吸盘式Scara机械臂结构设计毕业设计论文

吸盘式Scara机械臂结构设计毕业设计论文 作者： 日期：2 个人收集整理 勿做商业用途目 录摘 要IABSTRCTII1 绪论11.1 课题背景11。2 机器人的定义及特点11。2.1 机器人的定义11。2.2 机器人的特点21。3 机器人的构成及分类31。3.1 机器人的构成31。3。2 机器人的分类41.4 机器人的应用与发展51。4。1 机器人的应用51.4.2 机器人的发展71.5 本文的研究内容92 SCARA机器人的研究意义和原理设计102.1 SCARA机器人的研究意义102。2 SCARA机器人的特点102.3 SCARA机器人传动方案的确定11343 吸盘式SCARA机械臂驱动设计153.1 机器人驱动方案的对比分析及选择153。2 各自由度步进电机的选择163.2。1 第一自由度步进电机的选择173.2。2 第二自由度步进电机的选择173.2。3 第三自由度步进电机的选择183.2。4 第四自由度步进电机的选择194 吸盘式SCARA机械臂集成模块化机构设计204。1 同步齿形带传动设计204。1.1 求出设计功率Pd204.1 2 选择带的节距204.1 3 确定带轮直径和带节线长204。2 丝杠螺母设计234。2.1 丝杠耐磨性计算234。2.2 丝杠稳定性计算234.2.3 丝杠刚度计算244.2。4 丝杠和螺母螺纹牙强度计算244。2.5 螺纹副自锁条件校核254.3 各输出轴的设计254。3.1 机身输出轴设计254。3.2 大臂输出轴设计264.3。3 带轮轴设计264.3.4 升降轴设计264.4 壳体设计27结 论30致 谢31参考文献32吸盘式Scara机械臂结构设计摘 要在装配机器人中,平面关节型装配机器人(即SCARA型)是应用最广泛的一种装配机器人。本文设计的SCARA机器人既可以用于实际生产，又可以用于教学实验和科学研究。用于实际生产,它能够满足装配作业内容改变频繁的要求，用于教学实验，它能够使人更直观地了解机器人机构组成、动作原理等，所以开发SCARA机器人具有广泛的实际和应用前景,本课题的研究工作正是在这样的背景下提出来的。本文设计的SCARA机器人具有下列特点:通用性好、重复定位精度高、体积小、重量轻、外形美观、适于观察、成本低，对其本体的可行方案进行了充分的论证后,设计成具有四自由度的结构，由机身、大臂、小臂及手腕组成，谐波减速器、同步齿型带、丝杠螺母等组成了SCARA机器人简单可靠的传动方案,该 机器人的四个关节均选用混合式步进电机驱动。关键词 SCARA机器人 / 机械臂 / 结构设计THE RESEARCH ABOUT STRUCTUREABSTRCTAmong assembly robots， plane articulated assembly robot（ SCARA manipulator）is used most widely. The presented SCARA manipulator in this paper can be used not only in practical producing where it can meet the needs of frequently changed assembly task, but also in teaching experiment and scientific researching where it can make person understand both the mechanical components and the principle of motion more directly。 So the development oft he SCARA manipulator has important practical meanings and application perspective。 This is just the background of this project。文档为个人收集整理,来源于网络本文为互联网收集，请勿用作商业用途The presented SCARA manipulator in this paper has following characters: good universality， high accuracy of repeating location， small volume， light weight， beautiful appearance, convenient observation， low cost, so the structure of robot is fully considered which has four freedoms and comprises base， big arm， small arm and wrist。 The simply reliable transmission scheme of SCARA manipulator is composed of harmonic deceleration and synchronically toothed belt and feed screw; the four joints are all driven by stepping motors。文档为个人收集整理，来源于网络个人收集整理，勿做商业用途KEY WORDS SCARA manipulate， Machinery arm, Structural Design 1 绪论1。1 课题背景 机器人自诞生之日起 ，便显示出其强大的生命力,机器人首先在工业生产中得到了广泛应用,并给传统工业带来了质的飞跃。它不仅提高了传统产业的自动化程度，提高了劳动生产率而且还推动了以资源消耗低环境污染少为特征的新型工业的诞生随着人类在机械工程、电气工程、微电子技术、计算机技术、控制论、传感技术、信息学、声学、仿生学、及人工智能等学科领域的飞速发展，机器人技术的应用也正在向农业、林业、畜牧、养殖、海洋开发、宇宙探索、国防建设、安全救济、生物医学、服务娱乐等新领域拓展开来,并已取得显著进展，机器人技术已成为高科技应用领域中的重要组成部分。机器人主要有两大类：用于制造环境下的工业机器人和用于非制造环境下的服务机器人。工业机器人是一种对生产环境和生产条件具有较强的适应性和灵活性的柔性自动化装备，它主要用于现代制造业中代替人们从事繁重、重复单调、环境恶劣危险、人做不了或做不好的工作,从而减轻了人们的劳动强度，改善了劳动环境，并有效地提高了生产的自动化程度,提高了产品质量和劳动生产率。工业机器人是柔性化制造系统(FMS)、自动化工厂（FA） 和计算机集成制造系统（CIMS) 必不可少的自动化工具，它的发展和应用情况已成为一个国家工业自动化水平的重要标志.1。2 机器人的定义及特点机器人的研究、开发和应用涉及多刚体动力学、机构学、机械设计、传感技术、电气液压驱动、控制工程、智能控制、计算机科学技术、人工智能和仿生学等学科,机器人技术是一门跨学科的综合性技术。早在20世纪60年代初，美国就制造出了第一台工业机器人，目前己经发展到第三代一智能机器人。由于机器人技术和机器人的重要作用，各工业化国家近几年都把它的研究和开发列为国策，制订一系列规划,多方采取措施，以加快发展。许多发展中国家也纷纷建立技术开发中心，应用和生产机器人，可以说当今正在掀起一个世界范围的机器人研制热潮。1。2.1 机器人的定义机器人(Robot)是1920年由捷克作家卡雷尔卡佩克在剧本中塑造的一个具有人的外表、特征和功能，愿意为人服务的机器奴仆“ Robot”一词衍生出来的。机器人的定义是多种多样的,其原因是它具有一定的模糊性，机器人不断在发展，新的机型、新的功能不断涌现，根本原因主要是因为机器人涉及到了人的概念，成为一个难以回答的哲学问题，就像机器人一词最早诞生于科幻小说之中一样，人们对机器人充满了幻想。也许正是由于机器人定义的模糊，才给了人们充分的想像和创造空间.在把机器人理解为仿人机器的同时，也可以广义地把机器人理解为仿动物的机器.我们可以这样说：机器人是一个在三维空间中具有较多自由度的，并能实现诸多拟人动作和功能的机器，而工业机器人(Industrial Robot）则是在工业生产上应用的机器人。美国机器人工业协会(U。S。RIA)提出的工业机器人定义为：“工业机器人是用来进行搬运材料、零件、工具等可再编程的多功能机械手、或通过不同程序的调用来完成各种工作任务的特种装置。”英国机器人协会、日本机器人协会等也采用了相类似的定义。我国科学家对机器人的定义是:“机器人是一种自动化的机器,所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。”在研究和开发未知及不确定环境下作业的机器人的过程中，人们逐步认识到机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结合。随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。结合这些领域的应用特点，人们发展了各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的特种机器人和各种智能机器人，如移动机器人、微机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、空中空间机器人、娱乐机器人等。对不同任务和特殊环境的适应性，也是机器人与一般自动化装备的重要区别。这些机器人从外观上己远远脱离了最初仿人形机器人和工业机器人所具有的形状，更加符合各种不同应用领域的特殊要求,其功能和智能程度也大大增强，从而为机器人技术开辟出更加广阔的发展空间。本文为互联网收集，请勿用作商业用途个人收集整理，勿做商业用途1.2.2 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.1.3 机器人的构成及分类1.3。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（又称执行系统）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。（1)末端执行器又称手部，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。3。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。2.按使用行业、部门和用途分类（1 ）工业机器人它们又可按作业类别分为锻压、焊接、表面喷涂、装卸、装配、检测等机器人。(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年代开始出现的,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1.4 机器人的应用与发展1.4。1 机器人的应用在发达国家,机器人己广泛地应用于工业、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，并逐渐向纤维加工、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.弧焊作业由于其焊缝多为空间复杂曲线，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，如铆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实施的火星探测计划，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，机器人己用于侦察、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.1。4.2 机器人的发展现代工业机器人起源于数控机床和远程控制器。1954年，美国的George Devol首先把远程控制器的杆结构与数控铣床的伺服轴结合起来，研制出了第一台通用机械手。这种机械手可以通过让其沿一系列点运动，将运动位置以数字形式存贮起来,动作执行时，使伺服系统驱动机械手各关节轴来再现这些位置,从而让机械手完成一些简单的工作。正是由于这个机械手具有了编程示教再现功能，因此许多人把它作为现代工业机器人产生的标志。在随后的生产应用中，为了适应各种不同用途需要，相继出现了直角坐标、关节坐标、极坐标等许多种不同结构的机器人.与第一代示教再现型机器人不同，第二代机器人是具有感觉功能的适应控制机器人。这种机器人带有传感器，能感知环境和对象的情况,以控制自身动作的变化。在机器人视觉、触觉研究的同时，机器人其他感觉功能的开发也已经开始，对机器人的接近觉、听觉、滑觉以及会话等功能都进行了研究，并取得了一定的成果。而且这种有感知功能的机器人开始被应用于工业生产中的焊接、装配及机械加工等作业。智能机器人被人们称为第三代机器人,它是能利用感觉和识别功能做决策行动的机器人。从七十年代后期开始，人们对智能机器人的规划生成系统(问题解决系统，路径搜索等),环境的理解系统（感觉智能，包括视觉，触觉等)，知识获得与利用系统(知识工程和专家系统等），人一机接口系统，运动系统等问题展开了更加广泛、深入地研究。智能机器人的研究是一个艰巨而又广泛的问题，随着研究的不断深入,相关科学的飞速发展（如第五代智能计算机）,具有智能的机器人在不久的将来一定会出现。纵观机器人的发展过程，可以看出, 自从机器人在五十年代诞生以来，在短短的四十多年里由于各种有关技术的发展,特别是自动控制技术、集成电路技术及微型计算机技术的应用，在国际形式的推动下，各国在经济上和科技上展开激烈的竞争，机器人的生产和应用随之得到了迅速的发展.它经历了第一代工业机器人的研究、实用化、普及，第二代感知功能机器人的研究、实用化，以及第三代智能机器人的研究等各个阶段。个人收集整理，勿做商业用途个人收集整理，勿做商业用途我国的机器人研究始于70年代。经过近20年努力,特别是经过“七11。”攻关、“ 863”计划，取得了一批重要成果，掌握了机器人控制系统硬件设计、软件设计、机器人语言等技术.就全国来说,目前我国机器人研究开发工作做得较好的地区是：以中科院沈阳自动化研究所为首的东北地区机器人工程中心，以机电部广州机床所为龙头的华南地区的机器人工程中心。而各工程中心_L作的侧重点又有所不同：东北地区以特种机器人、水下机器人开发为L,华北地区以喷漆Y1lt人、焊接机器人开发为主,华东地区以搬运机器人、装配机器人、移动机器人开发为主.1986年，国家把智能机器人列为高技术发展计划，研究目标是跟踪世界先进水平，工作内容主要是围绕特种机器人进行攻关。进 入 90 年代，在国内市场经济发展的推动下，确定了特种机器人与工业机器人及其应用工程并重、以应用带动关键技术和基础研究的发展方针，实现了高技术发展与国民经济主战场的密切衔接，研制出有自主知识产权的工业机器人系列产品，并小批试产，完成了一批机器人应用工程，建立了9个机器人产业化基地和7个科研基地。我国的高等院校，如长沙国防科技大学、上海交通大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等在步行机器人、精密装配机器人及7自由度机器人研制等前沿领域内做出了可喜的成绩，正在逐步缩短在机器人技术方面与世界先进水平的差距.综上所述，我国机器人发展已跨过了起步阶段，走上了进步和发展的道路.今后的任务是把机器人技术推广到更多的工业自动化生产领域和其他更广泛的应用领域,大力开展跨区域交流合作，与国际接轨,早日跻身于世界先进行列。1.5 本文的研究内容SCARA机器人为平面关节型机器人，一般采用步进电机驱动,控制简单，编程方便。主要应用于电子产品中异形元件装配，小型机电产品如电机、空压机、电器、泵类等的装配工作，是一种小型经济型机器人.该机器人的突出特点是机构承载能力强,具有较好的通用性，重复定位精度高，动作速度快，应用范围广。此课题为自拟实际开发的科研课题。该论文涉及计算机技术、电子、机械、检测技术及传感器技术等多学科的知识，主要完成了以下的工作：1。在进行充分的课题可行性论证及详细的理论计算之后，用AutoCAD等计算机图形辅助设计软件完成了SCARA机器人的机械本体结构设计。为了满足灵活性强、工作空间大、重量轻及结构紧凑等工作要求，将其设计为具有四个转动关节的机器人.2.建立了SCARA机器人的运动学数学模型，得到了运动学方程的正解和反解,并在运动学分析的基础上,求得了SCARA机器人的雅可比矩阵.3机械臂模块的规划与数学描述：研究机械臂的功能约束,研究具有明确机械功能的模块定义方法及数学描述；4机械臂模块的工程设计：研究模块化机械结构设计方法，设计出机械臂及吸盘的整体结构。2 SCARA机器人的研究意义和原理设计2。1 SCARA机器人的研究意义目前，国外已有各种专用和通用的装配机器人在生产中得到应用,主要类型大致有直角坐标型、圆柱坐标型和关节型三大类。关节型装配机器人又有垂直关节型（即空间关节型）和平面关节型(即SCARA型)两种。拒统计资料介绍，在这些装配机器人中，平面关节型装配机器人是应用数量最多且较为广泛的一种装配机器人。1991年世界上4万余台在生产上应用的装配机器人中，SCARA机器人约占3/4左右.其主要应用领域为电子电气业、家用电器业、精密机械业.从事印刷电路板上电子元器件的插入作业；家用电器及仪器仪表的组装作业：小型电器开关、接触器等电器产品的组装作业。可以说,SCARA型机器人在轻型、较简单且要求机器人价格较低的装配作业中大显了身手。随 着 社 会需求的增大和技术的进步，装配机器人将会得到迅速的发展，多品种、少批量生产方式和为提高产品质量及生产效率的生产工艺需求，将是推动装配机器人发展的直接动力。近年来计算机、CIMS及柔性自动装配系统等的发展,又为装配机器人的应用和发展提供了良好的可能性.1972年我国开始研制机器人，但发展缓慢,受经济、观念等因素的制约,基本没有什么应用，直到1986年，沈阳机器人研究所成立，中国的机器人才向实用阶段发展.随着国内教育和科技的发展，哈工大等高校出现了专门的机器人机构，研究水平在某些方面己达到国际先进水平。在应用方面,一汽等大型企业己开始使用机器人自动化生产线。但总体来说，国内机器人发展还是趋于落后，特别是在应用方面发展缓慢。究其原因，除了经济因素的制约外,很重要的一点是有关机器人的教育跟不上，知道机器人的人很多，但真正了解、懂机器人的人少而又少,这就使我国的机器人发展缺乏智力支持,加强机器人技术教育,缓解人才危机迫在眉睫.而研制结构简单、成本较低SCARA机器人用于教学可以提高教育的现代化水平，用于实际生产可以大大提高工作效率，还可以用于科学研究工作，为开发更先进的装配机器人提供有利条件,随着我国经济和科技的发展，我们有能力也有必要进行这方面的研究.文档为个人收集整理，来源于网络个人收集整理，勿做商业用途2.2 SCARA机器人的特点根据工作环境、工作特点等要求，本SCARA机器人应具备以下几个特点：1.外形美观，适于观察.如果作为示教用机器人应该让观看者赏心悦目，同时能直观地了解它的构成和动作原理。故机器人的外形应巧妙设计，部分外壳应采用透明材料，内部结构应简单明了，另外,机器人的动作应连续,速度适中.2。成本低在满足所要求功能的前提下,尽可能降低成本，这是设计的基本要求。如果作为教学用机器人只要求有一些示范性动作,而对实践的功能要求不高，速度等参数可在一定范围内调整，定位精度要求也不高,故机构尽可能采用规则件、标准件，驱动元件采用便宜的步进电机，而光电码盘等测试校验元件则可不用，其功能由软件部分实现补偿.这样，结构大大简化，成本也随之降低.3.体积小,重量轻SCARA机器人要求抓取重量不大,动作范围也很小，故体积很小，展开应在60 x 80cm2左右。要实现SCARA机器人的四个自由度，内部零件应尽量小巧，结构应尽可能紧凑。重量轻是机器人研制的一个方向,在满足强度和刚度的条件下，零部件越轻越好，故材料要首选铝质轻质材料，零件特别是具有定位功能的壳体定位板应采用板筋结构，各零件的空间分布要合理，减小倾覆力矩。4。传动原理简单本SCARA机器人采用步进电机驱动，速度要求不高，故减速比可在一定范围内调整，只要能满足转矩即可。选择减速方案可根据空间结构要求，优先选用标准谐波减速器，跨距转大的传动可选用同步带传动,力求一步到位,传动简单.2。3 SCARA机器人传动方案的确定根据课题特点，参考国内典型工业机器人图册，初步确定以下方案：图21 传动原理图 如图所示:大臂转动采用谐波减速，小臂转动采用二级同步带减速,升降轴采用丝杠螺母传动，手腕转动采用步进电机直接驱动。这种方案主要考虑了传动链的简化,结构比较简单易行。方案一具有以下特点:1。第一个自由度采用谐波减速器，适合结构特点，减速比大、体积小、重量轻、精度高、回差小、承载能力大、噪音小、效率高、定位安装方便，由于使用标准件，价格也不高。2.第二个自由度采用二级同步齿型带减速，充分利用了大臂的空间，结构紧凑，传动比恒定，传动功率大，效率较高，但对安装有一定要求,需加调整装置。3。 第三个自由度采用丝杠螺母传动。电机直接驱动丝杠螺母传动的同时兼有减速的作用，一步把旋转运动转变为直线运动，传动精度较高，丝杠有自锁功能,速度不宜过高。4。全部采用步进电机驱动,不配光电码盘.步进电机价格便宜，体积小，控制方便，为减少零部件，简化结构,不用码盘进行位置速度检测，这就要求在控制中采取一些措施,速度不能太高,以防止电机丢步。SCARA机器人为平面关节型机器人，四个自山度包括大臂、小臂的旋转，腕部的升降及旋转，为了使机器人的臂转动，所需要的最大转矩是当臂呈水平状态，如图2-1所示。设各部分的尺寸和重量如下：1大臂的第一和第二关节轴之间的距离为350m m，质量为m，（3 kg左右） 其重心在距离第一关节轴150 mm处.2小臂的第二和第三关节轴之间的距离为200 mm,质量为m，(0 .8 k g左右)，其重心在距离第二关节轴100m m处。3.腕部升降装置及最大物重质量合计为m3 （ 4kg左右），重心在距第二关节轴200 mm处。图22 SCARA机器人手臂的重量分布该机器人的基本技术参数如下：大臂回转 ：+900，300/s小臂回转 :1600，150/s手腕升降：l00mm手腕回转 ：土1800，600/s负载重量：19.6N3 吸盘式Scara机械臂驱动设计3.1 机器人驱动方案的对比分析及选择对机器人驱动装置的一般要求如下： 1.动装置的重量尽可能要轻，单位重量的输出功率（即功率/重量比)要高，效率也要高；2.反应速度要快，即要求力/重量比和力矩/惯量比要大；3.动作平滑，不产生冲击;4。控制尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小;5。安全可靠；6. 操作和维护方便;7。 对环境无污染,噪声要小;8. 经济上合理,尤其是要尽量减少占地面积.通常的机器人驱动方式有以下四种:1.步进电机:可直接实现数字控制，控制结构简单，控制性能好,而且成本低廉；通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制；位置误差不会积累；步进电机具有自锁能力(变磁阻式）和保持转矩（水磁式)的能力，这对于控制系统的定位是有利的,适于传动功率不大的关节或小型机器人。2.直流伺服电机：直流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动力矩，相对功率大及快速响应等特点，并且控制技术成熟。但其结构复杂，成本较高，而且需要外围转换电路与微机配合实现数字控制。若使用直流伺服电机，还要考虑电刷放电对实际工作的影响。3。交流伺服电机:交流伺服电机结构简单,运行可靠，使用维修方便，与步进电机相比价格要贵一些.随着可关断晶闸管GTO,大功率晶闸管GTR和场效应管MOSFET等电力电子器件、脉冲调宽技术（PWM）和计算机控制技术的发展，使交流伺服电机在调速性能方面可以与直流电机媲美.采用16位CPU+32位DSP三环(位置、速度、电流）全数字控制,增量式码盘的反馈可达到很高的精度.三倍过载输出扭矩可以实现很大的启动功率，提供很高的响应速度。4.液压伺服马达: 液压伺服马达具有较大的功率/体积比，运动比较平稳，定位精度较高,负载能力也比较大，能够抓住重负载而不产生滑动,从体积、重量及要求的驱动功率这几项关键技术考虑，不失为一个合适的选择方案。但是，其费用较高,其液压系统经常出现漏油现象。为避免本系统也出现同类问题，在可能的前提下，本系统将尽量避免使用该种驱动方式.SCARA机器人负载并不大，决定了机器人必须重量轻（1020Kg),另外其作业范围也不大，所以机器人必须体积小。对此机器人,这些特点决定了它的驱动方式.又通过以上比较，由于步进电机的诸多优点，初选上述方案中的步进电机方案进行详细的计算和选择，并在此基础上参考同类机器人的驱动方案，最后确定一种适合我国国情的实施方案。SCARA机器人四个关节均选用步进电机驱动。第一个关节传动采用小体积、大转矩、高减速比的谐波减速器.第二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.第三关节采用了具有自锁功能的丝杠螺母传动。第四关节采用步进电机直接驱动,构件选用高强、轻质材料（铝合金)以减轻重量。3.2 各自由度步进电机的选择本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.下面估算一下绕机器人臂的旋转轴的转动惯量.如图21所示，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=JG1+m1l12+ JG2+m2l22+JG3+m3l32 （2-1）其中，m1,m2，m3前面已经说明,分别为:3kg ，0 。8k g ,4 kg ,l1、l2、l3分别为各重心到第一关节处的距离，其值为150mm,450mm，550mm。在式21中，JG1m1l12 JG2m2l22 JG3m3l32可忽略不计,所以绕第一关节轴的转动惯量为:J1 =m1112 +m2122+m3l32 （22）=3x0。15 2+ 0。8x0。452+4x0。552 =1。44 kg.m 2同理可得小臂及腕部绕第二关节轴的转动惯量:J2 =m2l42+m3l52 （23)=0.8x0。12 +4x0。22=0.168kg。m 2式中：14小臂重心距第二关节轴的水平距离mme15 腕 部 重 心 距 第 二关节轴的水平距离mmo3。2。1 第一自由度步进电机的选择设大臂速为w0=300/s，则旋转开始时的转矩可表示如下（静摩擦力矩忽略不计）：T=Jw (2-4）式中：T一旋转开始的转矩N。mJ一转动惯量 kg.m 2W0一角加速度 rad/s2使机器人大臂从w0=0到w1=300/s所需的时间为： t= O。ls则:T1=J1xW1=J1x（w-w0)/t=1。44x/（6x0.1）=7。54N.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ION.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 = 2x10=20N。m选择谐波减速器：型号：XB50-84B (杯形)额定输出转矩:30N。m减 速 比 ： i1 =84重 量 ： 13。72N设谐波减速器的传递效率: =90,步进电机应输出力矩为:Tow1=TO1/(i。 ）=20/(84x0。9）=0。27Nm （2-5）选择混合式步进电机:型号：57BYG250B-0152静转矩 :0.7N 。m步转角 :0。903.2.2 第二自由度步进电机的选择原理同2。2.1。设小臂转速w2= 150/s，角速度从0加到w2所需加速时间t = 0.2s,则同步带应输出转矩为:T2=J2.w2=0.168/(12x0。2）=0。22N。m设安全系数为2，同步带减速比i=10，同步带传动效率为: =85% (单级传动）.则电机所需输出力矩为： Tow2=2T2/（i。 2 )=2x0.22/(10x0。852)=0。06N。m选择混合式步进电机（北京四通电机公司产品）型号 : 45BYG25OA-0121静转矩 ；0.2N。m步距角 ：0。903.2.3 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=34.3 N.丝杠基本参数选择：螺纹牙形：梯形螺纹，B= 300螺 距：P=2mm公称直径:d=10mm，中 径： d2=9。Smm摩擦系数：f=0。1螺旋升角为: =arctg（P/d2）= arctg（2/9。5）=3。8340 （26）当量摩擦角为:=tg-1f=arctg（f/cos150）=5。9110 （27）螺纹阻力矩为: T1=d2Qtg（+)/2=9.5x34.3xtg(3.8340+5.9110）=0.031N。m (2-8）螺纹所受摩擦力矩： T2=ftQDm/2 (29)式中: I一摩擦系数,取0。1Dm 一支撑面平均直径，此例中取螺母内外径和的一半，即( 10+40） 12=25 mm。代入数据得:T2=0.1x34。3x25/2=0。047N.m丝杠所受力矩为阻力矩与摩擦力矩之和，即:T= T1 +T 2 =0.031+0。047=0。078N.m安全系数取2，则电机所需输出最小转矩为:Tow3=2T=2x0.078=0.156N。m选择混合式步进电机（北京四通电机公司产品)型 号 : 57BYG25OB-0152静转矩 ： 0.7N.m步转角 :0。903。2.4 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： J1=1/2mR2 （210）式中：m一手爪及物体总质量，设为3 kg,代入数据得: J1=3X0。052/2=0.00375Kg.m2设转速为w3=600/s，加速时间t=0。1s，由式子(2-4）的电机需输出转矩为： Tow4=J3w3=0.00375x/（3x0.1）=0。04N。m选择混合式步进电机(北京四通电机公司产品)型 号 : 45BYG25OA0121静转矩 :0.2N。m步距角 :0。904 吸盘式Scara机械臂集成模块化机构设计4.1 同步齿形带传动设计 由 2。 2。 2知 ,同步带输出转矩为:0。22N。m,输出转速为： w=150/s，单级传动效率为： = 85%，传动比i=10，取安全系数k=3, 则同步带传递功率为: P=kTw/ 2=3x0.22/（12x0.852）=0。24W （211）设传动比分配为： 第一级传动i1=5，第二级传动i2=2,带轮依次为I、II、III、IV,则: IV轮转速：n1 =150/s=2.5r/minII、III轮转速:n2 =n3 =2n4 =2x2.5=5r/minI轮 转 速： n1= in4= 10x2.5=25r/min设中心距:L，=100mm, L2=250mm4.1.1 求出设计功率Pd由文献12表9。3-11查得载荷修正系数ko=1。6，因为未使用张紧轮，又是减速运动，故文献12中表9。311的附加修正系数均为零。则： Pd=koP=1.6x0。24=0。384W4.1 2 选择带的节距由 Pd= 0。384 W 和n1= 25r/min，从12图9。3-4中查得带的节距代号为XL，对应的节距为Pd=5.08mm(见表9.31-21)。4。1 3 确定带轮直径和带节线长由表9。3101,带轮I齿数最小可取10，考虑到制造和安装等因素，取Z1=13。则:Z2=i1Z1=5Z1=65根据12表9.3-6标准系列，取Z2=60同理可得:Z3=17, Z4=40重新计算传动比：i1=Z2/Z1=4。6i2=Z4/Z3=2。4i=i1i2=10.8由表9.3-6可得I , II, III, N各带轮的直径：D1 =21。02mm, d2=97.02mmd3 =27。49mm， d4=64.68mm由12式(15）可得带长计算公式： Lp=2Lcos +（d2+d1）/2+（d2-d1)/180 （2-12）式中:L一中心距mm Lp一 带长mm =arcsin（(d2d1）/2L）代入数据计算可得: Lp1=2L1cos 1+1(d2+d1）/2+1(d2d1）/180 =2x100xcosarcsin(97.02-21。02)/2L1）+x（97。02+21.02）/2+1 x（97。02-21.02)/180=402mm同理可得：Lp2=646。7mm按12表9。32，选择最接近算值的标准带长：Lp1 = 406.4mm,齿数80， 代号160Lp2 =635 mm,齿数125，代号25近似计算中心距： LM+ (2-13)式中：M=Pbx(2Zb-Z1-Z2）/8 L一中心距 mmPb一节距,这里为5。080 mmZb一带齿数,这里Zbl=80. Zb2=125Z2，ZI为配合带轮齿数则:M1=Pb1x（2Zb1-Z1Z2）/8=5.08x（2x80-13-60)=55.245mmL1=M1+=103.515mm取整，则L1=103mm 同理可得：M2=122。555mm L2=244。401mm取整，则L2=245mm进行标准带宽的选择：小带轮I齿数ZI=13，转速为n=25r/min由12表9.312内插法得XL型带的基准额定功率为Po=1.25 W 啮合齿数: Zm=Z1/2PbZ1(Z2-Z1）/22b1=13/25。08x13x(60-13）/22x103=5。00.384W=Pd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: 两极同步带类型均为为XL型同步齿型带Pb=5.08mm,带宽bs=7。9mm一级同步齿型带齿数: Zp1=80,带长:Lp1=402mm，代号160二级同步齿型带齿数： Zp2=125，带长:Lp1=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 图41 SCARA机器臂大臂结构图4。2 丝杠螺母设计设丝杠所受轴向载荷总和为34.3N，由于载荷较小，强度不成问题,根据结构要求，从标准系列中选取以下参数:螺 距 ：p=2mm,梯形螺纹导程 ： s=2mm头 数 : Z=1螺母高度与螺纹中径之比: =H/d2=1。5螺纹牙工作高度：h=1mm4。2.1 丝杠耐磨性计算丝杠材料采用钢，螺母材料选用青铜，根据21表3-8取许用比压P一11N/mm2对于单头标准梯形螺纹: d20。8 =1.7mm式中