平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計

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題目： 平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計 姓 名： 指導(dǎo)教師： 專 業(yè)： 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文）I摘 要平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手采用兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)；兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后左右運(yùn)動，而移動關(guān)節(jié)則實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動，它的縱截面為矩形的回轉(zhuǎn)體，縱截面高為移動關(guān)節(jié)的行程長，兩回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的大小決定回轉(zhuǎn)體截面的大小、形狀 [11]。能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。關(guān)鍵詞：機(jī)械手 ，軸承 ，汽缸IIABSTRACTSelective Compliance Assembly Robot Arm have two slew joints and one move joints ; two slew joints control the moving of the front and back left and right , the move joints control the moving of up and down , the vertical section is a rectangle slew , the high of the vertical section is move joints’ journey , the move angle of the two slew joints decide the big and small and figure of the vertical section .Mechanical hand, is also called from begins, auto hand can imitate the manpower and arm's certain holding function, with by presses the fixed routine to capture, the transporting thing 'OR' operation tool's automatic operation installment. It may replace person's strenuous labor to realize the production mechanization and the automation, can operate under the hostile environment protects the personal safety, thus widely applies in departments and so on machine manufacture, metallurgy, electron, light industry and atomic energy.Key words: manipulator, axletree , cylinderIII目 錄摘 要 .IABSTRACT .II第 1 章 總體設(shè)計 11.1 平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人的技術(shù)參數(shù) .21.2 平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) .2第 2 章 結(jié)構(gòu)設(shè)計 32.1 設(shè)計時要注意的問題 .32.2 零件的計算 .32.3 夾緊力的 計算 .3第 3 章 移動關(guān)節(jié)的設(shè)計計算 63.1 驅(qū)動方式的比較 63.2 汽缸的設(shè)計 7第 4 章 小臂設(shè)計 94.1 設(shè)計時注意的問題 .94.2 小臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計 94.3 軸的設(shè)計計算 .104.4 軸承的選擇 .104.5 軸承摩擦力矩的計算 114.6 驅(qū)動選擇和控制 .12第 5 章 大臂設(shè)計 145.1 結(jié)構(gòu)的設(shè)計 .145.2 軸的設(shè)計計算 .14IV5.3 軸承的選擇 155.4 軸承摩擦力矩的計算 .165.5 伺服系統(tǒng)的選擇和控制 .17第 6 章 機(jī)身設(shè)計 186.1 設(shè)計時注意的問題 .18小 結(jié) 19參考文獻(xiàn) 21致 謝 221第 1 章 總體設(shè)計工業(yè)機(jī)械手是一種模仿人手部分動作，按照預(yù)先設(shè)定的程序，軌跡或其他要求，實(shí)現(xiàn)抓取、搬運(yùn)工件或操作工具的自動化裝置。它在二十世紀(jì)五十年代就已用于生產(chǎn)，是在自動上下料機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種機(jī)械裝置，開始主要用來實(shí)現(xiàn)自動上下料和搬運(yùn)工件，完成單機(jī)自動化和生產(chǎn)線自動化，隨著應(yīng)用范圍的不段擴(kuò)大，現(xiàn)在用來夾持工具和完成一定的作業(yè)。實(shí)踐證明它可以代替人手的繁重勞動，減輕工人的勞動強(qiáng)度，改善勞動條件，提高勞動生產(chǎn)率 [12]工業(yè)機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)類型可分為直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型和關(guān)節(jié)型四種。其中, 由于關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)動作靈活, 操作機(jī)占地面積小, 具有較大的操作空間, 應(yīng)用比較廣泛, 因此, 本文也以多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人作為研究對象。從常規(guī)體系結(jié)構(gòu)的角度來看, 多關(guān)節(jié)機(jī)器人應(yīng)該由機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)( 操作機(jī) ) 、電氣控制系統(tǒng)、作業(yè)環(huán)境以及人機(jī)接口等部分組成。日本開發(fā)的 SCARA 平面關(guān)節(jié)式機(jī)器人是目前使用最廣泛的機(jī)器人。它專門用于垂直安裝作業(yè)，共有四個關(guān)節(jié)：三個水平轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和一個垂直滑動關(guān)節(jié)。機(jī)器人能抓取元部件在水平方向定位，在垂直方向進(jìn)行插入作業(yè)。它的平面轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)可以“放松” ，使插入元件時可以順應(yīng)孔的位置作微小調(diào)整，具有柔順性，但其只能糾正側(cè)向誤差，適合于“上下”安裝的裝配任務(wù)。SCARA 裝配機(jī)器人有較大的工作區(qū)域，使進(jìn)料更容易。平面關(guān)節(jié)型又稱為 SCARA 型，即選擇柔性組合機(jī)器人臂（Selective Compliance Assembly RobotArm） 。 SCARA 型工業(yè)機(jī)器人最早由 Makino 于 20 世紀(jì) 70 年代后期研制成功，是具有選擇柔順性的平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人，其所有轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的軸線都是與立柱平行的，其顯著特點(diǎn)是：運(yùn)動速度快、重合定位精度高。因為其結(jié)構(gòu)的關(guān)系，機(jī)器人在垂直方向剛性很好，但在水平方向卻有較好的柔性，因而有助于插裝作業(yè)，所以 SCARA 型機(jī)器人廣泛應(yīng)用于裝配、搬運(yùn)等行業(yè)領(lǐng)域中，并成了裝配機(jī)器人的主流機(jī)型。SCARA 機(jī)器人為平面關(guān)節(jié)型的機(jī)器人 [9]。總體設(shè)計的任務(wù)：包括進(jìn)行機(jī)械手的運(yùn)動設(shè)計，確定主要工作參數(shù)，選擇驅(qū)動系統(tǒng)和電控系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，最后繪出方案草圖。21.1 平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù)見表 1-1表 1-1機(jī)械手類型 平面關(guān)節(jié)型抓取重量 2.2Kg自由度 3 個（2 個回轉(zhuǎn) 1 個移動）大臂 長 400mm，回轉(zhuǎn)運(yùn)動，回轉(zhuǎn)角 240，異步電機(jī)驅(qū)動 單片機(jī)控制小臂 長 400mm，回轉(zhuǎn)運(yùn)動，回轉(zhuǎn)角 240，異步電機(jī)驅(qū)動 單片機(jī)控制移動關(guān)節(jié) 氣缸驅(qū)動 行程開關(guān)控制手指 氣缸驅(qū)動 行程開關(guān)控制1.2 平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如圖 1.2.1 所示:圖 1.2.1 機(jī)械臂1.底座 2.大臂 3.電機(jī) 4.小臂 5.腕部（回轉(zhuǎn)） 6.腕部（升降）3第 2 章 結(jié)構(gòu)設(shè)計工業(yè)機(jī)械手的手部是用來抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、準(zhǔn)確和牢靠程度都將直接影響到工業(yè)機(jī)械手的工作性能，它是工業(yè)機(jī)械手的關(guān)鍵部件之一 [1]。2.1 設(shè)計時要注意的問題設(shè)計時要注意的問題：(1) 手指應(yīng)有足夠的夾緊力，為使手指牢靠的夾緊工件，除考慮夾持工件的重力外，還應(yīng)考慮工件在傳送過程中的動載荷。(2) 手指應(yīng)有一定的開閉范圍。其大小不僅與工件的尺寸有關(guān)，而且應(yīng)注意手部接近工件的運(yùn)動路線及其方位的影響 [2]。(3) 應(yīng)能保證工件在手指內(nèi)準(zhǔn)確定位。(4) 結(jié)構(gòu)盡量緊湊重量輕，以利于腕部和臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計。(5) 根據(jù)應(yīng)用條件考慮通用性 [4]。2.2 零件的計算 )(0428.102867)(286050314. 922 NvgmGhrRV????????其中 g 取 10取 G=23（N）2.3 夾緊力的計算：2.3.1 GfN?4f 為手指與工件的靜摩擦系數(shù)，工件材料為 40 號鋼，手指為鋼材，查參考文獻(xiàn)[8]表2-5 f=0.15所以 3.815.042????fGN取 N=40（N）驅(qū)動力的計算 ??14tgP?4圖 2.3.1 驅(qū)動力的計算為斜面傾角， ， 為傳動機(jī)構(gòu)的效率，這里為平摩擦傳動，?o15???查參考文獻(xiàn) [8]表 2-2 這里取 0.8592.085??所以 4140?tgP取 p=55(N)2.3.2 活塞手抓重量的估算 )(2310785214.321 NghrG??????r 為桿的半徑，h 為長度，g 取 102.3.3 汽缸的設(shè)計因為氣壓工作壓力較低，對氣動組件的材質(zhì)和精度要求較液壓底，無污染，動作迅速反映快，維護(hù)簡單，使用安全。而且此處作用力不大，所以選氣壓傳動 [5]。汽缸內(nèi)型選擇，由于行程短，選單作用活塞汽缸，借彈簧復(fù)位。汽缸的計算氣壓缸內(nèi)徑 D 的計算按《液壓傳動與氣壓傳動》公式 13-1 ??PDF42?D 為汽缸的內(nèi)徑(m)，P 為工作壓力（Pa）, 為負(fù)載率，負(fù)載率與汽缸工作壓力有關(guān)，取 ，查《液壓傳動與氣壓傳動》表 13-2 由于汽缸垂直安裝，40.? 65.03.??5所以取 P=0.3。 )(16.24)(0.13.041.3546 mPFD??????按《液壓傳動與氣壓傳動》表 13-3 圓整取 32mm.活塞桿直徑 d 的計算一般 ，此選 0.23.02.??Ddmm4.6??按《液壓傳動與氣壓傳動》表 13-4 圓整取 8mm汽缸壁厚 的計算?按《液壓傳動與氣壓傳動》表 13-5 查得 4??彈簧力的 F 的計算 )(231NG??6第 3 章 移動關(guān)節(jié)的設(shè)計計算3.1 驅(qū)動方式的比較機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓驅(qū)動，氣壓驅(qū)動，電機(jī)驅(qū)動，和機(jī)械傳動四種。一臺機(jī)械手可以只用一種驅(qū)動，也可以用幾種方式聯(lián)合驅(qū)動 [3]。各種驅(qū)動的特點(diǎn)見表 3-1。表 3-1驅(qū)動方式電機(jī) 驅(qū)動比較內(nèi) 容 機(jī)械傳動異步電機(jī)，直流電機(jī)步進(jìn)或伺服電機(jī)氣壓傳動 液壓傳動輸出力矩輸出力矩較大 輸出力可較大輸出力矩較小氣體壓力小，輸出力矩小，如需輸出力矩較大，結(jié)構(gòu)尺寸過大液體壓力高，可以獲得較大的輸出力控制性能速度可高，速度和加速度均由機(jī)構(gòu)控制，定位精度高，可與主機(jī)嚴(yán)格同步控制性能較差，慣性大，步易精確定位控制性能好，可精確定位，但控制系統(tǒng)復(fù)雜可高速，氣體壓縮性大，阻力效果差，沖擊較嚴(yán)重，精確定位較困難，低速步易控制油液壓縮性小，壓力流量均容易控制，可無級調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制體積 當(dāng)自由度多時，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，體積液較大要油減速裝置，體積較大體積較小 體積較大 在輸出力相同的條件下體積小維修使用維修使用方便 維修使用方便維修使用較復(fù)雜維修簡單，能在高溫，粉塵等惡劣環(huán)境種使用，維修方便，液體對溫度變化敏感，油液泄漏易著火7泄漏影響小應(yīng)用范圍適用于自由度少的專用機(jī)械手，高速低速均能適用適用于抓取重量大和速度低的專用機(jī)械手可用于程序復(fù)雜和運(yùn)動軌跡要求嚴(yán)格的小型通用機(jī)械手中小型專用通用機(jī)械手都有中小型專用通用機(jī)械手都有，特別時重型機(jī)械手多用成本結(jié)構(gòu)簡單，成本低，一般工廠可以自己制造成本低成本較高結(jié)構(gòu)簡單，能源方便，成本低液壓元件成本較高，油路也較復(fù)雜3.2 汽缸的設(shè)計因為氣壓工作壓力較低，對氣動組件的材質(zhì)和精度要求較液壓底，無污染，動作迅速反映快，維護(hù)簡單，使用安全。而且此處作用力不大，所以選氣壓傳動 [6]。汽缸內(nèi)型選擇：因為活塞行程較長，往復(fù)運(yùn)動，所以選雙作用單活塞汽缸，利用壓縮空氣使活塞向兩個方向運(yùn)動。初選活塞桿直徑 d=12mm，估算其重量 )(85.41075.0)21.(4.3)2( NghdG??????取 5N 321??GF取 80N氣壓缸內(nèi)徑 D 的計算按《液壓傳動與氣壓傳動》公式 13-1 ??PdF4)(2??D 為汽缸的內(nèi)徑(m)，P 為工作壓力（Pa）, 為負(fù)載率，負(fù)載率與汽缸工作壓力有關(guān)，取 ，查《液壓傳動與氣壓傳動》表 13-2 由于汽缸垂直安裝，40.? 65.03.??所以取 P=0.3。一般 ，此選 0.33.02.??d8)(54.30)(0.19.034.138091.466 mPFD ?????????按《液壓傳動與氣壓傳動》表 13-3 圓整取 40mm.一般 ，此選 0.3.2.??Ddmm124030???汽缸壁厚 的計算?按《液壓傳動與氣壓傳動》表 13-5 查得 4?汽缸重量的計算 )(7.2310785.0)2.04.(13)(23 NghrRG ????????其中：R 為汽缸外徑， r 為汽缸內(nèi)徑，h 為汽缸長度， g 取 10， 為汽缸材料密度?取 25N3G9第 4 章 小臂設(shè)計臂部是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支撐手部和腕部，主要用來改變工件的位置。手部在空間的活動范圍主要取決于臂部的運(yùn)動形式 [7]。4.1 設(shè)計時注意的問題(1) 剛度要好，要合理選擇臂部的截面形狀和輪廓尺寸，空心桿比實(shí)心桿剛度大的多，常用鋼管做臂部和導(dǎo)向桿，用槽鋼左支撐板，以保證有足夠的剛度 [8]。(2) 偏重力矩要小，偏重力矩時指臂部的總重量對其支撐或回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的力矩。(3) 重量要輕，慣量要小，為了減輕運(yùn)動時的沖擊，除采取緩沖外，力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，以減少慣性力。(4) 導(dǎo)向性要好。4.2 小臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計選 45 號鋼。 ,小臂長為mhbcmbhWy 48,30,8.46,7.85g/cm23 ????400mm。較核： （N）91.0.30.大??G取 120N其受力如圖 4.2.1:圖 4.2.1 小臂的受力圖F=120+105=225（N） ).(62.014.052大1 mNLGFM???????MPaPaWy ][8.)(.763????按《材料力學(xué)》公式 5.11 hbFs23??10其中 h 為鋼的高度，b 為鋼的寬，F(xiàn)s 為所受的力。所以 MPaaFs60][97.023?????所以選 45 號鋼合適。4.3 軸的設(shè)計計算材料為 45 號鋼，受力如圖 4.3.1:圖 4.3.1 大軸的受力驗算：F=660N)(601221 NlMF??????.02cmpaw?)(9.186322mind?????24rF???)(16.3minms???為保證安全，選擇軸直徑 30mm。4.4 軸承的選擇因為上軸承只受徑向，下軸承受軸向力和徑向力，所以選用角接觸球軸承，按參考文獻(xiàn)[8]表 9-6－1（GB 297-84）選 7304E，d=30mm kN2.17c 3.5c0? e=0.3軸承的校核因為此處軸承做低速的擺動，所以其失效形式是，接觸應(yīng)力過大，產(chǎn)生永久性的過大的凹坑（即材料發(fā)生了不允許的永久變形） ，按軸承靜載能力選擇的公式為：11《機(jī)械設(shè)計》13-17 0PSC?其中 為當(dāng)量靜載荷， 為軸承靜強(qiáng)度安全系數(shù)，取決于軸承的使用條件。0P0S按《 機(jī)械設(shè)計 》表 3-8 作擺動運(yùn)動軸承,沖擊及不均勻載荷 , 此處 1.5.5.10??上軸承受純徑向載荷 , )(610NFP??所以 2.7)(95.1600 KCPS???因此軸承合適.下軸承受徑向和軸向載荷, AYRXP00??R 為徑向載荷A 為軸向載荷X Y 分別為徑向軸向載荷系數(shù)，其值按《機(jī)械設(shè)計》表 13－5 查取因為 3.027.6018???eR所以 0YNRAYXP6?所以 )(.1)(95.10KCNS?因此軸承合適小軸承受力很小，所以不用教核4.5 軸承摩擦力矩的計算：如果 （C 為基本額定動載荷，P 為所受當(dāng)量動載荷） ，可按《機(jī)械設(shè)計手冊》10?第二版 (16.1-13)公式:估算FdT?5.0?其中: 為滾動軸承摩擦因數(shù)，F(xiàn) 為軸承載荷，d 為軸承內(nèi)徑。?查表《機(jī)械設(shè)計手冊 》第二版 表 16.1-29 得 01.??，所以也可以用此公式估算102617??PC所以 ).(726.0.6.5.01 MNFdT??查表《機(jī)械設(shè)計手冊 》第二版 表 16.1-29 得 ，013??，所以也可以用此公式估算101827??PC12所以 ).(029525013.5.02 MNFdT?????1897621 （總 ???取 0.14.6 驅(qū)動選擇和控制 因為所需驅(qū)動力小，精度要求不很高，所以選擇控制方便，體積小，重量輕，防護(hù)等級為 IP44,廣泛用在小型機(jī)床、化工、紡織、醫(yī)療器械上的 YS 系列三相異步電動機(jī)。其主要技術(shù)參數(shù)如下：型號：YS8024功率：0.75 轉(zhuǎn)速：1400電流：2電壓：380效率：75.5功率因素：0.75堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩：2.3額定轉(zhuǎn)矩：6堵轉(zhuǎn)電流：6主要尺寸：總長 300mm，凸緣直徑 120mm，電動機(jī)外圓直徑 80mm。該機(jī)械臂采用步進(jìn)電機(jī)做驅(qū)動器件，對機(jī)械臂的運(yùn)動控制也就是對步進(jìn)電機(jī)的分布式控制。它可以采用開環(huán)和閉環(huán)的方式。閉環(huán)控制可以使機(jī)械臂的運(yùn)動和輸入的指令期望的運(yùn)動參數(shù)盡可能的吻合，但是控制部分和機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。開環(huán)控制方式就比較簡單，而且在滿足電機(jī)不失步的情況下，電機(jī)的定位精度很高。因此機(jī)械臂懂得驅(qū)動控制可以采用開環(huán)控制，其開環(huán)控制系統(tǒng)模塊如圖。圖 4.6.1 開環(huán)控制系統(tǒng)模塊13PC 主機(jī)通過 RS232 串口發(fā)送計時器參數(shù)和其他的控制參數(shù)，單片機(jī)控制器按照 PC 發(fā)送的參數(shù)通過驅(qū)動模塊驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械臂的控制。驅(qū)動模塊可以選用集成芯片 UCN5804B，它集成了包括：環(huán)形分配器，電流控制器，保護(hù)電路，放大驅(qū)動電路。結(jié)構(gòu)簡單可靠，同時用戶自己也可以設(shè)計各種電路對電機(jī)進(jìn)行控制驅(qū)動。14第 5 章 大臂設(shè)計5.1 結(jié)構(gòu)的設(shè)計選 45 號鋼。 ,小臂長為 400mm。mhbcmbhWy 60,58,.76,7.85g/cm323 ????較核： （N）27.194.0.85大??G取 140N其受力如圖 5.1.1:圖 5.1.1 大臂的受力圖F=75+120+140=335（N） ).(517624.0).260(75)4.0(12 2大21大21 mNLGLLFM??????? MPaPaWy ][.3)1(.2?????按《材料力學(xué)》公式 5.11 hbFs23??其中 h 為鋼的高度，b 為鋼的寬，F(xiàn)s 為所受的力。所以 MPaaFs60][4.123????所以選 45 號鋼合適。5.2 軸的設(shè)計計算材料為 45 號鋼。其受力如圖 5.2.1:15圖 5.2.1 軸的受力圖驗算： F=1765N)(17650.221 NlMF??????)(.15.762cmpaw?)(.60322mind?????24rFs???)(5.3minm???為保證安全，選擇軸最小直徑 32mm。5.3 軸承的選擇大軸軸承的選擇：因為上軸承只受徑向，下軸承受軸向力和徑向力，所以選用角接觸球軸承，按參考文獻(xiàn)[8]表 9-6－1（GB 297-84）選 7304E，d=50mm e=0.3kN2.17c 3.5c0?軸承的校核因為此處軸承做低速的擺動，所以其失效形式是，接觸應(yīng)力過大，產(chǎn)生永久性的過大的凹坑（即材料發(fā)生了不允許的永久變形） ，按軸承靜載能力選擇的公式為：《機(jī)械設(shè)計》13-17 0PSC?其中 為當(dāng)量靜載荷， 為軸承靜強(qiáng)度安全系數(shù)，取決于軸承的使用條件。按 《機(jī)0P0S械設(shè)計》表 3-8 作擺動運(yùn)動軸承,沖擊及不均勻載荷, 此處 1.5.5.10??上軸承受純徑向載荷, )(17650NF??所以 )(2.17)(.2647.700 KNCPS???16因此軸承合適.下軸承受徑向和軸向載荷, AYRXP00??R 為徑向載荷A 為軸向載荷X Y 分別為徑向軸向載荷系數(shù)，其值按《機(jī)械設(shè)計》表 13－5 查取因為 3.018.765320???eR所以 10YNRAYXP760?所以 )(2.)(.24.0KCS?因此軸承合適小軸承受力很小，所以不用教核5.4 軸承摩擦力矩的計算如果 （C 為基本額定動載荷，P 為所受當(dāng)量動載荷） ，可按《機(jī)械設(shè)計手冊》10?第二版 (16.1-13)公式:估算FdT?5.其中: 為滾動軸承摩擦因數(shù)，F(xiàn) 為軸承載荷，d 為軸承內(nèi)徑。查表《機(jī)械設(shè)計手冊 》第二版 表 16.1-29 得 ，01.??，所以也可以用此公式估算1054.617290??PC所以 ).(9425765 MNFdT???查表《機(jī)械設(shè)計手冊 》第二版 表 16.1-29 得 ，013??，所以也可以用此公式估算106.835270??PC所以 ).(45.02.352 NFdT???3784.9221 M（總 ????取 0.1175.5 驅(qū)動系統(tǒng)的選擇和控制因為所需驅(qū)動力小，精度要求不很高，所以選擇控制方便，體積小，重量輕，防護(hù)等級為 IP44,廣泛用在小型機(jī)床、化工、紡織、醫(yī)療器械上的 YS 系列三相異步電動機(jī)。其主要技術(shù)參數(shù)如下：型號：YS8024功率：0.75 轉(zhuǎn)速：1400電流：2電壓：380效率：75.5功率因素：0.75堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩：2.3額定轉(zhuǎn)矩：6堵轉(zhuǎn)電流：6主要尺寸：總長 300mm，凸緣直徑 120mm，電動機(jī)外圓直徑 80mm。該機(jī)械臂采用步進(jìn)電機(jī)做驅(qū)動器件，對機(jī)械臂的運(yùn)動控制也就是對步進(jìn)電機(jī)的分布式控制。它可以采用開環(huán)和閉環(huán)的方式。閉環(huán)控制可以使機(jī)械臂的運(yùn)動和輸入的指令期望的運(yùn)動參數(shù)盡可能的吻合，但是控制部分和機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。開環(huán)控制方式就比較簡單，而且在滿足電機(jī)不失步的情況下，電機(jī)的定位精度很高。因此機(jī)械臂懂得驅(qū)動控制可以采用開環(huán)控制，其開環(huán)控制系統(tǒng)模塊如圖 4.6.1。圖 4.6.1 開環(huán)控制系統(tǒng)模塊PC 主機(jī)通過 RS232 串口發(fā)送計時器參數(shù)和其他的控制參數(shù)，單片機(jī)控制器按照 PC發(fā)送的參數(shù)通過驅(qū)動模塊驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械臂的控制。驅(qū)動模塊可以選用集成芯片 UCN5804B，它集成了包括：環(huán)形分配器，電流控制器，保護(hù)電路，放大驅(qū)動電路。結(jié)構(gòu)簡單可靠，同時用戶自己也可以設(shè)計各種電路對電機(jī)進(jìn)行控制驅(qū)動。 18第 6 章 機(jī)身設(shè)計機(jī)身是支承臂部的部件，升降，回轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)動機(jī)構(gòu)等都可以裝在機(jī)身上。主要由兩部分組成，外殼和軸承套。外殼材料采用 45 鋼。底座的軸承可以承受軸向和徑向的力，這樣避免了電機(jī)過載。電機(jī)安裝在端蓋上，結(jié)構(gòu)簡單，加工安裝方便，材料用質(zhì)輕強(qiáng)度好的鋁合金。位于軸承套底部的電機(jī)通過對軸的驅(qū)動，從而帶動了和軸固接的大臂的轉(zhuǎn)動。圖 6.1 底座1.軸 2.軸承套 3.軸承 4.外殼 5.緊定螺釘 6.端蓋 7.電機(jī)6.1 設(shè)計時注意的問題(1) 要有足夠的剛度和穩(wěn)定性。(2) 運(yùn)動要靈活，升降運(yùn)動的導(dǎo)套長度不宜過短，否則可能產(chǎn)生卡死現(xiàn)象；一般要有導(dǎo)向裝置。(3)結(jié)構(gòu)布置要合理，便于裝修。由于此設(shè)計要求為三個自由度，所以此處無運(yùn)動要求，只用來支承。只要剛度能滿足就行了，高度可根據(jù)自動線的高低確定。19小 結(jié)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計對整個控制系統(tǒng)的性能有很大的影響，因此其結(jié)構(gòu)的合理與精心設(shè)計是整個控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵之一。在結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計中，還要考慮各部分的彈性變形、摩擦、間隙和傳動誤差等問題。本文設(shè)計的機(jī)械臂機(jī)構(gòu)簡單，較容易控制?？梢詰?yīng)用在機(jī)器人控制試驗和教學(xué)等領(lǐng)域；加上合適的機(jī)械手爪還可以組成控制精度更高、系統(tǒng)更穩(wěn)定的閉環(huán)機(jī)器人控制系統(tǒng)?；诔杀炯熬鹊鹊目紤]，可選擇電位器實(shí)現(xiàn)位置的反饋。如今 SCARA 機(jī)器人還廣泛應(yīng)用于塑料工業(yè)、汽車工業(yè)、電子產(chǎn)品工業(yè)、藥品工業(yè)和食品工業(yè)等領(lǐng)域。它的主要職能是搬取零件和裝配工作。它的第一個軸和第二個軸具有轉(zhuǎn)動特性，第三和第四個軸可以根據(jù)工作的需要的不同，制造成相應(yīng)多種不同的形態(tài)，并且一個具有轉(zhuǎn)動、另一個具有線性移動的特性。由于其具有特定的形狀，決定了其工作范圍類似于一個扇形區(qū)域。隨著計算機(jī)技術(shù)，微電子技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，裝配機(jī)器人也得到飛速發(fā)展。當(dāng)前國際機(jī)器人界都在加大科研力度，進(jìn)行機(jī)器人共性技術(shù)的研究，并朝著智能化，多樣化方向發(fā)展。一些公司通過有限元分析，模態(tài)分析及仿真設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法的運(yùn)用，機(jī)器人操作機(jī)已實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計。以德國 KUKA 公司為代表的機(jī)器人公司，已將機(jī)器人并聯(lián)平行四邊形結(jié)構(gòu)改為開鏈結(jié)構(gòu)，拓展了機(jī)器人工作范圍，加之輕質(zhì)鋁合金材料的應(yīng)用，大大提高了機(jī)器人性能；同時機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化可重構(gòu)化發(fā)展，例如關(guān)節(jié)模塊中伺服電機(jī)，減速器，監(jiān)測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊，連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)，國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問世。由于機(jī)器人技術(shù)發(fā)展水平的不平衡，各個國家對機(jī)器人發(fā)展有不同理解，但從技術(shù)先進(jìn)性來看，在這一領(lǐng)域，代表國際發(fā)展趨勢的裝配機(jī)器人研究方向主要有：直接驅(qū)動裝配機(jī)器人：傳統(tǒng)機(jī)器人都要通過減速裝置達(dá)到降速并提高輸出力矩，這些傳動鏈會增加系統(tǒng)功耗,慣量，誤差等，并降低系統(tǒng)可靠性。為了減少關(guān)節(jié)慣性，實(shí)現(xiàn)高速，精密，大負(fù)載及高可靠性，一種趨勢是采用高扭矩低速電機(jī)直接驅(qū)動。智能裝配機(jī)器人：裝配機(jī)器人的一個目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)工作自主，因此要利用知識規(guī)劃，專家系統(tǒng)等人工智能研究領(lǐng)域成果，并開發(fā)出智能型自主移動裝配機(jī)器人，能在各種裝配工作站工作。并聯(lián)機(jī)器人：傳統(tǒng)機(jī)器人采用連桿和關(guān)節(jié)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，而并聯(lián)機(jī)器人具有非累積定位20誤差，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的分布得到改善，結(jié)構(gòu)緊湊，剛性提高，承載能力增加等優(yōu)點(diǎn)，而且其逆位置問題比較直接，奇異位置相對較少，所以近些年倍受重視。協(xié)作裝配機(jī)器人：隨著裝配機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，對裝配機(jī)器人也提出一些新要求。如多機(jī)器人之間的協(xié)作，同一機(jī)器人雙臂的協(xié)作，甚至人與機(jī)器人的協(xié)作，這對于重型或精密裝配任務(wù)非常重要?？梢灶A(yù)見的是，當(dāng)機(jī)器人正在深入到自動化生產(chǎn)的各個領(lǐng)域中時，SCARA 機(jī)器人還將繼續(xù)領(lǐng)帶潮流。21參考文獻(xiàn)[1]周伯英.《工業(yè)機(jī)器人設(shè)計》[M] . 機(jī)械工業(yè)出版社， 1995，45-46[2]龔振幫.《機(jī)器人機(jī)械設(shè)計》[M]. 電子工業(yè)出版社 ，1995，222-224[3]藤森洋三.《機(jī)構(gòu)設(shè)計》[M] .機(jī)械工業(yè)出版社 ，1990，119-120[4]加藤一郎.《機(jī)械手圖冊》[M].上海科技出版社 ，1989，33-35[5]成大先.《機(jī)械設(shè)計圖冊》 （5）[M] .化學(xué)工業(yè)出版社 ，1999，88-90[6]劉鴻文.《材料力學(xué)》[M] .高等教育出版社 ，1991，77-81[7]濮良貴 紀(jì)名剛.《機(jī)械設(shè)計》[M] .高等教育出版社 ，1995，56-78[8]周開勤.《機(jī)械零件手冊》 [M] .高等教育出版社 ，1993，34-44[9]許果，王峻峰等.一種基于 SCARA 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].機(jī)器人技術(shù)，2005， （4）：65-66[10]付宜利,潘博,李康. 內(nèi)窺鏡操作機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及運(yùn)動學(xué)仿真[J]. 機(jī)械設(shè)計，2007，(01)：62-65[11]陳曉勇. 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 機(jī)械研究與應(yīng)用，2004，(01)，17（1）：53-54[12]張衛(wèi)鋒,樊炳輝. 新型變形移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析[J]. 現(xiàn)代機(jī)械，2006，(05)：66-67[13]陳曉勇. 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 四川工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2004，(01)，23（1）：20-21[14]Amir-A. 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Dulger, “ CONTROL OF A SCARA ROBOT: PSO-PID APPROACH“, Control and Intelligent Systems, 2010, 38(1)22致 謝畢業(yè)設(shè)計是學(xué)生綜合學(xué)習(xí)的一個難得機(jī)會，同時也是檢驗我這幾年學(xué)習(xí)水平的一次機(jī)會。在這次做畢業(yè)設(shè)計的過程中，我獲益匪淺。它讓我把大學(xué)幾年來所學(xué)的知識做了一次系統(tǒng)的復(fù)習(xí)，把之前有所遺忘的知識又加深了印象，對于專業(yè)知識的掌握更加牢靠，同時由于每個人做的題目都不相同，每個人必須學(xué)會自主學(xué)習(xí)，研究，提高了我獨(dú)立分析問題和解決問題的能力，也使我學(xué)會怎樣更好的利用圖書館，網(wǎng)絡(luò)查找資料和運(yùn)用資料，還使我學(xué)會如何與同學(xué)共同討論問題。但是在設(shè)計過程中也遇到很多問題，如設(shè)計綜合考慮不夠周全，還有一些細(xì)節(jié)方面考慮不夠仔細(xì)。不過通過反復(fù)的修改和改進(jìn)，我對設(shè)計的認(rèn)識有了進(jìn)一步的提高，這對我以后的工作有很大的幫助,今后我會在工作中不斷的學(xué)習(xí),努力的提高自己的水平。