3505四自由度SCARA机器人结构设计.docx

1、3505四自由度SCARA机器人结构设计四自由度scarA机器人结构设计第一章 绪论1.1 引言机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等 多门学科而形成的高新技术。其本质是感知、 决策、 行动和交互四大技术的综合，是当代研 究十分活跃， 应用日益广泛的领域。 机器人应用水平是一个国家工业自动化水平的重要标志。工业机器人既具有操作机 （机械本体 ） 、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置， 是一种 仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的自动化生产设备。目前机器人应用领域主要还是集中在汽车工业，它占现有机器人总数的 2.89%。其次是电器制造业

2、，约占 16.4%，而化工业则占 11.7%。此外，工业机器人在食品、制药、器械、 航空航天及金属加工等方面也有较多应用。 随着工业机器人的发展， 其应用领域开始从制造 业扩展到非制造业，同时在原制造业中也在不断的深入渗透，向大、异、薄、软、窄、厚等 难加工领域深化、扩展。而新开辟的应用领域有木材家具、农林牧渔、建筑、桥梁、医药卫 生、办公家用、教育科研及一些极限领域等非制造业。一般来说，机器人系统可按功能分为下面四个部分川 :（ 1）机械本体和执行机构 : 包括机身、传动机构、操作机构、框架、机械连接等内在的 支持结构。（ 2）动力部分 : 包括电源、电动机等执行元件及其驱动电路。（3） 检

3、测传感装置 : 包括传感器及其相应的信号检测电路。（4） 控制及信息处理装置 : 由硬件、软件构成的机器人控制系统。1.2国内外机器人领域研究现状及发展趋势1、总体来说：（1）工业机器人性能不断提高 （ 高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修 ），而单 机价格不断下降，平均单机价格从 91 年的 10.3 万美元降至 2005 年的 5 万美元。（ 2）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 ;国外己有模块化装配机 器人产品问市。:器件（3）工业机器人控制系统向基于 CP机的开放型控制器方向发展

4、，便于标准化、网络化 集成度提高，控制柜日见小巧，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。(4) 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己 有成熟应用。(5)虚拟现实技术在机器人中的作用己从仿真、 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。(6)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

5、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 验室进入实用化阶段。 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 名实例。(7)机器人化机械开始兴起。 从 1994 年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置 己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。2 、国内和国外发展现状：国内： 从整体上来说，我国机器人产业还很薄弱， 机器人研究仍然任重而道远。 我国 市场上机器人总共拥有量近万台，仅占全球总量的 0.56%，其中完全国产机器人行业集中度仅为占 30%，其余皆为从日本、美国、瑞典、德国、意大利等 20

6、多个国家引进。究其原因，很大程度在于自主品牌不够， 发展壮大自主品牌及其自动化成套装备产业成为当务之急， 由 于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 装备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着越来越重要 的作用。 国外专家预测， 机器人产业是继汽车 计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。 随着我国企业自动化水平的不断提高、 人民生活需求水平的提高， 机器人市场也会越来越大， 这就给机器人研究、 开发、 生产者带来巨大商机， 目前中科院常州中心常州机械电子工程研 究所致力于机器人及智能装备技术的开发。国外：在国外，应用

7、于制造业的机器人取得了较显著进展，已成为一种标准设备而得 到工业界广泛应用， 从而也形成了一批在国际上较有影响力的、 知名机器人公司。 如德国的 KUKA瑞典的ABB日本的安川等。据专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的 一种新的大型高技术产业。 据联合国欧洲经济委员会(UNECE和国际机器人联合会(IFR)的统 计， 2002 年至 2004 年，世界机器人市场年增长率平均在 10%左右， 2005 年达到创纪录的 30%，2007年全球机器人实际安装量达到 650万台，机器人安装量比2006年增加3%达到了 114365台。据统计，近年来全球机器人行业发展迅速， 2008年全球机器

8、人行业总销售量比 2006年增长25%。而无论在使用、生产还是出口方面，日本一直是全球领先者，目前日本已经有130余家专业的机器人制造商。 世界各国主要行业对机器人的需求详人已应用在汽车制造厂的焊装线上，我国现有机器人研究开发和应用工程单位 200多家，其中从事机器人研究和应用的有75家，共开发生产各类机器人约 3000多台，90%以上用于生产，引进机器人做应用工程的约1000多台。在国内，机器人产业刚刚起步，但增长的势头非常强劲，我国机器人 经过20多年的发展已在产业化的道路上迈开了步伐。近几年，我国应用于制造业的机器人 及自动化生产线和工程项目、相关产品的年产销额已近五亿元。1.3SCAR

9、A机器人简介SCARA机器人（如图1 一 1所示）很类似人的手臂的运动，它包含肩关节、肘关节和腕关节来实现水平和垂直运动， 在平面内进行定位和定向， 是一种固定式的工业机器人。 它具有四个自由度，其中，三个是旋转自由度，一个是移动自由度。 3个旋转关节，其轴线相互平行，手腕参考点的位置是由两个旋转关节的角位移 p,和pZ,及移动关节的位移 Z来决定的。这类机器人结构轻便、响应快，例如 Adeptl型SCARAB器人的运动速度可达 10m/S, 比一般的关节式机器人快数倍。 它能实现平面运动， 全臂在垂直方向的刚度大， 在水平方向 的柔性大，具有柔顺性。图1 一 1SCARA机器人SCARAB器

10、人最适用于平面定位，广泛应用于垂直方向的装配。广泛应用于需要高效率的装 配、焊接、密封和搬运等众多应用领域，具有高刚性、高精度、高速度、安装空间小、工作 空间大的优点。 由于组成的部件少， 因此工作更加可靠， 减少维护。有地面安装和顶置安装 两种安装方式， 方便安装于各种空间。可以用它们直接组成为焊接机器人、 点胶机器人、光 学检测机器人、搬运机器人、插件机器人等，效率高，占地小，基本免维护。1.4 项目研究的主要内容本课题是要设计一个教学 SCARA机器人。作为工业机器人的 SCAR/己有很多成熟的产品，但 大多驱动装置采用伺服电机，传动系统采用 RV减速机，由这些部件构成的整机价格昂贵，不

11、适宜于作为教学用途。 而教学机器人相对而言对运动精度的要求要比工业场合用的机器人 所要求的精度低， 对运动速度和稳定性的要求也不高， 它只需具备机器人的基本元素， 达到 一定的精度即可。 实际上由步进电机构成的开环系统精度已经很高， 能满足教学用途， 而且 成本比伺服电机构成的闭环、 半闭环系统低很多。 谐波传动也是精度高、 传动平稳并且很成 熟的一项传动技术。 因此自主开发低成本的教学机器人很有意义。 对本机器人的研制， 拟采 用步进电机作为动力装置， 采用谐波减速机作为传动链的主要部件， 同时辅以同步齿形带和 滚珠丝杠等零部件来构成机器人的机械本体。项目研究的总体步骤是 : 选出最优传动方

12、案一一关键零部件选型一一机械系统三维建模一一零部件工程图和总装图1.5 拟解决的关键问题（1） 抗倾覆力矩问题的解决。SCARA机器人的大臂和小臂重量大，悬伸也大，造成很大的倾覆力矩，影响机器人的性 能，通过合理的机械结构设计来加以解决。（2） 运动要灵活，升降运动的导套长度不宜过短，否则可能产生卡死现象；一般要有导 向装置。结构布置要合理，便于装修。第二章 SCARA 机器人结构设计近年来，工业机器人有一个发展趋势 : 机械结构模块化和可重构化。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；国外己有模块化装配机器人产品问市。本章介绍模

13、块化的设计方法在 SCARA机器人的结构设计中的应用。2.1 SCARA机器人的总体设计SCARA机器人设计的技术参数应符合设计要求，其结构要符合机械设计原理。首先要 确定其运动空间、外形尺寸及设计方案。2.1.1 SCARA机器人的技术参数机构形态平面关节式（SCARA型）自由度4负载能力 3 Kg重复定位精度 0.1mm动作范围关节I转动0 200关节H转动0 180关节山升降0 150mm关节W转动0360最大速度关节I转动180 /S关节H转动60 /S关节山升降40mm/S关节W转动120 /s关节I长度190mm关节H长度210mm关节山行程150mm最大展开半径400mm高度68

14、0mm本体重量1 訂1;.1日表2-3电机1型号及尺寸表2.3.2 关节1传动轴的设计计算及校核轴的分类：按轴受的载荷和公用可分为：（1） 心轴：只承受弯矩不承受扭矩的轴，主要用于支撑回转零件，如：车辆轴和滑 轮轴。（2） 传动轴：只承受扭矩不承受弯矩或只承受很小的弯矩的轴， 主要用于传递转矩, 如：汽车的转动轴。（3） 转轴：同时承受弯矩和转矩的轴，既支撑零件又传递转矩，如：减速器轴。轴的材料：关节1是传动轴，既承受转矩也承受转矩。轴的失效形式是疲劳断裂，应具有足够 的强度、韧性和耐磨性。轴的材料从以下中选取：（1）碳素钢：优质碳素钢具有较好的机械性能，对应力集中敏感性较低，价格便宜，应用广

15、泛。例如：35、45、50等优质碳素钢。一般轴采用 45钢，经过调质或正火处理；有耐磨性要求的轴段，应进行表面淬火及低温回火处理 。轻载或不重要的轴，使用普通碳素钢 Q235 Q275 等.（2） 合金钢：具有较高的机械性能，对应力集中比较敏感，淬火性较好，热处理变形小，价格较贵。多使用于要求重量轻和轴颈耐磨性的轴。 例如：汽轮发电机轴要求，在高速、 高温重载下工作， 采用27Cr2Mo1V 38CrMoAIA等。滑动轴承的高速轴， 采用20Cr、20CrMnTi 等。（3） 球墨铸铁：吸振性和耐磨性好，对应力集中敏感低，价格低廉，使用铸造制成外 形复杂的轴。例如：内燃机中的曲轴。轴结构设计的

16、基本要求有：（1） 便于轴上零件的装配 轴的结构外形主要取决于轴在箱体上的安装位置及形式，轴上零件的布置和固定方式，受力情况和加工工艺等。为了便于轴上零件的装拆，将轴制成 阶梯轴，中间直径最大，向两端逐渐直径减小。近似为等强度轴。（2） 保证轴上零件的准确定位和可靠固定轴上零件的轴向定位方法主要有：轴肩定位、 套筒定位、圆螺母定位、轴端挡圈定位和轴承端盖定位。传动1轴的设计计算如下：（1） 选用45钢正火处理（2） 由表2-4查得强度极限 b 600MPa（3）由表2-4查得其许用弯曲应力 -1 55MPa材编毛硬抗拉弯剪备料号坏直径度拉强度伸屈服曲疲劳切疲劳注/mmH极限极限极限极限BWb/

17、 MPa s/MPa-1/MPa-1/MPa优4525241 60() 360260150应质碳素用最钢广451C0 170 60() 300275140应217T用最广按扭转强度估算输出端直径表2-4 轴的常用材料及其主要力学性能由表2-5，取A最小值A=103轴的材料Q235A20Q275 354540Cr、35S M n38Sj M nM 0、3Cr131525203525 453555A14912613511212610311297表2-5轴常用材料的许用切应力T及A值初估轴径后，就可按照轴上零件的安装顺序从 dmin处开始逐段确定轴径，上面计算的dmin是轴段1的直径，由于轴段1上安

18、装连轴器，因此轴段1直径的确 定和连轴器型号同时进行。这次选用的是波纹管连轴器。故轴段1直径d1 = 20mm右端用轴肩固定，考虑到在轴段 2上装套筒，故取轴径d2 = 22mm在轴段3上要安装轴承，其直径应该便于轴承安装，又应该符合轴承内径系列,即轴段3的直径应与轴承型号的选择同时进行。现取角接触球轴承型号为7205,其内径da = 25mm通常一根轴上的两个轴承取相同型号，故取轴段 7的直径 d7 = 25mm轴段4上用轴肩固定轴承，故取d4 = 30mm轴段5上作成齿轮轴，尺寸与齿轮相同。根据结构确定轴段6的直径d6 = 30mm各轴段长度的确定各轴段长度主要根据轴上零件的毂长或轴长零件

19、配合部分的长度确定。 另一些轴段长度，除与轴上零件有关外，还与箱体及轴承盖等零件有关。根据联轴器取l1 24mm。考虑到套筒长度取12 21mm。根据轴承宽度取la 15mm I7。根据结构l4 6mm |6 42mm。图2-5 关节1阶梯轴轴的强度校核：轴在初步完成结构设计后，进行校核计算。计算准则是满足轴的 强度或刚度要求。进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载及应力情况， 采取相应的方法，并恰当地选取其许用应力，对于用于传递转矩的轴应按扭转强 度条件计算，对于只受弯矩的轴（心轴）应按弯曲强度条件计算，两者都具备的 按疲劳强度条件进行精确校核等。(1)轴上的转矩T:主轴上的传递的功率:

20、P专P 0.20.25kw0.8T9.55106n(4-8)9.55 106 0.2520001193Nmm求作用在齿轮上的力:dmtz2 20 40(mm)2T2 1193 、Ft159.65(N)d40FrFttg 59.65 tg20 21.71(N)(2)画轴的受力简图见图4 2(3)计算轴的支撑反力Frih li 14.55 41 596.55N mm在水平面上F R1HFrl321 73 14.55N37 72l 2 l 3F R2HFr - FR1H21.71-14.55 7.16N在垂直面上F R2VFR1VFt29.825N2(4) 画弯矩图见图2-6在水平面上，aa剖面左侧

21、M aHa a剖面右侧MaH Fr2h l2 7.16 37 264.92N mm在垂直面上h 29.825 41 1222.825N mmM aV M av F riv合成弯矩，a a剖面左侧(6)判断危险截面面，只要左侧满足强度校核就行了。(7)轴的弯扭合成强度校核a a截面左侧818.4(8)轴的疲劳强度安全系数校核查得抗拉强度 恥=650Mpa，弯曲疲劳强度 1 300Mpa，剪切疲劳极限155Mpa，等效系数叽=0.2, 叭=0.1 a a截面左侧2dW 0.2d3-S 0.2 443-4 14629mm3加工，表面质量系数1.66Mpa平均应力0.73Mpa，贝U a a剖面安全。查许用安全系数S二1.31.5，显然S S其它轴用相同方法计算，结果都满足要求F_