水平4關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
水平4關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),水平,關(guān)節(jié),工業(yè),機(jī)器人,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
水平4關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
所在學(xué)院
專 業(yè)
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姓 名
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年 月 日
摘 要
機(jī)器人既有人對(duì)環(huán)境的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它是機(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。如今，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)。
關(guān)鍵詞：機(jī)器人；工業(yè)；傳動(dòng)；強(qiáng)度
III
Abstract
Robot people on the environment both rapid reaction and analytical skills, but also the machine can continue to work long hours，High accuracy, ability to resist bad environmental，In a sense it is a product of the evolution of the machine，It is the industrial and non-industrial sector, an important production and service equipment，Advanced manufacturing technology is indispensable automation equipment。Today, the robot industry has become the industry closely watched around the world.
Key Words: Robot; industry; transmission; strength
目 錄
摘 要 2
Abstract III
目 錄 1
第1章 緒論 2
1.1 機(jī)器人概念 2
1.2 課題研究的背景和意義 2
1.3 國(guó)內(nèi)機(jī)器人的研究 3
1.4 本課題研究?jī)?nèi)容 5
第2章 機(jī)器人總體設(shè)計(jì) 7
2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)類型的選擇 7
2.2 額定負(fù)載 8
2.3 工作范圍 8
2.4 操作機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8
2.5 控制系統(tǒng)選擇 9
第3章 SCARA機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10
3.1 SCARA機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) 10
3.1.1 SCARA機(jī)器人的技術(shù)參數(shù) 10
3.1.2 SCARA機(jī)器人外形尺寸與工作空間 10
3.1.3 SCARA機(jī)器人的總體傳動(dòng)方案 11
3.2機(jī)器人關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)計(jì)算 11
3.2.1減速機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算 11
3.2.2電機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算 17
3.2.3同步齒型帶的設(shè)計(jì)計(jì)算 18
3.2.4滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算 19
3.3大臂和小臂機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21
3.4腕部機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 22
3.5 腰部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 23
3.6小結(jié) 26
. 總 結(jié) 27
參考文獻(xiàn) 28
致 謝 29
第1章 緒論
1.1 機(jī)器人概念
機(jī)器人（Robot）是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運(yùn)行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)。它的任務(wù)是協(xié)助或取代人類工作的工作，例如生產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)，或是危險(xiǎn)的工作。它是高級(jí)整合控制論、機(jī)械電子、計(jì)算機(jī)、材料和仿生學(xué)的產(chǎn)物。在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域中均有重要用途。
機(jī)器人是近30年發(fā)展起來的一種典型的、機(jī)電一體化的、獨(dú)立的自動(dòng)化生產(chǎn)工具。在制造工業(yè)中，應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是提高生產(chǎn)過程自動(dòng)化，改善勞動(dòng)條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一，也是新技術(shù)革命的一個(gè)重要內(nèi)容。
1.2 課題研究的背景和意義
機(jī)器人的出現(xiàn)和應(yīng)用是人類生產(chǎn)和社會(huì)進(jìn)步的需要，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)工具進(jìn)化的必然。機(jī)器人一詞最早出現(xiàn)于1920年捷克作家Karel Capek的劇本《羅薩姆的萬能機(jī)器人》中，在該劇中，機(jī)器人“Robota”這個(gè)詞的本意是指苦力，是劇作家筆下的一個(gè)具有人的外表、特征和功能的機(jī)器，是一種人造的勞動(dòng)力。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人類生活領(lǐng)域，研制具有人類外觀特征、可模擬人類行走和其他動(dòng)作的機(jī)器人一直是人類的夢(mèng)想之一。
機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)中的一個(gè)重要研究課題，而雙足機(jī)器人是機(jī)器人研究的前奏。步行技術(shù)是人與大多數(shù)動(dòng)物所具有的移動(dòng)方式，是一種高度自動(dòng)化的運(yùn)動(dòng)，雙足步行系統(tǒng)具有非常復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)于環(huán)境具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，它相對(duì)輪式、履帶式機(jī)器人具有無可比擬的優(yōu)越性，它可以進(jìn)入狹窄的作業(yè)空間，也可跨越障礙、上下臺(tái)階、斜坡及在不平整地面上工作，可以護(hù)理老人、康復(fù)醫(yī)學(xué)以及在一般家庭的家政服務(wù)都可以應(yīng)用。它適應(yīng)環(huán)境的能力更強(qiáng)，因此具有更加廣泛的應(yīng)用前景。
在機(jī)器人的研制中，機(jī)器人仿真是機(jī)器人研究的一項(xiàng)重要的內(nèi)容，它涉及機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)器人零件建模、仿真機(jī)器人三維實(shí)現(xiàn)和機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，是一項(xiàng)綜合性有創(chuàng)新意義和實(shí)用價(jià)值的研究課題。仿真利用計(jì)算機(jī)可視化和面向?qū)ο蟮氖侄?，模擬機(jī)器人的動(dòng)態(tài)特性，幫助研究人員了解機(jī)器人工作空間的形態(tài)及極限，提示機(jī)構(gòu)的合理運(yùn)動(dòng)方案及有效的控制算法，從而解決在機(jī)器人設(shè)計(jì)、制造以及運(yùn)行過程中的問題，避免了直接操作實(shí)體可能會(huì)造成的事故或者不必要的損失。仿真也為機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，并在這臺(tái)機(jī)器上模擬能都實(shí)現(xiàn)的功能，使用戶直接看到設(shè)計(jì)效果，及時(shí)找出缺點(diǎn)和不足進(jìn)行改進(jìn)，避免了大量的物力、人力的浪費(fèi)[1，2]。
1.3 國(guó)內(nèi)機(jī)器人的研究
國(guó)內(nèi)機(jī)器人的研究也在863計(jì)劃和自然科學(xué)基金的支持下持續(xù)開展了多年，如國(guó)防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等，都先后開始研制機(jī)器人樣機(jī)[4]。
據(jù)日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，早期的日本工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)年產(chǎn)值約為50億日元，經(jīng)過70年代的應(yīng)用期和80年代的普及期，1981年產(chǎn)值達(dá)到1000億日元，到1991年提高到6000億日元，到2000年，其產(chǎn)值達(dá)到10800億日元，2005年將達(dá)到18500億日元。
據(jù)國(guó)際機(jī)器人協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2003年工業(yè)機(jī)器人發(fā)貨量呈現(xiàn)強(qiáng)勁增長(zhǎng)勢(shì)頭。與2002年相比，2003年全球范圍內(nèi)機(jī)器人的訂貨量增長(zhǎng)約10%以上。預(yù)計(jì)，工業(yè)機(jī)器人的世界市場(chǎng)將從2002年的68600臺(tái)套增長(zhǎng)到2006年的91100多臺(tái)套，年平均增長(zhǎng)7.4%。
（2）國(guó)外工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)
機(jī)器人涉及到機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域，是多種高新技術(shù)發(fā)展成果的綜合集成。因此它的發(fā)展與上述學(xué)科發(fā)展密切相關(guān)。機(jī)器人在制造業(yè)的應(yīng)用范圍越來越廣闊，其標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的程度也越來越高，功能越來越強(qiáng)，并向著成套技術(shù)和裝備的方向發(fā)展。機(jī)器人應(yīng)用從傳統(tǒng)制造業(yè)向非制造業(yè)轉(zhuǎn)變，向以人為中心的個(gè)人化和微小型方向發(fā)展，并將服務(wù)于人類活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域?？傏厔?shì)是從狹義的機(jī)器人概念向廣義的機(jī)器人技術(shù)（RT）概念轉(zhuǎn)移；從工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)向解決工程應(yīng)用方案業(yè)務(wù)的機(jī)器人技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。機(jī)器人技術(shù)（RT）的內(nèi)涵已變?yōu)椤办`活應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)的、具有實(shí)在動(dòng)作功能的智能化系統(tǒng)。”目前，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)正在向智能機(jī)器和智能系統(tǒng)的方向發(fā)展，其發(fā)展趨勢(shì)主要為：結(jié)構(gòu)的模塊化和可重構(gòu)化；控制技術(shù)的開放化、PC化和網(wǎng)絡(luò)化；伺服驅(qū)動(dòng)技 術(shù)的數(shù)字化和分散化；多傳感器融合技術(shù)的實(shí)用化；工作環(huán)境設(shè)計(jì)的優(yōu)化和作業(yè)的柔性化以及系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化 和智能化等方面。
工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動(dòng)化裝備。自從1962年美國(guó)研制出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人以來，機(jī)器人技術(shù)及其產(chǎn)品發(fā)展很快，已成為柔性制造系統(tǒng)(FMS)、自動(dòng)化工廠(FA)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)的自動(dòng)化工具。
? 廣泛采用工業(yè)機(jī)器人，不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對(duì)保障人身安全，改善勞動(dòng)環(huán)境，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義。和計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一樣，工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用正在日益改變著人類的生產(chǎn)和生活方式。
1.2.1、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀
國(guó)外專家預(yù)測(cè)，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車、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)，世界機(jī)器人市場(chǎng)前景看好，從20世紀(jì)下半葉起，世界機(jī)器人產(chǎn)業(yè)一直保持著穩(wěn)步增長(zhǎng)的良好勢(shì)頭。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，機(jī)器人產(chǎn)品發(fā)展速度加快，年增長(zhǎng)率平均在10％左右。2004年增長(zhǎng)率達(dá)到創(chuàng)記錄的20％。其中，亞洲機(jī)器人增長(zhǎng)幅度最為突出，高達(dá)43%。經(jīng)過四十多年的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人已在越來越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用。在制造業(yè)中，尤其是在汽車產(chǎn)業(yè)中，工業(yè)機(jī)器人得到了廣泛的應(yīng)用。如在毛坯制造(沖壓、壓鑄、鍛造等)、機(jī)械加工、焊接、熱處理、表面涂覆、上下料、裝配、檢測(cè)及倉庫堆垛等作業(yè)中，機(jī)器人都已逐步取代了人工作業(yè)。
圖1一1SCARA機(jī)器人
1.4 本課題研究?jī)?nèi)容
以北301實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的機(jī)器人為原型，對(duì)其具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù)要求如下：
工作半徑：800mm；
負(fù)載：5kg；
關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍：
軸1旋轉(zhuǎn)+125°－ -125°，速度 250°/s
軸2旋轉(zhuǎn)+145°－ -145°，速度 250°/s
軸3手臂200mm，速度 1500mm/s
軸4手腕+360°－ -360°，速度 320°/s
重復(fù)定位精度：0.5mm。
完成以下幾方面的具體設(shè)計(jì)：
1、 4個(gè)關(guān)節(jié)伺服電機(jī)的選型、機(jī)械減速驅(qū)動(dòng)方案的確定；
2、 整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真；
3、 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮關(guān)節(jié)潤(rùn)滑、導(dǎo)線進(jìn)出等；
4、機(jī)構(gòu)整體剛度要進(jìn)行校核。
第2章 機(jī)器人總體設(shè)計(jì)
2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)類型的選擇
為實(shí)現(xiàn)總體機(jī)構(gòu)在空間的位置提供的4個(gè)自由度，可以有不同的運(yùn)動(dòng)組合，根據(jù)本課題可以將其設(shè)計(jì)成以下五種方案：
a.圓柱坐標(biāo)型 這種運(yùn)動(dòng)形式是通過一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)移動(dòng)，共三個(gè)自由度組成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，工作空間圖形為圓柱型。它與直角坐標(biāo)型比較，在相同的工作空間條件下，機(jī)體所占體積小，而運(yùn)動(dòng)范圍大。
b.直角坐標(biāo)型 直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，其運(yùn)動(dòng)部分由三個(gè)相互垂直的直線移動(dòng)組成，其工作空間圖形為長(zhǎng)方體。它在各個(gè)軸向的移動(dòng)距離，可在各坐標(biāo)軸上直接讀出，直觀性強(qiáng)，易于位置和姿態(tài)的編程計(jì)算，定位精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但機(jī)體所占空間體積大、靈活性較差。
c.球坐標(biāo)型 又稱極坐標(biāo)型，它由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)直線移動(dòng)所組成，即一個(gè)回轉(zhuǎn)，一個(gè)俯仰和一個(gè)伸縮運(yùn)動(dòng)組成，其工作空間圖形為一個(gè)球形，它可以作上下俯仰運(yùn)動(dòng)并能夠抓取地面上或較低位置的工件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作空間范圍大的特點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
d. 又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型，這種機(jī)器人的手臂與人體上肢類似，其前三個(gè)關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機(jī)器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂間形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和使大臂作俯仰擺動(dòng)，小臂作俯仰擺動(dòng)。其特點(diǎn)使工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，通用性強(qiáng)、能抓取靠進(jìn)機(jī)座的物體。
e.平面 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)，其工作空間的軌跡圖形，它的縱截面為矩形的同轉(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)體橫截面的大小、形狀。在水平方向有柔順性，在垂直方向有較大的剛性。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配。
對(duì)以上五種方案進(jìn)行比較：方案一不能夠完全實(shí)現(xiàn)本課題所要求的動(dòng)作；方案二體積大，靈活性差；方案三結(jié)構(gòu)復(fù)雜；方案五無法實(shí)現(xiàn)本課題的動(dòng)作。結(jié)合本課題綜合考慮決定采用方案四：機(jī)器人。此方案所占空間少，工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，工藝操作精度高。
2.2 額定負(fù)載
目前,國(guó)內(nèi)外使用的工業(yè)機(jī)器人中,其負(fù)載能力的范圍很大,最小的額定負(fù)載在5N以下,最大可達(dá)9000N。負(fù)載大小的確定主要是考慮沿機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)方向作用于機(jī)械接口處的力和扭矩。其中應(yīng)包括機(jī)器人末端執(zhí)行器的重量、抓取工件或作業(yè)對(duì)象的重量和在規(guī)定速度和加速度條件下，產(chǎn)生的慣性力矩。本課題的任務(wù)要求是保證末端能承受的最大載荷是5kg。
2.3 工作范圍
工業(yè)機(jī)器人的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機(jī)器人作業(yè)過程中的操作范圍和運(yùn)動(dòng)的軌跡來確定的,用工作空間來表示的。工作空間的形狀和尺寸則影響機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)坐標(biāo)型式、自由度數(shù)和操作機(jī)各手臂關(guān)節(jié)軸線間的長(zhǎng)度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動(dòng)范圍的選擇。
2.4 操作機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
機(jī)器人本體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它們常和執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)成一體，驅(qū)動(dòng)臂桿和載荷完成指定的運(yùn)動(dòng)。通常的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式有以下四種:
a.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。但是由于采用開環(huán)控制，沒有誤差校正能力，運(yùn)動(dòng)精度較差，負(fù)載和沖擊震動(dòng)過大時(shí)會(huì)造成“失步”現(xiàn)象。
b.直流伺服電機(jī)：直流伺服電機(jī)具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動(dòng)力矩，相對(duì)功率大及快速響應(yīng)等特點(diǎn)，并且控制技術(shù)成熟。其安裝維修方便，成本低。
c.交流伺服電機(jī)：交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，使用維修方便，與步進(jìn)電機(jī)相比價(jià)格要貴一些。隨著可關(guān)斷晶閘管GTO，大功率晶閘管GTR和場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET等電力電子器件、脈沖調(diào)寬技術(shù)(PWM)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，使交流伺服電機(jī)在調(diào)速性能方面可以與直流電機(jī)媲美。采用16位CPU+32位DSP三環(huán)(位置、速度、電流)全數(shù)字控制，增量式碼盤的反饋可達(dá)到很高的精度。三倍過載輸出扭矩可以實(shí)現(xiàn)很大的啟動(dòng)功率，提供很高的響應(yīng)速度。
d.液壓伺服馬達(dá)：液壓伺服馬達(dá)具有較大的功率/體積比，運(yùn)動(dòng)比較平穩(wěn)，定位精度較高，負(fù)載能力也比較大，能夠抓住重負(fù)載而不產(chǎn)生滑動(dòng)，從體積、重量及要求的驅(qū)動(dòng)功率這幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)考慮，不失為一個(gè)合適的選擇方案。但是，其費(fèi)用較高，其液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。為避免本系統(tǒng)也出現(xiàn)同類問題，在可能的前提下，本系統(tǒng)將盡量避免使用該種驅(qū)動(dòng)方式。
常用的驅(qū)動(dòng)器有電機(jī)和液壓、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置等。其中采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)是最常用的驅(qū)動(dòng)方式。電極驅(qū)動(dòng)具有精度高，可靠性好，能以較大的變速范圍滿足機(jī)器人應(yīng)用要求等特點(diǎn)。所以在這次設(shè)計(jì)中我選擇了直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器。因?yàn)樗哂畜w積小、轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反應(yīng)快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。
本課題的機(jī)器人將采用直流伺服電動(dòng)機(jī)。因?yàn)樗哂畜w積小、轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反應(yīng)快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。
2.5 控制系統(tǒng)選擇
對(duì)于機(jī)器人這種精度要求不高的工業(yè)機(jī)器人，大多采用示教再現(xiàn)編程。示教方式作為一種成熟的技術(shù)，易被熟悉工作任務(wù)的人員掌握。無論是手把手示教或示教盒示教，都是以在線編程，由示教操作人員操作移動(dòng)末端執(zhí)行器和手臂到所需的位置。然后記錄（存儲(chǔ)）下這些操作和數(shù)據(jù)。示教過程完成后，即可應(yīng)用，機(jī)器人以再現(xiàn)方式重復(fù)進(jìn)行示教時(shí)存于存儲(chǔ)器的點(diǎn)位、軌跡和各種操作。再現(xiàn)過程的速度可以與示教時(shí)速度不同。
利用示教手柄由人工引導(dǎo)末端執(zhí)行器經(jīng)過所要求的軌跡，此時(shí)位置傳感器就檢測(cè)出機(jī)器人操作機(jī)上各關(guān)節(jié)處的坐標(biāo)（或轉(zhuǎn)角）值，控制系統(tǒng)的裝置記錄（儲(chǔ)存）下這些數(shù)字化的數(shù)據(jù)信息。再現(xiàn)時(shí)，機(jī)器人控制系統(tǒng)重復(fù)再現(xiàn)示教者示教的軌跡和操作技能。手把手示教也能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制，所不同的是它只記錄各軌跡程序段的兩端位置。軌跡運(yùn)動(dòng)速度則按各軌跡程序段對(duì)應(yīng)的功能數(shù)據(jù)輸入。
第3章 SCARA機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
近年來，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。
3.1 SCARA機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)
3.1.1 SCARA機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)
工作半徑：800mm；
負(fù)載：5kg；
關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍：
軸1旋轉(zhuǎn)+125°－ -125°，速度 250°/s
軸2旋轉(zhuǎn)+145°－ -145°，速度 250°/s
軸3手臂200mm，速度 1500mm/s
軸4手腕+360°－ -360°，速度 320°/s
3.1.2 SCARA機(jī)器人外形尺寸與工作空間
依據(jù)設(shè)計(jì)要求，SCARA機(jī)器人的外形尺寸如圖2一1所示，工作空間如圖2一2。
圖2一1 SCARA機(jī)器人的結(jié)構(gòu)圖
3.1.3 SCARA機(jī)器人的總體傳動(dòng)方案
VR減速器是近幾年發(fā)展起來的以兩級(jí)減速和中心圓盤支撐為主的全封閉式擺線針輪減速器，與其它減速方式相比，VR減速器具有減速比大、同軸線傳動(dòng)、傳動(dòng)精度高、剛度大、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，適用于重載、高速和高精度場(chǎng)合。諧波減速器也具有傳動(dòng)比大，承載能力大，傳動(dòng)精度高，傳動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，重量輕等優(yōu)點(diǎn)，而且相對(duì)于VR減速器而一言，其制造成本要低很多，所以在本設(shè)計(jì)中采用諧波減速機(jī)。SCARA機(jī)器人大小臂均要承受軸向壓力和傾覆力矩，所以大臂和小臂均采用諧波減速機(jī)加推力向心交叉短圓柱滾子軸承結(jié)構(gòu)。而推力向心交叉短圓柱滾子軸承剛度高，能承受軸向壓力與徑向扭矩，與諧波減速機(jī)配合正符合SCAAR機(jī)器人大小臂高剛性及高的抗傾覆力矩的要求。這樣有利于縮短傳動(dòng)鏈，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)中主要是使用VR減速器或諧波減速器。由于主軸處于機(jī)器人小臂末端，相對(duì)線速度大，對(duì)重量與慣量特別敏感，所以傳動(dòng)方式要求同時(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)，并要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕。經(jīng)過比較，選擇同步齒形帶加滾珠絲杠來實(shí)現(xiàn)Z軸上下運(yùn)動(dòng)，而用同步齒形帶加帶鍵的滑動(dòng)軸套來實(shí)現(xiàn)Z軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
大臂回轉(zhuǎn):步進(jìn)電機(jī)1一>減速器一>大臂
小臂回轉(zhuǎn):步進(jìn)電機(jī)2一>小臂
主軸垂直直線運(yùn)動(dòng):步進(jìn)電機(jī)3一>同步齒形帶一>絲杠螺母一>主軸
主軸旋轉(zhuǎn):步進(jìn)電機(jī)4一>同步齒形帶一>花鍵一>主軸
3.2機(jī)器人關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)計(jì)算
3.2.1減速機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算
軸1旋轉(zhuǎn)+125°-- -125°，速度 250°/s=4pi/3rad/s
諧波齒輪傳動(dòng)簡(jiǎn)介
所謂諧波傳動(dòng)是一種靠中間柔性構(gòu)件彈性變形來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳動(dòng)的裝置的總稱。在諧波傳動(dòng)出現(xiàn)后短短的幾十年中，世界各工業(yè)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家都集中了一批研究力量，致力于這類新型傳動(dòng)的研制，幾乎對(duì)該類傳動(dòng)的整個(gè)領(lǐng)域中的全部問題均進(jìn)行了程度不同的研究。當(dāng)然，由于諧波傳動(dòng)本身所涉及問題的復(fù)雜性和廣泛性，因而有不少問題目前尚未作最后定論。
圖1 諧波齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)
諧波齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)有三個(gè)基本構(gòu)件組成，如圖2-1所示：剛輪1(Circular Spline)，柔輪2(Flexspline)和波發(fā)生器3(Wave Generator)。諧波齒輪傳動(dòng)的原理就是在柔性齒輪構(gòu)件中，通過波發(fā)生器的作用，產(chǎn)生一個(gè)移動(dòng)變形波，并與剛輪齒相嚙合，從而達(dá)到傳動(dòng)目的。
特點(diǎn)：
優(yōu)點(diǎn)：
(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕 3, 50%, 1/3
(2)傳動(dòng)比范圍大 50~300, 3000~60000
(3)同時(shí)嚙合的齒數(shù)多 30%,正是由于同時(shí)嚙合齒數(shù)多這一獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，使諧波傳動(dòng)的精度高，齒的承載能力大，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大速比、小體積。
(4)承載能力大
(5)運(yùn)動(dòng)精度高
(6)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無沖擊，噪聲小
(7)齒側(cè)間隙可以調(diào)整
(8)齒面磨損小而均勻，傳動(dòng)效率高
(9)同軸性好
(10)可實(shí)現(xiàn)向密閉空間傳遞運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力
缺點(diǎn)：
(1)柔輪周期性變形，易于疲勞損壞
(2)柔輪和波發(fā)生器的制造難度較大
(3)傳動(dòng)比的下限值高，齒數(shù)不能太少
(4)起動(dòng)力矩大，且速比越小越嚴(yán)重；
(5)諧波齒輪傳動(dòng)沒有中間軸，因而不能獲得中間速度
(6)如果結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇不當(dāng)或結(jié)構(gòu)時(shí)機(jī)不良，發(fā)熱過大，降低傳動(dòng)承載能力
齒形幾何參數(shù) 傳動(dòng)嚙合參數(shù) 結(jié)構(gòu)尺寸
表1 諧波齒輪齒形幾何參數(shù)計(jì)算公式
名稱
代號(hào)
計(jì)算公式
備注
波數(shù)
n
雙波時(shí)，n=2
波高
d
模數(shù)
m
齒距
p
柔輪齒數(shù)
剛輪固定：
柔輪固定：
剛輪齒數(shù)
剛輪固定：
柔輪固定：
齒頂高
齒根高
頂隙
分度圓齒厚
剛輪分度圓直徑
剛輪齒頂圓直徑
剛輪齒壓力角
雙波時(shí)，
柔輪分度圓直徑
柔輪齒頂圓直徑
柔輪齒壓力角
雙波時(shí)，
剛輪齒根圓直徑
柔輪齒根圓直徑
表2 諧波齒輪傳動(dòng)的嚙合參數(shù)選擇及幾何計(jì)算
名稱
代號(hào)
計(jì)算公式
備注
齒頂高系數(shù)
頂隙系數(shù)
柔輪變位
系數(shù)
對(duì)于柔性軸承已按標(biāo)準(zhǔn)選定的，
--柔性軸承的外徑；
--壁厚；
對(duì)于動(dòng)力傳動(dòng)和傳遞運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)，可按照《諧波齒輪傳動(dòng)的理論和設(shè)計(jì)》（沈允文.1985）圖4-9選擇
剛輪變位
系數(shù)
大致可??；
對(duì)于齒嚙式輸出聯(lián)接的剛輪，大致?。?
；
根據(jù)具體情況可作適當(dāng)調(diào)整
柔輪齒根圓直徑
為了防止齒頂變尖和嚙入瞬時(shí)產(chǎn)生齒頂干涉，因而采用縮短齒頂高的辦法
柔輪齒頂圓直徑
徑向變形
系數(shù)
一般可取：
最大嚙入
深度
（又稱齒廓工作段高）
從提高傳動(dòng)承載能力的角度出發(fā)，必須保證
對(duì)于的傳動(dòng)，
受到齒頂變尖的限制，同時(shí)受到用插齒刀能否加工出所需剛輪齒根圓直徑的條件限制
剛輪齒頂圓直徑
剛輪的齒頂圓和齒根圓直徑是根據(jù)在齒輪嚙入深度處保證有必要的徑向間隙以及消除過度曲線干涉的條件下確定的
剛輪齒根圓直徑
基準(zhǔn)齒形角
當(dāng)時(shí)，與相對(duì)應(yīng)的柔輪之節(jié)圓壓力角應(yīng)為
采用壓力角時(shí)，柔輪中應(yīng)力有所減小
柔輪基圓
直徑
柔輪分度圓直徑
柔輪分度圓齒厚
剛輪基圓
直徑
剛輪分度圓直徑
剛輪分度圓齒厚
測(cè)量用圓柱直徑
柔輪分度圓齒厚改變系數(shù)
剛輪分度圓齒厚改變系數(shù)
測(cè)量柔輪時(shí)量柱中心所在遠(yuǎn)上的漸開線壓力角
測(cè)量剛輪時(shí)量柱中心所在遠(yuǎn)上的漸開線壓力角
測(cè)量柔輪時(shí)用的量柱測(cè)量距
測(cè)量剛輪時(shí)用的量柱測(cè)量距
表3 圓柱形柔輪結(jié)構(gòu)尺寸
名稱
代號(hào)
參數(shù)計(jì)算
備注
柔輪長(zhǎng)度
一般，
；
對(duì)于齒式聯(lián)接結(jié)構(gòu)的柔輪，可取
；
對(duì)于短筒柱形柔輪，
對(duì)于整體式柔輪，取偏大值；
輕載時(shí)d值可適當(dāng)減小，重載時(shí)可適當(dāng)增大；
塑性柔輪壁厚為鋼制柔輪的2~3倍
柔輪壁厚
或者：
柔輪光滑筒體部分的壁厚
或者
齒圈寬度
其中，
--齒寬系數(shù)，
對(duì)于動(dòng)力傳動(dòng)，
對(duì)于傳遞運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)，
聯(lián)接齒圈的寬度
3.2.2電機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算
軸(機(jī)座旋轉(zhuǎn)軸)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為
式中:初擬機(jī)座的外徑為150mm，內(nèi)徑為100mm，帶輪直徑60mm，寬40mm.
設(shè)諧波減速器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量86BYG250B一0402電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量1540
因此自由度弓傳動(dòng)系統(tǒng)上所有慣量折算到電機(jī)軸1上的等效慣量為
電機(jī)軸扭矩為：
T=
因?yàn)樗x材料的摩擦系數(shù)f=0.002
取響應(yīng)時(shí)間△T=o.045，則
T=1.0 N.m
所選兩相混合式步進(jìn)電機(jī)YCT132-4A電機(jī)在1230rpm時(shí)扭矩為1.1N.m，滿足要求，其余幾個(gè)電機(jī)的選擇計(jì)算類似，
型 號(hào)?
Model
標(biāo)稱功率
Momical
Power
Kw
額定轉(zhuǎn)矩?
Rated
torque
Nm
調(diào)速范圍?
Adjustable
apeed range
r/min
轉(zhuǎn)速變化率?
Speed
variation
ratio
%
噪音?
Noise
[dB（A）]
（≤)
重量?
WeightKg
YCT90-4A
0.37
2.3
1200~120
≤ 2.5
73
33
YCT112-4A
0.55
3.6
1230~125
75
55
YCT112-4B
0.75
4.9
1230~125
75
60
YCT132-4A
1.1
7.1
1230~125
75
85
3.2.3同步齒型帶的設(shè)計(jì)計(jì)算
考慮到整體結(jié)構(gòu)，選擇一對(duì)直徑40mm左右的帶輪
（1）確定同步齒輪型的設(shè)計(jì)功率
同步齒型帶傳遞的設(shè)計(jì)功率隨載荷性質(zhì)、速度增減和張緊輪的配置而變化。令K1為考慮載荷性質(zhì)和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的工況修正系數(shù)，K2為考慮增速的修正系數(shù)，K3為考慮張緊輪的修正系數(shù)。
設(shè)計(jì)功率為:
(2) 選擇帶型和帶輪節(jié)徑及齒數(shù)
參照“同步帶選型圖”選擇帶型為L(zhǎng)型，則選擇帶輪20L050，節(jié)徑40.64mm，外徑39.88mm，齒數(shù)為20，節(jié)距P。=9.525mm。接下來驗(yàn)算帶速，
(3)同步帶的節(jié)線長(zhǎng)度Lp，齒數(shù)Zb及傳動(dòng)中心距
初選中心距
取
圓整為370mm，則選擇長(zhǎng)度代號(hào)為143的同步帶型，齒數(shù)為38，計(jì)算實(shí)際中心距C
=89.7702
(4)確定實(shí)際嚙合齒數(shù)Zm
(5)確定實(shí)際同步帶寬度
選取同步帶的寬度為12.7mm，帶輪寬度為14+2mm
3.2.4滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算
(1)最大工作載荷計(jì)算。
工作最大負(fù)載Fz =15N，沿Z軸方向，即絲杠軸向。因此，滾珠絲杠的進(jìn)給抗力，即最大工作載荷Fm為
設(shè)橫向工作載荷為：
Fy=0.5Fz=7.5N
為導(dǎo)桿和軸套之間的摩擦系數(shù)，=0.15。
因此，絲杠最大工作載荷為
(2)最大動(dòng)負(fù)載C校核
滾珠絲杠最大動(dòng)負(fù)載
L為工作壽命，;n為絲杠轉(zhuǎn)速，
，
T為額定使用壽命(h)，取T=1500則L=60x3000x15000/=2700. 為運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，無沖擊，=1.2，因此
，
查表知FF1204-3的額定動(dòng)負(fù)載，安全裕度為：
。
靜載校核因工作載荷很小，肯定滿足條件。因此，對(duì)于該自由度的傳動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算及校核可以省略。
(3)剛度驗(yàn)算
絲杠的拉壓變形量為
δ1=
式中:L為滾珠絲杠在支撐間的受力長(zhǎng)度，取L=1mm;E=20.6x MPa;絲杠底徑dl近似為外徑和滾珠直徑之差，即=d-，絲杠外徑d=-(0.2一0.25) ，絲杠名義直徑已知12mm，查表知滾珠直徑=2.38lmm，因此絲杠底徑為=9.5mm,A=，于是拉壓變形量為δ1=16.125x120/(20.6x x70.84)=1.326x 該變量可以忽略不計(jì)，因工作載荷很小，滾道接觸變形量從略。
(4)壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算。
失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷為
采用兩端固定的支承方式，查表知支承方式系數(shù)f=0.25;I為截面慣性矩，I=/64=1091.18
L=12Omm。因此
穩(wěn)定安全裕度為
因工作負(fù)載很小，壓桿不會(huì)失穩(wěn)。
(5)傳動(dòng)效率計(jì)算
η=tg入/tg(入十Φ)
根據(jù)初選滾珠絲杠型號(hào)查表只知螺旋升角入=40o33’，摩擦角一般約為10’，則
η=tg40o33’/tg40o43’=0.96，傳動(dòng)效率高。
3.3大臂和小臂機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
如圖2一5大臂裝配結(jié)構(gòu)圖所示，機(jī)器人大臂8的驅(qū)動(dòng)電機(jī)1和諧波減速器2直聯(lián)后安裝在機(jī)器人大臂內(nèi)部。諧波減速器7的輸出軸銑成方形插入底座14內(nèi)，底座14通過螺栓13固定在機(jī)座1上。同時(shí)推力向心交叉短圓柱滾子軸承的內(nèi)圈通過螺栓n與連接板5聯(lián)結(jié)在一起，連接板通過螺栓6聯(lián)結(jié)在大臂上，推力向心交叉短圓柱滾子軸承的外圈通過螺栓2與機(jī)座1聯(lián)結(jié)在一起。當(dāng)電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，受到固定限制的減速器輸出軸不能轉(zhuǎn)動(dòng)，從而電機(jī)和減速器以及大臂反向旋轉(zhuǎn)。這樣機(jī)器人大臂就可以繞機(jī)座中心軸相對(duì)固定機(jī)座轉(zhuǎn)動(dòng)，但轉(zhuǎn)動(dòng)方向與減速機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)向相反。同時(shí)在圓周方向，固定基座應(yīng)該安裝兩個(gè)極限行程開關(guān)4和兩個(gè)限位擋塊，而運(yùn)動(dòng)體則要安裝壓板和行程觸發(fā)塊12，以限制大臂在規(guī)定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，以免機(jī)器人小臂部分在運(yùn)動(dòng)空間之外與其他設(shè)備或部件碰撞【g〕。
采用模塊化設(shè)計(jì)方法，小臂與大臂裝配結(jié)構(gòu)類似。機(jī)器人小臂電機(jī)也安裝
在小臂內(nèi)部，這樣雖然增加了小臂慣量，但有利于簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和零部件制造
工藝。傳動(dòng)原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與大臂類似，小臂裝配結(jié)構(gòu)圖略。由于三四關(guān)節(jié)所
有導(dǎo)線都要通過關(guān)節(jié)二外殼罩，所以在小臂與三四關(guān)節(jié)殼罩之間增加一段導(dǎo)線
管用來通三四關(guān)節(jié)導(dǎo)線171
3.4腕部機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖2一7腕部裝配結(jié)構(gòu)圖
1.下端蓋 2.滑塊 3.軸承套 4.絲桿 5.導(dǎo)桿 6.步進(jìn)電機(jī) 7.滾珠螺母及導(dǎo)軌滑塊 8.腕部機(jī)殼 9.步進(jìn)電機(jī) 10.同步齒形帶 11.腕部上端機(jī)殼 12.制動(dòng)塊 13.導(dǎo)桿 14.同步齒形帶 15.軸承套 16.密封圈 17.主軸
腕部裝配結(jié)構(gòu)圖如圖2一7所示。為了便于加工及保證精度，把安裝滾珠絲杠一端的端蓋3及支撐上端蓋的殼體(圖中未標(biāo)出)設(shè)計(jì)成分離式結(jié)構(gòu)，依靠殼體兩端面與小臂及上端蓋配合面來保證絲杠與主軸平行度。由于同步齒形帶要能調(diào)整中心距及帶張緊力，因此電機(jī)6先安裝在電機(jī)連接板上，然后再把連接板及上端蓋固定在一起，上端蓋用來連接電機(jī)連接板的四個(gè)孔，螺栓在兩個(gè)帶輪中心線方向上可以進(jìn)行微調(diào)。這樣在裝配時(shí)可對(duì)兩帶輪中心距及帶張緊力進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于電機(jī)13直接連接在滾珠螺母與導(dǎo)桿滑套上，這樣電機(jī)可隨著主軸一起做直線運(yùn)動(dòng)。由于滾珠絲杠沒有自鎖功能，Z軸方向又是負(fù)載作用力主方向，受結(jié)構(gòu)尺寸限制無法在電機(jī)6上加抱閘，因此在滾珠絲杠頂端安裝一個(gè)制動(dòng)器來鎖住滾珠絲杠，斷電時(shí)自動(dòng)鎖死，避免滾珠絲杠在斷電時(shí)發(fā)生滑動(dòng)。滾珠絲杠兩端都選用向心推力球軸承，此類軸承存在軸向游隙，可以防止絲杠軸向跳動(dòng)，提高主軸傳動(dòng)精度。滾珠螺母與滾珠螺母支架相連接，主軸通過兩個(gè)推力球軸承安裝在滾珠螺母支架上，主軸頂端用兩個(gè)小圓螺母加以鎖緊。導(dǎo)柱2,是否需要還有待實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。主軸升降通過限位開關(guān)控制其行程，所以在螺母支架上安裝有一擋塊，在上端相應(yīng)位置安裝有接近開關(guān)，這樣主軸離端蓋一定距離時(shí)就有信號(hào)通知運(yùn)動(dòng)控制器，限制該方向運(yùn)動(dòng)。在滾珠絲杠下端添加一個(gè)防撞的橡膠墊圈，避免滾珠螺母與小臂上表面發(fā)生剛性碰撞。
3.5 腰部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)（含齒輪計(jì)算校核）
兩實(shí)心軸的材料均選用45號(hào)鋼，查表知軸的許用扭剪應(yīng)力= 30MPa，由許用應(yīng)力確定的系數(shù)為C=120.
A. 第一根軸設(shè)計(jì)及校核
a.此軸傳遞扭矩
（3-16）
所以可以將軸的軸徑加工的大一點(diǎn),以滿足齒輪嚙合時(shí)強(qiáng)度的要求。
齒輪的分度圓直徑為50mm,齒輪兩端裝有軸承,加工一段軸肩來定位軸承.齒輪軸上裝型
號(hào)為 滾動(dòng)軸承7206AC,內(nèi)徑為30mm。具體尺寸如圖3-2所示。
b.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（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。
求作用在齒輪上的力：
(3-17)
畫軸的受力簡(jiǎn)圖 見圖3－3
計(jì)算軸的支承反力
在水平面上
(3-18)
(3-19)
在垂直面上
(3-20)
畫彎矩圖 見圖3－3
在水平面上，剖面左側(cè)
(3-21)
剖面右側(cè)
(3-21)
在垂直面上
(3-22)
合成彎矩，剖面左側(cè)
(3-23)
剖面右側(cè)
(3-24)
畫轉(zhuǎn)矩圖 見圖3－3
(3-25)
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，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。
軸的彎扭合成強(qiáng)度校核
許用彎曲應(yīng)力，，
截面左側(cè)
(3-26)
(3-27)
c.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)
(3-28)
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 ， (3-29)
應(yīng)力幅
平均應(yīng)力
切應(yīng)力 (3-30)
安全系數(shù) (3-31)
(3-32)
(3-33)
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。
B.中間軸設(shè)計(jì)
此軸傳遞扭矩,轉(zhuǎn)速,傳遞功率為,則
（3-34）
安裝軸承部分軸徑最小,由于整個(gè)軸上零件較復(fù)雜,在兩軸承之間有車在軸上的齒輪,還有安裝在軸上的小齒輪,以及軸套和軸承,所以可取大一點(diǎn),這里取,軸承部分,軸承選為單列角接觸球軸承,軸承型號(hào)為 滾動(dòng)軸承7206AC,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。中間軸大體結(jié)構(gòu)及尺寸如圖3-4所示。
C. 主軸的設(shè)計(jì)
主軸是連接腰關(guān)節(jié)與大臂的結(jié)構(gòu)，因結(jié)構(gòu)體積比較大,為節(jié)省材料減輕重量,故需設(shè)計(jì)成空心軸,主要承受軸向拉力,取內(nèi)徑,外徑,用圓錐滾子軸承支承,軸承型號(hào)為 滾動(dòng)軸承30205。主軸材料選用型號(hào)為ZAlCu5Mn的鑄鋁合金。
3.6小結(jié)
SCARA機(jī)器人大臂和小臂結(jié)構(gòu)相同，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S以AR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)。三四關(guān)節(jié)模塊結(jié)構(gòu)緊湊，充分利用結(jié)構(gòu)空間，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)，主軸直線運(yùn)動(dòng)距離為100mm，而整個(gè)模塊在主軸方向高度約為4O0mm左右。同時(shí)，三四關(guān)節(jié)的電機(jī)軸與主軸不在同一直線上，也有利于結(jié)構(gòu)布局，所以該模塊也可應(yīng)用在一些對(duì)精度和結(jié)構(gòu)尺寸都有要求的組合運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。
. 總 結(jié)
進(jìn)行了機(jī)器人總體設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)的詳細(xì)設(shè)計(jì)
機(jī)器人應(yīng)該具有外形簡(jiǎn)單、傳動(dòng)原理簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，為此機(jī)器人設(shè)計(jì)成具有4自由度的結(jié)構(gòu)，由機(jī)身、大臂、小臂、腕部組成，充分利用了大臂和小臂的空間，結(jié)構(gòu)緊湊。我國(guó)機(jī)器人的研究和應(yīng)用起步較晚，但是隨著國(guó)內(nèi)外機(jī)器人的快速發(fā)展、社會(huì)需求的增大和技術(shù)的進(jìn)步，焊接機(jī)器人得到了迅速的發(fā)展，多品種、少批量生產(chǎn)方式和為提高產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率的生產(chǎn)工藝需求，是推動(dòng)裝焊接機(jī)器人發(fā)展的直接動(dòng)力。機(jī)器人在輕型、較簡(jiǎn)單且要求機(jī)器人價(jià)格較低的焊接作業(yè)中大顯了身手。本課題正是在這種背景下提出來的，這是一項(xiàng)具有重要意義的課題。本文主要完成了如下工作:
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致 謝
畢業(yè)設(shè)計(jì)是將大學(xué)所學(xué)的知識(shí)融合在一起，綜合運(yùn)用所有的相關(guān)專業(yè)知識(shí)，是課本知識(shí)在實(shí)際中的應(yīng)用。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我的專業(yè)知識(shí)在原有的基礎(chǔ)上得到更加的鞏固和提高，這離不開老師和同學(xué)們的幫助。本設(shè)計(jì)分析是在老師的指導(dǎo)下完成的，在分析的過程中，尹長(zhǎng)城老師給了我很大的鼓勵(lì)，在設(shè)計(jì)分析中引導(dǎo)我去思考了更多的設(shè)計(jì)思路，增強(qiáng)了我的學(xué)習(xí)能力，與我們一起討論問題，使我對(duì)分析有了更清晰明確的認(rèn)識(shí)，使我受益非淺。
畢業(yè)設(shè)計(jì)是我們專業(yè)知識(shí)綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練，這是我們邁向社會(huì)、從事職業(yè)工作前一個(gè)必不可少的過程?！扒Ю镏惺加谧阆隆?，通過這次課程設(shè)計(jì)，我深深體會(huì)到這句千古言的真正含義。我今天認(rèn)真地進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，學(xué)會(huì)腳踏實(shí)地地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會(huì)大潮中奔跑打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
說實(shí)話，畢業(yè)設(shè)計(jì)真是有點(diǎn)累。然而一著手清理自己的設(shè)計(jì)結(jié)果，仔細(xì)回味畢業(yè)設(shè)計(jì)的心路歷程，一種少有的成功喜悅即刻使我倦意頓消。雖然這是我剛學(xué)會(huì)走完的第一部，是我人生中的一點(diǎn)小小的勝利，然而它令我感到自己成熟了許多。
通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我深深體會(huì)到，干任何事都必須耐心、細(xì)致。課程設(shè)計(jì)過程中，許多計(jì)算有時(shí)不免令我感到有些心煩意亂；有時(shí)應(yīng)為不小心計(jì)算出錯(cuò)，只能毫不留情地重做。但一想起老師平時(shí)多耐心的教導(dǎo)，想到今后自己應(yīng)當(dāng)承擔(dān)的社會(huì)責(zé)任，想到世界上因?yàn)槟承┘?xì)小失誤而出現(xiàn)的令世人無比震驚的事故，我不禁時(shí)刻提醒自己，一定要養(yǎng)成一種高度負(fù)責(zé)、一絲不茍的良好習(xí)慣。
經(jīng)歷了畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我我發(fā)現(xiàn)了自己所掌握的知識(shí)是真正的貧乏，自己綜合運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)的能力是如此的不足，幾年來學(xué)習(xí)了那么多的課程，今天才知道自己并不會(huì)用。想到這里，我真的有點(diǎn)心急了。
由于畢業(yè)時(shí)間的倉促，很多本來應(yīng)該弄懂弄透的地方都沒有時(shí)間去細(xì)細(xì)追究來源，比如網(wǎng)格劃分的控制、坐標(biāo)系的理解、求解器的選擇等，這使我明白了大學(xué)里學(xué)的只是一個(gè)大體上的方向，離實(shí)際應(yīng)用還有太遠(yuǎn)的距離。但我相信方向才是最重要的，因?yàn)榉较虼_定了，就會(huì)用最少的精力做好事情，這對(duì)于我以后的工作至關(guān)重要。因?yàn)樵趯?shí)際生產(chǎn)生活中，要從事的工種是千差萬別的，只有從中找到自己最拿手，最有發(fā)展前途的崗位，個(gè)人才有更多的熱情，也最可能在自己的崗位做出一些貢獻(xiàn)。
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