scara机器人结构设计

摘要随着自动化设备的普及，在实际的自动化生产所需求的效率和稳定性愈加提高，促进了自动化的发展。机器人它具有人工不可替代的高速度和高精度使机器人成为了自动化生产的核心。SCARA机器人是一种用于平面的搬运和装配的机器人旁支，目前在装配、搬运等各种方面它已经代替了工人在自动化生产中成为了重要工具。本文设计了一种应用于吸附搬运小型工件的SCARA机器人。具体工作内容如下（1）查询了SCARA机器人在国内和国外的发展现状和趋势，对比并选择了SCARA机器人的机械传动方案。（2）对SCARA机器人的传动方式和驱动方式进行选型。设计了SCARA机器人的本体和末端执行器的结构。（3）利用ANSYSWorkbench对大臂有限元模型进行了有限元分析。关键词：SCARA机器人；末端执行器；结构设计；有限元分析

AbstractWiththepopularizationofautomationequipment,theefficiencyandstabilityrequiredintheactualautomatedproductionareincreasing,andthedevelopmentofautomationispromoted.Robots:Ithashighspeedandhighprecisionthatareirreplaceablebyartificial,makingrobotsthecoreofautomatedproduction.SCARArobotisakindofrobotsidebranchusedforplanehandlingandassembly,andithasreplacedworkersinvariousaspectssuchasassemblyandhandling,andhasbecomeanimportanttoolinautomatedproduction.Inthispaper,aSCARArobotisdesignedforadsorptionandhandlingofsmallworkpieces.Thespecificworkcontentisasfollows(1)ThedevelopmentstatusandtrendofSCARArobotathomeandabroadwereinquired,andthemechanicaltransmissionschemeofSCARArobotwascomparedandselected.(2)SelectthetransmissionmodeanddrivemodeofSCARArobot.ThestructureoftheSCARArobotbodyandend-effectorwasdesigned.(3)ANSYSWorkbenchwasusedtoanalyzethefiniteelementmodelofthelargearm.Keywords：SCARARobot；EndEffector；StructuralDesign；FiniteElementAnalysis

目录第1章 绪论 [2]，通过电子控制系统对电机进行精准控制，从而实现机器人的各种复杂动作。具有响应速度快，动态性能好控制精度高，可以实现复杂的控制策略的优点，适合于精密操作和轻负载场合应用。液压驱动通过液压泵推动液压油，利用油压来驱动机器人的关节与执行器进行运动。其优点是动力传输效率高，可以进行远距离传输同时提供很大的力和扭矩，适合于重负载应用。但维护成本和液压系统的要求较高。因此只适用于对运动速度和精度没有要求的场合中。气动驱动作为动力源，通过压缩空气和气阀控制气流来驱动机器人的运动。其结构简单，成本较低且运动的速度较快但由于气体具有的可压缩性，气动系统的控制精度相比电气和液压系统要低。根据三种驱动方式的区别，考虑SCARA机器人所需的精度、结构以及控制等要求。设计使用电机驱动作为机器人的动力源，可使机器人整体结构紧凑且具有较高的定位精度。常用的电机一般为步进电机交、直流伺服电机。为了确定设计所需的电机类型将三种电机的特点进行对比如下：步进电机可以在不需要反馈系统的情况下工作，步进电机可以控制输入的电脉冲数对电机的运动实现精确控制。步进电机有控制简单、定位精确等优点在打印机、CNC机床、3D打印、机器人等领域得到了广泛应用。但步进电机在某些速度下可能会遇到共振问题，影响运行的平稳性和精度且随着运行速度的增加，步进电机的扭矩无法保证平稳，限制了其在高速应用中的性能。交流伺服电机与直流伺服电机相比交流伺服电机通常配备有更复杂的控制技术，如矢量控制。交流伺服电机可以通过使用编码器或其他反馈装置实现对速度、位置和加速度的高精度控制且可以在较小的体积和重量下提供较大的扭矩直流伺服电机是一种在自动控制系统中广泛使用的电动机，通常配备有反馈装置（如编码器）来实现闭环控制。可以对速度进行很好的控制，在较小的体积和重量下能够提供较大的扭矩。但是结构复杂并且电刷放电也会对其实际工作带来一定影响。综合考虑所设计的机器人的技术要求和设计用途为吸附搬运，精度要求高，额定负载2.5kg，最大负载为5kg。驱动电机选用为交流伺服电机。2.2.2第1，2关节的传动第1和第2关节的运动是大臂和小臂的旋转运动，都为旋转运动，传动的方式一起考虑。（1）1轴和2轴电机同轴1轴2轴电机同轴是将2轴的驱动电机安装在大臂上或者基座内部通过同步带的传动提供小臂旋转的动力，可以使2轴电机的质量集中在第1关节，降低了小臂的负载和转动惯量使机器人更为稳定。一般在轻负载，工作时间较长的生产线中使用。（2）1轴和2轴电机不同轴1轴和2轴电机不同轴是将2轴的驱动电机和减速器安装在小臂上，通过电机直接提供小臂旋转的动力，由于电机直接驱动小臂不需要同步带传动所以相比电机同轴的效率和稳定性更高且结构更简单安装更方便，并可以保证较高精度。由于目前的伺服电机，体积小，质量轻，可以弥补机器人的重心到底座的距离变远的缺点。1轴和2轴减速器的选用工业机器人中使用的减速器通常是为了用于降低电动机或发动机的输出转速并通过增加输出转矩来满足的工作需求。在工业机器人常用的减速器主要有行星、RV和谐波三种减速器。（1）行星减速器当行星减速器的太阳轮在驱动力的作用下旋转时，太阳轮会带动行星齿轮组一起转动。行星齿轮组的行星轮会沿着内齿圈上的特定路径进行旋转，从而形成一个类似于公转的运动。行星齿轮组会通过特定的齿轮比例来放大或缩小太阳轮的旋转速度，达到减速的效果。行星减速器结构紧凑、扭矩输出高、传动平稳等优点，能满足机器人对于扭矩、精度和稳定性等方面的要求。（2）RV减速器RV减速器由行星齿轮减速器的前级和摆线针轮减速器的后级组成，没有了一般针摆传动的缺点。它的传动比大、精度较为稳定，刚性强。一般在机器人所需承受高负载的部位上应用。（3）谐波减速器谐波减速器是一种由刚轮、柔轮、波发生器组成的减速装置。通过柔性齿轮和刚性齿轮之间的相对运动来实现输入轴到输出轴的减速传动。其结构如图SEQ图\*ARABIC2-1所示谐波减速器有着体积小、重量轻、高精度、大扭矩输出、零背隙、紧凑结构、平稳性和耐久性等优点。图2-1谐波减速器的结构图为了使SCARA机器人轻量化的同时具有高刚性与高精度，考虑安装方便，成本控制，减速装置采用谐波减速机。2.2.3第3，4关节的传动第3第4关节运动为移动旋转副。3，4关节结构设计使用滚珠丝杆花键传动。传统的SCARA机器人所用的升降旋转方式由滚珠丝杠和滚珠花键实现，通过分开控制丝杆电机和花键电机就可以满足机器人的的升降和旋转要求。目前出现了一体化的滚珠丝杠滚珠花键结构，即在一根轴上同时使用滚珠丝杠与滚珠花键其结构如图2-2所示，丝杆螺母和花键螺母分别位于轴的两端。分别控制丝杆电机和花键电机的运动状态实现主轴运动。丝杆和花键螺母通过同步齿形带传动电机的转矩。具体的运动方式如下（1）主轴升降移动3轴伺服电机启动，通过同步齿形带使丝杠螺母从动轮转动，带动丝杠螺母转动，且4轴伺服电机不启动时可以实现主轴升降运动，通过3轴伺服电机的正转和反转实现主轴的升和降。（2）主轴螺旋运动4轴伺服电机启动，通过同步齿形带使花键螺母从动轮转动，带动花键螺母转动，且3轴伺服电机不启动时可以实现主轴螺旋运动。（3）主轴旋转运动3轴和4轴伺服电机启动，通过同步齿形带带动花键螺母从动轮转动，使花键螺母转动，3轴和4轴电机的转速相同转向相反，通过丝杆螺母与花键螺母的同时运动可以抵消掉主轴的升降，实现主轴的旋转运动。图2-2一体式滚珠丝杠花键轴结构图2.2.4传动方案的确定根据以上各关节传动方案的设计，确定所设计SCARA机器人的整体传动方案最终确定如下：通过安装在底座中的伺服电机产生转矩传动到谐波减速器继续传递转矩最后传动到大臂使大臂回转。小臂的传动方式与大臂相似通过安装在小臂中的伺服电机产生转矩传动到大臂上的谐波减速器继续传递转矩使小臂回转。通过控制3轴和4轴的伺服电机的运动情况控制一体化滚珠丝杠花键的运动实现主轴运动。图2-3所示为SCARA机器人的整体传动示意图。1—大臂驱动伺服电机；2—大臂谐波减速器；3—小臂谐波减速器；4—小臂伺服电机；5—滚珠丝杆伺服电机；6—滚珠花键伺服电机；7—同步齿形带；8—一体式精密滚珠丝杆花键图2-3SCARA机器人传动示意图

第3章SCARA机器人的关键部件设计3.1旋转轴驱动选型设计3.1.1第1轴伺服电机及谐波减速器的选择计算第1第2轴的伺服电机选型的计算思路为推导伺服电机所需的最小驱动转矩。初步估计机器人各部分的质量为：底座10kg，大臂8kg，小臂7kg，末端执行机构重量6kg。将大臂、小臂及末端执行机构的转动惯量分别假设为JG1，JG2，JG3。要计算SCARAJ式中m1，m2，m3分别为大臂、小臂、末端执行机构的质量，l1，l2，l3分别为大臂、小臂、末端执行机构的质心到第一关节轴的水平距离，距离估算为160mm、400mm、500mm。由于JG1≪m1l12、假设所设计的机器人的大臂从完全静止的状态时，时间角速度达到200°/s所需时间为t1s，则电机需要的启动转矩为：T根据上式计算得T1=9.858552N∙m。考虑及其他各方面因素的影响2，计算T计算得Tmin=19.717104N∙m所以减速器需要输出至少以上20N∙m的转矩。根据所需转矩采用来福谐波减速器型号LHT-17-80-U-I它的减速比为80、额定转矩为22N∙m、瞬间容许最大转矩为87N∙m、启动停止时的峰值转矩为43N∙m，额定转矩达到所需的转矩。假设谐波减速器的传动效率为T=根据上式计算得电机所需转矩为T=0.2778N∙m。根据所需的转矩采用汇川技术伺服电机MS1H1-10B30CB-A331Z型它的额定转速为3000r/min，在额定转速时3.1.2第2轴伺服电机及谐波减速器的选择计算小臂的计算和选择与大臂的计算类似，忽略JGJ根据上式可算得第二关节轴的等效转动惯量J2=2.62kg∙m2假设所设计的机器人的小臂从完全静止的状态时，时间角速度达到200°/s所需时间为t2，可求得大臂所选择的谐波减速器的最小输出转矩为Tmin=18.2876N∙m所以减速器需要输出至少以上19N∙m的转矩。根据所需转矩选择来福谐波减速器，其型号与大臂减速器型号相同为LHT-17-80-U-I，符合所需减速器要求。根据公式（3—4）计算得伺服电机需要的输出转矩T=0.26383.2第3第4轴驱动设计选型3.2.1滚珠丝杆花键选型设计（1）工作最大载荷计算滚珠丝杠的工作最大载荷为FF式中FZ——预估主轴的轴向负载，FZ=6×9.8=FYf——横向工作载荷与导杆轴套间摩擦系数的乘积f=0.15根据上式计算得丝杆的最大工作载荷估算为Fm（2）计算滚珠丝杆花键的转速n设计要求3轴的直线运动速度V=500mm/s，初选丝杆导程Pℎ25mmV=计算得到丝杆的转速由得n=1200r/min（3）计算滚珠丝杆花键的最大动载荷根据负载力的大小，可由下列式子计算出滚珠丝杆的最大动载荷FL，式中L0——T——额定使用寿命，取滚珠丝杠的使用寿命T=15000hn——丝杆的转速，根据前述计算结果取n=1200r/minfW——载荷系数当丝杆的运转状平稳时候取ffH——硬度系数。当丝杆硬度≥58HRC时，取Fm——为滚珠丝杆的最大工作载荷为计算得最大动载荷FQ=722.57N根据计算出的最大动载荷选择THKBNS系列2525A型号滚珠丝杆花键。丝杆导程（4）丝杠稳定性的验算失稳时的临界载荷F式中fkE——弹性模量，材料为钢取E=I——按丝杆轴外径d确定的截面惯性矩，I=fk——丝杠支承系数取fk——压杆稳定安全系数取K=2.5a——滚珠丝杠两端支承间的距离，取a=300mm。可算得Fk（5）传动效率的计算η=λ=arctan式中——丝杆的螺旋升角——摩擦角，根据所选丝杆取10°可得η=98.7%计算得出滚珠丝杆花键的传动效率高，所选的滚珠丝杠花键副满足使用要求。3.2.2滚珠丝杆花键驱动电机选型设计因为滚珠丝杆花键最大载荷Fm=63.21N，所以3轴和4轴直接使用伺服电机与同步带直接驱动丝杆运动T式中Fm——Pℎ——η——丝杆传动效率。可算出电机所需转矩T=0.237N∙m取安全系数为2，则电机最小转矩T3=2T=0.474N∙m。根据所需转矩关节3和关节4电机选择汇川技术伺服电机MS1H1-20B30CB-A331Z型，它的额定转速为3000r/min，在额定转速时转矩为0.3.3同步齿形带选型设计SCARA机器人的3轴和4轴通常涉及到机器人的垂直移动和末端执行器（如夹具或工具）的旋转。采用同步带传动相比其他传动方式（如齿轮传动、直接驱动、链条传动等）具有一系列的优点。3.3.1关节3的同步带的选型（1）确定同步齿形带的计算功率3轴电机为MS1H1-20B30CB-A331Z型额定功率为200w额定转速3000r/min。设传动比为1.8其功率计算公式为P式中KA——工况修正系数，取其值为P——为所需要传递的功率。根据计算得同步带的计算功率为Pd（2）选定同步带带型图3-1为圆弧齿同步带选型图。根据功率Pd=300W，转速n=3000r/min，据此可以选择3M同步齿形带，节距为P图SEQ图\*ARABIC3-1圆弧齿同步带选型图（3）确定小带轮齿数Z1和小带轮节圆半径 根据选择带的同步带型3M型和转速n=3000r/min，根据图3-2可知，小带轮上齿数至少取Z1min20，这里取Z1图3-2带轮的最小齿数小带轮节圆直径d计算得d（4）确定大带轮齿数Z2及节圆半径Z计算得Z大带轮节圆直径根据公式（3-15）可算出d2（5）计算同步带带速vv=由上式可得v=6m/S查《机械设计手册》可知（6）初定中心距a中心距a0要满足0.7(d1+d2)<（7）初定同步带的节线长度Lop及其齿数同步带的节线长度为L计算得到L根据圆弧齿同步带长度系列选择节线长接近Lop的同步带。长度代号为384节线长Lp=384mm，节线上齿数（8）计算同步带的实际中心距实际中心距a计算得到a（9）计算小带轮啮合齿数z小带轮啮合齿数z计算得到小带轮啮合齿数z（10）计算基本额定功率根据所选的同步带型3M和小带轮转速查《机械设计手册》得基本额定功率P（11）同步带的宽度bsb式中Kz——小带轮啮合齿数系数，由于Zm≥6，取bs0——同步带的基准宽度，查表得3M型bsKL—圆弧齿带长系数，查表得KL计算得到bs≥6mm取（12）作用在轴上的力F式中KF——矢量相加系数，查机械设计手册取KF计算可得Fr=3.3.2关节4的同步带的选型关节4的同步带选型步骤和关节3相似，关节4所选择的伺服电机与关节3的电机相同其额定功率为200w，额定转速3000r/min。取传动比为1.5同步带计算功率为Pd=300W。小带轮上齿数Z1取48由公式（3-15）得小带轮节圆直径d1=45.85mm由传动比为1.5可得大带轮上齿数Z2为72，大带轮节圆直径为d2=68.79mm。根据公式（3-17）计算同步带带速得v=7.2m/s中心距a0同样需要满足条件0.7(d1+d2)<a0<2(d1+d2)计算得80.25mm<a0<229.28mm。初定a0=90mm。根据公式（3-18）计算同步带的节线长度Lop=361.44mm根据圆弧齿同步带长度系列选择节线长接近

第4章SCARA机器人结构设计4.1SCARA机器人本体结构设计4.1.1SCARA机器人大臂结构设计第1关节为大臂的旋转，主要支撑小臂及腕部并带动其转动。采用中空设计，便于将伺服电机安装于内部以减少转动惯量，使结构更为简单，结构图如图所示。具体安装方式为伺服电机与谐波减速器相连，减速器通过安装在底座和大臂上，从而实现大臂转动。如图4-1为SCARA机器人大臂结构。图SEQ图\*ARABIC4-1SCARA机器人大臂结构4.1.2SCARA机器人小臂结构设计如图4-2为SCARA机器人的小臂结构。第2关节为小臂的旋转。与大臂的电机安装方式类似，小臂的伺服电机与谐波减速器相连，减速器通过安装在小臂和大臂上，电机通过谐波减速器直接驱动小臂，完成小臂的旋转运动。结构图如图4-2所示图4-2SCARA机器人小臂结构4.1.3SCARA机器人腕关节结构设计第3关节运动为主轴的升降运动，第4关节运动为主轴的旋转，关节3和关节4的伺服电机都安装在小臂上的电机安装板上各自通过同步齿形带传动带动丝杆和花键螺母进行转动，完成主轴的运动，具运动结构如图4-3所示。图4-3SCARA机器人腕部结构4.2机器人末端执行器的设计4.2.1机器人末端执行器的介绍末端执行器是安装在所设计的机器人的主轴的末端，根据要求的任务实现抓取，移动物体等功能机构。末端执行器的种类分为搬运用末端执行器，加工用末端执行器等。搬运用末端执行器是将物体进行抓取、吸附并实现搬运功能的装置。加工用末端执行器是使用相应的加工工具对用来对工件进行加工的装置。本设计的机器人要求的功能为搬运。所需设计的末端执行器类型为搬运用末端执行器。根据末端执行器搬运原理的不同区分为下列执行器（1）夹持式执行器。夹持式执行器又根据手指的运动方式可以分为回转型和平移型。回转型执行器通过夹持手指的回转运动夹持工件达到对目标物体的夹紧和释放，当需要夹持工件时手指在驱动系统的作用下绕工件旋转并闭合实现对工件的夹持。能够轻易抓取一些形状不规则的物品确保工件被安全且稳定的夹持，目前广泛运用在搬运机器人上。平移型执行器。平移执行器通过两侧夹持手指的平移运动夹持工件达到对目标物体的夹紧和释放，当需要夹持工件时两侧夹持手指在有驱动系统的作用下在直线导轨上进行平移运动实现对工件的夹持。该执行器具有较为简单的结构，在夹持工件时沿着直线运动且在夹持工件的过程中可以保持夹持中心。夹持式末端执行器的驱动方式主要分为气动、液压、电动三种。气动驱动的优点是所需的成本较低，动作速度快但会受到气压、密封性、耐久性的影响导致夹持力不稳定导致工件的脱落。液压驱动的优点是可以提供更大的夹持力，适用于重负载的场合，可以提供平稳的力输出但液压系统的成本较高同时可能存在泄露的问题需要频繁维护。(2)真空吸附式末端执行器真空吸附式执末端行器的主要组成部分是真空泵和吸盘。真空吸附式执行器真空泵抽出吸盘内的空气使吸盘转为真空状态，通过大气压将工件推向吸盘，达到吸附物体的作用，在需要释放物体时只需将真空泵停止工作回复吸盘内的气压就会停止吸附。真空吸附式末端执行器具有灵活性高的特点可根据所需要吸附的工件得不同选择更换不同直径、形状的吸盘来适应搬运物体。但真空吸附式执行器的吸力不大，多用于尺寸不大且薄和轻的工件比如金属板材、玻璃、纸张等。(3)磁吸附式执行器磁吸附式执行器可以分为为电磁吸盘、永久磁吸盘。电磁吸盘通过电流接通线圈来产生磁力，吸附铁磁性工件断电后磁力消失工件不再被吸附。使用电磁吸盘的优点是可以提供大的吸力可以吸附大型金属件，缺点是需要持续的供电对电源的依赖性高。永久磁吸盘通过利用永久磁体的磁力进行工件的吸附，当工件靠近永久磁吸附式执行器时工件会被执行器的磁场所吸引使工件贴近执行器进行搬运，在需要释放时通过移动隔磁片改变磁体磁场释放工件。永久磁吸盘的优点是不需要供电，维护简单。缺点是吸力较弱。磁吸附式执行器缺点是只能应用于铁磁性物体，对工作环境的要求高吸附效果容易收到环境中的金属碎片影响。4.2.2末端执行器的核心部件设计选型考虑到机器人的所需设计参数要求的工件重量不大使用真空吸附式末端执行器作为本机器人的末端执行器。（1）吸盘的材料和形状选择在吸附式执行器中真空吸盘是重要的组成部分。真空吸盘的材料通常是丁腈橡胶和硅橡胶。丁腈橡胶具有对润滑油、燃油等油类具有耐油性且耐磨性好生产成本较低所以应用广泛而硅橡胶具有比丁腈橡胶更好的耐高低温性且拥有生理惰性对人体无害常用于医疗器械和需要接触食品的场合。真空吸盘的形状决定了其吸取物体时具有的优势。图4-4为常见的真空吸盘形状。及其运用场合。根据机器人设计要求选择丁腈橡胶和平行的吸盘形状图4-4常用的吸盘形状4.2.3末端执行器结构设计真空吸盘所需吸力为工件的重力F=式中m——所设计的机器人的最大负载为5KGg——重力加速度为9.8m/S计算得出真空吸盘的所需吸力F=49N根据F=P推导出D=式中P——真空度，取P=0.06Mpan——吸盘的数量取n=4f——安全系数，所设计吸盘工作状态为水平悬挂，考虑摩擦力、工件的表面粗糙度等因素影响选择安全系数f=1计算得吸盘的有效吸附直径D为33mm。选择的吸盘直径需要大于33mm选择气克立吸盘PATS-35-6吸盘直径为35mm为侧向配管型真空吸盘。根据要求设计出的末端执行器结构如图4-5所示。末端执行器由法兰连接体和吸盘安装板组成。通过主轴上的链接法兰与末端执行器进行链接。吸盘的真空发生装置采用真空发生器。在机器人外通过气管连接到吸盘的侧端为真空吸盘提供吸力。图4-5末端执行器结构图

第5章SCARA机器人大小臂的有限元分析5.1有限元分析法的介绍有限元分析法是一种用于评估和预测机械产品在各种载荷的情况下行为的方法，通过将机械的复杂结构分解为小的有限元然后对这些有限元进行力学的模拟分析最后组合得到整个机械产品的有限元分析结果。有限元分析可以通过ANSYS软件进行，ANSYS能够与市面上大多计算机辅助设计软件借口,实现软件间的数据交换和共享，将不同软件的数据导入到ANSYS其中5.2基于ANSYS软件的大臂静力分析将三维建模的大臂模型导ANSY