《多關(guān)節(jié)SCARA四軸機(jī)器人底座設(shè)計(jì)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《多關(guān)節(jié)SCARA四軸機(jī)器人底座設(shè)計(jì)（32頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 課程名稱：機(jī)械綜合應(yīng)用設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目： 多關(guān)節(jié) SCARA四軸機(jī)器人 底座部分設(shè)計(jì) 院 系： 專業(yè)班級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 姓 名： 指導(dǎo)教師：

2、 年 月 日 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 專 業(yè) 姓  名  學(xué) 號(hào) 開題日期 ：年月日  完成日期：  年月日 題 目  多關(guān)節(jié)  SCARA四軸機(jī)器人底座部分設(shè)計(jì) 一、設(shè)計(jì)的目的 通過本次設(shè)計(jì)了解并熟悉設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)步驟； 熟悉并掌握多關(guān)節(jié) SCARA四軸機(jī)器人底座部分驅(qū)動(dòng)部分、傳動(dòng)部分的元器件；熟悉并掌握多關(guān)節(jié) SCARA四軸機(jī)器人底座部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建模并進(jìn)行校核。

3、 二、設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求 設(shè)計(jì)多關(guān)節(jié) SCARA四軸機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方案和傳動(dòng)方案；通過計(jì)算選出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳動(dòng)裝置； 實(shí)現(xiàn)多關(guān)節(jié) SCARA四軸機(jī)器人底座部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，給定具體尺寸并實(shí)現(xiàn)建模，最后給出整體裝配和底座部分工程圖； 選擇關(guān)鍵零件部位進(jìn)行強(qiáng)度校核并說明尺寸參數(shù)。 三、指導(dǎo)教師評(píng)語 四、成 績 指導(dǎo)教師 ( 簽章) 年 月 日 摘要 平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人，即 SCARA（Selec

4、tively Compliance Assembly Robot Arm 選擇性裝配關(guān)節(jié)機(jī)器臂）型，是一種由四個(gè)自由度（三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，一個(gè)移動(dòng)自由 度）組成的平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人。 它的前兩個(gè)關(guān)節(jié)可以在水平面上左右自由旋轉(zhuǎn)。第三個(gè)關(guān)節(jié)由一個(gè)金屬桿和夾持 器組成，該金屬桿可以在垂直平面內(nèi)向上和向下移動(dòng)或圍繞其垂直軸旋轉(zhuǎn)，但不能傾 斜。這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)使四軸機(jī)器人具有很強(qiáng)的剛性， 可控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)高速點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)，  ， 空間直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，空間圓弧插補(bǔ)等功能，從而使它們能夠勝任高速和高重復(fù)性的工 作。它的主要作

5、用是可以完成精密儀器和物體的搬運(yùn)和移動(dòng)。由于體積小，傳動(dòng)原理 簡單， SCARA機(jī)器人被廣泛運(yùn)用于電子電氣業(yè)、家用電器業(yè)、精密機(jī)械業(yè)等領(lǐng)域。 本論文著重研究 SCARA機(jī)器人底座部分的設(shè)計(jì)、關(guān)節(jié) 1 的設(shè)計(jì)，即底座部分的結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)、大臂和底座的連接設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程中，先確定設(shè)計(jì)方案，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳動(dòng) 裝置進(jìn)行計(jì)算并選擇。然后對(duì)大臂與底座的連接部分進(jìn)行選擇和強(qiáng)度校核。其次，利 用 SOLIDWORKS對(duì)底座部分進(jìn)行建模， 包括臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器的建模、 大臂和底座連 接方式的建模和底座部分的外殼建模。最后，利用軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)材料的選擇和

6、強(qiáng)度校 核。同時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也要考慮與大臂設(shè)計(jì)部分相配合，其中包括尺寸、接口參數(shù)和形 狀。 關(guān)鍵詞： SCARA機(jī)器人；底座部分；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；大臂和底座的連接；強(qiáng)度校核 Abstract SCARA robot, namely SCARA (Selectively Compliance Assembly Robot Arm, selective assembly joint robot arm), is a kind of four degrees of freedom (three

7、 rotational degrees of freedom, a freedom of movement) SCARA robot. The first two joints can rotate freely on the horizontal plane. The third joint consists of a metal rod and holder, which can moveup and down in a vertical plane or rotate around its vertical axis , but

8、 it can’t tilt. This unique design makes the four axis robot has strong rigidity, can control the robot to realize high speed point-to-point movement, space linear interpolation, circular interpolation function space, so that they can be qualified for hig

9、h speed and high repetitive work. Its main function is to complete the movementand movement of precision instruments and objects. Because of its small size and simple driving principle, SCARA robot has been widely used in electronic and electrical industry, household

10、 appliance industry, precision machinery industry and other fields. This thesis focuses on the design of the base of the SCARA robot and the design of the joint 1, that is, the structural design of the base part and the connection design

11、 of the big arm and the base. In the design process, the design scheme is determined first, and the drive motor and transmission device are calculated and selected. Then, the connecting part of the large arm and the base is selected and checked for strength. Secondly, the SOLIDWORK

12、S is used to model the base part, including the modeling of the arm drive motor and reducer, the modeling of the connection mode of the large arm and the base and the shell modeling of the base part. Finally, the software is used to select the structure material an

13、d strength check. At the same time, the structural design should also be considered in conjunction with the large arm design, which includes dimensions, interface parameters, and shapes. Keyword: SCARArobot; Base part; Structural design; The connection of the

14、 large arm and the base; Strength checking 目錄 第 1 章 緒論 ......................................................................................................... 1 1.1 SCARA工業(yè)機(jī)器人概述 ..................................................................................... 1 1

15、.2 設(shè)計(jì)的目的與意義 ............................................................................................ 1 1.3 設(shè)計(jì)任務(wù) ........................................................................................................... 3 1.4 設(shè)計(jì)思路 .........................................................

16、.................................................. 4 第 2 章 底座的設(shè)計(jì)方案 ....................................................................................... 5 2.1 底座部分的設(shè)計(jì)方法 ........................................................................................ 5 2.2 設(shè)計(jì)方案的選擇 ...............

17、................................................................................. 5 2.2.1 總體傳動(dòng)方案的比較 ................................................................................. 5 2.2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型的比較 ................................................................................. 6 2.2.3

18、 減速器類型的比較 ..................................................................................... 7 2.3 機(jī)械傳動(dòng)方案的確定 ........................................................................................ 7 第 3 章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 ...........................................................................

19、............ 9 3.1 大臂關(guān)鍵零部件的計(jì)算 .................................................................................... 9 3.1.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的計(jì)算和選擇 ........................................................................... 10 3.1.2 諧波減速器的計(jì)算和選擇 .......................................................

20、................ 10 3.2 底座外殼的設(shè)計(jì) .............................................................................................. 11 3.3 底座的元器件安裝結(jié)構(gòu) 11 第 4 章 強(qiáng)度校核 12 4.1 底座大臂連接強(qiáng)度校核 12 4.2 底座外殼應(yīng)變 13 第 5 章 裝配關(guān)系 14 5.1 底座元器件 14 5.2 底座具體連接 15 5.2.1

21、底板的連接 15 5.2.2 諧波減速器的固定 16 5.2.3 減速器與電機(jī)的連接 16 5.2.4 后蓋的連接 17 5.3 其他部件 18 第 6 章 結(jié)論 19 6.1 總結(jié) 19 6.2 展望 19 參考文獻(xiàn) 20 第1章 緒論 1.1 SCARA 工業(yè)機(jī)器人概述 SCARA工業(yè)機(jī)器人是一種圓柱坐標(biāo)型的工業(yè)機(jī)器人。 它依靠兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn) X-Y 平面內(nèi)的快速定位，依靠一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在 Z 方向上做伸縮和 R 方向上

22、 做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)特性使得 scara 機(jī)器人擅長從一點(diǎn)抓取物體，然后快速的安放 到另一點(diǎn)，因此 SCARA機(jī)器人在自動(dòng)裝配生產(chǎn)線上得到了廣泛的應(yīng)用。 它有以下特點(diǎn)： （1）適應(yīng)工業(yè)場合，能夠穩(wěn)定的長時(shí)間無故障運(yùn)行； （2）能夠大批量生產(chǎn)； （3）價(jià)格上適應(yīng)我國國情，滿足企業(yè)成本核算需求； （4）適用于簡單、重復(fù)的小載荷搬運(yùn)工位，效率高，節(jié)省成本。 它的系統(tǒng)特點(diǎn)如下： （1）采用眾為興高性能控制器， 可控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)高速點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)， 空間直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，空間圓弧插補(bǔ)等功能； 系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)，參數(shù)配置簡單，易于維護(hù)； （2）基

23、于高性能處理芯片的機(jī)器人功能部件保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制與調(diào)度， 實(shí)現(xiàn)多伺服功能部件的聯(lián)動(dòng)與插補(bǔ)； （3）系統(tǒng)界面簡潔大方，提供豐富的顯示及監(jiān)控信息； （4）機(jī)器人語言指令系統(tǒng)簡單易學(xué)，能滿足絕大部分工業(yè)需求。 1.2 設(shè)計(jì)的目的與意義 工業(yè)機(jī)器人根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)和坐標(biāo)系特點(diǎn)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)坐標(biāo)型的機(jī)器人。關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)類似于人手臂，其位 置和姿態(tài)完全由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，而平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人，即 SCARA機(jī)器人可看作關(guān)節(jié)坐 標(biāo)型機(jī)器人的特例。 機(jī)器人如圖 1.1 、圖 1.2 所示具有四個(gè)關(guān)節(jié)，三個(gè)

24、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸線相互平行，實(shí)現(xiàn) 平面內(nèi)定位和定向，此外，附加一個(gè)滑動(dòng)關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)末端件垂直運(yùn)動(dòng)。它最顯著的特 點(diǎn)是在水平方向上的運(yùn)動(dòng)具有較大的柔性，而垂直方向具有很強(qiáng)的剛性，這種選擇性 的柔性，被廣泛用于高效率的裝配、焊接、密封和搬運(yùn)等領(lǐng)域。同時(shí)，它還具有動(dòng)作 快、重復(fù)精度高、部件少、多種安裝方式、基本免維修等優(yōu)點(diǎn)。 圖 1.1 SCARS 機(jī)器人 圖 1.2 SCARA 機(jī)器人簡圖 目前，應(yīng)用于裝配作業(yè)的還有六軸機(jī)器人，雖然它可能更加迅速

25、和低廉，但在動(dòng) 作相對(duì)簡單，而又需要有高產(chǎn)量的環(huán)境中，四軸機(jī)器人具有絕對(duì)優(yōu)勢，因?yàn)槠溥\(yùn)動(dòng)軌 跡為圓柱型，相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡成球型的六軸機(jī)器人而言，它更加適應(yīng)那些需要往返運(yùn)動(dòng) 的工作環(huán)境。并且，新一代的機(jī)器人，不僅整合了智能技術(shù)，更換了流線型部件，而 且它能夠移動(dòng)的有效載荷更大，電纜更簡介，空間更節(jié)省，比如即公司的機(jī)器人和最 新公布的型重型機(jī)器人。 1.3 設(shè)計(jì)任務(wù) 如圖表 1.1 是本次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)參考參數(shù)。 表 1.1 SCARA 四軸機(jī)器人設(shè)計(jì)參考參數(shù) 規(guī)格 參數(shù) X 軸 臂長 / 回

26、轉(zhuǎn)范圍 350mm、 115o Y 軸 臂長 / 回轉(zhuǎn)范圍 350mm、 115o 軸規(guī)格 Z 軸 有效行程 300mm R 軸 回轉(zhuǎn)范圍 360o X、 Y 軸合成 3.3m/s 速度 Z 速度 1m/s R 速度 360 /s X 400w Y 200w 電機(jī)規(guī)格 Z 200w( 帶剎車 ) R 100w X 0.08mm Y 0.08mm 重復(fù)定位精度 Z 0.02mm R 0.02 最大負(fù)載 5KG 本體重量 26KG 本次設(shè)

27、計(jì)要求完成底座部分的設(shè)計(jì)，具體任務(wù)包括： （ 1）收集相關(guān)資料，確定設(shè) 計(jì)思路；（ 2）通過分析 SCARA機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，確定設(shè)計(jì)方案；（ 3）對(duì)底座部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；（ 4）對(duì)大臂與底座連接部分等進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算；（ 5）采用有限元分析軟件對(duì)主要受力構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度校核；（ 6）繪制底座部分工程圖；（ 7）完成設(shè)計(jì)說明書的 書寫。 1.4 設(shè)計(jì)思路 設(shè)計(jì)過程中，先確定設(shè)計(jì)方案，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳動(dòng)裝置進(jìn)行計(jì)算并選擇。然后對(duì) 大臂與底座的連接部分進(jìn)行選擇和強(qiáng)度校核。 其次，利用 SOLIDWORKS對(duì)底座部分進(jìn)行 建

28、模，包括臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器的建模、大臂和底座連接方式的建模和底座部分的外 殼建模。最后，利用軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)材料的選擇和強(qiáng)度校核。同時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也要考慮 與大臂設(shè)計(jì)部分相配合，其中包括尺寸、接口參數(shù)和形狀。 第 2 章 底座的設(shè)計(jì)方案 2.1 底座部分的設(shè)計(jì)方法 本次設(shè)計(jì)的底座裝置是指底座部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也包括底座與大臂部分的連接問 題。因此本次設(shè)計(jì)主要負(fù)責(zé)第一關(guān)節(jié)即表 1.1 中 X 軸的設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)第一關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)需要驅(qū)動(dòng)電機(jī)。大臂末端速度為 v r 2 nr （2-1 ） 由公式（ 2-1

29、 ）得，大臂旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為 60v 60 * 3.3 （2-2 ） n 2 * r / min 90r / min 2 r * 0.35 而實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速 nN90r / min ，因此需要減速裝置。 在選定驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器以后按照考慮到它們的尺寸再預(yù)留一定電纜的空間以實(shí) 現(xiàn)控制器安置的原則確定底座外殼內(nèi)徑尺寸。然后根據(jù)要求確定外徑尺寸。 考慮到該機(jī)器人本要應(yīng)用于工廠裝配、物料搬運(yùn)，一般安裝在工作臺(tái)上，確定底 座部分與工作臺(tái)的連接，設(shè)計(jì)連接部分，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的固定。確定底座材料和加工工 藝。 減速器頂部設(shè)有連接

30、部分，選擇相應(yīng)連接方式實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度校核。 2.2 設(shè)計(jì)方案的選擇 2.2.1 總體傳動(dòng)方案的比較 總體傳動(dòng)方案初步選擇兩種傳動(dòng)方案。 方案一：第一二旋轉(zhuǎn)自由度均選擇減速電機(jī)傳動(dòng)，精度高，傳動(dòng)比高，效率高， 噪音小，振動(dòng)小，傳動(dòng)部分的零件都是標(biāo)準(zhǔn)件，易購買，安裝方便。第三移動(dòng)和第四 旋轉(zhuǎn)自由度選擇同步帶傳動(dòng)，傳動(dòng)精度高，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)比恒定，傳動(dòng)功率大，效 率高，但安裝要求高，負(fù)載能力有限。 方案二：第一旋轉(zhuǎn)自由度選擇齒輪減速傳動(dòng)，第二旋轉(zhuǎn)自由度采用二級(jí)同步齒形 帶傳動(dòng)，但安裝都要求較高，結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜。

31、第三移動(dòng)自由度選擇步進(jìn)減速電機(jī)直接 驅(qū)動(dòng)絲杠螺母傳動(dòng)，變旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)，但相對(duì)同步齒形帶重量較大，需要電機(jī) 輸出轉(zhuǎn)矩較大，加工要求高。第四自由度設(shè)計(jì)同方案一。 兩種方案理論上均可實(shí)現(xiàn)， 但方案一結(jié)構(gòu)簡單， 部件少且較多標(biāo)準(zhǔn)件， 較易實(shí)現(xiàn)。 方案二結(jié)構(gòu)復(fù)雜，較多使用齒輪，需專門設(shè)備加工，且定位部件形狀多不規(guī)則，加工 和安裝均比較復(fù)雜。綜合考慮，本機(jī)器人總體設(shè)計(jì)初選方案一，如圖 2-1 。 圖 2-1 總體設(shè)計(jì)示意圖 第一自由度和第二

32、自由度回轉(zhuǎn)范圍都為 115，可設(shè)置限位開關(guān)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制 軸的相對(duì)位置定位，并確保關(guān)節(jié)軸不超過其行程范圍，保證了機(jī)器人本體和操作者的 安全。 2.2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型的比較 在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選用方面，目前機(jī)器人電機(jī)主要如表 2.1 四種： 表 2.1 機(jī)器人電機(jī)的對(duì)比 電機(jī)名稱 性能特點(diǎn) 應(yīng)用場合 可直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，結(jié)構(gòu)簡單，控制性能 在控制領(lǐng)域應(yīng)用較為廣 好，成本低廉；通常不需要反饋就能對(duì)位置 步進(jìn)電機(jī) 泛，適于傳動(dòng)功率不大的和速度進(jìn)行控制，可以以實(shí)現(xiàn)自鎖功能，轉(zhuǎn) 關(guān)節(jié)或小型機(jī)器人。

33、矩恒定；位置誤差不會(huì)積累；定位性能好。 調(diào)速特性好，啟動(dòng)力矩大，相對(duì)功率大，快 各類數(shù)字控制系統(tǒng)中的對(duì) 速響應(yīng)。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，需要外圍 驅(qū)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)速有較高的 直流伺服電機(jī) 轉(zhuǎn)換電路與微機(jī)配合實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，同時(shí)電 刷放電對(duì)實(shí)際工作有影響。 控制要求和精度的裝備。 結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，使用維修方便，價(jià)格 較昂貴。調(diào)速性能好，響應(yīng)速度快。增量式 各類數(shù)字和運(yùn)動(dòng)控制系 交流伺服電機(jī) 碼盤的反饋可達(dá)到很高的精度?？梢詫?shí)現(xiàn)很 統(tǒng)。 大的啟動(dòng)功率，提供很高的響應(yīng)速度。 具有較大的功率體積比，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，定位精 度高

34、，負(fù)載能力大，能夠抓住重負(fù)載而不產(chǎn) 液壓伺服馬達(dá) 大功率機(jī)械裝備。 生滑動(dòng)。但是，定位精度低，其費(fèi)用較高， 其液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。 參考本課題技術(shù)要求和設(shè)計(jì)用途主要是裝配作業(yè)，機(jī)器人負(fù)載不大，要求整機(jī)重 量輕，且作業(yè)范圍不大，要求機(jī)器人體積小的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)中機(jī)器人四個(gè)關(guān)節(jié)均選用 交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 2.2.3 減速器類型的比較 在減速器選用方面，目前機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)中主要采用減速器或諧波減速器。 減速器是近幾年發(fā)展起來的以兩級(jí)減速和中心圓盤支撐為主的全封閉式擺線針輪 減速器，與其它減速方式相比，減速器具有減速比大、

35、同軸線傳動(dòng)、傳動(dòng)精度高、剛 度大、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，適用于重載、高速和高精度場合。 諧波減速器也具有傳動(dòng)比大，承載能力大，傳動(dòng)精度高，傳動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)效率高， 結(jié)構(gòu)簡單、體積小，重量輕等優(yōu)點(diǎn)，而且相對(duì)于減速器，其制造成本要低很多，所以 本設(shè)計(jì)中采用諧波減速機(jī)。 2.3 機(jī)械傳動(dòng)方案的確定 由于主軸處于機(jī)器人小臂末端，相對(duì)線速度大，對(duì)重量與慣量特別敏感，所以傳 動(dòng)方式要求同時(shí)實(shí)現(xiàn)軸方向直線運(yùn)動(dòng)和繞軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)， 并要求其結(jié)構(gòu)緊湊、 重量輕。 因此，三四關(guān)節(jié)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)需重點(diǎn)考慮，根據(jù)以上方案初選，結(jié)合本項(xiàng)目特點(diǎn)，最

36、終 選擇同步齒形帶聯(lián)合滾珠絲杠以實(shí)現(xiàn)軸垂直運(yùn)動(dòng)，而用同步齒形帶聯(lián)合帶鍵的滑動(dòng)軸 套來實(shí)現(xiàn)軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 各關(guān)節(jié)的傳動(dòng)方案最終確定如下： 1 軸（大臂回轉(zhuǎn)）：伺服電機(jī) 1-- 諧波減速器 -- 大臂。 2 軸（小臂回轉(zhuǎn)）：伺服電機(jī) 1-- 諧波減速器 -- 小臂。 3 軸（主軸垂直直線運(yùn)動(dòng)）：伺服電機(jī) 3-- 同步齒形帶 -- 絲杠螺母 -- 主軸。 4 軸（主軸旋轉(zhuǎn)）：伺服電機(jī) 4-- 同步齒形帶 -- 滾珠絲桿花鍵 -- 主軸。 第 3 章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 3.1 大臂

37、關(guān)鍵零部件的計(jì)算 設(shè)定各部分的質(zhì)量：機(jī)座 m 10kg ，大臂質(zhì)量 m1 7kg ，小臂質(zhì)量 m2 5kg ， 手腕質(zhì)量 m3 3kg 。工作載荷 。 假設(shè)機(jī)器人大小臂及手腕相對(duì)于各自重心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別是 、 、 ，由平 行軸定理求得機(jī)座旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： （3-1 ） 式中： 、 、 為大臂、小臂、手腕的估計(jì)質(zhì)量； 、 、 分別為各重心到關(guān)節(jié) 1 的距離，分別取為 180mm， 450mm，550mm。 、

38、 、 ，故、、 這里忽略不計(jì)，所以軸的等 效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： （3-2 ） 由式（ 3-2 ）計(jì)算得到 軸的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是 J 1 2. 15Kg ? m2 機(jī)器人大臂從 0 0 到 1 540 / s ，所需時(shí)間 t 1s ，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為 （3-3 ） 由式（ 3-3 ）計(jì)算可得 T1 20. 3N ? m 考慮摩擦力矩 、 、 ，假設(shè) , T124N ? m

39、 （3-4 ） 取電機(jī)的轉(zhuǎn)速為 n電機(jī) =3000 r/min ，大臂旋轉(zhuǎn)速度為 1m/s。 大臂旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為 60v 60* 1 （3-5 ） n r / min 27.3r / min 2 r 2* * 0.35 取 n=25r/min, 則傳動(dòng)比為 : i = n電機(jī) / n=3000/25=120 （3-6 ） 假設(shè)諧波減速器的傳動(dòng)效率為 90%，取安全系數(shù)為 1.5 ，故電機(jī)輸出端的負(fù)載力矩 為 T1 * 1.5 24* 1.5 （3-

40、7 ） Tout1 0.33 N ? m i * 120* 0.9 諧波減速器的最小輸出轉(zhuǎn)矩為 Tmin 1 1. 5T136N ? m （3-8 ） 3.1.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的計(jì)算和選擇 可選得大臂伺服電機(jī)型號(hào)為 TS4609N7190，表 3.1 是該伺服電機(jī)的參數(shù)： 表 3.1 大臂伺服電機(jī)性能參數(shù) 帶剎車，伺服驅(qū)動(dòng)器型號(hào)： QX04NH/QX04NP 額定 額定 額定 額定 法蘭規(guī)格 額定功率 線電 線電 轉(zhuǎn)子慣量 軸徑 機(jī)身長 轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速 流 壓 r / min mm kW N ? m

41、A V kg ? m2 * 10 4 mm mm 60 0.4 1.27 3.3 3000 200 0.44 14 132.7 3.1.2 諧波減速器的計(jì)算和選擇 可選得諧波減速器型號(hào)是 CSF-20-120-2UH-LW，表 3.1 是該諧波減速器的參數(shù)： 表 3.2 CSF-20 型號(hào)性能參數(shù) 2000r/min 輸入 最高輸入轉(zhuǎn)速 啟停的峰 平均負(fù)載轉(zhuǎn)矩 瞬間容許 （潤滑脂潤 減速比 時(shí)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩 值轉(zhuǎn)矩 的最大容許值 最大轉(zhuǎn)矩 滑）

42、N ? m N ? m N ? m N ? m r / min 120 40 87 49 147 6500 3.2 底座外殼的設(shè)計(jì) 考慮到電機(jī)、諧波減速器的尺寸，還要預(yù)留一些控制線路的空間，設(shè)計(jì)內(nèi)徑為 ?160mm，外徑為 ?180mm的底座外殼。 底座外殼不存在強(qiáng)度問題， 只需要考慮其受壓。 鋁合金強(qiáng)度高、 塑性好且重量輕，因此，底座外殼的材料選擇為 A6061?？紤]其受壓情況，采用鑄造成型加工，厚度為 10mm。 3.3 底座的元器件安裝結(jié)構(gòu) 圖 3-1 是底座元器件簡易圖，由此可看

43、出元器件的擺放位置與連接關(guān)系。如圖所 示，底板 1 與外殼 2 連接，外殼 2 與諧波減速器 4 相連接。電機(jī) 3 倒裝在最底部，電 機(jī)輸出軸插入諧波減速器 4 與減速器連接。諧波減速器通過 5 螺釘組 8*M8 與大臂 6 相連實(shí)現(xiàn)第一關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)的輸出。 圖 3-1 底座元器件簡易圖 圖 3-2 底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建模圖 第 4章強(qiáng)度校核 4.

44、1 底座大臂連接強(qiáng)度校核 本次設(shè)計(jì)中大臂和底座連接選用的是 8 個(gè)按圓形陣列均勻分布的 M8*25的螺釘組。 表 4.1 M8 螺釘?shù)膮?shù) 成品外徑 mm 線徑 類別 規(guī)格 牙距 mm 最大 最厚 0.02mm 國際粗牙 60 M8 1.25 7.96 7.79 7.02 把螺釘組的受力簡化成圖 4.1 所示。 圖 4.1 底座與大臂連接螺釘組受力

45、 由圖可知，螺釘組受到轉(zhuǎn)矩，設(shè)大臂旋轉(zhuǎn)加速度為 ， ，則轉(zhuǎn) 矩 設(shè)螺釘預(yù)緊力為  ，各螺釘軸線到螺釘組中心的距離為  r ，即  （4-1 ） r=27.5mm。則 (4-2) 其中， —結(jié)合面的摩擦系數(shù)； —第 個(gè)螺釘?shù)妮S線到螺釘組對(duì)稱中心 O的距離， mm； —螺釘數(shù)目； —防滑系數(shù)。 取 ，由式（ 4-2 ）得 。 選用螺釘材料為 Q235，性能等級(jí)為 4.6 的螺釘。查得，

46、 σs 240MPa。取安全系 數(shù) S 4。故螺釘材料的許用應(yīng)力為 [ ] S 240 （4-3 ） S MPa 60MPa 4 M8螺釘小徑為 d1 6.647mm 。 （4-4 ） 所以， ，大臂與底座連接強(qiáng)度符合要求。 4.2 底座外殼應(yīng)變 圖 4.2 是外殼應(yīng)變情況。 圖 4.2 底座外殼應(yīng)變 由圖 4.2 可知，底座外殼應(yīng)變很

47、小基本可以忽略不計(jì)，所以外殼厚度設(shè)為 10mm， 由鋁合金制造符合要求。 第 5章裝配關(guān)系 5.1 底座元器件 圖 5.1 所示是底座部分整體爆炸圖。 圖 5.1 整體爆炸圖 由 3.1 節(jié)可知，可知道底板與外殼有連接關(guān)系，外殼與諧波減速器有連接關(guān)系。電機(jī)與諧波減速器有連接關(guān)系。諧波減速器與大臂有連接關(guān)系。由于要安置控制線，需要添加一個(gè)外殼，后蓋與外

48、殼有要添加連接關(guān)系。 5.2 底座具體連接 5.2.1 底板的連接 圖 5.2 底板的連接關(guān)系 如圖 5.2 所示。底板與外殼連接時(shí)選用 6*M6 螺釘組，其中心在 ?85.5mm的圓上， 選用沉頭螺釘；底板與工作臺(tái)連接處選用 4*M8 螺母連接，其中心現(xiàn)在 ?103mm的圓上。 5

49、.2.2 諧波減速器的固定 圖 5.3 減速器與外殼的連接 如圖 5.3 ，諧波減速器自帶 6 個(gè)孔，此時(shí)，在外殼上方開 6 個(gè)孔，用 6*M6 的沉頭 螺釘組與諧波減速器法蘭相連起固定作用。 5.2.3 減速器與電機(jī)的連接 圖 5.4 減速器與

50、電機(jī)的連接 電機(jī)和諧波減速器選用 12*M6 沉頭螺釘組連接。 5.2.4 后蓋的連接 由于要安置控制線路，設(shè)計(jì)在外殼底部加工出一個(gè)類似于矩形的截面的類似梯形 的通槽，然后設(shè)計(jì)一塊結(jié)合面與外殼相同的后蓋如圖 5-5 所示。用 2*M4 螺釘連接外殼 和后蓋。后蓋可選擇性打孔，實(shí)現(xiàn)控制線路的連接。 圖 5.5 后蓋的設(shè)計(jì)

51、 5.3 其他部件 圖 5.6 限位螺釘 為實(shí)現(xiàn)第一自由度回轉(zhuǎn)范圍為 115，保證其回轉(zhuǎn)角度不超過回轉(zhuǎn)范圍， 設(shè)計(jì)在 諧波減速器上打兩個(gè)孔，裝上有限位螺釘，如圖 5-6 。 第6章結(jié)論 6.1 總結(jié) 現(xiàn)在工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)被越來越多的公司所接受，也有更多的公司需要工業(yè)機(jī)器人 來完成一些生產(chǎn)工作。本課題正是基于公司的實(shí)際需求而展開的

52、研究工作。本文的底 座部分設(shè)計(jì)研究工作集中在兩部分：一部分是研究了機(jī)器人底座部分元器件選擇，通 過總結(jié)樣機(jī)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)設(shè)計(jì)過程，并將實(shí)踐與機(jī)械設(shè)計(jì)理論、機(jī)器人學(xué)理論相結(jié)合， 總結(jié)出—套機(jī)器人設(shè)計(jì)方法；另一部分是實(shí)現(xiàn)底座部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本課題的主要研宄 成果有以下幾點(diǎn)： （1）設(shè)計(jì)并生產(chǎn)出了底座部分樣機(jī)，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)完善。 （2）通過總結(jié)設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程，總結(jié)了一套機(jī)器人設(shè)計(jì)方法，包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇、 減速器選擇。 （3）對(duì)底座輸出部分做了強(qiáng)度校核，做到了與實(shí)際相符合。 6.2 展望 本課題在總結(jié)機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)方法中，對(duì)可靠性

53、分析這一部分的內(nèi)容沒有細(xì)分到各個(gè) 步驟中，實(shí)際上可靠性是國產(chǎn)機(jī)器人非常大的一個(gè)問題；強(qiáng)度校核只做了簡化，沒有 做進(jìn)一步實(shí)際情況分析和工作環(huán)境。另外，也沒有對(duì)控制系統(tǒng)做設(shè)計(jì)，也沒考慮電路 設(shè)計(jì)。所以有待進(jìn)一步研究的問題如下： 1，深入研究機(jī)器人可靠性問題。 2，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)和方案，完善結(jié)構(gòu)中的電路部分及控制部分連接。 參考文獻(xiàn) [1] 夏添 .SCARA機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)控制算法研究 [D]. 武漢：湖北工業(yè)大學(xué)， 2016. [2] 程汀 .SCARA機(jī)器人的設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)的研究 [D].

54、合肥 : 合肥工業(yè)大學(xué)， 2008. [3] 方健 .SCARA機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究 [D]. 長春：吉林大學(xué)， 2007. [4] 楊林 . 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)方法與機(jī)器人算法研究 [D]. 江門：五邑大學(xué)， 2013. [5] 王春暉 . 四軸機(jī)器人的嵌入式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) [D]. 杭州：浙江大學(xué)， 2014. [6] 趙錫芳，劉勁松 . 精密裝配機(jī)器人型號(hào)樣機(jī)的研制[J]. 高技術(shù)通訊， 1996： 14-16. [7] 濮良貴，陳定國，吳立言 . 機(jī)械設(shè)計(jì)第九版 [M]. 北京：高等教育出版社， 2015:62-100. [8] 馮浩，汪建新，趙書尚 . 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) [M]. 武漢：華中科技大學(xué)出版社， 2014： 54-60.