SCARA型裝配機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

SCARA型裝配機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘

要Scara機(jī)器人是一種由三個(gè)自由度組成的平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人，它的主要作用是可以完成精密儀器和物體的搬運(yùn)和移動(dòng)。由于體積小，傳動(dòng)原理簡(jiǎn)單，被廣泛運(yùn)用于電子電氣業(yè)，家用電器業(yè)，精密機(jī)械業(yè)等領(lǐng)域。整個(gè)系統(tǒng)由機(jī)器手，機(jī)器臂，關(guān)節(jié)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等組成。通過(guò)各自由度步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，完成機(jī)器手，機(jī)器臂的位置變化。具體設(shè)計(jì)內(nèi)容為：同步齒形帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)，絲杠螺母設(shè)計(jì)，各輸出軸和殼體的設(shè)計(jì),步進(jìn)電機(jī)的選擇等。在校核滿足其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，我們對(duì)scara機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本論文著重研究scara機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。在論文開(kāi)始首先介紹了機(jī)器人的發(fā)展及其分類情況。在論文第二，三章具體敘述了scara機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的詳細(xì)過(guò)程。在論文末尾還對(duì)scara機(jī)器人進(jìn)一步改進(jìn)措施和應(yīng)用展望進(jìn)行了闡述。關(guān)鍵詞：scara機(jī)器人，步進(jìn)電機(jī)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)器臂StructureDesignofSCARAAssemblyManipulatorAbstractASCARArobotisarobotofplaneandjointcomposedofthreedegreesoffreedom.Itsmostlyfunctionisusedtocompletetransitionandmotionofexactapparatusesandobjects.Becauseofitssmallvolumeandsimpledriveprinciple,itiswidelyusedinthefieldofelectronicandelectricindustry,home-usedelectric-wareindustryandexactmechanism.Thewholesystemiscomposedofmanipulatorhand,manipulatorarm,jointsandsteppermotordrivingsystem.Bysteppermotor’sdrivingofeachdegreeoffreedom,itcompleteslocationchangeofmanipulatorhandandmanipulatorarm.Theidiographicdesigningcontentisdesigningofin-phasetooth-shapestrap,designingofsilk-barnut,designingofshellandaxisandthechoiceofsteppermotors.Onthebaseofcheckingitsstructureintensity,whileitsatisfied,weoptimizedesigningofthestructureofSCARArobots.Thispaperputitsemphasesonresearchofitsstructuredesigningandkinematicsanalysis.Atthebeginningofthispaper,itintroducesthedevelopmentandsortofrobots.Inthesecondandthirdchapter,itintroducesdetaileddetailamongtheprocessingofthestructuredesigningofaSCARArobotanditskinematicsanalysis.Atthelast,thispapergivessomemeasuresaboutimprovingofSCARArobots,andgivesaexpectationaboutitsfuture.KeyWords:

SCARArobots,steppermotor,structuredesign,manipulatorarm目

錄摘

要

iAbstract

ii第一章

緒論

11.1

機(jī)器人的特點(diǎn)

11.2

機(jī)器人的構(gòu)成及分類

11.2.1

機(jī)器人的構(gòu)成

11.2.2

機(jī)器人的分類

31.3

機(jī)器人的應(yīng)用與發(fā)展

41.3.1

機(jī)器人的應(yīng)用

41.4SCARA機(jī)器人的研究意義

61.4.1SCARA機(jī)器人的研究意義

61.4.2SCARA機(jī)器人的特點(diǎn)

71.5本文的研究?jī)?nèi)容

8第二章

SCARA機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

92.1

SCARA機(jī)器人傳動(dòng)方案的比較及確定

92.2

各自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇

112.2.1

第一自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇

122.2.2

第二自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇:

122.2.3

第三自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇

132.3

同步齒形帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)

142.4

絲杠螺母設(shè)計(jì)

182.4.1

絲杠耐磨性計(jì)算

182.4.2

絲杠穩(wěn)定性計(jì)算

192.4.3

絲杠剛度計(jì)算

192.4.4

絲杠和螺母螺紋牙強(qiáng)度計(jì)算

202.4.5

螺紋副自鎖條件校核

212.5各輸出軸的設(shè)計(jì)

212.5.1

機(jī)身輸出軸設(shè)計(jì)

212.5.2

大臂輸出軸設(shè)計(jì)

222.5.3

帶輪軸設(shè)計(jì):

222.5.4

升降軸設(shè)計(jì)

222.6殼體設(shè)計(jì)

23第三章

SCARA機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

253.1引言

253.2SCARA機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

253.2.1SCARA機(jī)器人連桿坐標(biāo)系的建立

253.2.2SCARA機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題

273.3

SCARA機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

293.4

本章小結(jié)

31第四章

總結(jié)與展望

32參考文獻(xiàn)

33致

謝

34第一章

緒論1.1

機(jī)器人的特點(diǎn)機(jī)器人最顯著的特點(diǎn)有以下幾個(gè):1.可編程。生產(chǎn)自動(dòng)化的進(jìn)一步發(fā)展是柔性自動(dòng)化。機(jī)器人可隨其工作環(huán)境變化的需要而再編程，因此它在小批量多品種具有均衡高效率的柔性制造過(guò)程中能發(fā)揮很好的功用，是柔性制造系統(tǒng)(FMS)中的一個(gè)重要組成部分。2.擬人化。機(jī)器人在機(jī)械結(jié)構(gòu)上有類似人的行走、腰轉(zhuǎn)、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有電腦。此外，智能化機(jī)器人還有許多類似人類的“生物傳感器”，如皮膚型接觸傳感器、力傳感器、負(fù)載傳感器、視覺(jué)傳感器、聲覺(jué)傳感器、語(yǔ)言功能等.傳感器提高了機(jī)器人對(duì)周圍環(huán)境的自適應(yīng)能力。3.通用性。除了專門設(shè)計(jì)的專用機(jī)器人外，一般機(jī)器人在執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)時(shí)具有較好的通用性。比如，更換機(jī)器人手部末端操作器(手爪、工具等)便可執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)。4.機(jī)電一體化。機(jī)器人技術(shù)涉及的學(xué)科相當(dāng)廣泛，但是歸納起來(lái)是機(jī)械學(xué)和微電子技術(shù)的應(yīng)用，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用密切相關(guān)。因此，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展必將帶動(dòng)其它技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用水平也可以從一個(gè)方面驗(yàn)證一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和水平。1.2

機(jī)器人的構(gòu)成及分類1.2.1

機(jī)器人的構(gòu)成一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)，一般由操作機(jī)、驅(qū)動(dòng)單元、控制裝置和為使機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)而要求的外部設(shè)備組成。1.操作機(jī)(又稱執(zhí)行系統(tǒng))操作機(jī)是機(jī)器人完成作業(yè)的實(shí)體，它具有和人手臂相似的動(dòng)作功能，是可在空間抓放物體或進(jìn)行其它操作的機(jī)械裝置。通常由下列部分構(gòu)成。(1)末端執(zhí)行器又稱手部，是操作機(jī)直接執(zhí)行工作的裝置，并可設(shè)置夾持器、工具、傳感器等，是工業(yè)機(jī)器人直接與工業(yè)對(duì)象接觸以完成作業(yè)的機(jī)構(gòu)。(2)手腕是支承和調(diào)整末端執(zhí)行器姿態(tài)的部件，主要用來(lái)確定和改變末端執(zhí)行器的方位和擴(kuò)大手臂的動(dòng)作范圍，一般具有2-3個(gè)回轉(zhuǎn)自由度以調(diào)整末端執(zhí)行器的姿態(tài)。有些專用機(jī)器人可以沒(méi)有手腕而直接將末端執(zhí)行器安裝在手臂的端部。(3)手臂它由操作機(jī)的動(dòng)力關(guān)節(jié)和連接桿件等構(gòu)成，是用于支承和調(diào)整手腕和末端執(zhí)行器位置的部件。手臂有時(shí)不止一條，而且每條手臂，也不一定只有一節(jié)(如關(guān)節(jié)型就可能有多節(jié))，所以，它有時(shí)還應(yīng)包括肘和肩的關(guān)節(jié)，即手臂和手臂間(靠近末端執(zhí)行器的一節(jié)通常叫小臂，靠近機(jī)座的，通常叫大臂)，手臂與機(jī)座間用關(guān)節(jié)連接，因而擴(kuò)大了末端執(zhí)行器姿態(tài)的變化范圍和運(yùn)動(dòng)范圍。(4)機(jī)座有時(shí)稱為立柱，是工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)中相對(duì)固定并承受響應(yīng)力的基礎(chǔ)部件?？煞止潭ㄊ胶鸵苿?dòng)式兩類，移動(dòng)式機(jī)座下部安裝了移動(dòng)機(jī)構(gòu)，它可以擴(kuò)大機(jī)器人的活動(dòng)范圍。2.驅(qū)動(dòng)單元它是由驅(qū)動(dòng)器、減速器、檢測(cè)元件等組成的組件，是用來(lái)為操作機(jī)各部件提供動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的裝置。驅(qū)動(dòng)器是將電能或流體能等轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的動(dòng)力裝置，通常是電動(dòng)機(jī)、液壓或氣動(dòng)裝置。驅(qū)動(dòng)形式不同，傳動(dòng)裝置也有所不同。3.控制裝置它是由人對(duì)機(jī)器人的啟動(dòng)、停機(jī)及示教進(jìn)行操作的一種裝置，它指揮機(jī)器人按規(guī)定的要求動(dòng)作?？刂蒲b置包括檢測(cè)(如傳感器)和控制(如計(jì)算機(jī))兩部分，可用來(lái)控制驅(qū)動(dòng)單元，檢測(cè)其運(yùn)動(dòng)參數(shù)是否符合規(guī)定要求，并進(jìn)行反饋控制。這就是閉環(huán)控制。如果沒(méi)有反饋控制，就是較簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)控制。4.人工智能系統(tǒng)對(duì)于智能機(jī)器人，還應(yīng)有人工智能系統(tǒng)。它主要由兩部分組成，一部分為感覺(jué)系統(tǒng)(硬件)，主要靠各類傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)其感覺(jué)功能。另一部分為決策一規(guī)劃智能系統(tǒng)(軟件)，它包括邏輯判斷、模式識(shí)別、大容量數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)劃操作程序等功能。1.2.2

機(jī)器人的分類目前世界各國(guó)對(duì)處于發(fā)展階段的機(jī)器人還沒(méi)有統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，大致有以下幾種分類方法。1.按使用范圍分類(1)固定程序的專用機(jī)器人(機(jī)械手)通常根據(jù)主機(jī)的特定要求設(shè)計(jì)成固定程序(或簡(jiǎn)單的可變程序)。這種機(jī)器人(機(jī)械手)多為氣動(dòng)或液動(dòng)，用行程開(kāi)關(guān)、機(jī)械擋塊來(lái)控制其工作位置。工作對(duì)象單一，動(dòng)作較少，結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。(2)可編程序的通用機(jī)器人工作程序可變，以適應(yīng)不同的工作對(duì)象，通用性強(qiáng)，適合于以多品種、中小批量生產(chǎn)為特點(diǎn)的柔性制造系統(tǒng)中。2.按使用行業(yè)、部門和用途分類(1)工業(yè)機(jī)器人它們又可按作業(yè)類別分為鍛壓、焊接、表面噴涂、裝卸、裝配、檢測(cè)等機(jī)(2)采掘機(jī)器人如海洋探礦機(jī)器人等。(3)軍事用途機(jī)器人(4)服務(wù)機(jī)器人如醫(yī)療機(jī)器人，家用機(jī)器人，教學(xué)機(jī)器人等。3.按機(jī)械結(jié)構(gòu)、坐標(biāo)系特點(diǎn)分類按機(jī)械結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系特點(diǎn)可分為直角坐標(biāo)型;圓柱坐標(biāo)型;球坐標(biāo)型;多關(guān)節(jié)型。4.按機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方式分類(1)點(diǎn)位控制(PTP)機(jī)器人就是由點(diǎn)到點(diǎn)的控制方式，這種控制方式只能在目標(biāo)點(diǎn)處準(zhǔn)確控制機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)，完成預(yù)定的操作要求。目前應(yīng)用的工業(yè)機(jī)器人中，很多是屬于點(diǎn)位控制方式的，如上下料搬運(yùn)機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人等。(2)連續(xù)軌跡控制(CP)機(jī)器人機(jī)器人的各關(guān)節(jié)同時(shí)作受控運(yùn)動(dòng)，準(zhǔn)確控制機(jī)器人末端執(zhí)行器按預(yù)定的軌跡和速度運(yùn)動(dòng)，并能控制末端執(zhí)行器沿曲線軌跡上各點(diǎn)的姿態(tài)?；『?、噴漆和檢測(cè)機(jī)器人等均屬連續(xù)軌跡控制方式。5.按驅(qū)動(dòng)方式分類按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓驅(qū)動(dòng)式、氣動(dòng)式、電力驅(qū)動(dòng)式(這是目前用得最多的一類)6.根據(jù)機(jī)器人的功能水平和技術(shù)的先進(jìn)程度按“代”分類(1)第一代機(jī)器人其特點(diǎn)是采用開(kāi)關(guān)量控制，示教再現(xiàn)控制或數(shù)字控制，其作業(yè)路徑和運(yùn)動(dòng)參數(shù)需通過(guò)示教或編程給定。60年代以來(lái)，工業(yè)中實(shí)際應(yīng)用的絕大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人都屬于第一代機(jī)器人，它包括可編程序(用于上下料)的工業(yè)機(jī)器人具有記憶裝置的示教再現(xiàn)型機(jī)器人，數(shù)控型搬運(yùn)機(jī)器人等。

(2)第二代機(jī)器人是70年{BANNED}始出現(xiàn)的，其技術(shù)特點(diǎn)是采用計(jì)算機(jī)直接控制，是通過(guò)具有視覺(jué)、觸覺(jué)的攝像機(jī)和傳感器，能“感覺(jué)”外界信息并通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算和分析自動(dòng)地控制操作機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和操作，因此，其控制方式較第一代機(jī)器人要復(fù)雜得多，目前這類機(jī)器人已開(kāi)始在工業(yè)生產(chǎn)、排險(xiǎn)救災(zāi)等場(chǎng)合應(yīng)用，并將進(jìn)入普及階段。(3)第三代機(jī)器人即智能機(jī)器人。這是國(guó)內(nèi)外正在積極研究，開(kāi)發(fā)的高級(jí)機(jī)器人，其主要特點(diǎn)是具有人工智能。包括:模式識(shí)別能力、規(guī)劃決策能力、知識(shí)庫(kù)、專家系統(tǒng)、人機(jī)交互能力等。這一類機(jī)器人目前正在研究開(kāi)發(fā)之中。1.3

機(jī)器人的應(yīng)用與發(fā)展1.3.1

機(jī)器人的應(yīng)用在發(fā)達(dá)國(guó)家，機(jī)器人己廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、國(guó)防、科技、生活等各個(gè)領(lǐng)域。產(chǎn)業(yè)部門應(yīng)用最多的當(dāng)推汽車工業(yè)和電子工業(yè)，在金屬加工、塑料成型、機(jī)械制造等行業(yè)也有普遍應(yīng)用，并逐漸向纖維加。食品工業(yè)、家用產(chǎn)品制造等行業(yè)發(fā)展。焊接作業(yè)包括點(diǎn)焊和弧焊，是機(jī)器人用得最多的作業(yè)之一。傳統(tǒng)的點(diǎn)焊機(jī)雖然可以減輕人的勞動(dòng)強(qiáng)度，焊接質(zhì)量也較好，但它適宜少品種大批量的生產(chǎn)環(huán)境，其夾具和焊槍位置不能隨零件的改變而變化，而點(diǎn)焊機(jī)器人可通過(guò)重新編程來(lái)調(diào)整空間點(diǎn)位，滿足不同零件的需要，故特別適宜于小批量多品種的生產(chǎn)環(huán)境?；『缸鳂I(yè)由于其焊縫多為空間復(fù)雜曲線，故多由人工完成，連續(xù)軌跡控制的機(jī)器人可以勝任此任務(wù)，故廣泛用于各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)和容器的焊接。Unimate,Motoman,ASEA等都是典型的焊接機(jī)器人。噴漆作業(yè)由于環(huán)境惡劣，國(guó)外大量使用了機(jī)器人，挪威生產(chǎn)的Trallfa機(jī)器人是目前世界上用得最多的噴漆機(jī)器人，該機(jī)器人為關(guān)節(jié)式，6自由度，電液或全電動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)，采用示教再現(xiàn)方式，既可實(shí)行點(diǎn)位控制，也可實(shí)行連續(xù)軌跡控制。搬運(yùn)物料的作業(yè)包括為機(jī)床上下料，為自動(dòng)生產(chǎn)線轉(zhuǎn)運(yùn)工件，搬運(yùn)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床一起組成柔性加工系統(tǒng)，一條柔性生產(chǎn)線可配置幾臺(tái)至十幾臺(tái)搬運(yùn)機(jī)器人，典型的搬運(yùn)機(jī)器人是T3和Funac機(jī)器人。機(jī)器人用于裝配作業(yè)是隨著視覺(jué)系統(tǒng)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的，電子工業(yè)用得最多，主要用在電路板的裝配上，還有電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)部件、閥門等產(chǎn)品的裝配。PUMA機(jī)器人是一種典型的裝配機(jī)器人，有6個(gè)自由度，關(guān)節(jié)式，直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，微機(jī)控制點(diǎn)位或連續(xù)軌跡，用VAL語(yǔ)言示教編程，其手腕機(jī)構(gòu)具有順應(yīng)性，可克服裝配中的誤差。國(guó)外的航空航天工業(yè)中應(yīng)用機(jī)器人也十分廣泛，如鉚接裝配作業(yè)就大量使用了機(jī)器人，此外如電氣插頭的裝配，發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇外殼和高壓渦輪的焊接，飛機(jī)座艙蓋和風(fēng)擋鉆孔作業(yè)，飛機(jī)機(jī)身和垂直尾翼鉆孔，都采用了機(jī)器人。某些飛機(jī)機(jī)身、機(jī)艙的噴漆作業(yè)，發(fā)動(dòng)機(jī)零部件等離子噴涂也采用了機(jī)器人。在空間開(kāi)發(fā)中，航天飛機(jī)上收放衛(wèi)星的機(jī)器人是加拿大Spar公司生產(chǎn)的，美國(guó)NASA實(shí)施的火星測(cè)計(jì)劃，發(fā)射了兩個(gè)火星探測(cè)器海盜I和海盜H，它們也是一種機(jī)器人，在火星上采集樣品，作各種實(shí)驗(yàn)，并能將實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)回地球。在海洋開(kāi)發(fā)方面，美國(guó)曾用Curv號(hào)有纜水下機(jī)器人成功地從西班牙附近900米深的海底打撈一顆因B-52轟炸機(jī)失事掉入水中的氫彈。挪威卑爾根公司生產(chǎn)的一種水下機(jī)器人，可在水下600米處作業(yè)，裝有電視攝像機(jī)，可收集海底標(biāo)本，切割石油管道和纜索等。在放射性環(huán)境中，如在核電站里，機(jī)器人可用來(lái)檢查、修復(fù)管道、閥門等，如日本東芝公司研制的一種蛇形機(jī)器人，具有八個(gè)關(guān)節(jié)，可以在狹小的空間里操作，臂長(zhǎng)達(dá)2.25米，臂頂端裝有電視攝像機(jī)。在軍事方面，機(jī)器人己用于偵察、布雷、排除爆炸物、裝填彈藥等。在建筑中，己有一種爬壁機(jī)器人可用來(lái)修理墻面，擦洗窗戶。此外還有摘果實(shí)、擠牛奶、剪羊毛、清理垃圾、監(jiān)護(hù)病人的機(jī)器人等?？傊?，機(jī)器人的應(yīng)用面相當(dāng)廣泛，機(jī)器人的工作特點(diǎn)是在計(jì)算機(jī)控制下離開(kāi)人的干預(yù)進(jìn)行各項(xiàng)工作。用機(jī)器人代替人，可以使人擺脫高溫、有毒、粉塵、振動(dòng)、放射性、強(qiáng)噪音等惡劣環(huán)境，而去從事機(jī)器人的監(jiān)控、維護(hù)等工作，使工作性質(zhì)發(fā)生了變化，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也改善了就業(yè)結(jié)構(gòu)。機(jī)器人工作抗干擾能力強(qiáng)，一心一意按所編程序工作，動(dòng)作精度、重復(fù)精度高，因此能保證和提高產(chǎn)品質(zhì)量。解決多品種小批量生產(chǎn)的自動(dòng)化問(wèn)題二隨著人民生活水平的提高，人們要求提供更豐富更多樣的產(chǎn)品。因此，用傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式難以滿足人們的需求，當(dāng)前柔性制造系統(tǒng)的飛速發(fā)展正是適應(yīng)了這種發(fā)展趨勢(shì)，而機(jī)器人是柔性系統(tǒng)中不可缺少的提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的關(guān)鍵設(shè)各。與人相比，機(jī)器人有一個(gè)最大的特點(diǎn):不知疲倦、不需要休息，在合宜的條件下，可以連續(xù)工作，因此可以大大地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。機(jī)器人對(duì)于改善勞動(dòng)條件、減少安全事故，減少人受危險(xiǎn)環(huán)境的傷害等方面都有顯著的效果。1.4SCARA機(jī)器人的研究意義1.4.1SCARA機(jī)器人的研究意義目前，國(guó)外已有各種專用和通用的裝配機(jī)器人在生產(chǎn)中得到應(yīng)用，主要類型大致有直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型和關(guān)節(jié)型三大類。關(guān)節(jié)型裝配機(jī)器人又有垂直關(guān)節(jié)型(即空間關(guān)節(jié)型)和平面關(guān)節(jié)型(即SCARA型)兩種。拒統(tǒng)計(jì)資料介紹，在這些裝配機(jī)器人中，平面關(guān)節(jié)型裝配機(jī)器人是應(yīng)用數(shù)量最多且較為廣泛的一種裝配機(jī)器人。1991年世界上4萬(wàn)余臺(tái)在生產(chǎn)上應(yīng)用的裝配機(jī)器人中，SCARA機(jī)器人約占3/4左右。其主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)殡娮与姎鈽I(yè)、家用電器業(yè)、精密機(jī)械業(yè)。從事印刷電路板上電子元器件的插入作業(yè);家用電器及儀器儀表的組裝作業(yè):小型電器開(kāi)關(guān)、接觸器等電器產(chǎn)品的組裝作業(yè)?？梢哉f(shuō)，SCARA型機(jī)器人在輕型、較簡(jiǎn)單且要求機(jī)器人價(jià)格較低的裝配作業(yè)中大顯了身手。隨著社會(huì)需求的增大和技術(shù)的進(jìn)步，裝配機(jī)器人將會(huì)得到迅速的發(fā)展，多品種、少批量生產(chǎn)方式和為提高產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率的生產(chǎn)工藝需求，將是推動(dòng)裝配機(jī)器人發(fā)展的直接動(dòng)力。近年來(lái)計(jì)算機(jī)、CIMS及柔性自動(dòng)裝配系統(tǒng)等的發(fā)展，又為裝配機(jī)器人的應(yīng)用和發(fā)展提供了良好的可能性。1972年我國(guó)開(kāi)始研制機(jī)器人，但發(fā)展緩慢，受經(jīng)濟(jì)、觀念等因素的制約，基本沒(méi)有什么應(yīng)用，直到1986年，沈陽(yáng)機(jī)器人研究所成立，中國(guó)的機(jī)器人才向?qū)嵱秒A段發(fā)展。隨著國(guó)內(nèi)教育和科技的發(fā)展，哈工大等高校出現(xiàn)了專門的機(jī)器人機(jī)構(gòu)，研究水平在某些方面己達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。在應(yīng)用方面，一汽等大型企業(yè)己開(kāi)始使用機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線。但總體來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)機(jī)器人發(fā)展還是趨于落后，特別是在應(yīng)用方面發(fā)展緩慢。究其原因，除了經(jīng)濟(jì)因素的制約外，很重要的一點(diǎn)是有關(guān)機(jī)器人的教育跟不上，知道機(jī)器人的人很多，但真正了解、懂機(jī)器人的人少而又少，這就使我國(guó)的機(jī)器人發(fā)展缺乏智力支持，加強(qiáng)機(jī)器人技術(shù)教育，緩解人才危機(jī)迫在眉睫。而研制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低SCARA機(jī)器人用于教學(xué)可以提高教育的現(xiàn)代化水平，用于實(shí)際生產(chǎn)可以大大提高工作效率，還可以用于科學(xué)研究工作，為開(kāi)發(fā)更先進(jìn)的裝配機(jī)器人提供有利條件，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，我們有能力也有必要進(jìn)行這方面的研究1.4.2SCARA機(jī)器人的特點(diǎn)根據(jù)工作環(huán)境、工作特點(diǎn)等要求，本SCARA機(jī)器人應(yīng)具備以下幾個(gè)特點(diǎn):1.外形美觀，適于觀察。如果作為示教用機(jī)器人應(yīng)該讓觀看者賞心悅目，同時(shí)能直觀地了解它的構(gòu)成和動(dòng)作原理。故機(jī)器人的外形應(yīng)巧妙設(shè)計(jì)，部分外殼應(yīng)采用透明材料，內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)簡(jiǎn)單明了，另外，機(jī)器人的動(dòng)作應(yīng)連續(xù)，速度適中。2.成本低在滿足所要求功能的前提下，盡可能降低成本，這是設(shè)計(jì)的基本要求.如果作為教學(xué)用機(jī)器人只要求有一些示范性動(dòng)作，而對(duì)實(shí)踐的功能要求不高，速度等參數(shù)可在一定范圍內(nèi)調(diào)整，定位精度要求也不高，故機(jī)構(gòu)盡可能采用規(guī)則件、標(biāo)準(zhǔn)件，驅(qū)動(dòng)元件采用便宜的步進(jìn)電機(jī)，而光電碼盤等測(cè)試校驗(yàn)元件則可不用，其功能由軟件部分實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。這樣，結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，成本也隨之降低。3.體積小，重量輕SCARA機(jī)器人要求抓取重量不大，動(dòng)作范圍也很小，故體積很小，展開(kāi)應(yīng)在60x80cm2左右。要實(shí)現(xiàn)SCARA機(jī)器人的四個(gè)自由度，內(nèi)部零件應(yīng)盡量小巧，結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能緊湊。重量輕是機(jī)器人研制的一個(gè)方向，在滿足強(qiáng)度和剛度的條件下，零部件越輕越好，故材料要首選鋁質(zhì)輕質(zhì)材料，零件特別是具有定位功能的殼體定位板應(yīng)采用板筋結(jié)構(gòu)，各零件的空間分布要合理，減小傾覆力矩。4.傳動(dòng)原理簡(jiǎn)單本SCARA機(jī)器人采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，速度要求不高，故減速比可在一定范圍內(nèi)調(diào)整，只要能滿足轉(zhuǎn)矩即可。選擇減速方案可根據(jù)空間結(jié)構(gòu)要求，跨距轉(zhuǎn)大的傳動(dòng)可選用同步帶傳動(dòng)力求一步到位，傳動(dòng)簡(jiǎn)單。1.5本文的研究?jī)?nèi)容SCARA機(jī)器人為平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人，一般采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制簡(jiǎn)單，編程方便。主要應(yīng)用于電子產(chǎn)品中異形元件裝配，小型機(jī)電產(chǎn)品如電機(jī)、空壓機(jī)、電器、泵類等的裝配工作，是一種小型經(jīng)濟(jì)型機(jī)器人。該機(jī)器人的突出特點(diǎn)是機(jī)構(gòu)承載能力強(qiáng)，具有較好的通用性，重復(fù)定位精度高，動(dòng)作速度快，應(yīng)用范圍廣。該論文涉及計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子、機(jī)械等多學(xué)科的知識(shí)，主要完成了以下的工作:1.在進(jìn)行充分的課題可行性論證及詳細(xì)的理論計(jì)算之后，用AutoCAD等計(jì)算機(jī)圖形輔助設(shè)計(jì)軟件完成了SCARA機(jī)器人的機(jī)械本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為了滿足靈活性強(qiáng)、工作空間大、重量輕及結(jié)構(gòu)緊湊等工作要求，將其設(shè)計(jì)為具有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的機(jī)器人。2．建立了SCARA機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型，得到了運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的正解和反解，并在運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的基礎(chǔ)上，求得了SCARA機(jī)器人的雅可比矩陣。第二章

SCARA機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1

SCARA機(jī)器人傳動(dòng)方案的比較及確定初步確定以下兩種可行方案：方案一：大臂轉(zhuǎn)動(dòng)采用諧波減速，小臂轉(zhuǎn)動(dòng)采用二級(jí)同步帶減速，升降軸采用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)，手腕轉(zhuǎn)動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。這種方案主要考慮了傳動(dòng)鏈的簡(jiǎn)化，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單易行。方案二：大臂轉(zhuǎn)動(dòng)采用齒輪減速，小臂轉(zhuǎn)動(dòng)采用二級(jí)同步帶傳動(dòng)，升降軸采用一級(jí)齒帶傳動(dòng)加齒輪齒條實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng)。方案一具有以下特點(diǎn):1.第一個(gè)自由度采用諧波減速器，適合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，減速比大、體積小、重量輕、精度高、回差小、承載能力大、噪音小、效率高、定位安裝方便，由于使用標(biāo)準(zhǔn)件，價(jià)格也不高。2.第二個(gè)自由度采用二級(jí)同步齒形帶減速，充分利用了大臂的空間，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)比恒定，傳動(dòng)功率大，效率較高，但對(duì)安裝有一定要求，需加調(diào)整裝置。3.第三個(gè)自由度采用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)。電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)的同時(shí)兼有減速的作用，一步把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)精度較高，絲杠有自鎖功能，速度不宜過(guò)高。方案二具有以下特點(diǎn):1.第一個(gè)自由度采用齒輪減速，這是最常用的減速方法，傳動(dòng)比恒定，傳動(dòng)效率高，工作可靠，使用壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)緊湊，傳遞功率大，但傳動(dòng)精度低，噪音大，傳動(dòng)比小。齒輪的加工成本比較高，體積和重量都比較大。2.第三個(gè)自由度采用了齒帶加齒輪齒條傳動(dòng)，基本具備齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)，傳遞功率大，傳動(dòng)效率高，精度低，有噪音，傳動(dòng)比小，工作可靠，但需要平衡裝置，不能自鎖。3.其它方面與方案一基本相同。兩方案相比較，在傳動(dòng)的實(shí)現(xiàn)上，二者都是可行的。方案一結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，各傳動(dòng)元件的定位比較容易實(shí)現(xiàn);方案二結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，各部分定位都需仔細(xì)考慮。外觀上，方案二顯得更好一些。傳動(dòng)精度方面，顯然方案一比較高。成本上考慮，方案一采用標(biāo)準(zhǔn)件較多，零部件較少，且比較規(guī)則，易于加工，絲杠螺母在精度要求不高的情況下，加工成本也不是很高;方案二用了很多齒輪，需專門設(shè)備加工，且各定位部件形狀不規(guī)則，加工困難，這都使成本增加。故綜合考慮，選擇方案一。機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方案的對(duì)比分析及選擇:對(duì)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置的一般要求如下:1.動(dòng)裝置的重量盡可能要輕，單位重量的輸出功率(即功率/重量比)要高，效率也要高;2.反應(yīng)速度要快，即要求力/重量比和力矩/慣量比要大;3.動(dòng)作平滑，不產(chǎn)生沖擊;4.控制盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要小;5.安全可靠;6.操作和維護(hù)方便;7.對(duì)環(huán)境無(wú)污染，噪聲要小;8.經(jīng)濟(jì)上合理，尤其是要盡量減少占地面積。通常的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式有以下四種:1.步進(jìn)電機(jī):可直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制性能好，而且成本低廉;通常不需要反饋就能對(duì)位置和速度進(jìn)行控制;位置誤差不會(huì)積累;步進(jìn)電機(jī)具有自鎖能力(變磁阻式)和保持轉(zhuǎn)矩(水磁式)的能力，這對(duì)于控制系統(tǒng)的定位是有利的，適于傳動(dòng)功率不大的關(guān)節(jié)或小型機(jī)器人。2.直流伺服電機(jī):直流伺服電機(jī)具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動(dòng)力矩，相對(duì)功率大及快速響應(yīng)等特點(diǎn)，并且控制技術(shù)成熟。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，而且需要外圍轉(zhuǎn)換電路與微機(jī)配合實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。若使用直流伺服電機(jī)，還要考慮電刷放電對(duì)實(shí)際工作的影響。3.交流伺服電機(jī):交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，使用維修方便，與步進(jìn)電機(jī)相比價(jià)格要貴一些。隨著可關(guān)斷晶閘管GTO，大功率晶閘管GTR和場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET等電力電子器件、脈沖調(diào)寬技術(shù)(PWM)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，使交流伺服電機(jī)在調(diào)速性能方面可以與直流電機(jī)媲美。采用16位CPU+32位DSP三環(huán)(位置、速度、電流)全數(shù)字控制，增量式碼盤的反饋可達(dá)到很高的精度。三倍過(guò)載輸出扭矩可以實(shí)現(xiàn)很大的啟動(dòng)功率，提供很高的響應(yīng)速度。4.液壓伺服馬達(dá):液壓伺服馬達(dá)具有較大的功率/體積比，運(yùn)動(dòng)比較平穩(wěn)，定位精度較高，負(fù)載能力也比較大，能夠抓住重負(fù)載而不產(chǎn)生滑動(dòng)，從體積、重量及要求的驅(qū)動(dòng)功率這幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)考慮，不失為一個(gè)合適的選擇方案。但是，其費(fèi)用較高，其液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。為避免本系統(tǒng)也出現(xiàn)同類問(wèn)題，在可能的前提下，本系統(tǒng)將盡量避免使用該種驅(qū)動(dòng)方式。SCARA機(jī)器人負(fù)載并不大，決定了機(jī)器人必須重量輕(10~20Kg)，另外其作業(yè)范圍也不大，所以機(jī)器人必須體積小。對(duì)此機(jī)器人，這些特點(diǎn)決定了它的驅(qū)動(dòng)方式。又通過(guò)以上比較，由于步進(jìn)電機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)，初選上述方案中的步進(jìn)電機(jī)方案進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算和選擇，并在此基礎(chǔ)上參考同類機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方案，最后確定一種適合我國(guó)國(guó)情的實(shí)施方案。SCARA機(jī)器人兩個(gè)關(guān)節(jié)均選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。機(jī)器人大臂，小臂均采用了二級(jí)齒帶傳動(dòng)，升降軸采用一級(jí)齒帶加齒輪齒條實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng)。2.2

各自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇本機(jī)器人前兩個(gè)自由度是平面旋轉(zhuǎn)，若軸承是光滑的，則旋轉(zhuǎn)所需的靜轉(zhuǎn)矩比較小。因?yàn)閷⒈凵扉_(kāi)呈一條直線時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大，所以在旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)可產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩不足。下面估算一下繞機(jī)器人臂的旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為JG1,JG2,JG3根據(jù)平行軸定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:J1=JG1+m1112+JG2+m2122+JG3+m3l32(2-1)其中，m1,m2,m3分別為大臂，小臂,腕部的質(zhì)量為3kg,0.8kg,4kg。11,12,l3分別為各重心到第一關(guān)節(jié)處的距離，其值為150mm,450mm,550mm。在式(2-1)中，JG1≤m1112，JG2<<m2122,JG3<<m3l32故JG1,JG2,JG3,可忽略不計(jì),所繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:

J1=m1112+m2122+m3l32

=3×0.152+0.8×0.452+4×0.552

(2-2)

=1.44kg.m2同理可得小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:

J2=m2142+m3l52

=0.8-0.12+4×0.22

=0.168kg.m2

(2-3)式中：l4

小臂重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離mm。

l5

腕部重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離mm。2.2.1

第一自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇設(shè)大臂速度為ω1=300/s，使機(jī)器人大臂從ω0=0到ω1=300/s所需的時(shí)間為:△t=0.ls,則同步帶應(yīng)輸出轉(zhuǎn)矩為:

（2-4）設(shè)安全系數(shù)為2，同步帶減速比i=10，同步帶傳動(dòng)效率為:η=85%。則電機(jī)所需輸出力矩為:T=(2×T1)/i×η2=20Nm

（2-5）選擇步進(jìn)電機(jī)型號(hào)：KP8M2-037步距角：1.80最大啟動(dòng)力矩:2.68kgcm2.2.2

第二自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇:設(shè)小臂速度為ω2=150/s,角速度從0到ω2所需加速度時(shí)間△t=0.2s,則同步帶應(yīng)輸出轉(zhuǎn)矩為:

T2=J2×ω2

=0.22Nm

（2-6）設(shè)安全系數(shù)為2，同步帶減速比i=10，同步帶傳動(dòng)效率為:η=85%。則電機(jī)所需輸出力矩為:

（2-7）選擇步進(jìn)電機(jī)型號(hào)：KP56LMS2-1步距角：1.80最大啟動(dòng)力矩:3.33kgcm2.2.3

第三自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇絲杠螺母?jìng)鲃?dòng),實(shí)現(xiàn)腕部的升降,設(shè)絲杠軸向承載總和為:Q=34.3N。絲杠基本參數(shù)選擇:螺紋牙形:梯形螺紋，β=300螺距:

P=2mm公稱直徑:

d=10mm,中徑:

d=9.5mm摩擦系數(shù):

f=0.1螺旋升角為:

λ=arctgP/(πd2)=arctg2/(9.5π)=3.8340

(2-8)當(dāng)量摩擦角為:

(2-9)螺紋阻力矩為:T1=d2/2Qtg(λ+ρˊ)=9.5/2×34.3×tg(3.8340+5.9110)=0.031Nm

(2-10)螺紋所受摩擦力矩為:

T2≈fcQDm/2

（2-11）式中:fc----摩擦系數(shù)，取0.1

Dm----

支撐面平均直徑,此例中取螺母內(nèi)外徑和的一半,即(10+40)/2=25mm.帶入數(shù)據(jù)得:T2≈(0.1×34.3×25)/2=0.047Nm

（2-12）絲杠所受力矩為阻力矩與摩擦力矩之和,即:T=T1+T2

=0.031+0.047=0.078Nm

（2-13）安全系數(shù)取2,則電機(jī)所需最小轉(zhuǎn)矩為:T3=2T=2×0.078=0.056Nm

（2-14）選擇電機(jī)型號(hào):

KP56LMS2-1步距角：1.80最大啟動(dòng)力矩:3.33kgcm2.3

同步齒形帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)由2.2.2知,同步帶輸出轉(zhuǎn)矩為:0.22Nm,輸出轉(zhuǎn)速為:ω=150/s,單級(jí)傳動(dòng)效率為:η=85%,傳動(dòng)比為:10,取安全系數(shù)為k=3,則同步帶傳遞功率為:P=kTω/η2=3×0.22×(π/12)/0.852

=0.24w

(2-15)設(shè)傳動(dòng)比分配為:第一級(jí)傳動(dòng)i1=5,第二級(jí)傳動(dòng)i2=2,帶輪依次為I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ,則：Ⅳ輪轉(zhuǎn)速：n4=150/s=2.5r/minⅡ、III輪轉(zhuǎn)速:n2=n3=i2×n4=2×2.5=5r/min

I輪轉(zhuǎn)速:n1=in4=10×2.5=25r/min設(shè)中心距:

L1=100mm,L2=250mm(1)求出設(shè)計(jì)功率Pd由文獻(xiàn)[12]表9.3-11查得載荷修正系數(shù)k0=1.6，因?yàn)槲词褂脧埦o輪,又是減速運(yùn)動(dòng)，故文獻(xiàn)[12]中表9.3-11的附加修正系數(shù)均為零。則:

Pd=k0P=1.6×0.24=0.384w(2)選擇帶的節(jié)距由Pd=0.384W和n1=25r/min，從[12]圖9.3-4中查得帶的節(jié)距代號(hào)為XL,對(duì)應(yīng)的節(jié)距為Pd=5.08mm(見(jiàn)表9.3-1-2[1])。(3)確定帶輪直徑和帶節(jié)線長(zhǎng)由表9.3-10[1]，帶輪I齒數(shù)最小可取10，考慮到制造和安裝等因素，取Z1=13。則：

Z2=i1Z1=5Z1=65根據(jù)【12]表9.3-6標(biāo)準(zhǔn)系列，取Z2=60同理可得:

Z3=17,Z4=40重新計(jì)算傳動(dòng)比:i1=Z2/Z1=60/13=4.6

i2=Z4/Z3=40/17=2.4

i=i1l2=10.8由表9.3-6可得I,II,III,Ⅳ各帶輪的直徑:d1=21.02mm,d2=97.02mmd3=27.49mm,d4=64.68mm由[12]式(15)可得帶長(zhǎng)計(jì)算公式:

(2-16)式中:

L---中心距mm

Lp---帶長(zhǎng)mmd1,d2一配合帶輪直徑mm代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得:按[12]表9.3-2，選擇最接近算值的標(biāo)準(zhǔn)帶長(zhǎng):Lp1=406.4mm

齒數(shù)80

代號(hào)160Lp2=635mm

齒數(shù)125

代號(hào)250近似計(jì)算中心距:

(2-17)式中：

L---中心距

mm

Pb---節(jié)距,這里為5.080mm

Zb----帶齒數(shù)，這里Zb1=80,Zb2=125Z2,Z1為配合帶輪齒數(shù)則:取整，則L1=103mm取整，則

L2=245mm進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)帶寬的選擇:小帶輪I齒數(shù)Z1=13，轉(zhuǎn)速為n=25r/min，由[12]表9.3-12內(nèi)插法得XL型帶的基準(zhǔn)額定功率為P0=1.25W嚙合齒數(shù):則嚙合齒數(shù)系數(shù)為:由文獻(xiàn)[13]表4-20可以查Pb=50.8的XL型同步帶的基準(zhǔn)寬度為Bs0=9.5mm,同步帶寬為:查文獻(xiàn)【13]表4-25得帶寬的標(biāo)準(zhǔn)值，為安全可靠，帶寬bs=7.9mm帶寬系數(shù)：帶的許用拉應(yīng)力查表9.3-11[2]得Ta=50.17N帶的單位長(zhǎng)度質(zhì)量查表9.3-11[l]得m=0.022kg/m帶的圓周速度:帶的工作能力:額定功率大于設(shè)計(jì)功率，故帶的傳動(dòng)能力足夠。結(jié)果整理如下:兩極同步帶類型均為為XL型同步齒型帶Pb=5.08mm,帶寬bs=7.9mm一級(jí)同步齒型帶齒數(shù):

Zp1=80

帶長(zhǎng)

Lp1=402mm

代號(hào)

160二級(jí)同步齒型帶齒數(shù):Zp2=125

帶長(zhǎng)Lp2=646.71mm

代號(hào)

250各帶輪齒數(shù)：Z1=13，

Z2=60，

Z3=17，

Z4=40各帶輪節(jié)徑：d1=21.02mm,d2=97.02mmd3=27.49mmd4=64.68mm傳動(dòng)中心距：L1=103mm

L2=245mm圖2-1

SCARA機(jī)器人大臂結(jié)構(gòu)圖2.4

絲杠螺母設(shè)計(jì)設(shè)絲杠所受軸向載荷總和為34.3N，由于載荷較小，強(qiáng)度不成問(wèn)題，根據(jù)結(jié)構(gòu)要求，從標(biāo)準(zhǔn)系列中選取以下參數(shù):螺距:

t=2mm，

梯形螺紋

導(dǎo)程:

s=2mm

頭數(shù):

Z=1螺母高度與螺紋中徑之比:

φ=H/d2=1.5螺紋牙工作高度:

h=1mm2.4.1

絲杠耐磨性計(jì)算絲杠材料采用鋼，螺母材料選用青銅，根據(jù)[2]表3-8取許用比壓[P]=11N/mm2對(duì)于單頭標(biāo)準(zhǔn)梯形螺紋:式中，P—軸向載荷

N根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)系列，取絲杠公稱直徑：d=10mm2.4.2

絲杠穩(wěn)定性計(jì)算柔度:

λ=μl/i

式中：μ一長(zhǎng)度系數(shù)，這里取2

l

一絲杠最大工作長(zhǎng)度，取120mmi

一危險(xiǎn)截面慣性半徑，i=d1/4=2.25mm代入數(shù)據(jù)得:

λ=106.7絲杠臨界壓縮載荷:式中:

E一彈性模量,鋼取20.58×104

N/mm2I一慣性矩,

I=1/64πd14490.9mm4代入數(shù)據(jù)得:

Pc=17306.8N取絲杠穩(wěn)定安全系數(shù):

nw=4

則Pc/nw=17306.8/4=4326.7N故絲杠穩(wěn)定.2.4.3

絲杠剛度計(jì)算一個(gè)導(dǎo)程的變形量的最大值:式中:p一軸向載荷

34.3Ns一導(dǎo)程

2mmE一彈性模量

20.58×104N/mm2d1一絲杠小徑

9mmM一絲杠傳遞扭矩,由2.2.3知,M=T=0.078NmG一切變模量,

83.3×103N/mm2將數(shù)據(jù)代入得:1000mm變形量為:

δ1000=6.15×10-3/2=3.08um120mm變形量為:δ120=120δs/2=0.37um由變形量可知，絲杠變形較小，剛度足夠。2.4.4

絲杠和螺母螺紋牙強(qiáng)度計(jì)算螺母所受彎曲應(yīng)力式中:

b一齒根寬度b=0.65s=1.3mm，其它字母意義同前。青銅的許用彎曲應(yīng)力為:[σw]=49N/mm2，故σw<[σw].螺母螺紋所受剪切應(yīng)力:青銅的許用剪切應(yīng)力為[τ]=34.3N/mm2，故:τ<[τ]絲杠螺紋所受彎曲應(yīng)力鋼的許用彎曲應(yīng)力為[σ]w=72N/mm2,故σ<[σ]w絲杠的螺紋所受的剪切應(yīng)力鋼的許用剪切強(qiáng)度為[τ]=43N/mm2,,故τ<[τ]。以上校核表明，絲杠和螺母的螺紋牙強(qiáng)度足夠。2.4.5

螺紋副自鎖條件校核由[2]表3-10得，此螺紋副的當(dāng)量摩擦系數(shù)fv=0.1。當(dāng)量摩擦角為由式(2-6)知，螺旋升角為λ=3.8340<，故此螺紋副能自鎖。結(jié)論:絲杠螺母副公稱直徑d=10mm，導(dǎo)程p=2mm，剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性均合格，且能自鎖。2.5各輸出軸的設(shè)計(jì)各軸的材料均選用45號(hào)鋼，由【2]表8-2知軸的許用扭剪應(yīng)力[τ]=30MPa,由許用應(yīng)力確定的系數(shù)為C=120。2.5.1

機(jī)身輸出軸設(shè)計(jì)由2.2.1知，此軸傳遞扭矩T=20Nm，轉(zhuǎn)速ω=300/s，則傳遞功率為:P=T×w=20×（π/6）=10.5W=0.0105kWn=(w/360)×60=5r/min減速器的軸頸較大，故d的值可取大一些，這里取d=30mm;軸承部分φ=30mm，軸承選為單列角接觸球軸承，軸承型號(hào)為7206AC，其余根據(jù)結(jié)構(gòu)確定。由于載荷不大，軸承選的較大，強(qiáng)度足夠，這里不再詳算。2.5.2

大臂輸出軸設(shè)計(jì)由2.3知，此軸的設(shè)計(jì)功率為P=0.382W，轉(zhuǎn)速w=150/s,n=15×60/360=2.5r/min則：最小軸徑在兩臂連接處，有鍵槽，且承受一定彎矩，故取d=16mm，軸承部分軸徑選用φ17，其余按結(jié)構(gòu)確定。，其余按結(jié)構(gòu)確定。軸承選為單列角接觸球軸承，軸承型號(hào)為7203C,其余根據(jù)結(jié)構(gòu)確定。2.5.3

帶輪軸設(shè)計(jì):此軸傳遞的扭矩為此軸的轉(zhuǎn)速為w=300/s，則傳遞功率為:由于軸上有鍵槽，且承受一定彎矩，故取d=15mm，軸承處軸頸取為d=12mm。軸承選為單列角接觸球軸承，軸承型號(hào)為7301C.2.5.4

升降軸設(shè)計(jì)升降軸上螺母與絲杠配合，故需設(shè)計(jì)成空心軸，主要承受軸向拉力，取內(nèi)徑d=14mm，外徑D=18mm，用兩光杠與一直線軸承導(dǎo)向。絲杠采用一對(duì)面對(duì)面角接觸球軸承支撐，軸承型號(hào)為7201AC。光杠采用φ5鋼棒，與升降軸同一平面平行放置，示意圖如下:圖2-2升降軸導(dǎo)向示意圖由2.2.3知絲杠傳遞扭矩T=0.078N-m，則光杠所受圓周力則光杠所受徑向力為光杠撓度最大值式中:

1一光杠長(zhǎng)度

120mmE一彈性模量200GpaI一慣性矩

πd4/4將數(shù)據(jù)代入得:ymax=3.586um2.6殼體設(shè)計(jì)機(jī)身部分采用鑄鋁材料，方形結(jié)構(gòu)，臂厚5-6mm。大臂殼體采用鑄鋁，U形結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，強(qiáng)度大。底板厚度4mm,上壁厚4-5mm。側(cè)面采用透明塑料，厚度為3mm左右。小臂外殼體采用鑄鋁，U形結(jié)構(gòu)，底板厚度4mm,上壁及筋板厚4-5mm。側(cè)面用塑料，厚度3mm左右。圖2-3SCARA機(jī)器人小臂及腕部結(jié)構(gòu)圖圖2-4

SCARA機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)圖第三章

SCARA機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析3.1引言機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)涉及到機(jī)械手相對(duì)于固定參考系原點(diǎn)幾何關(guān)系的分析研究，特別是機(jī)械手臂末端執(zhí)行器位置和姿態(tài)與關(guān)節(jié)空間變量之間的關(guān)系。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)研究有兩類問(wèn)題:一類是構(gòu)型已知，要求計(jì)算機(jī)器人末端手爪的位置與姿態(tài)問(wèn)題，稱為正向運(yùn)動(dòng)學(xué);另一類是己知末端手爪的位置與姿態(tài)求機(jī)器人對(duì)應(yīng)該位姿的全部關(guān)節(jié)角，稱為逆運(yùn)動(dòng)學(xué)。顯然，正問(wèn)題是簡(jiǎn)單的，解是唯一的，但逆問(wèn)題的解是復(fù)雜的，而且具有多解性，這給問(wèn)題求解帶來(lái)困難，往往需要一些技巧與經(jīng)驗(yàn)。事實(shí)上，逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題更為重要，它是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和軌跡控制的基礎(chǔ)。機(jī)械手可用一個(gè)開(kāi)環(huán)關(guān)節(jié)鏈來(lái)建模，此鏈由數(shù)個(gè)剛體(桿件)串聯(lián)而成。開(kāi)鏈的一端固接在基座上，另一端是自由的。由于機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)是由各桿件運(yùn)動(dòng)形成的，采用D-H法來(lái)描述和表達(dá)機(jī)械手各桿件相對(duì)于固定參考系的空間幾何學(xué)關(guān)系，從而把運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題同齊次變換矩陣聯(lián)系起來(lái)。3.2SCARA機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析3.2.1SCARA機(jī)器人連桿坐標(biāo)系的建立SCARA機(jī)器人屬于平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人，對(duì)實(shí)際本體及其各連桿坐標(biāo)系的建立見(jiàn)圖。圖3-2

SCARA機(jī)器人D-H桿件坐標(biāo)系圖3-3SCARA機(jī)器人D-H桿件坐標(biāo)系實(shí)際上，為了建模中問(wèn)題的簡(jiǎn)化，我們往往按照?qǐng)D3-3所示進(jìn)行建模。在這里，不同之處主要在Z0和Z5。對(duì)于實(shí)際問(wèn)題Zo到Z1的變換矩陣和Z4到Z5的變換矩陣(工具坐標(biāo)變換)是常量，因此在數(shù)學(xué)建模時(shí)為了方便可以按照?qǐng)D4-3進(jìn)行建模，最后在分別左乘和右乘兩個(gè)常數(shù)矩陣。本文都是以圖3-3為基礎(chǔ)進(jìn)行建模。相應(yīng)的連桿參數(shù)列于表3-1。其中L1=340mm,L2=380mm,

表中θ1,θ2,d3,θ4為關(guān)節(jié)變量。采用Denavit-Hartenberg法為每個(gè)關(guān)節(jié)處的連桿坐標(biāo)系建立齊次變換矩陣，表示它與前一個(gè)連桿坐標(biāo)系的關(guān)系。設(shè)與機(jī)器人機(jī)座相固連的坐標(biāo)系O0X0Y0Z0為參考坐標(biāo)系，每個(gè)桿件固接一個(gè)動(dòng)坐標(biāo)系，根據(jù)表3-1各桿件間的關(guān)系，可以得到相應(yīng)的位姿變換矩陣(記為“n-1Tn”)，見(jiàn)公式(3-1)“n-1Tn”表示連桿n相對(duì)于前一連桿n-1的位置和姿態(tài)，其中，n=1~4.

（3-1）其中ci---表示cos(θi)

Si---表示sin(θi)表3-1D-H參數(shù)表#

關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角θ

連桿偏移d

連桿距離a

連桿扭角α

變量范圍1

θ1

0

l1

0

-150°≤θ1≤150°2

θ2

0

l2

π

-150°≤θ2≤150°3

0

d3

0

0

0<d3≤3003.2.2SCARA機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)只涉及到物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，不考慮產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的力和力矩。機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)所研究的內(nèi)容是:給定機(jī)器人各關(guān)節(jié)的角度，計(jì)算機(jī)器人末端執(zhí)行器相對(duì)于參考坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)問(wèn)題。各連桿變換矩陣相乘，可得到機(jī)器人末端執(zhí)行器的位姿方程(正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程)為;0T4=0T1(θ1)1T2(θ2)2T3(d3)3T4(θ4)=

（3-2）其中;工具坐標(biāo)系的z向矢量處于夾手指向物體的方向，稱之為接近矢量;工具坐標(biāo)系的y向矢量的方向從一個(gè)指尖指向另一個(gè)指尖，處于規(guī)定夾手方向上，稱為方向矢量;最后一個(gè)矢量叫法線矢量，它與矢量和矢量一起構(gòu)成一個(gè)右手矢量集合，由矢量的叉乘規(guī)定:

。公式(3-2)表示了SCARA機(jī)器人手臂變換矩陣0T4，它描述了末端連桿坐標(biāo)系{4}相對(duì)于基坐標(biāo)系{0}的位姿，是機(jī)械手運(yùn)動(dòng)分析的基礎(chǔ)。把式(3-1)中的值代入式(3-2)可得:nx=c1c2c4-s1s2s4+c1s2s4+s1c2s4=c12-4ny=s1c2c4+c1s2c4+s1s2s4-c1c2s4=s12-4nz=0ox=s1c2c4+c1s2c4+s1s2s4-c1c2s4=c12-4oy=-c1c2c4+s1s2s4-c1s2s4-s1c2s4=-c12-4oz=0ax=0ay=0az=-1px=c1c2l2-s1s2l2+c1l1=c12l2+c1l1py=s1c2l2+c1s2l2+s1l1=s12l2+s1l1pz=-d3

(3-3)式中：c12-4表示cos(θ1+θ2-θ4)

s12-4表示sin(θ1+θ2-θ4)

c12表示cos(θ1+θ2)

s12表示sin(θ1+θ2)最后得:

(3-4)通過(guò)建立各關(guān)節(jié)的連桿坐標(biāo)系，然后利用D-H法建立齊次變換矩陣，就可以直觀地進(jìn)行末端執(zhí)行器的位姿矩陣的求解,方便,易掌握、便于檢查。3.3

SCARA機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析給定機(jī)器人終端位姿，求各關(guān)節(jié)變量，以驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)上的電機(jī)，從而使手部的位姿符合要求，稱為求機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，也就是機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題。從工程應(yīng)用角度而言，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解問(wèn)題往往更有實(shí)際意義，它是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和軌跡控制的基礎(chǔ)。正向運(yùn)動(dòng)學(xué)的解是唯一的，然而運(yùn)動(dòng)學(xué)反問(wèn)題往往具有多重解，如果位于工作空間外也可能沒(méi)有解。另外，對(duì)于運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解而言，還要求計(jì)算方法的計(jì)算效率、

計(jì)算精度等較多要求，最理想的情況是得到封閉解。運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的方法有封閉解和數(shù)值解兩種。封閉解的具體步驟和最終公式，因機(jī)器人的具體構(gòu)形而異，但是，計(jì)算速度快，效率高，便于實(shí)時(shí)控制。數(shù)值解不具備這些特點(diǎn)，它是人們尋求位姿逆解的通解而得到的方法，由于計(jì)算量大，計(jì)算時(shí)間往往不能滿足實(shí)時(shí)控制的需要，在多重解的情況下，某些迭代算法不能保證求出所有解，而且非線性方程的數(shù)值解法本身還有待研究，因此這一方法目前只具有理論意義。封閉解法有代數(shù)解法和幾何解法。目前已建立的一種系統(tǒng)化的代數(shù)解法為:運(yùn)用左乘逆矩陣來(lái)求解腕的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，運(yùn)用臂終端位置來(lái)求臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，運(yùn)用臂腕分離法求整個(gè)機(jī)器人的逆解。常用的是Paul提出的反變換法(也稱代數(shù)方法)。機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為:0T4=0T1(θ1)1T2(θ2)2T3(d3)3T4(θ4)

（3-5）(1)求關(guān)節(jié)變量θ1分離變量，對(duì)方程兩邊同時(shí)左乘0T1-1(θ1),得

（3-6）即：

(3-7)令左右矩陣中的第一行第四個(gè)元素，第二行第四個(gè)元素分別相等。即

cosθ1px+sinθ1py-l1=cosθ2l2

(3-8)

-sinθ1

px+cosθ1py=sinθ2l2

(3-9)由以上兩式聯(lián)立可得:

（3-10）式中

(2)求關(guān)節(jié)變量θ2由公式(3-9)可得:

（3-11）式中(3)求關(guān)節(jié)變量d3令左右矩陣中的第三行第四個(gè)元素相等，可得:Pz=-d3

（3-12）(4)求關(guān)節(jié)變量θ4令左右矩陣中的第二行第一個(gè)元素相等，即: