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1、SCARA機器人裝配及結(jié)構(gòu)設(shè)計 摘要 Scara機器人是一種由三個自由度組成的平面關(guān)節(jié)型機器人，它的主要作用是可以完 成精密儀器和物體的搬運和移動。由于體積小，傳動原理簡單，被廣泛運用于電子電氣業(yè), 家用電器業(yè)，精密機械業(yè)等領(lǐng)域。整個系統(tǒng)由機器手，機器臂，關(guān)節(jié)，步進電機驅(qū)動系統(tǒng) 等組成。通過各自由度步進電機的驅(qū)動，完成機器手，機器臂的位置變化。具體設(shè)計內(nèi)容 為：同步齒形帶傳動設(shè)計，絲杠螺母設(shè)計，各輸出軸和殼體的設(shè)計,步進電機的選擇等。 在校核滿足其結(jié)構(gòu)強度的基礎(chǔ)上，我們對scara機器人的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。 本論文著重研究scara機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計和運動學(xué)分析。在論文開始首先介紹了機器

2、人的發(fā)展及其分類情況。在論文第二，三章具體敘述了 scara機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計和運動學(xué) 分析的詳細過程。在論文末尾還對scara機器人進一步改進措施和應(yīng)用展望進行了闡述。 關(guān)鍵詞：scara機器人，步進電機，結(jié)構(gòu)設(shè)計，機器臂 Structure Design of SCARA Assembly Manipulator Abstract A SCARA robot is a robot of plane and joint composed of three degrees of freedom. Its mostly function is used to complete transit

3、ion and motion 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 electric-ware industry and exact mechanism. The whole system is composed of manipulator hand, manipulator arm, joints

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

5、choice of stepper motors. On the base of checking its structure intensity, while it satisfied, we optimize designing of the structure of SCARA robots. This paper put its emphases on research of its structure designing and kinematics analysis. At the beginning of this paper, it introduces the develo

6、pment and sort of robots. In the second and third chapter, it introduces detailed detail among the processing of the structure designing of a SCARA robot and its kinematics analysis. At the last, this paper gives some measures about improving of SCARA robots, and gives a expectation about its future

7、. Key Words： SCARA robots, stepper motor, structure design, manipulator arm 摘要 i Abstract ii 第一章緒論 1 1.1 機器人的特點 1 1.2 機器人的構(gòu)成及分類 11.2.1機器人的構(gòu)成 11.2.2機器人的分類 3 1.3機器人的應(yīng)用與發(fā)展 4 1. 3. 1機器人的應(yīng)用 4 1.4 SCARA機器人的研究意義 6 1. 4. 1 SCARA機器人的研究意義 6 1.4.2 SCARA機器人的特點 7 1.5本文的研究內(nèi)容 8 第二章 SCARA機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 9 2. 1 SCA

8、RA機器人傳動方案的比較及確定 9 2.2各自由度步進電機的選擇 11 2.2.1第一自由度步進電機的選擇 12 2. 2.2第二自由度步進電機的選擇： 12 2. 2. 3第三自由度步進電機的選擇 13 2.3同步齒形帶傳動設(shè)計 14 2.4絲杠螺母設(shè)計 18 2. 4.1絲杠耐磨性計算 18 2.4.2絲杠穩(wěn)定性計算 19 2. 4. 3絲杠剛度計 算 19 2.4.4絲杠和螺母螺紋牙強度計算 20 2. 4. 5螺紋副自鎖條件校核 21 2.5 各輸出軸的設(shè)計 21 2. 5. 1機身輸出軸設(shè)計 21 2. 5. 2大臂輸出軸設(shè)計 22 2. 5.3帶輪軸設(shè)計： 22 2. 5

9、. 4升降軸設(shè)計 22 2. 6殼體設(shè)計 23 第三章 SCARA機器人運動學(xué)分析 25 3. 1引言 25 3. 2 SCARA機器人正運動學(xué)分析 25 3. 2. 1 SCARA機器人連桿坐標系的建立 25 3. 2. 2 SCARA機器人正運動學(xué)問題 27 3.3 SCARA機器人逆運動學(xué)分析 29 3.4本章小結(jié) 31第四章 總結(jié)與展望 32參考文獻 33致 謝 34 第一章緒論 1.1機器人的特點 機器人最顯著的特點有以下幾個： 1 .可編程。生產(chǎn)自動化的進一步發(fā)展是柔性自動化。機器人可隨其工作環(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

10、程中能發(fā)揮很好的功用, 是柔性制造系統(tǒng)（FMS）中的一個重要組成部分. 2 .擬人化。機器人在機械結(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、負載傳感器、視覺傳感器、聲覺傳感器、語言功能等.傳 感器提高了機器人對周圍環(huán)境的自適應(yīng)能力。 3 .通用性。除了專門設(shè)計的專用機器人外，一般機器人在執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)時具有 較好的通用性。比如，更換機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.機電一體化。機器人技術(shù)涉及的學(xué)科相當(dāng)廣泛，但是歸納起來是機械學(xué)和微電 子技

11、術(shù)的應(yīng)用，特別是計算機技術(shù)的應(yīng)用密切相關(guān)。 因此，機器人技術(shù)的發(fā)展必將帶動其它技術(shù)的發(fā)展，機器人技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用水平也 可以從一個方面驗證一個國家科學(xué)技術(shù)和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和水平. 4 .2機器人的構(gòu)成及分類1.2.1機器人的構(gòu)成 一個機器人系統(tǒng)，一般由操作機、驅(qū)動單元、控制裝置和為使機器人進行作業(yè)而要求 的外部設(shè)備組成。 1.操作機(乂稱執(zhí)行系統(tǒng)) 操作機是機器人完成作業(yè)的實體，它具有和人手臂相似的動作功能，是可在空間抓放 物體或進行其它操作的機械裝置。通常由下列部分構(gòu)成o (1)末端執(zhí)行器乂稱手部，是操作機直接執(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)機器人直接與工

12、業(yè)對象接觸以完成作業(yè)的機構(gòu)。 (2)手腕是支承和調(diào)整末端執(zhí)行器姿態(tài)的部件，主要用來確定和改變末端執(zhí)行器的方 位和擴大手臂的動作范圍，一般具有2-3個回轉(zhuǎn)自由度以調(diào)整末端執(zhí)行器的姿態(tài)。有些專 用機器人可以沒有手腕而直接將末端執(zhí)行器安裝在手臂的端部。 (3)手臂它由操作機的動力關(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，靠近機座的，通常叫大臂)，手臂與機座間用關(guān)節(jié)連接，因而擴大了末 端執(zhí)行器姿態(tài)的變化范圍和運動范

13、圍。 (4)機座有時稱為立柱，是工業(yè)機器人機構(gòu)中相對固定并承受響應(yīng)力的基礎(chǔ)部件。可 分固定式和移動式兩類，移動式機座下部安裝了移動機構(gòu)，它可以擴大機器人的活動范圍。 2.驅(qū)動單元 它是由驅(qū)動器、減速器、檢測元件等組成的組件，是用來為操作機各部件提供動力 和運動的裝置。驅(qū)動器是將電能或流體能等轉(zhuǎn)換成機械能的動力裝置，通常是電動機、 液壓或氣動裝置。驅(qū)動形式不同，傳動裝置也有所不同。 3 .控制裝置 它是由人對機器人的啟動、停機及示教進行操作的一種裝置，它指揮機器人按規(guī)定 的要求動作?？刂蒲b置包括檢測（如傳感器）和控制（如計算機）兩部分，可用來控制驅(qū)動 單元，檢測其運動參數(shù)是否符合規(guī)定要求

14、，并進行反饋控制。這就是閉環(huán)控制。如果沒有 反饋控制，就是較簡單的開環(huán)控制。 4 .人工智能系統(tǒng) 對于智能機器人，還應(yīng)有人工智能系統(tǒng)。它主要由兩部分組成，一部分為感覺系統(tǒng) （硬件），主要靠各類傳感器來實現(xiàn)其感覺功能。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、模式識別、大容量數(shù)據(jù)庫和規(guī)劃操作程序等功能。1.2.2機器人的分 類 目前世界各國對處于發(fā)展階段的機器人還沒有統(tǒng)一的分類標準，大致有以下幾種分類 方法。1.按使用范圍分類 （1）固定程序的專用機器人（機械手）通常根據(jù)主機的特定要求設(shè)計成固定程序（或 簡單的可變程序）。這種機器人（機械手）多為氣動或液動，用行程開關(guān)、機械

15、擋塊來控制 其工作位置。工作對象單一，動作較少，結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)簡單，價格低廉。 （2）可編程序的通用機器人工作程序可變，以適應(yīng)不同的工作對象，通用性強，適合 于以多品種、中小批量生產(chǎn)為特點的柔性制造系統(tǒng)中。 5 .按使用行業(yè)、部門和用途分類 （1）工業(yè)機器人它們乂可按作業(yè)類別分為鍛壓、焊接、表面噴涂、裝卸、裝配、 檢測等機 （2）采掘機器人如海洋探礦機器人等。 （3）軍事用途機器人 （4）服務(wù)機器人如醫(yī)療機器人，家用機器人，教學(xué)機器人等。3.按機械結(jié)構(gòu)、坐標 系特點分類 按機械結(jié)構(gòu)坐標系特點可分為直角坐標型;圓柱坐標型;球坐標型；多關(guān)節(jié)型。4.按機 器人運動控制方式分類 （1）點位

16、控制（PTP）機器人就是由點到點的控制方式，這種控制方式只能在目標點處 準確控制機器人末端執(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)機器人 中，很多是屬于點位控制方式的，如上下料搬運機器人、點焊機器人等。（2）連續(xù)軌跡 控制（CP）機器人機器人的各關(guān)節(jié)同時作受控運動，準確控制機器人末端執(zhí)行器按預(yù)定的 軌跡和速度運動，并能控制末端執(zhí)行器沿曲線軌跡上各點的姿態(tài)?；『?、噴漆和檢測機器 人等均屬連續(xù)軌跡控制方式。 5.按驅(qū)動方式分類 按驅(qū)動方式可分為液壓驅(qū)動式、氣動式、電力驅(qū)動式(這是目前用得最多的一類)6. 根據(jù)機器人的功能水平和技術(shù)的先進程度按“代”分類 (1)第一代機器人其特

17、點是采用開關(guān)量控制，示教再現(xiàn)控制或數(shù)字控制，其作業(yè)路 徑和運動參數(shù)需通過示教或編程給定。60年代以來，工業(yè)中實際應(yīng)用的絕大多數(shù)工業(yè)機器 人都屬于第一代機器人，它包括可編程序(用于上下料)的工業(yè)機器人具有記憶裝置的示 教再現(xiàn)型機器人，數(shù)控型搬運機器人等。 (2)第二代機器人是70年｛BANNED｝始出現(xiàn)的，其技術(shù)特點是采用計算機直接控制， 是通過具有視覺、觸覺的攝像機和傳感器，能“感覺”外界信息并通過計算機進行計算和 分析自動地控制操作機進行運動和操作，因此，其控制方式較第一代機器人要復(fù)雜得多， 目前這類機器人已開始在工業(yè)生產(chǎn)、排險救災(zāi)等場合應(yīng)用，并將進入普及階段。 (3)第三代機器人即智能

18、機器人。這是國內(nèi)外正在積極研究，開發(fā)的高級機器人，其 主要特點是具有人工智能。包括：模式識別能力、規(guī)劃決策能力、知識庫、專家系統(tǒng)、人 機交互能力等。這一類機器人目前正在研究開發(fā)之中。 1.3機器人的應(yīng)用與發(fā)展1.3.1機器人的應(yīng)用 在發(fā)達國家，機器人已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、國防、科技、生活等各個領(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)包括點焊和弧焊, 是機器人用得最多的作業(yè)之一。傳統(tǒng)的點焊機雖然可以減輕人的勞動強度，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

19、和焊槍位置不能隨零件的改變而變化，而 點焊機器人可通過重新編程來調(diào)整空間點位，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。弧焊作業(yè)由于其焊^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器人。 噴漆作業(yè)由于環(huán)境惡劣，國外大量使用了機器人，挪威生產(chǎn)的Trallfa機器人是目前 世界上用得最多的噴漆機器人，該機器人為關(guān)節(jié)式，6自由度，電液或全電動伺服驅(qū)動， 采用示教再現(xiàn)方式，既可實行點位控制，也可實行連續(xù)軌跡控制。 搬運物料的作業(yè)包括為機床上下料，為自動生產(chǎn)

20、線轉(zhuǎn)運工件，搬運機器人和數(shù)控機床 一起組成柔性加工系統(tǒng)，一條柔性生產(chǎn)線可配置幾臺至十幾臺搬運機器人，典型的搬運機 器人是T3和Funac機器人。 機器人用于裝配作業(yè)是隨著視覺系統(tǒng)的發(fā)展而發(fā)展起來的，電子工業(yè)用得最多，主要 用在電路板的裝配上，還有電動機、發(fā)動機部件、閥門等產(chǎn)品的裝配。PUMA機器人是一種 典型的裝配機器人，有6個自由度，關(guān)節(jié)式，直流伺服電機驅(qū)動，微機控制點位或連續(xù)軌 跡，用VAL語言示教編程，其手腕機構(gòu)具有順應(yīng)性，可克服裝配中的誤差。國外的航空 航天工業(yè)中應(yīng)用機器人也十分廣泛，如鉀接裝配作業(yè)就大量使用了機器人，此外如電氣插 頭的裝配，發(fā)動機風(fēng)扇外殼和高壓渦輪的焊接，飛機座艙蓋

21、和風(fēng)擋鉆孔作業(yè)，飛機機身和 垂直尾翼鉆孔，都采用了機器人。某些飛機機身、機艙的噴漆作業(yè)，發(fā)動機零部件等離子 噴涂也采用了機器人。在空間開發(fā)中，航天飛機上收放衛(wèi)星的機器人是加拿大Spar公司 生產(chǎn)的，美國NASA實施的火星測計劃，發(fā)射了兩個火星探測器海盜I和海盜H,它們也 是一種機器人，在火星上采集樣品，作各種實驗，并能將實驗結(jié)果發(fā)回地球。 在海洋開發(fā)方面，美國曾用Curv號有纜水下機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)的一種水下機器人，可在水下600米處作業(yè)，裝有電視攝像機， 可收集海底標本，切割石油管道和纜索等。 在放

22、射性環(huán)境中，如在核電站里，機器人可用來檢查、修復(fù)管道、閥門等，如日本東 芝公司研制的一種蛇形機器人，具有八個關(guān)節(jié)，可以在狹小的空間里操作，臂長達2. 25 米，臂頂端裝有電視攝像機。 在軍事方面，機器人已用于偵察、布雷、排除爆炸物、裝填彈藥等。在建筑中，己 有一種爬壁機器人可用來修理墻面，擦洗窗戶。此外還有摘果實、擠牛奶、剪羊毛、清理 垃圾、監(jiān)護病人的機器人等。 總之，機器人的應(yīng)用面相當(dāng)廣泛，機器人的工作特點是在計算機控制下離開人的干預(yù) 進行各項工作。用機器人代替人，可以使人擺脫高溫、有毒、粉塵、振動、放射性、強噪 音等惡劣環(huán)境，而去從事機器人的監(jiān)控、維護等工作，使工作性質(zhì)發(fā)生了變化，減輕

23、了勞 動強度，同時也改善了就業(yè)結(jié)構(gòu)。機器人工作抗干擾能力強，一心一意按所編程序工作， 動作精度、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)的自動化問 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，而機 器人是柔性系統(tǒng)中不可缺少的提高勞動生產(chǎn)率的關(guān)鍵設(shè)各。與人相比，機器人有一個最大 的特點: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 勞動生產(chǎn)率。機器人對于改善勞動條件、減少安全事故，減少人受危險環(huán)境的傷害等方 面都有顯著的效果。 感謝您的閱讀，祝您生活愉快。