SCARA機(jī)器人裝配及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、sCARA機(jī)器人裝配及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)aa摘要ascara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。由于體積小，傳動原理簡單，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)動系統(tǒng)等組成。通過各自由度步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動，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)動學(xué)分析。在論文開始首先介紹了機(jī)器人的發(fā)展及其分類情

2、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)動學(xué)分析的詳細(xì)過程。在論文末尾還對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aaaaStructureDesignofSCARAAssemblyManipu1atoraAbstractaASCARArobotisarobotofplaneandjointcomposedofthreedegreesoffreedom.Itsmost1yfunctionisusedtocompletetransitionandmotionofexactapparatusesandobjects

3、.Becauseofitssma11volumeandsimp1edriveprinciple,itiswidelyusedinthefieldofelectronicandelectricindustry,homeusede1ectric-wareindustryandexactmechanism.Thewholesystemiscomposedofmanipu1atorhand,manipu1atorarm,jointsandsteppermotordrivingsystem.Bysteppermotorsdrivingofeachdegreeoffreedom,itcomp1eteslo

4、cationchangeofmanipu1atorhandandmanipulatorarm.Theidiographicdesigningcontentisdesigningofin-phasetooth-shapestrap,designingofsi1k-barnut,designingofshe11andaxisandthechoiceofsteppermotors.Onthebaseofcheckingitsstructureintensity,whileitsatisfied,weoptimizedesigningofthestructureofSCARArobots.aThisp

5、aperputitsemphasesonresearchofitsstructuredesigningandkinematicsanalysis.Atthebeginningofthispaper,itintroducesthedevelopmentandsortofrobots.Inthesecondandthirdchapter,itintroducesdetaileddetailamongtheprocessingofthestructuredesigningofaSCARArobotanditskinematicsanalysis.Atthelast,thispapergivessom

6、emeasuresaboutimprovingofSCARArobots，andgivesaexpectationaboutitsfuture.aaKeyWords:SCARArobots,steppermotor,structuredesign，manipulatorarmaa目錄摘要iaAbstractiia第一章緒論11.1a機(jī)器人的特點(diǎn)1a1.2機(jī)器人的構(gòu)成及分類11.2a.1機(jī)器人的構(gòu)成1a1.2.2機(jī)器人的分類31a.3機(jī)器人的應(yīng)用與發(fā)展41.3a.1機(jī)器人的應(yīng)用41.4SCARA機(jī)器人的研究意義61.4.1SCARA機(jī)器人的研究意義61.4a.2SCARA機(jī)器人的特點(diǎn)7a1.5本

7、文的研究內(nèi)容8a第二章SCARA機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)9a2.1SCARA機(jī)器人傳動方案的比較及確定92.2a各自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇112.2a.1第一自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇12TOC o 1-5 h z第二自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇：122a.2.3第三自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇13a2.3同步齒形帶傳動設(shè)計(jì)142.4絲杠螺母設(shè)計(jì)18a2.4.1絲杠耐磨性計(jì)算18a2.4.2絲杠穩(wěn)定性計(jì)算9a2.4.3絲杠剛度計(jì)算192.4.4絲杠和螺母螺紋牙強(qiáng)度計(jì)算202.4.5a螺紋副自鎖條件校核212.5a各輸出軸的設(shè)計(jì)21.5.1機(jī)身輸出軸設(shè)計(jì)212.5.2大臂輸出軸設(shè)計(jì)225.3帶輪軸設(shè)計(jì)：222.5.4升降軸設(shè)計(jì)22

8、a2.6殼體設(shè)計(jì)23第三章SCARA機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析253a.1引言25SCARA機(jī)器人正運(yùn)動學(xué)分析253a.2.1SCARA機(jī)器人連桿坐標(biāo)系的建立25322SCARA機(jī)器人正運(yùn)動學(xué)問題273SCARA機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)分析293.4本章小結(jié)31a第四章總結(jié)與展望32參考文獻(xiàn)33a致謝34a第一章緒論1.1a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)：1a.可編程。生產(chǎn)自動化的進(jìn)一步發(fā)展是柔性自動化。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)上有類似人的行走、腰轉(zhuǎn)

9、、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)器人還有許多類似人類的“生物傳感器”，如皮膚型接觸傳感器、力傳感器、負(fù)載傳感器、視覺傳感器、聲覺傳感器、語言功能等傳感器提高了機(jī)器人對周圍環(huán)境的自適應(yīng)能力。3通用性。除了專門設(shè)計(jì)的專用機(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)。a因此，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展必將帶動其它技術(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)國家科學(xué)技

10、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121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，主要用來確定和改變末端執(zhí)行器的方位和擴(kuò)大手臂的動作范圍，一般具有23個(gè)回轉(zhuǎn)自由度以調(diào)整末端執(zhí)行器的姿態(tài)。有些專用機(jī)器

11、人可以沒有手腕而直接將末端執(zhí)行器安裝在手臂的端部。列3）手臂它由操作機(jī)的動力關(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)動范圍。（4）機(jī)座有時(shí)稱為立柱，是工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)中相對固定并承受響應(yīng)力的基礎(chǔ)部件?？煞止潭ㄊ胶鸵苿邮絻深?，移動式機(jī)座下部安裝了移動機(jī)構(gòu)，它可以擴(kuò)大機(jī)器人的活動范圍。2込驅(qū)動單元a它是由驅(qū)動器、減速器、檢測元件等組成

12、的組件，是用來為操作機(jī)各部件提供動力和運(yùn)動的裝置。驅(qū)動器是將電能或流體能等轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的動力裝置，通常是電動機(jī)、液壓或氣動裝置。驅(qū)動形式不同，傳動裝置也有所不同。3控制裝置它是由人對機(jī)器人的啟動、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)定的要求動作?？刂蒲b置包括檢測（如傳感器）和控制（如計(jì)算機(jī)）兩部分，可用來控制驅(qū)動單元，檢測其運(yùn)動參數(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。如果沒有反饋控制，就是較簡單的開環(huán)控制。4.人工智能系統(tǒng)對于智能機(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系統(tǒng)（硬件），主要靠各類傳感器來實(shí)現(xiàn)其感覺功能。另一部分為決策一規(guī)劃智能系統(tǒng)（軟件）

13、,它包括邏輯判斷、模式識別、大容量數(shù)據(jù)庫和規(guī)劃操作程序等功能。1.2.2機(jī)器人的分類目前世界各國對處于發(fā)展階段的機(jī)器人還沒有統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，大致有以下幾種分類方法。1按使用范圍分類M1）固定程序的專用機(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（或簡單的可變程序）。這種機(jī)器人（機(jī)械手）多為氣動或液動，用行程開關(guān)、機(jī)械擋塊來控制其工作位置。工作對象單一，動作較少，結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)簡單，價(jià)格低廉。列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)、部門和用途分類a（1）工業(yè)機(jī)器人它們又可按作業(yè)類別分為鍛壓、焊

14、接、表面噴涂、裝卸、裝配、檢測等機(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)分熱按機(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)動控制方式分類（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。a（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，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

15、運(yùn)動，并能控制末端執(zhí)行器沿曲線軌跡上各點(diǎn)的姿態(tài)?；『?、噴漆和檢測機(jī)器人等均屬連續(xù)軌跡控制方式。5按驅(qū)動方式分類按驅(qū)動方式可分為液壓驅(qū)動式、氣動式、電力驅(qū)動式（這是目前用得最多的一類）2.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a（1）第一代機(jī)器人其特點(diǎn)是采用開關(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)動參數(shù)需通過示教或編程給定。60年代以來，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，是通過具有視覺、

16、觸覺的攝像機(jī)和傳感器,能“感覺”外界信息并通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算和分析自動地控制操作機(jī)進(jìn)行運(yùn)動和操作，因此，其控制方式較第一代機(jī)器人要復(fù)雜得多，目前這類機(jī)器人已開始在工業(yè)生產(chǎn)、排險(xiǎn)救災(zāi)等場合應(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。這是國內(nèi)外正在積極研究，開發(fā)的高級機(jī)器人，其主要特點(diǎn)是具有人工智能。包括：模式識別能力、規(guī)劃決策能力、知識庫、專家系統(tǒng)、人機(jī)交互能力等。這一類機(jī)器人目前正在研究開發(fā)之中。1.3金機(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)國家，機(jī)器人己廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、國防、科技、生活等各個(gè)領(lǐng)域。產(chǎn)業(yè)部門應(yīng)用最多的當(dāng)推汽車工業(yè)和電子工業(yè)，在金屬加工、塑料成型、機(jī)械制造等

17、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。金焊接作業(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)器人可通過重新編程來調(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?；『缸鳂I(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，國外大量使用了機(jī)器人，挪威生產(chǎn)的Trallf

18、a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，電液或全電動伺服驅(qū)動,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)線可配置幾臺至十幾臺搬運(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)是隨著視覺系統(tǒng)的發(fā)展而發(fā)展起來的，電子工業(yè)用得最多，主要用在電路板的裝配上，還有電動機(jī)、發(fā)動機(jī)部件、閥門等產(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，微機(jī)控制點(diǎn)位或連續(xù)軌跡，用VAL語言示教編程，其手腕機(jī)

19、構(gòu)具有順應(yīng)性,可克服裝配中的誤差國外的航空航天工業(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)動機(jī)零部件等離子噴涂也采用了機(jī)器人。在空間開發(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NASA實(shí)施的火星測計(jì)劃,發(fā)射了兩個(gè)火星探測器海盜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。在海洋開發(fā)方面，美國曾用Curv號有纜水下機(jī)器人成功地從西班牙附近900米深的海底打撈一顆因B-

20、52轟炸機(jī)失事掉入水中的氫彈2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。金在放射性環(huán)境中,如在核電站里，機(jī)器人可用來檢查、修復(fù)管道、閥門等，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?？傊瑱C(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)控制下離開人的干預(yù)進(jìn)行各項(xiàng)工作。用機(jī)器人代

21、替人，可以使人擺脫高溫、有毒、粉塵、振動、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)的自動化問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,而機(jī)器人是柔性系統(tǒng)中不可缺少的提高勞動生產(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

22、生產(chǎn)率。機(jī)器人對于改善勞動條件、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。1.4SCARA機(jī)器人的研究意義a141SCARA機(jī)器人的研究意義金目前，國外已有各種專用和通用的裝配機(jī)器人在生產(chǎn)中得到應(yīng)用，主要類型大致有直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型和關(guān)節(jié)型三大類。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4萬余臺在生產(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

23、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)小型電器開關(guān)、接觸器等電器產(chǎn)品的組裝作業(yè)?？梢哉f，SCARA型機(jī)器人在輕型、較簡單且要求機(jī)器人價(jià)格較低的裝配作業(yè)中大顯了身手。a隨著社會需求的增大和技術(shù)的進(jìn)步，裝配機(jī)器人將會得到迅速的發(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，將是推動裝配機(jī)器人發(fā)展的直接動力。近年來計(jì)算機(jī)、CIMS及柔性自動裝配系統(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年我國開始研制機(jī)器人，但發(fā)展緩慢，受經(jīng)濟(jì)、觀念等因素的制約，基本沒有什么應(yīng)用，直到1986年，沈陽機(jī)器人研究所成立，中國的機(jī)器人才向?qū)嵱秒A段發(fā)展。隨著國內(nèi)教育

24、和科技的發(fā)展，哈工大等高校出現(xiàn)了專門的機(jī)器人機(jī)構(gòu)，研究水平在某些方面己達(dá)到國際先進(jìn)水平。在應(yīng)用方面，一汽等大型企業(yè)己開始使用機(jī)器人自動化生產(chǎn)線。但總體來說，國內(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，為開發(fā)更先進(jìn)的裝配機(jī)器人提供有利條件，隨著我國經(jīng)濟(jì)和科技

25、的發(fā)展，我們有能力也有必要進(jìn)行這方面的研究1.4.2SCARA機(jī)器人的特點(diǎn)a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)：a1.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)簡單明了，另外，機(jī)器人的動作應(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作，而對實(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)動元件采用便宜的步進(jìn)電機(jī)

26、，而光電碼盤等測試校驗(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)大大簡化，成本也隨之降低。3a.體積小，重量輕aSCARA機(jī)器人要求抓取重量不大，動作范圍也很小，故體積很小，展開應(yīng)在60 x80cm2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04.傳動原理簡單本SCARA機(jī)器人采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動,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

27、可根據(jù)空間結(jié)構(gòu)要求，跨距轉(zhuǎn)大的傳動可選用同步帶傳動力求一步到位，傳動簡單。1.5本文的研究內(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，控制簡單，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，主要完成了以下的工作:卩.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

28、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)動關(guān)節(jié)的機(jī)器人。2.建立了SCARA機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)數(shù)學(xué)模型，得到了運(yùn)動學(xué)方程的正解和反解，并在運(yùn)動學(xué)分析的基礎(chǔ)上，求得了SCARA機(jī)器人的雅可比矩陣。a第二章SCARA機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1SCARA機(jī)器人傳動方案的比較及確定a初步確定以下兩種可行方案：a方案一：a大臂轉(zhuǎn)動采用諧波減速，小臂轉(zhuǎn)動采用二級同步帶減速,升降軸采用絲杠螺母傳動,手腕轉(zhuǎn)動采用步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動。這種方案主要考慮了傳動鏈的簡化，結(jié)構(gòu)比較簡單易行。a方案二：大臂轉(zhuǎn)動采用齒輪減速，小臂轉(zhuǎn)動采用二級同步帶傳動，升降軸采用一級齒帶傳動加齒輪齒條實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動。a方案一具有以下特點(diǎn)

29、：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。2a.第二個(gè)自由度采用二級同步齒形帶減速，充分利用了大臂的空間，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動比恒定，傳動功率大，效率較高,但對安裝有一定要求，需加調(diào)整裝置。3第三個(gè)自由度采用絲杠螺母傳動。電機(jī)直接驅(qū)動絲杠螺母傳動的同時(shí)兼有減速的作用，一步把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動,傳動精度較高，絲杠有自鎖功能，速度不宜過高。方案二具有以下特點(diǎn)：1a.第一個(gè)自由度采用齒輪減速，這是最常用的減速方法，傳動比恒定，傳動效率高，工作可靠，使用壽命長，結(jié)構(gòu)緊湊,傳遞功率大,但傳動

30、精度低，噪音大，傳動比小。齒輪的加工成本比較高，體積和重量都比較大。2a.第三個(gè)自由度采用了齒帶加齒輪齒條傳動，基本具備齒輪傳動的特點(diǎn)，傳遞功率大，傳動效率高，精度低，有噪音，傳動比小，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。a兩方案相比較，在傳動的實(shí)現(xiàn)上，二者都是可行的。方案一結(jié)構(gòu)比較簡單，各傳動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，需專門設(shè)備

31、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。a機(jī)器人驅(qū)動方案的對比分析及選擇：對機(jī)器人驅(qū)動裝置的一般要求如下：1a.動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對環(huán)境無污染，噪聲要小;&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)簡單，控制性能好，而且成本低廉通常不需要反饋就能對位置和速度進(jìn)行控制;位置誤差不

32、會積累;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，這對于控制系統(tǒng)的定位是有利的，適于傳動功率不大的關(guān)節(jié)或小型機(jī)器人。2込直流伺服電機(jī):直流伺服電機(jī)具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動力矩，相對功率大及快速響應(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實(shí)際工作的影響。金3.交流伺服電機(jī):交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，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

33、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，增量式碼盤的反饋可達(dá)到很高的精度。三倍過載輸出扭矩可以實(shí)現(xiàn)很大的啟動功率，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,從體積、重量及要求的驅(qū)動功率這幾項(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)同類問題，在可能的前提下，本系統(tǒng)將盡量避免使用該種驅(qū)動方式。SCARA機(jī)器人負(fù)載并不大，決定了機(jī)器人必須重量輕(1020Kg),另外其作業(yè)

34、范圍也不大，所以機(jī)器人必須體積小。對此機(jī)器人，這些特點(diǎn)決定了它的驅(qū)動方式。又通過以上比較，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)上參考同類機(jī)器人的驅(qū)動方案，最后確定一種適合我國國情的實(shí)施方案。aSCARA機(jī)器人兩個(gè)關(guān)節(jié)均選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。機(jī)器人大臂，小臂均采用了二級齒帶傳動，升降軸采用一級齒帶加齒輪齒條實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動。2.2金各自由度步進(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_呈一條直線時(shí)轉(zhuǎn)動慣量最大，所以在旋轉(zhuǎn)開始時(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)動慣量，設(shè)兩臂及手

35、腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動慣量分別為JG1,JG2,JG3根據(jù)平行軸定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量為：J1=JG1+ml112+JG2+m2122+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。11,12，l3分別為各重心到第一關(guān)節(jié)處的距離，其值為150mm,450mm,550mm。a在式(21)中，JGlSm1112,JG2vvm2122,JG3Vvm3l32故JG1,JG2,JG3,可忽略不計(jì)，所繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量為:AJ1=m1112+m2122+m3132=3x0.152+0.8x0.452+4x0.552(2-2)=1.44

36、kg.m2同理可得小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量：J2=m2142+m3152=0.80.12+4x0.22a=0.168kg.m2(2-3)a式中：14小臂重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離mm。a15腕部重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離mm。2a.2.1第一自由度步進(jìn)電機(jī)的選推設(shè)大臂速度為31=300/s,使機(jī)器人大臂從30=0到3仁300/s所需的時(shí)間為:At=0.Is,則同步帶應(yīng)輸出轉(zhuǎn)矩為：a(2-4)a設(shè)安全系數(shù)為2,同步帶減速比i=10,同步帶傳動效率為:n=85%。貝9電機(jī)所需輸出力矩為:aT=(2xT1)/1xn2=20Nm(2-5)a選擇步進(jìn)電機(jī)a型號：KP8M2-037a步距角：1.8

37、0a最大啟動力矩268kgcm2.2.2第二自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇：設(shè)小臂速度為32=150/S,角速度從0到32所需加速度時(shí)間At=0.2s,則同步帶應(yīng)輸出轉(zhuǎn)矩為：T2=J2x32=0.22Nm(2-6)設(shè)安全系數(shù)為2,同步帶減速比i=10,同步帶傳動效率為：n=85%。則電機(jī)所需輸出力矩為：(2-7)選擇步進(jìn)電機(jī)型號：KP56LMS21步距角：1.80a最大啟動力矩：3.33kgcmA2.2.3第三自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇a絲杠螺母傳動，實(shí)現(xiàn)腕部的升降，設(shè)絲杠軸向承載總和為：Q=34.3N。a絲杠基本參數(shù)選擇:a螺紋牙形：梯形螺紋,B=300a螺距：P=2mm公稱直徑：d=10mm,中徑：d=9

38、.5mm摩擦系數(shù)：f=0.1A螺旋升角為：A=arctgP/(nd2)=arctg2/(9.5n)=3.8340(2-8)a當(dāng)量摩擦角為：(2-9)a螺紋阻力矩為：T1=d2/2Qtg(入+p)=9.5/2x34.3xtg(3.8340+5.9110)=0.031Nm(2-10)螺紋所受摩擦力矩為：T2fcQDm/2(2-11)式中：fc-摩擦系數(shù)，取0.1Dm-支撐面平均直徑，此例中取螺母內(nèi)外徑和的一半，即(10+40)/2=25mm.帶入數(shù)據(jù)得:aT2=(0.1x34.3x25)/2=0.047Nm(212)絲杠所受力矩為阻力矩與摩擦力矩之和，即：T=T1+T2=0.031+0.047=0

39、.078Nm(2-13)A安全系數(shù)取2,則電機(jī)所需最小轉(zhuǎn)矩為：AT3=2T=2x0.078=0.056Nm(2-14)a選擇電機(jī)型號：KP56LMS2-1步距角:1.80a最大啟動力矩:3.33kgcm2.3同步齒形帶傳動設(shè)計(jì)a由2.2.2知,同步帶輸出轉(zhuǎn)矩為：0.22Nm,輸出轉(zhuǎn)速為:3=150/s,單級傳動效率為：n=85%,傳動比為:10，取安全系數(shù)為k=3,則同步帶傳遞功率為:P=kT3/n2=3x0.22x(n/12)/0.852=0.24w(2-15)a設(shè)傳動比分配為：第一級傳動i1=5,第二級傳動i2=2,帶輪依次為l、II、III、W,則：IV輪轉(zhuǎn)速:n4=150/s=2.5r

40、/minII、I11輪轉(zhuǎn)速：n2=n3=i2xn4=2x2.5=5r/mina|輪轉(zhuǎn)速：n1=in4=10 x2.5=25r/minA設(shè)中心距：L1=100mm,L2=250mm求出設(shè)計(jì)功率Pd由文獻(xiàn)12表9.3-11查得載荷修正系數(shù)k0=1.6，因?yàn)槲词褂脧埦o輪，又是減速運(yùn)動,故文獻(xiàn)12沖表9.3-11的附加修正系數(shù)均為零。則:aPd=k0P=1.6x0.24=0.84w選擇帶的節(jié)距由Pd=O.384W和n1=25r/min,從12圖9.34中查得帶的節(jié)距代號為XL，對應(yīng)的節(jié)距為Pd=5.08mm(見表9.3T-21)。確定帶輪直徑和帶節(jié)線長由表9.3101,帶輪I齒數(shù)最小可取10,考慮到制

41、造和安裝等因素，取Zl=13o則：Z2=i1Z1=5Z1=67根據(jù)【12表9.3-6標(biāo)準(zhǔn)系列，取Z2=63同理可得：Z3=17,Z4=40重新計(jì)算傳動比：跖1=Z2/Z1=60/13=4.6ai2=Z4/Z3=40/17=2.4i=i112=10.8由表9.3-6可得1,11,111各帶輪的直徑ad1=21.02mm,d2=97.02mmd3=27.49mm,d4=64.68mm由12式(15)可得帶長計(jì)算公式：(2-16)式中：L-中心距mm4Lp-帶長mmd1,d2一配合帶輪直徑mm44代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得：44按12表9.3-2,選擇最接近算值的標(biāo)準(zhǔn)帶長：Lp1=406.4mm齒數(shù)80代號1

42、604Lp2=635mm齒數(shù)125代號2504近似計(jì)算中心距：(217)4式中：L-中心距mmPb-節(jié)距,這里為5.080mmZb-帶齒數(shù)，這里Zb1=80,Zb2=125Z2,Z1為配合帶輪齒數(shù)則：4取整廁L1=103mm44取整，則L2=245mm進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)帶寬的選擇：小帶輪I齒數(shù)Z1=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P0=1.25W4嚙合齒數(shù)：則嚙合齒數(shù)系數(shù)為：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Bs0=9.5mm,4同步帶寬為：4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)

43、：帶的許用拉應(yīng)力查表9.3-112得Ta=50.17N帶的單位長度質(zhì)量查表9.3-111得m=0.022kg/m帶的圓周速度：帶的工作能力：A額定功率大于設(shè)計(jì)功率，故帶的傳動能力足夠。A結(jié)果整理如下：兩極同步帶類型均為為XL型同步齒型帶Pb=5.08mm,帶寬bs=7.9mmA一級同步齒型帶齒數(shù)：Zp1=80帶長Lp1=402mm代號160二級同步齒型帶齒數(shù)：Zp2=125帶長Lp2=646.71mm代號250各帶輪齒數(shù)：Z1=13,Z2=60,Z3=17,Z4=4O各帶輪節(jié)徑：d1=21.02mm,d2=97.02mmd3=27.49mmd4=64.68mm傳動中心距:L1=103mmL2=

44、245mm圖2-1SCARA機(jī)器人大臂結(jié)構(gòu)圖2.4絲杠螺母設(shè)計(jì)a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)：a螺距：t=2mm,梯形螺紋a導(dǎo)程:s=2mm頭數(shù)：Z=1a螺母高度與螺紋中徑之比：Q=H/d2=1.5a螺紋牙工作高度：h=1mmA2.4.1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)2表3-8取許用比壓P=11N/mm2對于單頭標(biāo)準(zhǔn)梯形螺紋:aa式中,P軸向載荷Na根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)系列，取絲杠公稱直徑：d=10mm2A.4.2絲杠穩(wěn)定性計(jì)算A柔度：入二川/iA式中：p一長度系數(shù),這里取2l一絲杠最大工作長度，取120mmi

45、一危險(xiǎn)截面慣性半徑，i=d1/4=2.25mmA代入數(shù)據(jù)得：入=106.7絲杠臨界壓縮載荷：式中：E一彈性模量，鋼取20.58x104N/mm2I一慣性矩，1=1/64nd14490.9mm4A代入數(shù)據(jù)得：Pc=17306.8Na取絲杠穩(wěn)定安全系數(shù)：nw=4則Pc/nw=17306.8/4=4326.7N故絲杠穩(wěn)定.A2.4.3絲杠剛度計(jì)算A個(gè)導(dǎo)程的變形量的最大值：A式中：p一軸向載荷34.3Nas一導(dǎo)程2mmE一彈性模量20.58x104N/mm2Ad1一絲杠小徑9mmAM一絲杠傳遞扭矩，由2.2.3知，M=T=0.078NmAG一切變模量，83.3x103N/mm2A將數(shù)據(jù)代入得:A100

46、0mm變形量為：61000=6.15x10-3/2=3.08um120mm變形量為：6120=1206s/2=0.37umA由變形量可知，絲杠變形較小，剛度足夠。2.4.細(xì)絲杠和螺母螺紋牙強(qiáng)度計(jì)算a螺母所受彎曲應(yīng)力式中：b齒根寬度b=0.65s=1.3mm，其它字母意義同前。青銅的許用彎曲應(yīng)力為：】ow=49N/mm2,故owVow.螺母螺紋所受剪切應(yīng)力：青銅的許用剪切應(yīng)力為t=34.3N/mm2，故：tVta絲杠螺紋所受彎曲應(yīng)力a鋼的許用彎曲應(yīng)力為ow=72N/mm2,故oow絲杠的螺紋所受的剪切應(yīng)力鋼的許用剪切強(qiáng)度為t=43N/mm2,，故tVt。a以上校核表明，絲杠和螺母的螺紋牙強(qiáng)度足夠

47、。245螺紋副自鎖條件校核a由2表3-10得，此螺紋副的當(dāng)量摩擦系數(shù)fv=0.1。當(dāng)量摩擦角為由式(2-6)知，螺旋升角為a入=3.8340V,a故此螺紋副能自鎖。結(jié)論：絲杠螺母副公稱直徑d=10mm,導(dǎo)程p=2mm,剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性均合格，且能自鎖。2a.5各輸出軸的設(shè)計(jì)各軸的材料均選用45號鋼，由【2表8-2知軸的許用扭剪應(yīng)力T=30MPa,由許用應(yīng)力確定的系數(shù)為C=120o2.5.1機(jī)身輸出軸設(shè)計(jì)a由2.2.1知，此軸傳遞扭矩T=20Nm,轉(zhuǎn)速w=300/s,則傳遞功率為:aP=Txw=20 x(n/6)=10.5W=0.0105kWAn=(w/360)x60=5r/min減速器的軸頸

48、較大，故d的值可取大一些，這里取d=30mm；軸承部分=30mm,軸承選為單列角接觸球軸承，軸承型號為7206AC，其余根據(jù)結(jié)構(gòu)確定。由于載荷不大，軸承選的較大，強(qiáng)度足夠，這里不再詳算。2.5.2a大臂輸出軸設(shè)計(jì)A由2.3知，此軸的設(shè)計(jì)功率為P=0.382W,轉(zhuǎn)速w=150/s,n=15x60/360=2.5r/min則:aa最小軸徑在兩臂連接處，有鍵槽，且承受一定彎矩，故取d=16mm，軸承部分軸徑選用Q仃，其余按結(jié)構(gòu)確定。，其余按結(jié)構(gòu)確定。軸承選為單列角接觸球軸承軸承型號為7203C，其余根據(jù)結(jié)構(gòu)確定。2.5a.3帶輪軸設(shè)計(jì)：此軸傳遞的扭矩為此軸的轉(zhuǎn)速為w=300/s,則傳遞功率為：a由于

49、軸上有鍵槽，且承受一定彎矩，故取d=15mm,軸承處軸頸取為d=12mm。軸承選為單列角接觸球軸承，軸承型號為7301C.2.5.4a升降軸設(shè)計(jì)a升降軸上螺母與絲杠配合，故需設(shè)計(jì)成空心軸，主要承受軸向拉力，取內(nèi)徑d=14mm,外徑D=18mm，用兩光杠與一直線軸承導(dǎo)向。絲杠采用一對面對面角接觸球軸承支撐，軸承型號為7201AC。光杠采用5鋼棒，與升降軸同一平面平行放置,示意圖如下：a圖2-2升降軸導(dǎo)向示意圖a由2.2.3知絲杠傳遞扭矩T=0.078N-m,則光杠所受圓周力a則光杠所受徑向力為a光杠撓度最大值aa式中：1一光杠長度120mmAE彈性模量200GpaI一慣性矩nd4/4將數(shù)據(jù)代入得

50、：ymax=3.586um2A.6殼體設(shè)計(jì)機(jī)身部分采用鑄鋁材料，方形結(jié)構(gòu)，臂厚5-6mm。大臂殼體采用鑄鋁,U形結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，強(qiáng)度大。底板厚度4mm,上壁厚4-5mm。側(cè)面采用透明塑料，厚度為3mm左右。小臂外殼體采用鑄鋁,U形結(jié)構(gòu)，底板厚度4mm,上壁及筋板厚4-5mm。側(cè)面用塑料，厚度3mm左右。a圖2-3SCARA機(jī)器人小臂及腕部結(jié)構(gòu)圖圖2-4SCARA機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)圖aa第三章SCARA機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析3.1引言機(jī)器人運(yùn)動學(xué)涉及到機(jī)械手相對于固定參考系原點(diǎn)幾何關(guān)系的分析研究特別是機(jī)械手臂末端執(zhí)行器位置和姿態(tài)與關(guān)節(jié)空間變量之間的關(guān)系。機(jī)器人運(yùn)動學(xué)研究有兩類問題：一類是構(gòu)型已知,要求計(jì)算機(jī)

51、器人末端手爪的位置與姿態(tài)問題，稱為正向運(yùn)動學(xué);另一類是己知末端手爪的位置與姿態(tài)求機(jī)器人對應(yīng)該位姿的全部關(guān)節(jié)角,稱為逆運(yùn)動學(xué)。顯然，正問題是簡單的，解是唯一的，但逆問題的解是復(fù)雜的，而且具有多解性，這給問題求解帶來困難，往往需要一些技巧與經(jīng)驗(yàn)。事實(shí)上，逆運(yùn)動學(xué)問題更為重要,它是機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃和軌跡控制的基礎(chǔ)。機(jī)械手可用一個(gè)開環(huán)關(guān)節(jié)鏈來建模，此鏈由數(shù)個(gè)剛體(桿件)串聯(lián)而成。開鏈的一端固接在基座上，另一端是自由的。由于機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)是由各桿件運(yùn)動形成的，采用D-H法來描述和表達(dá)機(jī)械手各桿件相對于固定參考系的空間幾何學(xué)關(guān)系,從而把運(yùn)動學(xué)問題同齊次變換矩陣聯(lián)系起來。3.2SCARA機(jī)器人正

52、運(yùn)動學(xué)分析3.2.1SCARA機(jī)器人連桿坐標(biāo)系的建立aSCARA機(jī)器人屬于平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人,對實(shí)際本體及其各連桿坐標(biāo)系的建立見圖。a圖3-2SCARA機(jī)器人DH桿件坐標(biāo)系a圖3-3SCARA機(jī)器人D-H桿件坐標(biāo)系實(shí)際上，為了建模中問題的簡化，我們往往按照圖3-3所示進(jìn)行建模。在這里不同之處主要在Z0和Z5。對于實(shí)際問題Zo到Z1的變換矩陣和Z4到Z5的變換矩陣(工具坐標(biāo)變換)是常量，因此在數(shù)學(xué)建模時(shí)為了方便可以按照圖43進(jìn)行建模，最后在分別左乘和右乘兩個(gè)常數(shù)矩陣。本文都是以圖33為基礎(chǔ)進(jìn)行建模。a相應(yīng)的連桿參數(shù)列于表3-1。其中L1=340mm,L2=380mm,表中01，82,d3Q4為關(guān)節(jié)

53、變量。采用Denavit-Hartenberg法為每個(gè)關(guān)節(jié)處的連桿坐標(biāo)系建立齊次變換矩陣，表示它與前一個(gè)連桿坐標(biāo)系的關(guān)系。設(shè)與機(jī)器人機(jī)座相固連的坐標(biāo)系OOXOYOZO為參考坐標(biāo)系，每個(gè)桿件固接一個(gè)動坐標(biāo)系，根據(jù)表31各桿件間的關(guān)系，可以得到相應(yīng)的位姿變換矩陣(記為“n1Tn”)，見公式(3-1)“n-仃n”表示連桿n相對于前一連桿n-1的位置和姿態(tài)，其中,n=14.(31)其中ci-表示cos(0i)Si-表示sin(0i)表31D-H參數(shù)表a#關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角0連桿偏移d連桿距離a連桿扭角a變量范圍015001150n1500215000Vd3300101011020l20d303.2.2SCARA

54、機(jī)器人正運(yùn)動學(xué)問題a機(jī)器人運(yùn)動學(xué)只涉及到物體的運(yùn)動規(guī)律，不考慮產(chǎn)生運(yùn)動的力和力矩。機(jī)器人正運(yùn)動學(xué)所研究的內(nèi)容是:給定機(jī)器人各關(guān)節(jié)的角度，計(jì)算機(jī)器人末端執(zhí)行器相對于參考坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)問題。a各連桿變換矩陣相乘，可得到機(jī)器人末端執(zhí)行器的位姿方程(正運(yùn)動學(xué)方程)為；aOT4=0T1(01)仃2(02)2T3(d3)3T4(04)=(3-2)a其中;工具坐標(biāo)系的z向矢量處于夾手指向物體的方向，稱之為接近矢量；工具坐標(biāo)系的y向矢量的方向從一個(gè)指尖指向另一個(gè)指尖，處于規(guī)定夾手方向上，稱為方向矢量；最后一個(gè)矢量叫法線矢量，它與矢量和矢量一起構(gòu)成一個(gè)右手矢量集合，由矢量的叉乘規(guī)定：。a公式(3-2)表示了

55、SCARA機(jī)器人手臂變換矩陣0T4,它描述了末端連桿坐標(biāo)系4相對于基坐標(biāo)系0的位姿，是機(jī)械手運(yùn)動分析的基礎(chǔ)。把式(31)中的值代入式(3-2)可得：nx=c1c2c4-s1s2s4+cls2s4+s1c2s4=c12-4ny=s1c2c4+c1s2c4+s1s2s4-c1c2s4=s12-4Anz=3ox=s1c2c4+c1s2c4+s1s2s4c1c2s4=c12-4oy=cc2c4+s1s2s4-Cls2s4-s1c2s4=-c12-4aoz=0ax=0Aay=OAaz=-1px=c1c2l2-s1s2l2+c111=c1212+c111py=s1c212+c1s212+s111=s12l

56、2+s111pZ=-d3(33)a式中:c124表示cos(01+0204)s124表示sin(01+02-04)c12表示cos(01+02)s12表示sin(01+02滬最后得:a(3-4)通過建立各關(guān)節(jié)的連桿坐標(biāo)系，然后利用D-H法建立齊次變換矩陣，就可以直觀地進(jìn)行末端執(zhí)行器的位姿矩陣的求解，方便，易掌握、便于檢查oa3.3SCARA機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)分析給定機(jī)器人終端位姿，求各關(guān)節(jié)變量，以驅(qū)動關(guān)節(jié)上的電機(jī)從而使手部的位姿符合要求，稱為求機(jī)器人運(yùn)動學(xué)逆解，也就是機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)問題。從工程應(yīng)用角度而言，機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)逆解問題往往更有實(shí)際意義，它是機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃和軌跡控制的基礎(chǔ)。正向運(yùn)動學(xué)的解是

57、唯一的，然而運(yùn)動學(xué)反問題往往具有多重解，如果位于工作空間外也可能沒有解。另外，對于運(yùn)動學(xué)逆解而言，還要求計(jì)算方法的計(jì)算效率、計(jì)算精度等較多要求，最理想的情況是得到封閉解。a運(yùn)動學(xué)逆解的方法有封閉解和數(shù)值解兩種。封閉解的具體步驟和最終公式，因機(jī)器人的具體構(gòu)形而異，但是，計(jì)算速度快，效率高，便于實(shí)時(shí)控制。數(shù)值解不具備這些特點(diǎn)，它是人們尋求位姿逆解的通解而得到的方法由于計(jì)算量大,計(jì)算時(shí)間往往不能滿足實(shí)時(shí)控制的需要，在多重解的情況下，某些迭代算法不能保證求出所有解，而且非線性方程的數(shù)值解法本身還有待研究，因此這一方法目前只具有理論意義。封閉解法有代數(shù)解法和幾何解法。目前已建立的一種系統(tǒng)化的代數(shù)解法為：

58、運(yùn)用左乘逆矩陣來求解腕的運(yùn)動學(xué)逆解，運(yùn)用臂終端位置來求臂的運(yùn)動學(xué)逆解，運(yùn)用臂腕分離法求整個(gè)機(jī)器人的逆解。常用的是Paul提出的反變換法(也稱代數(shù)方法)。機(jī)器人正運(yùn)動學(xué)方程為：0T4=0T1(01)仃2(02)2T3(d3)3T4(04)(3-5)a(1)求關(guān)節(jié)變量01分離變量,對方程兩邊同時(shí)左乘0T1-1(01)，得a(3-6)即：(3-7)令左右矩陣中的第一行第四個(gè)元素，第二行第四個(gè)元素分別相等。即cos01px+sin01py-l1=cos02l(3-8)-sin01px+cos01py=sin02l2(3-9)由以上兩式聯(lián)立可得：(3-10)式中(2)求關(guān)節(jié)變量02a由公式(39)可得：(3-11)式中(3)求關(guān)節(jié)變量d3令左右矩陣中的第三行第四個(gè)元素相等,可得：Pz=-d3(3-12)(4)求關(guān)節(jié)變量04令左右矩陣中的第二行第一個(gè)元素相等