SCARA工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)計(jì)算說明書

./HarbinInstituteofTechnology綜合課程設(shè)計(jì)Ⅱ報(bào)告題目：SCARA工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)院系：機(jī)電工程學(xué)院班級(jí)：*******姓名：****學(xué)號(hào)：***********指導(dǎo)教師：***XX工業(yè)大學(xué)2017年10月26日..目錄第1章SCARA機(jī)器人簡(jiǎn)介1第2章SCARA機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)22.1SCARA機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式22.1.1液壓驅(qū)動(dòng)22.1.2氣壓驅(qū)動(dòng)22.1.3電力驅(qū)動(dòng)32.2SCARA機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式的確定42.3SCARA機(jī)器人的減速器選擇52.4SCARA機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的對(duì)比與分析52.5SCARA機(jī)器人機(jī)構(gòu)桿件參數(shù)初定62.6SCARA機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間計(jì)算72.7SCARA機(jī)械臂材料初定9第3章SCARA機(jī)器人關(guān)節(jié)元件設(shè)計(jì)計(jì)算103.1滾珠絲桿滾珠花鍵的計(jì)算及選型103.1.1計(jì)算滾珠絲桿花鍵的負(fù)載103.1.2計(jì)算滾珠絲杠花鍵的轉(zhuǎn)速113.1.3螺母的選擇113.1.4計(jì)算滾珠絲杠花鍵的最大動(dòng)載荷113.1.5剛度的驗(yàn)算123.1.6計(jì)算傳動(dòng)效率123.1.7滾珠絲杠花鍵選擇133.1.8滾珠絲杠花鍵驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇與計(jì)算133.23軸同步齒形帶的設(shè)計(jì)與選型143.2.1確定同步齒形帶的計(jì)算功率143.2.2選定帶型和節(jié)距153.2.3大小帶輪齒數(shù)及節(jié)圓半徑.153.2.4同步帶帶速計(jì)算173.2.5初選中心距173.2.6帶長(zhǎng)及齒數(shù)確定173.2.7基本額定功率183.2.8帶寬計(jì)算183.2.9作用于軸上的力計(jì)算193.34軸同步齒形帶的設(shè)計(jì)與選型193.3.1確定同步齒形帶的計(jì)算功率193.3.2選定帶型和節(jié)距203.3.3大小帶輪齒數(shù)及節(jié)圓半徑.203.3.4同步帶帶速計(jì)算203.3.5帶長(zhǎng)及齒數(shù)確定213.3.6基本額定功率213.3.7帶寬計(jì)算213.3.8作用于軸上的力計(jì)算22第4章1軸和2軸電機(jī)及減速器的選擇與計(jì)算234.1小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)〔2軸及減速器的計(jì)算與選擇234.2大臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)〔1軸及減速器的計(jì)算與選擇24第5章剛度校核265.1大臂的剛度校核265.2小臂的剛度校核27附錄1滾珠絲杠花鍵28附錄2安川伺服電機(jī)30附錄3諧波減速器41參考文獻(xiàn)46.SCARA機(jī)器人簡(jiǎn)介〔老師評(píng)價(jià)：設(shè)計(jì)的很笨.嚶嚶嚶SCARA機(jī)器人,又稱選擇順應(yīng)性裝配機(jī)器手臂,是一種圓柱坐標(biāo)型的特殊類型的工業(yè)機(jī)器人.SCARA機(jī)器人有3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),其軸線相互平行,在平面內(nèi)進(jìn)行定位和定向.另一個(gè)關(guān)節(jié)是移動(dòng)關(guān)節(jié),用于完成末端件在垂直于平面的運(yùn)動(dòng).手腕參考點(diǎn)的位置是由兩旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角位移φ1和φ2,及移動(dòng)關(guān)節(jié)的位移z決定的,即p=f<φ1,φ2,z>,如圖所示.這類機(jī)器人的結(jié)構(gòu)輕便、響應(yīng)快,例如Adept1·用于平面定位,垂直方向進(jìn)行裝配的作業(yè).1978年,日本山梨大學(xué)牧野洋發(fā)明SCARA,該機(jī)器人具有四個(gè)軸和四個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度,<包括沿X,Y,Z方向的平移和繞Z軸的旋轉(zhuǎn)自由度>.SCARA系統(tǒng)在x,y方向上具有順從性,而在Z軸方向具有良好的剛度,此特性特別適合于裝配工作,例如將一個(gè)圓頭針插入一個(gè)圓孔,故SCARA系統(tǒng)首先大量用于裝配印刷電路板和電子零部件；SCARA的另一個(gè)特點(diǎn)是其串接的兩桿結(jié)構(gòu),類似人的手臂,可以伸進(jìn)有限空間中作業(yè)然后收回,適合于搬動(dòng)和取放物件,如集成電路板等.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.SCARA機(jī)器人可以被制造成各種大小,最常見的工作半徑在100毫米至1000毫米之間,此類的SCARA機(jī)器人的凈載重量在1千克至200千克之間.第2章SCARA機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)SCARA機(jī)器人之所以能夠在平面內(nèi)靈活定位,依靠的是三個(gè)軸線相互平行的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié).同理,之所以能夠在垂直方向上定位是因?yàn)閾碛幸粋€(gè)移動(dòng)自由度.SCARA機(jī)器人的1個(gè)移動(dòng)自由度和3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度使其能滿足要求的情況下完成一系列復(fù)雜的運(yùn)動(dòng).2.1SCARA機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式SCARA機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓,氣動(dòng)和電動(dòng)三種基本類型.2.1.1液壓驅(qū)動(dòng)液壓傳動(dòng)機(jī)械手有很大的抓取能力,抓取力可高達(dá)上百公斤,液壓力可達(dá)7MPa,液壓傳動(dòng)平穩(wěn),動(dòng)作靈敏,但對(duì)密封性的要求高,不宜在高或低溫現(xiàn)場(chǎng)工作,需配備一套液壓系統(tǒng).液壓驅(qū)動(dòng)有以下特點(diǎn)：〔1 輸出功率大；〔2 控制精度較高,可無(wú)極調(diào)速,反應(yīng)靈敏,可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制；〔3 結(jié)構(gòu)適當(dāng),執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化,模擬化,易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)；〔4 液壓系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自我潤(rùn)滑,過載保護(hù)方便,使用壽命慈航；〔5 適用于低速,重載傳動(dòng).2.1.2氣壓驅(qū)動(dòng)氣壓傳動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,動(dòng)作迅速,價(jià)格低廉,由于空氣可壓縮,所以工作速度穩(wěn)定性差,氣壓一般為0.7MPa,因而抓取力小,只有幾十到幾百牛.氣壓驅(qū)動(dòng)具有以下特點(diǎn)：〔1 輸出功率大；〔2 氣體壓縮性能大,精度低,阻尼效果差,低速不易控制,難以實(shí)現(xiàn)高速高精度的連續(xù)軌跡控制；〔3 結(jié)構(gòu)適當(dāng),執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化,模擬化,易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)；〔4 適用于中小負(fù)載驅(qū)動(dòng),精度要求較低的有限點(diǎn)位程序控制機(jī)器人.2.1.3電力驅(qū)動(dòng)電力驅(qū)動(dòng)是目前在工業(yè)機(jī)器手中用的最多的一種.早期多采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),后來(lái)發(fā)展了直流伺服電機(jī),現(xiàn)在交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)也開始廣泛使用.上述驅(qū)動(dòng)單元有的直接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng),有的通過諧波減速器裝置來(lái)減速,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊.電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的控制精度高,功率較大,能精確定位,反應(yīng)靈敏,可實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制,伺服特性好,控制系統(tǒng)復(fù)雜.適用于中小負(fù)載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機(jī)械手,如AC伺服噴涂機(jī)械手、點(diǎn)焊機(jī)械手、弧焊機(jī)械手、裝配機(jī)械手等.電力驅(qū)動(dòng)可分為普通交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),交、直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng).各種電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)：<1> 普通交、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)需加減速裝置,輸出力矩大,但控制性能差,慣性大,適用于中型或重型機(jī)械手.<2> 直流伺服電動(dòng)機(jī)：直流伺服電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速特性,可很方便地在較寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑的無(wú)級(jí)調(diào)速,動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和穩(wěn)定性好,可適應(yīng)頻繁啟動(dòng)、反向、制動(dòng)等工作狀況.直流伺服電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式不同,有永磁式和電磁式之分；按轉(zhuǎn)速高低及轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大小,有高速、小慣量〔小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)有多種：無(wú)槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī),繞組鐵芯細(xì)長(zhǎng),故轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小,其功率較大；空心杯轉(zhuǎn)子直流伺服電動(dòng)機(jī),轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小,靈敏度更高,功率較小；印制繞組直流伺服電動(dòng)機(jī),可承受頻繁的起動(dòng)、換向,切率中等.這類電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小,電感小,故換向性能好,動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,快速性能好,低速無(wú)爬行和低速、大慣量〔大慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)有永磁式和電磁式兩種,其中永磁式用得較多,它的低速性能好,輸出轉(zhuǎn)矩大,調(diào)速范圍寬,轉(zhuǎn)子慣量大,受負(fù)載影響小,故可與絲杠直接連接,承受過載、重載能力強(qiáng)之分.<3> 交流伺服電動(dòng)機(jī)：交流伺服電動(dòng)機(jī)幾乎具有直流伺服電動(dòng)機(jī)的所有優(yōu)點(diǎn),且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造、維護(hù)簡(jiǎn)單,具有調(diào)速范圍寬、穩(wěn)速精度高,動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性更好等技術(shù)特點(diǎn),可達(dá)到更大的功率和更高的轉(zhuǎn)速.隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、電子技術(shù)的發(fā)展,交流伺服電動(dòng)機(jī)已廣泛取代直流伺服電動(dòng)機(jī).<4> 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是由電脈沖信號(hào)控制的,它可將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直線位移,有回轉(zhuǎn)式和直線式兩種.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制簡(jiǎn)便、價(jià)格較低,但易失步,具有轉(zhuǎn)子慣量低、反應(yīng)靈敏、能提供較大的低速轉(zhuǎn)矩、無(wú)漂移、無(wú)積累定位誤差等優(yōu)良性能,其控制線路簡(jiǎn)單,不需反饋編碼器和相應(yīng)的電子線路.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與輸入脈沖個(gè)數(shù)成嚴(yán)格正比關(guān)系,轉(zhuǎn)子速度主要取決于脈沖頻率,故控制簡(jiǎn)便.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)主要由步進(jìn)控制器、功率放大器及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)組成.純硬件的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器由脈沖發(fā)生器、環(huán)形分配器、控制邏輯等組成,它的作用就是把脈沖串分配給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各個(gè)繞組,使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按既定的方向和速度旋轉(zhuǎn).若采用微機(jī)技術(shù),用軟件與硬件相結(jié)合,則控制器不僅可在硬件上簡(jiǎn)化線路,降低成本,而且又提高可靠性.2.2SCARA機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式的確定對(duì)于SCARA機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置的一般的要求：<1> 驅(qū)動(dòng)裝置的質(zhì)量要盡可能的輕,但是單位質(zhì)量的輸出功率〔功率/質(zhì)量m的比要高,效率也要高；<2> 反應(yīng)的速度需要快些,也就是力/質(zhì)量和力矩/轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比直要大些；<3> 動(dòng)作要平滑,不產(chǎn)生沖擊；<4> 控制應(yīng)要盡可能的靈活,位移和速度的偏差要小些；<5> 驅(qū)動(dòng)裝置要安全可靠；<6> 驅(qū)動(dòng)裝置要操作方便和它的維護(hù)也很方便；<7> 它對(duì)環(huán)境無(wú)污染或污染很少,噪音也要小；<8> 經(jīng)濟(jì)要便宜些,最主要的是要盡量減少它的占地面積.綜合考慮所設(shè)計(jì)的SCARA機(jī)器人的參數(shù)和所需要完成的工作條件,所以本次設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)都選擇交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng).2.3SCARA機(jī)器人的減速器選擇現(xiàn)在,在機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)中最常使用的有RV減速器和諧波減速器,根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇了斯諾伐克Spinea諧波減速器.減速器的類型和特點(diǎn)：諧波減速器RV減速器：該減速器具有較大的傳動(dòng)比和較大的承載能力,而且它的傳動(dòng)精度也比較高,傳動(dòng)中比較的平穩(wěn),傳動(dòng)的效率比較的理想,它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積比較小質(zhì)量又輕,它的制造的成本價(jià)格要比RV減速器制造的成本價(jià)格要低的很多.RV減速器：該減速器一般應(yīng)用于負(fù)載比較大,速度和精度要求比較高的場(chǎng)合等特點(diǎn).2.4SCARA機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的對(duì)比與分析SCARA工業(yè)機(jī)械手的傳動(dòng)系統(tǒng)要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和體積小,要求消除傳動(dòng)間隙,提高其運(yùn)動(dòng)和位置精度.工業(yè)機(jī)械手傳動(dòng)裝置除齒輪傳動(dòng),蝸桿傳動(dòng),鏈傳動(dòng)和行星齒輪傳動(dòng)外,還常用滾珠絲杠、諧波齒輪、鋼帶、同步齒形帶和繩輪傳動(dòng),以下就是工業(yè)機(jī)械手常用的傳動(dòng)方式及其特點(diǎn)：<1> 滾珠絲杠：傳動(dòng)效率高,達(dá)0.9-0.98,有利于主機(jī)的小型化和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度；摩擦力矩小,接觸鋼度高,使溫升及熱變形減小,有利于改善主機(jī)的動(dòng)態(tài)特性和提高工作精度；工作壽命長(zhǎng),傳動(dòng)無(wú)間隙,無(wú)爬行傳動(dòng)精度高,具有很好的高速性能；抗沖擊振動(dòng)性能差,承受徑向載荷能力差.<2> 同步帶：靠齒嚙合傳動(dòng),傳動(dòng)比準(zhǔn)確,傳動(dòng)效率高,初張緊力最小,瞬間速度均勻,單位質(zhì)量傳遞的功率最大；與鏈和齒輪傳動(dòng)相比,噪聲小,不需潤(rùn)滑,傳動(dòng)比、線速度范圍大,傳遞功率大；耐沖擊振動(dòng)較好,維修簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì).廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械傳動(dòng).<3> 諧波齒輪傳動(dòng)：傳動(dòng)比大、范圍寬；元件少,體積小,重量輕；同時(shí)嚙合的齒數(shù)多,承載能力高；且誤差能互相補(bǔ)償,故運(yùn)動(dòng)精度高.可采用調(diào)整波發(fā)生器達(dá)到無(wú)側(cè)隙嚙合；運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪音低,傳動(dòng)效率也比較高,且傳動(dòng)比大時(shí),效率并不顯著下降,但主要零件一柔輪的制造工藝比較復(fù)雜.<4> 蝸桿傳動(dòng)：傳動(dòng)比大,工作平穩(wěn),噪聲較小,結(jié)構(gòu)緊湊,在一定條件下有自鎖性,效率低.根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求,對(duì)SCARA機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的傳動(dòng)方式進(jìn)行合理的選擇,為后續(xù)的關(guān)節(jié)電機(jī)型號(hào)的選擇和具體計(jì)算校核提供基礎(chǔ).各關(guān)節(jié)的傳動(dòng)方案決定了整體機(jī)器人的結(jié)構(gòu),是SCARA機(jī)器人能否傳輸運(yùn)動(dòng)、精準(zhǔn)定位的一大參考值,因而在傳動(dòng)方案的選擇中,查詢《國(guó)內(nèi)典型工業(yè)機(jī)器人圖冊(cè)》的機(jī)器人傳動(dòng)的經(jīng)典傳動(dòng)方案,現(xiàn)給出傳動(dòng)方案如下：第一二關(guān)節(jié)自由度均選擇交流伺服電機(jī)傳動(dòng),不僅保證了傳動(dòng)精度,而且在效率和振動(dòng)方面,也有良好的提高,此外,模塊化的產(chǎn)品也市場(chǎng)化,所以易購(gòu)買,而且安裝也較為方便；第三關(guān)節(jié)和第四關(guān)節(jié)選擇滾珠絲桿滾珠花鍵以及同步帶傳動(dòng),在結(jié)構(gòu)緊湊的基礎(chǔ)上,保證了設(shè)計(jì)任務(wù)書中對(duì)三,四關(guān)節(jié)速度及運(yùn)動(dòng)范圍的要求.最終的傳動(dòng)方案如表2-1所示：表2-1傳動(dòng)方案2.5SCARA機(jī)器人機(jī)構(gòu)桿件參數(shù)初定由于scara是相對(duì)成熟的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品,因此可參考具體的實(shí)機(jī)進(jìn)行參數(shù)初定.這里選用ABB公司3公斤級(jí)臂展550mm的SCARA機(jī)器人作為參考,其外形圖如圖2-1所示.圖2-1IRB910SC-3/0.55外形圖任務(wù)書要求最大展開半徑要求為560mm,初定大臂325mm,小臂235mm.2.6SCARA機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間計(jì)算利用Matlab結(jié)合DH法計(jì)算SCARA機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間,計(jì)算程序如下所示.運(yùn)動(dòng)空間如圖2-2所示.%前置法計(jì)算scara運(yùn)動(dòng)空間L1=325;%大臂長(zhǎng)度L2=235;%小臂長(zhǎng)度a=[];%空矩陣保存解點(diǎn)坐標(biāo)theta1_max=130;%關(guān)節(jié)1最大運(yùn)動(dòng)范圍theta2_max=125;%關(guān)節(jié)2最大運(yùn)動(dòng)范圍theta3_max=180;%關(guān)節(jié)3最大運(yùn)動(dòng)范圍d1=0;d2=0;d3=0;%建立DH坐標(biāo)參數(shù)參數(shù)取決于機(jī)器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)暫取0不會(huì)影響最終成圖形狀d4_max=80;%關(guān)節(jié)4最大運(yùn)動(dòng)范圍deg2rad=pi/180;N=10;%設(shè)置循環(huán)次數(shù)嵌套循環(huán)運(yùn)算量大求解費(fèi)時(shí)r=10;%設(shè)執(zhí)行器距關(guān)節(jié)四在x方向上偏移量為rA=[r;0;0;1];%執(zhí)行器坐標(biāo)原點(diǎn)在第四關(guān)節(jié)坐標(biāo)中表示%機(jī)器人學(xué)中的算法fori=-N:Ntheta1=i*theta1_max*deg2rad/N;A01=[cos<theta1>-sin<theta1>00sin<theta1>cos<theta1>00001d10001];forj=-N:Ntheta2=j*theta2_max*deg2rad/N;A12=[cos<theta2>-sin<theta2>0L1sin<theta2>cos<theta2>00001d20001];fork=-N:Ntheta3=k*theta3_max*deg2rad/N;A23=[cos<theta3>-sin<theta3>0L2sin<theta3>cos<theta3>00001d30001];forp=0:Nd4=p*d4_max/N;A34=[10000100001d40001];T04=A01*A12*A23*A34;a=[aT04*A];endendendendscatter3<a<1,:>,a<2,:>,a<3,:>>;%繪三維散點(diǎn)圖axisequal;圖2-2SCARA機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間2.7SCARA機(jī)械臂材料初定機(jī)械臂的材料要根據(jù)工作狀況來(lái)選擇,SCARA機(jī)械臂具有體積小,重量輕的特點(diǎn),對(duì)于實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械臂來(lái)說,在滿足輕度和剛度的條件下,零部件越輕越好.通常情況下,可以從以下大類材料中選取:〔1合金鋼〔2經(jīng)過熱處理的優(yōu)質(zhì)鋼〔3輕型合金,如鋁合金綜上,本次設(shè)計(jì)擬定大臂、小臂材料為鋁合金1060.第3章SCARA機(jī)器人關(guān)節(jié)元件設(shè)計(jì)計(jì)算經(jīng)查詢市場(chǎng)上現(xiàn)有SCARA機(jī)器人的各項(xiàng)參數(shù),主要是負(fù)載和本體質(zhì)量的對(duì)比,發(fā)現(xiàn)任務(wù)書所提負(fù)載所對(duì)應(yīng)的本體質(zhì)量余量很大,所以此次設(shè)計(jì)按照從末端開始設(shè)計(jì)的思路來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì).3.1滾珠絲桿滾珠花鍵的計(jì)算及選型相比于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),新一代的SCARA機(jī)器人使用了滾珠絲桿花鍵由絲桿螺母、花鍵螺母、絲桿三部分組成.由于絲桿中的鋼球在螺母與絲桿之間來(lái)回滑動(dòng),保證了其傳動(dòng)的高效性,與過去的滑動(dòng)絲桿相比,其驅(qū)動(dòng)扭矩僅占傳統(tǒng)絲桿的三分之一3.1.1計(jì)算滾珠絲桿花鍵的負(fù)載由于3軸是豎直安裝,滾珠絲桿的負(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)量為4.5kg,負(fù)載質(zhì)量為1.5kg,第3軸的運(yùn)動(dòng)直線加速度最大設(shè)為a=25m/s,則機(jī)器人手腕加速度時(shí)產(chǎn)生的慣性力為手腕的重力為聯(lián)立式子可得絲杠軸所受的最大負(fù)載力為計(jì)算滾珠絲杠花鍵的轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)要求3軸的直線運(yùn)動(dòng)速度500mm/s,取絲杠導(dǎo)程為20mm,則絲杠的轉(zhuǎn)速由計(jì)算得出螺母的選擇根據(jù)滾珠絲桿中鋼球循環(huán)方式的不同,絲桿螺母分為:彎管式、循環(huán)器式、端蓋式,這里選擇彎管式,它通過彎管讓鋼球進(jìn)行循環(huán),鋼球經(jīng)過絲桿軸的溝槽滑入彎管,接著滾進(jìn)溝槽中,循環(huán)往復(fù).計(jì)算滾珠絲杠花鍵的最大動(dòng)載荷根據(jù)負(fù)載力的大小,可由下列式子計(jì)算出滾珠絲桿的最大動(dòng)載荷：式中：為滾珠絲桿的壽命,且,其中,T為使用壽命普通機(jī)械取,設(shè)計(jì)任務(wù)書要求年限壽命為3年,按一年365天,每天3班制,計(jì)算得26280h；n為絲桿的轉(zhuǎn)速1500<r/min>；為載荷系數(shù).參考表,這里取=1.為硬度系數(shù).當(dāng)絲桿硬度>58HRC時(shí),取=1.0；當(dāng)絲桿的硬度>55HRC時(shí),取=1.11；當(dāng)絲桿的硬度>50HRC時(shí),取=1.56；當(dāng)絲桿的硬度>45HRC時(shí),取=2.4；Fm為滾珠絲桿的最大工作載荷<N>.3.1.5剛度的驗(yàn)算由于滾珠絲杠花鍵部和滾珠絲杠部間距很小,且滾珠絲杠長(zhǎng)度受行程限制長(zhǎng)度不會(huì)太長(zhǎng),且沒有兩軸端壓力的產(chǎn)生,不會(huì)有失穩(wěn)的可能性,所以剛度不驗(yàn)算.3.1.6計(jì)算傳動(dòng)效率滾珠絲桿的傳動(dòng)效率一般在0.8~0.9,可計(jì)算得出:式中：為絲杠的螺旋升角,,為導(dǎo)程,為滾珠絲杠軸外徑.為摩擦角,一般取10°.由此可以計(jì)算出滾珠絲杠花鍵的傳動(dòng)效率.傳動(dòng)效率較高.滾珠絲杠花鍵選擇綜上,選擇THK公司的BNS-2020A型的滾珠絲杠花鍵.詳細(xì)數(shù)據(jù)由附錄1給出.3.1.8滾珠絲杠花鍵驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇與計(jì)算由于負(fù)載力不大,動(dòng)絲桿進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng).因此3軸和4軸可以不采用減速器,采用同步帶傳動(dòng)同時(shí)利用其減速,減速比均為2.根據(jù)功率相等的原則,有如下式子：式中：——軸向力；——電機(jī)力矩；——直線運(yùn)動(dòng)速度；——電機(jī)轉(zhuǎn)速；——絲杠的傳動(dòng)效率；又由式子：最終推導(dǎo)如下公式： 代入公式計(jì)算的〔3軸〔4軸考慮到同步帶的傳動(dòng)效率,安全系數(shù)為2,則電機(jī)的最小轉(zhuǎn)矩〔3軸〔4軸所需功率為P=230W〔3軸P=0.524W〔4軸3軸選擇安川SGM7J系列,為了保持絲杠斷電后的狀態(tài),選擇帶保持制動(dòng)器的電機(jī),詳細(xì)代號(hào)為SGM7J04A7C6E..4軸選擇安川SGM7J系列,詳細(xì)代號(hào)為SGM7JA5A7A61.詳細(xì)數(shù)據(jù)見附錄2.3.23軸同步齒形帶的設(shè)計(jì)與選型為了減小機(jī)器人總體設(shè)計(jì)外形尺寸,使結(jié)構(gòu)緊湊,3軸和4軸均通過同步帶傳遞運(yùn)動(dòng)與力矩,下面進(jìn)行他們的選擇與計(jì)算.根據(jù)選擇的關(guān)節(jié)3軸的電機(jī)型號(hào),結(jié)合同步帶不僅改變傳動(dòng)方向的作用而且改變了輸出力矩的特性可以計(jì)算功率等參數(shù).3.2.1確定同步齒形帶的計(jì)算功率考慮到速度增減、功率的高低、載荷的大小和預(yù)緊力對(duì)帶輪的影響,其功率計(jì)算公式為式中：——考慮載荷性質(zhì)和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的工況修正系數(shù)；——傳遞的功率表3-1同步帶的工況修正系數(shù)由表3-1得=2,根據(jù)所選用電機(jī)得傳遞功率P=230w,計(jì)算得選定帶型和節(jié)距參考如圖3-1所示的圓弧齒同步帶選型圖,依據(jù)上述計(jì)算的功率Pd,轉(zhuǎn)速n,據(jù)此可以選擇同步齒形帶.圖3-1圓弧齒同步帶選型圖選定同步齒形帶帶型為3M大小帶輪齒數(shù)及節(jié)圓半徑.根據(jù)帶輪轉(zhuǎn)速和帶型,根據(jù)表3-2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,3軸選擇小帶輪.表3-2帶輪的最小齒數(shù)=25=50同步帶帶速計(jì)算初選中心距中心距滿足下述條件根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸要求取帶長(zhǎng)及齒數(shù)確定帶長(zhǎng)的計(jì)算公式如下根據(jù)圓弧齒同步帶長(zhǎng)度系列查得,其節(jié)線長(zhǎng),節(jié)線上齒數(shù)同步帶的實(shí)際中心距為計(jì)算得a=73.28mm.基本額定功率基本額定功率是各種帶型對(duì)應(yīng)于基準(zhǔn)寬度的額定功率,為各帶型的許用工作拉力,m為寬度為的帶單位長(zhǎng)度的質(zhì)量,各參數(shù)見表3-3所示.表3-3同步帶的基準(zhǔn)寬度、許用工作拉力和單位長(zhǎng)度的質(zhì)量選擇L〔輕型,算得帶寬計(jì)算同步帶帶寬計(jì)算公式如下式其中：——嚙合系數(shù),因,取=1；——帶長(zhǎng)系數(shù),按表可查得=1；——帶基準(zhǔn)寬度,查表確定；算得：取bs=19mm.作用于軸上的力計(jì)算緊邊張力松邊張力最終根據(jù)以上計(jì)算參數(shù)選取XX伏龍同步帶公司的261-3M同步帶.3.34軸同步齒形帶的設(shè)計(jì)與選型計(jì)算和選型過程基本與3軸相同.3.3.1確定同步齒形帶的計(jì)算功率功率計(jì)算公式為式中：——考慮載荷性質(zhì)和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的工況修正系數(shù)；——傳遞的功率由表3-1得=1.5,根據(jù)所選用電機(jī)得傳遞功率P=0.524w,計(jì)算得3.3.2選定帶型和節(jié)距參考如圖3-1所示的圓弧齒同步帶選型圖,依據(jù)上述計(jì)算的功率Pd,轉(zhuǎn)速n,據(jù)此可以選擇同步齒形帶.選定同步齒形帶帶型為3M.3.3.3大小帶輪齒數(shù)及節(jié)圓半徑.=25=503.3.4同步帶帶速計(jì)算帶長(zhǎng)及齒數(shù)確定帶長(zhǎng)的計(jì)算公式如下根據(jù)圓弧齒同步帶長(zhǎng)度系列查得,其節(jié)線長(zhǎng),節(jié)線上齒數(shù)同步帶的實(shí)際中心距為計(jì)算得a=73.28mm.基本額定功率基本額定功率是各種帶型對(duì)應(yīng)于基準(zhǔn)寬度的額定功率,為各帶型的許用工作拉力,m為寬度為的帶單位長(zhǎng)度的質(zhì)量,各參數(shù)見表3-3所示.選擇MXL〔超輕型,算得帶寬計(jì)算同步帶帶寬計(jì)算公式如下式取bs=8mm.作用于軸上的力計(jì)算緊邊張力松邊張力最終根據(jù)以上計(jì)算參數(shù)選取XX伏龍同步帶公司的261-3M同步帶.第4章1軸和2軸電機(jī)及減速器的選擇與計(jì)算4.1