1、SCARA機器人裝配及結構設計摘要Scara機器人是一種由三個自由度組成的平面關節型機器人，它的主要作用是可以完 成精密儀器和物體的搬運和移動。由于體積小，傳動原理簡單，被廣泛運用于電子電氣業, 家用電器業，精密機械業等領域。整個系統由機器手，機器臂，關節，步進電機驅動系統 等組成。通過各自由度步進電機的驅動，完成機器手，機器臂的位置變化。具體設計內容 為：同步齒形帶傳動設計，絲杠螺母設計，各輸出軸和殼體的設計,步進電機的選擇等。 在校核滿足其結構強度的基礎上，我們對scara機器人的結構進行優化設計。本論文著重研究scara機器人的結構設計和運動學分析。在論文開始首先介紹了機器 人的發展及其

2、分類情況。在論文第二，三章具體敘述了 scara機器人的結構設計和運動學 分析的詳細過程。在論文末尾還對scara機器人進一步改進措施和應用展望進行了闡述。關鍵詞：scara機器人，步進電機，結構設計，機器臂Structure Design of SCARA Assembly Manipulator AbstractA SCARA robot is a robot of plane and joint composed of three degrees of freedom. Its mostly function is used to complete transition and moti

3、on 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

4、 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

5、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

6、 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 Word

7、s： SCARA robots, stepper motor, structure design, manipulator arm摘要 iAbstract ii第一章緒論 11.1 機器人的特點 11.2 機器人的構成及分類11.2.1機器人的構成 11.2.2機器人的分類3 1.3機器人的應用與發展 4 1. 3. 1機器人的應用 41.4 SCARA機器人的研究意義 6 1. 4. 1 SCARA機器人的研究意義 6 1.4.2 SCARA機器人的特點 7 1.5本文的研究內容8第二章SCARA機器人結構設計9 2. 1 SCARA機器人傳動方案的比較及確定9 2.2各自由度步進電機的選擇

8、 11 2.2.1第一自由度步進電機的選擇 12 2. 2.2第二自由度步進電機的選擇：12 2. 2. 3第三自由度步進電機的選擇132.3同步齒形帶傳動設計 14 2.4絲杠螺母設計182. 4.1絲杠耐磨性計算 18 2.4.2絲杠穩定性計算19 2. 4. 3絲杠剛度計算 192.4.4絲杠和螺母螺紋牙強度計算 20 2. 4. 5螺紋副自鎖條件校核 21 2.5 各輸出軸的設計 21 2. 5. 1機身輸出軸設計 21 2. 5. 2大臂輸出軸設計 22 2. 5.3帶輪軸設計： 22 2. 5. 4升降軸設計 22 2. 6殼體設計 23第三章 SCARA機器人運動學分析25 3.

9、 1引言 253. 2 SCARA機器人正運動學分析253. 2. 1 SCARA機器人連桿坐標系的建立25 3. 2. 2 SCARA機器人正運動學問題27 3.3 SCARA機器人逆運動學分析29 3.4本章小結 31第四章總結與展望32參考文獻 33致 謝 34第一章緒論1.1機器人的特點機器人最顯著的特點有以下幾個：1 .可編程。生產自動化的進一步發展是柔性自動化。機器人可隨其工作環境變化的需 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揮很好的功用, 是柔性制造系統（FMS）中的一個重要組成部分.2 .擬人化。機器人在機械結構上有類似人的行走、腰轉、大臂、小臂、

10、手腕、手爪等 部分，在控制上有電腦。此外，智能化機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 感器提高了機器人對周圍環境的自適應能力。3 .通用性。除了專門設計的專用機器人外，一般機器人在執行不同的作業任務時具有 較好的通用性。比如，更換機器人手部末端操作器(手爪、工具等)便可執行不同的作業 任務。4.機電一體化。機器人技術涉及的學科相當廣泛，但是歸納起來是機械學和微電 子技術的應用，特別是計算機技術的應用密切相關。因此，機器人技術的發展必將帶動其它技術的發展，機器人技術的發展和應用水平也 可以從一個方面驗證一個國家

11、科學技術和工業技術的發展和水平.4 .2機器人的構成及分類1.2.1機器人的構成一個機器人系統，一般由操作機、驅動單元、控制裝置和為使機器人進行作業而要求 的外部設備組成。1.操作機(乂稱執行系統)操作機是機器人完成作業的實體，它具有和人手臂相似的動作功能，是可在空間抓放 物體或進行其它操作的機械裝置。通常由下列部分構成o(1)末端執行器乂稱手部，是操作機直接執行工作的裝置，并可設置夾持器、工具、 傳感器等，是工業機器人直接與工業對象接觸以完成作業的機構。(2)手腕是支承和調整末端執行器姿態的部件，主要用來確定和改變末端執行器的方 位和擴大手臂的動作范圍，一般具有2-3個回轉自由度以調整末端執

12、行器的姿態。有些專 用機器人可以沒有手腕而直接將末端執行器安裝在手臂的端部。(3)手臂它由操作機的動力關節和連接桿件等構成，是用于支承和調整手腕和末端執 行器位置的部件。手臂有時不止一條，而且每條手臂，也不一定只有一節(如關節型就可 能有多節)，所以，它有時還應包括肘和肩的關節，即手臂和手臂間(靠近末端執行器的一 節通常叫小臂，靠近機座的，通常叫大臂)，手臂與機座間用關節連接，因而擴大了末 端執行器姿態的變化范圍和運動范圍。(4)機座有時稱為立柱，是工業機器人機構中相對固定并承受響應力的基礎部件。可 分固定式和移動式兩類，移動式機座下部安裝了移動機構，它可以擴大機器人的活動范圍。 2.驅動單元

13、它是由驅動器、減速器、檢測元件等組成的組件，是用來為操作機各部件提供動力 和運動的裝置。驅動器是將電能或流體能等轉換成機械能的動力裝置，通常是電動機、 液壓或氣動裝置。驅動形式不同，傳動裝置也有所不同。3 .控制裝置它是由人對機器人的啟動、停機及示教進行操作的一種裝置，它指揮機器人按規定 的要求動作?？刂蒲b置包括檢測（如傳感器）和控制（如計算機）兩部分，可用來控制驅動 單元，檢測其運動參數是否符合規定要求，并進行反饋控制。這就是閉環控制。如果沒有 反饋控制，就是較簡單的開環控制。4 .人工智能系統對于智能機器人，還應有人工智能系統。它主要由兩部分組成，一部分為感覺系統 （硬件），主要靠各類傳感

14、器來實現其感覺功能。另一部分為決策一規劃智能系統（軟件）, 它包括邏輯判斷、模式識別、大容量數據庫和規劃操作程序等功能。1.2.2機器人的分 類目前世界各國對處于發展階段的機器人還沒有統一的分類標準，大致有以下幾種分類 方法。1.按使用范圍分類（1）固定程序的專用機器人（機械手）通常根據主機的特定要求設計成固定程序（或 簡單的可變程序）。這種機器人（機械手）多為氣動或液動，用行程開關、機械擋塊來控制 其工作位置。工作對象單一，動作較少，結構與系統簡單，價格低廉。（2）可編程序的通用機器人工作程序可變，以適應不同的工作對象，通用性強，適合 于以多品種、中小批量生產為特點的柔性制造系統中。5 .按

15、使用行業、部門和用途分類（1）工業機器人它們乂可按作業類別分為鍛壓、焊接、表面噴涂、裝卸、裝配、 檢測等機（2）采掘機器人如海洋探礦機器人等。（3）軍事用途機器人（4）服務機器人如醫療機器人，家用機器人，教學機器人等。3.按機械結構、坐標 系特點分類按機械結構坐標系特點可分為直角坐標型;圓柱坐標型;球坐標型；多關節型。4.按機 器人運動控制方式分類（1）點位控制（PTP）機器人就是由點到點的控制方式，這種控制方式只能在目標點處 準確控制機器人末端執行器的位置和姿態，完成預定的操作要求。目前應用的工業機器人 中，很多是屬于點位控制方式的，如上下料搬運機器人、點焊機器人等。（2）連續軌跡 控制（C

16、P）機器人機器人的各關節同時作受控運動，準確控制機器人末端執行器按預定的軌跡和速度運動，并能控制末端執行器沿曲線軌跡上各點的姿態。弧焊、噴漆和檢測機器 人等均屬連續軌跡控制方式。5.按驅動方式分類按驅動方式可分為液壓驅動式、氣動式、電力驅動式(這是目前用得最多的一類)6. 根據機器人的功能水平和技術的先進程度按“代”分類(1)第一代機器人其特點是采用開關量控制，示教再現控制或數字控制，其作業路 徑和運動參數需通過示教或編程給定。60年代以來，工業中實際應用的絕大多數工業機器 人都屬于第一代機器人，它包括可編程序(用于上下料)的工業機器人具有記憶裝置的示 教再現型機器人，數控型搬運機器人等。(2

17、)第二代機器人是70年BANNED始出現的，其技術特點是采用計算機直接控制， 是通過具有視覺、觸覺的攝像機和傳感器，能“感覺”外界信息并通過計算機進行計算和 分析自動地控制操作機進行運動和操作，因此，其控制方式較第一代機器人要復雜得多， 目前這類機器人已開始在工業生產、排險救災等場合應用，并將進入普及階段。(3)第三代機器人即智能機器人。這是國內外正在積極研究，開發的高級機器人，其 主要特點是具有人工智能。包括：模式識別能力、規劃決策能力、知識庫、專家系統、人 機交互能力等。這一類機器人目前正在研究開發之中。1.3機器人的應用與發展1.3.1機器人的應用在發達國家，機器人已廣泛地應用于工業、國

18、防、科技、生活等各個領域。產業部門 應用最多的當推汽車工業和電子工業，在金屬加工、塑料成型、機械制造等行業也有普遍應 用，并逐漸向纖維加。食品工業、家用產品制造等行業發展。焊接作業包括點焊和弧焊, 是機器人用得最多的作業之一。傳統的點焊機雖然可以減輕人的勞動強度，焊接質量也較 好，但它適宜少品種大批量的生產環境，其夾具和焊槍位置不能隨零件的改變而變化，而 點焊機器人可通過重新編程來調整空間點位，滿足不同零件的需要，故特別適宜于小批量 多品種的生產環境?；『缸鳂I由于其焊多為空間復雜曲線，故多由人工完成，連續軌跡 控制的機器人可以勝任此任務，故廣泛用于各種復雜結構和容器的焊接。Unimate, M

19、otoman, ASEA等都是典型的焊接機器人。噴漆作業由于環境惡劣，國外大量使用了機器人，挪威生產的Trallfa機器人是目前 世界上用得最多的噴漆機器人，該機器人為關節式，6自由度，電液或全電動伺服驅動， 采用示教再現方式，既可實行點位控制，也可實行連續軌跡控制。搬運物料的作業包括為機床上下料，為自動生產線轉運工件，搬運機器人和數控機床 一起組成柔性加工系統，一條柔性生產線可配置幾臺至十幾臺搬運機器人，典型的搬運機 器人是T3和Funac機器人。機器人用于裝配作業是隨著視覺系統的發展而發展起來的，電子工業用得最多，主要 用在電路板的裝配上，還有電動機、發動機部件、閥門等產品的裝配。PUMA

20、機器人是一種 典型的裝配機器人，有6個自由度，關節式，直流伺服電機驅動，微機控制點位或連續軌 跡，用VAL語言示教編程，其手腕機構具有順應性，可克服裝配中的誤差。國外的航空 航天工業中應用機器人也十分廣泛，如鉀接裝配作業就大量使用了機器人，此外如電氣插 頭的裝配，發動機風扇外殼和高壓渦輪的焊接，飛機座艙蓋和風擋鉆孔作業，飛機機身和 垂直尾翼鉆孔，都采用了機器人。某些飛機機身、機艙的噴漆作業，發動機零部件等離子 噴涂也采用了機器人。在空間開發中，航天飛機上收放衛星的機器人是加拿大Spar公司 生產的，美國NASA實施的火星測計劃，發射了兩個火星探測器海盜I和海盜H,它們也 是一種機器人，在火星上采集樣品，作各種實驗，并能將實驗結果發回地球。在海洋開發方面，美國曾用Curv號有纜水下機器人成功地從西班牙附近900米深的 海底打撈一顆因B-52