三軸聯(lián)動機械臂伺服運動機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

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1、 三軸聯(lián)動機械臂伺服運動機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 （摘要）機械手臂是目前在機械人技術(shù)領(lǐng)域中得到最廣泛實際應(yīng)用的自動化機械裝置，在工業(yè)制造、醫(yī)學(xué)治療、娛樂服務(wù)、軍事、半導(dǎo)體制造以及太空探索等領(lǐng)域都能見到它的身影。盡管它們的形態(tài)各有不同，但它們都有一個共同的特點，就是能夠接受指令，精確地定位到三維（或二維）空間上的某一點進行作業(yè)。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，機械手臂可分為多關(guān)節(jié)機械手臂，直角坐標(biāo)系機械手臂、球坐標(biāo)系機械手臂，極坐標(biāo)機械手臂，柱坐標(biāo)機械手臂等。本文所設(shè)計的機械手臂為直角坐標(biāo)系機械手臂，其由三個伺服電機驅(qū)動，通過運動控制卡實現(xiàn)運動控制，可以實現(xiàn)三軸聯(lián)動，分別為 X移動，Y移動，Z移動。手臂的運動

2、由三個絲杠螺母副完成，伺服電機驅(qū)動絲杠旋轉(zhuǎn)，螺母副移動，從而實現(xiàn)三個自由度的運動。 關(guān)鍵詞 機械手臂 三軸聯(lián)動 三個自由度 Abstract II Mechanical 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 ma

3、nufacturing 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 st

4、ructure, 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

5、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 lin

6、kage Three degrees of freedom 第1章 緒論 1 1.1 研究背景 隨著科技的發(fā)展，工業(yè)自動化程度不斷提高，機械臂廣泛用于各種制造行業(yè)中，但對于機械臂在工業(yè)的應(yīng)用來說，大部分時候并不需要機械臂具有六個自由度，其中的一個或幾個即可滿足工業(yè)需求，由于三軸聯(lián)動機械臂具有三個自由度，基本上可以滿足制造行業(yè)中以空間任意一點為目標(biāo)位置的運動要求，故三軸聯(lián)動機械臂在工業(yè)自動化上的運用最為廣泛。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國際上對于機械臂的開發(fā)、研制和應(yīng)用已有近50年歷史，目前，以日、韓、美、法、德等為代表的許多國家的機械臂產(chǎn)業(yè)日趨成熟和完善，其所生產(chǎn)的機械臂已

7、成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備在全球得到廣泛應(yīng)用。國外機械臂技術(shù)由于起步較早，基礎(chǔ)雄厚，技術(shù)先進，市場占有率高。同國外相比，中國的機械臂技術(shù)起步較晚，經(jīng)過“七五”、“八五”、“九五”三個階段，中國機械臂從無到有，從小到大，發(fā)展迅速，一批國產(chǎn)機械臂已服務(wù)于國內(nèi)諸多企業(yè)的生產(chǎn)線上，一批機械臂技術(shù)的研究人才也涌現(xiàn)出來，一些相關(guān)科研機構(gòu)和企業(yè)已掌握了機械臂的一些關(guān)鍵技術(shù)，某些技術(shù)已達到了或接近國際先進水平，中國機械臂在世界機械臂領(lǐng)域已占有一席之地，而且中國是一個巨大的機械臂消費市場，行業(yè)市場也處于發(fā)展壯大中。機械臂技術(shù)在制造業(yè)應(yīng)用范圍越來越廣，其標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的程度越來越高，功能也越來越強，正向著成

8、套技術(shù)和裝備的方向發(fā)展。 1.3 研究目的和意義 面對工業(yè)4.0時代機械臂的巨大市場，機械臂技術(shù)的發(fā)展和革新也變得尤為重要，由于三軸聯(lián)動直角坐標(biāo)系機械臂結(jié)構(gòu)簡單、用途廣泛，市場份額最大，所以對其技術(shù)的研究最具市場價值。 在機械制造行業(yè)中，對于機械臂技術(shù)研究的意義可概括如下， 一、在生產(chǎn)過程中，機械臂可應(yīng)用于傳送材料，裝卸工件，更換刀具以及裝配機器，可以提高生產(chǎn)的自動化程度，降低勞動強度和生產(chǎn)成本。 二、在特殊工作空間如高溫、高壓、噪聲、狹小空間等工作場合中，人工操作存在一些隱患甚至人工根本不可能完成，而通過機械臂的應(yīng)用可以部分或全部代替工人安全的完成作業(yè)，改善了勞動條件，在一些簡單

9、、重復(fù)、笨重的操作中，通過機械臂的應(yīng)用，可以避免由于疲勞或者疏忽而造成生產(chǎn)事故。 三、通過機械臂的應(yīng)用，首先可以直接減少人力，而且由于機械臂可以連續(xù)工作，使得生產(chǎn)工作有節(jié)奏的進行。 綜上所述，加速開發(fā)和應(yīng)用機械臂，是機械工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。 1.4 論文研究內(nèi)容 第一章緒論簡單介紹研究背景，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，研究的目的和意義。 第二章方案確定，提出兩種設(shè)計方案，最后選擇采用絲杠螺母副的直角坐標(biāo)系機械手臂。 第三章電機驅(qū)動設(shè)計，分析運動情況，選擇合適的伺服電機。 第四章機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，對整個機械臂上選要安裝的零部件進行設(shè)計選型。 第五章基于CREO的設(shè)計與裝配，將所設(shè)計的

10、機械臂的零部件采用CREO繪制，并將所繪制的零部件進行模擬裝配 第2章 方案確定 2.1 方案的設(shè)想 面對機械臂的巨大的應(yīng)用市場，開發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡單，可以滿足工業(yè)基本應(yīng)用機械臂有很大的市場前景，而且對于工業(yè)應(yīng)用來說，三自由度直角坐標(biāo)系機械手臂應(yīng)用最為廣泛。直角坐標(biāo)系機械手臂可以由單軸機械手臂組合而成。單軸機械手臂作為一個組件在工業(yè)中應(yīng)用廣泛。故本文所設(shè)計的機械臂整體結(jié)構(gòu)可以由三個單軸機械臂組合而成，我們設(shè)想了兩種方案，兩種方案的基本結(jié)構(gòu)形式相似，主要區(qū)別在于機械臂的執(zhí)行元件不同。 方案一：此方案執(zhí)行原件為氣缸，每個單軸機械臂的運動由一個氣缸完成，通過三個氣缸的組裝，組裝成一個具有三個自

11、由度的直角坐標(biāo)系機械臂，三個氣缸可以由一個氣泵供氣，每個氣缸都裝有一個閥門，閥門由伺服電機控制氣缸的進氣速度和進氣量，三個伺服電機可以通過運動控制卡來實現(xiàn)運動控制。 方案二：此方案的執(zhí)行元件為絲杠螺母副，每個單軸機械臂的運動由一個絲杠螺母副完成，通過對三個絲杠螺母副的組裝，組裝成一個具有三個自由度的直角坐標(biāo)系機械臂，每個絲杠螺母副均由一個伺服電機驅(qū)動，通過運動控制卡對伺服電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角的控制，實現(xiàn)最終的運動控制。 2.2 方案的確定 綜合比較上述兩種方案，我們發(fā)現(xiàn)第二種的結(jié)構(gòu)比較好。方案一使用氣缸雖然執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)會更緊湊，但是由于需要額外使用氣泵、閥門等關(guān)鍵零部件，故造價高，而且

12、氣缸不適合承受較大徑向力的場合，氣缸進出氣較難控制，且運動精度低。相比方案一，方案二的單軸機械臂雖然體積稍大，但造價有大幅降低，運動控制精度顯著提高，在載荷分布上也更為合理。 2.3 本章小結(jié) 通過以上對兩種方案的比較和分析，綜合市場方面因素，最終我們選擇采用方案二，用使用絲杠螺母副的單軸機械臂來組裝成具有三個自由度的直角坐標(biāo)系機械臂?？傮w方案確定之后，進行機構(gòu)各部件的設(shè)計和選擇。 第3章 電機驅(qū)動設(shè)計 由于本文所設(shè)計的機械臂采用三個單軸機械臂組合安裝完成，三個單軸機械臂的結(jié)構(gòu)類似，本文中只對X向的單軸機械臂進行計算選型，其余兩個進行類比設(shè)計，本文中不做過多敘述。 3.1 電機

13、驅(qū)動要求 （1）機械臂運動需要有較大的調(diào)速范圍，最好能夠?qū)崿F(xiàn)無級變速。 （2）電機應(yīng)該選用偏大的功率，雖然本文所設(shè)計的機械臂目的是安裝攝像頭進行掃描攝像，不需要高功率電機，但為了保證機械臂運動的可靠性，應(yīng)該采用稍微偏大功率的電機。 （3）電機驅(qū)動的動態(tài)響應(yīng)性要好，電機的升降速時間要短，調(diào)速時需要運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，換向可以進行自動加減速控制。 （4）機械臂的主軸需要有較高的回轉(zhuǎn)精度，主軸部件需要具有良好的抗振性和足夠的剛度，也需要具有較好的熱穩(wěn)定性，即要求主軸的軸向和徑向尺寸隨溫度的變化要小，而且傳動鏈要短。 3.2 電機選型 由于本文所設(shè)計的機械臂尾端只需要安裝一個攝像頭進行掃描攝像，而且

14、本機械臂體積小，質(zhì)量輕，所需要的電機功率不必要太大，但為了保證運動的可靠性，適當(dāng)選取偏大功率的電機即可，Ｘ向單軸機械臂所選取的電機為松下公司所生產(chǎn)的的ＭＳＭＤ０４２Ｇ１Ｕ型伺服電機，額定功率為０．４ＫＷ，額定轉(zhuǎn)速為３０００ｒ／ｍｉｎ。 本章小結(jié) 通過對電機的選型，以及運動控制系統(tǒng)的設(shè)計，通過運動卡同時控制三個伺服電機驗證運動控制系統(tǒng)是否滿足三軸聯(lián)動的設(shè)計要求，進而完成電氣部分的設(shè)計。 第4章機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 4.1單軸機械臂結(jié)構(gòu)特點 單軸機械臂的運動在動作上除了由運動控制卡的控制外，在機械結(jié)構(gòu)方面還應(yīng)具有響應(yīng)速度快、精度高、穩(wěn)定性好等特點（有引用） 下面主要對單軸機械臂的機械結(jié)構(gòu)特點進

15、行討論： （1）傳動剛度高 本文所研究的單軸機械臂采用絲杠螺母副作為執(zhí)行部件，絲杠螺母副以及其支撐部件的剛度決定了整個機械臂的傳動剛度。如果剛度不足，加上摩擦阻力的作用，會導(dǎo)致機械臂的運動產(chǎn)生爬行現(xiàn)象或反向死區(qū)，傳動的準(zhǔn)確性會受到影響。通過合理的選擇絲桿尺寸，縮短傳動鏈、對絲杠螺母副及其支撐部件等預(yù)緊均可以有效的提高傳動剛度。 (2) 高諧振 為了提高機械臂的抗振性，其機械構(gòu)件應(yīng)具有合適的阻尼和較高的固有頻率，通常要求機械傳動系統(tǒng)的固有頻率應(yīng)為伺服驅(qū)動系統(tǒng)固有頻率的2~3倍 （3）低摩擦 機械臂的運動要求平穩(wěn)，能夠快速響應(yīng)且定位準(zhǔn)確，那么就需要減少運動件所受的摩擦阻力，在機械臂中

16、普遍采用特性優(yōu)良的滾珠絲杠螺母副。 （4）低慣性 由于機械臂的特殊工作環(huán)境，所以經(jīng)常需要啟停、變速和換向，如果機械臂的傳動裝置慣量太大，會使負載增大并會降低傳動系統(tǒng)的動態(tài)性能。因此在強度與剛度足夠的前提下，應(yīng)該盡可能使各傳動元件的體積變小，同時減少各運動部件的重量，從而達到運動部件能夠?qū)χ噶羁焖夙憫?yīng)的要求 。 （5）無間隙 機械臂的進給系統(tǒng)存在反向運動死區(qū)的另一個主要因素是機械間隙，因此對于傳動鏈的各個環(huán)節(jié)都需要采用消除間隙的結(jié)構(gòu)措施，這些環(huán)節(jié)包括：絲杠螺母副、聯(lián)軸器、軸承以及其他支撐部件等。 4.2 滾珠絲杠的選擇與安裝方式的選擇 4.2.1 滾珠絲杠特點 在單軸機械臂上，滾

17、珠絲杠副將伺服電機的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，滾珠絲杠螺母副的特點是： （1）傳動效率高，滾珠絲杠副相比于傳統(tǒng)螺紋絲杠副，以滾珠在絲杠與螺母之間的滾動傳遞力和運動取代了絲杠和螺母直接作用的方式，即以極小的滾動摩擦取代傳統(tǒng)絲杠的滑動摩擦，使得傳動效率提高，一般為η=0.92～0.98，整個傳動副所需要的驅(qū)動力矩只有滑動絲杠的1/3左右，摩擦發(fā)熱也得到大幅降低。 （2）定位精度高 由于滾珠絲杠副發(fā)熱率低。溫升小以及在加工過程中對絲杠采取預(yù)拉伸并預(yù)緊消除軸向間隙等措施，使?jié)L珠絲杠副定位精度高且重復(fù)定位精度高。 （3）傳動可逆性 滾珠絲杠副相比于滑動絲杠沒有粘滯摩擦，故在傳動過程中不會出現(xiàn)爬行

18、現(xiàn)象，而且滾珠絲杠可以將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，也可以將直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運動，兩種運動方式均可以傳遞相應(yīng)的動力 （4）同步性能好 由于滾珠絲杠副能夠順滑運轉(zhuǎn)，軸向間隙可以消除以及制造的一致性，當(dāng)采用多套滾珠絲杠副方案驅(qū)動多個相同部件或統(tǒng)一裝置時，均可以很好地進行同步工作。 （5）使用壽命長 由于滾珠絲杠滾道的表面硬度，材料的選擇以及滾道形狀的準(zhǔn)確性等方面都加以嚴格控制，從而使得滾珠絲杠副的實際壽命遠相比于滑動絲杠高很多。 但是滾珠絲杠副也存在一些缺點，如制造成本高，不能自鎖，垂直安裝時需有平衡裝置等（有引用） 4.2.2 安裝方式分類 滾珠絲杠副作為一種以滾動作為傳動方式的

19、關(guān)鍵傳動元件，在各種需要傳動和定位的機構(gòu)中應(yīng)用廣泛，其對機構(gòu)的影響也十分重要。同時，在實際應(yīng)用中，滾珠絲杠采用何種安裝方式，對整個機構(gòu)的工作效果也會產(chǎn)生影響，根據(jù)不同的具體應(yīng)用情況，滾珠絲杠副可以采用的不同的安裝方式。 滾珠絲杠副所承受的載荷主要是軸向的，其所承受的徑向載荷主要是臥式絲杠的自重。在安裝時，螺母座的孔與工作螺母之間應(yīng)保證配合良好，并且孔與端面應(yīng)該保證垂直度。這時選擇軸承需要根據(jù)載荷的方向和大小，軸承配置和安裝的形式還與絲桿的長短有關(guān)，如果絲桿較短，采用單支撐結(jié)構(gòu)，如果絲桿較長，則需采用雙支撐結(jié)構(gòu)。 每種安裝方式（即支撐方式）有其各自的特點，當(dāng)選取安裝方式時，在考慮實際工作要求

20、（如傳動速度、定位精度、扭矩和推理情況等）的前提下，也要結(jié)合所選擇的滾珠絲杠副型號規(guī)格，只有兩個因素綜合考慮，才能實現(xiàn)理想的工作狀況。 由文獻[19，20]可知“滾珠絲杠副的安裝方式也可以叫做滾珠絲杠副的支撐形式”，安裝方式通常有兩大類，一類是絲杠旋轉(zhuǎn)，另一種是螺母旋轉(zhuǎn)，兩大類共包括五種典型的安裝方式，安裝方式的不同會影響滾珠絲杠副所容許的回轉(zhuǎn)速度以及所能夠承受軸向載荷。安裝方式應(yīng)該根據(jù)工況適當(dāng)選擇，具體安裝方式下文會詳細介紹，為了方便比較安裝方式的穩(wěn)定性，引入“穩(wěn)定性系數(shù)fk”來表征絲杠旋轉(zhuǎn)類的每種安裝方式的穩(wěn)定性，fk數(shù)值越大則表示該安裝方式越穩(wěn)定，對于螺母旋轉(zhuǎn)類由于其受力模型不同，校驗

21、體系也不同，故不能模型化比較。所以本文所設(shè)計的機械臂選用絲杠旋轉(zhuǎn)類。 4.2.3 絲杠旋轉(zhuǎn)類安裝形式 1. “固定—固定”型：fk=4 本安裝方式適用于高精度、高轉(zhuǎn)速的場合。該方式兩端分別裝有一對軸承來約束徑向和軸向自由度，所受載荷由兩組軸承副共同承擔(dān)。也可以是兩端的軸承組承受反向預(yù)緊拉伸力，從而提高絲杠的傳動剛度。在一些定位要求較高的場合，甚至可以通過受力情況和絲杠運動發(fā)熱變形趨勢來精確設(shè)定目標(biāo)行程的補償量，從而進一步提高定位精度?！肮潭ā潭ā毙鸵步小半p推—雙推” 型。在實際情況中，由于徑向力的存在，所以幾乎不能用兩個推力軸承來作為固定端。而且此安裝方式機構(gòu)較為復(fù)雜，調(diào)整也較為困難

22、，因此僅在定位要求很高的場合時才采用“固定—固定”型，其結(jié)構(gòu)簡圖如下。 圖３-1 “固定—固定”型 2. “固定—游動”型：fk =2 本安裝方式適用于高精度、中轉(zhuǎn)速的場合，該方式一端由一對軸承約束徑向和軸向自由度，而另一端由一個軸承來約束徑向自由度，所承受的載荷只由一對軸承副承擔(dān)，而游動的單個軸承用來防止懸臂撓度，并且能夠消除由運動發(fā)熱產(chǎn)生的應(yīng)力，“固定—游動”型也叫做“雙推—支撐” 型。此安裝方式結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用廣泛，效果良好。其結(jié)構(gòu)簡圖如下。 圖３-2 “固定—游動”型 3. “支承—支承”型：fk =1 本安裝方式適用于中精度、中轉(zhuǎn)速的場合，該方式兩端分別裝一

23、個軸承，分別承受單方向的軸向力和徑向力，兩個軸承分別單獨承擔(dān)某一方向的力。由于其力的支撐點隨著受力的方向變化，故而其定位可控性較低。此安裝方式形式結(jié)構(gòu)簡單，受力情況較差，應(yīng)用較少。其結(jié)構(gòu)簡圖如下。 圖３-3 “支承—支承”型 4. “固定—自由”型：fk =0.25 本安裝方式適用于中精度、低轉(zhuǎn)速的場合。該方式一端裝有一對軸承來約束徑向和軸向自由度，而另一端則處于自由狀態(tài)，這一對軸承副承擔(dān)所有載荷，并且需要克服絲杠水平安裝時的重力（以及絲杠回轉(zhuǎn)時的離心力）所造成的彎矩?！肮潭ā杂伞毙陀袝r也叫做“雙推—自由”型，此安裝方式結(jié)構(gòu)簡單，雖然受力情況差，但在低轉(zhuǎn)速、小行程的場合也經(jīng)常使用

24、。其結(jié)構(gòu)簡圖如下。 圖4-4 “固定—自由”型 綜合考慮四種安裝方式安裝時的方便程度及其對精度的影響，本文所設(shè)計的機械臂選擇的安裝方式是：“固定—游動”型安裝方式，其所允許的轉(zhuǎn)速以及達到的精度符合我們的設(shè)計要求。 4.3 X方向進給系統(tǒng)設(shè)計 4.3.1 基本導(dǎo)程 在X向進給系統(tǒng)的單軸機械臂中，絲杠與伺服電機直接通過聯(lián)軸器鏈接，傳動比為，工作臺的運動速度需要達到，伺服電機的額定轉(zhuǎn)速為，那么絲杠的轉(zhuǎn)速也?。常埃埃埃颍恚椋睿瑒t可求得絲杠的基本導(dǎo)程 4.3.2 滾珠絲杠的選擇計算 1承載能力選擇. 計算作用于絲杠軸向最大動載荷，然后根據(jù)值選擇絲杠副型號。

25、 (4-1) 式中——滾珠絲杠壽命系數(shù)（單位106轉(zhuǎn)），普通機械為5000~10000、數(shù)控機床及其他機電一體化設(shè)備及儀器裝置為15000，航空機械為1000，取。 ——載荷系數(shù)（平穩(wěn)或輕度沖擊時為1.0~1.2，中等沖擊時為1.2~1.5，較大沖擊或振動是為1.5~2.5）；取。 ——硬度系數(shù)（時為1.0，等于55時為1.11，等于52.5時為1.35，等于50時為1.56，等于45時為2.40）；取。 ——最大工作載荷，由于此機械臂的所承受的載荷即克服自重而運動，取 則可由公式(4-1)求得軸向最大動載荷 初步選用SFU01604—4型滾珠絲杠，

26、其主要參數(shù)為：基本導(dǎo)程；鋼球直徑；絲杠內(nèi)徑；外徑，額定動負載，螺母外徑，螺母長度。 2.壓桿穩(wěn)定性核算 （4-2） 式中——實際承受載荷的能力，N； ——壓桿穩(wěn)定的支撐系數(shù)（雙推—雙推式為4，單推——單推式為1，雙推——簡直式為2，雙推——自由式為0.25），取； E——鋼的彈性模量，??； I——滾珠絲杠底徑的抗彎截面慣性矩，； K——壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.5~4，?。? ——絲杠的工作長度，取 計算，代入式4-2中得 ， 所以壓桿穩(wěn)定性核算合格。 3 剛度的驗算 滾珠絲杠在軸向力的作用下，將產(chǎn)生伸長或縮短，在扭矩的作用下將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)而影響絲杠導(dǎo)程的變化

27、，從而影響傳動精度及定位精度，故應(yīng)驗算滿載時的變形量。其驗算公式如下：滾珠絲杠在工作負載F和扭矩T共同作用下，所引起的每一導(dǎo)程的變形量為： （只考慮拉伸時） 式中——工作負載，； ——基本導(dǎo)程，； E——鋼的彈性模量，； A——絲杠的最小橫截面積，cm2，，則 T——扭矩，Ncm，；為絲杠的傳動效率，取，則 I——絲杠底徑的抗彎截面慣性矩， 代入以上數(shù)據(jù)，可得 則每一米彈性變形所允許的基本導(dǎo)程誤差值為 ， 而此絲杠精度標(biāo)準(zhǔn)中，允許誤差為，故該滾珠絲杠滿足剛度要求。 4.3.3 支撐軸承選型 由于滾珠絲杠會受到一定的軸向力，所以支撐軸承應(yīng)該選用角接觸球軸承，本文所

28、設(shè)計的機械臂選用的角接觸球軸承為7032C，在市場上較為常見，價格低廉，購買方便。 4.4 Y、Z方向進給系統(tǒng)設(shè)計 對于Ｙ、Ｚ方向單軸機械臂，相比于Ｘ方向單軸機械臂來說，其移動部件的重量和所受的力都比Ｘ方向的小，所以在Y、Z方向上，可以選取與X向相同的絲杠和支撐軸承，但在伺服電機選型上，為了降低成本，可以選取與X向相同系列，額定轉(zhuǎn)速相同，但比X向功率低的型號。對于有裝配調(diào)整的零件，需要另行設(shè)計來滿足裝配要求。 對于Y、Z方向的進給，因移動部件的重量和所受的力都比X方向的小，為了減少設(shè)計部件的數(shù)量和加工的要求，此方向的可選用與X方向相同的絲杠、電機和軸承及其他零件，但對于有裝配調(diào)整

29、的零件還需另行設(shè)計以滿足要求。 4.5 導(dǎo)軌的選型計算 4.5.1 導(dǎo)軌的形式及選擇 導(dǎo)軌是支撐和限制運動部件按給定的運動要求和規(guī)定的運動方向運動，它是滾珠絲杠副運動機構(gòu)中必不可少的一個部分，在很大程度上會決定單軸機械臂的剛度、精度和精度保持性。常用的導(dǎo)軌副種類很多，按其接觸面的摩擦性質(zhì)可以分為滾動導(dǎo)軌、滑動導(dǎo)軌、流體介質(zhì)摩擦導(dǎo)軌等。下面著重介紹三種。 1. 直線滾動導(dǎo)軌 滾動導(dǎo)軌作為滾動摩擦副的一類，具有很多優(yōu)點，摩擦系數(shù)小，運動靈活；動靜摩擦系數(shù)基本相同，因而啟動阻力小，而不宜產(chǎn)生爬行；可以預(yù)緊，剛度高；壽命長，精度高；潤滑方便，可以采用脂潤滑，一次裝填，長期使用；由專業(yè)廠

30、生產(chǎn)，可以外購選用。但也存在一些缺點：導(dǎo)軌面與滾動體是點接觸或線接觸，所以抗振性差。接觸應(yīng)力大；對導(dǎo)軌的表面硬度、表面形狀精度和滾動體的尺寸精度要求高，若滾動體的直徑不一致，導(dǎo)軌表面有高低，會使運動部件傾斜，產(chǎn)生振動，影響運動精度；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本較高；對臟物比較敏感，必須有良好的防護裝置。 2. 液體靜壓導(dǎo)軌 由于液體靜壓導(dǎo)軌的工作面完全處于純液體的摩擦下，因此工作時的摩擦系數(shù)非常低，約為；速度與負載不會限制導(dǎo)軌的運動，且低速移動均勻，沒有爬行現(xiàn)象，由于液體的吸振作用，使得導(dǎo)軌的抗振性好；同時擁有良好的剛性，且承載能力大；由于摩擦發(fā)熱少，導(dǎo)軌的溫升也小。但是液體靜壓導(dǎo)軌也有缺點

31、，由于液體靜壓導(dǎo)軌安裝了一套液壓系統(tǒng)；所以其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高；油膜的厚度也很難保持一個恒定值。在一些大、重型設(shè)備上多使用液體靜壓導(dǎo)軌。 3. 滑動導(dǎo)軌 滑動導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、剛度好且抗振性高，常見的導(dǎo)軌截面形狀，有三角形（分對稱、不對稱兩類）、矩形、燕尾形及圓形四種，每種截面形狀的滑動導(dǎo)軌又有不同的特點，每一種截面形狀又分為凸形和凹形兩類。凸形導(dǎo)軌不易積存切屑等臟物，也不易儲存潤滑油，宜在低速下工作， 凹形導(dǎo)軌則相反，可用于告訴，但必須有良好的防護裝置，以防切屑等臟物落入導(dǎo)軌。 根據(jù)機械臂的結(jié)構(gòu)和設(shè)計要求，X向單軸機械臂選擇直線滾動導(dǎo)軌，Y向和Z向單軸機械臂選擇燕尾形滑動導(dǎo)軌。

32、 4.5.2 載荷計算 1. 計算載荷 直線滾動導(dǎo)軌副可以承受上下、左右四方向的力，還可以承受左右扭轉(zhuǎn)、前后翻轉(zhuǎn)和平面扭轉(zhuǎn)三種扭矩。在選用時，需要對其受力狀態(tài)（包括水平、豎直、側(cè)臥等），以及受力結(jié)構(gòu)（受力點與支撐點之間所產(chǎn)生的扭矩）和啟停時所產(chǎn)生的慣性力等進行受力分析，還需要對整個運動過程中受力變化對導(dǎo)向系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響進行評估。 由文獻[23]可知載荷的選取圍繞單個滑座所受的合力進行(靜態(tài)受力分析按照理論力學(xué)常規(guī)計算)，通常根據(jù)載荷在行程內(nèi)的變化分段核算，若某個滑座在總行程L（）內(nèi)的段內(nèi)所受的載荷分別為（KN）則計算載荷為 對于載荷呈線性變化的情況，可簡化成 對于載荷

33、呈全波正弦曲線變化的情況，可簡化成 對于載荷呈半波正弦曲線變化的情況，可簡化成 對于同時承受扭矩M(Nm)負載的情況， 式中 ——載荷合力，N； ——滑座的額定靜載荷，N； ——對應(yīng)方向的額定扭矩，。 由于本機械臂的設(shè)計目的主要是攜帶攝像頭進行掃描攝像，那么其所承受載荷近似為一個恒定載荷，故選用公，， 選擇GGB16BA型直線滾動導(dǎo)軌，，長度520mm，導(dǎo)軌副尺寸，，滑塊尺寸，，，，，，， 。 2. 計算額定壽命 對于滾珠直線導(dǎo)軌副，其壽命衡量標(biāo)準(zhǔn)為：在允許的工作環(huán)境內(nèi)，使其所承受的負載等于額定動載荷C（KN），連續(xù)導(dǎo)向行程達到50 KM（基準(zhǔn)行程壽命）時

34、有95%（基準(zhǔn)可靠度）不產(chǎn)生材料疲勞破壞。滾珠直線導(dǎo)軌副的額定行程壽命L為： 式中：L——額定壽命（km）; ——額定動載荷（KN），； P——當(dāng)量動載荷（kN）； ——指數(shù)，當(dāng)滾動體為滾珠時，；當(dāng)為滾柱時，； K——額定壽命單位（km），滾珠時，；滾柱時，； ——硬度系數(shù)； HRC58為基準(zhǔn)硬度，低于HRC58時額定動載荷銳減。通常滾珠直線導(dǎo)軌副的硬度為HRC58，故取。 ——溫度系數(shù)，取，見表4-1： 表4-1 工作溫度(℃) ≤100 >10～150 >150～200 >200～250 1.00 0.90 0.73 0.60 ——接觸系數(shù)

35、，取，見表4-2： 表4-2 每根導(dǎo)軌上的滑座個數(shù) 1 2 3 4 5 1.00 0.81 0.72 0.66 0.61 ——精度系數(shù)，取，見表4-3： 表4-3 精度等級 2 3 4 5 1.0 1.0 0.9 0.9 ——載荷系數(shù)，取，見表4-4： 表4-4 工作條件 無外部沖擊和振動，速度≤15 m/min 無明顯沖擊和振動，速度>(15～60) m/min 有外部沖擊或振動，速度>60 m/min 1.0～1.5 1.5～2.0 2.0～3.5 代入以上數(shù)據(jù)，由公式得 當(dāng)行程的長度已定時，滾珠直線導(dǎo)軌

36、副的額定壽命為 式中：——壽命時間（h）； L——額定壽命（km）, ； l——行程長度(m)，； n——每分鐘往返次數(shù)，取； 代入以上數(shù)據(jù)，得 4.5.3 安裝注意事項 1. 導(dǎo)軌在螺釘緊固狀態(tài)下進行線性檢測和調(diào)整，使導(dǎo)軌呈直線狀態(tài)； 2. 兩根或兩根以上平行使用時需檢測和調(diào)整平行度和等高； 3. 接長導(dǎo)軌安裝時需使對接端的編號相同，任何情況下均需避免滑座脫出導(dǎo)軌； 4. 保證充分的潤滑，在高速(≥15m/min)時建議使用N32潤滑油(20號機械油)，在低速(<15m/min)時建議使用鋰基潤滑脂； 5. 在開放工況下建議采用防護罩整體防護。

37、本章小結(jié) 根據(jù)設(shè)計要求對典型零部件進行了設(shè)計，在考慮工況的同時，對所設(shè)計零部件的壽命以及可靠性進行驗算，配合伺服電機、運動控制卡完成預(yù)期的運動要求。 第五章基于Creo設(shè)計與裝配 5.1 軟件介紹 Creo是美國PTC公司于2010年10月推出CAD設(shè)計軟件包。Creo是整合了PTC公司的三個軟件Pro/Engineer的參數(shù)化技術(shù)、CoCreate的直接建模技術(shù)和ProductView的三維可視化技術(shù)的新型CAD設(shè)計軟件包，是PTC公司閃電計劃所推出的第一個產(chǎn)品。 Creo是一個整合Pro/ENGINEER、CoCreate和ProductView三大軟件并重新分發(fā)的新型CAD設(shè)計

38、軟件包，針對不同的任務(wù)應(yīng)用將采用更為簡單化子應(yīng)用的方式，所有子應(yīng)用采用統(tǒng)一的文件格式。 Creo目的在于解決CAD系統(tǒng)難用及多CAD系統(tǒng)數(shù)據(jù)共用等問題。 圖5-1 Creo初始界面 5.2 殼體的建模 殼體主要通過多次拉伸操作完成建模，由于殼體上裝有眾多零件，故殼體的設(shè)計應(yīng)該注意零件安裝位置的設(shè)定，使零件安裝不發(fā)生干涉，并且安裝合理可靠。 打開Creo軟件，選擇新建命令，選擇類型為零件，子類型為實體，并輸入零件名稱keti，取消勾選使用默認模板，選擇確定。操作界面如圖5-2所示。 圖5-2 新建零件命令操作界面 在彈出的文件選項對話框中（如圖5-3所示），選擇模板類型為m

39、mns_part_solid，即為實體模型設(shè)計，選擇確定。 圖5-3 “新文件選項”對話框 然后進入建模主界面，主界面設(shè)計采用瀑布式菜單。非常明朗，（如圖5-4所示）。 圖5-4 建模主界面 殼體設(shè)計需要多次拉伸操作，選擇拉伸操作，進入拉伸界面，直接在模型樹框里點擊TOP平面，軟件自動跳到草繪界面，即可開始草繪操作，如圖5-5所示。 圖5-5 草繪操作界面 進入草繪界面后，首先點擊草繪視圖按鈕，定向草繪平面使其與屏幕平行，然后繪制如圖所示的拉伸截面，如圖5-6所示。 圖5-6 草繪截面 草繪完成后，點擊確定按鈕，退出草繪界面，輸入拉伸長度800mm，其他按鈕狀態(tài)

40、默認，選擇完成，退出拉伸界面，初次拉伸的實體完成，如圖5-7所示。 圖5-7 拉伸實體 接著需要在殼體上進行拉伸去除一些材料，來減輕質(zhì)量并提高強度。在上一步驟所繪制實體的基礎(chǔ)上，選擇拉伸選項，選擇一側(cè)端面作為基準(zhǔn)平面，草繪視圖。如圖5-8所示。 圖5-8 以端面為基準(zhǔn)草繪截面 草繪完成后，點擊確定按鈕，退出草繪界面，輸入拉伸長度800mm，點擊去除材料按鈕，選擇完成，退出拉伸界面，第二次拉伸實體完成，直接點擊陣列按鈕選取以方向為基準(zhǔn)，選取截面一條邊為方向，數(shù)目框輸入8，間距框輸入5，如圖5-9所示。 , 圖5-9 陣列步驟中實體狀態(tài) 點擊完成陣列步驟，將陣列內(nèi)容選住，點擊

41、鏡像按鈕，點擊RIGHT平面作為鏡像平面，完成鏡像，此步驟完成后的實體模型端面如圖5-10所示。 圖5-10 鏡像后實體模型端面 此后，仍需要多次拉伸、陣列、鏡像以及倒圓角和倒角等步驟來完成實體模型，包括確定電機、底座、導(dǎo)軌、絲杠座和端蓋等零部件安裝位置，以及確定各部件安裝時所需螺紋孔位置和深度。最終完成殼體的實體建模如圖5-11所示。 圖5-11 殼體實體 5.3 絲杠的建模 在機械設(shè)計手冊中，絲杠屬于非標(biāo)件，但國內(nèi)外絲杠生產(chǎn)的大型企業(yè)已經(jīng)具有了本企業(yè)的一套標(biāo)準(zhǔn)，本文所繪制的絲杠并不能完全符合企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，只是在整體構(gòu)造上與實際絲杠并無區(qū)別，絲杠主要通過一次拉伸

42、和一次螺旋掃描完成，下面對絲杠的繪制進行簡述。 首先通過拉伸選項，拉伸出直徑為16mm，長度為610mm的圓柱體，如圖5-12所示。 圖5-12 絲杠圓柱模型 接著選擇掃描欄目下的螺旋掃描選項，點擊參考選項，在螺旋掃描輪廓下點擊編輯，進入草繪界面，繪制螺旋掃描輪廓后點擊確定按鈕，回到螺旋掃描界面，再次點擊產(chǎn)考選項，在旋轉(zhuǎn)軸一欄點擊拾取圓柱中軸為旋轉(zhuǎn)軸，在截面方向設(shè)置上選擇穿過旋轉(zhuǎn)軸，完成螺旋掃描參考選項設(shè)置。如圖5-13所示。 圖5-13 螺旋掃描參考選項設(shè)置 接著點擊創(chuàng)建或編輯掃描截面，進入草繪界面，在螺旋掃描輪廓起點處繪制掃描截面，繪制完成后點擊確定按鈕，點擊移除材料按鈕

43、，在間距框內(nèi)輸入間距值為4，選擇右旋方向，即點擊使用右手定則，點擊確定按鈕完成絲杠繪制，絲杠實體模型如圖5-14所示。 圖5-14 絲杠實體模型 5.4 整體裝配 首先新建文件對X向單軸機械臂進行裝配，使其成為一個裝配體，接著再新建文件進行整體裝配，完成整個機械臂的裝配。下面對本小節(jié)進行詳細敘述。 選擇新建命令，選擇類型為裝配，子類型為設(shè)計，并輸入裝配體名稱為Xxiang，取消勾選使用默認模板，選擇確定。操作界面如圖5-15所示。 圖5-15新建裝配命令操作界面 在彈出的文件選項對話框中（如圖5-16所示），選擇模板類型為mmns_asm_design，即為裝配體設(shè)計，

44、選擇確定。 圖5-16 “新文件選項”對話框 點擊組裝按鈕，插入各個零部件，通過線與線、面與面之間的配合關(guān)系等進行組裝，實現(xiàn)X向單軸機械臂的裝配。圖5-17為單軸機械臂未安裝頂蓋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。 圖5-17 X向單軸機械臂內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 再裝配上頂蓋，完成整個X向單軸機械臂的裝配，如圖5-18所示。 圖5-18 X向單軸機械臂 再次新建一個裝配體文件，將所有零部件依次插入進行裝配，裝配必須按照設(shè)計要求來進行，如果發(fā)現(xiàn)有配合誤差，還需要從新打開零件對零件進行調(diào)整，來符合裝配要求，完成整體裝配。三軸聯(lián)動機械手臂伺服運動機械結(jié)構(gòu)如圖5-19所示。 圖5-19 三軸聯(lián)動機械手

45、臂三維模型 本章小結(jié) 根據(jù)設(shè)計思路對所有的零部件進行了繪制，繪制完成后進行了裝配，在裝配過程中由于設(shè)計時未進行細致的零件位置布局，導(dǎo)致在裝配過程中存在一些零件的裝配誤差較大。在裝備過程需要打開進行重新調(diào)整繪制，最終合理的完成三維建模部分。 結(jié)論 三軸聯(lián)動機械手臂在工業(yè)自動化的應(yīng)用越來越廣泛，包括抓取、搬運、攝像、焊接等多種工作場合，隨著工業(yè)4.0時代的到來，機械手臂也會將會迎來巨大的市場。 本設(shè)計通過對機械臂的整體機械結(jié)構(gòu)以及基本運動控制系統(tǒng)的設(shè)計，完成了整個計算設(shè)計并且對其進行了基于Creo的建模。 整體設(shè)計完成的工作主要包括以下幾個方面： 1、 首先提出兩種基本設(shè)計

46、方案進行比較，包括液壓方案和絲杠方案，綜合比較后采用以絲杠作為傳動件的方案。 2、 對電機進行選型，并對三軸聯(lián)動控制系統(tǒng)進行了簡單設(shè)計，包括運動控制卡以及運動程序設(shè)計。 3、 對機械結(jié)構(gòu)進行詳細設(shè)計，包括絲杠、導(dǎo)軌、軸承等零部件，并對其剛度、壽命以及可靠性等進行驗算。 4、 對整體機構(gòu)進行三維建模，驗證設(shè)計思路，并對后期的制作、加工等提供技術(shù)參考。 本三軸聯(lián)動機械手臂通過labview下的程序控制，采用固高公司生產(chǎn)的運動控制卡使得三個方向的單軸機械臂伺服電機在轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等方面達到控制，實現(xiàn)三軸聯(lián)動。 附錄一 A Heavy Duty Servo Motor Design in R

47、obot Applications Chi-Sheng Chen 2 , Ton-Tai Pan 1, 2 , Huihua Kenny Chiang 1 , Ping-Lin Fan2, Joe-Air Jiang3 1. Institute of Biomedical Engineering, National Yang-Ming University, Taipei, Taiwan 2. Department of Electrical Engineering, Kuang-Wu Institute of Technology, Taipei, Taiwan 3. Departm

48、ent of Bio-industrial Mechatronics Engineering, National Taiwan University, Taipei, Taiwan Abstract This 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 actuatio

49、n 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 r

50、obots 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

51、 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

52、 R/C servomotors. Keywords: Remote control motor, pulse width modulation, heavy duty, servomotor. I. Introduction In 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 becau

53、se 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.

54、 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. Th

55、e 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 e

56、ach 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 lo

57、ad. 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.

58、 Fig.1 System configuration of a heavy-duty servomotor. II. Design Scheme The 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 reduc

59、tion 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

60、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

61、 when controlling the shaft position of the servomotor. Each part of the system is discussed in more details below. (A). Motor assembly A 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 500

62、0 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 pote

63、ntiometer 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 diamet

64、er 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

65、 so that this assembly can be used in heavy-duty applications. Fig.2 A carbon-brush type DC motor and gearbox assembly. (B). PWM module The conventional R/C servomotors are controlled by a PWM signal. In this paper, we also adopt PWM signal as the position command for the heavy-duty servomotor

66、, keeping the compatibility of the PWM 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.