【《基于四轴多自由度的scara机器人的流水线设计》7700字（论文）】

基于四轴多自由度的scara机器人的流水线设计摘要20世纪以来，由于科学的不断进步，制造业的形式千变万化，逐渐的从人力向着机械化发展、自动化生产，这不仅仅释放了人们的双手，同时更加展现了科学的发展。现如今，人工智能被广泛的应用到日常的工业生产中，因此智能生产流水线技术也随机诞生。该生产流水线因其具有高生产效率、低成本、高产品质量等优点，将会在未来逐步取代人工生产流水线，成为将来工业发展方向。本文使用SCARA机器人进行产品加工和零件装配，使用传送带和辅助配置将SCARA机器人与加工平台完美结合，使用气动传动和电气控制系统连接和协调整体动作，并按照预期的规定完成加工和装配任务。关键词：自动化生产流水线，系统结构设计，SCARA机器人目录TOC\o"1-3"\h\z\u1774第一章绪论 第一章绪论1.1自动化生产线当今发展情况及未来前景20世纪初期，自动化生产流水线技术应运而生，通过近些年的发展，已经逐渐成为多种领域的生产方式。它凭借着低花销去完成结构性的生产制造，大大的提高生产效率，因而被很多企业用来日常生产。但是国内使用该种生产方式的企业任然占据少数，所以该种生产模式的研究依然需要大量的人力和物力。在工业制造行业中，生产效率是权衡一家企业以及工厂经济和管理的重要指标。与此同时，国内外自动化生产线也经历了另一个发展：生产产品的准确性、确保企业的年收入、减少适当的生产费用已成为这一发展的核心内容。此外，人员和设备负荷的相对平衡有助于提高产品生产质量，提高产品合格率和生产效率，从而降低产品生产成本。从总体来看，自动化生产线优点如下：1，提高产品生产效率，2，缩短产品生产时间，3，提高产品质量，4，加大企业所得利润，5，减轻工作人员工作压力，6推进产品更迭。1.2自动化生产线的发展方向2000年以来，随着科学的进去以及人们生活的改善，特别是智能化和自动控制的高速发展，直接带动了自动化生产线的快速发展，该未来发展方向大体有一下几个方向：自动化生产线正在向智能化方向发展自动生产线正朝着一体化发展。自动生产线正朝着网络化发展。自动化生产线正向规范化发展。1.3什么是SCARA机器人当前机器人的有两大研发方向：一个是用于工业生产的工业机器人，另外一个是用于服务的服务型机器人。

工业机器人主要适用于繁重、动作单一反复、工作环境比较危险、并且手工难以做好的特殊场景，帮助人们降低劳动强度，改善了劳动环境，自动化程度的高效生产，提高了产品质量和劳动生产率。1978年，世界上第一台SCARA机器人在日本诞生，因为其良好的灵活性，被广泛应用于装配工作，在装配作业中有着很高的效率。

SCARA机器人除了灵活性以外，同时具有高定位精度和较为良好的性价比。

图1-1SCARA机器人本次设计选择使用图1.2展示的四轴多自由度的scara机器人，机器人的机械手臂通过J1以及J2的联合转动来控制工作范围，之后由J3轴的来控制J4轴实现上下工作范围的控制，之后利用安装在J4前端的吸盘或机械爪完成相应的工作。图1-2SCARA机器人结构示意图1.4课题研究内容和组织框架1.4.1主要研究内容在该篇论文中，主要分析scara机器人的自动生产线的结构设计。该自动生产线组成部分主要包括：两组scara机器人（一个吸盘机器人手臂和一个气爪机器人手臂），两个整体水平排列带和两个辅助工作模块（一个完成冲压和运输工件1的工作，另一个完成工件2的推动工作）。自动生产线的整体工作布置是：输送带配合机器手臂完成配件的运输及其组装，工作模块对配件进行加工、移动。本论文重点在两模块之间的系统设计，按照其结构机功能特点，将它们分为冲压平台以及推动平台。通过电动机，轴承，联轴器，转动平台组成的冲压平台，推动平台可以由推块，物品放置平台，汽缸等部分组成。本文描述了工作模块的系统结构设计，同时使用电机、气缸以及其他零部件的型号。1.4.2组织结构本文重点对scara机器人的生产流水线结构进行了描述，针对结构的设计、选型、检查以及装配过程，可分为以下四个部分：一、介绍课题的由来，社会背景以及当下环境的发展成果，确定了机器人的功能结构，工作路径和未来所需要的发展方向。二、分析、调整机器人总体设计结构，制定合理的任务安排及设计方案。三、分析设计的重点，分析了工作模块设计系统结构部分，以及一些零部件的选择和验证。四、主要总结了整个生产流水线结构的设计过程。第二章系统总体设计方案分析2.1设计主要任务在本次设计中，通过两台机器人，以及小型传送带之间的配合来完成工件1的冲孔和传输功能（图2-1，工件1为底端直径49mm，为30mm的圆柱），和工件2的推动（图2-2，工件2是上半部分直径为49mm，下半部分直径为39mm、厚度为5mm的圆柱体）以及两工件之间组装。图2-1工件1图2-2工件2要完成此次设计任务，可以将总体分为以下两个方面：第一，设计两个模块的系统结构以及选择重要零部件，同时对系统结构进行模拟，确保不会存在结构干扰和协调问题。接下来要对结构进行排除，找出结构设计中不足，进行改进。此外，产品结构的科学性及合理性也是非常重要的因素。各模块最终结构设计完成后，将要考虑他们之间的装配问题，这也是该项设计中重要的一环。2.2系统结构分析在自动化生产流水线中，他的功能比较确定，就是产品通过生产线的传送，加工和组装的过程。在确定这些过程的前提上，我们便可以在该生产线上，运用小型传送带传送机构与两台SCARA机器人之间相互配合来完成工件1以及工件2的传送过程，而SCARA机器人负责搬运和组装，之后输送带将负责运输进程，对零部件的加工及其组装，我们要设计工作模块，以此实现功能。该运动主要由以下几个步骤组成：（1）SCARA机器人抓取工件1并将其运送到冲孔处理平台。（2）辅助冲压平台完成工件1的冲压加工。（3）用吸盘式SCARA机器人抓住加工后的工件1并将其运送到水平传送带上。（4）用三爪SCARA机器人手臂抓住传送带上的工件1并将其放入组装位置。（5）通过辅助推台将工件2推送至固定位置。（6）最后，三爪SCARA机器人抓取工件2并配合工件1完成与工件1的组装工作。针对以上运动的分析，我们需要制定以下结构方案：第一个工作模块将对机械臂传输过来的工件1进行冲压。因为工件无法使用机械臂直接将其放置在工件加工位置。所以，需要在模块的结构上进行换站，模块的系统结构可以设计为旋转结构，通过和可升降冲压加工平台配合来完成工件1的加工处理过程。第二个工作模块主要用来控制工件2的自动进给，使其可以被三爪机器人手臂顺利抓取的要求。工件2的存放以及能否自动进给是必须要考虑的功能。考虑到工件2的形状特点，决定使用罐装结构存放，通过推槽和推杆实现进给功能。2.3系统设计方案经过对上面两个工作模块的结构分析，做出如下设计思路：一、通过所学知识，使用提供的初始数据，查阅相关资料，总结自动化流水线全部流程，明确两个工作模块的具体结构，选择所需要的零部件。二、使用CAD等其他绘图软件将工作模块的近似尺寸绘制出来。绘图结束后，将所有的零部件组装，并确定组装结构正确。三、对工作模块进行调整，挑选元件和标准件，根据大小将整个平台调整至合适的大小。四、工作模块设计完成后和整个机器人生产线进行组装。在这之前，我们首先考虑工作模块同工作平台如何组装。五、应根据设计过程在遇到的未预估的问题来适当调整结构，最终能够更好地完成本次设计任务。第三章系统结构分析设计3.1冲孔模块结构设计由通过旋转平台和冲孔模块组成的冲孔加工平台，其结构如下图所示。图3-1冲孔模块总体结构图3.1.1转动平台模块结构设计旋转平台通过电动机，联轴器，转动圆盘，以及底座等组成。电机轴通过转动带动圆盘转动，之后通过平台完成工件转换，完成加工及运输。1、电动机的选择电机根据电流的不同可以分为直流和交流电动机。考虑到整个结构的配合，决定选择24V直流电动机作为转动平台的驱动。工件选用为直径49毫米，高度为30毫米的圆柱体，因此转盘选为直径200毫米，电机转速>=15r/min，负载为4kg。此时电转矩及其功率通过计算公式进行估算。图3-2平台示意图图3-2所示，此结构的转J通过查阅“机械设计手册”可知;M为质量，R为半径，结果为J=0.2。圆盘的外圈速度，D为直径，n为转速 ，得出V=0.157m/s。转矩T的计算公式为，将所得数据带入得出T=0.314N·M;然后计算出相应功率，最后得出功率P=0.49344W。考虑到平台结构设计需要的电动机转速相对较慢，因此直接选择直流减速机。通过查阅相关信息，选用“JGY370蜗轮蜗杆直流减速机”，如图3-3所示，电机具体参数见表3-1。图3-3电机外型及主要尺寸图表3-1电机参数电压空载负载转矩堵转减速器重量范围额定转速电流转速电流转矩功率扭矩电流减速比单位Rangevoltrpmmarpmmakg.cmwkg.cmma1:00g12-26v2461546060.5240.3588170转动平台结构设计考虑到电机的型号等原因可能影响结构准确性，因此调整转动平台的整体结构，操作过程如下：1）电机如何联接转盘的问题。首先选择法兰联轴器将上述两个部分进行连接。此外，联轴器同圆盘固定也可以保证圆盘的平衡性及其对轴的受力作用。圆盘与电机中间部分具有一定的固定和支撑作用，所以将轴承座放置在底座上来固定轴承，也可以用来支撑平面。由于轴承连接了法兰联轴器，轴承在此结构中只受到一个轴向力作用，因此平面球轴承是最好的选择。4）工件的传输通过圆盘完成，因此圆盘上需要一个存放工件的托盘。5）为电机安全考虑，将电机进行固定。以上具体结构，如下图所示：图3-4旋转平台结构图3.轴承型号

在该结构中，轴承处于法兰联轴器和座之间，轴承只承受了圆盘和联轴器之间产生的轴向力。查阅资料后，选用推力球轴承（GB/T301-1995），由于联轴器直径等于12毫米，其受到的轴向力为40n，选用单项球轴承，编号为51000型的51101；其参数见表3-2。图3-5推轴承表3-2轴数表轴承种类国内最新型号国外最新型号轴承内径轴承外径轴承宽度CrCor脂润滑转速油润滑转速轴承重量推力球轴承51101型8107型12mm25mm9mm10.3KN15.4KN6500r/min10000r/min0.022kg检查轴承：根据有关资料，得出对应公式：轴承使用年限的公式为：其中是额定动负荷。Cr是对向心轴承，Ca是推力轴承；是当量动负荷；是温度系数；是负荷系数；是寿命指数，球轴承=3，滚子轴承=10/3；是轴承的工作时的转速，转每分钟。图表3-3温度系数使用选择表工作时温度≤120℃125℃150℃175℃200℃225℃250℃300℃1.00.950.90.850.80.751.90.6图表3-4冲击负载荷系数选择表冲击负荷性质fp举例无冲击与轻微冲击1.0~1.2电动机，汽轮，换气扇，抽水机较强冲击1.2~1.8汽车，加工机床，起重机，炼金器械，强冲击1.8~3.0破石机，轧钢设备，振动筛在考虑推力球轴承的使用年限和强度检查。通过公式得出，是使用时间，n是转动速速，C是当量动态载荷，P是当量动态载荷。根据轴承所受轴向力，P=40N，额定当量动态负载可以从图3-5中得知。为C=10.3KN，转盘的转动速率为n=4r/min。是寿命年限指标，滚珠轴承年限=3，滚子轴承的使用时长=。查阅表格3-3和3-4得出和为1，根据已有数据得出该轴承的寿命为*h。因旋转平台的转速相对较慢，可计算出轴承的静态强度。公式为，其中安全系数是。静态轴承请参照表格3-5；回转轴承，参照表3-6。对于推力对中轴承，无论它们旋转与否，都应采用。通过计算，发现结果非常满足，因此轴承51101符合系统要求。表3-5轴承静态载荷系数（动轴承和静轴承）轴承的一般使用场合S0水坝闸装置，大型起重吊钩（附加载荷小）吊桥，小型起重吊钩（附加载荷大）表3-6轴承静态载荷系数S0（旋转轴承）使用要求以及载荷性质S0球轴承滚子轴承对转动精度及稳定性要求高，或承受冲击载荷1.5~22.5~4正常使用情况0.5~21~3.5对转动精度及稳定性要求较低时，并且没有冲击和震动0.5~21~34.传感器型号的选择在转动模块中，为找出工件位置，我们需要传感器定位，因此需在旋转平台上增加传感器，来确定工件位置，决定选择霍尔传感器。具体参数见表格3.7。表3-7传感器数值表传感器品牌OMKQN名称纵向传感器型号NJK-5002C额定电压DC-36V外部直径12MM感应距离10MM输出电流200毫安输出形式直流三线常开图3-6霍尔数据图此外，需要使用传感器来掌握钻孔和推进平台中的运动长度，因为对传感器的精度要求不高，因此选择光电传感器，漫反射型，电压为24v，感应距离：10cm，线体长194cm，直径18mm。该型号敏感度高，使用时间长，响应快。图3.7光电数据图3.1.2打孔模块的结构设计打孔模块由冲压电机和升降台组成。将电机固定在升降台上，升降平台的上下运动带动升降平台运动，以次完成对工件的加工。1.冲孔和气缸元件的选择升降平台选择气缸和固定板联接，使用气压控制来控制整个系统。通过查询数据资料，考虑成本以及功能等因素。选择使用公司的TDX系列型号为50双轴气缸，其参数和大体形状如下图。图3-8气缸数据考虑到加工要求，使用的小型冲床如图3-9。图3-9钻孔机上图电机的由一个775电机，5mm刚性联轴器（包括螺丝）和1套钻夹头（包括钥匙）组成。参数：转速：24V8000r/min，电机高度：4.5mm，电机直径：17.5mm，轴长：16mm，轴直径：5mm圆轴，电机直径：42mm电机长度：66.5毫米，电机尾部台阶高度：约11毫米，电机尾轴长度：约5毫米，安装孔的孔间距：约29毫米，安装孔的孔径：M4螺丝，额定电压：12v至36v，驱动电流需3A。接下来需要考虑气缸与电机的连接问题，我们选用平板来固定和连接这两个部分。具体结构如下图。图3-10连接板电机通过M4螺钉将平板右端的孔与电机前端的孔连接固定，平板的左端固定在气缸的可动下端使用螺栓固定，从而确保平板的平行和转动固定。使用固定板配合两个立柱固定气缸，立柱作用是控制升降平台，固定板如图片3-11所示。图3-11固定板气缸通过螺钉穿过固定板上的孔与中间间隔40mm的两个M6孔连接，平板两侧与立柱通孔连接，确保了气缸的稳定性。3.2装配工作模块结构设计在该结构模块中，机器人手臂负责完成工件1的运输和组装，但是工件2的自动进给工作需要通过设计工作模块来完成。工件2的自动上料和推料功能是通过设计推平台来实现的。推动结构可以包括推动槽和推动装置。将推槽设计为凹形，这样即可以定位工件，又可以推动和引导工件进入既定位置。结构如下图。图3-12推槽轮廓图辅助推台需配置推动元件，达到工件2的送料作用。1、选择气缸因为工件的直径是49mm，因此推块的推送距离会较远，预测为70mm到100mm，气缸的行驶距离会更加长一些。综合各种因素，最后选用行程100mm的气缸，该气缸通过前端的小孔连接在工作台上。该气缸的系统参数如下图。图3-13DBS20100型气缸图图3-14DBS20100型气缸尺寸图2.推送装置结构设计确定气缸型号之后，接下来需要选择推动装置，考虑到是凸型工件，上盖厚度为5mm，中间为5mm。一般来说，该工件不适合使用阶梯形以及U形推块，故选择形状为L形推动装置。该装置结构如图3-15所示。图3-15L型推块另外，工件2的摆放位置也比较重要，考虑到工件2的形状。选择类似羽毛球包装方式，将工件2进行组装存放。使用如图3-16的玻璃管存放工件2。该种方式可以很大程度上控制工件2自由度，使其自上而下依次进给。图3-16有机玻璃管3.3工作台面布局及设计在完成两个工作模块的设计后，接下来需要注意工作模块与机械手臂之间的配合度。因此，需设计一个平台进行放置工作模块和机器人，保证生产。因为传送带的长度约为2m，考虑在传送带上配置一些其他设备，以此配合传送带。综上考虑，将工作台分为以下两部：首先是冲压工作台，其次是组装工作台。设计过程如下。3.3.1打孔工作台布置及装配冲压工作台由吸盘式机器人，冲孔加工平台和原料供应托盘组成。冲孔加工平台使用旋转平台底部的可调节孔同螺钉组装在工作台上，机器人的安装通过在机器人底座上固定四个M12内六角螺钉和两个Φ12圆柱销来实现（图3-17）。考虑到机器手臂的活动范围较小，更加需要考虑机器手臂与处理平台之间的组装距离。将机器手臂的底座作为中心点，旋转平台的作用范围需要小于机器手可以覆盖的区域内，且机器手臂必须触及到供料托盘。最后选择长度1200mm，宽度600mm工作台。图3-17机器手臂底座安装尺寸示意图图3-18机器手臂工作范围工件的传送及打孔是通过加工模块完成。工件通过旋转平台传送至打孔位置，在打孔位置完成工件处理。因此，确定打孔位置之前，需先确定旋转平台的位置。同时，需要保证打孔装置的钻头中心和工件的钻孔位置保持垂直。图3-19打孔工作台布置本次设计中，机器人的安装尤其重要。综合各方面考虑，我们将机器人安装在工作台的中心位置。查阅相关资料，了解到安装机器人条件有以下几个方面：表面粗糙度最大为0.5mm，最大倾斜角度为5度，共振频率不大于30赫兹。其次，我们还需要考虑到他的搬运，机器人重量为30千克。搬运时着力点应在下图箭头位置。图3-20机器人搬运方式机器人的安装尺寸如图所示，这种类型的机器人的组装通过基座上的螺孔和销孔与工作台固定在一起。安装方法如图所示，如图所示，底座由两个d（Φ12圆柱销）定位，然后通过四个a（内六角螺栓M1240GB/5782级），b（弹簧垫圈12GB/t93），c（平垫圈12GB/97.1-2002）的配合完成底座与工作台之间的固定。图3-21安装示意图处理加工模块负责工件传送和打孔。工件通过旋转托盘传送后，到达加工位置，之后处理加工模块对其进行处理加工。因此旋转托盘的安装应该在处理加工模块之前。旋转平台首先安装底座，且具体安装位置应根据上文设计的工作台的位置进行确定。其余部分根据组装图进行安装。3.3.2 组装工作台布置及其装配机器布置在工作台中间，长1200mm，宽600mm。托盘放在机器手臂的左侧。推动装置距离工作台的长边70mm，推动装置的缓冲块的