三轴联动机械臂伺服运动机械结构设计

三轴联动机械臂伺服运动机械结构设计 （摘要）机械手臂是目前在机械人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事、半导体制造以及太空探索等领域都能见到它的身影。尽管它们的形态各有不同，但它们都有一个共同的特点，就是能够接受指令，精确地定位到三维（或二维）空间上的某一点进行作业。根据结构形式的不同，机械手臂可分为多关节机械手臂，直角坐标系机械手臂、球坐标系机械手臂，极坐标机械手臂，柱坐标机械手臂等。本文所设计的机械手臂为直角坐标系机械手臂，其由三个伺服电机驱动，通过运动控制卡实现运动控制，可以实现三轴联动，分别为 X移动，Y移动，Z移动。手臂的运动由三个丝杠螺母副完成，伺服电机驱动丝杠旋转，螺母副移动，从而实现三个自由度的运动。 关键词 机械手臂 三轴联动 三个自由度AbstractIIMechanical arm is currently the most widely practical application in the field of robot technology in automation machinery, industrial manufacturing, medical treatment, entertainment services, military, semiconductor manufacturing and other areas of space exploration can see its shadow. Despite their morphology vary, but they all have one common characteristic, that is able to accept instruction, precisely positioned to carry out operations at a point three (or two-dimensional) space. According to the different structure, mechanical arm can be divided into multi-joint robot, Cartesian coordinates robot, spherical coordinates robot, polar coordinate robot, cylindrical coordinates robot arm and the like. This article is designed as Cartesian robot manipulator arm, which is driven by three servo motors, motion control through motion control card, you can achieve three-axis, respectively, X Mobile, Y movement, Z move. Arm movement consists of three screw nut is completed, servo motor drive screw rotation, nut move, in order to achieve three degrees of freedom of movement.Key words Mechanical arm Axis linkage Three degrees of freedom第1章绪论11.1 研究背景随着科技的发展，工业自动化程度不断提高，机械臂广泛用于各种制造行业中，但对于机械臂在工业的应用来说，大部分时候并不需要机械臂具有六个自由度，其中的一个或几个即可满足工业需求，由于三轴联动机械臂具有三个自由度，基本上可以满足制造行业中以空间任意一点为目标位置的运动要求，故三轴联动机械臂在工业自动化上的运用最为广泛。1.2 国内外研究现状国际上对于机械臂的开发、研制和应用已有近50年历史，目前，以日、韩、美、法、德等为代表的许多国家的机械臂产业日趋成熟和完善，其所生产的机械臂已成为一种标准设备在全球得到广泛应用。国外机械臂技术由于起步较早，基础雄厚，技术先进，市场占有率高。同国外相比，中国的机械臂技术起步较晚，经过“七五”、“八五”、“九五”三个阶段，中国机械臂从无到有，从小到大，发展迅速，一批国产机械臂已服务于国内诸多企业的生产线上，一批机械臂技术的研究人才也涌现出来，一些相关科研机构和企业已掌握了机械臂的一些关键技术，某些技术已达到了或接近国际先进水平，中国机械臂在世界机械臂领域已占有一席之地，而且中国是一个巨大的机械臂消费市场，行业市场也处于发展壮大中。机械臂技术在制造业应用范围越来越广，其标准化、模块化、智能化和网络化的程度越来越高，功能也越来越强，正向着成套技术和装备的方向发展。1.3 研究目的和意义面对工业4.0时代机械臂的巨大市场，机械臂技术的发展和革新也变得尤为重要，由于三轴联动直角坐标系机械臂结构简单、用途广泛，市场份额最大，所以对其技术的研究最具市场价值。在机械制造行业中，对于机械臂技术研究的意义可概括如下，一、在生产过程中，机械臂可应用于传送材料，装卸工件，更换刀具以及装配机器，可以提高生产的自动化程度，降低劳动强度和生产成本。二、在特殊工作空间如高温、高压、噪声、狭小空间等工作场合中，人工操作存在一些隐患甚至人工根本不可能完成，而通过机械臂的应用可以部分或全部代替工人安全的完成作业，改善了劳动条件，在一些简单、重复、笨重的操作中，通过机械臂的应用，可以避免由于疲劳或者疏忽而造成生产事故。 三、通过机械臂的应用，首先可以直接减少人力，而且由于机械臂可以连续工作，使得生产工作有节奏的进行。综上所述，加速开发和应用机械臂，是机械工业发展的必然趋势。1.4 论文研究内容第一章绪论简单介绍研究背景，国内外研究现状，研究的目的和意义。第二章方案确定，提出两种设计方案，最后选择采用丝杠螺母副的直角坐标系机械手臂。第三章电机驱动设计，分析运动情况，选择合适的伺服电机。第四章机械结构设计，对整个机械臂上选要安装的零部件进行设计选型。第五章基于CREO的设计与装配，将所设计的机械臂的零部件采用CREO绘制，并将所绘制的零部件进行模拟装配第2章方案确定2.1方案的设想面对机械臂的巨大的应用市场，开发一种结构简单，可以满足工业基本应用机械臂有很大的市场前景，而且对于工业应用来说，三自由度直角坐标系机械手臂应用最为广泛。直角坐标系机械手臂可以由单轴机械手臂组合而成。单轴机械手臂作为一个组件在工业中应用广泛。故本文所设计的机械臂整体结构可以由三个单轴机械臂组合而成，我们设想了两种方案，两种方案的基本结构形式相似，主要区别在于机械臂的执行元件不同。方案一：此方案执行原件为气缸，每个单轴机械臂的运动由一个气缸完成，通过三个气缸的组装，组装成一个具有三个自由度的直角坐标系机械臂，三个气缸可以由一个气泵供气，每个气缸都装有一个阀门，阀门由伺服电机控制气缸的进气速度和进气量，三个伺服电机可以通过运动控制卡来实现运动控制。方案二：此方案的执行元件为丝杠螺母副，每个单轴机械臂的运动由一个丝杠螺母副完成，通过对三个丝杠螺母副的组装，组装成一个具有三个自由度的直角坐标系机械臂，每个丝杠螺母副均由一个伺服电机驱动，通过运动控制卡对伺服电机转速和转角的控制，实现最终的运动控制。2.2方案的确定综合比较上述两种方案，我们发现第二种的结构比较好。方案一使用气缸虽然执行机构的结构会更紧凑，但是由于需要额外使用气泵、阀门等关键零部件，故造价高，而且气缸不适合承受较大径向力的场合，气缸进出气较难控制，且运动精度低。相比方案一，方案二的单轴机械臂虽然体积稍大，但造价有大幅降低，运动控制精度显著提高，在载荷分布上也更为合理。2.3本章小结通过以上对两种方案的比较和分析，综合市场方面因素，最终我们选择采用方案二，用使用丝杠螺母副的单轴机械臂来组装成具有三个自由度的直角坐标系机械臂。总体方案确定之后，进行机构各部件的设计和选择。第3章 电机驱动设计由于本文所设计的机械臂采用三个单轴机械臂组合安装完成，三个单轴机械臂的结构类似，本文中只对X向的单轴机械臂进行计算选型，其余两个进行类比设计，本文中不做过多叙述。3.1 电机驱动要求（1）机械臂运动需要有较大的调速范围，最好能够实现无级变速。（2）电机应该选用偏大的功率，虽然本文所设计的机械臂目的是安装摄像头进行扫描摄像，不需要高功率电机，但为了保证机械臂运动的可靠性，应该采用稍微偏大功率的电机。（3）电机驱动的动态响应性要好，电机的升降速时间要短，调速时需要运转平稳，换向可以进行自动加减速控制。（4）机械臂的主轴需要有较高的回转精度，主轴部件需要具有良好的抗振性和足够的刚度，也需要具有较好的热稳定性，即要求主轴的轴向和径向尺寸随温度的变化要小，而且传动链要短。3.2 电机选型由于本文所设计的机械臂尾端只需要安装一个摄像头进行扫描摄像，而且本机械臂体积小，质量轻，所需要的电机功率不必要太大，但为了保证运动的可靠性，适当选取偏大功率的电机即可，向单轴机械臂所选取的电机为松下公司所生产的的型伺服电机，额定功率为，额定转速为。本章小结通过对电机的选型，以及运动控制系统的设计，通过运动卡同时控制三个伺服电机验证运动控制系统是否满足三轴联动的设计要求，进而完成电气部分的设计。第4章机械结构设计4.1单轴机械臂结构特点单轴机械臂的运动在动作上除了由运动控制卡的控制外，在机械结构方面还应具有响应速度快、精度高、稳定性好等特点（有引用）下面主要对单轴机械臂的机械结构特点进行讨论：（1）传动刚度高本文所研究的单轴机械臂采用丝杠螺母副作为执行部件，丝杠螺母副以及其支撑部件的刚度决定了整个机械臂的传动刚度。如果刚度不足，加上摩擦阻力的作用，会导致机械臂的运动产生爬行现象或反向死区，传动的准确性会受到影响。通过合理的选择丝杆尺寸，缩短传动链、对丝杠螺母副及其支撑部件等预紧均可以有效的提高传动刚度。(2) 高谐振为了提高机械臂的抗振性，其机械构件应具有合适的阻尼和较高的固有频率，通常要求机械传动系统的固有频率应为伺服驱动系统固有频率的23倍（3）低摩擦机械臂的运动要求平稳，能够快速响应且定位准确，那么就需要减少运动件所受的摩擦阻力，在机械臂中普遍采用特性优良的滚珠丝杠螺母副。（4）低惯性由于机械臂的特殊工作环境，所以经常需要启停、变速和换向，如果机械臂的传动装置惯量太大，会使负载增大并会降低传动系统的动态性能。因此在强度与刚度足够的前提下，应该尽可能使各传动元件的体积变小，同时减少各运动部件的重量，从而达到运动部件能够对指令快速响应的要求 。（5）无间隙机械臂的进给系统存在反向运动死区的另一个主要因素是机械间隙，因此对于传动链的各个环节都需要采用消除间隙的结构措施，这些环节包括：丝杠螺母副、联轴器、轴承以及其他支撑部件等。4.2 滚珠丝杠的选择与安装方式的选择4.2.1 滚珠丝杠特点在单轴机械臂上，滚珠丝杠副将伺服电机的回转运动转换为直线运动，滚珠丝杠螺母副的特点是：（1）传动效率高，滚珠丝杠副相比于传统螺纹丝杠副，以滚珠在丝杠与螺母之间的滚动传递力和运动取代了丝杠和螺母直接作用的方式，即以极小的滚动摩擦取代传统丝杠的滑动摩擦，使得传动效率提高，一般为=0.920.98，整个传动副所需要的驱动力矩只有滑动丝杠的1/3左右，摩擦发热也得到大幅降低。（2）定位精度高由于滚珠丝杠副发热率低。温升小以及在加工过程中对丝杠采取预拉伸并预紧消除轴向间隙等措施，使滚珠丝杠副定位精度高且重复定位精度高。（3）传动可逆性滚珠丝杠副相比于滑动丝杠没有粘滞摩擦，故在传动过程中不会出现爬行现象，而且滚珠丝杠可以将回转运动转变为直线运动，也可以将直线运动转变为回转运动，两种运动方式均可以传递相应的动力（4）同步性能好 由于滚珠丝杠副能够顺滑运转，轴向间隙可以消除以及制造的一致性，当采用多套滚珠丝杠副方案驱动多个相同部件或统一装置时，均可以很好地进行同步工作。（5）使用寿命长由于滚珠丝杠滚道的表面硬度，材料的选择以及滚道形状的准确性等方面都加以严格控制，从而使得滚珠丝杠副的实际寿命远相比于滑动丝杠高很多。但是滚珠丝杠副也存在一些缺点，如制造成本高，不能自锁，垂直安装时需有平衡装置等（有引用）4.2.2 安装方式分类滚珠丝杠副作为一种以滚动作为传动方式的关键传动元件，在各种需要传动和定位的机构中应用广泛，其对机构的影响也十分重要。同时，在实际应用中，滚珠丝杠采用何种安装方式，对整个机构的工作效果也会产生影响，根据不同的具体应用情况，滚珠丝杠副可以采用的不同的安装方式。滚珠丝杠副所承受的载荷主要是轴向的，其所承受的径向载荷主要是卧式丝杠的自重。在安装时，螺母座的孔与工作螺母之间应保证配合良好，并且孔与端面应该保证垂直度。这时选择轴承需要根据载荷的方向和大小，轴承配置和安装的形式还与丝杆的长短有关，如果丝杆较短，采用单支撑结构，如果丝杆较长，则需采用双支撑结构。每种安装方式（即支撑方式）有其各自的特点，当选取安装方式时，在考虑实际工作要求（如传动速度、定位精度、扭矩和推理情况等）的前提下，也要结合所选择的滚珠丝杠副型号规格，只有两个因素综合考虑，才能实现理想的工作状况。由文献19，20可知“滚珠丝杠副的安装方式也可以叫做滚珠丝杠副的支撑形式”，安装方式通常有两大类，一类是丝杠旋转，另一种是螺母旋转，两大类共包括五种典型的安装方式，安装方式的不同会影响滚珠丝杠副所容许的回转速度以及所能够承受轴向载荷。安装方式应该根据工况适当选择，具体安装方式下文会详细介绍，为了方便比较安装方式的稳定性，引入“稳定性系数fk”来表征丝杠旋转类的每种安装方式的稳定性，fk数值越大则表示该安装方式越稳定，对于螺母旋转类由于其受力模型不同，校验体系也不同，故不能模型化比较。所以本文所设计的机械臂选用丝杠旋转类。4.2.3 丝杠旋转类安装形式1. “固定固定”型：fk=4本安装方式适用于高精度、高转速的场合。该方式两端分别装有一对轴承来约束径向和轴向自由度，所受载荷由两组轴承副共同承担。也可以是两端的轴承组承受反向预紧拉伸力，从而提高丝杠的传动刚度。在一些定位要求较高的场合，甚至可以通过受力情况和丝杠运动发热变形趋势来精确设定目标行程的补偿量，从而进一步提高定位精度。“固定固定”型也叫“双推双推” 型。在实际情况中，由于径向力的存在，所以几乎不能用两个推力轴承来作为固定端。而且此安装方式机构较为复杂，调整也较为困难，因此仅在定位要求很高的场合时才采用“固定固定”型，其结构简图如下。图-1 “固定固定”型2. “固定游动”型：fk =2本安装方式适用于高精度、中转速的场合，该方式一端由一对轴承约束径向和轴向自由度，而另一端由一个轴承来约束径向自由度，所承受的载荷只由一对轴承副承担，而游动的单个轴承用来防止悬臂挠度，并且能够消除由运动发热产生的应力，“固定游动”型也叫做“双推支撑” 型。此安装方式结构简单，应用广泛，效果良好。其结构简图如下。图-2 “固定游动”型3. “支承支承”型：fk =1本安装方式适用于中精度、中转速的场合，该方式两端分别装一个轴承，分别承受单方向的轴向力和径向力，两个轴承分别单独承担某一方向的力。由于其力的支撑点随着受力的方向变化，故而其定位可控性较低。此安装方式形式结构简单，受力情况较差，应用较少。其结构简图如下。图-3 “支承支承”型4. “固定自由”型：fk =0.25本安装方式适用于中精度、低转速的场合。该方式一端装有一对轴承来约束径向和轴向自由度，而另一端则处于自由状态，这一对轴承副承担所有载荷，并且需要克服丝杠水平安装时的重力（以及丝杠回转时的离心力）所造成的弯矩。“固定自由”型有时也叫做“双推自由”型，此安装方式结构简单，虽然受力情况差，但在低转速、小行程的场合也经常使用。其结构简图如下。图4-4 “固定自由”型综合考虑四种安装方式安装时的方便程度及其对精度的影响，本文所设计的机械臂选择的安装方式是：“固定游动”型安装方式，其所允许的转速以及达到的精度符合我们的设计要求。4.3 X方向进给系统设计4.3.1 基本导程在X向进给系统的单轴机械臂中，丝杠与伺服电机直接通过联轴器链接，传动比为，工作台的运动速度需要达到，伺服电机的额定转速为，那么丝杠的转速也取，则可求得丝杠的基本导程4.3.2 滚珠丝杠的选择计算1承载能力选择. 计算作用于丝杠轴向最大动载荷，然后根据值选择丝杠副型号。 (4-1)式中滚珠丝杠寿命系数（单位106转），普通机械为500010000、数控机床及其他机电一体化设备及仪器装置为15000，航空机械为1000，取。载荷系数（平稳或轻度冲击时为1.01.2，中等冲击时为1.21.5，较大冲击或振动是为1.52.5）；取。硬度系数（时为1.0，等于55时为1.11，等于52.5时为1.35，等于50时为1.56，等于45时为2.40）；取。最大工作载荷，由于此机械臂的所承受的载荷即克服自重而运动，取则可由公式(4-1)求得轴向最大动载荷初步选用SFU016044型滚珠丝杠，其主要参数为：基本导程；钢球直径；丝杠内径；外径，额定动负载，螺母外径，螺母长度。2.压杆稳定性核算 （4-2）式中实际承受载荷的能力，N；压杆稳定的支撑系数（双推双推式为4，单推单推式为1，双推简直式为2，双推自由式为0.25），取；E钢的弹性模量，取；I滚珠丝杠底径的抗弯截面惯性矩，；K压杆稳定安全系数，一般取2.54，取；丝杠的工作长度，取计算，代入式4-2中得，所以压杆稳定性核算合格。3 刚度的验算滚珠丝杠在轴向力的作用下，将产生伸长或缩短，在扭矩的作用下将产生扭转而影响丝杠导程的变化，从而影响传动精度及定位精度，故应验算满载时的变形量。其验算公式如下：滚珠丝杠在工作负载F和扭矩T共同作用下，所引起的每一导程的变形量为：（只考虑拉伸时）式中工作负载，；基本导程，；E钢的弹性模量，；A丝杠的最小横截面积，cm2，则T扭矩，Ncm，；为丝杠的传动效率，取，则I丝杠底径的抗弯截面惯性矩，代入以上数据，可得则每一米弹性变形所允许的基本导程误差值为，而此丝杠精度标准中，允许误差为，故该滚珠丝杠满足刚度要求。4.3.3 支撑轴承选型 由于滚珠丝杠会受到一定的轴向力，所以支撑轴承应该选用角接触球轴承，本文所设计的机械臂选用的角接触球轴承为7032C，在市场上较为常见，价格低廉，购买方便。4.4 Y、Z方向进给系统设计对于、方向单轴机械臂，相比于方向单轴机械臂来说，其移动部件的重量和所受的力都比方向的小，所以在Y、Z方向上，可以选取与X向相同的丝杠和支撑轴承，但在伺服电机选型上，为了降低成本，可以选取与X向相同系列，额定转速相同，但比X向功率低的型号。对于有装配调整的零件，需要另行设计来满足装配要求。对于Y、Z方向的进给，因移动部件的重量和所受的力都比X方向的小，为了减少设计部件的数量和加工的要求，此方向的可选用与X方向相同的丝杠、电机和轴承及其他零件，但对于有装配调整的零件还需另行设计以满足要求。4.5 导轨的选型计算4.5.1 导轨的形式及选择导轨是支撑和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动，它是滚珠丝杠副运动机构中必不可少的一个部分，在很大程度上会决定单轴机械臂的刚度、精度和精度保持性。常用的导轨副种类很多，按其接触面的摩擦性质可以分为滚动导轨、滑动导轨、流体介质摩擦导轨等。下面着重介绍三种。1. 直线滚动导轨滚动导轨作为滚动摩擦副的一类，具有很多优点，摩擦系数小，运动灵活；动静摩擦系数基本相同，因而启动阻力小，而不宜产生爬行；可以预紧，刚度高；寿命长，精度高；润滑方便，可以采用脂润滑，一次装填，长期使用；由专业厂生产，可以外购选用。但也存在一些缺点：导轨面与滚动体是点接触或线接触，所以抗振性差。接触应力大；对导轨的表面硬度、表面形状精度和滚动体的尺寸精度要求高，若滚动体的直径不一致，导轨表面有高低，会使运动部件倾斜，产生振动，影响运动精度；结构复杂，制造困难，成本较高；对脏物比较敏感，必须有良好的防护装置。2. 液体静压导轨由于液体静压导轨的工作面完全处于纯液体的摩擦下，因此工作时的摩擦系数非常低，约为；速度与负载不会限制导轨的运动，且低速移动均匀，没有爬行现象，由于液体的吸振作用，使得导轨的抗振性好；同时拥有良好的刚性，且承载能力大；由于摩擦发热少，导轨的温升也小。但是液体静压导轨也有缺点，由于液体静压导轨安装了一套液压系统；所以其结构复杂，成本高；油膜的厚度也很难保持一个恒定值。在一些大、重型设备上多使用液体静压导轨。3. 滑动导轨滑动导轨结构简单、制造方便、刚度好且抗振性高，常见的导轨截面形状，有三角形（分对称、不对称两类）、矩形、燕尾形及圆形四种，每种截面形状的滑动导轨又有不同的特点，每一种截面形状又分为凸形和凹形两类。凸形导轨不易积存切屑等脏物，也不易储存润滑油，宜在低速下工作， 凹形导轨则相反，可用于告诉，但必须有良好的防护装置，以防切屑等脏物落入导轨。根据机械臂的结构和设计要求，X向单轴机械臂选择直线滚动导轨，Y向和Z向单轴机械臂选择燕尾形滑动导轨。4.5.2 载荷计算1. 计算载荷直线滚动导轨副可以承受上下、左右四方向的力，还可以承受左右扭转、前后翻转和平面扭转三种扭矩。在选用时，需要对其受力状态（包括水平、竖直、侧卧等），以及受力结构（受力点与支撑点之间所产生的扭矩）和启停时所产生的惯性力等进行受力分析，还需要对整个运动过程中受力变化对导向系统所产生的影响进行评估。由文献23可知载荷的选取围绕单个滑座所受的合力进行(静态受力分析按照理论力学常规计算)，通常根据载荷在行程内的变化分段核算，若某个滑座在总行程L（）内的段内所受的载荷分别为（KN）则计算载荷为对于载荷呈线性变化的情况，可简化成 对于载荷呈全波正弦曲线变化的情况，可简化成对于载荷呈半波正弦曲线变化的情况，可简化成对于同时承受扭矩M(Nm)负载的情况，式中 载荷合力，N；滑座的额定静载荷，N；对应方向的额定扭矩，。由于本机械臂的设计目的主要是携带摄像头进行扫描摄像，那么其所承受载荷近似为一个恒定载荷，故选用公，选择GGB16BA型直线滚动导轨，长度520mm，导轨副尺寸，滑块尺寸， 。2. 计算额定寿命对于滚珠直线导轨副，其寿命衡量标准为：在允许的工作环境内，使其所承受的负载等于额定动载荷C（KN），连续导向行程达到50 KM（基准行程寿命）时有95%（基准可靠度）不产生材料疲劳破坏。滚珠直线导轨副的额定行程寿命L为：式中：L额定寿命（km）;额定动载荷（KN），；P当量动载荷（kN）；指数，当滚动体为滚珠时，；当为滚柱时，；K额定寿命单位（km），滚珠时，；滚柱时，；硬度系数； HRC58为基准硬度，低于HRC58时额定动载荷锐减。通常滚珠直线导轨副的硬度为HRC58，故取。温度系数，取，见表4-1： 表4-1工作温度()100101501502002002501.000.900.730.60接触系数，取，见表4-2： 表4-2每根导轨上的滑座个数123451.000.810.720.660.61精度系数，取，见表4-3：表4-3精度等级23451.01.00.90.9载荷系数，取，见表4-4：表4-4工作条件无外部冲击和振动，速度15 m/min无明显冲击和振动，速度(1560) m/min有外部冲击或振动，速度60 m/min1.01.51.52.02.03.5代入以上数据，由公式得当行程的长度已定时，滚珠直线导轨副的额定寿命为式中：寿命时间（h）；L额定寿命（km）, ；l行程长度(m)，；n每分钟往返次数，取；代入以上数据，得 4.5.3 安装注意事项1. 导轨在螺钉紧固状态下进行线性检测和调整，使导轨呈直线状态；2. 两根或两根以上平行使用时需检测和调整平行度和等高；3. 接长导轨安装时需使对接端的编号相同，任何情况下均需避免滑座脱出导轨；4. 保证充分的润滑，在高速(15m/min)时建议使用N32润滑油(20号机械油)，在低速(15m/min)时建议使用锂基润滑脂；5. 在开放工况下建议采用防护罩整体防护。本章小结根据设计要求对典型零部件进行了设计，在考虑工况的同时，对所设计零部件的寿命以及可靠性进行验算，配合伺服电机、运动控制卡完成预期的运动要求。第五章基于Creo设计与装配5.1 软件介绍Creo是美国PTC公司于2010年10月推出CAD设计软件包。Creo是整合了PTC公司的三个软件Pro/Engineer的参数化技术、CoCreate的直接建模技术和ProductView的三维可视化技术的新型CAD设计软件包，是PTC公司闪电计划所推出的第一个产品。Creo是一个整合Pro/ENGINEER、CoCreate和ProductView三大软件并重新分发的新型CAD设计软件包，针对不同的任务应用将采用更为简单化子应用的方式，所有子应用采用统一的文件格式。 Creo目的在于解决CAD系统难用及多CAD系统数据共用等问题。图5-1 Creo初始界面5.2 壳体的建模壳体主要通过多次拉伸操作完成建模，由于壳体上装有众多零件，故壳体的设计应该注意零件安装位置的设定，使零件安装不发生干涉，并且安装合理可靠。打开Creo软件，选择新建命令，选择类型为零件，子类型为实体，并输入零件名称keti，取消勾选使用默认模板，选择确定。操作界面如图5-2所示。图5-2 新建零件命令操作界面在弹出的文件选项对话框中（如图5-3所示），选择模板类型为mmns_part_solid，即为实体模型设计，选择确定。图5-3 “新文件选项”对话框然后进入建模主界面，主界面设计采用瀑布式菜单。非常明朗，（如图5-4所示）。图5-4 建模主界面壳体设计需要多次拉伸操作，选择拉伸操作，进入拉伸界面，直接在模型树框里点击TOP平面，软件自动跳到草绘界面，即可开始草绘操作，如图5-5所示。图5-5 草绘操作界面进入草绘界面后，首先点击草绘视图按钮，定向草绘平面使其与屏幕平行，然后绘制如图所示的拉伸截面，如图5-6所示。图5-6 草绘截面草绘完成后，点击确定按钮，退出草绘界面，输入拉伸长度800mm，其他按钮状态默认，选择完成，退出拉伸界面，初次拉伸的实体完成，如图5-7所示。图5-7 拉伸实体接着需要在壳体上进行拉伸去除一些材料，来减轻质量并提高强度。在上一步骤所绘制实体的基础上，选择拉伸选项，选择一侧端面作为基准平面，草绘视图。如图5-8所示。图5-8 以端面为基准草绘截面草绘完成后，点击确定按钮，退出草绘界面，输入拉伸长度800mm，点击去除材料按钮，选择完成，退出拉伸界面，第二次拉伸实体完成，直接点击阵列按钮选取以方向为基准，选取截面一条边为方向，数目框输入8，间距框输入5，如图5-9所示。,图5-9 阵列步骤中实体状态点击完成阵列步骤，将阵列内容选住，点击镜像按钮，点击RIGHT平面作为镜像平面，完成镜像，此步骤完成后的实体模型端面如图5-10所示。图5-10 镜像后实体模型端面 此后，仍需要多次拉伸、阵列、镜像以及倒圆角和倒角等步骤来完成实体模型，包括确定电机、底座、导轨、丝杠座和端盖等零部件安装位置，以及确定各部件安装时所需螺纹孔位置和深度。最终完成壳体的实体建模如图5-11所示。图5-11 壳体实体5.3 丝杠的建模在机械设计手册中，丝杠属于非标件，但国内外丝杠生产的大型企业已经具有了本企业的一套标准，本文所绘制的丝杠并不能完全符合企业的标准规范，只是在整体构造上与实际丝杠并无区别，丝杠主要通过一次拉伸和一次螺旋扫描完成，下面对丝杠的绘制进行简述。首先通过拉伸选项，拉伸出直径为16mm，长度为610mm的圆柱体，如图5-12所示。图5-12 丝杠圆柱模型接着选择扫描栏目下的螺旋扫描选项，点击参考选项，在螺旋扫描轮廓下点击编辑，进入草绘界面，绘制螺旋扫描轮廓后点击确定按钮，回到螺旋扫描界面，再次点击产考选项，在旋转轴一栏点击拾取圆柱中轴为旋转轴，在截面方向设置上选择穿过旋转轴，完成螺旋扫描参考选项设置。如图5-13所示。图5-13 螺旋扫描参考选项设置接着点击创建或编辑扫描截面，进入草绘界面，在螺旋扫描轮廓起点处绘制扫描截面，绘制完成后点击确定按钮，点击移除材料按钮，在间距框内输入间距值为4，选择右旋方向，即点击使用右手定则，点击确定按钮完成丝杠绘制，丝杠实体模型如图5-14所示。图5-14 丝杠实体模型5.4 整体装配首先新建文件对X向单轴机械臂进行装配，使其成为一个装配体，接着再新建文件进行整体装配，完成整个机械臂的装配。下面对本小节进行详细叙述。选择新建命令，选择类型为装配，子类型为设计，并输入装配体名称为Xxiang，取消勾选使用默认模板，选择确定。操作界面如图5-15所示。图5-15新建装配命令操作界面在弹出的文件选项对话框中（如图5-16所示），选择模板类型为mmns_asm_design，即为装配体设计，选择确定。图5-16 “新文件选项”对话框点击组装按钮，插入各个零部件，通过线与线、面与面之间的配合关系等进行组装，实现X向单轴机械臂的装配。图5-17为单轴机械臂未安装顶盖的内部结构图。 图5-17 X向单轴机械臂内部结构图再装配上顶盖，完成整个X向单轴机械臂的装配，如图5-18所示。图5-18 X向单轴机械臂再次新建一个装配体文件，将所有零部件依次插入进行装配，装配必须按照设计要求来进行，如果发现有配合误差，还需要从新打开零件对零件进行调整，来符合装配要求，完成整体装配。三轴联动机械手臂伺服运动机械结构如图5-19所示。图5-19 三轴联动机械手臂三维模型本章小结根据设计思路对所有的零部件进行了绘制，绘制完成后进行了装配，在装配过程中由于设计时未进行细致的零件位置布局，导致在装配过程中存在一些零件的装配误差较大。在装备过程需要打开进行重新调整绘制，最终合理的完成三维建模部分。结论 三轴联动机械手臂在工业自动化的应用越来越广泛，包括抓取、搬运、摄像、焊接等多种工作场合，随着工业4.0时代的到来，机械手臂也会将会迎来巨大的市场。本设计通过对机械臂的整体机械结构以及基本运动控制系统的设计，完成了整个计算设计并且对其进行了基于Creo的建模。 整体设计完成的工作主要包括以下几个方面：1、 首先提出两种基本设计方案进行比较，包括液压方案和丝杠方案，综合比较后采用以丝杠作为传动件的方案。2、 对电机进行选型，并对三轴联动控制系统进行了简单设计，包括运动控制卡以及运动程序设计。3、 对机械结构进行详细设计，包括丝杠、导轨、轴承等零部件，并对其刚度、寿命以及可靠性等进行验算。4、 对整体机构进行三维建模，验证设计思路，并对后期的制作、加工等提供技术参考。 本三轴联动机械手臂通过labview下的程序控制，采用固高公司生产的运动控制卡使得三个方向的单轴机械臂伺服电机在转速、转角等方面达到控制，实现三轴联动。附录一A Heavy Duty Servo Motor Design in Robot ApplicationsChi-Sheng Chen 2 , Ton-Tai Pan 1, 2 , Huihua Kenny Chiang 1 , Ping-Lin Fan2, Joe-Air Jiang31. Institute of Biomedical Engineering, National Yang-Ming University, Taipei, Taiwan2. Department of Electrical Engineering, Kuang-Wu Institute of Technology, Taipei, Taiwan3. Department of Bio-industrial Mechatronics Engineering, National Taiwan University, Taipei, TaiwanAbstractThis paper presents a design procedure of a heavy-duty servomotor for robot applications. The conventional remote control (R/C) servo is an ingenious device that allows remote, proportional actuation of mechanisms by the simple movement of a lever of a robot. Because of the control of a conventional R/C servomotor is easy and the cost of it is less expensive, the R/C servos are used in widespread areas. However, an R/C servomotor outputs less torque than required in many applications such as robots design and high torque requirement for remote control cars or planes. Thus, a motor with high torque, which is easy to control, is favorable. In this paper, a DC gear motor is used as the controlled motor and a potentiometer was attached on the output shaft as a position feedback sensor. The proposed heavy duty R/C servomotor was tested with a mono-stable multi-vibrator, which generates 0.5 to 2.5 ms pulse width modulation (PWM) signals to drive the motor. Results of this study demonstrate that a heavy duty R/C servomotor can provide more torque in robot application than the commercial R/C servomotors.Keywords: Remote control motor, pulse width modulation, heavy duty, servomotor.I. IntroductionIn robot control applications, designers usually select either DC servomotor or brushless servomotor as the actuator to drive each joint. Both kinds of servomotors are expensive because the complexity of the driver system. Moreover, several servomotors are needed in a multi-joints robot design and will make the designed robot too expensive to practical usage. The R/C servo is a self-contained rotational positioning assembly originally designed to control an R/C aircraft or boat. The R/C servo is made up of a DC motor, Proceedings of International Symposium on Automation and Mechatronics of Agricultural and Bioproduction Systems, Vol. 2，gear reduction, output shaft with position feedback, and a control personal computer board all built into a small rectangular enclosure. The R/C servomotor can be controlled with a PWM signal ranging from 0.5 to 2.5 ms to rotate the shaft from 90 degrees to 90 degrees. A robot joint driven by such an R/C servomotor is then easy to control. A robot control system can properly control these motors by sending appropriate PWM signals to each joint. However, most of the R/C servomotors on market are not qualified for high torque applications because the torque available is usually lower than 5 kg-cm. Moreover, most of the gearboxes of the R/C servomotor are made of plastic gear, easily resulting in damage of the gears due to heavy load. Therefore, a heavy duty R/C servomotor, with a torque more than 20 kg-cm and a metal-made gearbox, is attractive to a robot designer for practical usage.In this paper, we present a high torque servomotor controlled with a PWM signal so as to be used in a high load or an adverse circumstances.Fig.1 System configuration of a heavy-duty servomotor.II. Design SchemeThe system configuration of the heavy-duty servomotor is illustrated in Fig. 1. A carbon-brush DC gear motor is used as the controlled motor. For the purpose of increasing motor torque, a gearbox with a suitable gear reduction ratio is needed. The motor and the gearbox are termed as motor assembly. On the other hand, a potentiometer was attached on output shaft of the gearbox as a position feedback sensor. As the DC motor rotates, the resistance of the potentiometer varies accordingly to a value corresponding to the shaft position of the motor assembly. For the compatibility with an R/C servo-motor that is controlled with PWM signal, the shaft position of the proposed heavy-duty servomotor is also controlled by a PWM signal in this design. The controller is a dedicated circuit for generating a proper PWM signal when controlling the shaft position of the servomotor. Each part of the system is discussed in more details below.(A). Motor assemblyA DC carbon-brush motor with a rated voltage of 24 volts and a rated torque of 62 g-cm is used as the controlled motor. This motor can rotate at a speed about 5000 rpm under the rated voltage; a gearbox with a reduction ratio 1/200 is attached from the output shaft of the DC motor, which resulting in an output torque and rated speed of 6 kg-cm and 28 rpm, respectively. A precision potentiometer was adopted as a position sensor for feedback. However, the potentiometer is different from a general-purpose variable resistor; the original shaft attached to the wiper was removed. As a result of this special design, a potentiometer with an inner diameter of 5 mm is obtained. The outer diameter of the gearbox shaft is 5mm, which is the same as the inner diameter of the potentiometer, so that the potentiometer can firmly attach to the DC motor assembly and serves as a position feedback sensor of the motor. The appearance of the motor assembly was shown in Fig. 2, in which gears inside the gearbox are made of metal materials and filled with lubricating oil so that this assembly can be used in heavy-duty applications.Fig.2 A carbon-brush type DC motor and gearbox assembly.(B). PWM moduleThe conventional R/C servomotors are controlled by a PWM signal. In this paper, we also adoptPWM signal as the position command for the heavy-duty servomotor, keeping the compatibility of thePWM command protocol for both conventional R/C servomotors and this designed servomotors. The R/C servomotor is controlled by a PWM signal, which can direct the motor to a desired position according to the width of the pulse. The shaft positions of the R/C servomotor and the corresponding required pulse widths are illustrated in Fig. 3. With a 0.5 ms to 2.5 ms pulse width, the R/C servomotor can rotate from 90 degrees to + 90 degrees clockwise 1.Fig.