三轴联动机械臂伺服运动机械结构设计

三轴联动机械臂伺服运动机械结构设计（摘要）机械手臂是目前在机械人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事、半导体制造以及太空探索等领域都能见到它的身影。尽管它们的形态各有不同，但它们都有一个共同的特点，就是能够接受指令，精确地定位到三维（或二维）空间上的某一点进行作业。根据结构形式的不同，机械手臂可分为多关节机械手臂，直角坐标系机械手臂、球坐标系机械手臂，极坐标机械手臂，柱坐标机械手臂等。本文所设计的机械手臂为直角坐标系机械手臂，其由三个伺服电机驱动，通过运动控制卡实现运动控制，可以实现三轴联动，分别为X移动，Y移动，Z移动。手臂的运动由三个丝杠螺母副完成，伺服电机驱动丝杠旋转，螺母副移动，从而实现三个自由度的运动。关键词机械手臂三轴联动三个自由度AbstractIIMechanicalarmiscurrentlythemostwidelypracticalapplicationinthefieldofrobottechnologyinautomationmachinery,industrialmanufacturing,medicaltreatment,entertainmentservices,military,semiconductormanufacturingandotherareasofspaceexplorationcanseeitsshadow.Despitetheirmorphologyvary,buttheyallhaveonecommoncharacteristic,thatisabletoacceptinstruction,preciselypositionedtocarryoutoperationsatapointthree(ortwo-dimensional)space.Accordingtothedifferentstructure,mechanicalarmcanbedividedintomulti-jointrobot,Cartesiancoordinatesrobot,sphericalcoordinatesrobot,polarcoordinaterobot,cylindricalcoordinatesrobotarmandthelike.ThisarticleisdesignedasCartesianrobotmanipulatorarm,whichisdrivenbythreeservomotors,motioncontrolthroughmotioncontrolcard,youcanachievethree-axis,respectively,XMobile,Ymovement,Zmove.Armmovementconsistsofthreescrewnutiscompleted,servomotordrivescrewrotation,nutmove,inordertoachievethreedegreesoffreedomofmovement.KeywordsMechanicalarmAxislinkageThreedegreesoffreedom第1章绪论11.1研究背景随着科技的发展，工业自动化程度不断提高，机械臂广泛用于各种制造行业中，但对于机械臂在工业的应用来说，大部分时候并不需要机械臂具有六个自由度，其中的一个或几个即可满足工业需求，由于三轴联动机械臂具有三个自由度，基本上可以满足制造行业中以空间任意一点为目标位置的运动要求，故三轴联动机械臂在工业自动化上的运用最为广泛。1.2国内外研究现状国际上对于机械臂的开发、研制和应用已有近50年历史，目前，以日、韩、美、法、德等为代表的许多国家的机械臂产业日趋成熟和完善，其所生产的机械臂已成为一种标准设备在全球得到广泛应用。国外机械臂技术由于起步较早，基础雄厚，技术先进，市场占有率高。同国外相比，中国的机械臂技术起步较晚，经过“七五”、“八五”、“九五”三个阶段，中国机械臂从无到有，从小到大，发展迅速，一批国产机械臂已服务于国内诸多企业的生产线上，一批机械臂技术的研究人才也涌现出来，一些相关科研机构和企业已掌握了机械臂的一些关键技术，某些技术已达到了或接近国际先进水平，中国机械臂在世界机械臂领域已占有一席之地，而且中国是一个巨大的机械臂消费市场，行业市场也处于发展壮大中。机械臂技术在制造业应用范围越来越广，其标准化、模块化、智能化和网络化的程度越来越高，功能也越来越强，正向着成套技术和装备的方向发展。1.3研究目的和意义面对工业4.0时代机械臂的巨大市场，机械臂技术的发展和革新也变得尤为重要，由于三轴联动直角坐标系机械臂结构简单、用途广泛，市场份额最大，所以对其技术的研究最具市场价值。在机械制造行业中，对于机械臂技术研究的意义可概括如下，一、在生产过程中，机械臂可应用于传送材料，装卸工件，更换刀具以及装配机器，可以提高生产的自动化程度，降低劳动强度和生产成本。二、在特殊工作空间如高温、高压、噪声、狭小空间等工作场合中，人工操作存在一些隐患甚至人工根本不可能完成，而通过机械臂的应用可以部分或全部代替工人安全的完成作业，改善了劳动条件，在一些简单、重复、笨重的操作中，通过机械臂的应用，可以避免由于疲劳或者疏忽而造成生产事故。三、通过机械臂的应用，首先可以直接减少人力，而且由于机械臂可以连续工作，使得生产工作有节奏的进行。综上所述，加速开发和应用机械臂，是机械工业发展的必然趋势。1.4论文研究内容第一章绪论简单介绍研究背景，国内外研究现状，研究的目的和意义。第二章方案确定，提出两种设计方案，最后选择采用丝杠螺母副的直角坐标系机械手臂。第三章电机驱动设计，分析运动情况，选择合适的伺服电机。第四章机械结构设计，对整个机械臂上选要安装的零部件进行设计选型。第五章基于CREO的设计与装配，将所设计的机械臂的零部件采用CREO绘制，并将所绘制的零部件进行模拟装配第2章方案确定2.1方案的设想面对机械臂的巨大的应用市场，开发一种结构简单，可以满足工业基本应用机械臂有很大的市场前景，而且对于工业应用来说，三自由度直角坐标系机械手臂应用最为广泛。直角坐标系机械手臂可以由单轴机械手臂组合而成。单轴机械手臂作为一个组件在工业中应用广泛。故本文所设计的机械臂整体结构可以由三个单轴机械臂组合而成，我们设想了两种方案，两种方案的基本结构形式相似，主要区别在于机械臂的执行元件不同。方案一：此方案执行原件为气缸，每个单轴机械臂的运动由一个气缸完成，通过三个气缸的组装，组装成一个具有三个自由度的直角坐标系机械臂，三个气缸可以由一个气泵供气，每个气缸都装有一个阀门，阀门由伺服电机控制气缸的进气速度和进气量，三个伺服电机可以通过运动控制卡来实现运动控制。方案二：此方案的执行元件为丝杠螺母副，每个单轴机械臂的运动由一个丝杠螺母副完成，通过对三个丝杠螺母副的组装，组装成一个具有三个自由度的直角坐标系机械臂，每个丝杠螺母副均由一个伺服电机驱动，通过运动控制卡对伺服电机转速和转角的控制，实现最终的运动控制。2.2方案的确定综合比较上述两种方案，我们发现第二种的结构比较好。方案一使用气缸虽然执行机构的结构会更紧凑，但是由于需要额外使用气泵、阀门等关键零部件，故造价高，而且气缸不适合承受较大径向力的场合，气缸进出气较难控制，且运动精度低。相比方案一，方案二的单轴机械臂虽然体积稍大，但造价有大幅降低，运动控制精度显著提高，在载荷分布上也更为合理。2.3本章小结通过以上对两种方案的比较和分析，综合市场方面因素，最终我们选择采用方案二，用使用丝杠螺母副的单轴机械臂来组装成具有三个自由度的直角坐标系机械臂。总体方案确定之后，进行机构各部件的设计和选择。第3章电机驱动设计由于本文所设计的机械臂采用三个单轴机械臂组合安装完成，三个单轴机械臂的结构类似，本文中只对X向的单轴机械臂进行计算选型，其余两个进行类比设计，本文中不做过多叙述。3.1电机驱动要求（1）机械臂运动需要有较大的调速范围，最好能够实现无级变速。（2）电机应该选用偏大的功率，虽然本文所设计的机械臂目的是安装摄像头进行扫描摄像，不需要高功率电机，但为了保证机械臂运动的可靠性，应该采用稍微偏大功率的电机。（3）电机驱动的动态响应性要好，电机的升降速时间要短，调速时需要运转平稳，换向可以进行自动加减速控制。（4）机械臂的主轴需要有较高的回转精度，主轴部件需要具有良好的抗振性和足够的刚度，也需要具有较好的热稳定性，即要求主轴的轴向和径向尺寸随温度的变化要小，而且传动链要短。3.2电机选型由于本文所设计的机械臂尾端只需要安装一个摄像头进行扫描摄像，而且本机械臂体积小，质量轻，所需要的电机功率不必要太大，但为了保证运动的可靠性，适当选取偏大功率的电机即可，Ｘ向单轴机械臂所选取的电机为松下公司所生产的的ＭＳＭＤ０４２Ｇ１Ｕ型伺服电机，额定功率为０．４ＫＷ，额定转速为３０００ｒ／ｍｉｎ。本章小结通过对电机的选型，以及运动控制系统的设计，通过运动卡同时控制三个伺服电机验证运动控制系统是否满足三轴联动的设计要求，进而完成电气部分的设计。第4章机械结构设计4.1单轴机械臂结构特点单轴机械臂的运动在动作上除了由运动控制卡的控制外，在机械结构方面还应具有响应速度快、精度高、稳定性好等特点（有引用）下面主要对单轴机械臂的机械结构特点进行讨论：（1）传动刚度高本文所研究的单轴机械臂采用丝杠螺母副作为执行部件，丝杠螺母副以及其支撑部件的刚度决定了整个机械臂的传动刚度。如果刚度不足，加上摩擦阻力的作用，会导致机械臂的运动产生爬行现象或反向死区，传动的准确性会受到影响。通过合理的选择丝杆尺寸，缩短传动链、对丝杠螺母副及其支撑部件等预紧均可以有效的提高传动刚度。(2)高谐振为了提高机械臂的抗振性，其机械构件应具有合适的阻尼和较高的固有频率，通常要求机械传动系统的固有频率应为伺服驱动系统固有频率的2~3倍（3）低摩擦机械臂的运动要求平稳，能够快速响应且定位准确，那么就需要减少运动件所受的摩擦阻力，在机械臂中普遍采用特性优良的滚珠丝杠螺母副。（4）低惯性由于机械臂的特殊工作环境，所以经常需要启停、变速和换向，如果机械臂的传动装置惯量太大，会使负载增大并会降低传动系统的动态性能。因此在强度与刚度足够的前提下，应该尽可能使各传动元件的体积变小，同时减少各运动部件的重量，从而达到运动部件能够对指令快速响应的要求。（5）无间隙机械臂的进给系统存在反向运动死区的另一个主要因素是机械间隙，因此对于传动链的各个环节都需要采用消除间隙的结构措施，这些环节包括：丝杠螺母副、联轴器、轴承以及其他支撑部件等。4.2滚珠丝杠的选择与安装方式的选择4.2.1滚珠丝杠特点在单轴机械臂上，滚珠丝杠副将伺服电机的回转运动转换为直线运动，滚珠丝杠螺母副的特点是：（1）传动效率高，滚珠丝杠副相比于传统螺纹丝杠副，以滚珠在丝杠与螺母之间的滚动传递力和运动取代了丝杠和螺母直接作用的方式，即以极小的滚动摩擦取代传统丝杠的滑动摩擦，使得传动效率提高，一般为η=0.92～0.98，整个传动副所需要的驱动力矩只有滑动丝杠的1/3左右，摩擦发热也得到大幅降低。（2）定位精度高由于滚珠丝杠副发热率低。温升小以及在加工过程中对丝杠采取预拉伸并预紧消除轴向间隙等措施，使滚珠丝杠副定位精度高且重复定位精度高。（3）传动可逆性滚珠丝杠副相比于滑动丝杠没有粘滞摩擦，故在传动过程中不会出现爬行现象，而且滚珠丝杠可以将回转运动转变为直线运动，也可以将直线运动转变为回转运动，两种运动方式均可以传递相应的动力（4）同步性能好由于滚珠丝杠副能够顺滑运转，轴向间隙可以消除以及制造的一致性，当采用多套滚珠丝杠副方案驱动多个相同部件或统一装置时，均可以很好地进行同步工作。（5）使用寿命长由于滚珠丝杠滚道的表面硬度，材料的选择以及滚道形状的准确性等方面都加以严格控制，从而使得滚珠丝杠副的实际寿命远相比于滑动丝杠高很多。但是滚珠丝杠副也存在一些缺点，如制造成本高，不能自锁，垂直安装时需有平衡装