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

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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)： 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）I摘 要平面關(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]。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IIABSTRACTSelective 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 joints’ 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 '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, metallurgy, electron, light industry and atomic energy.Key words: manipulator, axletree , cylinderIII目 錄摘 要 .IABSTRACT .II第 1 章 總體設(shè)計(jì) 11.1 平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人的技術(shù)參數(shù) .21.2 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) 32.1 設(shè)計(jì)時(shí)要注意的問題 .32.2 零件的計(jì)算 .32.3 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 63.1 驅(qū)動(dòng)方式的比較 63.2 汽缸的設(shè)計(jì) 7第 4 章 小臂設(shè)計(jì) 94.1 設(shè)計(jì)時(shí)注意的問題 .94.2 小臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 94.3 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 .104.4 軸承的選擇 .104.5 軸承摩擦力矩的計(jì)算 114.6 驅(qū)動(dòng)選擇和控制 .12第 5 章 大臂設(shè)計(jì) 145.1 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) .145.2 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 .14IV5.3 軸承的選擇 155.4 軸承摩擦力矩的計(jì)算 .165.5 伺服系統(tǒng)的選擇和控制 .17第 6 章 機(jī)身設(shè)計(jì) 186.1 設(shè)計(jì)時(shí)注意的問題 .18小 結(jié) 19參考文獻(xiàn) 21致 謝 221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)展起來的一種機(jī)械裝置，開始主要用來實(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。日本開發(fā)的 SCARA 平面關(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)。SCARA 裝配機(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 型，即選擇柔性組合機(jī)器人臂（Selective Compliance Assembly RobotArm） 。 SCARA 型工業(yè)機(jī)器人最早由 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，其顯著特點(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 SCARA 型機(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。SCARA 機(jī)器人為平面關(guān)節(jié)型的機(jī)器人 [9]?？傮w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。21.1 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)見表 1-1表 1-1機(jī)械手類型 平面關(guān)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) 行程開關(guān)控制手指 氣缸驅(qū)動(dòng) 行程開關(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1.底座 2.大臂 3.電機(jī) 4.小臂 5.腕部（回轉(zhuǎn)） 6.腕部（升降）3第 2 章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)械手的手部是用來抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、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)要注意的問題設(shè)計(jì)時(shí)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(dòng)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(yùn)動(dòng)路線及其方位的影響 [2]。(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]。2.2 零件的計(jì)算 )(0428.102867)(286050314. 922 NvgmGhrRV????????其中 g 取 10取 G=23（N）2.3 夾緊力的計(jì)算：2.3.1 GfN?4f 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 3.815.042????fGN取 N=40（N）驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 ??14tgP?4圖 2.3.1 驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算為斜面傾角， ， 為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率，這里為平摩擦傳動(dòng)，?o15???查參考文獻(xiàn) [8]表 2-2 這里取 0.8592.085??所以 4140?tgP取 p=55(N)2.3.2 活塞手抓重量的估算 )(2310785214.321 NghrG??????r 為桿的半徑，h 為長(zhǎng)度，g 取 102.3.3 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) [5]。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)算氣壓缸內(nèi)徑 D 的計(jì)算按《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》公式 13-1 ??PDF42?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 ，查《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》表 13-2 由于汽缸垂直安裝，40.? 65.03.??5所以取 P=0.3。 )(16.24)(0.13.041.3546 mPFD??????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)算一般 ，此選 0.23.02.??Ddmm4.6??按《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》表 13-4 圓整取 8mm汽缸壁厚 的計(jì)算?按《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》表 13-5 查得 4??彈簧力的 F 的計(jì)算 )(231NG??6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)見表 3-1。表 3-1驅(qū)動(dòng)方式電機(jī) 驅(qū)動(dòng)比較內(nèi) 容 機(jī)械傳動(dòng)異步電機(jī)，直流電機(jī)步進(jìn)或伺服電機(jī)氣壓傳動(dòng) 液壓傳動(dòng)輸出力矩輸出力矩較大 輸出力可較大輸出力矩較小氣體壓力小，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高，速度和加速度均由機(jī)構(gòu)控制，定位精度高，可與主機(jī)嚴(yán)格同步控制性能較差，慣性大，步易精確定位控制性能好，可精確定位，但控制系統(tǒng)復(fù)雜可高速，氣體壓縮性大，阻力效果差，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，能在高溫，粉塵等惡劣環(huán)境種使用，維修方便，液體對(duì)溫度變化敏感，油液泄漏易著火7泄漏影響小應(yīng)用范圍適用于自由度少的專用機(jī)械手，高速低速均能適用適用于抓取重量大和速度低的專用機(jī)械手可用于程序復(fù)雜和運(yùn)動(dòng)軌跡要求嚴(yán)格的小型通用機(jī)械手中小型專用通用機(jī)械手都有中小型專用通用機(jī)械手都有，特別時(shí)重型機(jī)械手多用成本結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，一般工廠可以自己制造成本低成本較高結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能源方便，成本低液壓元件成本較高，油路也較復(fù)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]。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 )(85.41075.0)21.(4.3)2( NghdG??????取 5N 321??GF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 ??PdF4)(2??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 ，查《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》表 13-2 由于汽缸垂直安裝，40.? 65.03.??所以取 P=0.3。一般 ，此選 0.33.02.??d8)(54.30)(0.19.034.138091.466 mPFD ?????????按《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》表 13-3 圓整取 40mm.一般 ，此選 0.3.2.??Ddmm124030???汽缸壁厚 的計(jì)算?按《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》表 13-5 查得 4?汽缸重量的計(jì)算 )(7.2310785.0)2.04.(13)(23 NghrRG ????????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， 為汽缸材料密度?取 25N3G9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，主要用來改變工件的位置。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]。4.1 設(shè)計(jì)時(shí)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(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]。(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。4.2 小臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)選 45 號(hào)鋼。 ,小臂長(zhǎng)為mhbcmbhWy 48,30,8.46,7.85g/cm23 ????400mm。較核： （N）91.0.30.大??G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） ).(62.014.052大1 mNLGFM???????MPaPaWy ][8.)(.763????按《材料力學(xué)》公式 5.11 hbFs23??10其中 h 為鋼的高度，b 為鋼的寬，F(xiàn)s 為所受的力。所以 MPaaFs60][97.023?????所以選 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:圖 4.3.1 大軸的受力驗(yàn)算：F=660N)(601221 NlMF??????.02cmpaw?)(9.186322mind?????24rF???)(16.3minms???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，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=30mm kN2.17c 3.5c0? 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：11《機(jī)械設(shè)計(jì)》13-17 0PSC?其中 為當(dāng)量靜載荷， 為軸承靜強(qiáng)度安全系數(shù)，取決于軸承的使用條件。0P0S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 , 此處 1.5.5.10??上軸承受純徑向載荷 , )(610NFP??所以 2.7)(95.1600 KCPS???因此軸承合適.下軸承受徑向和軸向載荷, AYRXP00??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)?3.027.6018???eR所以 0YNRAYXP6?所以 )(.1)(95.10KCNS?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 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)》10?第二版 (16.1-13)公式:估算FdT?5.0?其中: 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 01.??，所以也可以用此公式估算102617??PC所以 ).(726.0.6.5.01 MNFdT??查表《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 》第二版 表 16.1-29 得 ，013??，所以也可以用此公式估算101827??PC12所以 ).(029525013.5.02 MNFdT?????1897621 （總 ???取 0.14.6 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，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)控制可以采用開環(huán)控制，其開環(huán)控制系統(tǒng)模塊如圖。圖 4.6.1 開環(huán)控制系統(tǒng)模塊13PC 主機(jī)通過 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)。14第 5 章 大臂設(shè)計(jì)5.1 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)選 45 號(hào)鋼。 ,小臂長(zhǎng)為 400mm。mhbcmbhWy 60,58,.76,7.85g/cm323 ????較核： （N）27.194.0.85大??G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） ).(517624.0).260(75)4.0(12 2大21大21 mNLGLLFM??????? MPaPaWy ][.3)1(.2?????按《材料力學(xué)》公式 5.11 hbFs23??其中 h 為鋼的高度，b 為鋼的寬，F(xiàn)s 為所受的力。所以 MPaaFs60][4.123????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 5.2.1:15圖 5.2.1 軸的受力圖驗(yàn)算： F=1765N)(17650.221 NlMF??????)(.15.762cmpaw?)(.60322mind?????24rFs???)(5.3minm???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（GB 297-84）選 7304E，d=50mm e=0.3kN2.17c 3.5c0?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(jī)械設(shè)計(jì)》13-17 0PSC?其中 為當(dāng)量靜載荷， 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)0P0S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, 此處 1.5.5.10??上軸承受純徑向載荷, )(17650NF??所以 )(2.17)(.2647.700 KNCPS???16因此軸承合適.下軸承受徑向和軸向載荷, AYRXP00??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)?3.018.765320???eR所以 10YNRAYXP760?所以 )(2.)(.24.0KCS?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 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)》10?第二版 (16.1-13)公式:估算FdT?5.其中: 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 ，01.??，所以也可以用此公式估算1054.617290??PC所以 ).(9425765 MNFdT???查表《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 》第二版 表 16.1-29 得 ，013??，所以也可以用此公式估算106.835270??PC所以 ).(45.02.352 NFdT???3784.9221 M（總 ????取 0.1175.5 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)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)控制可以采用開環(huán)控制，其開環(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PC 主機(jī)通過 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)。 18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)注意的問題(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，所以此處無運(yùn)動(dòng)要求，只用來支承。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。19小 結(jié)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 SCARA 機(jī)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)器人都要通過減速裝置達(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20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?？梢灶A(yù)見的是，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)，SCARA 機(jī)器人還將繼續(xù)領(lǐng)帶潮流。21參考文獻(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， 1995，45-46[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?，1989，33-35[5]成大先.《機(jī)械設(shè)計(jì)圖冊(cè)》 （5）[M] .化學(xué)工業(yè)出版社 ，1999，88-90[6]劉鴻文.《材料力學(xué)》[M] .高等教育出版社 ，1991，77-81[7]濮良貴 紀(jì)名剛.《機(jī)械設(shè)計(jì)》[M] .高等教育出版社 ，1995，56-78[8]周開勤.《機(jī)械零件手冊(cè)》 [M] .高等教育出版社 ，1993，34-44[9]許果，王峻峰等.一種基于 SCARA 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)器人技術(shù)，2005， （4）：65-66[10]付宜利,潘博,李康. 內(nèi)窺鏡操作機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)，2007，(01)：62-65[11]陳曉勇. 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械研究與應(yīng)用，2004，(01)，17（1）：53-54[12]張衛(wèi)鋒,樊炳輝. 新型變形移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析[J]. 現(xiàn)代機(jī)械，2006，(05)：66-67[13]陳曉勇. 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 四川工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，(01)，23（1）：20-21[14]Amir-A. 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