SCARA型裝配機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)【含9張CAD圖紙+文檔全套】

喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請(qǐng)放心下載，，有疑問(wèn)咨詢QQ:414951605或者1304139763 ======================== 喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請(qǐng)放心下載，，有疑問(wèn)咨詢QQ:414951605或者1304139763 ======================== 上海電機(jī)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 上海電機(jī)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 課題名稱 SCARA型裝配機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué) 院 專 業(yè) 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 姓 名 指導(dǎo)教師 摘 要 SCARA 機(jī)器人是一種由四個(gè)自由度組成的平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人，它的主要作用是可以完成精密儀器和物體的搬運(yùn)和移動(dòng)。由于體積小，傳動(dòng)原理簡(jiǎn)單，被廣泛運(yùn)用于電子電氣業(yè)，家用電器業(yè)，精密機(jī)械業(yè)等領(lǐng)域。整個(gè)系統(tǒng)由機(jī)器手，機(jī)器臂，關(guān)節(jié)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等組成。通過(guò)各自由度伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，完成機(jī)器手，機(jī)器臂的位置變化。具體設(shè)計(jì)內(nèi)容為：同步齒形帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)，絲杠螺母設(shè)計(jì)，各輸出軸和殼體的設(shè)計(jì),伺服電機(jī)的選擇等。在校核滿足其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，我們對(duì)SCARA 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 本論文著重研究SCARA 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在論文開(kāi)始首先介紹了機(jī)器人的發(fā)展及其分類情況。具體敘述了SCARA 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)詳細(xì)過(guò)程。在論文末尾還對(duì)SCARA 機(jī)器人進(jìn)一步改進(jìn)措施和應(yīng)用展望進(jìn)行了闡述。 關(guān)鍵詞：SCARA 機(jī)器人，伺服電機(jī)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)器臂 ABSTRACT A SCARA robot is a robot of plane and joint composed of three degrees of freedom. It's mostly function is used to complete transition and motion of exact apparatuses and objects. Because of its small volume and simple drive principle, it is widely used in the field of electronic and electric industry, home-used electric-ware industry and exact mechanism. The whole system is composed of manipulator hand, manipulator arm, joints and servo motor driving system. By servo motor’s driving of each degree of freedom, it completes location change of manipulator hand and manipulator arm. The idiographic designing content is designing of in-phase tooth-shape strap, designing of silk-bar nut, designing of shell and axis and the choice of servo motors. On the base of checking its structure intensity, while it satisfied, we optimize designing of the structure of SCARA robots. This paper put its emphases on research of its structure designing and kinematics analysis. At the beginning of this paper, it introduces the development and sort of robots. It introduces detailed detail among the processing of the structure designing of a SCARA robot and its kinematics analysis. At the last, this paper gives some measures about improving of SCARA robots, and gives a expectation about its future. Key Words: SCARA Robots，Servo Motor，Structure Design， Manipulator Arm 目錄 1、 緒論 4 1.1. 機(jī)器人的特點(diǎn) 4 1.2. 機(jī)器人的構(gòu)成及分類 5 1.3. 機(jī)器人的應(yīng)用與發(fā)展 8 1.4. SCARA機(jī)器人的研究意義 10 1.5. 主要研究?jī)?nèi)容 12 2、 SCARA機(jī)器人傳動(dòng)方案 13 2.1. SCARA機(jī)器人傳動(dòng)方案的比較及確定 13 2.1.1. 可行方案分析 13 2.1.2. 方案對(duì)比和分析 14 2.1.3. 最終驅(qū)動(dòng)方案 15 2.2. 伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和選型 16 2.2.1. 伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn) 16 2.2.2. 伺服電機(jī)的選型 17 2.3. 同步帶輪選型設(shè)計(jì) 17 2.3.1. 同步帶傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn) 17 2.3.2. 同步帶輪選型參數(shù) 18 3、 SCARA機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21 3.1. SCARA機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成 21 3.2. 基座設(shè)計(jì) 22 3.3. 旋轉(zhuǎn)臂設(shè)計(jì) 23 3.4. 大臂設(shè)計(jì) 24 3.5. 小臂設(shè)計(jì) 24 3.6. 末端升降旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì) 25 3.7. 末端機(jī)械手設(shè)計(jì) 26 4、 SCARA機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 27 4.1. SCARA機(jī)器人控制器的總體結(jié)構(gòu) 27 4.2. SCARA機(jī)器人單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 29 4.3. SCARA機(jī)器人控制電路原理圖 30 4.3.1 SCARA機(jī)器人控制流程 30 4.3.2 SCARA機(jī)器人控制電路原理圖 31 5、 總結(jié)與展望 34 6、 參 考 文 獻(xiàn) 35 7、 致 謝 36 1 緒論 1.1. 機(jī)器人的特點(diǎn) 機(jī)器人最顯著的特點(diǎn)有以下幾個(gè): 1) 可編程 生產(chǎn)自動(dòng)化的進(jìn)一步發(fā)展是柔性自動(dòng)化。機(jī)器人可隨其工作環(huán)境變化的需要而再編程，因此它在小批量多品種具有均衡高效率的柔性制造過(guò)程中能發(fā)揮很好的功用，是柔性制造系統(tǒng) (FMS)中的一個(gè)重要組成部分 。 2) 擬人化 機(jī)器人在機(jī)械結(jié)構(gòu)上有類似人的行走、腰轉(zhuǎn)、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有電腦。此外，智能化機(jī)器人還有許多類似人類的 “生物傳感器”，如皮膚型接觸傳感器、力傳感器、負(fù)載傳感器、視覺(jué)傳感器、聲覺(jué)傳感器、語(yǔ)言功能等.傳感器提高了機(jī)器人對(duì)周圍環(huán)境的 自適應(yīng)能力。 3) 通用性 除了專門設(shè)計(jì)的專用機(jī)器人外，一般機(jī)器人在執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)時(shí)具有較好的通用性。比如，更換機(jī)器人手部末端操作器 (手爪、工具等)便可執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)。 4) 機(jī)電一體化 機(jī)器人技術(shù)涉及的學(xué)科相當(dāng)廣泛，但是歸納起來(lái)是機(jī)械學(xué)和微電子技術(shù)的應(yīng)用，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用密切相關(guān)。 因此，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展必將帶動(dòng)其它技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用水平也可以從一個(gè)方面驗(yàn)證一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和水平 。 1.2. 機(jī)器人的構(gòu)成及分類 1.2.1. 機(jī)器人的構(gòu)成 一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)，一般由操作機(jī)、驅(qū)動(dòng)單元、控制裝置和為使機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)而要求的外部設(shè)備組成。 1) 操作機(jī)(又稱執(zhí)行系統(tǒng)) 操作機(jī)是機(jī)器人完成作業(yè)的實(shí)體，它具有和人手臂相似的動(dòng)作功能，是可在空間抓放物體或進(jìn)行其它操作的機(jī)械裝置。通常由下列部分構(gòu)成 。 (1)末端執(zhí)行器 又稱手部，是操作機(jī)直接執(zhí)行工作的裝置，并可設(shè)置夾持器、工具、傳感器等，是工業(yè)機(jī)器人直接與工業(yè)對(duì)象接觸以完成作業(yè)的機(jī)構(gòu)。 (2)手腕是支承和調(diào)整末端執(zhí)行器姿態(tài)的部件 主要用來(lái)確定和改變末端執(zhí)行器的方位和擴(kuò)大手臂的動(dòng)作范圍，一般具有 2-3個(gè)回轉(zhuǎn)自由度以調(diào)整末端執(zhí)行器的姿態(tài)。有些專用機(jī)器人可以沒(méi)有手腕而直接將末端執(zhí)行器安裝在手臂的端部。 (3)手臂　 由操作機(jī)的動(dòng)力關(guān)節(jié)和連接桿件等構(gòu)成，是用于支承和調(diào)整手腕和末端執(zhí)行器位置的部件。手臂有時(shí)不止一條，而且每條手臂，也不一定只有一節(jié) (如關(guān)節(jié)型就可能有多節(jié))，所以，它有時(shí)還應(yīng)包括肘和肩的關(guān)節(jié)，即手臂和手臂間(靠近末端執(zhí)行器的一節(jié)通常叫小臂 ，靠近機(jī)座的，通常叫大臂 )，手臂與機(jī)座間用關(guān)節(jié)連接，因而擴(kuò)大了末端執(zhí)行器姿態(tài)的變化范圍和運(yùn)動(dòng)范圍。 (4)機(jī)座有時(shí)稱為立柱 工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)中相對(duì)固定并承受響應(yīng)力的基礎(chǔ)部件?？煞止潭ㄊ胶鸵苿?dòng)式兩類，移動(dòng)式機(jī)座下部安裝了移動(dòng)機(jī)構(gòu)，它可以擴(kuò)大機(jī)器人的活動(dòng)范圍。 2) 驅(qū)動(dòng)單元 它是由驅(qū)動(dòng)器、減速器、檢測(cè)元件等組成的組件 ，是用來(lái)為操作機(jī)各部件提供動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的裝置。驅(qū)動(dòng)器是將電能或流體能等轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的動(dòng)力裝置，通常是電動(dòng)機(jī) 、液壓或氣動(dòng)裝置。驅(qū)動(dòng)形式不同，傳動(dòng)裝置也有所不同。 3) 控制裝置 它是由人對(duì)機(jī)器人的啟動(dòng) 、停機(jī)及示教進(jìn)行操作的一種裝置，它指揮機(jī)器人按規(guī)定的要求動(dòng)作?？刂蒲b置包括檢測(cè) (如傳感器)和控制(如計(jì)算機(jī))兩部分，可用來(lái)控制驅(qū)動(dòng)單元，檢測(cè)其運(yùn)動(dòng)參數(shù)是否符合規(guī)定要求，并進(jìn)行反饋控制。這就是閉環(huán)控制。如果沒(méi)有反饋控制，就是較簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)控制。 4) 人工智能系統(tǒng) 對(duì)于智能機(jī)器人，還應(yīng)有人工智能系統(tǒng)。它主要由兩部分組成，一部分為感覺(jué)系統(tǒng) (硬件)，主要靠各類傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)其感覺(jué)功能。另一部分為決策一規(guī)劃智能系統(tǒng) (軟件)，它包括邏輯判斷、模式識(shí)別、大容量數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)劃操作程序等功能。 1.2.2. 機(jī)器人的分類 目前世界各國(guó)對(duì)處于發(fā)展階段的機(jī)器人還沒(méi)有統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，大致有以下幾種分類方法。 1) 按使用范圍分類 (1)固定程序的專用機(jī)器人 (機(jī)械手) 通常根據(jù)主機(jī)的特定要求設(shè)計(jì)成固定程序 (或簡(jiǎn)單的可變程序)。這種機(jī)器人 (機(jī)械手)多為氣動(dòng)或液動(dòng)，用行程開(kāi)關(guān)、機(jī)械擋塊來(lái)控制其工作位置。工作對(duì)象單一，動(dòng)作較少，結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。 (2)可編程序的通用機(jī)器人 工作程序可變，以適應(yīng)不同的工作對(duì)象，通用性強(qiáng)，適合于以多品種、中小批量生產(chǎn)為特點(diǎn)的柔性制造系統(tǒng)中。 2) 按使用行業(yè)、部門和用途分類 (1)工業(yè)機(jī)器人 它們又可按作業(yè)類別分為鍛壓、焊接、表面噴涂 、裝卸、裝 配 、檢測(cè)等機(jī) (2)采掘機(jī)器人 如海洋探礦機(jī)器人等。 (3)軍事用途機(jī)器人 (4)服務(wù)機(jī)器人 如醫(yī)療機(jī)器人，家用機(jī)器人，教學(xué)機(jī)器人等。 3) 按機(jī)械結(jié)構(gòu) 、坐標(biāo)系特點(diǎn)分類 按機(jī)械結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系特點(diǎn)可分為直角坐標(biāo)型;圓柱坐標(biāo)型;球坐標(biāo)型;多關(guān)節(jié)型。 4) 按機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方式分類 (1)點(diǎn)位控制 (PTP)機(jī)器人 就是由點(diǎn)到點(diǎn)的控制方式，這種控制方式只能在目標(biāo)點(diǎn)處準(zhǔn)確控制機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)，完成預(yù)定的操作要求。目前應(yīng)用的工業(yè)機(jī)器人中，很多是屬于點(diǎn)位控制方式的，如上下料搬運(yùn)機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人等。 　(2)連續(xù)軌跡控制(CP)機(jī)器人 機(jī)器人的各關(guān)節(jié)同時(shí)作受控運(yùn)動(dòng)，準(zhǔn)確控制機(jī)器人末端執(zhí)行器按預(yù)定的軌跡和速度運(yùn)動(dòng)，并能控制末端執(zhí)行器沿曲線軌跡上各點(diǎn)的姿態(tài)?；『?、噴漆和檢測(cè)機(jī)器人等均屬連續(xù)軌跡控制方式。 5) 按驅(qū)動(dòng)方式分類 按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓驅(qū)動(dòng)式、氣動(dòng)式、電力驅(qū)動(dòng)式 (這是目前用得最多的一類) 6) 根據(jù)機(jī)器人的功能水平和技術(shù)的先進(jìn)程度按 “代”分類 (1)第一代　機(jī)器人 其特點(diǎn)是采用開(kāi)關(guān)量控制，示教再現(xiàn)控制或數(shù)字控制，其作業(yè)路徑和運(yùn)動(dòng)參數(shù)需通過(guò)示教或編程給定。60年代以來(lái)，工業(yè)中實(shí)際應(yīng)用的絕大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人都屬于第一代機(jī)器人，它包括可編程序 (用于上下料)的工業(yè)機(jī)器人具有記憶裝置的示教再現(xiàn)型機(jī)器人，數(shù)控型搬運(yùn)機(jī)器人等。 (2)第二代機(jī)器人是70年開(kāi)始出現(xiàn)的，其技術(shù)特點(diǎn)是采用計(jì)算機(jī)直接控制，是通過(guò)具有視覺(jué)、觸覺(jué)的攝像機(jī)和傳感器，能“感覺(jué)”外界信息并通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算和分析自動(dòng)地控制操作機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和操作，因此，其控制方式較第一代機(jī)器人要復(fù)雜得多，目前這類機(jī)器人已開(kāi)始在工業(yè)生產(chǎn)、排險(xiǎn)救災(zāi)等場(chǎng)合應(yīng)用，并將進(jìn)入普及階段。 (3)第三代機(jī)器人 即智能機(jī)器人。這是國(guó)內(nèi)外正在積極研究，開(kāi)發(fā)的高級(jí)機(jī)器人，其主要特點(diǎn)是具有人工智能。包括: 模式識(shí)別能力、規(guī)劃決策能力、知識(shí)庫(kù)、專家系統(tǒng)、人機(jī)交互能力等。這 一類機(jī)器人目前正在研究開(kāi)發(fā)之中。 1.3. 機(jī)器人的應(yīng)用與發(fā)展 機(jī)器人的應(yīng)用 在發(fā)達(dá)國(guó)家，機(jī)器人己廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、國(guó)防、科技、生活等各個(gè)領(lǐng)域。產(chǎn)業(yè)部門應(yīng)用最多的當(dāng)推汽車工業(yè)和電子工業(yè)，在金屬加工、塑料成型、機(jī)械制造等行業(yè)也有普遍應(yīng)用，并逐漸向纖維加。食品工業(yè)、家用產(chǎn)品制造等行業(yè)發(fā)展。 焊接作業(yè)包括點(diǎn)焊和弧焊，是機(jī)器人用得最多的作業(yè)之一。傳統(tǒng)的點(diǎn)焊機(jī)雖然可以減輕人的勞動(dòng)強(qiáng)度，焊接質(zhì)量也較好，但它適宜少品種大批量的生產(chǎn)環(huán)境，其機(jī)械手和焊槍位置不能隨零件的改變而變化，而點(diǎn)焊機(jī)器人可通過(guò)重新編程來(lái)調(diào)整空間點(diǎn)位，滿足不同零件的需要，故特別適宜于小批量多品種的生產(chǎn)環(huán)境。弧焊作業(yè)由于其焊縫多為空間復(fù)雜曲線，故多由人工完成，連續(xù)軌跡控制的機(jī)器人可以勝任此任務(wù)，故廣泛用于各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)和容器的焊接Unimate, Motoman, ASEA等都是典型的焊接機(jī)器人 。 噴漆作業(yè)由于環(huán)境惡劣，國(guó)外大量使用了機(jī)器人，挪威生產(chǎn)的Trallfa機(jī)器人是目前世界上用得最多的噴漆機(jī)器人，該機(jī)器人為關(guān)節(jié)式，6自由度，電液或全電動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)，采用示教再現(xiàn)方式，既可實(shí)行點(diǎn)位控制 ，也可實(shí)行連續(xù)軌跡控制。 搬運(yùn)物料的作業(yè)包括為機(jī)床上下料，為自動(dòng)生產(chǎn)線轉(zhuǎn)運(yùn)工件，搬運(yùn)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床一起組成柔性加工系統(tǒng)，一條柔性生產(chǎn)線可配置幾臺(tái)至十幾臺(tái)搬運(yùn)機(jī)器人，典型的搬運(yùn)機(jī)器人是T3和 Funac機(jī)器人。 機(jī)器人用于裝配作業(yè)是隨著視覺(jué)系統(tǒng)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的，電子工業(yè)用得最多，主要用在電路板的裝配上，還有電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)部件、閥門等產(chǎn)品的裝配。PUMA機(jī)器人是一種典型的裝配機(jī)器人，有 6個(gè)自由度，關(guān)節(jié)式，直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，微機(jī)控制點(diǎn)位或連續(xù)軌跡，用VAL語(yǔ) 言示教編程，其手腕機(jī)構(gòu)具有順應(yīng)性，可克服裝配中的誤差。 國(guó)外的航空航天工業(yè)中應(yīng)用機(jī)器人也十分廣泛，如鉚接裝配作業(yè)就大量使用了機(jī)器人，此外如電氣插頭的裝配，發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇外殼和高壓渦輪的焊接，飛機(jī)座艙蓋和風(fēng)擋鉆孔作業(yè)，飛機(jī)機(jī)身和垂直尾翼鉆孔，都采用了機(jī)器人。某些飛機(jī)機(jī)身、機(jī)艙的噴漆作業(yè)，發(fā)動(dòng)機(jī)零部件等離子噴涂也采用了機(jī)器人。在空間開(kāi)發(fā)中，航天飛機(jī)上收放衛(wèi)星的機(jī)器人是加拿大Spar公司生產(chǎn)的，美國(guó)NASA實(shí)施的火星測(cè)計(jì)劃，發(fā)射了兩個(gè)火星探測(cè)器海盜 I和海盜H，它們也是一種機(jī)器人，在火星上采集樣品，作各種實(shí)驗(yàn)，并能將實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)回地球。 在海洋開(kāi)發(fā)方面，美國(guó)曾用 Curv號(hào)有纜水下機(jī)器人成功地從西班牙附近 900米深的海底打撈一顆因 B-52轟炸機(jī)失事掉入水中的氫彈。 挪威卑爾根公司生產(chǎn)的一種水下機(jī)器人，可在水下 600米處作業(yè)，裝有電視攝像機(jī)，可收集海底標(biāo)本，切割石油管道和纜索等。 在放射性環(huán)境中，如在核電站里，機(jī)器人可用來(lái)檢查、修復(fù)管道、閥門等，如日本東芝公司研制的一種蛇形機(jī)器人，具有八個(gè)關(guān)節(jié)，可以在狹小的空間里操作，臂長(zhǎng)達(dá)2.25米，臂頂端裝有電視攝像機(jī)。 在軍事方面，機(jī)器人 己用于偵察、布雷、排除爆炸物、裝填彈藥等。在建筑中，己有一種爬壁機(jī)器人可用來(lái)修理墻面，擦洗窗戶。此外還有摘果實(shí)、擠牛奶、剪羊毛、清理垃圾、監(jiān)護(hù)病人的機(jī)器人等。 總之，機(jī)器人的應(yīng)用面相當(dāng)廣泛，機(jī)器人的工作特點(diǎn)是在計(jì)算機(jī)控制下離開(kāi)人的干預(yù)進(jìn)行各項(xiàng)工作。用機(jī)器人代替人，可以使人擺脫高溫、有毒、粉塵、振動(dòng)、放射性、強(qiáng)噪音等惡劣環(huán)境，而去從事機(jī)器人的監(jiān)控、維護(hù)等工作，使工作性質(zhì)發(fā)生了變化，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也改善了就業(yè)結(jié)構(gòu)。機(jī)器人工作抗干擾能力強(qiáng)，一心一意按所編程序工作，動(dòng)作精度、重復(fù)精度高，因此能保證和提高產(chǎn)品質(zhì)量。解決多品種小批量生產(chǎn)的自動(dòng)化問(wèn)題二隨著人民生活水平的提高，人們要求提供更豐富更多樣的產(chǎn)品。因此，用傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式難以滿足人們的需求，當(dāng)前柔性制造系統(tǒng)的飛速發(fā)展正是適應(yīng)了這種發(fā)展趨勢(shì)，而機(jī)器人是柔性系統(tǒng)中不可缺少的提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的關(guān)鍵設(shè)各。與人相比，機(jī)器人有一個(gè)最大的特點(diǎn):不知疲倦、不需要休息，在合宜的條件下，可以連續(xù)工作，因此可以大大地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。機(jī)器人對(duì)于改善勞動(dòng)條件、減少安全事故 ，減少人受危險(xiǎn)環(huán)境的傷害等方面都有顯著的效果。 1.4. SCARA機(jī)器人的研究意義 1.4.1. SCARA機(jī)器人研究現(xiàn)狀 目前，國(guó)外已有各種專用和通用的裝配機(jī)器人在生產(chǎn)中得到應(yīng)用，主要類型大致有直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型和關(guān)節(jié)型三大類。關(guān)節(jié)型裝配機(jī)器人又有垂直關(guān)節(jié)型 (即空間關(guān)節(jié)型)和平面關(guān)節(jié)型 (即SCARA型)兩種。拒統(tǒng)計(jì)資料介紹，在這些裝配機(jī)器人中，平面關(guān)節(jié)型裝配機(jī)器人是應(yīng)用數(shù)量最多且較為廣泛的一種裝配機(jī)器人。1991年世界上4萬(wàn)余臺(tái)在生產(chǎn)上應(yīng)用的裝配機(jī)器人中，SCARA機(jī)器人約占3/4左右。其主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)殡娮与姎鈽I(yè)、家用電器業(yè)、精密機(jī)械業(yè)。從事印刷電路板上電子元器件的插入作業(yè)；家用電器及儀器儀表的組裝作業(yè):小型電器開(kāi)關(guān)、接觸器等電器產(chǎn)品的組裝作業(yè)。可以說(shuō)，SCARA型機(jī)器人在輕型、較簡(jiǎn)單且要求機(jī)器人價(jià)格較低的裝配作業(yè)中大顯了身手。 隨著社會(huì)需求的增大和技術(shù)的進(jìn)步，裝配機(jī)器人將會(huì)得到迅速的發(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，將是推動(dòng)裝配機(jī)器人發(fā)展的直接動(dòng)力。近年來(lái)計(jì)算機(jī)、CIMS及柔性自動(dòng)裝配系統(tǒng)等的發(fā)展，又為裝配機(jī)器人的應(yīng)用和發(fā)展提供了良好的可能性。1972年我國(guó)開(kāi)始研制機(jī)器人，但發(fā)展緩慢，受經(jīng)濟(jì)、觀念等因素的制約 ，基本沒(méi)有什么應(yīng)用，直到1986年，沈陽(yáng)機(jī)器人研究所成立，中國(guó)的機(jī)器人才向?qū)嵱秒A段發(fā)展。隨著國(guó)內(nèi)教育和科技的發(fā)展，哈工大等高校出現(xiàn)了專門的機(jī)器人機(jī)構(gòu)，研究水平在某些方面己達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。在應(yīng)用方面，一汽等大型企業(yè)己開(kāi)始使用機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線。但總體來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)機(jī)器人發(fā)展還是趨于落后，特別是在應(yīng)用方面發(fā)展緩慢。究其原因，除了經(jīng)濟(jì)因素的制約外，很重要的一點(diǎn)是有關(guān)機(jī)器人的教育跟不上，知道機(jī)器人的人很多，但真正了解、懂機(jī)器人的人少而又少，這就使我國(guó)的機(jī)器人發(fā)展缺乏智力支持，加強(qiáng)機(jī)器人技術(shù)教育，緩解人才危機(jī)迫在眉睫。而研制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低SCARA機(jī)器人用于教學(xué)可以提高教育的現(xiàn)代化水平，用于實(shí)際生產(chǎn)可以大大提高工作效率，還可以用于科學(xué)研究工作，為開(kāi)發(fā)更先進(jìn)的裝配機(jī)器人提供有利條件，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，我們有能力也有必要進(jìn)行這方面的研究。 1.4.2. SCARA機(jī)器人的特點(diǎn) 根據(jù)工作環(huán)境、工作特點(diǎn)等要求，本 SCARA機(jī)器人應(yīng)具備以下幾個(gè)特點(diǎn): 1.外形美觀，適于觀察。 如果作為示教用機(jī)器人應(yīng)該讓觀看者賞心悅目，同時(shí)能直觀地了解它的構(gòu)成和動(dòng)作原理。故機(jī)器人的外形應(yīng)巧妙設(shè)計(jì)，部分外殼應(yīng)采用透明材料，內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)簡(jiǎn)單明了，另外，機(jī)器人的動(dòng)作應(yīng)連續(xù)，速度適中。 2.成本低 在滿足所要求功能的前提下，盡可能降低成本，這是設(shè)計(jì)的基本要求。如果作為教學(xué)用機(jī)器人只要求有一些示范性動(dòng)作，而對(duì)實(shí)踐的功能要求不高，速度等參數(shù)可在一定范圍內(nèi)調(diào)整，定位精度要求也不高，故機(jī)構(gòu)盡可能采用規(guī)則件、標(biāo)準(zhǔn)件，驅(qū)動(dòng)元件采用便宜的步進(jìn)電機(jī)，而光電碼盤等測(cè)試校驗(yàn)元件則可不用，其功能由軟件部分實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。這樣，結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，成本也隨之降低。 3.體積小 、重量輕 　SCARA機(jī)器人要求抓取重量不大，動(dòng)作范圍也很小，故體積很小，展開(kāi)應(yīng)在60x80cm左右。要實(shí)現(xiàn) SCARA機(jī)器人的四個(gè)自由度，內(nèi)部零件應(yīng)盡量小巧，結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能緊湊。重量輕是機(jī)器人研制的一個(gè)方向，在滿足強(qiáng)度和剛度的條件下，零部件越輕越好，故材料要首選鋁質(zhì)輕質(zhì)材料，零件特別是具有定位功能的殼體定位板應(yīng)采用板筋結(jié)構(gòu)，各零件的空間分布要合理，減小傾覆力矩。 4.傳動(dòng)原理簡(jiǎn)單 　本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的機(jī)器人采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，速度要求不高，故減速比可在一定范圍內(nèi)調(diào)整，只要能滿足轉(zhuǎn)矩即可。選擇減速方案可根據(jù)空間結(jié)構(gòu)要求 ，跨距轉(zhuǎn)大的傳動(dòng)可選用同步帶傳動(dòng)力求一步到位，傳動(dòng)簡(jiǎn)單。 1.5. 主要研究?jī)?nèi)容 SCARA機(jī)器人為平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人，一般采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制簡(jiǎn)單，編程方便。主要應(yīng)用于電子產(chǎn)品中異形元件裝配，小型機(jī)電產(chǎn)品如電機(jī)、空壓機(jī)、電器、泵類等的裝配工作，是一種小型經(jīng)濟(jì)型機(jī)器人。該機(jī)器人的突出特點(diǎn)是機(jī)構(gòu)承載能力強(qiáng)，具有較好的通用性，重復(fù)定位精度高，動(dòng)作速度快，應(yīng)用范圍廣。該論文涉及計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子、機(jī)械等多學(xué)科的知識(shí)，主要完成了以下的工作: 1）建立SCARA機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)模型，SCARA機(jī)器人由固定架基座、旋轉(zhuǎn)升降臂、大臂、小臂、旋轉(zhuǎn)升降末端以及末端執(zhí)行器六部分組成。包括2個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，各關(guān)節(jié)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 2）選擇電機(jī)的種類、型號(hào)。 3）確定機(jī)器人的自由度，各部件形狀、大小、行程。 4）使用AutoCAD設(shè)計(jì)機(jī)械部件的二維圖。 5）設(shè)計(jì)并繪出單片機(jī)控制電路原理圖。 2 SCARA機(jī)器人傳動(dòng)方案 2.1. SCARA機(jī)器人傳動(dòng)方案的比較及確定 2.1.1. 可行方案分析 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)要求： SCARA機(jī)器人需要如下四個(gè)自由度，大小臂在XY平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，Z軸上下移動(dòng)以及Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，在這個(gè)四自由度下工作就可以滿足絕大多數(shù)的裝配應(yīng)用。 1）工作范圍的確定：工業(yè)機(jī)器人工作的范圍根據(jù)工藝要求和操作運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)確定。一個(gè)操作運(yùn)動(dòng)的軌跡一般是由幾個(gè)動(dòng)作合成的；在確定工作范圍時(shí)，可將運(yùn)動(dòng)軌跡分解成單個(gè)動(dòng)作，由單個(gè)動(dòng)作的行程確定工業(yè)機(jī)器人的最大行程。各個(gè)動(dòng)作的最大行程確定之后，工業(yè)機(jī)器人的工作范圍即可確定。 2）大小臂尺寸的確定：裝配生產(chǎn)中所用裝配流水線的寬度一般為2000mm～2500mm左右，如果工業(yè)機(jī)器人手臂置于流水線的中間位置，考慮其大小臂長(zhǎng)度之和為1300則可以滿足需求。 3）Z軸平移及旋轉(zhuǎn)行程的確定：為了使工業(yè)機(jī)器人手臂與流水線手工作業(yè)人員很好的結(jié)合，工業(yè)機(jī)器人手臂Z軸的位置高度應(yīng)與人工作時(shí)手臂高度相當(dāng)，同時(shí)考慮到對(duì)不同產(chǎn)品的泛用性，Z軸上下運(yùn)動(dòng)位移須達(dá)到500mm，符合人手上下取放的高度；Z軸旋轉(zhuǎn)須360度，以實(shí)現(xiàn)不同角度的裝配。 4）臂力的確定： 對(duì)于裝配工業(yè)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，臂力主要根據(jù)被抓取、搬運(yùn)物體的重量及重量變化范圍來(lái)定，其安全系數(shù)一般可在1.5～3.0范圍內(nèi)選取，確定有效負(fù)載為2.2kg。 具體方案如下： 方案一：體轉(zhuǎn)動(dòng)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶減速；大臂采用伺服電機(jī)直驅(qū)絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)實(shí)現(xiàn)升降；小臂采用伺服電機(jī)直驅(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)；末端分為升降和轉(zhuǎn)動(dòng)兩部分，均采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶實(shí)現(xiàn)。這種方案主要考慮了傳動(dòng)鏈的簡(jiǎn)化，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單易行。 方案二：臂轉(zhuǎn)動(dòng)采用齒輪減速，小臂轉(zhuǎn)動(dòng)采用二級(jí)同步帶傳動(dòng)，升降軸采用一級(jí)齒帶傳動(dòng)加齒輪齒條實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng)。 2.1.2. 方案對(duì)比和分析 方案一具有以下特點(diǎn): 1）第一個(gè)自由度采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶減速，體積小、重量輕、精度高、回差小、承載能力大、噪音小、效率高、定位安裝方便。 2）第二個(gè)自由度采用伺服電機(jī)直驅(qū)，充分利用了大臂的空間，結(jié)構(gòu)緊湊，扭矩大，傳動(dòng)功率大，效率較高。電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)的同時(shí)兼有減速的作用，一步把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)精度較高，絲杠有自鎖功能，速度不宜過(guò)高。 3）第三個(gè)自由度采用伺服電機(jī)直驅(qū)，考慮到小臂轉(zhuǎn)動(dòng)需要一定的扭矩，伺服電機(jī)具備大扭矩的特性。 4）第四自由度分為升降和轉(zhuǎn)動(dòng)兩部分，考慮到末端運(yùn)動(dòng)速度較慢，均采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶輪減速。 方案二具有以下特點(diǎn): 1）第一個(gè)自由度采用齒輪減速，這是最常用的減速方法，傳動(dòng)比恒定，傳動(dòng)效率高，工作可靠，使用壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)緊湊，傳遞功率大，但傳動(dòng)精度低，噪音大，傳動(dòng)比小。齒輪的加工成本比較高，體積和重量都比較大。 2）第三個(gè)自由度采用了齒帶加齒輪齒條傳動(dòng)，基本具備齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)，傳遞功率大，傳動(dòng)效率高，精度低，有噪音，傳動(dòng)比小，工作可靠，但需要平衡裝置，不能自鎖。 3）其它方面與方案一基本相同。 兩方案相比較，在傳動(dòng)的實(shí)現(xiàn)上，二者都是可行的。方案一結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，各傳動(dòng)元件的定位比較容易實(shí)現(xiàn);方案二結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，各部分定位都需仔細(xì)考慮。外觀上，方案二顯得更好一些。傳動(dòng)精度方面，顯然方案一比較高。成本上考慮，方案一采用標(biāo)準(zhǔn)件較多，零部件較少，且比較規(guī)則，易于加工，絲杠螺母在精度要求不高的情況下，加工成本也不是很高;方案二用了很多齒輪，需專門設(shè)備加工，且各定位部件形狀不規(guī)則，加工困難，這都使成本增加。故綜合考慮，選擇方案一。 圖2.1 升降臂絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)構(gòu)想 如圖2.1，為SCARA型機(jī)器人的升降關(guān)節(jié)及升降臂三維模型，機(jī)器人的基座上安裝一個(gè)滾珠絲杠，一個(gè)電機(jī)和兩個(gè)滾動(dòng)導(dǎo)軌，滾珠絲杠的兩端通過(guò)軸承固定在基座上，升降臂與滾珠絲杠副的螺母及滾動(dòng)導(dǎo)軌副的定導(dǎo)軌通過(guò)螺栓連接在一起。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)輸出軸通過(guò)同步帶傳動(dòng)帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副的螺母沿絲杠軸線方向作直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)升降臂的升降動(dòng)作。 2.1.3. 最終驅(qū)動(dòng)方案 常用的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式主要有：液壓驅(qū)動(dòng)，氣壓驅(qū)動(dòng)和電氣驅(qū)動(dòng)三種 1) 液壓驅(qū)動(dòng) 液壓驅(qū)動(dòng)以液體作為工作介質(zhì)，通過(guò)將電能轉(zhuǎn)換為液壓能并用電磁閥改變壓力油的流向，從而使液壓驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)輸出功率大，精度高，速度快，運(yùn)行平穩(wěn)，但它需要獨(dú)立的液壓源，且液體易泄漏，設(shè)備難于小型化，因此不能滿足機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置重量輕，體積小的要求。 2) 氣壓驅(qū)動(dòng) 與液壓驅(qū)動(dòng)的工作原理相似，氣壓驅(qū)動(dòng)采用壓縮空氣作為工作介質(zhì)，具有工作速度快，成本低，無(wú)泄漏污染等特點(diǎn)，但功率較小，動(dòng)作不夠平穩(wěn)，且不易小型化，難于實(shí)現(xiàn)精確控制。而機(jī)器人一般需要有較高的工作精度和較大的驅(qū)動(dòng)功率，因此氣壓驅(qū)動(dòng)作為機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式也具有一定的局限性，液壓驅(qū)動(dòng)和氣壓驅(qū)動(dòng)多用于早期的工業(yè)機(jī)器人。 3) 電氣驅(qū)動(dòng) 它是將電能轉(zhuǎn)變成電磁力，并用該電磁力驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的。電氣驅(qū)動(dòng)的功率大，控制精度高，響應(yīng)快，且操作簡(jiǎn)便，無(wú)污染，這些特點(diǎn)較好地滿足了機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求，因此，電氣驅(qū)動(dòng)成為目前機(jī)器人的主要驅(qū)動(dòng)方式。 綜上，選擇電氣驅(qū)動(dòng)，即采用伺服電機(jī)作為機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)。 2.2. 伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和選型 2.2.1. 伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn) 20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著集成電路、電力電子技術(shù)和交流可變速驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，永磁交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)有了突出的發(fā)展，各國(guó)著名電氣廠商相繼推出各自的交流伺服電動(dòng)機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器系列產(chǎn)品并不斷完善和更新。 交流伺服系統(tǒng)已成為當(dāng)代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，使原來(lái)的直流伺服面臨被淘汰的危機(jī)。90年代以后，世界各國(guó)已經(jīng)商品化了的交流伺服系統(tǒng)是采用全數(shù)字控制的正弦波電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)。交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置在傳動(dòng)領(lǐng)域的發(fā)展日新月異。永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)同直流伺服電動(dòng)機(jī)比較，主要優(yōu)點(diǎn)有： 1、精度：實(shí)現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制,克服了步進(jìn)電機(jī)失步的問(wèn)題； 2、轉(zhuǎn)速：高速性能好，一般額定轉(zhuǎn)速能達(dá)到2000～3000轉(zhuǎn)； 3、適應(yīng)性：抗過(guò)載能力強(qiáng)，能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，對(duì)有瞬間負(fù)載波動(dòng)和要求快速起動(dòng)的場(chǎng)合特別適用； 4、穩(wěn)定：低速運(yùn)行平穩(wěn)，低速運(yùn)行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生類似于步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)運(yùn)行現(xiàn)象。適用于有高速響應(yīng)要求的場(chǎng)合； 5、及時(shí)性：電機(jī)加減速的動(dòng)態(tài)相應(yīng)時(shí)間短，一般在幾十毫秒之內(nèi)； 6、舒適性：發(fā)熱和噪音明顯降低。 　 2.2.2. 伺服電機(jī)的選型 為滿足SCARA機(jī)器人運(yùn)行速度快、控制精度高和動(dòng)態(tài)性能好的設(shè)計(jì)要求，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)選用松下電機(jī)的A4系列交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，并選用與伺服電機(jī)配套的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，表 2.1 列出了選用的交流伺服電機(jī)的型號(hào)、規(guī)格及配套的驅(qū)動(dòng)器型號(hào)?！　? 關(guān)節(jié)名稱 電機(jī)型號(hào) 配套伺服驅(qū)動(dòng)器型號(hào) 額定功率（KW） 額定轉(zhuǎn)速(pr) 主體旋轉(zhuǎn) A4-MSMA302P1C MFDDTA390A 3 2500 大臂升降 A4-MSMA202P1C MEDDT7364A 2 2500 小臂旋轉(zhuǎn) A4-MSMA102P1C MDDDT5540A 1 2500 末端旋轉(zhuǎn) A4-MSMD021P1AA MBDDT2110A 0.2 2500 末端升降 A4-MSMD5AZP1AA MSDDT1205A 0.05 2500 2.3. 同步帶輪選型設(shè)計(jì) 同步帶傳動(dòng)廣泛應(yīng)用于紡織、汽車、化纖、卷煙、造紙、印刷、化工等機(jī)械設(shè)備；近年來(lái)，采礦冶金、鋼鐵機(jī)械、醫(yī)療設(shè)備需求量日漸增加。同步帶傳動(dòng)利用帶齒與帶輪齒嚙合來(lái)傳遞動(dòng)力的一種新型傳動(dòng)方式，具有準(zhǔn)確的同步傳動(dòng)功能，不需要潤(rùn)滑、無(wú)滑差、無(wú)污染、噪音少；傳動(dòng)效率達(dá)0.98，速比范圍可達(dá)1～10，允許線速可達(dá)50m/s，傳動(dòng)率從幾百瓦到數(shù)百千瓦，適宜多軸傳動(dòng)。 2.3.1. 同步帶傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn) 1) 工作時(shí)無(wú)滑動(dòng)，有準(zhǔn)確的傳動(dòng)比 同步帶傳動(dòng)是一種嚙合傳動(dòng)，雖然同步帶是彈性體，但由于其中承受負(fù)載的承載繩具有在拉力作用下不伸長(zhǎng)的特性，故能保持帶節(jié)距不變，使帶與輪齒槽能正確嚙合，實(shí)現(xiàn)無(wú)滑差的同步傳動(dòng)，獲得精確的傳動(dòng)比。 2) 傳動(dòng)效率高，節(jié)能效果好 由于同步帶作無(wú)滑動(dòng)的同步傳動(dòng)，故有較高的傳動(dòng)效率，一般可達(dá)0.98。它與三角帶傳動(dòng)相比，有明顯的節(jié)能效果。 3) 傳動(dòng)比范圍大，結(jié)構(gòu)緊湊 同步帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比一般可達(dá)到1～10左右，而且在大傳動(dòng)比情況下，其結(jié)構(gòu)比三角帶傳動(dòng)緊湊。因?yàn)橥綆鲃?dòng)是嚙合傳動(dòng)，其帶輪直徑比依靠摩擦力來(lái)傳遞動(dòng)力的三角帶帶輪要小得多，此外由于同步帶不需要大的張緊力，使帶輪軸和軸承的尺寸都可減小。所以與三角帶傳動(dòng)相比，在同樣的傳動(dòng)比下，同步帶傳動(dòng)具有較緊湊的結(jié)構(gòu)。 4) 維護(hù)保養(yǎng)方便，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低 由于同步帶中承載繩采用伸長(zhǎng)率很小的玻璃纖維、鋼絲等材料制成，故在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中帶伸長(zhǎng)很小，不需要像三角帶、鏈傳動(dòng)等需經(jīng)常調(diào)整張緊力。此外，同步帶在運(yùn)轉(zhuǎn)中也不需要任何潤(rùn)滑，所以維護(hù)保養(yǎng)很方便，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用比三角帶、鏈、齒輪要低得多。 2.3.2. 同步帶輪選型參數(shù) 一、齒形 同步帶輪齒形可以分為英制（普通扭矩）MXL、XL、L、H以及公制（高扭矩）S2M、S3M、S4M、S5M、S8M和（普通扭矩)T5、T10 齒形的選擇可以參照表一： 表一：同步帶輪選型表（MXL、XL、L、H、T5、T10） 二、齒數(shù) 齒數(shù)是同步帶輪重要參數(shù)，同步帶輪節(jié)圓直徑＝齒數(shù)×齒距/π。 三、材質(zhì)及表面處理 同步帶輪常用材質(zhì)為鋁合金及45＃鋼，表面處理分別為鋁輪：本色氧化、黑色氧化；鋼輪：四氧化三鐵保護(hù)膜、無(wú)電解鍍鎳。 四、帶輪形狀 同步帶輪按形狀可分為一下幾種類型： K形輪 A形輪 B形輪 D形輪 根據(jù)伺服電機(jī)功率以及對(duì)同步帶的選型要求，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)各關(guān)節(jié)的同步帶輪的選型如表二。 表二：同步帶輪的選型 關(guān)節(jié)名稱 功率（kw） 小帶輪 大帶輪 傳動(dòng)比（Z2/Z1） 帶輪類型 齒數(shù)Z1 帶輪類型 齒數(shù)Z2 基座旋轉(zhuǎn) 3 L-A-C 20 L-B-C 36 1.8 末端旋轉(zhuǎn) 0.5 XL-A-C 12 XL-B-C 20 1.67 末端升降 0.02 XL-A-C 14 XL-B-C 21 1.5 2.3.3.同步帶的計(jì)算與選型 2.3.3.1．大臂同步帶的計(jì)算與選型 （1）確定同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)功率 （2-12） 式中：——載荷修正系數(shù)，根據(jù)原動(dòng)機(jī)工作類型和每日運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間等因素查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-18，?。ㄝd荷變動(dòng)微小，每天工作小時(shí)<10h）； ——工作機(jī)上的驅(qū)動(dòng)功率，=3kW； 則有： Pd = 4.95kW （2）確定同步帶傳動(dòng)的帶型和節(jié)距 根據(jù)同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)功率=4.95kW和帶輪轉(zhuǎn)速，由《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》圖3-14查得帶的型號(hào)為L(zhǎng)型，對(duì)應(yīng)節(jié)距 Pb=9.525 。 （3）確定小帶輪的齒數(shù)和節(jié)圓直徑 由帶輪轉(zhuǎn)速和L型帶，查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-17得小帶輪的最少許用齒數(shù)Z1=20，初選Z1=20，小帶輪節(jié)圓直徑d1=60.63；小帶輪節(jié)圓直徑初定后應(yīng)驗(yàn)算帶速，不合適則重取。同步帶的速度應(yīng)滿足： （2-13） 極限帶速為：MXL、XXL、XL型，；L、H型，；XH、XHH型，。此L型小帶輪的速度符合。 （4）確定大帶輪的齒數(shù)和節(jié)圓直徑 由于在絲杠運(yùn)動(dòng)中，同步帶是用于將電機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)降速后變成工作臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)比i=1.8,則大帶輪齒數(shù)Z2=i*Z1=36；大帶輪節(jié)圓直徑d2=i*d1=109.14。 （5）初選中心距，確定同步帶的接線長(zhǎng)度和齒輪 若中心距 未給定，則可根據(jù)下式進(jìn)行初選： （2-14） 則帶的節(jié)線長(zhǎng)度為： （2-15） 得：。 查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-13得，，對(duì)應(yīng)齒數(shù)為：。 （6）計(jì)算實(shí)際中心距 設(shè)計(jì)同步帶傳動(dòng)時(shí)，中心距應(yīng)該可以調(diào)整，以便獲得適當(dāng)?shù)膹埦o力。此時(shí)，實(shí)際中心距為： （2-16） 則a=397.2mm。 （7）校驗(yàn)同步帶與小帶輪的嚙合齒數(shù) 由公式： （2-17） 由于 ，故可得： ，故滿足嚙合要求。 （8）計(jì)算基準(zhǔn)額定功率 （2-18） 式中：——基準(zhǔn)帶寬下的許用工作拉力，查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-21得， ； ——單位長(zhǎng)度質(zhì)量， 查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-21，得 ； —— 同步帶的線速度，單位為：； 將已知條件代入上述公式得： （9）確定實(shí)際所需要的同步帶寬度 確定實(shí)際所需要的同步帶寬度為： （2-19） 式中： ——帶所能傳遞功率，單位為：kW； ——小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù)嚙合系數(shù)；查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-22得，因?yàn)?，所以?。? 代入數(shù)據(jù)得： Bs>15.47 故取基準(zhǔn)帶寬b=25.4即可滿足使用要求。 （10）帶的工作能力驗(yàn)算 由公式： （2-20） 其中： ——嚙合系數(shù)，查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-22得，； ——齒寬系數(shù)；； ——基準(zhǔn)帶寬下的許用工作拉力，查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-21得，Ta=244.46N ； ——單位長(zhǎng)度質(zhì)量， 查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-21，得m=0.095kg/m ； ——同步帶的線速度，單位為：； 帶入已知數(shù)據(jù)，可得帶的工作能力： P=0.241kW 因此帶的校驗(yàn)合格，滿足使用要求。 2.3.3.1．末端臂連接絲杠同步帶的計(jì)算與選型 （1）確定同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)功率 （2-12） 式中：——載荷修正系數(shù)，根據(jù)原動(dòng)機(jī)工作類型和每日運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間等因素查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-18，取（載荷變動(dòng)微小，每天工作小時(shí)<10h）； ——工作機(jī)上的驅(qū)動(dòng)功率，=0.5kW； 則有： Pd = 0.825kW （2）確定同步帶傳動(dòng)的帶型和節(jié)距 根據(jù)同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)功率=0.825kW和帶輪轉(zhuǎn)速，由《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》圖3-14查得帶的型號(hào)為XL型，對(duì)應(yīng)節(jié)距 Pb=0.35 。 （3）確定小帶輪的齒數(shù)和節(jié)圓直徑 由帶輪轉(zhuǎn)速和L型帶，查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-17得小帶輪的最少許用齒數(shù)Z1=12，初選Z1=12，小帶輪節(jié)圓直徑d1=1.56；小帶輪節(jié)圓直徑初定后應(yīng)驗(yàn)算帶速，不合適則重取。同步帶的速度應(yīng)滿足： （2-13） 極限帶速為：MXL、XXL、XL型，；L、H型，；XH、XHH型，。此L型小帶輪的速度符合。 （4）確定大帶輪的齒數(shù)和節(jié)圓直徑 由于在絲杠運(yùn)動(dòng)中，同步帶是用于將電機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)降速后變成工作臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)比i=1.8,則大帶輪齒數(shù)Z2=i*Z1=20；大帶輪節(jié)圓直徑d2=i*d1=2.6。 （5）初選中心距，確定同步帶的接線長(zhǎng)度和齒輪 若中心距 未給定，則可根據(jù)下式進(jìn)行初選： （2-14） 則帶的節(jié)線長(zhǎng)度為： （2-15） 得：。 查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-13得，，對(duì)應(yīng)齒數(shù)為：。 （6）計(jì)算實(shí)際中心距 設(shè)計(jì)同步帶傳動(dòng)時(shí)，中心距應(yīng)該可以調(diào)整，以便獲得適當(dāng)?shù)膹埦o力。此時(shí)，實(shí)際中心距為： （2-16） 則a=90mm。 （7）校驗(yàn)同步帶與小帶輪的嚙合齒數(shù) 由公式： （2-17） 由于 ，故可得： ，故滿足嚙合要求。 （8）計(jì)算基準(zhǔn)額定功率 （2-18） 式中：——基準(zhǔn)帶寬下的許用工作拉力，查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-21得， ； ——單位長(zhǎng)度質(zhì)量， 查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-21，得 ； —— 同步帶的線速度，單位為：； 將已知條件代入上述公式得： （9）確定實(shí)際所需要的同步帶寬度 確定實(shí)際所需要的同步帶寬度為： （2-19） 式中： ——帶所能傳遞功率，單位為：kW； ——小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù)嚙合系數(shù)；查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-22得，因?yàn)?，所以取? 代入數(shù)據(jù)得： 故取基準(zhǔn)帶寬b=25.4即可滿足使用要求。 （10）帶的工作能力驗(yàn)算 由公式： （2-20） 其中： ——嚙合系數(shù)，查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-22得，； ——齒寬系數(shù)；； ——基準(zhǔn)帶寬下的許用工作拉力，查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-21得，Ta=50.17N ； ——單位長(zhǎng)度質(zhì)量， 查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-21，得m=0.022kg/m ； ——同步帶的線速度，單位為：； 帶入已知數(shù)據(jù)，可得帶的工作能力： P=32W 因此帶的校驗(yàn)合格，滿足使用要求。 2.4. 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型 2.4.1．大臂升降滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型 （1）工作載荷Fm的計(jì)算 Fm為工作最大載荷，是指滾珠絲杠副在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)所承受的最大軸向力。已知移動(dòng)部件總重G=150N，所以 =G=150N。 （2）FQ最大動(dòng)載荷的計(jì)算 設(shè)Z方向最快的速度v=0.25m/s=15m/min，初選絲杠基本導(dǎo)程 =10mm,則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速n=1200v/ =1500r/min。 取滾珠絲杠的使用壽命T= 15000h(一般機(jī)電設(shè)備取T=15000h；n為絲杠每分鐘轉(zhuǎn)速)，代入 ，得絲杠壽命系數(shù)=1350(單位為：106 r)。 查表3-30，取載荷系數(shù)=1.1，再取硬度系數(shù) =1.0， 代入公式： （2-1） 得最大動(dòng)載荷 =1823N。 （3）初選型號(hào) 根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷，查表3-33，選用啟東潤(rùn)澤機(jī)床附件有限公司生產(chǎn)的FL2506型滾珠絲杠副，為浮動(dòng)反向器內(nèi)循環(huán)式，其公稱直徑為=45mm，基本導(dǎo)程為=10mm，雙螺母滾珠總?cè)? 2圈=6圈，精度等級(jí)取4級(jí)，額定動(dòng)載荷為10400N，大于，故滿足要求。 （4）傳動(dòng)效率的計(jì)算 將公稱直徑 =45mm，基本導(dǎo)程 =10mm，代入 （2-2） 得絲杠螺旋升角=5°2.4′,取摩擦角 =10′，代入，得傳動(dòng)效率=98.9% 。 （5）剛度的驗(yàn)算 1）縱向滾珠絲杠的支承，采用單推——單推的方式，采取圓錐滾子軸承面對(duì)面組配。已知左、右支承的中心距離約為=360mm；鋼的彈性模量=；查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-33，得滾珠直徑=2.3812mm，算得絲杠底徑=-=20-2.3812=17.6188mm，則絲杠截面積 （2-3） 得S=243.80 絲杠的拉伸或壓縮變形量 3 （2-4） I為絲杠底徑的截面。慣性矩 （其中“+”號(hào)用于拉伸，“-”用于壓縮。由于轉(zhuǎn)矩M一般較小，式中第二項(xiàng)在計(jì)算是可酌情忽略）。所以， （2-5） 綜上求得絲杠在工作載荷Fm作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量=2.81mm 。 2）滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 無(wú)預(yù)緊時(shí) 4 （2-6） 有預(yù)緊時(shí) （2-7） ——滾珠直徑，單位為mm； ——單圈滾珠數(shù)，（外循環(huán)），（內(nèi)循環(huán)）； ——滾珠總數(shù)量，=Z圈數(shù)列數(shù) ——預(yù)緊力，單位為N。 （當(dāng)滾珠絲杠副有預(yù)緊力，且預(yù)緊力達(dá)到軸向工作載荷的1/3時(shí)，值減小一半左右）單圈滾珠數(shù)目=（π20/10）-3=4；該型號(hào)絲杠為雙螺母，滾珠總?cè)?shù)為32=6圈，總滾珠總數(shù)量 =46=24 。滾珠絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力13.3N 。代入公式（3-7）得 ， =4.24mm。 因?yàn)榻z杠加有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的三分之一，所以實(shí)際變形量可減小一半，取=1.41mm。 3）將以上算出的、代入 （2-8） 得變形總量 =5.65。 由表3-27形成偏差和變動(dòng)量知，4級(jí)精度滾珠絲杠任意315mm~400mm軸向行程內(nèi)行程的變動(dòng)量允許18，而對(duì)于跨度為330mm 的滾珠絲杠，總的變形量只有5.65<18，可見(jiàn)絲杠剛度足夠。 （6）壓桿穩(wěn)定性校核 滾珠絲杠屬于細(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Fk應(yīng)滿足： （2-9） ——臨界載荷，單位為N； ——絲杠支承系數(shù)； ——壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.5~4，垂直安裝時(shí)取小值； ——滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為mm 。 查表3-34可知雙推—單推的絲杠支承系數(shù)=2，絲杠底徑 =17.6188mm ，求得界面慣性矩 4730.2；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取2.5；滾動(dòng)螺母至軸向固定處的距離350mm取最大值 。代入上式，得臨界載荷 60517.9N，遠(yuǎn)大于工作載荷Fm=40N，故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。 綜上所述，初選的滾珠絲杠螺母副滿足使用要求。 2.4.2．末端臂升降滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型 （1）工作載荷Fm的計(jì)算 Fm為工作最大載荷，是指滾珠絲杠副在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)所承受的最大軸向力。已知移動(dòng)部件總重G=50N，所以 =G=50N。 （2）FQ最大動(dòng)載荷的計(jì)算 設(shè)Z方向最快的速度v=0.25m/s=15m/min，初選絲杠基本導(dǎo)程 =10mm,則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速n=1200v/ =1500r/min。 取滾珠絲杠的使用壽命T= 15000h(一般機(jī)電設(shè)備取T=15000h；n為絲杠每分鐘轉(zhuǎn)速)，代入 ，得絲杠壽命系數(shù)=1350(單位為：106 r)。 查表3-30，取載荷系數(shù)=1.1，再取硬度系數(shù) =1.0， 代入公式： （2-1） 得最大動(dòng)載荷 =607N。 （3）初選型號(hào) 根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷，查表3-33，選用啟東潤(rùn)澤機(jī)床附件有限公司生產(chǎn)的FL2506型滾珠絲杠副，為浮動(dòng)反向器內(nèi)循環(huán)式，其公稱直徑為=20mm，基本導(dǎo)程為=10mm，雙螺母滾珠總?cè)? 2圈=6圈，精度等級(jí)取4級(jí)，額定動(dòng)載荷為10400N，大于，故滿足要求。 （4）傳動(dòng)效率的計(jì)算 將公稱直徑 =20mm，基本導(dǎo)程 =10mm，代入 （2-2） 得絲杠螺旋升角=5°2.4′,取摩擦角 =10′，代入，得傳動(dòng)效率=98.6% 。 （5）剛度的驗(yàn)算 1）縱向滾珠絲杠的支承，采用單推——單推的方式，采取圓錐滾子軸承面對(duì)面組配。已知左、右支承的中心距離約為=360mm；鋼的彈性模量=；查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-33，得滾珠直徑=2.3812mm，算得絲杠底徑=-=20-2.3812=17.6188mm，則絲杠截面積 （2-3） 得S=243.80 絲杠的拉伸或壓縮變形量 5