CN205704153U - 电子元器件装配机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电子元器件装配机器人，包括机箱底座；所述机箱机身安装在机箱底座上，机箱机身内安装有第一步进电机，第一步进电机与减速器连接，减速器与机身输出轴连接，机身输出轴与大臂连接，大臂上安装有第二步进电机，第二步进电机上安装有第一带轮，第一带轮通过第一同步带与安装在同步带轮轴上的第三带轮联动，同步带轮轴上还安装有通过第二同步带与第四带轮联动的第二带轮，第四带轮安装在大臂输出轴上，大臂输出轴与小臂连接，小臂的侧部安装有丝杠箱体，丝杠箱体的上部设有安装有第三步进电机的箱体，第三步进电机与丝杠轴连接；本实用新型能满足市场需求、降低产品成本、缩短产品生命周期、提高市场竞争能力。

Description

电子元器件装配机器人

技术领域

本实用新型涉及机器人领域，具体是一种电子元器件装配机器人。

背景技术

随着科学技术的发展，电子产品的集成度越来越高，在加工过程中，需要对其进行精确的装配以保障无故障，同时在对电子元器件进行装配加工过程中应尽量保证装配灵活度和精准度，以提高产品质量；我国现有主要生产工业机器人厂家生产规模较小，这与当前市场需求有较大差距，不能满足市场需求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种生产成本低，运行可靠、效率高的电子元器件装配机器人，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种电子元器件装备机器人，包括机箱底座、机箱机身、大臂、小臂和丝杠箱体；所述机箱机身通过螺钉安装在机箱底座上，机箱机身内下部安装有第一电机支架，第一电机支架上安装有第一步进电机，第一步进电机的输出轴与第一联轴器连接，第一联轴器与减速器连接，所述减速器安装在减速器支架上，减速器与第二联轴器连接，第二联轴器与机身输出轴连接，机身输出轴外由内之外依次套设有第二套筒、第一套筒和轴承支架，第一套筒与第二套筒之间的两端均安装有角接触球轴承；机身输出轴通过螺栓与大臂上部固定连接，大臂下部设置有第二电机支架，第二电机支架上安装有第二步进电机，第二步进电机的输出轴上安装有第一带轮，第一带轮通过第一同步带与第三带轮联动，第三带轮中心安装有同步带轮轴，同步带轮轴上还安装有第二带轮，同步带轮轴的两端部分别安装有第一轴承端盖和第二轴承端盖，第一轴承端盖与第三带轮之间的同步带轮轴外套设有第三套筒，第二轴承端盖与第二带轮之间的同步带轮轴外套设有第四套筒；所述第二带轮通过第二同步带与第四带轮联动，第四带轮安装在大臂输出轴上，大臂输出轴的两端分别通过螺母安装在小臂上部和小臂下部，大臂输出轴上安装有第三轴承端盖，第四带轮下部的大臂输出轴外套设有第五套筒；小臂的侧部安装有丝杠箱体，丝杠箱体的上部安装有箱体，箱体上安装有第一端盖，所述箱体上安装有第三步进电机，第三步进电机的输出轴与设置在箱体内的第三联轴器连接，第三联轴器与丝杠轴连接，所述丝杠轴与第三联轴器连接的一端设置有第四轴承端盖，第四轴承端盖安装在箱体的支架上，丝杠轴外套设有第六套筒；所述丝杠箱体内安装有光杆，光杆的两端均套设有橡皮套，光杆上安装有丝杠螺母，丝杠螺母在丝杠轴上滑动设置，丝杠轴的下部插入空心轴中，空心轴穿出丝杠箱体的底部，丝杠箱体的底部安装有第二端盖。

作为本实用新型进一步的方案：所述机箱底座通过地脚螺钉固定在地面上。

作为本实用新型再进一步的方案：所述第一联轴器与第一步进电机之间、第二联轴器与减速器之间、第三联轴器与第三步进电机之间均安装有紧顶螺钉和键销组合。

作为本实用新型再进一步的方案：所述第一电机支架、减速器支架均通过螺栓-螺母-垫片固定在机箱机身上，第二电机支架通过螺栓-螺母-垫片固定在大臂上。

作为本实用新型再进一步的方案：所述第三套筒与第二轴承端盖之间、第四套筒与第一轴承端盖之间、大臂输出轴与大臂之间、第六套筒与丝杠箱体之间均安装有角接触球轴承。

作为本实用新型再进一步的方案：所述减速器为谐波减速器。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型的目的是用于电子元件的装配，能满足相应的市场需求、降低产品成本、缩短产品生命周期、提高市场竞争能力；本实用新型的装配机器人结构简单、紧凑，通过设置机身、大臂、小臂及丝杆螺母，利用步进电机、同步带实现各部件间几个关节点的连动，运行可靠、经济合理，能充分满足日益增长的电子元器件加工需求。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

其中，1-机箱底座；2-机箱机身；3-第一电机支架；4-第一联轴器；5-减速器支架；6-第二联轴器；7-轴承支架；8-第一套筒；9-第二套筒；10-机身输出轴；11-大臂上部；12-大臂下部；13-第二电机支架；14-第一带轮；15-第一同步带；16-第一轴承端盖；17-第三套筒；18-第二轴承端盖；19-第四套筒；20-第二带轮；21-第三带轮；22-第二同步带；23-小臂上部；24-第四带轮；25-大臂输出轴；26-第三轴承端盖；27-第五套筒；28-小臂下部；29-第一端盖；30-箱体；31-第三联轴器；32-第四轴承端盖；33-支架；34-丝杠轴；35-第六套筒；36-橡皮套；37-光杆；38-丝杠箱体；39-丝杠螺母；40-空心轴；41-第二端盖；42-同步带轮轴；43-地脚螺钉；44-第一步进电机；45-第二步进电机；46-第三步进电机；47-螺钉；48-减速器；49-角接触球轴承。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

请参阅图1，一种电子元器件装备机器人，包括机箱底座1、机箱机身2、大臂、小臂和丝杠箱体38；所述机箱底座1通过地脚螺钉43固定在地面上，机箱机身2通过螺钉47安装在机箱底座1上，机箱机身2内下部安装有第一电机支架3，第一电机支架3上安装有第一步进电机44，第一步进电机44的输出轴与第一联轴器4连接，第一联轴器4与减速器48连接，所述减速器48安装在减速器支架5上，减速器48与第二联轴器6连接，第二联轴器6与机身输出轴10连接，机身输出轴10外由内之外依次套设有第二套筒9、第一套筒8和轴承支架7，第一套筒8与第二套筒9之间的两端均安装有角接触球轴承49；机身输出轴10通过螺栓与大臂上部11固定连接，大臂下部12设置有第二电机支架13，第二电机支架13上安装有第二步进电机45，第二步进电机45的输出轴上安装有第一带轮14，第一带轮14通过第一同步带15与第三带轮21联动，第三带轮21中心安装有同步带轮轴42，同步带轮轴42上还安装有第二带轮20，同步带轮轴42的两端部分别安装有第一轴承端盖16和第二轴承端盖18，第一轴承端盖16与第三带轮21之间的同步带轮轴42外套设有第三套筒17，第二轴承端盖18与第二带轮20之间的同步带轮轴42外套设有第四套筒19；所述第二带轮20通过第二同步带22与第四带轮24联动，第四带轮24安装在大臂输出轴25上，大臂输出轴25的两端分别通过螺母安装在小臂上部23和小臂下部28，大臂输出轴25上安装有第三轴承端盖26，第四带轮24下部的大臂输出轴25外套设有第五套筒27；小臂的侧部安装有丝杠箱体38，丝杠箱体38的上部安装有箱体30，箱体30上安装有第一端盖29，所述箱体30上安装有第三步进电机46，第三步进电机46的输出轴与设置在箱体30内的第三联轴器31连接，第三联轴器31与丝杠轴34连接，所述丝杠轴34与第三联轴器31连接的一端设置有第四轴承端盖32，第四轴承端盖32安装在箱体30的支架33上，丝杠轴34外套设有第六套筒35；所述丝杠箱体38内安装有光杆37，光杆37的两端均套设有橡皮套36，光杆37上安装有丝杠螺母39，丝杠螺母39在丝杠轴34上滑动设置，丝杠轴34的下部插入空心轴40中，空心轴40穿出丝杠箱体38的底部，丝杠箱体38的底部安装有第二端盖41。

所述减速器48为谐波减速器。

第一联轴器4与第一步进电机44之间、第二联轴器6与减速器48之间、第三联轴器31与第三步进电机46之间均安装有紧顶螺钉和键销组合。

第一电机支架3、减速器支架5均通过螺栓-螺母-垫片固定在机箱机身2上，第二电机支架13通过螺栓-螺母-垫片固定在大臂上。

第三套筒17与第二轴承端盖18之间、第四套筒19与第一轴承端盖16之间、大臂输出轴25与大臂之间、第六套筒35与丝杠箱体38之间均安装有角接触球轴承。

本实用新型的工作原理是：本实用新型中，机器人四个关节均选用步进电机驱动，大臂转动采用谐波减速器48作为减速机构；小臂转动采用二级同步齿形带减速；腕部升降采用丝杠螺母39传动；手腕转动用第三步进电机46直接驱动。

本实用新型中，第一个关节传动采用的谐波减速器具有小体积、大转矩、高减速比的优点；第二个关节采用了同步齿形带的传动结构，可以获得较大的输出转矩；第三关节采用丝杠螺母39传动从而把旋转运动转变为直线运动，并且具有自锁功能；在第二自由度轴上下两端用两块合金板将小臂与大臂连接在一起，完成整体结构的设计。

空心轴40末端可连接机械手，机械手的末端执行器可以是手爪、焊接机、吸盘等等，根据实际不同需要可以采用不同类型的的执行器；本实用新型是用于电子元器件的装配机器人，所接触的物件是比较小、体积不大、表面平整的电子元器件，选择采用较为实用和便捷的真空吸盘作为末端的执行器。

本实用新型中，机器人的具体实施例技术参数如下：

1.大臂的第一和第二关节轴之间的距离为348mm，质量标记为M1，约为4kg，重心在距离第一关节轴143mm处，L1＝143mm；

2.小臂的第二和第三关节轴之间的距离为194mm，质量标记为M2，约为1kg，重心在距第二关节轴97mm处，L2＝348+97＝445mm；

3.腕部升降装置及最大物重合计标记为M3，约为4kg，重心在距第二关节轴194mm处，L3＝348+194＝542mm，小臂重心距第二关节轴的水平距离L4＝97mm，腕部重心距第二关节轴的水平距离L5＝194mm；

本实用新型的机器人性能参数如下：

大臂回转：±90°，30°/s；

小臂回转：±60°，15°/s；

手腕升降：120mm，30mm/s；

手腕回转：±180°，60°/s；

负载重量：19.6N。

1.本实用新型中，各自由度步进电机的选择如下：

本实用新型的机器人，前两个自由度是平面旋转，若轴承是光滑的，则旋转所需的静转矩比较小，因为将臂伸开呈一条直线时转动惯量最大，所以在旋转开始时可产生步进电机的转矩不足；设两臂及手腕绕各自重心轴的转动惯量分别为JG1、JG2、JG3，根据平行轴定理可得绕第一关节轴的转动惯量为：

J₁＝J_G1+M₁L₁ ²+J_G2+M₂L₂ ²+J_G3+M₃L₃ ²；

其中：M1、M2、M3分别为4Kg、1Kg、4Kg；L1、L2、L3分别为143mm、445mm、542mm；JG1＜＜M1L12、JG2＜＜M2L22、JG3＜＜M3L32，故可忽略不计，所以绕第一关节轴的转动惯量为：

J₁＝M₁L₁ ²+M₂L₂ ²+M₃L₃ ²；

J₁＝4×0.143²+1×0.445²+4×0.542²

J₁＝1.46kg·m²

同理可得小臂及腕部绕第二关节轴的转动惯量：

M2＝1Kg，L4＝97mm；M3＝4Kg，L5＝194mm。

J₂＝M₂L₄ ²+M₃L₅ ²；

J₂＝1×0.097²+4×0.194²

J₂＝0.16kg·m²

1)第一自由度步进电机的选择

设大臂速度为ω₁＝30°/s，则旋转开始时的转矩可表示如下：

$T=J\×\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}$

式中：T-旋转开始时转矩N.m；J-转动惯量kg.m²；-角加速度rad/s²

使机器人大臂从ω₀＝0到ω₁＝30°/s所需的时间为：Δt＝0.1s则：

$T_1=J_1\×{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_1=J_1\×\frac{\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0}{\mathrm{\Δ}t}=1.46\×\frac{\mathrm{\π}/6}{0.1}=7.64N.m;$

若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，则旋转开始时的启动转矩可假定为10N.m，取安全系数为2，则谐波减速器所需输出的最小转矩为：

T₀₁＝2T＝2×15＝20N.m；

选择谐波减速器：型号：XB3-50-120，即XB3型扁平式谐波减速器：额定输出转矩：20N.m；减速比：i1＝120；

设谐波减速器的的传递效率为：η＝90％，步进电机应输出力矩为：

$T_{out1}=\frac{T_{01}}{i\·\mathrm{\η}}=\frac{20}{120\×0.9}=0.185N.m;$

选择BF反应式步进电机，型号：55BF003，静转矩：0.686N.m，步距角：1.5°；

2)第二自由度步进电机的选择

原理同上，设小臂转速ω₂＝15°/s，角速度从0加到ω₂所需加速时间Δt＝0.2s，则同步带应输出转矩为：

$T_2=J_2\×\stackrel{.}{{\mathrm{\ω}}_2}=0.16\×\frac{\mathrm{\π}/12}{0.2}=0.21N.m;$

设安全系数为2，同步带减速比i＝10，同步带传动采用单级传动，传动效率为：η＝85％，则电机所需输出力矩为：

$T_{out2}=\frac{2T_2}{i\×{\mathrm{\η}}^2}=\frac{2\×0.21}{10\×{0.85}^2}=0.058N.m;$

选择反应式步进电机型号：45BF005II，静转矩：0.196N.m，步距角：1.5°；

3)第三自由度步进电机的选择

丝杠螺母传动，实现腕部的升降，设丝杠轴向承载总和为：Q＝35N，丝杠基本参数选择：螺距：P＝2mm、公称直径：d＝10mm、摩擦系数：f＝0.1、螺旋升角为：

当量摩擦角为：ρ＝arctgf′＝5.911°，螺纹阻力矩为：螺纹所受摩擦力矩：

式中：f-摩擦系数，取0.1；Dm-支撑面平均直径，取螺母内外径的一半，即(10+40)/2＝25mm；丝杠所受力矩为阻力矩与摩擦力矩之和，即：

T＝T₁+T₂＝0.078N·m；

安全系数取2，则电机所需输出的最小转矩为：

T_out3＝2T＝2×0.078＝0.156N.m；

选择反应式步进电机型号：70BF003，静转矩：0.784N.m，步距角：1.5°；

4)第四自由度步进电机的选择

腕部旋转直接用步进电机驱动，设手爪及物体的最大当量半径为R＝50mm，则转动惯量为：

$J_3=\frac{1}{2}{\mathrm{mR}}^2;$

式中：m-手爪及物体总重量，设为3kg，代入数据：J3＝0.00375kg.m²；

设转速为：ω₃＝60°/s，加速时间Δt＝0.1s，得电机输出转矩为：

$T_{out4}=J_3\×{\mathrm{\ω}}_3=0.0375\×\frac{\mathrm{\π}/3}{0.1}=0.04N.m;$

选择电机型号：36BF003，静转矩：0.078N.m，步距角：1.5°。

2.本实用新型实施例中第一自由度轴传动系统的计算与校核：

1)第一自由度轴的等效转动惯量的计算

z方向的转动惯量为J_ZΣ＝14600kg.cm²；

由估算知谐波减速器转动惯量J_X≈4kg.cm²，从资料查得55BF003步进电机转子惯量为JD1＝0.617kg.cm²，因此，自由度θ1传动系统上所有惯量折算到电机轴上的等效转动惯量为：

J_1∑＝J_D1+J_X/2+J_X/2i²+J_ZΣ/i²

式中：J_D1为电机轴的转子惯量；J_X/2为谐波减速器惯量之半(输入部分)的和；J_X/2i²为谐波减速器惯量之半(输出部分)折算到电机轴时除以i²；J_Z∑/2i²为Z方向上的转动惯量J_ZΣ折算到电机轴时除以i²，根据初选的i＝120，则J_1∑＝3.63kg.cm²；

2)第一自由度步进电机M1的校核

电机空载启动力矩为：

M_kq＝M_ka+M_kf+M₀；

因为本实用新型中第一自由度没有采用滚珠丝杠副传动，所以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M_ka，即

$M_{kq}\≈M_{ka}=J_{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\ϵ}=J_{\mathrm{\Σ}}\frac{2{\mathrm{\πn}}_{max}}{60t}\×{10}^{-2}(N\·cm);$

$n_{max}=\frac{v_{max}{\mathrm{\θ}}_b}{{\mathrm{\δ}}_{p}360}(r/min);$

式中：传动系统各部件惯量折算到电机轴上的总等效转动惯量J_1∑＝3.63kg.cm²；运动部件最大快进速度v_max＝30°/s＝1800°/min；运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间t＝0.1s；电机最大转速为：

$n_{max}=\frac{v_{max}{\mathrm{\θ}}_b}{{\mathrm{\δ}}_{p}360}=i\·\frac{v_{max}}{360}=120\×5=600r/\min ;$

则：M_ka＝J_1∑ε＝22.796N.cm＝0.228N.m；

M_kq≈M_ka＝0.228N.m；

电机名义启动力矩M_mq＝λM_{j max}，三相六拍运行λ＝0.866，通过查表得电机最大静转矩M_{j max}＝0.686N.m，所以M_mq＝0.686×0.866＝0.594N.m；

Mkq＜Mmq，初选电机满足最大静转矩校核要求。

3.本实用新型实施例中第二自由度轴传动系统计算与校核

1)第二自由度等效转动惯量的计算

z轴的转动惯量为：

J_2∑＝M₂L₄ ²+M₃L₅ ²＝0.168kg·m²＝1680kg·cm²

从资料查得45BF005II步进电机转子惯量为JD2＝0.137kg.cm²，根据初选的i＝10，则自由度θ2传动系统上所有惯量折算到电机轴上的等效转动惯量为：

J_2∑＝J_D2+J_Z∑/i²＝16.937kg.cm²；

2)第二自由度步进电机的校核

电机空载启动力矩为：M_kq＝M_ka+M_kf+M₀；

因为第二自由度没有采用滚珠丝杠副传动，所以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M_ka，即

$M_{kq}\≈M_{ka}=J_{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\ϵ}=J_{\mathrm{\Σ}}\frac{2{\mathrm{\πn}}_{\max }}{60t}\×{10}^{-2}(N\·cm);$

$n_{max}=\frac{v_{\max }{\mathrm{\θ}}_b}{{\mathrm{\δ}}_{p}360}(r/min);$

式中：传动系统各部件惯量折算到电机轴上的总等效转动惯量J_2∑＝16.8kg.cm²；运动部件最大快进速度v_max＝15°/s＝900°/min；运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间t＝0.2s，电机最大转速为：

$n_{\max }=\frac{v_{\max }{\mathrm{\θ}}_b}{{\mathrm{\δ}}_{p}360}=i\·\frac{v_{\max }}{360}=10\×2.5=25r/\min ;$

则：M_ka＝J_2∑ε＝2.198N.cm＝0.0219N.m；

M_kq≈M_ka＝0.0219N.m；

电机名义启动力矩M_mq＝λM_{j max}，三相六拍运行λ＝0.866，通过查表得电机最大静转矩M_{j max}＝0.196N.m，故：

M_mq＝0.196×0.866＝0.170N.m；

Mkq＜Mmq，初选电机满足最大静转矩校核要求。

4.第三自由度轴传动系统的计算与校核

1)第三自由度等效转动惯量的计算

第三自由度步进电机转子转动惯量为：J_D3＝0.5194kg·cm²；

丝杠转动惯量为：J_S＝0.78D⁴L×10^-3＝0.78×1⁴×24.3×10^-3＝0.019kg.cm²；

移动质量折算到丝杠轴的等效转动惯量：

已知移动件质量为2kg，传动比i＝1，传动系统各运动部件惯量折算到电机轴上的总等效转动惯量为：

J_3∑＝J_D3+J_S+J_G＝0.54kg.cm²；

2)第三自由度步进电机的校核

电机空载启动力矩为：M_kq＝M_ka+M_kf+M₀；

其中加速力矩：

电机最大转速为丝杠最大转速的i倍，即nmax＝ins，丝杠最大转速ns为

$n_s=\frac{v_s}{p}=15r/s=450r/\min ;$

n_max＝1×450＝450r/min，加速时间t＝0.1s，则Mka＝2.545N.cm；

丝杠预紧附加摩擦力矩：

预紧力：

其中，L0＝0.2cm；传动总效率η＝0.8；杠未预紧时传动效率：η₀＝0.9；则M0＝0.0949N.cm，空载摩擦力矩很小，设为2M0，即M_kf＝2M₀＝0.1897N·cm；因此，空载启动力矩为：Mkq＝2.545+0.0949+0.1897＝2.8296N.cm；满足最大静转矩校核，M_kq≤λM_{j max}＝0.866×78.4＝67.89N.cm。

5.同步齿形带传动设计

由上可知，同步带输出转矩为：0.21N.m，输出转速为：ω＝15°/s，单级传动效率为：η＝85％，传动比i＝10，取安全系数k＝3，则同步带传递功率为：

$P=k\·T\·\mathrm{\ω}/{\mathrm{\η}}^2=3\×0.21\×\frac{\mathrm{\π}}{12}/{0.85}^2=0.23W;$

设传动比分配为：第一级传动比i1＝5，第二级传动比i2＝2，带轮依次为I、II、III、IV；IV轮转速：n4＝15°/s＝2.5r/min；II，III轮转速：n₂＝n₃＝in₄＝2×2.5＝5r/min；I轮转速：n₁＝in₄＝10×2.5＝25r/min；

1)求出设计功率P_d

由文献查得载荷修正系数k0＝1.6，因未使用张紧轮，又是减速运动，故附加修正系数均为零，则：

P_d＝k₀p＝1.6×0.23＝0.384W；

2)选择带的节距

由Pd＝0.384W和n1＝25r/min，查得带的节距代号为XL，对应的节距为Pb＝5.08mm；

3)确定带轮直径和带节线长

带轮I最小许用齿数可取10，考虑到制造和安装等因素，取Z1＝13，则：Z2＝i1Z1＝5Z1＝65；根据标准系列，取Z2＝60，同理可得：Z3＝17，Z4＝40；重新计算传动比，得到：

由公式可以计算各带轮的直径为：

d₁＝P_bz₁/π＝21.02mm；

d₂＝P_bz₂/π＝97.02mm；

d₃＝P_bz₃/π＝27.49mm；

d₄＝P_bz₄/π＝64.68mm；

4)选择带长Lp

带长计算公式：

式中：L-中心距mm；Lp-带长mm；d1、d2-配合带轮直径mm；

代入数据计算可得：

同理：L_p2＝742.42mm；

按表选择最接近算值的标准带长：

Lp1＝406.4mm，代号160，齿数80；

Lp2＝635mm，代号250，齿数125；

5)近似计算中心距

$L\≈M+\sqrt{M^2-\frac{1}{8}{\[\frac{P_b(Z_2-Z_1)}{\mathrm{\π}}\]}^2}\left(mm\right);$

式中：L-中心距mm；Pb-节距，Pb为5.08mm；Zb-带齿数，Zb1＝80，Zb2＝125；Z2、Z1为配合带轮齿数，则：

$M1=\frac{5.08}{8}\×(2\×80-13-60)=55.245mm;$

$L1=55.245+\sqrt{{55.245}^2-\frac{1}{8}{\[\frac{5.08(60-13)}{\mathrm{\π}}\]}^2}=103.515mm;$

取整，得到L1＝103mm；同理，M2＝122.555mm；L2＝244.401mm；取整，则L2＝245mm；

6)进行标准带宽的选择

6.1)小带轮I齿数Z1＝13，转速为n1＝25r/min，由内插法得XL型带的基准宽度bs0＝9.5mm，基准额定功率为P0＝1.25W；

6.2)计算同步带传动的啮合齿数Zm

$Z_m=\frac{Z_1}{2}-\frac{P_b{Z}_1}{2{\mathrm{\π}}^2{L}_1}(Z_2-Z_1)=5;$

则啮合系数为：Kz＝1-0.2(6-Zm)＝0.8；

6.3)同步带宽bs

$b_s={\left(\frac{P_d}{P_0{K}_Z}\right)}^{\frac{1}{1.14}}{b}_{s0}={\left(\frac{0.384}{0.8\×1.25}\right)}^{\frac{1}{1.14}}\×9.5=4.10mm;$

选择标准带宽bs＝7.9mm，代号031；

6.4)确定带宽系数为：

6.5)确定额定功率为：P≈K_ZK_WP₀＝0.8×0.81×1.25＝0.98×10^-3KW＞0.384W＝P_d；

额定功率大于设计功率，故带的传动能力足够，结果整理如下：

两级同步带类型均为XL型同步齿型带，Pb＝5.08mm，带宽bs＝7.9mm；一级同步带齿数：Zp1＝80，带长：Lp1＝402mm，代号160；二级同步带齿数：Zp2＝125，带长：Lp2＝646.71mm，代号250；各带轮齿数：Z1＝13，Z2＝60，Z3＝17，Z4＝40；各带轮节径：d1＝21.02mm，d2＝97.02mm，d3＝27.49mm，d4＝64.68mm；传动中心距：L1＝103mm，L2＝245mm。

6.各输出轴的设计

各轴的材料均选用45号钢，已知轴的许用扭剪应力[τ]＝30MPa，由许用应力确定的系数为C＝120。

1)机身输出轴设计

此轴传递扭矩T＝20N.m，转速ω＝30°/s，传递功率为：

$P=T\×\mathrm{\ω}=20\×\frac{\mathrm{\π}}{6}=10.5W=0.0105kW;n=\frac{\mathrm{\ω}}{360}\×60=5r/\min ;$

$d\≥C\sqrt[3]{\frac{P}{n}}=120\sqrt[3]{\frac{0.0105}{5}}=15.4mm;$

与谐波减速器连接部分轴径最小，由于它承受了大臂、小臂、腕部及负载所带来的弯距，另外减速器的轴颈较大，故d的值可取大一些，取d＝30mm；轴承部分Φ＝40mm，轴承选为7208AC GB/292角接触球轴承；

2)大臂输出轴设计

此轴的设计功率为P_d＝0.384W，转速ω＝15°/s，则：

$d\≥C\sqrt[3]{\frac{P}{n}}=120\sqrt[3]{\frac{0.384\×{10}^{-3}}{2.5}}=6.4mm;$

最小轴径在两臂连接处，有键槽，承受一定弯矩，轴径选用Φ16，轴承部分选用轴径Φ17，轴承选为单列角接触球轴承，型号为7003AC GB/292，另外考虑到此轴的轴向定位，故两个轴端设计成螺纹状，通过两个圆螺母进行轴向的定位与紧固，螺纹直径为M14；

3)带轮轴设计

此轴传递的扭矩为：转速为ω＝30°/s，传递功率为：

由于轴上有键槽，且承受一定弯矩，故取d＝15mm，轴承处轴颈取为Φ＝12mm，轴承选为轴承选为单列角接触球轴承型号为7002AC GB292；

4)升降轴设计

升降轴上为滚珠丝杠螺母副，故需设计成空心轴，主要承受轴向拉力，取丝杠内径d＝14mm，丝杠外径D＝18mm，用两光杠与一直线轴承导向，丝杠采用一对面对面角接触球轴承支撑，轴承部分轴径选用Φ12，轴承型号为7201AC GB/292，光杆采用Φ5钢棒，与升降轴同一平面平行放置，已知丝杠传递扭矩T＝0.078N.m，则光杠所受圆周力为：光杠所受径向力为：光杠挠度最大值：

式中：L为光杠长度，L＝120mm；E为弹性模量，E＝200Gpa；I为-惯性矩，

将数据代入得：

由变形量可知，光杠变形较小，刚度足够。

7.滚珠丝杠副校核

滚珠丝杠副初选为外循环插管式，预紧方式为双螺母垫片式预紧，导珠管埋入式，公称直径dm＝10mm，导程(螺距)L0＝2mm，螺纹旋向为右旋，定位滚珠丝杠副，精度等级为3级，丝杠螺纹长度157mm，丝杠总长度L＝234mm，滚珠丝杠副型号VFC(Z)1002-2.5。

1)最大工作载荷计算

丝杠轴向承载总和为：Fz＝35N，沿Z轴方向，即丝杠轴向，滚珠丝杠副的进给牵引力，即最大工作载荷Fm为Fm＝Fz+fFy，设横向工作载荷为：Fy＝0.5，Fz＝17.5N；导杆和轴套之间的摩擦系数f＝0.15，丝杠最大工作载荷为：F_m＝35+0.15×17.5＝37.625N；

2)最大动负载C的计算与校核

滚珠丝杠最大动负载为：

式中：L为工作寿命，L＝60nt/106；n为丝杠转速，n＝1000v/L0；v为最大切削力条件下的进给速度(m/min)，最高进给速度vmax＝30mm/s＝1.8m/min，故：

$n=1000\×\frac{1}{2}{v}_{\max }/L_0=1000\×0.9/2=450r/\min ;$

t为额定使用寿命(h)，取t＝15000h；fm为运转状态系数，无冲击取1.2，

L＝60×450×15000/10⁶＝403h；

查得型号VFC(Z)1002-2.5的滚珠丝杠副的额定动负载Ca＝10470N，Ca＞C，可知动负载校核足够，余度很大；

3)传动效率计算

根据初选滚珠丝杠型号从表中查得螺旋升角λ＝3°49′，摩擦角则η＝tg3°49′/tg3°59′＝0.96，传动效率较高。

4)刚度计算

丝杠的拉压变形量：式中：Fm为丝杠的工作载荷(N)；L为滚珠丝杠在支承间的受力长度，取L＝157mm；E＝20.6×10⁴MPa；丝杠底径d1近似于外径与滚珠直径之差，即d1＝d-dw，丝杠外径d＝d0-0.2dw，丝杠公称直径已知d0＝10mm，滚珠直径dw由表查得dw＝1.587mm，丝杠底径d1＝9.682-1.587＝8.095mm，则截面积为：

A＝π(8.095)²/4＝51.466mm²，

于是拉压变形量为：δ₁＝37.625×157/(20.6×10⁴×51.466)＝0.626×10^-4mm；

该变形量可忽略不计，因工作载荷很小，滚道接触变形量从略；

5)丝杠稳定性验算

丝杠临界压缩载荷：

式中，E为丝杠材料弹性模量，对于钢：E＝20.6×10⁴MPa；I为惯性截面矩，对丝杠圆截面其中d1为丝杠底径；L为丝杠最大工作长度，L＝157mm；fz为丝杠支承方式系数，采用一端固定一端自由的支撑方式，fz＝0.25；得：

P_c＝0.25π²×20.6×10⁴×210.8/157²＝0.435×10⁴N；取丝杠稳定安全系数nw＝4，则：

故丝杠稳定。

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (6)

1.电子元器件装配机器人，包括机箱底座(1)、机箱机身(2)、大臂、小臂和丝杠箱体(38)；其特征在于：所述机箱机身(2)通过螺钉(47)安装在机箱底座(1)上，机箱机身(2)内下部安装有第一电机支架(3)，第一电机支架(3)上安装有第一步进电机(44)，第一步进电机(44)的输出轴与第一联轴器(4)连接，第一联轴器(4)与减速器(48)连接，所述减速器(48)安装在减速器支架(5)上，减速器(48)与第二联轴器(6)连接，第二联轴器(6)与机身输出轴(10)连接，机身输出轴(10)外由内之外依次套设有第二套筒(9)、第一套筒(8)和轴承支架(7)，第一套筒(8)与第二套筒(9)之间的两端均安装有角接触球轴承(49)；机身输出轴(10)通过螺栓与大臂上部(11)固定连接，大臂下部(12)设置有第二电机支架(13)，第二电机支架(13)上安装有第二步进电机(45)，第二步进电机(45)的输出轴上安装有第一带轮(14)，第一带轮(14)通过第一同步带(15)与第三带轮(21)联动，第三带轮(21)中心安装有同步带轮轴(42)，同步带轮轴(42)上还安装有第二带轮(20)，同步带轮轴(42)的两端部分别安装有第一轴承端盖(16)和第二轴承端盖(18)，第一轴承端盖(16)与第三带轮(21)之间的同步带轮轴(42)外套设有第三套筒(17)，第二轴承端盖(18)与第二带轮(20)之间的同步带轮轴(42)外套设有第四套筒(19)；所述第二带轮(20)通过第二同步带(22)与第四带轮(24)联动，第四带轮(24)安装在大臂输出轴(25)上，大臂输出轴(25)的两端分别通过螺母安装在小臂上部(23)和小臂下部(28)，大臂输出轴(25)上安装有第三轴承端盖(26)，第四带轮(24)下部的大臂输出轴(25)外套设有第五套筒(27)；小臂的侧部安装有丝杠箱体(38)，丝杠箱体(38)的上部安装有箱体(30)，箱体(30)上安装有第一端盖(29)，所述箱体(30)上安装有第三步进电机(46)，第三步进电机(46)的输出轴与设置在箱体(30)内的第三联轴器(31)连接，第三联轴器(31)与丝杠轴(34)连接，所述丝杠轴(34)与第三联轴器(31)连接的一端设置有第四轴承端盖(32)，第四轴承端盖(32)安装在箱体(30)的支架(33)上，丝杠轴(34)外套设有第六套筒(35)；所述丝杠箱体(38)内安装有光杆(37)，光杆(37)的两端均套设有橡皮套(36)，光杆(37)上安装有丝杠螺母(39)，丝杠螺母(39)在丝杠轴(34)上滑动设置，丝杠轴(34)的下部插入空心轴(40)中，空心轴(40)穿出丝杠箱体(38)的底部，丝杠箱体(38)的底部安装有第二端盖(41)。

2.根据权利要求1所述的电子元器件装配机器人，其特征在于，所述机箱底座(1)通过地脚螺钉(43)固定在地面上。

3.根据权利要求1所述的电子元器件装配机器人，其特征在于，所述第一联轴器(4)与第一步进电机(44)之间、第二联轴器(6)与减速器(48)之间、第三联轴器(31)与第三步进电机(46)之间均安装有紧顶螺钉和键销组合。

4.根据权利要求1所述的电子元器件装配机器人，其特征在于，所述第一电机支架(3)、减速器支架(5)均通过螺栓-螺母-垫片固定在机箱机身(2)上，第二电机支架(13)通过螺栓-螺母-垫片固定在大臂上。

5.根据权利要求1所述的电子元器件装配机器人，其特征在于，所述第三套筒(17)与第二轴承端盖(18)之间、第四套筒(19)与第一轴承端盖(16)之间、大臂输出轴(25)与大臂之间、第六套筒(35)与丝杠箱体(38)之间均安装有角接触球轴承。

6.根据权利要求1所述的电子元器件装配机器人，其特征在于，所述减速器(48)为谐波减速器。