SCARA机器人的单自由度结构设计

1、摘要工业机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用。本文设计了一个工业用SCARA机器人。SCARA机器人很类似人的手臂的运动，它包含肩关节肘关节和腕关节来实现水平和垂直运动。它是一种工业机器人，具有三个自由度。其中，两个旋转自由度，另外一个是移动自由度。它能实现平面运动，具有柔顺性，全臂在垂直方向的刚度大，在水平方向的柔性大，广泛用于装配作业中。本文用模块化设计方法设计了SCARA机器人的机械结构。采用SolidWorks和AutoCAD完成了机器人本体的三维模型和二维图设计。

2、关键字： SCARA；机器人；自由度AbstractThe industrial robot is a most typical mechatronic digital equipment，high value-added technology，a wide range of applications，support for advanced manufacturing technology and information society，new industries，and social development of future production will play a more an

3、d more important role.In this paper，the design of SCARA robot with an industry. The SCARA robot is very similar to human arm movement，which includes the shoulder elbow and wrist joints to achieve horizontal and vertical movement. It is a kind of industrial robots，has three degrees of freedom. Among

4、them，two rotational degrees of freedom，the other is a translational degrees of freedom. It can achieve planar motion，with the flexibility，the whole arm in the vertical stiffness，in a horizontal direction of large flexibility，widely used in assembly operations.In this paper，using modular design metho

5、d to design the mechanical structure of robot SCARA. Using SolidWorks and AutoCAD to complete the 3D model and 2D drawing design of the robot body.Keywords： SCARA； robot； degree of freedom目录摘要IAbstractII目录III第一章绪论11.1引言11.2 国内外机器人领域研究现状及发展趋势11.3 SCARA机器人简介21.4项目的主要研究内容41.4.1项目研究的主要内容、技术方案及其意义41.4.2拟

6、解决的关键问题4第二章SCARA机器人的机械结构设计62.1 SCARA机器人的总体设计62.2 SCARA机器人的总体设计72.2.1机器人本体的设计原则72.2.2机器人本体的模块化设计72.2.3三维CAD技术与机器人本体建模82.3 SCARA机器人驱动方案92.3.1机器人的驱动方式92.3.2控制电机的类型、特点92.4 升降关节设计102.5 同步带选型设计与计算122.6 滚珠丝杠选型设计与计算152.7本章小结18第三章 升降关节总体结构分析203.1滚珠丝杠部分203.2线性滑轨部分223.3电感应式接近开关23第四章 SCARA机器人控制系统简述254.1机器人控制系统的

7、特点和要求254.2机器人控制的分类264.3硬件系统设计原则274.4运动控制系统的硬件部分284.4.1步进电机控制方案284.4.2电机驱动器的选型28总结30参考文献31致谢33第一章绪论1.1引言机器人技术是一种高新技术综合了计算机，控制理论，机制，技术，人工智能信息和传感器，多个学科和仿生学的形成。其实质是全面感知，决策，行动和互动四技术，是当代研究十分活跃，广泛应用于。机器人的应用水平是一个国家工业自动化水平的重要标志。工业机器人不仅具有机器操作（机械本体），控制器，伺服驱动系统和检测传感装置，是一种仿人操作，自动控制，可重复编程，可以完成自动生产设备对三维空间的各种操作。机器人

8、的应用主要集中在汽车行业，占现有机器人2.89%会计。二是家电制造业，约占16.4%，而化学工业占11.7%。此外，在食品，医药工业机器人，家用电器的应用，航空航天、金属加工等。随着工业机器人的迅速发展，其应用领域开始扩大从制造业向非制造业，在原有的制造业的同时也在不断深入，大，薄，软，ISO，窄，厚硬加工领域深化，扩大。和家具的木材，农业，建筑，桥梁的一个新领域的应用，医疗卫生，教育和家庭科学研究，办公室和一些限制领域的非制造业。在一般情况下，机器人系统可以分为以下四个部分：l）机械本体、执行机构：包括机身，动力机制，运行机制，框架，机械连接的内部支撑结构。2）动态部分：包括电源，电机及其驱

9、动电路。3）检测传感装置：包括传感器及相应的信号检测电路。4）控制及信息处理装置：由机器人控制系统的硬件，软件。1.2 国内外机器人领域研究现状及发展趋势 （1）工业机器人性能不断提高（高速度，高精度，高可靠性，操作和维修方便），和单一的价格不断下降，从2005的103000美元到50000美元的91年平均单位价格。（2）机械结构向模块化，可重构的发展。例如，伺服电机，减速器，检测系统的关节模块中的三个关节模块，集成连接模块；利用工程机器人重组形式；国外有一个模块化的装配机器人产品问市。（3）工业机器人控制系统在基于CP机，开放式控制系统方向发展，易于标准化，网络设备的集成度提高，控制柜变得更

10、加紧凑，采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性，可操作性和可维护性。（4）传感器在机器人成为越来越重要的作用，除了使用的位置，速度，加速度传感器的传统，装配，焊接机器人也用于视觉，触觉传感器，同时使用视觉，听觉的远程控制机器人，融合技术力量，环境建模和决策控制的触觉和其他多传感器；多传感器融合技术已在生产系统中的一个成熟的应用配置。（5）虚拟现实技术在机器人的角色也从仿真，开发预览的过程控制，如在远程工作环境的感觉产生的远程控制机器人操作机器人。（6）的远程控制机器人的现代系统发展的特点是不充分的自主控制系统人机交互的追求，而是致力于操作者和机器人，即远程监控远程操作系统和地方自治制度形成一个

11、完整的，使机器人走出实验室进入实用阶段。最著名的例子是美国旅居者”机器人在火星”是成功应用的发射系统。（7）机器人化机械开始兴起。自1994以来，美国开发的“虚拟轴机床，“这一新装置已成为国际研究的热点，研究探讨其应用领域。1.3 SCARA机器人简介SCARA机器人很类似人的手臂的运动，包括肩，肘关节和腕关节来实现水平和垂直运动，在平面上的定位和方向，是一种固定式工业机器人。它具有三个自由度，其中，两个旋转自由度，自由流动。2个旋转关节，彼此平行的轴线，这种机器人的结构重量轻，响应速度快，比机器人一般的快倍。它能实现平面运动，全臂在垂直方向的刚度，在水平方向上是柔性的，具有灵活性。图1-1S

12、CARA机器人图1-2 SCARA机器人装配线图1-3 SCARA机器人最适合平面SCARA机器人定位，组件被广泛应用在垂直方向。广泛用于需要高效的组件，应用焊接，密封运输和许多其他的应用领域，具有高刚性，高精度，高速度，安装空间小，工作空间大等优点。由于零件少，所以工作更可靠，减少维修。有安装在地面和架空安装两种安装方式，在不同的空间，安装方便。他们可以直接用于焊接机器人的组成，点胶机器人，光学检测机器人，搬运机器人，插件机器人，效率高，占地小，基本免维护。1.4项目的主要研究内容1.4.1项目研究的主要内容、技术方案及其意义本课题是设计一个SCARA教学机器人。作为一个工业机器人scara

13、有许多成熟的产品，但大多由伺服电机驱动，采用RV减速器的传动系统，价格是由这些组件是昂贵的，不适合用于教学目的。而教学机器人的相对运动精度的要求比低精度要求的机器人工业应用，速度和稳定性的要求也不高，它的基本元素，只有机器人，精度可以达到一定的。事实上，由步进电机开环系统具有很高的精度，可以满足教学目的，与闭回路的构成比，伺服电机的成本低得多的半闭环控制系统。谐波传动技术是一种精度高，传动平稳，很成熟。因此，成本较低的教学机器人的自主开发是很有意义的。这种机器人的开发，拟采用步进电机作为动力装置，使用谐波减速器作为传动链的主要部分，辅以同步齿形带和滚珠丝杠等零件组成的机器人的机械本体。项目研究

14、的总体步骤是：选出最优传动方案关键零部件选型机械系统三维建模零部件工程图和总装图。1.4.2拟解决的关键问题(1)抗倾覆力矩问题的解决。SCARA机器人的大臂和小臂重量大，悬伸也大，造成很大的倾覆力矩，影响机器人的性能，通过合理的机械结构设计来加以解决。设计要求：(2)尽最减小机器人臂部运动部分的质最，以减对回转轴的转动惯最，提高机器人的运动速度。(3)机器人手臂设计要力求结构紧凑、重最轻同时也采用一定形式的缓冲措施，以减小由于臂部运动速度高，惯性力引起的定位前的冲击大，造成运动不平稳、定位精度低的缺陷。第二章SCARA机器人的机械结构设计SCARA机器人主要由机器人，控制器和传感器的检测装置

15、是由三部分组成，其中机器人本体，包括机体和机械传动系统。图2.1是一个SCARA机器人结构图。控制器是机器人的大脑，负责人机交互，实现轨迹规划，运动控制和状态监测控制等功能。机械传动系统的运动控制命令的控制器的控制下，驱动机器人的机械本体，每一个关节，升降臂，小臂和末端执行器的运动，来实现规定的动作。传感装置被安装在机体是机器人的神经单元，它可以移动的实时检测，每个关节的旋转量和位置信息，而信息反馈到控制器，控制器的机器人以实现精确控制，安全。图2.1 SCARA机器人的结构简图机器人本体是SCARA机器人的重要组成部分，它是机器人任务的执行机构，对机器人运动的所有功能。直接影响和SCARA机

16、器人的性能功能的机器人机构设计的合理性和可靠性。本章将基于机器人本体的模块化设计思想，控制分析，并对SCARA机器人本体设计，并实现，同时设计了传感器的检测装置。2.1 SCARA机器人的总体设计SCARA机器人的相互平行的两个轴旋转接头，以实现灵活的定位平面。同时，SCARA机器人也应该是一个移动关节，为了在垂直于运动平面的方向和定位的实现。所以我们设计的SCARA机器人具有3个自由度包括2个旋转关节和移动关节1。机器人的身体控制图的基本结构如图2.2所示。SCARA机器人是由机架，底座，升降臂和升降关节，大臂和大臂，小臂和小臂关节和末端和末端执行器接头和由几部分组成的关节驱动装置。升降接头

17、用来驱动升降臂的运动和机器人本体的升降运动的平面垂直的方向上，完成。相互平行，大臂和小臂关节轴，分别用于驱动的大、小臂各关节轴，从而实现末端执行器的平面定位。在工件的一端可以完成或在旋转器接头的平面末端定位。2.2 SCARA机器人的总体设计2.2.1机器人本体的设计原则作为一种SCARA机器人的机电一体化系统。跟随机器人本体的机电一体化系统设计机械系统设计的一般原则。因此，为了保证传动精度和工作稳定性的力学系统，在机器人本体的设计，应做到以下几个方面。1减少或消除传动间隙。如消除变形引起的间隙的预紧方法的使用或穿弹性螺母驱动。2提高刚度。应选择刚性更好的材料，并合理选择手臂截面形状和轮廓尺寸

18、。3提高抗振动。提高静刚度，阻尼，固有频率增加的改进措施可以提高抗振系统。4减少摩擦。使用传输部件的摩擦阻力小，导向轴承零件，如滚珠丝杠，动压导轨支撑等。5缩小体积紧凑。如高强度轻质复合材料的使用。与机器一般的机电一体化系统相比，有其独特的SCARA机器人的机械结构。打开联动SCARA机器人的身体可以简化为连杆通过铰链连接，头部和尾部的无约束和支持，所以结构的刚度不高，受惯性影响的整体动态性能的影响。所以我们选用轻质高强度铝合金在致动器臂和端尺寸制造的主要材料，为了减轻重量，降低惯性，从而提高机器人的车身动态性能。2.2.2机器人本体的模块化设计随着机器人应用领域的不断扩大，机器人产品也向多品

19、种，小批量，低成本等方向发展，这提出了新的要求，对机器人本体的设计和生产。机器人本体的设计应标准化，模块化，从而缩短开发和生产周期，降低生产成本。模块化设计可以有效地提高设计的可重用性，增加系统的可靠性，并根据客户的需要系统的合理配置，以满足市场的不同需求。大臂与身体关节SCARA机器人小臂来实现旋转接头，位于同一平面，和大臂和小臂也有类似的功能，因此，我们将采用模块化的设计思想，大臂，小臂，大臂和小臂接头和相同的模块结构的驱动装置的设计。2.2.3三维CAD技术与机器人本体建模CAD（计算机辅助设计）技术的应用与发展对现代制造业的重要影响。它利用计算机技术作为一种工具，帮助工程设计人员进行产

20、品设计，从而使设计人员从繁琐，费时，效率低，传统的手工绘制的图形的精度低，降低设计人员的劳动强度，大大提高了设计效率，缩短产品的设计周期和制造周期，提高产品整体质量，因此被广泛地应用于机械，电子，汽车，飞机，船舶，建筑等行业，已成为现代工程设计领域的一项关键技术。二维CAD的主要功能是计算机辅助绘图，使用二维CAD绘图技术的工程图纸不能完全表达设计师的设计思想，零件材料，颜色，形状的表达，硬度和其他信息，而不是二维CAD技术的实现。在许多情况下，二维图纸是不完整的，只能表达信息，而不是直接的，它带来了画画的困难。因此，应运而生的三维CAD技术。三三维CAD技术来满足人们的设计思维习惯，它可以直

21、观，零件信息的完整表达，有效地提高产品的设计效率，还可完成装配干涉分析，空间运动分析，质量属性分析，有限元分析，自动生成二维工程图，等处理分析，很快得到推广和应用。三维CAD已成为产品设计的一个重要技术。目前，三维CAD领域有三个主流系统；PTC公司的Pro/Engineer，EDS的UG和达索SolidWorks。SolidWorks是基于特征的三维CAD专业软件，具有功能强大的三维造型设计，自由曲面设计，二维图纸，文档数据的管理生产，计算机辅助制造，仿真和分析。三维建模是机器人机构设计的一个重要组成部分。利用Solidworks三维CAD软件可以快速的机器人本体的SCARA机械零件的设计和

22、装配，建立三维模型。同时，也可以根据需要进行装配干涉，对机器人本体的分析和模拟空间运动，质量属性，动态性能。因此，设计的机械系统，我们使用solidworks2011 SCARA机器人，并利用SolidWorks和AutoCAD二维工程图设计。2.3 SCARA机器人驱动方案2.3.1机器人的驱动方式常用的机器人驱动方式主要有液压驱动气压驱动和电力驱动三种。1液压传动。以液体为工作介质的液压驱动，通过将电能转换为液压能转变为流动的油压电磁阀，使液压驱动机构的运动。液压驱动输出功率大，精度高，速度快，运行稳定，但需要独立的液压源，和液体易泄漏，设备难以小型化，因此不能满足机器人的驱动装置体积小，

23、重量轻，要求。2气压传动。工作原理和液压传动一样，压力由压缩空气驱动作为工作介质，具有工作速度高，成本低，无泄漏污染，但功率小，动作不够稳定，不易小型化，难以实现精确控制。和机器人需要加工精度高，驱动功率较大，所以压力驱动为机器人的驱动方式也有一定的局限性。液压传动和气压传动用于工业机器人Unimate机器人早，最早是由液压驱动的工作模式。3电气传动。它是将电能转化为电磁力，电磁力驱动执行机构运动的。电力驱动，控制精度高，响应速度快，操作简单方便，无污染，这些特征更好地满足机器人的设计要求。因此，电力驱动成为机器人的主要驱动方式，所述控制电机是最常见的执行器。2.3.2控制电机的类型、特点为了减小机器人的体积，降低了驱动装置的重量，同时满足控制精度的要求，我们选择电驱动机器人的驱动方式，并选取控制电机作为驱动装置。控制电机可分为步进电机，直流伺服电机和交流伺服电动机三。他们有不同的特点。1，步进电机。也被称为电脉冲电动机，它是电脉冲信号转换成转子的机械角位移的执行元件，角位移的大小和速度分别与电脉冲数的输入频率成正比。步进电机没有积累误差，长期定位准确，不易失步，具有成本低，结构简单，控制性能好，机电一体化系统，因此它被广泛地应用在开环结构。2，直流伺服电机。整流器的直流伺服电动机的电刷和换向器由磁场产生的，磁动势和电枢磁动势正交，从而产生转