球面SCARA机器人.docx
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球面SCARA机器人
本科生毕业设计说明书
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前言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
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1.1
课题来源与技术要求分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
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1.2
国内外发展及研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
1
1.3
研究目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
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1.4
设计内容及思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
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2
球面SCARA机器人机械结构设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
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2.1
运动方案及主要技术参数的拟定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
4
2.1.1
方案拟定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
5
2.1.2
脉冲当量和传动比的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
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2.2
各传动系统设计与校核⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
7
2.2.1
第一自由度电机校核⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
8
2.2.2
第一自由度同步带传动设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
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2.2.3
第一自由度谐波减速器选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
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2.2.4
第二自由度电机校核⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
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2.2.5
第二自由度谐波减速器选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
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2.2.6
第三自由度电机校核⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
13
2.2.7
球面SCARA机器人外形图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
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3
Pro/E软件简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
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4
工业机器人运行时应采取的安全措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
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4.1
安全要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
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4.2
实施方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
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5
结
论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
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参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
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致
谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
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附
录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
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1前言
1.1课题来源与技术要求分析
课题“球面SCARA机器人机械部分设计”来源于盐城工学院的教学实验。
要求设计的机器人具有三个自由度：
○1大臂轴的水平旋转运动；○2小臂轴的垂直回转运动；○3顶针的垂直上下运动。
球面SCARA机器人可以单独使用，也可以与其他机器人组合使用。
球面SCARA机器人有着许多实际和潜在的应用：
（1）绘图，球面SCARA机器人可以在球面上画线、绘图案、在皮革或橡皮球表面着色，在地球仪的表面绘制世界地图等；
（2）装配，传统的装配机器人通常只适合在单一方向上装配，如平面SCARA机器人在印刷电路板上沿垂直方向安装电子元件。
而球
面SCARA机器人可在各个方向作业；（3）雕刻，在球面或自由曲面上雕刻，在珠宝行业中存在潜在的应用；（4）打印，在球面SCARA机器人的末端装上喷墨头，可以在球面或自由曲面上进行喷墨打印；（5）非接触三维测量等[1]。
1.2国内外发展及研究现状
那么什么是机器人呢？
人们一般的理解来看，机器人是具有一些类似人的功能的机械电子装置，或者叫自动化装置，它仍然是个机器，它有三个特点，一个是有类人的功能，比如说作业功能，感知功能，行走功能，还能完成各种动作，
它还有一个特点是根据人的编程能自动的工作，这里一个显著的特点，就是它可以编程，改变它的工作、动作、工作的对象，和工作的一些要求，它是人造的机
器或机械电子装置。
但从完整的更为深远的机器人定义来看，应该更强调机器人智能，所以人们又提出来机器人的定义是能够感知环境，能够有学习、情感和对外界一种逻辑判断思维的这种机器。
那么这给机器人提出来更高层次的要求，展
望21世纪，机器人将是一个与20世纪计算机的普及一样，会深入地应用到各个领域，在21世纪的前20年是机器人从制造业走向非制造业的发展一个重要时期，也是智能机器人发展的一个关键时期[2]。
近几年，国内外机器人领域发展主要有如下几个趋势[3]：
（1）机器人在制造业的应用范围越来越广阔，并向食品、核能、矿业和
建筑等工业新领域扩展。
（2）机器人性能不断提高，而单机价格不断下降，平均单机价格从1991年
的10.3万美元降至2002年的6.5万美元。
（3）机械结构向模块化、可重构化发展。
例如关节模块中的伺服电机、减速机检测系统三位一体化，由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机，国外已有模块化装配机器人产品问世。
（4）机器人编程语言趋于通用化。
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球面SCARA机器人机械部分设计
（5）工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日渐小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。
（6）机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。
（7）虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。
（8）当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操
作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控、遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入使用化阶段。
美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名的实例。
（9）机器人遥控、监控技术朝着人机交互控制方向发展，遥控加局部自治系统遥控机器人的发展使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。
（10）机器人化机械开始兴起。
从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。
1.3研究目的
机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，
作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。
专家预测，机器人产业是继汽车，计算机之后出现的新的大型高技术产业。
据国际机器人联合会IFR统计，世界机器人市场前景很好，从
20世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。
进入90年
代，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在10%左右，2000年增长率上升到
15%，如今，工作在各个领域的机器人早已突破100万台[4]。
我国近几年机器人自动化生产线已经不断出现，并给用户带来显著效益。
随着我国工业企业自动化水平的不断提高，机器人自动化线的市场也越来越大，并且逐渐成为自动化生产线的主要方式。
我国机器人自动化生产线装备的市场刚刚起步，而国内装备制造业正处于由传统装备向先进制造装备转型的时期，这就给机器人自动化生产线研究开发者带来巨大商机[5]。
1.4设计内容及思路
设计内容：
○1设计总体方案，确定机器人的总体结构，绘制机器人机械结构
装配图。
○2进行机器人大臂、小臂结构设计，并绘制其部装图、零件图。
○3各电
机的选择、各零部件设计计算和选择。
○4绘制机器人主要结构的三维造型图。
设计思路：
先对机器人的整体结构进行分析,制定出合理的整体设计方案，提出一到两种可行性比较高的初步设计方案；然后再根据工作要求、工作时间、
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工作强度等对初步设计方案进行论证，最后在根据论证结果选择最合理的设计方
案；完成后，再进行对机器人方案图样的设计：
机器人零件图，部分部件的装配
图以及联系尺寸图；机械结构设计完成后，再根据图纸用Pro/E软件塑造出其三
维造型图。
最后再画好装配图，完成整个设计。
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球面SCARA机器人机械部分设计
2球面SCARA机器人机械结构设计
2.1运动方案及主要技术参数的拟定[6]
要求设计的球面SCARA机器人技术参数如表2-1。
表2-1球面SCARA机器人主要技术参数自由度：
3个（1，2，r）
第一轴
第二轴
动作范围最高空行程速度最高工进速度定位精度
360°120（o）/s90（o）/s0.03°
1
360°120（o）/s90（o）/s0.03°
2
第三轴r100mm50mm/s40mm/s0.015mm
工件最大直径φ：
200mm第三轴最大抗力5N
在对机器人三个自由度轴的传动系统进行设计时，要保证规定的动作范围、
速度和精度。
考虑到实际运动中的干涉问题，第二轴的实际动作范围是小于360o
的，并且应该采取相应的安全措施。
最后完成球面SCARA机器人的装配图，以
及一些关键零件的零件图。
以下是关于球面SCARA机器人的一些简介：
图2-1SCARA机器人
通常的平面SCARA机器人的如上图2-1所示。
大臂转动（θ1），轴线与小臂转动（θ2）轴线平行。
工具转动（θ4），轴线与移动轴线重合，并和θ1，θ2平行。
球面SCARA机器人的基本自由度布置如下图2-2所示。
大臂的轴线θ1和小臂轴线θ2垂直相交，如下图2-2所示，这样可以保证装在r自由度轴上的工具在球上或自由曲面上进行作业。
制造的时候，只要保证控制精度，并且能够确保球面SCARA机器人的工具中心线通过球坐标的原点，那么工具末端一定可以在球面上实现精确定位。
此外，工具还可以从球面上的任何半径方向接近工件，具有很高灵活性。
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图2-2球面SCARA机器人
球面SCARA机器人不仅可以单独使用，也可以与其他机器人组合使用，总而言之，球面SCARA机器人有着许多实际和潜在的应用，关键看人们如何使用和开发它。
2.1.1方案拟定
（1）自由度配置。
对于本课题的球面SCARA机器人，自由度θ1和θ2的配置方式可以有几种形式，如下图2-3所示。
对于方案（a），驱动θ2以及臂2占据了球坐标系的中心，会影响工件的安放。
对于方案（b），臂1与臂2及其驱动轴线相交在球心处，避开了球系中心。
至于方案（c），θ1驱动工件转动，机器人臂2的运动θ2没有与θ1耦合。
综合考虑，选择方案b。
（2）驱动方式。
常用的驱动方式有液压驱动、气动驱动以及电力驱动。
考虑到本设计中的驱动力矩不是很大，运动速度比较高，而且定位精度要求较高，采用电力驱动。
至此，第一轴自由度θ1和第二轴θ2均采用步进电机驱动。
步进电机驱动结构比较简单，而且成本低，也能实现比较精确的定位精度。
对于第三自由度，r是工件向球面半径方向的往复直线运动，可以采用直线电机，不仅结构简
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