垂直关节四自由度插件装配机器人设计（含全套CAD图纸）

摘 要随着工业自动化的不断发展，现代机电设备中都存在控制电路板，板上有不少芯片插件需要在装配时准确插入芯片座。在中、大批量生产中，电路板生产线上这种取芯片-插入芯片的装配动作一小时要做数千次，只有装配机器人能满足如此高节奏、高要求的生产任务。机器人具有各种关节的形式，电子插件装配机器人在垂直方向上要求手臂有很高的刚度，而在水平方向动作灵活。工业机器人被广泛应用于工业生产的各个部门,如采掘、喷涂、焊接、医疗等各大领域。由于工业机器人的出现,它不断替代了人们的繁重劳动,大大提高了劳动生产率,减轻了人们的劳动强度,此外,它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作,日益体现出它的优越性。本课题的目的是构思、设计一种形体和功率较小，适合在生产线上按程序指定动作，以要求的装配精度完成电路板插件装配的小型工业机器人，且具有较好的经济性和性能/价格比。本课题所设计的垂直关节四自由度插件装配机器人，也叫SCARA机器人，对于此次机器人设计进行了机械部分设计和控制接口部分的设计。机械部分的设计，根据SCARA机器人结构的特点，三个旋转关节和一个升降关节，完成了设计机器人的整体机械传动结构、交流伺服电机的选型和各个零件的设计计算及校核，并运用AutoCAD 绘制了总体装配图和部分零件图。控制部分的设计，设计了以单片机为下位机控制机，PC机为上位控制机的二级体系结构，从而完成对SCARA机器人的闭环控制。在此控制电路中，下位机系统由单片机、锁存器、外部扩展EPROM、译码器、伺服驱动器等组成，并完成了控制电路的硬件配线。下位机和上位机的数据交换，需通过MAX202CPE作为中间元件来完成通讯，从而从PC机中获得动作指令。关键词：SCARA 机器人,控制器,单片机,伺服电机ABSTRACTWith the continuous development of industrial automation, the modern electromechanical equipment can exist control circuit board, board has many chip plugins require accurate in assembling a insert the chip. In mass production, circuit board production line this take chip-insert the chip assembly action an hour to do thousands of times, only to meet such a high assembly robot rhythm, high requirement of production tasks. Robot has all kinds of joints in the form of electronic assembly robot in vertical direction plugin required in the arm has very high rigidity, and flexible motion in a horizontal direction. Industrial robot have been widely used in industrial production of various sectors, such as mining, spraying, welding, medical and so on various fields. With the industrial robot appear, it replaced the peoples heavy constantly labor, greatly improving the productivity and reduce the labor intensity of the people, in addition, it can be in high temperature, low temperature, deep water, the universe, radioactive and other toxic, pollution environment conditions operation, increasingly reflects its superiority.The aim of this project is to conceive, design a kind of form and power smaller, suitable for in the production line in a program specified action to demand the assembling accuracy of complete circuit board assembly of small industrial robots plugins, and has the good efficient and performance/price ratio. This subject is the design of vertical joints 4-dof plugin assembly robot, also called SCARA robot, robot design for the mechanical design and control interface part of the design.The design of mechanical part, according to the characteristic of structure of SCARA robot which have three rotating joint and a lift joints, completed the design of robot mechanical transmission structure, the selection of ac servo motors and each part of the design calculation and check, and use AutoCAD mapped the general assembly drawing and part drawing.Control part of the design, design with the single chip microcomputer as the next place machine control machine, the PC for upper secondary system control machine structure, thus completing the SCARA robot closed loop control. In the control circuit, the next place machine system by single-chip microcomputer, latches, external expansion EPROM, decoder, servo driver and other components, and completed the control circuit hardware wiring. A machine and the upper machine under the data exchange, need to pass MAX202CPE as components to complete the communication among, thus from PCS get motion commands.Key Words: SCARA Robot, Controller, Single Chip, Servo motor目录1. 绪论11.1 工业机器人的发展及研究现状11.2 SCARA 机器人概述41.3 本课题研究意义41.4 总体方案52. 机械部分设计62.1 控制用电机的种类 特点和选型62.2 伺服电机减速机的配型78171718193 机械标准件的选型与校核213.1 销连接的选型与校核212123264.系统控制部分设计2828282930315.结论335.1 总结335.2 展望33参考文献34致谢351. 绪论 工业机器人的发展及研究现状机器人自诞生之日起，就显示出了其强大的生命力。机器人不仅在工业生产中得到了广泛应用，而且给传统产业也带来了质的飞跃。它不仅提高了传统产业的工业自动化程度，提高了劳动生产率，还促进了资源消耗低，环境污染少的新兴产业的诞生。由于人类在机械工程，电气工程，微电子技术，计算机技术、控制论、传感技术、信息学、声学、仿生学和人工智能等学科领域的快速发展，机器人技术的应用也正在向农业，林业，畜牧养殖业、海洋开发、宇宙探索、国防建设、安全救灾、生物医药、服务娱乐等新的发展领域拓展，并已取得了显着的进展。机器人技术已成为高新科技应用中的重要组成部分。机器人有两大类：用于制造环境下的工业机器人和制造环境服务机器人。机器人产业是一种生产环境和生产条件，具有较强的适应性和灵活性的柔性自动化设备，主要是应用在现代工业制造代替人从事繁重的，单调重复，环境风险，人做不了的或做不好的工作，从而减少了工人的劳动强度，改善了劳动环境，有效提高了生产的自动化程度，提高产品质量和劳动生产率。工业机器人是一种柔性制造系统（柔性制造系统），工厂自动化（足协）和计算机集成制造系统（计算机集成制造系统）必不可少的自动化工具，它的开发和应用已成为工业自动化水平的重要标志。 工业机器人的发展历程1954年，美国人乔治迪沃设计了第一台可编程的机器人，名叫“通用自动化（Universal Automation） ，此机器人自带内存，可以实现点至点的运动。 之后，1956年，迪沃和被称为”工业机器人之父“的约瑟夫楼恩格尔伯杰成立了Unimation公司，开始设计和生产了UNIMATE工业机器人，并于1960年研制出第一台机器人样机。同时，在美国的AMF （American Machine and Foundry）公司也设计和制造了一台圆柱坐标机器人Versatran ， Unimation和Versatran便成为世界上第一台工业机器人。 1962年，通用汽车公司装配生产线时，安装了世界上第一台工业机器人UNIMATE ，由此开创了机器人从科幻变作为人们服务的工具的时代。20世纪60年代是工业机器人的发展的萌芽阶段。工业机器人首次在汽车生产线，焊接，涂装和其他工业生产工作中进行作业，并呈现良好出了的较好的柔韧性和稳定性，大大提高了生产效率，因此，在工业生产中得到了推广。在20世纪70年代，随着计算机技术，自动控制理论和日益增长的需求为自动化工业生产的发展，工业机器人技术已发展迅速。名字为PUMA（Programmable Universal Machine for Assembly）的一般工业机器人得到了开发，它是一个具有多个联合关节，全电动，多CPU分层控制的机器人，使用一个val专门的编程语言，可以配置的视觉，触觉和力传感器，它的诞生标志着工业机器人已进入了一个新的发展阶段，到现在为止，现代工业机器人的机械结构，控制结构和编程语言也均是基于PUMA机器人的基础发展衍生出来的。20世纪80年代，将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统统称为智能机器人。进入20世纪90年代后，更将此概念作为了工业机器人的研究和应用的指导方向，并开拓出了更巨大的空间。 国外的研究现状及发展趋势在发达国家，工业机器人技术已经取得了非常广泛的应用。有着“机器人王国”称号的日本，在工业机器人的拥有台数占到世界工业机器人总数的42%，其在机器人密度和先进程度上均处于世界领先。美国的机器人的发展，虽然又错过一段时期，但依靠其强大的综合国力，其技术也得以迅猛发展，处于世界领先水平。在欧洲，德国、意大利和法国在此方面的发展比较突出和领先。在亚洲，除了日本，韩国在工业机器人密度，也位居世界前三名。目前，国外机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展，其发展趋势主要体现在以下几个方面： 1 在制造业中，工业机器人的应用越来越广泛，将在食品，能源，采矿和建筑行业等新的领域中得到迅速发展。在传统行业中，比如：橡胶，包装和塑料等，工业机器人的需求将进一步增长。2 工业机器人的价格不断下降，性能不断改进，速度更快，精度更高，可靠性更好，并且易于操作和维护。机器人的价格相较于劳动力成本越来越低，可以降低生产成本，这必将更加推动机器人的投资、研制和开发。3 机器人控制系统的发展方向是：基于工控机的开放式机器人控制器。控制系统的开放化，模块化和标准化，将成为今后发展的方向，人机控制界面更加容易操作和友好。单元式的方式发展工业机器人，使各个机器人之间能够协调控制，组成具有兼容性更加强大的控制技术。4 机器人的通讯方式和编程语言，兼容性更加，并逐渐通用化。5 关节型机器人的各个机械结构逐渐发展模块化、可重构化。6 传感器的发展直接关系到，机器人的智能化的程度。除了灵敏、先进的传感器，实现动作的各种算法，比如：非线性及非平稳、非正态分布情形下的多传感器融合算法等。7 机器人技术的研究主要集中在结构和功能的方面，并用运用创新的设计方法，同时需要不断探索和发展高强度的轻质材料，以进一步提高机器人的性能。8 虚拟模拟技术在机器人技术中得到更强大的发展。9 趋于实现远程和网络化控制机器人，并且可以将遥控、监控技术运用到其中，实现智能化机器人的远程管理和自动管理。 我国的研究现状及发展趋势我国政府非常重视机器人技术研究和发展。目前中国已基本掌握了机器人的设计和制造技术，控制系统的硬件和软件的设计和一些关键部件的生产技术，机器人运动学和轨迹规划，生产出了，点焊，焊接，装配，切割，包装，装卸，堆叠和各种用途的机器人，机器人应用工程的实施，建立了一批机器人运动产业化基地，并形成大量的机器人研制力量。目前，我国针对工业机器人的应用研究和发展，已应用于汽车，摩托车，机械制造，电子及电器，工程机械，石油，化工等行业。然而，在工业机器人技术及其工程应用水平方面，我国和国外工业机器人强国还是有一定的差距.我国还没有形成真正的机器人产业，产品品种少，狭窄的适用范围，机器人的标准化程度低，可靠性低于国外产品。而且，我国在许多与机器人相关的产业中的发展也十分的落后，比如：在伺服电机和伺服行星减速机方面，均未能实现技术之车。新产品开发过于依赖的国家科学的研究计划和资金，不能形成面向市场的研究，研发未能形成良性发展。根据国内和国外的发展经验和当前形势的机器人与目前国内的经济发展。在当前的情况下，我们的机器人技术将专注于：研究柔性仿形工业机器人产业化技术，完成焊接和点胶等工作；研究智能机器人的开发，包括：人机交换建模系统，虚拟模拟技术等；研究以机器人为基础的重组装配系统，像开放式、模块化的装配机器人；用来推进我国当前工业自动化的进程，满足工业自动化需求。 SCARA 机器人概述SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm，中文译名：选择性合规装配机器手臂）是一种圆柱坐标工业机器人。SCARA机器人有三个旋转关节，均与轴线互相平行，在平面内进行定位和定向。另一个关节是移动关节，用于完成末端件在垂直于平面的运动。这类机器人的特点是结构轻便、响应快，例如Adept1型SCARA机器人运动速度可达10m/s，比一般关节式机器人快数倍。它最适用于平面定位，垂直方向进行装配的作业。 1978年，日本山梨大学的牧野洋（Makino）教授及其学生研制出一种SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm ）机器人。 与一般的关节型机器人不同的是，该机器人具有四个轴和四个运动自由度 ，包括X,Y,Z方向的平动自由度和绕Z轴的转动自由度 。SCARA 机器在平面内运动十分灵活，而在垂直方向上具有很大的刚性，此特性十分适合于垂直方向的装配工作，在装配或者搬运等工作中的效率和稳定性均十分好，实现快速和高效的目的。如今SCARA机器人已经应用到了各个领域中，并大大提高了工业的生产效率，并为工厂获取了较好的经济效益。 本课题研究意义工业机器人的应用，改变传统的生产模式，是提高企业的综合竞争力的一个重要角色.随着中国加入WTO和经济全球化的发展，市场竞争日趋激烈，我国制造业迫切需要进行大规模的技术改造和设备更新，工业机器人技术和自动化生产设备的需求将继续增加.可是我国机器人的发张速度较慢，长期依赖大量进口工业机器人。机器人自动化生产设备从国外引进不仅价格昂贵，而且使用效果并不理想，这严重制约了中国制造业的健康发展。据统计，在2004年之前引进的机器人自动化类的生产设备已经近一半是不正常运行状态，包括有较大问题的占33 ，根本不能使用的占16。主要原因包括：外国自动化系统不适合国内企业的技术体系，选择不合理，缺乏足够的售前和销售的技术支持，目前状态的售后服务不专业等，而机器人控制系统和机械结构均相对封闭，行业间没有相互交流，最总导致了价格比较昂贵，售后服务不完美，机器人技术的应用和发展的相对缓慢。因此，我国自身研究和设计拥有自主知识产权的工业机器人是具有十分重要的意义。 总体方案SCARA 机器人由三部分组成，包括：机械本体、驱动器、传感装置。下图4.1， 为SCARA 机器人的结构示意图。控制器就是包括工控机和单片机系统的整个控制系统，以实现人机交互、指令输出、接受反馈并作出发出调整指令等功能。控制器发出的运动指令控制驱动机械传动结构，驱动各关节，包括：大小臂、升降臂和末端执行器的运动，以实现指定动作。传感装置经检测将作出反馈，并将反馈信息传送至控制器，控制器经计算从而对机器人进行微调，实现精确控制。机构简图： 图4.1控制器发出动作指令，给机械传动系统。机械传动结构，执行收到的动作指令，驱动机器人本体完成功能动作。（3）机器人本体是 SCARA 机器人的重要组成部分它是机器人作业任务的执行机用于完成机器人的所有功能动作。传感检测装置是检测机械本体到达指定位置的精确程度，反馈给控制器并进行调整，以达到精确位置。 拟采取的技术措施选用电气驱动方式。为了减小机器人的体积，减轻驱动装置重量，同时满足控制精度要求我们选择电气驱动作为机器人的驱动方式，并选用控制用电机作为驱动元件。选用交流伺服电机。它具有运行平稳、噪音小、起动转矩大、运动范围广等特点，而且交流伺服电机都采用闭环控制，因此其控制精度高和可靠性强。交流伺服电机，在各个领域中的工业自动化中已得到了广泛使用。选用单片机作为运动控制器。单片机具有很好的实时性，且运行速度快，稳定性好，成本很低， 因此我们单片机设计运动控制器，以实现对机器人的四关节伺服电机的实时、独立控制。2. 机械部分设计 控制用电机的种类 特点和选型为了减小机器人的体积，减轻驱动装置重量，同时满足控制精度要求，我们选择的机器人的驱动方式为电气驱动，选用微型电机作为驱动器。交流伺服电机拥有诸多优点：1无电刷和换向器，工作可靠性高，对维护和保养要求低。2起动转矩大、运行范围较广、无自转现象等。而且交流伺服电机都采用闭环控制，因此其控制精度高和可靠性强。交流伺服电机，在各个领域中的工业自动化中已得到了广泛使用。为满足所设计的工业机器人的各项要求，此次设计决定选用日本YASKAWA 安川公司的SCMAH交流伺服电机作为驱动器。表2.1 列出了此次设计初选的交流伺服电机的型号规格。机器人关节名称电机型号额定输出瞬间最大扭矩额定电流A额定转速r/min重量大臂关节SCMAH-04A3000小臂关节SCMAH-02A0.6373000升降关节SCMAH-01A3000末端执行SCMAH-A3A3000图2.1为，所选交流伺服电机的机械尺寸：图2-1 交流伺服电机的机械尺寸 伺服电机减速机的配型伺服电机属于高转速，低扭矩的微型驱动设备。伺服电机的转矩一般都很小，选择电机势必要考虑转矩的问题。选取转矩大的电机，会增加电机体积和提高成本，同时机器人的结构就不紧凑。增大传动比，也可以增大转矩，包括：齿轮传动、带传动或减速机等中间传动装置。伺服减速机具有较大的传动比，且精度较高、且应用广泛。所以，要给各个伺服电机进行减速机配型，以满足工作要求。经过查阅资料，并与老师和同学交流后，选用了上海枫信传动机械 的伺服电机专用行星减速机。图2.2和表2.2，表示的是伺服电机专用行星减速机的外形安装尺寸及与伺服电机的配合尺寸：图2.2 减速机的外形尺寸表2.2 尺寸大小升降关节的传动结构设计及部件的设计计算与校核SCARA 机器人的升降关节用于驱动机器人的末端执行器进行升降运动，从而实现末端执行器在垂直方向的定位。常用的直线驱动方式主要有：气液压驱动、直线电机驱动、齿轮齿条、同步带和丝杠螺母副等。滚珠丝杠副具有传动效率高、运动平稳、使用寿命长等特点，广泛应用与各种工业设备、精密仪器和数控机床等。因此，我们选用滚珠丝杠副和滚动导轨副作为SCARA 机器人的升降关节。滚珠丝杠螺母副的计算和选型（1）工作载荷Fm的计算 Fm为工作最大载荷，是指滚珠丝杠副在驱动工作台时所承受的最大轴向力。已知移动部件总重G=40N，所以 =G=40N。（2）FQ最大动载荷的计算设Z方向最快的速度v=0.25m/s=15m/min，初选丝杠基本导程 =10mm,则此时丝杠转速n=1200v/ =1500r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T= 15000h(一般机电设备取T=15000h；n为丝杠每分钟转速)，代入 ，得丝杠寿命系数=1350(单位为：106 r)。查表3-30，取载荷系数=1.1，再取硬度系数 =1.0，代入公式： （2-1） 得最大动载荷 =486.3N。（3）初选型号 根据计算出的最大动载荷，查表3-33，选用启东润泽机床附件 生产的FL2506型滚珠丝杠副，为浮动反向器内循环式，其公称直径为=25mm，基本导程为=10mm，双螺母滚珠总圈为3 2圈=6圈，精度等级取4级，额定动载荷为10400N，大于，故满足要求。（4）传动效率的计算 将公称直径 =20mm，基本导程 =10mm，代入 （2-2）得丝杠螺旋升角=9,取摩擦角 =10，代入，得传动效率=98.6% 。（5）刚度的验算1）纵向滚珠丝杠的支承，采用单推单推的方式，采取圆锥滚子轴承面对面组配。已知左、右支承的中心距离约为=360mm；钢的弹性模量=；查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-33，得滚珠直径=2.3812mm，算得丝杠底径=-=20-2.3812=17.6188mm，则丝杠截面积 （2-3）丝杠的拉伸或压缩变形量 （2-4）I为丝杠底径的截面。惯性矩（其中“+”号用于拉伸，“-”用于压缩。由于转矩M一般较小，式中第二项在计算是可酌情忽略）。所以， （2-5）综上求得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量mm 。 2）滚珠与螺纹滚道间的接触变形量无预紧时 （2-6）有预紧时 （2-7）滚珠直径，单位为mm；单圈滚珠数，（外循环），（内循环）；滚珠总数量，=Z圈数列数预紧力，单位为N。（当滚珠丝杠副有预紧力，且预紧力达到轴向工作载荷的1/3时，值减小一半左右）单圈滚珠数目=（20/10）-3=4；该型号丝杠为双螺母，滚珠总圈数为32=6圈，总滚珠总数量 =46=24 。滚珠丝杠预紧时，取轴向预紧力13.3N 。代入公式（3-7）得 ，mm。因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的三分之一，所以实际变形量可减小一半，取=1.41mm。3）将以上算出的、代入 （2-8）得变形总量。由表3-27形成偏差和变动量知，4级精度滚珠丝杠任意315mm400mm轴向行程内行程的变动量允许18，而对于跨度为330mm 的滚珠丝杠，总的变形量18，可见丝杠刚度足够。（6）压杆稳定性校核滚珠丝杠属于细长杆，如果轴向负载过大，则可能产生失稳现象。失稳时的临界载荷Fk应满足： （2-9） 临界载荷，单位为N；丝杠支承系数；压杆稳定安全系数，一般取2.54，垂直安装时取小值；滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为mm 。查表3-34可知双推单推的丝杠支承系数=2，丝杠底径 =17.6188mm ，求得界面惯性矩 ；压杆稳定安全系数K取2.5；滚动螺母至轴向固定处的距离350mm取最大值 。代入上式，得临界载荷 60517.9N，远大于工作载荷Fm=40N，故丝杠不会失稳。综上所述，初选的滚珠丝杠螺母副满足使用要求。直线移动导轨副的计算与选型（1）滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本设计中的Z轴工作台为竖直布置，采用双导轨、两滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于工作台面的工作载荷全部由一个滑块全部承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为： （2-10）其中：丝杠的驱动转矩，导轨中心间距，带入式（2-10），得最大工作载荷。查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-41，根据工作载荷，初选直线滚动导轨副的型号为系列的型，其额定动载荷，额定静载荷。 根据结构设计，考虑工作行程应留有一定余量，查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-35，按标准系列，选取导轨的长度为，可按需要进行截断装配。（2）距离额定寿命的计算已知上述选取的系列型导轨副的滚道硬度为，工作温度不超过，每根导轨上配有一只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-36和表3-40，分别取硬度系数、温度系数、接触系数、精度系数、载荷系数，代入式（3-11）得导轨的距离额定寿命： （2-11）远大于，故导轨的距离额定寿命满足要求。 同步带的计算和选型（1）确定同步带传动的设计功率 （2-12）式中：载荷修正系数，根据原动机工作类型和每日运转时间等因素查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-18，取（载荷变动微小，每天工作小时10h）； 工作机上的驱动功率，=0.04kW； 则有：（2）确定同步带传动的带型和节距 根据同步带传动的设计功率，由机电一体化系统设计课程设计指导书图3-14查得带的型号为XXL型，对应节距 。（3）确定小带轮的齿数和节圆直径 由带轮转速和XL型带，查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-17得小带轮的最少许用齿数，初选，小带轮节圆直径；小带轮节圆直径初定后应验算带速，不合适则重取。同步带的速度应满足： （2-13）极限带速为：MXL、XXL、XL型，；L、H型，；XH、XHH型，。此XL型小带轮的,所以。（4）确定大带轮的齿数和节圆直径由于在丝杠运动中，同步带是用于将电机的回转运动降速后变成工作台的直线运动，传动比,则大带轮齿数；大带轮节圆直径。查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-16得，大小带轮的节圆直径 ，外径。（5）初选中心距，确定同步带的接线长度和齿轮若中心距 未给定，则可根据下式进行初选： （2-14）则带的节线长度为： （2-15）得：。查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-13得，对应齿数为：。（6）计算实际中心距设计同步带传动时，中心距应该可以调整，以便获得适当的张紧力。此时，实际中心距为： （2-16）则。（7）校验同步带与小带轮的啮合齿数由公式： （2-17）由于 ，故可得：，故满足啮合要求。（8）计算基准额定功率 （2-18）式中：基准带宽下的许用工作拉力，查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-21得， ；单位长度质量， 查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-21，得 ； 同步带的线速度，单位为：；将已知条件代入上述公式得：（9）确定实际所需要的同步带宽度 确定实际所需要的同步带宽度为： （2-19） 式中：带所能传递功率，单位为：kW； 小带轮啮合齿数系数啮合系数；查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-22得，因为，所以取；代入数据得：故取基准带宽即可满足使用要求。（10）带的工作能力验算 由公式： （2-20）其中：啮合系数，查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-22得，； 齿宽系数；基准带宽下的许用工作拉力，查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-21得， ；单位长度质量， 查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-21，得 ； 同步带的线速度，单位为：；带入已知数据，可得带的工作能力：因此带的校验合格，满足使用要求。（11）带的规格数据整理1)带：选用XXL型同步带， ， ， ；2)带轮：， ，；3）传动中心距：精确计算，；带的型号为B72XXL6.4，对应带轮型号选择，采用双边挡圈，带轮最小宽度。大小臂的设计由于此次设计的SCARA机器人采用的是类悬臂式的结构,其大小臂及轴上零件的重量对机器人的整体动态性能有重要影响，因此，对于大小臂的材料有一定的要求，除了大小臂外，还应设计重量较轻，刚性较好的轴上零件。所以，在对臂部及关节的设计中我们采用高强度铝合金材质铸造而成的结构，以减轻重量。大小臂关节的设计及校核计算由于SCARA机器人拥有三个垂直旋转的自由度，所以，各个轴都是竖直安装，要承受轴向和径向两个方向的力，所以采用角接触球轴承，并靠轴肩、轴承套和轴承盖定位，将轴上的力转移到基座上来。设计如图：第二自由度和第一自由度设计相似。大臂关节和小臂关节，均竖直安装，是主要承受扭矩的轴，所以进行扭转强度条件计算，已知轴的扭转强度条件为：式中：扭转切应力，Mpa； T轴所受的扭转，N.m； 轴的抗扭截面系数，mm； N-轴的转速，r/min； P-轴传递的功率，kW； D-计算截面处的轴的直径，mm； 许用扭转切应力。已知等效到大臂关节轴方向上最大负载转矩，则可得到40Mpa。已知等效到小臂关节轴上的最大负载转矩，则可得到25Mpa。由于轴的材料是45钢，其许用扭转切应力为45Mpa。所以大臂关节轴和小臂关节轴，均符合扭转强度要求。末端执行器的设计为满足装配、搬运等不同作业的需要，我们设计了可更换夹持器的末端执行器。其包括电机安装板、伸出轴、销和卡盘，夹持器需要完成上下和旋转两个动作，故设计卡盘与夹持器通过螺纹连接，卡盘与伸出轴通过销进行轴向和径向固定。如图2.4：机器人的传感器传感器是机电一体系统的重要组成部分，传感器的选用直接影响到系统的精度和稳定可靠性。机器人作为一种典型的机电一体化系统，对传感器提的要求主要在以下几方面：1 精度。机器人工作时所能达到的精度与传感器自身的精度有着直接联系，因此，应根据设计机器人所要求的工作精度，选择适合工作的传感器。同时，还应考虑成本高低，要使元器件充分发挥作用，所以满足要求的情况下，不必过分追求高精度。2 重复性。对于像SCARA机器人这样示教再现机器人，为了保证机器人能够准确再现工作所要求的示教轨迹，传感器的重复性必不可少。因此，安装时必须保证其重复性。3 体积大小和重量。考虑到装配机器人的结构紧凑性和运动稳定性，对于安装在大小臂上所有零件均要求较轻的重量，以减小对机器人动态性能的影响，所以传感器需要重量轻，体积小。4 稳定性和可靠性。工业机器人的工作环境往往会比较恶劣的条件，尤其在一些重工业领域，要抗干扰能力强，具有较好稳定性和可靠性的传感器来适应这种环境，以完成机器人的工作。5 响应时间。传感器的响应时间直接决定着机器人的控制精度和工作效率。所以，传感器的响应时间短。本次设计选用的传感器是交流伺服电机自带的增量式编码器。增量型编码器：安川交流伺服电机自带的 13 比特增量型编码器，与同轴安装于电机末端，可实现电机的精确运动控制。交流伺服电机将编码器的脉冲串行数据传送至伺服电机驱动器，驱动器经分频后将数据传送给单片机，而后进入上位机，经过计算输出动作指令。3 机械标准件的选型与校核 销连接的选型与校核本次设计中的末端执行器中，运用到了销，故对其进行介绍：销可以分为圆柱销、圆锥销和异形销等。圆柱销依靠少量过盈固定在孔中，对销孔的尺寸，形状，表面粗糙度等要求较高，销孔在装配前须铰削。通常被连接件的两孔应同时钻铰，孔壁的粗糙答不大于Ra0.6m。装配时，在销上涂上润滑油，用铜棒将销打入孔中。圆锥销装配时，被连接件的两孔也应同时粘铰，但必须控制径、钻孔时按圆锥销小头直径选用钻头，用1：50锥度的铰刀铰孔。铰孔时用试装法控制孔径，以圆锥销自由插入全长的80%85%为宜。然后用软锤敲入。敲入后销的大头可被连接件表面平齐。或露出不超过倒棱值。拆卸带内螺纹的圆柱销和圆锥时，可用拔销器拔出，有螺尾的圆锥销可用螺母旋出，通孔中的圆锥可以从小头向外敲出。 销的材料为35、45钢（开口销为低碳钢），许用切应力，许用挤压应力。已知末端执行器轴方向上最大负载转矩，则周向，轴向最大载荷G=30N，则，均远小于许用切应力。故销满足工作条件。联轴器的选型与校核联轴器的分类本次传动装置的设计中，采用了联轴器，这里对其做简单介绍：联轴器是机械传动中常用的部件。它用来把两轴联接在一起，机器运转时两轴不能分离；只有在机器停车并将联接拆开后，两轴才能分离。联轴器所联接的两轴，由于制造及安装误差、承载后的变形以及温度变化的影响等，往往不能保证严格的对中，而是存在着某种程度的相对位移。这就要求设计联轴器时，要从结构上采取各种不同的措施，使之具有适应一定范围的相对位移的性能。根据对各种相对位移有无补偿能力（即能否在发生相对位移条件下保持联接的功能），联轴器可分为刚性联轴器（无补偿能力）和挠性联轴器（有补偿能力）两大类。1. 刚性联轴器这类联轴器有套筒式、夹壳式和凸缘式等。凸缘联轴器是把两个带有凸缘的半联轴器联成一体，以传递运动和转矩。凸缘联轴器的材料可用灰铸铁或碳钢，重载时或圆周速度大于30m/s时应用铸钢或碳钢。由于凸缘联轴器属于刚性联轴器，对所联两轴的相对位移缺乏补偿能力，故对两轴对中性的要求很高。当两轴有相对位移存在时，就会在机件内引起附加载荷，使工作情况恶化，这是它的主要缺点。但由于构造简单、成本低、可传递较大转矩，故当转速低、无冲击、轴的刚性大、对中性较好时亦常采用。这类联轴器因具有挠性，故可补偿两轴的相对位移。但因无弹性元件，故不能缓冲减振。常用的有以下几种：（1) 十字滑块联轴器十字滑块联轴器由两个在端面上开有凹槽的半联轴器和一个两面带有凸牙的中间盘所组成。由于凸牙可在凹槽中滑动，故可补偿安装及运转时两轴间的相对位移。这种联轴器零件的材料可用45钢，工作表面须进行热处理，以提高其硬度；要求较低时也可用Q235钢，不进行热处理。为了减少摩擦及磨损，使用时应从中间盘的油孔中注油进行润滑。因为半联轴器与中间盘组成移动副，不能发生相对转动，故主动轴与从动轴的角速度应相等。但在两轴间有相对位移的情况下工作时，中间盘就会产生很大的离心力，从而增大动载荷及磨损。因此选用时应注意其工作转速不得大于规定值。这种联轴器一般用于转速,轴的刚度较大，且无剧烈冲击处。效率，这里为摩擦系数，一般取为0.120.25；为两轴间径向位移量，单位为；为轴径，单位为。（2）滑块联轴器这种联轴器与十字滑块联轴器相似，只是两边半联轴器上的沟槽很宽，并把原来的中间盘改为两面不带凸牙的方形滑块，且通常用夹布胶木制成。由于中间滑块的质量减小，又具有较高的极限转速。中间滑块也可用尼龙6制成，并在配制时加入少量的石墨或二硫化钼，以便在使用时可以自行润滑。这种联轴器结构简单，尺寸紧凑，适用于小功率、高转速而无剧烈冲击处。 联轴器的选型与校核本设计中，为了结构紧凑和减轻重量，且安装方便，故选用套筒式联轴器。对轴上套筒联轴器进行校核计算：套筒式联轴器的工作，主要取决于键的强度。假定载荷在键上的工作面上均匀分布，普通平键的强度条件为： 已知在大臂关节轴方向上最大转矩，且为普通圆头平键，k=5，l=L-b=19，则：；已知小臂关节轴轴上的最大转矩，为单圆头普通平键，k=5，l=L-b /2=12.5,则：。轴承的分类及选用轴承的主要分类及用途1. 深沟球轴承最具代表性的滚动轴承，用途广泛，可承受径向负荷与双向轴向负荷，适用于高速旋转及要求低噪声、低振动的场合。主要用途：汽车：后轮、变速器、电气装置部件，仪表、内燃机、建筑机械、铁路车辆、装卸搬运机械、农业机械、各种产业机械。2. 角接触球轴承套圈与球之间有接触角，标准的接触角为15、30和40，接触角越大轴向负荷能力也越大，接触角越小则越有利于高速旋转，单列轴承可承受径向负荷与单向轴向负荷。主要用途：单列：机床主轴、高频马达、燃汽轮机、离心分离机、小型汽车前轮、差速器小齿轮轴。双列：油泵、罗茨鼓风机、空气压缩机、各类变速器、燃料喷射泵、印刷机械。3. 四点接触球轴承可承受径向负荷与双向轴向负荷，单个轴承可代替正面组合或背面组合的角接触球轴承，适用于承受纯轴向负荷或轴向负荷成份较大的合成负荷，该类轴承承受任何方向的轴向负荷时都能形成其中的一个接触角（），因此套圈与球总在任一接触线上的两面三刀点接触。主要用途：飞机喷气式发动机、燃汽轮机。4. 调心球轴承因外圈滚道表面是以轴承中心为中心的球面，故能自动调心，允许内圈（轴）相对外圈（外壳）轴线偏斜量。一般不宜承受纯轴向载荷。主要用途：木工机械、纺织机械传动轴、立式带座调心轴承。5. 圆柱滚子轴承圆柱滚子与滚道呈线接触，有较大的径向负荷能力，不仅适用于能够承受重负荷与冲击负荷，而且适用于高速旋转 N型及NU型可轴向移动，能适应因热膨胀或安装误差引起的轴与外壳相对位置的变化，最适应用作自由端轴承NJ型及NF型可承受一定程度的单向轴向负荷，NH型及NUP型可承受一定程度的双向轴向负荷内圈或外圈可分离，便于装拆NNU型及NN型抗径向负荷的刚性强，大多用于机床主轴。主要用途：中型及大型电动机、发电机、内燃机、装卸搬运机械、燃汽轮机、减速装置、机床主轴、各类产业机械。6. 实体型滚针轴承有内圈轴承的基本结构与NU型圆柱滚子轴承相同，但由于采用滚针，体积可以缩小，并可承受大径向负荷无内圈轴承要把具有合适精度和硬度的轴的安装面作为滚道面使用。主要用途：汽车发动机、变速器、泵、挖土机履带轮、提升机、桥式起重机、压缩机。7. 圆锥滚子轴承该类轴承内有形状为圆台的滚子，内圈大挡边引导滚子，设计上使得内圈滚道面、外圈滚道面以及滚子滚动面的各圆锥面的顶点相交于轴承中心线上的一点，单列轴承可承受径向负荷与单向轴向负荷，双列轴承可承受径向负荷与双向轴向负荷，适用于承受重负荷与冲击负荷，按接触胸（）的不同，分为小锥角、中锥角和大锥角三种型式，接触角越大轴向负荷能力也越大。主要用途：汽车的前后轮、差速器小齿轮轴、变速器。机床主轴、建筑机械、大型农业机械、铁路车辆齿轮减速装置、轧钢机辊颈及减速装置。8. 调心滚子轴承因外圈滚道表面是以轴承中心为中心的球面，故能自动调心，一般不宜承受纯轴向载荷。但具有较大的轴向承载能力，允许内圈（轴）相对外圈（外壳）轴线偏斜量。主要用途：造纸和印刷机械、各种减速装置、火车及动车车轴、轧钢机齿轮箱座、轧钢机辊道子、破碎机、振动筛、木工机械、各类产业用减速机、立式带座调心轴承。9. 推力球轴承只能承受轴向载荷。高速离心力大，钢球与保持架磨损，发热严重，寿命降低，故极限转速很低，为了防止钢球与滚道之间的滑动，工作是必须加有一定的轴向载荷。轴线必须与轴承座底面垂直，载荷必须与轴线重合，以保证钢球载荷的均匀分配。主要用途：汽车转向销、机床主轴。10. 推力圆柱滚子轴承该轴承包括三个组成部分，有垫圈形滚道圈（轴圈、座圈）与圆柱滚子和保持架组件构成。圆柱滚子采用凸面加工，因此滚子与滚道面之间的压力分布均匀，可承受单向轴向负荷，轴向负荷能力大，轴向刚性也强。主要用途：石油钻机、制铁制钢机械。11. 推力滚针轴承在同样内经条件下，与其他类型轴承相比，其外径最小，内圈或外圈可以分离，工作是允许内、外圈有少量的轴向错动。有较大的径向承载能力。一般不带保持架。摩擦系数比较大。此轴承所占的空间小，有利于紧凑性的机械设计。主要用途：耕耘机、汽车、机床等设备的变速装置。12. 推力圆锥滚子轴承该类轴承装有圆台形滚子（大端为球面），滚子由滚道圈（轴圈、座圈）挡边准确引导，设计上使得轴圈和座圈滚道面以及滚子滚动面的各圆锥面的顶点相交于轴承中心线上的一点，单向轴承可承受单向轴向负荷，双向轴承可承受双向轴向负荷，双向轴承将中圈与轴配合，但由于采用间隙配合，因此必须用轴套等使中圈轴向定位推力调心滚子轴承。轴承选型本设计中，多采用的是角接触球轴承，套圈与球之间有接触角，标准的接触角为15、30和40，接触角越大轴向负荷能力也越大，接触角越小则越有利于高速旋转。可以同时承受径向载荷及轴向载荷。能在较高的转速下正常工作。由于一个轴承只能承受单向的轴向力，因此，一般成对使用。角接触球轴承的校核：根据轴上零件的受力，从而得到轴承的受力状况，进而对其进行力的分析，经查表，并代入公式：得到，当量动载荷，式中，X、Y分别为径向动载荷系数和轴向动载荷系数。由滚动轴承寿命的计算公式：式中，为指数，对于球轴承，；对于滚子轴承，。从而得到轴承的使用寿命。键的分类及选用键的分类1平键联接。它具有结构简单、装拆方便、对中性较好等优点，因而得到广泛应用。键的两侧面是工作面，它来传递扭矩，但不能承受轴向力，不能对轴上的零件起到轴向固定的作用。按键构造分，有圆头（A型0、方头（B型）及单圆头（C型）三种。键一般用抗拉强度MPa的碳钢或精拔钢制造，常用的材料为45号钢。2半圆键。键在槽中能绕其几何中心摆动以适应轮毂中键槽的斜度，工作时，其侧面来传递扭矩。特点是：工艺性较好，装配方便、尤其适用于锥形轴与轮毂的联接。缺点是键槽较深，对轴的强度削弱较大，故一般只用于轻载联接中。3楔键联接。工作时，*键的楔紧作用来传递扭矩，同时还可承受单向的轴向载荷，对轮毂起到单向的轴向定位作用。它分为普通楔键及钩头楔键两种。常用于一些低速、轻载和对传动精度要求不高的联接中。4切向键。工作时，*工作面上的挤压力和轴与轮毂间的摩擦力来传递扭矩。用一个切向键时，只能单间传动；有反转要求时，必须用两个切向键，常用于重型机械、直径较粗的轴等场合。键的选用考虑到本系统受力不大，没有轴向受力，不需要用键轴向固定，故决定采用平键连接。控制系统的整体结构工控机（Industry Personal Computer）简称IPC ，具有强大的数据处理能力和交互性，可以兼容各种软件，利用这些软件能够快速的完成机器人的轨迹规划、运动学和动力学的求解。电脑本身能具有标准的接线结构，较好的开放性，可扩展性，操作熟悉简单，同时还能够防止尘土，并且抗干扰能力强，能够在工业环境下稳定可靠的运行。 因此我们选用工控机作为机器人的上位机。在工控机的操作系统中，多使用的是Windows操作系统，但是此系统在工业中实用性不高，不能快速响应去控制机器人的运动。而单片机的实时性不错，且运行速度快，可靠性高，成本很低。所以，我们选