球面SCARA机器人

目 录

1前言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 1 1.1课题来源与技术要求分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 1 1.2国内外发展及研究现状„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 1 1.3研究目的„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 2 1.4设计内容及思路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 2 2球面SCARA机器人机械结构设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 4 2.1运动方案及主要技术参数的拟定„„„„„„„„„„„„„„„„„ 4 2.1.1方案拟定„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 5 2.1.2脉冲当量和传动比的确定„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 6 2.2各传动系统设计与校核„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 7 2.2.1第一自由度电机校核„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 8 2.2.2第一自由度同步带传动设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 9 2.2.3第一自由度谐波减速器选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 10 2.2.4第二自由度电机校核„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 11 2.2.5第二自由度谐波减速器选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 13 2.2.6第三自由度电机校核„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 13 2.2.7球面SCARA机器人外形图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 15 3 Pro/E软件简介„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 16 4工业机器人运行时应采取的安全措施„„„„„„„„„„„„„„„„ 18 4.1安全要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 18 4.2实施方法„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 18 5结 论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 19 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 20 致 谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 21 附 录„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 22

盐城工学院本科生毕业设计说明书2011

1 前言

1.1课题来源与技术要求分析

课题“球面SCARA机器人机械部分设计”来源于盐城工学院的教学实验。要

1大臂轴的水平旋转运动；2小臂轴的垂直回求设计的机器人具有三个自由度：○○

3顶针的垂直上下运动。球面SCARA机器人可以单独使用，也可以与转运动；○

其他机器人组合使用。球面SCARA机器人有着许多实际和潜在的应用：（1）绘图，球面SCARA机器人可以在球面上画线、绘图案、在皮革或橡皮球表面着色，在地球仪的表面绘制世界地图等；（2）装配，传统的装配机器人通常只适合在单一方向上装配，如平面SCARA机器人在印刷电路板上沿垂直方向安装电子元件。而球面SCARA机器人可在各个方向作业；（3）雕刻，在球面或自由曲面上雕刻，在珠宝行业中存在潜在的应用；（4）打印，在球面SCARA机器人的末端装上喷墨头，可以在球面或自由曲面上进行喷墨打印；（5）非接触三维测量等[1]。 1.2 国内外发展及研究现状

那么什么是机器人呢？人们一般的理解来看，机器人是具有一些类似人的功能的机械电子装置，或者叫自动化装置，它仍然是个机器，它有三个特点，一个是有类人的功能，比如说作业功能，感知功能，行走功能，还能完成各种动作，它还有一个特点是根据人的编程能自动的工作，这里一个显著的特点，就是它可以编程，改变它的工作、动作、工作的对象，和工作的一些要求，它是人造的机器或机械电子装置。但从完整的更为深远的机器人定义来看，应该更强调机器人智能，所以人们又提出来机器人的定义是能够感知环境，能够有学习、情感和对外界一种逻辑判断思维的这种机器。那么这给机器人提出来更高层次的要求，展望21世纪，机器人将是一个与20世纪计算机的普及一样，会深入地应用到各个领域，在21世纪的前20年是机器人从制造业走向非制造业的发展一个重要时期，也是智能机器人发展的一个关键时期[2]。

近几年，国内外机器人领域发展主要有如下几个趋势[3]：

（1）机器人在制造业的应用范围越来越广阔，并向食品、 核能、 矿业和建筑等工业新领域扩展。

（2）机器人性能不断提高，而单机价格不断下降，平均单机价格从1991年的10.3万美元降至2002年的6.5万美元。

（3）机械结构向模块化、可重构化发展。 例如关节模块中的伺服电机、减速机检测系统三位一体化，由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机，国外已有模块化装配机器人产品问世。

（4）机器人编程语言趋于通用化。

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球面SCARA机器人机械部分设计

（5）工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日渐小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

（6） 机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。

（7） 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。

（8）当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控、遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入使用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名的实例。

（9）机器人遥控、监控技术朝着人机交互控制方向发展，遥控加局部自治系统遥控机器人的发展使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。

（10）机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。 1.3研究目的

机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。专家预测，机器人产业是继汽车，计算机之后出现的新的大型高技术产业。据国际机器人联合会IFR统计，世界机器人市场前景很好，从20世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。进入90年代，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在10%左右，2000年增长率上升到15%，如今，工作在各个领域的机器人早已突破100万台[4]。

我国近几年机器人自动化生产线已经不断出现，并给用户带来显著效益。随着我国工业企业自动化水平的不断提高，机器人自动化线的市场也越来越大，并且逐渐成为自动化生产线的主要方式。我国机器人自动化生产线装备的市场刚刚起步，而国内装备制造业正处于由传统装备向先进制造装备转型的时期，这就给机器人自动化生产线研究开发者带来巨大商机。 1.4设计内容及思路

1设计总体方案，确定机器人的总体结构，绘制机器人机械结构设计内容：○

2进行机器臂、小臂结构设计，并绘制其部装图、零件图。○3各电装配图。○

4绘制机器人主要结构的三维造型图。 机的选择、各零部件设计计算和选择。○

设计思路：先对机器人的整体结构进行分析,制定出合理的整体设计方案，提出一到两种可行性比较高的初步设计方案；然后再根据工作要求、工作时间、

[5]

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工作强度等对初步设计方案进行论证，最后在根据论证结果选择最合理的设计方案；完成后，再进行对机器人方案图样的设计：机器人零件图，部分部件的装配图以及联系尺寸图；机械结构设计完成后，再根据图纸用Pro/E软件塑造出其三维造型图。最后再画好装配图，完成整个设计。

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2 球面SCARA机器人机械结构设计

2.1 运动方案及主要技术参数的拟定[6]

要求设计的球面SCARA机器人技术参数如表2-1。

表2-1 球面SCARA机器人主要技术参数

自由度：3个（1，2，r） 第一轴1 第二轴2 第三轴r 动作范围 360° 360° 最高空行程速度 120(º)/s 120(º)/s 最高工进速度 90(º)/s 90(º)/s 定位精度 0.03° 0.03° 100mm 50mm/s 工件最大直径φ：200mm 40mm/s 0.015mm 第三轴最大抗力5N 在对机器人三个自由度轴的传动系统进行设计时，要保证规定的动作范围、速度和精度。考虑到实际运动中的干涉问题，第二轴的实际动作范围是小于360º的，并且应该采取相应的安全措施。最后完成球面SCARA机器人的装配图，以及一些关键零件的零件图。

以下是关于球面SCARA机器人的一些简介：

图2-1 SCARA机器人

通常的平面SCARA机器人的如上图2-1所示。大臂转动（θ1），轴线与小臂转动（θ2）轴线平行。工具转动（θ4），轴线与移动轴线重合，并和θ1，θ2平行。

球面SCARA机器人的基本自由度布置如下图2-2所示。大臂的轴线θ1和小臂轴线θ2垂直相交，如下图2-2所示，这样可以保证装在r自由度轴上的工具在球上或自由曲面上进行作业。

制造的时候，只要保证控制精度，并且能够确保球面SCARA机器人的工具中心线通过球坐标的原点，那么工具末端一定可以在球面上实现精确定位。此外，

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工具还可以从球面上的任何半径方向接近工件，具有很高灵活性。

图2-2 球面SCARA机器人

球面SCARA机器人不仅可以单独使用，也可以与其他机器人组合使用，总而言之，球面SCARA机器人有着许多实际和潜在的应用，关键看人们如何使用和开发它。 2.1.1方案拟定

（1）自由度配置。对于本课题的球面SCARA机器人，自由度θ1和θ2的配置方式可以有几种形式，如下图2-3所示。

对于方案（a），驱动θ2以及臂2占据了球坐标系的中心，会影响工件的安放。对于方案（b），臂1与臂2及其驱动轴线相交在球心处，避开了球系中心。至于方案（c），θ1驱动工件转动，机器人臂2的运动θ2没有与θ1耦合。综合考虑，选择方案b。

（2）驱动方式。常用的驱动方式有液压驱动、气动驱动以及电力驱动。考虑到本设计中的驱动力矩不是很大，运动速度比较高，而且定位精度要求较高，采用电力驱动。至此，第一轴自由度θ1和第二轴θ2均采用步进电机驱动。步进电机驱动结构比较简单，而且成本低，也能实现比较精确的定位精度。对于第三自由度，r是工件向球面半径方向的往复直线运动，可以采用直线电机，不仅结构简单，而且节约成本。

（3）传动方式。由于工件夹持机构是沿着Z轴安装的，所以第一轴θ1的驱动电机轴线不能与Z轴重合，可以考虑采用同步带作远距离传动。至于第二轴θ2的驱动电机，对轴线没什么特别要求，可以与Y轴同轴线，故采用直接传动。考虑到定位精度比较高，在电机1和2的输出轴上分别配置减速传动装置。至于第三轴，则直接采用直线电机。

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图2-3 球面SCARA机器人自由度配置

2.1.2脉冲当量和传动比的确定

根据设计任务提出的定位精度要求分别对三个自由度轴进行脉冲当量的确定和传动比的选定。由于传动误差的存在，实际的脉冲当量应高于定位精度的要求。

a、第一自由度轴θ1。定位精度要求为0.03，初选步距角θb=1.5°的75BF004步进电机。设脉冲当量为0.03（°）/脉冲，则传动比为i=θb/δp=1.5/0.03=50，i=n1/n2。

现初选同步带传动速比为i2=1。第一级速比要求i1≥50，速比较大。从谐波减速器标准表获知可初选机型为40的XB3扁平式谐波减速器，其传动比为i1=65。于是第一自由度轴的脉冲当量δp=1.5/65=0.023（°）/脉冲，小于题目要求的定位精度值（0.03°），满足要求。因此，第一自由度轴的运动参数为：

θb=1.5°，i1=65，i2=1，i=i1×i2=65，δp=0.023（°）/脉冲

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b、由于小臂是在第二自由度轴的电机驱动下转动的，所以当电机停电后，小臂由于重力的作用，会自动掉落，所以要求小臂传动能够自锁。因此，第二自由度轴不能采用普通的电机，应选用自锁电机。第二自由度轴θ2，初选步距角为1.5°的K10自锁步进电机。同第一自由度轴，取i=65，δp=0.023（°）/脉冲。没有同步带传动。因此，第二自由度轴的运动参数为：

θb=1.5°，i=65，δp=0.023（°）/脉冲

c、考虑到为了使结构简单以及重量问题，再加上第三自由度本就是直线运动，采用直线电机，这样可以避免由于使用丝杠带来的误差，而且直线电机由于没有中间转换环节，因而使整个传动机构得到简化，提高了精度，减少了振动和噪音，并且装配灵活性大，往往可将电机和其它机件合成一体。

现取电机型号为43000系列size17直线电机其中i=1.5，则实际脉冲当量δp=θb L0/360i=0.0138mm/脉冲，小于题设定位精度值（0.015mm），满足要求。因此，第三自由度轴r的运动参数为：

θb=1.5°，L0=5mm，i=1.5，δp=0.0138mm/脉冲 2.2各传动系统设计与校核

根据初拟方案，球面SCARA机器人z轴上的惯性负载如图2-4所示：

图2-4 z轴上惯性负载

初步拟定方案为R1=100mm，R2=150mm，R3=250mm，R4=260mm，

R5=200mm。估计连杆1的质量M1=2kg，连杆2的质量M2=2kg，第二自由度驱

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动装置质量MD2=2.5kg，工具及进给机构质量Mt=3kg。 第一自由度各转动惯量折算到电机轴1上的等效转动惯量计算：

Z轴的转动惯量为：

JZ∑=MTR12+M2R22+ MD2R32+M1R22+ JB=2762.71kg·cm2

式中：JB为同步皮带轮惯量。初拟皮带轮尺寸D=90mm，B=40mm，则

JB=0.78×D4×B×10-8kg·cm2=20.47kg·cm2

设谐波减速器转动惯量Jx≈JB，Jx =4kg·cm2。从资料中查到75BF004步进电机转子转动惯量JD1=0.1284 kg·cm2。因此，自由度θ1传动系统上所有的惯量折算到电机轴1上的等效转动惯量为：

J1JD1JXJX/2JBJZ22 （ 2-1） 22ii1i2带入数据得：J1∑=2.79 kg·cm2。

2.2.1第一自由度电机校核

a、最大静转矩校核[7]

我们知道，步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。空载启动力矩为

Mkq=Mka+Mkf+Mo （2-2） 在本课题中，第一自由度没有采用滚珠丝杠传动，所以滚珠丝杠预紧附加摩擦力矩等于零，即M0=0。设摩擦力矩可忽略不计，则仅剩加速力矩项Mka，即Mkq≈Mka。Mka=J1∑，设电机在1秒内启动完毕，θ1轴达到最高空行程速度120（°）/s,电机轴△n=120°i1i2=120º×65=7800 º，△t=1s,=△n/△t=136.14(s-2), 则

Mka= J1∑×10-2N·cm=2.79×136.14×10-2=3.80N·cm 电机名义启动力矩为Mmq=Mjmax。三相六拍运行λ=0.866，查得电机最大静转矩Mjmax=0.49N· m，因此Mmq=0.49×0.866=0.42 N·m。

Mkq＜Mmq初选电机满足最大静转矩校核要求。 b、启动矩频特性校核

电机启动时具有一定的启动频率，还需要校核启动矩频特性，保证启动时电机不会丢步。为了保证平稳性，突跳启动是不可取的，一般需要升降速过程。

图（a）表示按指数曲线升降速；图（b）表示按直线过渡升降速；图（c）表示将fmax分成若干级，启动脉冲以阶梯变化来实现升速过渡，只要突跳频率分级后不大，不出现失步现象是可以的。但是，从理论上来讲，突跳是在瞬间完成的，时间趋于零，角加速度还是很大的，因此按图（d）方式阶梯变化。

电机使θ1轴在△t时间内从静止升速到120（°）/s的速度，则电机的频率要从f0=0在△t时间内升到fmax=7800（°）／θb=5200HZ。现分为5个阶段升速，每阶段升速时间0.25s，延时0.05s，升速频率fq=5200／5=1040 HZ。总的升速时间为△t=（0.25+0.05）×4+0.25=1.45s。

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图2-5 步进电机升降速过程

空载启动，不计摩擦，则电机空载启动力矩为空载加速力矩，即 Mkq=Mka=J1∑

15º)×0.25108.9(s2) =△n/△t=(1040×

180Mkq=2.79×108.9×10-2=3.04N·cm

查步进电机75BF004启动频率特性曲线，Mkq=3.04N·cm对应的允许启动频率fyq=2000 HZ，fq=1040 HZ，fq＜fyq。因此，按（d）方式进行阶梯启动不会丢步。

c、运行矩频特性校核

快速进给时是空载，即球面SCARA机器人末端操作器不进行作业加工。电机快速进给力矩为MKJ=Mkf+M0。在本题中，M0=0，Mkf很小，现设近似于启动加速力矩，即Mkf≈3.04N·cm，因此电机快速进给力矩为MKJ≈3.04N·cm。电机快速运行频率为fkJ=fmax=5200 HZ。查步进电机75BF004运行矩频特性曲线可知，对应MKJ=3.04 N·cm的允许快进频率为fykJ=14000 HZ，fkJ＜fykJ，符合要求，快进时不会丢步。

工作进给时，电机工进力矩为MGJ=Mt+M0+Mf。在本题中，M0=0，Mf为Mf=3.04N·cm。工作负载沿z轴方向，Fz=5N，并通过工件球心。现设球面机器人工作负载荷Fz引起的侧力Fx=Fy=0.5Fz=2.5N，工件直径φ=20cm。因此，Mt=φFx／2=2.5×10=25N·cm，MGJ=Mt+Mf=28.04 N·cm。已知θ1的最高工进速度nG1=90（°）/s，i=65，θb=1.5°，因此电机工作进给运行频率为fGJ=90°×65／1.5°=3900 HZ。查步进电机75BF004运行矩频特性曲线，与MGJ=28.04N·cm相对应的允许工进频率为fyGJ=8100 HZ，fGJ＜fyGJ，因此步进电机在工进时不会丢步。 2.2.2第一自由度同步带传动设计[8]

此处省略 NNNNNNNNNNNN字。如需要完整说明书和设

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计图纸等.请联系 扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套机械毕业设计下载！该论文已经通过答辩

2.2.4第二自由度电机校核

a第二自由度各转动惯量折算到电机轴2上的等效转动惯量的计算

Y轴的转动惯量为： JY∑=MTR42+M2R52=3×2602+2×2002=2828㎏·㎝2 设谐波减速器转动惯量Jx≈4kg·cm2。从资料中查到K10自锁电机转子转动惯量较小，可忽略不计，即JD2≈0。因此，自由度θ1传动系统上所有的惯量折算到电机轴1上的等效转动惯量为:

J2JD2JXJX/2JY4228282202= 2.70 kg·cm2 22265ii65带入数据得J2∑=2.70 kg·cm2。

b第二自由度轴校核

1.最大切应力校核

小臂重力对轴产生的转矩M1= GTR4+ G2R5=11.8 N·m。启动加速度对轴产生的加速度转矩为Mka′= JY∑/i=0.65m。故轴危险截面所受最大转矩为:

Mmax= M1+ Mka=12.45 转距产生的切应力：

τ1max=Mmax/Wp=1.61<<[τ] 2.最大正应力校核

小臂重力对轴产生的弯矩为M2=GT×（R3－R1）=4.5N·m。对轴产生的正应力为：

τ2max=M2/Wy=1.2<<[τ] 故轴的需用满足使用要求。

c自锁电机2的校核

由于小臂是在第二自由度轴的电机驱动下转动的，所以当电机停电后，小臂由于重力的作用，会自动掉落，所以要求小臂传动能够自锁。因此，第二自由度轴不能采用普通的电机，应选用自锁电机。 1最大静转矩校核 ○

电机空载启动力矩为Mkq=Mka+Mkf+Mo

在本课题中，第一自由度轴没有采用滚珠丝杠传动，所以滚珠丝杠预紧附加摩擦力矩等于零，即Mo=0。设摩擦力矩可忽略不计，则仅剩加速力矩Mka，即Mkq≈Mka。Mka=J2∑，设电机在1秒内启动完毕，θ1轴达到最高空行程速度120（°）/s,电机轴△n=120°i=120º×65=7800 º，△t=1s,=△n/△t=136.14(s-2), 则：

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Mka= J2∑×10-2N·cm=2.7×136.14×10-2=3.68cm=0.0368m

电机名义启动力矩为Mmq=Mjmax，三相六拍运行λ=0.866，电机最大静转矩Mjmax=0.784N· m，因此Mmq=0.866×0.784=0.679 N·m。

Mkq《Mmq，所以初选电机满足最大静转矩校核要求。 2启动矩频特性校核 ○

电机启动时具有一定的启动频率，还需要校核启动矩频特性，保证启动时电机不会丢步。为了保证平稳性，突跳启动是不可取的，一般需要升降速过程。

图（a）表示按指数曲线升降速；图（b）表示按直线过渡升降速；图（c）表示将fmax分成若干级，启动脉冲以阶梯变化来实现升速过渡，只要突跳频率分级后不大，不出现失步现象是可以的。但是，从理论上来讲，突跳是在瞬间完成的，时间趋于零，角加速度还是很大的，因此可以按图（d）方式阶梯变化。

图2-6 步进电机升降速过程

电机使θ2轴在△t时间内从静止升速到120（°）/s的速度，则电机的频率要从f0=0在△t时间内升到fmax=7800（°）／θb=5200HZ。现分为5个阶段升速，每阶段升速时间0.25s，延时0.05s，升速频率fq=5200／5=1040 HZ。总的升速时间为△t=（0.25+0.05）×4+0.25=1.45s。

空载启动，不计摩擦，则电机空载启动力矩为空载加速力矩，即： Mkq=Mka=J2∑

180Mkq=2.7×108.9×10-2=2.94cm=0.0294m

15º)×=△n/△t=(1040×

0.25108.9(s2)

查步进电机70BF003启动频率特性曲线，Mkq=2.94cm对应的允许启动频率fyq=1300 HZ，fq=1040 HZ，fq＜fyq。因此，按（d）方式进行阶梯启动不会丢步。 3运行矩频特性校核 ○

快速进给时是空载，即球面SCARA机器人末端操作器不进行作业加工。电机快速进给力矩为MKJ=Mkf+M0。本课题中，M0=0，Mkf很小，现设近似于启动加速力矩，即Mkf≈2.94N·cm，因此电机快速进给力矩为MKJ≈2.94cm。电机快速运行频率为fkJ=fmax=5200 HZ。查步进电机70BF003运行矩频特性曲线可知，对

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应MKJ=2.94 N·cm的允许快进频率为fykJ=16000 HZ，fkJ＜fykJ，校核合格，快进时不会丢步。

工作进给时，电机工进力矩为MGJ=Mt+M0+Mf。本课题中，M0=0，Mf仍可设为Mf=2.94N·cm。工作负载沿z轴方向，Fz=5N，并通过工件球心。现在设球面机器人工作负载荷Fz引起的侧力Fx=Fy=0.5Fz=2.5N，工件直径φ=20cm。因此，Mt=φFy／2=2.5×10=25N·cm，MGJ=Mt+Mf=27.94 N·cm。已知θ1的最高工进速度nG1=90（°）/s，i=65，θb=1.5°，因此电机工作进给运行频率为fGJ=90°×65／1.5°=3900 HZ。查步进电机70BF003运行矩频特性曲线，与MGJ=27.940 N·cm相对应的允许工进频率为fyGJ=8000 HZ，fGJ＜fyGJ，因此在工进时步进电机不会丢步。 2.2.5谐波减速器的选择[1]

查B3扁平式谐波减速器的规格和额定功率表知，选用机型40，速比65，代号为：XB3-40-65-1-3/3。

该谐波减速器最高输入转速可达3500r/min；输出扭矩10 N·m。 电机工进转速为15r/min×i=15×65=975r/min，扭矩MGJ=0.27991 N·m。 电机快进转速为20r/min×i=20×65=1300r/min，扭矩MKJ=0.02991 N·m。

因此，无论工进、快进，该谐波减速器在传递功率和扭矩上均有很大的安全裕度。

2.2.6第三自由度电机校核

直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能而不需要任何中间转换机构的装置；结构多样，可以根据需要制成扁平型、圆筒型或盘型等各种形式；可以采用交流电源、直流电源或脉冲电源等各种电源进行工作；不同种类具有截然不同的工作特点，可以根据需要选择。能满足高速、大推力的驱动要求，也能满足低速、精细的要求，如步进直线电动机[9]。

（1）转动惯量计算 电机3转子转动惯量

JD3=0.015kg·cm2 丝杠转动惯量

Js=0.78×24×14×10-3=0.18 ㎏·㎝2 移动质量折算到丝杠轴惯量

Jm=(L0/2)2Mm=0.0032㎏·㎝2，（已知移动件质量为Mm=0.5kg）

传动系统各运动部件惯量折算到电机3轴上总等效转动惯量为 J3∑=JD3+ ( Js + Jm)/i2=0.58㎏·㎝2 （2）最大静转矩校核 空载启动力矩为：Mkq=Mka+Mkf+Mo （ 2-10）其中：加速力矩

Mka= J3∑×2πnmax×10-2/60t

电机最大转速为丝杠最大转速的i倍，丝杠最大转速在动负载校核中已经算

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出ns=600r/min，所以nmax=600×1.5=900r/min，加速时间预定为1s，则Mka=1.06N·cm。

丝杠预紧附加摩擦力矩

M0=FYJL0102/2i

预紧力FYJ=Fm／3=5.375／3=1.79N；L0=0.5cm；传动总效率η=0.8；丝杠未预紧时传动效率：η0=0.9；i=1.5；则M0=0.023 N·cm。

空载摩擦力矩很小，现在设为2M0，即

Mkf=0.045 N·cm

因此，空载启动力矩

Mkq=1.0+0.045+0.0225=1.13 N·cm 满足最大静转矩校核，Mkq≤λMjmax=0.866×19.6=16.97 N·cm（三相六拍运行λ=0.866；Mjmax=0.196 N·m。） （3）启动矩频特性校核

最大运行频率fmax=vmax／δp=50／0.01388=3600Hz。

分为三个阶梯启动。每个阶梯启动频率为fq=fmax／3=1200Hz，在0.25s内完成升速，0.05s过渡，则相应的角加速度为

ε=△n/△t, △n=1200×1.5×π/180 s-2, △t=0.25, ε=125.66 s-2 加速力矩Ma=J3∑ε×10-2=1.42 N·cm，M0=0.023 N·cm，Mkf=0.045 N·cm，则空载启动力矩为

MkqMaMkfM0＝1.49 N·cm 空载启动频率为 fq=1200Hz

满足要求。启动时间为△t=（0.025+0.05）×2+0.25=0.85s。 （4）运行矩频特性校核[10]

快速进给vmax=50mm/s，快速进给力矩MKJ=Mkf+M0，其中M0=0.023 N·cm；Mkf为快速进给时折算到电机轴上的摩擦力矩，本课题不同于工作台进给系统，Mkf较小，设Mkf=2M0=0.045 N·cm，因此，电机快速进给力矩MKJ=0.068 N·cm，电机快速运行频率fKJ=3600Hz，满足要求。

工作进给vGJ=40mm/s，工作进给力矩MGJ=Mt+M0+Mf。M0=0.025 N·cm，Mf=0.045 N·cm，Mt为工作负载折算到电机轴上的力矩Mt=FmL0／2πηi，Fm=5.38N，L0=0.5cm，η=0.8，i=1.5，Mt=0.36 N·cm，则MGJ=0.42N·cm。电机工作进给频率fGJ=vGJ／δP=40／0.01388=2880Hz。

因此，电机工作进给力矩MGJ=0.42 N·cm，电机工作进给频率fGJ=2880Hz，满足要求。

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2.2.7球面SCARA机器人外形图

图2-7 球面SCARA机器人外形图

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3 Pro/E软件简介[11]

Proe是美国PTC公司旗下的产品Pro/Engineer软件的简称。Pro/E（Pro/Engineer操作软件）是美国参数技术公司（Parametric Technology Corporation，简称PTC）的重要产品。是一款集CAD/CAM/CAE功能一体化的综合性三维软件，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的CAD/CAM软件之一。

1. proe的概述

在中国也有很多用户直接称之为“破衣”。1985年，PTC公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。1988年，V1.0的Pro/ENGINEER诞生了。经过10余年的发展，Pro/ENGINEER已经成为三维建模软件的领头羊。目前已经发布了Pro/ENGINEER WildFire6.0（中文名野火6)。PTC的系列软件包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。Pro/ENGINEER还提供了全面、集成紧密的产品开发环境。是一套由设计至生产的机械自动化软件，是新一代的产品造型系统，是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能的综合性MCAD软件。

2. proe的特点和优势 经过20多年不断的创新和完善，pore现在已经是三维建模软件领域的领头羊之一，它具有如下特点和优势：

参数化设计和特征功能 Pro/Engineer是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。

单一数据库 Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不象一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何 一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。

例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。

全相关性：Pro/ENGINEER的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新

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所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。

基于特征的参数化造型：Pro/ENGINEER使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。例如：设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。

装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。通过给这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何属性），然后修改参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。

数据管理：加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了Pro/ENGINEER独特的全相关性功能，因而使之成为可能。 装配管理：Pro/ENGINEER的基本结构能够使您利用一些直观的命令，例如“啮合”、“插入”、“对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受。

易于使用：菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项，同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得容易学习和使用。

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4 工业机器人运行时应采取的安全措施[12]

机器人的运行特性与其他设备不同。机器人以高能掠过比其机座大的空间，机器人手臂的运动形式和启动很难预料，且可能随生产和环境条件而改变。

在机器人驱动器通电情况下，维修及编程人员有时需要进入其限定空间。且机器人限定空间之间或其他相关设备的工作区之间可能相互重叠而产生碰撞，挤压或由于夹持器松脱而使工件飞出等危险。 4.1 安全要求

安全防护措施的选择和设计应考虑机器人的应用、类型及与其他相关设备的关系，该设计和选择必须适合正在进行的工作，并且使得示教编程、设定、维护、程序验证及故障查找要求设备布局紧凑时，也能安全操作。

基本要求：

a为防止机器人误动作产生的危险性，应具有异常状态检测、显示、报警、紧急停机等安全防护功能。

b为防止其他人员误入危险区，应具有异常检测、显示、报警、紧急停机等安全防护功能。

c附属设备发生故障时，应具有异常检测、显示、报警、紧急停机等安全防护功能。

d由于机器人系统的故障而停机时，应具有显示、通知外部的功能。 e为确保在危险区进行示教作业的安全性，机器人应具有安全动作速度的功能，机器人慢速运动的最大值不超过0.25m/s。

f在特殊环境中使用的机器人，应具有适应环境的安全防护功能。 g控制装置面板上各操作键应设动作方向标记，与操作机各轴动作方向标记相一致。

h控制装置与操作机上要有醒目的安全标志。

i机器人系统、动力装置等都要分别设置可靠的接地端子。 4.2 实施方法

在设计和布置机器人系统时，为使操作员、编程员和维修人员能得到恰当地安全防护，应按照机器人制造厂的规范进行。为确保机器人及其系统与预期的运行状态相一致，则应评价分析所有的环境条件，包括爆炸性混合物、腐蚀情况、湿度、污染、温度、电磁干扰(EMI)、射频干扰(RFI)和振动等是否符合要求，否则应采取相应的措施。

为了减小已知的危险和保护各类工作人员的安全，在设计机器人系统时，应根据机器人系统的作业任务及各阶段操作过程的需要和风险评价的结果，选择合适的安全防护装置。所选用的安全防护装置应按制造厂的说明进行使用和

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球面SCARA机器人机械部分设计

安装。

5 结论

毕业设计是本科学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，我的课题是对球面SCARA机器人机械部分设计，机械部分结构设计包括确定机器人的外形尺寸和工作空间，拟定机器人各环节的总体传动方案和主要技术参数的确定，以及三个自由度轴的校核。

通过这次完整的设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，锻炼了我综合运用所学的专业基础知识以及解决实际问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升。这是我们都希望看到的也正是我们进行毕业设计的目的所在。

在这次毕业设计中，我的老师袁健给了我很大的帮助，还有我的同学，在此，谢谢他们！

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参考文献

[1]吴振彪，胡均安.机电综合设计指导[M]. 北京：中国人民大学出版社,2000.

[2]蔡自兴.机器人学基础[M]. 北京：机械工业出版社，2009. [3]赵冬斌.全方位移动机器人导论[M].北京：科学出版社，2010. [4]王天然.机器人[M].北京：化学工业出版社，2002.

[5]张铁，谢存禧.机器人学[M].广州：华南理工大学出版社，2001. [6]张建明.机电一体化系统设计[M].北京：高等教育出版社，2004. [7]徐瀚.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2002.

[8]叶昌伟.机械工程及自动化简明设计手册[M].北京：化学工业出版社，2003.

[9]城井田胜仁.轻轻松松制作机器人[M].北京：科学出版社，2010. [10]霍伟.机器人动力学与控制[M].北京：高等教育出版社，2004.

[11]柳红义，宋伟刚.机器人技术基础[M].北京：冶金工业出版社，2002. [12]吴正彪，王正家.工业机器人[M].武汉：华中科技大学出版社，2006.

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致 谢

本学位论文是在我的指导老师袁健老师的亲切关怀与细心指导下完成的。从课题的选择到论文的最终完成，袁健老师始终都给予了细心的指导和不懈的支持。值得一提的是，袁健老师宅心仁厚，闲静少言，不慕荣利，对学生认真负责，在他的身上，我们可以感受到一个学者的严谨和务实，这些都让我们获益菲浅，并且将终生受用无穷。毕竟“经师易得，人师难求”，希望借此机会向袁健老师表示最衷心的感谢。

最后要感谢的是我的父母，他们不仅培养了我对中国文化的浓厚的兴趣，让我在漫长的人生旅途中使心灵有了虔敬的归依，而且也为我能够顺利的完成毕业论文提供了巨大的支持与帮助。在未来的日子里，我会更加努力的学习和工作，不辜负父母对我的殷殷期望！我一定会好好孝敬和报答他们！

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附 录

序号 图名 1 球面SCARA机器人装配图 2 大臂 3 小臂 4 大臂部装图 5 小臂部装图 6 工件支承座 7 小臂电机安装板 8 轴承端盖 9 球面SCARA机器人三维图册

21 纸型 A0 A1 A2 A1 A1 A3 A3 A4 一份