四自由度SCARA机器人结构设计【毕业论文+CAD图纸全套】

1四自由度 SCARA 机器人结构设计第一章 绪论1.1  引言机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多门学科而形成的高新技术。其本质是感知、决策、行动和交互四大技术的综合，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用水平是一个国家工业自动化水平的重要标志。工业机器人既具有操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的自动化生产设备。目前机器人应用领域主要还是集中在汽车工业，它占现有机器人总数的 2.89%。其次是电器制造业，约占 16.4%，而化工业则占 11.7%。此外，工业机器人在食品、制药、器械、航空航天及金属加工等方面也有较多应用。随着工业机器人的发展，其应用领域开始从制造业扩展到非制造业，同时在原制造业中也在不断的深入渗透，向大、异、薄、软、窄、厚等难加工领域深化、扩展。而新开辟的应用领域有木材家具、农林牧渔、建筑、桥梁、医药卫生、办公家用、教育科研及一些极限领域等非制造业。一般来说，机器人系统可按功能分为下面四个部分川:（1）机械本体和执行机构:包括机身、传动机构、操作机构、框架、机械连接等内在的支持结构。（2）动力部分:包括电源、电动机等执行元件及其驱动电路。（3）检测传感装置:包括传感器及其相应的信号检测电路。（4）控制及信息处理装置:由硬件、软件构成的机器人控制系统。1.2  国内外机器人领域研究现状及发展趋势1、总体来说：（1）工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从 91 年的 10.3 万美元降至 2005 年的 5 万美元。（2）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;国外己有模块化装配机器人产品问市。2(3)工业机器人控制系统向基于 CP 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，控制柜日见小巧，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。(4)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己有成熟应用。(5)虚拟现实技术在机器人中的作用己从仿真、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。(6)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实用化阶段。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实例。(7)机器人化机械开始兴起。从 1994 年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置己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。2、国内和国外发展现状：国内： 从整体上来说，我国机器人产业还很薄弱，机器人研究仍然任重而道远。我国市场上机器人总共拥有量近万台，仅占全球总量的 0.56%，其中完全国产机器人行业集中度仅为占 30%，其余皆为从日本、美国、瑞典、德国、意大利等 20 多个国家引进。究其原因，很大程度在于自主品牌不够，发展壮大自主品牌及其自动化成套装备产业成为当务之急，由于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，作为先进装备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着越来越重要的作用。国外专家预测，机器人产业是继汽车计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。随着我国企业自动化水平的不断提高、人民生活需求水平的提高，机器人市场也会越来越大，这就给机器人研究、开发、生产者带来巨大商机，目前中科院常州中心常州机械电子工程研究所致力于机器人及智能装备技术的开发。国外：在国外，应用于制造业的机器人取得了较显著进展，已成为一种标准设备而得到工业界广泛应用，从而也形成了一批在国际上较有影响力的、知名机器人公司。如德国的 KUKA、瑞典的 ABB、日本的安川等。据专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。据联合国欧洲经济委员会(UNECE)和国际机器人联合会(IFR)的3统计，2002 年至 2004 年，世界机器人市场年增长率平均在 10%左右，2005 年达到创纪录的 30%，2007 年全球机器人实际安装量达到 650 万台，机器人安装量比 2006 年增加 3%，达到了 114365 台。据统计，近年来全球机器人行业发展迅速，2008 年全球机器人行业总销售量比 2006 年增长 25。而无论在使用、生产还是出口方面，日本一直是全球领先者，目前日本已经有 130 余家专业的机器人制造商。世界各国主要行业对机器人的需求详人已应用在汽车制造厂的焊装线上，我国现有机器人研究开发和应用工程单位 200 多家，其中从事机器人研究和应用的有 75 家，共开发生产各类机器人约 3000 多台，90%以上用于生产，引进机器人做应用工程的约 1000 多台。在国内，机器人产业刚刚起步，但增长的势头非常强劲，我国机器人经过 20 多年的发展已在产业化的道路上迈开了步伐。近几年，我国应用于制造业的机器人及自动化生产线和工程项目、相关产品的年产销额已近五亿元。       1.3SCARA 机器人简介SCARA 机器人(如图 1 一 1 所示)很类似人的手臂的运动，它包含肩关节、肘关节和腕关节来实现水平和垂直运动，在平面内进行定位和定向，是一种固定式的工业机器人。它具有四个自由度，其中，三个是旋转自由度，一个是移动自由度。3 个旋转关节，其轴线相互平行，手腕参考点的位置是由两个旋转关节的角位移 p，和 pZ，及移动关节的位移 Z来决定的。这类机器人结构轻便、响应快，例如 Adeptl 型 SCARA 机器人的运动速度可达10m/S，比一般的关节式机器人快数倍。它能实现平面运动，全臂在垂直方向的刚度大，在水平方向的柔性大，具有柔顺性。图 1 一 1SCARA 机器人4SCARA 机器人最适用于平面定位，广泛应用于垂直方向的装配。广泛应用于需要高效率的装配、焊接、密封和搬运等众多应用领域，具有高刚性、高精度、高速度、安装空间小、工作空间大的优点。由于组成的部件少，因此工作更加可靠，减少维护。有地面安装和顶置安装两种安装方式，方便安装于各种空间。可以用它们直接组成为焊接机器人、点胶机器人、光学检测机器人、搬运机器人、插件机器人等，效率高，占地小，基本免维护。1.4  项目研究的主要内容本课题是要设计一个教学 SCARA 机器人。作为工业机器人的 SCARA 己有很多成熟的产品，但大多驱动装置采用伺服电机，传动系统采用 RV 减速机，由这些部件构成的整机价格昂贵，不适宜于作为教学用途。而教学机器人相对而言对运动精度的要求要比工业场合用的机器人所要求的精度低，对运动速度和稳定性的要求也不高，它只需具备机器人的基本元素，达到一定的精度即可。实际上由步进电机构成的开环系统精度已经很高，能满足教学用途，而且成本比伺服电机构成的闭环、半闭环系统低很多。谐波传动也是精度高、传动平稳并且很成熟的一项传动技术。因此自主开发低成本的教学机器人很有意义。对本机器人的研制，拟采用步进电机作为动力装置，采用谐波减速机作为传动链的主要部件，同时辅以同步齿形带和滚珠丝杠等零部件来构成机器人的机械本体。项目研究的总体步骤是:选出最优传动方案一一关键零部件选型一一机械系统三维建模一一零部件工程图和总装图1.5 拟解决的关键问题（1）抗倾覆力矩问题的解决。SCARA 机器人的大臂和小臂重量大，悬伸也大，造成很大的倾覆力矩，影响机器人的性能，通过合理的机械结构设计来加以解决。（2）运动要灵活，升降运动的导套长度不宜过短，否则可能产生卡死现象；一般要有导向装置。结构布置要合理，便于装修。第二章   SCARA 机器人结构设计近年来，工业机器人有一个发展趋势:机械结构模块化和可重构化。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;国外己有模块化装配机器人产品问市。本章介绍模块化的设计方法在 SCARA 机器人的结构设计中的应用。52.1  SCARA 机器人的总体设计SCARA 机器人设计的技术参数应符合设计要求，其结构要符合机械设计原理。首先要确定其运动空间、外形尺寸及设计方案。2.1.1  SCARA 机器人的技术参数机构形态 平面关节式(SCARA 型)自由度 4负载能力 3 Kg重复定位精度 0.1mm关节转动 0200关节转动 0180关节升降 0150mm动作范围关节转动 0360关节转动 180o /S关节转动 60o /S关节升降 40mm/S最大速度关节转动 o /S120关节长度 190mm关节长度 210mm关节行程 150mm最大展开半径 400mm高 度 680mm本体重量 50Kg温度 0+45 oC湿度 2080%不结露振动 0.5G 以下安装环境其它避免易燃、腐蚀性气体、液体勿溅水、油、粉尘等勿接近电器噪声源操作方式 示教再现/编程电源容量 单相 220V 50Hz 8A62.1.2SCARA 机器人外形尺寸与工作空间此设计题目机器人工作半径为 400mm，高度不超过 700mm。机器人运动关节包括肩关节、肘关节、腕关节及手腕，设计时应使各关节的半径、重量及各关节中零件装配尽量合理，初步设计机器人的整体结构尺寸如下：图 2-1 机器人外形尺寸图 2-2  机器人最大动作范围示意图2.1.3  SCARA 机器人的总体传动方案的确定7比较目前同类 SCARA 机器人本体设计方案，参考国内典型工业机器人图册，初步选用下述传动方案：（1）四旋转自由度均选择减速电机传动，精度高，传动比大，效率高，噪声小，振动小，传动部分的零件都是标准件，易购买，安装方便。（2）旋转自由度选择减速电机和同步带传动，精度高，传动比高，结构紧凑。（3）移动选择同步带传动，传动精度高，结构紧凑，传动比恒定，传动效率高，但安装要求高，负载能力有限。由于主轴处于机器人小臂末端，相对线速度大，对重量和惯量特别敏感，所以传动方案要求同时实现轴方向直线运动和绕轴的回转运动，并要求其结构紧凑、重量轻。因此，三四关节的传动设计需要慎重考虑，最终选择同步齿形带联合滚珠丝杠以实现轴垂直（第三移动自由度）运动，而用电机集成行星减速器来实现轴旋转（第四旋转自由度）运动。各关节的传动方案最终确定如下：1 轴（大臂回转）：伺服电机谐波减速器大臂2 轴（小臂回转）：伺服电机同步齿形带谐波减速器小臂3 轴（手腕垂直直线运动）：伺服电机同步齿形带滚珠丝杠主轴4 轴（手腕旋转）：伺服电机行星减速器主轴2.2  机器人底座结构设计  本六自由度机器人除自身本体底座外（图 2-3），还配备了方形底座（图 2-4），方形底座采用 M16 螺栓固定于控制柜上台面,机器人本体通过 M12 内六角螺钉固定在方形底座上。8图3 机器人本体底座尺寸图图 2-4  机器人方形底座2.3  关节 1 各零件的设计计算关节 1 的主要零件包括电机、减速器、转动轴。转动轴的设计计算应满足扭矩及转矩。根据机器人外形尺寸图及设计要求的机器人机身质量，粗略限定各个部分的质量为：机座 ，大臂质量 ，小臂质量 ，手腕质量 。kg20kgm10kgm102kgm532.3.1  电机 1 及减速器的计算、选择。设各关节及手腕绕各自中心轴的转动惯量分别为 、 、 ，根据平行轴定理，可1GJ23GJ得绕第一关节轴的转动惯量为: 2322112 lmllmJGGG式中： 、 、 -大臂、小臂、手腕的估计质量；1m23、 、 -各重心到第一关节处的距离，其值大约为ll9100mm，300mm，400mm。由于 、 、 ，故 、 、 可忽略不计，所以21lmJG2lJG23lmJG1GJ23GJ轴（机座旋转轴）的等效转动惯量为1Z 22222321 85.140.052 mkgllJ 机器人大臂从 到 所需时间为 ，则启动转矩为0ws/81 st3NtwJT.9.08101考虑摩擦力矩及 、 、 ，则可假定为 ，取安全系数为 2，则谐1GJ23GmT2波减速器所需输出的最小转矩为 。据此，选择日本电产新宝（浙江）N41min有限公司生产的型号为 WPC63-100-CND 的单级谐波减速器。，其传动比为 100，平均输出扭矩为 70 .可满足力矩要求。N表 2-1 减速机型号、规格                          表 2-2 减速机尺寸表交流伺服电动机，是一种将输入的电压信号转变成轴向角位移或角速度的控制电机。输入的电压信号称为控制信号或控制电压，改变控制电压的极性和方向改变伺服电机的转速和方向。交流伺服电动机的输出功率为 0.1-100w，其中最常用的在 30w 以下。其电源频率在 50Hz10时，电压是 36，110，220，380V；电源频率是 400Hz，电压是 20，26。36，115V。自动控制系统对伺服电动机的要求有：良好的要可控制  单相供电时无自转现象运行稳定        运转随转矩的增高而均匀下降快速响应        接到信号时快速启动，失去信号能自动制动并立刻停止转动。与步进电机相比较，在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。（1）控制精度不同 两相混合式步进电机步距角一般为 3.6、 1.8，五相混合式步进电机步距角一般为 0.72 、0.36。也有一些高性能的步进电机步距角更小。（2）