KN) 因此軸承合適 小軸承受力很小，所以不用教核 4.5 軸承摩擦力矩的計(jì)算： 如果 C =10 (C為基

26、本額定動(dòng)載荷，P為所受當(dāng)量動(dòng)載荷)，可按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》 P 第二版(16.1-13)公式： T =0.5NFd 估算 其中：N為滾動(dòng)軸承摩擦因數(shù)，F(xiàn)為軸承載荷，d為軸承內(nèi)徑。 查表《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版 表16.1-29得N = 0.0011 C = 17200=26 >10,所以也可以用此公式估算 P 660 所以 T1 =0.5」Fd =0.5 0.0011 660 0.02 = 0.00726(N.M ) 查表《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版 表16.1-29得N = 0.0013 , C = 27000 = 150> 10 ,所以也可以用此公式估算 P 180 所以 T2

27、 =05Fd =0.5 0.0013 225 0.02 =0.002925(N.M ) .T總T2 =0.00726 0.002925 = 0.010185 N.M) 取0.1 4.6 驅(qū)動(dòng)選擇和控制 因?yàn)樗栩?qū)動(dòng)力小，精度要求不很高，所以選擇控制方便，體積小，重量輕，防護(hù) 等級(jí)為IP44,廣泛用在小型機(jī)床、化工、紡織、醫(yī)療器械上的 YS系列三相異步電動(dòng)機(jī)。 其主要技術(shù)參數(shù)如下： 型號(hào)：YS8024 功率：0.75 轉(zhuǎn)速：1400 電流：2 電壓：380 效率：75.5 功率因素：0.75 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩：2.3 額定轉(zhuǎn)矩：6 堵轉(zhuǎn)電流：6 主要尺寸：總長(zhǎng)300mm,

28、凸緣直徑120mm,電動(dòng)機(jī)外圓直徑80mm。 該機(jī)械臂采用步進(jìn)電機(jī)做驅(qū)動(dòng)器件，對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制也就是對(duì)步進(jìn)電機(jī)的分布 式控制。它可以采用開(kāi)環(huán)和閉環(huán)的方式。閉環(huán)控制可以使機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)和輸入的指令期 望的運(yùn)動(dòng)參數(shù)盡可能的吻合，但是控制部分和機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。開(kāi)環(huán)控制方式 就比較簡(jiǎn)單，而且在滿足電機(jī)不失步的情況下，電機(jī)的定位精度很高。因此機(jī)械臂懂得 驅(qū)動(dòng)控制可以采用開(kāi)環(huán)控制，具開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)模塊如圖。 圖 4.6.1 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)模塊 PC主機(jī)通過(guò)RS232串口發(fā)送計(jì)時(shí)器參數(shù)和其他的控制參數(shù)， 單片機(jī)控制器按照PC發(fā)送 的參數(shù)通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)

29、械臂的控制。驅(qū)動(dòng) 模塊可以選用集成芯片 UCN5804B它集成了包括：環(huán)形分配器，電流控制器，保護(hù)電 路，放大驅(qū)動(dòng)電路。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，同時(shí)用戶自己也可以設(shè)計(jì)各種電路對(duì)電機(jī)進(jìn)行控 制驅(qū)動(dòng)。 5.1結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 選 45 號(hào)鋼。P =7.85g/cm 3,Wy bh2 3 . ——=7.5cm ,b =58mm, h = 60mm ,小臂長(zhǎng)為 400mm 6 較核：G小臂=mg =7.85x0.058x0.06x0.4x10=109.27 (N) 取 140N 其受力如圖5.1.1: 圖5.1.1大臂的受力圖 F=75+120+140=335(N) M =Fo m(Li

30、+L2) +G小臂 乂 (T + L2)+G大臂 ML2 = 120 (0.4 0.4) 75 (" 0.4) 140 04 = 176.5( N.m) 2 2 M _ 176.5 Wy - 7.5(102)3 = 23.5MPa < [ ] =100MPa , 3 Fs 按《材料力學(xué)》公式5.11 . =e二 2 hb 其中h為鋼的高度，b為鋼的寬，F(xiàn)s為所受的力 3 Fs _ _ 所以.=3Fs =1.44MPa <[.] =60MPa 2 hb 所以選45號(hào)鋼合適。 5.2 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 材料為45號(hào)鋼。 其受力如圖5.2.1:

31、驗(yàn)算: Fi =F2 F： 圖5.2.1軸的受力圖 176.5 10 102 =1765(N) F=1765N 2、 = 1.765(cm ) M 176.5 w =--]= 「100Mpa 32w 66 dmin = 二 = 26.2(mm) 二 10 10 4 Fs . = 2 =3.5(mm) 3 二r rmin 為保證安全，選擇軸最小直徑 32mm 5.3 軸承的選擇 大軸軸承的選擇：因?yàn)樯陷S承只受徑向，下軸承受軸向力和徑向力，所以選用角接觸 球軸承，按參考文獻(xiàn)［8］表 9-6 —1 (GB297-84)選 7304E, d

32、=50mmc = 31.5kN c0 =17.2kN e=0.3 軸承的校核 因?yàn)榇颂庉S承做低速的擺動(dòng)，所以其失效形式是，接觸應(yīng)力過(guò)大，產(chǎn)生永久性的過(guò)大 的凹坑(即材料發(fā)生了不允許的永久變形)，按軸承靜載能力選擇的公式為： 《機(jī)械設(shè)計(jì)》13-17 Co—SoPo 其中Po為當(dāng)量靜載荷，So為軸承靜強(qiáng)度安全系數(shù)，取決于軸承的使用條件。按《機(jī)械 設(shè)計(jì)》表3-8作擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)軸承，沖擊及不均勻載荷，S0 =1--1.5此處1.5. 上軸承受純徑向載荷,- P0 -F1 -1765(N) 所以 SoF0 =1765 1.5 = 2647.5(N) ：：C0 =17.2(KN) 因此軸承

33、合適. 卜軸承受徑向和軸向載荷,P0 =X0R-Y0A R為徑向載荷 A為軸向載荷 X Y分別為徑向軸向載荷系數(shù)，其值按《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 13— 5查取 因?yàn)?A r = 3201765 = 0181 ：： e = 0.3 所以 Xo=1 Yo=O Po = XoR Y0A = R = 1765N 所以 S0Po =1765 1.5=2647.5(N)二 Co =17.2(KN) 因此軸承合適 小軸承受力很小，所以不用教核 5.4 軸承摩擦力矩的計(jì)算 如果 C=1o (C為基本額定動(dòng)載荷，P為所受當(dāng)量動(dòng)載荷)，可按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》 P 第二版(16.1-13)公式： T

34、 =0.5NFd 估算 其中：N為滾動(dòng)軸承摩擦因數(shù)，F(xiàn)為軸承載荷，d為軸承內(nèi)徑 = 16.54 > 10,所以也可以用此公式估算 查表《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版 表16.1-29得N = 0.0011 , P 1765 所以 T1 =0.5」Fd = 0.5 0.0011 1765 0.02 = 0.019425(N.M ) 查表《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版 表16.1-29得口 = 0.0013 , C=27000=8o.6>1o 所以也可以用此公式估算 P 335 所以 T2 =0.5」Fd =0.5 0.0013 335 0.02 = 0.004355(N.M ) T總=T1

35、T2 =0.019425 0.004355 = 0.02378N.M) 取0.1 5.5 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇和控制 因?yàn)樗栩?qū)動(dòng)力小，精度要求不很高，所以選擇控制方便，體積小，重量輕，防護(hù)等 級(jí)為IP44,廣泛用在小型機(jī)床、化工、紡織、醫(yī)療器械上的 YS系列三相異步電動(dòng)機(jī)。 其主要技術(shù)參數(shù)如下： 型號(hào)：YS8024 功率：0.75 轉(zhuǎn)速：1400 電流：2 電壓：380 效率：75.5 功率因素：0.75 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩：2.3 額定轉(zhuǎn)矩：6 堵轉(zhuǎn)電流：6 主要尺寸：總長(zhǎng)300mm,凸緣直徑120mm,電動(dòng)機(jī)外圓直徑80mm。 該機(jī)械臂采用步進(jìn)電機(jī)做驅(qū)動(dòng)器件，對(duì)機(jī)

36、械臂的運(yùn)動(dòng)控制也就是對(duì)步進(jìn)電機(jī)的分布式 控制。它可以采用開(kāi)環(huán)和閉環(huán)的方式。閉環(huán)控制可以使機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)和輸入的指令期望 的運(yùn)動(dòng)參數(shù)盡可能的吻合，但是控制部分和機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。開(kāi)環(huán)控制方式就 比較簡(jiǎn)單，而且在滿足電機(jī)不失步的情況下，電機(jī)的定位精度很高。因此機(jī)械臂懂得驅(qū) 動(dòng)控制可以采用開(kāi)環(huán)控制，具開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)模塊如圖 4.6.1 。 圖4.6.1 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)模塊 明動(dòng)模塊 步過(guò)也於 二;卜W PC主機(jī)通過(guò)RS232串口發(fā)送計(jì)時(shí)器參數(shù)和其他的控制參數(shù)，單片機(jī)控制器按照 PC 發(fā)送的參數(shù)通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行。 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械臂的控制。 驅(qū)動(dòng) 模塊可以選用集成

37、芯片UCN5804B,它集成了包括：環(huán)形分配器，電流控制器，保護(hù)電路， 放大驅(qū)動(dòng)電路。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，同時(shí)用戶自己也可以設(shè)計(jì)各種電路對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制驅(qū)動(dòng)。 第6章機(jī)身設(shè)計(jì) 機(jī)身是支承臂部的部件，升降，回轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等都可以裝在機(jī)身上。主要由兩 部分組成，外殼和軸承套。外殼材料采用 45鋼。底座的軸承可以承受軸向和徑向的力, 這樣避免了電機(jī)過(guò)載。電機(jī)安裝在端蓋上，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工安裝方便，材料用質(zhì)輕強(qiáng)度好 的鋁合金。位于軸承套底部的電機(jī)通過(guò)對(duì)軸的驅(qū)動(dòng)，從而帶動(dòng)了和軸固接的大臂的轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖6.1底座 1.軸2.軸承套3.軸承4.外殼5.緊定螺釘 6.端蓋7.電機(jī) 6.1設(shè)計(jì)時(shí)注意的

38、問(wèn)題 (1)要有足夠的剛度和穩(wěn)定性。 (2)運(yùn)動(dòng)要靈活，升降運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)套長(zhǎng)度不宜過(guò)短，否則可能產(chǎn)生卡死現(xiàn)象；一般要有 導(dǎo)向裝置。 (3)結(jié)構(gòu)布置要合理，便于裝修。 由于此設(shè)計(jì)要求為三個(gè)自由度，所以此處無(wú)運(yùn)動(dòng)要求，只用來(lái)支承。只要?jiǎng)偠饶軡M 足就行了，高度可根據(jù)自動(dòng)線的高低確定 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的性能有很大的影響，因此其結(jié)構(gòu)的合理與精心設(shè) 計(jì)是整個(gè)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵之一。在結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)中，還要考慮各部分的彈性變形、 摩擦、間隙和傳動(dòng)誤差等問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)的機(jī)械臂機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，較容易控制?？梢詰?yīng)用在機(jī) 器人控制試驗(yàn)和教學(xué)等領(lǐng)域；加上合適的機(jī)械手爪還可以組成控制精度更高、系統(tǒng)更穩(wěn)定

39、的閉環(huán)機(jī)器人控制系統(tǒng)?；诔杀炯熬鹊鹊目紤]，可選擇電位器實(shí)現(xiàn)位置的反饋。 如今SCARAL器人還廣泛應(yīng)用于塑料工業(yè)、汽車工業(yè)、電子產(chǎn)品工業(yè)、藥品工業(yè)和食 品工業(yè)等領(lǐng)域。它的主要職能是搬取零件和裝配工作。它的第一個(gè)軸和第二個(gè)軸具有轉(zhuǎn)動(dòng) 特性，第三和第四個(gè)軸可以根據(jù)工作的需要的不同，制造成相應(yīng)多種不同的形態(tài)，并且一 個(gè)具有轉(zhuǎn)動(dòng)、另一個(gè)具有線性移動(dòng)的特性。由于其具有特定的形狀，決定了其工作范圍類 似于一個(gè)扇形區(qū)域。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，微電子技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，裝配機(jī)器人也得到飛速發(fā)展 當(dāng)前國(guó)際機(jī)器人界都在加大科研力度，進(jìn)行機(jī)器人共性技術(shù)的研究，并朝著智能化，多樣 化方向發(fā)展。一些公司通過(guò)

40、有限元分析，模態(tài)分析及仿真設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的運(yùn)用，機(jī) 器人操作機(jī)已實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。以德國(guó) KUKA公司為代表的機(jī)器人公司，已將機(jī)器人并聯(lián)平 行四邊形結(jié)構(gòu)改為開(kāi)鏈結(jié)構(gòu)，拓展了機(jī)器人工作范圍，加之輕質(zhì)鋁合金材料的應(yīng)用，大大 提高了機(jī)器人性能；同時(shí)機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化可重構(gòu)化發(fā)展，例如關(guān)節(jié)模塊中伺服電機(jī)，減 速器，監(jiān)測(cè)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(jī)器人整機(jī)，國(guó)外已 有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)世。 由于機(jī)器人技術(shù)發(fā)展水平的不平衡，各個(gè)國(guó)家對(duì)機(jī)器人發(fā)展有不同理解，但從技術(shù)先 進(jìn)性來(lái)看，在這一領(lǐng)域，代表國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)的裝配機(jī)器人研究方向主要有： 直接驅(qū)動(dòng)裝配機(jī)器人：傳統(tǒng)機(jī)器人都要通過(guò)減速

41、裝置達(dá)到降速并提高輸出力矩，這些 傳動(dòng)鏈會(huì)增加系統(tǒng)功耗，慣量，誤差等，并降低系統(tǒng)可靠性。為了減少關(guān)節(jié)慣性，實(shí)現(xiàn)高 速，精密，大負(fù)載及高可靠性，一種趨勢(shì)是采用高扭矩低速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。 智能裝配機(jī)器人：裝配機(jī)器人的一個(gè)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)工作自主，因此要利用知識(shí)規(guī)劃，專 家系統(tǒng)等人工智能研究領(lǐng)域成果，并開(kāi)發(fā)出智能型自主移動(dòng)裝配機(jī)器人，能在各種裝配工 作站工作。 并聯(lián)機(jī)器人：傳統(tǒng)機(jī)器人采用連桿和關(guān)節(jié)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，而并聯(lián)機(jī)器人具有非累積定位誤 差，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的分布得到改善，結(jié)構(gòu)緊湊，剛性提高，承載能力增加等優(yōu)點(diǎn)，而且其逆位 置問(wèn)題比較直接，奇異位置相對(duì)較少，所以近些年倍受重視。 協(xié)作裝配機(jī)器人：隨著裝配機(jī)器人

42、應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，對(duì)裝配機(jī)器人也提出一些新要求。 如多機(jī)器人之間的協(xié)作，同一機(jī)器人雙臂的協(xié)作，甚至人與機(jī)器人的協(xié)作，這對(duì)于重型或 精密裝配任務(wù)非常重要。 可以預(yù)見(jiàn)的是，當(dāng)機(jī)器人正在深入到自動(dòng)化生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域中時(shí)， SCARML器人還將 繼續(xù)領(lǐng)帶潮流。 參考文獻(xiàn) [1]周伯英.《工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)》[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1 995, 45-46 [2]龔振幫.《機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)》[M]. 電子工業(yè)出版社 ，1995, 222-224 [3]藤森洋三.《機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)》[M].機(jī)械工業(yè)出版社 ，1990, 119-120 [4]加藤一郎.《機(jī)械手圖冊(cè)》[M].上?？萍汲霭嫔?，1989, 3

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47、18] M. T. Das ; L. C. Dulger, " CONTROL OF A SCARA ROBOT: PSO-PID APPROACH", Control and Intelligent Systems, 2010, 38(1) 畢業(yè)設(shè)計(jì)是學(xué)生綜合學(xué)習(xí)的一個(gè)難得機(jī)會(huì)，同時(shí)也是檢驗(yàn)我這幾年學(xué)習(xí)水平的一次機(jī) 會(huì)。在這次做畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我獲益匪淺。它讓我把大學(xué)幾年來(lái)所學(xué)的知識(shí)做了一次 系統(tǒng)的復(fù)習(xí)，把之前有所遺忘的知識(shí)又加深了印象，對(duì)于專業(yè)知識(shí)的掌握更加牢靠，同時(shí) 由于每個(gè)人做的題目都不相同，每個(gè)人必須學(xué)會(huì)自主學(xué)習(xí)，研究，提高了我獨(dú)立分析問(wèn)題 和解決問(wèn)題的能力，也使我學(xué)會(huì)怎樣更好的利用圖書館，網(wǎng)絡(luò)查找資料和運(yùn)用資料，還使 我學(xué)會(huì)如何與同學(xué)共同討論問(wèn)題。但是在設(shè)計(jì)過(guò)程中也遇到很多問(wèn)題，如設(shè)計(jì)綜合考慮不 夠周全，還有一些細(xì)節(jié)方面考慮不夠仔細(xì)。不過(guò)通過(guò)反復(fù)的修改和改進(jìn)，我對(duì)設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí) 有了進(jìn)一步的提高，這對(duì)我以后的工作有很大的幫助 ，今后我會(huì)在工作中不斷的學(xué)習(xí)，努力 的提高自己的水平。