SCARA型裝配機器人系統(tǒng)設計【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，，請放心下載，，有疑問咨詢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，，請放心下載，，有疑問咨詢QQ:414951605或者1304139763 ======================== 上海電機學院 畢業(yè)設計 上海電機學院 畢業(yè)設計 課題名稱 SCARA型裝配機器人系統(tǒng)設計 學 院 專 業(yè) 班 級 學 號 姓 名 指導教師 摘 要 SCARA 機器人是一種由四個自由度組成的平面關節(jié)型機器人，它的主要作用是可以完成精密儀器和物體的搬運和移動。由于體積小，傳動原理簡單，被廣泛運用于電子電氣業(yè)，家用電器業(yè)，精密機械業(yè)等領域。整個系統(tǒng)由機器手，機器臂，關節(jié)，伺服電機驅動系統(tǒng)等組成。通過各自由度伺服電機的驅動，完成機器手，機器臂的位置變化。具體設計內容為：同步齒形帶傳動設計，絲杠螺母設計，各輸出軸和殼體的設計,伺服電機的選擇等。在校核滿足其結構強度的基礎上，我們對SCARA 機器人的結構進行優(yōu)化設計。 本論文著重研究SCARA 機器人的結構設計系統(tǒng)設計。在論文開始首先介紹了機器人的發(fā)展及其分類情況。具體敘述了SCARA 機器人的結構設計詳細過程。在論文末尾還對SCARA 機器人進一步改進措施和應用展望進行了闡述。 關鍵詞：SCARA 機器人，伺服電機，結構設計，機器臂 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. 機器人的特點 4 1.2. 機器人的構成及分類 5 1.3. 機器人的應用與發(fā)展 8 1.4. SCARA機器人的研究意義 10 1.5. 主要研究內容 12 2、 SCARA機器人傳動方案 13 2.1. SCARA機器人傳動方案的比較及確定 13 2.1.1. 可行方案分析 13 2.1.2. 方案對比和分析 14 2.1.3. 最終驅動方案 15 2.2. 伺服電機的優(yōu)點和選型 16 2.2.1. 伺服電機的優(yōu)點 16 2.2.2. 伺服電機的選型 17 2.3. 同步帶輪選型設計 17 2.3.1. 同步帶傳動的優(yōu)點 17 2.3.2. 同步帶輪選型參數(shù) 18 3、 SCARA機器人結構設計 21 3.1. SCARA機器人結構組成 21 3.2. 基座設計 22 3.3. 旋轉臂設計 23 3.4. 大臂設計 24 3.5. 小臂設計 24 3.6. 末端升降旋轉設計 25 3.7. 末端機械手設計 26 4、 SCARA機器人控制系統(tǒng)設計 27 4.1. SCARA機器人控制器的總體結構 27 4.2. SCARA機器人單片機系統(tǒng)設計 29 4.3. SCARA機器人控制電路原理圖 30 4.3.1 SCARA機器人控制流程 30 4.3.2 SCARA機器人控制電路原理圖 31 5、 總結與展望 34 6、 參 考 文 獻 35 7、 致 謝 36 1 緒論 1.1. 機器人的特點 機器人最顯著的特點有以下幾個: 1) 可編程 生產(chǎn)自動化的進一步發(fā)展是柔性自動化。機器人可隨其工作環(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程中能發(fā)揮很好的功用，是柔性制造系統(tǒng) (FMS)中的一個重要組成部分 。 2) 擬人化 機器人在機械結構上有類似人的行走、腰轉、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有電腦。此外，智能化機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、負載傳感器、視覺傳感器、聲覺傳感器、語言功能等.傳感器提高了機器人對周圍環(huán)境的 自適應能力。 3) 通用性 除了專門設計的專用機器人外，一般機器人在執(zhí)行不同的作業(yè)任務時具有較好的通用性。比如，更換機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。 4) 機電一體化 機器人技術涉及的學科相當廣泛，但是歸納起來是機械學和微電子技術的應用，特別是計算機技術的應用密切相關。 因此，機器人技術的發(fā)展必將帶動其它技術的發(fā)展，機器人技術的發(fā)展和應用水平也可以從一個方面驗證一個國家科學技術和工業(yè)技術的發(fā)展和水平 。 1.2. 機器人的構成及分類 1.2.1. 機器人的構成 一個機器人系統(tǒng)，一般由操作機、驅動單元、控制裝置和為使機器人進行作業(yè)而要求的外部設備組成。 1) 操作機(又稱執(zhí)行系統(tǒng)) 操作機是機器人完成作業(yè)的實體，它具有和人手臂相似的動作功能，是可在空間抓放物體或進行其它操作的機械裝置。通常由下列部分構成 。 (1)末端執(zhí)行器 又稱手部，是操作機直接執(zhí)行工作的裝置，并可設置夾持器、工具、傳感器等，是工業(yè)機器人直接與工業(yè)對象接觸以完成作業(yè)的機構。 (2)手腕是支承和調整末端執(zhí)行器姿態(tài)的部件 主要用來確定和改變末端執(zhí)行器的方位和擴大手臂的動作范圍，一般具有 2-3個回轉自由度以調整末端執(zhí)行器的姿態(tài)。有些專用機器人可以沒有手腕而直接將末端執(zhí)行器安裝在手臂的端部。 (3)手臂　 由操作機的動力關節(jié)和連接桿件等構成，是用于支承和調整手腕和末端執(zhí)行器位置的部件。手臂有時不止一條，而且每條手臂，也不一定只有一節(jié) (如關節(jié)型就可能有多節(jié))，所以，它有時還應包括肘和肩的關節(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 ，靠近機座的，通常叫大臂 )，手臂與機座間用關節(jié)連接，因而擴大了末端執(zhí)行器姿態(tài)的變化范圍和運動范圍。 (4)機座有時稱為立柱 工業(yè)機器人機構中相對固定并承受響應力的基礎部件?？煞止潭ㄊ胶鸵苿邮絻深?，移動式機座下部安裝了移動機構，它可以擴大機器人的活動范圍。 2) 驅動單元 它是由驅動器、減速器、檢測元件等組成的組件 ，是用來為操作機各部件提供動力和運動的裝置。驅動器是將電能或流體能等轉換成機械能的動力裝置，通常是電動機 、液壓或氣動裝置。驅動形式不同，傳動裝置也有所不同。 3) 控制裝置 它是由人對機器人的啟動 、停機及示教進行操作的一種裝置，它指揮機器人按規(guī)定的要求動作?？刂蒲b置包括檢測 (如傳感器)和控制(如計算機)兩部分，可用來控制驅動單元，檢測其運動參數(shù)是否符合規(guī)定要求，并進行反饋控制。這就是閉環(huán)控制。如果沒有反饋控制，就是較簡單的開環(huán)控制。 4) 人工智能系統(tǒng) 對于智能機器人，還應有人工智能系統(tǒng)。它主要由兩部分組成，一部分為感覺系統(tǒng) (硬件)，主要靠各類傳感器來實現(xiàn)其感覺功能。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、模式識別、大容量數(shù)據(jù)庫和規(guī)劃操作程序等功能。 1.2.2. 機器人的分類 目前世界各國對處于發(fā)展階段的機器人還沒有統(tǒng)一的分類標準，大致有以下幾種分類方法。 1) 按使用范圍分類 (1)固定程序的專用機器人 (機械手) 通常根據(jù)主機的特定要求設計成固定程序 (或簡單的可變程序)。這種機器人 (機械手)多為氣動或液動，用行程開關、機械擋塊來控制其工作位置。工作對象單一，動作較少，結構與系統(tǒng)簡單，價格低廉。 (2)可編程序的通用機器人 工作程序可變，以適應不同的工作對象，通用性強，適合于以多品種、中小批量生產(chǎn)為特點的柔性制造系統(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 、檢測等機 (2)采掘機器人 如海洋探礦機器人等。 (3)軍事用途機器人 (4)服務機器人 如醫(yī)療機器人，家用機器人，教學機器人等。 3) 按機械結構 、坐標系特點分類 按機械結構坐標系特點可分為直角坐標型;圓柱坐標型;球坐標型;多關節(jié)型。 4) 按機器人運動控制方式分類 (1)點位控制 (PTP)機器人 就是由點到點的控制方式，這種控制方式只能在目標點處準確控制機器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)，完成預定的操作要求。目前應用的工業(yè)機器人中，很多是屬于點位控制方式的，如上下料搬運機器人、點焊機器人等。 　(2)連續(xù)軌跡控制(CP)機器人 機器人的各關節(jié)同時作受控運動，準確控制機器人末端執(zhí)行器按預定的軌跡和速度運動，并能控制末端執(zhí)行器沿曲線軌跡上各點的姿態(tài)?；『浮娖岷蜋z測機器人等均屬連續(xù)軌跡控制方式。 5) 按驅動方式分類 按驅動方式可分為液壓驅動式、氣動式、電力驅動式 (這是目前用得最多的一類) 6) 根據(jù)機器人的功能水平和技術的先進程度按 “代”分類 (1)第一代　機器人 其特點是采用開關量控制，示教再現(xiàn)控制或數(shù)字控制，其作業(yè)路徑和運動參數(shù)需通過示教或編程給定。60年代以來，工業(yè)中實際應用的絕大多數(shù)工業(yè)機器人都屬于第一代機器人，它包括可編程序 (用于上下料)的工業(yè)機器人具有記憶裝置的示教再現(xiàn)型機器人，數(shù)控型搬運機器人等。 (2)第二代機器人是70年開始出現(xiàn)的，其技術特點是采用計算機直接控制，是通過具有視覺、觸覺的攝像機和傳感器，能“感覺”外界信息并通過計算機進行計算和分析自動地控制操作機進行運動和操作，因此，其控制方式較第一代機器人要復雜得多，目前這類機器人已開始在工業(yè)生產(chǎn)、排險救災等場合應用，并將進入普及階段。 (3)第三代機器人 即智能機器人。這是國內外正在積極研究，開發(fā)的高級機器人，其主要特點是具有人工智能。包括: 模式識別能力、規(guī)劃決策能力、知識庫、專家系統(tǒng)、人機交互能力等。這 一類機器人目前正在研究開發(fā)之中。 1.3. 機器人的應用與發(fā)展 機器人的應用 在發(fā)達國家，機器人己廣泛地應用于工業(yè)、國防、科技、生活等各個領域。產(chǎn)業(yè)部門應用最多的當推汽車工業(yè)和電子工業(yè)，在金屬加工、塑料成型、機械制造等行業(yè)也有普遍應用，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)包括點焊和弧焊，是機器人用得最多的作業(yè)之一。傳統(tǒng)的點焊機雖然可以減輕人的勞動強度，焊接質量也較好，但它適宜少品種大批量的生產(chǎn)環(huán)境，其機械手和焊槍位置不能隨零件的改變而變化，而點焊機器人可通過重新編程來調整空間點位，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?；『缸鳂I(yè)由于其焊縫多為空間復雜曲線，故多由人工完成，連續(xù)軌跡控制的機器人可以勝任此任務，故廣泛用于各種復雜結構和容器的焊接Unimate, Motoman, ASEA等都是典型的焊接機器人 。 噴漆作業(yè)由于環(huán)境惡劣，國外大量使用了機器人，挪威生產(chǎn)的Trallfa機器人是目前世界上用得最多的噴漆機器人，該機器人為關節(jié)式，6自由度，電液或全電動伺服驅動，采用示教再現(xiàn)方式，既可實行點位控制 ，也可實行連續(xù)軌跡控制。 搬運物料的作業(yè)包括為機床上下料，為自動生產(chǎn)線轉運工件，搬運機器人和數(shù)控機床一起組成柔性加工系統(tǒng)，一條柔性生產(chǎn)線可配置幾臺至十幾臺搬運機器人，典型的搬運機器人是T3和 Funac機器人。 機器人用于裝配作業(yè)是隨著視覺系統(tǒng)的發(fā)展而發(fā)展起來的，電子工業(yè)用得最多，主要用在電路板的裝配上，還有電動機、發(fā)動機部件、閥門等產(chǎn)品的裝配。PUMA機器人是一種典型的裝配機器人，有 6個自由度，關節(jié)式，直流伺服電機驅動，微機控制點位或連續(xù)軌跡，用VAL語 言示教編程，其手腕機構具有順應性，可克服裝配中的誤差。 國外的航空航天工業(yè)中應用機器人也十分廣泛，如鉚接裝配作業(yè)就大量使用了機器人，此外如電氣插頭的裝配，發(fā)動機風扇外殼和高壓渦輪的焊接，飛機座艙蓋和風擋鉆孔作業(yè)，飛機機身和垂直尾翼鉆孔，都采用了機器人。某些飛機機身、機艙的噴漆作業(yè)，發(fā)動機零部件等離子噴涂也采用了機器人。在空間開發(fā)中，航天飛機上收放衛(wèi)星的機器人是加拿大Spar公司生產(chǎn)的，美國NASA實施的火星測計劃，發(fā)射了兩個火星探測器海盜 I和海盜H，它們也是一種機器人，在火星上采集樣品，作各種實驗，并能將實驗結果發(fā)回地球。 在海洋開發(fā)方面，美國曾用 Curv號有纜水下機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)的一種水下機器人，可在水下 600米處作業(yè)，裝有電視攝像機，可收集海底標本，切割石油管道和纜索等。 在放射性環(huán)境中，如在核電站里，機器人可用來檢查、修復管道、閥門等，如日本東芝公司研制的一種蛇形機器人，具有八個關節(jié)，可以在狹小的空間里操作，臂長達2.25米，臂頂端裝有電視攝像機。 在軍事方面，機器人 己用于偵察、布雷、排除爆炸物、裝填彈藥等。在建筑中，己有一種爬壁機器人可用來修理墻面，擦洗窗戶。此外還有摘果實、擠牛奶、剪羊毛、清理垃圾、監(jiān)護病人的機器人等。 總之，機器人的應用面相當廣泛，機器人的工作特點是在計算機控制下離開人的干預進行各項工作。用機器人代替人，可以使人擺脫高溫、有毒、粉塵、振動、放射性、強噪音等惡劣環(huán)境，而去從事機器人的監(jiān)控、維護等工作，使工作性質發(fā)生了變化，減輕了勞動強度，同時也改善了就業(yè)結構。機器人工作抗干擾能力強，一心一意按所編程序工作，動作精度、重復精度高，因此能保證和提高產(chǎn)品質量。解決多品種小批量生產(chǎn)的自動化問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，當前柔性制造系統(tǒng)的飛速發(fā)展正是適應了這種發(fā)展趨勢，而機器人是柔性系統(tǒng)中不可缺少的提高勞動生產(chǎn)率的關鍵設各。與人相比，機器人有一個最大的特點: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生產(chǎn)率。機器人對于改善勞動條件、減少安全事故 ，減少人受危險環(huán)境的傷害等方面都有顯著的效果。 1.4. SCARA機器人的研究意義 1.4.1. SCARA機器人研究現(xiàn)狀 目前，國外已有各種專用和通用的裝配機器人在生產(chǎn)中得到應用，主要類型大致有直角坐標型、圓柱坐標型和關節(jié)型三大類。關節(jié)型裝配機器人又有垂直關節(jié)型 (即空間關節(jié)型)和平面關節(jié)型 (即SCARA型)兩種。拒統(tǒng)計資料介紹，在這些裝配機器人中，平面關節(jié)型裝配機器人是應用數(shù)量最多且較為廣泛的一種裝配機器人。1991年世界上4萬余臺在生產(chǎn)上應用的裝配機器人中，SCARA機器人約占3/4左右。其主要應用領域為電子電氣業(yè)、家用電器業(yè)、精密機械業(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):小型電器開關、接觸器等電器產(chǎn)品的組裝作業(yè)?？梢哉f，SCARA型機器人在輕型、較簡單且要求機器人價格較低的裝配作業(yè)中大顯了身手。 隨著社會需求的增大和技術的進步，裝配機器人將會得到迅速的發(fā)展，多品種、少批量生產(chǎn)方式和為提高產(chǎn)品質量及生產(chǎn)效率的生產(chǎn)工藝需求，將是推動裝配機器人發(fā)展的直接動力。近年來計算機、CIMS及柔性自動裝配系統(tǒng)等的發(fā)展，又為裝配機器人的應用和發(fā)展提供了良好的可能性。1972年我國開始研制機器人，但發(fā)展緩慢，受經(jīng)濟、觀念等因素的制約 ，基本沒有什么應用，直到1986年，沈陽機器人研究所成立，中國的機器人才向實用階段發(fā)展。隨著國內教育和科技的發(fā)展，哈工大等高校出現(xiàn)了專門的機器人機構，研究水平在某些方面己達到國際先進水平。在應用方面，一汽等大型企業(yè)己開始使用機器人自動化生產(chǎn)線。但總體來說，國內機器人發(fā)展還是趨于落后，特別是在應用方面發(fā)展緩慢。究其原因，除了經(jīng)濟因素的制約外，很重要的一點是有關機器人的教育跟不上，知道機器人的人很多，但真正了解、懂機器人的人少而又少，這就使我國的機器人發(fā)展缺乏智力支持，加強機器人技術教育，緩解人才危機迫在眉睫。而研制結構簡單、成本較低SCARA機器人用于教學可以提高教育的現(xiàn)代化水平，用于實際生產(chǎn)可以大大提高工作效率，還可以用于科學研究工作，為開發(fā)更先進的裝配機器人提供有利條件，隨著我國經(jīng)濟和科技的發(fā)展，我們有能力也有必要進行這方面的研究。 1.4.2. SCARA機器人的特點 根據(jù)工作環(huán)境、工作特點等要求，本 SCARA機器人應具備以下幾個特點: 1.外形美觀，適于觀察。 如果作為示教用機器人應該讓觀看者賞心悅目，同時能直觀地了解它的構成和動作原理。故機器人的外形應巧妙設計，部分外殼應采用透明材料，內部結構應簡單明了，另外，機器人的動作應連續(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，這是設計的基本要求。如果作為教學用機器人只要求有一些示范性動作，而對實踐的功能要求不高，速度等參數(shù)可在一定范圍內調整，定位精度要求也不高，故機構盡可能采用規(guī)則件、標準件，驅動元件采用便宜的步進電機，而光電碼盤等測試校驗元件則可不用，其功能由軟件部分實現(xiàn)補償。這樣，結構大大簡化，成本也隨之降低。 3.體積小 、重量輕 　SCARA機器人要求抓取重量不大，動作范圍也很小，故體積很小，展開應在60x80cm左右。要實現(xiàn) SCARA機器人的四個自由度，內部零件應盡量小巧，結構應盡可能緊湊。重量輕是機器人研制的一個方向，在滿足強度和剛度的條件下，零部件越輕越好，故材料要首選鋁質輕質材料，零件特別是具有定位功能的殼體定位板應采用板筋結構，各零件的空間分布要合理，減小傾覆力矩。 4.傳動原理簡單 　本次畢業(yè)設計的機器人采用伺服電機驅動，速度要求不高，故減速比可在一定范圍內調整，只要能滿足轉矩即可。選擇減速方案可根據(jù)空間結構要求 ，跨距轉大的傳動可選用同步帶傳動力求一步到位，傳動簡單。 1.5. 主要研究內容 SCARA機器人為平面關節(jié)型機器人，一般采用步進電機驅動，控制簡單，編程方便。主要應用于電子產(chǎn)品中異形元件裝配，小型機電產(chǎn)品如電機、空壓機、電器、泵類等的裝配工作，是一種小型經(jīng)濟型機器人。該機器人的突出特點是機構承載能力強，具有較好的通用性，重復定位精度高，動作速度快，應用范圍廣。該論文涉及計算機技術、電子、機械等多學科的知識，主要完成了以下的工作: 1）建立SCARA機器人的機械結構模型，SCARA機器人由固定架基座、旋轉升降臂、大臂、小臂、旋轉升降末端以及末端執(zhí)行器六部分組成。包括2個移動關節(jié)和3個旋轉關節(jié)，各關節(jié)采用步進電機驅動。 2）選擇電機的種類、型號。 3）確定機器人的自由度，各部件形狀、大小、行程。 4）使用AutoCAD設計機械部件的二維圖。 5）設計并繪出單片機控制電路原理圖。 2 SCARA機器人傳動方案 2.1. SCARA機器人傳動方案的比較及確定 2.1.1. 可行方案分析 本次畢業(yè)設計要求： SCARA機器人需要如下四個自由度，大小臂在XY平面內轉動，Z軸上下移動以及Z軸的轉動，在這個四自由度下工作就可以滿足絕大多數(shù)的裝配應用。 1）工作范圍的確定：工業(yè)機器人工作的范圍根據(jù)工藝要求和操作運動軌跡來確定。一個操作運動的軌跡一般是由幾個動作合成的；在確定工作范圍時，可將運動軌跡分解成單個動作，由單個動作的行程確定工業(yè)機器人的最大行程。各個動作的最大行程確定之后，工業(yè)機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)機器人手臂置于流水線的中間位置，考慮其大小臂長度之和為1300則可以滿足需求。 3）Z軸平移及旋轉行程的確定：為了使工業(yè)機器人手臂與流水線手工作業(yè)人員很好的結合，工業(yè)機器人手臂Z軸的位置高度應與人工作時手臂高度相當，同時考慮到對不同產(chǎn)品的泛用性，Z軸上下運動位移須達到500mm，符合人手上下取放的高度；Z軸旋轉須360度，以實現(xiàn)不同角度的裝配。 4）臂力的確定： 對于裝配工業(yè)機器人來說，臂力主要根據(jù)被抓取、搬運物體的重量及重量變化范圍來定，其安全系數(shù)一般可在1.5～3.0范圍內選取，確定有效負載為2.2kg。 具體方案如下： 方案一：體轉動采用伺服電機驅動同步帶減速；大臂采用伺服電機直驅絲杠螺母傳動實現(xiàn)升降；小臂采用伺服電機直驅轉動；末端分為升降和轉動兩部分，均采用伺服電機驅動同步帶實現(xiàn)。這種方案主要考慮了傳動鏈的簡化，結構比較簡單易行。 方案二：臂轉動采用齒輪減速，小臂轉動采用二級同步帶傳動，升降軸采用一級齒帶傳動加齒輪齒條實現(xiàn)升降運動。 2.1.2. 方案對比和分析 方案一具有以下特點: 1）第一個自由度采用伺服電機驅動同步帶減速，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）第二個自由度采用伺服電機直驅，充分利用了大臂的空間，結構緊湊，扭矩大，傳動功率大，效率較高。電機直接驅動絲杠螺母傳動的同時兼有減速的作用，一步把旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動，傳動精度較高，絲杠有自鎖功能，速度不宜過高。 3）第三個自由度采用伺服電機直驅，考慮到小臂轉動需要一定的扭矩，伺服電機具備大扭矩的特性。 4）第四自由度分為升降和轉動兩部分，考慮到末端運動速度較慢，均采用伺服電機驅動同步帶輪減速。 方案二具有以下特點: 1）第一個自由度采用齒輪減速，這是最常用的減速方法，傳動比恒定，傳動效率高，工作可靠，使用壽命長，結構緊湊，傳遞功率大，但傳動精度低，噪音大，傳動比小。齒輪的加工成本比較高，體積和重量都比較大。 2）第三個自由度采用了齒帶加齒輪齒條傳動，基本具備齒輪傳動的特點，傳遞功率大，傳動效率高，精度低，有噪音，傳動比小，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，在傳動的實現(xiàn)上，二者都是可行的。方案一結構比較簡單，各傳動元件的定位比較容易實現(xiàn);方案二結構較為復雜，各部分定位都需仔細考慮。外觀上，方案二顯得更好一些。傳動精度方面，顯然方案一比較高。成本上考慮，方案一采用標準件較多，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 升降臂絲杠螺母傳動構想 如圖2.1，為SCARA型機器人的升降關節(jié)及升降臂三維模型，機器人的基座上安裝一個滾珠絲杠，一個電機和兩個滾動導軌，滾珠絲杠的兩端通過軸承固定在基座上，升降臂與滾珠絲杠副的螺母及滾動導軌副的定導軌通過螺栓連接在一起。當電機轉動時，電機輸出軸通過同步帶傳動帶動滾珠絲杠轉動，從而驅動滾珠絲杠副的螺母沿絲杠軸線方向作直線運動，實現(xiàn)升降臂的升降動作。 2.1.3. 最終驅動方案 常用的機器人驅動方式主要有：液壓驅動，氣壓驅動和電氣驅動三種 1) 液壓驅動 液壓驅動以液體作為工作介質，通過將電能轉換為液壓能并用電磁閥改變壓力油的流向，從而使液壓驅動執(zhí)行機構運動。液壓驅動輸出功率大，精度高，速度快，運行平穩(wěn)，但它需要獨立的液壓源，且液體易泄漏，設備難于小型化，因此不能滿足機器人驅動裝置重量輕，體積小的要求。 2) 氣壓驅動 與液壓驅動的工作原理相似，氣壓驅動采用壓縮空氣作為工作介質，具有工作速度快，成本低，無泄漏污染等特點，但功率較小，動作不夠平穩(wěn)，且不易小型化，難于實現(xiàn)精確控制。而機器人一般需要有較高的工作精度和較大的驅動功率，因此氣壓驅動作為機器人的驅動方式也具有一定的局限性，液壓驅動和氣壓驅動多用于早期的工業(yè)機器人。 3) 電氣驅動 它是將電能轉變成電磁力，并用該電磁力驅動執(zhí)行機構運動的。電氣驅動的功率大，控制精度高，響應快，且操作簡便，無污染，這些特點較好地滿足了機器人的設計要求，因此，電氣驅動成為目前機器人的主要驅動方式。 綜上，選擇電氣驅動，即采用伺服電機作為機器人的驅動。 2.2. 伺服電機的優(yōu)點和選型 2.2.1. 伺服電機的優(yōu)點 20世紀80年代以來，隨著集成電路、電力電子技術和交流可變速驅動技術的發(fā)展，永磁交流伺服驅動技術有了突出的發(fā)展，各國著名電氣廠商相繼推出各自的交流伺服電動機和伺服驅動器系列產(chǎn)品并不斷完善和更新。 交流伺服系統(tǒng)已成為當代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，使原來的直流伺服面臨被淘汰的危機。90年代以后，世界各國已經(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機伺服驅動。交流伺服驅動裝置在傳動領域的發(fā)展日新月異。永磁交流伺服電動機同直流伺服電動機比較，主要優(yōu)點有： 1、精度：實現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制,克服了步進電機失步的問題； 2、轉速：高速性能好，一般額定轉速能達到2000～3000轉； 3、適應性：抗過載能力強，能承受三倍于額定轉矩的負載，對有瞬間負載波動和要求快速起動的場合特別適用； 4、穩(wěn)定：低速運行平穩(wěn)，低速運行時不會產(chǎn)生類似于步進電機的步進運行現(xiàn)象。適用于有高速響應要求的場合； 5、及時性：電機加減速的動態(tài)相應時間短，一般在幾十毫秒之內； 6、舒適性：發(fā)熱和噪音明顯降低。 　 2.2.2. 伺服電機的選型 為滿足SCARA機器人運行速度快、控制精度高和動態(tài)性能好的設計要求，本次畢業(yè)設計選用松下電機的A4系列交流伺服電機作為驅動元件，并選用與伺服電機配套的伺服電機驅動器來控制電機的運轉，表 2.1 列出了選用的交流伺服電機的型號、規(guī)格及配套的驅動器型號?！　? 關節(jié)名稱 電機型號 配套伺服驅動器型號 額定功率（KW） 額定轉速(pr) 主體旋轉 A4-MSMA302P1C MFDDTA390A 3 2500 大臂升降 A4-MSMA202P1C MEDDT7364A 2 2500 小臂旋轉 A4-MSMA102P1C MDDDT5540A 1 2500 末端旋轉 A4-MSMD021P1AA MBDDT2110A 0.2 2500 末端升降 A4-MSMD5AZP1AA MSDDT1205A 0.05 2500 2.3. 同步帶輪選型設計 同步帶傳動廣泛應用于紡織、汽車、化纖、卷煙、造紙、印刷、化工等機械設備；近年來，采礦冶金、鋼鐵機械、醫(yī)療設備需求量日漸增加。同步帶傳動利用帶齒與帶輪齒嚙合來傳遞動力的一種新型傳動方式，具有準確的同步傳動功能，不需要潤滑、無滑差、無污染、噪音少；傳動效率達0.98，速比范圍可達1～10，允許線速可達50m/s，傳動率從幾百瓦到數(shù)百千瓦，適宜多軸傳動。 2.3.1. 同步帶傳動的優(yōu)點 1) 工作時無滑動，有準確的傳動比 同步帶傳動是一種嚙合傳動，雖然同步帶是彈性體，但由于其中承受負載的承載繩具有在拉力作用下不伸長的特性，故能保持帶節(jié)距不變，使帶與輪齒槽能正確嚙合，實現(xiàn)無滑差的同步傳動，獲得精確的傳動比。 2) 傳動效率高，節(jié)能效果好 由于同步帶作無滑動的同步傳動，故有較高的傳動效率，一般可達0.98。它與三角帶傳動相比，有明顯的節(jié)能效果。 3) 傳動比范圍大，結構緊湊 同步帶傳動的傳動比一般可達到1～10左右，而且在大傳動比情況下，其結構比三角帶傳動緊湊。因為同步帶傳動是嚙合傳動，其帶輪直徑比依靠摩擦力來傳遞動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。所以與三角帶傳動相比，在同樣的傳動比下，同步帶傳動具有較緊湊的結構。 4) 維護保養(yǎng)方便，運轉費用低 由于同步帶中承載繩采用伸長率很小的玻璃纖維、鋼絲等材料制成，故在運轉過程中帶伸長很小，不需要像三角帶、鏈傳動等需經(jīng)常調整張緊力。此外，同步帶在運轉中也不需要任何潤滑，所以維護保養(yǎng)很方便，運轉費用比三角帶、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、材質及表面處理 同步帶輪常用材質為鋁合金及45＃鋼，表面處理分別為鋁輪：本色氧化、黑色氧化；鋼輪：四氧化三鐵保護膜、無電解鍍鎳。 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)伺服電機功率以及對同步帶的選型要求，本次畢業(yè)設計各關節(jié)的同步帶輪的選型如表二。 表二：同步帶輪的選型 關節(jié)名稱 功率（kw） 小帶輪 大帶輪 傳動比（Z2/Z1） 帶輪類型 齒數(shù)Z1 帶輪類型 齒數(shù)Z2 基座旋轉 3 L-A-C 20 L-B-C 36 1.8 末端旋轉 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.同步帶的計算與選型 2.3.3.1．大臂同步帶的計算與選型 （1）確定同步帶傳動的設計功率 （2-12） 式中：——載荷修正系數(shù)，根據(jù)原動機工作類型和每日運轉時間等因素查《機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書》表3-18，?。ㄝd荷變動微小，每天工作小時<10h）； ——工作機上的驅動功率，=3kW； 則有： Pd = 4.95kW （2）確定同步帶傳動的帶型和節(jié)距 根據(jù)同步帶傳動的設計功率=4.95kW和帶輪轉速，由《機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書》圖3-14查得帶的型號為L型，對應節(jié)距 Pb=9.525 。 （3）確定小帶輪的齒數(shù)和節(jié)圓直徑 由帶輪轉速和L型帶，查《機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書》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)圓直徑初定后應驗算帶速，不合適則重取。同步帶的速度應滿足： （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 由于在絲杠運動中，同步帶是用于將電機的回轉運動降速后變成工作臺的直線運動，傳動比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度和齒輪 若中心距 未給定，則可根據(jù)下式進行初選： （2-14） 則帶的節(jié)線長度為： （2-15） 得：。 查《機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書》表3-13得，，對應齒數(shù)為：。 （6）計算實際中心距 設計同步帶傳動時，中心距應該可以調整，以便獲得適當?shù)膹埦o力。此時，實際中心距為： （2-16） 則a=397.2mm。 （7）校驗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）計算基準額定功率 （2-18） 式中：——基準帶寬下的許用工作拉力，查《機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書》表3-21得， ； ——單位長度質量， 查《機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書》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）確定實際所需要的同步帶寬度 確定實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《機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書》表3-22得，因為，所以?。? 代入數(shù)據(jù)得： Bs>15.47 故取基準帶寬b=25.4即可滿足使用要求。 （10）帶的工作能力驗算 由公式： （2-20） 其中： ——嚙合系數(shù)，查《機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書》表3-22得，； ——齒寬系數(shù)；； ——基準帶寬下的許用工作拉力，查《機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書》表3-21得，Ta=244.46N ； ——單位長度質量， 查《機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書》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 因此帶的校驗合格，滿足使用要求。 2.3.3.1．末端臂連接絲杠同步帶的計算與選型 （1）確定同步帶傳動的設計功率 （2-12） 式中：——載荷修正系數(shù)，根據(jù)原動機工作類型和每日運轉時間等因素查《機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書》表3-18，?。ㄝd荷變動微小，每天工作小時<10h）； ——工作機上的驅動功率，=0.5kW； 則有： Pd = 0.825kW （2）確定同步帶傳動的帶型和節(jié)距 根據(jù)同步帶傳動的設計功率=0.825kW和帶輪轉速，由《機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書》圖3-14查得帶的型號為XL型，對應節(jié)距 Pb=0.35 。 （3）確定小帶輪的齒數(shù)和節(jié)圓直徑 由帶輪轉速和L型帶，查《機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書》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)圓直徑初定后應驗算帶速，不合適則重取。同步帶的速度應滿足： （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 由于在絲杠運動中，同步帶是用于將電機的回轉運動降速后變成工作臺的直線運動，傳動比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度和齒輪 若中心距 未給定，則可根據(jù)下式進行初選： （2-14） 則帶的節(jié)線長度為： （2-15） 得：。 查《機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書》表3-13得，，對應齒數(shù)為：。 （6）計算實際中心距 設計同步帶傳動時，中心距應該可以調整，以便獲得適當?shù)膹埦o力。此時，實際中心距為： （2-16） 則a=90mm。 （7）校驗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）計算基準額定功率 （2-18） 式中：——基準帶寬下的許用工作拉力，查《機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書》表3-21得， ； ——單位長度質量， 查《機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書》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）確定實際所需要的同步帶寬度 確定實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《機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書》表3-22得，因為，所以取； 代入數(shù)據(jù)得： 故取基準帶寬b=25.4即可滿足使用要求。 （10）帶的工作能力驗算 由公式： （2-20） 其中： ——嚙合系數(shù)，查《機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書》表3-22得，； ——齒寬系數(shù)；； ——基準帶寬下的許用工作拉力，查《機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書》表3-21得，Ta=50.17N ； ——單位長度質量， 查《機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書》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 因此帶的校驗合格，滿足使用要求。 2.4. 滾珠絲杠螺母副的計算與選型 2.4.1．大臂升降滾珠絲杠螺母副的計算與選型 （1）工作載荷Fm的計算 Fm為工作最大載荷，是指滾珠絲杠副在驅動工作臺時所承受的最大軸向力。已知移動部件總重G=150N，所以 =G=150N。 （2）FQ最大動載荷的計算 設Z方向最快的速度v=0.25m/s=15m/min，初選絲杠基本導程 =10mm,則此時絲杠轉速n=1200v/ =1500r/min。 取滾珠絲杠的使用壽命T= 15000h(一般機電設備取T=15000h；n為絲杠每分鐘轉速)，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） 得最大動載荷 =1823N。 （3）初選型號 根據(jù)計算出的最大動載荷，查表3-33，選用啟東潤澤機床附件有限公司生產(chǎn)的FL2506型滾珠絲杠副，為浮動反向器內循環(huán)式，其公稱直徑為=45mm，基本導程為=10mm，雙螺母滾珠總圈為3 2圈=6圈，精度等級取4級，額定動載荷為10400N，大于，故滿足要求。 （4）傳動效率的計算 將公稱直徑 =45mm，基本導程 =10mm，代入 （2-2） 得絲杠螺旋升角=5°2.4′,取摩擦角 =10′，代入，得傳動效率=98.9% 。 （5）剛度的驗算 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《機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書》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“+”號用于拉伸，“-”用于壓縮。由于轉矩M一般較小，式中第二項在計算是可酌情忽略）。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 無預緊時 4 （2-6） 有預緊時 （2-7） ——滾珠直徑，單位為mm； ——單圈滾珠數(shù)，（外循環(huán)），（內循環(huán)）； ——滾珠總數(shù)量，=Z圈數(shù)列數(shù) ——預緊力，單位為N。 （當滾珠絲杠副有預緊力，且預緊力達到軸向工作載荷的1/3時，值減小一半左右）單圈滾珠數(shù)目=（π20/10）-3=4；該型號絲杠為雙螺母，滾珠總圈數(shù)為32=6圈，總滾珠總數(shù)量 =46=24 。滾珠絲杠預緊時，取軸向預緊力13.3N 。代入公式（3-7）得 ， =4.24mm。 因為絲杠加有預緊力，且為軸向負載的三分之一，所以實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形成偏差和變動量知，4級精度滾珠絲杠任意315mm~400mm軸向行程內行程的變動量允許18，而對于跨度為330mm 的滾珠絲杠，總的變形量只有5.65<18，可見絲杠剛度足夠。 （6）壓桿穩(wěn)定性校核 滾珠絲杠屬于細長桿，如果軸向負載過大，則可能產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。失穩(wěn)時的臨界載荷Fk應滿足： （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，遠大于工作載荷Fm=40N，故絲杠不會失穩(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算與選型 （1）工作載荷Fm的計算 Fm為工作最大載荷，是指滾珠絲杠副在驅動工作臺時所承受的最大軸向力。已知移動部件總重G=50N，所以 =G=50N。 （2）FQ最大動載荷的計算 設Z方向最快的速度v=0.25m/s=15m/min，初選絲杠基本導程 =10mm,則此時絲杠轉速n=1200v/ =1500r/min。 取滾珠絲杠的使用壽命T= 15000h(一般機電設備取T=15000h；n為絲杠每分鐘轉速)，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） 得最大動載荷 =607N。 （3）初選型號 根據(jù)計算出的最大動載荷，查表3-33，選用啟東潤澤機床附件有限公司生產(chǎn)的FL2506型滾珠絲杠副，為浮動反向器內循環(huán)式，其公稱直徑為=20mm，基本導程為=10mm，雙螺母滾珠總圈為3 2圈=6圈，精度等級取4級，額定動載荷為10400N，大于，故滿足要求。 （4）傳動效率的計算 將公稱直徑 =20mm，基本導程 =10mm，代入 （2-2） 得絲杠螺旋升角=5°2.4′,取摩擦角 =10′，代入，得傳動效率=98.6% 。 （5）剛度的驗算 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《機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書》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