垂直關(guān)節(jié)四自由度插件裝配機(jī)器人設(shè)計(jì)（含全套CAD圖紙）

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1、摘 要 隨著工業(yè)自動(dòng)化的不斷發(fā)展，現(xiàn)代機(jī)電設(shè)備中都存在控制電路板，板上有不少芯片插件需要在裝配時(shí)準(zhǔn)確插入芯片座。在中、大批量生產(chǎn)中，電路板生產(chǎn)線上這種取芯片-插入芯片的裝配動(dòng)作一小時(shí)要做數(shù)千次，只有裝配機(jī)器人能滿足如此高節(jié)奏、高要求的生產(chǎn)任務(wù)。機(jī)器人具有各種關(guān)節(jié)的形式，電子插件裝配機(jī)器人在垂直方向上要求手臂有很高的剛度，而在水平方向動(dòng)作靈活。工業(yè)機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)部門,如采掘、噴涂、焊接、醫(yī)療等各大領(lǐng)域。由于工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn),它不斷替代了人們的繁重勞動(dòng),大大提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率,減輕了人們的勞動(dòng)強(qiáng)度,此外,它能在高溫、低溫、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染環(huán)境條件下進(jìn)行操作,日益

2、體現(xiàn)出它的優(yōu)越性。 本課題的目的是構(gòu)思、設(shè)計(jì)一種形體和功率較小，適合在生產(chǎn)線上按程序指定動(dòng)作，以要求的裝配精度完成電路板插件裝配的小型工業(yè)機(jī)器人，且具有較好的經(jīng)濟(jì)性和性能/價(jià)格比。本課題所設(shè)計(jì)的垂直關(guān)節(jié)四自由度插件裝配機(jī)器人，也叫SCARA機(jī)器人，對(duì)于此次機(jī)器人設(shè)計(jì)進(jìn)行了機(jī)械部分設(shè)計(jì)和控制接口部分的設(shè)計(jì)。 機(jī)械部分的設(shè)計(jì)，根據(jù)SCARA機(jī)器人結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)升降關(guān)節(jié)，完成了設(shè)計(jì)機(jī)器人的整體機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、交流伺服電機(jī)的選型和各個(gè)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算及校核，并運(yùn)用AutoCAD 繪制了總體裝配圖和部分零件圖。 控制部分的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為下位機(jī)控制機(jī)，PC機(jī)為上位控制機(jī)的二級(jí)體系

3、結(jié)構(gòu)，從而完成對(duì)SCARA機(jī)器人的閉環(huán)控制。在此控制電路中，下位機(jī)系統(tǒng)由單片機(jī)、鎖存器、外部擴(kuò)展EPROM、譯碼器、伺服驅(qū)動(dòng)器等組成，并完成了控制電路的硬件配線。下位機(jī)和上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換，需通過(guò)MAX202CPE作為中間元件來(lái)完成通訊，從而從PC機(jī)中獲得動(dòng)作指令。 關(guān)鍵詞：SCARA 機(jī)器人,控制器,單片機(jī),伺服電機(jī) ABSTRACT With the continuous development of industrial automation, the modern electromechanical equip

4、ment can exist control circuit board, board has many chip plugins require accurate in assembling a insert the chip. In mass production, circuit board production line this take chip-insert the chip assembly action an hour to do thousands of times, only to meet such a high assembly robot rhythm, high

5、requirement of production tasks. Robot has all kinds of joints in the form of electronic assembly robot in vertical direction plugin required in the arm has very high rigidity, and flexible motion in a horizontal direction. Industrial robot have been widely used in industrial production of various s

6、ectors, such as mining, spraying, welding, medical and so on various fields. With the industrial robot appear, it replaced the people's heavy constantly labor, greatly improving the productivity and reduce the labor intensity of the people, in addition, it can be in high temperature, low temperature

7、, deep water, the universe, radioactive and other toxic, pollution environment conditions operation, increasingly reflects its superiority. The aim of this project is to conceive, design a kind of form and power smaller, suitable for in the production line in a program specified action to demand th

8、e assembling accuracy of complete circuit board assembly of small industrial robots plugins, and has the good efficient and performance/price ratio. This subject is the design of vertical joints 4-dof plugin assembly robot, also called SCARA robot, robot design for the mechanical design and control

9、interface part of the design. The design of mechanical part, according to the characteristic of structure of SCARA robot which have three rotating joint and a lift joints, completed the design of robot mechanical transmission structure, the selection of ac servo motors and each part of the design c

10、alculation and check, and use AutoCAD mapped the general assembly drawing and part drawing. Control part of the design, design with the single chip microcomputer as the next place machine control machine, the PC for upper secondary system control machine structure, thus completing the SCARA robot c

11、losed loop control. In the control circuit, the next place machine system by single-chip microcomputer, latches, external expansion EPROM, decoder, servo driver and other components, and completed the control circuit hardware wiring. A machine and the upper machine under the data exchange, need to p

12、ass MAX202CPE as components to complete the communication among, thus from PCS get motion commands. Key Words: SCARA Robot, Controller, Single Chip, Servo motor 目錄 1. 緒論 1 1.1 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展及研究現(xiàn)狀 1 1.2 SCARA 機(jī)器人概述 4 1.3 本課題研究意義 4 1.4 總體方案 5 2. 機(jī)械部分設(shè)計(jì) 6 2.1 控制用電機(jī)的種類 特點(diǎn)和選型 6 2.2

13、伺服電機(jī)減速機(jī)的配型 7 8 17 17 18 19 3 機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)件的選型與校核 21 3.1 銷連接的選型與校核 21 21 23 26 4.系統(tǒng)控制部分設(shè)計(jì) 28 28 28 29 30 31 5.結(jié)論 33 5.1 總結(jié) 33 5.2 展望 33 參考文獻(xiàn) 34 致謝 35 1. 緒論 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展及研究現(xiàn)狀 機(jī)器人自誕生之日起，就顯示出了其強(qiáng)大的生命力。機(jī)器人不僅在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，而且給傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)也帶來(lái)了質(zhì)的飛躍。它不僅提高了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的工業(yè)自動(dòng)化程度，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，還促進(jìn)了資源消耗低，環(huán)

14、境污染少的新興產(chǎn)業(yè)的誕生。由于人類在機(jī)械工程，電氣工程，微電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制論、傳感技術(shù)、信息學(xué)、聲學(xué)、仿生學(xué)和人工智能等學(xué)科領(lǐng)域的快速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用也正在向農(nóng)業(yè)，林業(yè)，畜牧養(yǎng)殖業(yè)、海洋開(kāi)發(fā)、宇宙探索、國(guó)防建設(shè)、安全救災(zāi)、生物醫(yī)藥、服務(wù)娛樂(lè)等新的發(fā)展領(lǐng)域拓展，并已取得了顯著的進(jìn)展。機(jī)器人技術(shù)已成為高新科技應(yīng)用中的重要組成部分。 機(jī)器人有兩大類：用于制造環(huán)境下的工業(yè)機(jī)器人和制造環(huán)境服務(wù)機(jī)器人。機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是一種生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)條件，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性的柔性自動(dòng)化設(shè)備，主要是應(yīng)用在現(xiàn)代工業(yè)制造代替人從事繁重的，單調(diào)重復(fù)，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，人做不了的或做不好的工作，從而減少了工人的勞動(dòng)強(qiáng)

15、度，改善了勞動(dòng)環(huán)境，有效提高了生產(chǎn)的自動(dòng)化程度，提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率。工業(yè)機(jī)器人是一種柔性制造系統(tǒng)（柔性制造系統(tǒng)），工廠自動(dòng)化（足協(xié)）和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）必不可少的自動(dòng)化工具，它的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用已成為工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷程 1954年，美國(guó)人喬治·迪沃設(shè)計(jì)了第一臺(tái)可編程的機(jī)器人，名叫“通用自動(dòng)化（Universal Automation） ，此機(jī)器人自帶內(nèi)存，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)至點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。 之后，1956年，迪沃和被稱為”工業(yè)機(jī)器人之父“的約瑟夫樓·恩格爾·伯杰成立了Unimation公司，開(kāi)始設(shè)計(jì)和生產(chǎn)了UNIMATE工業(yè)機(jī)器人，并于1960年研

16、制出第一臺(tái)機(jī)器人樣機(jī)。同時(shí)，在美國(guó)的AMF （American Machine and Foundry）公司也設(shè)計(jì)和制造了一臺(tái)圓柱坐標(biāo)機(jī)器人——Versatran ， Unimation和Versatran便成為世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。 1962年，通用汽車公司裝配生產(chǎn)線時(shí)，安裝了世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人UNIMATE ，由此開(kāi)創(chuàng)了機(jī)器人從科幻變作為人們服務(wù)的工具的時(shí)代。 20世紀(jì)60年代是工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展的萌芽階段。工業(yè)機(jī)器人首次在汽車生產(chǎn)線，焊接，涂裝和其他工業(yè)生產(chǎn)工作中進(jìn)行作業(yè)，并呈現(xiàn)良好出了的較好的柔韌性和穩(wěn)定性，大大提高了生產(chǎn)效率，因此，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了推廣。 在20世紀(jì)70年代

17、，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，自動(dòng)控制理論和日益增長(zhǎng)的需求為自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已發(fā)展迅速。名字為PUMA（Programmable Universal Machine for Assembly）的一般工業(yè)機(jī)器人得到了開(kāi)發(fā)，它是一個(gè)具有多個(gè)聯(lián)合關(guān)節(jié)，全電動(dòng)，多CPU分層控制的機(jī)器人，使用一個(gè)val專門的編程語(yǔ)言，可以配置的視覺(jué)，觸覺(jué)和力傳感器，它的誕生標(biāo)志著工業(yè)機(jī)器人已進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段，到現(xiàn)在為止，現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，控制結(jié)構(gòu)和編程語(yǔ)言也均是基于PUMA機(jī)器人的基礎(chǔ)發(fā)展衍生出來(lái)的。 20世紀(jì)80年代，將具有感覺(jué)、思考、決策和動(dòng)作能力的系統(tǒng)統(tǒng)稱為智能機(jī)器人。進(jìn)入20世紀(jì)90年代

18、后，更將此概念作為了工業(yè)機(jī)器人的研究和應(yīng)用的指導(dǎo)方向，并開(kāi)拓出了更巨大的空間。 國(guó)外的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 在發(fā)達(dá)國(guó)家，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)取得了非常廣泛的應(yīng)用。有著“機(jī)器人王國(guó)”稱號(hào)的日本，在工業(yè)機(jī)器人的擁有臺(tái)數(shù)占到世界工業(yè)機(jī)器人總數(shù)的42%，其在機(jī)器人密度和先進(jìn)程度上均處于世界領(lǐng)先。美國(guó)的機(jī)器人的發(fā)展，雖然又錯(cuò)過(guò)一段時(shí)期，但依靠其強(qiáng)大的綜合國(guó)力，其技術(shù)也得以迅猛發(fā)展，處于世界領(lǐng)先水平。在歐洲，德國(guó)、意大利和法國(guó)在此方面的發(fā)展比較突出和領(lǐng)先。在亞洲，除了日本，韓國(guó)在工業(yè)機(jī)器人密度，也位居世界前三名。 目前，國(guó)外機(jī)器人技術(shù)正在向智能機(jī)器和智能系統(tǒng)的方向發(fā)展，其發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面

19、： 1 在制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，將在食品，能源，采礦和建筑行業(yè)等新的領(lǐng)域中得到迅速發(fā)展。在傳統(tǒng)行業(yè)中，比如：橡膠，包裝和塑料等，工業(yè)機(jī)器人的需求將進(jìn)一步增長(zhǎng)。 2 工業(yè)機(jī)器人的價(jià)格不斷下降，性能不斷改進(jìn)，速度更快，精度更高，可靠性更好，并且易于操作和維護(hù)。機(jī)器人的價(jià)格相較于勞動(dòng)力成本越來(lái)越低，可以降低生產(chǎn)成本，這必將更加推動(dòng)機(jī)器人的投資、研制和開(kāi)發(fā)。 3 機(jī)器人控制系統(tǒng)的發(fā)展方向是：基于工控機(jī)的開(kāi)放式機(jī)器人控制器?？刂葡到y(tǒng)的開(kāi)放化，模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化，將成為今后發(fā)展的方向，人機(jī)控制界面更加容易操作和友好。單元式的方式發(fā)展工業(yè)機(jī)器人，使各個(gè)機(jī)器人之間能夠協(xié)調(diào)控制，組成具有兼容

20、性更加強(qiáng)大的控制技術(shù)。 4 機(jī)器人的通訊方式和編程語(yǔ)言，兼容性更加，并逐漸通用化。 5 關(guān)節(jié)型機(jī)器人的各個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)展模塊化、可重構(gòu)化。 6 傳感器的發(fā)展直接關(guān)系到，機(jī)器人的智能化的程度。除了靈敏、先進(jìn)的傳感器，實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的各種算法，比如：非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布情形下的多傳感器融合算法等。 7 機(jī)器人技術(shù)的研究主要集中在結(jié)構(gòu)和功能的方面，并用運(yùn)用創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)需要不斷探索和發(fā)展高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料，以進(jìn)一步提高機(jī)器人的性能。 8 虛擬模擬技術(shù)在機(jī)器人技術(shù)中得到更強(qiáng)大的發(fā)展。 9 趨于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和網(wǎng)絡(luò)化控制機(jī)器人，并且可以將遙控、監(jiān)控技術(shù)運(yùn)用到其中，實(shí)現(xiàn)智能化機(jī)器人的遠(yuǎn)程管理和

21、自動(dòng)管理。 我國(guó)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 我國(guó)政府非常重視機(jī)器人技術(shù)研究和發(fā)展。目前中國(guó)已基本掌握了機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，控制系統(tǒng)的硬件和軟件的設(shè)計(jì)和一些關(guān)鍵部件的生產(chǎn)技術(shù)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃，生產(chǎn)出了，點(diǎn)焊，焊接，裝配，切割，包裝，裝卸，堆疊和各種用途的機(jī)器人，機(jī)器人應(yīng)用工程的實(shí)施，建立了一批機(jī)器人運(yùn)動(dòng)產(chǎn)業(yè)化基地，并形成大量的機(jī)器人研制力量。目前，我國(guó)針對(duì)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用研究和發(fā)展，已應(yīng)用于汽車，摩托車，機(jī)械制造，電子及電器，工程機(jī)械，石油，化工等行業(yè)。 然而，在工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用水平方面，我國(guó)和國(guó)外工業(yè)機(jī)器人強(qiáng)國(guó)還是有一定的差距.我國(guó)還沒(méi)有形成真正的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)品品種少

22、，狹窄的適用范圍，機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)化程度低，可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品。而且，我國(guó)在許多與機(jī)器人相關(guān)的產(chǎn)業(yè)中的發(fā)展也十分的落后，比如：在伺服電機(jī)和伺服行星減速機(jī)方面，均未能實(shí)現(xiàn)技術(shù)之車。新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)于依賴的國(guó)家科學(xué)的研究計(jì)劃和資金，不能形成面向市場(chǎng)的研究，研發(fā)未能形成良性發(fā)展。 根據(jù)國(guó)內(nèi)和國(guó)外的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)和當(dāng)前形勢(shì)的機(jī)器人與目前國(guó)內(nèi)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。在當(dāng)前的情況下，我們的機(jī)器人技術(shù)將專注于：研究柔性仿形工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，完成焊接和點(diǎn)膠等工作；研究智能機(jī)器人的開(kāi)發(fā)，包括：人機(jī)交換建模系統(tǒng)，虛擬模擬技術(shù)等；研究以機(jī)器人為基礎(chǔ)的重組裝配系統(tǒng)，像開(kāi)放式、模塊化的裝配機(jī)器人；用來(lái)推進(jìn)我國(guó)當(dāng)前工業(yè)自動(dòng)化的進(jìn)程，滿足工業(yè)

23、自動(dòng)化需求。 SCARA 機(jī)器人概述 　SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm，中文譯名：選擇性合規(guī)裝配機(jī)器手臂）是一種圓柱坐標(biāo)工業(yè)機(jī)器人。SCARA機(jī)器人有三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，均與軸線互相平行，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)。這類機(jī)器人的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)輕便、響應(yīng)快，例如Adept1型SCARA機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)10m/s，比一般關(guān)節(jié)式機(jī)器人快數(shù)倍。它最適用于平面定位，垂直方向進(jìn)行裝配的作業(yè)。 1978年，日本山梨大學(xué)的牧野洋（Makino）教授及其學(xué)生研制出一種SCARA（Selective

24、 Compliance Assembly Robot Arm ）機(jī)器人。 與一般的關(guān)節(jié)型機(jī)器人不同的是，該機(jī)器人具有四個(gè)軸和四個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度 ，包括X,Y,Z方向的平動(dòng)自由度和繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度 。SCARA 機(jī)器在平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)十分靈活，而在垂直方向上具有很大的剛性，此特性十分適合于垂直方向的裝配工作，在裝配或者搬運(yùn)等工作中的效率和穩(wěn)定性均十分好，實(shí)現(xiàn)快速和高效的目的。如今SCARA機(jī)器人已經(jīng)應(yīng)用到了各個(gè)領(lǐng)域中，并大大提高了工業(yè)的生產(chǎn)效率，并為工廠獲取了較好的經(jīng)濟(jì)效益。 本課題研究意義 工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用，改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式，是提高企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)重要角色.隨著中國(guó)加入WTO和經(jīng)濟(jì)全球化

25、的發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，我國(guó)制造業(yè)迫切需要進(jìn)行大規(guī)模的技術(shù)改造和設(shè)備更新，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)和自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備的需求將繼續(xù)增加.可是我國(guó)機(jī)器人的發(fā)張速度較慢，長(zhǎng)期依賴大量進(jìn)口工業(yè)機(jī)器人。機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備從國(guó)外引進(jìn)不僅價(jià)格昂貴，而且使用效果并不理想，這嚴(yán)重制約了中國(guó)制造業(yè)的健康發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2004年之前引進(jìn)的機(jī)器人自動(dòng)化類的生產(chǎn)設(shè)備已經(jīng)近一半是不正常運(yùn)行狀態(tài)，包括有較大問(wèn)題的占33％ ，根本不能使用的占16％。主要原因包括：外國(guó)自動(dòng)化系統(tǒng)不適合國(guó)內(nèi)企業(yè)的技術(shù)體系，選擇不合理，缺乏足夠的售前和銷售的技術(shù)支持，目前狀態(tài)的售后服務(wù)不專業(yè)等，而機(jī)器人控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)均相對(duì)封閉，行業(yè)間沒(méi)有相互交流，

26、最總導(dǎo)致了價(jià)格比較昂貴，售后服務(wù)不完美，機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展的相對(duì)緩慢。因此，我國(guó)自身研究和設(shè)計(jì)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工業(yè)機(jī)器人是具有十分重要的意義。 總體方案 SCARA 機(jī)器人由三部分組成，包括：機(jī)械本體、驅(qū)動(dòng)器、傳感裝置。下圖4.1， 為SCARA 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖?？刂破骶褪前üた貦C(jī)和單片機(jī)系統(tǒng)的整個(gè)控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、指令輸出、接受反饋并作出發(fā)出調(diào)整指令等功能?？刂破靼l(fā)出的運(yùn)動(dòng)指令控制驅(qū)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)，包括：大小臂、升降臂和末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)指定動(dòng)作。傳感裝置經(jīng)檢測(cè)將作出反饋，并將反饋信息傳送至控制器，控制器經(jīng)計(jì)算從而對(duì)機(jī)器人進(jìn)行微調(diào)，實(shí)現(xiàn)精確控制。

27、 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖： 圖4.1 控制器發(fā)出動(dòng)作指令，給機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。 機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，執(zhí)行收到的動(dòng)作指令，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體完成功能動(dòng)作。 （3）機(jī)器人本體是 SCARA 機(jī)器人的重要組成部分它是機(jī)器人作業(yè)任務(wù)的執(zhí)行機(jī) 用于完成機(jī)器人的所有功能動(dòng)作。 傳感檢測(cè)裝置是檢測(cè)機(jī)械本體到達(dá)指定位置的精確程度，反饋給控制器并進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到精確位置。 擬采取的技術(shù)措施 選用電氣驅(qū)動(dòng)方式。為了減小機(jī)器人的體積，減輕驅(qū)動(dòng)裝置重量，同時(shí)滿足控制精度要求我們選擇電氣驅(qū)動(dòng)作為機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式，并選用控制用電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件。 選用交流伺服電

28、機(jī)。它具有運(yùn)行平穩(wěn)、噪音小、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、運(yùn)動(dòng)范圍廣等特點(diǎn)，而且交流伺服電機(jī)都采用閉環(huán)控制，因此其控制精度高和可靠性強(qiáng)。交流伺服電機(jī)，在各個(gè)領(lǐng)域中的工業(yè)自動(dòng)化中已得到了廣泛使用。 選用單片機(jī)作為運(yùn)動(dòng)控制器。單片機(jī)具有很好的實(shí)時(shí)性，且運(yùn)行速度快，穩(wěn)定性好，成本很低， 因此我們單片機(jī)設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的四關(guān)節(jié)伺服電機(jī)的實(shí)時(shí)、獨(dú)立控制。 2. 機(jī)械部分設(shè)計(jì) 控制用電機(jī)的種類 特點(diǎn)和選型 為了減小機(jī)器人的體積，減輕驅(qū)動(dòng)裝置重量，同時(shí)滿足控制精度要求，我們選擇的機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式為電氣驅(qū)動(dòng)，選用微型電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器。 交流伺服電機(jī)擁有諸多優(yōu)點(diǎn)：1無(wú)電刷和換向器，工作可靠性高，對(duì)維護(hù)和保

29、養(yǎng)要求低。2起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、運(yùn)行范圍較廣、無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象等。而且交流伺服電機(jī)都采用閉環(huán)控制，因此其控制精度高和可靠性強(qiáng)。交流伺服電機(jī)，在各個(gè)領(lǐng)域中的工業(yè)自動(dòng)化中已得到了廣泛使用。 為滿足所設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人的各項(xiàng)要求，此次設(shè)計(jì)決定選用日本YASKAWA 安川公司的SCMAH交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器。表2.1 列出了此次設(shè)計(jì)初選的交流伺服電機(jī)的型號(hào)規(guī)格。 機(jī)器人關(guān)節(jié)名稱 電機(jī)型號(hào) 額定輸出 瞬間最大扭矩 額定電流A 額定轉(zhuǎn)速r/min 重量 大臂關(guān)節(jié) SCMAH-04A 3000 小臂關(guān)節(jié) SCMAH-02A 0.637 3000

30、升降關(guān)節(jié) SCMAH-01A 3000 末端執(zhí)行 SCMAH-A3A 3000 圖2.1為，所選交流伺服電機(jī)的機(jī)械尺寸： 圖2-1 交流伺服電機(jī)的機(jī)械尺寸 伺服電機(jī)減速機(jī)的配型 伺服電機(jī)屬于高轉(zhuǎn)速，低扭矩的微型驅(qū)動(dòng)設(shè)備。伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩一般都很小，選擇電機(jī)勢(shì)必要考慮轉(zhuǎn)矩的問(wèn)題。選取轉(zhuǎn)矩大的電機(jī)，會(huì)增加電機(jī)體積和提高成本，同時(shí)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)就不緊湊。增大傳動(dòng)比，也可以增大轉(zhuǎn)矩，包括：齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)或減速機(jī)等中間傳動(dòng)裝置。伺服減速機(jī)具有較大的傳動(dòng)比，且精度較高、且應(yīng)用廣泛。所以，要給各個(gè)伺服電機(jī)進(jìn)行減速機(jī)配型，以滿足工作要求。經(jīng)

31、過(guò)查閱資料，并與老師和同學(xué)交流后，選用了上海楓信傳動(dòng)機(jī)械 的伺服電機(jī)專用行星減速機(jī)。 圖2.2和表2.2，表示的是伺服電機(jī)專用行星減速機(jī)的外形安裝尺寸及與伺服電機(jī)的配合尺寸： 圖2.2 減速機(jī)的外形尺寸 表2.2 尺寸大小 升降關(guān)節(jié)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及部件的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核 SCARA 機(jī)器人的升降關(guān)節(jié)用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的末端執(zhí)行器進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器在垂直方向的定位。常用的直線驅(qū)動(dòng)方式主要有：氣液壓驅(qū)動(dòng)、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)、齒輪齒條、同步帶和絲杠螺母副等。滾珠絲杠副具有傳動(dòng)效率高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用與各種工業(yè)設(shè)備、精密儀器和數(shù)控機(jī)床等。因此，我們選用滾

32、珠絲杠副和滾動(dòng)導(dǎo)軌副作為SCARA 機(jī)器人的升降關(guān)節(jié)。 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 （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=40N，所以 =G=40N。 （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，

33、再取硬度系數(shù) =1.0， 代入公式： （2-1） 得最大動(dòng)載荷 =486.3N。 （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 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=25mm，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

34、 （2-2） 得絲杠螺旋升角=9°′,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(shū)》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） 絲杠的拉

35、伸或壓縮變形量 （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mm 。 2）滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 無(wú)預(yù)緊時(shí)

36、 （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 ，mm。 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

37、可減小一半，取=1.41mm。 3）將以上算出的、代入 （2-8） 得變形總量。 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<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：

38、（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 ；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。 直線移動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型 （1）滑塊承受工作載荷的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選取 工作載荷是影響直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副使用

39、壽命的重要因素。本設(shè)計(jì)中的Z軸工作臺(tái)為豎直布置，采用雙導(dǎo)軌、兩滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即垂直于工作臺(tái)面的工作載荷全部由一個(gè)滑塊全部承擔(dān)，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為： （2-10） 其中：絲杠的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)軌中心間距，帶入式（2-10），得最大工作載荷。查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》表3-41，根據(jù)工作載荷，初選直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)為系列的型，其額定動(dòng)載荷，額定靜載荷。 根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，考慮工作行程應(yīng)留有一定余量，查《機(jī)電一體化

40、系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》表3-35，按標(biāo)準(zhǔn)系列，選取導(dǎo)軌的長(zhǎng)度為，可按需要進(jìn)行截?cái)嘌b配。 （2）距離額定壽命的計(jì)算 已知上述選取的系列型導(dǎo)軌副的滾道硬度為，工作溫度不 超過(guò)，每根導(dǎo)軌上配有一只滑塊，精度為4級(jí)，工作速度較低，載荷不大。查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》表3-36和表3-40，分別取硬度系數(shù)、溫度系數(shù)、接觸系數(shù)、精度系數(shù)、載荷系數(shù)，代入式（3-11）得導(dǎo)軌的距離額定壽命： （2-11） 遠(yuǎn)大于，故導(dǎo)軌的距離額定壽命滿足要求。 同步帶的計(jì)算和選型 （1）確定同步帶傳動(dòng)的

41、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(shū)》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，=0.04kW； 則有： （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，由《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》圖3-14查得帶的型號(hào)為XXL型，對(duì)應(yīng)節(jié)距 。 （3）確定小帶輪的齒數(shù)和節(jié)圓直徑

42、 由帶輪轉(zhuǎn)速和XL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(shū)》表3-17得小帶輪的最少許用齒數(shù)，初選，小帶輪節(jié)圓直徑；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XL型小帶輪的,所以。 （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,則大帶輪齒數(shù)；大帶輪節(jié)圓直徑。 查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》表3-1

43、6得，大小帶輪的節(jié)圓直徑 ，外徑。 （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(shū)》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：

44、 （2-16） 則。 （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(shū)》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(shū)》表3-21，得 ； —— 同步帶的線速度，單位為：；

45、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(shū)》表3-22得，因?yàn)?，所以取? 代入數(shù)據(jù)得： 故取基準(zhǔn)帶寬即可滿足使用要求。 （10）帶的工作能力驗(yàn)算 由公式： （2-20） 其中： ——

46、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(shū)》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(shū)》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(shū)》表3-21，得 ； ——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： 因此帶的校驗(yàn)合格，滿足使用要求。 （11）帶的規(guī)格數(shù)據(jù)整理 1)帶：選用XXL型同步帶， ， ， ； 2)帶輪：， ，，； 3）傳動(dòng)中心距：精確計(jì)算，； 帶的型號(hào)為B72XXL6.4，對(duì)應(yīng)帶輪型號(hào)選擇，采用雙邊擋圈，帶輪最小寬度。 大小

47、臂的設(shè)計(jì) 由于此次設(shè)計(jì)的SCARA機(jī)器人采用的是類懸臂式的結(jié)構(gòu),其大小臂及軸上零件的重量對(duì)機(jī)器人的整體動(dòng)態(tài)性能有重要影響，因此，對(duì)于大小臂的材料有一定的要求，除了大小臂外，還應(yīng)設(shè)計(jì)重量較輕，剛性較好的軸上零件。所以，在對(duì)臂部及關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)中我們采用高強(qiáng)度鋁合金材質(zhì)鑄造而成的結(jié)構(gòu)，以減輕重量。 大小臂關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)及校核計(jì)算 由于SCARA機(jī)器人擁有三個(gè)垂直旋轉(zhuǎn)的自由度，所以，各個(gè)軸都是豎直安裝，要承受軸向和徑向兩個(gè)方向的力，所以采用角接觸球軸承，并靠軸肩、軸承套和軸承蓋定位，將軸上的力轉(zhuǎn)移到基座上來(lái)。設(shè)計(jì)如圖： 第二自由度和第一自由度設(shè)計(jì)相似。 大臂關(guān)節(jié)和小臂關(guān)節(jié)，均豎直安裝，

48、是主要承受扭矩的軸，所以進(jìn)行扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算，已知軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為： 式中：—扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，Mpa； T—軸所受的扭轉(zhuǎn)，N.m； —軸的抗扭截面系數(shù)，mm； N-軸的轉(zhuǎn)速，r/min； P-軸傳遞的功率，kW； D-計(jì)算截面處的軸的直徑，mm； —許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力。 已知等效到大臂關(guān)節(jié)軸方向上最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩，則可得到40Mpa。 已知等效到小臂關(guān)節(jié)軸上的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩，則可得到25Mpa。 由于軸的材料是45鋼，其許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為45Mpa。所以大臂關(guān)節(jié)軸和小臂關(guān)節(jié)軸，均符合扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度要求。 末端執(zhí)行器的

49、設(shè)計(jì) 為滿足裝配、搬運(yùn)等不同作業(yè)的需要，我們?cè)O(shè)計(jì)了可更換夾持器的末端執(zhí)行器。其包括電機(jī)安裝板、伸出軸、銷和卡盤(pán)，夾持器需要完成上下和旋轉(zhuǎn)兩個(gè)動(dòng)作，故設(shè)計(jì)卡盤(pán)與夾持器通過(guò)螺紋連接，卡盤(pán)與伸出軸通過(guò)銷進(jìn)行軸向和徑向固定。如圖2.4： 機(jī)器人的傳感器 傳感器是機(jī)電一體系統(tǒng)的重要組成部分，傳感器的選用直接影響到系統(tǒng)的精度和穩(wěn) 定可靠性。機(jī)器人作為一種典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，對(duì)傳感器提的要求主要在以下幾方面： 1 精度。機(jī)器人工作時(shí)所能達(dá)到的精度與傳感器自身的精度有著直接聯(lián)系，因此，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)機(jī)器人所要求的工作精度，選擇適合工作的傳感器。同時(shí)，還應(yīng)考慮成本高低，要使元器件充分發(fā)揮作用

50、，所以滿足要求的情況下，不必過(guò)分追求高精度。 2 重復(fù)性。對(duì)于像SCARA機(jī)器人這樣示教再現(xiàn)機(jī)器人，為了保證機(jī)器人能夠準(zhǔn)確再現(xiàn)工作所要求的示教軌跡，傳感器的重復(fù)性必不可少。因此，安裝時(shí)必須保證其重復(fù)性。 3 體積大小和重量。考慮到裝配機(jī)器人的結(jié)構(gòu)緊湊性和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，對(duì)于安裝在大小臂上所有零件均要求較輕的重量，以減小對(duì)機(jī)器人動(dòng)態(tài)性能的影響，所以傳感器需要重量輕，體積小。 4 穩(wěn)定性和可靠性。工業(yè)機(jī)器人的工作環(huán)境往往會(huì)比較惡劣的條件，尤其在一些重工業(yè)領(lǐng)域，要抗干擾能力強(qiáng)，具有較好穩(wěn)定性和可靠性的傳感器來(lái)適應(yīng)這種環(huán)境，以完成機(jī)器人的工作。 5 響應(yīng)時(shí)間。傳感器的響應(yīng)時(shí)間直接決定著機(jī)器人的控制

51、精度和工作效率。所以，傳感器的響應(yīng)時(shí)間短。 本次設(shè)計(jì)選用的傳感器是交流伺服電機(jī)自帶的增量式編碼器。 增量型編碼器：安川交流伺服電機(jī)自帶的 13 比特增量型編碼器，與同軸安裝于電機(jī)末端，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精確運(yùn)動(dòng)控制。交流伺服電機(jī)將編碼器的脈沖串行數(shù)據(jù)傳送至伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器經(jīng)分頻后將數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，而后進(jìn)入上位機(jī)，經(jīng)過(guò)計(jì)算輸出動(dòng)作指令。 3 機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)件的選型與校核 銷連接的選型與校核 本次設(shè)計(jì)中的末端執(zhí)行器中，運(yùn)用到了銷，故對(duì)其進(jìn)行介紹：銷可以分為圓柱銷、圓錐銷和異形銷等。 圓柱銷依靠少量過(guò)盈固定在孔中，對(duì)銷孔的尺寸，形狀，表面粗糙度等要求較高，銷孔在裝配前須鉸削。通常被連接件的

52、兩孔應(yīng)同時(shí)鉆鉸，孔壁的粗糙答不大于Ra0.6μm。裝配時(shí)，在銷上涂上潤(rùn)滑油，用銅棒將銷打入孔中?！　? 圓錐銷裝配時(shí)，被連接件的兩孔也應(yīng)同時(shí)粘鉸，但必須控制徑、鉆孔時(shí)按圓錐銷小頭直徑選用鉆頭，用1：50錐度的鉸刀鉸孔。鉸孔時(shí)用試裝法控制孔徑，以圓錐銷自由插入全長(zhǎng)的80%~85%為宜。然后用軟錘敲入。敲入后銷的大頭可被連接件表面平齊?；蚵冻霾怀^(guò)倒棱值?！　? 拆卸帶內(nèi)螺紋的圓柱銷和圓錐時(shí)，可用拔銷器拔出，有螺尾的圓錐銷可用螺母旋出，通孔中的圓錐可以從小頭向外敲出。 銷的材料為35、45鋼（開(kāi)口銷為低碳鋼），許用切應(yīng)力，許用擠壓應(yīng)力。 已知末端執(zhí)行器軸方向上最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩，則周向，軸向最大載

53、荷G=30N，則，均遠(yuǎn)小于許用切應(yīng)力。故銷滿足工作條件。 聯(lián)軸器的選型與校核 聯(lián)軸器的分類 本次傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)中，采用了聯(lián)軸器，這里對(duì)其做簡(jiǎn)單介紹：聯(lián)軸器是機(jī)械傳動(dòng)中常用的部件。它用來(lái)把兩軸聯(lián)接在一起，機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)兩軸不能分離；只有在機(jī)器停車并將聯(lián)接拆開(kāi)后，兩軸才能分離。 聯(lián)軸器所聯(lián)接的兩軸，由于制造及安裝誤差、承載后的變形以及溫度變化的影響等，往往不能保證嚴(yán)格的對(duì)中，而是存在著某種程度的相對(duì)位移。這就要求設(shè)計(jì)聯(lián)軸器時(shí)，要從結(jié)構(gòu)上采取各種不同的措施，使之具有適應(yīng)一定范圍的相對(duì)位移的性能。 根據(jù)對(duì)各種相對(duì)位移有無(wú)補(bǔ)償能力（即能否在發(fā)生相對(duì)位移條件下保持聯(lián)接的功能），聯(lián)軸器可分為剛性聯(lián)軸器

54、（無(wú)補(bǔ)償能力）和撓性聯(lián)軸器（有補(bǔ)償能力）兩大類。 1. 剛性聯(lián)軸器 這類聯(lián)軸器有套筒式、夾殼式和凸緣式等。凸緣聯(lián)軸器是把兩個(gè)帶有凸緣的半聯(lián)軸器聯(lián)成一體，以傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩。凸緣聯(lián)軸器的材料可用灰鑄鐵或碳鋼，重載時(shí)或圓周速度大于30m/s時(shí)應(yīng)用鑄鋼或碳鋼。由于凸緣聯(lián)軸器屬于剛性聯(lián)軸器，對(duì)所聯(lián)兩軸的相對(duì)位移缺乏補(bǔ)償能力，故對(duì)兩軸對(duì)中性的要求很高。當(dāng)兩軸有相對(duì)位移存在時(shí)，就會(huì)在機(jī)件內(nèi)引起附加載荷，使工作情況惡化，這是它的主要缺點(diǎn)。但由于構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本低、可傳遞較大轉(zhuǎn)矩，故當(dāng)轉(zhuǎn)速低、無(wú)沖擊、軸的剛性大、對(duì)中性較好時(shí)亦常采用。 這類聯(lián)軸器因具有撓性，故可補(bǔ)償兩軸的相對(duì)位移。但因無(wú)彈性元件，故不能

55、緩沖減振。常用的有以下幾種： （1) 十字滑塊聯(lián)軸器 十字滑塊聯(lián)軸器由兩個(gè)在端面上開(kāi)有凹槽的半聯(lián)軸器和一個(gè)兩面帶有凸牙的中間盤(pán)所組成。由于凸牙可在凹槽中滑動(dòng)，故可補(bǔ)償安裝及運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)兩軸間的相對(duì)位移。 這種聯(lián)軸器零件的材料可用45鋼，工作表面須進(jìn)行熱處理，以提高其硬度；要求較低時(shí)也可用Q235鋼，不進(jìn)行熱處理。為了減少摩擦及磨損，使用時(shí)應(yīng)從中間盤(pán)的油孔中注油進(jìn)行潤(rùn)滑。 因?yàn)榘肼?lián)軸器與中間盤(pán)組成移動(dòng)副，不能發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，故主動(dòng)軸與從動(dòng)軸的角速度應(yīng)相等。但在兩軸間有相對(duì)位移的情況下工作時(shí)，中間盤(pán)就會(huì)產(chǎn)生很大的離心力，從而增大動(dòng)載荷及磨損。因此選用時(shí)應(yīng)注意其工作轉(zhuǎn)速不得大于規(guī)定值。 這種聯(lián)軸器

56、一般用于轉(zhuǎn)速,軸的剛度較大，且無(wú)劇烈沖擊處。效率，這里為摩擦系數(shù)，一般取為0.12~0.25；為兩軸間徑向位移量，單位為；為軸徑，單位為。 （2）滑塊聯(lián)軸器 這種聯(lián)軸器與十字滑塊聯(lián)軸器相似，只是兩邊半聯(lián)軸器上的溝槽很寬，并把原來(lái)的中間盤(pán)改為兩面不帶凸牙的方形滑塊，且通常用夾布膠木制成。由于中間滑塊的質(zhì)量減小，又具有較高的極限轉(zhuǎn)速。中間滑塊也可用尼龍6制成，并在配制時(shí)加入少量的石墨或二硫化鉬，以便在使用時(shí)可以自行潤(rùn)滑。 這種聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸緊湊，適用于小功率、高轉(zhuǎn)速而無(wú)劇烈沖擊處。 聯(lián)軸器的選型與校核 本設(shè)計(jì)中，為了結(jié)構(gòu)緊湊和減輕重量，且安裝方便，故選用套筒式聯(lián)軸器。對(duì)軸上套筒聯(lián)

57、軸器進(jìn)行校核計(jì)算：套筒式聯(lián)軸器的工作，主要取決于鍵的強(qiáng)度。 假定載荷在鍵上的工作面上均勻分布，普通平鍵的強(qiáng)度條件為： 已知在大臂關(guān)節(jié)軸方向上最大轉(zhuǎn)矩，且為普通圓頭平鍵，k=5，l=L-b=19，則：； 已知小臂關(guān)節(jié)軸軸上的最大轉(zhuǎn)矩，為單圓頭普通平鍵，k=5，l=L-b /2=12.5,則：。 軸承的分類及選用 軸承的主要分類及用途 1. 深溝球軸承 最具代表性的滾動(dòng)軸承，用途廣泛，可承受徑向負(fù)荷與雙向軸向負(fù)荷，適用于高速旋轉(zhuǎn)及要求低噪聲、低振動(dòng)的場(chǎng)合。 主要用途：汽車：后輪、變速器、電氣裝置部件，儀表、內(nèi)燃機(jī)、建筑機(jī)械

58、、鐵路車輛、裝卸搬運(yùn)機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、各種產(chǎn)業(yè)機(jī)械。 2. 角接觸球軸承 套圈與球之間有接觸角，標(biāo)準(zhǔn)的接觸角為15°、30°和40°，接觸角越大軸向負(fù)荷能力也越大，接觸角越小則越有利于高速旋轉(zhuǎn)，單列軸承可承受徑向負(fù)荷與單向軸向負(fù)荷。 主要用途：?jiǎn)瘟校簷C(jī)床主軸、高頻馬達(dá)、燃汽輪機(jī)、離心分離機(jī)、小型汽車前輪、差速器小齒輪軸。 雙列：油泵、羅茨鼓風(fēng)機(jī)、空氣壓縮機(jī)、各類變速器、燃料噴射泵、印刷機(jī)械。 3. 四點(diǎn)接觸球軸承 可承受徑向負(fù)荷與雙向軸向負(fù)荷，單個(gè)軸承可代替正面組合或背面組合的角接觸球軸承，適用于承受純軸向負(fù)荷或軸向負(fù)荷成份較大的合成負(fù)荷，該類軸承承受任何方向的軸向負(fù)荷時(shí)都能形成其中

59、的一個(gè)接觸角（α），因此套圈與球總在任一接觸線上的兩面三刀點(diǎn)接觸。 主要用途：飛機(jī)噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)、燃汽輪機(jī)。 4. 調(diào)心球軸承 因外圈滾道表面是以軸承中心為中心的球面，故能自動(dòng)調(diào)心，允許內(nèi)圈（軸）相對(duì)外圈（外殼）軸線偏斜量。一般不宜承受純軸向載荷。 主要用途：木工機(jī)械、紡織機(jī)械傳動(dòng)軸、立式帶座調(diào)心軸承。 5. 圓柱滾子軸承 圓柱滾子與滾道呈線接觸，有較大的徑向負(fù)荷能力，不僅適用于能夠承受重負(fù)荷與沖擊負(fù)荷，而且適用于高速旋轉(zhuǎn) N型及NU型可軸向移動(dòng)，能適應(yīng)因熱膨脹或安裝誤差引起的軸與外殼相對(duì)位置的變化，最適應(yīng)用作自由端軸承NJ型及NF型可承受一定程度的單向軸向負(fù)荷，NH型及NUP型可承

60、受一定程度的雙向軸向負(fù)荷內(nèi)圈或外圈可分離，便于裝拆NNU型及NN型抗徑向負(fù)荷的剛性強(qiáng)，大多用于機(jī)床主軸。 主要用途：中型及大型電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、裝卸搬運(yùn)機(jī)械、燃汽輪機(jī)、減速裝置、機(jī)床主軸、各類產(chǎn)業(yè)機(jī)械。 6. 實(shí)體型滾針軸承 有內(nèi)圈軸承的基本結(jié)構(gòu)與NU型圓柱滾子軸承相同，但由于采用滾針，體積可以縮小，并可承受大徑向負(fù)荷無(wú)內(nèi)圈軸承要把具有合適精度和硬度的軸的安裝面作為滾道面使用。 主要用途：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、泵、挖土機(jī)履帶輪、提升機(jī)、橋式起重機(jī)、壓縮機(jī)。 7. 圓錐滾子軸承 該類軸承內(nèi)有形狀為圓臺(tái)的滾子，內(nèi)圈大擋邊引導(dǎo)滾子，設(shè)計(jì)上使得內(nèi)圈滾道面、外圈滾道面以及滾子滾動(dòng)面的各圓

61、錐面的頂點(diǎn)相交于軸承中心線上的一點(diǎn)，單列軸承可承受徑向負(fù)荷與單向軸向負(fù)荷，雙列軸承可承受徑向負(fù)荷與雙向軸向負(fù)荷，適用于承受重負(fù)荷與沖擊負(fù)荷，按接觸胸（α）的不同，分為小錐角、中錐角和大錐角三種型式，接觸角越大軸向負(fù)荷能力也越大。 主要用途：汽車的前后輪、差速器小齒輪軸、變速器。機(jī)床主軸、建筑機(jī)械、大型農(nóng)業(yè)機(jī)械、鐵路車輛齒輪減速裝置、軋鋼機(jī)輥頸及減速裝置。 8. 調(diào)心滾子軸承 因外圈滾道表面是以軸承中心為中心的球面，故能自動(dòng)調(diào)心，一般不宜承受純軸向載荷。但具有較大的軸向承載能力，允許內(nèi)圈（軸）相對(duì)外圈（外殼）軸線偏斜量。 主要用途：造紙和印刷機(jī)械、各種減速裝置、火車及動(dòng)車車軸、軋鋼機(jī)齒輪

62、箱座、軋鋼機(jī)輥道子、破碎機(jī)、振動(dòng)篩、木工機(jī)械、各類產(chǎn)業(yè)用減速機(jī)、立式帶座調(diào)心軸承。 9. 推力球軸承 只能承受軸向載荷。高速離心力大，鋼球與保持架磨損，發(fā)熱嚴(yán)重，壽命降低，故極限轉(zhuǎn)速很低，為了防止鋼球與滾道之間的滑動(dòng)，工作是必須加有一定的軸向載荷。軸線必須與軸承座底面垂直，載荷必須與軸線重合，以保證鋼球載荷的均勻分配。 主要用途：汽車轉(zhuǎn)向銷、機(jī)床主軸。 10. 推力圓柱滾子軸承 該軸承包括三個(gè)組成部分，有墊圈形滾道圈（軸圈、座圈）與圓柱滾子和保持架組件構(gòu)成。圓柱滾子采用凸面加工，因此滾子與滾道面之間的壓力分布均勻，可承受單向軸向負(fù)荷，軸向負(fù)荷能力大，軸向剛性也強(qiáng)。 主要用途：石油鉆

63、機(jī)、制鐵制鋼機(jī)械。 11. 推力滾針軸承 在同樣內(nèi)經(jīng)條件下，與其他類型軸承相比，其外徑最小，內(nèi)圈或外圈可以分離，工作是允許內(nèi)、外圈有少量的軸向錯(cuò)動(dòng)。有較大的徑向承載能力。一般不帶保持架。摩擦系數(shù)比較大。此軸承所占的空間小，有利于緊湊性的機(jī)械設(shè)計(jì)。 主要用途：耕耘機(jī)、汽車、機(jī)床等設(shè)備的變速裝置。 12. 推力圓錐滾子軸承 該類軸承裝有圓臺(tái)形滾子（大端為球面），滾子由滾道圈（軸圈、座圈）擋邊準(zhǔn)確引導(dǎo)，設(shè)計(jì)上使得軸圈和座圈滾道面以及滾子滾動(dòng)面的各圓錐面的頂點(diǎn)相交于軸承中心線上的一點(diǎn)，單向軸承可承受單向軸向負(fù)荷，雙向軸承可承受雙向軸向負(fù)荷，雙向軸承將中圈與軸配合，但由于采用間隙配合，因此必須

64、用軸套等使中圈軸向定位推力調(diào)心滾子軸承。 軸承選型 本設(shè)計(jì)中，多采用的是角接觸球軸承，套圈與球之間有接觸角，標(biāo)準(zhǔn)的接觸角為15°、30°和40°，接觸角越大軸向負(fù)荷能力也越大，接觸角越小則越有利于高速旋轉(zhuǎn)?？梢酝瑫r(shí)承受徑向載荷及軸向載荷。能在較高的轉(zhuǎn)速下正常工作。由于一個(gè)軸承只能承受單向的軸向力，因此，一般成對(duì)使用。 角接觸球軸承的校核： 根據(jù)軸上零件的受力，從而得到軸承的受力狀況，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行力的分析，經(jīng)查表，并代入公式： 得到，當(dāng)量動(dòng)載荷，式中，X、Y分別為徑向動(dòng)載荷系數(shù)和軸向動(dòng)載荷系數(shù)。 由滾動(dòng)軸承壽命的計(jì)算公式： 式中，為指數(shù)，對(duì)于球軸承，；對(duì)于滾子軸承，。從而得

65、到軸承的使用壽命。 鍵的分類及選用 鍵的分類 1平鍵聯(lián)接。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝拆方便、對(duì)中性較好等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。鍵的兩側(cè)面是工作面，它來(lái)傳遞扭矩，但不能承受軸向力，不能對(duì)軸上的零件起到軸向固定的作用。按鍵構(gòu)造分，有圓頭（A型0、方頭（B型）及單圓頭（C型）三種。鍵一般用抗拉強(qiáng)度δΒ≥MPa的碳鋼或精拔鋼制造，常用的材料為45號(hào)鋼。 2半圓鍵。鍵在槽中能繞其幾何中心擺動(dòng)以適應(yīng)輪轂中鍵槽的斜度，工作時(shí)，其側(cè)面來(lái)傳遞扭矩。特點(diǎn)是：工藝性較好，裝配方便、尤其適用于錐形軸與輪轂的聯(lián)接。缺點(diǎn)是鍵槽較深，對(duì)軸的強(qiáng)度削弱較大，故一般只用于輕載聯(lián)接中。 3楔鍵聯(lián)接。工作時(shí)，*鍵的楔緊作用來(lái)

66、傳遞扭矩，同時(shí)還可承受單向的軸向載荷，對(duì)輪轂起到單向的軸向定位作用。它分為普通楔鍵及鉤頭楔鍵兩種。常用于一些低速、輕載和對(duì)傳動(dòng)精度要求不高的聯(lián)接中。 4切向鍵。工作時(shí)，*工作面上的擠壓力和軸與輪轂間的摩擦力來(lái)傳遞扭矩。用一個(gè)切向鍵時(shí)，只能單間傳動(dòng)；有反轉(zhuǎn)要求時(shí)，必須用兩個(gè)切向鍵，常用于重型機(jī)械、直徑較粗的軸等場(chǎng)合。 鍵的選用 考慮到本系統(tǒng)受力不大，沒(méi)有軸向受力，不需要用鍵軸向固定，故決定采用平鍵連接。 控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu) 工控機(jī)（Industry Personal Computer）簡(jiǎn)稱IPC ，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和交互性，可以兼容各種軟件，利用這些軟件能夠快速的完成機(jī)器人的軌跡規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的求解。電腦本身能具有標(biāo)準(zhǔn)的接線結(jié)構(gòu)，較好的開(kāi)放性，可擴(kuò)展性，操作熟悉簡(jiǎn)單，同時(shí)還能夠防止塵土，并且抗干擾能力強(qiáng)，能夠在工業(yè)環(huán)境下穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。 因此我們選用工控機(jī)作為機(jī)器人的上位機(jī)。在工控機(jī)的操作系統(tǒng)中，多使用的是Windows操作系統(tǒng)，但是此系統(tǒng)在工業(yè)中實(shí)用性不高，不能快速響應(yīng)去控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。而單片機(jī)的實(shí)時(shí)性不錯(cuò)，且運(yùn)行速度快，可靠性高，成本很低。所以，我們選