機(jī)械手畢業(yè)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(lèi)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
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 transition 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 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 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 development 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.
Key Words: SCARA robots, stepper motor, structure design, manipulator 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
1.2.1 機(jī)器人的構(gòu)成 1
1.2.2 機(jī)器人的分類(lèi) 3
1.3 機(jī)器人的應(yīng)用與發(fā)展 4
1.3.1 機(jī)器人的應(yīng)用 4
1.4 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
1.4.2 SCARA機(jī)器人的特點(diǎn) 7
1.5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) 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
2.4 絲杠螺母設(shè)計(jì) 18
2.4.1 絲杠耐磨性計(jì)算 18
2.4.2 絲杠穩(wěn)定性計(jì)算 19
2.4.3 絲杠剛度計(jì)算 19
2.4.4 絲杠和螺母螺紋牙強(qiáng)度計(jì)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(jì) 21
2.5.1 機(jī)身輸出軸設(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
3.1 引言 25
3.2 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)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(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?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 (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(lèi)
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(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(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(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。
(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(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)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。控制裝置包括檢測(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)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(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)
(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(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)
(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)。弧焊、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(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)器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)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(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。
(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(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(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，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。弧焊作業(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(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，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(mén)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。
總之，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。
1.4 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)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)。可以說(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(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)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(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(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(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(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+ m1 1 12+JG2+m2 122+ 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 。1 1, 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≤m1 1 12，JG2<
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