SCARA机器人的设计

SCARA 机器人的设计摘 要：机器人的控制是一个机器人制造商的核心竞争力,因此提高机器人的性能，降低机器人的成本并引入新的功能,十分重要。SCARA 机器人是一种附加值极高，被广泛运用于各个领域的机电一体化典型的数字机器人。SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm） 也就是我们常说的选择顺应性装配机器手臂） 。SCARA 机器人众所周知，为了满足工作的需要，为了最大化的利用和节约成本，此机器人含有 4 个自由度，即 1 个移动自由度加上 3个旋转自由度。工业机器人正广泛的用于各个领域各个方面，已经成为了各行各业不可或缺的一部分。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。下文从工业机器人的国内外形势开始写起，带出了本毕业设计的意义。简介了关于 SCARA 机器人的一些技术和一系列例如大小臂，滚珠丝杠，主轴，手腕手爪，同步带轮，电机和减速器等各个零部件的各项参数的选取和验证。本设计是教学用的 SCARA 机器人，因此对于各个精度的要求比较低，在可以完成运动的情况下，是本着节约成本的原则来设计的。关键词：SCARA 机器人；自由度Design of SCARA RobotAbstract: Robot control is a key competence for robot manufacturers and a lot of development is made to increase robot performance, reduce robot cost and introduce new functionalities.As the most typical mechatronic digital machines, the added value of SCARA robot technology is very high, it has been widely used in many areas . In order to meet the need of different kinds of work and maximize the prime cost, SCARA Robot (Selective Compliance Assembly Robot Arm is what we often say the Selective Compliance Assembly Robot Arm) comprising four degrees of freedom, namely a freedom of movement with three degrees of rotational freedom. It has been widely used in different kinds of fields, and has become an integral part of our daily lives. On the base of checking its structure intensity, while it satisfied, we optimize designing of the structure of SCARA robots.The following article will give a brief introduction to some of the technical selection and validation on the robot and a series of various parameters such as the size of the arm, ball screw, spindle, wrist gripper, timing belt pulleys, why and gear, and various other parts of the robot.As the design is for a teaching SCARA robot, the requirement for all the parts are much lower. As a result, the cost is the first step.Keywords: SCARA robot ; Degree of freedom目 录目 录 .11 绪论 .11.1 引言 .11.2 国内外机器人发展现状和未来的趋势 .11.3 机器人的研究方向 .21.4 SCARA 机器人工作原理简介 .31.5 工业 SCARA 机器人一些关键性机器人简介 .41.6 本文研究的主要内容 .71.7 工业机器人的特点 .81.8 SCARA 机器人的特点及意义 .82 SCAAR 机器人的功能结构设计 .102.1 SCARA 机器人本体的大体结构 .102.2 SCARA 机器人的主要技术参数 .112.3 SCARA 机器人的传动方案 .122.4 减速机的选用及计算 .142.5 关节 4 步进电动机的选择原理及计算 .162.6 同步齿型带的选用及计算 .172.7 滚珠丝杠副选用及计算 .183 大小臂结构总体设计 .214 机器人的腕部结构总体设计 .225 机器人的手部的总体结构设计 .24结 论 .25致 谢 .26参 考 文 献 .271 绪论1.1 引言机器人是一种能够自主执行各种各样的工作的机械。因为工业机器人在如今社会运用的最为广泛，所以现在说到机器人，大多是就指的是工业机器人。工业机器人指的是自主操控的、可以对 3 及以上个轴进行编程并且可重复编程的多用途的在工业自动化中使用的操作机。它可以搬运材料、工件或者夹持工具等，完成各种各样的工作。可重复编程指不更换机械结构或控制系统即可更改已经编程的运动或辅助功能。在机器人总的范畴内，除了工业机器人在机械制造领域，它被广泛应用于毛胚和工件的搬运、机床上下料、刀具和其他辅具的更换，是机械制造系统特别是柔性制造系统物料运输传递的重要装备，它还广泛应用于装配、喷漆、焊接以及一些加工工作中。工业机器人可以在极度恶劣的高危环境中进行作业，因此可以很有效的用它们代替了人类。在一些有污染、有危险或者环境极其恶劣的地方，机器人已经在很大一部分上代替了人类。诚然，这是个好消息，但是随着时代的变迁，更多的地方需要机器人，需求的功能也越来越多，所以这对我国的机器人也是一项严酷的考验。如今，机器人慢慢向第三产业发展，我们不难发现在很多地方都能看到机器人的身影。机器人在我们的日常生活中的地位已经越来越重，几乎快到了无法替代的地步。1.2 国内外机器人发展现状和未来的趋势（1）国内的市场需求日益增长，但大多为进口。工业机器人的需求在近些年日益增长。特别是从2010年起至今，需求量的增长非常迅速。但是受各方面因素的影响，我国近百分之七十的工业机器人仍然要依靠进口才能满足我们日益增长的需求。（2）生产产业化有显著的提高，但是仍然处于初级阶段在日益增长的需求和国家的鼓励政策的引导下，我国很多公司开始了自主研发或合作研发共同进步的步伐。经过这些年的不断努力，如今已步入初步产业化阶段。一些产品已经投放市场，但是由于部分关键技术难以攻克的原因，我国自制的工业机器人总是存在些许不足，例如加工的精度和生产速度，因此我国很难大规模高效率低成本的生产工业机器人。综上，我国的工业机器人产业还需要很长时间的发展，如今只能依靠大规模的进口来满足日益增长的需求。（3）局部领先，总体乏力我国如今已经基本掌握了工业机器人的总体生产方式，甚至在一些方面已经达到了国际的尖端水平，开发出了例如喷漆、弧焊、搬运等机器人。但是总体乏力，水桶效应明显，短板亦很明显，因此与国外相比，我国只处于尖端国家二十年前的水平。（4）国内品牌乏力我国的企业跟国外比起来市场占有率低的可怜，举个例子：仅 FANUC 一家公司，在我国的市场占有率就高达令人震惊的23%，强势取得四分之一，这不得不引起我们的深思，我国除了技术方面的不足，还差些什么。（5）关键技术方面还很不足虽然我国现在能自主生产工业机器人，甚至开发出了一些国际尖端的机器人，但是在关键技术方面仍然受制于人，落后就要挨打这是血淋淋的事实。特别是高性能交流伺服电机和精密减速器，我国都长期依赖于进口。（6）产业化发展有待规范工业机器人属于高新产业，因此我国很多公司都热衷于生产工业机器人，但是自古以来便有这个道理：有需求就有竞争，恶性竞争导致各种资源的浪费。而且如今很多企业盲目追求利益，固步自封，放弃了零件的加工，这导致了我国产业链的严重失衡，很难完成设计 生产 销售 售后等完整的服务体系。相反国外各个品牌在这方面就做的很好。因此我国的工业机器人产业还有一段很长的路要走，并且不仅仅在于技术方面。1.3 机器人的研究方向智能机器人将是极大地扩展了机器人的应用领域，是当前研究的重点。智能机器人本身能够认识工作环境、工作对象及它的状态，它根据人们给予的指令和自身认识外界的结果，独立地决定工作的方式，由操作机构和移动机构实现任务目标，并能适应工作环境的变化。著名机器人和人工智能专家 Brady 教授在他编著的“机器人科学”这本书的序言中，总结了机器人学当前面临的30个难解决的问题，这些问题涉及到的领域非常的广泛，从传感器、视觉、设计、机动性、控制、典型的操作、推理、几何推理及系统集成等九个方面进行论述了开发、使用和研究机器人的关键性的问题。1.4 SCARA 机器人工作原理简介SCARA 机器人的机构包括大臂、小臂、手腕、手爪和底座等部分，它们相互协作相互配合，从而可以很好的完成机器人的运动。关节决定了两个相邻的连杆副之间的连接关系，即可称为运动副。有两类运动副：一种叫做高副另一种叫做低副。当连杆之间发生相对运动的时候，假如是面的接触则称之为低运动副机构；假如是线接触或者是点接触，则称之为高运动副机构。工业机器人有旋转的关节和移动的关节。图 1.1，图 1.2 是一些工业机器人的图例，供大家对机器人有一个大体的了解。图 1.1 SCARA 式教学机器人图 1.2 波创 4 轴 SCARA 机器人1.5 工业 SCARA 机器人一些关键性机器人简介1.5.1 SCARA 机器人的简介1.手臂的工作空间形式SCARA 机器人具备三个旋转关节，以此在工作平面内进行定位和定向。具有 1 个移动关节，以此在垂直平面内移动。2.手爪的形式手爪是用来抓物体的，而且还进行着细微的操作。近些年来对手爪和多指的抓取物体的研究比较活跃，开发出类似人手指的机器人是他们的奋斗目标。人类的手指拥有二十个自由度，它们可以相互配合来完成种类繁多形势复杂的动作。以此为要求决定了手爪的结构和自由度。 手爪也称之为抓取机构，一般是由手指、传动的机构以及驱动的机构组成的，它们的设计是根据它们的抓取对象和工作条件。它们不但要有足够的夹持力，而且还应保持恰当的精度，手指应该可以顺应被抓对象的外形。手爪的机械结构的设计要点是手爪的大小，手爪的外形，手爪的机构和它的自由度，目前最常用的手爪和夹持机构都非常的简单，如些：吸盘式手爪它分为真空式吸盘和电磁式吸盘等等、承托型的叉子和悬挂式的手爪、吊钩等等。SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm ）机器人是一种平面定位型机器人。该机器人是具有四个自由度的机器人，关节1和关节2回转是给定工具的位置，关节3回转是给定工具的姿态，关节4方向直线运动是给定工具的高度。前三个回转关节完成在工作平面内进行定位，一个的移动关节，是用来完成末垂直平面内的定位和移动。该机器人的优点是它的机构具有高刚性，定位精度高，所需的安装空间比较小，所设计的自由度大和重力的影响比较小，还有些其他的机器人没有的特点，如该机器人可以组装成各种各样的实用型的机器人像用于进行焊接的机器人，插件机器人等等，使些动作的效率大大的提高了，如些装配，焊接，密封物体，搬运物体等些动作。所以本论文对SCARA机器人进行了机械结构设计，使它们的结构紧凑，安装方便。对于现在智能化的时代，更需要研究这些优越的机器人来代替人工所不能完成的工作，和提高工作的效率。机器人的运动方案的设计，一般包括机器人的手臂自由度确定，机器人空间的形状与机械的结构类型确定，和各个关节的运动范围。由于该论文设计的是 SCARA 机器人，根据该机器人的特定我们可以确定该机器人的手臂自由度数是四个，作业空间是平面作业的，只需要高度很小的一定作业范围。1.5.2 工业机器人的分类1.工业机器人的分类：工业机器人可以按它的控制方式、主要作业形式、动力源种类、自由度数、可搬重量和作业空间大小等多种方法分类。表 1-1 中所列的是按可搬重量和作业空间大小的分类。 表 1.1 机器人按可搬重量和动作范围分类Type Weight/kg 动作范围/m超大型机器人 1000大型机器人 1001000 10中型机器人 10100 110小型机器人 0.110 0.11超小型机器人 谐波减速器-大臂关节2即小臂回转 步进电机2-谐波减速器-小臂关节3即Z轴方向直线运动 步进电机3-同步齿形带-丝杠螺母-主轴关节4即Z轴回转运动 步进电机4-同步齿形带-花键-主轴2.4 减速机的选用及计算大臂的角速度由上文可知为 90/s，而机器人总重小于等于 50kg，所以在这我们不妨假设基座质量小于等于 20kg，大臂质量小于等于 15kg，小臂质量小于等于 10kg，手腕质量小于等于 5kg。以第一个步进式电机为例，则我们可以继续假设大臂、小臂和手腕它们绕着各自的重心轴转动的惯量为： 。我们321j、用 分别来代表的是大臂、小臂和手腕的质量， 、 、 则表示的是321m、 1ll大臂、小臂和手腕的重心到第一个关节之间的直线距离，则关节 轴机座旋转1Z轴)的等效转动惯量为: 23221321 lmllmjj 我们假设重心都在各个部件的重心部分，那么可以发现 mm，10mm， mm。因此可以得知3652l30l=15 0.12+10 0.3652+5 0.532=2.89 由23221lmj2kg/m上表格可知，大臂的旋转速度是 90/s。不妨假设它的响应时间为 =0.5s。则t可得：T=2.89 /4/0.5=4.54N/m因为所选的材料必定带有一定的摩擦系数， 我们不妨设 T=6N/m。取安全系数 k=1.7.则 T=6*1.7=10.2。选用 XB3-50-100 型号，下表是它的各项参数：机型 60减速比 100半流体润滑脂下最高输入转速 3000r/min 1油润滑下最高输入转速 5000r/min输入转速为 3000r/min 时，输入功率为 0.154KW输入转速为 3000r/min 时，输出转速为 30 r/min 1输入转速为 3000r/min 时 ，输出转矩为 30Nm 运用脂润滑的时候，XB 型 1 效率约降低 5%-10%。XB3 型的效率降低较XB1 型低 20%左右。也就是 6%到 12%左右。因此我们取平均 9%，所以效率为91%。30/100 0.91=0.273N.m实T因此步进电动机1选择的型号为86BYG250BN-0402的两相混合式步进电动机，该电动机在3000rpm时的转矩是0.6Nm，可以满足上面的要求。其余几个电机的选择计算类似，第二自由度选择86BYG250AN，第三和第四自由度是两个56BYG250B。图 2.4 XB3-60-100 扁平式谐波传动减速器图 2.4 XB3-60-100 扁平式谐波传动减速器表 2.5 步进电机技术数据序号 型号相数步距角（）静态相电流（ A）相电阻（）相电感（mH)保持转矩（Nm）定位转矩（Nm）重量（KG）186BYG250BN2 0.9/1.8 4 1.1 11 5.0 0.08 2.6286BYG250AN2 0.9/1.8 3.6 0.9 7.2 2.4 0.08 1.5356BYG250B2 0.9/1.8 2.4 0.9 2.4 0.65 0.03 0.482.5 关节4步进电动机的选择原理及计算第三个自由度所选择的传动是丝杠螺母，来完成腕部的升降，我们不妨假定丝杠轴向的总负载（Q）为24.5N，根据查找选择的丝杠的基本参数是：梯形式螺纹，接触角 为45，螺距P为2mm ， (公称直径)为10mm，f（摩擦系数）md为0.1。因此,螺旋升角 =arctan2/10=3.73,当量摩擦角 =arctan =arctan =6.17，vvf/cos(/2)f螺纹阻力矩 =d/2Qtan（ + ）=0.021Nm1Tv螺纹摩擦力矩 =0.047Nm2/mc2DQfT在上面的式子中摩擦系数 为0.1，Q是指支撑面的平均直径，它的值取螺cf母的内外直径的平均值为（10+40）/2=25mm 。由上面计算可得丝杠所受的力矩为 = =0.021+0.047=0.068 Nm，取T21它的安全系数为2，因此该步进电动机所需要的输出最小转矩=2 =2 0.068=0.136 Nm，所以步进电动机4最终选择的型号是outT56BYG250B，在它1500rpm时扭矩是0.3 Nm，满足需求，步进电动机 2与电动机4选择计算类似，所以步进电动机2最终选择的型号为86BYG250AN，电动机3选择型号为56BYG250B。2.6 同步齿型带的选用及计算同步带轮的传动运用于第三个关节所以它的电动机就是型号为56BYG250B，它的额定功率 P 为 200W，额定的转速 为 1500rpm，传动比 i1n为 1，根据额定值并考虑到整体布局，我选择了一对直径为 60mm 的带轮。()同步齿型带的设计功率数值的确定：所设计的同步齿型带传递的功率 会随着载荷的性质，速度的增减以及张dP紧轮的配置不同而引起变化， 是考虑到载荷的性质与运转的时间的工作状况1K的修正系数， 为速度增减的修正系数， 是考虑到张紧轮的配置的修正系2 3数，根据查表可得 为1.4， 和 都为0，所以：12328W1.4)K(0P2()带型以及带轮节径及齿数的选择：查阅“同步带选型图 ”，最终选择的带型为 L型，选用带轮20L050，它的节径为6064mm，外径5987mm，齿数为20，节距 =9525mm。bP计算带速：=3.14 60.64 1500/(60 1000)=4.76m/s)106/(1ndV查表知一般情况下，L型带带速限制为4050ms。所以选用的带轮满足要求。（）带的节线长度 ，齿数Z及传动中心距的确定0L初定中心距的选择范围是0.7 （ ） 2 ( )21d0C21d即85mm 243mm。0选 =100mm0 )/180-)/2(cos221d（dCL其中 arin02Cmm39.56/实6.4(.10接近于 390.53，则选择长度代号为 154 的同步带，齿数为 41。计算实际L中心距 。0C=（2 390.53- （60.64+60.64） ）/4=100.0119421)/d(（）实际啮合齿数 Z 的确定6)/(/(212b1Czpzent （）确定实际同步带宽度。 ”选取同步带的宽度为 127mm，带轮宽度为 14mm2.7 滚珠丝杠副选用及计算最大的工作载荷的计算已知最大工作负载 ，它是沿这 Z 轴方向的，也就是丝杠的轴向。NF15z所以，滚珠丝杠的进给抗力也就是最大的工作的载荷 ， 是横向fFmyz工作载荷。现在假设 =0.5 =7.5N，其中的 f 是导杆与轴套相互间的摩擦系数，不妨取yFz其值为 0.15因此： =15+7.5*0.15=16.125Nfmyz最大的动负载（C）的校核滚珠丝杠最大动负载 C= ，其中 L 指的是其工作的寿命，即 =3mLfFL,而 n 指的是丝杠的转速，T 指的是额定使用的寿命（h） ，且，T 的值610/取 15000h，将数字带入 L 公式中即可得到 L=60x3000x15000 =2700610指的是运转状态的系数，因没有冲击，故取值为 1.2，mf所以 = 1.2 16.125=268.965N，根据查表得到FF1204-3额定的动负C3150载 为4kN，安全的裕度是4000/268.965=14.87 。因为工作的载荷较小，所以静a载校核一定可以满足要求。刚度的验算已知丝杠的拉伸变量 mmEALF/m式中的L是滚珠丝杠在支撑时候的受力长度，取 =120mm：E=206* LMPa：丝杠底径 可以近似的等于外径和滚珠直径的差，即 = 。丝4101d 1dw杠外径 = -（0.20.25） ，丝杠的直径已知12mm，查表知钢球的直径d0w=2.381mm，因此丝杠底径为 = -1.25 =9.023mm， = =w 10dwA4/21=63.953mm，所以， =16.125 120/(20.58 63.953)4/)23.9(ELF/m0=1.47 mm，由此可得变形比较小，便忽略，因此刚度满足要求。10压杆稳定性计算失稳的时候的临界载荷 ，我们采用两端固定的支撑方式，2zk)/(LEIfF查表可以得到 为 0.25， I 是截面的惯性矩，即 I= =325.37 ，丝杠的zf /641d4m最大工作的长度 为 120mm。L因此=0.25 20.58 325.37/ =2868.4N，其中2zk)/(EIfF23.14402)10(指的是长度的系数，取值 2。丝杠的稳定性主要由其安全系数 决定的，即 = / =2868.4/16.125 远wnwnkFm远大于 =2.54，所以丝杠稳定。wn传动效率计算，查表可得 为433，通常情况摩擦角（ ）为10， 所/()tg以， =tg433/tg(443)=0.96。3 大小臂结构总体设计1机座 2推力的向心交叉短圆柱的滚子轴承 3极限的行程开关 4连接板 5键 6谐波减速器 7驱动电动机 8机器人的大臂 9螺栓 10螺栓 11底座图 3.1 基座大臂大臂图如上图所示，谐波减速机6与步进电机7经过直联，然后安装在机器人大臂8的内部。当电机的轴旋转时，因受到固定的限制，所以减速器6的输出轴无法转动，从而可以实现电机和减速器以及大臂的反向旋转，因此机器人的大臂就可以绕着机座的中心轴相对固定的转动，但是转动的方向和减速机的输出轴的转动方向相反。圆周方向，需要安装1个极限行程开关，来限制大臂，使其只能在规定范围内转动。这样可以免机器人大臂在运工作室发生不不要的受损碰撞。该设计采用的是模块化的设计方法，大臂和小臂运用的设计方法基本一样，所以小臂的装备结构与大臂的装备结构类似，因此 SCARA 机器人的小臂的步进电动机也是安装在它的内部的。这样做虽然会一定程度上增加小臂的惯量，但是对零部件的制造工艺有益并且对结构的设计也简化了。小臂的传动原理和大臂的设计的是一样的，它们的结构设计思路也是一样的，所以在此省略了小臂的装备结构图。4 机器人的腕部结构总体设计1同步齿形带轮和齿形带 2电动机的连接板 3小臂 4步进电动机 5电机的罩 6滚珠丝杠 7滚珠螺母 8滚珠螺母的连接板 9步进电动机 10电动机的连接板 11上端盖 12上外壳的罩 13制动器 14光电的行程开关 15行程的触 发条 16小圆的螺母 17推力球的轴承 18主轴 19导柱 20带轮的支撑套 22主轴的下端盖图 4.1 手腕上部为腕部的装配图。为使精度有保证和加工的方便我们将支撑上端盖壳体和滚珠丝杠的上端盖 11 设计为分离式的结构，通过壳体的两个端面，机器人小臂 3 和上端盖 11 它们之间的配合来实现丝杠和主轴的平行度。因为中心距和带的张紧力是由同步齿形带来调整的，所以步进电动机 9 要先安装于电动机的连接板 10 上，再后用螺栓将连接板和上端盖栓在一起，而上端盖的作用是连接步进电动机的连接板上的四个孔的，并且螺栓可以完成微调功能在两个带轮的中心线的方向上。因此也可以实现带的张紧力和两个带轮的中心矩的微调在装备时。在设计电动机 4 的连接时也可以引用这种方法，唯一需要变动的是在连接电动机 4 时的连接板上的四个孔设计为允许螺栓移动。因为滚珠丝杆本身不具有自锁的功能，而且在 Z 轴方向上又是负载作用力的主方，在电动机 9 上又不能加抱闸受到结构尺寸的限制，所以在滚珠丝杠的顶端安装个制动器来实现锁住的功能，以免断电时滚珠丝杠产生滑动现象。在它的两端也引用了向心推力球轴承，目的是避免丝杠的轴向的跳动，来提高主轴的传动的精度。将滚珠螺母支架和滚珠螺母两相连接，操纵两个推力球轴承把主轴安装在滚珠螺母的支架上，主轴的顶端以两个纵情螺母锁紧。在主轴上开两个对称的三角的键槽，主轴的旋转运动是利用和主轴相连带轮内的键来完成的，主轴和带轮有个长的配合的面等同于个长套筒，此是用来确保旋转精度和主轴垂直度的。键槽设计为另段套筒，这两个的套筒的连接是用了螺钉和定位销。限位开关控制着主轴升降的行程，因此在螺母的支架上装个挡块，并在上端的相应的位置处装接近开关，这样一来在主轴离端盖有定路程时，就会有信号传到控制器，使该方向的运动受到限制。并在丝杠的下端装个橡胶垫圈以免它和小臂的表面产生碰撞。5 机器人的手部的总体结构设计在此次设计中，机器人的执行部件就是机器人的手部，它是个握持工件部件。在该设计中引用了夹持类中的夹钳式，该种是工业机器人中比较普遍用的一种方式的手部。为了机器人夹持工件的方便和以免中心固定的麻烦，该设计中用了平移型。原理是，当左边油口进油时，活塞向右运动，带动丝杠连着的曲柄运动，从而实现手爪的收缩；反之，当右边油口进油时，由于右边端盖被O 型圈和 R 型圈密封，C 型环紧固，因此活塞只能向左运动，带动手爪张开。通过手爪的收缩和张开配合主轴的旋转和上下运动，可以实现抓取物体的目的。图 5.1 机械手爪结 论SCARA 机器人大臂和小臂结构相同，基本上实现模块化设计，符合发展趋势;三个模块相互独立、结构简单、零部件少、精度高、可靠性高，不仅适用于SCARA 平面关节式装配机器人设