多关节SCARA四轴机器人底座设计

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《机械综合应用设计》课程设计说明书

刷放电对实际工作有影响。 结构简单，运行可靠，使用维修方便，价格较昂贵。调速性能好，响应速度快。增量式交流伺服电机 各类数字和运动控制系统。 码盘的反馈可达到很高的精度。可以实现很大的启动功率，提供很高的响应速度。 具有较大的功率体积比，运动平稳，定位精度高，负载能力大，能够抓住重负载而不产液压伺服马达 大功率机械装备。 生滑动。但是，定位精度低，其费用较高，其液压系统经常出现漏油现象。 参考本课题技术要求和设计用途主要是装配作业，机器人负载不大，要求整机重量轻，且作业范围不大，要求机器人体积小的特点，本设计中机器人四个关节均选用交流伺服电机驱动。

2.2.3 减速器类型的比较

在减速器选用方面，目前机器人的传动系统中主要采用减速器或谐波减速器。 减速器是近几年发展起来的以两级减速和中心圆盘支撑为主的全封闭式摆线针轮减速器，与其它减速方式相比，减速器具有减速比大、同轴线传动、传动精度高、刚度大、结构紧凑等优点，适用于重载、高速和高精度场合。

谐波减速器也具有传动比大，承载能力大，传动精度高，传动平稳，传动效率高，结构简单、体积小，重量轻等优点，而且相对于减速器，其制造成本要低很多，所以本设计中采用谐波减速机。

2.3 机械传动方案的确定

由于主轴处于机器人小臂末端，相对线速度大，对重量与惯量特别敏感，所以传动方式要求同时实现轴方向直线运动和绕轴的回转运动，并要求其结构紧凑、重量轻。因此，三四关节的传动设计需重点考虑，根据以上方案初选，结合本项目特点，最终选择同步齿形带联合滚珠丝杠以实现轴垂直运动，而用同步齿形带联合带键的滑动轴套来实现轴旋转运动。

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各关节的传动方案最终确定如下：

1轴（大臂回转）：伺服电机1--谐波减速器--大臂。 2轴（小臂回转）：伺服电机1--谐波减速器--小臂。

3轴（主轴垂直直线运动）：伺服电机3--同步齿形带--丝杠螺母--主轴。 4轴（主轴旋转）：伺服电机4--同步齿形带--滚珠丝杆花键--主轴。

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第3章 结构设计与计算

3.1 大臂关键零部件的计算

设定各部分的质量：机座m?10kg，大臂质量m1?7kg，小臂质量m2?5kg，手腕质量m3?3kg。工作载荷??4=5????。

假设机器人大小臂及手腕相对于各自重心的转动惯量分别是??01、??02、??03，由平行轴定理求得机座旋转轴的转动惯量为：

（3-1）

式中：??1、??2、??3为大臂、小臂、手腕的估计质量；

??1、??2、??3分别为各重心到关节1的距离，分别取为180mm，450mm，550mm。

、

效转动惯量为：

（3-2）

由式（3-2）计算得到轴的等效转动惯量是

、

，故

、

、

这里忽略不计，所以轴的等

J1?2.15Kg?m2

机器人大臂从?0?0到?1?540?/s，所需时间?t?1s，启动转矩为

（3-3）

由式（3-3）计算可得T1?20.3N?m,考虑摩擦力矩

、

、

，假设

T1?24N?m （3-4）

取电机的转速为n电机=3000 r/min，大臂旋转速度为1m/s。 大臂旋转转速为

n?60v60*1?r/min?27.3r/min （3-5） 2?r2*?*0.35

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取n=25r/min,则传动比为:

i=n电机/n=3000/25=120 （3-6）

假设谐波减速器的传动效率为90%，取安全系数为1.5，故电机输出端的负载力矩为

Tout1?谐波减速器的最小输出转矩为

T1*1.524*1.5??0.33N?m （3-7） i*?120*0.9Tmin1?1.5T1?36N?m （3-8）

3.1.1 驱动电机的计算和选择

可选得大臂伺服电机型号为TS4609N7190，表3.1是该伺服电机的参数：

表3.1 大臂伺服电机性能参数

带刹车，伺服驱动器型号：QX04NH/QX04NP 额定额定法兰规格 额定功率 转矩 流 线电转速 压 额定线电转子惯量 轴径 机身长 额定mm 60 kW 0.4 N?m 1.27 r/minA 3000 V 200 kg?m2*10?4 mm 0.44 14 mm 132.7 3.3 3.1.2 谐波减速器的计算和选择

可选得谐波减速器型号是CSF-20-120-2UH-LW，表3.1是该谐波减速器的参数：

表3.2 CSF-20型号性能参数

最高输入转速2000r/min输入启停的峰平均负载转矩瞬间容许（润滑脂润减速比 时的瞬时转矩 值转矩 的最大容许值 最大转矩 滑） N?m 120 40 N?m 87

N?m 49 N?m 147 r/min 6500