毕业设计（论文）-新型SCARA机器人的设计与仿真

第1章绪论1.1工业机器人的提出随着中国经济的发展，工业机器人也得到了快速发展，工业机器人的产生，给人们生活带来了更多的便捷，大大提高了工业、企业的生产效率。UNIMATION公司与1959年诞生了美国的第一台工业机器人，因此，开创了工业机器人发展的新纪元。上世纪60年代，工业机器人在日本得到了巨大发展，日本也因此而赢得了“机器人王国的美称”。国外工业机器人起源于上世纪60年代，经过四十多年的发展其技术和应用基本成熟，在各个应用领域都出现了性能优良的机器人，并以广泛的进入生产车间。期间也造就了著名的机器人公司，像瑞典ABB公司、德国KUKA公司、日本EPSON公司等，其产品性能优越[1]。我国机器人起步较晚，各种性能与国外相比存在一定的差距，但是，国内工业机器人行业发展至今也取得了瞩目的成就，例如沈阳新松、哈尔滨博实渐已成为国内机器人行业的领头人[2]。按照机器人的功能和性能可分为焊接机器人、喷漆机器人和装配机器人，普遍应用于各行各业。主要用于焊接、装配、搬运、加工、喷涂、托盘和其他复杂的操作。本课题研究的机器人主要是指工业机器人，控制器、伺服驱动系统和检测传感装置[5]。如图（1-1、1-2）图1-1焊接机器人图1-2现代生产线1.2工业机器人研究现状及发展趋势近年来，工业机器人得到了快速发展，研究开发和工业机器人技术的应用主要有以下几个趋势[3][4]：1)工业机器人在制造业的应用范围越来越广泛，进入食品、核矿业和建筑等行业行业。2)工业机器人的价格下降和持续改进倾向于高速度和高精度。3)基于PC的机器人控制系统通达。4)虚拟现实技术在机器人的角色已经由模拟演练过程控制。5)机器人远程监控技术发展的方向为人机交互控制，远程控制机器人自治系统使智能机器人的发展走出实验室进入实用阶段。6)多传感器融合技术的实际应用。除了传统的工业机器人传感器，如位置、速度、加速度和传感器的应用，如视觉、声音、触摸、环境建模和决策控制、灵活的工作环境优化设计和操作。由于技术水平等相关原因，我国的机器人市场基本被日本和欧洲国家垄断，目前国产的工业机器人一般都是组装的，没有自主知识产权，生产成本较高[8]。 图1-31996-2011年工业机器人的总数及预测数量(单位：千台)1.3SCARA机器人概述1978年日本山梨大学的牧野洋Makino教授极其徒弟独创了一种SCARA机器人(选择性装置机器人手臂),有30年的历史,SCARA机器人只在平面上具有很好的灵活性，因此非常适合垂直组装操作,它可以实现组装处理操作,如速度快和效率高[5][6]。SCARA（SelectiveComplianceAssemblyRobotArm，选择性符合装配机器人）是一种特殊类型的工业机器人、圆柱坐标式，是一种平面关节型机器人。它是最适合的平面定位，垂直装配操作。所谓选择柔性是指机构在不同坐标方向具有不同的柔性值,以便迅速准确地进行运动和装配譬如,工具在水平方向具有较大的柔性[7]。SCARA机器人应具备如下四个基本特征:a.外形美观，适用于观察；b.成本较低；c.体积较小，重量轻；d.传动原理简单；1.4SCARA机器人的技术领域SCARA（SelectiveComplianceAssemblyRobotArm），选择性符合装配机器人）是一种特殊类型的工业机器人、圆柱坐标式，是一种平面关节型机器人。（图1-4、1-5、1-6、1-7）图1-4胶装密封图1-5高效率装配图1-6KUKAR850SCARA图1-7EPSONG20系列1.5SCARA机器人的研究现状1）目前的研究在国内外主要集中在SCARA机器人的运动学，动力学。运动学问题分析主要可以归为运动学正问题、运动学逆问题。本文将选取矩阵法(D-H法)建立SCARA机器人运动学模型。运动学方程的建立是机器人系统建立的前提和基础，为后续的动力学、轨迹规划和运动控制提供了必要的理论基础。根据机器人末端动平台所需的运动轨迹、速度和加速度时来确定驱动关节所需的力或力矩[8][9]。2）操作空间有两个基本的问题：首先要有共同的可变范围的规定，一定的结构或结构参数的机器人如何解决操作空间的问题，这是为空间分析和操作空间的操作。一般来说，操作空间有两个基本的问题：首先要有共同的可变范围的规定，一定的结构或结构参数的机器人如何解决操作空间的问题，说这是为空间分析和操作空间的操作[10]。3）轨迹是指机器人各个关节在运动过程中位移、速度和加速度随着时间的变化规律。4）工业常用的控制系统主要有两种形式：单片机控制系统、和计算机控制系统。单片机PLC控制系统：又被称为微控制器（Micro-controller),最早被用于实际工业生产控制领域。计算机控制系统：是应用计算机参与控制并借助外部模块与被控对象联系，以获得一定控制目的而构成的系统。1.6本课题研究的主要内容和意义1.6.1研究意义本课题考虑的四自由度平面关节型机器人SCARA是工业范围中利用较为普遍的机器人之一。最重要的运动在XY平面上有很大的灵活性,并具有较强的刚度，灵活的选择性，是非常重要的在装配工作的特点，十分适合应用在处理，焊接和组装等领域，如重复的工作任务，所以得到广泛的工业生产应用。给定平面联合类型SCARA机器人在工业应用领域的独特的优势，研究平面SCARA机器人关节类型相当具有代表性。在众多的机器人研究，大多数的研究主要集中在机器人控制系统和运动学分析，详细设计和仿真在机器人并没有足够的重视，对此本课题进行了详细的设计与仿真。1.6.2研究内容在研究国内外同类产品先进SCARA机型基础上，完成系统总体设计，并画出装配图及主要零件图，进行机器人手臂的CAD分析及其用solidworks进行运动学仿真。从此完成优化设计。如下：（1）机器人结构设计,利用CAD软件，solidworks对SCARA机器人设计,每个组件完成的设计仿真装配的相关部分,修改设计再组装,确保完整的设计机构在同一时间,达到优化的目的。（2）SCARA机器人的正运动学、逆运动学求解，机器人作业的运动规划及控制。建立本课题SCARA机器人的坐标系，得到D一H参数表，推导运动学、逆运动学方程，利用solidworks里内置的模块进行运动学仿真，模拟实际情况，进行直观的优化设计。1.7本章小结首先了解了本课题的研究方向和目的，在图书馆查阅了相关资料，查阅了成大先主编的《机械设计手册》，孙树栋主编的《工业机器人技术基础》，蔡自兴主编的《机器人学》等相关资料，初步了解本课题主要研究内容，即机器人结构设计,利用CAD软件，solidworks对SCARA机器人设计,对SCARA机器人的正运动学、逆运动学求解，机器人作业的运动规划及控制，通过Solidworks2014软件设计新型四自由度SCARA机器人并进行运动学仿真。通过对本章的学习，使我了解到工业机器人的基本现状以及SCARA机器人的应用范围，我将努力学习好三维设计软件solidworks，对SCARA机器人进行设计、研究，仿真。第2章SCARA机器人运动学模型的建立2.1SCARA机器人的运动学数学基础描述方法包括齐次坐标法、矢量法、旋量法、四元数法和群论等。本论文中采用齐次坐标法。（1）连杆的位姿表示[11]图2.1连杆的位姿表示如果给定的姿态在空间机器人连接PQ在定位点链接，那么链接在空间完全确定。如图2-1所示，一个以此环节，移动坐标系统是固定连接，是一个动态的系统，那么，连杆PQ在坐标系OXYZ中的位置：N，O，A，Y，Z分别为X轴的单位向量，每个组成单元向量静态系统中动态系统的每个轴的方向余弦，用齐次坐标表示为：（2）齐次变换每一个简单的刚体运动变换矩阵，然后运动，由多个变换矩阵来表达产品，产品矩阵称为齐次变换矩阵。a.平移的齐次变换：点在空间坐标系中的平移变换，如下图所示：写成如下形式：式中：表示齐次坐标变换的平移算子，且式中：第四x，y，元素分别沿X轴移动Z系列，Y，Z。b.算子左右乘规则如相对于固定坐标系进行变更，则左乘法算子；如相对动态坐标变换，然后右乘法算子；C.坐标与物体的平移变换d.旋转的齐次变换坐标设系从绕旋转而成，且有点：在中应表示为：，则有：P点和点的齐次坐标分别为和，因此绕Z轴的旋转齐次变换过程为(2.1)旋转算子的实质如下所示：(2.2)2.2SCARA机器人运动学逆解由于具体的形状各不相同，但结构机器人，计算速度较快，效率较高，便于实时数字控制；该解决方案不具有这些特点，它是人们寻求逆解的方法，由于计算量大，计算时间往往不能满足实时控制的需要，在多个解决方案的情况下，一些迭代计算方法并不能保证所有一切的解决方案。解决非线性方程组的数值方法本身是一个悬而未决的问题。封闭的方法用代数法和几何法。目前已经建立了一个系统的代数方法：使用左逆矩阵。常用的是保罗提出的逆变换方法(也称为代数方法)[12]。如下所示：其中表示末端执行器位置矢量，表示接近矢量，表示方位矢量;表示法向矢量。对，分别左乘。得到关节变量逆解如下所示：其中，式中中，正负号对应两组可能解。速度：2.3SCARA机器人运动学正解新型SCARA机器人属于四自由度机器人，建立如图2-3所示的D一H坐标系：图2-3D—H建立的模型各关节相应的连杆参数的如表3一1所示SCARA机器人的D一H参数表关节变量备注第一关节0=300第二关节00L2=350第三关节18000第四关节000根据运动学系统的数学推导，得到齐次变换通式为：代入各关节连杆参数，得：根据上示可以得到SCARA机器人正运动学方程为：负载能力关节运动范围关节1关节2重复定位精度关节3关节4最大展开半径关节最大运动速度关节1关节2关节3最大作业频率50件/min关节4末端最小高度度几何尺寸关节1(长度)控制方式PTP/CP关节2(长度)操作方式示教再现/编程关节3(行程)2.4SCARA机器人主要技术参数2.5SCARA机器人外形尺寸与工作空间依据设计要求，SCARA机器人的外形尺寸和工作空间如下图所示：大臂长300mm，小臂长350mm，操作空间即末端执行器所能到达的最大工作区域。图2-5SCARA机器人的外形尺寸图2-6SCARA机器人的工作空间2.6本章小结本章即通过齐次坐标法对新型SCARA机器人的的数学模型进行了建立，通过连杆的位姿表示、齐次变换通过对本章的认识和学习，对齐次坐标法有了一定的认识和了解，学习了SCARA机器人的正解和逆解的应用关系。对SCARA机器人工作特性的了解，用SolidWorks2014绘制出了机器人的尺寸范围和工作空间。在学习的过程中，遇到了许多困难，有大量的公式和方程需要掌握，参考了大量的文献，并努力研究和学习，希望对下一章的设计带来一定的帮助。第3章SCARA机器人结构设计3.1SCARA机器人的总体传动方案的比较与确定3.1.1SCARA机器人传动方案的比较据机器人特点，比较目前同类SCARA机器人本体设计方案[13]，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:第一二旋转自由度均选择减速电机传动，精度高，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，安装方便。第三移动和第四旋转自由度选择同步带传动，传动精度高，结构紧凑，传动功率大，但安装要求高，负载能力有限。方案二:第一旋转自由度选择齿轮减速传动，第二旋转自由度采用二级同步齿形带传动，但安装都要求较高，结构也较复杂。第三移动自由度选择步进减速电机直接驱动丝杠螺母传动，变旋转运动为直线运动，但相对同步齿形带重量较大，需要电机输出转矩较大，加工要求高。第四自由度设计同方案一。两种方案理论上均可实现，但方案一结构简单，部件少且较多标准件，方案二结构复杂，较多使用齿轮，且定位部件形状多不规则，加工和安装均比较复杂。综合考虑，本设计初选方案一[14][15]。3.1.2SCARA机器人传动方案的确定根据以上对SCARA机器人传动方案的比较，最终确定以选择齿轮减速电机驱动，目前，机器人的传动系统中主要是利用RV减速器或谐波减速器。基本传动方式如下[16]：大臂回转:步进电机1一>谐波减速器一>大臂小臂回转:步进电机2一>谐波减速器一>小臂主轴垂直直线运动:步进电机3一>同步齿形带一>丝杠螺母一>主轴主轴旋转:步进电机4一>同步齿形带一>花键一>主轴14723.2SCARA机器人关键零部件设计计算3.2.1步进电机的计算和选择（1）步进电机1的计算和选择：第一粗略限定各个部分的质量为:机座，大臂，小臂，手腕。电机选用北京和利时公司的产品;谐波减速器采用北京中技克美谐波传动有限公司的谐波组件[17]，其中：安全系数：，扭矩计算公式：，所以四个关节对于底座总的转动惯量为（忽略电机的质量）:其中，m1，m2，m3分别是大臂，小臂，手腕部分的估计质量，,,分别为各重心到第一关节处的距离。其大致是，，，又因为，，，所以可忽略不计所以：由技术参数可知，第1关节臂的最高转为πrad/s:，假设电机启动后的加速时间为0.1s，加速度：加速转矩：，现初定电机的转速为3000rPm，而关节的转速为30rPm。则选择的减速器的减速比初定为：考虑安全系数后折合到减速器上的扭矩为：折合到电机上的扭矩为:结合该电机类型[18]，86系列选定第一关节电机的两相混合式步进电机，具体型号为86BYG250AN-SAFRBL－，参数如表3.1所示。表3.1一关节电机参数型号相数步进角（）静态相电（A）相电阻保持转矩N.m定位转矩N．m重量kg转动惯量相电感86BYG250CN-SAFRL036120.9/5206.8可以看出，此电机的额定扭矩为2.4N·m，而上述计算折合到电机上的扭矩是2.14N·m，所以电机安全，符合要求。再根据北京中技克美谐波传动有限公司的谐波减速器，初选类型为，具体参数如表3.2所示。表3.2的规格参数机型速比最高输入转速RPM输入转速3000RPM半流体润滑脂润滑油输入功率（KW）输出转速（RPM）输出扭矩（N.M）100100300050000.94730240由计算折合到减速器的扭矩为：知符合要求。（2）步进电机2的计算和选择同步进电机1的选型计算转动惯量知，三四关节后相对于第二关节电机轴的最大转动惯量为：(3.1)其中，，为小臂长，因此，，用于电机二关节臂的最大速度的假设，0.1s后开始加速时间则：加速度：加速转矩:现初定电机的转速为3000rPm，而关节的转速为30rPm。则选择的减速器的减速比初定为100；折合到电机上的扭矩为:再结合森创公司的电机类型，初步选定第一关节的电机为两相混合式步进电机的56系列，具体型号为56BYG250B-SASSBL-0241，参数如表3.3所示。表3.3二关节电机参数型号相数步进角（）静态相电（A）相电阻保持转矩N.m定位转矩N．m重量kg转动惯量相电感56BYG250AN-SASSBL-004120.9/00.550.030.511903.2可以看出，此电机的额定扭矩为0.65N•m，而上述计算折合到电机上的扭矩是0.48N•m，因此电机是安全的，符合要求。再根据北京中技克美谐波传动有限公司的谐波减速器，初选类型为，具体参数如表3.4所示表3.4的规格参数机型速比最高输入转速RPM输入转速3000RPM半流体润滑脂润滑油输入功率（KW）输出转速（RPM）输出扭矩（N.M）60100300050000.1973050由计算折合到减速器的扭矩为：符合要求。（3）步进电机3的选择和计算首先初选滚珠丝杆的类型为南京工艺装备制造公司的滚珠丝杆FF1204-03，具体参数如表3.5所示：表3.5滚珠丝杆的类型型号公称直径公称导程丝杆外径钢球直径丝杆底经刚度循环圈数基本额定动载荷基本额定动载荷FF1204-0312411.32.3819.522346.7/208总负载为:丝杠的基本参数选择为:梯形螺纹，其中，，，。则螺旋升角：当量摩擦角：螺纹阻力矩：由于摩擦系数，在支撑表面的平均直径，内外螺母的平均直径，得到如下所示：螺纹摩擦力矩：所以丝杠所受力矩：查森创公司的电机类型知，最终选择56BYG250B型，它在1500RPM时的扭矩是0.65N.m，满足要求，同理可知，步进电机4也可选择56BYG250B型。综上所计算，现在总结驱动系统选型及设计的计算，各电机和滚珠丝杆选用如表3.6所示：表3.6各关节电机、减速装置部件的选型电机减速装置第1关节86BYG250AN-SAFRBL-及驱动谐波减速器第2关节56BYG250B-SASSBL-0241及驱动谐波减速器第3关节56BYG250B-SASSBL-0241及驱动滚珠丝杆FF1204-03第4关节56BYG250B-SASSBL-0241及驱动3.2.2同步齿型带的设计计算（1）确定同步齿型带的功率计算[19]：同步齿形带传动功率与负载的性质、速度、张紧轮的配置的变更有关。查表3.7知，，则设计功率为：表3.7工况系数（2）确定带类型和节距。根据带设计功率，选用周节制的同步带，根据图2-1知选择带型为L型，知节距为表3.8周节制，特殊节制同步带选型图（3）小带轮的齿数由于,见表3.0，同时考虑到设计尺寸，因为=14，故取=18（4）计算小带轮直径（5）计算小带轮的带速v一般L型的（6）大带轮齿数（7）大带轮节圆直径（8）初定中心距取（9）初步确定齿轮带的节线长度及其齿数节线长度：=查表3.9知，选用代号为150的L型同步齿轮带。得到此段的长度为=381mm。节线上的齿数=40线数。表3.9带的齿形与齿宽（部分）（10）计算实际中心距（11）小带轮的啮合齿数（12）基准额定功率（KW）其中，作为允许工作压力的带宽，查表得m为带宽为的单位长度的质量kg/m,查表知则代入得：（13）带宽周节制：(3.2)其中，为选定的基准宽度，查表知为小带轮齿数系数，由于Z=10，故=1代入式（1.3）得：查表3.9选定，由表的带宽代码号075的L型带知=19.1毫米。表3.9带的齿形与齿宽（部分）（14）作用在轴上的力（15）带轮的结构设计由于轮轴垂直水平轴，所以轮两个扣环的大小通过周节制L型带约束，选择领t=1.5毫米宽的厚度与双边领075L类型的代码，其带轮最小宽度。综上的计算知，选用的同步带为：150-L-075。3.2.3滚珠丝杠副的设计计算（1）计算最大工作载荷[20]。滚珠丝杠副的工作最大负载为，沿Z轴方向，丝杠轴向。因此，滚珠丝杠进给力，其最大工作载荷为：F=0.15。因此，计算可以得到滚珠丝杠最大工作载荷为：（2）最大动负载校核。由于滚珠丝杠最大动负载为：（3.3）其中式（1.4），L为工作寿命，计算公式为：；n为丝杆转速。带入T=15000，其中T为其寿命，则代入式可知：为运转状态系数，无冲击，取，所以：查表可知其额定动负载大小为如下所示：安全裕度n:工作负荷的静态检查是非常小的，符合条件的。所以，对于计算和自由度的传动系统检查可以省略。（3）丝杠稳定性验算。丝杠临界压缩载荷： （3.4）两端固定支承，查表支承方式系数=0.25，钢材的弹性模量为；同时，I为截面惯性矩：（3.5）底部的螺杆直径，螺旋直径约，因为底部直径和球直径之差，即螺杆直径，即丝杠外径，螺旋直径是已知的，查表知球直径，所以式（1.6）的知识：由于丝杆两端固定，u为长度系数，此处取2；丝杠最大工作长度为：L=12O毫米,则代入式（1.5）中得：故丝杆的安全系数为：所以丝杆安全稳定（4）丝杆的刚度验算。丝杠的拉压变形量为：（3.6）取得L=120mm;截面积，代入式（1.7）中丝杠变形很小，可忽略不计，故刚度足够。因工作载荷很小，滚道接触变形量从略。（5）传动效率的计算：根据公式：（3.7）其中，根螺旋升角为，摩擦角为，则代入式中得所以传动效率较高。182913.3SCARA机器人的几何模型的建立3.3.1机身的结构设计首先，启动SolidWorks2014，步骤如下：双击计算机桌面上的SolidWorks2014快捷图标，启动SolidWorks2014程序，也可单击计算机桌面左下角的【开始】按钮，启动SolidWorks2014程序，经过少许的时间后弹出SolidWorks2014图片，新建文件：在SolidWorks2014中，单击菜单栏上的【新建】按钮；弹出【新建SolidWorks文件】对话框，单击【零件】按钮，进入绘制界面图3-1图3-1绘制界面确定好SCARA机器人的整体设计方案后，就需要对机器人的各个零部件进行设计，各个零件的设计需要达到简单、便捷的效果，运用Solidorks2014对SCARA机器人机身进行设计，通过拉伸、切除等得到零件三维造型。对于本课题设计的机器人，机身设计需要考虑方便大臂和大臂相关零件放置，机身材料采用铝合金。图3-2SCARA机器人机身三维模型图3.3.2大臂的结构设计根据SCARA机器人的设计方案以及SCARA机器人大臂参数，运用Solidorks2014对SCARA机器人大臂进行设计，设计需要考虑的机器人刚度要求要高，定位好，重量要轻，以及运动要平稳，定位要准确，导向性要好，重量要轻，运动要平稳、定位精度要高，所以大臂材料采用铝合金。通过Solidworks2014拉伸、切除等得到大臂的三维造型。除了手臂的设计应力要求结构紧凑，重量轻，同时采取某种形式的缓冲作用，使其具有一定的缓冲效果。图3-3SCARA机器人大臂的三维模型图3.3.3小臂的机械结构设计小臂和大臂的结构设计相似，SCARA机器人相当于一个开链结构，对整个机械臂的动力学性能的重要影响，联合机器人末端执行器的重量，确保与步进电机和减速器之间的装配。小臂的材料同样采用铝合金，通过Solidworks2014拉伸、切除等得到小臂的三维造型。图3-4SCARA机器人小臂的三维模型图3.3.4滚珠丝杠的机械结构设计滚珠丝杆由螺杆、螺母和滚珠组成。根据滚珠丝杠的设计计算，考虑到SCARA机器人滚珠丝杠的负载，运用Solidorks2014对SCARA机器人滚珠丝杠进行设计，通过拉伸、切除等得到零件三维造型。图3-5SCARA机器人滚珠丝杠的三维模型图3.3.5丝杠螺母的机械结构设计丝杠螺母是用来和滚珠丝杠之间进行链接的传动原件，滚珠丝杠螺母由于运动效率高、发热小、无侧隙、刚性高，所以可实现高速进给运动，按照滚珠往返运动方式不同，通过运用Solidorks2014对SCARA机器人丝杠螺母进行设计，通过拉伸、切除等得到零件三维造型。图3-6SCARA机器人丝杠螺母的三维模型图图3-7各个关节的约束3.4运用AutoCAD2011建立SCARA机器人的二维图形运用AutoCAD2011建立SCARA机器人的平面模型的方法：首先，启动AutoCAD2011，在电脑中安装好AutoCAD2011应用程序后，桌面上将显示其快捷方式图标，双击该快捷方式图标，可启动AutoCAD2011应用程序。或单击【开始】菜单按钮【程序】——“AutoCAD2011”，也可以可启动AutoCAD2011应用程序。规定文字样式如图3-10，图3-11。图3-10Standard文字样式图3-11数字与字母文字样式通过对AutoCAD2011软件的学习，绘制出SCARA机器人的大臂、小臂二维零件工程图，如下图3-12、图3-13所示：了解零件作用，分析零件特点。在绘制零件草图和零件图的时候，首先了解零件在部件中的位置以及作用和零部件的形状结构。根据图纸布局定好各个视图的位置，并且画各个视图的基准线，中心线。集中测量尺寸，并标注各自相应的位置上，标注零部件的尺寸公差以及文字类的技术要求等。图3-12SCARA机器人大臂臂二维草图图3-13SCARA机器人小臂二维草图最后，保存文件：在菜单栏中选择【文件】/【保存】命令，或调出【标准】工具栏，单击图中的保存按钮，也可按下Ctrl+S组合键。9223.5本章小结 通过运用Solidworks2014软件设计SCARA机器人的三维造型。确定了SCARA机器人的传动方案，对关键零部件进行了计算，通过计算对步进电机进行了选择，主要电机型号为：86BYG250AN-SAFRBL-0361，56BYG2500B-SASSBL-0241。对SCARA机器人整体布局进行了设计与研究，同时对Solidworks2014三维制图软件进行了学习，通过对机身、大臂、小臂等主要零件的设计，然后对SCARA机器人进行了装配，对各个关节的约束进行了研究，最后通过对AutoCAD2011软件的学习，绘制出SCARA机器人的大臂小臂二维零件工程图。在设计零件的过程中，遇到了许多困难，通过自学Solidworks2014视频对三维软件有了深刻的了解，以及导师的细心指导，对三维零件的设计更加熟悉，下一步将对SCARA机器人进行仿真。第4章SCARA机器人运动学仿真4.1机器人运动学仿真的介绍自1970年代末以来，人们开始将CAD/CAM技术应用于机器人系统的分析和设计，机器人模拟是计算机模拟对象。该机器人采用计算机图形技术，CAD技术，在计算机生成的动画生成机器人机器人几何理论，并显示在屏幕上，然后设计机器人的运动学、控制和实际的应用程序的工作环境模拟和碰撞干扰等许多问题。机器人仿真已经成为机器人技术的一个重要分支，现代机器人的研究方向非常活跃，这是为了减少损失，节省开支，缩短开发周期，提高产品质量发挥了巨大进步。机器人应用程序项目开发之前，机器人仿真软件生成机器人模型的设计方案，为机器人本体设计提出了机器人模拟可以实现的功能。设计用户看到为了找出缺点和不足，提高。这是一个机器人的研究和生产预测的新时代。仿真技术应用于计算机和网络技术，整合图形技术，多媒体技术，软件工程，信息处理，知识的自动控制等高新技术领域。4.2机器人运动学仿真的目的当开发一个机器人系统的分析,运动学仿真提供了一个非常有效的方法,可以分析机器人的运动学解决方案是正确的。因此运动学仿真的目的有:（1）发现机制在空间运动速度和角速度,以评估是否满足工作的需要。运动学逆问题的解决方案,是已知末端执行器的位姿，了解决每个关节的位置。（2）为机器人运动控制提供必要的条件。绝大多数的工业机器人运动控制是基于一组正确的积极的和消极的解决方案的运动学解决问题的公式，即基于运动控制。机器人运动仿真可以表示系统运动或运动过程,包括实际的系统，三种基本模型和计算机零件。具体过程是：建模立体图像显示模式，分析运动学问题。4.3基于SolidworksMotion的SCARA机器人运动学仿真传统机械产品设计的立体图形通常是机械零件和装配关系,结果是静态的图形设计在一定的位置。该方法的操作过程很难反映机器在运动状态及其相对位置关系，每一个部分不能直观判断动作是否合理,是否有部分之间的干扰等等。通过运动仿真,使更直接的理解设计组装,和干扰的组件可以检查和运动干预,运动仿真成为现代CAD/CAM/CAE软件作为其重要组成部分。在运动仿真的过程中，为了保证部件的运动可行性，降低机器人虚拟样机整机仿真时的复杂性，采用自下向上的结构方式，从机器人的末端执行器到机座，逐步将各个运动关节的运动功能进行仿真。机器人的运动学仿真的关键在于机器人末端可否按请求走出预约的路径，因此我们按照的点到点插补算法、直线插补算法和圆弧插补算法原理，算出机器人在已知轨迹的起始位置和终止位置的情况下中间插补点的位姿，机器人就按着这些点一步一步从起始点运动到终止点，完成预定的轨迹。每个组件的运动是由时间控制的,即每一个时间间隔计算出数据库组件位置数据,数据集对应的构件,当一个时间单元足够小,单步运动机制运动图像显示连续机制。本课题利用三维设计软件SolidWorks2014中的Motion工具实现仿真。SCARA机器人仿真运动示意图如下所示：图4-1SCARA机器人仿真运动示意图1）机身与大臂装配仿真智能SCARA机器人装配时，以机身为基础进行虚拟样机模型装配，先插入基座装配体作为固定件，然后按照自上向下的设计原则，依次插入其他装配体，在solidworks环境下机身与大臂三维模型的效果图如下图4-2和图4-3所示.图4-2机身与大臂装配图图4-3机身与大臂爆炸图2）大臂与小臂装配仿真大臂与小臂臂的虚拟装配同样是以臂1为基础采用自上而下的方式进行装配，把臂1当作固定件进行装配，其中臂2、齿形带轮分别与传动轴2做固定约束，传动轴2与臂1做销钉约束，这样的约束条件可以限制臂2绕臂1转动，而不能发生平面移动。装配图与爆炸图如下图4-4和4-5所示。图4-4大臂与小臂的装配图图4-5大臂与小臂的爆炸图3）小臂与腕部装配仿真小臂与腕部虚拟装配以小臂基础，把小臂当作固定件，采用自上向下的方式进行装配。装配图如下图4-6和4-7所示。图4-6小臂与腕部的装配图图4-7小臂与腕部的爆炸图4.4运动干涉检验为了保证并联机器人在实际生产应用中的安全性，在进行运动学解的验证后还应注意其运动过程是否发生干涉。SolidWorks中的干涉检验命令，为这一过程提供了方便，具体过程如图4.2所示。图3-5干涉检验过程图经过干涉检查，发现在工作空间内的运动过程中不存在干涉。4.5本章小结本章主要对四自由度SCARA机器人进行了简单的运动学仿真。首先简要介绍了仿真技术的概念及发展，引出其在产品设计中的巨大作用，仿真的目的是发现机制在空间运动速度和角速度以及为机器人运动控制提供必要的条件。通过运动仿真,使更直接的理解设计组装,和干扰的组件可以检查和运动干预,运动仿真在现代CAD/CAM/CAE软件作为其重要组成部分。其次，利用SolidWorks2014三维绘图软件，在Motion环境下进行运动学仿真，将轨迹规划中得出的数据点导入SolidWorks中，就可以进行运动仿真。最后，详细介绍了SCARA机械手的运动仿真的整个过程，通过Solidworks三维软件的运动模块，形象的描叙了SCARA机器人位置状态对仿真结构进行分析，检验其运动干涉性，并同时制作了动画。第5章结论与展望5.1全文总结本文在安徽华创智能装备有限公司的资助下进行分析设计的，安徽华创智能装备有限公司主要生产和研发工业机器人，在毕业实习期间，认真学习Solidworks三维制图软件针，首先了解了本课题的研究方向和目的，在图书馆查阅了相关资料，查阅了成大先主编的《机械设计手册》，孙树栋主编的《工业机器人技术基础》，蔡自兴主编的《机器人学》等相关资料，初步了解本课题主要研究内容，通过Solidworks2014软件设计新型四自由度SCARA机器人并进行运动学仿真，通过对本课题的深入研究，对SCARA机器人设计与仿真，作出如下全文总结：首先，通过对国内外工业机器人的现状与深入研究，初步确定SCARA机器人的总体方案，总体传动方案采用谐波减速器，同步带，丝杠螺母传动。利用三维软件Solidworks建模，并进行位置反解和位置正解分析，确定了SCARA机器人的主要技术参数，对负载能力，重复定位精度，对大展开半径，控制方式，操作方式，关节运动范围，几何尺寸等参数进行了确定。同时也对SCARA机器人的外形尺寸和工作空间进行了规范。对SCARA机器人的结构分析，对SCARA机器人装配功能需求及作业环境进行分析，主要通过运用Solidworks2014软件设计SCARA机器人的三维造型。确定了SCARA机器人的传动方案，对关键零部件进行了计算，通过计算对步进电机进行了选择，对SCARA机器人整体结果进行了设计与研究，同时对Solidworks2014三维制图软件进行了学习，通过对机身、大臂、小臂等主要零件的设计，然后对SCARA机器人进行了装配，对各个关节的约束进行了研究。首先简要介绍了仿真技术的概念及发展，引出其在产品设计中的巨大作用，即仿真的目的是发现机制在空间运动速度和角速度以及为机器人运动控制提供必要的条件。其次，利用SolidWorks2014三维绘图软件，在Motion环境下进行运动学仿真，将轨迹规划中得出的数据点导入SolidWorks中，就可以进行运动仿真。最后，对仿真结构进行分析，检验其运动干涉性。通过对本课题的学习，使我了解了机械工程专业的就业方向，对今后从事机械设计工作提供了一定的技能，我将努力学习为进后的职业发展方向埋下基础。5.2工作展望由于受时间、能力、精力和条件等因素的限制，出现了许多问题，本课题还有其他很多需要继续深入研究和挖掘并改进的地方：1.机械手的整机作业实验。2.建模的模型进行了大量的简化，必然会影响到整个机器人的精度，.本体设计可继续优化，以进一步提高运动时的系统稳定性，从而提高工作效率。3.仿真中，虽保留关节驱动电机参数、机构速比、磨擦系数等变量，但忽略了环境干扰、机械结构刚度等因素，简化了仿真模型。同时虚拟装配采用约束与实际情况有点不同，势必影响到真实的运动情况。4.在设计和装配过程中应将减速机表面做处理，让其长时间不上锈，或将减速机裸露的部分用固件包裹。根据工作的实际需求再设计确定SCARA机器人的高度、丝杆的长度以及末端执行器等设备。