SCARA型装配机器人系统设计（含全套CAD图纸） .pdf

上海电机学院毕业设计 摘要 scara 机器人是一种由四个自由度组成的平面关节型机器人 它的主要作用是可以完成精密仪器和物体的搬运和移动 由于体积 小 传动原理简单 被广泛运用于电子电气业 家用电器业 精密机 械业等领域 整个系统由机器手 机器臂 关节 伺服电机驱动系统 等组成 通过各自由度伺服电机的驱动 完成机器手 机器臂的位置 变化 具体设计内容为 同步齿形带传动设计 丝杠螺母设计 各输 出轴和壳体的设计 伺服电机的选择等 在校核满足其结构强度的基 础上 我们对 scara 机器人的结构进行优化设计 本论文着重研究 scara 机器人的结构设计系统设计 在论文开 始首先介绍了机器人的发展及其分类情况 具体叙述了 scara 机器 人的结构设计详细过程 在论文末尾还对 scara 机器人进一步改进 措施和应用展望进行了阐述 关键词 关键词 scara 机器人 伺服电机 结构设计 机器臂 上海电机学院毕业设计 1 a abstractbstract 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 scararobots 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 scararobots and gives a expectation about its future key words scararobots servo motor structure design manipulator arm 上海电机学院毕业设计 2 目录 1 绪论 4 1 1 机器人的特点 4 1 2 机器人的构成及分类 5 1 3 机器人的应用与发展 8 1 4 scara 机器人的研究意义 10 1 5 主要研究内容 12 2 scara 机器人传动方案 13 2 1 scara 机器人传动方案的比较及确定 13 2 1 1 可行方案分析 13 2 1 2 方案对比和分析 14 2 1 3 最终驱动方案 15 2 2 伺服电机的优点和选型 16 2 2 1 伺服电机的优点 16 2 2 2 伺服电机的选型 17 2 3 同步带轮选型设计 17 2 3 1 同步带传动的优点 17 2 3 2 同步带轮选型参数 18 3 scara 机器人结构设计 21 3 1 scara 机器人结构组成 21 3 2 基座设计 22 3 3 旋转臂设计 23 上海电机学院毕业设计 3 3 4 大臂设计 24 3 5 小臂设计 24 3 6 末端升降旋转设计 25 3 7 末端机械手设计 26 4 scara 机器人控制系统设计 27 4 1 scara 机器人控制器的总体结构 27 4 2 scara 机器人单片机系统设计 29 4 3 scara 机器人控制电路原理图 30 4 3 1scara 机器人控制流程 30 4 3 2scara 机器人控制电路原理图 31 5 总结与展望 34 6 参 考 文 献 35 7 致谢 36 1 1 绪论绪论 1 1 机器人的特点 机器人最显著的特点有以下几个 1 可编程 上海电机学院毕业设计 4 生产自动化的进一步发展是柔性自动化 机器人可随其工作环境变化的 需要而再编程 因此它在小批量多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能 发挥很好的功用 是柔性制造系统 fms 中的一个重要组成部分 2 拟人化 机器人在机械结构上有类似人的行走 腰转 大臂 小臂 手腕 手爪 等部分 在控制上有电脑 此外 智能化机器人还有许多类似人类的 生 物传感器 如皮肤型接触传感器 力传感器 负载传感器 视觉传感器 声觉传感器 语言功能等 传感器提高了机器人对周围环境的 自适应能力 3 通用性 除了专门设计的专用机器人外 一般机器人在执行不同的作业任务时具 有较好的通用性 比如 更换机器人手部末端操作器 手爪 工具等 便可执 行不同的作业任务 4 机电一体化 机器人技术涉及的学科相当广泛 但是归纳起来是机械学和微电子技术 的应用 特别是计算机技术的应用密切相关 因此 机器人技术的发展必将带动其它技术的发展 机器人技术的发展和应 用水平也可以从一个方面验证一个国家科学技术和工业技术的发展和水平 1 2 机器人的构成及分类 1 2 1 机器人的构成 上海电机学院毕业设计 5 一个机器人系统 一般由操作机 驱动单元 控制装置和为使机器人进行作 业而要求的外部设备组成 1 操作机 又称执行系统 操作机是机器人完成作业的实体 它具有和人手臂相似的动作功能 是可在 空间抓放物体或进行其它操作的机械装置 通常由下列部分构成 1 末端执行器 又称手部 是操作机直接执行工作的装置 并可设置夹持器 工具 传感器 等 是工业机器人直接与工业对象接触以完成作业的机构 2 手腕是支承和调整末端执行器姿态的部件 主要用来确定和改变末端执行器的方位和扩大手臂的动作范围 一般具有 2 3 个回转自由度以调整末端执行器的姿态 有些专用机器人可以没有手腕而直 接将末端执行器安装在手臂的端部 3 手臂 由操作机的动力关节和连接杆件等构成 是用于支承和调整手腕和末端执行 器位置的部件 手臂有时不止一条 而且每条手臂 也不一定只有一节 如关节 型就可能有多节 所以 它有时还应包括肘和肩的关节 即手臂和手臂间 靠近 末端执行器的一节通常叫小臂 靠近机座的 通常叫大臂 手臂与机座间用 关节连接 因而扩大了末端执行器姿态的变化范围和运动范围 4 机座有时称为立柱 工业机器人机构中相对固定并承受响应力的基础部件 可分固定式和移动式 两类 移动式机座下部安装了移动机构 它可以扩大机器人的活动范围 2 驱动单元 它是由驱动器 减速器 检测元件等组成的组件 是用来为操作机各部件 提供动力和运动的装置 驱动器是将电能或流体能等转换成机械能的动力装置 通常是电动机 液压或气动装置 驱动形式不同 传动装置也有所不同 3 控制装置 上海电机学院毕业设计 6 它是由人对机器人的启动 停机及示教进行操作的一种装置 它指挥机器 人按规定的要求动作 控制装置包括检测 如传感器 和控制 如计算机 两部分 可用来控制驱动单元 检测其运动参数是否符合规定要求 并进行反馈控制 这 就是闭环控制 如果没有反馈控制 就是较简单的开环控制 4 人工智能系统 对于智能机器人 还应有人工智能系统 它主要由两部分组成 一部分为感 觉系统 硬件 主要靠各类传感器来实现其感觉功能 另一部分为决策一规划 智能系统 软件 它包括逻辑判断 模式识别 大容量数据库和规划操作程序 等功能 1 2 2 机器人的分类 目前世界各国对处于发展阶段的机器人还没有统一的分类标准 大致有以下 几种分类方法 1 按使用范围分类 1 固定程序的专用机器人 机械手 通常根据主机的特定要求设计成固定 程序 或简单的可变程序 这种机器人 机械手 多为气动或液动 用行程开关 机械挡块来控制其工作位置 工作对象单一 动作较少 结构与系统简单 价格 低廉 2 可编程序的通用机器人 工作程序可变 以适应不同的工作对象 通用性 强 适合于以多品种 中小批量生产为特点的柔性制造系统中 2 按使用行业 部门和用途分类 1 工业机器人 它们又可按作业类别分为锻压 焊接 表面喷涂 装卸 装 配 检测等机 2 采掘机器人 如海洋探矿机器人等 3 军事用途机器人 4 服务机器人 如医疗机器人 家用机器人 教学机器人等 上海电机学院毕业设计 7 3 按机械结构 坐标系特点分类 按机械结构坐标系特点可分为直角坐标型 圆柱坐标型 球坐标型 多关节型 4 按机器人运动控制方式分类 1 点位控制 ptp 机器人 就是由点到点的控制方式 这种控制方式只能在 目标点处准确控制机器人末端执行器的位置和姿态 完成预定的操作要求 目前 应用的工业机器人中 很多是属于点位控制方式的 如上下料搬运机器人 点焊 机器人等 2 连续轨迹控制 cp 机器人 机器人的各关节同时作受控运动 准确控制 机器人末端执行器按预定的轨迹和速度运动 并能控制末端执行器沿曲线轨迹上 各点的姿态 弧焊 喷漆和检测机器人等均属连续轨迹控制方式 5 按驱动方式分类 按驱动方式可分为液压驱动式 气动式 电力驱动式 这是目前用得最多的 一类 6 根据机器人的功能水平和技术的先进程度按 代 分类 1 第一代机器人 其特点是采用开关量控制 示教再现控制或数字控制 其作业路径和运动参数需通过示教或编程给定 60 年代以来 工业中实际应用 的绝大多数工业机器人都属于第一代机器人 它包括可编程序 用于上下料 的 工业机器人具有记忆装置的示教再现型机器人 数控型搬运机器人等 2 第二代机器人是 70 年开始出现的 其技术特点是采用计算机直接控制 是通过具有视觉 触觉的摄像机和传感器 能 感觉 外界信息并通过计算机进 行计算和分析自动地控制操作机进行运动和操作 因此 其控制方式较第一代机 器人要复杂得多 目前这类机器人已开始在工业生产 排险救灾等场合应用 并 将进入普及阶段 3 第三代机器人 即智能机器人 这是国内外正在积极研究 开发的高级机 器人 其主要特点是具有人工智能 包括 模式识别能力 规划决策能力 知识 库 专家系统 人机交互能力等 这 一类机器人目前正在研究开发之中 上海电机学院毕业设计 8 1 3 机器人的应用与发展 机器人的应用 在发达国家 机器人己广泛地应用于工业 国防 科技 生活等各个领域 产业部门应用最多的当推汽车工业和电子工业 在金属加工 塑料成型 机械制 造等行业也有普遍应用 并逐渐向纤维加 食品工业 家用产品制造等行业发展 焊接作业包括点焊和弧焊 是机器人用得最多的作业之一 传统的点焊机虽 然可以减轻人的劳动强度 焊接质量也较好 但它适宜少品种大批量的生产环境 其机械手和焊枪位置不能随零件的改变而变化 而点焊机器人可通过重新编程来 调整空间点位 满足不同零件的需要 故特别适宜于小批量多品种的生产环境 弧焊作业由于其焊缝多为空间复杂曲线 故多由人工完成 连续轨迹控制的机器 人可以胜任此任务 故广泛用于各种复杂结构和容器的焊接unimate motoman asea 等都是典型的焊接机器人 喷漆作业由于环境恶劣 国外大量使用了机器人 挪威生产的 trallfa 机器 人是目前世界上用得最多的喷漆机器人 该机器人为关节式 6 自由度 电液或 全电动伺服驱动 采用示教再现方式 既可实行点位控制 也可实行连续轨迹 控制 上海电机学院毕业设计 9 搬运物料的作业包括为机床上下料 为自动生产线转运工件 搬运机器人和 数控机床一起组成柔性加工系统 一条柔性生产线可配置几台至十几台搬运机器 人 典型的搬运机器人是 t3 和 funac 机器人 机器人用于装配作业是随着视觉系统的发展而发展起来的 电子工业用得最 多 主要用在电路板的装配上 还有电动机 发动机部件 阀门等产品的装配 puma 机器人是一种典型的装配机器人 有 6 个自由度 关节式 直流伺服电 机驱动 微机控制点位或连续轨迹 用 val 语 言示教编程 其手腕机构具有顺 应性 可克服装配中的误差 国外的航空航天工业中应用机器人也十分广泛 如铆接装配作业就大量使用 了机器人 此外如电气插头的装配 发动机风扇外壳和高压涡轮的焊接 飞机座 舱盖和风挡钻孔作业 飞机机身和垂直尾翼钻孔 都采用了机器人 某些飞机机 身 机舱的喷漆作业 发动机零部件等离子喷涂也采用了机器人 在空间开发中 航天飞机上收放卫星的机器人是加拿大 spar 公司生产的 美国 nasa 实施的火 星测计划 发射了两个火星探测器海盗 i 和海盗 h 它们也是一种机器人 在火 星上采集样品 作各种实验 并能将实验结果发回地球 在海洋开发方面 美国曾用 curv 号有缆水下机器人成功地从西班牙附近 900 米深的海底打捞一颗因 b 52 轰炸机失事掉入水中的氢弹 挪威卑尔根公司生产的一种水下机器人 可在水下 600 米处作业 装有电 视摄像机 可收集海底标本 切割石油管道和缆索等 在放射性环境中 如在核电站里 机器人可用来检查 修复管道 阀门等 如日本东芝公司研制的一种蛇形机器人 具有八个关节 可以在狭小的空间里操 作 臂长达 2 25 米 臂顶端装有电视摄像机 在军事方面 机器人 己用于侦察 布雷 排除爆炸物 装填弹药等 在建 筑中 己有一种爬壁机器人可用来修理墙面 擦洗窗户 此外还有摘果实 挤牛 奶 剪羊毛 清理垃圾 监护病人的机器人等 总之 机器人的应用面相当广泛 机器人的工作特点是在计算机控制下离开 上海电机学院毕业设计 10 人的干预进行各项工作 用机器人代替人 可以使人摆脱高温 有毒 粉尘 振 动 放射性 强噪音等恶劣环境 而去从事机器人的监控 维护等工作 使工作 性质发生了变化 减轻了劳动强度 同时也改善了就业结构 机器人工作抗干扰 能力强 一心一意按所编程序工作 动作精度 重复精度高 因此能保证和提高 产品质量 解决多品种小批量生产的自动化问题二随着人民生活水平的提高 人 们要求提供更丰富更多样的产品 因此 用传统的生产方式难以满足人们的需求 当前柔性制造系统的飞速发展正是适应了这种发展趋势 而机器人是柔性系统中 不可缺少的提高劳动生产率的关键设各 与人相比 机器人有一个最大的特点 不知疲倦 不需要休息 在合宜的条件下 可以连续工作 因此可以大大地提高 劳动生产率 机器人对于改善劳动条件 减少安全事故 减少人受危险环境的 伤害等方面都有显著的效果 1 4 scara 机器人的研究意义 1 4 1 scara 机器人研究现状 目前 国外已有各种专用和通用的装配机器人在生产中得到应用 主要类型 大致有直角坐标型 圆柱坐标型和关节型三大类 关节型装配机器人又有垂直关 节型 即空间关节型 和平面关节型 即 scara 型 两种 拒统计资料介绍 在 这些装配机器人中 平面关节型装配机器人是应用数量最多且较为广泛的一种装 配机器人 1991 年世界上 4 万余台在生产上应用的装配机器人中 scara 机 器人约占 3 4 左右 其主要应用领域为电子电气业 家用电器业 精密机械业 从事印刷电路板上电子元器件的插入作业 家用电器及仪器仪表的组装作业 小 上海电机学院毕业设计 11 型电器开关 接触器等电器产品的组装作业 可以说 scara 型机器人在轻型 较简单且要求机器人价格较低的装配作业中大显了身手 随着社会需求的增大和技术的进步 装配机器人将会得到迅速的发展 多品 种 少批量生产方式和为提高产品质量及生产效率的生产工艺需求 将是推动装 配机器人发展的直接动力 近年来计算机 cims 及柔性自动装配系统等的发展 又为装配机器人的应用和发展提供了良好的可能性 1972 年我国开始研制机器 人 但发展缓慢 受经济 观念等因素的制约 基本没有什么应用 直到 1986 年 沈阳机器人研究所成立 中国的机器人才向实用阶段发展 随着国内教育和 科技的发展 哈工大等高校出现了专门的机器人机构 研究水平在某些方面己达 到国际先进水平 在应用方面 一汽等大型企业己开始使用机器人自动化生产线 但总体来说 国内机器人发展还是趋于落后 特别是在应用方面发展缓慢 究其 原因 除了经济因素的制约外 很重要的一点是有关机器人的教育跟不上 知道 机器人的人很多 但真正了解 懂机器人的人少而又少 这就使我国的机器人发 展缺乏智力支持 加强机器人技术教育 缓解人才危机迫在眉睫 而研制结构简 单 成本较低 scara 机器人用于教学可以提高教育的现代化水平 用于实际生 产可以大大提高工作效率 还可以用于科学研究工作 为开发更先进的装配机器 人提供有利条件 随着我国经济和科技的发展 我们有能力也有必要进行这方面 的研究 1 4 2 cara 机器人的特点 根据工作环境 工作特点等要求 本 scara 机器人应具备以下几个特点 1 外形美观 适于观察 如果作为示教用机器人应该让观看者赏心悦目 同时能直观地了解它的构成 和动作原理 故机器人的外形应巧妙设计 部分外壳应采用透明材料 内部结构 上海电机学院毕业设计 12 应简单明了 另外 机器人的动作应连续 速度适中 2 成本低 在满足所要求功能的前提下 尽可能降低成本 这是设计的基本要求 如果 作为教学用机器人只要求有一些示范性动作 而对实践的功能要求不高 速度等 参数可在一定范围内调整 定位精度要求也不高 故机构尽可能采用规则件 标 准件 驱动元件采用便宜的步进电机 而光电码盘等测试校验元件则可不用 其 功能由软件部分实现补偿 这样 结构大大简化 成本也随之降低 3 体积小 重量轻 scara 机器人要求抓取重量不大 动作范围也很小 故体积很小 展开 应在 60 x80cm 左右 要实现 scara 机器人的四个自由度 内部零件应尽量小 巧 结构应尽可能紧凑 重量轻是机器人研制的一个方向 在满足强度和刚度的 条件下 零部件越轻越好 故材料要首选铝质轻质材料 零件特别是具有定位功 能的壳体定位板应采用板筋结构 各零件的空间分布要合理 减小倾覆力矩 4 传动原理简单 本次毕业设计的机器人采用伺服电机驱动 速度要求不高 故减速比可在 一定范围内调整 只要能满足转矩即可 选择减速方案可根据空间结构要求 跨距转大的传动可选用同步带传动力求一步到位 传动简单 1 5 主要研究内容 scara 机器人为平面关节型机器人 一般采用步进电机驱动 控制简单 上海电机学院毕业设计 13 编程方便 主要应用于电子产品中异形元件装配 小型机电产品如电机 空压机 电器 泵类等的装配工作 是一种小型经济型机器人 该机器人的突出特点是机 构承载能力强 具有较好的通用性 重复定位精度高 动作速度快 应用范围广 该论文涉及计算机技术 电子 机械等多学科的知识 主要完成了以下的工作 1 建立 scara 机器人的机械结构模型 scara 机器人由固定架基座 旋 转升降臂 大臂 小臂 旋转升降末端以及末端执行器六部分组成 包括 2 个移 动关节和 3 个旋转关节 各关节采用步进电机驱动 2 选择电机的种类 型号 3 确定机器人的自由度 各部件形状 大小 行程 4 使用 autocad 设计机械部件的二维图 5 设计并绘出单片机控制电路原理图 上海电机学院毕业设计 14 2scara 机器人传动方案 2 1 scara 机器人传动方案的比较及确定 2 1 1 可行方案分析 本次毕业设计要求 本次毕业设计要求 scara 机器人需要如下四个自由度 大小臂在 xy 平面内转动 z 轴上下 移动以及 z 轴的转动 在这个四自由度下工作就可以满足绝大多数的装配应用 1 工作范围的确定 工业机器人工作的范围根据工艺要求和操作运动轨迹 来确定 一个操作运动的轨迹一般是由几个动作合成的 在确定工作范围时 可 将运动轨迹分解成单个动作 由单个动作的行程确定工业机器人的最大行程 各 个动作的最大行程确定之后 工业机器人的工作范围即可确定 上海电机学院毕业设计 15 2 大小臂尺寸的确定 装配生产中所用装配流水线的宽度一般为 2000mm 2500mm 左右 如果工业机器人手臂置于流水线的中间位置 考虑其大小臂长 度之和为 1300 则可以满足需求 3 z 轴平移及旋转行程的确定 为了使工业机器人手臂与流水线手工作业人 员很好的结合 工业机器人手臂 z 轴的位置高度应与人工作时手臂高度相当 同 时考虑到对不同产品的泛用性 z 轴上下运动位移须达到 500mm 符合人手上 下取放的高度 z 轴旋转须 360 度 以实现不同角度的装配 4 臂力的确定 对于装配工业机器人来说 臂力主要根据被抓取 搬运物 体的重量及重量变化范围来定 其安全系数一般可在 1 5 3 0 范围内选取 确 定有效负载为 2 2kg 具体方案如下 方案一 体转动采用伺服电机驱动同步带减速 大臂采用伺服电机直驱丝杠 螺母传动实现升降 小臂采用伺服电机直驱转动 末端分为升降和转动两部分 均采用伺服电机驱动同步带实现 这种方案主要考虑了传动链的简化 结构比较 简单易行 方案二 臂转动采用齿轮减速 小臂转动采用二级同步带传动 升降轴采用 一级齿带传动加齿轮齿条实现升降运动 2 1 2 方案对比和分析 方案一具有以下特点 1 第一个自由度采用伺服电机驱动同步带减速 体积小 重量轻 精度高 回差小 承载能力大 噪音小 效率高 定位安装方便 2 第二个自由度采用伺服电机直驱 充分利用了大臂的空间 结构紧凑 扭矩大 传动功率大 效率较高 电机直接驱动丝杠螺母传动的同时兼有减速的 上海电机学院毕业设计 16 作用 一步把旋转运动转变为直线运动 传动精度较高 丝杠有自锁功能 速度 不宜过高 3 第三个自由度采用伺服电机直驱 考虑到小臂转动需要一定的扭矩 伺 服电机具备大扭矩的特性 4 第四自由度分为升降和转动两部分 考虑到末端运动速度较慢 均采用 伺服电机驱动同步带轮减速 方案二具有以下特点 1 第一个自由度采用齿轮减速 这是最常用的减速方法 传动比恒定 传 动效率高 工作可靠 使用寿命长 结构紧凑 传递功率大 但传动精度低 噪 音大 传动比小 齿轮的加工成本比较高 体积和重量都比较大 2 第三个自由度采用了齿带加齿轮齿条传动 基本具备齿轮传动的特点 传递功率大 传动效率高 精度低 有噪音 传动比小 工作可靠 但需要平衡 装置 不能自锁 3 其它方面与方案一基本相同 两方案相比较 在传动的实现上 二者都是可行的 方案一结构比较简单 各传动元件的定位比较容易实现 方案二结构较为复杂 各部分定位都需仔细考 虑 外观上 方案二显得更好一些 传动精度方面 显然方案一比较高 成本上 考虑 方案一采用标准件较多 零部件较少 且比较规则 易于加工 丝杠螺母 在精度要求不高的情况下 加工成本也不是很高 方案二用了很多齿轮 需专门 设备加工 且各定位部件形状不规则 加工困难 这都使成本增加 故综合考虑 选择方案一 上海电机学院毕业设计 17 图 2 1 升降臂丝杠螺母传动构想 如图 2 1 为 scara 型机器人的升降关节及升降臂三维模型 机器人的基 座上安装一个滚珠丝杠 一个电机和两个滚动导轨 滚珠丝杠的两端通过轴承固 定在基座上 升降臂与滚珠丝杠副的螺母及滚动导轨副的定导轨通过螺栓连接在 一起 当电机转动时 电机输出轴通过同步带传动带动滚珠丝杠转动 从而驱动 滚珠丝杠副的螺母沿丝杠轴线方向作直线运动 实现升降臂的升降动作 2 1 3 最终驱动方案 常用的机器人驱动方式主要有 液压驱动 气压驱动和电气驱动三种 1 液压驱动 液压驱动以液体作为工作介质 通过将电能转换为液压能并用电磁阀改变压 力油的流向 从而使液压驱动执行机构运动 液压驱动输出功率大 精度高 速 度快 运行平稳 但它需要独立的液压源 且液体易泄漏 设备难于小型化 因 此不能满足机器人驱动装置重量轻 体积小的要求 2 气压驱动 上海电机学院毕业设计 18 与液压驱动的工作原理相似 气压驱动采用压缩空气作为工作介质 具有工 作速度快 成本低 无泄漏污染等特点 但功率较小 动作不够平稳 且不易小 型化 难于实现精确控制 而机器人一般需要有较高的工作精度和较大的驱动功 率 因此气压驱动作为机器人的驱动方式也具有一定的局限性 液压驱动和气压 驱动多用于早期的工业机器人 3 电气驱动 它是将电能转变成电磁力 并用该电磁力驱动执行机构运动的 电气驱动的 功率大 控制精度高 响应快 且操作简便 无污染 这些特点较好地满足了机 器人的设计要求 因此 电气驱动成为目前机器人的主要驱动方式 综上 选择电气驱动 即采用伺服电机作为机器人的驱动 2 2 伺服电机的优点和选型 2 2 1 伺服电机的优点 20 世纪 80 年代以来 随着集成电路 电力电子技术和交流可变速驱动技术 的发展 永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展 各国著名电气厂商相继推出各 自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新 交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向 使原来的直流伺 服面临被淘汰的危机 90 年代以后 世界各国已经商品化了的交流伺服系统是 采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动 交流伺服驱动装置在传动领域的发展 日新月异 永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较 主要优点有 1 精度 实现了位置 速度和力矩的闭环控制 克服了步进电机失步的问题 2 转速 高速性能好 一般额定转速能达到 2000 3000 转 3 适应性 抗过载能力强 能承受三倍于额定转矩的负载 对有瞬间负载 波动和要求快速起动的场合特别适用 4 稳定 低速运行平稳 低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行 现象 适用于有高速响应要求的场合 上海电机学院毕业设计 19 5 及时性 电机加减速的动态相应时间短 一般在几十毫秒之内 6 舒适性 发热和噪音明显降低 2 2 2 伺服电机的选型 为满足 scara 机器人运行速度快 控制精度高和动态性能好的设计要求 本次毕业设计选用松下电机的 a4 系列交流伺服电机作为驱动元件 并选用与伺 服电机配套的伺服电机驱动器来控制电机的运转 表 2 1 列出了选用的交流伺 服电机的型号 规格及配套的驱动器型号 关节名称电机型号配套伺服驱动器型号 额定功率 kw 额定转速 pr 主体旋转a4 msma302p1cmfddta390a32500 大臂升降a4 msma202p1cmeddt7364a22500 小臂旋转a4 msma102p1cmdddt5540a12500 末端旋转a4 msmd021p1aambddt2110a0 22500 末端升降a4 msmd5azp1aamsddt1205a0 052500 2 3 同步带轮选型设计 同步带传动广泛应用于纺织 汽车 化纤 卷烟 造纸 印刷 化工等机械 设备 近年来 采矿冶金 钢铁机械 医疗设备需求量日渐增加 同步带传动利 用带齿与带轮齿啮合来传递动力的一种新型传动方式 具有准确的同步传动功 能 不需要润滑 无滑差 无污染 噪音少 传动效率达 0 98 速比范围可达 1 10 允许线速可达 50m s 传动率从几百瓦到数百千瓦 适宜多轴传动 2 3 1 同步带传动的优点 1 工作时无滑动 有准确的传动比 同步带传动是一种啮合传动 虽然同步带是弹性体 但由于其中承受负载的 上海电机学院毕业设计 20 承载绳具有在拉力作用下不伸长的特性 故能保持带节距不变 使带与轮齿槽能 正确啮合 实现无滑差的同步传动 获得精确的传动比 2 传动效率高 节能效果好 由于同步带作无滑动的同步传动 故有较高的传动效率 一般可达 0 98 它与三角带传动相比 有明显的节能效果 3 传动比范围大 结构紧凑 同步带传动的传动比一般可达到 1 10 左右 而且在大传动比情况下 其 结构比三角带传动紧凑 因为同步带传动是啮合传动 其带轮直径比依靠摩擦力 来传递动力的三角带带轮要小得多 此外由于同步带不需要大的张紧力 使带轮 轴和轴承的尺寸都可减小 所以与三角带传动相比 在同样的传动比下 同步带 传动具有较紧凑的结构 4 维护保养方便 运转费用低 由于同步带中承载绳采用伸长率很小的玻璃纤维 钢丝等材料制成 故在运 转过程中带伸长很小 不需要像三角带 链传动等需经常调整张紧力 此外 同 步带在运转中也不需要任何润滑 所以维护保养很方便 运转费用比三角带 链 齿轮要低得多 2 3 2 同步带轮选型参数 一 齿形 同步带轮齿形可以分为英制 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 齿形的选择可以参照表一 表一 同步带轮选型表 mxl xl l h t5 t10 上海电机学院毕业设计 21 二 齿数 齿数是同步带轮重要参数 同步带轮节圆直径 齿数 齿距 三 材质及表面处理 同步带轮常用材质为铝合金及 45 钢 表面处理分别为铝轮 本色氧化 黑色氧化 钢轮 四氧化三铁保护膜 无电解镀镍 四 带轮形状 同步带轮按形状可分为一下几种类型 k 形轮a 形轮 上海电机学院毕业设计 22 b b 形轮形轮d d 形轮形轮 上海电机学院毕业设计 23 根据伺服电机功率以及对同步带的选型要求 本次毕业设计各关节的同步带 轮的选型如表二 表二 同步带轮的选型 关节名称 功率 kw 小带轮大带轮 传动比 z2 z1 带轮类型齿数 z1带轮类型 齿数 z2 基座旋转3l a c20l b c361 8 末端旋转0 5xl a c12xl b c201 67 末端升降0 02xl a c14xl b c211 5 2 3 3 同步带的计算与选型 2 3 3 1 大臂同步带的计算与选型 1 确定同步带传动的设计功率 d p d a pkp 2 12 式中 a k 载荷修正系数 根据原动机工作类型和每日运转时间等因素 查 机电一体化系统设计课程设计指导书 表 3 18 取 1 5 1 1 1 65 a k 载荷 上海电机学院毕业设计 24 变动微小 每天工作小时15 47 故取基准带宽 b 25 4 即可满足使用要求 10 带的工作能力验算 由公式 23 0 10 s zwa s b pk k tmv v b 2 20 上海电机学院毕业设计 27 其中 z k 啮合系数 查 机电一体化系统设计课程设计指导书 表 3 22 得 1 00 z k w k 齿宽系数 1 14 0wss kb b a t 基准带宽 0s b下的许用工作拉力 查 机电一体化系统设计课程设计 指导书 表 3 21 得 ta 244 46n m 单位长度质量 查 机电一体化系统设计课程设计指导书 表 3 21 得 m 0 095kg m v 同步带的线速度 单位为 m s 带入已知数据 可得带的工作能力 p 0 241kw 因此带的校验合格 满足使用要求 2 3 3 1 末端臂连接丝杠同步带的计算与选型 1 确定同步带传动的设计功率 d p d a pkp 2 12 式中 a k 载荷修正系数 根据原动机工作类型和每日运转时间等因素 查 机电一体化系统设计课程设计指导书 表 3 18 取 1 5 1 1 1 65 a k 载荷 变动微小 每天工作小时 10h p 工作机上的驱动功率 p 0 5kw 则有 pd 0 825kw 上海电机学院毕业设计 28 2 确定同步带传动的带型和节距 根 据 同 步 带 传 动 的 设 计 功 率 d p 0 825kw 和 带 轮 转 速 1 n 3000r min 由 机电一体化系统设计课程设计指导书 图 3 14 查得带的型 号为 xl 型 对应节距pb 0 35 3 确定小带轮的齿数 1 z和节圆直径 1 d 由带轮转速 1 n 3000r min和 l 型带 查 机电一体化系统设计课程设 计指导书 表 3 17 得小带轮的最少许用齿数 z1 12 初选 z1 12 小带轮节圆 直径 d1 1 56 小带轮节圆直径初定后应验算带速 不合适则重取 同步带的 速度应满足 11 max v 60 1000 dn v 2 13 极限带速 max v 为 mxl xxl xl 型 max 40 50 vm s l h 型 max 35 40 vm s xh xhh 型 max 25 30 vm s 此 l 型小带轮的速度符合 4 确定大带轮的齿数 2 z和节圆直径 2 d 由于在丝杠运动中 同步带是用于将电机的回转运动降速后变成工作台的直 线 运 动 传 动 比 i 1 8 则 大 带 轮 齿 数 z2 i z1 20 大 带 轮 节 圆 直 径 d2 i d1 2 6 5 初选中心距 0 a 确定同步带的接线长度 p l和齿轮 b z 若中心距 0 a 未给定 则可根据下式进行初选 12012 0 7 d 2 d dad 2 14 则带的节线长度为 上海电机学院毕业设计 29 2 21 0012 0 2 24 p dd ladd a 2 15 得 0 235 68 p lmm 查 机电一体化系统设计课程设计指导书 表 3 13 得 228 6 p lmm 对 应齿数为 72 b z 6 计算实际中心距 0 a 设计同步带传动时 中心距a应该可以调整 以便获得适当的张紧力 此时 实际中心距为 0 0 2 pp ll aa 2 16 则 a 90mm 7 校验同步带与小带轮的啮合齿数zm 由公式 11 21 2 22 b m pzz zentzz a 2 17 由于 12 16 32zz 故可得 min 7 734 mm zz 故满足啮合要求 8 计算基准额定功率 0 p 2 0 1000 a tmvv p 2 18 式中 a t 基准带宽 0s b下的许用工作拉力 查 机电一体化系统设计课 程设计指导书 表 3 21 得 31 a tn m 单位长度质量 查 机电一体化系统设计课程设计指导书 表 3 21 上海电机学院毕业设计 30 得 0 010 mkg m v 同步带的线速度 单位为 m s 将已知条件代入上述公式得 2 0 31 0 010 2 53 2 53 10000 07676pkww 9 确定实际所需要的同步带宽度 s b 确定实际所需要的同步带宽度 s b为 1 1 14 0 0 d ss z p bb k p 2 19 式中 d p 带所能传递功率 单位为 kw z k 小带轮啮合齿数系数啮合系数 查 机电一体化系统设计课 程设计指导书 表 3 22 得 因为z6 m 所以取1 z k 代入数据得 1 1 14 0 066 6 4 5 52mm 0 078 s b 故取基准带宽 b 25 4 即可满足使用要求 10 带的工作能力验算 由公式 23 0 10 s zwa s b pk k tmv v b 2 20 其中 z k 啮合系数 查 机电一体化系统设计课程设计指导书 表 3 22 得 1 00 z k w k 齿宽系数 1 14 0wss kb b 上海电机学院毕业设计 31 a t 基准带宽 0s b下的许用工作拉力 查 机电一体化系统设计课程设计 指导书 表 3 21 得 ta 50 17n m 单位长度质量 查 机电一体化系统设计课程设计指导书 表 3 21 得 m 0 022kg m v 同步带的线速度 单位为 m s 带入已知数据 可得带的工作能力 p 32w 因此带的校验合格 满足使用要求 2 4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 2 4 1 大臂升降滚珠丝杠螺母副的计算与选型 1 工作载荷 fm 的计算 fm 为工作最大载荷 是指滚珠丝杠副在驱动工作台时所承受的最大轴 向力 已知移动部件总重 g 150n 所以 m f g 150n 2 fq 最大动载荷的计算 设 z 方向最快的速度 v 0 25m s 15m min 初选丝杠基本导程 h p 10mm 则此时丝杠转速 n 1200v h p 1500r min 取滚珠丝杠的使用寿命 t 15000h 一般机电设备取 t 15000h n 为丝 杠每分钟转速 代入 6 0 60 10lnt 得丝杠寿命系数 0 l 1350 单位为 上海电机学院毕业设计 32 106 r 查表 3 30 取载荷系数 w f 1 1 再取硬度系数 h f 1 0 代入公式 3 0qwhm fl ff f 2 1 得最大动载荷 q f 1823n 3 初选型号 根据计算出的最大动载荷 查表 3 33 选用启东润泽机床附件有限公司生产 的fl2506型滚珠丝杠副 为浮动反向器内循环式 其公称直径为 0 d 45mm 基本导程为 h p 10mm 双螺母滚珠总圈为 3 2 圈 6 圈 精度等级取 4 级 额定动载荷为 10400n 大于 q f 故满足要求 4 传动效率 的计算 将公称直径 0 d 45mm 基本导程 h p 10mm 代入 0 arctan h pd 2 2 得丝杠螺旋升角 5 2 4 取摩擦角 10 代入tan tan 得传动效率 98 9 5 刚度的验算 1 纵向滚珠丝杠的支承 采用单推 单推的方式 采取圆锥滚子轴承面对 面组配 已知左 右支承的中心距离约为a 360mm 钢的弹性模量 e 5 2 1 10 mpa 查 机电一体化系统设计课程设计指导书 表 3 33 得 滚珠直径 w d 2 3812mm 算得丝杠底径 2 d 0 d w d 20 2 3812 17 6188mm 则丝杠截面积 上海电机学院毕业设计 33 2 2 4sd 2 3 得 s 243 80 2 mm 丝杠的拉伸或压缩变形量 1 3 2 1 2 m f ama esie 2 4 i 为丝杠底径的截面 惯性矩 4 2 64id 其中 号用于拉伸 用于压缩 由于转矩 m 一般较小 式中第二 项在计算是可酌情忽略 所以 1 m f a es 2 5 综 上 求 得 丝 杠 在 工 作 载 荷 fm 作 用 下 产 生 的 拉 压 变 形 量 1 2 81 4 10 mm 2 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 2 无预紧时 4 3 2 2 1 0 0038 10 m w f dz 2 6 有预紧时 23 2 0 0013 10 10 m wyj f d f z 2 7 w d 滚珠直径 单位为 mm 上海电机学院毕业设计 34 z 单圈滚珠数 0 w zdd 外循环 0 3 w zdd 内循环 z 滚珠总数量 z z 圈数 列数 yj f 预紧力 单位为 n 当滚珠丝杠副有预紧力 且预紧力达到轴向工作载荷的 1 3 时 2 值减小 一半左右 单圈滚珠数目 0 3 w zdd 20 10 3 4 该型号丝 杠为双螺母 滚珠总圈数为 3 2 6 圈 总滚珠总数量z 4 6 24 滚珠 丝杠预紧时 取轴向预紧力 3 yj fg 13 3n 代入公式 3 7 得 2 4 24 4 10 mm 因为丝杠加有预紧力 且为轴向负载的三分之一 所以实际变形量可减小一 半 取 2 1 41 4 10 mm 3 将以上算出的 1 2 代入 12 2 8 得变形总量 5 65 4 10 mm 由表 3 27 形成偏差和变动量知 4 级精度滚珠丝杠任意 315mm 400mm 轴向行程内行程的变动量允许 18 m 而对于跨度为 330mm 的滚珠丝杠 总的变形量 只有 5 65 4 10 mm 18 m 可见丝杠刚度足够 6 压杆稳定性校核 滚珠丝杠属于细长杆 如果轴向负载过大 则可能产生失稳现象 失稳时的 临界载荷 fk 应满足 2 2 k km fei ff ka 2 9 上海电机学院毕业设计 35 k f 临界载荷 单位为 n k f 丝杠支承系数 k 压杆稳定安全系数 一般取 2 5 4 垂直安装时取小值 a 滚珠丝杠两端支承间的距离 单位为 mm 查表 3 34 可知双推 单推的丝杠支承系数 k f 2 丝杠底径 2 d 17 6188mm 求得界面惯性矩 4 2 64id 4730 2 4 mm 压杆稳定 安全系数 k 取 2 5 滚动螺母至轴向固定处的距离 350mm 取最大值 代入 上式 得临界载荷 k f 60517 9n 远大于工作载荷 fm 40n 故丝杠不会 失稳 综上所述 初选的滚珠丝杠螺母副满足使用要求 2 4 2 末端臂升降滚珠丝杠螺母副的计算与选型 1 工作载荷 fm 的计算 fm 为工作最大载荷 是指滚珠丝杠副在驱动工作台时所承受的最大轴 向力 已知移动部件总重 g 50n 所以 m f g 50n 2 fq 最大动载荷的计算 设 z 方向最快的速度 v 0 25m s 15m min 初选丝杠基本导程 h p 10mm 则此时丝杠转速 n 1200v h p 1500r min 取滚珠丝杠的使用寿命 t 15000h 一般机电设备取 t 15000h n 为丝 杠每分钟转速 代入 6 0 60 10lnt 得丝杠寿命系数 0 l 1350 单位为 106 r 查表 3 30 取载荷系数 w f 1 1 再取硬度系数 h f 1 0 上海电机学院毕业设计 36 代入公式 3 0qwhm fl ff f 2 1 得最大动载荷 q f 607n 3 初选型号 根据计算出的最大动载荷 查表 3 33 选用启东润泽机床附件有限公司生产 的fl2506型滚珠丝杠副 为浮动反向器内循环式 其公称直径为 0 d 20mm 基本导程为 h p 10mm 双螺母滚珠总圈为 3 2 圈 6 圈 精度等级取 4 级 额定动载荷为 10400n 大于 q f 故满足要求 4 传动效率 的计算 将公称直径 0 d 20mm 基本导程 h p 10mm 代入 0 arctan h pd 2 2 得丝杠螺旋升角 5 2 4 取摩擦角 10 代入tan tan 得传动效率 98 6 5 刚度的验算 1 纵向滚珠丝杠的支承 采用单推 单推的方式