1、課程名稱：機械綜合應用設計設計題目：多關節SCARA四軸機器人底座部分設計院 系：專業班級：學 號：姓 名：指導教師： 年 月 日課程設計任務書專 業 姓 名 學 號 開題日期：年月日 完成日期： 年月日題 目 多關節SCARA四軸機器人底座部分設計 一、設計的目的 通過本次設計了解并熟悉設計原理、設計步驟； 熟悉并掌握多關節SCARA四軸機器人底座部分驅動部分、傳動部分的元器件； 熟悉并掌握多關節SCARA四軸機器人底座部分的結構設計和建模并進行校核。 二、設計的內容及要求 設計多關節SCARA四軸機器人的驅動方案和傳動方案； 通過計算選出相應的驅動電機和傳動裝置； 實現多關節SCARA四軸

2、機器人底座部分的結構設計，給定具體尺寸并實現建模， 最后給出整體裝配和底座部分工程圖； 選擇關鍵零件部位進行強度校核并說明尺寸參數。 三、指導教師評語 四、成 績 指導教師 (簽章) 年 月 日摘要平面關節型機器人，即SCARA（Selectively Compliance Assembly Robot Arm，選擇性裝配關節機器臂）型，是一種由四個自由度（三個旋轉自由度，一個移動自由度）組成的平面關節型機器人。它的前兩個關節可以在水平面上左右自由旋轉。第三個關節由一個金屬桿和夾持器組成，該金屬桿可以在垂直平面內向上和向下移動或圍繞其垂直軸旋轉，但不能傾斜。這種獨特的設計使四軸機器人具有很強的

3、剛性，可控制機器人實現高速點位運動，空間直線插補運動，空間圓弧插補等功能，從而使它們能夠勝任高速和高重復性的工作。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，SCARA機器人被廣泛運用于電子電氣業、家用電器業、精密機械業等領域。本論文著重研究SCARA機器人底座部分的設計、關節1的設計，即底座部分的結構設計、大臂和底座的連接設計。設計過程中，先確定設計方案，對驅動電機和傳動裝置進行計算并選擇。然后對大臂與底座的連接部分進行選擇和強度校核。其次，利用SOLIDWORKS對底座部分進行建模，包括臂驅動電機和減速器的建模、大臂和底座連接方式的建模和底座部分的外殼建模。

4、最后，利用軟件進行結構材料的選擇和強度校核。同時，結構設計也要考慮與大臂設計部分相配合，其中包括尺寸、接口參數和形狀。關鍵詞：SCARA機器人；底座部分；結構設計；大臂和底座的連接；強度校核AbstractSCARA robot, namely SCARA (Selectively Compliance Assembly Robot Arm, selective assembly joint robot arm), is a kind of four degrees of freedom (three rotational degrees of freedom, a freedom of mo

5、vement) SCARA robot.The first two joints can rotate freely on the horizontal plane. The third joint consists of a metal rod and holder, which can move up and down in a vertical plane or rotate around its vertical axis, but it cant tilt. This unique design makes the four axis robot has strong rigidit

6、y, can control the robot to realize high speed point-to-point movement, space linear interpolation, circular interpolation function space, so that they can be qualified for high speed and high repetitive work. Its main function is to complete the movement and movement of precision instruments and ob

7、jects. Because of its small size and simple driving principle, SCARA robot has been widely used in electronic and electrical industry, household appliance industry, precision machinery industry and other fields.This thesis focuses on the design of the base of the SCARA robot and the design of the jo

8、int 1, that is, the structural design of the base part and the connection design of the big arm and the base. In the design process, the design scheme is determined first, and the drive motor and transmission device are calculated and selected. Then, the connecting part of the large arm and the base

9、 is selected and checked for strength. Secondly, the SOLIDWORKS is used to model the base part, including the modeling of the arm drive motor and reducer, the modeling of the connection mode of the large arm and the base and the shell modeling of the base part. Finally, the software is used to selec

10、t the structure material and strength check. At the same time, the structural design should also be considered in conjunction with the large arm design, which includes dimensions, interface parameters, and shapes.Keyword: SCARA robot; Base part; Structural design; The connection of the large arm and

11、 the base; Strength checking目錄第1章 緒論11.1 SCARA工業機器人概述11.2 設計的目的與意義11.3 設計任務31.4 設計思路4第2章 底座的設計方案52.1 底座部分的設計方法52.2 設計方案的選擇52.2.1 總體傳動方案的比較52.2.2 驅動電機類型的比較62.2.3 減速器類型的比較72.3 機械傳動方案的確定7第3章 結構設計與計算93.1 大臂關鍵零部件的計算93.1.1 驅動電機的計算和選擇103.1.2 諧波減速器的計算和選擇103.2 底座外殼的設計113.3 底座的元器件安裝結構11第4章 強度校核124.1 底座大臂連接強度校

12、核124.2 底座外殼應變13第5章 裝配關系145.1 底座元器件145.2 底座具體連接155.2.1 底板的連接155.2.2 諧波減速器的固定16減速器與電機的連接165.2.4 后蓋的連接175.3其他部件18第6章 結論196.1總結196.2展望19參考文獻20第1章 緒論1.1 SCARA工業機器人概述SCARA工業機器人是一種圓柱坐標型的工業機器人。它依靠兩個旋轉關節實現X-Y平面內的快速定位，依靠一個移動關節和一個旋轉關節在Z方向上做伸縮和R方向上做旋轉運動。這種結構特性使得scara機器人擅長從一點抓取物體，然后快速的安放到另一點，因此SCARA機器人在自動裝配生產線上得

13、到了廣泛的應用。它有以下特點：（1）適應工業場合，能夠穩定的長時間無故障運行；（2）能夠大批量生產；（3）價格上適應我國國情，滿足企業成本核算需求；（4）適用于簡單、重復的小載荷搬運工位，效率高，節省成本。它的系統特點如下：（1）采用眾為興高性能控制器，可控制機器人實現高速點位運動，空間直線插補運動，空間圓弧插補等功能； 系統擴展性強，參數配置簡單，易于維護；（2）基于高性能處理芯片的機器人功能部件保證了系統的實時控制與調度，實現多伺服功能部件的聯動與插補；（3）系統界面簡潔大方，提供豐富的顯示及監控信息；（4）機器人語言指令系統簡單易學，能滿足絕大部分工業需求。1.2 設計的目的與意義 工業

14、機器人根據機械結構和坐標系特點可分為直角坐標型、圓柱坐標型、球坐標型和關節坐標型的機器人。關節坐標型機器人的結構類似于人手臂，其位置和姿態完全由旋轉運動實現，而平面關節型機器人，即SCARA機器人可看作關節坐標型機器人的特例。機器人如圖1.1、圖1.2所示具有四個關節，三個旋轉關節軸線相互平行，實現平面內定位和定向，此外，附加一個滑動關節，實現末端件垂直運動。它最顯著的特點是在水平方向上的運動具有較大的柔性，而垂直方向具有很強的剛性，這種選擇性的柔性，被廣泛用于高效率的裝配、焊接、密封和搬運等領域。同時，它還具有動作快、重復精度高、部件少、多種安裝方式、基本免維修等優點。 圖1.1 SCARS

15、機器人 圖1.2 SCARA機器人簡圖目前，應用于裝配作業的還有六軸機器人，雖然它可能更加迅速和低廉，但在動作相對簡單，而又需要有高產量的環境中，四軸機器人具有絕對優勢，因為其運動軌跡為圓柱型，相對運動軌跡成球型的六軸機器人而言，它更加適應那些需要往返運動的工作環境。并且，新一代的機器人，不僅整合了智能技術，更換了流線型部件，而且它能夠移動的有效載荷更大，電纜更簡介，空間更節省，比如即公司的機器人和最新公布的型重型機器人。1.3 設計任務如圖表1.1是本次設計的設計要求及設計參考參數。表1.1 SCARA四軸機器人設計參考參數規格參數軸規格X軸 臂長/回轉范圍350mm、115Y軸 臂長/回轉

16、范圍350mm、115Z軸 有效行程300mmR軸 回轉范圍360速度X、Y軸合成3.3m/sZ速度1m/sR速度360/s電機規格X400wY200wZ200w(帶剎車)R100w重復定位精度X0.08mmY0.08mmZ0.02mmR0.02最大負載5KG本體重量26KG本次設計要求完成底座部分的設計，具體任務包括：（1）收集相關資料，確定設計思路；（2）通過分析SCARA機器人的結構，確定設計方案；（3）對底座部分進行結構設計；（4）對大臂與底座連接部分等進行強度計算；（5）采用有限元分析軟件對主要受力構件進行強度校核；（6）繪制底座部分工程圖；（7）完成設計說明書的書寫。1.4 設計思

17、路設計過程中，先確定設計方案，對驅動電機和傳動裝置進行計算并選擇。然后對大臂與底座的連接部分進行選擇和強度校核。其次，利用SOLIDWORKS對底座部分進行建模，包括臂驅動電機和減速器的建模、大臂和底座連接方式的建模和底座部分的外殼建模。最后，利用軟件進行結構材料的選擇和強度校核。同時，結構設計也要考慮與大臂設計部分相配合，其中包括尺寸、接口參數和形狀。第2章 底座的設計方案2.1 底座部分的設計方法本次設計的底座裝置是指底座部分的結構設計，也包括底座與大臂部分的連接問題。因此本次設計主要負責第一關節即表1.1中X軸的設計。驅動第一關節轉動需要驅動電機。大臂末端速度為 （2-1）由公式（2-1

18、）得，大臂旋轉轉速為 （2-2）而實際電機轉速，因此需要減速裝置。在選定驅動電機和減速器以后按照考慮到它們的尺寸再預留一定電纜的空間以實現控制器安置的原則確定底座外殼內徑尺寸。然后根據要求確定外徑尺寸?？紤]到該機器人本要應用于工廠裝配、物料搬運，一般安裝在工作臺上，確定底座部分與工作臺的連接，設計連接部分，實現機器人的固定。確定底座材料和加工工藝。減速器頂部設有連接部分，選擇相應連接方式實現強度校核。2.2 設計方案的選擇2.2.1 總體傳動方案的比較總體傳動方案初步選擇兩種傳動方案。方案一：第一二旋轉自由度均選擇減速電機傳動，精度高，傳動比高，效率高，噪音小，振動小，傳動部分的零件都是標準件

19、，易購買，安裝方便。第三移動和第四旋轉自由度選擇同步帶傳動，傳動精度高，結構緊湊，傳動比恒定，傳動功率大，效率高，但安裝要求高，負載能力有限。方案二：第一旋轉自由度選擇齒輪減速傳動，第二旋轉自由度采用二級同步齒形帶傳動，但安裝都要求較高，結構也較復雜。第三移動自由度選擇步進減速電機直接驅動絲杠螺母傳動，變旋轉運動為直線運動，但相對同步齒形帶重量較大，需要電機輸出轉矩較大，加工要求高。第四自由度設計同方案一。兩種方案理論上均可實現，但方案一結構簡單，部件少且較多標準件，較易實現。方案二結構復雜，較多使用齒輪，需專門設備加工，且定位部件形狀多不規則，加工和安裝均比較復雜。綜合考慮，本機器人總體設計

20、初選方案一，如圖2-1。圖2-1 總體設計示意圖第一自由度和第二自由度回轉范圍都為115，可設置限位開關實現機器人控制軸的相對位置定位，并確保關節軸不超過其行程范圍，保證了機器人本體和操作者的安全。2.2.2 驅動電機類型的比較在機器人驅動電機的選用方面，目前機器人電機主要如表2.1四種：表2.1 機器人電機的對比電機名稱性能特點應用場合步進電機可直接實現數字控制，結構簡單，控制性能好，成本低廉；通常不需要反饋就能對位置和速度進行控制，可以以實現自鎖功能，轉矩恒定；位置誤差不會積累；定位性能好。在控制領域應用較為廣泛，適于傳動功率不大的關節或小型機器人。直流伺服電機調速特性好，啟動力矩大，相對

21、功率大，快速響應。但結構復雜，成本較高，需要外圍轉換電路與微機配合實現數字控制，同時電刷放電對實際工作有影響。各類數字控制系統中的對驅動裝置的轉速有較高的控制要求和精度的裝備。交流伺服電機結構簡單，運行可靠，使用維修方便，價格較昂貴。調速性能好，響應速度快。增量式碼盤的反饋可達到很高的精度?？梢詫崿F很大的啟動功率，提供很高的響應速度。各類數字和運動控制系統。液壓伺服馬達具有較大的功率體積比，運動平穩，定位精度高，負載能力大，能夠抓住重負載而不產生滑動。但是，定位精度低，其費用較高，其液壓系統經常出現漏油現象。大功率機械裝備。參考本課題技術要求和設計用途主要是裝配作業，機器人負載不大，要求整機重

22、量輕，且作業范圍不大，要求機器人體積小的特點，本設計中機器人四個關節均選用交流伺服電機驅動。 減速器類型的比較在減速器選用方面，目前機器人的傳動系統中主要采用減速器或諧波減速器。減速器是近幾年發展起來的以兩級減速和中心圓盤支撐為主的全封閉式擺線針輪減速器，與其它減速方式相比，減速器具有減速比大、同軸線傳動、傳動精度高、剛度大、結構緊湊等優點，適用于重載、高速和高精度場合。諧波減速器也具有傳動比大，承載能力大，傳動精度高，傳動平穩，傳動效率高，結構簡單、體積小，重量輕等優點，而且相對于減速器，其制造成本要低很多，所以本設計中采用諧波減速機。2.3 機械傳動方案的確定由于主軸處于機器人小臂末端，相

23、對線速度大，對重量與慣量特別敏感，所以傳動方式要求同時實現軸方向直線運動和繞軸的回轉運動，并要求其結構緊湊、重量輕。因此，三四關節的傳動設計需重點考慮，根據以上方案初選，結合本項目特點，最終選擇同步齒形帶聯合滾珠絲杠以實現軸垂直運動，而用同步齒形帶聯合帶鍵的滑動軸套來實現軸旋轉運動。各關節的傳動方案最終確定如下：1軸（大臂回轉）：伺服電機1-諧波減速器-大臂。2軸（小臂回轉）：伺服電機1-諧波減速器-小臂。3軸（主軸垂直直線運動）：伺服電機3-同步齒形帶-絲杠螺母-主軸。4軸（主軸旋轉）：伺服電機4-同步齒形帶-滾珠絲桿花鍵-主軸。第3章 結構設計與計算3.1 大臂關鍵零部件的計算設定各部分的

24、質量：機座，大臂質量，小臂質量，手腕質量。工作載荷m4=5kg。假設機器人大小臂及手腕相對于各自重心的轉動慣量分別是J01、J02、J03，由平行軸定理求得機座旋轉軸的轉動慣量為： （3-1）式中：m1、m2、m3為大臂、小臂、手腕的估計質量；l1、l2、l3分別為各重心到關節1的距離，分別取為180mm，450mm，550mm。、，故、這里忽略不計，所以軸的等效轉動慣量為： （3-2）由式（3-2）計算得到軸的等效轉動慣量是機器人大臂從到，所需時間，啟動轉矩為 （3-3）由式（3-3）計算可得,考慮摩擦力矩、，假設 （3-4）取電機的轉速為=3000 r/min，大臂旋轉速度為1m/s。大臂

25、旋轉轉速為 （3-5）取n=25r/min,則傳動比為:i=/n=3000/25=120 （3-6）假設諧波減速器的傳動效率為90%，取安全系數為1.5，故電機輸出端的負載力矩為 （3-7）諧波減速器的最小輸出轉矩為 （3-8） 3.1.1 驅動電機的計算和選擇可選得大臂伺服電機型號為TS4609N7190，表3.1是該伺服電機的參數：表3.1 大臂伺服電機性能參數帶剎車，伺服驅動器型號：QX04NH/QX04NP法蘭規格額定功率額定轉矩額定線電流額定轉速額定線電壓轉子慣量軸徑機身長600.41.273.330002000.4414132.73.1.2 諧波減速器的計算和選擇可選得諧波減速器型

26、號是CSF-20-120-2UH-LW，表3.1是該諧波減速器的參數：表3.2 CSF-20型號性能參數減速比2000r/min輸入時的瞬時轉矩啟停的峰值轉矩平均負載轉矩的最大容許值瞬間容許最大轉矩最高輸入轉速（潤滑脂潤滑）12040874914765003.2 底座外殼的設計考慮到電機、諧波減速器的尺寸，還要預留一些控制線路的空間，設計內徑為160mm，外徑為180mm的底座外殼。底座外殼不存在強度問題，只需要考慮其受壓。鋁合金強度高、塑性好且重量輕，因此，底座外殼的材料選擇為A6061?？紤]其受壓情況，采用鑄造成型加工，厚度為10mm。3.3 底座的元器件安裝結構圖3-1是底座元器件簡易圖

27、，由此可看出元器件的擺放位置與連接關系。如圖所示，底板1與外殼2連接，外殼2與諧波減速器4相連接。電機3倒裝在最底部，電機輸出軸插入諧波減速器4與減速器連接。諧波減速器通過5螺釘組8*M8與大臂6相連實現第一關節的運動和運動的輸出。 圖3-1 底座元器件簡易圖 圖3-2 底座結構設計建模圖第4章 強度校核4.1 底座大臂連接強度校核本次設計中大臂和底座連接選用的是8個按圓形陣列均勻分布的M8*25的螺釘組。表4.1 M8螺釘的參數類別規格牙距mm成品外徑mm線徑最大最厚國際粗牙M81.257.967.797.02把螺釘組的受力簡化成圖4.1所示。圖4.1 底座與大臂連接螺釘組受力由圖可知，螺釘

28、組受到轉矩，設大臂旋轉加速度為a=1m/s2，L=250mm，則轉矩T=FL=maL=15*1*0.25=3.75N*m （4-1）設螺釘預緊力為F0，各螺釘軸線到螺釘組中心的距離為r，即r=27.5mm。則F0KS*Tfi=1zri (4-2)其中，f結合面的摩擦系數； ri第i個螺釘的軸線到螺釘組對稱中心O的距離，mm；z螺釘數目；KS防滑系數。取KS=1.1，f=0.2，由式（4-2）得F087.5N。選用螺釘材料為Q235，性能等級為4.6的螺釘。查得，。取安全系數。故螺釘材料的許用應力為 （4-3）M8螺釘小徑為。=1.3*F0d12/4=1.3*87.5*6.647*10-32/4

29、=3.28MPa （4-4）所以，=60MPa，大臂與底座連接強度符合要求。4.2 底座外殼應變圖4.2是外殼應變情況。圖4.2 底座外殼應變由圖4.2可知，底座外殼應變很小基本可以忽略不計，所以外殼厚度設為10mm，由鋁合金制造符合要求。第5章 裝配關系5.1 底座元器件圖5.1所示是底座部分整體爆炸圖。圖5.1 整體爆炸圖由3.1節可知，可知道底板與外殼有連接關系，外殼與諧波減速器有連接關系。電機與諧波減速器有連接關系。諧波減速器與大臂有連接關系。由于要安置控制線，需要添加一個外殼，后蓋與外殼有要添加連接關系。5.2 底座具體連接5.2.1 底板的連接圖5.2 底板的連接關系如圖5.2所示。底板與外殼連接時選用6*M6螺釘組，其中心在85.5mm的圓上，選用沉頭螺釘；底板與工作臺連接處選用4*M8螺母連接，其中心現在103mm的圓上。5.2.2 諧波減速器的固定圖5.3 減速器與外殼的連接如圖5.3，諧波減速器自帶6個孔，此時，在外殼上方開6個孔，用6*M6的沉頭螺釘組與諧波減速器法蘭相連起固定作用。減速器與電機的連接圖5.4 減速器與電機的連接電機和諧波減速器選用12*M6沉頭螺釘組連接。5.2.4 后蓋的連接由于要安置控