直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

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1、 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 42 頁 直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘要 隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，不但使傳統(tǒng)工業(yè)的生產(chǎn)發(fā)生了根本性的變化，而且也對(duì)人類社會(huì)的生產(chǎn)產(chǎn)生了重大的影響。機(jī)器人作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的一種工具，不僅大大的提高了生產(chǎn)力，而且把人從各種生產(chǎn)環(huán)境中解放出來。目前，許多國(guó)家的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)得到很好的發(fā)展，我國(guó)也在進(jìn)行深入的研究和開發(fā)。本文主要是設(shè)計(jì)一個(gè)搬運(yùn)工件的直角坐標(biāo)機(jī)器人，它可以應(yīng)用在自動(dòng)化生產(chǎn)線上與人工相比具有速度快、定位精度準(zhǔn)確的特點(diǎn)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性能。作為直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本文用了

2、第二、三、四章詳細(xì)闡述了設(shè)計(jì)過程，第五章簡(jiǎn)要介紹了機(jī)器人的控制部分，第六對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了效果分析，并總結(jié)了直角坐標(biāo)機(jī)器人的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)不拘泥于常規(guī)，使產(chǎn)品具有更廣闊的發(fā)展空間，必將成為機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)。 關(guān)鍵詞：直線、直角坐標(biāo)機(jī)器人、結(jié)構(gòu) Cartesian Robot Design Abstract With the continuous development of modern industry,not only the production of traditional industries has undergone a fundam

3、ental change, but also the production of human society has had a major impact. Robot as a tool of modern industrial production, not only greatly increase the productivity and the production environment from a variety of liberation. Currently, many countries have very good industrial robot technology

4、 development, China is also in-depth research and development. Porters of this paper is to design a piece of the Cartesian coordinate robot, which can be used in automated production lines and artificial compared to fast, accurate positioning accuracy characteristics,with strong practical performanc

5、e.As the design of the right-angle coordinate robot,the text uses the second the third and the forth chapters to say the process of the design.The five chapter briefly describes some of the robots control. The sixth chapters carried out effectiveness analysis and summarizes the characteristics of a

6、Cartesian coordinate robot.The design makes the products have much more development,which must be the current of robots development. Key words: Straight line Cartesian coordinate Structure 目 錄 摘要 I Abstract II 一 緒 論 1 1.1選題背景 1 1.2直角坐標(biāo)機(jī)器人的應(yīng)用及分類 1 1.3當(dāng)前機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展 2 1.3.1機(jī)器人發(fā)展的概況 2 1.3.

7、2直角坐標(biāo)機(jī)器人的發(fā)展情況 4 1.4選題的意義和目的及設(shè)計(jì)基本步驟 5 1.5本文研究的主要內(nèi)容 5 二 直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作原理 7 2.1實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的基本原理 7 2.2末端執(zhí)行器抓取工件的基本原理 7 2.1.1概述 7 2.2.2手指式手部的工作原理 8 三 直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10 3.1直角坐標(biāo)機(jī)器人外形方案的確定 10 3.2.1直角坐標(biāo)機(jī)器人傳動(dòng)方式的選擇 10 3.2.2直角坐標(biāo)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式的選擇 11 3.3直角坐標(biāo)機(jī)器人外形尺寸的確定 11 3.4傳動(dòng)部件、驅(qū)動(dòng)部件類型及主要參數(shù)的選擇 12 3.4.1傳動(dòng)部件參數(shù)的選擇 12

8、 3.4.2驅(qū)動(dòng)部件的選擇 19 3.5其它輔助部件的設(shè)計(jì) 22 3.5.1直線導(dǎo)軌的選擇 22 3.5.2滾動(dòng)軸承的選擇 23 3.5.3機(jī)器人拖鏈的選擇 24 3.5.4其它部件的設(shè)計(jì) 24 3.6機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 24 3.6.1機(jī)械手的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 24 3.6.2機(jī)械手的手部尺寸及抓取范圍 25 3.6.3機(jī)械手傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì) 25 3.6.4機(jī)械手驅(qū)動(dòng)裝置的選擇 26 3.6.5機(jī)械手其它部件的選擇 26 四 機(jī)器人的校核及結(jié)構(gòu)的可靠性分析 27 4.1軸承的校核 27 4.2各主要功能部件的可靠性分析 27 4.3各自由度間連接件的可靠性分析 28 4.

9、4軸的校核計(jì)算 29 五 機(jī)器人的控制 31 5.1步進(jìn)電機(jī)的概況 31 5.2步進(jìn)電機(jī)的工作原理 31 5.3步進(jìn)電機(jī)的控制 32 5.5直角坐標(biāo)機(jī)器人的控制方式 33 5.3.1步進(jìn)電機(jī)專用控制芯片的概述與特性 33 5.3.2專用芯片的選擇及電路設(shè)計(jì) 34 六 直角坐標(biāo)機(jī)器人的效果分析及技術(shù)評(píng)價(jià) 37 6.1直角坐標(biāo)機(jī)器人的效果分析 37 6.1.1直角坐標(biāo)機(jī)器人與人工操作的比較 37 6.1.2采用機(jī)器人工作帶來的問題 37 6.2直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的技術(shù)評(píng)價(jià) 37 6.2.1整體結(jié)構(gòu)技術(shù)評(píng)價(jià) 37 6.2.2零件的技術(shù)分析 38 結(jié)束語 39 致謝 4

10、0 參考文獻(xiàn) 41 一 緒 論 1.1選題背景 工業(yè)自動(dòng)化的歷史是以技術(shù)手段的快速更新為特征的。這種自動(dòng)化技術(shù)的更新不論是看作世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的誘因還是結(jié)果，都和世界經(jīng)濟(jì)密切相關(guān)。工業(yè)機(jī)器人在20世紀(jì)60年代毫無疑問是一種獨(dú)特的設(shè)備，將其和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）系統(tǒng)結(jié)合在一起應(yīng)用，這是現(xiàn)代制造業(yè)自動(dòng)化的最新發(fā)展趨勢(shì)。這些技術(shù)起碼在引導(dǎo)工業(yè)自動(dòng)化向一個(gè)新的領(lǐng)域過渡[1]。 機(jī)器人的使用量增長(zhǎng)的主要原因是價(jià)格不斷降低。在20世紀(jì)90年代的十年間，機(jī)器人價(jià)格降低而勞動(dòng)力成本增加。機(jī)器人不僅越來越便宜，而且它們?cè)诠I(yè)領(lǐng)域變得更加有效——速度更快、操作更準(zhǔn)確、更

11、富有柔性。如果在成本統(tǒng)計(jì)中將質(zhì)量因素考慮在內(nèi)，應(yīng)用機(jī)器人的成本將比它的實(shí)際下降快得多。由于機(jī)器人作業(yè)變得愈加有效，而勞動(dòng)力成本不斷升高，因此工業(yè)中越來越多的作業(yè)更適合于應(yīng)用機(jī)器人自動(dòng)化。這是工業(yè)推動(dòng)機(jī)器人發(fā)展的主要因素。其次是非經(jīng)濟(jì)因素造成的，隨著機(jī)器人作業(yè)能力的增強(qiáng)，它們可以完成更加危險(xiǎn)或不可能完成的工作。 機(jī)器人的使用不僅提高生產(chǎn)了生產(chǎn)效率而且增強(qiáng)了工作范圍。在許多領(lǐng)域中用到機(jī)器人搬運(yùn)，如在汽車制造、食品包裝、化學(xué)醫(yī)藥、電子器件等。而直角坐標(biāo)機(jī)器人在碼垛機(jī)和搬運(yùn)機(jī)使用越來越多，其特點(diǎn)是負(fù)載范圍大，小到幾公斤，大到幾屯；運(yùn)行速度快，且速度可調(diào)整；動(dòng)作靈活，可完成復(fù)雜的任務(wù)；可靠性高，維護(hù)簡(jiǎn)

12、單。 1.2直角坐標(biāo)機(jī)器人的應(yīng)用及分類 因末端操作工具的不同，直角坐標(biāo)機(jī)器人可以非常方便的用作各種自動(dòng)化設(shè)備，完成如焊接、搬運(yùn)、上下料、包裝、碼垛、拆垛、檢測(cè)、探傷、分類、裝配、貼標(biāo)、噴碼、打碼、（軟仿型）噴涂、目標(biāo)跟隨、排爆等一系列工作。特別適用于多品種，便批量的柔性化作業(yè)，對(duì)于穩(wěn)定，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代期著十分重要的作用。 1、 按用途分為：焊接機(jī)器人、碼垛機(jī)器人、涂膠（點(diǎn)膠）機(jī)器人、檢測(cè)（監(jiān)測(cè)）機(jī)器人、分揀機(jī)器人、裝配機(jī)器人、排爆機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、特種機(jī)器人等。 2、 按結(jié)構(gòu)形式分為：壁掛（懸臂）機(jī)器人、龍門機(jī)器人、倒掛機(jī)器人等 3、

13、 按自由度分為：兩坐標(biāo)機(jī)器人、三坐標(biāo)機(jī)器人、四坐標(biāo)機(jī)器人、五坐標(biāo)機(jī)器人、六坐標(biāo)機(jī)器人。[2] 1.3當(dāng)前機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展 1.3.1機(jī)器人發(fā)展的概況 （1）世界機(jī)器人的發(fā)展情況 兩院院士宋健曾說過：“機(jī)器人學(xué)的進(jìn)步和應(yīng)用是本世紀(jì)自動(dòng)控制最有說服力的成就， 是當(dāng)代最高意義上的自動(dòng)化”。科學(xué)的進(jìn)步與技術(shù)的創(chuàng)新，為機(jī)器人的研究與應(yīng)用開辟了廣闊的思路與空間。 20世紀(jì)50年代是機(jī)器人的萌芽期，其概念是“一個(gè)空間機(jī)構(gòu)組成的機(jī)械臂，一個(gè)可重復(fù)編程動(dòng)作的機(jī)器”。1954年美國(guó)戴沃爾發(fā)表了“通用重復(fù)型機(jī)器人”的專利論文，首次提出“工業(yè)機(jī)器人”的概念；1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)數(shù)控工業(yè)機(jī)器

14、人原型；1959年美國(guó)UNIMATION公司推出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。 60年代隨著傳感技術(shù)和工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入成長(zhǎng)期，機(jī)器人開始向?qū)嵱没l(fā)展，并被用于焊接和噴涂作業(yè)中。 　　70年代隨著計(jì)算機(jī)和人工智能的發(fā)展，機(jī)器人進(jìn)入實(shí)用化時(shí)代。日本雖起步較晚，但結(jié)合國(guó)情，面向中小企業(yè)，采取了一系列鼓勵(lì)使用機(jī)器人的措施，其機(jī)器人擁有量很快超過了美國(guó) ，一舉成為“機(jī)器人王國(guó)”。 　　80年代，機(jī)器人發(fā)展成為具有各種移動(dòng)機(jī)構(gòu)、通過傳感器控制的機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)與控制更加的準(zhǔn)確穩(wěn)定。 80年代后期至今天機(jī)器人的技術(shù)日臻成熟，使得機(jī)器人有了更進(jìn)一步的發(fā)展，產(chǎn)生了有力覺視覺的機(jī)器人并隨著

15、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了智能機(jī)器人，智能機(jī)器人的產(chǎn)生為機(jī)器人工業(yè)的發(fā)展提出了一個(gè)更新的發(fā)展方向，為今后機(jī)器人工業(yè)的發(fā)展指明了方向。 （2）國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展情況 我國(guó)工業(yè)機(jī)器人起步于20世紀(jì)40年代初期，經(jīng)過30多年的發(fā)展，大致可分為3個(gè)階段：70年代的萌芽，80年代的開發(fā)期，90年代的實(shí)用化期。在高技術(shù)發(fā)展的失去下，隨著改革開放方針的實(shí)施，我國(guó)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展得到政府的重視的支持。在80年代中期，國(guó)家組織了對(duì)工業(yè)機(jī)器人需求的行業(yè)調(diào)研，結(jié)果表明，對(duì)第一代工業(yè)機(jī)器人的需求主要集中在汽車行業(yè)（占總需求的60%～70%）。在眾多專家的建議和規(guī)劃下，于“七五”期間，由機(jī)電部主持，中央各部委，中科

16、院能及地方科研所的大學(xué)參加，國(guó)家投入相當(dāng)資金進(jìn)行了工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)技術(shù)、基礎(chǔ)元器件、幾類工業(yè)機(jī)器人整機(jī)及應(yīng)用工程的開發(fā)研究。經(jīng)過五年攻關(guān)，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機(jī)器人成套技術(shù)（包括機(jī)械手、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)單元、測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造應(yīng)用的小批量生產(chǎn)的工藝技術(shù)等）的開發(fā)，研制出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊的搬運(yùn)等作業(yè)機(jī)器人整機(jī)，幾類專用和能耐通用控制系統(tǒng)及幾類關(guān)鍵元部件的主要性能指標(biāo)達(dá)到80年代初國(guó)外同類產(chǎn)品的水平，并且形成小批量生產(chǎn)能力。經(jīng)過80年代的尤其是后5 年的努力，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展基本上可以立足于國(guó)內(nèi)。90年代中期，國(guó)家已選擇以焊接機(jī)器人的工程應(yīng)用為重點(diǎn)進(jìn)行開發(fā)研究，從而迅速掌握焊接機(jī)器人的應(yīng)

17、用工程成套開發(fā)技術(shù)、關(guān)鍵設(shè)備制造、工程配套、現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行等技術(shù)。目前已有500臺(tái)左右的粘接機(jī)器人分布于大陸各大中城市的汽車、摩托車、工程機(jī)械等制造業(yè)，其中55%左右為扳焊機(jī)器人，45%左右為點(diǎn)焊機(jī)器人，已建成的機(jī)器人焊接柔性生產(chǎn)線5條，機(jī)器人焊接工作站300個(gè)。90年代后半期是實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)機(jī)器人的商品化，為產(chǎn)業(yè)化奠定打基礎(chǔ)的時(shí)期，目前我國(guó)（指大陸地區(qū)，不包括港、澳、臺(tái)）工業(yè)機(jī)器人數(shù)量只有約2500臺(tái)，還沒達(dá)到1997年新加坡（3000多臺(tái)）的我國(guó)臺(tái)灣?。?000多臺(tái)）的水平產(chǎn)。 （3） 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì) ①機(jī)器人朝著標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。若想提高運(yùn)動(dòng)速度的運(yùn)動(dòng)精度，減輕重量和減安裝占用空間，必將導(dǎo)致

18、工業(yè)機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化的模塊化，以降低制造成本的提高可靠性。 ②注意研究新型機(jī)器人結(jié)構(gòu)。隨著工業(yè)機(jī)器人作業(yè)精度的提高、作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜化，應(yīng)開發(fā)新型微動(dòng)機(jī)構(gòu)保證動(dòng)作精度，開發(fā)多關(guān)節(jié)、多自由度的手臂和手指，研制新型的機(jī)構(gòu)等以適應(yīng)復(fù)雜作業(yè)的需要。 ③機(jī)器人朝著智能化方向發(fā)展。在多品種，小批量生產(chǎn)的柔性自由行自動(dòng)化生技術(shù)中，要求工業(yè)機(jī)器人對(duì)外部環(huán)境和對(duì)象物體有處適應(yīng)能力，具有一定的“智能”，機(jī)器人的智能化是批機(jī)器人具有感覺、知覺等，既有很強(qiáng)的檢測(cè)功能的判斷功能。為此，必須規(guī)范性類似人類感覺傳感器（如觸覺傳感器、視覺傳感器、測(cè)距傳感器等，）、發(fā)展式傳感器的信息融合技術(shù)，通過各種傳感器得到關(guān)于工作

19、對(duì)象的外部環(huán)境的信息，以及信息為中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)、規(guī)劃的資料，以完成模式，用“專家系統(tǒng)”等智能系統(tǒng)進(jìn)行問題求解，動(dòng)作規(guī)劃。 ④研究機(jī)器人協(xié)作控制。先進(jìn)制造技術(shù)的協(xié)作機(jī)器人學(xué)的研究與發(fā)展趁著積極的促進(jìn)作用。隨著先進(jìn)制造技術(shù)的，工業(yè)機(jī)器人已從當(dāng)初的柔性上、下料裝置正在成為高度柔性、高效率和可重組的裝配制造的加工系統(tǒng)中的生產(chǎn)設(shè)備。在這樣的生產(chǎn)線上，機(jī)器人是作為一個(gè)群體工作的，不論每個(gè)機(jī)器人在生產(chǎn)線上起什么作用，它總是作為系統(tǒng)中的一員而存在。而面向先進(jìn)制造環(huán)境的機(jī)器人柔性裝配系統(tǒng)和機(jī)器人加工系統(tǒng)中，不僅有多機(jī)器人的集成，還有機(jī)器人與生產(chǎn)、線周邊設(shè)備、生產(chǎn)管理系統(tǒng)以及人的集成。因此，用系統(tǒng)的觀點(diǎn)來發(fā)

20、展新的機(jī)器人，有大量的理論與實(shí)踐的工作要做。 (4)發(fā)展工業(yè)機(jī)器人的意義 ①機(jī)器人對(duì)外部環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，能代替人從事危險(xiǎn)有害的操作。在人無法接近的地方或者在長(zhǎng)時(shí)間工作對(duì)人體有害的場(chǎng)所，機(jī)器人都不受影響。只有根據(jù)工作環(huán)境條件進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，選用適當(dāng)?shù)牟牧虾徒Y(jié)構(gòu)，工業(yè)機(jī)器人就可以在惡劣環(huán)境中工作。 ②機(jī)器人能持久，耐勞，可以把人從繁重單調(diào)的環(huán)境中解脫出來，并能擴(kuò)展和延伸人的功能。 ③機(jī)器人動(dòng)作準(zhǔn)確性高，可保證穩(wěn)定的提高產(chǎn)品質(zhì)量。工業(yè)機(jī)器人不像人一樣，容易受精神和心理因素的影響，它不會(huì)因?yàn)榫o張、馬虎、疲勞或視覺差等原因引起失誤。 ④機(jī)器人的通用性靈活性好，能滿足產(chǎn)品品種迅速變化的要求，更重要

21、的是對(duì)產(chǎn)品品種多樣化，而且是層出不窮，不斷發(fā)展。 ⑤采用工業(yè)機(jī)器人后可明顯提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低成本。 1.3.2直角坐標(biāo)機(jī)器人的發(fā)展情況 直角坐標(biāo)機(jī)器人是工業(yè)機(jī)器人的一種，它已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)中，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)直觀性強(qiáng)，坐標(biāo)方向位置精度容易控制，漂浮物精度較高；制造安裝高速方便，容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。缺點(diǎn)是占據(jù)空間大而相應(yīng)的工作范圍較小。適用上下裝卸工件和傳送物料，易于成行排列布置與傳送帶配合使用。 1.4選題的意義和目的及設(shè)計(jì)基本步驟 作為一名機(jī)械電子專業(yè)的學(xué)生，機(jī)器人是機(jī)械和電子結(jié)合得最緊密的產(chǎn)品，能夠有機(jī)會(huì)認(rèn)識(shí)和了解機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，我感到很榮幸。畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)大學(xué)四年以來

22、所學(xué)的知識(shí)的一個(gè)總結(jié)，也是發(fā)揮自己的理論與實(shí)踐相結(jié)合的一個(gè)很好的機(jī)會(huì)，為以后的工作打下了一個(gè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是在為今后的就業(yè)做一次很好的準(zhǔn)備，因此，畢業(yè)設(shè)計(jì)有十分重要的意義。 在設(shè)計(jì)直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主要有以下幾個(gè)步驟 （1） 了解機(jī)器人及其相關(guān)技術(shù) 由于目前機(jī)器人的數(shù)量還比較少并且應(yīng)用不十分廣泛，所以對(duì)機(jī)器人了解只是理論上的一些了解，并不十分系統(tǒng)。再進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，了解機(jī)器人的基本組成形式，各機(jī)器人都有什么樣的特點(diǎn)，并且在工業(yè)生產(chǎn)中的具體工作形式。 （2） 了解直角坐標(biāo)機(jī)器人的主要用途 機(jī)械設(shè)計(jì)的目的就是為了滿足生產(chǎn)的需要，因此了解設(shè)計(jì)對(duì)象的主要用途是進(jìn)行設(shè)計(jì)的必要準(zhǔn)備。 （3

23、） 根據(jù)用途運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 由于在畢業(yè)實(shí)習(xí)的時(shí)候沒有看到過直角坐標(biāo)機(jī)器人的具體結(jié)構(gòu)，通過對(duì)CA6140機(jī)床刀架的觀察和分析，根據(jù)其運(yùn)動(dòng)原理進(jìn)行直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。按照三個(gè)自由度進(jìn)行設(shè)計(jì)，如空間一個(gè)物體在直角坐標(biāo)系中運(yùn)動(dòng)，分為x、y、z三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。 （4） 融入我的設(shè)計(jì)思想使設(shè)計(jì)更具有特色 由于直角坐標(biāo)機(jī)器人相對(duì)其它各類的機(jī)器人應(yīng)用較為廣泛，并已是成型的產(chǎn)品，為了培養(yǎng)自己的創(chuàng)新能力，在設(shè)計(jì)時(shí)提出了自己的設(shè)計(jì)思想使結(jié)構(gòu)更加的合理。 1.5本文研究的主要內(nèi)容 本文以一種門式直角坐標(biāo)機(jī)器人設(shè)計(jì)為主線，來研究直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作原理、結(jié)構(gòu)形式。其三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)基本原理很相

24、似，在設(shè)計(jì)時(shí)為了使設(shè)計(jì)更加的多樣化，采用不同的傳動(dòng)方式，第一、二自由度采用同步帶傳動(dòng)，而第三自由自由度采用絲杠傳動(dòng)。第一、二自由度結(jié)構(gòu)相似利于制造加工。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展工業(yè)機(jī)器人得到了更為廣泛的應(yīng)用，特別是直角坐標(biāo)機(jī)器人在數(shù)控加工中心中應(yīng)用十分廣泛，它已經(jīng)成為自動(dòng)化生產(chǎn)的重要組成總部分。本文的第二、三、四章重點(diǎn)介紹設(shè)計(jì)過程。 二 直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作原理 2.1實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的基本原理 直角坐標(biāo)機(jī)器人的主要功能就是能夠使得末端執(zhí)行器到達(dá)空間指定位置。待實(shí)現(xiàn)的工作空間大都為矩形空間。由笛卡爾坐標(biāo)系的知識(shí)可知空間中的任意一點(diǎn)可以分別由X、Y、Z方向三個(gè)點(diǎn)的集合來表示。因此為了

25、研究問題方便，可以把空間任意兩點(diǎn)的曲線運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為分別在三個(gè)自由度方向的直線運(yùn)動(dòng)。 能夠?qū)崿F(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的原理有很多，在機(jī)械產(chǎn)品中得到應(yīng)用的有以下幾種，下表為它們之間傳動(dòng)性能的比較： 表2-1傳動(dòng)性能對(duì)比表 方案 優(yōu) 點(diǎn) 缺 點(diǎn) 滾珠 絲 杠 傳動(dòng)精度高，且速度平穩(wěn)。摩擦陰力小，軸向沖擊，鋼性較好，可以傳遞較大扭力，位置準(zhǔn)確 傳動(dòng)速度較慢，且機(jī)構(gòu)不能自鎖，長(zhǎng)度較大時(shí)承受徑向載荷能力差 齒輪齒 條 傳遞的功率大、速度范圍廣、效率高、工作可靠、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)緊湊、能保證恒定傳動(dòng)比 制造及安裝精度要求高，成本高，不適于兩軸中心距過大的傳動(dòng) 同步帶傳動(dòng) 傳動(dòng)準(zhǔn)確，平穩(wěn)，噪

26、音小，可獲得恒定速比，且速比范圍大，允許線速度高，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)緊湊 對(duì)中心及其尺寸穩(wěn)定性要求較高 液壓傳 動(dòng) 可產(chǎn)生較大軸向力，傳動(dòng)速度快 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)困難，整個(gè)裝車質(zhì)量大。工作介質(zhì)對(duì)周圍條件反映敏感，直接影響定位精度 氣壓傳 動(dòng) 瞬間產(chǎn)生很大軸向力，傳動(dòng)速度快 對(duì)傳動(dòng)時(shí)間要求不易過長(zhǎng)，密封困難 通過以上的分析，在本次設(shè)計(jì)中采用選擇滾珠絲桿傳動(dòng)與同步帶傳動(dòng)方式。 2.2末端執(zhí)行器抓取工件的基本原理 2.1.1概述 如今，查閱有關(guān)機(jī)械手的書籍，會(huì)發(fā)現(xiàn)的各類很多。按其抓取方式主要分為以下兩種：[3] （1）吸附式 ①空氣負(fù)壓吸盤 ②磁力吸盤 （2） 手指式

27、①平移式 ②回轉(zhuǎn)式 針對(duì)眾多的結(jié)構(gòu)形式，選擇的方法其實(shí)很簡(jiǎn)單。大部分是根據(jù)特定工作的要求專門設(shè)計(jì)的。例如，當(dāng)確定手部大小、形狀，手指?jìng)€(gè)數(shù)以及動(dòng)作自由度時(shí)，必須考慮被抓取物件的大小、形狀、重量、材質(zhì)、外力的物理?xiàng)l件以及旋轉(zhuǎn)環(huán)境等。而這些又決定手部的抓取機(jī)能，即約束性、操作性和感覺性。[1] 約束性是指手爪對(duì)工件的約束和握緊程度。例如，廣泛使用的二指手爪，在抓取水平旋轉(zhuǎn)的圓棒工件時(shí)，手指只對(duì)圓棒半徑方向進(jìn)行約束，而軸向約束是借助手指與圓棒工件之間的摩擦力來實(shí)現(xiàn)的。如果施加一個(gè)較大的軸向外力，工件就可能從手指中滑落出去。同樣，圓棒工件圓周方向的回轉(zhuǎn)也是靠摩擦力來限制的。 操作性是指手爪能夠抓

28、取的物件的幾何特性，包括極限尺寸形狀以及在抓取不同形式圓棒時(shí)能否保持同一中心線的同心特性。 感覺性是指手指對(duì)工件的控制能力定位精度等。例如，是否使用傳感器，有無力學(xué)反饋等。最簡(jiǎn)單的一各形式利用微型開關(guān)來檢測(cè)判斷是否抓住工件。 在某種場(chǎng)合，一臺(tái)機(jī)器人可以備有多種形狀、用途和機(jī)能不同的數(shù)種可換手爪。 由于本次設(shè)計(jì)的工件是1～3kg的小工件所以綜合各各方面考慮，選擇手指式手部。 2.2.2手指式手部的工作原理 手指式手部是由手指?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置三部分組成，它對(duì)抓取工件的形狀具有較大的適用性，可以抓取軸盤套類零件，一般情況下多采用二指，少數(shù)為三指或多指。驅(qū)動(dòng)裝置是為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力的，驅(qū)動(dòng)

29、源有液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)等常見的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)往往通過滑槽、斜面、齒輪齒條、連桿等推動(dòng)杠桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)加緊或松開。 （1） 手指式手部的分類 ①按運(yùn)動(dòng)形式可分為平穩(wěn)型和回轉(zhuǎn)型兩種。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動(dòng)，適用于夾持平板、方料。在夾持不同的圓棒工件時(shí)，不會(huì)引起中心位置的偏移。但這種手指的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，體積大，要求加工精度高?；剞D(zhuǎn)型指部的張開和閉合靠指根部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。驅(qū)軸支點(diǎn)為一個(gè)的，稱為單支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，為兩個(gè)的，稱雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型。這種手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形狀小巧，但夾持不同工件會(huì)產(chǎn)生定位誤差。 ②按手指關(guān)節(jié)可分為無關(guān)節(jié)型、固定關(guān)節(jié)型和自由關(guān)節(jié)型。無關(guān)節(jié)指是一個(gè)平指構(gòu)件，固定關(guān)節(jié)是指本件是一個(gè)具有

30、固定彎曲角度的構(gòu)件，一般成折線狀。自由體關(guān)節(jié)本體分為指根和指尖兩部分比較復(fù)雜。 ③按指端形狀可分為：V型指，主要夾持圓柱形工件；平面指，夾持方形、板狀和細(xì)小棒類工件；其它形狀如圓形、鉤型、尖型及其它與工件相適應(yīng)特型指。 ④按指面形式可分為 ：光滑型，指面平整光滑，用來夾持已加工完成表面光整的工件，避免碰傷；齒型，指面上有齒紋，增加摩擦力，確保夾緊牢靠，多用于夾持粗坯、半成品工件；柔性型，指面使用橡膠，增大摩擦力、保護(hù)工件表面作用。 （2） 對(duì)手指式手部的基本要求 ①手指加緊力大小適宜，力量過大則動(dòng)力消耗多，結(jié)構(gòu)也龐大，不經(jīng)濟(jì)，甚至損壞工件；力量過小則夾持不住或產(chǎn)生松動(dòng)、脫落。 ②應(yīng)具

31、有足夠的開閉角度或開閉距離，便于抓取和退出工件。 ③應(yīng)無可否認(rèn)工件能準(zhǔn)確定心或定位。 ④在保證本身強(qiáng)度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，以利于減輕總負(fù)載。 ⑤手部結(jié)構(gòu)應(yīng)能適應(yīng)工作環(huán)境提出的特殊要求。如耐高溫、耐腐蝕、能承受鍛捶沖擊力等。 通過以上的分析，同時(shí)考慮本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選擇回轉(zhuǎn)式手臂和直型指的結(jié)構(gòu)。至于具體尺寸以及其它的設(shè)計(jì)計(jì)算問題將在下第三章中詳細(xì)說明。 三 直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本章主要系統(tǒng)的介紹直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程。其中包括各零部件形狀以及主要設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇。為了使讀者更好的了解直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，依據(jù)實(shí)際產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程為

32、主線來安排本章的結(jié)構(gòu)。 3.1直角坐標(biāo)機(jī)器人外形方案的確定 目前直角坐標(biāo)機(jī)器人主要有兩種結(jié)構(gòu)形式。一種是門式直角坐標(biāo)機(jī)器人，另一種是臂式直角坐標(biāo)機(jī)器人。哪下表所示它們各自有特點(diǎn)： 表3-1兩種機(jī)器人性能對(duì)比表 類型 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 門式直角坐標(biāo)機(jī)器人 可承受較大載荷，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定 占據(jù)空間大 懸臂式破解坐標(biāo)機(jī)器人 使用靈活方便，占據(jù)空間小 具有懸臂梁結(jié)構(gòu)除第一根軸安裝在基礎(chǔ)上外其余各軸行程不易過長(zhǎng) 鑒于此，選擇了其中一種即門式直角坐標(biāo)機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在這里需要指出的是，兩種結(jié)構(gòu)還存在一個(gè)共同的缺點(diǎn)就是一臺(tái)機(jī)器人只能對(duì)應(yīng)唯一的

33、工作空間。 3.2直角坐標(biāo)機(jī)器人傳動(dòng)及驅(qū)動(dòng)方式的選擇 3.2.1直角坐標(biāo)機(jī)器人傳動(dòng)方式的選擇 直角坐標(biāo)機(jī)器人的母體（即三個(gè)自由度部件）的傳動(dòng)方式大體有四種，分別是滾珠絲杠傳動(dòng)方式、齒輪齒條傳動(dòng)方式、同步帶傳動(dòng)方式、以及液壓傳動(dòng)方式。在設(shè)計(jì)中選擇了滾珠絲杠傳動(dòng)方式與同步帶傳動(dòng)方式主要是因?yàn)闈L珠絲杠具有精度高、摩擦阻力小、定位精度高，而同步帶具有傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性能好的特點(diǎn)。至于其它方式在第二章中以做了詳細(xì)的介紹，在這里就不重述了。 3.2.2直角坐標(biāo)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式的選擇 直角坐標(biāo)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是直接驅(qū)動(dòng)使各運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)作的機(jī)構(gòu)，對(duì)于機(jī)器人的性能的功能影響很大。如果沒有有效的伺服

34、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，無論機(jī)器人具有多高的智能和優(yōu)越的傳感器，也是無濟(jì)于事的。 直角坐標(biāo)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式有三種：液壓、電動(dòng)和氣壓。這三種方式的比較如表3-2給出 表3-2三種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)比較表 項(xiàng)目 液壓 氣動(dòng) 電動(dòng) 輸出力 油液壓力大，抓取重 量可達(dá)100～800kg 壓力較小，抓取重量一般小于30kg 可得到中小程度輸出力抓取重量為1～200kg 傳動(dòng)性能 傳動(dòng)平穩(wěn)，無沖擊，反應(yīng)靈敏，最高速度可達(dá)2m/s 可達(dá)較高的速度，但高速時(shí)沖擊較大 動(dòng)作速度低。最高1m/s 控制性能 可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，達(dá)到較高定位精度

35、 低速時(shí)不易控制，定位精度 步進(jìn)、伺服電機(jī)的定位也較高 使用維護(hù)性能 溫度對(duì)介質(zhì)影響大，間接影響工作性能，會(huì)有不同程度漏油 適合在惡劣條件下工作，排氣噪聲大 使用維護(hù)方便 體積重量 在同樣輸出力的條件下體積小 壓力小，體積大，輸出力小 電機(jī)本身體積小減速裝置體積大 壽命 潤(rùn)滑性能好，壽命長(zhǎng) 空氣無潤(rùn)滑性，壽命短 壽命較長(zhǎng) 應(yīng)用 適于抓取重量較大的機(jī)械手，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 抓取質(zhì)量不易太大，但要求速度快 可適用于程序復(fù)雜運(yùn)動(dòng)要求嚴(yán)格的機(jī)器人 通過以上的比較可以看出，液壓驅(qū)動(dòng)方式具有輸出力大、速度快、易控制、定位精度高的優(yōu)點(diǎn)，但是

36、液壓系統(tǒng)較為復(fù)雜，同時(shí)對(duì)環(huán)境要求高。隨著步進(jìn)、伺服電機(jī)的發(fā)展，電動(dòng)驅(qū)動(dòng)逐漸體現(xiàn)出它的優(yōu)點(diǎn)：動(dòng)力源簡(jiǎn)單、維護(hù)使用方便又便于與計(jì)算機(jī)對(duì)接，能實(shí)現(xiàn)精確控制。鑒于以上的原因，選擇了電伺服驅(qū)動(dòng)的方式。對(duì)于門式直角坐標(biāo)機(jī)器人，采用單邊驅(qū)動(dòng)的方式。 3.3直角坐標(biāo)機(jī)器人外形尺寸的確定 在設(shè)計(jì)之初，設(shè)計(jì)的參數(shù)為0.8mx0.6mx0.3m。搬運(yùn)工作質(zhì)量為1～3kg.根據(jù)以上的設(shè)計(jì)要求初步估算各自由度部件的尺寸，如圖3-1所示： 這里需要指出的是，第一自由度用戶需要的行程800mm而設(shè)計(jì)的長(zhǎng)度近1.3米如果第一處、自由度的跨度較大，則需要第二自由度的跨度相應(yīng)增大，以減小阻力矩的影響。所以第一自由度的跨度為

37、800mm,第二自由度的跨度為300mm。經(jīng)驗(yàn)表明，如果采用單邊驅(qū)動(dòng)方式，則相鄰自由度跨度之比小于3∶1。 圖3-1結(jié)構(gòu)尺寸 3.4傳動(dòng)部件、驅(qū)動(dòng)部件類型及主要參數(shù)的選擇 3.4.1傳動(dòng)部件參數(shù)的選擇 由于選擇了選擇了滾珠絲杠和同步帶傳動(dòng)方式，應(yīng)設(shè)計(jì)滾珠絲杠和同步帶的主要參數(shù)。在計(jì)算之前，先將各自由度的負(fù)載估算臺(tái)下：第一自由度負(fù)載80kg；第二自由度負(fù)載50kg；第三自由度負(fù)載20kg。 （1）第一自由度傳動(dòng)部件的選擇： 第一自由度帶所受到的力主要上摩擦力，由第一自由度的負(fù)載估算為80kg，在這里估算所受力為60N，要求帶傳動(dòng)的最高速度為

38、0.5m/s，傳送的功率估計(jì)為500W，帶輪轉(zhuǎn)速100r/min。 1）設(shè)計(jì)功率 由表[4，14.1-55]查得 2）選定帶型和節(jié)距 根據(jù)，由圖[4,14.1-14]確定為 H型，節(jié)距 3）確定小帶輪齒數(shù) 根據(jù)帶型H和小帶輪轉(zhuǎn)速由表[4，14.1-56]查得小帶輪的最小齒數(shù)在這里取 4）小帶輪節(jié)圓直徑 由表[4，14.1-60]查得其外徑 5）在這里大帶輪和小帶輪相同，傳動(dòng)比為1因此大帶輪的外徑與小帶輪相同所以有 6）帶速v 7）初定軸間距 取 8）確定帶長(zhǎng)及齒數(shù) 由表[4，14.

39、1-51]查得帶長(zhǎng)代號(hào)為1100的H型同步帶，其節(jié)線長(zhǎng)，節(jié)線長(zhǎng)上的齒數(shù)。 9）實(shí)際軸間距a 10）小帶輪嚙合齒數(shù) 11）基本額定功率 由表[4，14.1-58]查得， 12）計(jì)算帶寬 由表[4，14.1-57]查得H型帶 由表[4，14.1-52]查得，應(yīng)選帶寬代號(hào)為300的H型帶，其 13）帶輪結(jié)構(gòu)和尺寸 傳動(dòng)選用的同步帶為1100H300； （2）第二自由度傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì) 為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的步驟，第二自由度的負(fù)載小于第一自由度的負(fù)載，在這里估算所受力為60N，要求帶傳動(dòng)

40、的最高速度為0.4m/s，傳送的功率為400W，帶輪轉(zhuǎn)速100r/min。 1）設(shè)計(jì)功率 由表[4，14.1-55]查得 2）選定帶型和節(jié)距 根據(jù)，由圖[4,14.1-14]確定為 H型，節(jié)距 3）確定小帶輪齒數(shù) 根據(jù)帶型H和小帶輪轉(zhuǎn)速由表[4，14.1-56]查得小帶輪的最小齒數(shù)在這里取 4）小帶輪節(jié)圓直徑 由表[4，14.1-60]查得其外徑 5）在這里大帶輪和小帶輪相同，傳動(dòng)比為1因此大帶輪的外徑與小帶輪相同所以有 6）帶速v 7）初定軸間距 取 8）確定帶長(zhǎng)及齒數(shù) 由表[4

41、，14.1-51]查得帶長(zhǎng)代號(hào)為840的H型同步帶，其節(jié)線長(zhǎng)，節(jié)線長(zhǎng)上的齒數(shù)。 9）實(shí)際軸間距 10）小帶輪嚙合齒數(shù) 11）基本額定功率 由表[4，14.1-58]查得， 12）計(jì)算帶寬 由表[4，14.1-57]查得H型帶 由表[4，14.1-52]查得，應(yīng)選帶寬代號(hào)為300的H型帶，其 13）帶輪結(jié)構(gòu)和尺寸 傳動(dòng)選用的同步帶為840H300； （3）第三自由度傳動(dòng)部件設(shè)計(jì) 由于第三自由度為豎直方向，通過對(duì)傳動(dòng)部件的分析，不適合采用帶傳動(dòng)，因此，采用絲杠傳動(dòng)，絲杠的軸

42、向力為第三自由度負(fù)載的全部作用力，于是，絲杠的軸向載荷為200N。必要的條件為：絲杠載荷；電機(jī)最大轉(zhuǎn)速n=3000r/min；絲杠導(dǎo)程=10mm；當(dāng)量轉(zhuǎn)速（考慮在運(yùn)動(dòng)過程中，軸向載荷較小，電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，這里簡(jiǎn)化取當(dāng)量轉(zhuǎn)速為1500r/min）；當(dāng)量負(fù)載（根據(jù)運(yùn)動(dòng)中負(fù)載不變和原則）。 1） 計(jì)算動(dòng)負(fù)載[5] 由公式 其中：壽命系數(shù)， 轉(zhuǎn)速系數(shù)， 要求壽命，=3001610＝48000h 綜合系數(shù)， 其中：查表3-3得；查表3-4得；查表3-5得；查表3-6得；查表3-7得 表3-3溫度系數(shù) 工作溫度 小于100 125 1

43、50 175 200 225 250 1 0.95 0.90 0.85 0.80 0.75 0.70 表3-4硬度系數(shù) 硬 度 》58 55 52.5 50 47.5 45 40 1.0 1.11 1.35 1.56 1.92 2.4 3.85 表3-5精度系數(shù) 精度等級(jí) 1、2、3 4、5 7 10 1.0 0.9 0.8 0.7 表3-6負(fù)載性質(zhì)

44、系數(shù) 負(fù)荷性質(zhì) 無沖擊平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn) 一般運(yùn)動(dòng) 有沖擊和振動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn) 1-1.2 1.2-1.5 1.5-2.5 表3-7可靠性系數(shù) 可靠度 90 95 96 97 98 99 1.00 0.62 0.53 0.44 0.33 0.21 經(jīng)計(jì)算，得 因此得到 選用RNBS標(biāo)準(zhǔn)型螺帽精度轉(zhuǎn)造滾珠絲杠副，其型號(hào)為RNBS2510A，其額定動(dòng)載荷為3.24KN>2.1KN，符合要求 根據(jù)

45、豎直方向的工作行程為300mm，選用標(biāo)準(zhǔn)螺桿長(zhǎng)度500mm的滾珠絲杠副。 2） 不發(fā)生共振臨界轉(zhuǎn)速校核： 式中 E—材料的拉、壓彈性模量，鋼的 J—絲杠軸最小截面慣性矩（）； A—絲杠軸最小截面面積； —臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度（m）； ρ—材料密度鋼的； —安全系數(shù)，取=0.8； 將E、J、A、ρ、的值代入得 其中：查表3-8得：=3.927， 由滾珠絲杠副參數(shù)知：絲杠螺紋底徑mm 臨界轉(zhuǎn)速長(zhǎng)度：mm 經(jīng)計(jì)算得， 符合要求

46、 表3-8支撐方式系數(shù) 支撐方式 一端固定一端自由 一端固定一端游動(dòng) 兩端固定 0.25 2.00 4.00 1.875 3.927 4.730 適應(yīng)范圍 低速短軸垂直安裝 中速、較高精度 高速、高精度、高剛度 3） 臨界壓縮載荷校核： 不發(fā)生失穩(wěn)的最大壓縮載荷，以表示，按歐拉公式計(jì)算 式中 E、J、—含義同上； —最大受壓長(zhǎng)度（m）； —絲杠支承方式系數(shù)；

47、 —安全系數(shù)，取=； 將E、J、、π的值代入上式可簡(jiǎn)化得 其中：查表3-8得：=2.00， 由滾珠絲杠副參數(shù)知：絲杠螺紋底徑mm 臨界轉(zhuǎn)速長(zhǎng)度：mm 經(jīng)計(jì)算得15.2KN， 符合要求。 3.4.2驅(qū)動(dòng)部件的選擇 （1）控制電機(jī)的概述 隨著自動(dòng)控制系統(tǒng)和計(jì)算裝置的，在普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生出多種具有特殊性能的小功率電機(jī)，它們?cè)谧詣?dòng)控制系統(tǒng)和計(jì)算裝置中分別作為執(zhí)行元件、檢測(cè)元件和解算元件，這種電機(jī)統(tǒng)稱為控制電機(jī)?？刂齐姍C(jī)與普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)的基本工件原理沒有本質(zhì)上的區(qū)別，但普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)著重于對(duì)起動(dòng)和運(yùn)

48、行狀態(tài)力能指標(biāo)的要求，而控制電機(jī)則著重于特性的高精度和快速響應(yīng)。 控制電機(jī)的輸出功率一般較小，通常從數(shù)百毫瓦到數(shù)百瓦，系列產(chǎn)品的機(jī)殼外徑一般由12.5mm到130mm，重量從數(shù)十克到數(shù)千克，這類電機(jī)也稱微電機(jī)或微控電機(jī)。在大功率的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，有些控制電機(jī)的輸出功率也可達(dá)數(shù)十千瓦，機(jī)殼外徑達(dá)數(shù)百毫米。[5] 控制電機(jī)已成為現(xiàn)代機(jī)電一體化的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)以及軍事裝備中必不可少的重要元件。它與一些典型環(huán)節(jié)進(jìn)行適當(dāng)組合，就可以構(gòu)成不同用途的伺服系統(tǒng)和解算元件。 控制電機(jī)的用途與分類如下表表示 表3-9電機(jī)的分類與用途

49、 電機(jī)名稱 用 途 交、直流伺服電動(dòng)機(jī) 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩與信號(hào)電壓成正比，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的增加而均勻下降。在系統(tǒng)中，通過齒輪帶動(dòng)負(fù)載，作為執(zhí)行元件 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 定子上有多相繞組，由專門電源供給電脈沖。角位移與接受的電脈沖數(shù)楊正比，轉(zhuǎn)速與每秒電脈沖數(shù)成正比。一般須開環(huán)系統(tǒng)中作執(zhí)行元件 力矩電動(dòng)機(jī) 能長(zhǎng)期在堵轉(zhuǎn)矩狀態(tài)下工作，低速運(yùn)行時(shí)，能產(chǎn)生足夠大的轉(zhuǎn)矩。在系統(tǒng)中作用直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載的執(zhí)行元件 電機(jī)擴(kuò)大機(jī) 用輸入端較小的功率變化來控制輸出端較大的功率變化。在系統(tǒng)中作用功率放大元件 低速電動(dòng)機(jī) 不

50、需齒輪減速，每分鐘公僅可轉(zhuǎn)數(shù)十轉(zhuǎn)。其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，起動(dòng)、停止快。通入交流電可低速旋轉(zhuǎn)，通過脈沖可步進(jìn)運(yùn)轉(zhuǎn)。在系統(tǒng)中可作為直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載的執(zhí)行元件 由上述可知，第一、二自由度的電機(jī)選用步進(jìn)電機(jī)，第三自由度選用伺服電機(jī)。由第一自由度的受力及帶輪的尺寸可知，所需轉(zhuǎn)矩為T=2.18Nm,在考慮振動(dòng)、波動(dòng)、過載等因素等，取電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩1.5T，選擇永磁感應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)其型號(hào)為110BYG450A,[5，1.2-22]步進(jìn)角1.8度，最大轉(zhuǎn)矩10.3Nm。由于第二自由度的負(fù)載小于第一自由度負(fù)載，為了使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，第二自由度采用同樣型號(hào)的電機(jī)。 第三自由度采用絲杠傳動(dòng)，所以軸向力即為負(fù)載的重力。驅(qū)動(dòng)力就

51、主要由三部分組成，即個(gè)載荷產(chǎn)生的摩擦力矩、絲杠副預(yù)緊力摩擦力矩、慣性力矩。 （1）外載荷產(chǎn)生的摩擦力矩 其中：—軸向載荷； —預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率。對(duì)1、2、3級(jí)精度絲杠副，取0.9；4級(jí)以下精度取0.85； （2）絲杠副預(yù)緊力摩擦力摩擦力矩 其中：—基本導(dǎo)程； —預(yù)加載荷； （3）慣性力矩 其中：—折合到電動(dòng)機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； —電動(dòng)機(jī)當(dāng)量轉(zhuǎn)速； —加速時(shí)間； 折合轉(zhuǎn)動(dòng)慣量按下式計(jì)算： 其中：—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

52、 —各轉(zhuǎn)動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； —各轉(zhuǎn)動(dòng)件角速度； —各直線運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量； —各直線運(yùn)動(dòng)件的速度； 由上式可得到，外載荷產(chǎn)生的摩擦力矩=0.37Nm；絲杠副預(yù)緊力摩擦力摩擦力矩=0.04Nm；其中；第三自由度總負(fù)載估算20kg；的確定需要作軌跡規(guī)劃。 直角坐標(biāo)機(jī)器人的軌跡規(guī)劃： 由于直線導(dǎo)軌的運(yùn)行距離較長(zhǎng)，做拋物線—直線—拋物線形式的軌跡規(guī)劃。[6] 圖3-2軌跡規(guī)劃圖 如上圖可知加速度是不變的，則加加速時(shí)間為最快速度與加速度之比。取加速度為0.2

53、g，則上長(zhǎng)時(shí)間為0.255s. 于是得慣性轉(zhuǎn)矩 于是驅(qū)動(dòng)力矩 在綜合考慮其它因素的影響，取電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩1.5選交流伺電機(jī)60CB系列，其型號(hào)為：60CB020C 功率200W 轉(zhuǎn)矩0.64Nm。同時(shí)加PLS80精密行星減速器減速比。 3.5其它輔助部件的設(shè)計(jì) 3.5.1直線導(dǎo)軌的選擇 1）導(dǎo)軌類型的選擇原則 ①精度互不干涉原則：導(dǎo)軌的各項(xiàng)精度制造和使用時(shí)互不影響才易得到較高的精度。如矩形導(dǎo)軌的直線性與側(cè)面導(dǎo)軌的直線性在制造進(jìn)互不影射；又如平—V導(dǎo)軌的組合，上導(dǎo)軌（工作臺(tái)）的橫向尺寸的變化不影射導(dǎo)軌的工作精度。 ②靜、動(dòng)摩擦系數(shù)相接近的原則：例如選用滾動(dòng)導(dǎo)軌或塑料導(dǎo)軌，由于

54、摩擦系數(shù)小且靜、動(dòng)摩擦系數(shù)相近，所以可獲得低的運(yùn)動(dòng)速度和很高的重復(fù)定位精度。 ③導(dǎo)軌能自動(dòng)貼合的原則；要使導(dǎo)軌精度高，必須使相互結(jié)合的導(dǎo)軌有自動(dòng)貼合的性能。對(duì)水平位置工作的導(dǎo)軌，可以靠工作臺(tái)的自重來貼合；其他導(dǎo)軌靠附加的彈簧力或者滾輪的壓力使其貼合。 ④移動(dòng)導(dǎo)軌（例如工作臺(tái)）在移動(dòng)過程中，始終全部接觸的原則：也就是固定的導(dǎo)軌長(zhǎng)，移動(dòng)的導(dǎo)軌短。 ⑤對(duì)水平安置的導(dǎo)軌，以下導(dǎo)軌為基準(zhǔn)，上導(dǎo)軌為彈性體的原則：以長(zhǎng)的固定不動(dòng)的下導(dǎo)軌為剛性較強(qiáng)的剛體為基準(zhǔn)，移動(dòng)部件的上導(dǎo)軌為能具有一定變形的彈性體。 ⑥能補(bǔ)償因受力變形和受熱變形的原則：例如龍門式機(jī)床的橫梁導(dǎo)軌，將中間部位制成凸形，以補(bǔ)償主軸箱（或

55、刀架）移動(dòng)到中間位置進(jìn)的彎曲變形。[7] 第一、二自由度的受力主要由徑向的壓力引起的摩擦力，因此，選擇凹形對(duì)稱V形導(dǎo)軌，其有導(dǎo)向精度高，磨損后能自動(dòng)補(bǔ)償，易保存潤(rùn)滑油，高低速均可采用的特點(diǎn)。V形導(dǎo)軌的尺寸為B=20，b=2，α=90。第一、二自由度分別采用四根導(dǎo)軌。第三自由度采用兩根微型直線導(dǎo)軌。 3.5.2滾動(dòng)軸承的選擇 在選擇軸承時(shí)，首先要選擇軸承類型，可以根據(jù)常用標(biāo)準(zhǔn)軸承的基本特點(diǎn)進(jìn)行選擇，同時(shí)在選擇軸承時(shí)還要考慮以下主要因素。 ①軸承的載荷 根據(jù)載荷的大小選擇軸承類型時(shí)，由于滾子軸承中主要元件間是線接觸，宜用于承受較大的載荷，承載后變形也較小。而球軸承中則主要為點(diǎn)接觸，宜用于

56、承受較輕的或中等的載荷，在載荷較小時(shí)，可優(yōu)先選用球軸承。 根據(jù)載荷的方向選擇軸承類型時(shí)，對(duì)于純軸向載荷，一般選用推力軸承。較小的純軸向載荷時(shí)，可選用推力軸承；較大的純軸向載荷可選用推力滾子軸承，對(duì)于純徑向載荷，一般選用深溝球軸承、圓柱滾子軸承或滾針軸承。當(dāng)承受徑向載荷的同時(shí)，還有不大的軸向載荷時(shí)，可行用深溝球軸承或接觸角不大的角接觸球軸承或圓錐滾子軸承；當(dāng)軸向載荷較大時(shí)可選用接觸角較大的角接觸球軸承或圓錐滾子軸承，或者選用向心軸承和推行為軸承組合在一起的結(jié)構(gòu)，分別承擔(dān)徑向載荷和軸向載荷。 ②軸承的轉(zhuǎn)速 在一般轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)速的高低對(duì)類型的選擇不發(fā)生什么影響，只有在轉(zhuǎn)速較高時(shí)，才會(huì)有比較顯著的

57、影響。 ③軸承的調(diào)心性能 當(dāng)軸的中心線與軸承座中心線不重合而有角度誤差時(shí)，或因軸受罰而彎曲或傾斜時(shí)，會(huì)造成軸承的內(nèi)外圈軸線發(fā)生偏斜。這時(shí)采用有一定調(diào)心性能調(diào)心軸承或帶座外球面球軸承。 ④軸承的安裝和拆卸 便于裝拆，也是在選擇軸承類型時(shí)應(yīng)考慮的一個(gè)因素，在軸承座沒有部分面而必須沿軸向安裝和拆卸軸承部件時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇內(nèi)外圈可分離的軸承（如N0000、NA0000、30000等）。[8] 根據(jù)以上的要求可知，由于在本傳動(dòng)中，第一、二自由度分別用帶傳動(dòng)，其承受的軸向力較小，主要承受徑向力為主，因此，對(duì)于第一、二自由度選用深溝球軸承，為了設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化采用相同的型號(hào)；而第三自由度主要心承受軸向載荷為

58、主，所以采用現(xiàn)個(gè)角接觸球軸承對(duì)背安裝。由以上的分析，選用的軸承為6205，7202AC。[9] 3.5.3機(jī)器人拖鏈的選擇 機(jī)器人采用PFP系列拖鏈。其主要參數(shù)如下：內(nèi)腔尺寸：1530外腔尺寸2030彎曲半徑28。拖鏈的長(zhǎng)度L=1000mm。 3.5.4其它部件的設(shè)計(jì) 其它部件都已經(jīng)給出圖紙，可按照?qǐng)D紙加工，其中技術(shù)要求在圖中已注明。 3.6機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.6.1機(jī)械手的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)： （1）手部的工作范圍較大。 （2）該機(jī)構(gòu)為省力機(jī)構(gòu)。 （3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抓取方形物體。 圖

59、3-3機(jī)械手抓取范圍簡(jiǎn)圖 3.6.2機(jī)械手的手部尺寸及抓取范圍 根據(jù)負(fù)載大小，估計(jì)工件的結(jié)構(gòu)尺寸。由于采用直指結(jié)構(gòu)，只能夾取矩形工件。設(shè)工件為鋼質(zhì)，根據(jù)密度可計(jì)算出夾取工件的體積為。機(jī)械手手部抓取范圍如上圖所示。 3.6.3機(jī)械手傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì) 由于機(jī)械手傳動(dòng)裝置的移動(dòng)距離比較短，所以傳動(dòng)選擇滑動(dòng)絲桿的傳動(dòng)裝置。這里取最大的驅(qū)動(dòng)力為300N。 （1）材料的選擇 螺桿45號(hào)鋼，；選擇梯形螺紋 （2）由耐磨性計(jì)算 取ψ=2，對(duì)于梯形螺紋[10] 其中：F—驅(qū)動(dòng)力（N） []—許用壓強(qiáng)（MPa）由表[10，22.4-7]得[P

60、]=8MPa —絲桿中徑（mm） ζ梯形螺紋時(shí)ζ=0.8 經(jīng)過計(jì)算得3.46mm 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的梯形螺紋，查書[10，21.1-14]選擇螺紋的公稱直徑d=20mm,螺距P=2mm，小徑=17.5mm，中徑=19mm （3）自鎖性驗(yàn)算 由公式可知當(dāng)量摩擦角 其中：—當(dāng)量摩擦角 f—摩擦系數(shù)，查表[10，22.4-6]，得f=0.15 α—牙形角，這里α=30 則計(jì)算得當(dāng)量摩擦角=824` 螺紋升角 其中：S—導(dǎo)程（mm）,這時(shí)取單線，則S=P=2mm 經(jīng)計(jì)算可得螺紋升角λ=155` 這里λ<824`，能滿足要求。 （4

61、）螺桿強(qiáng)度計(jì)算 其中：T—傳遞轉(zhuǎn)矩（Nm），=0.51Nm σ—當(dāng)量應(yīng)力（MPa）， 將各參數(shù)代入上式可得σ=1.33MPa，查表[10，22.4-8]得計(jì)算得 [σ]=118-71（MPa）,σ<[σ]滿足要求， 經(jīng)過上述的計(jì)算可知，選用的絲桿可滿足要求，絲桿長(zhǎng)度為80mm.絲母長(zhǎng)度為40mm。 3.6.4機(jī)械手驅(qū)動(dòng)裝置的選擇 機(jī)械手采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，機(jī)械手需要垂直安裝，同上述計(jì)算可知，傳動(dòng)的力矩為0.51Nm，在綜合考慮其它因素的影響，取電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩1.2T，選擇交流伺服電動(dòng)機(jī)，60CB系列，其型號(hào)為：60CB020C,功率200W,轉(zhuǎn)矩0.64N

62、m 3.6.5機(jī)械手其它部件的選擇 機(jī)械手絲桿主要受力為軸向力。所以選擇兩個(gè)角接觸軸承背對(duì)背安裝。其型號(hào)為7202AC。至于其它的附件的設(shè)計(jì)在圖紙中已經(jīng)給出，詳見圖紙。 四 機(jī)器人的校核及結(jié)構(gòu)的可靠性分析 4.1軸承的校核 取第一自由度進(jìn)行軸承校核，工作按每天16小時(shí)每年工作300天，工作10算壽命，可知預(yù)期壽命為48000h，由設(shè)計(jì)手冊(cè)可知，同步帶的預(yù)緊力為1047N，采用深溝球軸承，由受力分析得，每個(gè)軸承所受力為1077N，，根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)[9]，6205軸承的基本額定載荷為，， （1）當(dāng)量動(dòng)載荷P[8] 其中：—載荷系數(shù)，這里取為1.2 —徑向

63、力，=1077N 在這里只考慮徑向力的作用，忽略軸向力作用。 計(jì)算得當(dāng)量動(dòng)載荷為P=1292.4N （2）驗(yàn)算壽命 其中：n—帶輪轉(zhuǎn)速，這里取最大轉(zhuǎn)速為500r/min ，P—基本額定動(dòng)載荷，當(dāng)量載荷。 計(jì)算得73217h>48000h，計(jì)算壽命滿足預(yù)期的壽命，因此軸承可以滿足要求。 4.2各主要功能部件的可靠性分析 直角坐標(biāo)機(jī)器人各個(gè)主要功能部件的選擇與計(jì)算在上一章已經(jīng)做了詳細(xì)的介紹，其間為了確定零部件的型號(hào)曾經(jīng)做了下面的假設(shè)，匯總在表4-1中。在設(shè)計(jì)完成后，經(jīng)過計(jì)算，得到了部件的重量匯總在表4-2中。通過對(duì)兩個(gè)表的對(duì)比可以看出，按

64、假設(shè)選定的各個(gè)部件都可以滿足使用的要求。 表4-1部件估算質(zhì)量表 部件 質(zhì)量 機(jī)械手及負(fù)載 20kg 第二自由度及負(fù)載 70kg 第三自由度及負(fù)載 100kg 表4-2部件實(shí)際質(zhì)量表 部件 質(zhì)量 機(jī)械手及負(fù)載 18kg 第二自由度及負(fù)載 56kg 第三自由度及負(fù)載 71kg 4.3各自由度間連

65、接件的可靠性分析 由于各個(gè)自由度之間都使用螺栓連接，現(xiàn)就連接螺栓進(jìn)行強(qiáng)度校核。各個(gè)自由度的連接都采用受橫向載荷的螺栓組連接，可按下式進(jìn)行校核 其中：f—結(jié)合面間摩擦系數(shù)，取f=0.15 m—為結(jié)合面對(duì)數(shù) —可靠性系數(shù)，取=1.2 —每個(gè)螺栓的軸向載荷 R—外載荷 z—螺栓個(gè)數(shù) 所選取的螺栓的直徑為 其中：；S為安全系數(shù)， 經(jīng)過計(jì)算： 對(duì)于一、二自由度連接螺栓，這里取M8可滿足要求。 對(duì)于二、三自由度連接螺栓，取M8螺栓可滿足要求。 對(duì)于第三自由度和機(jī)械手連接螺栓，取M8可滿足要求

66、。 4.4軸的校核計(jì)算 由軸的受力可知，在此設(shè)計(jì)中，軸的受力不大，在進(jìn)行校核時(shí)采用，彎扭合成強(qiáng)度條件進(jìn)行校核，由帶輪的受力可知，只有在水平面上受到力的作用，而在豎直面上忽略帶輪的作用力，根據(jù)其結(jié)構(gòu)畫出了軸的零件簡(jiǎn)單圖如下圖4-1，其受力結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4-2。 圖4-1軸結(jié)構(gòu)圖 圖4-2受力結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單圖 由帶輪的預(yù)緊力，與工作的拉力可知，圖中，由力與力矩平衡關(guān)系可以得出，此軸的扭矩T由上述計(jì)算可知為T=2180Nmm,根據(jù)上述條件可畫出彎矩圖與扭矩圖如下4-3所示。 圖4-3軸的載荷分析圖 已知軸的彎矩和扭矩后，可以判斷出在圖中所示的B-B截面的左側(cè)為危險(xiǎn)截面，對(duì)此處做彎扭合成強(qiáng)度校核計(jì)算，按第三強(qiáng)度理論計(jì)算應(yīng)力[11] 其中：—軸的計(jì)算應(yīng)力（MPa） M—軸所受的彎矩（Nmm） T—軸所受的扭矩（Nmm） []—對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力時(shí)軸的許用彎曲應(yīng)力，由表[8，15-4]得，=55MPa