SCARA機(jī)器人裝配及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1、 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(mǎn)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)分析工在論文開(kāi)始首先 介紹了機(jī)器人的發(fā)展及其分類(lèi)情況。在論

2、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 Structure Design of SCARA Assembly Manipulator Abstract A SCARA robot is a robot of plane and joint composed of three d egrees of freedom. Its mostly function is used to complete tran sition and m

3、otion of exact apparatuses and objects. Because of its small volume and simple drive principle, it is widely used in the field of electronic and electric industry, home-used ele ctric-ware industry and exact mechanism. The whole system is co mposed of manipulator hand, manipulator arm, joints and st

4、epper motor driving system. By stepper motor? s driving of each degre e of freedom, it completes location change of manipulator hand and manipulator arm. The idiographic designing content is desig ning of in-phase tooth-shape strap, designing of silk-bar nut, designing of shell and axis and the choi

5、ce of stepper motors. 0 n the base of checking its structure intensity, while it satisf ied, we optimize designing of the structure of SCARA robots. This paper put its emphases on research of its structure design ing and kinematics analysis. At the beginning of this paper, it introduces the developm

6、ent and sort of robots. In the second a nd third chapter, it introduces detailed detail among the proce ssing of the structure designing of a SCARA robot and its kinem atics analysis. At the last, this paper gives some measures abo ut improving of SCARA robots, and gives a expectation about its fut

7、ure. Key Words: SCARA robots, stepper motor, structure design, man ipulator arm 目 錄 摘要 i Abstract ii 第一章緒論 1 1.1 機(jī)器人的特點(diǎn) 1 1.2 機(jī)器人的構(gòu)成及分類(lèi) 1 1.3 . 1 機(jī)器人的構(gòu)成 1 1.2.2 機(jī)器人的分類(lèi) 3 1.4 機(jī)器人的應(yīng)用及發(fā)展 4 1.5 . 1 機(jī)器人的應(yīng)用 4 1.6 SCARA機(jī)器人的研究意義 6 1 . 4. 1 SCARA機(jī)器人的研究意義 6 2 .4.2 SCARA機(jī)器人的特點(diǎn) 7 1.7 本文的研究?jī)?nèi)容 8 第

8、二章 SCARA機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 2. 1 SCARA機(jī)器人傳動(dòng)方案的比較及確定 9 2.2 各自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇 11 2. 2. 1 第一自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇 12 2.2.2 第二自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇： 12 2.2.3 第三自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇 13 2. 3 同步齒形帶傳動(dòng)設(shè)計(jì) 14 1.1.1 絲杠螺母設(shè)計(jì) 18 1.1.2 4. 1 絲杠耐磨性計(jì)算 18 1.1.3 絲杠穩(wěn)定性計(jì)算 19 1.1.4 絲杠剛度計(jì)算 19 1.1.5 絲杠和螺母螺紋牙強(qiáng)度計(jì)算 20 1.1.6 螺紋副自鎖條件校核 21 2.5各輸出軸的設(shè)計(jì) 21 2. 5. 1 機(jī)身

9、輸出軸設(shè)計(jì) 21 2.5.2 大臂輸出軸設(shè)計(jì) 22 2.5.3 帶輪軸設(shè)計(jì)： 22 2.5.4 升降軸設(shè)計(jì) 22 2. 6殼體設(shè)計(jì) 23 第三章 SCARA機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 25 2.1 引言 25 2.2 SCARA機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 25 3. 2. 1 SCARA機(jī)器人連桿坐標(biāo)系的建立 25 3.2.2 SCARA機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題 27 3. 3 SCARA機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 29 3.4 本章小結(jié) 31 第四章 總結(jié)及展望 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)

10、化的進(jìn)一步發(fā)展是柔性自動(dòng)化。機(jī)潛人可隨其工作環(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(lèi)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(lèi)似人 類(lèi)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)傳感潛、聲覺(jué)傳感潛、語(yǔ)言功能等.傳感器提高了機(jī)港人對(duì)周?chē)h(huán)境 的自適應(yīng)能力。 3 .通用性。除了專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的專(zhuān)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

11、（手爪、工 10 / 42 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。 5 .2 機(jī)器人的構(gòu)成及分類(lèi) 6 .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(chēng)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

12、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。 （D末端執(zhí)行器又稱(chēng)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)器人直接及工業(yè)對(duì)象接觸以完成作業(yè)的機(jī) 構(gòu)。 ⑵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)行港的姿態(tài)。有些專(zhuān)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。 ⑶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

13、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）,手臂及機(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(chēng)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(lèi)，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)潛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)潛人的啟動(dòng)

14、、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(lèi)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(lèi) 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(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，大致有以 下幾種分

15、類(lèi)方法。 1 .按使用范圍分類(lèi) (1)固定程序的專(zhuān)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) 及系統(tǒng)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。 ⑵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(mén)和用途分類(lèi) (1)工業(yè)機(jī)器人它們又可按作業(yè)類(lèi)別分為鍛壓、焊接、表面噴涂、裝卸、 裝配、檢測(cè)等機(jī) ⑵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

16、，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(lèi) 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(lèi) ⑴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)行落的位置和姿態(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)落人、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)行潛按預(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)。弧焊、噴漆和檢測(cè)機(jī)器人等均屬連續(xù)軌跡控

17、制方式。 5.按驅(qū)動(dòng)方式分類(lèi) 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(lèi)) 6.根據(jù)機(jī)港人的功能水平和技術(shù)的先進(jìn)程度按“代”分類(lèi) (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)港人都屬于第一代機(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)港人等。 (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

18、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(lèi)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。 ⑶第三代機(jī)器人即智能機(jī)潛人。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(zhuān)家系統(tǒng)、人機(jī)交互能力等。這一類(lèi)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)用及發(fā)展 1.4 . 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(mén)應(yīng)用最多的當(dāng)推汽車(chē)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，

19、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(mǎn)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)潛人，挪威生產(chǎn)的Tral

20、lfa機(jī) 器人是目前世界上用得最多的噴漆機(jī)潛入，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)潛入是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(mén)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

21、，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，如鉀接裝配作業(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S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)港人是加拿大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

22、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(mén)等, 如口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(hù)。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。 總之，機(jī)器

23、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(mǎn)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

24、。及人相比，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。 1.5 SCARA機(jī)器人的研究意義 1. 4. 1 SCARA機(jī)器人的研究意義 目前.，國(guó)外已有各種專(zhuān)用和通用的裝配機(jī)器人在生產(chǎn)中得到應(yīng)用，主要類(lèi) 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(lèi)。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)港人中，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。199

25、1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 用電溶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)港人將會(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H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。

26、19 72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(zhuān)門(mén)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

27、 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 1.4.2 SCARA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)港人應(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(mǎn)足所要求功能的前

28、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(pán)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(mǎn)足強(qiáng) 度和剛度的條件下，零部件越輕越好，故

29、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(mǎn)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。 5 .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(lèi)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

30、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(mǎn)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)潛人。 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

31、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，

32、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

33、，不能自鎖。 3 .其它方面及方案一基本相同。 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(zhuān)門(mén)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

34、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??； 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??； 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)潛入驅(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)

35、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)換電路及微機(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，及 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)速性能方面可以及直流電機(jī)媲美。采用1 6位CPU+32位DSP三環(huán)（位置、速度

36、、電流）全數(shù)字控制，增量式碼盤(pán)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(lèi)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

37、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(lèi)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J

38、G1, 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+ ml 1 12+JG2+m2 122+ JG3 + m3132 (2 -1) 其中,ml, m2, m3分別為大臂，小臂，腕部的質(zhì)量為3kg, 0. 8kg, 4kg。1 1, 12, 13分別為各重心到第一關(guān)節(jié)處的距離，其值為150mm , 450mm, 55 0mm o 在式(2-1)中，JGlWml 1 12, JG2m2122, JG3 在式2 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： Jl= ml 1 12+ m2122+ m3132 =3X0. 1

39、52+0. 8X0. 452+4X0. 55 2 (2-2) =1. 44 kg. 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= m2 1 42+ m3 15 =0. 8-0. 12+4X0. 22 =0. 168kg. m2 (2-3) 式中：14 小臂重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離mmo 15 腕部重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離mmo 2. 2. 1 第一自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇 設(shè)大臂速度為o>l=300/s,使機(jī)器人大臂從30二0到3『300/s所需的時(shí) 間為:二0. 1s,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)

40、效率為：n=85% o則電 機(jī)所需輸出力矩為： T=(2XTl)/iX n2=20 N m (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. 68 kg cm 2. 2.2 第二自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇： 設(shè)小臂速度為3 2=150/s,角速度從0到3 2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 X w 2 = 0.22 N (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：n=85% o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：

41、1. 80 最大啟動(dòng)力矩：3. 33 kg cm 2. 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. 3No 絲杠基本參數(shù)選擇： 螺紋牙形：梯形螺紋，P=300 螺 距：P=2mm 公稱(chēng)直徑：d=10mm, 中 徑：d =9. 5mm 摩擦系數(shù)：f=0. 1 螺旋升角為: 入=arctgP/(n d2) =arctg2/(9. 5 n)=3. 834 0 (2-8) 當(dāng)量摩擦角為： (2-9) 螺紋阻力矩為： Tl=d2/2 Q tg(X + p )=9. 5/2 X34. 3Xtg(3. 8340+5. 91

42、10)=0. 031N m (2-10) 螺紋所受摩擦力矩為： T2=fc Q Dm/ 2 (2-11) 式中：fc——摩擦系數(shù)，取0. 1 Dm一一 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= 25 mm.帶入數(shù)據(jù)得： T2弋(0. 1X34. 3X25)/2=0. 047N m (2-12) 絲杠所受力矩為阻力矩及摩擦力矩之和，即： T= Tl + T2 =0. 031+0. 047=0. 078 N m (2-13) 安全系數(shù)取2,則電機(jī)所需最小轉(zhuǎn)矩為： T3=2 T=2X0. 078=0. 056 N m (2-1 4) 選

43、擇電機(jī)型號(hào)：KP56LMS2-1 步距角：1. 80 最大啟動(dòng)力矩：3. 33 kg cm 2. 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:0.22N m ,輸出轉(zhuǎn)速為：3=150/s,單級(jí)傳 動(dòng)效率為：11二85斬傳動(dòng)比為：10,取安全系數(shù)為k3,則同步帶傳遞功率為： P=k T w/n2 =3X0.22X(h/12)/0.852 =0. 24 w (2-15) 設(shè)傳動(dòng)比分配為:第一級(jí)傳動(dòng)il=5,第二級(jí)傳動(dòng)i2=2,帶輪依次為I、H、 HI、IV,則： IV輪轉(zhuǎn)速：n4=150/s=2. 5 r/min II、IH 輪轉(zhuǎn)速:n2=n3=i2X n4=2

44、 X 2. 5=5r/min I 輪轉(zhuǎn)速:nl=in4=10 X 2. 5=25r/min 設(shè)中心距： Ll=100mm, L2=250mm (1)求出設(shè)計(jì)功率Pd 由文獻(xiàn)［12］表9. 3T1查得載荷修正系數(shù)k0=l. 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. 3T1的附加修正系數(shù)均為零。則： Pd=kOP=l. 6X0. 24=0. 384 w ⑵選擇帶的節(jié)距 由Pd=0. 384W和nl=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二5. 08mm (見(jiàn)表 9. 。 (3)確定帶輪直徑和帶節(jié)線長(zhǎng) 由表9.

45、 3-1011］,帶輪I齒數(shù)最小可取10,考慮到制造和安裝等因素, 取 Zl=13o 則： Z2=ilZl=5Zl=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： il= Z2/ Zl=60/13=4. 6 i2= Z4/ Z3=40/17=2.4 i= ill2=10.8 由表9. 3-6可得I, H, III, N各帶輪的直徑: dl=21. 02mm, d2=97. 02mm d3=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m

46、m Lp 帶長(zhǎng) mm dl, 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): Lpl=406. 4mm 齒數(shù)80 代號(hào)16 Lp2=635 mm 齒數(shù)125 代號(hào)25 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. 080 mm Zb—— 帶齒數(shù)，這里Zbl=80, Zb2=125 Z2,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)

47、插法得X L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9.3T112］得 Ta=50. 17N 帶的單位長(zhǎng)度質(zhì)量查表9.3T111］得 m=0.022 kg/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O 結(jié)果整理如下：兩極同步帶類(lèi)型均為為XL型同步齒型帶Pb=5. 08 mm,帶 寬

48、bs=7. 9mm 一級(jí)同步齒型帶齒數(shù)：Zpl=80 代號(hào) 160 二級(jí)同步齒型帶齒數(shù)：ZP2=125 號(hào) 250 各帶輪齒數(shù)：Zl=13, Z2=60, 帶長(zhǎng) Lpl=402 mm 帶長(zhǎng) Lp2=646.71 mm 代 Z3=17, Z4=40 41 / 42 各帶輪節(jié)徑: dl=21.02 mm ,d2=97. 02 mm d3=27. 49 mm d4=64. 68 mm 傳動(dòng)中心距：LI= 103 mm L2=245 mm 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

49、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 螺母高度及螺紋中徑之比： 6二H/d2=1. 5 螺紋牙工作高度： h=lmm 2. 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］二 1 lN/mm2 對(duì)于單頭標(biāo)準(zhǔn)梯形螺紋： 式中，P一軸向載荷 N 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)系列，取絲杠公稱(chēng)直徑：d=10mm 2 . 4. 2 絲杠穩(wěn)定性計(jì)算 柔度：X = pl/i 式中：H 一長(zhǎng)度系數(shù)，這里取2 1 一絲杠最大工作長(zhǎng)度，取120 mm i 一危險(xiǎn)截面慣性半徑

50、，i=dl/4=2. 25 mm 代入數(shù)據(jù)得：入=106. 7 絲杠臨界壓縮載荷： 式中：E—彈性模量，鋼取20. 58X104 N/mm2 I 一慣性矩， 1=1/64 n dl4490. 9mm4 代入數(shù)據(jù)得： Pc=17306. 8 N 取絲杠穩(wěn)定安全系數(shù)：nw=4 則 Pc/ nw=17306. 8/4=4326. 7 N 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 34.3 N 5 一導(dǎo)程 2mm E 一彈性模量 20. 58 X 104 N/mm2 dl 一絲杠小徑 9 mm M 一絲杠傳遞扭矩,由2. 2.

51、 3知，M=T=0. 078 N m G 一切變模量，83. 3 X 103 N/mm2 將數(shù)據(jù)代入得： 1000mm變形量為： 6 1000=6. 15X10-3/2=3. 08um 120mm變形量為： 6 120=120 6 s/2= 0. 37 um 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：[。w]=49N/mm2,故o w <[ o w]. 螺母螺紋所受剪切應(yīng)力： 青銅的許用剪切應(yīng)力為[t ]=34. 3N/m

52、m2,故：t <[ t ] 絲杠螺紋所受彎曲應(yīng)力 鋼的許用彎曲應(yīng)力為[。]w=72 N/mm2,故。<[。]w 絲杠的螺紋所受的剪切應(yīng)力 鋼的許用剪切強(qiáng)度為[t ]=43 N/mm2,,故t <[ t ] o 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3T0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 入二 3.8340< 故此螺紋副能H鎖。 結(jié)論：絲杠螺母副公稱(chēng)直徑dEOmm,導(dǎo)程p=2mll1,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

53、［2］表8-2知軸的許用扭剪應(yīng)力［t］=30M Pa,由許用應(yīng)力確定的系數(shù)為0120。 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=20N m,轉(zhuǎn)速g)=300/s,則傳遞功率為： P= TXw=20X ( n/6) =10. 5W=0. 0105kW n= (w /360) X60=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6二 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

54、率為P=0. 382W,轉(zhuǎn)速w=150/s,n=15X60/360=2. 5 r/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4)17,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=12 mmo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) 升降軸上螺母及絲杠配合，故需設(shè)計(jì)成空心軸，主要

55、承受軸向拉力，取內(nèi) 徑d=14mm,外徑D=18mm,用兩光杠及一直線軸承導(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65鋼棒，及升 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 120mm E -彈性模量200Gpa 1. 一慣性矩 n d4/4 將數(shù)據(jù)代入得： ymax=3. 586um 2. 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5-6mmo大臂殼體采用鑄鋁，U 形結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，

56、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2-3 SCARA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 2.1 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)兒何關(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)及關(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(lèi)問(wèn)題：一類(lèi)是構(gòu)型已知，要求計(jì)算機(jī)器人末端手 爪的位置及姿態(tài)問(wèn)題，稱(chēng)為正向運(yùn)動(dòng)學(xué)；另一類(lèi)是己知末端手爪的位置及 姿態(tài)求機(jī)港人對(duì)

57、應(yīng)該位姿的全部關(guān)節(jié)角，稱(chēng)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，往往需要一些技巧及經(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)。 2.2 SCARA機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 3. 2. 1 SCARA機(jī)器人連桿坐標(biāo)系的建立

58、 SCARA機(jī)器人屬于平面關(guān)節(jié)型機(jī)潛人，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3-3 SCARA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Z。到Z1的變換矩陣和Z 4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=340 mm, L2= 380 mm , 表中。1, 0 2,d3, 0

59、4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，表示它及前一個(gè)連桿坐標(biāo)系的關(guān)系。設(shè)及機(jī)器人機(jī)座相固連的坐標(biāo)系 00X0Y0Z0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-lTn”），見(jiàn)公式（3 -1） “nTTn”表示連桿n相對(duì)于前一連桿n-l的位置和姿態(tài)，其中，n二l ~4. (3-1) 其中ci 表不cos ( 0 i) Si 表示 sin( 0 i) 表3-1 D-H參數(shù)表 # 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角0 a 變量范圍 1 0 1 0 2 0 2 0 連桿偏移d

60、 11 0 12 H 連桿距離a 連桿扭角 -150 W 0 1^150 d3 0 0 0

61、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(chēng)為方向矢量；最后一個(gè)矢量叫法線矢量，它及矢量和矢量 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=clc2c4-sis2s4+cls2s4+slc2s4=。12-4 ny=sic2c4+cls2c4+sIs2s4-clc2s4=sl2-4 nz=0 ox=sic2c4+ c1s2c4+s1s2 s4-c1

62、c2 s4=c12-4 oy=：-clc2c4+sls2s4-cls2s4-slc2s4:z-cl2-4 oz=0 ax=0 ay=0 az=-l px=clc212-sls212+clll=cl212+clll py=slc212+cls212+slll=sl212+slll pz二-d 3 (3-3) 式中：cl2-4 表不 cos (01+02-04) sl2-4 表不 sin ( 0 1+02-94) cl2 表示 cos (01+02) sl2 表示 sin( 0 1+02 ) 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

63、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(chēng)為求機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，也就是機(jī)潛入逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題。 從工程應(yīng)用角度而言，機(jī)潛人的運(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

64、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(mǎn)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 兒何解法。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(chēng)代數(shù)方法)。 機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為:0T4=0Tl(9

65、 1)1T2(0 2)2 T 3 (d3) 3T4 ( 0 4) (3-5) (1)求關(guān)節(jié)變量O 1 分離變量，對(duì)方程兩邊同時(shí)左乘1),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 cos 0 1 px+sin Q 1 py-ll=cos 0 2 1 2 (3 -8) - sin 0 1 px+ cos 0 1 py=sin 0 2 1 2 (3-9) 由以上兩式聯(lián)立可得： (3- 10) 式中 (2)求關(guān)節(jié)變量0 2 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

66、三行第四個(gè)元素相等，可得： Pz=-d 3 (3-12) (4)求關(guān)節(jié)變量0 4 令左右矩陣中的第二行第一個(gè)元素相等，即： -sin 0 1 nx+cos。1 ny=sin 0 2cos 0 4-cos。2sin 0 4 (3 -13) 由上式可得： 0 4= 0 2-arcsin(-sin 0 1 nx + cos。1 ny) (3-14) 到此為止，所有的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解都已求出，其中只進(jìn)行了一次簡(jiǎn)單的矩陣逆 的運(yùn)算，用得到的結(jié)果計(jì)算角度比對(duì)矩陣求逆或使用高斯消元法計(jì)算要快 地多，從而使計(jì)算過(guò)程大為簡(jiǎn)化。有利于編程實(shí)現(xiàn)。 由公式(3T0)可看出，該逆解有兩個(gè)解，其實(shí)，用代數(shù)法和幾何法進(jìn)行 位姿逆解時(shí)，關(guān)節(jié)角的解都是多解的。如用兒何法，這種多值可以方便的 由解圖直接判定。比如，大家普遍熟悉的PUMA機(jī)器人的反解有8種，分 為左手、右手、上臂、下臂以及上下翻腕，即2X2X2種組合方式。對(duì)于 平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人，為了便于控制一般分成左右手的情況，就如同人的左 右手在同一平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的結(jié)果如果在工作空間內(nèi)， 則最后的結(jié)果是唯一的。運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解