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四自由度SCARA機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
目錄
四自由度SCARA機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1
第一章 緒論 3
1.1 引言 3
1.2 國(guó)內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 3
1、總體來(lái)說(shuō)： 3
2、國(guó)內(nèi)和國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀： 4
1.3SCARA機(jī)器人簡(jiǎn)介 5
1.4 項(xiàng)目研究的主要內(nèi)容 6
1.5 擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題 7
第二章 SCARA機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7
2.1 SCARA機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) 7
2.1.1 SCARA機(jī)器人的技術(shù)參數(shù) 7
2.1.2SCARA機(jī)器人外形尺寸與工作空間 8
2.1.3 SCARA機(jī)器人的總體傳動(dòng)方案的確定 9
2.2 機(jī)器人底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10
2.3 關(guān)節(jié)1各零件的設(shè)計(jì)計(jì)算 11
2.3.1 電機(jī)1及減速器的計(jì)算、選擇。 11
2.3.2 關(guān)節(jié)1傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)計(jì)算及校核 14
2.3.3 軸承類型的選擇 21
2.4 關(guān)節(jié)2各零件的設(shè)計(jì)計(jì)算 23
2.4.1 電機(jī)2及減速器的計(jì)算選型 23
2.4.2 同步齒形帶的選型計(jì)算 23
2.5 關(guān)節(jié)3各零件的設(shè)計(jì)計(jì)算 27
2.5.1 絲杠螺母的設(shè)計(jì)及校核 27
2.5.2 絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算 34
2.5.3 電機(jī)3的選型計(jì)算 35
2.5.4 3軸同步帶的選型計(jì)算 36
2.6 關(guān)節(jié)4各零件設(shè)計(jì)計(jì)算 37
2.6.1 電機(jī)4 及減速器的選型計(jì)算 37
2.6.2 手爪安裝法蘭的設(shè)計(jì)計(jì)算 39
第三章 總結(jié) 40
參考文獻(xiàn)： 41
謝 辭 42
第一章 緒論
1.1 引言
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(mén)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。
工業(yè)機(jī)器人既具有操作機(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。
目前機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域主要還是集中在汽車(chē)工業(yè)，它占現(xiàn)有機(jī)器人總數(shù)的2.89%。其次是電器制造業(yè)，約占16.4%，而化工業(yè)則占11.7%。此外，工業(yè)機(jī)器人在食品、制藥、器械、航空航天及金屬加工等方面也有較多應(yīng)用。隨著工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)始從制造業(yè)擴(kuò)展到非制造業(yè)，同時(shí)在原制造業(yè)中也在不斷的深入滲透，向大、異、薄、軟、窄、厚等難加工領(lǐng)域深化、擴(kuò)展。而新開(kāi)辟的應(yīng)用領(lǐng)域有木材家具、農(nóng)林牧漁、建筑、橋梁、醫(yī)藥衛(wèi)生、辦公家用、教育科研及一些極限領(lǐng)域等非制造業(yè)。
一般來(lái)說(shuō)，機(jī)器人系統(tǒng)可按功能分為下面四個(gè)部分川:
（1）機(jī)械本體和執(zhí)行機(jī)構(gòu):包括機(jī)身、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、操作機(jī)構(gòu)、框架、機(jī)械連接等內(nèi)在的支持結(jié)構(gòu)。
（2）動(dòng)力部分:包括電源、電動(dòng)機(jī)等執(zhí)行元件及其驅(qū)動(dòng)電路。
（3）檢測(cè)傳感裝置:包括傳感器及其相應(yīng)的信號(hào)檢測(cè)電路。
（4）控制及信息處理裝置:由硬件、軟件構(gòu)成的機(jī)器人控制系統(tǒng)。
1.2 國(guó)內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
1、總體來(lái)說(shuō)：
（1）工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的10.3萬(wàn)美元降至2005年的5萬(wàn)美元。
（2）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)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(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)外己有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。
(3)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于CP機(jī)的開(kāi)放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化:器件集成度提高，控制柜日見(jiàn)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。
(4)機(jī)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(jī)器人還應(yīng)用了視覺(jué)、力覺(jué)等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)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)中己有成熟應(yīng)用。
(5)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用己從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺(jué)來(lái)操縱機(jī)器人。
(6)當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)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(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國(guó)發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。
(7)機(jī)器人化機(jī)械開(kāi)始興起。從1994年美國(guó)開(kāi)發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來(lái)，這種新型裝置己成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開(kāi)拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。
2、國(guó)內(nèi)和國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀：
國(guó)內(nèi)： 從整體上來(lái)說(shuō)，我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)還很薄弱，機(jī)器人研究仍然任重而道遠(yuǎn)。我國(guó)市場(chǎng)上機(jī)器人總共擁有量近萬(wàn)臺(tái)，僅占全球總量的0.56%，其中完全國(guó)產(chǎn)機(jī)器人行業(yè)集中度僅為占30%，其余皆為從日本、美國(guó)、瑞典、德國(guó)、意大利等20多個(gè)國(guó)家引進(jìn)。究其原因，很大程度在于自主品牌不夠，發(fā)展壯大自主品牌及其自動(dòng)化成套裝備產(chǎn)業(yè)成為當(dāng)務(wù)之急，由于機(jī)器人是最典型的機(jī)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(jìn)裝備制造業(yè)的支撐技術(shù)和信息化社會(huì)的新興產(chǎn)業(yè)，將對(duì)未來(lái)生產(chǎn)和社會(huì)發(fā)展起著越來(lái)越重要的作用。國(guó)外專家預(yù)測(cè)，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車(chē)．計(jì)算機(jī)之后出現(xiàn)的一種新的大型高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。隨著我國(guó)企業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提高、人民生活需求水平的提高，機(jī)器人市場(chǎng)也會(huì)越來(lái)越大，這就給機(jī)器人研究、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)者帶來(lái)巨大商機(jī)，目前中科院常州中心常州機(jī)械電子工程研究所致力于機(jī)器人及智能裝備技術(shù)的開(kāi)發(fā)。
國(guó)外：在國(guó)外，應(yīng)用于制造業(yè)的機(jī)器人取得了較顯著進(jìn)展，已成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備而得到工業(yè)界廣泛應(yīng)用，從而也形成了一批在國(guó)際上較有影響力的、知名機(jī)器人公司。如德國(guó)的KUKA、瑞典的ABB、日本的安川等。據(jù)專家預(yù)測(cè)，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車(chē)、計(jì)算機(jī)之后出現(xiàn)的一種新的大型高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。據(jù)聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)(UNECE)和國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)(IFR)的統(tǒng)計(jì)，2002年至2004年，世界機(jī)器人市場(chǎng)年增長(zhǎng)率平均在10%左右，2005年達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的30%，2007年全球機(jī)器人實(shí)際安裝量達(dá)到650萬(wàn)臺(tái)，機(jī)器人安裝量比2006年增加3%，達(dá)到了114365臺(tái)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)全球機(jī)器人行業(yè)發(fā)展迅速，2008年全球機(jī)器人行業(yè)總銷售量比2006年增長(zhǎng)25％。而無(wú)論在使用、生產(chǎn)還是出口方面，日本一直是全球領(lǐng)先者，目前日本已經(jīng)有130余家專業(yè)的機(jī)器人制造商。世界各國(guó)主要行業(yè)對(duì)機(jī)器人的需求詳人已應(yīng)用在汽車(chē)制造廠的焊裝線上，我國(guó)現(xiàn)有機(jī)器人研究開(kāi)發(fā)和應(yīng)用工程單位200多家，其中從事機(jī)器人研究和應(yīng)用的有75家，共開(kāi)發(fā)生產(chǎn)各類機(jī)器人約3000多臺(tái)，90%以上用于生產(chǎn)，引進(jìn)機(jī)器人做應(yīng)用工程的約1000多臺(tái)。在國(guó)內(nèi)，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)剛剛起步，但增長(zhǎng)的勢(shì)頭非常強(qiáng)勁，我國(guó)機(jī)器人經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展已在產(chǎn)業(yè)化的道路上邁開(kāi)了步伐。近幾年，我國(guó)應(yīng)用于制造業(yè)的機(jī)器人及自動(dòng)化生產(chǎn)線和工程項(xiàng)目、相關(guān)產(chǎn)品的年產(chǎn)銷額已近五億元。
1.3SCARA機(jī)器人簡(jiǎn)介
SCARA機(jī)器人(如圖1一1所示)很類似人的手臂的運(yùn)動(dòng)，它包含肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)水平和垂直運(yùn)動(dòng)，在平面內(nèi)進(jìn)行定位和定向，是一種固定式的工業(yè)機(jī)器人。它具有四個(gè)自由度，其中，三個(gè)是旋轉(zhuǎn)自由度，一個(gè)是移動(dòng)自由度。3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其軸線相互平行，手腕參考點(diǎn)的位置是由兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角位移p，和pZ，及移動(dòng)關(guān)節(jié)的位移Z來(lái)決定的。這類機(jī)器人結(jié)構(gòu)輕便、響應(yīng)快，例如Adeptl型SCARA機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)10m/S，比一般的關(guān)節(jié)式機(jī)器人快數(shù)倍。它能實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)，全臂在垂直方向的剛度大，在水平方向的柔性大，具有柔順性。
圖1一1SCARA機(jī)器人
SCARA機(jī)器人最適用于平面定位，廣泛應(yīng)用于垂直方向的裝配。廣泛應(yīng)用于需要高效率的裝配、焊接、密封和搬運(yùn)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域，具有高剛性、高精度、高速度、安裝空間小、工作空間大的優(yōu)點(diǎn)。由于組成的部件少，因此工作更加可靠，減少維護(hù)。有地面安裝和頂置安裝兩種安裝方式，方便安裝于各種空間?？梢杂盟鼈冎苯咏M成為焊接機(jī)器人、點(diǎn)膠機(jī)器人、光學(xué)檢測(cè)機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、插件機(jī)器人等，效率高，占地小，基本免維護(hù)。
1.4 項(xiàng)目研究的主要內(nèi)容
本課題是要設(shè)計(jì)一個(gè)教學(xué)SCARA機(jī)器人。作為工業(yè)機(jī)器人的SCARA己有很多成熟的產(chǎn)品，但大多驅(qū)動(dòng)裝置采用伺服電機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)采用RV減速機(jī)，由這些部件構(gòu)成的整機(jī)價(jià)格昂貴，不適宜于作為教學(xué)用途。而教學(xué)機(jī)器人相對(duì)而言對(duì)運(yùn)動(dòng)精度的要求要比工業(yè)場(chǎng)合用的機(jī)器人所要求的精度低，對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和穩(wěn)定性的要求也不高，它只需具備機(jī)器人的基本元素，達(dá)到一定的精度即可。實(shí)際上由步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)精度已經(jīng)很高，能滿足教學(xué)用途，而且成本比伺服電機(jī)構(gòu)成的閉環(huán)、半閉環(huán)系統(tǒng)低很多。諧波傳動(dòng)也是精度高、傳動(dòng)平穩(wěn)并且很成熟的一項(xiàng)傳動(dòng)技術(shù)。因此自主開(kāi)發(fā)低成本的教學(xué)機(jī)器人很有意義。對(duì)本機(jī)器人的研制，擬采用步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力裝置，采用諧波減速機(jī)作為傳動(dòng)鏈的主要部件，同時(shí)輔以同步齒形帶和滾珠絲杠等零部件來(lái)構(gòu)成機(jī)器人的機(jī)械本體。
項(xiàng)目研究的總體步驟是:
選出最優(yōu)傳動(dòng)方案一一關(guān)鍵零部件選型一一機(jī)械系統(tǒng)三維建模一一零部件工程圖和總裝圖
1.5 擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題
（1）抗傾覆力矩問(wèn)題的解決。
SCARA機(jī)器人的大臂和小臂重量大，懸伸也大，造成很大的傾覆力矩，影響機(jī)器人的性能，通過(guò)合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)加以解決。
（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。結(jié)構(gòu)布置要合理，便于裝修。
第二章 SCARA機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
近年來(lái)，工業(yè)機(jī)器人有一個(gè)發(fā)展趨勢(shì):機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊化和可重構(gòu)化。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(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)外己有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。本章介紹模塊化的設(shè)計(jì)方法在SCARA機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。
2.1 SCARA機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)
SCARA機(jī)器人設(shè)計(jì)的技術(shù)參數(shù)應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，其結(jié)構(gòu)要符合機(jī)械設(shè)計(jì)原理。首先要確定其運(yùn)動(dòng)空間、外形尺寸及設(shè)計(jì)方案。
2.1.1 SCARA機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)
機(jī)構(gòu)形態(tài)
平面關(guān)節(jié)式(SCARA型)
自由度
4
負(fù)載能力
≥3 Kg
重復(fù)定位精度
±0.1mm
動(dòng)作范圍
關(guān)節(jié)Ⅰ轉(zhuǎn)動(dòng)
0～200°
關(guān)節(jié)Ⅱ轉(zhuǎn)動(dòng)
0～180°
關(guān)節(jié)Ⅲ升降
0～150mm
關(guān)節(jié)Ⅳ轉(zhuǎn)動(dòng)
0°～360°
最大速度
關(guān)節(jié)Ⅰ轉(zhuǎn)動(dòng)
180o /S
關(guān)節(jié)Ⅱ轉(zhuǎn)動(dòng)
60o /S
關(guān)節(jié)Ⅲ升降
40mm/S
關(guān)節(jié)Ⅳ轉(zhuǎn)動(dòng)
o /S
關(guān)節(jié)Ⅰ長(zhǎng)度
190mm
關(guān)節(jié)Ⅱ長(zhǎng)度
210mm
關(guān)節(jié)Ⅲ行程
150mm
最大展開(kāi)半徑
400mm
高 度
680mm
本體重量
≤50Kg
安裝環(huán)境
溫度
0～+45oC
濕度
20～80%不結(jié)露
振動(dòng)
0.5G以下
其它
避免易燃、腐蝕性氣體、液體
勿濺水、油、粉塵等
勿接近電器噪聲源
操作方式
示教再現(xiàn)/編程
電源容量
單相220V 50Hz 8A
2.1.2SCARA機(jī)器人外形尺寸與工作空間
此設(shè)計(jì)題目機(jī)器人工作半徑為400mm，高度不超過(guò)700mm。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)包括肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)及手腕，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使各關(guān)節(jié)的半徑、重量及各關(guān)節(jié)中零件裝配盡量合理，初步設(shè)計(jì)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)尺寸如下：
圖2-1 機(jī)器人外形尺寸
圖2-2 機(jī)器人最大動(dòng)作范圍示意圖
2.1.3 SCARA機(jī)器人的總體傳動(dòng)方案的確定
比較目前同類SCARA機(jī)器人本體設(shè)計(jì)方案，參考《國(guó)內(nèi)典型工業(yè)機(jī)器人圖冊(cè)》，初步選用下述傳動(dòng)方案：
（1）四旋轉(zhuǎn)自由度均選擇減速電機(jī)傳動(dòng)，精度高，傳動(dòng)比大，效率高，噪聲小，振動(dòng)小，傳動(dòng)部分的零件都是標(biāo)準(zhǔn)件，易購(gòu)買(mǎi)，安裝方便。
（2）旋轉(zhuǎn)自由度選擇減速電機(jī)和同步帶傳動(dòng)，精度高，傳動(dòng)比高，結(jié)構(gòu)緊湊。
（3）移動(dòng)選擇同步帶傳動(dòng)，傳動(dòng)精度高，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)比恒定，傳動(dòng)效率高，但安裝要求高，負(fù)載能力有限。
由于主軸處于機(jī)器人小臂末端，相對(duì)線速度大，對(duì)重量和慣量特別敏感，所以傳動(dòng)方案要求同時(shí)實(shí)現(xiàn)Ｚ軸方向直線運(yùn)動(dòng)和繞Ｚ軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并要求其結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕。因此，三四關(guān)節(jié)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)需要慎重考慮，最終選擇同步齒形帶聯(lián)合滾珠絲杠以實(shí)現(xiàn)Ｚ軸垂直（第三移動(dòng)自由度）運(yùn)動(dòng)，而用電機(jī)集成行星減速器來(lái)實(shí)現(xiàn)Ｚ軸旋轉(zhuǎn)（第四旋轉(zhuǎn)自由度）運(yùn)動(dòng)。
各關(guān)節(jié)的傳動(dòng)方案最終確定如下：
1軸（大臂回轉(zhuǎn)）：伺服電機(jī)１－－諧波減速器－－大臂
2軸（小臂回轉(zhuǎn)）：伺服電機(jī)２－－同步齒形帶－－諧波減速器－－小臂
3軸（手腕垂直直線運(yùn)動(dòng)）：伺服電機(jī)３－－同步齒形帶－－滾珠絲杠－－主軸
4軸（手腕旋轉(zhuǎn)）：伺服電機(jī)４－－行星減速器－－主軸
2.2 機(jī)器人底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本六自由度機(jī)器人除自身本體底座外（圖2-3），還配備了方形底座（圖2-4），方形底座采用M16螺栓固定于控制柜上臺(tái)面,機(jī)器人本體通過(guò)M12內(nèi)六角螺釘固定在方形底座上。
圖２－3 機(jī)器人本體底座尺寸圖
圖2-4 機(jī)器人方形底座
2.3 關(guān)節(jié)1各零件的設(shè)計(jì)計(jì)算
關(guān)節(jié)1的主要零件包括電機(jī)、減速器、轉(zhuǎn)動(dòng)軸。轉(zhuǎn)動(dòng)軸的設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)滿足扭矩及轉(zhuǎn)矩。
根據(jù)機(jī)器人外形尺寸圖及設(shè)計(jì)要求的機(jī)器人機(jī)身質(zhì)量，粗略限定各個(gè)部分的質(zhì)量為：機(jī)座，大臂質(zhì)量，小臂質(zhì)量，手腕質(zhì)量。
2.3.1 電機(jī)1及減速器的計(jì)算、選擇。
設(shè)各關(guān)節(jié)及手腕繞各自中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為、、，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:
式中：、、-----大臂、小臂、手腕的估計(jì)質(zhì)量；
、、--------各重心到第一關(guān)節(jié)處的距離，其值大約為100mm，300mm，400mm。
由于、、，故、、可忽略不計(jì)，所以軸（機(jī)座旋轉(zhuǎn)軸）的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為
機(jī)器人大臂從到所需時(shí)間為，則啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為
考慮摩擦力矩及、、，則可假定為，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。據(jù)此，選擇日本電產(chǎn)新寶（浙江）有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為WPC63-100-CND的單級(jí)諧波減速器。，其傳動(dòng)比為100，平均輸出扭矩為70.可滿足力矩要求。
表2-1減速機(jī)型號(hào)、規(guī)格 表2-2 減速機(jī)尺寸表
交流伺服電動(dòng)機(jī)，是一種將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變成軸向角位移或角速度的控制電機(jī)。輸入的電壓信號(hào)稱為控制信號(hào)或控制電壓，改變控制電壓的極性和方向改變伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。
交流伺服電動(dòng)機(jī)的輸出功率為0.1-100w，其中最常用的在30w以下。其電源頻率在50Hz時(shí)，電壓是36，110，220，380V；電源頻率是400Hz，電壓是20，26。36，115V。
自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的要求有：
良好的要可控制 單相供電時(shí)無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象
運(yùn)行穩(wěn)定 運(yùn)轉(zhuǎn)隨轉(zhuǎn)矩的增高而均勻下降
快速響應(yīng) 接到信號(hào)時(shí)快速啟動(dòng)，失去信號(hào)能自動(dòng)制動(dòng)并立刻停止轉(zhuǎn)動(dòng)。
與步進(jìn)電機(jī)相比較，在控制方式上相似（脈沖串和方向信號(hào)），但在使用性能和應(yīng)用場(chǎng)合上存在著較大的差異。
（1）控制精度不同 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為3.6°、 1.8°，五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步進(jìn)電機(jī)步距角更小。
（2）低頻特性不同步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。振動(dòng)頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動(dòng)器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動(dòng)頻率為電機(jī)空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時(shí)，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來(lái)克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象，比如在電機(jī)上加阻尼器，或驅(qū)動(dòng)器上采用細(xì)分技術(shù)等。交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能（FFT），可檢測(cè)出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。
（3）矩頻特性不同 步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300～600RPM。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000RPM或3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。
（4）過(guò)載能力不同 步進(jìn)電機(jī)一般不具有過(guò)載能力。交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過(guò)載能力。
（5）運(yùn)行性能不同 步進(jìn)電機(jī)的控制為開(kāi)環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過(guò)高或負(fù)載過(guò)大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高易出現(xiàn)過(guò)沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問(wèn)題。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過(guò)沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。
（6）速度響應(yīng)性能不同 步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要200～400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好。
因此選擇電機(jī)類型為伺服電機(jī)。
設(shè)諧波減速器的傳動(dòng)效率為，伺服電機(jī)需輸出力矩為
選擇日本富士伺服電機(jī)小慣量系列，型號(hào)為GYS201DC2-T2A，額定轉(zhuǎn)速為3000，額定功率200W，額定轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)矩為0.7，滿足要求。
表2-3 電機(jī)1型號(hào)及尺寸表
2.3.2 關(guān)節(jié)1傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)計(jì)算及校核
軸的分類：
按軸受的載荷和公用可分為：
（1）心軸：只承受彎矩不承受扭矩的軸，主要用于支撐回轉(zhuǎn)零件，如：車(chē)輛軸和滑輪軸。
（2）傳動(dòng)軸：只承受扭矩不承受彎矩或只承受很小的彎矩的軸，主要用于傳遞轉(zhuǎn)矩，如：汽車(chē)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸。
（3）轉(zhuǎn)軸：同時(shí)承受彎矩和轉(zhuǎn)矩的軸，既支撐零件又傳遞轉(zhuǎn)矩，如：減速器軸。
軸的材料：
關(guān)節(jié)1是傳動(dòng)軸，既承受轉(zhuǎn)矩也承受轉(zhuǎn)矩。軸的失效形式是疲勞斷裂，應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、韌性和耐磨性。
軸的材料從以下中選取:
（1）碳素鋼：優(yōu)質(zhì)碳素鋼具有較好的機(jī)械性能，對(duì)應(yīng)力集中敏感性較低，價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛。例如：35、45、50等優(yōu)質(zhì)碳素鋼。一般軸采用45鋼，經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)或正火處理；有耐磨性要求的軸段，應(yīng)進(jìn)行表面淬火及低溫回火處理?。輕載或不重要的軸，使用普通碳素鋼Q235、Q275等.
（2）合金鋼：具有較高的機(jī)械性能，對(duì)應(yīng)力集中比較敏感，淬火性較好，熱處理變形小，價(jià)格較貴。多使用于要求重量輕和軸頸耐磨性的軸。例如：汽輪發(fā)電機(jī)軸要求，在高速、高溫重載下工作，采用27Cr2Mo1V、38CrMoAlA等?；瑒?dòng)軸承的高速軸，采用20Cr、20CrMnTi等。?
（3）球墨鑄鐵：吸振性和耐磨性好，對(duì)應(yīng)力集中敏感低，價(jià)格低廉，使用鑄造制成外形復(fù)雜的軸。例如：內(nèi)燃機(jī)中的曲軸。
軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求有：?
（1）便于軸上零件的裝配?軸的結(jié)構(gòu)外形主要取決于軸在箱體上的安裝位置及形式，軸上零件的布置和固定方式，受力情況和加工工藝等。為了便于軸上零件的裝拆，將軸制成階梯軸，中間直徑最大，向兩端逐漸直徑減小。近似為等強(qiáng)度軸。?
（2）保證軸上零件的準(zhǔn)確定位和可靠固定?
軸上零件的軸向定位方法主要有：軸肩定位、套筒定位、圓螺母定位、軸端擋圈定位和軸承端蓋定位。
傳動(dòng)1軸的設(shè)計(jì)計(jì)算如下：
（1）選用45鋼正火處理?
（2）?由表2-4查得強(qiáng)度極限s?
（3）?由表2--4查得其許用彎曲應(yīng)力?[
材料
編號(hào)
毛坯直徑/mm
硬度
HBW
抗拉強(qiáng)度極限
拉伸屈服極限
彎曲疲勞極限
剪切疲勞極限
備注
優(yōu)質(zhì)碳素鋼
45
應(yīng)用最廣
45
應(yīng)用最廣
表2-4 軸的常用材料及其主要力學(xué)性能
按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度估算輸出端直徑
由表2-5，取A最小值A(chǔ)=103
軸的材料
Q235—A 20
Q275 35
45
、
、
表2-5 軸常用材料的許用切應(yīng)力及A值
則，取軸的直徑為整數(shù)
軸的抗扭強(qiáng)度條件為
由表1-5，取=45
滿足條件
初估軸徑后，就可按照軸上零件的安裝順序從處開(kāi)始逐段確定軸徑，上面計(jì)算的是軸段1的直徑，由于軸段1上安裝連軸器，因此軸段1直徑的確定和連軸器型號(hào)同時(shí)進(jìn)行。這次選用的是波紋管連軸器。故軸段1直徑＝20mm。
右端用軸肩固定，考慮到在軸段2上裝套筒，故取軸徑＝22mm。
在軸段3上要安裝軸承，其直徑應(yīng)該便于軸承安裝，又應(yīng)該符合軸承內(nèi)徑系列，
即軸段3的直徑應(yīng)與軸承型號(hào)的選擇同時(shí)進(jìn)行?，F(xiàn)取角接觸球軸承型號(hào)為7205，其內(nèi)徑＝25mm。通常一根軸上的兩個(gè)軸承取相同型號(hào)，故取軸段7的直徑＝25mm。
軸段4上用軸肩固定軸承，故?。?0mm。
軸段5上作成齒輪軸，尺寸與齒輪相同。
根據(jù)結(jié)構(gòu)確定軸段6的直徑＝30mm。
各軸段長(zhǎng)度的確定
各軸段長(zhǎng)度主要根據(jù)軸上零件的轂長(zhǎng)或軸長(zhǎng)零件配合部分的長(zhǎng)度確定。另一些軸段長(zhǎng)度，除與軸上零件有關(guān)外，還與箱體及軸承蓋等零件有關(guān)。
根據(jù)聯(lián)軸器取 。
考慮到套筒長(zhǎng)度取 。
根據(jù)軸承寬度取 。
根據(jù)結(jié)構(gòu) 。
圖2-5 關(guān)節(jié)1階梯軸
軸的強(qiáng)度校核：軸在初步完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，進(jìn)行校核計(jì)算。計(jì)算準(zhǔn)則是滿足軸的強(qiáng)度或剛度要求。進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況，采取相應(yīng)的方法，并恰當(dāng)?shù)剡x取其許用應(yīng)力，對(duì)于用于傳遞轉(zhuǎn)矩的軸應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算，對(duì)于只受彎矩的軸（心軸）應(yīng)按彎曲強(qiáng)度條件計(jì)算，兩者都具備的按疲勞強(qiáng)度條件進(jìn)行精確校核等。
（1）軸上的轉(zhuǎn)矩T：
主軸上的傳遞的功率：
（4-8）
求作用在齒輪上的力：
（2）畫(huà)軸的受力簡(jiǎn)圖 見(jiàn)圖4－2
（3）計(jì)算軸的支撐反力
在水平面上
在垂直面上
（4）畫(huà)彎矩圖 見(jiàn)圖2-6
在水平面上，剖面左側(cè)
剖面右側(cè)
在垂直面上
合成彎矩，剖面左側(cè)
剖面右側(cè)
（5）畫(huà)轉(zhuǎn)矩圖 見(jiàn)圖4－2
（6）判斷危險(xiǎn)截面
截面左右的合成彎矩左側(cè)相對(duì)右側(cè)大些，扭矩為T(mén)，則判斷左側(cè)為危險(xiǎn)截面，只要左側(cè)滿足強(qiáng)度校核就行了。
（7）軸的彎扭合成強(qiáng)度校核
許用彎曲應(yīng)力，，
截面左側(cè)
（8）軸的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核
查得抗拉強(qiáng)度 ，彎曲疲勞強(qiáng)度，剪切疲勞極限，等效系數(shù)，
截面左側(cè)
查得，；查得絕對(duì)尺寸系數(shù)，；軸經(jīng)磨削加工，表面質(zhì)量系數(shù)。則
彎曲應(yīng)力 ，
應(yīng)力幅
平均應(yīng)力
切應(yīng)力
安全系數(shù)
查許用安全系數(shù)，顯然，則剖面安全。
其它軸用相同方法計(jì)算，結(jié)果都滿足要求。
圖2-6 彎矩圖
2.3.3 軸承類型的選擇
主軸輸出端用一對(duì)角接觸球軸承支撐，它可以同時(shí)承受徑向載荷與軸向載荷，能在高速度下正常工作。承受軸向載荷的能力由接觸角α決定，接觸角大則承受的能力也高。代號(hào)70000AC，α=25o。
與其它軸承相比，角接觸球軸承具有以下特點(diǎn)：
（1）可同時(shí)承受徑向負(fù)荷和軸向負(fù)荷。能在較高的轉(zhuǎn)速下工作。接觸角越大，軸向承載力越高。高精度和高轉(zhuǎn)速軸承通常取15度的接觸角。在軸向力的作用下，接觸角會(huì)增大。
（2）單列軸承只能承受一個(gè)方向的軸向負(fù)荷，在承受徑向負(fù)荷時(shí)，將引起附加軸向力。并且只能限制或外殼在一個(gè)方向的軸向位移。若是成對(duì)雙聯(lián)安裝，使一對(duì)軸承的外圈相對(duì)，即寬端面對(duì)寬端面，窄端面對(duì)窄端面。這樣即可避免引起附加軸向力，而且可在兩個(gè)方向使軸或外殼限制在軸向游隙范圍內(nèi)。
（3）一般為內(nèi)圈或外圈帶鎖口，內(nèi)、外圈不可分離。外圈加熱膨脹后與內(nèi)圈、滾動(dòng)體、保持架組件裝配。裝球數(shù)比深溝球軸承多，額定負(fù)荷在球軸承中最大，剛性強(qiáng)，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)?？梢岳脙?nèi)、外圈相互位移調(diào)整徑向游隙。常成對(duì)使用，并施加預(yù)負(fù)荷，以提高軸承剛性。
初選單列角接觸球軸承（GB/T 292-1994）7000AC,d=10mm,基本額定載荷：Cr=4.75kN;Cor=2.12kN
軸承內(nèi)部軸向力與軸向載荷：
S=0.68FrFr為軸向力
Fa= S=0.68Fr=0.68×68=46.24N
則
Fa'=68+46.24=114.24N
==2.47>e=0.68
X=0.41,Y=0.87
軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷P=fp (XFr+YFa)
fp 為載荷系數(shù)，
P=1.1（0.41×68+0.87×114.24）=139.9N
軸承壽命
L10h=106 ×(ftC/P)ε/(60n)
ft為溫度系數(shù)，ε為壽命指數(shù)
L10h=106 ×(2200/181.9)3 /(60×3000)=34×106 >15000h
S=0.68FrFr為軸向力
Fa= S=0.68Fr=0.68×39.2=26.7N
則
Fa'=39.2+26.7=65.86N
==2.47>e=0.68
X=0.41,Y=0.87
軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷
P=fp (XFr+YFa)
fp 為載荷系數(shù)
P=1.1（0.41×39.2+0.87×65.85）=80.7N
軸承壽命
L10h=106 ×(ftC/P)ε/(60n)
ft為溫度系數(shù)，ε為壽命指數(shù)
L10h=106 ×(2200/80.7)3 /(60×3000)
=1.1×10.5>15000h
故所選軸承滿足要求。
滾珠軸承的選擇與校核計(jì)算相同。
2.4 關(guān)節(jié)2各零件的設(shè)計(jì)計(jì)算
關(guān)節(jié)2的運(yùn)動(dòng)和關(guān)節(jié)1相同，做平面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其結(jié)構(gòu)和1軸也相似，主要包括電機(jī)、減速器、主軸。考慮其結(jié)構(gòu)，為了使結(jié)構(gòu)更合理緊湊，用同步帶改變力的傳遞方向。
2.4.1 電機(jī)2及減速器的計(jì)算選型
與關(guān)節(jié)1的計(jì)算類似，忽略、，所以繞第二關(guān)節(jié)軸的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
機(jī)器人大臂從到所需時(shí)間為，則啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為
考慮摩擦力矩及、，則可假定為，取安全系數(shù)為2，則諧波減速器所需輸出最小轉(zhuǎn)矩。選擇日本電產(chǎn)新寶（浙江）有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為WPC-63-80-CN諧波減速器。其減速比為80，容許平均力矩為，可滿足設(shè)計(jì)要求。
諧波減速器規(guī)格、尺寸查表（同1軸諧波減速器）。
伺服電機(jī)2需輸出的力矩為
選擇日本富士伺服電機(jī)小慣量系列，型號(hào)為GYS101DC2-T2C，額定轉(zhuǎn)速為3000，額定功率100W，額定轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)矩為0.32，可滿足輸出力矩要求。其規(guī)格、尺寸查表（同電機(jī)1）。
2.4.2 同步齒形帶的選型計(jì)算
為減少機(jī)器人整體尺寸，2軸采用伺服電機(jī)、同步帶、諧波減速器的驅(qū)動(dòng)方式。
2軸電機(jī)為GYS101DC2-T2C型，功率100W，額定轉(zhuǎn)速3000r/min。此處傳動(dòng)比，同步帶主要起改變傳動(dòng)方向的作用，并不改變輸出力矩。
（1）確定齒形帶的計(jì)算功率。
同步齒形帶傳遞的功率隨載荷性質(zhì)、速度增減和張緊輪的配置而變化。其功率為
式中：--------考慮載荷性質(zhì)和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的工況修正系數(shù)，其值見(jiàn)表2-6，查表確定。
載荷性質(zhì)
每天工作小時(shí)數(shù)/h
變化情況
瞬時(shí)峰值載荷及額定工作載荷
平穩(wěn)
1.4
小
較大
很大
表2-6 同步帶的工況修正系數(shù)
P---------傳遞的功率。
則同步帶的計(jì)算功率為
（2）選定帶型和節(jié)距。
根據(jù)圓弧齒形帶選型圖（表2-7），功率，轉(zhuǎn)速，可選3M同步齒形帶，節(jié)距。
（3）大小帶輪齒數(shù)及節(jié)圓半徑。
根據(jù)帶輪轉(zhuǎn)速和帶型3M，根據(jù)表2-8可確定小帶輪的最小齒數(shù)。此設(shè)計(jì)中，由于安裝尺寸限制，2軸選擇小齒輪齒數(shù)為40。
則帶輪節(jié)圓直徑為
因?yàn)槭峭葌鲃?dòng)，傳動(dòng)比為1，故，兩帶輪型號(hào)和尺寸完全相同。
表2-7圓弧齒同步帶選型圖
帶輪轉(zhuǎn)速/
帶型
3M
5M
8M
14M
20M
-
-
-
-
-
表2-8帶輪最小齒數(shù)
（4）同步帶帶速計(jì)算。
（5）初選中心距。
中心距滿足下述條件
，即
根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸要求，確定。
（6）帶長(zhǎng)及其齒數(shù)確定。
帶長(zhǎng)根據(jù)下式計(jì)算
根據(jù)圓弧齒同步帶長(zhǎng)度系列查得，其節(jié)線長(zhǎng)，節(jié)線上的齒數(shù)。
同步帶實(shí)際中心距為
式中
故中心距為
小帶輪嚙合齒數(shù)為
（7）基本額定功率。
當(dāng)齒數(shù)40，小帶輪轉(zhuǎn)速3000時(shí)，基本額定功率為0.3kW，滿足設(shè)計(jì)要求。
（8）要求帶寬。
式中：-----嚙合系數(shù)，因，取=1；
-----帶長(zhǎng)系數(shù)，按表可查得;
-----帶基準(zhǔn)寬度，查表確定=6mm。
根據(jù)上式，要求帶寬，取。
（9）作用在軸上的力。
緊邊張力
松邊張力
（10）帶輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
綜上，2軸同步帶的型號(hào)最終確定為40-3M-9，按照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》進(jìn)行設(shè)計(jì)。
2.5 關(guān)節(jié)3各零件的設(shè)計(jì)計(jì)算
關(guān)節(jié)3通過(guò)絲杠使機(jī)器人手臂做上下平移運(yùn)動(dòng)，此關(guān)節(jié)主要進(jìn)行絲杠螺母的設(shè)計(jì)計(jì)算。
2.5.1 絲杠螺母的設(shè)計(jì)及校核
3軸為直線驅(qū)動(dòng)，選擇絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)，從而實(shí)現(xiàn)腕部的升降。
滾珠絲杠主要有如下特點(diǎn)：傳動(dòng)效率高，摩擦力矩小、傳動(dòng)具有可逆性、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)爬行現(xiàn)象，傳動(dòng)精度高、定位精度與重復(fù)定位精度高、使用壽命長(zhǎng)、同步性好，實(shí)用可靠，潤(rùn)滑簡(jiǎn)單，維修方便。
支承方式的選擇：
兩端固定：固定前為減少因絲杠自重的下垂和熱補(bǔ)償應(yīng)進(jìn)行預(yù)拉伸。兩端各采用一個(gè)角接觸球軸承，外圈定位，內(nèi)圈分別用螺母進(jìn)行限位和預(yù)緊；調(diào)節(jié)軸承的間隙，并根椐預(yù)計(jì)進(jìn)行溫升產(chǎn)生的熱膨脹量對(duì)絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸。只要實(shí)際溫升不超過(guò)預(yù)計(jì)溫升，這種支承方式就不會(huì)產(chǎn)生軸向間隙。
為進(jìn)行滾珠絲杠的選擇，需要計(jì)算滾珠絲杠的負(fù)載、最大動(dòng)載荷、傳動(dòng)效率，并進(jìn)行剛度的驗(yàn)算。
（1）計(jì)算滾珠絲杠的負(fù)載。
由于3軸為豎直安裝，滾珠絲杠負(fù)載力主要包括手腕和負(fù)載本身的重力和加速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力。
如前所述，設(shè)手腕的質(zhì)量，負(fù)載質(zhì)量，第3軸運(yùn)動(dòng)的直線加速度最大為（加速到40mm/s所用的時(shí)間為4ms），則機(jī)器人手腕加速時(shí)產(chǎn)生的慣性力為：
手腕的重力為：
則絲杠軸所受的最大負(fù)載力為
式中：K-----參考系數(shù)，其與導(dǎo)軌類型有關(guān)，見(jiàn)表2-9。
（2）計(jì)算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速。
設(shè)計(jì)要求3軸的直線速度，假設(shè)絲杠導(dǎo)程P=2mm，則絲杠的轉(zhuǎn)速為
（3）計(jì)算滾珠絲杠的最大動(dòng)載荷。
根據(jù)負(fù)載力的大小，可計(jì)算滾珠絲杠的最大動(dòng)載荷。最大動(dòng)載荷的計(jì)算公式為
式中：-----滾珠絲杠的壽命，且
其中，T為使用壽命，普通機(jī)械取h，數(shù)控機(jī)床及一般機(jī)電設(shè)備取T=15000h，這里取T=15000h，n為絲杠的轉(zhuǎn)速（r/min），根據(jù)前述計(jì)算結(jié)果，取n=1200r/min；
-----載荷系數(shù)，其選擇可參考表2-9；這里取=1；
-----硬度系數(shù)。當(dāng)絲杠的硬度時(shí)，取=1.0；當(dāng)絲杠的硬度時(shí)，取=1.11；當(dāng)絲杠的硬度時(shí)，取=1.56；當(dāng)絲杠的硬度時(shí)，取=2.4；
-----滾珠絲杠的最大工作載荷（N），根據(jù)上述計(jì)算，=172N。
運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)
平穩(wěn)或輕度沖擊
中等沖擊
較大沖擊或振動(dòng)
表2-9 載荷系數(shù)
代入以上數(shù)據(jù)，可得滾珠絲杠的最大動(dòng)載荷為
據(jù)此，初步選擇日本精工株式會(huì)社NSK，KA系列滾珠絲杠，其公稱直徑，螺距，額定動(dòng)載荷
其他尺寸參數(shù)見(jiàn)下表2-10~2-16
用途
工業(yè)用機(jī)器人
正交坐標(biāo)型
垂直多關(guān)節(jié)型
精
度
等
級(jí)
組裝
其他
組裝
其他
C0
C1
C2
C3
C5
Ct7
Ct10
表2-10 不同用途區(qū)分的滾珠絲杠精度等級(jí)表
軸徑
導(dǎo)程
行程
表2-11 不銹鋼KA系列的絲杠軸外徑和導(dǎo)程的組合
軸外徑
C0
C1
C2
C3
C5
表2-12 絲杠軸全長(zhǎng)的制造范圍
軸徑
導(dǎo)程
表2-13 絲杠軸外徑及導(dǎo)程的組合 D----內(nèi)循環(huán)式
表2-14 螺母型號(hào)及規(guī)格
表2-15 法蘭形狀
表2-16 軸端形狀及尺寸
（1）剛度的驗(yàn)算。
滾珠絲杠屬于受軸向力的細(xì)長(zhǎng)桿，如果軸向負(fù)載過(guò)大，則可能產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷應(yīng)滿足
式中：-----臨界載荷（N）；
E-----絲杠材料的彈性模量，材料為鋼，；
I-----按絲杠底徑確定的截面慣性矩，且；
-----絲杠支撐系數(shù)，其參考數(shù)值見(jiàn)表2-17；
K-----壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.5~4，垂直安裝時(shí)取最小值；
a-----滾珠絲杠兩端支撐件的距離，單位為mm。
安裝方式
雙推-自由
雙推-簡(jiǎn)支
雙推-雙推
雙推-單推
表2-17 絲杠支撐系數(shù)
由此，可計(jì)算絲杠失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷為
綜上，初選的滾珠絲杠滿足設(shè)計(jì)要求。
（2）計(jì)算傳動(dòng)效率。
滾珠絲杠的傳動(dòng)效率一般在0.8~0.9，可由下式計(jì)算：
式中：-----絲杠的螺旋角，可由下式算出
-----摩擦角，一般取10’。
由此可計(jì)算出滾珠絲杠的傳動(dòng)效率為
2.5.2 絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算
光杠的功用是承受載荷和導(dǎo)向。
光杠設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的要求
導(dǎo)向精度高，承載能力大，剛度好；精度保持性好，壽命長(zhǎng)；摩擦阻力小，低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性良好，便于加工、裝配、調(diào)整和維修；生產(chǎn)成本低。
光杠類型的選擇
按導(dǎo)軌面的摩擦性質(zhì)可分為滑動(dòng)導(dǎo)軌事和滾動(dòng)導(dǎo)軌副。滑動(dòng)導(dǎo)軌副優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便和抗震性能良好，缺點(diǎn)是功率損耗大，磨損快。與滑動(dòng)導(dǎo)軌相比，滾動(dòng)導(dǎo)軌具有磨擦因數(shù)小，動(dòng)、靜摩擦因數(shù)很接近。因此，摩擦力小，啟動(dòng)輕便，運(yùn)動(dòng)靈敏，不易爬行；磨損小，精度保持性好，壽命長(zhǎng)；具有較高的重復(fù)定位精度，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)；可采用油脂潤(rùn)滑，潤(rùn)滑系統(tǒng)簡(jiǎn)單。在此設(shè)計(jì)選用滾動(dòng)類型的光杠。
每根絲杠配以兩根光杠，受到的最大拉力為68N
F'=68/2=34N
根據(jù)建導(dǎo)軌的彎曲變形來(lái)設(shè)計(jì)導(dǎo)軌，抗彎截面系數(shù)：
[W]=πd3/32=3.14×203/32=785mm3
M=34×0.36=12.24N·m
σ= M/[W]<[σ]
則心軸滿足強(qiáng)度要求，并且有很大的安全的儲(chǔ)備。
光杠由于各方面要求不是很高，可自主加工生產(chǎn)。
軸承采用深溝球軸承
軸向力Fr=50/2=25N,
徑向力Fa =50tan60=86.6N, 取90N
當(dāng)量動(dòng)載荷：P=fp (XFr + Ya)Fa /Fr=90/25>e
e為判斷系數(shù)，它反映了軸向載荷對(duì)軸承承載能力的影響。
查表得：
X=0.56 Y=1.71
P=1(0.56×50+1.71×90)=181.9N
軸承壽命
L10h=106 ×(ftC/P)ε/(60n)
ft為溫度系數(shù)，ε為壽命指數(shù)
L10h=106 ×(2200/181.9)3 /(60×3000)
=34×106 >15000h
故所選軸承滿足要求。
2.5.3 電機(jī)3的選型計(jì)算
由于負(fù)載不大，因此3軸不采用減速器，而由電機(jī)通過(guò)同步帶直接驅(qū)動(dòng)絲杠進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，根據(jù)功率相等的原則，有
式中：F-----軸向力；
T-----電機(jī)力矩；
V-----直線運(yùn)動(dòng)速度；
----電機(jī)轉(zhuǎn)速；
-----絲杠的傳動(dòng)效率。
由于
則電機(jī)輸出力矩可由下式計(jì)算
考慮到同步帶的傳動(dòng)效率以及摩擦等因素，取安全系數(shù)為2，則電機(jī)所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為。
由于此軸為無(wú)減速傳動(dòng)，故所需的電機(jī)的轉(zhuǎn)速與絲杠的轉(zhuǎn)速相同。
根據(jù)以上電機(jī)力矩和轉(zhuǎn)速的要求，選取3軸電機(jī)為富士GYS101DC2-T2C伺服電機(jī)，額定功率100W，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min時(shí)轉(zhuǎn)矩為0.318，滿足設(shè)計(jì)要求。
2.5.4 3軸同步帶的選型計(jì)算
3軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)為GYS101DC2-T2C。功率為100W，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，傳動(dòng)比i=1.
設(shè)計(jì)計(jì)算與2軸相似，帶輪齒數(shù)為24，則小帶輪節(jié)圓直徑為
同步帶帶速計(jì)算
，即
初選中心距滿足下述條件
由于結(jié)構(gòu)限制，確定=70mm
帶長(zhǎng)為
根據(jù)圓弧齒形帶長(zhǎng)度系列差得，其節(jié)線長(zhǎng)，齒數(shù)為Z=45。
同步帶實(shí)際中心距為
式中
代入后得
小帶輪嚙合齒數(shù)為
當(dāng)齒數(shù)24，轉(zhuǎn)速3000r/min，基本額定功率為0.16kW，滿足設(shè)計(jì)要求。
要求帶寬為
可取帶寬為9mm。
綜上，3軸的同步帶型號(hào)可確定為24-3M-9。
2.6 關(guān)節(jié)4各零件設(shè)計(jì)計(jì)算
關(guān)節(jié)4做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，電機(jī)通過(guò)減速器控制旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)。
2.6.1 電機(jī)4 及減速器的選型計(jì)算
與以上計(jì)算類似，4軸電機(jī)選擇步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)4選擇白山電機(jī)型號(hào)為BS42HB47-01。減速器選擇行星減速器，行星減速器為森創(chuàng)PS系列，減速比為5:1，型號(hào)為PS40-005。
表2-18 電機(jī)4型號(hào)及規(guī)格
表2-19 行星減速器規(guī)格
2.6.2 手爪安裝法蘭的設(shè)計(jì)計(jì)算
手腕軸端法蘭盤(pán)的尺寸，如圖2-6所示。安裝前端工具時(shí)， 注意與零位光電開(kāi)關(guān)之間位置方向關(guān)系。
圖2-7 手腕軸端法蘭盤(pán)尺寸圖
第3章 總結(jié)
隨著機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，其應(yīng)用必將越來(lái)越廣泛。機(jī)器人學(xué)這門(mén)課程必將越來(lái)越重要，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的缺口也必然越來(lái)大。研制教學(xué)機(jī)器人是很有必要的。
目前本設(shè)計(jì)所完成的主要工作是:在分析設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上提出SCARA機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案;用三維造型軟件完成四自由度SCARA機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成機(jī)器人整體裝配圖及主要零部件的工程圖繪制。
所設(shè)計(jì)SCARA機(jī)器人基本上實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，符合發(fā)展趨勢(shì)。三個(gè)模塊相互獨(dú)立、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零部件少、精度高、可靠性高，不僅適用于SCARA平面關(guān)節(jié)式裝配機(jī)器人設(shè)計(jì)，其一二關(guān)節(jié)模塊結(jié)構(gòu)同樣適用于其他關(guān)節(jié)式機(jī)器人前端轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)。采用特殊軸承和特殊的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)解決了機(jī)器人的抗傾覆問(wèn)題，這種特殊結(jié)構(gòu)有益于提高系統(tǒng)機(jī)械性能。
分析了SCARA機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解和逆解。建立了機(jī)器人末端位姿誤差計(jì)算模型。該模型不需要進(jìn)行求導(dǎo)，只需進(jìn)行相應(yīng)的矩陣乘法運(yùn)算。該位姿變換方程與位姿誤差模型同樣適用于運(yùn)動(dòng)部件間存在坐標(biāo)變換的復(fù)雜系統(tǒng)。
通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)，讓我靈活運(yùn)用知識(shí)的能力有了全面的提高，讓我增加在工作崗位上大干一場(chǎng)的信心，也讓我認(rèn)識(shí)到我國(guó)機(jī)械工業(yè)的發(fā)展與世界先進(jìn)水平還有差距，我們肩負(fù)責(zé)任重大。
畢業(yè)設(shè)計(jì)作為一個(gè)教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，是學(xué)生走向工作崗位前的一次難得的實(shí)習(xí)機(jī)會(huì)，也是培養(yǎng)合格機(jī)械工程人才的重要一步。這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)是我人生中一段難得的經(jīng)歷?；叵胍幌逻^(guò)程：深深體會(huì)到了“絕知此事要軀行”的含義。無(wú)論從開(kāi)始的論文資料收集到外文翻譯與設(shè)計(jì)制圖都遇到了許多意想不到的問(wèn)題。在老師與同組同學(xué)的幫助下，困難一一克服，理論知識(shí)和實(shí)際工作良好的結(jié)合起來(lái)，使我的設(shè)計(jì)能力得到進(jìn)一步的提高。
由水平有限，又是第一次較完整地接觸一個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)，所以設(shè)計(jì)中必然存在著許多不足的地方，甚至難免會(huì)有一些錯(cuò)誤，希望各位老師指正，我將會(huì)虛心改正。
明天是嶄新的，我相信，成功來(lái)于我們的不斷努力！
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謝 辭
本文是在尊敬的導(dǎo)師高金剛副教授的精心指導(dǎo)下完成的。高老師師淵博的學(xué)識(shí)、開(kāi)闊的視野、敏銳的洞察力、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、求實(shí)創(chuàng)新的工作作風(fēng)，永遠(yuǎn)是我學(xué)習(xí)的榜樣，也將始終引導(dǎo)和激勵(lì)著學(xué)生在科學(xué)技術(shù)的殿堂里探索前進(jìn)。老師令人敬佩的平易近人的處世方式也為學(xué)生樹(shù)立了榜樣。學(xué)生所取得的每一點(diǎn)點(diǎn)成績(jī)和每一次的進(jìn)步，無(wú)不凝聚著老師大量的心血。在此論文完成之際，謹(jǐn)向高老師致以最崇高的敬意和衷心的感謝。高老師全面活躍的思維方式、一絲不茍的治學(xué)態(tài)度和勤奮務(wù)實(shí)的工作作風(fēng)給我留下了深刻的印象，并將使我受益終生。感謝我的家人。他們的支持和理解是我完成學(xué)業(yè)的前提和動(dòng)力。沒(méi)有他們的支持我不可能順利完成我的學(xué)業(yè)。值此論文完成之際，向所有給予我關(guān)心和幫助的老師、同學(xué)和親友致以深深的謝意和美好的祝福。
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