SCARA工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)

1、Harbin Institute of Technology綜合課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目：SCARA工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)院系： 機(jī)電工程學(xué)院 班級(jí)： *：* 學(xué)號(hào)： *指導(dǎo)教師： * 工業(yè)大學(xué)2017年10月26日46 / 49目錄第1章 SCARA機(jī)器人簡(jiǎn)介1第2章SCARA機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)22.1 SCARA機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式22.1.1液壓驅(qū)動(dòng)22.1.2氣壓驅(qū)動(dòng)22.1.3電力驅(qū)動(dòng)32.2 SCARA機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式的確定42.3 SCARA機(jī)器人的減速器選擇52.4 SCARA機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的對(duì)比與分析52.5 SCARA機(jī)器人機(jī)構(gòu)桿件參數(shù)初定62.6 SCARA機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間計(jì)算72.7 SCARA

2、機(jī)械臂材料初定9第3章 SCARA機(jī)器人關(guān)節(jié)元件設(shè)計(jì)計(jì)算103.1 滾珠絲桿滾珠花鍵的計(jì)算與選型103.1.1 計(jì)算滾珠絲桿花鍵的負(fù)載103.1.2 計(jì)算滾珠絲杠花鍵的轉(zhuǎn)速113.1.3 螺母的選擇113.1.4 計(jì)算滾珠絲杠花鍵的最大動(dòng)載荷113.1.5 剛度的驗(yàn)算123.1.6 計(jì)算傳動(dòng)效率123.1.7滾珠絲杠花鍵選擇133.1.8 滾珠絲杠花鍵驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇與計(jì)算133.2 3軸同步齒形帶的設(shè)計(jì)與選型143.2.1 確定同步齒形帶的計(jì)算功率143.2.2 選定帶型和節(jié)距153.2.3 大小帶輪齒數(shù)與節(jié)圓半徑。153.2.4 同步帶帶速計(jì)算173.2.5 初選中心距173.2.6 帶長(zhǎng)與

3、齒數(shù)確定173.2.7 基本額定功率183.2.8 帶寬計(jì)算183.2.9 作用于軸上的力計(jì)算193.3 4軸同步齒形帶的設(shè)計(jì)與選型193.3.1 確定同步齒形帶的計(jì)算功率193.3.2 選定帶型和節(jié)距203.3.3 大小帶輪齒數(shù)與節(jié)圓半徑。203.3.4 同步帶帶速計(jì)算203.3.5 帶長(zhǎng)與齒數(shù)確定213.3.6 基本額定功率213.3.7 帶寬計(jì)算213.3.8 作用于軸上的力計(jì)算22第4章 1軸和2軸電機(jī)與減速器的選擇與計(jì)算234.1 小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)（2軸）與減速器的計(jì)算與選擇234.2 大臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)（1軸）與減速器的計(jì)算與選擇24第5章 剛度校核265.1大臂的剛度校核265.2小臂的剛

4、度校核27附錄1滾珠絲杠花鍵28附錄2安川伺服電機(jī)30附錄3諧波減速器41參考文獻(xiàn)46第1章 SCARA機(jī)器人簡(jiǎn)介（老師評(píng)價(jià)：設(shè)計(jì)的很笨。 嚶嚶嚶。）SCARA機(jī)器人，又稱(chēng)選擇順應(yīng)性裝配機(jī)器手臂，是一種圓柱坐標(biāo)型的特殊類(lèi)型的工業(yè)機(jī)器人。SCARA機(jī)器人有3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其軸線相互平行，在平面進(jìn)行定位和定向。另一個(gè)關(guān)節(jié)是移動(dòng)關(guān)節(jié)，用于完成末端件在垂直于平面的運(yùn)動(dòng)。手腕參考點(diǎn)的位置是由兩旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角位移1和2，與移動(dòng)關(guān)節(jié)的位移z決定的，即p=f(1,2,z)，如圖所示。這類(lèi)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)輕便、響應(yīng)快，例如Adept1·用于平面定位，垂直方向進(jìn)行裝配的作業(yè)。1978年，日本山梨大學(xué)牧野洋發(fā)明S

5、CARA，該機(jī)器人具有四個(gè)軸和四個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，(包括沿X,Y,Z方向的平移和繞Z軸的旋轉(zhuǎn)自由度)。SCARA系統(tǒng)在x,y方向上具有順從性，而在Z軸方向具有良好的剛度，此特性特別適合于裝配工作，例如將一個(gè)圓頭針插入一個(gè)圓孔，故SCARA系統(tǒng)首先大量用于裝配印刷電路板和電子零部件；SCARA的另一個(gè)特點(diǎn)是其串接的兩桿結(jié)構(gòu)，類(lèi)似人的手臂，可以伸進(jìn)有限空間中作業(yè)然后收回，適合于搬動(dòng)和取放物件，如集成電路板等。如今SCARA機(jī)器人還廣泛應(yīng)用于塑料工業(yè)、汽車(chē)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(gè)軸和第二個(gè)軸具有轉(zhuǎn)動(dòng)特性，第三和第四個(gè)軸可以根據(jù)工作的需要的

6、不同，制造成相應(yīng)多種不同的形態(tài)，并且一個(gè)具有轉(zhuǎn)動(dòng)、另一個(gè)具有線性移動(dòng)的特性。由于其具有特定的形狀，決定了其工作圍類(lèi)似于一個(gè)扇形區(qū)域。SCARA機(jī)器人可以被制造成各種大小，最常見(jiàn)的工作半徑在100毫米至1000毫米之間，此類(lèi)的SCARA機(jī)器人的凈載重量在1千克至200千克之間。第2章SCARA機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)SCARA機(jī)器人之所以能夠在平面靈活定位，依靠的是三個(gè)軸線相互平行的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。同理，之所以能夠在垂直方向上定位是因?yàn)閾碛幸粋€(gè)移動(dòng)自由度。SCARA機(jī)器人的1個(gè)移動(dòng)自由度和3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度使其能滿足要求的情況下完成一系列復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。2.1 SCARA機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式SCARA機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式可分

7、為液壓，氣動(dòng)和電動(dòng)三種基本類(lèi)型。2.1.1液壓驅(qū)動(dòng)液壓傳動(dòng)機(jī)械手有很大的抓取能力，抓取力可高達(dá)上百公斤，液壓力可達(dá)7MPa，液壓傳動(dòng)平穩(wěn)，動(dòng)作靈敏，但對(duì)密封性的要求高，不宜在高或低溫現(xiàn)場(chǎng)工作，需配備一套液壓系統(tǒng)。液壓驅(qū)動(dòng)有以下特點(diǎn)：（1）輸出功率大；（2）控制精度較高，可無(wú)極調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制；（3）結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化，模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)；（4）液壓系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自我潤(rùn)滑，過(guò)載保護(hù)方便，使用壽命慈航；（5）適用于低速，重載傳動(dòng)。2.1.2氣壓驅(qū)動(dòng)氣壓傳動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作迅速，價(jià)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

8、十到幾百牛。氣壓驅(qū)動(dòng)具有以下特點(diǎn)：（1）輸出功率大；（2）氣體壓縮性能大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實(shí)現(xiàn)高速高精度的連續(xù)軌跡控制；（3）結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化，模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)；（4）適用于中小負(fù)載驅(qū)動(dòng)，精度要求較低的有限點(diǎn)位程序控制機(jī)器人。2.1.3電力驅(qū)動(dòng)電力驅(qū)動(dòng)是目前在工業(yè)機(jī)器手中用的最多的一種。早期多采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，后來(lái)發(fā)展了直流伺服電機(jī)，現(xiàn)在交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)也開(kāi)始廣泛使用。上述驅(qū)動(dòng)單元有的直接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，有的通過(guò)諧波減速 器裝置來(lái)減速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實(shí)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)

9、復(fù)雜。適用于中小負(fù)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(jī)械手，如AC伺服噴涂機(jī) 械手、點(diǎn)焊機(jī)械手、弧焊機(jī)械手、裝配機(jī)械手等。電力驅(qū)動(dòng)可分為普通交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，交、直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電動(dòng) 機(jī)驅(qū)動(dòng)。各種電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)：(1)普通交、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)械手。(2)直流伺服電動(dòng)機(jī)：直流伺服電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速特性， 可很方便地在較寬圍實(shí)現(xiàn)平滑的無(wú)級(jí)調(diào)速，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和穩(wěn)定性好，可適 應(yīng)頻繁啟動(dòng)、反向、制動(dòng)等工作狀況。直流伺服電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式不同，有永磁 式和電磁式之分；按轉(zhuǎn)速高低與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大小

10、，有高速、小慣量（小慣量 直流伺服電動(dòng)機(jī)有多種：無(wú)槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)，繞組鐵芯細(xì)長(zhǎng)，故轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 小，其功率較大；空心杯轉(zhuǎn)子直流伺服電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，靈敏度更高，功 率較?。挥≈评@組直流伺服電動(dòng)機(jī)，可承受頻繁的起動(dòng)、換向，切率中等。這類(lèi) 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，電感小，故換向性能好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，快速性能好， 低速無(wú)爬行）和低速、大慣量（大慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)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(zhuǎn)矩大，調(diào)速?lài)鷮?，轉(zhuǎn)子慣量大， 受負(fù)載影響小，故可與絲杠直接連接，承受過(guò)載、重載能力強(qiáng)）之分。(3)交流伺服電動(dòng)機(jī)：交流伺服電動(dòng)機(jī)幾乎具有直流伺服電動(dòng)機(jī)的所有優(yōu) 點(diǎn)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)

11、單，制造、維護(hù)簡(jiǎn)單，具有調(diào)速?lài)鷮?、穩(wěn)速精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特 性更好等技術(shù)特點(diǎn)，可達(dá)到更大的功率和更高的轉(zhuǎn)速。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、電 子技術(shù)的發(fā)展，交流伺服電動(dòng)機(jī)已廣泛取代直流伺服電動(dòng)機(jī)。(4)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是由電脈沖信號(hào)控制的，它可將電脈沖信號(hào) 轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直線位移，有回轉(zhuǎn)式和直線式兩種。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 控制簡(jiǎn)便、價(jià)格較低，但易失步，具有轉(zhuǎn)子慣量低、反應(yīng)靈敏、能提供較大的低速轉(zhuǎn)矩、無(wú)漂移、無(wú)積累定位誤差等優(yōu)良性能，其控制線路簡(jiǎn)單，不需反饋編碼 器和相應(yīng)的電子線路。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與輸入脈沖個(gè)數(shù)成嚴(yán)格正比關(guān)系，轉(zhuǎn) 子速度主要取決于脈沖頻率，故控制簡(jiǎn)便。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)主要由步

12、進(jìn)控制器、 功率放大器與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)組成。純硬件的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(jìn)電動(dòng)機(jī)的各個(gè)繞組， 使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按既定的方向和速度旋轉(zhuǎn)。若采用微機(jī)技術(shù)，用軟件與硬件相結(jié)合， 則控制器不僅可在硬件上簡(jiǎn)化線路，降低成本，而且又提高可靠性。2.2 SCARA機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式的確定對(duì)于SCARA機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置的一般的要求：(1)驅(qū)動(dòng)裝置的質(zhì)量要盡可能的輕，但是單位質(zhì)量的輸出功率（功率/質(zhì)量m的比）要高，效率也要高；(2)反應(yīng)的速度需要快些，也就是力/質(zhì)量和力矩/轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比直要大些；(3)動(dòng)作要平滑，不產(chǎn)生沖擊；(4)控制應(yīng)要盡可能的靈活，位移和

13、速度的偏差要小些；(5)驅(qū)動(dòng)裝置要安全可靠；(6)驅(qū)動(dòng)裝置要操作方便和它的維護(hù)也很方便；(7)它對(duì)環(huán)境無(wú)污染或污染很少，噪音也要?。?8)經(jīng)濟(jì)要便宜些，最主要的是要盡量減少它的占地面積。綜合考慮所設(shè)計(jì)的SCARA機(jī)器人的參數(shù)和所需要完成的工作條件，所以本次設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)都選擇交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。2.3 SCARA機(jī)器人的減速器選擇現(xiàn)在，在機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)中最常使用的有RV減速器和諧波減速器，根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇了斯諾伐克Spinea諧波減速器。減速器的類(lèi)型和特點(diǎn)：諧波減速器RV減速器：該減速器具有較大的傳動(dòng)比和較大的承載能力，而且它的傳動(dòng)精度也比較高，傳動(dòng)中比較的平穩(wěn)，傳動(dòng)的效率比較的理想，它的結(jié)構(gòu)

14、簡(jiǎn)單、體積比較小質(zhì)量又輕，它的制造的成本價(jià)格要比RV減速器制造的成本價(jià)格要低的很多。RV減速器：該減速器一般應(yīng)用于負(fù)載比較大，速度和精度要求比較高的場(chǎng)合等特點(diǎn)。2.4 SCARA機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的對(duì)比與分析SCARA工業(yè)機(jī)械手的傳動(dòng)系統(tǒng)要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和體積小， 要求消除傳動(dòng)間隙，提高其運(yùn)動(dòng)和位置精度。工業(yè)機(jī)械手傳動(dòng)裝置除齒輪傳動(dòng)， 蝸桿傳動(dòng)，鏈傳動(dòng)和行星齒輪傳動(dòng)外，還常用滾珠絲杠、諧波齒輪、鋼帶、同步 齒形帶和繩輪傳動(dòng)，以下就是工業(yè)機(jī)械手常用的傳動(dòng)方式與其特點(diǎn)：(1)滾珠絲杠：傳動(dòng)效率高，達(dá)0.9-0.98,有利于主機(jī)的小型化和減輕勞動(dòng) 強(qiáng)度；摩擦力矩小，接觸鋼度高，使溫升與熱變

15、形減小，有利于改善主機(jī)的動(dòng)態(tài) 特性和提高工作精度；工作壽命長(zhǎng)，傳動(dòng)無(wú)間隙，無(wú)爬行傳動(dòng)精度高，具有很好 的高速性能；抗沖擊振動(dòng)性能差，承受徑向載荷能力差。(2)同步帶：靠齒嚙合傳動(dòng)，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，傳動(dòng)效率高，初緊力最小， 瞬間速度均勻，單位質(zhì)量傳遞的功率最大；與鏈和齒輪傳動(dòng)相比，噪聲小，不需 潤(rùn)滑，傳動(dòng)比、線速度圍大，傳遞功率大；耐沖擊振動(dòng)較好，維修簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)。 廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械傳動(dòng)。(3)諧波齒輪傳動(dòng)：傳動(dòng)比大、圍寬；元件少，體積小，重量輕；同時(shí) 嚙合的齒數(shù)多，承載能力高；且誤差能互相補(bǔ)償，故運(yùn)動(dòng)精度高。可采用調(diào)整波 發(fā)生器達(dá)到無(wú)側(cè)隙嚙合；運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪音低，傳動(dòng)效率也比較高，且傳動(dòng)比大時(shí)， 效

16、率并不顯著下降，但主要零件一柔輪的制造工藝比較復(fù)雜。(4)蝸桿傳動(dòng)：傳動(dòng)比大，工作平穩(wěn)，噪聲較小，結(jié)構(gòu)緊湊，在一定條件 下有自鎖性，效率低。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的要求，對(duì)SCARA機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的傳動(dòng)方式進(jìn)行合理的選擇，為后續(xù)的關(guān)節(jié)電機(jī)型號(hào)的選擇和具體計(jì)算校核提供基礎(chǔ)。各關(guān)節(jié)的傳動(dòng) 方案決定了整體機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，是SCARA機(jī)器人能否傳輸運(yùn)動(dòng)、精準(zhǔn)定位的一大參考值，因而在傳動(dòng)方案的選擇中，查詢(xún)國(guó)典型工業(yè)機(jī)器人圖冊(cè)的機(jī)器 人傳動(dòng)的經(jīng)典傳動(dòng)方案，現(xiàn)給出傳動(dòng)方案如下：第一二關(guān)節(jié)自由度均選擇交流伺服電機(jī)傳動(dòng)，不僅保證了傳動(dòng)精度，而且在效率和振動(dòng)方面，也有良好的提高，此外，模塊化的產(chǎn)品也市場(chǎng)化，所以易購(gòu)買(mǎi)，而

17、且安裝也較為方便；第三關(guān)節(jié)和第四關(guān)節(jié)選擇滾珠絲桿滾珠花鍵以與同步帶傳動(dòng)，在結(jié)構(gòu)緊湊的基礎(chǔ)上，保證了設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)中對(duì)三，四關(guān)節(jié)速度與運(yùn)動(dòng)圍的要求。最終的傳動(dòng)方案如表2-1所示：關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案大臂回轉(zhuǎn)伺服電機(jī)1à諧波減速器à大臂小臂回轉(zhuǎn)伺服電機(jī)2à諧波減速器à小臂Z軸方向直線運(yùn)動(dòng)伺服電機(jī)3à同步齒形帶à絲桿螺母à主軸Z軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)伺服電機(jī)4à同步齒形帶à花鍵à主軸表2-1 傳動(dòng)方案2.5 SCARA機(jī)器人機(jī)構(gòu)桿件參數(shù)初定由于scara是相對(duì)成熟的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，因此可參考具體的實(shí)機(jī)進(jìn)行參數(shù)初定。這里選用ABB

18、公司3公斤級(jí)臂展550mm的SCARA機(jī)器人作為參考，其外形圖如圖2-1所示。圖2-1 IRB 910SC - 3/0.55 外形圖任務(wù)書(shū)要求最大展開(kāi)半徑要求為560mm，初定大臂325mm，小臂235mm。2.6 SCARA機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間計(jì)算利用Matlab結(jié)合DH法計(jì)算SCARA機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間，計(jì)算程序如下所示。運(yùn)動(dòng)空間如圖2-2所示。%前置法計(jì)算scara運(yùn)動(dòng)空間 L1=325;%大臂長(zhǎng)度L2=235;%小臂長(zhǎng)度a=;%空矩陣保存解點(diǎn)坐標(biāo)theta1_max=130;%關(guān)節(jié)1最大運(yùn)動(dòng)圍theta2_max=125;%關(guān)節(jié)2最大運(yùn)動(dòng)圍theta3_max=180;%關(guān)節(jié)3最大運(yùn)動(dòng)圍d1=0

19、; d2=0; d3=0;%建立DH坐標(biāo)參數(shù) 參數(shù)取決于機(jī)器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)暫取0 不會(huì)影響最終成圖形狀d4_max=80;%關(guān)節(jié)4最大運(yùn)動(dòng)圍deg2rad=pi/180;N=10;%設(shè)置循環(huán)次數(shù) 嵌套循環(huán)運(yùn)算量大 求解費(fèi)時(shí)r=10; %設(shè)執(zhí)行器距關(guān)節(jié)四在x方向上偏移量為rA=r;0;0;1;%執(zhí)行器坐標(biāo)原點(diǎn)在第四關(guān)節(jié)坐標(biāo)中表示%機(jī)器人學(xué)中的算法for i=-N:N theta1=i*theta1_max*deg2rad/N; A01=cos(theta1) -sin(theta1) 0 0 sin(theta1) cos(theta1) 0 0 0 0 1 d1 0 0 0 1 ; for j=-

20、N:N theta2=j*theta2_max*deg2rad/N; A12=cos(theta2) -sin(theta2) 0 L1 sin(theta2) cos(theta2) 0 0 0 0 1 d2 0 0 0 1 ; for k=-N:N theta3=k*theta3_max*deg2rad/N; A23=cos(theta3) -sin(theta3) 0 L2 sin(theta3) cos(theta3) 0 0 0 0 1 d3 0 0 0 1; for p=0:N d4=p*d4_max/N; A34=1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 d4 0 0 0 1;

21、 T04=A01*A12*A23*A34; a=a T04*A; end end endendscatter3(a(1,:),a(2,:),a(3,:);%繪三維散點(diǎn)圖axis equal;圖2-2 SCARA機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間2.7 SCARA機(jī)械臂材料初定機(jī)械臂的材料要根據(jù)工作狀況來(lái)選擇，SCARA機(jī)械臂具有體積小，重量輕的特點(diǎn)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械臂來(lái)說(shuō)，在滿足輕度和剛度的條件下，零部件越輕越好。通常情況下，可以從以下大類(lèi)材料中選取: （1）合金鋼（2）經(jīng)過(guò)熱處理的優(yōu)質(zhì)鋼（3）輕型合金，如鋁合金綜上，本次設(shè)計(jì)擬定大臂、小臂材料為鋁合金1060。第3章 SCARA機(jī)器人關(guān)節(jié)元件設(shè)計(jì)計(jì)算經(jīng)查詢(xún)市場(chǎng)

22、上現(xiàn)有SCARA機(jī)器人的各項(xiàng)參數(shù)，主要是負(fù)載和本體質(zhì)量的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)任務(wù)書(shū)所提負(fù)載所對(duì)應(yīng)的本體質(zhì)量余量很大，所以此次設(shè)計(jì)按照從末端開(kāi)始設(shè)計(jì)的思路來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。3.1 滾珠絲桿滾珠花鍵的計(jì)算與選型相比于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，新一代的SCARA機(jī)器人使用了滾珠絲桿花鍵由絲桿螺母、花鍵螺母、絲桿三部分組成。由于絲桿中的鋼球在螺母與絲桿之間來(lái)回滑動(dòng)，保證了其傳動(dòng)的高效性，與過(guò)去的滑動(dòng)絲桿相比，其驅(qū)動(dòng)扭矩僅占傳統(tǒng)絲桿的三分之一3.1.1 計(jì)算滾珠絲桿花鍵的負(fù)載由于 3軸是豎直安裝，滾珠絲桿的負(fù)載力主要包括手腕和負(fù)載本身的重力和加速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力。如前所述，設(shè)手腕的質(zhì)量為4.5kg，負(fù)載質(zhì)量為1.5kg ，第3

23、軸的運(yùn)動(dòng)直線加速度最大設(shè)為a=25m/s，則機(jī)器人手腕加速度時(shí)產(chǎn)生的慣性力為手腕的重力為聯(lián)立式子可得絲杠軸所受的最大負(fù)載力為3.1.2 計(jì)算滾珠絲杠花鍵的轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)要求3軸的直線運(yùn)動(dòng)速度500mm/s ，取絲杠導(dǎo)程為20mm ，則絲杠的轉(zhuǎn)速由計(jì)算得出3.1.3 螺母的選擇根據(jù)滾珠絲桿中鋼球循環(huán)方式的不同，絲桿螺母分為:彎管式、循環(huán)器式、端蓋式，這里選擇彎管式，它通過(guò)彎管讓鋼球進(jìn)行循環(huán)，鋼球經(jīng)過(guò)絲桿軸的溝槽滑 入彎管，接著滾進(jìn)溝槽中，循環(huán)往復(fù)。3.1.4 計(jì)算滾珠絲杠花鍵的最大動(dòng)載荷根據(jù)負(fù)載力的大小，可由下列式子計(jì)算出滾珠絲桿的最大動(dòng)載荷：式中：為滾珠絲桿的壽命，且，其中，T為使用壽命普通機(jī)械取，

24、設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)要求年限壽命為3年，按一年365天，每天3班制，計(jì)算得26280h；n為絲桿的轉(zhuǎn)速1500(r/min) ；為載荷系數(shù)。參考表，這里取=1。 為硬度系數(shù)。當(dāng)絲桿硬度>58HRC時(shí)，取=1.0；當(dāng)絲桿的硬度>55 HRC 時(shí)，取=1.11；當(dāng)絲桿的硬度> 50HRC時(shí)，取=1.56；當(dāng)絲桿的硬度>45HRC 時(shí)，取=2.4；Fm為滾珠絲桿的最大工作載荷(N)。運(yùn)動(dòng)狀態(tài)平穩(wěn)或輕度沖擊1.01.2中等沖擊1.21.5較大沖擊或振動(dòng)1.52.5代入公式計(jì)算3.1.5 剛度的驗(yàn)算由于滾珠絲杠花鍵部和滾珠絲杠部間距很小，且滾珠絲杠長(zhǎng)度受行程限制長(zhǎng)度不會(huì)太長(zhǎng)，且沒(méi)有兩軸端壓

25、力的產(chǎn)生，不會(huì)有失穩(wěn)的可能性，所以剛度不驗(yàn)算。3.1.6 計(jì)算傳動(dòng)效率滾珠絲桿的傳動(dòng)效率一般在 0.80.9，可計(jì)算得出:式中：為絲杠的螺旋升角，為導(dǎo)程，為滾珠絲杠軸外徑。為摩擦角，一般取10°。由此可以計(jì)算出滾珠絲杠花鍵的傳動(dòng)效率。 傳動(dòng)效率較高。3.1.7滾珠絲杠花鍵選擇綜上，選擇THK公司的BNS-2020A型的滾珠絲杠花鍵。詳細(xì)數(shù)據(jù)由附錄1給出。3.1.8 滾珠絲杠花鍵驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇與計(jì)算由于負(fù)載力不大，動(dòng)絲桿進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。因此 3 軸和 4 軸可以不采用減速器，采用同步帶傳動(dòng)同時(shí)利用其減速，減速比均為2。根據(jù)功率相等的原則，有如下式子：式中：軸向力； 電機(jī)力矩； 直線運(yùn)動(dòng)速

26、度；電機(jī)轉(zhuǎn)速；絲杠的傳動(dòng)效率；又由式子：最終推導(dǎo)如下公式：代入公式計(jì)算的（3軸）（4軸）考慮到同步帶的傳動(dòng)效率，安全系數(shù)為2，則電機(jī)的最小轉(zhuǎn)矩（3軸）（4軸）所需功率為P=230W（3軸）P=0.524W（4軸）3軸選擇安川SGM7J系列，為了保持絲杠斷電后的狀態(tài)，選擇帶保持制動(dòng)器的電機(jī)，詳細(xì)代號(hào)為SGM7J04A7C6E。.4軸選擇安川SGM7J系列，詳細(xì)代號(hào)為SGM7JA5A7A61。詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)附錄2。3.2 3軸同步齒形帶的設(shè)計(jì)與選型為了減小機(jī)器人總體設(shè)計(jì)外形尺寸，使結(jié)構(gòu)緊湊，3軸和4軸均通過(guò)同步帶傳遞運(yùn)動(dòng)與力矩，下面進(jìn)行他們的選擇與計(jì)算。根據(jù)選擇的關(guān)節(jié) 3 軸的電機(jī)型號(hào)，結(jié)合同步帶不僅

27、改變傳動(dòng)方向的作用而且改變了輸出力矩的特性可以計(jì)算功率等參數(shù)。3.2.1 確定同步齒形帶的計(jì)算功率考慮到速度增減、功率的高低、載荷的大小和預(yù)緊力對(duì)帶輪的影響，其功率計(jì)算公式為式中：考慮載荷性質(zhì)和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的工況修正系數(shù)；傳遞的功率載荷變化情況瞬時(shí)峰值載荷與額定工作載荷每天工作小時(shí)數(shù)/h<101016>16平穩(wěn)1.21.41.5小150%1.41.61.7較大150%250%1.61.71.85很大250%450%1.71.852大而且頻繁>450%1.8522.05表 3-1 同步帶的工況修正系數(shù)由表3-1 得=2，根據(jù)所選用電機(jī)得傳遞功率P=230w，計(jì)算得3.2.2 選定帶

28、型和節(jié)距參考如圖 3-1 所示的圓弧齒同步帶選型圖，依據(jù)上述計(jì)算的功率 Pd，轉(zhuǎn)速 n，據(jù)此可以選擇同步齒形帶。圖3-1 圓弧齒同步帶選型圖選定同步齒形帶帶型為3M3.2.3 大小帶輪齒數(shù)與節(jié)圓半徑。根據(jù)帶輪轉(zhuǎn)速和帶型，根據(jù)表3-2可確定小帶輪的最小齒數(shù)。此設(shè)計(jì)中，由于安裝尺寸限制，3 軸選擇小帶輪。帶輪轉(zhuǎn)速（r/min-1）帶型3M5M8M14M20M<90010142228349001200142028283412001800162432323818003600202836360048002230表 3-2 帶輪的最小齒數(shù)取小帶輪的齒數(shù)=25則小帶輪節(jié)圓直徑為則大帶輪的齒數(shù)=50則大

29、帶輪節(jié)圓直徑為3.2.4 同步帶帶速計(jì)算3.2.5 初選中心距中心距滿足下述條件根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸要求取3.2.6 帶長(zhǎng)與齒數(shù)確定帶長(zhǎng)的計(jì)算公式如下根據(jù)圓弧齒同步帶長(zhǎng)度系列查得，其節(jié)線長(zhǎng)，節(jié)線上齒數(shù)同步帶的實(shí)際中心距為計(jì)算得a=73.28mm。3.2.7 基本額定功率基本額定功率是各種帶型對(duì)應(yīng)于基準(zhǔn)寬度的額定功率，為各帶型的許用工作拉力，m 為寬度為的帶單位長(zhǎng)度的質(zhì)量，各參數(shù)見(jiàn)表 3-3 所示。項(xiàng)目帶型參數(shù)MXLXXLXLLHXHXXHbs0/mm6.46.49.525.476.2101.6127.0Ta/N273150245210040505400m/kgm-10.0070.010.0220.09

30、60.4481.4842.473表 3-3 同步帶的基準(zhǔn)寬度、許用工作拉力和單位長(zhǎng)度的質(zhì)量選擇L（輕型），算得3.2.8 帶寬計(jì)算同步帶帶寬計(jì)算公式如下式其中：嚙合系數(shù)，因，取=1；帶長(zhǎng)系數(shù)，按表可查得=1；帶基準(zhǔn)寬度，查表確定；算得：取bs=19mm。3.2.9 作用于軸上的力計(jì)算緊邊力松邊力最終根據(jù)以上計(jì)算參數(shù)選取伏龍同步帶公司的261-3M同步帶。3.3 4軸同步齒形帶的設(shè)計(jì)與選型計(jì)算和選型過(guò)程基本與3軸一樣。3.3.1 確定同步齒形帶的計(jì)算功率功率計(jì)算公式為式中：考慮載荷性質(zhì)和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的工況修正系數(shù)；傳遞的功率由表3-1 得=1.5，根據(jù)所選用電機(jī)得傳遞功率P=0.524w，計(jì)算得3.

31、3.2 選定帶型和節(jié)距參考如圖 3-1 所示的圓弧齒同步帶選型圖，依據(jù)上述計(jì)算的功率 Pd，轉(zhuǎn)速 n，據(jù)此可以選擇同步齒形帶。選定同步齒形帶帶型為3M。3.3.3 大小帶輪齒數(shù)與節(jié)圓半徑。取小帶輪的齒數(shù)=25則小帶輪節(jié)圓直徑為則大帶輪的齒數(shù)=50則大帶輪節(jié)圓直徑為3.3.4 同步帶帶速計(jì)算3.3.5 帶長(zhǎng)與齒數(shù)確定帶長(zhǎng)的計(jì)算公式如下根據(jù)圓弧齒同步帶長(zhǎng)度系列查得，其節(jié)線長(zhǎng)，節(jié)線上齒數(shù)同步帶的實(shí)際中心距為計(jì)算得a=73.28mm。3.3.6 基本額定功率基本額定功率是各種帶型對(duì)應(yīng)于基準(zhǔn)寬度的額定功率，為各帶型的許用工作拉力，m 為寬度為的帶單位長(zhǎng)度的質(zhì)量，各參數(shù)見(jiàn)表 3-3 所示。選擇MXL（超輕型），算得3.3.7 帶寬計(jì)算同步帶帶寬計(jì)算公式如下式取bs=8mm。3.3.8 作用于軸上的力計(jì)算緊邊力松邊力最終根據(jù)以上計(jì)算參數(shù)選取伏龍同步帶公司的261-3M同步帶。第4章 1軸和2軸電機(jī)與減速器的選擇與計(jì)算4.1 小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)（2軸）與減速器的計(jì)算與選擇SCARA機(jī)器人小臂設(shè)計(jì)如圖4-1所示圖4-1 SCARA機(jī)器人小臂設(shè)計(jì)利用SolidWorks將此模型的質(zhì)量與繞2軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算得出：質(zhì)量為m1=6.92kg繞2軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1=0.303kg/m2由任務(wù)書(shū)可知，關(guān)節(jié)2最大運(yùn)動(dòng)速度w=450°/s，選擇加速時(shí)間為t=0.1s，則角加速度：=t=450&