吸盤(pán)式Scara機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

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1、 吸盤(pán)式Scara機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 ———————————————————————————————— 作者： ———————————————————————————————— 日期： 2 個(gè)人收集整理 勿做商業(yè)用途

2、目 錄 摘 要 I ABSTRCT II 1 緒論 1 1.1 課題背景 1 1。2 機(jī)器人的定義及特點(diǎn) 1 1。2.1 機(jī)器人的定義 1 1。2.2 機(jī)器人的特點(diǎn) 2 1。3 機(jī)器人的構(gòu)成及分類(lèi) 3 1。3.1 機(jī)器人的構(gòu)成 3 1。3。2 機(jī)器人的分類(lèi) 4 1.4 機(jī)器人的應(yīng)用與發(fā)展 5 1。4。1 機(jī)器人的應(yīng)用 5 1.4.2 機(jī)器人的發(fā)展 7 1.5 本文的研究?jī)?nèi)容 9 2 SCARA機(jī)器人的研究意義和原理設(shè)計(jì) 10 2.1 SCARA機(jī)器人的研究意義 10 2。2 SCARA機(jī)器人的特點(diǎn) 10 2.

3、3 SCARA機(jī)器人傳動(dòng)方案的確定 11 34 3 吸盤(pán)式SCARA機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 15 3.1 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方案的對(duì)比分析及選擇 15 3。2 各自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇 16 3.2。1 第一自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇 17 3.2。2 第二自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇 17 3.2。3 第三自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇 18 3.2。4 第四自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇 19 4 吸盤(pán)式SCARA機(jī)械臂集成模塊化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 20 4。1 同步齒形帶傳動(dòng)設(shè)計(jì) 20 4。1.1 求出設(shè)計(jì)功率Pd 20 4.1 2 選擇帶的節(jié)距 20 4.1 3 確定帶輪直徑和帶節(jié)線長(zhǎng) 20

4、 4。2 絲杠螺母設(shè)計(jì) 23 4。2.1 絲杠耐磨性計(jì)算 23 4。2.2 絲杠穩(wěn)定性計(jì)算 23 4.2.3 絲杠剛度計(jì)算 24 4.2。4 絲杠和螺母螺紋牙強(qiáng)度計(jì)算 24 4。2.5 螺紋副自鎖條件校核 25 4.3 各輸出軸的設(shè)計(jì) 25 4。3.1 機(jī)身輸出軸設(shè)計(jì) 25 4。3.2 大臂輸出軸設(shè)計(jì) 26 4.3。3 帶輪軸設(shè)計(jì) 26 4.3.4 升降軸設(shè)計(jì) 26 4.4 殼體設(shè)計(jì) 27 結(jié) 論 30 致 謝 31 參考文獻(xiàn) 32 吸盤(pán)式Scara機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘 要 在裝配機(jī)器人中,平面關(guān)節(jié)型裝配機(jī)

5、器人(即SCARA型)是應(yīng)用最廣泛的一種裝配機(jī)器人。本文設(shè)計(jì)的SCARA機(jī)器人既可以用于實(shí)際生產(chǎn)，又可以用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)和科學(xué)研究。用于實(shí)際生產(chǎn),它能夠滿足裝配作業(yè)內(nèi)容改變頻繁的要求，用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)，它能夠使人更直觀地了解機(jī)器人機(jī)構(gòu)組成、動(dòng)作原理等，所以開(kāi)發(fā)SCARA機(jī)器人具有廣泛的實(shí)際和應(yīng)用前景,本課題的研究工作正是在這樣的背景下提出來(lái)的。 本文設(shè)計(jì)的SCARA機(jī)器人具有下列特點(diǎn):通用性好、重復(fù)定位精度高、體積小、重量輕、外形美觀、適于觀察、成本低，對(duì)其本體的可行方案進(jìn)行了充分的論證后,設(shè)計(jì)成具有四自由度的結(jié)構(gòu)，由機(jī)身、大臂、小臂及手腕組成，諧波減速器、同步齒型帶、絲杠螺母等組成了SCARA機(jī)器

6、人簡(jiǎn)單可靠的傳動(dòng)方案,該 機(jī)器人的四個(gè)關(guān)節(jié)均選用混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 關(guān)鍵詞 SCARA機(jī)器人 / 機(jī)械臂 / 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) THE RESEARCH ABOUT STRUCTURE ABSTRCT Among assembly robots， plane articulated assembly robot（ SCARA manipulator）is used most widely. The presented SCARA manipulator in this paper can be used not only in practical pr

7、oducing where it can meet the needs of frequently changed assembly task, but also in teaching experiment and scientific researching where it can make person understand both the mechanical components and the principle of motion more directly。 So the development oft he SCARA manipulator has important

8、practical meanings and application perspective。 This is just the background of this project。文檔為個(gè)人收集整理,來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)本文為互聯(lián)網(wǎng)收集，請(qǐng)勿用作商業(yè)用途 The presented SCARA manipulator in this paper has following characters: good universality， high accuracy of repeating location， small volume， light weight， beautiful appearan

9、ce, convenient observation， low cost, so the structure of robot is fully considered which has four freedoms and comprises base， big arm， small arm and wrist。 The simply reliable transmission scheme of SCARA manipulator is composed of harmonic deceleration and synchronically toothed belt and feed scr

10、ew; the four joints are all driven by stepping motors。文檔為個(gè)人收集整理，來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途 KEY WORDS SCARA manipulate， Machinery arm, Structural Design 1 緒論 1。1 課題背景 機(jī)器人自誕生之日起 ，便顯示出其強(qiáng)大的生命力,機(jī)器人首先在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用,并給傳統(tǒng)工業(yè)帶來(lái)了質(zhì)的飛躍。它不僅提高了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的自動(dòng)化程度，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率而且還推動(dòng)了以資源消耗低環(huán)境污染少為特征的新型工業(yè)的誕生隨著人類(lèi)在機(jī)械工程、電氣工

11、程、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制論、傳感技術(shù)、信息學(xué)、聲學(xué)、仿生學(xué)、及人工智能等學(xué)科領(lǐng)域的飛速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用也正在向農(nóng)業(yè)、林業(yè)、畜牧、養(yǎng)殖、海洋開(kāi)發(fā)、宇宙探索、國(guó)防建設(shè)、安全救濟(jì)、生物醫(yī)學(xué)、服務(wù)娛樂(lè)等新領(lǐng)域拓展開(kāi)來(lái),并已取得顯著進(jìn)展，機(jī)器人技術(shù)已成為高科技應(yīng)用領(lǐng)域中的重要組成部分。 機(jī)器人主要有兩大類(lèi)：用于制造環(huán)境下的工業(yè)機(jī)器人和用于非制造環(huán)境下的服務(wù)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人是一種對(duì)生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)條件具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性的柔性自動(dòng)化裝備，它主要用于現(xiàn)代制造業(yè)中代替人們從事繁重、重復(fù)單調(diào)、環(huán)境惡劣危險(xiǎn)、人做不了或做不好的工作,從而減輕了人們的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了勞動(dòng)環(huán)境，并有效地提高了生產(chǎn)的

12、自動(dòng)化程度,提高了產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率。工業(yè)機(jī)器人是柔性化制造系統(tǒng)(FMS)、自動(dòng)化工廠（FA） 和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS) 必不可少的自動(dòng)化工具，它的發(fā)展和應(yīng)用情況已成為一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志. 1。2 機(jī)器人的定義及特點(diǎn) 機(jī)器人的研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用涉及多剛體動(dòng)力學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感技術(shù)、電氣液壓驅(qū)動(dòng)、控制工程、智能控制、計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、人工智能和仿生學(xué)等學(xué)科,機(jī)器人技術(shù)是一門(mén)跨學(xué)科的綜合性技術(shù)。早在20世紀(jì)60年代初，美國(guó)就制造出了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，目前己經(jīng)發(fā)展到第三代一智能機(jī)器人。由于機(jī)器人技術(shù)和機(jī)器人的重要作用，各工業(yè)化國(guó)家近幾年都把它的研究和開(kāi)發(fā)列為國(guó)策，制

13、訂一系列規(guī)劃,多方采取措施，以加快發(fā)展。許多發(fā)展中國(guó)家也紛紛建立技術(shù)開(kāi)發(fā)中心，應(yīng)用和生產(chǎn)機(jī)器人，可以說(shuō)當(dāng)今正在掀起一個(gè)世界范圍的機(jī)器人研制熱潮。 1。2.1 機(jī)器人的定義 機(jī)器人(Robot)是1920年由捷克作家卡雷爾·卡佩克在劇本中塑造的一個(gè)具有人的外表、特征和功能，愿意為人服務(wù)的機(jī)器奴仆“ Robot”一詞衍生出來(lái)的。機(jī)器人的定義是多種多樣的,其原因是它具有一定的模糊性，機(jī)器人不斷在發(fā)展，新的機(jī)型、新的功能不斷涌現(xiàn)，根本原因主要是因?yàn)闄C(jī)器人涉及到了人的概念，成為一個(gè)難以回答的哲學(xué)問(wèn)題，就像機(jī)器人一詞最早誕生于科幻小說(shuō)之中一樣，人們對(duì)機(jī)器人充滿了幻想。也許正是由于機(jī)器人定義的模糊，才

14、給了人們充分的想像和創(chuàng)造空間.在把機(jī)器人理解為仿人機(jī)器的同時(shí)，也可以廣義地把機(jī)器人理解為仿動(dòng)物的機(jī)器.我們可以這樣說(shuō)：機(jī)器人是一個(gè)在三維空間中具有較多自由度的，并能實(shí)現(xiàn)諸多擬人動(dòng)作和功能的機(jī)器，而工業(yè)機(jī)器人(Industrial Robot）則是在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用的機(jī)器人。美國(guó)機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)(U。S。RIA)提出的工業(yè)機(jī)器人定義為：“工業(yè)機(jī)器人是用來(lái)進(jìn)行搬運(yùn)材料、零件、工具等可再編程的多功能機(jī)械手、或通過(guò)不同程序的調(diào)用來(lái)完成各種工作任務(wù)的特種裝置?！庇?guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)、日本機(jī)器人協(xié)會(huì)等也采用了相類(lèi)似的定義。我國(guó)科學(xué)家對(duì)機(jī)器人的定義是:“機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器,所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相

15、似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器?！痹谘芯亢烷_(kāi)發(fā)未知及不確定環(huán)境下作業(yè)的機(jī)器人的過(guò)程中，人們逐步認(rèn)識(shí)到機(jī)器人技術(shù)的本質(zhì)是感知、決策、行動(dòng)和交互技術(shù)的結(jié)合。隨著人們對(duì)機(jī)器人技術(shù)智能化本質(zhì)認(rèn)識(shí)的加深，機(jī)器人技術(shù)開(kāi)始源源不斷地向人類(lèi)活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域滲透。結(jié)合這些領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn)，人們發(fā)展了各式各樣的具有感知、決策、行動(dòng)和交互能力的特種機(jī)器人和各種智能機(jī)器人，如移動(dòng)機(jī)器人、微機(jī)器人、水下機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、空中空間機(jī)器人、娛樂(lè)機(jī)器人等。對(duì)不同任務(wù)和特殊環(huán)境的適應(yīng)性，也是機(jī)器人與一般自動(dòng)化裝備的重要區(qū)別。這些機(jī)器人從外觀上己遠(yuǎn)遠(yuǎn)脫離了最初仿

16、人形機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人所具有的形狀，更加符合各種不同應(yīng)用領(lǐng)域的特殊要求,其功能和智能程度也大大增強(qiáng)，從而為機(jī)器人技術(shù)開(kāi)辟出更加廣闊的發(fā)展空間。本文為互聯(lián)網(wǎng)收集，請(qǐng)勿用作商業(yè)用途個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途 1.2.2 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

17、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. 1.3 機(jī)器人的構(gòu)成及分類(lèi)

18、1.3。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)

19、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

20、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

21、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。3。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)、

22、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)器人。 (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.

23、 （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)

24、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年代開(kāi)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 1.4 機(jī)器人的應(yīng)用與發(fā)展 1.4。1 機(jī)器人

25、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，并逐漸向纖維加工、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

26、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

27、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)施的火星探測(cè)計(jì)劃，發(fā)射了兩個(gè)火星探測(cè)器海盜I和

28、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

29、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

30、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。4.2 機(jī)器人的發(fā)展 現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人起源于數(shù)控機(jī)床和遠(yuǎn)程控制器。1954年，美國(guó)的George Devol首先把遠(yuǎn)程控制器的桿結(jié)構(gòu)與數(shù)控銑床的伺服軸結(jié)合起來(lái)，研制出了第一臺(tái)通用機(jī)械手。這種機(jī)械手可以通過(guò)讓其沿一系列點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，將運(yùn)動(dòng)位置以數(shù)字形式存貯起來(lái),動(dòng)作執(zhí)行時(shí)，使伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手各關(guān)節(jié)軸來(lái)再

31、現(xiàn)這些位置,從而讓機(jī)械手完成一些簡(jiǎn)單的工作。正是由于這個(gè)機(jī)械手具有了編程示教再現(xiàn)功能，因此許多人把它作為現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)生的標(biāo)志。在隨后的生產(chǎn)應(yīng)用中，為了適應(yīng)各種不同用途需要，相繼出現(xiàn)了直角坐標(biāo)、關(guān)節(jié)坐標(biāo)、極坐標(biāo)等許多種不同結(jié)構(gòu)的機(jī)器人.與第一代示教再現(xiàn)型機(jī)器人不同，第二代機(jī)器人是具有感覺(jué)功能的適應(yīng)控制機(jī)器人。這種機(jī)器人帶有傳感器，能感知環(huán)境和對(duì)象的情況,以控制自身動(dòng)作的變化。在機(jī)器人視覺(jué)、觸覺(jué)研究的同時(shí)，機(jī)器人其他感覺(jué)功能的開(kāi)發(fā)也已經(jīng)開(kāi)始，對(duì)機(jī)器人的接近覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、滑覺(jué)以及會(huì)話等功能都進(jìn)行了研究，并取得了一定的成果。而且這種有感知功能的機(jī)器人開(kāi)始被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的焊接、裝配及機(jī)械加工等作業(yè)。

32、智能機(jī)器人被人們稱(chēng)為第三代機(jī)器人,它是能利用感覺(jué)和識(shí)別功能做決策行動(dòng)的機(jī)器人。從七十年代后期開(kāi)始，人們對(duì)智能機(jī)器人的規(guī)劃生成系統(tǒng)(問(wèn)題解決系統(tǒng)，路徑搜索等),環(huán)境的理解系統(tǒng)（感覺(jué)智能，包括視覺(jué)，觸覺(jué)等)，知識(shí)獲得與利用系統(tǒng)(知識(shí)工程和專(zhuān)家系統(tǒng)等），人一機(jī)接口系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)等問(wèn)題展開(kāi)了更加廣泛、深入地研究。智能機(jī)器人的研究是一個(gè)艱巨而又廣泛的問(wèn)題，隨著研究的不斷深入,相關(guān)科學(xué)的飛速發(fā)展（如第五代智能計(jì)算機(jī)）,具有智能的機(jī)器人在不久的將來(lái)一定會(huì)出現(xiàn)。縱觀機(jī)器人的發(fā)展過(guò)程，可以看出, 自從機(jī)器人在五十年代誕生以來(lái)，在短短的四十多年里由于各種有關(guān)技術(shù)的發(fā)展,特別是自動(dòng)控制技術(shù)、集成電路技術(shù)及微型計(jì)算機(jī)

33、技術(shù)的應(yīng)用，在國(guó)際形式的推動(dòng)下，各國(guó)在經(jīng)濟(jì)上和科技上展開(kāi)激烈的競(jìng)爭(zhēng)，機(jī)器人的生產(chǎn)和應(yīng)用隨之得到了迅速的發(fā)展.它經(jīng)歷了第一代工業(yè)機(jī)器人的研究、實(shí)用化、普及，第二代感知功能機(jī)器人的研究、實(shí)用化，以及第三代智能機(jī)器人的研究等各個(gè)階段。個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途 我國(guó)的機(jī)器人研究始于70年代。經(jīng)過(guò)近20年努力,特別是經(jīng)過(guò)“七11?！惫リP(guān)、“ 863”計(jì)劃，取得了一批重要成果，掌握了機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、機(jī)器人語(yǔ)言等技術(shù).就全國(guó)來(lái)說(shuō),目前我國(guó)機(jī)器人研究開(kāi)發(fā)工作做得較好的地區(qū)是：以中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所為首的東北地區(qū)機(jī)器人工程中心，以機(jī)電部廣州機(jī)床所為龍頭的華南地區(qū)

34、的機(jī)器人工程中心。而各工程中心_L作的側(cè)重點(diǎn)又有所不同：東北地區(qū)以特種機(jī)器人、水下機(jī)器人開(kāi)發(fā)為L(zhǎng),華北地區(qū)以噴漆Y1lt人、焊接機(jī)器人開(kāi)發(fā)為主,華東地區(qū)以搬運(yùn)機(jī)器人、裝配機(jī)器人、移動(dòng)機(jī)器人開(kāi)發(fā)為主. 1986年，國(guó)家把智能機(jī)器人列為高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，研究目標(biāo)是跟蹤世界先進(jìn)水平，工作內(nèi)容主要是圍繞特種機(jī)器人進(jìn)行攻關(guān)。 進(jìn) 入 90 年代，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的推動(dòng)下，確定了特種機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人及其應(yīng)用工程并重、以應(yīng)用帶動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)研究的發(fā)展方針，實(shí)現(xiàn)了高技術(shù)發(fā)展與國(guó)民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)的密切銜接，研制出有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工業(yè)機(jī)器人系列產(chǎn)品，并小批試產(chǎn)，完成了一批機(jī)器人應(yīng)用工程，建立了9個(gè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化

35、基地和7個(gè)科研基地。 我國(guó)的高等院校，如長(zhǎng)沙國(guó)防科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等在步行機(jī)器人、精密裝配機(jī)器人及7自由度機(jī)器人研制等前沿領(lǐng)域內(nèi)做出了可喜的成績(jī)，正在逐步縮短在機(jī)器人技術(shù)方面與世界先進(jìn)水平的差距. 綜上所述，我國(guó)機(jī)器人發(fā)展已跨過(guò)了起步階段，走上了進(jìn)步和發(fā)展的道路.今后的任務(wù)是把機(jī)器人技術(shù)推廣到更多的工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域和其他更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域,大力開(kāi)展跨區(qū)域交流合作，與國(guó)際接軌,早日躋身于世界先進(jìn)行列。 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

36、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。此課題為自擬實(shí)際開(kāi)發(fā)的科研課題。該論文涉及計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子、機(jī)械、檢測(cè)技術(shù)及傳感器技術(shù)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)為具有四個(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)

37、學(xué)分析的基礎(chǔ)上,求得了SCARA機(jī)器人的雅可比矩陣. 3機(jī)械臂模塊的規(guī)劃與數(shù)學(xué)描述：研究機(jī)械臂的功能約束,研究具有明確機(jī)械功能的模塊定義方法及數(shù)學(xué)描述； 4機(jī)械臂模塊的工程設(shè)計(jì)：研究模塊化機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出機(jī)械臂及吸盤(pán)的整體結(jié)構(gòu)。 2 SCARA機(jī)器人的研究意義和原理設(shè)計(jì) 2。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)

38、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)?？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)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

39、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

40、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.文檔為個(gè)人收集整理，來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途 2.2 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)

41、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60 x 80cm2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

42、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，優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)諧波減速器，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. 2。3 SCARA機(jī)器人傳動(dòng)方案的確定 根據(jù)課題特點(diǎn)，參考《國(guó)內(nèi)典型工業(yè)機(jī)器人圖冊(cè)》，初步確定以下方案： 圖2—1 傳動(dòng)原理圖 如圖所示:大臂轉(zhuǎn)動(dòng)采用諧波減速，小臂

43、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)同步齒型帶減速，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

44、鎖功能,速度不宜過(guò)高。 4。全部采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),不配光電碼盤(pán).步進(jìn)電機(jī)價(jià)格便宜，體積小，控制方便，為減少零部件，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu),不用碼盤(pán)進(jìn)行位置速度檢測(cè)，這就要求在控制中采取一些措施,速度不能太高,以防止電機(jī)丟步。 SCARA機(jī)器人為平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人，四個(gè)自山度包括大臂、小臂的旋轉(zhuǎn)，腕部的升降及旋轉(zhuǎn)，為了使機(jī)器人的臂轉(zhuǎn)動(dòng)，所需要的最大轉(zhuǎn)矩是當(dāng)臂呈水平狀態(tài)，如圖2-1所示。設(shè)各部分的尺寸和重量如下： 1大臂的第一和第二關(guān)節(jié)軸之間的距離為350m m，質(zhì)量為m，（3 kg左右） 其重心在距離第一關(guān)節(jié)軸150 mm處. 2小臂的第二和第三關(guān)節(jié)軸之間的距離為200 mm,質(zhì)量為m，(0 .8 k

45、g左右)，其重心在距離第二關(guān)節(jié)軸100m m處。 3.腕部升降裝置及最大物重質(zhì)量合計(jì)為m3 （ 4kg左右），重心在距第二關(guān)節(jié)軸200 mm處。 圖2—2 SCARA機(jī)器人手臂的重量分布 該機(jī)器人的基本技術(shù)參數(shù)如下： 大臂回轉(zhuǎn) ：+900，300/s 小臂回轉(zhuǎn) :1600，150/s 手腕升降：l00mm 手腕回轉(zhuǎn) ：土1800，600/s 負(fù)載重量：19.6N 3 吸盤(pán)式Scara機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 3.1 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

46、.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?？刂票M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)

47、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

48、，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

49、，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)器人四個(gè)關(guān)節(jié)均選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。第一個(gè)關(guān)節(jié)傳動(dòng)采用小體積、大轉(zhuǎn)矩、高減速比的諧波減速器.第二關(guān)節(jié)采用了同步齒形帶的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，可以獲得較大的輸出轉(zhuǎn)矩.第三關(guān)節(jié)采用了具有自鎖功能的絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)。第四關(guān)節(jié)采用步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng),構(gòu)件選用高強(qiáng)、輕質(zhì)材料（鋁合金)以減輕重量。 3.2 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.如圖2—

50、1所示，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+m1l12+ JG2+m2l22+JG3+m3l32 （2-1） 其中，m1,m2，m3前面已經(jīng)說(shuō)明,分別為:3kg ，0 。8k g ,4 kg ,l1、l2、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《m1l12 JG2《m2l22 JG3《m3l32 可忽略不計(jì),所以繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為: J1 =m1112 +m2122

51、+m3l32 （2—2） =3x0。15 2+ 0。8x0。452+4x0。552 =1。44 kg.m 2 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 =m2l42+m3l52 （2—3) =0.8x0。12 +4x0。22 =0.168kg。m 2 式中：14—小臂重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離mme 15— 腕 部 重 心 距 第 二關(guān)節(jié)軸的水平距離mmo 3。2。1 第一自由度步進(jìn)電

52、機(jī)的選擇 設(shè)大臂速為w0=300/s，則旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下（靜摩擦力矩忽略不計(jì)）： T=Jw (2-4） 式中：T一旋轉(zhuǎn)開(kāi)始的轉(zhuǎn)矩N。m J一轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 kg.m 2 W0一角加速度 rad/s2 使機(jī)器人大臂從w0=0到w1=300/s所需的時(shí)間為： △t= O。ls則: T1=J1xW1=J1x（w-w0)/t=1。44xπ/（6x0.1）=7。54N.m。 若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩,則旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可假定為ION.m，取安全

53、系數(shù)為2，則諧波減速器所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為: T01= 2T = 2x10=20N。m 選擇諧波減速器： 型號(hào)：XB—50-84B (杯形) 額定輸出轉(zhuǎn)矩:30N。m 減 速 比 ： i1 =84 重 量 ： 13。72N 設(shè)諧波減速器的傳遞效率: =90％,步進(jìn)電機(jī)應(yīng)輸出力矩為: Tow1=TO1/(i。 ）=20/(84x0。9）=0。27Nm （2-5） 選擇混合式步進(jìn)電機(jī): 型號(hào)：57BYG250B-0152 靜轉(zhuǎn)矩 :0.7N 。m 步轉(zhuǎn)角 :0。90 3.2.2 第二自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇 原理同

54、2。2.1。設(shè)小臂轉(zhuǎn)速w2= 150/s，角速度從0加到w2所需加速時(shí)間△t = 0.2s,則同步帶應(yīng)輸出轉(zhuǎn)矩為: T2=J2.w2=0.168π/(12x0。2）=0。22N。m 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: =85% (單級(jí)傳動(dòng)）.則電機(jī)所需輸出力矩為： Tow2=2T2/（i。 2 )=2x0.22/(10x0。852)=0。06N。m 選擇混合式步進(jìn)電機(jī)（北京四通電機(jī)公司產(chǎn)品） 型號(hào) : 45BYG25OA-0121 靜轉(zhuǎn)矩 ；0.2N。m 步距角 ：0。90 3.2.3 第三自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇

55、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=34.3 N. 絲杠基本參數(shù)選擇： 螺紋牙形：梯形螺紋，B= 300 螺 距：P=2mm 公稱(chēng)直徑:d=10mm， 中 徑： d2=9。Smm 摩擦系數(shù)：f=0。1 螺旋升角為: =arctg（P/πd2）= arctg（2/9。5π）=3。8340 （2—6） 當(dāng)量摩擦角為:: ’=tg-1f'=arctg（f'/cos150）=5。9110 （2—7） 螺紋阻力矩為:

56、 T1=d2Qtg（+’)/2=9.5x34.3xtg(3.8340+5.9110）=0.031N。m (2-8） 螺紋所受摩擦力矩： T2=ftQDm/2 (2—9) 式中: I一摩擦系數(shù),取0。1 Dm 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） 12=25 mm。代入數(shù)據(jù)得: T2=0.1x34。3x25/2=0。047N.m 絲杠所受力矩為阻力矩與摩擦力矩之和，即: T= T1 +T 2 =0.031+0。047=0。078N.m 安全

57、系數(shù)取2，則電機(jī)所需輸出最小轉(zhuǎn)矩為: Tow3=2T=2x0.078=0.156N。m 選擇混合式步進(jìn)電機(jī)（北京四通電機(jī)公司產(chǎn)品) 型 號(hào) : 57BYG25OB-0152 靜轉(zhuǎn)矩 ： 0.7N.m 步轉(zhuǎn)角 :0。90 3。2.4 第四自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇 腕部旋轉(zhuǎn)直接用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，設(shè)手爪及物體的最大當(dāng)量半徑為R=50mm，則轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： J1=1/2mR2 （2—10） 式中：m一手爪及物體總質(zhì)量，設(shè)為3 kg,代入數(shù)據(jù)得: J1=3X0。0

58、52/2=0.00375Kg.m2 設(shè)轉(zhuǎn)速為w3=600/s，加速時(shí)間△t=0。1s，由式子(2-4）的電機(jī)需輸出轉(zhuǎn)矩為： Tow4=J3w3=0.00375xπ/（3x0.1）=0。04N。m 選擇混合式步進(jìn)電機(jī)(北京四通電機(jī)公司產(chǎn)品) 型 號(hào) : 45BYG25OA—0121 靜轉(zhuǎn)矩 :0.2N。m 步距角 :0。90 4 吸盤(pán)式Scara機(jī)械臂集成模塊化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.1 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： w=150/s，單級(jí)傳動(dòng)效率為： = 85%，傳動(dòng)比i=10，取

59、安全系數(shù)k=3, 則同步帶傳遞功率為: P=kTw/ 2=3x0.22π/（12x0.852）=0。24W （2—11） 設(shè)傳動(dòng)比分配為： 第一級(jí)傳動(dòng)i1=5，，第二級(jí)傳動(dòng)i2=2,帶輪依次為I、II、III、IV,則: IV輪轉(zhuǎn)速：n1 =150/s=2.5r/min II、III輪轉(zhuǎn)速:n2 =n3 =2n4 =2x2.5=5r/min I輪 轉(zhuǎn) 速： n1= in4= 10x2.5=25r/min 設(shè)中心距:L，=100mm, L2=250mm 4.1.1 求出設(shè)計(jì)功率Pd 由文獻(xiàn)[12］表9。3-11查得載荷修正系

60、數(shù)ko=1。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。3—11的附加修正系數(shù)均為零。 則： Pd=koP=1.6x0。24=0。384W 4.1 2 選擇帶的節(jié)距 由 Pd= 0。384 W 和n1= 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=5.08mm(見(jiàn)表9.3—1-2[1])。 4。1 3 確定帶輪直徑和帶節(jié)線長(zhǎng) 由表9。3—10[1］,帶輪I齒數(shù)最小可取10，考慮到制造和安裝等因素，取Z1=13。則: Z2=i1Z1=5Z1=65 根據(jù)［12]表9.3-6標(biāo)準(zhǔn)系列，取Z2=60 同理可得:Z3

61、=17, Z4=40 重新計(jì)算傳動(dòng)比： i1=Z2/Z1=4。6 i2=Z4/Z3=2。4 i=i1i2=10.8 由表9.3-6可得I , II, III, N各帶輪的直徑： D1 =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： Lp=2Lcos +π（d2+d1）/2+π（d2-d1)/180 （2-12） 式中:L一中心距mm Lp一 帶長(zhǎng)mm =arcsin（(d2—d1）/2L） 代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得:

62、 Lp1=2L1cos 1+π1(d2+d1）/2+π1(d2—d1）/180 =2x100xcos[arcsin(97.02-21。02)/2L1）］+πx（97。02+21.02）/2+π1 x（97。02-21.02)/180=402mm 同理可得：Lp2=646。7mm 按[12］表9。3—2，選擇最接近算值的標(biāo)準(zhǔn)帶長(zhǎng)： Lp1 = 406.4mm,齒數(shù)80， 代號(hào)160 Lp2 =635 mm,齒數(shù)125，代號(hào)25 近似計(jì)算中心距： L≈M+ (2-13) 式中：M

63、=Pbx(2Zb-Z1-Z2）/8 L一中心距 mm Pb一節(jié)距,這里為5。080 mm Zb一帶齒數(shù),這里Zbl=80. Zb2=125 Z2，ZI為配合帶輪齒數(shù)則: M1=Pb1x（2Zb1-Z1—Z2）/8=5.08x（2x80-13-60)=55.245mm L1=M1+=103.515mm 取整，則L1=103mm 同理可得：M2=122。555mm L2=244。401mm 取整，則L2=245mm 進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)帶寬的選擇： 小帶輪I齒數(shù)ZI=13，轉(zhuǎn)速為n=25r/min由［12]表9.3—12內(nèi)插法得XL型帶的基準(zhǔn)額定功率為Po=1.25

64、 W 嚙合齒數(shù): Zm=Z1/2—PbZ1(Z2-Z1）/2π2b1 =13/2—5。08x13x(60-13）/2π2x103 =5。0<6 則嚙合齒數(shù)系數(shù)為： KZ = I一 0.2x（6一Zm)=0。8 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bso=9。5mm, 同步帶寬為： bs=(Pd/P0KZ）1/1。14bso=(0。384/1.25x0.8)1/1.14x9.5=4。10mm 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):KW=（bs/

65、bso）1。44=0。81， 帶的許用拉應(yīng)力查表9.3—11[2]得:Ta=50.17N， 帶的單位長(zhǎng)度質(zhì)量查表9。3—11[l]得:m=0。022 kg/m 帶的圓周速度：v=PbZ1n1/60000=5.08x13x25/60000=0。03m/s 帶的工作能力:P=(K2KwTa-bsmv2/bso)vx10- =(0.8x0.81x50。17-7.9x0.022x0.032)x0。03x10—3 =0。98x10-3KW>0.384W=Pd 額定功率大于設(shè)計(jì)功率,故帶的傳動(dòng)能力足夠. 結(jié)果整理如下: 兩極同步帶類(lèi)型均為為XL型同步齒型

66、帶Pb=5.08mm,帶寬bs=7。9mm 一級(jí)同步齒型帶齒數(shù): Zp1=80,帶長(zhǎng):Lp1=402mm，代號(hào)160 二級(jí)同步齒型帶齒數(shù)： Zp2=125，帶長(zhǎng):Lp1=646。71mm，代號(hào)250 各帶輪齒數(shù)：Z1=13,Z2=60，Z3=17,Z4=40 各帶輪節(jié)徑：d1=21。02mm，d2=97.02mm，d3=27。49mm，d4=64。68mm 傳動(dòng)中心距：L1=103mm,L2=245mm 圖4—1 SCARA機(jī)器臂大臂結(jié)構(gòu)圖 4。2 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 ：p=2mm,梯形螺紋 導(dǎo)程 ： s=2mm 頭 數(shù) : Z=1 螺母高度與螺紋中徑之比: =H/d2=1。5 螺紋牙工作高度：h=1mm 4。2.1 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)［21］表3-8取許用比壓［P]一11N/mm2 對(duì)于單頭標(biāo)準(zhǔn)梯形螺紋: d2≧0。8 =1.7mm 式中