畢業(yè)設計（論文）服務機器人手臂關節(jié)結構設計

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1、 摘 要 機械手是一門涉及計算機科學、機械學、電子學、自動控制、人工智能等多個方面的學科，它代表了機電一體化的最高成就。現(xiàn)今，機械手已經運用到各個領域，特別是在裝配作業(yè)方面。在裝配機械手中，平面關節(jié)型裝配機械手（即SCARA型）是應用最廣泛的一種裝配機械手。 本課題提出設計一種服務機械手，用于電子元器件等的裝配，在分析國內外SCARA產品基礎上，經過不同方案的比較，在確定了最優(yōu)方案后通過認真的計算，仔細的校核，使設計結構簡單、運行可靠、經濟合理，能滿足教學實驗等需要，對于更好地熟悉和掌握相關課程具有重要的意義。 本文設計的是一種小型服務裝配機械手，主要對這種機械手進行結構方面的設

2、計。本文設計的SCARA機器人具有以下特點：通用性好、體積小、重量輕、外形美觀、成本低，對其本體的可行方案進行了充分的研究后，設計成具有多個自由度的結構，由機身、大臂、小臂及手腕組成，諧波減速器、齒輪、絲杠螺母等組成了機械手簡單可靠的傳動方案。該電機的多個關節(jié)均采用步進電機驅動，具有控制簡單、成本低的特點。 關鍵詞：工業(yè)機械手 自由度 機器人 Abstract Robot is a kind of science related to many other ones such as computer science, mec

3、hanism, electronics, automation control and artificial intelligence. Now, robots are used in many fields, especially in the aspect of assembly task. It represents the up-most level of mechatronics. Among assembly, plane articulated assemblyrobot (SCARA manipulator) is used most widely. This topic p

4、uts forward designing a kind of assemble robot, used for an assemble electronics component, after analy domestic and international SCARA, the surface of sphere SCARA etc. Through compare with different project. After making sure superior project, though the careful calculation and check.Make design

5、with simple structure,credibility circulate, reasonable cost, can satisfy the teaching experiment etc.. The presented SCARA manipulator in this paper is a pint-sized assembly robot, where the structure of SCARA manipulator is designed. The presented SCARA manipulator in this paper has following cha

6、racters: good universality, small volume, light weight, beautiful appearance and low cost, so the structure of robot is fully considered which has four freedoms and is consisted of comprises base, big arm, small arm and wrist. The simple reliable transmission scheme of SCARA manipulator is composed

7、of harmonic deceleration and gear wheel and feed screw. The four joints are all driven by stepping motors, which has the characters of simple control and low cost. Keyword: Industrial robots Freedom Robot 31 目錄 摘 要 I Abstract II 第1章　緒論 1 第2章 總體方案設計 3 2.1 工業(yè)服務機器手的傳動

8、系統(tǒng)設計 3 2.1.1機械手驅動系統(tǒng)的比較與選擇 3 2.1.2 傳動機構的對比與分析 5 2.2 機械手總體設計方案的比較確定 6 第3章 步進電機的選擇及其校核計算 11 3.1 主要技術參數(shù)確定 11 3.2 各自由度步進電機的選擇 11 3.2.1 第一自由度步進電機的選擇 12 3.2.2 第二自由度步進電機的選擇 13 3.2.3 第三自由度步進電機的選擇 13 3.2.4 第四自由度步進電機的選擇 14 3.2.5 第五自由度步進電機的選擇 14 3.3 第一自由度軸傳動系統(tǒng)的計算與校核 14 3.3.1 第一自由度軸的等效轉動慣量的計算 14 3.

9、3.2 步進電機1的校核 15 3.4 第二自由度軸傳動系統(tǒng)計算與校核 15 3.4.1 第二自由度等效轉動慣量的計算 15 3.4.2 步進電機2的校核 16 3.5 第三自由度軸傳動系統(tǒng)的計算與校核 16 3.5.1 第三自由度等效轉動慣量的計算 16 3.5.2 步進電機3的校核 17 第4章 系統(tǒng)整體的設計與校核 18 4.1 同步齒形帶傳動設計 18 4.1.1求出設計功率 18 4.1.2選擇帶的節(jié)距 18 4.1.3確定帶輪直徑和帶節(jié)線長 18 4.1.4選擇帶長Lp 19 4.1.5近似計算中心距 19 4.1.6進行標準帶寬的選擇 20 4.2

10、各輸出軸的設計 21 4.2.1 機身輸出軸設計 21 4.2.2 大臂輸出軸設計 21 4.2.3 大臂與小臂連接軸設計 21 4.2.4 帶輪軸設計 21 4.2.5 升降軸設計 22 4.3 滾珠絲杠副校核 23 4.3.1 最大工作載荷計算 23 4.3.2 最大動負載C的計算與校核 23 4.3.3傳動效率計算 23 4.3.4剛度計算 24 4.3.5絲杠穩(wěn)定性驗算 24 4.4機械手機身的設計 25 4.5其他部分結構設計 25 第5章 控制系統(tǒng)設計 27 5.1 機器人控制的特點 27 5.2 機器人控制的分類 28 5.2.1 點位控制(PT

11、P)機器人： 28 5.2.2 連續(xù)軌跡控制(CP)機器人： 28 結 論 29 參考文獻 30 致謝 31 第1章　緒論 機器人一詞最早出現(xiàn)于1920年捷克作家Karel Capek的劇本《羅薩姆的萬能機器人》中，捷克的Robota意為“苦力”、“勞役”，是一種人造勞動者，英語Robot由此衍生而來。機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多門學科而形成的高新技術，其本質是感知、決策、行動和交互四大技術的綜合，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用水平是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。機器人工業(yè)已成為世界各國備受關注的產業(yè)

12、。 本文所述機械手主要指服務機械手，即具有操作機(機械本體)、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置，是一種仿人操作、自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的自動化生產設備[2]。 20世紀50年代，在自動機和自動線上出現(xiàn)了可以代替人力傳遞和裝卸工件的機械手，隨后在某些危險作業(yè)領域出現(xiàn)了由操作人員直接控制或遙控的操作機。工業(yè)機器手是在自動操作機基礎上發(fā)展起來的一種能模仿人手臂的某些動作和控制功能，并按照可變的預定程序、軌跡和其他要求，操縱工具實現(xiàn)多種操作的自動化機械系統(tǒng)。 1987年ISO（國際標準化組織）采納了美國機器人協(xié)會（RIA）的建議，給機器人下了定義，即“機器人是一種可反復

13、編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機；或者為了執(zhí)行不同的任務而具有可改編的和可編程的動作的專門系統(tǒng)。我國國家標準GB/T12643-97將工業(yè)機器人定義為“ 工業(yè)機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機[5]?！? 工業(yè)機械手大體按坐標形式即操作機手臂在運動時所取的參考坐標系的形式可分為： (1)直角坐標式 通過沿x-y-z三個互相垂直的直角坐標的移動來實現(xiàn)末端執(zhí)行器（手部）空間位置的改變，即沿x軸的縱向移動，沿y軸的橫向移動和沿z軸的升降。這種機械手的位置精度高，控制無耦合，比較簡單，避障性好，但占空比大（即機器人機構所占空間與動作空間之比），

14、靈活性較差。 (2)圓柱坐標式 通過兩個移動和一個轉動來實現(xiàn)末端執(zhí)行器空間位置的改變。這種機械手的位置精度僅次于直角坐標式，控制簡單，避障性好，但結構龐大，兩個移動軸的設計較復雜，難與其他機械手協(xié)調工作。 (3)球坐標式 又稱極坐標式。機械手手臂運動由1個直線運動和2個轉動所組成，即沿x軸方向的伸縮，繞y軸的俯仰和繞z軸的回轉。機械手體積小，結構緊湊，其位置精度尚可，但避障性差，有平衡問題，位置誤差與臂長成正比，能與其他機械手協(xié)調工作。 (4)關節(jié)坐標式 又稱回轉坐標型，分為垂直關節(jié)坐標和平面（水平）關節(jié)坐標，機械手由立柱和大小臂組成，立柱與大臂通過肩關節(jié)相連接，立柱繞z

15、軸旋轉，形成腰關節(jié)，大臂與小臂形成肘關節(jié)，可使大臂作回轉和俯仰，小臂作俯仰。機械手工作空間范圍大，動作靈活，避障性好，能抓取靠近機座的物體，但位置精度較低，有平衡問題，控制耦合比較復雜，目前應用越來越多。 機械手的驅動裝置用來驅動操作機工作，按動力源的不同可分為電動、液動和氣動三種，其執(zhí)行機構電動機、液壓缸和氣缸可以與操作機直接相連，也可通過齒輪、諧波和鏈條裝置與操作機相連?？刂葡到y(tǒng)用來控制工業(yè)機器人按規(guī)定要求動作，可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。 本課題提出設計一種平面關節(jié)型機械手的模型，這種機械手的結構緊湊，傳動原理簡單而實用，成本低，重量輕，慣性小，精度高且在運行中具有較高的穩(wěn)定性

16、和可靠性。本論文在平面關節(jié)型機械手研制以及相關領域研究成果基礎上，對機械手本體的機械結構進行了設計，在確定了總體設計方案之后對整個機構的傳動系統(tǒng)加以計算與校核。培養(yǎng)了自己獨立設計、計算、分析問題和解決問題的能力，使理論教學與設計實踐緊密結合起來；并且在不斷摸索改進以及指導老師的悉心指導下，使設計的圖紙能接近實際模型制作的要求，滿足相關課程實驗教學的需要。 第2章 總體方案設計 本設計課題要求機械手完成水平面內搬運運動，這包括XY平面運動，以及Z向上下運動。為了完成裝配作業(yè)，還要求手腕具有一定柔順性。這樣一來如果全部運動都設計成由機械手本體來完成

17、，那么必然增加機械手本體復雜性，并會影響機械手位置精度。另一方面，這種機械手通用性差，成本也高[3]。 鑒于上述原因，同時考慮機械手應具有良好的通用性，以保證這個課題完成后，所提供機械手技術，具有較好的產業(yè)化、商品化前景。所以，在設計中，本人把機械手設計成平面關節(jié)式機械手，具有四個自由度：兩個完成水平面內回轉運動，一個完成Z軸上下運動，另一個完成繞Z軸旋轉運動。 圖2-1 機械手結構示意圖 2.1 工業(yè)服務機器手的傳動系統(tǒng)設計 2.1.1機械手驅動系統(tǒng)的比較與選擇 工業(yè)服務機械手的驅動可分為液壓，氣動和電動三種基本類型。 1．液壓驅動 液壓傳動機械手有很大的抓取能力，

18、抓取力可高達上百公斤，液壓力可達7Mpa，液壓傳動平穩(wěn)，動作靈敏，但對密封性要求高，不宜在高或低溫現(xiàn)場工作，需配備一套液壓系統(tǒng)。 液壓驅動有以下特點： （1）輸出功率很大，壓力范圍為50-140N/cm2 （2）控制性能：利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級調速，反應靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。 （3）結構適當，執(zhí)行機構可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅動。功率/質量較大，體積小，結構緊湊，密封問題較大。 （4）液壓系統(tǒng)可實現(xiàn)自我潤滑，過載保護方便，使用壽命長。液壓驅動需配置液壓系統(tǒng)，易產生泄漏而影響運動精度。系統(tǒng)易發(fā)熱，出現(xiàn)故障后較難找出原因。 （5）適用于重載、低速

19、驅動，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機械手、點焊機械手和托運機械手。 2．氣壓驅動 氣壓傳動機械手結構簡單，動作迅速，價格低廉，由于空氣可壓縮，所以工作速度穩(wěn)定性差，氣壓一般為0.7Mpa，因而抓取力小，只有幾十牛到百牛力。 氣壓驅動具有以下特點： （1） 輸出功率大，壓力范圍為48-60N/cm2，最高可達100N/cm2 （2） 控制性能：氣體壓縮性能大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實現(xiàn)高速高精度的連續(xù)軌跡控制。 （3） 結構適當，執(zhí)行機構可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅動。功率/質量比大，體積小，結構緊湊，密封問題小。 （4） 適用于中小負載驅動，精度要求較低的有限點位

20、程序控制機器人，如沖壓機械手本體的氣動平衡和及裝配機械手氣動夾具。 3．電力驅動 這種驅動是目前在工業(yè)機器手中用的最多的一種。早期多采用步進電動機（SM）驅動，后來發(fā)展了直流伺服電動機（DC），現(xiàn)在交流伺服電動機（AC）驅動也開始廣泛應用。上述驅動單元有的直接驅動機構運動，有的通過諧波減速器裝置來減速，結構簡單緊湊。 電動驅動的控制精度高，功率較大，能精確定位，反應靈敏，可實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復雜。適用于中小負載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機械手，如AC伺服噴涂機械手、點焊機械手、弧焊機械手、裝配機械手等。 電力驅動可分為普

21、通交流電動機驅動，交、直流伺服電動機驅動和步進電動機驅動。 各種電機驅動的特點： （1）普通交、直流電動機驅動需加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機械手。 （2）直流伺服電動機：直流伺服電動機具有良好的啟動、制動和調速特性，可很方便地在較寬范圍內實現(xiàn)平滑的無級調速，動態(tài)響應特性和穩(wěn)定性好，可適應頻繁啟動、反向、制動等工作狀況。直流伺服電動機按勵磁方式不同，有永磁式和電磁式之分；按轉速高低及轉子的轉動慣量大小，有高速、小慣量（小慣量直流伺服電動機有多種：無槽電樞直流伺服電動機，繞組鐵芯細長，故轉動慣量小，其功率較大；空心杯轉子直流伺服電動機，轉動慣量很小，靈敏度

22、更高，功率較小；印制繞組直流伺服電動機，可承受頻繁的起動、換向，切率中等。這類電動機的轉子轉動慣量小，電感小，故換向性能好，動態(tài)響應快，快速性能好，低速無爬行）和低速、大慣量（大慣量直流伺服電動機有永磁式和電磁式兩種，其中永磁式用得較多，它的低速性能好，輸出轉矩大，調速范圍寬，轉子慣量大，受負載影響小，故可與絲杠直接連接，承受過載、重載能力強）之分。 （3）交流伺服電動機：交流伺服電動機幾乎具有直流伺服電動機的所有優(yōu)點，且結構簡單，制造、維護簡單，具有調速范圍寬、穩(wěn)速精度高，動態(tài)響應特性更好等技術特點，可達到更大的功率和更高的轉速。隨著計算機控制技術、電子技術的發(fā)展，交流伺服電動機已之

23、泛取代直流伺服電動機。 （4）步進電動機：步進電動機是由電脈沖信號控制的，它可將電脈沖信號轉換成相應的角位移或直線位移，有回轉式和直線式兩種。步進電動機結構簡單、控制簡便、價格較低，但易失步，具有轉子慣量低、反應靈敏、能提供較大的低速轉矩、無漂移、無積累定位誤差等優(yōu)良性能，其控制線路簡單，不需反饋編碼器和相應的電子線路。步進電動機輸出轉角與輸入脈沖個數(shù)成嚴格正比關系，轉子速度主要取決于脈沖頻率，故控制簡便。步進電動機系統(tǒng)主要由步進控制器、功率放大器及步進電動機組成。純硬件的步進電動機控制器由脈沖發(fā)生器、環(huán)形分配器、控制邏輯等組成，它的作用就是把脈沖串分配給步進電動機的各個繞組，使步進電動機按

24、既定的方向和速度旋轉。若采用微機技術，用軟件與硬件相結合，則控制器不僅可在硬件上簡化線路，降低成本，而且又提高可靠性。 綜上所述，本機械手功率不高，轉速不高，又考慮到機械手的特點和步進電機的諸多優(yōu)點，故驅動方案應首選步進電機。 2.1.2 傳動機構的對比與分析 工業(yè)機械手的傳動系統(tǒng)要求結構緊湊、重量輕、轉動慣量和體積小，要求消除傳動間隙，提高其運動和位置精度。工業(yè)機械手傳動裝置除齒輪傳動，蝸桿傳動，鏈傳動和行星齒輪傳動外，還常用滾珠絲杠、諧波齒輪、鋼帶、同步齒形帶和繩輪傳動，以下就是工業(yè)機械手常用的傳動方式及其特點[13]。 （1）滾珠絲杠：傳動效率高，達0.9-0.98，有利于主機的

25、小型化和減輕勞動強度；摩擦力矩小，接觸鋼度高，使溫升及熱變形減小，有利于改善主機的動態(tài)特性和提高工作精度；工作壽命長，傳動無間隙，無爬行傳動精度高，具有很好的高速性能；抗沖擊振動性能差，承受徑向載荷能力差。 （2）同步帶：靠齒嚙合傳動，傳動比準確，傳動效率高，初張緊力最小，瞬間速度均勻，單位質量傳遞的功率最大；與鏈和齒輪傳動相比，噪聲小，不需潤滑，傳動比、線速度范圍大，傳遞功率大；耐沖擊振動較好，維修簡便、經濟。廣泛應用于各種機械傳動。 （3）齒輪傳動：傳動比大、范圍寬；元件少，體積小，重量輕；同時嚙合的齒數(shù)多，承載能力高；且誤差能互相補償，故運動精度高?？刹捎谜{整波發(fā)生器達到無側隙嚙合；

26、運轉平穩(wěn)、噪音低，傳動效率也比較高，且傳動比大時，效率并不顯著下降，但主要零件—柔輪的制造工藝比較復雜。 （4）蝸桿傳動：傳動比大，工作平穩(wěn)，噪聲較小，結構緊湊，在一定條件下有自鎖性，效率低。 綜上所述，由于腕部需進行Z向運動，且受徑向力很小，故選用滾珠絲杠傳動；臂部需穩(wěn)定，高效的傳動，又考慮到結構需簡單易拆卸，以及經濟因素，所以選用同步帶傳動。 日本開發(fā)的平面關節(jié)式裝配機器手是目前使用最廣泛的機械手，它專門用于垂直安裝作業(yè)，如在印刷電路中插入元器件的機械手，所以有四個關節(jié)：三個水平轉動關節(jié)一個垂直滑動關節(jié)就足夠了。機械手能抓取元部件在水平方向定位，在垂直方向進行插入作業(yè)。它的平面轉動關

27、節(jié)可以“放松”使插入元件時可以順著孔的位置作微小調整，具有柔順性，因而稱為在選擇方向具有柔順性的安裝機械手，機械手在水平方向具有順應性，垂直方向上具有很大剛性，適合于裝配作業(yè)使用。如圖1-1所示，兩個水平回轉臂類似人的手臂，若在手部加水平方向的力，θ2軸就會作微小旋轉，順從地移位，這種移位對彈性變形力有吸收作用，從而可方便地進行軸與孔的裝配作業(yè)。 2.2 機械手總體設計方案的比較確定 方案一： 圖2-2 設計方案一 如圖2-2所示：大臂擺動軸由兩級齒形帶減速后驅動，小臂擺動軸同樣用兩級齒形帶減速后驅動。垂直升降軸經一級齒形帶減速后再由齒輪驅動齒條作垂直運動。手部回轉軸直接由步

28、進電動機驅動。其結構設計特點如下： (1)采用步進電動機驅動雖然其動力特性不如直流伺服電動機，但由于該機器人負載較小，速度不高，同時又采用了合適的加減速方案，因而使其能滿足操作要求，并使系統(tǒng)成本大為降低。 (2)第一和第二個自由度均采用兩級齒形帶傳動，這是常用的減速方法，結構緊湊，傳動比恒定，傳動效率較高，功率大，工作可靠，但需占用一定的空間。 (3)升降軸為齒條傳動，基本具備齒輪傳動的特點，為減少驅動功率的消耗，設置了拉力彈簧平衡系統(tǒng)。 (4)根據(jù)裝配作業(yè)的，點位控制即可滿足操作要求。 方案二： 圖2-3 設計方案二 結構特點如下 (1)采用步進電動機驅動雖然其動力特性

29、不如直流伺服電動機，但由于該機器人負載較小，速度不高，同時又采用了合適的加減速方案，因而使其能滿足操作要求，并使系統(tǒng)成本大為降低。 （2）各自由度獨立采用電動機聯(lián)接諧波減速器，設計結構簡單，且具有小體積，大轉矩，高減速比的優(yōu)點。 （3）大小臂結構簡單；第三關節(jié)采用絲杠螺母傳動從而把旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動，并且具有自鎖功能。 方案三： 圖2-4 設計方案三 DD驅動結構特點如下： 電動機直接驅動各自由度的軸，消除了減速裝置。同傳統(tǒng)的電動機伺服驅動相比， DD驅動減少了減速機構，從而減少了系統(tǒng)傳動過程中減速機構所產生的間隙和松動，極大地提高了機械手的精度，同時也減少了由于減速

30、機構的摩擦及傳送轉矩脈動所造成的機械手控制精度降低。而DD驅動由于具有上述優(yōu)點，所以機械剛性好，可以高速高精度動作，且具有部件少、結構簡單、容易維修、可靠性高等特點。 作為DD驅動技術的關鍵環(huán)節(jié)是DD電動機及其驅動器。它應具有以下特性： （1） 出轉矩大：為傳統(tǒng)驅動方式中伺服電動機輸出轉矩的50～100倍。 （2）轉矩脈動?。?DD電動機的轉矩脈動可抑制在輸出轉矩的5％～10％以內。 （3）效率：與采用合理阻抗匹配的電動機（傳統(tǒng)驅動方式下）相比， DD電動機是在功率轉換較差的使用條件下工作的。因此，負載越大，越傾向于選用較大的電動機。 DD驅動的優(yōu)點是摩擦力矩小，機械剛度高，

31、消除間隙，轉子慣性小。存在的問題是：由于由電動機直接驅動，因此使得電動機必須有低轉速高扭矩的要求，這樣的電機在市場上的售價相對比較高。 方案四： 圖2-5 設計方案四 如圖2-6所示：機器人關節(jié)均選用步進電機驅動。大臂轉動采用諧波減速器作為減速機構；小臂轉動采用二級同步齒形帶減速；腕部升降采用絲杠螺母傳動；手腕轉動用步進電機直接驅動。 這個設計方案的特點是：第一個關節(jié)傳動采用的諧波減速器具有小體積，大轉矩，高減速比的優(yōu)點。第二個關節(jié)采用了同步齒形帶的傳動結構，可以獲得較大的輸出轉矩。第三關節(jié)采用絲杠螺母傳動從而把旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動，并且具有自鎖功能。 比較四種

32、方案，方案一結構過于復雜而且空間布局不夠合理，零部件過多，整個裝置有很多齒輪，這就增加了成本，而且加工困難。同時第三自由度采用了齒輪及齒輪齒條傳動，所以需要平衡裝置，不能自鎖。方案二增加了第二自由度處的轉動慣量，使系統(tǒng)平衡性變差。另外，大臂小臂的結構過于單薄，易產生變形。方案三存在的問題是由電動機直接驅動，因此使得電動機必須有低轉速高扭矩的要求，這樣的電機在市場上的售價相對比較高，方案不夠經濟實惠；方案四結構比較簡單，第一自由度采用諧波減速器體積小，重量輕，定位安裝方便，從而節(jié)省了空間，而且減速比大，承載能力大，效率高，噪聲小。同時第二自由度采用的同步齒形帶充分利用了大臂的空間，也使結構更為緊

33、湊。驅動系統(tǒng)方面，驅動裝置全部選用步進電動機，符合設計的要求。傳動系統(tǒng)方面，升降軸絲杠有自鎖功能省去了同類機械手設計中常用的平衡裝置，由于手腕的升降電機放在小臂的頂端，直接與絲杠聯(lián)接，簡化了結構，提高了精度。此外方案四的標準件多，零部件少且容易加工，也降低了成本。綜合考慮，由于方案四傳動鏈簡單，傳動精度高，故選擇此種方案為最終方案。觀察初步設計方案（圖1-5），考慮到小臂懸置于第二自由度軸上，這樣就增加了大臂末端的負重，使得彎矩過大，容易造成整體機構的變形，為了使方案更加完善，本人對設計圖又做了修改如圖1-6，在第二自由度軸上下兩端用兩塊合金板將小臂與大臂連接在一起，從而完成了整體結構的設計。

34、 圖2-6 總體方案 第3章 步進電機的選擇及其校核計算 步進電機可直接實現(xiàn)數(shù)字控制，控制結構簡單，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反饋就能對位置和速度進行控制；位置誤差不會積累；步進電機具有自鎖能力和保持轉矩的能力，這對于控制系統(tǒng)的定位是有利的，適于傳動功率不大的關節(jié)或小型機械手。 3.1 主要技術參數(shù)確定 圖3-1 機械手手臂的重量分布 如圖3-1所示，設各部分的尺寸和重量如下： 1.大臂的第一和第二關節(jié)軸之間的距離為348mm，質量為M1(4kg左右)，重心在距離第一關節(jié)軸143mm處，L1=143mm。 2.小臂的第二和第三關節(jié)軸之間的距離

35、為194mm，質量為M2(1kg左右)，重心在距第二關節(jié)軸97mm處，L2=348+97=445mm。 3.腕部升降裝置及最大物重合計為M3(30kg左右)，重心在距第二關節(jié)軸194mm處，L3=348+194=542mm。L4=97mm(小臂重心距第二關節(jié)軸的水平距離)。L5=194mm(腕部重心距第二關節(jié)軸的水平距離)。 該機械手的基本技術參數(shù)如下： 大臂回轉：， 小臂回轉：， 手腕升降：120mm，30mm/s 手腕回轉：， 大臂小臂連接處回轉：， 負載重量：294N 3.2 各自由度步進電機的選擇 本機械手前兩個自由度是平面旋轉，若軸承是光滑的，則旋轉所需的靜轉矩比

36、較小。因為將臂伸開呈一條直線時轉動慣量最大，所以在旋轉開始時可產生步進電機的轉矩不足。如圖3-1所示，設兩臂及手腕繞各自重心軸的轉動慣量分別為JG1、JG2、JG3，根據(jù)平行軸定理可得繞第一關節(jié)軸的轉動慣量為： J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22+JG3+M3L32 （3.1） 其中：M1，M2，M3分別為4Kg，1Kg，4Kg；L1，L2，L3分別為143mm，445mm，542mm。JG1〈〈M1L12、JG2〈〈M2L22、JG3〈〈M3L32，故可忽略不計，以繞第一關節(jié)軸的轉動慣量為： J1= M1L12+M2L

37、22+M3L32 (3.2) =40.1432+10.4452+40.5422 =1.46kg.m2 同理可得小臂及腕部繞第二關節(jié)軸的轉動慣量： M2=1Kg，L4=97mm；M3=4Kg，L5=194mm。 J2=M2L42+M3L52 (3.3) =10.0972+40.1942 =0.16kg.m2 3.2.1 第一自由度步進電機的選擇 設大臂速度為，則旋轉開始時的轉矩可表示如下： 式中：T - 旋

38、轉開始時轉矩 N.m J – 轉動慣量 kg.m2 - 角加速度rad/s2 使機械手大臂從到所需的時間為：則： (3.4) 若考慮繞機器人手臂的各部分重心軸的轉動慣量及摩擦力矩，則旋轉開始時的啟動轉矩可假定為10N.m，取安全系數(shù)為2，則諧波減速器所需輸出的最小轉矩為： (3.5)選擇諧波減速器： ⑴型號：XB3-50-120 （XB3型扁平式諧波減速器） 額定輸出轉矩：20N.m 減速比：i1=120 設諧波減速器的的傳遞效率為：，步進電機應輸出力矩為：

39、 (3.6) 選擇BF反應式步進電機 型號：55BF003 靜轉矩：0.686N.m 步距角：1.5 3.2.2 第二自由度步進電機的選擇 原理同上，設小臂轉速，角速度從0加到所需加速時間，則同步帶應輸出轉矩為： (3.7) 設安全系數(shù)為2，同步帶減速比i=10，同步帶傳動效率為：（單級傳動）。則電機所需輸出力矩為： (3.8) 選擇反應式步進電機 型號：45BF005Ⅱ 靜

40、轉矩：0.196N.m 步距角： 3.2.3 第三自由度步進電機的選擇 絲杠螺母傳動，實現(xiàn)腕部的升降，設絲杠軸向承載總和為：Q=35N 絲杠基本參數(shù)選擇： 螺距：P=2mm 公稱直徑：d=10mm 摩擦系數(shù)：f=0.1 螺旋升角為: λ=arctgp/πd2=3.834 (3.9) 當量摩擦角為: ρ=tg-1f’=5.911 (3.10) 螺紋阻力矩為：

41、 (3.11) 螺紋所受摩擦力矩： (3.12) 式中:f-摩擦系數(shù),取0.1 Dm-支撐面平均直徑,取螺母內外徑的一半,既(10+40)/2=25mm 絲杠所受力矩為阻力矩與摩擦力矩之和，即： T=T1+T2=0.078N.m (3.13) 安全系數(shù)取2，則電機所需輸出的最小轉矩為： (3.14) 選擇反應式步進電機 型號：70

42、BF003 靜轉矩：0.784N.m 步距角： 3.2.4 第四自由度步進電機的選擇 腕部旋轉直接用步進電機驅動，設手爪及物體的最大當量半徑為R=50mm，則轉動慣量為： (3.15) 式中：m - 手爪及物體總重量，設為30kg，代入數(shù)據(jù)：J3=0.0375kg.m2 設轉速為：，加速時間，得電機輸出轉矩為： (3.16) 選擇電機型號：45BF005Ⅱ 靜轉矩：0.196N.m 步距角：1.5 3.

43、2.5 第五自由度步進電機的選擇 腕部旋轉直接用步進電機驅動，設手爪及物體的最大當量半徑為R=80mm，則轉動慣量為： (3.15) 式中：m - 手爪及物體總重量，設為20kg，代入數(shù)據(jù)：J3=0.064kg.m2 設轉速為：，加速時間，得電機輸出轉矩為： (3.16) 選擇電機型號：45BF005Ⅱ 靜轉矩：0.196N.m 步距角：1.5 3.3 第一自由度軸傳動系統(tǒng)的計算與校核 3.3.1 第一自由度軸的等效轉動慣量

44、的計算 z方向的轉動慣量為 由估算知諧波減速器轉動慣量。從資料查得55BF003步進電機轉子慣量為JD1=0.617kg.cm2。因此，自由度θ1傳動系統(tǒng)上所有慣量折算到電機軸1上的等效轉動慣量: (3.17) 說明：(1)電機軸的轉子慣量和諧波減速器慣量之半（輸入部分）的和；(2)諧波減速器慣量之半（輸出部分）折算到電機軸時除以i2；(3)Z方向上的轉動慣量折算到電機軸時除以i2。根據(jù)初選的i=120，則=3.63kg.cm2。 3.3.2 步進電機1的校核 根據(jù)公式，電機空載啟動力矩為:

45、 (3.18) 因為本設計中第一自由度沒有采用滾珠絲杠副傳動，所以絲杠預緊附加摩擦力矩等于零，即M0=0。設摩擦力矩可忽略不計，則僅剩加速力矩項，即 (3.19) (3.20) 式中：傳動系統(tǒng)各部件慣量折算到電機軸上的總等效轉動慣量=3.63kg.cm2；運動部件最大快進速度；運動部件從靜止啟動加速到最大快進速度所需的時間t=0.1s。所以電機最大轉速為： 則: 所以:

46、 (3.21) 電機名義啟動力矩，三相六拍運行，通過查表得電機最大靜轉矩，所以 Mkq

47、 (3.23) 3.4.2 步進電機2的校核 根據(jù)公式：電機空載啟動力矩為 (3.24) 因為第二自由度沒有采用滾珠絲杠副傳動，所以絲杠預緊附加摩擦力矩等于零，即M0=0。設摩擦力矩可忽略不計，則僅剩加速力矩項，即 式中：傳動系統(tǒng)各部件慣量折算到電機軸上的總等效轉動慣量=16.8kg.cm2；運動部件最大快進速度；運動部件從靜止啟動加速到最大快進速度所需的時間t=0.2s。所以電機最大轉速為：

48、 (3.25) 則: (3.26) 所以: (3.27) 電機名義啟動力矩，三相六拍運行，通過查表得電機最大靜轉矩，所以 (3.28) Mkq

49、.29) 移動質量折算到絲杠軸的等效轉動慣量為： (3.30) 已知移動件質量為=30kg，傳動系統(tǒng)各運動部件慣量折算到電機3軸上的總等效轉動慣量為： （已知傳動比i=1） (3.31) 3.5.2 步進電機3的校核 電機空載啟動力矩為： 其中加速力矩: (3.32) 電機最大轉速為絲杠最大轉速的i倍，即nmax=ins，絲杠最大轉速ns為 ns=vs/p =15r/s=450r/min

50、 (3.33) 所以 ，加速時間t=0.1s，則Mka=2.545N.cm。 絲杠預緊附加摩擦力矩： (3.34) 預緊力FYJ=Fm/3=37.625/3=12.54N；L0=0.2cm；傳動總效率； 杠未預緊時傳動效率：；則M0=0.0949N.cm 空載摩擦力矩很小，設為2M0，即Mkf=2M0=0.1897N.cm 因此，空載啟動力矩： Mkq=2.545+0.0949+0.1897=2.8296N.cm (3.

51、35) 滿足最大靜轉矩校核， 因為第四、第五自由度軸的計算與校核方法類同于第一軸和第二軸，這里從略。 第4章 系統(tǒng)整體的設計與校核 4.1 同步齒形帶傳動設計 由上可知，同步帶輸出轉矩為：0.21N.m，輸出轉速為：，單級傳動效率為：η=85%，傳動比i=10，取安全系數(shù)k=3，則同步帶傳遞功率為： (4.1) 設傳動比分配為：第一級傳動比i1=5，第二級傳動比i2=2。帶輪依次為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ。 Ⅳ輪轉速：n4=15/s=2.5r/min Ⅱ，Ⅲ輪轉速：n2

52、=n3=i2n4=22.5=5 r/min Ⅰ輪轉速:n1=in4=102.5=25r/min 設中心距:L1=100mm，L2=250mm 4.1.1求出設計功率 由文獻查得載荷修正系數(shù)k0=1.6，因未使用張緊輪，又是減速運動，故附加修正系數(shù)均為零，則： (4.2) 4.1.2選擇帶的節(jié)距 由Pd=0.384W和n1=25 r/min，查得帶的節(jié)距代號為XL，對應的節(jié)距為Pb=5.08mm。 4.1.3確定帶輪直徑和帶節(jié)線長 帶輪Ⅰ最小許用齒數(shù)可取10，考慮到制造和安裝等因素，取Z1=13。則:

53、Z2=i1Z1=5Z1=65 (4.3) 根據(jù)標準系列，取Z2=60 同理可得：Z3=17，Z4=40 重新計算傳動比： (4.4) (4.5) (4.6) 由公式可以計算各帶輪的直徑 ，

54、 ， 4.1.4選擇帶長Lp 帶長計算公式： (4.7) 式中：L – 中心距 mm Lp – 帶長 mm d1，d2 – 配合帶輪直徑 mm 代入數(shù)據(jù)計算可得： 同理： 按表選擇最接近算值的標準帶長： Lp1=406.4mm，代號160，齒數(shù)80 Lp2=635mm， 代號250，齒數(shù)125 4.1.5近似計算中心距 (4.8) 式中：

55、 (4.9) L – 中心距 mm Pb – 節(jié)距，這里為5.08mm Zb – 帶齒數(shù)，這里Zb1=80，Zb2=125 Z2、Z1為配合帶輪齒數(shù)，則： M1==55.245mm， L1==103.515mm 取整，則L1=103mm 同理M2=122.555mm， L2=244.401mm 取整，則L2=245mm 4.1.6進行標準帶寬的選擇 1．小帶輪Ⅰ齒數(shù)Z1=13，轉速為n1=25r/min。由內插法得XL型帶的基準寬度bs0=9.5mm，基準額定功率為P0=1.25W 2．計算同步帶傳動的嚙合齒數(shù)Zm

56、 (4.10) 則嚙合系數(shù)為 Kz=1-0.2（6-Zm）=0.8 (4.11) 3．同步帶寬bs (4.12) 選擇標準帶寬bs=7.9mm，代號031 4．確定帶寬系數(shù) (4.13) 5．確定額定功率 (4.14) 額定功率大于設計功率，故帶的傳動能力足夠。 結果整理如下： 兩級同步帶類型均為XL型同步齒

57、型帶 Pb=5.08mm，帶寬bs=7.9mm 一級同步帶齒數(shù)：Zp1=80，帶長：Lp1=402mm，代號160 二級同步帶齒數(shù)：Zp2=125，帶長：Lp2=646.71mm，代號250 各帶輪齒數(shù)：Z1=13，Z2=60，Z3=17，Z4=40 各帶輪節(jié)徑：d1=21.02mm，d2=97.02mm，d3=27.49mm，d4=64.68mm 傳動中心距：L1=103mm，L2=245mm 圖4-1 機械手大臂機構圖 4.2 各輸出軸的設計 各軸的材料均選用45號鋼，已知軸的許用扭剪應力[τ]=30MPa，由

58、許用應力確定的系數(shù)為C=120。 4.2.1 機身輸出軸設計 此軸傳遞扭矩T=20N.m，轉速ω=30/s，則傳遞功率為： (4.15) (4.16) (4.17) 與諧波減速器連接部分軸徑最小，由于它承受了大臂、小臂、腕部及負載所帶來的彎距，另外減速器的軸頸較大，故d的值可取大一些，這里取d=30mm；軸承部分Φ=40mm，軸承選為7208AC GB/292角接觸球軸承，其余根據(jù)結構確定

59、。由于載荷不大，軸承選的較大，強度足夠，這里不再詳算。 4.2.2 大臂輸出軸設計 此軸的設計功率為，轉速ω=15/s，則： (4.18) 最小軸徑在兩臂連接處，有鍵槽，承受一定彎矩，軸徑選用Φ16，軸承部分選用軸徑Φ17其余按結構確定。軸承選為單列角接觸球軸承，型號為7003AC GB/292，另外考慮到此軸的軸向定位，故兩個軸端設計成螺紋狀，通過兩個圓螺母進行軸向的定位與緊固，螺紋直徑為M14，其余根據(jù)結構確定。 4.2.3 大臂與小臂連接軸設計 此軸傳遞扭矩T=8N.m，轉速ω=30/s，則傳遞功率為：

60、 (4.15) (4.16) (4.17) 由于它承受了小臂、腕部及負載所帶來的彎距，故d的值可取大一些，這里取d=25mm；軸承部分Φ=30mm，軸承選為7206AC GB/292角接觸球軸承，其余根據(jù)結構確定。由于載荷不大，軸承選的較大，強度足夠，這里不再詳算。 4.2.4 帶輪軸設計 此軸傳遞的扭矩為： (4.19) 此軸的轉速為ω=30/s

61、，則傳遞功率為： (4.20) (4.21) (4.22) 由于軸上有鍵槽，且承受一定彎矩，故取d=15mm，軸承處軸頸取為Φ=12mm。軸承選為軸承選為單列角接觸球軸承型號為7002AC GB292。 4.2.5 升降軸設計 升降軸上為滾珠絲杠螺母副，故需設計成空心軸，主要承受軸向拉力，取絲杠內徑d=14mm，絲杠外徑D=18mm，用兩光杠與一直線軸承導向，絲杠采用

62、一對面對面角接觸球軸承支撐，軸承部分軸徑選用Φ12，軸承型號為7201AC GB/292。光桿采用Φ5鋼棒，與升降軸同一平面平行放置。 圖4-2 升降軸導向示意圖 已知絲杠傳遞扭矩T=0.078N.m，則光杠所受圓周力 (4.23) 則光杠所受徑向力為 (4.24) 光杠撓度最大值：

63、 (4.25) 式中：L-光杠長度120mm E-彈性模量200Gpa I-慣性矩 將數(shù)據(jù)代入得： (4.26) 由變形量可知，光杠變形較小，剛度足夠。 4.3 滾珠絲杠副校核 滾珠絲杠副初選為外循環(huán)插管式，預緊方式為雙螺母墊片式預緊，導珠管埋入式，公稱直徑dm=10mm，導程（螺距）L0=2mm，螺紋旋向為右旋，定位滾珠絲杠副，精度等級為3級，絲杠螺紋長度157mm，絲杠總長度L=234mm，滾珠絲杠副型號VFC（Z） 1002-2.5 4.3.1 最大工作載荷計算 絲杠軸向承載總和為：Fz=35N，沿Z

64、軸方向，即絲杠軸向。因此，滾珠絲杠副的進給牽引力，即最大工作載荷Fm為Fm=Fz+fFy。設橫向工作載荷為: Fy=0.5 Fz=17.5N (4.27) 導桿和軸套之間的摩擦系數(shù)f=0.15。因此，絲杠最大工作載荷為: (4.28) 4.3.2 最大動負載C的計算與校核 滾珠絲杠最大動負載 (4.29) 式中：L為工作壽命，L=60n

65、t/106；n為絲杠轉速，n=1000v/L0；v為最大切削力條件下的進給速度（m/min），因為最高進給速度vmax=30mm/s=1.8m/min 所以: (4.30) t為額定使用壽命(h)，可取t=15000h；fm為運轉狀態(tài)系數(shù)，無沖擊取1.2。因此， (4.31) (4.32) 查得型號VFC（Z） 1002-2.5的滾珠絲杠副的額定動負載Ca=10470N。Ca>C，可知動負載校核足夠，余度很大。 4.3

66、.3傳動效率計算 (4.33) 根據(jù)初選滾珠絲杠型號從表中查得螺旋升角，摩擦角，則，傳動效率較高。 4.3.4剛度計算 1.絲杠的拉壓變形量: (4.34) 式中：Fm為絲杠的工作載荷(N)；L為滾珠絲杠在支承間的受力長度，取L=157mm；；絲杠底徑d1近似于外徑與滾珠直徑之差，即d1=d-dw，絲杠外徑d=d0-0.2dw，絲杠公稱直徑已知d0=10mm，滾珠直徑dw由表查得dw=1.587mm，因此，絲杠底徑d1=9.682-1.587=8.095mm，截面積。于是拉壓變形量為: (4.35) 該變形量可忽略不計，因工作載荷很小，滾道接觸變形量從略。 2.大臂與小臂連接軸的彎曲變形量: (4.34) 式中：