SCARA型装配机械手结构设计

SCARA型装配机械手结构设计摘要Scara机器人是一种由三个自由度组成的平面关节型机器人，它的主要作用是可以完成精密仪器和物体的搬运和移动。由于体积小，传动原理简单，被广泛运用于电子电气业，家用电器业，精密机械业等领域。整个系统由机器手，机器臂，关节，步进电机驱动系统等组成。通过各自由度步进电机的驱动，完成机器手，机器臂的位置变化。具体设计内容为：同步齿形带传动设计，丝杠螺母设计，各输出轴和壳体的设计,步进电机的选择等。在校核满足其结构强度的基础上，我们对scara机器人的结构进行优化设计。本论文着重研究scara机器人的结构设计和运动学分析。在论文开始首先介绍了机器人的发展及其分类情况。在论文第二，三章具体叙述了scara机器人的结构设计和运动学分析的详细过程。在论文末尾还对scara机器人进一步改进措施和应用展望进行了阐述。关键词：scara机器人，步进电机，结构设计，机器臂StructureDesignofSCARAAssemblyManipulatorAbstractASCARArobotisarobotofplaneandjointcomposedofthreedegreesoffreedom.Itsmostlyfunctionisusedtocompletetransitionandmotionofexactapparatusesandobjects.Becauseofitssmallvolumeandsimpledriveprinciple,itiswidelyusedinthefieldofelectronicandelectricindustry,home-usedelectric-wareindustryandexactmechanism.Thewholesystemiscomposedofmanipulatorhand,manipulatorarm,jointsandsteppermotordrivingsystem.Bysteppermotor’sdrivingofeachdegreeoffreedom,itcompleteslocationchangeofmanipulatorhandandmanipulatorarm.Theidiographicdesigningcontentisdesigningofin-phasetooth-shapestrap,designingofsilk-barnut,designingofshellandaxisandthechoiceofsteppermotors.Onthebaseofcheckingitsstructureintensity,whileitsatisfied,weoptimizedesigningofthestructureofSCARArobots.Thispaperputitsemphasesonresearchofitsstructuredesigningandkinematicsanalysis.Atthebeginningofthispaper,itintroducesthedevelopmentandsortofrobots.Inthesecondandthirdchapter,itintroducesdetaileddetailamongtheprocessingofthestructuredesigningofaSCARArobotanditskinematicsanalysis.Atthelast,thispapergivessomemeasuresaboutimprovingofSCARArobots,andgivesaexpectationaboutitsfuture.KeyWords:SCARArobots,steppermotor,structuredesign,manipulatorarm目录摘要iAbstractii第一章绪论11.1机器人的特点11.2机器人的构成及分类11.2.1机器人的构成11.2.2机器人的分类31.3机器人的应用与发展41.3.1机器人的应用41.4SCARA机器人的研究意义61.4.1SCARA机器人的研究意义61.4.2SCARA机器人的特点71.5本文的研究内容8第二章SCARA机器人结构设计92.1SCARA机器人传动方案的比较及确定92.2各自由度步进电机的选择112.2.1第一自由度步进电机的选择122.2.2第二自由度步进电机的选择:122.2.3第三自由度步进电机的选择132.3同步齿形带传动设计142.4丝杠螺母设计182.4.1丝杠耐磨性计算182.4.2丝杠稳定性计算192.4.3丝杠刚度计算192.4.4丝杠和螺母螺纹牙强度计算202.4.5螺纹副自锁条件校核212.5各输出轴的设计212.5.1机身输出轴设计212.5.2大臂输出轴设计222.5.3带轮轴设计:222.5.4升降轴设计222.6壳体设计23第三章SCARA机器人运动学分析253.1引言253.2SCARA机器人正运动学分析253.2.1SCARA机器人连杆坐标系的建立253.2.2SCARA机器人正运动学问题273.3SCARA机器人逆运动学分析293.4本章小结31第四章总结与展望32参考文献33致谢34第一章绪论1.1机器人的特点机器人最显著的特点有以下几个:1.可编程。生产自动化的进一步发展是柔性自动化。机器人可随其工作环境变化的需要而再编程，因此它在小批量多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用，是柔性制造系统(FMS)中的一个重要组成部分。2.拟人化。机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有电脑。此外，智能化机器人还有许多类似人类的“生物传感器”，如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器、语言功能等.传感器提高了机器人对周围环境的自适应能力。3.通用性。除了专门设计的专用机器人外，一般机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性。比如，更换机器人手部末端操作器(手爪、工具等)便可执行不同的作业任务。4.机电一体化。机器人技术涉及的学科相当广泛，但是归纳起来是机械学和微电子技术的应用，特别是计算机技术的应用密切相关。因此，机器人技术的发展必将带动其它技术的发展，机器人技术的发展和应用水平也可以从一个方面验证一个国家科学技术和工业技术的发展和水平。1.2机器人的构成及分类1.2.1机器人的构成一个机器人系统，一般由操作机、驱动单元、控制装置和为使机器人进行作业而要求的外部设备组成。1.操作机(又称执行系统)操作机是机器人完成作业的实体，它具有和人手臂相似的动作功能，是可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置。通常由下列部分构成。(1)末端执行器又称手部，是操作机直接执行工作的装置，并可设置夹持器、工具、传感器等，是工业机器人直接与工业对象接触以完成作业的机构。(2)手腕是支承和调整末端执行器姿态的部件，主要用来确定和改变末端执行器的方位和扩大手臂的动作范围，一般具有2-3个回转自由度以调整末端执行器的姿态。有些专用机器人可以没有手腕而直接将末端执行器安装在手臂的端部。(3)手臂它由操作机的动力关节和连接杆件等构成，是用于支承和调整手腕和末端执行器位置的部件。手臂有时不止一条，而且每条手臂，也不一定只有一节(如关节型就可能有多节)，所以，它有时还应包括肘和肩的关节，即手臂和手臂间(靠近末端执行器的一节通常叫小臂，靠近机座的，通常叫大臂)，手臂与机座间用关节连接，因而扩大了末端执行器姿态的变化范围和运动范围。(4)机座有时称为立柱，是工业机器人机构中相对固定并承受响应力的基础部件。可分固定式和移动式两类，移动式机座下部安装了移动机构，它可以扩大机器人的活动范围。2.驱动单元它是由驱动器、减速器、检测元件等组成的组件，是用来为操作机各部件提供动力和运动的装置。驱动器是将电能或流体能等转换成机械能的动力装置，通常是电动机、液压或气动装置。驱动形式不同，传动装置也有所不同。3.控制装置它是由人对机器人的启动、停机及示教进行操作的一种装置，它指挥机器人按规定的要求动作。控制装置包括检测(如传感器)和控制(如计算机)两部分，可用来控制驱动单元，检测其运动参数是否符合规定要求，并进行反馈控制。这就是闭环控制。如果没有反馈控制，就是较简单的开环控制。4.人工智能系统对于智能机器人，还应有人工智能系统。它主要由两部分组成，一部分为感觉系统(硬件)，主要靠各类传感器来实现其感觉功能。另一部分为决策一规划智能系统(软件)，它包括逻辑判断、模式识别、大容量数据库和规划操作程序等功能。1.2.2机器人的分类目前世界各国对处于发展阶段的机器人还没有统一的分类标准，大致有以下几种分类方法。1.按使用范围分类(1)固定程序的专用机器人(机械手)通常根据主机的特定要求设计成固定程序(或简单的可变程序)。这种机器人(机械手)多为气动或液动，用行程开关、机械挡块来控制其工作位置。工作对象单一，动作较少，结构与系统简单，价格低廉。(2)可编程序的通用机器人工作程序可变，以适应不同的工作对象，通用性强，适合于以多品种、中小批量生产为特点的柔性制造系统中。2.按使用行业、部门和用途分类(1)工业机器人它们又可按作业类别分为锻压、焊接、表面喷涂、装卸、装配、检测等机(2)采掘机器人如海洋探矿机器人等。(3)军事用途机器人(4)服务机器人如医疗机器人，家用机器人，教学机器人等。3.按机械结构、坐标系特点分类按机械结构坐标系特点可分为直角坐标型;圆柱坐标型;球坐标型;多关节型。4.按机器人运动控制方式分类(1)点位控制(PTP)机器人就是由点到点的控制方式，这种控制方式只能在目标点处准确控制机器人末端执行器的位置和姿态，完成预定的操作要求。目前应用的工业机器人中，很多是属于点位控制方式的，如上下料搬运机器人、点焊机器人等。(2)连续轨迹控制(CP)机器人机器人的各关节同时作受控运动，准确控制机器人末端执行器按预定的轨迹和速度运动，并能控制末端执行器沿曲线轨迹上各点的姿态。弧焊、喷漆和检测机器人等均属连续轨迹控制方式。5.按驱动方式分类按驱动方式可分为液压驱动式、气动式、电力驱动式(这是目前用得最多的一类)6.根据机器人的功能水平和技术的先进程度按“代”分类(1)第一代机器人其特点是采用开关量控制，示教再现控制或数字控制，其作业路径和运动参数需通过示教或编程给定。60年代以来，工业中实际应用的绝大多数工业机器人都属于第一代机器人，它包括可编程序(用于上下料)的工业机器人具有记忆装置的示教再现型机器人，数控型搬运机器人等。(2)第二代机器人是70年{BANNED}始出现的，其技术特点是采用计算机直接控制，是通过具有视觉、触觉的摄像机和传感器，能“感觉”外界信息并通过计算机进行计算和分析自动地控制操作机进行运动和操作，因此，其控制方式较第一代机器人要复杂得多，目前这类机器人已开始在工业生产、排险救灾等场合应用，并将进入普及阶段。(3)第三代机器人即智能机器人。这是国内外正在积极研究，开发的高级机器人，其主要特点是具有人工智能。包括:模式识别能力、规划决策能力、知识库、专家系统、人机交互能力等。这一类机器人目前正在研究开发之中。1.3机器人的应用与发展1.3.1机器人的应用在发达国家，机器人己广泛地应用于工业、国防、科技、生活等各个领域。产业部门应用最多的当推汽车工业和电子工业，在金属加工、塑料成型、机械制造等行业也有普遍应用，并逐渐向纤维加。食品工业、家用产品制造等行业发展。焊接作业包括点焊和弧焊，是机器人用得最多的作业之一。传统的点焊机虽然可以减轻人的劳动强度，焊接质量也较好，但它适宜少品种大批量的生产环境，其夹具和焊枪位置不能随零件的改变而变化，而点焊机器人可通过重新编程来调整空间点位，满足不同零件的需要，故特别适宜于小批量多品种的生产环境。弧焊作业由于其焊缝多为空间复杂曲线，故多由人工完成，连续轨迹控制的机器人可以胜任此任务，故广泛用于各种复杂结构和容