三軸聯(lián)動機(jī)械臂伺服運(yùn)動機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1、三軸聯(lián)動機(jī)械臂伺服運(yùn)動機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （摘要） 機(jī)械手臂是目前在機(jī)械人技術(shù)領(lǐng)域中得到最廣泛實(shí)際應(yīng) 用的自動化機(jī)械裝置，在工業(yè)制造、醫(yī)學(xué)治療、娛樂服務(wù)、軍事、半導(dǎo)體制造以 及太空探索等領(lǐng)域都能見到它的身影。 盡管它們的形態(tài)各有不同，但它們都有一 個共同的特點(diǎn)，就是能夠接受指令，精確地定位到三維（或二維）空間上的某一 點(diǎn)進(jìn)行作業(yè)。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，機(jī)械手臂可分為多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂，直角坐標(biāo) 系機(jī)械手臂、球坐標(biāo)系機(jī)械手臂，極坐標(biāo)機(jī)械手臂，柱坐標(biāo)機(jī)械手臂等。本文所 設(shè)計(jì)的機(jī)械手臂為直角坐標(biāo)系機(jī)械手臂，其由三個伺服電機(jī)驅(qū)動，通過運(yùn)動控制 卡實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制，可以實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動，分別為 X移動，丫移動，Z移動

2、。手臂 的運(yùn)動由三個絲杠螺母副完成，伺服電機(jī)驅(qū)動絲杠旋轉(zhuǎn)，螺母副移動，從而實(shí)現(xiàn) 三個自由度的運(yùn)動。 關(guān)鍵詞機(jī)械手臂三軸聯(lián)動三個自由度 Abstract II Mechanical arm is currently the most widely practical application in the field of robot tech no logy in automati on mach in ery, in dustrial manu facturi ng, medical treatme nt, en terta inment services, military, s

3、emic on ductor manu facturi ng and other areas of space explorati on can see its shadow. Despite their morphology vary, but they all have one com mon characteristic, that is able to accept in struct ion, precisely positioned to carry out operations at a point three (or two-dimensional) space. Accor

4、ding to the different structure, mechanical arm can be divided into multi-joint robot, Cartesian coordinates robot, spherical coordinates robot, polar coordinate robot, cylindrical coordinates robot arm and the like. This article is designed as Cartesian robot manipulator arm, which is driven by thr

5、ee servo motors, motion control through motion control card, you can achieve three-axis, respectively, X Mobile, Y movement, Z move. Arm movement consists of three screw nut is completed, servo motor drive screw rotation, nut move, in order to achieve three degrees of freedom of movement. Key words

6、 Mechanical arm Axis linkage Three degrees of freedom 第 1 章 緒論 1 1.1 研究背景 隨著科技的發(fā)展，工業(yè)自動化程度不斷提高，機(jī)械臂廣泛用于各種制造行 業(yè)中，但對于機(jī)械臂在工業(yè)的應(yīng)用來說， 大部分時候并不需要機(jī)械臂具有六個自 由度，其中的一個或幾個即可滿足工業(yè)需求， 由于三軸聯(lián)動機(jī)械臂具有三個自由 度，基本上可以滿足制造行業(yè)中以空間任意一點(diǎn)為目標(biāo)位置的運(yùn)動要求， 故三軸 聯(lián)動機(jī)械臂在工業(yè)自動化上的運(yùn)用最為廣泛。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國際上對于機(jī)械臂的開發(fā)、 研制和應(yīng)用已有近 50 年歷史，目前，以日、韓、 美、法、德等為

7、代表的許多國家的機(jī)械臂產(chǎn)業(yè)日趨成熟和完善， 其所生產(chǎn)的機(jī)械 臂已成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備在全球得到廣泛應(yīng)用。 國外機(jī)械臂技術(shù)由于起步較早， 基 礎(chǔ)雄厚，技術(shù)先進(jìn)，市場占有率高。同國外相比，中國的機(jī)械臂技術(shù)起步較晚， 經(jīng)過“七五”、“八五”、“九五”三個階段，中國機(jī)械臂從無到有， 從小到大， 發(fā)展迅速， 一批國產(chǎn)機(jī)械臂已服務(wù)于國內(nèi)諸多企業(yè)的生產(chǎn)線上， 一批機(jī)械臂技術(shù) 的研究人才也涌現(xiàn)出來， 一些相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)已掌握了機(jī)械臂的一些關(guān)鍵技 術(shù)，某些技術(shù)已達(dá)到了或接近國際先進(jìn)水平， 中國機(jī)械臂在世界機(jī)械臂領(lǐng)域已占 有一席之地， 而且中國是一個巨大的機(jī)械臂消費(fèi)市場， 行業(yè)市場也處于發(fā)展壯大 中。機(jī)械臂技術(shù)在

8、制造業(yè)應(yīng)用范圍越來越廣，其標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、智能化和網(wǎng)絡(luò) 化的程度越來越高，功能也越來越強(qiáng)，正向著成套技術(shù)和裝備的方向發(fā)展。 1.3 研究目的和意義 面對工業(yè) 4.0時代機(jī)械臂的巨大市場，機(jī)械臂技術(shù)的發(fā)展和革新也變得尤為 重要，由于三軸聯(lián)動直角坐標(biāo)系機(jī)械臂結(jié)構(gòu)簡單、用途廣泛，市場份額最大，所 以對其技術(shù)的研究最具市場價(jià)值。 在機(jī)械制造行業(yè)中，對于機(jī)械臂技術(shù)研究的意義可概括如下， 一、在生產(chǎn)過程中，機(jī)械臂可應(yīng)用于傳送材料，裝卸工件，更換刀具以及 裝配機(jī)器，可以提高生產(chǎn)的自動化程度，降低勞動強(qiáng)度和生產(chǎn)成本。 二、在特殊工作空間如高溫、高壓、噪聲、狹小空間等工作場合中，人工操作 存在一些隱患

9、甚至人工根本不可能完成， 而通過機(jī)械臂的應(yīng)用可以部分或全部 代替工人安全的完成作業(yè)，改善了勞動條件，在一些簡單、重復(fù)、笨重的操作 中，通過機(jī)械臂的應(yīng)用，可以避免由于疲勞或者疏忽而造成生產(chǎn)事故。 三、通過機(jī)械臂的應(yīng)用，首先可以直接減少人力，而且由于機(jī)械臂可以連 續(xù)工作，使得生產(chǎn)工作有節(jié)奏的進(jìn)行。 綜上所述，加速開發(fā)和應(yīng)用機(jī)械臂，是機(jī)械工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。 1.4 論文研究內(nèi)容 第一章緒論簡單介紹研究背景，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，研究的目的和意義。 第二章方案確定，提出兩種設(shè)計(jì)方案，最后選擇采用絲杠螺母副的直角坐標(biāo) 系機(jī)械手臂。 第三章電機(jī)驅(qū)動設(shè)計(jì)，分析運(yùn)動情況，選擇合適的伺服電機(jī)。 第

10、四章機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對整個機(jī)械臂上選要安裝的零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。 第五章基于CREO的設(shè)計(jì)與裝配，將所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂的零部件采用 CREO 繪制，并將所繪制的零部件進(jìn)行模擬裝配 第2章方案確定 2.1 方案的設(shè)想 面對機(jī)械臂的巨大的應(yīng)用市場，開發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡單，可以滿足工業(yè)基本應(yīng)用 機(jī)械臂有很大的市場前景，而且對于工業(yè)應(yīng)用來說，三自由度直角坐標(biāo)系機(jī)械手 臂應(yīng)用最為廣泛。直角坐標(biāo)系機(jī)械手臂可以由單軸機(jī)械手臂組合而成。單軸機(jī)械 手臂作為一個組件在工業(yè)中應(yīng)用廣泛。故本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂整體結(jié)構(gòu)可以由三 個單軸機(jī)械臂組合而成，我們設(shè)想了兩種方案，兩種方案的基本結(jié)構(gòu)形式相似， 主要區(qū)別在于機(jī)械臂的執(zhí)行元

11、件不同。 方案一：此方案執(zhí)行原件為氣缸，每個單軸機(jī)械臂的運(yùn)動由一個氣缸完成， 通過三個氣缸的組裝，組裝成一個具有三個自由度的直角坐標(biāo)系機(jī)械臂， 三個氣 缸可以由一個氣泵供氣，每個氣缸都裝有一個閥門，閥門由伺服電機(jī)控制氣缸的 進(jìn)氣速度和進(jìn)氣量，三個伺服電機(jī)可以通過運(yùn)動控制卡來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制。 方案二：此方案的執(zhí)行元件為絲杠螺母副，每個單軸機(jī)械臂的運(yùn)動由一個絲 杠螺母副完成， 通過對三個絲杠螺母副的組裝， 組裝成一個具有三個自由度的直 角坐標(biāo)系機(jī)械臂， 每個絲杠螺母副均由一個伺服電機(jī)驅(qū)動， 通過運(yùn)動控制卡對伺 服電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角的控制，實(shí)現(xiàn)最終的運(yùn)動控制。 2.2 方案的確定 綜合比較上述兩種方

12、案，我們發(fā)現(xiàn)第二種的結(jié)構(gòu)比較好。方案一使用氣缸雖 然執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)會更緊湊，但是由于需要額外使用氣泵、閥門等關(guān)鍵零部件， 故造價(jià)高， 而且氣缸不適合承受較大徑向力的場合， 氣缸進(jìn)出氣較難控制， 且運(yùn) 動精度低。相比方案一，方案二的單軸機(jī)械臂雖然體積稍大， 但造價(jià)有大幅降低， 運(yùn)動控制精度顯著提高，在載荷分布上也更為合理。 2.3 本章小結(jié) 通過以上對兩種方案的比較和分析，綜合市場方面因素，最終我們選擇采 用方案二， 用使用絲杠螺母副的單軸機(jī)械臂來組裝成具有三個自由度的直角坐 標(biāo)系機(jī)械臂?？傮w方案確定之后，進(jìn)行機(jī)構(gòu)各部件的設(shè)計(jì)和選擇。 第3 章 電機(jī)驅(qū)動設(shè)計(jì) 由于本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂采用三

13、個單軸機(jī)械臂組合安裝完成， 三個單軸機(jī)械 臂的結(jié)構(gòu)類似，本文中只對X向的單軸機(jī)械臂進(jìn)行計(jì)算選型，其余兩個進(jìn)行類比 設(shè)計(jì)，本文中不做過多敘述。 3.1 電機(jī)驅(qū)動要求 （1）機(jī)械臂運(yùn)動需要有較大的調(diào)速范圍，最好能夠?qū)崿F(xiàn)無級變速。 （2）電機(jī)應(yīng)該選用偏大的功率，雖然本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂目的是安裝攝 像頭進(jìn)行掃描攝像，不需要高功率電機(jī)，但為了保證機(jī)械臂運(yùn)動的可靠性，應(yīng) 該采用稍微偏大功率的電機(jī)。 （3 ）電機(jī)驅(qū)動的動態(tài)響應(yīng)性要好，電機(jī)的升降速時間要短，調(diào)速時需要 運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，換向可以進(jìn)行自動加減速控制。 （4）機(jī)械臂的主軸需要有較高的回轉(zhuǎn)精度，主軸部件需要具有良好的抗 振性和足夠的剛度，也需要具

14、有較好的熱穩(wěn)定性，即要求主軸的軸向和徑向尺 寸隨溫度的變化要小，而且傳動鏈要短。 3.2 電機(jī)選型 由于本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂尾端只需要安裝一個攝像頭進(jìn)行掃描攝像， 而且 本機(jī)械臂體積小，質(zhì)量輕，所需要的電機(jī)功率不必要太大，但為了保證運(yùn)動的 可靠性，適當(dāng)選取偏大功率的電機(jī)即可，X向單軸機(jī)械臂所選取的電機(jī)為松下 公司所生產(chǎn)的的MSMD042G1 U型伺服電機(jī)，額定功率為0 .4KW, 額定轉(zhuǎn)速為3 0 0 0 r/mino 本章小結(jié) 通過對電機(jī)的選型，以及運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過運(yùn)動卡同時控制三個 伺服電機(jī)驗(yàn)證運(yùn)動控制系統(tǒng)是否滿足三軸聯(lián)動的設(shè)計(jì)要求， 進(jìn)而完成電氣部分 的設(shè)計(jì)。 第4章機(jī)械

15、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.1單軸機(jī)械臂結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 單軸機(jī)械臂的運(yùn)動在動作上除了由運(yùn)動控制卡的控制外，在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面還 應(yīng)具有響應(yīng)速度快、精度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)(有引用) 下面主要對單軸機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行討論： (1) 傳動剛度高 本文所研究的單軸機(jī)械臂采用絲杠螺母副作為執(zhí)行部件， 絲杠螺母副以及其 支撐部件的剛度決定了整個機(jī)械臂的傳動剛度。 如果剛度不足，加上摩擦阻力的 作用，會導(dǎo)致機(jī)械臂的運(yùn)動產(chǎn)生爬行現(xiàn)象或反向死區(qū)， 傳動的準(zhǔn)確性會受到影響。 通過合理的選擇絲桿尺寸，縮短傳動鏈、對絲杠螺母副及其支撐部件等預(yù)緊均可 以有效的提高傳動剛度。 (2) 咼諧振 為了提高機(jī)械臂的抗振性，其機(jī)

16、械構(gòu)件應(yīng)具有合適的阻尼和較高的固有頻率， 通常要求機(jī)械傳動系統(tǒng)的固有頻率應(yīng)為伺服驅(qū)動系統(tǒng)固有頻率的 2~3倍 (3) 低摩擦 機(jī)械臂的運(yùn)動要求平穩(wěn)，能夠快速響應(yīng)且定位準(zhǔn)確，那么就需要減少運(yùn)動件 所受的摩擦阻力，在機(jī)械臂中普遍采用特性優(yōu)良的滾珠絲杠螺母副。 (4) 低慣性 由于機(jī)械臂的特殊工作環(huán)境，所以經(jīng)常需要啟停、變速和換向，如果機(jī)械臂 的傳動裝置慣量太大，會使負(fù)載增大并會降低傳動系統(tǒng)的動態(tài)性能。因此在強(qiáng)度 與剛度足夠的前提下，應(yīng)該盡可能使各傳動元件的體積變小， 同時減少各運(yùn)動部 件的重量，從而達(dá)到運(yùn)動部件能夠?qū)χ噶羁焖夙憫?yīng)的要求 。 (5) 無間隙 機(jī)械臂的進(jìn)給系統(tǒng)存在反向運(yùn)動死

17、區(qū)的另一個主要因素是機(jī)械間隙， 因此對 于傳動鏈的各個環(huán)節(jié)都需要采用消除間隙的結(jié)構(gòu)措施， 這些環(huán)節(jié)包括：絲杠螺母 副、聯(lián)軸器、軸承以及其他支撐部件等。 4.2滾珠絲杠的選擇與安裝方式的選擇 滾珠絲杠特點(diǎn) 在單軸機(jī)械臂上，滾珠絲杠副將伺服電機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動， 滾珠 絲杠螺母副的特點(diǎn)是： (1)傳動效率高，滾珠絲杠副相比于傳統(tǒng)螺紋絲杠副，以滾珠在絲杠與螺 母之間的滾動傳遞力和運(yùn)動取代了絲杠和螺母直接作用的方式， 即以極小的滾動 摩擦取代傳統(tǒng)絲杠的滑動摩擦，使得傳動效率提高，一般為 n=0.92?0.98，整 個傳動副所需要的驅(qū)動力矩只有滑動絲杠的 1/3左右，摩擦發(fā)熱也得到大幅

18、降低。 (2) 定位精度高 由于滾珠絲杠副發(fā)熱率低。溫升小以及在加工過程中對絲杠采取預(yù)拉伸并預(yù) 緊消除軸向間隙等措施，使?jié)L珠絲杠副定位精度高且重復(fù)定位精度高。 (3) 傳動可逆性 滾珠絲杠副相比于滑動絲杠沒有粘滯摩擦， 故在傳動過程中不會出現(xiàn)爬行現(xiàn) 象，而且滾珠絲杠可以將回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動， 也可以將直線運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榛?轉(zhuǎn)運(yùn)動，兩種運(yùn)動方式均可以傳遞相應(yīng)的動力 (4) 同步性能好 由于滾珠絲杠副能夠順滑運(yùn)轉(zhuǎn)，軸向間隙可以消除以及制造的一致性， 當(dāng)采 用多套滾珠絲杠副方案驅(qū)動多個相同部件或統(tǒng)一裝置時，均可以很好地進(jìn)行同步 工作。 (5) 使用壽命長 由于滾珠絲杠滾道的表面硬度，

19、材料的選擇以及滾道形狀的準(zhǔn)確性等方面都 加以嚴(yán)格控制，從而使得滾珠絲杠副的實(shí)際壽命遠(yuǎn)相比于滑動絲杠高很多。 但是滾珠絲杠副也存在一些缺點(diǎn)，如制造成本高，不能自鎖，垂直安裝時需 有平衡裝置等(有引用) 安裝方式分類 滾珠絲杠副作為一種以滾動作為傳動方式的關(guān)鍵傳動元件， 在各種需要傳動 和定位的機(jī)構(gòu)中應(yīng)用廣泛，其對機(jī)構(gòu)的影響也十分重要。同時，在實(shí)際應(yīng)用中， 滾珠絲杠采用何種安裝方式，對整個機(jī)構(gòu)的工作效果也會產(chǎn)生影響， 根據(jù)不同的 具體應(yīng)用情況，滾珠絲杠副可以采用的不同的安裝方式。 滾珠絲杠副所承受的載荷主要是軸向的，其所承受的徑向載荷主要是臥式絲 杠的自重。在安裝時，螺母座的孔與工作螺母

20、之間應(yīng)保證配合良好， 并且孔與端 面應(yīng)該保證垂直度。這時選擇軸承需要根據(jù)載荷的方向和大小，軸承配置和安裝 的形式還與絲桿的長短有關(guān)，如果絲桿較短，采用單支撐結(jié)構(gòu)，如果絲桿較長， 則需采用雙支撐結(jié)構(gòu)。 每種安裝方式(即支撐方式)有其各自的特點(diǎn)，當(dāng)選取安裝方式時，在考慮 實(shí)際工作要求(如傳動速度、定位精度、扭矩和推理情況等)的前提下，也要結(jié) 合所選擇的滾珠絲杠副型號規(guī)格，只有兩個因素綜合考慮，才能實(shí)現(xiàn)理想的工作 狀況。 由文獻(xiàn)［19 , 20］可知 滾珠絲杠副的安裝方式也可以叫做滾珠絲杠副的支撐 形式”安裝方式通常有兩大類，一類是絲杠旋轉(zhuǎn)，另一種是螺母旋轉(zhuǎn)，兩大類 共包括五種典型的安裝方式，安

21、裝方式的不同會影響滾珠絲杠副所容許的回轉(zhuǎn)速 度以及所能夠承受軸向載荷。安裝方式應(yīng)該根據(jù)工況適當(dāng)選擇，具體安裝方式下 文會詳細(xì)介紹，為了方便比較安裝方式的穩(wěn)定性，引入“穩(wěn)定性系數(shù) fk”來表征 絲杠旋轉(zhuǎn)類的每種安裝方式的穩(wěn)定性，f k數(shù)值越大則表示該安裝方式越穩(wěn)定， 對 于螺母旋轉(zhuǎn)類由于其受力模型不同， 校驗(yàn)體系也不同，故不能模型化比較。所以 本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂選用絲杠旋轉(zhuǎn)類。 423 絲杠旋轉(zhuǎn)類安裝形式 1. “固定一固定”型：fk=4 本安裝方式適用于高精度、高轉(zhuǎn)速的場合。該方式兩端分別裝有一對軸承來 約束徑向和軸向自由度，所受載荷由兩組軸承副共同承擔(dān)。 也可以是兩端的軸承 組承受

22、反向預(yù)緊拉伸力，從而提高絲杠的傳動剛度。在一些定位要求較高的場合， 甚至可以通過受力情況和絲杠運(yùn)動發(fā)熱變形趨勢來精確設(shè)定目標(biāo)行程的補(bǔ)償量， 從而進(jìn)一步提高定位精度?！肮潭ㄒ还潭ā毙鸵步小半p推 一雙推”型。在實(shí)際情 況中，由于徑向力的存在，所以幾乎不能用兩個推力軸承來作為固定端。 而且此 安裝方式機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，調(diào)整也較為困難，因此僅在定位要求很高的場合時才采 用“固定一固定”型，其結(jié)構(gòu)簡圖如下。 圖3 -1 “固定一固定”型 2. “固定一游動”型：fk =2 本安裝方式適用于高精度、中轉(zhuǎn)速的場合，該方式一端由一對軸承約束徑向 和軸向自由度，而另一端由一個軸承來約束徑向自由

23、度， 所承受的載荷只由一對 軸承副承擔(dān)，而游動的單個軸承用來防止懸臂撓度，并且能夠消除由運(yùn)動發(fā)熱產(chǎn) 生的應(yīng)力，“固定一游動”型也叫做“雙推一支撐”型。此安裝方式結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng) 用廣泛，效果良好。其結(jié)構(gòu)簡圖如下。 圖3 -2 “固定一游動”型 3. “支承一支承”型：fk =1 本安裝方式適用于中精度、中轉(zhuǎn)速的場合，該方式兩端分別裝一個軸承，分 別承受單方向的軸向力和徑向力，兩個軸承分別單獨(dú)承擔(dān)某一方向的力。 由于其 力的支撐點(diǎn)隨著受力的方向變化，故而其定位可控性較低。此安裝方式形式結(jié)構(gòu) 簡單，受力情況較差，應(yīng)用較少。其結(jié)構(gòu)簡圖如下。 bt Li J? 圖3 -3 “支承一支

24、承”型 4. “固定一自由”型：fk =0.25 本安裝方式適用于中精度、低轉(zhuǎn)速的場合。該方式一端裝有一對軸承來約束 徑向和軸向自由度，而另一端則處于自由狀態(tài)，這一對軸承副承擔(dān)所有載荷，并 且需要克服絲杠水平安裝時的重力（以及絲杠回轉(zhuǎn)時的離心力）所造成的彎矩。 固定一自由”型有時也叫做“雙推一自由”型，此安裝方式結(jié)構(gòu)簡單，雖然受力 情況差，但在低轉(zhuǎn)速、小行程的場合也經(jīng)常使用。其結(jié)構(gòu)簡圖如下。 ■一…區(qū)一 L4 圖4-4 “固定一自由”型 綜合考慮四種安裝方式安裝時的方便程度及其對精度的影響， 本文所設(shè)計(jì)的 機(jī)械臂選擇的安裝方式是： 固定一游動”型安裝方式，其所允許的轉(zhuǎn)速以及

25、達(dá)到 的精度符合我們的設(shè)計(jì)要求。 4.3 X方向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 基本導(dǎo)程 在X向進(jìn)給系統(tǒng)的單軸機(jī)械臂中，絲杠與伺服電機(jī)直接通過聯(lián)軸器鏈接， 傳動 比為i 1，工作臺的運(yùn)動速度需要達(dá)到Vmax 12m/ min，伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速 為n 3000r / min，那么絲杠的轉(zhuǎn)速也取3 0 0 0 r/mi n，則可求得絲杠 的基本導(dǎo)程 Ph 1000Vmax 1000 12 3000 4mm 滾珠絲杠的選擇計(jì)算 1承載能力選擇?計(jì)算作用于絲杠軸向最大動載荷Fq，然后根據(jù)Fq值選擇絲杠副 型號 Fq 3 Lf W hFmax (4-1) 式中L ——

26、滾珠絲杠壽命系數(shù)（單位106轉(zhuǎn)），普通機(jī)械為5000~10000、數(shù) 控機(jī)床及其他機(jī)電一體化設(shè)備及儀器裝置為 15000，航空機(jī)械為1000 ,取 L 8000。 fw――載荷系數(shù)（平穩(wěn)或輕度沖擊時為1.0~1.2，中等沖擊時為1.2~1.5，較大 沖擊或振動是為1.5~2.5 ）;取fw 1.0 0 f h ――硬度系數(shù)（HRC 58時為1.0，等于55時為1.11，等于52.5時為1.35 , 等于50時為1.56，等于45時為2.40 ）;取f h 1.0。 Fmax――最大工作載荷，由于此機(jī)械臂的所承受的載荷即克服自重而運(yùn)動，取 Fmax 50N 則可由公式（4-1）求得軸

27、向最大動載荷 Fq 3 8000 1.0 1.0 50 1000N 初步選用SFU01604 —4型滾珠絲杠，其主要參數(shù)為：基本導(dǎo)程t 4mm 鋼球直徑Da 2.381mm;絲杠內(nèi)徑d2 13.96mm ；外徑d1 16mm，額定動負(fù)載 Ca 2406N，螺母外徑D 28mm，螺母長度L 40mm 2. 壓桿穩(wěn)定性核算 Fk fk2EI/（K「） （ 4-2） 式中Fk ――實(shí)際承受載荷的能力，N ; fk ――壓桿穩(wěn)定的支撐系數(shù)（雙推一雙推式為4，單推——單推式為1,雙推 —— 簡直式為2，雙推 自由式為0.25），取f k 2 ； E――鋼的彈性模量，取E 2.1 105

28、MPa； I——滾珠絲杠底徑d2的抗彎截面慣性矩，I d24 / 64 ； K――壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.5~4 ,取K 3 ； ls 絲杠的工作長度，取Is 550mm 計(jì)算I d24 / 64 1863.34，代入式4-2中得 Fk fk 2EI / (Kls2) 8511.27 N Fmax， 所以壓桿穩(wěn)定性核算合格。 3剛度的驗(yàn)算 滾珠絲杠在軸向力的作用下，將產(chǎn)生伸長或縮短，在扭矩的作用下將產(chǎn)生扭 轉(zhuǎn)而影響絲杠導(dǎo)程的變化，從而影響傳動精度及定位精度，故應(yīng)驗(yàn)算滿載時的變 形量。其驗(yàn)算公式如下：滾珠絲杠在工作負(fù)載F和扭矩T共同作用下，所引起的 每一導(dǎo)程的變形量 L（cm

29、）為： FmaxPh EA TR2 21e （只考慮拉伸時） 式中Fmax——工作負(fù)載，F(xiàn)max 50N ； Ph 基本導(dǎo)程，F(xiàn)h 4mm E――鋼的彈性模量，E 2.1 105MPa； A 絲杠的最小橫截面積，cm2， A d22 / 4，則A 1.53cm2 T——扭矩，N cm，T 字邑； 為絲杠的傳動效率，取 0.95，則 T 3.35 Ngpm I――絲杠底徑d2的抗彎截面慣性矩，I d24 / 64 1863.34 代入以上數(shù)據(jù)，可得 L 6.22 10 6cm 則每一米彈性變形所允許的基本導(dǎo)程誤差值為 =1000 4 L 15.55 m/m,

30、而此絲杠精度標(biāo)準(zhǔn)中，允許誤差為=32 m/m,故該滾珠絲杠滿足剛度要求。 支撐軸承選型 由于滾珠絲杠會受到一定的軸向力，所以支撐軸承應(yīng)該選用角接觸球軸承， 本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂選用的角接觸球軸承為 7032C，在市場上較為常見，價(jià)格 低廉，購買方便。 4.4 丫、Z方向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 對于Y、 Z方向單軸機(jī)械臂，相比于X方向單軸機(jī)械臂來說，其移動部件的 重量和所受的力都比X方向的小，所以在 丫、Z方向上，可以選取與X向相同的 絲杠和支撐軸承，但在伺服電機(jī)選型上，為了降低成本，可以選取與 X向相同 系列，額定轉(zhuǎn)速相同，但比 X向功率低的型號。對于有裝配調(diào)整的零件，需要 另行設(shè)計(jì)來滿足裝配

31、要求。 對于丫、Z方向的進(jìn)給，因移動部件的重量和所受的力都比 X方向的小，為 了減少設(shè)計(jì)部件的數(shù)量和加工的要求，此方向的可選用與 X方向相同的絲杠、 電機(jī)和軸承及其他零件，但對于有裝配調(diào)整的零件還需另行設(shè)計(jì)以滿足要求。 4.5導(dǎo)軌的選型計(jì)算 導(dǎo)軌的形式及選擇 導(dǎo)軌是支撐和限制運(yùn)動部件按給定的運(yùn)動要求和規(guī)定的運(yùn)動方向運(yùn)動， 它是 滾珠絲杠副運(yùn)動機(jī)構(gòu)中必不可少的一個部分， 在很大程度上會決定單軸機(jī)械臂的 剛度、精度和精度保持性。 常用的導(dǎo)軌副種類很多， 按其接觸面的摩擦性質(zhì)可以 分為滾動導(dǎo)軌、滑動導(dǎo)軌、流體介質(zhì)摩擦導(dǎo)軌等。下面著重介紹三種。 1. 直線滾動導(dǎo)軌 滾動導(dǎo)軌作為滾動摩擦副

32、的一類，具有很多優(yōu)點(diǎn)，摩擦系數(shù)小，運(yùn)動靈活； 動靜摩擦系數(shù)基本相同， 因而啟動阻力小， 而不宜產(chǎn)生爬行； 可以預(yù)緊，剛度高； 壽命長，精度高；潤滑方便，可以采用脂潤滑，一次裝填，長期使用；由專業(yè)廠 生產(chǎn)，可以外購選用。但也存在一些缺點(diǎn)：導(dǎo)軌面與滾動體是點(diǎn)接觸或線接觸， 所以抗振性差。 接觸應(yīng)力大； 對導(dǎo)軌的表面硬度、 表面形狀精度和滾動體的尺寸 精度要求高，若滾動體的直徑不一致，導(dǎo)軌表面有高低，會使運(yùn)動部件傾斜，產(chǎn) 生振動，影響運(yùn)動精度；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本較高；對臟物比較敏感，必 須有良好的防護(hù)裝置。 2. 液體靜壓導(dǎo)軌 由于液體靜壓導(dǎo)軌的工作面完全處于純液體的摩擦下， 因此工作時的

33、摩擦系 數(shù)非常低，約為 f 0.0005；速度與負(fù)載不會限制導(dǎo)軌的運(yùn)動， 且低速移動均勻， 沒有爬行現(xiàn)象， 由于液體的吸振作用， 使得導(dǎo)軌的抗振性好； 同時擁有良好的剛 性，且承載能力大；由于摩擦發(fā)熱少，導(dǎo)軌的溫升也小。但是液體靜壓導(dǎo)軌也有 缺點(diǎn)，由于液體靜壓導(dǎo)軌安裝了一套液壓系統(tǒng)；所以其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高；油膜 的厚度也很難保持一個恒定值。在一些大、重型設(shè)備上多使用液體靜壓導(dǎo)軌。 3. 滑動導(dǎo)軌 滑動導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、剛度好且抗振性高，常見的導(dǎo)軌截面形狀， 有三角形（分對稱、不對稱兩類）、矩形、燕尾形及圓形四種，每種截面形狀的 滑動導(dǎo)軌又有不同的特點(diǎn)， 每一種截面形狀又分為凸形和凹形兩

34、類。 凸形導(dǎo)軌不 易積存切屑等臟物，也不易儲存潤滑油，宜在低速下工作， 凹形導(dǎo)軌則相反， 可用于告訴，但必須有良好的防護(hù)裝置，以防切屑等臟物落入導(dǎo)軌。 根據(jù)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)要求， X 向單軸機(jī)械臂選擇直線滾動導(dǎo)軌， Y 向和 Z 向單軸機(jī)械臂選擇燕尾形滑動導(dǎo)軌。 載荷計(jì)算 1. 計(jì)算載荷 直線滾動導(dǎo)軌副可以承受上下、 左右四方向的力，還可以承受左右扭轉(zhuǎn)、前 后翻轉(zhuǎn)和平面扭轉(zhuǎn)三種扭矩。在選用時，需要對其受力狀態(tài)（包括水平、豎直、 側(cè)臥等），以及受力結(jié)構(gòu)（受力點(diǎn)與支撐點(diǎn)之間所產(chǎn)生的扭矩）和啟停時所產(chǎn)生 的慣性力等進(jìn)行受力分析，還需要對整個運(yùn)動過程中受力變化對導(dǎo)向系統(tǒng)所產(chǎn)生 的影響進(jìn)行評估

35、。 由文獻(xiàn)［23］可知載荷的選取圍繞單個滑座所受的合力進(jìn)行（靜態(tài)受力分析按 照理論力學(xué)常規(guī)計(jì)算），通常根據(jù)載荷在行程內(nèi)的變化分段核算，若某個滑座在 總行程L（mm ）內(nèi)的匚丄2, Ln（mm）段內(nèi)所受的載荷分別為巳（KN） 則計(jì)算載荷Pc為 RC 益 Pn3Ln）/L 對于載荷呈線性變化的情況，Pc可簡化成 (Pmin 2 Pmax)/ 3 對于載荷呈全波正弦曲線變化的情況， Pc可簡化成 Pc 0.65Pmax 對于載荷呈半波正弦曲線變化的情況， 巳可簡化成 Pc 0.75Pmax 對于同時承受扭矩M（Nm）負(fù)載的情況, Pc Po Co M /M

36、t 式中 Po——載荷合力，N ; Co ――滑座的額定靜載荷，N ； M t 對應(yīng)方向的額定扭矩， N m。 由于本機(jī)械臂的設(shè)計(jì)目的主要是攜帶攝像頭進(jìn)行掃描攝像， 那么其所承受載 荷近似為一個恒定載荷，故選用公 Pc （Pmin 2Pmax）/3，Pmin Pmax 1000N， P 1000N 選擇GGB16BA型直線滾動導(dǎo)軌，P 6.07 KN，長度520mm，導(dǎo)軌副尺 寸 H 24mm W 15.5mm 滑塊尺寸 B1 47mm，B? 4.5 mm，氏 38mm K 19.4mm T 7mm T 11mm，L 58mm, L, 40.5mm。 2.計(jì)算額定壽命 對于

37、滾珠直線導(dǎo)軌副，其壽命衡量標(biāo)準(zhǔn)為：在允許的工作環(huán)境內(nèi)，使其所承受的 負(fù)載等于額定動載荷C（ KN），連續(xù)導(dǎo)向行程達(dá)到50 KM （基準(zhǔn)行程壽命）時 有95%（基準(zhǔn)可靠度）不產(chǎn)生材料疲勞破壞。滾珠直線導(dǎo)軌副的額定行程壽命 L 為: K(H fa 式中：L——額定壽命（km ） Ca ――額定動載荷(KN ), Ca 6.07 KN ; P――當(dāng)量動載荷（kN ）; P 1KN ――指數(shù)，當(dāng)滾動體為滾珠時， 3 ;當(dāng)為滾柱時， 10/ 3 ; K――額定壽命單位（km ），滾珠時，K 50km ;滾柱時，K 100km; fh ――硬度系數(shù)；HRC58為基準(zhǔn)硬度，低于HRC58時

38、額定動載荷銳減 通常滾珠直線導(dǎo)軌副的硬度為 HRC58，故取fh 1。 ft——溫度系數(shù)，取ft 1.0，見表4-1 : 表4-1 工作溫度 >150 ? >200 ? <100 >10 ?150 (C) 200 250 ft 1.00 0.90 0.73 0.60 fc ――接觸系數(shù)，取fc 0.66 ，見表4-2 : 表4-2 每根導(dǎo)軌上的滑座 1 2 3 4 5 個數(shù) 1 0 0 0 0 ft

39、 .00 .81 .72 .66 .61 a ――精度系數(shù)，取fa 1.0，見表4-3 : 精度 等級 2 3 4 5 fa 1 1 0 .0 .0 .9 .9 0 表4-3 1.0，見表 4-4 : 表4-4 工作條件 無外部沖擊和振動， 速度 <15 m/min 無明顯沖擊和振動，速 度 >（15 ?60） m/min 有外部沖擊或振動， 速度 >60 m/min fw 1.0 ?1.5 1.5 ?2.0 2.0 ?3.5 載荷系數(shù)，取fw 代入以上數(shù)據(jù)，由公式得 5QLJ12 066 1.0 1.0

40、 當(dāng)行程的長度已定時，滾珠直線導(dǎo)軌副的額定壽命為 Lh L 2 60 In 103 8.3| 式中：Lh 壽命時間（h）； L 額定壽命（km）, L 321fkm； I――行程長度（m），I 0.52m； n――每分鐘往返次數(shù)，取n 2 ； 3215 代入以上數(shù)據(jù)，得Ln 8.3 冷一- 25658h 0.52 2 4.5.3 安裝注意事項(xiàng) 1. 導(dǎo)軌在螺釘緊固狀態(tài)下進(jìn)行線性檢測和調(diào)整，使導(dǎo)軌呈直線狀態(tài)； 2. 兩根或兩根以上平行使用時需檢測和調(diào)整平行度和等高； 3. 接長導(dǎo)軌安裝時需使對接端的編號相同， 任何情況下均需避免滑座脫出 導(dǎo)軌； 4. 保證

41、充分的潤滑，在高速（羽5m/min）時建議使用N32潤滑油（20號機(jī) 械油 ），在低速 （＜15m/min） 時建議使用鋰基潤滑脂； 5. 在開放工況下建議采用防護(hù)罩整體防護(hù)。 本章小結(jié) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求對典型零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)， 在考慮工況的同時， 對所設(shè)計(jì)零部 件的壽命以及可靠性進(jìn)行驗(yàn)算， 配合伺服電機(jī)、運(yùn)動控制卡完成預(yù)期的運(yùn)動要求。 第五章 基于 Creo 設(shè)計(jì)與裝配 5.1 軟件介紹 Creo是美國PTC公司于2010年10月推出CAD設(shè)計(jì)軟件包。Creo是整合了 PTC 公司的三個軟件 Pro/Engineer 的參數(shù)化技術(shù)、 CoCreate 的直接建模技術(shù)和 Product

42、view的三維可視化技術(shù)的新型CAD設(shè)計(jì)軟件包，是PTC公司閃電計(jì)劃所 推出的第一個產(chǎn)品。 Creo是一個整合 Pro/ENGINEER、CoCreate 和 ProductView 三大軟件并重新 分發(fā)的新型CAD設(shè)計(jì)軟件包，針對不同的任務(wù)應(yīng)用將采用更為簡單化子應(yīng)用的 方式，所有子應(yīng)用采用統(tǒng)一的文件格式。 Creo目的在于解決CAD系統(tǒng)難用及多 CAD系統(tǒng)數(shù)據(jù)共用等問題。 PTC* 仃巴 parametric ― ? ■ B=TJ ■■- ' ■'J ■- r. r-1 ■> 斗、 l&vb MljriMU- — ■.-J—' 圖5-1 Creo初始界面 5.2殼體的建模 殼

43、體主要通過多次拉伸操作完成建模，由于殼體上裝有眾多零件，故殼體的 設(shè)計(jì)應(yīng)該注意零件安裝位置的設(shè)定，使零件安裝不發(fā)生干涉，并且安裝合理可靠 打開Creo軟件，選擇新建命令，選擇類型為零件，子類型為實(shí)體，并輸入 零件名稱keti，取消勾選使用默認(rèn)模板，選擇確定。操作界面如圖 5-2所示。 局益-ftBf鍛將壬吿卓*兄 靈F屆「口歸囤口呂占?專 xlr. -lr. _Tr. -XJ \J 圖5-2新建零件命令操作界面 在彈出的文件選項(xiàng)對話框中（如圖 5-3所示），選擇模板類型為 mmn s_part_solid ，即為實(shí)體模型設(shè)計(jì)，選擇確定。 圖5-3 “新文件選項(xiàng)

44、”對話框 然后進(jìn)入建模主界面，主界面設(shè)計(jì)采用瀑布式菜單。非常明朗， （如圖5-4 所示）o ■ n曲也 O B .g V 旺Tl WHQItM - Cno PdbMhWX. 3.0 霽折 a? 工鼻 事音?：》 習(xí)國Uh $ r.irn「 』用円申期F 口 % L￡fL : / w-e * iES ' ifl倉躺 | 喘 inrui ? ■' ■ i j-j ] ?昇爭■■ H.?l 廠"WK 9!推 電.?* . 2 St ? m# NTS；亡囂Hi 辭2

45、 ? A4 ? 誹* 1H - ■ !i I h i |gg Ml 誕IB * 存社.回 □IKETLW^T + EUiA IT -袖. 圖5-4建模主界面 殼體設(shè)計(jì)需要多次拉伸操作，選擇拉伸操作，進(jìn)入拉伸界面，直接在模型樹 框里點(diǎn)擊TOP平面，軟件自動跳到草繪界面，即可開始草繪操作，如圖 5-5所 示o 圖5-5草繪操作界面 進(jìn)入草繪界面后，首先點(diǎn)擊草繪視圖按鈕，定向草繪平面使其與屏幕平行, 然后繪制如圖所示的拉伸截面，如圖 5-6所示 圖5-6草繪截面 草繪完成后，點(diǎn)擊確定按鈕，退出草繪界面，輸入拉伸長度 80

46、0mm，其他 按鈕狀態(tài)默認(rèn)，選擇完成，退出拉伸界面，初次拉伸的實(shí)體完成，如圖5-7所示。 圖5-7拉伸實(shí)體 接著需要在殼體上進(jìn)行拉伸去除一些材料，來減輕質(zhì)量并提高強(qiáng)度。在上 步驟所繪制實(shí)體的基礎(chǔ)上，選擇拉伸選項(xiàng)，選擇一側(cè)端面作為基準(zhǔn)平面，草繪視 圖。如圖5-8所示 圖5-8以端面為基準(zhǔn)草繪截面 草繪完成后，點(diǎn)擊確定按鈕，退出草繪界面，輸入拉伸長度 800mm，點(diǎn)擊 去除材料按鈕，選擇完成，退出拉伸界面，第二次拉伸實(shí)體完成，直接點(diǎn)擊陣列按鈕選取以方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，選取截面一條邊為方向，數(shù)目框輸入8，間距框輸入5, 如圖5-9所示。 圖5-9陣列步驟中實(shí)體狀態(tài) 點(diǎn)

47、擊完成陣列步驟，將陣列內(nèi)容選住，點(diǎn)擊鏡像按鈕，點(diǎn)擊 RIGHT平面作 為鏡像平面，完成鏡像，此步驟完成后的實(shí)體模型端面如圖 5-10所示。 圖5-10 鏡像后實(shí)體模型端面 此后，仍需要多次拉伸、陣列、鏡像以及倒圓角和倒角等步驟來完成實(shí)體模 型，包括確定電機(jī)、底座、導(dǎo)軌、絲杠座和端蓋等零部件安裝位置，以及確定各 部件安裝時所需螺紋孔位置和深度。最終完成殼體的實(shí)體建模如圖 5-11所示 圖5-11殼體實(shí)體 5.3絲杠的建模 在機(jī)械設(shè)計(jì)手冊中，絲杠屬于非標(biāo)件，但國內(nèi)外絲杠生產(chǎn)的大型企業(yè)已經(jīng)具 有了本企業(yè)的一套標(biāo)準(zhǔn)，本文所繪制的絲杠并不能完全符合企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范， 只 是在整體構(gòu)造

48、上與實(shí)際絲杠并無區(qū)別，絲杠主要通過一次拉伸和一次螺旋掃描完 成，下面對絲杠的繪制進(jìn)行簡述。 首先通過拉伸選項(xiàng)，拉伸出直徑為16mm，長度為610mm的圓柱體，如圖5-12 所示。 圖5-12 絲杠圓柱模型 接著選擇掃描欄目下的螺旋掃描選項(xiàng)， 點(diǎn)擊參考選項(xiàng)，在螺旋掃描輪廓下點(diǎn)擊 編輯，進(jìn)入草繪界面，繪制螺旋掃描輪廓后點(diǎn)擊確定按鈕，回到螺旋掃描界面， 再次點(diǎn)擊產(chǎn)考選項(xiàng)，在旋轉(zhuǎn)軸一欄點(diǎn)擊拾取圓柱中軸為旋轉(zhuǎn)軸，在截面方向設(shè)置 上選擇穿過旋轉(zhuǎn)軸，完成螺旋掃描參考選項(xiàng)設(shè)置。如圖 5-13所示。 堰施掃捆輪廊 衛(wèi)1部輪廓裁面 輪廉起宜 反向 內(nèi)部CL 截面方向

49、?穿過儘按軸 O垂直于軌跡 圖5-13 螺旋掃描參考選項(xiàng)設(shè)置 接著點(diǎn)擊創(chuàng)建或編輯掃描截面，進(jìn)入草繪界面，在螺旋掃描輪廓起點(diǎn)處繪制掃 描截面，繪制完成后點(diǎn)擊確定按鈕，點(diǎn)擊移除材料按鈕，在間距框內(nèi)輸入間距值 為4,選擇右旋方向，即點(diǎn)擊使用右手定則，點(diǎn)擊確定按鈕完成絲杠繪制，絲杠 實(shí)體模型如圖5-14所示。 圖5-14 絲杠實(shí)體模型 5.4 整體裝配 首先新建文件對x向單軸機(jī)械臂進(jìn)行裝配，使其成為一個裝配體，接著再新建 文件進(jìn)行整體裝配，完成整個機(jī)械臂的裝配。下面對本小節(jié)進(jìn)行詳細(xì)敘述。 選擇新建命令，選擇類型為裝配，子類型為設(shè)計(jì)，并輸入裝配體名稱為Xxiang， 取消勾選使

50、用默認(rèn)模板，選擇確定。操作界面如圖 5-15所示。 圖5-15新建裝配命令操作界面 在彈出的文件選項(xiàng)對話框中（如圖 5-16所示）,選擇模板類型為 mmn s_asm_desig n ，即為裝配體設(shè)計(jì)，選擇確定。 WiE I L申涓」 圖5-16 “新文件選項(xiàng)”對話框 點(diǎn)擊組裝按鈕，插入各個零部件，通過線與線、面與面之間的配合關(guān)系等進(jìn)行 組裝，實(shí)現(xiàn)X向單軸機(jī)械臂的裝配。圖5-17為單軸機(jī)械臂未安裝頂蓋的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖。 圖5-17 X向單軸機(jī)械臂內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 再裝配上頂蓋，完成整個X向單軸機(jī)械臂的裝配，如圖5-18所示 圖5-18 X向單軸機(jī)械臂

51、 再次新建一個裝配體文件，將所有零部件依次插入進(jìn)行裝配， 裝配必須按照設(shè) 計(jì)要求來進(jìn)行，如果發(fā)現(xiàn)有配合誤差，還需要從新打開零件對零件進(jìn)行調(diào)整， 來 符合裝配要求，完成整體裝配。三軸聯(lián)動機(jī)械手臂伺服運(yùn)動機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖 5-19 所示。 圖5-19三軸聯(lián)動機(jī)械手臂三維模型 本章小結(jié) 根據(jù)設(shè)計(jì)思路對所有的零部件進(jìn)行了繪制， 繪制完成后進(jìn)行了裝配，在裝配 過程中由于設(shè)計(jì)時未進(jìn)行細(xì)致的零件位置布局， 導(dǎo)致在裝配過程中存在一些零件 的裝配誤差較大。在裝備過程需要打開進(jìn)行重新調(diào)整繪制，最終合理的完成三維 建模部分。 結(jié)論 三軸聯(lián)動機(jī)械手臂在工業(yè)自動化的應(yīng)用越來越廣泛， 包括抓取、搬運(yùn)、攝像

52、、 焊接等多種工作場合，隨著工業(yè)4.0時代的到來，機(jī)械手臂也會將會迎來巨大的 市場。 本設(shè)計(jì)通過對機(jī)械臂的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)以及基本運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)， 完成了 整個計(jì)算設(shè)計(jì)并且對其進(jìn)行了基于 Creo的建模。 整體設(shè)計(jì)完成的工作主要包括以下幾個方面： 1、 首先提出兩種基本設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較，包括液壓方案和絲杠方案， 綜合比較后采用以絲杠作為傳動件的方案。 2、 對電機(jī)進(jìn)行選型，并對三軸聯(lián)動控制系統(tǒng)進(jìn)行了簡單設(shè)計(jì)，包括運(yùn) 動控制卡以及運(yùn)動程序設(shè)計(jì)。 3、 對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，包括絲杠、導(dǎo)軌、軸承等零部件，并對 其剛度、壽命以及可靠性等進(jìn)行驗(yàn)算。 4、 對整體機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，驗(yàn)證設(shè)

53、計(jì)思路，并對后期的制作、加工 等提供技術(shù)參考。 本三軸聯(lián)動機(jī)械手臂通過 labview 下的程序控制，采用固高公司生產(chǎn)的運(yùn)動控 制卡使得三個方向的單軸機(jī)械臂伺服電機(jī)在轉(zhuǎn)速、 轉(zhuǎn)角等方面達(dá)到控制， 實(shí)現(xiàn)三 軸聯(lián)動。 附錄一 A Heavy Duty Servo Motor Design in Robot Applications Chi-Sheng Chen 2 , Ton-Tai Pan 1, 2 , Huihua Kenny Chiang 1 , Ping-Lin Fan 2 Joe-Air Jiang 3 1. Institute of Biomedical Engineerin

54、g, National Yang-Ming University, Taipei, Taiwan 2. Department of Electrical Engineering, Kuang-Wu Institute of Technology, Taipei, T aiwan 3. Department of Bio-industrial Mechatronics Engineering, National Taiwan University, Taipei, Taiwan Abstract This paper presents a design procedure of a hea

55、vy-duty servomotor for robot applications. The conventional remote control (R/C) servo is an ingenious device that allows remote, proportional actuation of mechanisms by the simple movement of a lever of a robot. Because of the control of a conventional R/C servomotor is easy and the cost of it is l

56、ess expensive, the R/C servos are used in widespread areas. However, an R/C servomotor outputs less torque than required in many applications such as robots design and high torque requirement for remote control cars or planes. Thus, a motor with high torque, which is easy to control, is favorable. I

57、n this paper, a DC gear motor is used as the controlled motor and a potentiometer was attached on the output shaft as a position feedback sensor. The proposed heavy duty R/C servomotor was tested with a mono-stable multi-vibrator, which generates 0.5 to 2.5 ms pulse width modulation (PWM) signals t

58、o drive the motor. Results of this study demonstrate that a heavy duty R/C servomotor can provide more torque in robot application than the commercial R/C servomotors. Keywords: Remote control motor, pulse width modulation, heavy duty, servomotor. I. Introduction In robot control applications, de

59、signers usually select either DC servomotor or brushless servomotor as the actuator to drive each joint. Both kinds of servomotors are expensive because the complexity of the driver system. Moreover, several servomotors are needed in a multi-joints robot design and will make the designed robot too

60、expensive to practical usage. The R/C servo is a self-contained rotational positioning assembly originally designed to control an R/C aircraft or boat. The R/C servo is made up of a DC motor, Proceedings of International Symposium on Automation and Mechatronics of Agricultural an

61、d Bioproduction Systems, Vol. 2 ，gear reduction, output shaft with position feedback, and a control personal computer board all built into a small rectangular enclosure. The R/C servomotor can be controlled with a PWM signal ranging from 0.5 to 2.5 ms to rotate the shaft from -90 degrees to 90 deg

62、rees. A robot joi nt drive n by such an R/C servomotor is then easy to control. A robot control system can properly control these motors by sending appropriate PWM signals to each joint. However, most of the R/C servomotors on market are not qualified for high torque applications because the torqu

63、e available is usually lower than 5 kg-cm. Moreover, most of the gearboxes of the R/C servomotor are made of plastic gear, easily resulting in damage of the gears due to heavy load. Therefore, a heavy duty R/C servomotor, with a torque more than 20 kg-cm and a metal-made gearbox, is attractive to a

64、robot designer for practical usage. In this paper, we present a high torque servomotor controlled with a PWM sig nal so as to be used in a high load or an adverse circumsta nces. Fig.1 System con figurati on of a heavy-duty servomotor. II. Design Scheme The system con figurati on of the hea

65、vy-duty servomotor is illustrated in Fig. 1. A carb on-brush DC gear motor is used as the con trolled motor. For the purpose of in creas ing motor torque, a gearbox with a suitable gear reduction ratio is needed. The motor and the gearbox are termed as motor assembly. On the other hand, a potenti

66、ometer was attached on output shaft of the gearbox as a position feedback sensor. As the DC motor rotates, the resista nee of the pote ntiometer varies accord in gly to a value corresp onding to the shaft positi on of the motor assembly. For the compatibility with an R/C servo-motor that is con trolled with PWM sig nal, the shaft positi on of the proposed heavy-duty servomotor is also con trolled by a PWM sig nal in this desig n. The con troller is a dedicated circuit for gen erat ing a proper