電子元器件裝配機器人的制作方法
專利名稱:電子元器件裝配機器人的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種電子元器件裝配機器人，包括機箱底座；所述機箱機身安裝在機箱底座上，機箱機身內安裝有第一步進電機，第一步進電機與減速器連接，減速器與機身輸出軸連接，機身輸出軸與大臂連接，大臂上安裝有第二步進電機，第二步進電機上安裝有第一帶輪，第一帶輪通過第一同步帶與安裝在同步帶輪軸上的第三帶輪聯動，同步帶輪軸上還安裝有通過第二同步帶與第四帶輪聯動的第二帶輪，第四帶輪安裝在大臂輸出軸上，大臂輸出軸與小臂連接，小臂的側部安裝有絲杠箱體，絲杠箱體的上部設有安裝有第三步進電機的箱體，第三步進電機與絲杠軸連接；本實用新型能滿足市場需求、降低產品成本、縮短產品生命周期、提高市場競爭能力。
【專利說明】
電子元器件裝配機器人
技術領域
[0001] 本實用新型涉及機器人領域，具體是一種電子元器件裝配機器人。
【背景技術】
[0002] 隨著科學技術的發(fā)展，電子產品的集成度越來越高，在加工過程中，需要對其進行 精確的裝配以保障無故障，同時在對電子元器件進行裝配加工過程中應盡量保證裝配靈活 度和精準度，以提高產品質量;我國現有主要生產工業(yè)機器人廠家生產規(guī)模較小，這與當前 市場需求有較大差距，不能滿足市場需求。 【實用新型內容】
[0003] 本實用新型的目的在于提供一種生產成本低，運行可靠、效率高的電子元器件裝 配機器人，以解決上述【背景技術】中提出的問題。
[0004] 為實現上述目的，本實用新型提供如下技術方案：
[0005] -種電子元器件裝備機器人，包括機箱底座、機箱機身、大臂、小臂和絲杠箱體;所 述機箱機身通過螺釘安裝在機箱底座上，機箱機身內下部安裝有第一電機支架，第一電機 支架上安裝有第一步進電機，第一步進電機的輸出軸與第一聯軸器連接，第一聯軸器與減 速器連接，所述減速器安裝在減速器支架上，減速器與第二聯軸器連接，第二聯軸器與機身 輸出軸連接，機身輸出軸外由內之外依次套設有第二套筒、第一套筒和軸承支架，第一套筒 與第二套筒之間的兩端均安裝有角接觸球軸承;機身輸出軸通過螺栓與大臂上部固定連 接，大臂下部設置有第二電機支架，第二電機支架上安裝有第二步進電機，第二步進電機的 輸出軸上安裝有第一帶輪，第一帶輪通過第一同步帶與第三帶輪聯動，第三帶輪中心安裝 有同步帶輪軸，同步帶輪軸上還安裝有第二帶輪，同步帶輪軸的兩端部分別安裝有第一軸 承端蓋和第二軸承端蓋，第一軸承端蓋與第三帶輪之間的同步帶輪軸外套設有第三套筒， 第二軸承端蓋與第二帶輪之間的同步帶輪軸外套設有第四套筒;所述第二帶輪通過第二同 步帶與第四帶輪聯動，第四帶輪安裝在大臂輸出軸上，大臂輸出軸的兩端分別通過螺母安 裝在小臂上部和小臂下部，大臂輸出軸上安裝有第三軸承端蓋，第四帶輪下部的大臂輸出 軸外套設有第五套筒;小臂的側部安裝有絲杠箱體，絲杠箱體的上部安裝有箱體，箱體上安 裝有第一端蓋，所述箱體上安裝有第三步進電機，第三步進電機的輸出軸與設置在箱體內 的第三聯軸器連接，第三聯軸器與絲杠軸連接，所述絲杠軸與第三聯軸器連接的一端設置 有第四軸承端蓋，第四軸承端蓋安裝在箱體的支架上，絲杠軸外套設有第六套筒;所述絲杠 箱體內安裝有光桿，光桿的兩端均套設有橡皮套，光桿上安裝有絲杠螺母，絲杠螺母在絲杠 軸上滑動設置，絲杠軸的下部插入空心軸中，空心軸穿出絲杠箱體的底部，絲杠箱體的底部 安裝有第二端蓋。
[0006] 作為本實用新型進一步的方案:所述機箱底座通過地腳螺釘固定在地面上。
[0007] 作為本實用新型再進一步的方案:所述第一聯軸器與第一步進電機之間、第二聯 軸器與減速器之間、第三聯軸器與第三步進電機之間均安裝有緊頂螺釘和鍵銷組合。
[0008] 作為本實用新型再進一步的方案:所述第一電機支架、減速器支架均通過螺栓-螺 母-墊片固定在機箱機身上，第二電機支架通過螺栓-螺母-墊片固定在大臂上。
[0009] 作為本實用新型再進一步的方案:所述第三套筒與第二軸承端蓋之間、第四套筒 與第一軸承端蓋之間、大臂輸出軸與大臂之間、第六套筒與絲杠箱體之間均安裝有角接觸 球軸承。
[0010] 作為本實用新型再進一步的方案:所述減速器為諧波減速器。
[0011] 與現有技術相比，本實用新型的有益效果是:本實用新型的目的是用于電子元件 的裝配，能滿足相應的市場需求、降低產品成本、縮短產品生命周期、提高市場競爭能力;本 實用新型的裝配機器人結構簡單、緊湊，通過設置機身、大臂、小臂及絲桿螺母，利用步進電 機、同步帶實現各部件間幾個關節(jié)點的連動，運行可靠、經濟合理，能充分滿足日益增長的 電子元器件加工需求。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本實用新型的結構示意圖。
[0013]其中，1-機箱底座；2-機箱機身；3-第一電機支架;4-第一聯軸器;5-減速器支架； 6_第二聯軸器;7-軸承支架;8-第一套筒;9-第二套筒；10-機身輸出軸；11-大臂上部；12-大 臂下部；13-第二電機支架；14-第一帶輪;15-第一同步帶；16-第一軸承端蓋;17-第三套筒； 18-第二軸承端蓋；19-第四套筒;20-第二帶輪;21-第三帶輪;22-第二同步帶；23-小臂上 部;24-第四帶輪;25-大臂輸出軸;26-第三軸承端蓋;27-第五套筒;28-小臂下部;29-第一 端蓋;30-箱體;31-第三聯軸器;32-第四軸承端蓋;33-支架;34-絲杠軸;35-第六套筒;36-橡皮套；37-光桿;38-絲杠箱體;39-絲杠螺母;40-空心軸;41-第二端蓋;42-同步帶輪軸； 43-地腳螺釘;44-第一步進電機;45-第二步進電機;46-第三步進電機;47-螺釘;48-減速 器;49-角接觸球軸承。
【具體實施方式】
[0014] 下面結合【具體實施方式】對本專利的技術方案作進一步詳細地說明。
[0015] 請參閱圖1，一種電子元器件裝備機器人，包括機箱底座1、機箱機身2、大臂、小臂 和絲杠箱體38;所述機箱底座1通過地腳螺釘43固定在地面上，機箱機身2通過螺釘47安裝 在機箱底座1上，機箱機身2內下部安裝有第一電機支架3,第一電機支架3上安裝有第一步 進電機44，第一步進電機44的輸出軸與第一聯軸器4連接，第一聯軸器4與減速器48連接，所 述減速器48安裝在減速器支架5上，減速器48與第二聯軸器6連接，第二聯軸器6與機身輸出 軸10連接，機身輸出軸10外由內之外依次套設有第二套筒9、第一套筒8和軸承支架7,第一 套筒8與第二套筒9之間的兩端均安裝有角接觸球軸承49;機身輸出軸10通過螺栓與大臂上 部11固定連接，大臂下部12設置有第二電機支架13,第二電機支架13上安裝有第二步進電 機45,第二步進電機45的輸出軸上安裝有第一帶輪14,第一帶輪14通過第一同步帶15與第 三帶輪21聯動，第三帶輪21中心安裝有同步帶輪軸42,同步帶輪軸42上還安裝有第二帶輪 20,同步帶輪軸42的兩端部分別安裝有第一軸承端蓋16和第二軸承端蓋18,第一軸承端蓋 16與第三帶輪21之間的同步帶輪軸42外套設有第三套筒17,第二軸承端蓋18與第二帶輪20 之間的同步帶輪軸42外套設有第四套筒19;所述第二帶輪20通過第二同步帶22與第四帶輪 24聯動，第四帶輪24安裝在大臂輸出軸25上，大臂輸出軸25的兩端分別通過螺母安裝在小 臂上部23和小臂下部28,大臂輸出軸25上安裝有第三軸承端蓋26,第四帶輪24下部的大臂 輸出軸25外套設有第五套筒27;小臂的側部安裝有絲杠箱體38,絲杠箱體38的上部安裝有 箱體30，箱體30上安裝有第一端蓋29，所述箱體30上安裝有第三步進電機46，第三步進電機 46的輸出軸與設置在箱體30內的第三聯軸器31連接，第三聯軸器31與絲杠軸34連接，所述 絲杠軸34與第三聯軸器31連接的一端設置有第四軸承端蓋32,第四軸承端蓋32安裝在箱體 30的支架33上，絲杠軸34外套設有第六套筒35;所述絲杠箱體38內安裝有光桿37，光桿37的 兩端均套設有橡皮套36，光桿37上安裝有絲杠螺母39，絲杠螺母39在絲杠軸34上滑動設置， 絲杠軸34的下部插入空心軸40中，空心軸40穿出絲杠箱體38的底部，絲杠箱體38的底部安 裝有第二端蓋41。
[0016]所述減速器48為諧波減速器。
[0017] 第一聯軸器4與第一步進電機44之間、第二聯軸器6與減速器48之間、第三聯軸器 31與第三步進電機46之間均安裝有緊頂螺釘和鍵銷組合。
[0018] 第一電機支架3、減速器支架5均通過螺栓-螺母-墊片固定在機箱機身2上，第二電 機支架13通過螺栓-螺母-墊片固定在大臂上。
[0019] 第三套筒17與第二軸承端蓋18之間、第四套筒19與第一軸承端蓋16之間、大臂輸 出軸25與大臂之間、第六套筒35與絲杠箱體38之間均安裝有角接觸球軸承。
[0020] 本實用新型的工作原理是:本實用新型中，機器人四個關節(jié)均選用步進電機驅動， 大臂轉動采用諧波減速器48作為減速機構；小臂轉動采用二級同步齒形帶減速;腕部升降 采用絲杠螺母39傳動;手腕轉動用第三步進電機46直接驅動。
[0021] 本實用新型中，第一個關節(jié)傳動采用的諧波減速器具有小體積、大轉矩、高減速比 的優(yōu)點；第二個關節(jié)采用了同步齒形帶的傳動結構，可以獲得較大的輸出轉矩;第三關節(jié)采 用絲杠螺母39傳動從而把旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動，并且具有自鎖功能;在第二自由度軸 上下兩端用兩塊合金板將小臂與大臂連接在一起，完成整體結構的設計。
[0022]空心軸40末端可連接機械手，機械手的末端執(zhí)行器可以是手爪、焊接機、吸盤等 等，根據實際不同需要可以采用不同類型的的執(zhí)行器;本實用新型是用于電子元器件的裝 配機器人，所接觸的物件是比較小、體積不大、表面平整的電子元器件，選擇采用較為實用 和便捷的真空吸盤作為末端的執(zhí)行器。
[0023]本實用新型中，機器人的具體實施例技術參數如下：
[0024] 1.大臂的第一和第二關節(jié)軸之間的距離為348mm，質量標記為Ml，約為4kg，重心在 距離第一關節(jié)軸143mm處，Ll = 143mm;
[0025] 2.小臂的第二和第三關節(jié)軸之間的距離為194mm，質量標記為M2,約為lkg，重心在 距第二關節(jié)軸 97mm 處，L2 = 348+97 = 445mm;
[0026] 3.腕部升降裝置及最大物重合計標記為M3,約為4kg，重心在距第二關節(jié)軸194mm 處，L3 = 348+194 = 542mm，小臂重心距第二關節(jié)軸的水平距離L4 = 97mm，腕部重心距第二關 節(jié)軸的水平距離L5 = 194mm;
[0027] 本實用新型的機器人性能參數如下：
[0028] 大臂回轉：±90°，30°/s;
[0029] 小臂回轉：±60。，15。/s;
[0030] 手腕升降：120mm，30mm/s;
[0031] 手腕回轉：±180。，6〇Vs;
[0032] 負載重量：19·6Ν。
[0033] 1.本實用新型中，各自由度步進電機的選擇如下：
[0034] 本實用新型的機器人，前兩個自由度是平面旋轉，若軸承是光滑的，則旋轉所需的 靜轉矩比較小，因為將臂伸開呈一條直線時轉動慣量最大，所以在旋轉開始時可產生步進 電機的轉矩不足;設兩臂及手腕繞各自重心軸的轉動慣量分別為；1、；2、兀3，根據平行軸 定理可得繞第一關節(jié)軸的轉動慣量為：
[0035] Jl = Jg1+MiLi2+Jg2+M2L22+Jg3+M3L32 ；
[0036] 其中：]/11、]/12、]/0分別為41^、11^、41^;1^1、1^2、1^3分別為143111111、445111111、542111111 ;凡1< <M1L12、JG2< <M2L22、JG3< <M3L32，故可忽略不計，所以繞第一關節(jié)軸的轉動慣量為： [0037 ] Ji=MiLi2+M2L22+M3L32 ；
[0038] Ji = 4 X 0.1432+1 X 0.4452+4 X 0.5422
[0039] Ji = 1,46kg · m2
[0040] 同理可得小臂及腕部繞第二關節(jié)軸的轉動慣量：
[0041 ] M2 = lKg，L4 = 97mm;M3 = 4Kg，L5 = 194mm。
[0042] j2=m2L42+M3L52;
[0043] J2=1 X0.0972+4X 0.1942
[0044] J2 = 0.16kg · m2
[0045] 1)第一自由度步進電機的選擇
[0046] 設大臂速度為ω : = 30°/s，則旋轉開始時的轉矩可表示如下：
[0047] T = Jx.(0
[0048] 式中：T-旋轉開始時轉矩N.m; J-轉動慣量kg.m2;:-角加速度rad/s2
[0049] 使機器人大臂從〇〇 = 〇到(〇1 = 30°/8所需的時間為：六七=0.18則：
[0051] 若考慮繞機器人手臂的各部分重心軸的轉動慣量及摩擦力矩，則旋轉開始時的啟 動轉矩可假定為lON.m，取安全系數為2,則諧波減速器所需輸出的最小轉矩為：
[0052] Toi = 2T = 2X15 = 20N.m；
[0053] 選擇諧波減速器：型號:XB3-50-120,即XB3型扁平式諧波減速器:額定輸出轉矩： 20N.m ;減速比：il = 120;
[0054] 設諧波減速器的的傳遞效率為:n = 90%，步進電機應輸出力矩為：
[0056] 選擇BF反應式步進電機，型號:55BF003，靜轉矩:0.686N.m，步距角：1.5° ;
[0057] 2)第二自由度步進電機的選擇
[0058] 原理同上，設小臂轉速ω 2 = 15° /s，角速度從0加到ω 2所需加速時間Δ t = 0.2s，則 同步帶應輸出轉矩為：
[ΟΟ?Ο]設安全系數為2，同步帶減速比i = 10，同步帶傳動采用單級傳動，傳動效率為:n = 85%，則電機所需輸出力矩為：
[0062] 選擇反應式步進電機型號:45BF005II，靜轉矩:0.196N.m，步距角：1.5° ;
[0063] 3)第三自由度步進電機的選擇
[0064]絲杠螺母傳動，實現腕部的升降，設絲杠軸向承載總和為:Q = 35N，絲杠基本參數選 擇:螺距:P=2mm、公稱直徑:d = 10mm、摩擦系數:f = 0.1、螺旋升角為
[0065] 當量摩擦角為:P=arctg;l^ =5.911°，螺紋阻力矩為： 螺紋所受摩擦力矩
[0066] 式中：f-摩擦系數，取0.1; Dm-支撐面平均直徑，取螺母內外徑的一半，即（10+40)/ 2 = 25_;絲杠所受力矩為阻力矩與摩擦力矩之和，即：
[0067] T = Ti+T2 = 0.078N · m；
[0068] 安全系數取2，則電機所需輸出的最小轉矩為：
[0069] T〇ut3 = 2T = 2X0.078 = 0.156N.m；
[0070] 選擇反應式步進電機型號:70BF003,靜轉矩:0.784N.m，步距角：1.5° ;
[0071 ] 4)第四自由度步進電機的選擇
[0072]腕部旋轉直接用步進電機驅動，設手爪及物體的最大當量半徑為R=50mm，則轉動 慣量為：
[0074] 式中:m-手爪及物體總重量，設為3kg，代入數據:J3 = 0 · 00375kg · m2;
[0075] 設轉速為：ω3 = 60°/s，加速時間Δ t = 0.1 s，得電機輸出轉矩為：
[0077] 選擇電機型號:36BF003，靜轉矩:0 · 078N·m，步距角：1 · 5°。
[0078] 2.本實用新型實施例中第一自由度軸傳動系統的計算與校核：
[0079] 1)第一自由度軸的等效轉動慣量的計算
[0080] z方向的轉動慣量為Jzz = 14600kg. cm2;
[0081 ]由估算知諧波減速器轉動慣量Jx~4kg. cm2，從資料查得55BF003步進電機轉子慣 量為JD1=0.617kg.cm2,因此，自由度Θ1傳動系統上所有慣量折算到電機軸上的等效轉動 慣量為：
[0082] JiE = JDi+Jx/2+Jx/2i2+Jzz/i2
[0083]式中：Jdi為電機軸的轉子慣量;Jx/2為諧波減速器慣量之半(輸入部分）的和;Jx/ 2i2為諧波減速器慣量之半(輸出部分)折算到電機軸時除以i2;Jzj：/2i2為Z方向上的轉動慣 量Jzz折算到電機軸時除以i2，根據初選的i = 120，則Jie = 3.63kg. cm2;
[0084] 2)第一自由度步進電機Ml的校核
[0085]電機空載啟動力矩為：
[0086] Mkq=Mka+Mkf+Mo；
[0087] 因為本實用新型中第一自由度沒有采用滾珠絲杠副傳動，所以絲杠預緊附加摩擦 力矩等于零，即M0 = 0,設摩擦力矩可忽略不計，則僅剩加速力矩項UP
[0090]式中：傳動系統各部件慣量折算到電機軸上的總等效轉動慣量J1E = 3.63kg. cm2; 運動部件最大快進速度vmax = 30°/s = 1800°/min;運動部件從靜止啟動加速到最大快進速 度所需的時間t = 0.1 s;電機最大轉速為：
[0092] 貝 lJ:Mka = JiEe = 22.796N.cm = 0.228N.m;
[0093] Mkq^Mka = 0.228N.m；
[0094] 電機名義啟動力矩Mmq = XMj max，三相六拍運行λ = 〇.866,通過查表得電機最大靜 轉矩Mj 脆x = 0.686N.m，所以M_ = 0.686X0.866 = 0.594N.m;
[0095] Mkq<Mmq，初選電機滿足最大靜轉矩校核要求。
[0096] 3.本實用新型實施例中第二自由度軸傳動系統計算與校核
[0097] 1)第二自由度等效轉動慣量的計算
[0098] z軸的轉動慣量為：
[0099] J2E=M2L42+M3L52 = 0.168kg · m2 = 1680kg · cm2
[0100] 從資料查得45BF005II步進電機轉子慣量為JD2 = 0.137kg.cm2,根據初選的i = 10,則自由度Θ2傳動系統上所有慣量折算到電機軸上的等效轉動慣量為：
[0101 ] J2E = Jd2+Jze/ i2 = 16.937kg. cm2 ；
[0102] 2)第二自由度步進電機的校核
[0103] 電機空載啟動力矩為:Mkq=Mka+Mkf+Mo;
[0104] 因為第二自由度沒有采用滾珠絲杠副傳動，所以絲杠預緊附加摩擦力矩等于零， 即M0 = 0,設摩擦力矩可忽略不計，則僅剩加速力矩項UP
[0107]式中：傳動系統各部件慣量折算到電機軸上的總等效轉動慣量J2j:=16.8kg. cm2; 運動部件最大快進速度vmax= 15°/s = 900°/min;運動部件從靜止啟動加速到最大快進速度 所需的時間t = 0.2s，電機最大轉速為：
[0109] 貝 lJ:Mka = j2Ee = 2.198N.cm = 0.0219N.m;
[0110] Mkq^Mka = 0.0219N.m；
[0111] 電機名義啟動力矩Mmq = AMj max，三相六拍運行λ = 〇.866,通過查表得電機最大靜 轉矩Mj max = 0.196N.m，故：
[0112] Mmq = 0.196X0.866 = 0.170N.m；
[0113] Mkq<Mmq，初選電機滿足最大靜轉矩校核要求。
[0114] 4.第三自由度軸傳動系統的計算與校核
[0115] 1)第三自由度等效轉動慣量的計算
[0116]第三自由度步進電機轉子轉動慣量為:JD3 = 0.5194kg · cm2;
[0117] 絲杠轉動慣量為:JS = 0.78D4LX10-3 = 0·78Χ14Χ24·3Χ10-3 = 0.019kg.cm2;
[0118] 移動質量折算到絲杠軸的等效轉動慣量
[0119] 已知移動件質量為2kg，傳動比i = 1，傳動系統各運動部件慣量折算到電機軸上的 總等效轉動慣量為：
[0120] j3E = jD3+Js+jG = 〇.54kg.cm2；
[0121] 2)第三自由度步進電機的校核
[0122] 電機空載啟動力矩為:Mkq=Mka+Mkf+M〇;
[0124]電機最大轉速為絲杜最大轉速的i倍，即nmax = ins，絲杜最大轉速ns為
[0126] nmax=l X450 = 450r/min，加速時間t = 0. ls，貝ljMka = 2.545N.cm;
[0129] 其中，L〇 = Ο . 2cm;傳動總效率η = 〇 . 8 ;杠未預緊時傳動效率:no = 〇 . 9 ;則MO = 0.09491〇11，空載摩擦力矩很小，設為210，即11^ = 21() = 0.1897卜〇11;因此，空載啟動力矩 為:Mkq = 2 · 545+0 · 0949+0 · 1897 = 2 · 8296N · cm;滿足最大靜轉矩校核，Mkq彡 AMj max = 0 · 866 X 78.4 = 67.89N. cm。
[0130] 5.同步齒形帶傳動設計
[0131] 由上可知，同步帶輸出轉矩為:0.21N.m，輸出轉速為：ω =15°/s，單級傳動效率 為:n = 85%，傳動比i = 10，取安全系數k = 3，則同步帶傳遞功率為：
[0133] 設傳動比分配為：第一級傳動比i 1 = 5，第二級傳動比i2 = 2，帶輪依次為I、II、 III、IV; IV輪車專速:n4= 15。/s = 2· 5r/min; II，III輪車專速:n2 = n3 = iru = 2 X 2· 5 = 5r/min; I 輪車專速:ni = iru = 10 X 2 · 5 = 25r/min;
[0134] 1)求出設計功率pd
[0135] 由文獻查得載荷修正系數k0 = l.6,因未使用張緊輪，又是減速運動，故附加修正 系數均為零，則：
[0136] Pd = k〇p = 1.6X0.23 = 0.384W；
[0137] 2)選擇帶的節(jié)距
[0138] 由Pd = 0.384W和nl = 25r/min，查得帶的節(jié)距代號為)(L，對應的節(jié)距為Pb = 5.08mm；
[0139] 3)確定帶輪直徑和帶節(jié)線長
[0140] 帶輪I最小許用齒數可取10,考慮到制造和安裝等因素，取Zl = 13,則:Z2 = ilZl = 5Z1 = 65;根據標準系列，取Z2 = 60，同理可得:Z3 = 17，Z4 = 40;重新計算傳動比，得到：
[0141] 由公式可以計算各帶輪的直徑為：
[0142] di = PbziA = 21.02mm；
[0143] d2 = PbZ2/π = 97.02mm ；
[0144] d3 = PbZ3A = 27 · 49mm;
[0145] d4=PbZ4/π = 64.68mm ；
[0146] 4)選擇帶長Lp
[0149]代入數據計算可得：
[0151] 同理：LP2 = 742.42mm;
[0152] 按表選擇最接近算值的標準帶長：
[0153] Lpl=406.4mm，代號 160,齒數 80;
[0154] Lp2 = 635mm，代號 250,齒數 125;
[0155] 5)近似計算中心距
[0157] L_中心距mm; Pb_節(jié)距，Pb為5 · 08mm; Zb-帶齒數， ? Zb 1 = 80，Zb2 = 125; Z2、Z1為配合帶輪齒數，則：
[0160] 取整，得到LI = 103mm;同理，M2 = 122 · 555mm; L2 = 244 · 401mm;取整，則L2 = 245mm;
[0161] 6)進行標準帶寬的選擇
[0162] 6.1)小帶輪I齒數Z1 = 13，轉速為nl = 25r/min，由內插法得XL型帶的基準寬度bsO =9.5mm，基準額定功率為P0 = 1.25W;
[0163] 6.2)計算同步帶傳動的嚙合齒數Zm
[0165] 則嚙合系數為:Kz = l-0.2(6-Zm)=0.8;
[0166] 6.3)同步帶寬bs
[0168] 選擇標準帶寬bs = 7.9mm，代號031;
[0170] 6.5)確定額定功率為：卩~1(2&?() = 0.8/0.81/1.25 = 0.98/10-31(1>0.38? = Pd；
[0171] 額定功率大于設計功率，故帶的傳動能力足夠，結果整理如下：
[0172] 兩級同步帶類型均為XL型同步齒型帶，Pb = 5.08mm，帶寬bs = 7.9mm; -級同步帶 齒數：Zpl=80,帶長：Lpl = 402mm，代號160;二級同步帶齒數：Zp2 = 125,帶長：Lp2 = 646.71111111，代號250;各帶輪齒數：21 = 13,22 = 60,23 = 17,24 = 40;各帶輪節(jié)徑：(11 = 21.02mm，d2 = 97 · 02mm，d3 = 27 · 49mm，d4 = 64 · 68mm;傳動中心距：LI = 1 03mm，L2 = 245mm〇
[0173] 6.各輸出軸的設計
[0174] 各軸的材料均選用45號鋼，已知軸的許用扭剪應力[τ ] = 30MPa，由許用應力確定 的系數為C= 120。
[0175] 1)機身輸出軸設計
[0176] 此軸傳遞扭矩T = 20N.m，轉速ω =30°/s，傳遞功率為：
[0179] 與諧波減速器連接部分軸徑最小，由于它承受了大臂、小臂、腕部及負載所帶來的 彎距，另外減速器的軸頸較大，故d的值可取大一些，取d = 30mm;軸承部分Φ =40mm，軸承選 為7208AC GB/292角接觸球軸承；
[0180] 2)大臂輸出軸設計
[0181] 此軸的設計功率為Pd = 0.384W，轉速co=15°/s:
[0183] 最小軸徑在兩臂連接處，有鍵槽，承受一定彎矩，軸徑選用Φ 16,軸承部分選用軸 徑Φ 17，軸承選為單列角接觸球軸承，型號為7003AC GB/292，另外考慮到此軸的軸向定位， 故兩個軸端設計成螺紋狀，通過兩個圓螺母進行軸向的定位與緊固，螺紋直徑為M14;
[0184] 3)帶輪軸設計
[0186] 由于軸上有鍵槽，且承受一定彎矩，故取d = 15mm，軸承處軸頸取為Φ = 12mm，軸承 選為軸承選為單列角接觸球軸承型號為7002AC GB292;
[0187] 4)升降軸設計
[0188] 升降軸上為滾珠絲杠螺母副，故需設計成空心軸，主要承受軸向拉力，取絲杠內徑d= 14mm，絲杜外徑D= 18mm，用兩光杜與一直線軸承導向，絲杜采用一對面對面角接觸球軸承支 撐，軸承部分軸徑選用Φ 12，軸承型號為7201AC GB/292，光桿采用Φ 5鋼棒，與升降軸同一平
面平行放置，已知絲杠傳遞扭矩T = 0.078N.m，則光杠所受圓周力為：
光杜所受徑向力為： 光杜燒度最大值 9
[0189] 式中：L為光杠長度，L = 120mm; E為彈性模量，E = 200Gpa; I為-慣性矩，
[0190]將數據代入得：
[0191] 由變形量可知，光杠變形較小，剛 f 度足夠。
[0192] 7.滾珠絲杠副校核
[0193] 滾珠絲杠副初選為外循環(huán)插管式，預緊方式為雙螺母墊片式預緊，導珠管埋入式， 公稱直徑dm= 10mm，導程(螺距)L0 = 2mm，螺紋旋向為右旋，定位滾珠絲杜副，精度等級為3 級，絲杠螺紋長度157mm，絲杠總長度L = 234mm，滾珠絲杠副型號VFC(Z)1002-2.5。
[0194] 1)最大工作載荷計算
[0195] 絲杜軸向承載總和為:Fz = 35N，沿Z軸方向，即絲杜軸向，滾珠絲杜副的進給牽引 力，即最大工作載荷Fm為Fm=Fz+fFy，設橫向工作載荷為:Fy = 0.5，Fz = 17.5N;導桿和軸套 之間的摩擦系數f = 0.15，絲杠最大工作載荷為:Fm= 35+0.15 X 17.5 = 37.625N;
[0196] 2)最大動負載C的計算與校核
[0197] 滾珠絲杠最大動負載為:= .
[0198] 式中：L為工作壽命，L = 60nt/106;n為絲杠轉速，n = 1000v/L0;v為最大切削力條 件下的進給速度(m/min)，最高進給速度vmax = 30mm/s = l .8m/min，故：
[0200] t為額定使用壽命(h)，取t = 15000h;fm為運轉狀態(tài)系數，無沖擊取1.2，
[0201] L = 60 X 450 X 15000/106 = 403h
[0202] 查得型號VFC(Z)1002-2.5的滾珠絲杠副的額定動負載Ca=10470N，Ca>C，可知動 負載校核足夠，余度很大；
[0203] 3)傳動效率計算
[0204]
根據初選滾珠絲杠型號從表中查得螺旋升角λ = 3°4Υ，摩擦角 爐=10'，則η = tg3。49' /tg3。59' = 0 · 96，傳動效率較高。
[0205] 4)剛度計算
[0206] 絲杠的拉壓變形量：
式中：Fm為絲杠的工作載荷(N);L為滾珠絲 杠在支承間的受力長度，取1^=157臟$ = 20.6/10410^;絲杠底徑(11近似于外徑與滾珠直 徑之差，即dl = d_dw，絲杜外徑d = d〇-〇. 2dw，絲杜公稱直徑已知d0 = 10mm，滾珠直徑dw由表 查得 dw = 1.587mm，絲杜底徑dl = 9.682-1.587 = 8.095mm，則截面積為：
[0207] A = 3t(8.095)74 = 51.466mm2,
[0208] 于是拉壓變形量為：δ: = 37 ·625 X 157/(20 ·6 X 104X 51 · 466) =0 · 626 X 10-4mm;
[0209] 該變形量可忽略不計，因工作載荷很小，滾道接觸變形量從略；
[0210] 5)絲杠穩(wěn)定性驗算
[0211] 絲杠臨界壓縮載荷
[0212] 式中，E為絲杠材料彈性模量，對于鋼:E = 20.6 X 104MPa; I為慣性截面矩，對絲杠 圓截面/ = -//64 = 210.8^^24，其中dl為絲杠底徑;L為絲杠最大工作長度，L=157mm;fz為 絲杠支承方式系數，采用一端固定一端自由的支撐方式，fz = 〇. 25;得：
[0213] pc = 〇 · 25π2 X 20 · 6 X 104 X 210 · 8/1572 = 0 · 435 X 104N;取絲杜穩(wěn)定安全系數 nw = 4， 則：
[0215]上面對本專利的較佳實施方式作了詳細說明，但是本專利并不限于上述實施方 式，在本領域的普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以在不脫離本專利宗旨的前提下 作出各種變化。
【主權項】
1. 電子元器件裝配機器人，包括機箱底座（1)、機箱機身（2)、大臂、小臂和絲杠箱體 (38);其特征在于:所述機箱機身（2)通過螺釘(47)安裝在機箱底座（1)上，機箱機身(2)內 下部安裝有第一電機支架(3)，第一電機支架(3)上安裝有第一步進電機(44)，第一步進電 機(44)的輸出軸與第一聯軸器(4)連接，第一聯軸器(4)與減速器(48)連接，所述減速器 (48)安裝在減速器支架(5)上，減速器(48)與第二聯軸器(6)連接，第二聯軸器(6)與機身輸 出軸（10)連接，機身輸出軸（10)外由內之外依次套設有第二套筒(9)、第一套筒(8)和軸承 支架(7)，第一套筒(8)與第二套筒(9)之間的兩端均安裝有角接觸球軸承(49);機身輸出軸 (10)通過螺栓與大臂上部（11)固定連接，大臂下部（12)設置有第二電機支架（13)，第二電 機支架（13)上安裝有第二步進電機(45)，第二步進電機(45)的輸出軸上安裝有第一帶輪 (14)，第一帶輪（14)通過第一同步帶（15)與第三帶輪(21)聯動，第三帶輪(21)中心安裝有 同步帶輪軸(42)，同步帶輪軸(42)上還安裝有第二帶輪(20)，同步帶輪軸(42)的兩端部分 別安裝有第一軸承端蓋(16)和第二軸承端蓋(18)，第一軸承端蓋(16)與第三帶輪(21)之間 的同步帶輪軸(42)外套設有第三套筒（17)，第二軸承端蓋(18)與第二帶輪(20)之間的同步 帶輪軸(42)外套設有第四套筒（19);所述第二帶輪(20)通過第二同步帶（22)與第四帶輪 (24)聯動，第四帶輪(24)安裝在大臂輸出軸(25)上，大臂輸出軸(25)的兩端分別通過螺母 安裝在小臂上部(23)和小臂下部(28)，大臂輸出軸(25)上安裝有第三軸承端蓋(26)，第四 帶輪（24)下部的大臂輸出軸（25)外套設有第五套筒（27);小臂的側部安裝有絲杠箱體 (38)，絲杠箱體(38)的上部安裝有箱體(30)，箱體(30)上安裝有第一端蓋(29)，所述箱體 (30)上安裝有第三步進電機(46)，第三步進電機(46)的輸出軸與設置在箱體(30)內的第三 聯軸器(31)連接，第三聯軸器(31)與絲杠軸(34)連接，所述絲杠軸（34)與第三聯軸器(31) 連接的一端設置有第四軸承端蓋(32)，第四軸承端蓋(32)安裝在箱體(30)的支架(33)上， 絲杠軸(34)外套設有第六套筒(35);所述絲杠箱體(38)內安裝有光桿(37)，光桿(37)的兩 端均套設有橡皮套(36)，光桿(37)上安裝有絲杠螺母(39)，絲杠螺母(39)在絲杠軸(34)上 滑動設置，絲杠軸(34)的下部插入空心軸(40)中，空心軸(40)穿出絲杠箱體(38)的底部，絲 杠箱體(38)的底部安裝有第二端蓋(41)。2. 根據權利要求1所述的電子元器件裝配機器人，其特征在于，所述機箱底座（1)通過 地腳螺釘(43)固定在地面上。3. 根據權利要求1所述的電子元器件裝配機器人，其特征在于，所述第一聯軸器(4)與 第一步進電機(44)之間、第二聯軸器(6)與減速器(48)之間、第三聯軸器(31)與第三步進電 機(46)之間均安裝有緊頂螺釘和鍵銷組合。4. 根據權利要求1所述的電子元器件裝配機器人，其特征在于，所述第一電機支架(3)、 減速器支架(5)均通過螺栓-螺母-墊片固定在機箱機身（2)上，第二電機支架（13)通過螺 栓-螺母-墊片固定在大臂上。5. 根據權利要求1所述的電子元器件裝配機器人，其特征在于，所述第三套筒（17)與第 二軸承端蓋（18)之間、第四套筒（19)與第一軸承端蓋（16)之間、大臂輸出軸(25)與大臂之 間、第六套筒(35)與絲杠箱體(38)之間均安裝有角接觸球軸承。6. 根據權利要求1所述的電子元器件裝配機器人，其特征在于，所述減速器(48)為諧波 減速器。
【文檔編號】B25J9/00GK205704153SQ201620332441
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年4月16日
【發(fā)明人】萬育松
【申請人】上海波宏特電器部件有限公司
【專利摘要】本實用新型公開了一種電子元器件裝配機器人，包括機箱底座；所述機箱機身安裝在機箱底座上，機箱機身內安裝有第一步進電機，第一步進電機與減速器連接，減速器與機身輸出軸連接，機身輸出軸與大臂連接，大臂上安裝有第二步進電機，第二步進電機上安裝有第一帶輪，第一帶輪通過第一同步帶與安裝在同步帶輪軸上的第三帶輪聯動，同步帶輪軸上還安裝有通過第二同步帶與第四帶輪聯動的第二帶輪，第四帶輪安裝在大臂輸出軸上，大臂輸出軸與小臂連接，小臂的側部安裝有絲杠箱體，絲杠箱體的上部設有安裝有第三步進電機的箱體，第三步進電機與絲杠軸連接；本實用新型能滿足市場需求、降低產品成本、縮短產品生命周期、提高市場競爭能力。
【專利說明】
電子元器件裝配機器人
技術領域
[0001] 本實用新型涉及機器人領域，具體是一種電子元器件裝配機器人。
【背景技術】
[0002] 隨著科學技術的發(fā)展，電子產品的集成度越來越高，在加工過程中，需要對其進行 精確的裝配以保障無故障，同時在對電子元器件進行裝配加工過程中應盡量保證裝配靈活 度和精準度，以提高產品質量;我國現有主要生產工業(yè)機器人廠家生產規(guī)模較小，這與當前 市場需求有較大差距，不能滿足市場需求。 【實用新型內容】
[0003] 本實用新型的目的在于提供一種生產成本低，運行可靠、效率高的電子元器件裝 配機器人，以解決上述【背景技術】中提出的問題。
[0004] 為實現上述目的，本實用新型提供如下技術方案：
[0005] -種電子元器件裝備機器人，包括機箱底座、機箱機身、大臂、小臂和絲杠箱體;所 述機箱機身通過螺釘安裝在機箱底座上，機箱機身內下部安裝有第一電機支架，第一電機 支架上安裝有第一步進電機，第一步進電機的輸出軸與第一聯軸器連接，第一聯軸器與減 速器連接，所述減速器安裝在減速器支架上，減速器與第二聯軸器連接，第二聯軸器與機身 輸出軸連接，機身輸出軸外由內之外依次套設有第二套筒、第一套筒和軸承支架，第一套筒 與第二套筒之間的兩端均安裝有角接觸球軸承;機身輸出軸通過螺栓與大臂上部固定連 接，大臂下部設置有第二電機支架，第二電機支架上安裝有第二步進電機，第二步進電機的 輸出軸上安裝有第一帶輪，第一帶輪通過第一同步帶與第三帶輪聯動，第三帶輪中心安裝 有同步帶輪軸，同步帶輪軸上還安裝有第二帶輪，同步帶輪軸的兩端部分別安裝有第一軸 承端蓋和第二軸承端蓋，第一軸承端蓋與第三帶輪之間的同步帶輪軸外套設有第三套筒， 第二軸承端蓋與第二帶輪之間的同步帶輪軸外套設有第四套筒;所述第二帶輪通過第二同 步帶與第四帶輪聯動，第四帶輪安裝在大臂輸出軸上，大臂輸出軸的兩端分別通過螺母安 裝在小臂上部和小臂下部，大臂輸出軸上安裝有第三軸承端蓋，第四帶輪下部的大臂輸出 軸外套設有第五套筒;小臂的側部安裝有絲杠箱體，絲杠箱體的上部安裝有箱體，箱體上安 裝有第一端蓋，所述箱體上安裝有第三步進電機，第三步進電機的輸出軸與設置在箱體內 的第三聯軸器連接，第三聯軸器與絲杠軸連接，所述絲杠軸與第三聯軸器連接的一端設置 有第四軸承端蓋，第四軸承端蓋安裝在箱體的支架上，絲杠軸外套設有第六套筒;所述絲杠 箱體內安裝有光桿，光桿的兩端均套設有橡皮套，光桿上安裝有絲杠螺母，絲杠螺母在絲杠 軸上滑動設置，絲杠軸的下部插入空心軸中，空心軸穿出絲杠箱體的底部，絲杠箱體的底部 安裝有第二端蓋。
[0006] 作為本實用新型進一步的方案:所述機箱底座通過地腳螺釘固定在地面上。
[0007] 作為本實用新型再進一步的方案:所述第一聯軸器與第一步進電機之間、第二聯 軸器與減速器之間、第三聯軸器與第三步進電機之間均安裝有緊頂螺釘和鍵銷組合。
[0008] 作為本實用新型再進一步的方案:所述第一電機支架、減速器支架均通過螺栓-螺 母-墊片固定在機箱機身上，第二電機支架通過螺栓-螺母-墊片固定在大臂上。
[0009] 作為本實用新型再進一步的方案:所述第三套筒與第二軸承端蓋之間、第四套筒 與第一軸承端蓋之間、大臂輸出軸與大臂之間、第六套筒與絲杠箱體之間均安裝有角接觸 球軸承。
[0010] 作為本實用新型再進一步的方案:所述減速器為諧波減速器。
[0011] 與現有技術相比，本實用新型的有益效果是:本實用新型的目的是用于電子元件 的裝配，能滿足相應的市場需求、降低產品成本、縮短產品生命周期、提高市場競爭能力;本 實用新型的裝配機器人結構簡單、緊湊，通過設置機身、大臂、小臂及絲桿螺母，利用步進電 機、同步帶實現各部件間幾個關節(jié)點的連動，運行可靠、經濟合理，能充分滿足日益增長的 電子元器件加工需求。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本實用新型的結構示意圖。
[0013]其中，1-機箱底座；2-機箱機身；3-第一電機支架;4-第一聯軸器;5-減速器支架； 6_第二聯軸器;7-軸承支架;8-第一套筒;9-第二套筒；10-機身輸出軸；11-大臂上部；12-大 臂下部；13-第二電機支架；14-第一帶輪;15-第一同步帶；16-第一軸承端蓋;17-第三套筒； 18-第二軸承端蓋；19-第四套筒;20-第二帶輪;21-第三帶輪;22-第二同步帶；23-小臂上 部;24-第四帶輪;25-大臂輸出軸;26-第三軸承端蓋;27-第五套筒;28-小臂下部;29-第一 端蓋;30-箱體;31-第三聯軸器;32-第四軸承端蓋;33-支架;34-絲杠軸;35-第六套筒;36-橡皮套；37-光桿;38-絲杠箱體;39-絲杠螺母;40-空心軸;41-第二端蓋;42-同步帶輪軸； 43-地腳螺釘;44-第一步進電機;45-第二步進電機;46-第三步進電機;47-螺釘;48-減速 器;49-角接觸球軸承。
【具體實施方式】
[0014] 下面結合【具體實施方式】對本專利的技術方案作進一步詳細地說明。
[0015] 請參閱圖1，一種電子元器件裝備機器人，包括機箱底座1、機箱機身2、大臂、小臂 和絲杠箱體38;所述機箱底座1通過地腳螺釘43固定在地面上，機箱機身2通過螺釘47安裝 在機箱底座1上，機箱機身2內下部安裝有第一電機支架3,第一電機支架3上安裝有第一步 進電機44，第一步進電機44的輸出軸與第一聯軸器4連接，第一聯軸器4與減速器48連接，所 述減速器48安裝在減速器支架5上，減速器48與第二聯軸器6連接，第二聯軸器6與機身輸出 軸10連接，機身輸出軸10外由內之外依次套設有第二套筒9、第一套筒8和軸承支架7,第一 套筒8與第二套筒9之間的兩端均安裝有角接觸球軸承49;機身輸出軸10通過螺栓與大臂上 部11固定連接，大臂下部12設置有第二電機支架13,第二電機支架13上安裝有第二步進電 機45,第二步進電機45的輸出軸上安裝有第一帶輪14,第一帶輪14通過第一同步帶15與第 三帶輪21聯動，第三帶輪21中心安裝有同步帶輪軸42,同步帶輪軸42上還安裝有第二帶輪 20,同步帶輪軸42的兩端部分別安裝有第一軸承端蓋16和第二軸承端蓋18,第一軸承端蓋 16與第三帶輪21之間的同步帶輪軸42外套設有第三套筒17,第二軸承端蓋18與第二帶輪20 之間的同步帶輪軸42外套設有第四套筒19;所述第二帶輪20通過第二同步帶22與第四帶輪 24聯動，第四帶輪24安裝在大臂輸出軸25上，大臂輸出軸25的兩端分別通過螺母安裝在小 臂上部23和小臂下部28,大臂輸出軸25上安裝有第三軸承端蓋26,第四帶輪24下部的大臂 輸出軸25外套設有第五套筒27;小臂的側部安裝有絲杠箱體38,絲杠箱體38的上部安裝有 箱體30，箱體30上安裝有第一端蓋29，所述箱體30上安裝有第三步進電機46，第三步進電機 46的輸出軸與設置在箱體30內的第三聯軸器31連接，第三聯軸器31與絲杠軸34連接，所述 絲杠軸34與第三聯軸器31連接的一端設置有第四軸承端蓋32,第四軸承端蓋32安裝在箱體 30的支架33上，絲杠軸34外套設有第六套筒35;所述絲杠箱體38內安裝有光桿37，光桿37的 兩端均套設有橡皮套36，光桿37上安裝有絲杠螺母39，絲杠螺母39在絲杠軸34上滑動設置， 絲杠軸34的下部插入空心軸40中，空心軸40穿出絲杠箱體38的底部，絲杠箱體38的底部安 裝有第二端蓋41。
[0016]所述減速器48為諧波減速器。
[0017] 第一聯軸器4與第一步進電機44之間、第二聯軸器6與減速器48之間、第三聯軸器 31與第三步進電機46之間均安裝有緊頂螺釘和鍵銷組合。
[0018] 第一電機支架3、減速器支架5均通過螺栓-螺母-墊片固定在機箱機身2上，第二電 機支架13通過螺栓-螺母-墊片固定在大臂上。
[0019] 第三套筒17與第二軸承端蓋18之間、第四套筒19與第一軸承端蓋16之間、大臂輸 出軸25與大臂之間、第六套筒35與絲杠箱體38之間均安裝有角接觸球軸承。
[0020] 本實用新型的工作原理是:本實用新型中，機器人四個關節(jié)均選用步進電機驅動， 大臂轉動采用諧波減速器48作為減速機構；小臂轉動采用二級同步齒形帶減速;腕部升降 采用絲杠螺母39傳動;手腕轉動用第三步進電機46直接驅動。
[0021] 本實用新型中，第一個關節(jié)傳動采用的諧波減速器具有小體積、大轉矩、高減速比 的優(yōu)點；第二個關節(jié)采用了同步齒形帶的傳動結構，可以獲得較大的輸出轉矩;第三關節(jié)采 用絲杠螺母39傳動從而把旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動，并且具有自鎖功能;在第二自由度軸 上下兩端用兩塊合金板將小臂與大臂連接在一起，完成整體結構的設計。
[0022]空心軸40末端可連接機械手，機械手的末端執(zhí)行器可以是手爪、焊接機、吸盤等 等，根據實際不同需要可以采用不同類型的的執(zhí)行器;本實用新型是用于電子元器件的裝 配機器人，所接觸的物件是比較小、體積不大、表面平整的電子元器件，選擇采用較為實用 和便捷的真空吸盤作為末端的執(zhí)行器。
[0023]本實用新型中，機器人的具體實施例技術參數如下：
[0024] 1.大臂的第一和第二關節(jié)軸之間的距離為348mm，質量標記為Ml，約為4kg，重心在 距離第一關節(jié)軸143mm處，Ll = 143mm;
[0025] 2.小臂的第二和第三關節(jié)軸之間的距離為194mm，質量標記為M2,約為lkg，重心在 距第二關節(jié)軸 97mm 處，L2 = 348+97 = 445mm;
[0026] 3.腕部升降裝置及最大物重合計標記為M3,約為4kg，重心在距第二關節(jié)軸194mm 處，L3 = 348+194 = 542mm，小臂重心距第二關節(jié)軸的水平距離L4 = 97mm，腕部重心距第二關 節(jié)軸的水平距離L5 = 194mm;
[0027] 本實用新型的機器人性能參數如下：
[0028] 大臂回轉：±90°，30°/s;
[0029] 小臂回轉：±60。，15。/s;
[0030] 手腕升降：120mm，30mm/s;
[0031] 手腕回轉：±180。，6〇Vs;
[0032] 負載重量：19·6Ν。
[0033] 1.本實用新型中，各自由度步進電機的選擇如下：
[0034] 本實用新型的機器人，前兩個自由度是平面旋轉，若軸承是光滑的，則旋轉所需的 靜轉矩比較小，因為將臂伸開呈一條直線時轉動慣量最大，所以在旋轉開始時可產生步進 電機的轉矩不足;設兩臂及手腕繞各自重心軸的轉動慣量分別為；1、；2、兀3，根據平行軸 定理可得繞第一關節(jié)軸的轉動慣量為：
[0035] Jl = Jg1+MiLi2+Jg2+M2L22+Jg3+M3L32 ；
[0036] 其中：]/11、]/12、]/0分別為41^、11^、41^;1^1、1^2、1^3分別為143111111、445111111、542111111 ;凡1< <M1L12、JG2< <M2L22、JG3< <M3L32，故可忽略不計，所以繞第一關節(jié)軸的轉動慣量為： [0037 ] Ji=MiLi2+M2L22+M3L32 ；
[0038] Ji = 4 X 0.1432+1 X 0.4452+4 X 0.5422
[0039] Ji = 1,46kg · m2
[0040] 同理可得小臂及腕部繞第二關節(jié)軸的轉動慣量：
[0041 ] M2 = lKg，L4 = 97mm;M3 = 4Kg，L5 = 194mm。
[0042] j2=m2L42+M3L52;
[0043] J2=1 X0.0972+4X 0.1942
[0044] J2 = 0.16kg · m2
[0045] 1)第一自由度步進電機的選擇
[0046] 設大臂速度為ω : = 30°/s，則旋轉開始時的轉矩可表示如下：
[0047] T = Jx.(0
[0048] 式中：T-旋轉開始時轉矩N.m; J-轉動慣量kg.m2;:-角加速度rad/s2
[0049] 使機器人大臂從〇〇 = 〇到(〇1 = 30°/8所需的時間為：六七=0.18則：
[0051] 若考慮繞機器人手臂的各部分重心軸的轉動慣量及摩擦力矩，則旋轉開始時的啟 動轉矩可假定為lON.m，取安全系數為2,則諧波減速器所需輸出的最小轉矩為：
[0052] Toi = 2T = 2X15 = 20N.m；
[0053] 選擇諧波減速器：型號:XB3-50-120,即XB3型扁平式諧波減速器:額定輸出轉矩： 20N.m ;減速比：il = 120;
[0054] 設諧波減速器的的傳遞效率為:n = 90%，步進電機應輸出力矩為：
[0056] 選擇BF反應式步進電機，型號:55BF003，靜轉矩:0.686N.m，步距角：1.5° ;
[0057] 2)第二自由度步進電機的選擇
[0058] 原理同上，設小臂轉速ω 2 = 15° /s，角速度從0加到ω 2所需加速時間Δ t = 0.2s，則 同步帶應輸出轉矩為：
[ΟΟ?Ο]設安全系數為2，同步帶減速比i = 10，同步帶傳動采用單級傳動，傳動效率為:n = 85%，則電機所需輸出力矩為：
[0062] 選擇反應式步進電機型號:45BF005II，靜轉矩:0.196N.m，步距角：1.5° ;
[0063] 3)第三自由度步進電機的選擇
[0064]絲杠螺母傳動，實現腕部的升降，設絲杠軸向承載總和為:Q = 35N，絲杠基本參數選 擇:螺距:P=2mm、公稱直徑:d = 10mm、摩擦系數:f = 0.1、螺旋升角為
[0065] 當量摩擦角為:P=arctg;l^ =5.911°，螺紋阻力矩為： 螺紋所受摩擦力矩
[0066] 式中：f-摩擦系數，取0.1; Dm-支撐面平均直徑，取螺母內外徑的一半，即（10+40)/ 2 = 25_;絲杠所受力矩為阻力矩與摩擦力矩之和，即：
[0067] T = Ti+T2 = 0.078N · m；
[0068] 安全系數取2，則電機所需輸出的最小轉矩為：
[0069] T〇ut3 = 2T = 2X0.078 = 0.156N.m；
[0070] 選擇反應式步進電機型號:70BF003,靜轉矩:0.784N.m，步距角：1.5° ;
[0071 ] 4)第四自由度步進電機的選擇
[0072]腕部旋轉直接用步進電機驅動，設手爪及物體的最大當量半徑為R=50mm，則轉動 慣量為：
[0074] 式中:m-手爪及物體總重量，設為3kg，代入數據:J3 = 0 · 00375kg · m2;
[0075] 設轉速為：ω3 = 60°/s，加速時間Δ t = 0.1 s，得電機輸出轉矩為：
[0077] 選擇電機型號:36BF003，靜轉矩:0 · 078N·m，步距角：1 · 5°。
[0078] 2.本實用新型實施例中第一自由度軸傳動系統的計算與校核：
[0079] 1)第一自由度軸的等效轉動慣量的計算
[0080] z方向的轉動慣量為Jzz = 14600kg. cm2;
[0081 ]由估算知諧波減速器轉動慣量Jx~4kg. cm2，從資料查得55BF003步進電機轉子慣 量為JD1=0.617kg.cm2,因此，自由度Θ1傳動系統上所有慣量折算到電機軸上的等效轉動 慣量為：
[0082] JiE = JDi+Jx/2+Jx/2i2+Jzz/i2
[0083]式中：Jdi為電機軸的轉子慣量;Jx/2為諧波減速器慣量之半(輸入部分）的和;Jx/ 2i2為諧波減速器慣量之半(輸出部分)折算到電機軸時除以i2;Jzj：/2i2為Z方向上的轉動慣 量Jzz折算到電機軸時除以i2，根據初選的i = 120，則Jie = 3.63kg. cm2;
[0084] 2)第一自由度步進電機Ml的校核
[0085]電機空載啟動力矩為：
[0086] Mkq=Mka+Mkf+Mo；
[0087] 因為本實用新型中第一自由度沒有采用滾珠絲杠副傳動，所以絲杠預緊附加摩擦 力矩等于零，即M0 = 0,設摩擦力矩可忽略不計，則僅剩加速力矩項UP
[0090]式中：傳動系統各部件慣量折算到電機軸上的總等效轉動慣量J1E = 3.63kg. cm2; 運動部件最大快進速度vmax = 30°/s = 1800°/min;運動部件從靜止啟動加速到最大快進速 度所需的時間t = 0.1 s;電機最大轉速為：
[0092] 貝 lJ:Mka = JiEe = 22.796N.cm = 0.228N.m;
[0093] Mkq^Mka = 0.228N.m；
[0094] 電機名義啟動力矩Mmq = XMj max，三相六拍運行λ = 〇.866,通過查表得電機最大靜 轉矩Mj 脆x = 0.686N.m，所以M_ = 0.686X0.866 = 0.594N.m;
[0095] Mkq<Mmq，初選電機滿足最大靜轉矩校核要求。
[0096] 3.本實用新型實施例中第二自由度軸傳動系統計算與校核
[0097] 1)第二自由度等效轉動慣量的計算
[0098] z軸的轉動慣量為：
[0099] J2E=M2L42+M3L52 = 0.168kg · m2 = 1680kg · cm2
[0100] 從資料查得45BF005II步進電機轉子慣量為JD2 = 0.137kg.cm2,根據初選的i = 10,則自由度Θ2傳動系統上所有慣量折算到電機軸上的等效轉動慣量為：
[0101 ] J2E = Jd2+Jze/ i2 = 16.937kg. cm2 ；
[0102] 2)第二自由度步進電機的校核
[0103] 電機空載啟動力矩為:Mkq=Mka+Mkf+Mo;
[0104] 因為第二自由度沒有采用滾珠絲杠副傳動，所以絲杠預緊附加摩擦力矩等于零， 即M0 = 0,設摩擦力矩可忽略不計，則僅剩加速力矩項UP
[0107]式中：傳動系統各部件慣量折算到電機軸上的總等效轉動慣量J2j:=16.8kg. cm2; 運動部件最大快進速度vmax= 15°/s = 900°/min;運動部件從靜止啟動加速到最大快進速度 所需的時間t = 0.2s，電機最大轉速為：
[0109] 貝 lJ:Mka = j2Ee = 2.198N.cm = 0.0219N.m;
[0110] Mkq^Mka = 0.0219N.m；
[0111] 電機名義啟動力矩Mmq = AMj max，三相六拍運行λ = 〇.866,通過查表得電機最大靜 轉矩Mj max = 0.196N.m，故：
[0112] Mmq = 0.196X0.866 = 0.170N.m；
[0113] Mkq<Mmq，初選電機滿足最大靜轉矩校核要求。
[0114] 4.第三自由度軸傳動系統的計算與校核
[0115] 1)第三自由度等效轉動慣量的計算
[0116]第三自由度步進電機轉子轉動慣量為:JD3 = 0.5194kg · cm2;
[0117] 絲杠轉動慣量為:JS = 0.78D4LX10-3 = 0·78Χ14Χ24·3Χ10-3 = 0.019kg.cm2;
[0118] 移動質量折算到絲杠軸的等效轉動慣量
[0119] 已知移動件質量為2kg，傳動比i = 1，傳動系統各運動部件慣量折算到電機軸上的 總等效轉動慣量為：
[0120] j3E = jD3+Js+jG = 〇.54kg.cm2；
[0121] 2)第三自由度步進電機的校核
[0122] 電機空載啟動力矩為:Mkq=Mka+Mkf+M〇;
[0124]電機最大轉速為絲杜最大轉速的i倍，即nmax = ins，絲杜最大轉速ns為
[0126] nmax=l X450 = 450r/min，加速時間t = 0. ls，貝ljMka = 2.545N.cm;
[0129] 其中，L〇 = Ο . 2cm;傳動總效率η = 〇 . 8 ;杠未預緊時傳動效率:no = 〇 . 9 ;則MO = 0.09491〇11，空載摩擦力矩很小，設為210，即11^ = 21() = 0.1897卜〇11;因此，空載啟動力矩 為:Mkq = 2 · 545+0 · 0949+0 · 1897 = 2 · 8296N · cm;滿足最大靜轉矩校核，Mkq彡 AMj max = 0 · 866 X 78.4 = 67.89N. cm。
[0130] 5.同步齒形帶傳動設計
[0131] 由上可知，同步帶輸出轉矩為:0.21N.m，輸出轉速為：ω =15°/s，單級傳動效率 為:n = 85%，傳動比i = 10，取安全系數k = 3，則同步帶傳遞功率為：
[0133] 設傳動比分配為：第一級傳動比i 1 = 5，第二級傳動比i2 = 2，帶輪依次為I、II、 III、IV; IV輪車專速:n4= 15。/s = 2· 5r/min; II，III輪車專速:n2 = n3 = iru = 2 X 2· 5 = 5r/min; I 輪車專速:ni = iru = 10 X 2 · 5 = 25r/min;
[0134] 1)求出設計功率pd
[0135] 由文獻查得載荷修正系數k0 = l.6,因未使用張緊輪，又是減速運動，故附加修正 系數均為零，則：
[0136] Pd = k〇p = 1.6X0.23 = 0.384W；
[0137] 2)選擇帶的節(jié)距
[0138] 由Pd = 0.384W和nl = 25r/min，查得帶的節(jié)距代號為)(L，對應的節(jié)距為Pb = 5.08mm；
[0139] 3)確定帶輪直徑和帶節(jié)線長
[0140] 帶輪I最小許用齒數可取10,考慮到制造和安裝等因素，取Zl = 13,則:Z2 = ilZl = 5Z1 = 65;根據標準系列，取Z2 = 60，同理可得:Z3 = 17，Z4 = 40;重新計算傳動比，得到：
[0141] 由公式可以計算各帶輪的直徑為：
[0142] di = PbziA = 21.02mm；
[0143] d2 = PbZ2/π = 97.02mm ；
[0144] d3 = PbZ3A = 27 · 49mm;
[0145] d4=PbZ4/π = 64.68mm ；
[0146] 4)選擇帶長Lp
[0149]代入數據計算可得：
[0151] 同理：LP2 = 742.42mm;
[0152] 按表選擇最接近算值的標準帶長：
[0153] Lpl=406.4mm，代號 160,齒數 80;
[0154] Lp2 = 635mm，代號 250,齒數 125;
[0155] 5)近似計算中心距
[0157] L_中心距mm; Pb_節(jié)距，Pb為5 · 08mm; Zb-帶齒數， ? Zb 1 = 80，Zb2 = 125; Z2、Z1為配合帶輪齒數，則：
[0160] 取整，得到LI = 103mm;同理，M2 = 122 · 555mm; L2 = 244 · 401mm;取整，則L2 = 245mm;
[0161] 6)進行標準帶寬的選擇
[0162] 6.1)小帶輪I齒數Z1 = 13，轉速為nl = 25r/min，由內插法得XL型帶的基準寬度bsO =9.5mm，基準額定功率為P0 = 1.25W;
[0163] 6.2)計算同步帶傳動的嚙合齒數Zm
[0165] 則嚙合系數為:Kz = l-0.2(6-Zm)=0.8;
[0166] 6.3)同步帶寬bs
[0168] 選擇標準帶寬bs = 7.9mm，代號031;
[0170] 6.5)確定額定功率為：卩~1(2&?() = 0.8/0.81/1.25 = 0.98/10-31(1>0.38? = Pd；
[0171] 額定功率大于設計功率，故帶的傳動能力足夠，結果整理如下：
[0172] 兩級同步帶類型均為XL型同步齒型帶，Pb = 5.08mm，帶寬bs = 7.9mm; -級同步帶 齒數：Zpl=80,帶長：Lpl = 402mm，代號160;二級同步帶齒數：Zp2 = 125,帶長：Lp2 = 646.71111111，代號250;各帶輪齒數：21 = 13,22 = 60,23 = 17,24 = 40;各帶輪節(jié)徑：(11 = 21.02mm，d2 = 97 · 02mm，d3 = 27 · 49mm，d4 = 64 · 68mm;傳動中心距：LI = 1 03mm，L2 = 245mm〇
[0173] 6.各輸出軸的設計
[0174] 各軸的材料均選用45號鋼，已知軸的許用扭剪應力[τ ] = 30MPa，由許用應力確定 的系數為C= 120。
[0175] 1)機身輸出軸設計
[0176] 此軸傳遞扭矩T = 20N.m，轉速ω =30°/s，傳遞功率為：
[0179] 與諧波減速器連接部分軸徑最小，由于它承受了大臂、小臂、腕部及負載所帶來的 彎距，另外減速器的軸頸較大，故d的值可取大一些，取d = 30mm;軸承部分Φ =40mm，軸承選 為7208AC GB/292角接觸球軸承；
[0180] 2)大臂輸出軸設計
[0181] 此軸的設計功率為Pd = 0.384W，轉速co=15°/s:
[0183] 最小軸徑在兩臂連接處，有鍵槽，承受一定彎矩，軸徑選用Φ 16,軸承部分選用軸 徑Φ 17，軸承選為單列角接觸球軸承，型號為7003AC GB/292，另外考慮到此軸的軸向定位， 故兩個軸端設計成螺紋狀，通過兩個圓螺母進行軸向的定位與緊固，螺紋直徑為M14;
[0184] 3)帶輪軸設計
[0186] 由于軸上有鍵槽，且承受一定彎矩，故取d = 15mm，軸承處軸頸取為Φ = 12mm，軸承 選為軸承選為單列角接觸球軸承型號為7002AC GB292;
[0187] 4)升降軸設計
[0188] 升降軸上為滾珠絲杠螺母副，故需設計成空心軸，主要承受軸向拉力，取絲杠內徑d= 14mm，絲杜外徑D= 18mm，用兩光杜與一直線軸承導向，絲杜采用一對面對面角接觸球軸承支 撐，軸承部分軸徑選用Φ 12，軸承型號為7201AC GB/292，光桿采用Φ 5鋼棒，與升降軸同一平
面平行放置，已知絲杠傳遞扭矩T = 0.078N.m，則光杠所受圓周力為：
光杜所受徑向力為： 光杜燒度最大值 9
[0189] 式中：L為光杠長度，L = 120mm; E為彈性模量，E = 200Gpa; I為-慣性矩，
[0190]將數據代入得：
[0191] 由變形量可知，光杠變形較小，剛 f 度足夠。
[0192] 7.滾珠絲杠副校核
[0193] 滾珠絲杠副初選為外循環(huán)插管式，預緊方式為雙螺母墊片式預緊，導珠管埋入式， 公稱直徑dm= 10mm，導程(螺距)L0 = 2mm，螺紋旋向為右旋，定位滾珠絲杜副，精度等級為3 級，絲杠螺紋長度157mm，絲杠總長度L = 234mm，滾珠絲杠副型號VFC(Z)1002-2.5。
[0194] 1)最大工作載荷計算
[0195] 絲杜軸向承載總和為:Fz = 35N，沿Z軸方向，即絲杜軸向，滾珠絲杜副的進給牽引 力，即最大工作載荷Fm為Fm=Fz+fFy，設橫向工作載荷為:Fy = 0.5，Fz = 17.5N;導桿和軸套 之間的摩擦系數f = 0.15，絲杠最大工作載荷為:Fm= 35+0.15 X 17.5 = 37.625N;
[0196] 2)最大動負載C的計算與校核
[0197] 滾珠絲杠最大動負載為:= .
[0198] 式中：L為工作壽命，L = 60nt/106;n為絲杠轉速，n = 1000v/L0;v為最大切削力條 件下的進給速度(m/min)，最高進給速度vmax = 30mm/s = l .8m/min，故：
[0200] t為額定使用壽命(h)，取t = 15000h;fm為運轉狀態(tài)系數，無沖擊取1.2，
[0201] L = 60 X 450 X 15000/106 = 403h
[0202] 查得型號VFC(Z)1002-2.5的滾珠絲杠副的額定動負載Ca=10470N，Ca>C，可知動 負載校核足夠，余度很大；
[0203] 3)傳動效率計算
[0204]
根據初選滾珠絲杠型號從表中查得螺旋升角λ = 3°4Υ，摩擦角 爐=10'，則η = tg3。49' /tg3。59' = 0 · 96，傳動效率較高。
[0205] 4)剛度計算
[0206] 絲杠的拉壓變形量：
式中：Fm為絲杠的工作載荷(N);L為滾珠絲 杠在支承間的受力長度，取1^=157臟$ = 20.6/10410^;絲杠底徑(11近似于外徑與滾珠直 徑之差，即dl = d_dw，絲杜外徑d = d〇-〇. 2dw，絲杜公稱直徑已知d0 = 10mm，滾珠直徑dw由表 查得 dw = 1.587mm，絲杜底徑dl = 9.682-1.587 = 8.095mm，則截面積為：
[0207] A = 3t(8.095)74 = 51.466mm2,
[0208] 于是拉壓變形量為：δ: = 37 ·625 X 157/(20 ·6 X 104X 51 · 466) =0 · 626 X 10-4mm;
[0209] 該變形量可忽略不計，因工作載荷很小，滾道接觸變形量從略；
[0210] 5)絲杠穩(wěn)定性驗算
[0211] 絲杠臨界壓縮載荷
[0212] 式中，E為絲杠材料彈性模量，對于鋼:E = 20.6 X 104MPa; I為慣性截面矩，對絲杠 圓截面/ = -//64 = 210.8^^24，其中dl為絲杠底徑;L為絲杠最大工作長度，L=157mm;fz為 絲杠支承方式系數，采用一端固定一端自由的支撐方式，fz = 〇. 25;得：
[0213] pc = 〇 · 25π2 X 20 · 6 X 104 X 210 · 8/1572 = 0 · 435 X 104N;取絲杜穩(wěn)定安全系數 nw = 4， 則：
[0215]上面對本專利的較佳實施方式作了詳細說明，但是本專利并不限于上述實施方 式，在本領域的普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以在不脫離本專利宗旨的前提下 作出各種變化。
【主權項】
1. 電子元器件裝配機器人，包括機箱底座（1)、機箱機身（2)、大臂、小臂和絲杠箱體 (38);其特征在于:所述機箱機身（2)通過螺釘(47)安裝在機箱底座（1)上，機箱機身(2)內 下部安裝有第一電機支架(3)，第一電機支架(3)上安裝有第一步進電機(44)，第一步進電 機(44)的輸出軸與第一聯軸器(4)連接，第一聯軸器(4)與減速器(48)連接，所述減速器 (48)安裝在減速器支架(5)上，減速器(48)與第二聯軸器(6)連接，第二聯軸器(6)與機身輸 出軸（10)連接，機身輸出軸（10)外由內之外依次套設有第二套筒(9)、第一套筒(8)和軸承 支架(7)，第一套筒(8)與第二套筒(9)之間的兩端均安裝有角接觸球軸承(49);機身輸出軸 (10)通過螺栓與大臂上部（11)固定連接，大臂下部（12)設置有第二電機支架（13)，第二電 機支架（13)上安裝有第二步進電機(45)，第二步進電機(45)的輸出軸上安裝有第一帶輪 (14)，第一帶輪（14)通過第一同步帶（15)與第三帶輪(21)聯動，第三帶輪(21)中心安裝有 同步帶輪軸(42)，同步帶輪軸(42)上還安裝有第二帶輪(20)，同步帶輪軸(42)的兩端部分 別安裝有第一軸承端蓋(16)和第二軸承端蓋(18)，第一軸承端蓋(16)與第三帶輪(21)之間 的同步帶輪軸(42)外套設有第三套筒（17)，第二軸承端蓋(18)與第二帶輪(20)之間的同步 帶輪軸(42)外套設有第四套筒（19);所述第二帶輪(20)通過第二同步帶（22)與第四帶輪 (24)聯動，第四帶輪(24)安裝在大臂輸出軸(25)上，大臂輸出軸(25)的兩端分別通過螺母 安裝在小臂上部(23)和小臂下部(28)，大臂輸出軸(25)上安裝有第三軸承端蓋(26)，第四 帶輪（24)下部的大臂輸出軸（25)外套設有第五套筒（27);小臂的側部安裝有絲杠箱體 (38)，絲杠箱體(38)的上部安裝有箱體(30)，箱體(30)上安裝有第一端蓋(29)，所述箱體 (30)上安裝有第三步進電機(46)，第三步進電機(46)的輸出軸與設置在箱體(30)內的第三 聯軸器(31)連接，第三聯軸器(31)與絲杠軸(34)連接，所述絲杠軸（34)與第三聯軸器(31) 連接的一端設置有第四軸承端蓋(32)，第四軸承端蓋(32)安裝在箱體(30)的支架(33)上， 絲杠軸(34)外套設有第六套筒(35);所述絲杠箱體(38)內安裝有光桿(37)，光桿(37)的兩 端均套設有橡皮套(36)，光桿(37)上安裝有絲杠螺母(39)，絲杠螺母(39)在絲杠軸(34)上 滑動設置，絲杠軸(34)的下部插入空心軸(40)中，空心軸(40)穿出絲杠箱體(38)的底部，絲 杠箱體(38)的底部安裝有第二端蓋(41)。2. 根據權利要求1所述的電子元器件裝配機器人，其特征在于，所述機箱底座（1)通過 地腳螺釘(43)固定在地面上。3. 根據權利要求1所述的電子元器件裝配機器人，其特征在于，所述第一聯軸器(4)與 第一步進電機(44)之間、第二聯軸器(6)與減速器(48)之間、第三聯軸器(31)與第三步進電 機(46)之間均安裝有緊頂螺釘和鍵銷組合。4. 根據權利要求1所述的電子元器件裝配機器人，其特征在于，所述第一電機支架(3)、 減速器支架(5)均通過螺栓-螺母-墊片固定在機箱機身（2)上，第二電機支架（13)通過螺 栓-螺母-墊片固定在大臂上。5. 根據權利要求1所述的電子元器件裝配機器人，其特征在于，所述第三套筒（17)與第 二軸承端蓋（18)之間、第四套筒（19)與第一軸承端蓋（16)之間、大臂輸出軸(25)與大臂之 間、第六套筒(35)與絲杠箱體(38)之間均安裝有角接觸球軸承。6. 根據權利要求1所述的電子元器件裝配機器人，其特征在于，所述減速器(48)為諧波 減速器。
【文檔編號】B25J9/00GK205704153SQ201620332441
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年4月16日
【發(fā)明人】萬育松
【申請人】上海波宏特電器部件有限公司
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