SCARA机器人装配及结构设计

SCARA机器人装配及结构设计摘要Scara机器人是一种由三个自由度组成的平面关节型机器人，它的主要作用是可以完 成精密仪器和物体的搬运和移动。由于体积小，传动原理简单，被广泛运用于电子电气业, 家用电器业，精密机械业等领域。整个系统由机器手，机器臂，关节，步进电机驱动系统 等组成。通过各自由度步进电机的驱动，完成机器手，机器臂的位置变化。具体设计内容 为：同步齿形带传动设计，丝杠螺母设计，各输出轴和壳体的设计,步进电机的选择等。 在校核满足其结构强度的基础上，我们对scara机器人的结构进行优化设计。本论文着重研究scara机器人的结构设计和运动学分析。在论文开始首先介绍了机器 人的发展及其分类情况。在论文第二，三章具体叙述了 scara机器人的结构设计和运动学 分析的详细过程。在论文末尾还对scara机器人进一步改进措施和应用展望进行了阐述。关键词：scara机器人，步进电机，结构设计，机器臂Structure Design of SCARA Assembly Manipulator AbstractA SCARA robot is a robot of plane and joint composed of three degrees of freedom. Its mostly function is used to complete transition and motion of exact apparatuses and objects. Because of its small volume and simple drive principle, it is widely used in the field of electronic and electric industry, home-used electric-ware industry and exact mechanism. The whole system is composed of manipulator hand, manipulator arm, joints and stepper motor driving system. By stepper motor s driving of each degree of freedom, it completes location change of manipulator hand and manipulator arm. The idiographic designing content is designing of in-phase tooth-shape strap, designing of silk-bar nut, designing of shell and axis and the choice of stepper motors. On the base of checking its structure intensity, while it satisfied, we optimize designing of the structure of SCARA robots.This paper put its emphases on research of its structure designing and kinematics analysis. At the beginning of this paper, it introduces the development and sort of robots. In the second and third chapter, it introduces detailed detail among the processing of the structure designing of a SCARA robot and its kinematics analysis. At the last, this paper gives some measures about improving of SCARA robots, and gives a expectation about its future.Key Words： SCARA robots, stepper motor, structure design, manipulator arm摘要 iAbstract ii第一章绪论 11.1 机器人的特点 11.2 机器人的构成及分类11.2.1机器人的构成 11.2.2机器人的分类3 1.3机器人的应用与发展 4 1. 3. 1机器人的应用 41.4 SCARA机器人的研究意义 6 1. 4. 1 SCARA机器人的研究意义 6 1.4.2 SCARA机器人的特点 7 1.5本文的研究内容8第二章SCARA机器人结构设计9 2. 1 SCARA机器人传动方案的比较及确定9 2.2各自由度步进电机的选择 11 2.2.1第一自由度步进电机的选择 12 2. 2.2第二自由度步进电机的选择：12 2. 2. 3第三自由度步进电机的选择132.3同步齿形带传动设计 14 2.4丝杠螺母设计182. 4.1丝杠耐磨性计算 18 2.4.2丝杠稳定性计算19 2. 4. 3丝杠刚度计算 192.4.4丝杠和螺母螺纹牙强度计算 20 2. 4. 5螺纹副自锁条件校核 21 2.5 各输出轴的设计 21 2. 5. 1机身输出轴设计 21 2. 5. 2大臂输出轴设计 22 2. 5.3带轮轴设计： 22 2. 5. 4升降轴设计 22 2. 6壳体设计 23第三章 SCARA机器人运动学分析25 3. 1引言 253. 2 SCARA机器人正运动学分析253. 2. 1 SCARA机器人连杆坐标系的建立25 3. 2. 2 SCARA机器人正运动学问题27 3.3 SCARA机器人逆运动学分析29 3.4本章小结 31第四章总结与展望32参考文献 33致 谢 34第一章绪论1.1机器人的特点机器人最显著的特点有以下几个：1 .可编程。生产自动化的进一步发展是柔性自动化。机器人可随其工作环境变化的需 要而再编程，因此它在小批量多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用, 是柔性制造系统（FMS）中的一个重要组成部分.2 .拟人化。机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪等 部分，在控制上有电脑。此外，智能化机器人还有许多类似人类的“生物传感器”，如 皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器、语言功能等.传 感器提高了机器人对周围环境的自适应能力。3 .通用性。除了专门设计的专用机器人外，一般机器人在执行不同的作业任务时具有 较好的通用性。比如，更换机器人手部末端操作器(手爪、工具等)便可执行不同的作业 任务。4.机电一体化。机器人技术涉及的学科相当广泛，但是归纳起来是机械学和微电 子技术的应用，特别是计算机技术的应用密切相关。因此，机器人技术的发展必将带动其它技术的发展，机器人技术的发展和应用水平也 可以从一个方面验证一个国家科学技术和工业技术的发展和水平.4 .2机器人的构成及分类1.2.1机器人的构成一个机器人系统，一般由操作机、驱动单元、控制装置和为使机器人进行作业而要求 的外部设备组成。1.操作机(乂称执行系统)操作机是机器人完成作业的实体，它具有和人手臂相似的动作功能，是可在空间抓放 物体或进行其它操作的机械装置。通常由下列部分构成o(1)末端执行器乂称手部，是操作机直接执行工作的装置，并可设置夹持器、工具、 传感器等，是工业机器人直接与工业对象接触以完成作业的机构。(2)手腕是支承和调整末端执行器姿态的部件，主要用来确定和改变末端执行器的方 位和扩大手臂的动作范围，一般具有2-3个回转自由度以调整末端执行器的姿态。有些专 用机器人可以没有手腕而直接将末端执行器安装在手臂的端部。(3)手臂它由操作机的动力关节和连接杆件等构成，是用于支承和调整手腕和末端执 行器位置的部件。手臂有时不止一条，而且每条手臂，也不一定只有一节(如关节型就可 能有多节)，所以，它有时还应包括肘和肩的关节，即手臂和手臂间(靠近末端执行器的一 节通常叫小臂，靠近机座的，通常叫大臂)，手臂与机座间用关节连接，因而扩大了末 端执行器姿态的变化范围和运动范围。(4)机座有时称为立柱，是工业机器人机构中相对固定并承受响应力的基础部件。可 分固定式和移动式两类，移动式机座下部安装了移动机构，它可以扩大机器人的活动范围。 2.驱动单元它是由驱动器、减速器、检测元件等组成的组件，是用来为操作机各部件提供动力 和运动的装置。驱动器是将电能或流体能等转换成机械能的动力装置，通常是电动机、 液压或气动装置。驱动形式不同，传动装置也有所不同。3 .控制装置它是由人对机器人的启动、停机及示教进行操作的一种装置，它指挥机器人按规定 的要求动作。控制装置包括检测（如传感器）和控制（如计算机）两部分，可用来控制驱动 单元，检测其运动参数是否符合规定要求，并进行反馈控制。这就是闭环控制。如果没有 反馈控制，就是较简单的开环控制。4 .人工智能系统对于智能机器人，还应有人工智能系统。它主要由两部分组成，一部分为感觉系统 （硬件），主要靠各类传感器来实现其感觉功能。另一部分为决策一规划智能系统（软件）, 它包括逻辑判断、模式识别、大容量数据库和规划操作程序等功能。1.2.2机器人的分 类目前世界各国对处于发展阶段的机器人还没有统一的分类标准，大致有以下几种分类 方法。1.按使用范围分类（1）固定程序的专用机器人（机械手）通常根据主机的特定要求设计成固定程序（或 简单的可变程序）。这种机器人（机械手）多为气动或液动，用行程开关、机械挡块来控制 其工作位置。工作对象单一，动作较少，结构与系统简单，价格低廉。（2）可编程序的通用机器人工作程序可变，以适应不同的工作对象，通用性强，适合 于以多品种、中小批量生产为特点的柔性制造系统中。5 .按使用行业、部门和用途分类（1）工业机器人它们乂可按作业类别分为锻压、焊接、表面喷涂、装卸、装配、 检测等机（2）采掘机器人如海洋探矿机器人等。（3）军事用途机器人（4）服务机器人如医疗机器人，家用机器人，教学机器人等。3.按机械结构、坐标 系特点分类按机械结构坐标系特点可分为直角坐标型;圆柱坐标型;球坐标型；多关节型。4.按机 器人运动控制方式分类（1）点位控制（PTP）机器人就是由点到点的控制方式，这种控制方式只能在目标点处 准确控制机器人末端执行器的位置和姿态，完成预定的操作要求。目前应用的工业机器人 中，很多是属于点位控制方式的，如上下料搬运机器人、点焊机器人等。（2）连续轨迹 控制（CP）机器人机器人的各关节同时作受控运动，准确控制机器人末端执行器按预定的轨迹和速度运动，并能控制末端执行器沿曲线轨迹上各点的姿态。弧焊、喷漆和检测机器 人等均属连续轨迹控制方式。5.按驱动方式分类按驱动方式可分为液压驱动式、气动式、电力驱动式(这是目前用得最多的一类)6. 根据机器人的功能水平和技术的先进程度按“代”分类(1)第一代机器人其特点是采用开关量控制，示教再现控制或数字控制，其作业路 径和运动参数需通过示教或编程给定。60年代以来，工业中实际应用的绝大多数工业机器 人都属于第一代机器人，它包括可编程序(用于上下料)的工业机器人具有记忆装置的示 教再现型机器人，数控型搬运机器人等。(2)第二代机器人是70年BANNED始出现的，其技术特点是采用计算机直接控制， 是通过具有视觉、触觉的摄像机和传感器，能“感觉”外界信息并通过计算机进行计算和 分析自动地控制操作机进行运动和操作，因此，其控制方式较第一代机器人要复杂得多， 目前这类机器人已开始在工业生产、排险救灾等场合应用，并将进入普及阶段。(3)第三代机器人即智能机器人。这是国内外正在积极研究，开发的高级机器人，其 主要特点是具有人工智能。包括：模式识别能力、规划决策能力、知识库、专家系统、人 机交互能力等。这一类机器人目前正在研究开发之中。1.3机器人的应用与发展1.3.1机器人的应用在发达国家，机器人已广泛地应用于工业、国防、科技、生活等各个领域。产业部门 应用最多的当推汽车工业和电子工业，在金属加工、塑料成型、机械制造等行业也有普遍应 用，并逐渐向纤维加。食品工业、家用产品制造等行业发展。焊接作业包括点焊和弧焊, 是机器人用得最多的作业之一。传统的点焊机虽然可以减轻人的劳动强度，焊接质量也较 好，但它适宜少品种大批量的生产环境，其夹具和焊枪位置不能随零件的改变而变化，而 点焊机器人可通过重新编程来调整空间点位，满足不同零件的需要，故特别适宜于小批量 多品种的生产环境。弧焊作业由于其焊多为空间复杂曲线，故多由人工完成，连续轨迹 控制的机器人可以胜任此任务，故广泛用于各种复杂结构和容器的焊接。Unimate, Motoman, ASEA等都是典型的焊接机器人。喷漆作业由于环境恶劣，国外大量使用了机器人，挪威生产的Trallfa机器人是目前 世界上用得最多的喷漆机器人，该机器人为关节式，6自由度，电液或全电动伺服驱动， 采用示教再现方式，既可实行点位控制，也可实行连续轨迹控制。搬运物料的作业包括为机床上下料，为自动生产线转运工件，搬运机器人和数控机床 一起组成柔性加工系统，一条柔性生产线可配置几台至十几台搬运机器人，典型的搬运机 器人是T3和Funac机器人。机器人用于装配作业是随着视觉系统的发展而发展起来的，电子工业用得最多，主要 用在电路板的装配上，还有电动机、发动机部件、阀门等产品的装配。PUMA机器人是一种 典型的装配机器人，有6个自由度，关节式，直流伺服电机驱动，微机控制点位或连续轨 迹，用VAL语言示教编程，其手腕机构具有顺应性，可克服装配中的误差。国外的航空 航天工业中应用机器人也十分广泛，如钾接装配作业就大量使用了机器人，此外如电气插 头的装配，发动机风扇外壳和高压涡轮的焊接，飞机座舱盖和风挡钻孔作业，飞机机身和 垂直尾翼钻孔，都采用了机器人。某些飞机机身、机舱的喷漆作业，发动机零部件等离子 喷涂也采用了机器人。在空间开发中，航天飞机上收放卫星的机器人是加拿大Spar公司 生产的，美国NASA实施的火星测计划，发射了两个火星探测器海盗I和海盗H,它们也 是一种机器人，在火星上采集样品，作各种实验，并能将实验结果发回地球。在海洋开发方面，美国曾用Curv号有缆水下机器人成功地从西班牙附近900米深的 海底打捞一颗因B-52轰炸机失事掉入水中的氢弹。挪威卑尔根公司生产的一种水下机器人，可在水下600米处作业，装有电视摄像机， 可收集海底标本，切割石油管道和缆索等。在放射性环境中，如在核电站里，机器人可用来检查、修复管道、阀门等，如日本东 芝公司研制的一种蛇形机器人，具有八个关节，可以在狭小的空间里操作，臂长达2. 25 米，臂顶端装有电视摄像机。在军事方面，机器人已用于侦察、布雷、排除爆炸物、装填弹药等。在建筑中，己 有一种爬壁机器人可用来修理墙面，擦洗窗户。此外还有摘果实、挤牛奶、剪羊毛、清理 垃圾、监护病人的机器人等。总之，机器人的应用面相当广泛，机器人的工作特点是在计算机控制下离开人的干预 进行各项工作。用机器人代替人，可以使人摆脱高温、有毒、粉尘、振动、放射性、强噪 音等恶劣环境，而去从事机器人的监控、维护等工作，使工作性质发生了变化，减轻了劳 动强度，同时也改善了就业结构。机器人工作抗干扰能力强，一心一意按所编程序工作， 动作精度、重复精度高，因此能保证和提高产品质量。解决多品种小批量生产的自动化问 题二随着人民生活水平的提高，人们要求提供更丰富更多样的产品。因此，用传统的生产 方式难以满足人们的需求，当前柔性制造系统的飞速发展正是适应了这种发展趋势，而机 器人是柔性系统中不可缺少的提高劳动生产率的关键设各。与人相比，机器人有一个最大 的特点:不知疲倦、不需要休息，在合宜的条件下，可以连续工作，因此可以大大地提高 劳动生产率。机器人对于改善劳动条件、减少安全事故，减少人受危险环境的伤害等方 面都有显著的效果。感谢您的阅读，祝您生活愉快。