《三軸聯(lián)動機械臂伺服運動機械結構設計》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《三軸聯(lián)動機械臂伺服運動機械結構設計（49頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、三軸聯(lián)動機械臂伺服運動機械結構設計 （摘要） 機械手臂是目前在機械人技術領域中得到最廣泛實際應 用的自動化機械裝置，在工業(yè)制造、醫(yī)學治療、娛樂服務、軍事、半導體制造以 及太空探索等領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)結構形式的不同，機械手臂可分為多關節(jié)機械手臂，直角坐標 系機械手臂、球坐標系機械手臂，極坐標機械手臂，柱坐標機械手臂等。本文所 設計的機械手臂為直角坐標系機械手臂，其由三個伺服電機驅動，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，丫移動，Z移動

2、。手臂 的運動由三個絲杠螺母副完成，伺服電機驅動絲杠旋轉，螺母副移動，從而實現(xiàn) 三個自由度的運動。 關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 tech no logy in automati on mach in ery, in dustrial manu facturi ng, medical treatme nt, en terta inment services, military, s

3、emic on ductor manu facturi ng and other areas of space explorati on can see its shadow. Despite their morphology vary, but they all have one com mon characteristic, that is able to accept in struct ion, precisely positioned to carry out operations at a point three (or two-dimensional) space. Accor

4、ding 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 thr

5、ee 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

6、 Mechanical arm Axis linkage 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 國內外研究現(xiàn)狀 國際上對于機械臂的開發(fā)、 研制和應用已有近 50 年歷史，目前，以日、韓、 美、法、德等為

7、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 臂已成為一種標準設備在全球得到廣泛應用。 國外機械臂技術由于起步較早， 基 礎雄厚，技術先進，市場占有率高。同國外相比，中國的機械臂技術起步較晚， 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)機械臂已服務于國內諸多企業(yè)的生產(chǎn)線上， 一批機械臂技術 的研究人才也涌現(xiàn)出來， 一些相關科研機構和企業(yè)已掌握了機械臂的一些關鍵技 術，某些技術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。機械臂技術在

8、制造業(yè)應用范圍越來越廣，其標準化、模塊化、智能化和網(wǎng)絡 化的程度越來越高，功能也越來越強，正向著成套技術和裝備的方向發(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)動直角坐標系機械臂結構簡單、用途廣泛，市場份額最大，所 以對其技術的研究最具市場價值。 在機械制造行業(yè)中，對于機械臂技術研究的意義可概括如下， 一、在生產(chǎn)過程中，機械臂可應用于傳送材料，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

9、甚至人工根本不可能完成， 而通過機械臂的應用可以部分或全部 代替工人安全的完成作業(yè)，改善了勞動條件，在一些簡單、重復、笨重的操作 中，通過機械臂的應用，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 論文研究內容 第一章緒論簡單介紹研究背景，國內外研究現(xiàn)狀，研究的目的和意義。 第二章方案確定，提出兩種設計方案，最后選擇采用絲杠螺母副的直角坐標 系機械手臂。 第三章電機驅動設計，分析運動情況，選擇合適的伺服電機。 第

10、四章機械結構設計，對整個機械臂上選要安裝的零部件進行設計選型。 第五章基于CREO的設計與裝配，將所設計的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 方案的設想 面對機械臂的巨大的應用市場，開發(fā)一種結構簡單，可以滿足工業(yè)基本應用 機械臂有很大的市場前景，而且對于工業(yè)應用來說，三自由度直角坐標系機械手 臂應用最為廣泛。直角坐標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)中應用廣泛。故本文所設計的機械臂整體結構可以由三 個單軸機械臂組合而成，我們設想了兩種方案，兩種方案的基本結構形式相似， 主要區(qū)別在于機械臂的執(zhí)行元

11、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由度的直角坐標系機械臂， 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 角坐標系機械臂， 每個絲杠螺母副均由一個伺服電機驅動， 通過運動控制卡對伺 服電機轉速和轉角的控制，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

12、案，我們發(fā)現(xiàn)第二種的結構比較好。方案一使用氣缸雖 然執(zhí)行機構的結構會更緊湊，但是由于需要額外使用氣泵、閥門等關鍵零部件， 故造價高， 而且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 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 標系機械臂?？傮w方案確定之后，進行機構各部件的設計和選擇。 第3 章 電機驅動設計 由于本文所設計的機械臂采用三

13、個單軸機械臂組合安裝完成， 三個單軸機械 臂的結構類似，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 設計，本文中不做過多敘述。 3.1 電機驅動要求 （1）機械臂運動需要有較大的調速范圍，最好能夠實現(xiàn)無級變速。 （2）電機應該選用偏大的功率，雖然本文所設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 該采用稍微偏大功率的電機。 （3 ）電機驅動的動態(tài)響應性要好，電機的升降速時間要短，調速時需要 運轉平穩(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

14、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 本機械臂體積小，質量輕，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MSMD042G1 U型伺服電機，額定功率為0 .4KW, 額定轉速為3 0 0 0 r/mino 本章小結 通過對電機的選型，以及運動控制系統(tǒng)的設計，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)動的設計要求， 進而完成電氣部分 的設計。 第4章機械

15、結構設計 4.1單軸機械臂結構特點 單軸機械臂的運動在動作上除了由運動控制卡的控制外，在機械結構方面還 應具有響應速度快、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構特點進行討論： (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緊均可 以有效的提高傳動剛度。 (2) 咼諧振 為了提高機械臂的抗振性，其機

16、械構件應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)的固有頻率應為伺服驅動系統(tǒng)固有頻率的 2~3倍 (3) 低摩擦 機械臂的運動要求平穩(wěn)，能夠快速響應且定位準確，那么就需要減少運動件 所受的摩擦阻力，在機械臂中普遍采用特性優(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對指令快速響應的要求 。 (5) 無間隙 機械臂的進給系統(tǒng)存在反向運動死

17、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構措施， 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 滾珠絲杠特點 在單軸機械臂上，滾珠絲杠副將伺服電機的回轉運動轉換為直線運動， 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 n=0.92?0.98，整 個傳動副所需要的驅動力矩只有滑動絲杠的 1/3左右，摩擦發(fā)熱也得到大幅

18、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拉伸并預 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)爬行現(xiàn) 象，而且滾珠絲杠可以將回轉運動轉變?yōu)橹本€運動， 也可以將直線運動轉變?yōu)榛?轉運動，兩種運動方式均可以傳遞相應的動力 (4) 同步性能好 由于滾珠絲杠副能夠順滑運轉，軸向間隙可以消除以及制造的一致性， 當采 用多套滾珠絲杠副方案驅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，

19、材料的選擇以及滾道形狀的準確性等方面都 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) 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關鍵傳動元件， 在各種需要傳動 和定位的機構中應用廣泛，其對機構的影響也十分重要。同時，在實際應用中， 滾珠絲杠采用何種安裝方式，對整個機構的工作效果也會產(chǎn)生影響， 根據(jù)不同的 具體應用情況，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

20、之間應保證配合良好， 并且孔與端 面應該保證垂直度。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，如果絲桿較短，采用單支撐結構，如果絲桿較長， 則需采用雙支撐結構。 每種安裝方式(即支撐方式)有其各自的特點，當選取安裝方式時，在考慮 實際工作要求(如傳動速度、定位精度、扭矩和推理情況等)的前提下，也要結 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，另一種是螺母旋轉，兩大類 共包括五種典型的安裝方式，安

21、裝方式的不同會影響滾珠絲杠副所容許的回轉速 度以及所能夠承受軸向載荷。安裝方式應該根據(jù)工況適當選擇，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 絲杠旋轉類的每種安裝方式的穩(wěn)定性，f k數(shù)值越大則表示該安裝方式越穩(wěn)定， 對 于螺母旋轉類由于其受力模型不同， 校驗體系也不同，故不能模型化比較。所以 本文所設計的機械臂選用絲杠旋轉類。 423 絲杠旋轉類安裝形式 1. “固定一固定”型：fk=4 本安裝方式適用于高精度、高轉速的場合。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。 也可以是兩端的軸承 組承受

22、反向預緊拉伸力，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定目標行程的補償量， 從而進一步提高定位精度。“固定一固定”型也叫“雙推 一雙推”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 安裝方式機構較為復雜，調整也較為困難，因此僅在定位要求很高的場合時才采 用“固定一固定”型，其結構簡圖如下。 圖3 -1 “固定一固定”型 2. “固定一游動”型：fk =2 本安裝方式適用于高精度、中轉速的場合，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

23、度， 所承受的載荷只由一對 軸承副承擔，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) 生的應力，“固定一游動”型也叫做“雙推一支撐”型。此安裝方式結構簡單，應 用廣泛，效果良好。其結構簡圖如下。 圖3 -2 “固定一游動”型 3. “支承一支承”型：fk =1 本安裝方式適用于中精度、中轉速的場合，該方式兩端分別裝一個軸承，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。此安裝方式形式結構 簡單，受力情況較差，應用較少。其結構簡圖如下。 bt Li J? 圖3 -3 “支承一支

24、承”型 4. “固定一自由”型：fk =0.25 本安裝方式適用于中精度、低轉速的場合。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（以及絲杠回轉時的離心力）所造成的彎矩。 固定一自由”型有時也叫做“雙推一自由”型，此安裝方式結構簡單，雖然受力 情況差，但在低轉速、小行程的場合也經(jīng)常使用。其結構簡圖如下。 ■一…區(qū)一 L4 圖4-4 “固定一自由”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， 本文所設計的 機械臂選擇的安裝方式是： 固定一游動”型安裝方式，其所允許的轉速以及

25、達到 的精度符合我們的設計要求。 4.3 X方向進給系統(tǒng)設計 基本導程 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i 1，工作臺的運動速度需要達到Vmax 12m/ min，伺服電機的額定轉速 為n 3000r / min，那么絲杠的轉速也取3 0 0 0 r/mi n，則可求得絲杠 的基本導程 Ph 1000Vmax 1000 12 3000 4mm 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Fq，然后根據(jù)Fq值選擇絲杠副 型號 Fq 3 Lf W hFmax (4-1) 式中L ——

26、滾珠絲杠壽命系數(shù)（單位106轉），普通機械為5000~10000、數(shù) 控機床及其他機電一體化設備及儀器裝置為 15000，航空機械為1000 ,取 L 8000。 fw――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fw 1.0 0 f h ――硬度系數(shù)（HRC 58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f h 1.0。 Fmax――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 Fmax 50N 則可由公式（4-1）求得軸

27、向最大動載荷 Fq 3 8000 1.0 1.0 50 1000N 初步選用SFU01604 —4型滾珠絲杠，其主要參數(shù)為：基本導程t 4mm 鋼球直徑Da 2.381mm;絲杠內徑d2 13.96mm ；外徑d1 16mm，額定動負載 Ca 2406N，螺母外徑D 28mm，螺母長度L 40mm 2. 壓桿穩(wěn)定性核算 Fk fk2EI/（K「） （ 4-2） 式中Fk ――實際承受載荷的能力，N ; fk ――壓桿穩(wěn)定的支撐系數(shù)（雙推一雙推式為4，單推——單推式為1,雙推 —— 簡直式為2，雙推 自由式為0.25），取f k 2 ； E――鋼的彈性模量，取E 2.1 105

28、MPa； I——滾珠絲杠底徑d2的抗彎截面慣性矩，I d24 / 64 ； K――壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.5~4 ,取K 3 ； ls 絲杠的工作長度，取Is 550mm 計算I d24 / 64 1863.34，代入式4-2中得 Fk fk 2EI / (Kls2) 8511.27 N Fmax， 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 轉而影響絲杠導程的變化，從而影響傳動精度及定位精度，故應驗算滿載時的變 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 每一導程的變形量 L（cm

29、）為： FmaxPh EA TR2 21e （只考慮拉伸時） 式中Fmax——工作負載，F(xiàn)max 50N ； Ph 基本導程，F(xiàn)h 4mm E――鋼的彈性模量，E 2.1 105MPa； A 絲杠的最小橫截面積，cm2， A d22 / 4，則A 1.53cm2 T——扭矩，N cm，T 字邑； 為絲杠的傳動效率，取 0.95，則 T 3.35 Ngpm I――絲杠底徑d2的抗彎截面慣性矩，I d24 / 64 1863.34 代入以上數(shù)據(jù)，可得 L 6.22 10 6cm 則每一米彈性變形所允許的基本導程誤差值為 =1000 4 L 15.55 m/m,

30、而此絲杠精度標準中，允許誤差為=32 m/m,故該滾珠絲杠滿足剛度要求。 支撐軸承選型 由于滾珠絲杠會受到一定的軸向力，所以支撐軸承應該選用角接觸球軸承， 本文所設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 丫、Z方向進給系統(tǒng)設計 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 丫、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，額定轉速相同，但比 X向功率低的型號。對于有裝配調整的零件，需要 另行設計來滿足裝配

31、要求。 對于丫、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，但對于有裝配調整的零件還需另行設計以滿足要求。 4.5導軌的選型計算 導軌的形式及選擇 導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。 常用的導軌副種類很多， 按其接觸面的摩擦性質可以 分為滾動導軌、滑動導軌、流體介質摩擦導軌等。下面著重介紹三種。 1. 直線滾動導軌 滾動導軌作為滾動摩擦副

32、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 生產(chǎn)，可以外購選用。但也存在一些缺點：導軌面與滾動體是點接觸或線接觸， 所以抗振性差。 接觸應力大； 對導軌的表面硬度、 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；結構復雜，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. 液體靜壓導軌 由于液體靜壓導軌的工作面完全處于純液體的摩擦下， 因此工作時的

33、摩擦系 數(shù)非常低，約為 f 0.0005；速度與負載不會限制導軌的運動， 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，導軌的溫升也小。但是液體靜壓導軌也有 缺點，由于液體靜壓導軌安裝了一套液壓系統(tǒng)；所以其結構復雜，成本高；油膜 的厚度也很難保持一個恒定值。在一些大、重型設備上多使用液體靜壓導軌。 3. 滑動導軌 滑動導軌結構簡單、制造方便、剛度好且抗振性高，常見的導軌截面形狀， 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 滑動導軌又有不同的特點， 每一種截面形狀又分為凸形和凹形兩

34、類。 凸形導軌不 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軌。 根據(jù)機械臂的結構和設計要求， X 向單軸機械臂選擇直線滾動導軌， Y 向和 Z 向單軸機械臂選擇燕尾形滑動導軌。 載荷計算 1. 計算載荷 直線滾動導軌副可以承受上下、 左右四方向的力，還可以承受左右扭轉、前 后翻轉和平面扭轉三種扭矩。在選用時，需要對其受力狀態(tài)（包括水平、豎直、 側臥等），以及受力結構（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向系統(tǒng)所產(chǎn)生 的影響進行評估

35、。 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 照理論力學常規(guī)計算），通常根據(jù)載荷在行程內的變化分段核算，若某個滑座在 總行程L（mm ）內的匚丄2, Ln（mm）段內所受的載荷分別為巳（KN） 則計算載荷Pc為 RC 益 Pn3Ln）/L 對于載荷呈線性變化的情況，Pc可簡化成 (Pmin 2 Pmax)/ 3 對于載荷呈全波正弦曲線變化的情況， Pc可簡化成 Pc 0.65Pmax 對于載荷呈半波正弦曲線變化的情況， 巳可簡化成 Pc 0.75Pmax 對于同時承受扭矩M（Nm）負載的情況, Pc Po Co M /M

36、t 式中 Po——載荷合力，N ; Co ――滑座的額定靜載荷，N ； M t 對應方向的額定扭矩， N m。 由于本機械臂的設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 Pc （Pmin 2Pmax）/3，Pmin Pmax 1000N， P 1000N 選擇GGB16BA型直線滾動導軌，P 6.07 KN，長度520mm，導軌副尺 寸 H 24mm W 15.5mm 滑塊尺寸 B1 47mm，B? 4.5 mm，氏 38mm K 19.4mm T 7mm T 11mm，L 58mm, L, 40.5mm。 2.計算額定壽命 對于

37、滾珠直線導軌副，其壽命衡量標準為：在允許的工作環(huán)境內，使其所承受的 負載等于額定動載荷C（ KN），連續(xù)導向行程達到50 KM （基準行程壽命）時 有95%（基準可靠度）不產(chǎn)生材料疲勞破壞。滾珠直線導軌副的額定行程壽命 L 為: K(H fa 式中：L——額定壽命（km ） Ca ――額定動載荷(KN ), Ca 6.07 KN ; P――當量動載荷（kN ）; P 1KN ――指數(shù)，當滾動體為滾珠時， 3 ;當為滾柱時， 10/ 3 ; K――額定壽命單位（km ），滾珠時，K 50km ;滾柱時，K 100km; fh ――硬度系數(shù)；HRC58為基準硬度，低于HRC58時

38、額定動載荷銳減 通常滾珠直線導軌副的硬度為 HRC58，故取fh 1。 ft——溫度系數(shù)，取ft 1.0，見表4-1 : 表4-1 工作溫度 >150 ? >200 ? <100 >10 ?150 (C) 200 250 ft 1.00 0.90 0.73 0.60 fc ――接觸系數(shù)，取fc 0.66 ，見表4-2 : 表4-2 每根導軌上的滑座 1 2 3 4 5 個數(shù) 1 0 0 0 0 ft

39、 .00 .81 .72 .66 .61 a ――精度系數(shù)，取fa 1.0，見表4-3 : 精度 等級 2 3 4 5 fa 1 1 0 .0 .0 .9 .9 0 表4-3 1.0，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 fw 1.0 ?1.5 1.5 ?2.0 2.0 ?3.5 載荷系數(shù)，取fw 代入以上數(shù)據(jù)，由公式得 5QLJ12 066 1.0 1.0

40、 當行程的長度已定時，滾珠直線導軌副的額定壽命為 Lh L 2 60 In 103 8.3| 式中：Lh 壽命時間（h）； L 額定壽命（km）, L 321fkm； I――行程長度（m），I 0.52m； n――每分鐘往返次數(shù)，取n 2 ； 3215 代入以上數(shù)據(jù)，得Ln 8.3 冷一- 25658h 0.52 2 4.5.3 安裝注意事項 1. 導軌在螺釘緊固狀態(tài)下進行線性檢測和調整，使導軌呈直線狀態(tài)； 2. 兩根或兩根以上平行使用時需檢測和調整平行度和等高； 3. 接長導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 導軌； 4. 保證

41、充分的潤滑，在高速（羽5m/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。 本章小結 根據(jù)設計要求對典型零部件進行了設計， 在考慮工況的同時， 對所設計零部 件的壽命以及可靠性進行驗算， 配合伺服電機、運動控制卡完成預期的運動要求。 第五章 基于 Creo 設計與裝配 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、 CoCreate 的直接建模技術和 Product

42、view的三維可視化技術的新型CAD設計軟件包，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設計軟件包，針對不同的任務應用將采用更為簡單化子應用的 方式，所有子應用采用統(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。 PTC* 仃巴 parametric ― ? ■ B=TJ ■■- ' ■'J ■- r. r-1 ■> 斗、 l&vb MljriMU- — ■.-J—' 圖5-1 Creo初始界面 5.2殼體的建模 殼

43、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 設計應該注意零件安裝位置的設定，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。 局益-ftBf鍛將壬吿卓*兄 靈F屆「口歸囤口呂占?專 xlr. -lr. _Tr. -XJ \J 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 mmn s_part_solid ，即為實體模型設計，選擇確定。 圖5-3 “新文件選項

44、”對話框 然后進入建模主界面，主界面設計采用瀑布式菜單。非常明朗， （如圖5-4 所示）o ■ n曲也 O B .g V 旺Tl WHQItM - Cno PdbMhWX. 3.0 霽折 a? 工鼻 事音?：》 習國Uh $ r.irn「 』用円申期F 口 % L￡fL : / w-e * iES ' ifl倉躺 | 喘 inrui ? ■' ■ i j-j ] ?昇爭■■ H.?l 廠"WK 9!推 電.?* . 2 St ? m# NTS；亡囂Hi 辭2

45、 ? A4 ? 誹* 1H - ■ !i I h i |gg Ml 誕IB * 存社.回 □IKETLW^T + EUiA IT -袖. 圖5-4建模主界面 殼體設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o 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 80

46、0mm，其他 按鈕狀態(tài)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，來減輕質量并提高強度。在上 步驟所繪制實體的基礎上，選擇拉伸選項，選擇一側端面作為基準平面，草繪視 圖。如圖5-8所示 圖5-8以端面為基準草繪截面 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，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

47、擊完成陣列步驟，將陣列內容選住，點擊鏡像按鈕，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 在機械設計手冊中，絲杠屬于非標件，但國內外絲杠生產(chǎn)的大型企業(yè)已經(jīng)具 有了本企業(yè)的一套標準，本文所繪制的絲杠并不能完全符合企業(yè)的標準規(guī)范， 只 是在整體構造

48、上與實際絲杠并無區(qū)別，絲杠主要通過一次拉伸和一次螺旋掃描完 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，在旋轉軸一欄點擊拾取圓柱中軸為旋轉軸，在截面方向設置 上選擇穿過旋轉軸，完成螺旋掃描參考選項設置。如圖 5-13所示。 堰施掃捆輪廊 衛(wèi)1部輪廓裁面 輪廉起宜 反向 內部CL 截面方向

49、?穿過儘按軸 O垂直于軌跡 圖5-13 螺旋掃描參考選項設置 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，在間距框內輸入間距值 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，子類型為設計，并輸入裝配體名稱為Xxiang， 取消勾選使

50、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 mmn s_asm_desig n ，即為裝配體設計，選擇確定。 WiE I L申涓」 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部結構 圖。 圖5-17 X向單軸機械臂內部結構圖 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

51、 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 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構如圖 5-19 所示。 圖5-19三軸聯(lián)動機械手臂三維模型 本章小結 根據(jù)設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 過程中由于設計時未進行細致的零件位置布局， 導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整繪制，最終合理的完成三維 建模部分。 結論 三軸聯(lián)動機械手臂在工業(yè)自動化的應用越來越廣泛， 包括抓取、搬運、攝像

52、、 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。 本設計通過對機械臂的整體機械結構以及基本運動控制系統(tǒng)的設計， 完成了 整個計算設計并且對其進行了基于 Creo的建模。 整體設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計方案進行比較，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)進行了簡單設計，包括運 動控制卡以及運動程序設計。 3、 對機械結構進行詳細設計，包括絲杠、導軌、軸承等零部件，并對 其剛度、壽命以及可靠性等進行驗算。 4、 對整體機構進行三維建模，驗證設

53、計思路，并對后期的制作、加工 等提供技術參考。 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速、 轉角等方面達到控制， 實現(xiàn)三 軸聯(lián)動。 附錄一 A Heavy Duty Servo Motor Design in Robot Applications Chi-Sheng Chen 2 , Ton-Tai Pan 1, 2 , Huihua Kenny Chiang 1 , Ping-Lin Fan 2 Joe-Air Jiang 3 1. Institute of Biomedical Engineerin

54、g, National Yang-Ming University, Taipei, Taiwan 2. Department of Electrical Engineering, Kuang-Wu Institute of Technology, Taipei, T aiwan 3. Department of Bio-industrial Mechatronics Engineering, National Taiwan University, Taipei, Taiwan Abstract This paper presents a design procedure of a hea

55、vy-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 l

56、ess 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. I

57、n 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 t

58、o 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. Introduction In robot control applications, de

59、signers 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

60、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 an

61、d 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 deg

62、rees. A robot joi nt drive n 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 torqu

63、e 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

64、robot designer for practical usage. In this paper, we present a high torque servomotor controlled with a PWM sig nal so as to be used in a high load or an adverse circumsta nces. Fig.1 System con figurati on of a heavy-duty servomotor. II. Design Scheme The system con figurati on of the hea

65、vy-duty servomotor is illustrated in Fig. 1. A carb on-brush DC gear motor is used as the con trolled motor. For the purpose of in creas ing 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 potenti

66、ometer was attached on output shaft of the gearbox as a position feedback sensor. As the DC motor rotates, the resista nee of the pote ntiometer varies accord in gly to a value corresp onding to the shaft positi on of the motor assembly. For the compatibility with an R/C servo-motor that is con trolled with PWM sig nal, the shaft positi on of the proposed heavy-duty servomotor is also con trolled by a PWM sig nal in this desig n. The con troller is a dedicated circuit for gen erat ing a proper