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文檔簡介
1、目 錄1前言 11.1課題來源與技術(shù)要求分析 11.2國內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀 11.3研究目的 21.4設(shè)計內(nèi)容及思路 22球面SCARA機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 42.1運動方案及主要技術(shù)參數(shù)的擬定 42.1.1方案擬定 52.1.2脈沖當(dāng)量和傳動比的確定 62.2各傳動系統(tǒng)設(shè)計與校核 7第一自由度電機校核 8第一自由度同步帶傳動設(shè)計 9第一自由度諧波減速器選擇 10第二自由度電機校核 11第二自由度諧波減速器選擇 13第三自由度電機校核 13球面SCARA機器人外形圖 153 Pro/E軟件簡介 164工業(yè)機器人運行時應(yīng)采取的安全措施 184.1安全要求 184.2實施方法 185結(jié) 論 19參考
2、文獻 20致 謝 21附 錄 221 前言1.1課題來源與技術(shù)要求分析課題“球面SCARA機器人機械部分設(shè)計”來源于鹽城工學(xué)院的教學(xué)實驗。要求設(shè)計的機器人具有三個自由度:大臂軸的水平旋轉(zhuǎn)運動;小臂軸的垂直回轉(zhuǎn)運動;頂針的垂直上下運動。球面SCARA機器人可以單獨使用,也可以與其他機器人組合使用。球面SCARA機器人有著許多實際和潛在的應(yīng)用:(1)繪圖,球面SCARA機器人可以在球面上畫線、繪圖案、在皮革或橡皮球表面著色,在地球儀的表面繪制世界地圖等;(2)裝配,傳統(tǒng)的裝配機器人通常只適合在單一方向上裝配,如平面SCARA機器人在印刷電路板上沿垂直方向安裝電子元件。而球面SCARA機器人可在各個
3、方向作業(yè);(3)雕刻,在球面或自由曲面上雕刻,在珠寶行業(yè)中存在潛在的應(yīng)用;(4)打印,在球面SCARA機器人的末端裝上噴墨頭,可以在球面或自由曲面上進行噴墨打?。唬?)非接觸三維測量等1。1.2 國內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀那么什么是機器人呢?人們一般的理解來看,機器人是具有一些類似人的功能的機械電子裝置,或者叫自動化裝置,它仍然是個機器,它有三個特點,一個是有類人的功能,比如說作業(yè)功能,感知功能,行走功能,還能完成各種動作,它還有一個特點是根據(jù)人的編程能自動的工作,這里一個顯著的特點,就是它可以編程,改變它的工作、動作、工作的對象,和工作的一些要求,它是人造的機器或機械電子裝置。但從完整的更為深遠的
4、機器人定義來看,應(yīng)該更強調(diào)機器人智能,所以人們又提出來機器人的定義是能夠感知環(huán)境,能夠有學(xué)習(xí)、情感和對外界一種邏輯判斷思維的這種機器。那么這給機器人提出來更高層次的要求,展望21世紀(jì),機器人將是一個與20世紀(jì)計算機的普及一樣,會深入地應(yīng)用到各個領(lǐng)域,在21世紀(jì)的前20年是機器人從制造業(yè)走向非制造業(yè)的發(fā)展一個重要時期,也是智能機器人發(fā)展的一個關(guān)鍵時期2。 近幾年,國內(nèi)外機器人領(lǐng)域發(fā)展主要有如下幾個趨勢3:(1)機器人在制造業(yè)的應(yīng)用范圍越來越廣闊,并向食品、 核能、 礦業(yè)和建筑等工業(yè)新領(lǐng)域擴展。(2)機器人性能不斷提高,而單機價格不斷下降,平均單機價格從1991年的10.3萬美元降至2002年的6
5、.5萬美元。(3)機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。 例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機檢測系統(tǒng)三位一體化,由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機,國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問世。(4)機器人編程語言趨于通用化。(5)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展,便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高,控制柜日漸小巧,且采用模塊化結(jié)構(gòu);大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。(6) 機器人中的傳感器作用日益重要,除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外,裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器,而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制;
6、多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。(7) 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制,如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。(8)當(dāng)代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng),而是致力于操作者與機器人的人機交互控制,即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控、遙控操作系統(tǒng),使智能機器人走出實驗室進入使用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名的實例。(9)機器人遙控、監(jiān)控技術(shù)朝著人機交互控制方向發(fā)展,遙控加局部自治系統(tǒng)遙控機器人的發(fā)展使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。(10)機器人化機械開始興起。從94年美國
7、開發(fā)出“虛擬軸機床”以來,這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一,紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。1.3研究目的機器人是最典型的機電一體化數(shù)字化裝備,技術(shù)附加值很高,應(yīng)用范圍很廣,作為先進制造業(yè)的支撐技術(shù)和信息化社會的新興產(chǎn)業(yè),將對未來生產(chǎn)和社會發(fā)展起越來越重要的作用。專家預(yù)測,機器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車,計算機之后出現(xiàn)的新的大型高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。據(jù)國際機器人聯(lián)合會IFR統(tǒng)計,世界機器人市場前景很好,從20世紀(jì)下半葉起,世界機器人產(chǎn)業(yè)一直保持著穩(wěn)步增長的良好勢頭。進入90年代,機器人產(chǎn)品發(fā)展速度加快,年增長率平均在10%左右,2000年增長率上升到15%,如今,工作在各個領(lǐng)域的機器人早已突破100萬臺4。我國近
8、幾年機器人自動化生產(chǎn)線已經(jīng)不斷出現(xiàn),并給用戶帶來顯著效益。隨著我國工業(yè)企業(yè)自動化水平的不斷提高,機器人自動化線的市場也越來越大,并且逐漸成為自動化生產(chǎn)線的主要方式。我國機器人自動化生產(chǎn)線裝備的市場剛剛起步,而國內(nèi)裝備制造業(yè)正處于由傳統(tǒng)裝備向先進制造裝備轉(zhuǎn)型的時期,這就給機器人自動化生產(chǎn)線研究開發(fā)者帶來巨大商機5。1.4設(shè)計內(nèi)容及思路設(shè)計內(nèi)容:設(shè)計總體方案,確定機器人的總體結(jié)構(gòu),繪制機器人機械結(jié)構(gòu)裝配圖。進行機器人大臂、小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計,并繪制其部裝圖、零件圖。各電機的選擇、各零部件設(shè)計計算和選擇。繪制機器人主要結(jié)構(gòu)的三維造型圖。設(shè)計思路:先對機器人的整體結(jié)構(gòu)進行分析,制定出合理的整體設(shè)計方案,提出
9、一到兩種可行性比較高的初步設(shè)計方案;然后再根據(jù)工作要求、工作時間、工作強度等對初步設(shè)計方案進行論證,最后在根據(jù)論證結(jié)果選擇最合理的設(shè)計方案;完成后,再進行對機器人方案圖樣的設(shè)計:機器人零件圖,部分部件的裝配圖以及聯(lián)系尺寸圖;機械結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后,再根據(jù)圖紙用Pro/E軟件塑造出其三維造型圖。最后再畫好裝配圖,完成整個設(shè)計。2 球面SCARA機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1 運動方案及主要技術(shù)參數(shù)的擬定6要求設(shè)計的球面SCARA機器人技術(shù)參數(shù)如表2-1。表2-1 球面SCARA機器人主要技術(shù)參數(shù)自由度:3個(,r)動作范圍最高空行程速度最高工進速度定位精度第一軸360°120(º)/s
10、90(º)/s0.03°第二軸360°120(º)/s90(º)/s0.03°第三軸r100mm50mm/s40mm/s0.015mm工件最大直徑:200mm第三軸最大抗力5N在對機器人三個自由度軸的傳動系統(tǒng)進行設(shè)計時,要保證規(guī)定的動作范圍、速度和精度。考慮到實際運動中的干涉問題,第二軸的實際動作范圍是小于360º的,并且應(yīng)該采取相應(yīng)的安全措施。最后完成球面SCARA機器人的裝配圖,以及一些關(guān)鍵零件的零件圖。以下是關(guān)于球面SCARA機器人的一些簡介:圖2-1 SCARA機器人通常的平面SCARA機器人的如上圖2-1所示。大臂
11、轉(zhuǎn)動(1),軸線與小臂轉(zhuǎn)動(2)軸線平行。工具轉(zhuǎn)動(4),軸線與移動軸線重合,并和1,2平行。球面SCARA機器人的基本自由度布置如下圖2-2所示。大臂的軸線1和小臂軸線2垂直相交,如下圖2-2所示,這樣可以保證裝在r自由度軸上的工具在球上或自由曲面上進行作業(yè)。制造的時候,只要保證控制精度,并且能夠確保球面SCARA機器人的工具中心線通過球坐標(biāo)的原點,那么工具末端一定可以在球面上實現(xiàn)精確定位。此外,工具還可以從球面上的任何半徑方向接近工件,具有很高靈活性。圖2-2 球面SCARA機器人球面SCARA機器人不僅可以單獨使用,也可以與其他機器人組合使用,總而言之,球面SCARA機器人有著許多實際和
12、潛在的應(yīng)用,關(guān)鍵看人們?nèi)绾问褂煤烷_發(fā)它。2.1.1方案擬定(1)自由度配置。對于本課題的球面SCARA機器人,自由度1和2的配置方式可以有幾種形式,如下圖2-3所示。對于方案(a),驅(qū)動2以及臂2占據(jù)了球坐標(biāo)系的中心,會影響工件的安放。對于方案(b),臂1與臂2及其驅(qū)動軸線相交在球心處,避開了球系中心。至于方案(c),1驅(qū)動工件轉(zhuǎn)動,機器人臂2的運動2沒有與1耦合。綜合考慮,選擇方案b。(2)驅(qū)動方式。常用的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動以及電力驅(qū)動。考慮到本設(shè)計中的驅(qū)動力矩不是很大,運動速度比較高,而且定位精度要求較高,采用電力驅(qū)動。至此,第一軸自由度1和第二軸2均采用步進電機驅(qū)動。步進電機驅(qū)
13、動結(jié)構(gòu)比較簡單,而且成本低,也能實現(xiàn)比較精確的定位精度。對于第三自由度,r是工件向球面半徑方向的往復(fù)直線運動,可以采用直線電機,不僅結(jié)構(gòu)簡單,而且節(jié)約成本。(3)傳動方式。由于工件夾持機構(gòu)是沿著Z軸安裝的,所以第一軸1的驅(qū)動電機軸線不能與Z軸重合,可以考慮采用同步帶作遠距離傳動。至于第二軸2的驅(qū)動電機,對軸線沒什么特別要求,可以與Y軸同軸線,故采用直接傳動??紤]到定位精度比較高,在電機1和2的輸出軸上分別配置減速傳動裝置。至于第三軸,則直接采用直線電機。 圖2-3 球面SCARA機器人自由度配置2.1.2脈沖當(dāng)量和傳動比的確定根據(jù)設(shè)計任務(wù)提出的定位精度要求分別對三個自由度軸進行脈沖當(dāng)量的確定和
14、傳動比的選定。由于傳動誤差的存在,實際的脈沖當(dāng)量應(yīng)高于定位精度的要求。a、第一自由度軸1。定位精度要求為0.03,初選步距角b=1.5°的75BF004步進電機。設(shè)脈沖當(dāng)量為0.03(°)/脈沖,則傳動比為i=b/p=1.5/0.03=50,i=n1/n2?,F(xiàn)初選同步帶傳動速比為i2=1。第一級速比要求i150,速比較大。從諧波減速器標(biāo)準(zhǔn)表獲知可初選機型為40的XB3扁平式諧波減速器,其傳動比為i1=65。于是第一自由度軸的脈沖當(dāng)量p=1.5/65=0.023(°)/脈沖,小于題目要求的定位精度值(0.03°),滿足要求。因此,第一自由度軸的運動參數(shù)為:
15、b=1.5°,i1=65,i2=1,i=i1×i2=65,p=0.023(°)/脈沖b、由于小臂是在第二自由度軸的電機驅(qū)動下轉(zhuǎn)動的,所以當(dāng)電機停電后,小臂由于重力的作用,會自動掉落,所以要求小臂傳動能夠自鎖。因此,第二自由度軸不能采用普通的電機,應(yīng)選用自鎖電機。第二自由度軸2,初選步距角為1.5°的K10自鎖步進電機。同第一自由度軸,取i=65,p=0.023(°)/脈沖。沒有同步帶傳動。因此,第二自由度軸的運動參數(shù)為:b=1.5°,i=65,p=0.023(°)/脈沖c、考慮到為了使結(jié)構(gòu)簡單以及重量問題,再加上第三自由度本
16、就是直線運動,采用直線電機,這樣可以避免由于使用絲杠帶來的誤差,而且直線電機由于沒有中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),因而使整個傳動機構(gòu)得到簡化,提高了精度,減少了振動和噪音,并且裝配靈活性大,往往可將電機和其它機件合成一體?,F(xiàn)取電機型號為43000系列size17直線電機其中i=1.5,則實際脈沖當(dāng)量p=b L0/360i=0.0138mm/脈沖,小于題設(shè)定位精度值(0.015mm),滿足要求。因此,第三自由度軸r的運動參數(shù)為:b=1.5°,L0=5mm,i=1.5,p=0.0138mm/脈沖2.2各傳動系統(tǒng)設(shè)計與校核根據(jù)初擬方案,球面SCARA機器人z軸上的慣性負(fù)載如圖2-4所示: 圖2-4 z軸上
17、慣性負(fù)載初步擬定方案為R1=100mm,R2=150mm,R3=250mm,R4=260mm,R5=200mm。估計連桿1的質(zhì)量M1=2kg,連桿2的質(zhì)量M2=2kg,第二自由度驅(qū)動裝置質(zhì)量MD2=2.5kg,工具及進給機構(gòu)質(zhì)量Mt=3kg。 第一自由度各轉(zhuǎn)動慣量折算到電機軸1上的等效轉(zhuǎn)動慣量計算:Z軸的轉(zhuǎn)動慣量為:JZ=MTR12+M2R22+ MD2R32+M1R22+ JB=2762.71kg·cm2式中:JB為同步皮帶輪慣量。初擬皮帶輪尺寸D=90mm,B=40mm,則JB=0.78×D4×B×10-8 kg·cm2=20.47kg
18、183;cm2設(shè)諧波減速器轉(zhuǎn)動慣量JxJB,Jx =4kg·cm2。從資料中查到75BF004步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量JD1=0.1284 kg·cm2。因此,自由度1傳動系統(tǒng)上所有的慣量折算到電機軸1上的等效轉(zhuǎn)動慣量為: (2-1)帶入數(shù)據(jù)得:J1=2.79 kg·cm2。2.2.1第一自由度電機校核a、最大靜轉(zhuǎn)矩校核7我們知道,步進電機空載啟動是指電機在沒有外加工作負(fù)載下的啟動??蛰d啟動力矩為Mkq=Mka+Mkf+Mo (2-2)在本課題中,第一自由度沒有采用滾珠絲杠傳動,所以滾珠絲杠預(yù)緊附加摩擦力矩等于零,即M0=0。設(shè)摩擦力矩可忽略不計,則僅剩加速力矩項Mk
19、a,即MkqMka。Mka=J1,設(shè)電機在1秒內(nèi)啟動完畢,1軸達到最高空行程速度120(°)/s,電機軸n=120°i1i2=120º×65=7800 º,t=1s,=n/t=136.14(s-2), 則Mka= J1×10-2N·cm=2.79×136.14×10-2=3.80N·cm電機名義啟動力矩為Mmq=Mjmax。三相六拍運行=0.866,查得電機最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax=0.49N· m,因此Mmq=0.49×0.866=0.42 N·m。MkqMmq初選電
20、機滿足最大靜轉(zhuǎn)矩校核要求。b、啟動矩頻特性校核電機啟動時具有一定的啟動頻率,還需要校核啟動矩頻特性,保證啟動時電機不會丟步。為了保證平穩(wěn)性,突跳啟動是不可取的,一般需要升降速過程。圖(a)表示按指數(shù)曲線升降速;圖(b)表示按直線過渡升降速;圖(c)表示將fmax分成若干級,啟動脈沖以階梯變化來實現(xiàn)升速過渡,只要突跳頻率分級后不大,不出現(xiàn)失步現(xiàn)象是可以的。但是,從理論上來講,突跳是在瞬間完成的,時間趨于零,角加速度還是很大的,因此按圖(d)方式階梯變化。電機使1軸在t時間內(nèi)從靜止升速到120(°)/s的速度,則電機的頻率要從f0=0在t時間內(nèi)升到fmax=7800(°)b=5
21、200HZ。現(xiàn)分為5個階段升速,每階段升速時間0.25s,延時0.05s,升速頻率fq=52005=1040 HZ??偟纳贂r間為t=(0.25+0.05)×4+0.25=1.45s。圖2-5 步進電機升降速過程空載啟動,不計摩擦,則電機空載啟動力矩為空載加速力矩,即Mkq=Mka=J1=n/t=(1040×15º)×Mkq=2.79×108.9×10-2=3.04N·cm查步進電機75BF004啟動頻率特性曲線,Mkq=3.04N·cm對應(yīng)的允許啟動頻率fyq=2000 HZ,fq=1040 HZ,fqfyq。因
22、此,按(d)方式進行階梯啟動不會丟步。c、運行矩頻特性校核快速進給時是空載,即球面SCARA機器人末端操作器不進行作業(yè)加工。電機快速進給力矩為MKJ=Mkf+M0。在本題中,M0=0,Mkf很小,現(xiàn)設(shè)近似于啟動加速力矩,即Mkf3.04N·cm,因此電機快速進給力矩為MKJ3.04N·cm。電機快速運行頻率為fkJ=fmax=5200 HZ。查步進電機75BF004運行矩頻特性曲線可知,對應(yīng)MKJ=3.04 N·cm的允許快進頻率為fykJ=14000 HZ,fkJfykJ,符合要求,快進時不會丟步。工作進給時,電機工進力矩為MGJ=Mt+M0+Mf。在本題中,M
23、0=0,Mf為Mf=3.04N·cm。工作負(fù)載沿z軸方向,F(xiàn)z=5N,并通過工件球心。現(xiàn)設(shè)球面機器人工作負(fù)載荷Fz引起的側(cè)力Fx=Fy=0.5Fz=2.5N,工件直徑=20cm。因此,Mt=Fx2=2.5×10=25N·cm,MGJ=Mt+Mf=28.04 N·cm。已知1的最高工進速度nG1=90(°)/s,i=65,b=1.5°,因此電機工作進給運行頻率為fGJ=90°×651.5°=3900 HZ。查步進電機75BF004運行矩頻特性曲線,與MGJ=28.04N·cm相對應(yīng)的允許工進頻率為
24、fyGJ=8100 HZ,fGJfyGJ,因此步進電機在工進時不會丟步。2.2.2第一自由度同步帶傳動設(shè)計8 機械畢業(yè)設(shè)計下載!該論文已經(jīng)通過答辯第二自由度電機校核a第二自由度各轉(zhuǎn)動慣量折算到電機軸2上的等效轉(zhuǎn)動慣量的計算c自鎖電機2的校核 由于小臂是在第二自由度軸的電機驅(qū)動下轉(zhuǎn)動的,所以當(dāng)電機停電后,小臂由于重力的作用,會自動掉落,所以要求小臂傳動能夠自鎖。因此,第二自由度軸不能采用普通的電機,應(yīng)選用自鎖電機。最大靜轉(zhuǎn)矩校核電機空載啟動力矩為Mkq=Mka+Mkf+Mo在本課題中,第一自由度軸沒有采用滾珠絲杠傳動,所以滾珠絲杠預(yù)緊附加摩擦力矩等于零,即Mo=0。設(shè)摩擦力矩可忽略不計,則僅剩加
25、速力矩Mka,即MkqMka。Mka=J2,設(shè)電機在1秒內(nèi)啟動完畢,1軸達到最高空行程速度120(°)/s,電機軸n=120°i=120º×65=7800 º,t=1s,=n/t=136.14(s-2), 則:Mka= J2×10-2N·cm=2.7×136.14×10-2=3.68cm=0.0368m電機名義啟動力矩為Mmq=Mjmax,三相六拍運行=0.866,電機最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax=0.784N· m,因此Mmq=0.866×0.784=0.679 N·m。MkqMm
26、q,所以初選電機滿足最大靜轉(zhuǎn)矩校核要求。啟動矩頻特性校核電機啟動時具有一定的啟動頻率,還需要校核啟動矩頻特性,保證啟動時電機不會丟步。為了保證平穩(wěn)性,突跳啟動是不可取的,一般需要升降速過程。圖(a)表示按指數(shù)曲線升降速;圖(b)表示按直線過渡升降速;圖(c)表示將fmax分成若干級,啟動脈沖以階梯變化來實現(xiàn)升速過渡,只要突跳頻率分級后不大,不出現(xiàn)失步現(xiàn)象是可以的。但是,從理論上來講,突跳是在瞬間完成的,時間趨于零,角加速度還是很大的,因此可以按圖(d)方式階梯變化。圖2-6 步進電機升降速過程電機使2軸在t時間內(nèi)從靜止升速到120(°)/s的速度,則電機的頻率要從f0=0在t時間內(nèi)升
27、到fmax=7800(°)b=5200HZ?,F(xiàn)分為5個階段升速,每階段升速時間0.25s,延時0.05s,升速頻率fq=52005=1040 HZ??偟纳贂r間為t=(0.25+0.05)×4+0.25=1.45s??蛰d啟動,不計摩擦,則電機空載啟動力矩為空載加速力矩,即:Mkq=Mka=J2=n/t=(1040×15º)×Mkq=2.7×108.9×10-2=2.94cm=0.0294m查步進電機70BF003啟動頻率特性曲線,Mkq=2.94cm對應(yīng)的允許啟動頻率fyq=1300 HZ,fq=1040 HZ,fqfyq。
28、因此,按(d)方式進行階梯啟動不會丟步。運行矩頻特性校核快速進給時是空載,即球面SCARA機器人末端操作器不進行作業(yè)加工。電機快速進給力矩為MKJ=Mkf+M0。本課題中,M0=0,Mkf很小,現(xiàn)設(shè)近似于啟動加速力矩,即Mkf2.94N·cm,因此電機快速進給力矩為MKJ2.94cm。電機快速運行頻率為fkJ=fmax=5200 HZ。查步進電機70BF003運行矩頻特性曲線可知,對應(yīng)MKJ=2.94 N·cm的允許快進頻率為fykJ=16000 HZ,fkJfykJ,校核合格,快進時不會丟步。工作進給時,電機工進力矩為MGJ=Mt+M0+Mf。本課題中,M0=0,Mf仍可
29、設(shè)為Mf=2.94N·cm。工作負(fù)載沿z軸方向,F(xiàn)z=5N,并通過工件球心?,F(xiàn)在設(shè)球面機器人工作負(fù)載荷Fz引起的側(cè)力Fx=Fy=0.5Fz=2.5N,工件直徑=20cm。因此,Mt=Fy2=2.5×10=25N·cm,MGJ=Mt+Mf=27.94 N·cm。已知1的最高工進速度nG1=90(°)/s,i=65,b=1.5°,因此電機工作進給運行頻率為fGJ=90°×651.5°=3900 HZ。查步進電機70BF003運行矩頻特性曲線,與MGJ=27.940 N·cm相對應(yīng)的允許工進頻率為fy
30、GJ=8000 HZ,fGJfyGJ,因此在工進時步進電機不會丟步。2.2.5諧波減速器的選擇1查B3扁平式諧波減速器的規(guī)格和額定功率表知,選用機型40,速比65,代號為:XB3-40-65-1-3/3。該諧波減速器最高輸入轉(zhuǎn)速可達3500r/min;輸出扭矩10 N·m。電機工進轉(zhuǎn)速為15r/min×i=15×65=975r/min,扭矩MGJ=0.27991 N·m。電機快進轉(zhuǎn)速為20r/min×i=20×65=1300r/min,扭矩MKJ=0.02991 N·m。因此,無論工進、快進,該諧波減速器在傳遞功率和扭矩上均
31、有很大的安全裕度。2.2.6第三自由度電機校核直線電機是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動機械能而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)的裝置;結(jié)構(gòu)多樣,可以根據(jù)需要制成扁平型、圓筒型或盤型等各種形式;可以采用交流電源、直流電源或脈沖電源等各種電源進行工作;不同種類具有截然不同的工作特點,可以根據(jù)需要選擇。能滿足高速、大推力的驅(qū)動要求,也能滿足低速、精細的要求,如步進直線電動機9。(1)轉(zhuǎn)動慣量計算電機3轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量JD3=0.015kg·cm2絲杠轉(zhuǎn)動慣量Js=0.78×24×14×10-3=0.18 ·2移動質(zhì)量折算到絲杠軸慣量Jm=0.0032·2,
32、(已知移動件質(zhì)量為Mm=0.5kg)傳動系統(tǒng)各運動部件慣量折算到電機3軸上總等效轉(zhuǎn)動慣量為J3=JD3+ ( Js + Jm)/i2=0.58·2(2)最大靜轉(zhuǎn)矩校核空載啟動力矩為:Mkq=Mka+Mkf+Mo (2-10)其中:加速力矩Mka= J3×2nmax×10-2/60t電機最大轉(zhuǎn)速為絲杠最大轉(zhuǎn)速的i倍,絲杠最大轉(zhuǎn)速在動負(fù)載校核中已經(jīng)算出ns=600r/min,所以nmax=600×1.5=900r/min,加速時間預(yù)定為1s,則Mka=1.06N·cm。絲杠預(yù)緊附加摩擦力矩M0=預(yù)緊力FYJ=Fm3=5.3753=1.79N;L0=
33、0.5cm;傳動總效率=0.8;絲杠未預(yù)緊時傳動效率:0=0.9;i=1.5;則M0=0.023 N·cm??蛰d摩擦力矩很小,現(xiàn)在設(shè)為2M0,即Mkf=0.045 N·cm因此,空載啟動力矩Mkq=1.064+0.045+0.0225=1.13 N·cm滿足最大靜轉(zhuǎn)矩校核,MkqMjmax=0.866×19.6=16.97 N·cm(三相六拍運行=0.866;Mjmax=0.196 N·m。)(3)啟動矩頻特性校核最大運行頻率fmax=vmaxp=500.01388=3600Hz。分為三個階梯啟動。每個階梯啟動頻率為fq=fmax3=
34、1200Hz,在0.25s內(nèi)完成升速,0.05s過渡,則相應(yīng)的角加速度為=n/t, n=1200×1.5×/180 s-2, t=0.25, =125.66 s-2加速力矩Ma=J3×10-2=1.42 N·cm,M0=0.023 N·cm,Mkf=0.045 N·cm,則空載啟動力矩為1.49 N·cm空載啟動頻率為fq=1200Hz滿足要求。啟動時間為t=(0.025+0.05)×2+0.25=0.85s。(4)運行矩頻特性校核10快速進給vmax=50mm/s,快速進給力矩MKJ=Mkf+M0,其中M0=0.
35、023 N·cm;Mkf為快速進給時折算到電機軸上的摩擦力矩,本課題不同于工作臺進給系統(tǒng),Mkf較小,設(shè)Mkf=2M0=0.045 N·cm,因此,電機快速進給力矩MKJ=0.068 N·cm,電機快速運行頻率fKJ=3600Hz,滿足要求。工作進給vGJ=40mm/s,工作進給力矩MGJ=Mt+M0+Mf。M0=0.025 N·cm,Mf=0.045 N·cm,Mt為工作負(fù)載折算到電機軸上的力矩Mt=FmL02i,F(xiàn)m=5.38N,L0=0.5cm,=0.8,i=1.5,Mt=0.36 N·cm,則MGJ=0.42N·cm
36、。電機工作進給頻率fGJ=vGJP=400.01388=2880Hz。因此,電機工作進給力矩MGJ=0.42 N·cm,電機工作進給頻率fGJ=2880Hz,滿足要求。2.2.7球面SCARA機器人外形圖圖2-7 球面SCARA機器人外形圖3 Pro/E軟件簡介11Proe是美國PTC公司旗下的產(chǎn)品Pro/Engineer軟件的簡稱。Pro/E(Pro/Engineer操作軟件)是美國參數(shù)技術(shù)公司(Parametric Technology Corporation,簡稱PTC)的重要產(chǎn)品。是一款集CAD/CAM/CAE功能一體化的綜合性三維軟件,在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地
37、位,并作為當(dāng)今世界機械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣,是現(xiàn)今最成功的CAD/CAM軟件之一。1. proe的概述在中國也有很多用戶直接稱之為“破衣”。1985年,PTC公司成立于美國波士頓,開始參數(shù)化建模軟件的研究。1988年,V1.0的Pro/ENGINEER誕生了。經(jīng)過10余年的發(fā)展,Pro/ENGINEER已經(jīng)成為三維建模軟件的領(lǐng)頭羊。目前已經(jīng)發(fā)布了Pro/ENGINEER WildFire6.0(中文名野火6)。PTC的系列軟件包括了在工業(yè)設(shè)計和機械設(shè)計等方面的多項功能,還包括對大型裝配體的管理、功能仿真、制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等等。Pro/ENGINEER還提供
38、了全面、集成緊密的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境。是一套由設(shè)計至生產(chǎn)的機械自動化軟件,是新一代的產(chǎn)品造型系統(tǒng),是一個參數(shù)化、基于特征的實體造型系統(tǒng),并且具有單一數(shù)據(jù)庫功能的綜合性MCAD軟件。2. proe的特點和優(yōu)勢經(jīng)過20多年不斷的創(chuàng)新和完善,pore現(xiàn)在已經(jīng)是三維建模軟件領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊之一,它具有如下特點和優(yōu)勢: 參數(shù)化設(shè)計和特征功能 Pro/Engineer是采用參數(shù)化設(shè)計的、基于特征的實體模型化系統(tǒng),工程設(shè)計人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型,如腔、殼、倒角及圓角,您可以隨意勾畫草圖,輕易改變模型。這一功能特性給工程設(shè)計者提供了在設(shè)計上從未有過的簡易和靈活。 單一數(shù)據(jù)庫 Pro/Engine
39、er是建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫上,不象一些傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)建立在多個數(shù)據(jù)庫上。所謂單一數(shù)據(jù)庫,就是工程中的資料全部來自一個庫,使得每一個獨立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作,不管他是哪一個部門的。換言之,在整個設(shè)計過程的任何一處發(fā)生改動,亦可以前后反應(yīng)在整個設(shè)計過程的相關(guān)環(huán)節(jié)上。 例如,一旦工程詳圖有改變,NC(數(shù)控)工具路徑也會自動更新;組裝工程圖如有任何變動,也完全同樣反應(yīng)在整個三維模型上。這種獨特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計的完整的結(jié)合,使得一件產(chǎn)品的設(shè)計結(jié)合起來。這一優(yōu)點,使得設(shè)計更優(yōu)化,成品質(zhì)量更高,產(chǎn)品能更好地推向市場,價格也更便宜。全相關(guān)性:Pro/ENGINEER的所有模塊都是全相關(guān)
40、的。這就意味著在產(chǎn)品開發(fā)過程中某一處進行的修改,能夠擴展到整個設(shè)計中,同時自動更新所有的工程文檔,包括裝配體、設(shè)計圖紙,以及制造數(shù)據(jù)。全相關(guān)性鼓勵在開發(fā)周期的任一點進行修改,卻沒有任何損失,并使并行工程成為可能,所以能夠使開發(fā)后期的一些功能提前發(fā)揮其作用?;谔卣鞯膮?shù)化造型:Pro/ENGINEER使用用戶熟悉的特征作為產(chǎn)品幾何模型的構(gòu)造要素。這些特征是一些普通的機械對象,并且可以按預(yù)先設(shè)置很容易的進行修改。例如:設(shè)計特征有弧、圓角、倒角等等,它們對工程人員來說是很熟悉的,因而易于使用。 裝配、加工、制造以及其它學(xué)科都使用這些領(lǐng)域獨特的特征。通過給這些特征設(shè)置參數(shù)(不但包括幾何尺寸,還包括非
41、幾何屬性),然后修改參數(shù)很容易的進行多次設(shè)計疊代,實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)。 數(shù)據(jù)管理:加速投放市場,需要在較短的時間內(nèi)開發(fā)更多的產(chǎn)品。為了實現(xiàn)這種效率,必須允許多個學(xué)科的工程師同時對同一產(chǎn)品進行開發(fā)。數(shù)據(jù)管理模塊的開發(fā)研制,正是專門用于管理并行工程中同時進行的各項工作,由于使用了Pro/ENGINEER獨特的全相關(guān)性功能,因而使之成為可能。 裝配管理:Pro/ENGINEER的基本結(jié)構(gòu)能夠使您利用一些直觀的命令,例如“嚙合”、“插入”、“對齊”等很容易的把零件裝配起來,同時保持設(shè)計意圖。高級的功能支持大型復(fù)雜裝配體的構(gòu)造和管理,這些裝配體中零件的數(shù)量不受限制。 易于使用:菜單以直觀的方式聯(lián)級出現(xiàn),提供了
42、邏輯選項和預(yù)先選取的最普通選項,同時還提供了簡短的菜單描述和完整的在線幫助,這種形式使得容易學(xué)習(xí)和使用。4 工業(yè)機器人運行時應(yīng)采取的安全措施12機器人的運行特性與其他設(shè)備不同。機器人以高能掠過比其機座大的空間,機器人手臂的運動形式和啟動很難預(yù)料,且可能隨生產(chǎn)和環(huán)境條件而改變。在機器人驅(qū)動器通電情況下,維修及編程人員有時需要進入其限定空間。且機器人限定空間之間或其他相關(guān)設(shè)備的工作區(qū)之間可能相互重疊而產(chǎn)生碰撞,擠壓或由于夾持器松脫而使工件飛出等危險。 4.1 安全要求安全防護措施的選擇和設(shè)計應(yīng)考慮機器人的應(yīng)用、類型及與其他相關(guān)設(shè)備的關(guān)系,該設(shè)計和選擇必須適合正在進行的工作,并且使得示教編程、設(shè)定、
43、維護、程序驗證及故障查找要求設(shè)備布局緊湊時,也能安全操作?;疽螅篴為防止機器人誤動作產(chǎn)生的危險性,應(yīng)具有異常狀態(tài)檢測、顯示、報警、緊急停機等安全防護功能。b為防止其他人員誤入危險區(qū),應(yīng)具有異常檢測、顯示、報警、緊急停機等安全防護功能。c附屬設(shè)備發(fā)生故障時,應(yīng)具有異常檢測、顯示、報警、緊急停機等安全防護功能。d由于機器人系統(tǒng)的故障而停機時,應(yīng)具有顯示、通知外部的功能。e為確保在危險區(qū)進行示教作業(yè)的安全性,機器人應(yīng)具有安全動作速度的功能,機器人慢速運動的最大值不超過0.25m/s。f在特殊環(huán)境中使用的機器人,應(yīng)具有適應(yīng)環(huán)境的安全防護功能。g控制裝置面板上各操作鍵應(yīng)設(shè)動作方向標(biāo)記,與操作機各軸動作方向標(biāo)記相一致。h控制裝置與操作機上要有醒目的安全標(biāo)志。i機器人系統(tǒng)、動力裝置等都要分別設(shè)置可靠的接地端子。4.2
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