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

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1、畢業(yè)設(shè)計（論文） 題目：平面關(guān)節(jié)型機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計 姓 名： 指導(dǎo)教師： 專 業(yè)： 平面關(guān)節(jié)型機械手采用兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)；兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后左右運 動，而移動關(guān)節(jié)則實現(xiàn)上下運動，它的縱截面為矩形的回轉(zhuǎn)體，縱截面高為移動關(guān)節(jié)的行 程長，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作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動 操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以 保護人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。 關(guān)鍵詞：機械手，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 錯誤！未定義書簽。 1.1 平面關(guān)節(jié)型機器人的技術(shù)參數(shù) 2 1.2 平面關(guān)節(jié)型機器人的結(jié)構(gòu)特點 2 第2章結(jié)構(gòu)設(shè)計 3 2.1 設(shè)計時要注意的問題 3 2.2 零件的計算 3. 2.3 夾緊力的計算 3 第3章 移動關(guān)節(jié)的設(shè)計計算 6 3.1 驅(qū)動方式的比較 6 3.2 汽缸的設(shè)計 7 第4章小臂設(shè)計 9 4.1 設(shè)計時

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

7、置。它在二十世紀五十年代就已用于生產(chǎn)，是在自 動上下料機構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種機械裝置，開始主要用來實現(xiàn)自動上下料和搬運工 件，完成單機自動化和生產(chǎn)線自動化，隨著應(yīng)用范圍的不段擴大，現(xiàn)在用來夾持工具和完 成一定的作業(yè)。實踐證明它可以代替人手的繁重勞動，減輕工人的勞動強度，改善勞動條 件，提高勞動生產(chǎn)率［12］ 工業(yè)機器人的總體結(jié)構(gòu)類型可分為直角坐標型、圓柱坐標型、球坐標型和關(guān)節(jié)型四種。 其中，由于關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)動作靈活，操作機占地面積小，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)機器人作為研究對象。從常規(guī)體系結(jié)構(gòu)的角度來看 ，多 關(guān)節(jié)機器人應(yīng)該由機器人執(zhí)行機構(gòu)(操作機)、電

8、氣控制系統(tǒng)、作業(yè)環(huán)境以及人機接口等 部分組成。 日本開發(fā)的SCARA2面關(guān)節(jié)式機器人是目前使用最廣泛的機器人。它專門用于垂直安 裝作業(yè)，共有四個關(guān)節(jié)：三個水平轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和一個垂直滑動關(guān)節(jié)。機器人能抓取元部件在 水平方向定位，在垂直方向進行插入作業(yè)。它的平面轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)可以“放松” ，使插入元件 時可以順應(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配機器人有較大的工作區(qū)域，使進料更容易。 平面關(guān)節(jié)型又稱為 SCARA?,即選擇柔性組合機器人臂( Selective Compliance Assembly RobotArm)。SCAR摩工業(yè)機器

9、人最早由 Makino于20世紀70年代后期研制成功， 是具有選擇柔順性的平面關(guān)節(jié)型機器人，其所有轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的軸線都是與立柱平行的，具顯 著特點是：運動速度快、重合定位精度高。因為其結(jié)構(gòu)的關(guān)系，機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即機器人廣泛應(yīng)用 于裝配、搬運等行業(yè)領(lǐng)域中，并成了裝配機器人的主流機型。 SCARAB器人為平面關(guān)節(jié)型 的機器人［9］。 總體設(shè)計的任務(wù)：包括進行機械手的運動設(shè)計，確定主要工作參數(shù)，選擇驅(qū)動系統(tǒng)和 電控系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，最后繪出方案草圖。 1.1 平面關(guān)節(jié)型機器人的技術(shù)參數(shù) 主要技術(shù)參數(shù)見表1-1

10、表1-1 機械手類型 平向美節(jié)型 抓取重量 2.2Kg 自由度 3個（2個回轉(zhuǎn)1個移動） 大臂 長400mm回轉(zhuǎn)運動，回轉(zhuǎn)角240,異步電機驅(qū)動 單片機控制 小臂 長400mm回轉(zhuǎn)運動，回轉(zhuǎn)角240,異步電機驅(qū)動 單片機控制 移動關(guān)節(jié) 氣缸驅(qū)動行程開關(guān)控制 手指 氣缸驅(qū)動行程開關(guān)控制 1.2 平面關(guān)節(jié)型機器人的結(jié)構(gòu)特點 平面關(guān)節(jié)型機器人的結(jié)構(gòu)特點如圖1.2.1所示: 圖1.2.1 機械臂 6.腕部（升降） 1.底座 2.大臂 3.電機 4.小臂 5.腕部（回轉(zhuǎn)） 第2章結(jié)構(gòu)設(shè)計 工業(yè)機械手的手部是用來抓持工件或工具的部件。手部抓

11、持工件的迅速、準確和牢靠 程度都將直接影響到工業(yè)機械手的工作性能，它是工業(yè)機械手的關(guān)鍵部件之一 ［1］。 2.1 設(shè)計時要注意的問題 設(shè)計時要注意的問題： (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)考慮工件在傳送過程中的動載荷。 (2)手指應(yīng)有一定的開閉范圍。其大小不僅與工件的尺寸有關(guān)，而且應(yīng)注意手部接近 工件的運動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。 (5)根據(jù)應(yīng)用條件考慮通用性［4］0 2.2 零件的計算 _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號鋼，手指為鋼材，查參考文獻［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)動力的計算 P = 4tg N — 圖2.3.1驅(qū)動力的計算 a為斜面傾角，a =15°

13、,“為傳動機構(gòu)的效率，這里為平摩擦傳動, 查參考文獻［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為長度，g取10 2.3.3 汽缸的設(shè)計 因為氣壓工作壓力較低，對氣動組件的材質(zhì)和精度要求較液壓底，無污染，動作迅 速反映快，維護簡單，使用安全。而且此處作用力不大，所以選氣壓傳動 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。 汽缸的計算 氣壓缸

14、內(nèi)徑D的計算 按《液壓傳動與氣壓傳動》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）,“為負載率，負載率與汽缸工作壓力有關(guān), 取P = 0.40 ,查《液壓傳動與氣壓傳動》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《液壓傳動與氣壓傳動》表 13-3圓整取32mm. 活塞桿直徑d的計算 股% =0.2 ——0.3,此選 0.2 ,d =0.2D =0.2 32 =6.

15、4 mm 按《液壓傳動與氣壓傳動》表13-4圓整取8mm 汽缸壁厚6的計算 按《液壓傳動與氣壓傳動》表13-5查得6 = 4 彈簧力的F的計算 F G1 =23(N) 第3章移動關(guān)節(jié)的設(shè)計計算 3.1 驅(qū)動方式的比較 機械手的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓驅(qū)動，氣壓驅(qū)動，電機驅(qū)動，和機械傳動四種。一臺機械手 可以只用一種驅(qū)動，也可以用幾種方式聯(lián)合驅(qū)動［3］。 各種驅(qū)動的特點見表3-1。 表3-1 比較 內(nèi)容 驅(qū)動方式 機械傳動 電機驅(qū)動 氣壓傳動 液壓傳動 異步電 機，直流 電機 步進或伺服 電機 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 機構(gòu)控制，定位 精度局，可與主 機嚴格同步 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，可無級調(diào) 速，反應(yīng)靈敏， 可實現(xiàn)連續(xù)軌跡 控制 體積 當自由度多時， 機構(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 維修簡單，能 在圖溫，粉塵 等惡劣環(huán)境 維修方便，液體 對溫度變化敏 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 少的專用機械 取重量大 復(fù)雜和運動 通用機械手 機械手都有，特 手，高速低速均 和速度低 軌跡要求嚴 都有 別時重型機械手 能適用 的專用機 格的小型通 多用 械手 用機械手 結(jié)構(gòu)簡單，成本 成本低 結(jié)構(gòu)簡單，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 因為氣壓工作壓力較低，對氣動組件的材質(zhì)和精度要求較液壓底，無污染，動作迅速 反映快，維護簡單，使用安全。而且此處作用力不大，所以選氣壓傳動 [6]0 汽缸內(nèi)型選擇：因為活塞行程較長，往復(fù)運動，所以選雙作用單活塞汽缸，利用壓縮 空氣使活塞向兩個方向運動。 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的計算 按《液壓傳動與氣壓傳動》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）,“為負載率，負載率與汽缸工作壓力有 關(guān)，取P =0.40 ,查《液壓傳動與氣壓傳動》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《液壓傳動與氣壓傳

20、動》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的計算 按《液壓傳動與氣壓傳動》表13-5查得6 = 4 汽缸重量的計算 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為汽缸長度，g取10, P為汽缸材料密度 G3 取 25N 第4章小臂設(shè)計 臂部是機械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支撐手部和腕部，主要用來改變工件的位置C 手部在空間的活動范圍主要取決于臂部的運動形式[7]。

21、1.2 設(shè)計時注意的問題 (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，偏重力矩時指臂部的總重量對其支撐或回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的力矩。 (3)重量要輕，慣量要小，為了減輕運動時的沖擊，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 bh2 選 45 號車岡。P=7.85g/cm3,Wy =——=34.8cm3,b = 30mm,h = 48mm ,/」、臂長為 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號鋼合適。 4.3軸的設(shè)計計算 材料為45號鋼，受力如圖4.3.1: kF T 圖4.3.1大軸的受力 驗算： - - 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 因為上軸承只受徑向，

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[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 因為此處軸承做低速的擺動，所以其失效形式是，接觸應(yīng)力過大，產(chǎn)生永久性的過大 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： 《機械設(shè)計》13-17 Co _ SoPO 其中P。為當量靜載荷，So為軸承靜強度安全系數(shù)，取決于軸承的使用條件。 按《機械設(shè)計》表3-8作擺動運動軸承,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《機械設(shè)計》表 13- 5查取 因為 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 軸承摩擦力矩的計算： 如果 C =10 (C為基

26、本額定動載荷，P為所受當量動載荷)，可按《機械設(shè)計手冊》 P 第二版(16.1-13)公式： T =0.5NFd 估算 其中：N為滾動軸承摩擦因數(shù)，F(xiàn)為軸承載荷，d為軸承內(nèi)徑。 查表《機械設(shè)計手冊》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《機械設(shè)計手冊》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)動選擇和控制 因為所需驅(qū)動力小，精度要求不很高，所以選擇控制方便，體積小，重量輕，防護 等級為IP44,廣泛用在小型機床、化工、紡織、醫(yī)療器械上的 YS系列三相異步電動機。 其主要技術(shù)參數(shù)如下： 型號：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300mm,

28、凸緣直徑120mm,電動機外圓直徑80mm。 該機械臂采用步進電機做驅(qū)動器件，對機械臂的運動控制也就是對步進電機的分布 式控制。它可以采用開環(huán)和閉環(huán)的方式。閉環(huán)控制可以使機械臂的運動和輸入的指令期 望的運動參數(shù)盡可能的吻合，但是控制部分和機械部分的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。開環(huán)控制方式 就比較簡單，而且在滿足電機不失步的情況下，電機的定位精度很高。因此機械臂懂得 驅(qū)動控制可以采用開環(huán)控制，具開環(huán)控制系統(tǒng)模塊如圖。 圖 4.6.1 開環(huán)控制系統(tǒng)模塊 PC主機通過RS232串口發(fā)送計時器參數(shù)和其他的控制參數(shù)， 單片機控制器按照PC發(fā)送 的參數(shù)通過驅(qū)動模塊驅(qū)動步進電機的運行。進而實現(xiàn)對執(zhí)行機構(gòu)機

29、械臂的控制。驅(qū)動 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，保護電 路，放大驅(qū)動電路。結(jié)構(gòu)簡單可靠，同時用戶自己也可以設(shè)計各種電路對電機進行控 制驅(qū)動。 5.1結(jié)構(gòu)的設(shè)計 選 45 號鋼。P =7.85g/cm 3,Wy bh2 3 . ——=7.5cm ,b =58mm, h = 60mm ,小臂長為 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號鋼合適。 5.2 軸的設(shè)計計算 材料為45號鋼。 其受力如圖5.2.1:

31、驗算: 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：因為上軸承只受徑向，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［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 因為此處軸承做低速的擺動，所以其失效形式是，接觸應(yīng)力過大，產(chǎn)生永久性的過大 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： 《機械設(shè)計》13-17 Co—SoPo 其中Po為當量靜載荷，So為軸承靜強度安全系數(shù)，取決于軸承的使用條件。按《機械 設(shè)計》表3-8作擺動運動軸承，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《機械設(shè)計》表 13— 5查取 因為 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 軸承摩擦力矩的計算 如果 C=1o (C為基本額定動載荷，P為所受當量動載荷)，可按《機械設(shè)計手冊》 P 第二版(16.1-13)公式： T

34、 =0.5NFd 估算 其中：N為滾動軸承摩擦因數(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《機械設(shè)計手冊》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《機械設(shè)計手冊》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)動系統(tǒng)的選擇和控制 因為所需驅(qū)動力小，精度要求不很高，所以選擇控制方便，體積小，重量輕，防護等 級為IP44,廣泛用在小型機床、化工、紡織、醫(yī)療器械上的 YS系列三相異步電動機。 其主要技術(shù)參數(shù)如下： 型號：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300mm,凸緣直徑120mm,電動機外圓直徑80mm。 該機械臂采用步進電機做驅(qū)動器件，對機

36、械臂的運動控制也就是對步進電機的分布式 控制。它可以采用開環(huán)和閉環(huán)的方式。閉環(huán)控制可以使機械臂的運動和輸入的指令期望 的運動參數(shù)盡可能的吻合，但是控制部分和機械部分的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。開環(huán)控制方式就 比較簡單，而且在滿足電機不失步的情況下，電機的定位精度很高。因此機械臂懂得驅(qū) 動控制可以采用開環(huán)控制，具開環(huán)控制系統(tǒng)模塊如圖 4.6.1 。 圖4.6.1 開環(huán)控制系統(tǒng)模塊 明動模塊 步過也於 二;卜W PC主機通過RS232串口發(fā)送計時器參數(shù)和其他的控制參數(shù)，單片機控制器按照 PC 發(fā)送的參數(shù)通過驅(qū)動模塊驅(qū)動步進電機的運行。 進而實現(xiàn)對執(zhí)行機構(gòu)機械臂的控制。 驅(qū)動 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，保護電路， 放大驅(qū)動電路。結(jié)構(gòu)簡單可靠，同時用戶自己也可以設(shè)計各種電路對電機進行控制驅(qū)動。 第6章機身設(shè)計 機身是支承臂部的部件，升降，回轉(zhuǎn)和俯仰運動機構(gòu)等都可以裝在機身上。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, 這樣避免了電機過載。電機安裝在端蓋上，結(jié)構(gòu)簡單，加工安裝方便，材料用質(zhì)輕強度好 的鋁合金。位于軸承套底部的電機通過對軸的驅(qū)動，從而帶動了和軸固接的大臂的轉(zhuǎn)動。 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 6.1設(shè)計時注意的

38、問題 (1)要有足夠的剛度和穩(wěn)定性。 (2)運動要靈活，升降運動的導(dǎo)套長度不宜過短，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)計要求為三個自由度，所以此處無運動要求，只用來支承。只要剛度能滿 足就行了，高度可根據(jù)自動線的高低確定 機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計對整個控制系統(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) 計是整個控制系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵之一。在結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計中，還要考慮各部分的彈性變形、 摩擦、間隙和傳動誤差等問題。本文設(shè)計的機械臂機構(gòu)簡單，較容易控制?？梢詰?yīng)用在機 器人控制試驗和教學(xué)等領(lǐng)域；加上合適的機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)機器人控制系統(tǒng)。基于成本及精度等的考慮，可選擇電位器實現(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。它的第一個軸和第二個軸具有轉(zhuǎn)動 特性，第三和第四個軸可以根據(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 個具有轉(zhuǎn)動、另一個具有線性移動的特性。由于其具有特定的形狀，決定了其工作范圍類 似于一個扇形區(qū)域。 隨著計算機技術(shù)，微電子技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，裝配機器人也得到飛速發(fā)展 當前國際機器人界都在加大科研力度，進行機器人共性技術(shù)的研究，并朝著智能化，多樣 化方向發(fā)展。一些公司通過

40、有限元分析，模態(tài)分析及仿真設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法的運用，機 器人操作機已實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計。以德國 KUKA公司為代表的機器人公司，已將機器人并聯(lián)平 行四邊形結(jié)構(gòu)改為開鏈結(jié)構(gòu)，拓展了機器人工作范圍，加之輕質(zhì)鋁合金材料的應(yīng)用，大大 提高了機器人性能；同時機械結(jié)構(gòu)向模塊化可重構(gòu)化發(fā)展，例如關(guān)節(jié)模塊中伺服電機，減 速器，監(jiān)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。 由于機器人技術(shù)發(fā)展水平的不平衡，各個國家對機器人發(fā)展有不同理解，但從技術(shù)先 進性來看，在這一領(lǐng)域，代表國際發(fā)展趨勢的裝配機器人研究方向主要有： 直接驅(qū)動裝配機器人：傳統(tǒng)機器人都要通過減速

41、裝置達到降速并提高輸出力矩，這些 傳動鏈會增加系統(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，實現(xiàn)高 速，精密，大負載及高可靠性，一種趨勢是采用高扭矩低速電機直接驅(qū)動。 智能裝配機器人：裝配機器人的一個目標是實現(xiàn)工作自主，因此要利用知識規(guī)劃，專 家系統(tǒng)等人工智能研究領(lǐng)域成果，并開發(fā)出智能型自主移動裝配機器人，能在各種裝配工 作站工作。 并聯(lián)機器人：傳統(tǒng)機器人采用連桿和關(guān)節(jié)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，而并聯(lián)機器人具有非累積定位誤 差，執(zhí)行機構(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，而且其逆位 置問題比較直接，奇異位置相對較少，所以近些年倍受重視。 協(xié)作裝配機器人：隨著裝配機器人

42、應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，對裝配機器人也提出一些新要求。 如多機器人之間的協(xié)作，同一機器人雙臂的協(xié)作，甚至人與機器人的協(xié)作，這對于重型或 精密裝配任務(wù)非常重要。 可以預(yù)見的是，當機器人正在深入到自動化生產(chǎn)的各個領(lǐng)域中時， SCARML器人還將 繼續(xù)領(lǐng)帶潮流。 參考文獻 [1]周伯英.《工業(yè)機器人設(shè)計》[M].機械工業(yè)出版社，1 995, 45-46 [2]龔振幫.《機器人機械設(shè)計》[M]. 電子工業(yè)出版社 ，1995, 222-224 [3]藤森洋三.《機構(gòu)設(shè)計》[M].機械工業(yè)出版社 ，1990, 119-120 [4]加藤一郎.《機械手圖冊》[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)計是學(xué)生綜合學(xué)習(xí)的一個難得機會，同時也是檢驗我這幾年學(xué)習(xí)水平的一次機 會。在這次做畢業(yè)設(shè)計的過程中，我獲益匪淺。它讓我把大學(xué)幾年來所學(xué)的知識做了一次 系統(tǒng)的復(fù)習(xí)，把之前有所遺忘的知識又加深了印象，對于專業(yè)知識的掌握更加牢靠，同時 由于每個人做的題目都不相同，每個人必須學(xué)會自主學(xué)習(xí)，研究，提高了我獨立分析問題 和解決問題的能力，也使我學(xué)會怎樣更好的利用圖書館，網(wǎng)絡(luò)查找資料和運用資料，還使 我學(xué)會如何與同學(xué)共同討論問題。但是在設(shè)計過程中也遇到很多問題，如設(shè)計綜合考慮不 夠周全，還有一些細節(jié)方面考慮不夠仔細。不過通過反復(fù)的修改和改進，我對設(shè)計的認識 有了進一步的提高，這對我以后的工作有很大的幫助 ，今后我會在工作中不斷的學(xué)習(xí)，努力 的提高自己的水平。