三軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械臂伺服運(yùn)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

三軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械臂伺服運(yùn)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （摘要）機(jī)械手臂是目前在機(jī)械人技術(shù)領(lǐng)域中得到最廣泛實(shí)際應(yīng)用的自動(dòng)化機(jī)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(gè)共同的特點(diǎn)，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(diǎn)進(jìn)行作業(yè)。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，機(jī)械手臂可分為多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂，直角坐標(biāo)系機(jī)械手臂、球坐標(biāo)系機(jī)械手臂，極坐標(biāo)機(jī)械手臂，柱坐標(biāo)機(jī)械手臂等。本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械手臂為直角坐標(biāo)系機(jī)械手臂，其由三個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過運(yùn)動(dòng)控制卡實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，可以實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)，分別為 X移動(dòng)，Y移動(dòng)，Z移動(dòng)。手臂的運(yùn)動(dòng)由三個(gè)絲杠螺母副完成，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，螺母副移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。 關(guān)鍵詞 機(jī)械手臂 三軸聯(lián)動(dòng) 三個(gè)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章緒論11.1 研究背景隨著科技的發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化程度不斷提高，機(jī)械臂廣泛用于各種制造行業(yè)中，但對(duì)于機(jī)械臂在工業(yè)的應(yīng)用來說，大部分時(shí)候并不需要機(jī)械臂具有六個(gè)自由度，其中的一個(gè)或幾個(gè)即可滿足工業(yè)需求，由于三軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械臂具有三個(gè)自由度，基本上可以滿足制造行業(yè)中以空間任意一點(diǎn)為目標(biāo)位置的運(yùn)動(dòng)要求，故三軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械臂在工業(yè)自動(dòng)化上的運(yùn)用最為廣泛。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國際上對(duì)于機(jī)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(jī)械臂產(chǎn)業(yè)日趨成熟和完善，其所生產(chǎn)的機(jī)械臂已成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備在全球得到廣泛應(yīng)用。國外機(jī)械臂技術(shù)由于起步較早，基礎(chǔ)雄厚，技術(shù)先進(jìn)，市場(chǎng)占有率高。同國外相比，中國的機(jī)械臂技術(shù)起步較晚，經(jīng)過“七五”、“八五”、“九五”三個(gè)階段，中國機(jī)械臂從無到有，從小到大，發(fā)展迅速，一批國產(chǎn)機(jī)械臂已服務(wù)于國內(nèi)諸多企業(yè)的生產(chǎn)線上，一批機(jī)械臂技術(shù)的研究人才也涌現(xiàn)出來，一些相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)已掌握了機(jī)械臂的一些關(guān)鍵技術(shù)，某些技術(shù)已達(dá)到了或接近國際先進(jìn)水平，中國機(jī)械臂在世界機(jī)械臂領(lǐng)域已占有一席之地，而且中國是一個(gè)巨大的機(jī)械臂消費(fèi)市場(chǎng)，行業(yè)市場(chǎng)也處于發(fā)展壯大中。機(jī)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(qiáng)，正向著成套技術(shù)和裝備的方向發(fā)展。1.3 研究目的和意義面對(duì)工業(yè)4.0時(shí)代機(jī)械臂的巨大市場(chǎng)，機(jī)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(dòng)直角坐標(biāo)系機(jī)械臂結(jié)構(gòu)簡單、用途廣泛，市場(chǎng)份額最大，所以對(duì)其技術(shù)的研究最具市場(chǎng)價(jià)值。在機(jī)械制造行業(yè)中，對(duì)于機(jī)械臂技術(shù)研究的意義可概括如下，一、在生產(chǎn)過程中，機(jī)械臂可應(yīng)用于傳送材料，裝卸工件，更換刀具以及裝配機(jī)器，可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化程度，降低勞動(dòng)強(qiáng)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(chǎng)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(jī)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(dòng)條件，在一些簡單、重復(fù)、笨重的操作中，通過機(jī)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(jī)械臂的應(yīng)用，首先可以直接減少人力，而且由于機(jī)械臂可以連續(xù)工作，使得生產(chǎn)工作有節(jié)奏的進(jìn)行。綜上所述，加速開發(fā)和應(yīng)用機(jī)械臂，是機(jī)械工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。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(jì)方案，最后選擇采用絲杠螺母副的直角坐標(biāo)系機(jī)械手臂。第三章電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，分析運(yùn)動(dòng)情況，選擇合適的伺服電機(jī)。第四章機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)整個(gè)機(jī)械臂上選要安裝的零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。第五章基于CREO的設(shè)計(jì)與裝配，將所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂的零部件采用CREO繪制，并將所繪制的零部件進(jìn)行模擬裝配第2章方案確定2.1方案的設(shè)想面對(duì)機(jī)械臂的巨大的應(yīng)用市場(chǎng)，開發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡單，可以滿足工業(yè)基本應(yīng)用機(jī)械臂有很大的市場(chǎng)前景，而且對(duì)于工業(yè)應(yīng)用來說，三自由度直角坐標(biāo)系機(jī)械手臂應(yīng)用最為廣泛。直角坐標(biāo)系機(jī)械手臂可以由單軸機(jī)械手臂組合而成。單軸機(jī)械手臂作為一個(gè)組件在工業(yè)中應(yīng)用廣泛。故本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂整體結(jié)構(gòu)可以由三個(gè)單軸機(jī)械臂組合而成，我們?cè)O(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(jī)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(gè)單軸機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)由一個(gè)氣缸完成，通過三個(gè)氣缸的組裝，組裝成一個(gè)具有三個(gè)自由度的直角坐標(biāo)系機(jī)械臂，三個(gè)氣缸可以由一個(gè)氣泵供氣，每個(gè)氣缸都裝有一個(gè)閥門，閥門由伺服電機(jī)控制氣缸的進(jìn)氣速度和進(jìn)氣量，三個(gè)伺服電機(jī)可以通過運(yùn)動(dòng)控制卡來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。方案二：此方案的執(zhí)行元件為絲杠螺母副，每個(gè)單軸機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)由一個(gè)絲杠螺母副完成，通過對(duì)三個(gè)絲杠螺母副的組裝，組裝成一個(gè)具有三個(gè)自由度的直角坐標(biāo)系機(jī)械臂，每個(gè)絲杠螺母副均由一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過運(yùn)動(dòng)控制卡對(duì)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角的控制，實(shí)現(xiàn)最終的運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)會(huì)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(jià)高，而且氣缸不適合承受較大徑向力的場(chǎng)合，氣缸進(jìn)出氣較難控制，且運(yùn)動(dòng)精度低。相比方案一，方案二的單軸機(jī)械臂雖然體積稍大，但造價(jià)有大幅降低，運(yùn)動(dòng)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(duì)兩種方案的比較和分析，綜合市場(chǎng)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(jī)械臂來組裝成具有三個(gè)自由度的直角坐標(biāo)系機(jī)械臂。總體方案確定之后，進(jìn)行機(jī)構(gòu)各部件的設(shè)計(jì)和選擇。第3章 電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)由于本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂采用三個(gè)單軸機(jī)械臂組合安裝完成，三個(gè)單軸機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)類似，本文中只對(duì)X向的單軸機(jī)械臂進(jìn)行計(jì)算選型，其余兩個(gè)進(jìn)行類比設(shè)計(jì)，本文中不做過多敘述。3.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)要求（1）機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)需要有較大的調(diào)速范圍，最好能夠?qū)崿F(xiàn)無級(jí)變速。（2）電機(jī)應(yīng)該選用偏大的功率，雖然本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂目的是安裝攝像頭進(jìn)行掃描攝像，不需要高功率電機(jī)，但為了保證機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的可靠性，應(yīng)該采用稍微偏大功率的電機(jī)。（3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性要好，電機(jī)的升降速時(shí)間要短，調(diào)速時(shí)需要運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，換向可以進(jìn)行自動(dòng)加減速控制。（4）機(jī)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(dòng)鏈要短。3.2 電機(jī)選型由于本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂尾端只需要安裝一個(gè)攝像頭進(jìn)行掃描攝像，而且本機(jī)械臂體積小，質(zhì)量輕，所需要的電機(jī)功率不必要太大，但為了保證運(yùn)動(dòng)的可靠性，適當(dāng)選取偏大功率的電機(jī)即可，向單軸機(jī)械臂所選取的電機(jī)為松下公司所生產(chǎn)的的型伺服電機(jī)，額定功率為，額定轉(zhuǎn)速為。本章小結(jié)通過對(duì)電機(jī)的選型，以及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過運(yùn)動(dòng)卡同時(shí)控制三個(gè)伺服電機(jī)驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是否滿足三軸聯(lián)動(dòng)的設(shè)計(jì)要求，進(jìn)而完成電氣部分的設(shè)計(jì)。第4章機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1單軸機(jī)械臂結(jié)構(gòu)特點(diǎn)單軸機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)在動(dòng)作上除了由運(yùn)動(dòng)控制卡的控制外，在機(jī)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(diǎn)（有引用）下面主要對(duì)單軸機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行討論：（1）傳動(dòng)剛度高本文所研究的單軸機(jī)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(gè)機(jī)械臂的傳動(dòng)剛度。如果剛度不足，加上摩擦阻力的作用，會(huì)導(dǎo)致機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生爬行現(xiàn)象或反向死區(qū)，傳動(dòng)的準(zhǔn)確性會(huì)受到影響。通過合理的選擇絲桿尺寸，縮短傳動(dòng)鏈、對(duì)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(dòng)剛度。(2) 高諧振為了提高機(jī)械臂的抗振性，其機(jī)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(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率應(yīng)為伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)固有頻率的23倍（3）低摩擦機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)件所受的摩擦阻力，在機(jī)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(jī)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(jī)械臂的傳動(dòng)裝置慣量太大，會(huì)使負(fù)載增大并會(huì)降低傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。因此在強(qiáng)度與剛度足夠的前提下，應(yīng)該盡可能使各傳動(dòng)元件的體積變小，同時(shí)減少各運(yùn)動(dòng)部件的重量，從而達(dá)到運(yùn)動(dòng)部件能夠?qū)χ噶羁焖夙憫?yīng)的要求 。（5）無間隙機(jī)械臂的進(jìn)給系統(tǒng)存在反向運(yùn)動(dòng)死區(qū)的另一個(gè)主要因素是機(jī)械間隙，因此對(duì)于傳動(dòng)鏈的各個(gè)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(diǎn)在單軸機(jī)械臂上，滾珠絲杠副將伺服電機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，滾珠絲杠螺母副的特點(diǎn)是：（1）傳動(dòng)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(dòng)傳遞力和運(yùn)動(dòng)取代了絲杠和螺母直接作用的方式，即以極小的滾動(dòng)摩擦取代傳統(tǒng)絲杠的滑動(dòng)摩擦，使得傳動(dòng)效率提高，一般為=0.920.98，整個(gè)傳動(dòng)副所需要的驅(qū)動(dòng)力矩只有滑動(dòng)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(duì)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(dòng)可逆性滾珠絲杠副相比于滑動(dòng)絲杠沒有粘滯摩擦，故在傳動(dòng)過程中不會(huì)出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，而且滾珠絲杠可以將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，也可以將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，兩種運(yùn)動(dòng)方式均可以傳遞相應(yīng)的動(dòng)力（4）同步性能好 由于滾珠絲杠副能夠順滑運(yùn)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(dòng)多個(gè)相同部件或統(tǒng)一裝置時(shí)，均可以很好地進(jìn)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(yán)格控制，從而使得滾珠絲杠副的實(shí)際壽命遠(yuǎn)相比于滑動(dòng)絲杠高很多。但是滾珠絲杠副也存在一些缺點(diǎn)，如制造成本高，不能自鎖，垂直安裝時(shí)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(dòng)作為傳動(dòng)方式的關(guān)鍵傳動(dòng)元件，在各種需要傳動(dòng)和定位的機(jī)構(gòu)中應(yīng)用廣泛，其對(duì)機(jī)構(gòu)的影響也十分重要。同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，滾珠絲杠采用何種安裝方式，對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)的工作效果也會(huì)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(shí)，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(shí)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(diǎn)，當(dāng)選取安裝方式時(shí)，在考慮實(shí)際工作要求（如傳動(dòng)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(hào)規(guī)格，只有兩個(gè)因素綜合考慮，才能實(shí)現(xiàn)理想的工作狀況。由文獻(xiàn)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(huì)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(huì)詳細(xì)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(duì)于螺母旋轉(zhuǎn)類由于其受力模型不同，校驗(yàn)體系也不同，故不能模型化比較。所以本文所設(shè)計(jì)的機(jī)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(chǎng)合。該方式兩端分別裝有一對(duì)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(dòng)剛度。在一些定位要求較高的場(chǎng)合，甚至可以通過受力情況和絲杠運(yùn)動(dòng)發(fā)熱變形趨勢(shì)來精確設(shè)定目標(biāo)行程的補(bǔ)償量，從而進(jìn)一步提高定位精度?！肮潭ü潭ā毙鸵步小半p推雙推” 型。在實(shí)際情況中，由于徑向力的存在，所以幾乎不能用兩個(gè)推力軸承來作為固定端。而且此安裝方式機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，調(diào)整也較為困難，因此僅在定位要求很高的場(chǎng)合時(shí)才采用“固定固定”型，其結(jié)構(gòu)簡圖如下。圖-1 “固定固定”型2. “固定游動(dòng)”型：fk =2本安裝方式適用于高精度、中轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合，該方式一端由一對(duì)軸承約束徑向和軸向自由度，而另一端由一個(gè)軸承來約束徑向自由度，所承受的載荷只由一對(duì)軸承副承擔(dān)，而游動(dòng)的單個(gè)軸承用來防止懸臂撓度，并且能夠消除由運(yùn)動(dòng)發(fā)熱產(chǎn)生的應(yīng)力，“固定游動(dòng)”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-2 “固定游動(dòng)”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(chǎng)合，該方式兩端分別裝一個(gè)軸承，分別承受單方向的軸向力和徑向力，兩個(gè)軸承分別單獨(dú)承擔(dān)某一方向的力。由于其力的支撐點(diǎn)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 “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(chǎng)合。該方式一端裝有一對(duì)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(duì)軸承副承擔(dān)所有載荷，并且需要克服絲杠水平安裝時(shí)的重力（以及絲杠回轉(zhuǎn)時(shí)的離心力）所造成的彎矩。“固定自由”型有時(shí)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(chǎng)合也經(jīng)常使用。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(shí)的方便程度及其對(duì)精度的影響，本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂選擇的安裝方式是：“固定游動(dòng)”型安裝方式，其所允許的轉(zhuǎn)速以及達(dá)到的精度符合我們的設(shè)計(jì)要求。4.3 X方向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.3.1 基本導(dǎo)程在X向進(jìn)給系統(tǒng)的單軸機(jī)械臂中，絲杠與伺服電機(jī)直接通過聯(lián)軸器鏈接，傳動(dòng)比為，工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度需要達(dá)到，伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為，那么絲杠的轉(zhuǎn)速也取，則可求得絲杠的基本導(dǎo)程4.3.2 滾珠絲杠的選擇計(jì)算1承載能力選擇. 計(jì)算作用于絲杠軸向最大動(dòng)載荷，然后根據(jù)值選擇絲杠副型號(hào)。 (4-1)式中滾珠絲杠壽命系數(shù)（單位106轉(zhuǎn)），普通機(jī)械為500010000、數(shù)控機(jī)床及其他機(jī)電一體化設(shè)備及儀器裝置為15000，航空機(jī)械為1000，取。載荷系數(shù)（平穩(wěn)或輕度沖擊時(shí)為1.01.2，中等沖擊時(shí)為1.21.5，較大沖擊或振動(dòng)是為1.52.5）；取。硬度系數(shù)（時(shí)為1.0，等于55時(shí)為1.11，等于52.5時(shí)為1.35，等于50時(shí)為1.56，等于45時(shí)為2.40）；取。最大工作載荷，由于此機(jī)械臂的所承受的載荷即克服自重而運(yùn)動(dòng)，取則可由公式(4-1)求得軸向最大動(dòng)載荷初步選用SFU016044型滾珠絲杠，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(dòng)負(fù)載，螺母外徑，螺母長度。2.壓桿穩(wěn)定性核算 （4-2）式中實(shí)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），?。籈鋼的彈性模量，??；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2.54，?。唤z杠的工作長度，取計(jì)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(yàn)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，從而影響傳動(dòng)精度及定位精度，故應(yīng)驗(yàn)算滿載時(shí)的變形量。其驗(yàn)算公式如下：滾珠絲杠在工作負(fù)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(shí)）式中工作負(fù)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(dòng)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(huì)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，本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂選用的角接觸球軸承為7032C，在市場(chǎng)上較為常見，價(jià)格低廉，購買方便。4.4 Y、Z方向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)于、方向單軸機(jī)械臂，相比于方向單軸機(jī)械臂來說，其移動(dòng)部件的重量和所受的力都比方向的小，所以在Y、Z方向上，可以選取與X向相同的絲杠和支撐軸承，但在伺服電機(jī)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(hào)。對(duì)于有裝配調(diào)整的零件，需要另行設(shè)計(jì)來滿足裝配要求。對(duì)于Y、Z方向的進(jìn)給，因移動(dòng)部件的重量和所受的力都比X方向的小，為了減少設(shè)計(jì)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(jī)和軸承及其他零件，但對(duì)于有裝配調(diào)整的零件還需另行設(shè)計(jì)以滿足要求。4.5 導(dǎo)軌的選型計(jì)算4.5.1 導(dǎo)軌的形式及選擇導(dǎo)軌是支撐和限制運(yùn)動(dòng)部件按給定的運(yùn)動(dòng)要求和規(guī)定的運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)，它是滾珠絲杠副運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中必不可少的一個(gè)部分，在很大程度上會(huì)決定單軸機(jī)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(dòng)導(dǎo)軌、滑動(dòng)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(dòng)導(dǎo)軌滾動(dòng)導(dǎo)軌作為滾動(dòng)摩擦副的一類，具有很多優(yōu)點(diǎn)，摩擦系數(shù)小，運(yùn)動(dòng)靈活；動(dòng)靜摩擦系數(shù)基本相同，因而啟動(dòng)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)廠生產(chǎn)，可以外購選用。但也存在一些缺點(diǎn)：導(dǎo)軌面與滾動(dòng)體是點(diǎn)接觸或線接觸，所以抗振性差。接觸應(yīng)力大；對(duì)導(dǎo)軌的表面硬度、表面形狀精度和滾動(dòng)體的尺寸精度要求高，若滾動(dòng)體的直徑不一致，導(dǎo)軌表面有高低，會(huì)使運(yùn)動(dòng)部件傾斜，產(chǎn)生振動(dòng)，影響運(yùn)動(dòng)精度；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本較高；對(duì)臟物比較敏感，必須有良好的防護(hù)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(shí)的摩擦系數(shù)非常低，約為；速度與負(fù)載不會(huì)限制導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)，且低速移動(dòng)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(shí)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(diǎn)，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(gè)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(dòng)導(dǎo)軌滑動(dòng)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(duì)稱、不對(duì)稱兩類）、矩形、燕尾形及圓形四種，每種截面形狀的滑動(dòng)導(dǎo)軌又有不同的特點(diǎn)，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(chǔ)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(hù)裝置，以防切屑等臟物落入導(dǎo)軌。根據(jù)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)要求，X向單軸機(jī)械臂選擇直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，Y向和Z向單軸機(jī)械臂選擇燕尾形滑動(dòng)導(dǎo)軌。4.5.2 載荷計(jì)算1. 計(jì)算載荷直線滾動(dòng)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(shí)，需要對(duì)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(diǎn)與支撐點(diǎn)之間所產(chǎn)生的扭矩）和啟停時(shí)所產(chǎn)生的慣性力等進(jìn)行受力分析，還需要對(duì)整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中受力變化對(duì)導(dǎo)向系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響進(jìn)行評(píng)估。由文獻(xiàn)23可知載荷的選取圍繞單個(gè)滑座所受的合力進(jìn)行(靜態(tài)受力分析按照理論力學(xué)常規(guī)計(jì)算)，通常根據(jù)載荷在行程內(nèi)的變化分段核算，若某個(gè)滑座在總行程L（）內(nèi)的段內(nèi)所受的載荷分別為（KN）則計(jì)算載荷為對(duì)于載荷呈線性變化的情況，可簡化成 對(duì)于載荷呈全波正弦曲線變化的情況，可簡化成對(duì)于載荷呈半波正弦曲線變化的情況，可簡化成對(duì)于同時(shí)承受扭矩M(Nm)負(fù)載的情況，式中 載荷合力，N；滑座的額定靜載荷，N；對(duì)應(yīng)方向的額定扭矩，。由于本機(jī)械臂的設(shè)計(jì)目的主要是攜帶攝像頭進(jìn)行掃描攝像，那么其所承受載荷近似為一個(gè)恒定載荷，故選用公，選擇GGB16BA型直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，長度520mm，導(dǎo)軌副尺寸，滑塊尺寸， 。2. 計(jì)算額定壽命對(duì)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(fù)載等于額定動(dòng)載荷C（KN），連續(xù)導(dǎo)向行程達(dá)到50 KM（基準(zhǔn)行程壽命）時(shí)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(dòng)載荷（KN），；P當(dāng)量動(dòng)載荷（kN）；指數(shù)，當(dāng)滾動(dòng)體為滾珠時(shí)，；當(dāng)為滾柱時(shí)，；K額定壽命單位（km），滾珠時(shí)，；滾柱時(shí)，；硬度系數(shù)； HRC58為基準(zhǔn)硬度，低于HRC58時(shí)額定動(dòng)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>10150>150200>2002501.000.900.730.60接觸系數(shù)，取，見表4-2： 表4-2每根導(dǎo)軌上的滑座個(gè)數(shù)123451.000.810.720.660.61精度系數(shù)，取，見表4-3：表4-3精度等級(jí)23451.01.00.90.9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(dòng)，速度15 m/min無明顯沖擊和振動(dòng)，速度>(1560) m/min有外部沖擊或振動(dòng)，速度>60 m/min1.01.51.52.02.03.5代入以上數(shù)據(jù)，由公式得當(dāng)行程的長度已定時(shí)，滾珠直線導(dǎo)軌副的額定壽命為式中：壽命時(shí)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(xiàng)1. 導(dǎo)軌在螺釘緊固狀態(tài)下進(jìn)行線性檢測(cè)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(shí)需檢測(cè)和調(diào)整平行度和等高；3. 接長導(dǎo)軌安裝時(shí)需使對(duì)接端的編號(hào)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(shí)建議使用N32潤滑油(20號(hào)機(jī)械油)，在低速(<15m/min)時(shí)建議使用鋰基潤滑脂；5. 在開放工況下建議采用防護(hù)罩整體防護(hù)。本章小結(jié)根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)典型零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，在考慮工況的同時(shí)，對(duì)所設(shè)計(jì)零部件的壽命以及可靠性進(jìn)行驗(yàn)算，配合伺服電機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡完成預(yù)期的運(yùn)動(dòng)要求。第五章基于Creo設(shè)計(jì)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(jì)軟件包。Creo是整合了PTC公司的三個(gè)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(jì)軟件包，是PTC公司閃電計(jì)劃所推出的第一個(gè)產(chǎn)品。Creo是一個(gè)整合Pro/ENGINEER、CoCreate和ProductView三大軟件并重新分發(fā)的新型CAD設(shè)計(jì)軟件包，針對(duì)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(jì)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(shí)體，并輸入零件名稱keti，取消勾選使用默認(rèn)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(xiàng)對(duì)話框中（如圖5-3所示），選擇模板類型為mmns_part_solid，即為實(shí)體模型設(shè)計(jì)，選擇確定。圖5-3 “新文件選項(xiàng)”對(duì)話框然后進(jìn)入建模主界面，主界面設(shè)計(jì)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(jì)需要多次拉伸操作，選擇拉伸操作，進(jìn)入拉伸界面，直接在模型樹框里點(diǎn)擊TOP平面，軟件自動(dòng)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(jìn)入草繪界面后，首先點(diǎn)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(diǎn)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)默認(rèn)，選擇完成，退出拉伸界面，初次拉伸的實(shí)體完成，如圖5-7所示。圖5-7 拉伸實(shí)體接著需要在殼體上進(jìn)行拉伸去除一些材料，來減輕質(zhì)量并提高強(qiáng)度。在上一步驟所繪制實(shí)體的基礎(chǔ)上，選擇拉伸選項(xiàng)，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(diǎn)擊確定按鈕，退出草繪界面，輸入拉伸長度800mm，點(diǎn)擊去除材料按鈕，選擇完成，退出拉伸界面，第二次拉伸實(shí)體完成，直接點(diǎn)擊陣列按鈕選取以方向?yàn)榛鶞?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(shí)體狀態(tài)點(diǎn)擊完成陣列步驟，將陣列內(nèi)容選住，點(diǎn)擊鏡像按鈕，點(diǎn)擊RIGHT平面作為鏡像平面，完成鏡像，此步驟完成后的實(shí)體模型端面如圖5-10所示。圖5-10 鏡像后實(shí)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(shí)體模型，包括確定電機(jī)、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(shí)所需螺紋孔位置和深度。最終完成殼體的實(shí)體建模如圖5-11所示。圖5-11 殼體實(shí)體5.3 絲杠的建模在機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)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(shí)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(duì)絲杠的繪制進(jìn)行簡述。首先通過拉伸選項(xiàng)，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(xiàng)，點(diǎn)擊參考選項(xiàng)，在螺旋掃描輪廓下點(diǎn)擊編輯，進(jìn)入草繪界面，繪制螺旋掃描輪廓后點(diǎn)擊確定按鈕，回到螺旋掃描界面，再次點(diǎn)擊產(chǎn)考選項(xiàng)，在旋轉(zhuǎn)軸一欄點(diǎn)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(xiàng)設(shè)置。如圖5-13所示。圖5-13 螺旋掃描參考選項(xiàng)設(shè)置接著點(diǎn)擊創(chuàng)建或編輯掃描截面，進(jìn)入草繪界面，在螺旋掃描輪廓起點(diǎn)處繪制掃描截面，繪制完成后點(diǎn)擊確定按鈕，點(diǎn)擊移除材料按鈕，在間距框內(nèi)輸入間距值為4，選擇右旋方向，即點(diǎn)擊使用右手定則，點(diǎn)擊確定按鈕完成絲杠繪制，絲杠實(shí)體模型如圖5-14所示。圖5-14 絲杠實(shí)體模型5.4 整體裝配首先新建文件對(duì)X向單軸機(jī)械臂進(jìn)行裝配，使其成為一個(gè)裝配體，接著再新建文件進(jìn)行整體裝配，完成整個(gè)機(jī)械臂的裝配。下面對(duì)本小節(jié)進(jìn)行詳細(xì)敘述。選擇新建命令，選擇類型為裝配，子類型為設(shè)計(jì)，并輸入裝配體名稱為Xxiang，取消勾選使用默認(rèn)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(xiàng)對(duì)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(jì)，選擇確定。圖5-16 “新文件選項(xiàng)”對(duì)話框點(diǎn)擊組裝按鈕，插入各個(gè)零部件，通過線與線、面與面之間的配合關(guān)系等進(jìn)行組裝，實(shí)現(xiàn)X向單軸機(jī)械臂的裝配。圖5-17為單軸機(jī)械臂未安裝頂蓋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。 圖5-17 X向單軸機(jī)械臂內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖再裝配上頂蓋，完成整個(gè)X向單軸機(jī)械臂的裝配，如圖5-18所示。圖5-18 X向單軸機(jī)械臂再次新建一個(gè)裝配體文件，將所有零部件依次插入進(jìn)行裝配，裝配必須按照設(shè)計(jì)要求來進(jìn)行，如果發(fā)現(xiàn)有配合誤差，還需要從新打開零件對(duì)零件進(jìn)行調(diào)整，來符合裝配要求，完成整體裝配。三軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械手臂伺服運(yùn)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖5-19所示。圖5-19 三軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械手臂三維模型本章小結(jié)根據(jù)設(shè)計(jì)思路對(duì)所有的零部件進(jìn)行了繪制，繪制完成后進(jìn)行了裝配，在裝配過程中由于設(shè)計(jì)時(shí)未進(jìn)行細(xì)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(jìn)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(dòng)機(jī)械手臂在工業(yè)自動(dòng)化的應(yīng)用越來越廣泛，包括抓取、搬運(yùn)、攝像、焊接等多種工作場(chǎng)合，隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來，機(jī)械手臂也會(huì)將會(huì)迎來巨大的市場(chǎng)。本設(shè)計(jì)通過對(duì)機(jī)械臂的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)以及基本運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，完成了整個(gè)計(jì)算設(shè)計(jì)并且對(duì)其進(jìn)行了基于Creo的建模。 整體設(shè)計(jì)完成的工作主要包括以下幾個(gè)方面：1、 首先提出兩種基本設(shè)計(jì)方案進(jìn)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(dòng)件的方案。2、 對(duì)電機(jī)進(jìn)行選型，并對(duì)三軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了簡單設(shè)計(jì)，包括運(yùn)動(dòng)控制卡以及運(yùn)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。3、 對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，包括絲杠、導(dǎo)軌、軸承等零部件，并對(duì)其剛度、壽命以及可靠性等進(jìn)行驗(yàn)算。4、 對(duì)整體機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，驗(yàn)證設(shè)計(jì)思路，并對(duì)后期的制作、加工等提供技術(shù)參考。 本三軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械手臂通過labview下的程序控制，采用固高公司生產(chǎn)的運(yùn)動(dòng)控制卡使得三個(gè)方向的單軸機(jī)械臂伺服電機(jī)在轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等方面達(dá)到控制，實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)。附錄一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.