机电综合实践工作报告-SCARA机器人的设计与制作2.docx

机电综合实践低成本SCARA机器人机电综合实践工作报告SCARA机器人的设计与制作姓名东南大学机械工程学院2016年1月21日摘要机器人产业作为新兴产业正在蓬勃发展中，但机器人居高不下的售价成为制约其发展的重要因素，而机器人的性能过剩正是机器人成本难以降低的原因之一。因此面向低精度工作的低成本机器人相较于其他专用型机器人或高精度机器人虽然性能有所下降，但是市场依旧广阔。同时低成本机器人投入市场，必将推动机器人在中小企业乃至手工业的应用，甚至将会促进机器人的平民化、个人化。1SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm，中文译名：选择顺应性装配机器手臂）是一种圆柱坐标型的特殊类型的工业机器人。SCARA机器人有3个旋转关节，其轴线相互平行，在平面内进行定位和定向。另一个关节是移动关节，用于完成末端件在垂直于平面的运动。SCARA机器人是一种典型的4自由度平面机器人，相比于其他专用型机器人，有着较高的普适性，是一种易于进行低成本设计制造的机器人类型。本次实践活动中，本小组设计并制造了一种SCARA机器人,具有3个旋转自由度和1个移动自由度,可实现水平和垂直运动,其结构简单、体积小、质量轻、动作迅速、刚性好及定位精度高，最重要的是成本低，可应用于生产和教学乃至个人家庭使用。首先通过对典型的SCARA机器人进行横向比较，提出低成本SCARA机器人的概念，并对低成本机器人市场前景进行预测，评估项目可行性，提出设计目标和成本预算。其次，根据设计目标和成本预算，进行结构设计和改进。通过对现有SCARA机器人的结构和性能分析，基于模块化设计方法设计出一种在保持一定精度前提下，成本尽可能低的SCARA机器人。通过使用丝杠滑台配合步进电机代替花键丝杠，精简了结构同时也大幅度降低了制造成本，这一设计是本文中降低成本的核心方法之一。再次，根据设计要求进行电机选型和采购，同时进行零件的加工制造。通过使用带有编码器的步进电机代替伺服电机，又一次大幅度降低了制造成本，同时也降低了控制部分的制造成本和控制难度。最后，进行SCARA机器人的装配与调试。将所有零件按装配图装配完成后进行机械部分的调整，排除所有因机械结构引起的故障，并根据实物表现再一次进行结构优化和调整。机械部分调整完成后，进行接线和上电进行控制部分调试，并对成品性能进行评估。关键词：SCARA机器人；低成本；低精度；结构优化；设计制造目录第一章低成本SCARA机器人任务概述4引言41.1研究背景与意义41.2设计目标及成本预算51.2.1设计目标51.2.2成本预算8第二章低成本SCARA机器人总体方案设计92.1机械结构设计92.1.1工作参数设计92.1.2外形尺寸与工作空间102.1.3工作方案设计112.2机械传动设计12第三章个人负责模块的方案设计及原理143.1小组分工情况143.2个人负责模块14第四章低成本SCARA机器人完成情况184.1总装配体建模184.2零件加工制造184.3总体装配194.4上电调试224.5成本统计24第五章 机电综合实践心得体会26参考文献27第一章低成本SCARA机器人任务概述引言随着科学技术的进步，机器人已经走出实验室，在自动化生产线上发挥着巨大的作用，从事装配、上下料、喷涂等工作。相比于人工，机器人有着效率高、准确率高、工作时间长等优势。自十二五规划以来，我国机器人产业蓬勃发展，不仅涌现出了一批以新松、爱普森为代表的国产机器人公司，我国工业机器人装机量也在逐年提高。2国际机器人联合会发布的数据显示，2014年全球工业机器人销量约22.5万台，较2013年增长27%。其中中国工业机器人销量为5.6万台，同比增长54%，预计2016年中国工业机器人装机数量将位居全球之首。1.1研究背景与意义相对于市场上动辄定位精度达到0.01mm的高精度机器人，人类的手、眼定位精度和稳定性非常低，工作速度和效率也不可避免的低于机器人。然而目前手工在制造业中依旧占据较大的比例，其中固然有工业机器人智能化水平低、通用性差等原因，但最主要的原因仍然是工业机器人的售价高昂，难以在中小企业中普及。而我国作为发展中国家，制造业自动化程度低，有能力配备机器人的全自动生产线较少，机器人市场并未完全开发。机器人产业要取得长远发展并大范围普及，必须降低机器人制造成本。SCARA机器人是一种典型的4自由度平面机器人，相比于其他专用型机器人，有着较高的普适性和市场适应性，很适合作为面向低精度工作的低成本机器人投入市场。图1.1因此，本小组四名成员以本次机电综合实践为契机，在韩良老师的指导下，进行低成本SCARA机器人的设计制造等相关探索。1.2设计目标及成本预算当SCARA机器人作为辅助环节，为其他工作主体进行上料、纠正偏差、剔除废料等工作时，上述公司的机器人会出现性能过剩的问题，即工作所需的定位精度、重复速度、最大负载远小于机器人的工作能力，造成了高精度机器人从事极低精度的工作的现象。因此，以适当降低重复精度为代价来降低成本是可以接受的。低精度机器人是相对于目前市场上高精度机器人而言，与手工相比，低精度机器人仍旧有着较高的精度和较广的应用范围。可以说机器人的精度比手工定位精度高，就可以作为工业机器人投入市场，甚至在成本足够低的情况下，即使比手工精度低，依旧有很广阔的市场。通过走访调查、网络搜索等方式搜集到的信息表明，机器人的整体售价为工人工资的2-3倍时，企业将愿意购买机器人代替人工。而以降低精度为代价的低成本机器人因其精度限制，应用范围有所缩小，只能用于重复性低精度工位，所以只有成本足够低才能打开市场。1.2.1设计目标目前市场SCARA机器人品牌有爱普生、东芝、史陶比尔、雅马哈等，在这些公司的产品中，主流型号的参数为工作行程300-600mm，竖直行程100-300mm，负载1-3Kg，定位精度为0.02mm左右，重复速度为1-2次/S。图1.23爱普生公司SCARA机器人部分系列参数图1.34东芝公司SCARA机器人部分系列参数图1.45史陶比尔公司SCARA机器人部分系列参数图1.56雅马哈公司SCARA机器人部分系列参数在综合考虑市场应用范围与降低成本等因素后，我们最终确定低成本SCARA机器人的参数如下工作行程竖直行程定位精度重复速度400mm200mm1mm5次/min1.2.2成本预算根据前文所述低成本SCARA机器人产品定位及性能参数等因素的影响，预计机器人总体价格为5000元左右较为合适。考虑到本次实践活动为单件制作，零件制造成本较高，故本机器人的机械部分和电机及其配套驱动器总价应控制在5000元以内。第二章低成本SCARA机器人总体方案设计2.1机械结构设计2.1.1工作参数设计如图1所示SCARA平面关节式装配机器人，具有四个自由度，三个旋转关节轴线相互平行，实现平面内定位和定向。此外，附加一个滑动关节实现末端件垂直运动。图2.1SCARA机器人示意图为了更好的满足生产实际的要求，设计出的机械臂需达到的技术指标如表1所示 表2.1装配机器人主要技术参数项目技术参数运动部件大臂小臂主轴升降主轴旋转运动范围150120200mm360最大速度200/s200/s200mm/s360/s定位精度0.5mm2.1.2外形尺寸与工作空间SCARA机器人可分为四个部分，即固定在安装平面的安装中心、与安装中心通过旋转关节相连的大臂、与大臂通过旋转关节相连的小臂和安装在小臂上的末端执行机构。外形尺寸预定如下表2.1装配机器人主要尺寸参数大臂小臂末端行程总体高度220220200mm750mmSCARA机器人的工作空间由大臂和小臂的长度、竖移关节的可动距离决定，但由于机器人机构和安装空间的限制，SCARA机器人的工作空间并不是一个完整的圆柱体，而是一个水平截面为多段圆弧相连接的立体空间。依据设计要求SCARA机器人的工作空间如图2.2所示,图2.2SCARA机器人工作空间2.1.3工作方案设计(1) 末端竖移型机器人目前市场应用最广最常见的SCARA机器人是末端竖移型机器人，即垂直方向上的移动关节放在距离安装中心最远的小臂末端，而末端执行机构则安装在竖移关节的最下方。图2.3史陶比尔TS-60型SCARA机器人图2.3为史陶比尔TS-60型SCARA人的侧视图。可以看出其竖移关节放在小臂末端，由一根可以同时旋转和竖直移动的花键丝杠构成，丝杠末端为执行器的安装部分。这种末端竖移型机器人的优点是结构清晰，控制方便，竖直方向倾覆小，承载能力大，对工作空间没有影响。缺点是竖移关节的花键丝杠的加工成本高，对控制花键丝杠旋转和竖移的两个电机精度要求高。(2)中心竖移型机器人随之制造工艺的提升，近年来出现了中心竖移型机器人，即垂直方向上的移动关节与安装中心重合，使得大臂和小臂也可以在竖直方向上运动。图2.4PF400型SCARA机器人图2.1.2为Precise Automation公司的PF400型SCARA机器人，是一种中心竖移型机器人，可以看到其中心部分为一个带有两条滑槽的长方体安装中心，大臂通过一个旋转关节与安装中心连接，小臂末端通过旋转关节与一个夹爪连接。这种中心竖移型的机器人优点是造型优美，结构精简，可动范围广，省去了末端的花键丝杠，降低了制造成本，可以与直线滑台结合组成多自由度上下料机器人。缺点是大臂和小臂在竖直移动过程中会对工作空间早成影响，限制了其工作能力，同时安装中心承受倾覆力矩和旋转力矩，对安装中心的电机造成了较大的负载影响。(3)SCARA机器人低成本结构探索对比上述两种类型的机器人可以看出，中心竖移型机器人由于其结构特点，难以有降低成本的结构改进，而末端竖移型机器人可以将末端竖移和旋转拆分为两个部分，由直线滑台和旋转电机分别负责直线运动和旋转运动，而不是选用成本较高的花键丝杠。同时，在可容许的精度范围内，可以用步进电机代替伺服电机，以达到降低成本的目的。2.2机械传动设计在完成机械本体设计的基础上，为了实现机械臂的运转需要对传动机构进行设计，根 据SCARA的特点，参考国内典型工业机器 人图册，初步选择两种传动方案。方案一：大小臂均采用谐波减速器,它与交流电机直联后安装于大小臂内部实现一二关节传动,从而避免采用传统的同步齿形带传动而导致安装要求高、传动精度低以及结构复杂等缺点。由于主轴处于机器人小臂末端,相对线速度大,对质量与惯量特别敏感,而传动方式要求同时实现Z轴方向直线运动和绕Z轴的回转运动,并且结构紧凑、定位精度高。采用花键丝杠来实现主轴上下运动和转动。方案二：大臂回转选择带编码器的86步进电机电机传动，使用行星减速器减速，小臂选择带编码器的60步进电机电机传动，不用减速器。大小臂传动比高、效率高、噪音小、振动小，传动部分的零件都是标准件，易购买、安装方便；主轴上下移动和旋转分开实现，上下移动使用精密丝杠滑台实现，旋转使用42步进电机驱动。两种方案理论上均可实现，方案一结构复杂，部件多，但较多是标准件，较易实现；方案二结构复杂，但加工和安装均比较简单，成本较低。综合考虑安装调试的难易程度、性能要求和制作成本选择传动方案二。所以各关节的传动方案最终确定如下：大臂关节：步进电机行星减速器大臂小臂关节：步进电机小臂主轴垂直直线运动：步进电机丝杠滑台主轴旋转：步进电机主轴明显可以看出，方案二的传动链相对简单，有较多相似模块，无论是设计、加工、安装、调试的工程都相对容易，符合低成本的要求。第三章个人负责模块的方案设计及原理3.1小组分工情况陈远志大臂传动结构及大臂设计所有图纸审核蒋雷小臂及小臂传动结构设计电机选型与采购刘嘉鑫末端结构设计联系加工厂零件加工与返工郭潜基座设计基座铝型材购买与安装各自部分的出图、装配、调试3.2个人负责模块 末端装配模型图 末端使用滑台和42电机来控制机械手上下的移动。首先将滑台安装在小臂上，再将末端电机座安装在滑台上，42电机通过与其配套的电机座和铜柱与末端电机座相连。末端转轴通过联轴器与42 电机相连，末端电机座与末端转轴之间加装深沟球轴承，防止磨损。 末端转轴 末端电机座 42电机座 末端端盖 联轴器 通过多次比对后我们选择了一家不太贵的加工厂来加工所需要的零件。但在加工件完成后发现有比较多的地方并不能按要求配合，于是联系了加工厂进行返工，其中有一些零件可以手动修补来完成总体的配合。 第四章低成本SCARA机器人完成情况4.1总装配体建模本次机电综合实践任务较为复杂，在将任务模块化分给各组员后，需对所有模块进行总装。本小组建模软件采用SolidWorks 2014版，在总装完成后进行测试，通过应用软件的应力计算、碰撞分析等功能评估模型的可行性。总装配体部分截图如下1.机箱底座2.带编码器86步进电机3.行星减速器4.大臂转轴5.大臂6. 带编码器60步进电机7.小臂转轴8.小臂9.42步进电机10.200mm行程丝杠滑台11.末端执行器4.2零件加工制造本次机电综合实践的所需零件交由校外加工厂代为加工。南京众成机械设备有限公司位于南京市江宁区禄口镇空港工业园神舟路28号，本小组成员与其有多次合作经历，该公司加工精度较好，价格低廉。在所有的零件中，虽然有个别零件需要返工，但总体加工质量良好，基本达到设计要求。需要返工的零件部分送回加工厂，部分由本组成员进行手工修正。4.3总体装配将不合格的零件修正后，本小组全体成员进行总装和机械调试。每个同学负责的部分都或多或少的出现了一些问题，在大家齐心合力之下，基本排除了机械部分的故障，使得总机有较好的机械特性。图4.1总体实物图图4.2末端执行装置实物图图4.3小臂传动结构实物图图4.4大臂传动结构实物图图4.5基座实物图4.4上电调试在机械结构总装调试完成后，开始进行控制部分的接线与调试。因本机器人的定位为面向低精度工作的低成本工业机器人，故控制部分选用了较单片机更为稳定可靠的PLC(Programmable Logic Controller可编程逻辑控制器)作为控制指令的输出单元。本机器人共四个自由度，由四个不同型号的步进电机进行驱动，故连接和布线也是本次机电综合实践的一个难点。在学长的帮助下，我们进行了简单的PLC编程，程序截图如下图4.6PLC程序截图图4.7 PLC程序截图图4.8 PLC程序截图本机器人最终上电调试表现良好，基本达到了设计要求。4.5成本统计本次机电综合实践活动中，本小组经费共1600元，超支部分由指导教师韩良老师提供经费。结合韩良老师提出的成本5000元左右的设计目标，我小组成员共同努力，精打细算之下将总成本控制为4866元名称型号单价数量总价86闭环步进电机驱动器套装86EBP181ALC-TK0750175060闭环伺服步进电机驱动器套装60EBP143ALC-TF0600160057滚珠直线导轨滑台 EBX1610-200560156057步进电机驱动ZD-6560-V49019042步进电机套装42HBS33BJ4-TR0125112586行星减速器px系列2551255单通铜螺柱M6*30+82.349.2梅花联轴器M25-5*10122梅花联轴器M25-8*122212216006轴承921832906轴承254150m6螺栓m6*254017.6防松螺母m1649.2弹性垫片m61006平垫片m6*25*1.55022铝型材及角件160加工费20504866第5章 机电综合实践心得体会SCARA机器人是一种典型的4自由度平面机器人，相比于其他专用型机器人，有着较高的普适性和市场适应性，很适合作为面向低精度工作的低成本机器人投入市场。因此，我们四名成员以本次机电综合实践为契机，在韩良老师的指导下，进行低成本SCARA机器人的设计制造等相关探索。此次我们小组设计的机械手在很多场合的需求量都很大，不论是机床使用的小型系统还是流水线上的这类设备，其基本动作要求类似，所以控制的实现也是可以相互借鉴的。对于控制程序的编写，这里选择了PLC，使用可编程控制器还有其他很多的方法可以实现这样的控制，针对所用的具体系统的情况，我们可以选用不同的方法来编写程序。机械手高效的工作效率，准确的定位精度，以及简单的结构及控制方式是人手不能替代的，机械手的使用也将越来越广泛。 这次的设计和制作给了我们一个很好的机会，使我们了解了设计工作的基本流程和设计的方法及理念，同样加工零件也是我们自己去联系工厂来完成。作为这次加工的负责人，我深刻的体会到了设计和实物制作完全不是一回事，在加工中往往会遇到各种不可预料的问题，需要自己来解决，加工出的精度不够，需要我们自己再用锉刀打磨，空不够长，我们自己用钻头打。配合是还要用锤子敲。在经过这次课程设计后，极大的提高了我们自己动手组装的能力。通过这些机构的设计，使理论知识与实际相结合，巩固和深化了所学过的专业理论知识。通过这次课程设计，我们学习到了很多。经过这一学期的时间，我们终于完成了SCARA机械手。从设计到加工，组装都是我们4人亲自完成的，对于我们4人来说这都是新的尝试与挑战，这也是我们大学期间完成的可以说是最大的项目。此次设计在老师和学长的悉心指导和严格要求下完成，从课题选择，方案论证到具体设计和加工组装，无不凝结着他们的心血和汗水，在3年多的学习和生活期间，也始终感受着老师的精心指导和无私的关怀，我们受益匪浅。在此表示深深的感谢和崇高的敬意。在这次课程设计中，我们在独立完成的同时也进一步加强了团队协