四自由度SCARA機器人的機械結(jié)構(gòu)設計【含CAD圖紙+文檔】

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畢業(yè)設計（論文）開題報告 設計（論文）題目 四自由度SCARA機器人的機械設計 學院名稱 專 業(yè) （班 級） 姓 名 學 號 指 導 教 師 系（教研室）負責人 一、選題的背景意義和主要內(nèi)容 1.選題的背景 SCARA機器人有3個旋轉(zhuǎn)關節(jié)，其軸線相互平行，在平面內(nèi)進行定位和定向。另一個關節(jié)是移動關節(jié)，用于完成末端件在垂直于平面的運動。手腕參考點的位置是由兩旋轉(zhuǎn)關節(jié)的角位移φ1和φ2，及移動關節(jié)的位移z決定的，即p=f(φ1,φ2,z)，如圖所示。這類機器人的結(jié)構(gòu)輕便、響應快，例如Adept1型SCARA機器人運動速度可達10m/s，比一般關節(jié)式機器人快數(shù)倍。它最適用于平面定位，垂直方向進行裝配的作業(yè)。 SCARA系統(tǒng)在x,y方向上具有順從性，而在Z軸方向具有良好的剛度，此特性特別適合于裝配工作，例如將一個圓頭針插入一個圓孔，故SCARA系統(tǒng)首先大量用于裝配印刷電路板和電子零部件；SCARA的另一個特點是其串接的兩桿結(jié)構(gòu)，類似人的手臂，可以伸進有限空間中作業(yè)然后收回，適合于搬動和取放物件，如集成電路板等。 如今SCARA機器人還廣泛應用于塑料工業(yè)、汽車工業(yè)、電子產(chǎn)品工業(yè)、藥品工業(yè)和食品工業(yè)等領域。它的主要職能是搬取零件和裝配工作。它的第一個軸和第二個軸具有轉(zhuǎn)動特性，第三和第四個軸可以根據(jù)工作的需要的不同，制造成相應多種不同的形態(tài)，并且一個具有轉(zhuǎn)動、另一個具有線性移動的特性。由于其具有特定的形狀，決定了其工作范圍類似于一個扇形區(qū)域。SCARA機器人可以被制造成各種大小，最常見的工作半徑在100毫米至1000毫米之間，此類的SCARA機器人的凈載重量在1千克至200千克之間。 2.意義 工業(yè)機器人的應用對于改變傳統(tǒng)生產(chǎn)模式 全面提升企業(yè)的綜合競爭力具有重大作 隨著我國加入WTO和經(jīng)濟全球化的發(fā)展市場競爭變得更加劇烈，迫切需要用我國制造業(yè)進行大規(guī)模的技術改造和設備更新,因而對工業(yè)機器人技術和自動化生產(chǎn)設備的需求也將不斷增加,但我國機器人產(chǎn)業(yè)步伐較慢工業(yè)機器人長期大量依賴進口。從國外引進的機器人自動化生產(chǎn)設備不僅價格昂貴，而且使用效果很不理想，由此嚴重制約了我國制造業(yè)的健康發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計 2004年以前已經(jīng)引進的自動化生產(chǎn)設備中有近一半處于不能正常運行的狀態(tài)其中問題較大的占 33% 根本不能使用的高達16%造成這種問題的主要原因包括國外自動化系統(tǒng)不適合國內(nèi)企業(yè)的工藝現(xiàn)狀，系統(tǒng)選型不合理、缺乏足夠的售前和售中技術支持，售后服務跟不上等；而機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)封閉是導致機器人價格昂貴售后服務不完善、機器人技術發(fā)展緩慢的根本原因，因此研究和設計自主知識產(chǎn)權的工業(yè)機器人具有非常重要的意義。 3、課題研究的主要內(nèi)容 四自由度SCARA機器人是由大臂、小臂、Z向直線運動和轉(zhuǎn)動組成的平面關節(jié)型機器人，具有結(jié)構(gòu)緊湊、精確、快速等優(yōu)點，廣泛應用于搬運、裝配等任務。本課題通過對不同實現(xiàn)方案進行比較（例如：在設計第三、四自由度時，使用滾珠絲杠＋滾珠花鍵軸，或者集成的滾珠絲杠滾珠花鍵軸），使用三維設計軟件，對SCARA機器人的典型結(jié)構(gòu)進行設計，并重點設計Z向直線運動和轉(zhuǎn)動機構(gòu)。 主要內(nèi)容： 1. 翻譯英文資料，了解SCARA機器人的發(fā)展狀況； 2. 學習SolidWorks（或Pro/E）、AutoCAD等機械設計和繪圖軟件； 3. 進行伺服電機、諧波減速器的選型； 4. 完成論文或設計說明書。 二、國內(nèi)外相關技術的發(fā)展狀況 1、國外工業(yè)機器人發(fā)展狀況 在國外，工業(yè)機器人技術日趨成熟，已經(jīng)成為一種標準設備被工業(yè)界廣泛應用。從而，相繼形成了一批具有影響力的、著名的工業(yè)機器人公司，它們包括：瑞典的ABB Robotics，日本的FANUC、Yaskawa，德國的KUKA Roboter，美國的Adept Technology、American Robot、Emerson Industrial Automation、S-T Robotics，這些公司已經(jīng)成為其所在地區(qū)的支柱性產(chǎn)業(yè)。國外專家預測，機器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車、計算機之后出現(xiàn)的一種新的大型高技術產(chǎn)業(yè)。據(jù)聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會（UNECE）和國際機器人聯(lián)合會（IFR）的統(tǒng)計，世界機器人市場前景看好，從20世紀下半葉起，世界機器人產(chǎn)業(yè)一直保持著穩(wěn)步增長的良好勢頭[1]。 　　在發(fā)達國家中，工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)線成套設備已成為自動化裝備的主流。國外汽車行業(yè)、電子電器行業(yè)、工程機械等行業(yè)已經(jīng)大量使用工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)線，以保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，同時避免了大量的工傷事故。像國際上著名公司ABB、Comau、KUKA、BOSCH、NDC、SWISSLOG、村田等都是機器人自動化生產(chǎn)線及物流與倉儲自動化設備的集成供應商。目前，日本、意大利、德國、歐盟、美國等國家產(chǎn)業(yè)工人人均擁有工業(yè)機器人數(shù)量位于世界前列，全球諸多國家近半個世紀的工業(yè)機器人的使用實踐表明，工業(yè)機器人的普及是實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，提高社會生產(chǎn)效率，推動企業(yè)和社會生產(chǎn)力發(fā)展的有效手段。 2、國內(nèi)工業(yè)機器人的發(fā)展 我國工業(yè)機器人起步于20世紀70年代，與發(fā)達國家相比起步稍晚。其發(fā)展過程大致可分為三個階段：70年代的萌芽期；80年代的開發(fā)期；90年代的實用化期。上世紀90年代末期，中國投資建立了9個機器人產(chǎn)業(yè)化基地和7個科研基地，包括沈陽自動化研究所的新松機器人公司、哈爾濱工業(yè)大學的博實自動化設備有限公司、北京機械工業(yè)自動化研究所機器人開發(fā)中心、海爾機器人公司等。我國工業(yè)機器人市場主要集中在航空航天、汽車、汽車零部件、摩托車、電器、工程機械、石油化工、電力等行業(yè)。 　　而今經(jīng)過幾十年的研制、生產(chǎn)和應用，中國機器人產(chǎn)業(yè)從無到有，由弱變強，實現(xiàn)了跨越式發(fā)展。目前我國已生產(chǎn)出部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出弧焊、點焊、碼垛、裝配、搬運、注塑、沖壓、噴漆等工業(yè)機器人。一批國產(chǎn)工業(yè)機器人已服務于國內(nèi)諸多企業(yè)的生產(chǎn)線上；一批機器人技術的研究人才也涌現(xiàn)出來。一些相關科研機構(gòu)和企業(yè)已掌握了工業(yè)機器人操作機的優(yōu)化設計制造技術；工業(yè)機器人控制、驅(qū)動系統(tǒng)的硬件設計技術；機器人軟件的設計和編程技術；運動學和軌跡規(guī)劃技術；弧焊、點焊及大型機器人自動生產(chǎn)線與周邊配套設備的開發(fā)和制備技術等。某些關鍵技術已達到或接近世界水平。 　　雖然中國的工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)在不斷的進步中，但和國際同行相比，差距依舊明顯。中國的工業(yè)機器人應用數(shù)量仍然偏少，且主要依賴從日本、瑞典、德國、意大利、美國進口。其中，日本約占64%，歐洲約占36%。制造商主要有FANUC、Yaskawa、ABB、COMAU、KUKA和Staubli等。從市場占有率來說，無法相提并論。工業(yè)機器人很多核心技術，當前我們尚未掌握，這是影響我國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要瓶頸。 3、國內(nèi)發(fā)展趨勢 　　中國工業(yè)機器人在“七五”、“九五”、“十五”期間研究取得了較大進展，我國在關鍵技術上有所突破，但還缺乏整體核心技術的突破，應用遍及各行各業(yè)，但進口機器人占了絕大多數(shù)?？茖W院機器人“十二五”規(guī)劃研究目標：開展高速、高精、智能化工業(yè)機器人技術的研究工作，建立并完善新型工業(yè)機器人智能化體系結(jié)構(gòu)；研究高速，高精度工業(yè)機器人控制方法并研制高性能工業(yè)機器人控制器，實現(xiàn)高速，高精度的作業(yè)；針對焊接，噴涂等作業(yè)任務，研究工業(yè)機器人的智能化作業(yè)技術，研制自動焊接工業(yè)機器人，自動噴涂工業(yè)機器人樣機，并在汽車制造行業(yè)，焊接行業(yè)開展應用示范。 　　國家下一步的發(fā)展思路，將發(fā)展以工業(yè)機器人為代表的智能制造，以高端裝備制造業(yè)重大產(chǎn)業(yè)長期發(fā)展工程為平臺和載體，系統(tǒng)推進智能技術、智能裝備和數(shù)字制造的協(xié)調(diào)發(fā)展，實現(xiàn)我國高端裝備制造的重大跨越。具體分兩步進行：第一步，2012～2020年，基本普及數(shù)控化，在若干領域?qū)崿F(xiàn)智能制造裝備產(chǎn)業(yè)化，為我國制造模式轉(zhuǎn)變奠定基礎；第二步，2021～2030年，全面實現(xiàn)數(shù)字化，在主要領域全面推行智能制造模式，基本形成高端制造業(yè)的國際競爭優(yōu)勢。 　　工業(yè)機器人市場競爭越來越激烈，中國制造業(yè)面臨著與國際接軌、參與國際分工的巨大挑戰(zhàn)，加快工業(yè)機器人的研究開發(fā)與生產(chǎn)是使我國從制造業(yè)大國走向制造業(yè)強國的重要手段和途徑。未來幾年，國內(nèi)機器人研究人員將重點研究工業(yè)機器人智能化體系結(jié)構(gòu)，高速高精度控制，智能化作業(yè)，形成新一代智能化工業(yè)機器人的核心關鍵技術體系，并在相關行業(yè)開展應用示范和推廣。 　?。?）工業(yè)機器人智能化體系結(jié)構(gòu)標準 　?。?）工業(yè)機器人新型控制器技術 　?。?）工業(yè)機器人智能化作業(yè)技術 　　（4）成線成套裝備技術 　?。?）系統(tǒng)可靠性技術 三、思路方案 本課題設計四自由度SCARA機器人，四自由度SCARA機器人是由大臂、小臂、Z向直線運動和轉(zhuǎn)動組成的平面關節(jié)型機器人，具有結(jié)構(gòu)緊湊、精確、快速等優(yōu)點。本課題通過對在設計第三、四自由度時，使用滾珠絲杠＋滾珠花鍵軸，或者集成的滾珠絲杠滾珠花鍵軸的比較，結(jié)合實驗室的機器臂參考，使用三維設計軟件，對SCARA機器人的典型結(jié)構(gòu)進行設計，并重點設計Z向直線運動和轉(zhuǎn)動機構(gòu)。根據(jù)機器人控制要求、工作原理及工作環(huán)境，確定機器人總體方案。在充分分SCARA機器人工作過程后，應把每個關節(jié)總分總考慮。完成整個課題所需做的工作大致如下： 1.翻譯英文資料，了解SCARA機器人的發(fā)展狀況； 2. 學習SolidWorks（或Pro/E）、AutoCAD等機械設計和繪圖軟件； 3. 進行伺服電機、諧波減速器的選型； 4. 設計SCARA機器人的整體機械結(jié)構(gòu)； 5. 在設計Z向直線運動和轉(zhuǎn)動機構(gòu)時，擬采用滾珠絲杠滾珠花鍵軸的方案。并對局部機械結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計； 6. 繪制SCARA機器人的三維圖、二維裝配圖和零件圖； 7. 對所完成的課題進行分析、歸納及綜合，撰寫畢設論文； 8. 提交電子版所有資料：翻譯資料、圖紙、程序、文檔和畢設論文。 畢業(yè)設計計劃流程圖 進行伺服電機、諧波減速器的選型 翻譯文獻 了解發(fā)展現(xiàn)狀 設計SCARA機器人的整體機械結(jié)構(gòu) 查閱課題相關資料 局部機械結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計 學習應用軟件硬件的基本技能 運用Pro/E（SolidWorks）進行三維建模與裝配 分析模擬整體性能 撰寫畢設論文 提交 主要參考： 1. 中國產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟信息網(wǎng)（http://www.cinic.org.cn） 2. 中國機器人網(wǎng)（www.Robotschina.com） 3. 王田苗.全力推進我國機器人技術[J].機器人技術與應用，2007（2）：17-23. 4. 付京遜．機器人學 控制·傳感技術·視覺·智能 [M]．北京：中國科學技術出版社．1989． 5. 許果，王峻峰，何嶺松．一種基于SCARA機器人機械結(jié)構(gòu)設計 [J]．機械工程師，2005，（4）：65－67． 6. 徐曉宇，毛燕，馬魏．基于PMAC的SCARA機器人及其控制系統(tǒng) [J]．機械工程師，2007，（12）：27–29． 7. 程?。甋CARA機器人的設計及運動、動力學的研究 [D]．合肥工業(yè)大學碩士論文，2008． 8. ?？得鳎赟CARA控制系統(tǒng)的運動控制 [D]．碩士學位論文，南京理工大學．2008． 9. 方?。甋CARA機器人運動控制器設計及應用研究 [D]．吉林大學碩士論文，2007． 指導教師評語：（建議填寫內(nèi)容：對學生提出的方案給出評語，明確是否同意開題，提出學生完成上述任務的建議、注意事項等） 指導教師簽名： 年 月 日