机器人手臂关节结构设计说明书

摘要机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身平安，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。是一门涉及计算机科学、机械学、电子学、自动控制、人工智能等多个方面的学科，它代表了机电一体化的最高成就。现今，机械手已经运用到各个领域，特别是在装配作业方面。在装配机械手中，平面关节型装配机械手〔即SCARA型〕是应用最广泛的一种装配机械手。本课题提出设计一种效劳机械手，用于电子元器件等的装配，在分析国内外SCARA产品根底上，经过不同方案的比拟，在确定了最优方案后通过认真的计算，仔细的校核，使设计结构简单、运行可靠、经济合理，能满足教学实验等需要，对于更好地熟悉和掌握相关课程具有重要的意义。本文设计的是一种小型效劳装配机械手，主要对这种机械手进行结构方面的设计。本文设计的SCARA机器人具有以下特点：通用性好、体积小、重量轻、外形美观、本钱低，对其本体的可行方案进行了充分的研究后，设计成具有多个自由度的结构，由机身、大臂、小臂及手腕组成，谐波减速器、齿轮、丝杠螺母等组成了机械手简单可靠的传动方案。该电机的多个关节均采用步进电机驱动，具有控制简单、本钱低的特点。关键词：工业机械手自由度机器人AbstractRobotisakindofsciencerelatedtomanyotheronessuchascomputerscience,mechanism,electronics,automationcontrolandartificialintelligence.Now,robotsareusedinmanyfields,especiallyintheaspectofassemblytask.Itrepresentstheup-mostlevelofmechatronics.Amongassembly,planearticulatedassemblyrobot(SCARAmanipulator)isusedmostwidely.Thistopicputsforwarddesigningakindofassemblerobot,usedforanassembleelectronicscomponent,afteranalydomesticandinternationalSCARA,thesurfaceofsphereSCARAetc.Throughcomparewithdifferentproject.Aftermakingsuresuperiorproject,thoughthecarefulcalculationandcheck.Makedesignwithsimplestructure,credibilitycirculate,reasonablecost,cansatisfytheteachingexperimentetc..ThepresentedSCARAmanipulatorinthispaperisapint-sizedassemblyrobot,wherethestructureofSCARAmanipulatorisdesigned.ThepresentedSCARAmanipulatorinthispaperhasfollowingcharacters:gooduniversality,smallvolume,lightweight,beautifulappearanceandlowcost,sothestructureofrobotisfullyconsideredwhichhasfourfreedomsandisconsistedofcomprisesbase,bigarm,smallarmandwrist.ThesimplereliabletransmissionschemeofSCARAmanipulatoriscomposedofharmonicdecelerationandgearwheelandfeedscrew.Thefourjointsarealldrivenbysteppingmotors,whichhasthecharactersofsimplecontrolandlowcost.Keyword:IndustrialrobotsFreedomRobot目录摘要IAbstractII第1章绪论1第2章总体方案设计32.1工业效劳机器手的传动系统设计3机械手驱动系统的比拟与选择32.1.2传动机构的比照与分析52.2机械手总体设计方案的比拟确定6第3章步进电机的选择及其校核计算113.1主要技术参数确定113.2各自由度步进电机的选择11第一自由度步进电机的选择12第二自由度步进电机的选择13第三自由度步进电机的选择13第四自由度步进电机的选择14第五自由度步进电机的选择143.3第一自由度轴传动系统的计算与校核14第一自由度轴的等效转动惯量的计算143.3.2步进电机1的校核153.4第二自由度轴传动系统计算与校核15第二自由度等效转动惯量的计算153.4.2步进电机2的校核163.5第三自由度轴传动系统的计算与校核16第三自由度等效转动惯量的计算163.5.2步进电机3的校核17第4章系统整体的设计与校核184.1同步齿形带传动设计18求出设计功率18选择带的节距18确定带轮直径和带节线长18选择带长Lp19近似计算中心距19进行标准带宽的选择204.2各输出轴的设计21机身输出轴设计214.2.2大臂输出轴设计214.2.3大臂与小臂连接轴设计214.2.4带轮轴设计21升降轴设计224.3滚珠丝杠副校核23最大工作载荷计算23最大动负载C的计算与校核23传动效率计算23刚度计算24丝杠稳定性验算244.4机械身的设计254.5其他局部结构设计25第5章控制系统设计275.1机器人控制的特点275.2机器人控制的分类28点位控制(PTP)机器人：28连续轨迹控制(CP)机器人：28结论29参考文献30致谢31第1章绪论机器人一词最早出现于1920年捷克作家KarelCapek的剧本《罗萨姆的万能机器人》中，捷克的Robota意为“苦力”、“劳役”，是一种人造劳动者，英语Robot由此衍生而来。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多门学科而形成的高新技术，其本质是感知、决策、行动和交互四大技术的综合，是当代研究十分活泼，应用日益广泛的领域。机器人应用水平是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人工业已成为世界各国备受关注的产业。本文所述机械手主要指效劳机械手，即具有操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的自动化生产设备[2]。20世纪50年代，在自动机和自动线上出现了可以代替人力传递和装卸工件的机械手，随后在某些危险作业领域出现了由操作人员直接控制或遥控的操作机。工业机器手是在自动操作机根底上开展起来的一种能模仿人手臂的某些动作和控制功能，并按照可变的预定程序、轨迹和其他要求，操纵工具实现多种操作的自动化机械系统。1987年ISO〔国际标准化组织〕采纳了美国机器人协会〔RIA〕的建议，给机器人下了定义，即“机器人是一种可反复编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或者为了执行不同的任务而具有可改编的和可编程的动作的专门系统。我国国家标准GB/T12643-97将工业机器人定义为“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机[5]。”工业机械手大体按坐标形式即操作机手臂在运动时所取的参考坐标系的形式可分为：(1)直角坐标式通过沿x-y-z三个互相垂直的直角坐标的移动来实现末端执行器〔手部〕空间位置的改变，即沿x轴的纵向移动，沿y轴的横向移动和沿z轴的升降。这种机械手的位置精度高，控制无耦合，比拟简单，避障性好，但占空比大〔即机器人机构所占空间与动作空间之比〕，灵活性较差。(2)圆柱坐标式通过两个移动和一个转动来实现末端执行器空间位置的改变。这种机械手的位置精度仅次于直角坐标式，控制简单，避障性好，但结构庞大，两个移动轴的设计较复杂，难与其他机械手协调工作。(3)球坐标式又称极坐标式。机械手手臂运动由1个直线运动和2个转动所组成，即沿x轴方向的伸缩，绕y轴的俯仰和绕z轴的回转。机械手体积小，结构紧凑，其位置精度尚可，但避障性差，有平衡问题，位置误差与臂长成正比，能与其他机械手协调工作。(4)关节坐标式又称回转坐标型，分为垂直关节坐标和平面〔水平〕关节坐标，机械手由立柱和大小臂组成，立柱与大臂通过肩关节相连接，立柱绕z轴旋转，形成腰关节，大臂与小臂形成肘关节，可使大臂作回转和俯仰，小臂作俯仰。机械手工作空间范围大，动作灵活，避障性好，能抓取靠近机座的物体，但位置精度较低，有平衡问题，控制耦合比拟复杂，目前应用越来越多。机械手的驱动装置用来驱动操作机工作，按动力源的不同可分为电动、液动和气动三种，其执行机构电动机、液压缸和气缸可以与操作机直接相连，也可通过齿轮、谐波和链条装置与操作机相连。控制系统用来控制工业机器人按规定要求动作，可分为开环控制系统和闭环控制系统。本课题提出设计一种平面关节型机械手的模型，这种机械手的结构紧凑，传动原理简单而实用，本钱低，重量轻，惯性小，精度高且在运行中具有较高的稳定性和可靠性。本论文在平面关节型机械手研制以及相关领域研究成果根底上，对机械手本体的机械结构进行了设计，在确定了总体设计方案之后对整个机构的传动系统加以计算与校核。培养了自己独立设计、计算、分析问题和解决问题的能力，使理论教学与设计实践紧密结合起来；并且在不断摸索改良以及指导老师的悉心指导下，使设计的图纸能接近实际模型制作的要求，满足相关课程实验教学的需要。第2章总体方案设计本设计课题要求机械手完成水平面内搬运运动，这包括XY平面运动，以及Z向上下运动。为了完成装配作业，还要求手腕具有一定柔顺性。这样一来如果全部运动都设计成由机械手本体来完成，那么必然增加机械手本体复杂性，并会影响机械手位置精度。另一方面，这种机械手通用性差，本钱也高[3]。鉴于上述原因，同时考虑机械手应具有良好的通用性，以保证这个课题完成后，所提供机械手技术，具有较好的产业化、商品化前景。所以，在设计中，本人把机械手设计成平面关节式机械手，具有四个自由度：两个完成水平面内回转运动，一个完成Z轴上下运动，另一个完成绕Z轴旋转运动。图2-1机械手结构示意图2.1工业效劳机器手的传动系统设计机械手驱动系统的比拟与选择工业效劳机械手的驱动可分为液压，气动和电动三种根本类型。1．液压驱动液压传动机械手有很大的抓取能力，抓取力可高达上百公斤，液压力可达7Mpa，液压传动平稳，动作灵敏，但对密封性要求高，不宜在高或低温现场工作，需配备一套液压系统。液压驱动有以下特点：〔1〕输出功率很大，压力范围为50-140N/cm2〔2〕控制性能：利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反响灵敏，可实现连续轨迹控制。〔3〕结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量较大，体积小，结构紧凑，密封问题较大。〔4〕液压系统可实现自我润滑，过载保护方便，使用寿命长。液压驱动需配置液压系统，易产生泄漏而影响运动精度。系统易发热，出现故障后较难找出原因。〔5〕适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机械手、点焊机械手和托运机械手。2．气压驱动气压传动机械手结构简单，动作迅速，价格低廉，由于空气可压缩，所以工作速度稳定性差，气压一般为0.7Mpa，因而抓取力小，只有几十牛到百牛力。气压驱动具有以下特点：输出功率大，压力范围为48-60N/cm2，最高可达100N/cm2控制性能：气体压缩性能大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速高精度的连续轨迹控制。结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题小。适用于中小负载驱动，精度要求较低的有限点位程序控制机器人，如冲压机械手本体的气动平衡和及装配机械手气动夹具。3．电力驱动这种驱动是目前在工业机器手中用的最多的一种。早期多采用步进电动机〔SM〕驱动，后来开展了直流伺服电动机〔DC〕，现在交流伺服电动机〔AC〕驱动也开始广泛应用。上述驱动单元有的直接驱动机构运动，有的通过谐波减速器装置来减速，结构简单紧凑。电动驱动的控制精度高，功率较大，能精确定位，反响灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂。适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机械手，如AC伺服喷涂机械手、点焊机械手、弧焊机械手、装配机械手等。电力驱动可分为普通交流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。各种电机驱动的特点：〔1〕普通交、直流电动机驱动需加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性大，适用于中型或重型机械手。〔2〕直流伺服电动机：直流伺服电动机具有良好的启动、制动和调速特性，可很方便地在较宽范围内实现平滑的无级调速，动态响应特性和稳定性好，可适应频繁启动、反向、制动等工作状况。直流伺服电动机按励磁方式不同，有永磁式和电磁式之分；按转速上下及转子的转动惯量大小，有高速、小惯量〔小惯量直流伺服电动机有多种：无槽电枢直流伺服电动机，绕组铁芯细长，故转动惯量小，其功率较大；空心杯转子直流伺服电动机，转动惯量很小，灵敏度更高，功率较小；印制绕组直流伺服电动机，可承受频繁的起动、换向，切率中等。这类电动机的转子转动惯量小，电感小，故换向性能好，动态响应快，快速性能好，低速无爬行〕和低速、大惯量〔大惯量直流伺服电动机有永磁式和电磁式两种，其中永磁式用得较多，它的低速性能好，输出转矩大，调速范围宽，转子惯量大，受负载影响小，故可与丝杠直接连接，承受过载、重载能力强〕之分。〔3〕交流伺服电动机：交流伺服电动机几乎具有直流伺服电动机的所有优点，且结构简单，制造、维护简单，具有调速范围宽、稳速精度高，动态响应特性更好等技术特点，可到达更大的功率和更高的转速。随着计算机控制技术、电子技术的开展，交流伺服电动机已之泛取代直流伺服电动机。〔4〕步进电动机：步进电动机是由电脉冲信号控制的，它可将电脉冲信号转换成相应的角位移或直线位移，有回转式和直线式两种。步进电动机结构简单、控制简便、价格较低，但易失步，具有转子惯量低、反响灵敏、能提供较大的低速转矩、无漂移、无积累定位误差等优良性能，其控制线路简单，不需反响编码器和相应的电子线路。步进电动机输出转角与输入脉冲个数成严格正比关系，转子速度主要取决于脉冲频率，故控制简便。步进电动机系统主要由步进控制器、功率放大器及步进电动机组成。纯硬件的步进电动机控制器由脉冲发生器、环形分配器、控制逻辑等组成，它的作用就是把脉冲串分配给步进电动机的各个绕组，使步进电动机按既定的方向和速度旋转。假设采用微机技术，用软件与硬件相结合，那么控制器不仅可在硬件上简化线路，降低本钱，而且又提高可靠性。综上所述，本机械手功率不高，转速不高，又考虑到机械手的特点和步进电机的诸多优点，故驱动方案应首选步进电机。2.1.2传动机构的比照与分析工业机械手的传动系统要求结构紧凑、重量轻、转动惯量和体积小，要求消除传动间隙，提高其运动和位置精度。工业机械手传动装置除齿轮传动，蜗杆传动，链传动和行星齿轮传动外，还常用滚珠丝杠、谐波齿轮、钢带、同步齿形带和绳轮传动，以下就是工业机械手常用的传动方式及其特点[13]。〔1〕滚珠丝杠：传动效率高，达，有利于主机的小型化和减轻劳动强度；摩擦力矩小，接触钢度高，使温升及热变形减小，有利于改善主机的动态特性和提高工作精度；工作寿命长，传动无间隙，无爬行传动精度高，具有很好的高速性能；抗冲击振动性能差，承受径向载荷能力差。〔2〕同步带：靠齿啮合传动，传动比准确，传动效率高，初张紧力最小，瞬间速度均匀，单位质量传递的功率最大；与链和齿轮传动相比，噪声小，不需润滑，传动比、线速度范围大，传递功率大；耐冲击振动较好，维修简便、经济。广泛应用于各种机械传动。〔3〕齿轮传动：传动比大、范围宽；元件少，体积小，重量轻；同时啮合的齿数多，承载能力高；且误差能互相补偿，故运动精度高。可采用调整波发生器到达无侧隙啮合；运转平稳、噪音低，传动效率也比拟高，且传动比大时，效率并不显著下降，但主要零件—柔轮的制造工艺比拟复杂。〔4〕蜗杆传动：传动比大，工作平稳，噪声较小，结构紧凑，在一定条件下有自锁性，效率低。综上所述，由于腕部需进行Z向运动，且受径向力很小，应选用滚珠丝杠传动；臂部需稳定，高效的传动，又考虑到结构需简单易拆卸，以及经济因素，所以选用同步带传动。日本开发的平面关节式装配机器手是目前使用最广泛的机械手，它专门用于垂直安装作业，如在印刷电路中插入元器件的机械手，所以有四个关节：三个水平转动关节一个垂直滑动关节就足够了。机械手能抓取元部件在水平方向定位，在垂直方向进行插入作业。它的平面转动关节可以“放松”使插入元件时可以顺着孔的位置作微小调整，具有柔顺性，因而称为在选择方向具有柔顺性的安装机械手，机械手在水平方向具有顺应性，垂直方向上具有很大刚性，适合于装配作业使用。如图1-1所示，两个水平回转臂类似人的手臂，假设在手部加水平方向的力，θ2轴就会作微小旋转，顺从地移位，这种移位对弹性变形力有吸收作用，从而可方便地进行轴与孔的装配作业。2.2机械手总体设计方案的比拟确定方案一：图2-2设计方案一如图2-2所示：大臂摆动轴由两级齿形带减速后驱动，小臂摆动轴同样用两级齿形带减速后驱动。垂直升降轴经一级齿形带减速后再由齿轮驱动齿条作垂直运动。手部回转轴直接由步进电动机驱动。其结构设计特点如下：(1)采用步进电动机驱动虽然其动力特性不如直流伺服电动机，但由于该机器人负载较小，速度不高，同时又采用了适宜的加减速方案，因而使其能满足操作要求，并使系统本钱大为降低。(2)第一和第二个自由度均采用两级齿形带传动，这是常用的减速方法，结构紧凑，传动比恒定，传动效率较高，功率大，工作可靠，但需占用一定的空间。(3)升降轴为齿条传动，根本具备齿轮传动的特点，为减少驱动功率的消耗，设置了拉力弹簧平衡系统。(4)根据装配作业的，点位控制即可满足操作要求。方案二：图2-3设计方案二结构特点如下(1)采用步进电动机驱动虽然其动力特性不如直流伺服电动机，但由于该机器人负载较小，速度不高，同时又采用了适宜的加减速方案，因而使其能满足操作要求，并使系统本钱大为降低。〔2〕各自由度独立采用电动机联接谐波减速器，设计结构简单，且具有小体积，大转矩，高减速比的优点。〔3〕大小臂结构简单；第三关节采用丝杠螺母传动从而把旋转运动转变为直线运动，并且具有自锁功能。方案三：图2-4设计方案三DD驱动结构特点如下：电动机直接驱动各自由度的轴，消除了减速装置。同传统的电动机伺服驱动相比，DD驱动减少了减速机构，从而减少了系统传动过程中减速机构所产生的间隙和松动，极大地提高了机械手的精度，同时也减少了由于减速机构的摩擦及传送转矩脉动所造成的机械手控制精度降低。而DD驱动由于具有上述优点，所以机械刚性好，可以高速高精度动作，且具有部件少、结构简单、容易维修、可靠性高等特点。作为DD驱动技术的关键环节是DD电动机及其驱动器。它应具有以下特性：出转矩大：为传统驱动方式中伺服电动机输出转矩的50～100倍。〔2〕转矩脉动小：DD电动机的转矩脉动可抑制在输出转矩的5％～10％以内。〔3〕效率：与采用合理阻抗匹配的电动机〔传统驱动方式下〕相比，DD电动机是在功率转换较差的使用条件下工作的。因此，负载越大，越倾向于选用较大的电动机。DD驱动的优点是摩擦力矩小，机械刚度高，消除间隙，转子惯性小。存在的问题是：由于由电动机直接驱动，因此使得电动机必须有低转速高扭矩的要求，这样的电机在市场上的售价相比照拟高。方案四：图2-5设计方案四如图2-6所示：机器人关节均选用步进电机驱动。大臂转动采用谐波减速器作为减速机构；小臂转动采用二级同步齿形带减速；腕部升降采用丝杠螺母传动；手腕转动用步进电机直接驱动。这个设计方案的特点是：第一个关节传动采用的谐波减速器具有小体积，大转矩，高减速比的优点。第二个关节采用了同步齿形带的传动结构，可以获得较大的输出转矩。第三关节采用丝杠螺母传动从而把旋转运动转变为直线运动，并且具有自锁功能。比拟四种方案，方案一结构过于复杂而且空间布局不够合理，零部件过多，整个装置有很多齿轮，这就增加了本钱，而且加工困难。同时第三自由度采用了齿轮及齿轮齿条传动，所以需要平衡装置，不能自锁。方案二增加了第二自由度处的转动惯量，使系统平衡性变差。另外，大臂小臂的结构过于薄弱，易产生变形。方案三存在的问题是由电动机直接驱动，因此使得电动机必须有低转速高扭矩的要求，这样的电机在市场上的售价相比照拟高，方案不够经济实惠；方案四结构比拟简单，第一自由度采用谐波减速器体积小，重量轻，定位安装方便，从而节省了空间，而且减速比大，承载能力大，效率高，噪声小。同时第二自由度采用的同步齿形带充分利用了大臂的空间，也使结构更为紧凑。驱动系统方面，驱动装置全部选用步进电动机，符合设计的要求。传动系统方面，升降轴丝杠有自锁功能省去了同类机械手设计中常用的平衡装置，由于手腕的升降电机放在小臂的顶端，直接与丝杠联接，简化了结构，提高了精度。此外方案四的标准件多，零部件少且容易加工，也降低了本钱。综合考虑，由于方案四传动链简单，传动精度高，应选择此种方案为最终方案。观察初步设计方案〔图1-5〕，考虑到小臂悬置于第二自由度轴上，这样就增加了大臂末端的负重，使得弯矩过大，容易造成整体机构的变形，为了使方案更加完善，本人对设计图又做了修改如图1-6，在第二自由度轴上下两端用两块合金板将小臂与大臂连接在一起，从而完成了整体结构的设计。图2-6总体方案第3章步进电机的选择及其校核计算步进电机可直接实现数字控制，控制结构简单，控制性能好，而且本钱低廉；通常不需要反响就能对位置和速度进行控制；位置误差不会积累；步进电机具有自锁能力和保持转矩的能力，这对于控制系统的定位是有利的，适于传动功率不大的关节或小型机械手。3.1主要技术参数确定图3-1机械手手臂的重量分布如图3-1所示，设各局部的尺寸和重量如下：1.大臂的第一和第二关节轴之间的距离为348mm，质量为M1(4kg左右)，重心在距离第一关节轴143mm处，L1=143mm。2.小臂的第二和第三关节轴之间的距离为194mm，质量为M2(1kg左右)，重心在距第二关节轴97mm处，L2=348+97=445mm。3.腕部升降装置及最大物重合计为M3(30kg左右)，重心在距第二关节轴194mm处，L3=348+194=542mm。L4=97mm(小臂重心距第二关节轴的水平距离)。L5=194mm(腕部重心距第二关节轴的水平距离)。该机械手的根本技术参数如下：大臂回转：，小臂回转：，手腕升降：120mm，30mm/s手腕回转：，大臂小臂连接处回转：，负载重量：294N3.2各自由度步进电机的选择本机械手前两个自由度是平面旋转，假设轴承是光滑的，那么旋转所需的静转矩比拟小。因为将臂伸开呈一条直线时转动惯量最大，所以在旋转开始时可产生步进电机的转矩缺乏。如图3-1所示，设两臂及手腕绕各自重心轴的转动惯量分别为JG1、JG2、JG3，根据平行轴定理可得绕第一关节轴的转动惯量为：J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22+JG3+M3L32〔3.1〕其中：M1，M2，M3分别为4Kg，1Kg，4Kg；L1，L2，L3分别为143mm，445mm，542mm。JG1〈〈M1L12、JG2〈〈M2L22、JG3〈〈M3L32，故可忽略不计，以绕第一关节轴的转动惯量为：J1=M1L12+M2L22+M3L32(3.2)=4×0.1432+1×0.4452+4×0.54222同理可得小臂及腕部绕第二关节轴的转动惯量：M2=1Kg，L4=97mm；M3=4Kg，L5=194mm。J2=M2L42+M3L52(3.3)=1×0.0972+4×0.19422第一自由度步进电机的选择设大臂速度为，那么旋转开始时的转矩可表示如下：式中：T-旋转开始时转矩N.mJ–转动惯量kg.m2-角加速度rad/s2使机械手大臂从到所需的时间为：那么：(3.4)假设考虑绕机器人手臂的各局部重心轴的转动惯量及摩擦力矩，那么旋转开始时的启动转矩可假定为10N.m，取平安系数为2，那么谐波减速器所需输出的最小转矩为：(3.5)选择谐波减速器：⑴型号：XB3-50-120〔XB3型扁平式谐波减速器〕额定输出转矩：20N.m减速比：i1=120设谐波减速器的的传递效率为：，步进电机应输出力矩为：(3.6)选择BF反响式步进电机型号：55BF003步距角：1.5°第二自由度步进电机的选择原理同上，设小臂转速，角速度从0加到所需加速时间，那么同步带应输出转矩为：(3.7)设平安系数为2，同步带减速比i=10，同步带传动效率为：〔单级传动〕。那么电机所需输出力矩为：(3.8)选择反响式步进电机型号：45BF005Ⅱ静转矩：步距角：第三自由度步进电机的选择丝杠螺母传动，实现腕部的升降，设丝杠轴向承载总和为：Q=35N丝杠根本参数选择：螺距：P=2mm公称直径：d=10mm摩擦系数：f=0.1螺旋升角为:λ=arctgp/πd2=3.834°(3.9)当量摩擦角为:ρ=tg-1f’=5.911°(3.10)螺纹阻力矩为：(3.11)螺纹所受摩擦力矩：(3.12)式中:f-摩擦系数,取0.1Dm-支撑面平均直径,取螺母内外径的一半,既(10+40)/2=25mm丝杠所受力矩为阻力矩与摩擦力矩之和，即：T=T1+T2(3.13)平安系数取2，那么电机所需输出的最小转矩为：(3.14)选择反响式步进电机型号：70BF003静转矩：步距角：第四自由度步进电机的选择腕部旋转直接用步进电机驱动，设手爪及物体的最大当量半径为R=50mm，那么转动惯量为：(3.15)式中：m-手爪及物体总重量，设为30kg，代入数据：J32设转速为：，加速时间，得电机输出转矩为：(3.16)选择电机型号：45BF005Ⅱ静转矩：步距角：1.5°第五自由度步进电机的选择腕部旋转直接用步进电机驱动，设手爪及物体的最大当量半径为R=80mm，那么转动惯量为：(3.15)式中：m-手爪及物体总重量，设为20kg，代入数据：J32设转速为：，加速时间，得电机输出转矩为：(3.16)选择电机型号：45BF005Ⅱ静转矩：步距角：1.5°3.3第一自由度轴传动系统的计算与校核第一自由度轴的等效转动惯量的计算z方向的转动惯量为由估算知谐波减速器转动惯量。从资料查得55BF003步进电机转子惯量为JD12。因此，自由度θ1传动系统上所有惯量折算到电机轴1上的等效转动惯量:(3.17)说明：(1)电机轴的转子惯量和谐波减速器惯量之半〔输入局部〕的和；(2)谐波减速器惯量之半〔输出局部〕折算到电机轴时除以i2；(3)Z方向上的转动惯量折算到电机轴时除以i2。根据初选的i=120，那么2。3.3.2步进电机1的校核根据公式，电机空载启动力矩为:(3.18)因为本设计中第一自由度没有采用滚珠丝杠副传动，所以丝杠预紧附加摩擦力矩等于零，即M0=0。设摩擦力矩可忽略不计，那么仅剩加速力矩项，即(3.19)(3.20)式中：传动系统各部件惯量折算到电机轴上的总等效转动惯量2；运动部件最大快进速度；运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间t=0.1s。所以电机最大转速为：那么:所以:(3.21)电机名义启动力矩，三相六拍运行，通过查表得电机最大静转矩，所以Mkq<Mmq，初选电机满足最大静转矩校核要求。3.4第二自由度轴传动系统计算与校核第二自由度等效转动惯量的计算z轴的转动惯量为:=m2L42+m3L522=1680kg2(3.22)从资料查得45BF005Ⅱ步进电机转子惯量为JD22。根据初选的i=10，那么自由度θ2传动系统上所有惯量折算到电机轴2上的等效转动惯量为：(3.23)3.4.2步进电机2的校核根据公式：电机空载启动力矩为(3.24)因为第二自由度没有采用滚珠丝杠副传动，所以丝杠预紧附加摩擦力矩等于零，即M0=0。设摩擦力矩可忽略不计，那么仅剩加速力矩项，即式中：传动系统各部件惯量折算到电机轴上的总等效转动惯量2；运动部件最大快进速度；运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间t=0.2s。所以电机最大转速为：(3.25)那么:(3.26)所以:(3.27)电机名义启动力矩，三相六拍运行，通过查表得电机最大静转矩，所以(3.28)Mkq<Mmq，初选电机满足最大静转矩校核要求。3.5第三自由度轴传动系统的计算与校核第三自由度等效转动惯量的计算电机3转子转动惯量JD32丝杠转动惯量：(3.29)移动质量折算到丝杠轴的等效转动惯量为：(3.30)移动件质量为=30kg，传动系统各运动部件惯量折算到电机3轴上的总等效转动惯量为：〔传动比i=1〕(3.31)3.5.2步进电机3的校核电机空载启动力矩为：其中加速力矩:(3.32)电机最大转速为丝杠最大转速的i倍，即nmax=ins，丝杠最大转速ns为ns=vs/p=15r/s=450r/min(3.33)所以，加速时间t=0.1s，那么Mka。丝杠预紧附加摩擦力矩：(3.34)预紧力FYJ=Fm/3=37.625/3=12.54N；L0=0.2cm；传动总效率；杠未预紧时传动效率：；那么M0空载摩擦力矩很小，设为2M0，即Mkf=2M0因此，空载启动力矩：Mkq(3.35)满足最大静转矩校核，因为第四、第五自由度轴的计算与校核方法类同于第一轴和第二轴，这里从略。第4章系统整体的设计与校核4.1同步齿形带传动设计由上可知，同步带输出转矩为：，输出转速为：，单级传动效率为：η=85%，传动比i=10，取平安系数k=3，那么同步带传递功率为：(4.1)设传动比分配为：第一级传动比i1=5，第二级传动比i2=2。带轮依次为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ。Ⅳ轮转速：n4=15°/s=2.5r/minⅡ，Ⅲ轮转速：n2=n3=i2n4=2×2.5=5r/minⅠ轮转速:n1=in4=10×2.5=25r/min设中心距:L1=100mm，L2=250mm求出设计功率由文献查得载荷修正系数k0=1.6，因未使用张紧轮，又是减速运动，故附加修正系数均为零，那么：(4.2)选择带的节距由Pd=0.384W和n1=25r/min，查得带的节距代号为XL，对应的节距为Pb=5.08mm。确定带轮直径和带节线长带轮Ⅰ最小许用齿数可取10，考虑到制造和安装等因素，取Z1=13。那么:Z2=i1Z1=5Z1=65(4.3)根据标准系列，取Z2=60同理可得：Z3=17，Z4=40重新计算传动比：(4.4)(4.5)(4.6)由公式可以计算各带轮的直径，，选择带长Lp带长计算公式：(4.7)式中：L–中心距mmLp–带长mmd1，d2–配合带轮直径mm代入数据计算可得：同理：按表选择最接近算值的标准带长：Lp1=406.4mm，代号160，齿数80Lp2=635mm，代号250，齿数125近似计算中心距(4.8)式中：(4.9)L–中心距mmPb–节距，这里为5.08mmZb–带齿数，这里Zb1=80，Zb2=125Z2、Z1为配合带轮齿数，那么：M1==55.245mm，L1==103.515mm取整，那么L1=103mm同理M2=122.555mm，L2=244.401mm取整，那么L2=245mm进行标准带宽的选择1．小带轮Ⅰ齿数Z1=13，转速为n1=25r/min。由内插法得XL型带的基准宽度bs0=9.5mm，基准额定功率为P0=1.25W2．计算同步带传动的啮合齿数Zm(4.10)那么啮合系数为Kz=1-0.2〔6-Zm〕=0.8(4.11)3．同步带宽bs(4.12)选择标准带宽bs=7.9mm，代号0314．确定带宽系数(4.13)5．确定额定功率(4.14)额定功率大于设计功率，故带的传动能力足够。结果整理如下：两级同步带类型均为XL型同步齿型带Pb=5.08mm，带宽bs=7.9mm一级同步带齿数：Zp1=80，带长：Lp1=402mm，代号160二级同步带齿数：Zp2=125，带长：Lp2=646.71mm，代号250各带轮齿数：Z1=13，Z2=60，Z3=17，Z4=40各带轮节径：d1=21.02mm，d2=97.02mm，d3=27.49mm，d4=64.68mm传动中心距：L1=103mm，L2=245mm图4-1机械手大臂机构图4.2各输出轴的设计各轴的材料均选用45号钢，轴的许用扭剪应力[τ]=30MPa，由许用应力确定的系数为C=120。机身输出轴设计此轴传递扭矩T=20N.m，转速ω=30°/s，那么传递功率为：(4.15)(4.16)(4.17)与谐波减速器连接局部轴径最小，由于它承受了大臂、小臂、腕部及负载所带来的弯距，另外减速器的轴颈较大，故d的值可取大一些，这里取d=30mm；轴承局部Φ=40mm，轴承选为7208ACGB/292角接触球轴承，其余根据结构确定。由于载荷不大，轴承选的较大，强度足够，这里不再详算。4.2.2大臂输出轴设计此轴的设计功率为，转速ω=15°/s，那么：(4.18)最小轴径在两臂连接处，有键槽，承受一定弯矩，轴径选用Φ16，轴承局部选用轴径Φ17其余按结构确定。轴承选为单列角接触球轴承，型号为7003ACGB/292，另外考虑到此轴的轴向定位，故两个轴端设计成螺纹状，通过两个圆螺母进行轴向的定位与紧固，螺纹直径为M14，其余根据结构确定。4.2.3大臂与小臂连接轴设计此轴传递扭矩T=8N.m，转速ω=30°/s，那么传递功率为：(4.15)(4.16)(4.17)由于它承受了小臂、腕部及负载所带来的弯距，故d的值可取大一些，这里取d=25mm；轴承局部Φ=30mm，轴承选为7206ACGB/292角接触球轴承，其余根据结构确定。由于载荷不大，轴承选的较大，强度足够，这里不再详算。4.2.4带轮轴设计此轴传递的扭矩为：(4.19)此轴的转速为ω=30°/s，那么传递功率为：(4.20)(4.21)(4.22)由于轴上有键槽，且承受一定弯矩，故取d=15mm，轴承处轴颈取为Φ=12mm。轴承选为轴承选为单列角接触球轴承型号为7002ACGB292。升降轴设计升降轴上为滚珠丝杠螺母副，故需设计成空心轴，主要承受轴向拉力，取丝杠内径d=14mm，丝杠外径D=18mm，用两光杠与一直线轴承导向，丝杠采用一对面对面角接触球轴承支撑，轴承局部轴径选用Φ12，轴承型号为7201ACGB/292。光杆采用Φ5钢棒，与升降轴同一平面平行放置。图4-2升降轴导向示意图丝杠传递扭矩，那么光杠所受圆周力(4.23)那么光杠所受径向力为(4.24)光杠挠度最大值：(4.25)式中：L-光杠长度120mmE-弹性模量200GpaI-惯性矩将数据代入得：(4.26)由变形量可知，光杠变形较小，刚度足够。4.3滚珠丝杠副校核滚珠丝杠副初选为外循环插管式，预紧方式为双螺母垫片式预紧，导珠管埋入式，公称直径dm=10mm，导程〔螺距〕L0=2mm，螺纹旋向为右旋，定位滚珠丝杠副，精度等级为3级，丝杠螺纹长度157mm，丝杠总长度L=234mm，滚珠丝杠副型号VFC〔Z〕1002-2.5最大工作载荷计算丝杠轴向承载总和为：Fz=35N，沿Z轴方向，即丝杠轴向。因此，滚珠丝杠副的进给牵引力，即最大工作载荷Fm为Fm=Fz+fFy。设横向工作载荷为:Fy=0.5Fz=17.5N(4.27)导杆和轴套之间的摩擦系数f=0.15。因此，丝杠最大工作载荷为:(4.28)最大动负载C的计算与校核滚珠丝杠最大动负载(4.29)式中：L为工作寿命，L=60nt/106；n为丝杠转速，n=1000v/L0；v为最大切削力条件下的进给速度〔m/min〕，因为最高进给速度vmax=30mm/s=1.8m/min所以:(4.30)t为额定使用寿命(h)，可取t=15000h；fm为运转状态系数，无冲击取1.2。因此，(4.31)(4.32)查得型号VFC〔Z〕1002-2.5的滚珠丝杠副的额定动负载Ca=10470N。Ca>C，可知动负载校核足够，余度很大。传动效率计算(4.33)根据初选滚珠丝杠型号从表中查得螺旋升角，摩擦角，那么，传动效率较高。刚度计算1.丝杠的拉压变形量:(4.34)式中：Fm为丝杠的工作载荷(N)；L为滚珠丝杠在支承间的受力长度，取L=157mm；；丝杠底径d1近似于外径与滚珠直径之差，即d1=d-dw，丝杠外径d=d0-0.2dw，丝杠公称直径d0=10mm，滚珠直径dw由表查得dw=1.587mm，因此，丝杠底径d1=9.682-1.587=8.095mm，截面积。于是拉压变形量为:(4.35)该变形量可忽略不计，因工作载荷很小，滚道接触变形量从略。2.大臂与小臂连接轴的弯曲变形量:(4.34)式中：F为连接轴的工作载荷(N)；为连接轴在支承间的受力长度，取=36mm；；I为截面惯性矩，连接轴在大小臂之间的有效轴径为30mm，因此，有圆形截面惯性矩公式可得：I=于是弯曲变形量为:(4.35)因工作载荷较小且变形量较小，所以该变形量可忽略不计，即刚度值满足要求。丝杠稳定性验算丝杠临界压缩载荷：(4.36)E为丝杠材料弹性模量，对于钢：；I为惯性截面矩，对丝杠圆截面(d1为丝杠底径)；L为丝杠最大工作长度，这里L=157mm；fz为丝杠支承方式系数，采用一端固定一端自由的支撑方式，fz=0.25；因此：。(4.37)取丝杠稳定平安系数nw=4那么：(4.38)故丝杠稳定。4.4机械身的设计机身局部采用高强，轻质的铸造铝合金材料以减轻重量，圆形结构。大臂壳体采用铸铝，方形结构，质量轻，强度大。小臂外壳采用铸铝，圆柱形结构。4.5其他局部结构设计机身输出轴通过一联轴器与谐波减速器连接，同时手臂升降电机与升降轴之间也通过联轴器相连接。带轮1以螺钉与电机轴相连，如图3-3。带轮2通过轴肩与套桶保证其轴向的定位，带轮3通过轴肩与套筒进行轴向定位，另外以一键进行周向的定位如图3-4。带轮4的定位是通过销与套筒完成的，如图3-5。小臂分别在大臂输出轴的两端与大臂相连，通过两键实现周向定位，其他局部具体的尺寸与结构在这里不一一表达，详见图纸。图4-3带轮1与电机的连接图4-4带轮2和带轮3与带轮轴的连接图4-5带轮4与大臂输出轴的连接第5章控制系统设计控制系统一般由控制计算机和伺服控制器组成。前者发出指令协调各关节驱动器之间的运动，同时还要完成编程、示教/再现以及和其他环境状况〔传感器信息〕、工艺要求、外部相关设备之间的信息传递和协调工作。后者控制各关节驱动器，使各杆按一定的速度、加速度和位置要求进行运动。图5-1机械手开环控制结构图SCARA机器人的控制结构中，其机械本体采用四自由度的形式，各关节均采用混合式步进电动机作为驱动装置。机器人步进电机的运动控制器采用自行研制的控制卡，同时实时地控制SCARA机器人的四轴联动。控制卡与计算机之间进行通讯，接受用户的指令(运动控制程序)输入并且实时的进行数据处理，从而完成需要完成的任务或作业。在整个控制结构中，运动控制卡控制四个关节的电机的运动，计算机负责协调用户与控制器之间通讯。图4-1即为本SCARA机器人的控制系统图。5.1机器人控制的特点机器人的控制技术与传统的自动机械控制相比，没有根本的不同之处。然而，机器人控制系统一般是以机器人的单轴或多轴运动协调为目的的控制系统。其控制结构要比一般自动机械的控制复杂得多，与一般的伺服系统或过程控制系统相比，机器人控制系统有如下特点:1、传统的自动机械是以自身的动作为重点，而机器人的控制系统更着重本体与操作对象的相互关系。无论以多么高的精度控制手臂，假设不能夹持操作物体到达目的位置，作为机器人来说，那就失去了意义，这种相互关系是首要的。2、机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。根据给定的任务，经常要求解运动学正问题和逆问题，因此，往往要根据需要，选择不同的基准坐标系，并作适当的坐标变换。而且还因机器人各关节之间惯性力、哥氏力的耦合作用以及重力负载的影响使问题复杂化，所以使机器人控制问题也变得复杂。3、即使一个简单的机器人也至少有3-5个自由度。每个自由度一般包含一个伺服机构，多个独立的伺服系统必须有机地协调起来，组成一个多变量的控制系统。所以，机器人的控制，一般是一个计算机控制系统，计算机软件担负着艰巨的任务。4、描述工业机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型，随着状态的变化，其参数也在变化，各变量之间还存在耦合。因此，仅仅是位置闭环是不够的，还要利用速度，甚至加速度闭环。系统中还经常采用一些控制策略，比方重力补偿、前馈、解耦基于传感信息的控制和最优PID控制等。5、机器人还有一种特有的控制方式：示教再现控制方式。当要机器人完成某作业时，可预先移动机器人的手臂，来示教该作业顺序、位置以及其它信息，在执行时，依靠机器人的动作再现功能，可重复进行该作业。总而言之，机器人控制系统是一个与运动学和动力学原理密切相关的、有耦合的、非线性的多变量控制系统。随着实际工作情况的不同，可以采用各种不同的控制方式，从简单的编程自动化，微处理机控制到小型计算机控制等。5.2机器人控制的分类点位控制(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。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。结论工业机械手的诞生和机器人学的建立，无疑是20世纪人类科学技术的重大成就。开发机械手柔性装配系统可以大幅度提高生产柔性和生产率，缩短生产周期，保证产品质量，降低本钱，获得明显的经济效益。装配机械手是机械手柔性装配系统重要的组成局部，也是柔性装配系统的特征。是以柔性制造技术和柔性装配技术为代表的先进制造技术，满足了多品种、小批量的产品个性化的市场需求，把人从繁重的重复劳动中解放出来，降低了产品本钱，缩短了产品的生产周期，提高了市场的竞争能力。装配机械手是典型的机电一体化产品和重要的先进制造装备[16]。在对课题进行了深入了解后，本文对平面关