HarbinInstituteofTechnology綜合課程設計Ⅱ報告 題目：SCARA工業機器人設計 院系：機電工程學院 班級：******* 姓名：**** 學號：*********** 指導教師：***哈爾濱工業大學2017年10月26日目錄第1章SCARA機器人簡介 1第2章SCARA機器人的總體設計 22.1SCARA機器人的驅動方式 2液壓驅動 2氣壓驅動 2電力驅動 32.2SCARA機器人驅動方式的確定 42.3SCARA機器人的減速器選擇 52.4SCARA機器人傳動機構的對比與分析 52.5SCARA機器人機構桿件參數初定 62.6SCARA機器人運動空間計算 72.7SCARA機械臂材料初定 9第3章SCARA機器人關節元件設計計算 103.1滾珠絲桿滾珠花鍵的計算及選型 103.1.1計算滾珠絲桿花鍵的負載 103.1.2計算滾珠絲杠花鍵的轉速 113.1.3螺母的選擇 113.1.4計算滾珠絲杠花鍵的最大動載荷 113.1.5剛度的驗算 123.1.6計算傳動效率 12滾珠絲杠花鍵選擇 133.1.8滾珠絲杠花鍵驅動電機的選擇與計算 133.23軸同步齒形帶的設計與選型 143.2.1確定同步齒形帶的計算功率 143.2.2選定帶型和節距 153.2.3大小帶輪齒數及節圓半徑。 153.2.4同步帶帶速計算 173.2.5初選中心距 173.2.6帶長及齒數確定 173.2.7基本額定功率 183.2.8帶寬計算 183.2.9作用于軸上的力計算 193.34軸同步齒形帶的設計與選型 193.3.1確定同步齒形帶的計算功率 193.3.2選定帶型和節距 203.3.3大小帶輪齒數及節圓半徑。 203.3.4同步帶帶速計算 203.3.5帶長及齒數確定 213.3.6基本額定功率 213.3.7帶寬計算 213.3.8作用于軸上的力計算 22第4章1軸和2軸電機及減速器的選擇與計算 234.1小臂驅動電機（2軸）及減速器的計算與選擇 234.2大臂驅動電機（1軸）及減速器的計算與選擇 24第5章剛度校核 265.1大臂的剛度校核 265.2小臂的剛度校核 27附錄1滾珠絲杠花鍵 28附錄2安川伺服電機 30附錄3諧波減速器 41參考文獻 46SCARA機器人簡介 （老師評價：設計的很笨。嚶嚶嚶。。。。。。）SCARA機器人，又稱選擇順應性裝配機器手臂，是一種圓柱坐標型的特殊類型的工業機器人。SCARA機器人有3個旋轉關節，其軸線相互平行，在平面內進行定位和定向。另一個關節是移動關節，用于完成末端件在垂直于平面的運動。手腕參考點的位置是由兩旋轉關節的角位移φ1和φ2，及移動關節的位移z決定的，即p=f(φ1,φ2,z)，如圖所示。這類機器人的結構輕便、響應快，例如Adept1·用于平面定位，垂直方向進行裝配的作業。1978年，日本山梨大學牧野洋發明SCARA，該機器人具有四個軸和四個運動自由度，(包括沿X,Y,Z方向的平移和繞Z軸的旋轉自由度)。SCARA系統在x,y方向上具有順從性，而在Z軸方向具有良好的剛度，此特性特別適合于裝配工作，例如將一個圓頭針插入一個圓孔，故SCARA系統首先大量用于裝配印刷電路板和電子零部件；SCARA的另一個特點是其串接的兩桿結構，類似人的手臂，可以伸進有限空間中作業然后收回，適合于搬動和取放物件，如集成電路板等。如今SCARA機器人還廣泛應用于塑料工業、汽車工業、電子產品工業、藥品工業和食品工業等領域。它的主要職能是搬取零件和裝配工作。它的第一個軸和第二個軸具有轉動特性，第三和第四個軸可以根據工作的需要的不同，制造成相應多種不同的形態，并且一個具有轉動、另一個具有線性移動的特性。由于其具有特定的形狀，決定了其工作范圍類似于一個扇形區域。SCARA機器人可以被制造成各種大小，最常見的工作半徑在100毫米至1000毫米之間，此類的SCARA機器人的凈載重量在1千克至200千克之間。第2章SCARA機器人的總體設計SCARA機器人之所以能夠在平面內靈活定位，依靠的是三個軸線相互平行的旋轉關節。同理，之所以能夠在垂直方向上定位是因為擁有一個移動自由度。SCARA機器人的1個移動自由度和3個旋轉自由度使其能滿足要求的情況下完成一系列復雜的運動。2.1SCARA機器人的驅動方式SCARA機器人的驅動方式可分為液壓，氣動和電動三種基本類型。液壓驅動液壓傳動機械手有很大的抓取能力，抓取力可高達上百公斤，液壓力可達7MPa，液壓傳動平穩，動作靈敏，但對密封性的要求高，不宜在高或低溫現場工作，需配備一套液壓系統。液壓驅動有以下特點：（1） 輸出功率大；（2） 控制精度較高，可無極調速，反應靈敏，可實現連續軌跡控制；（3） 結構適當，執行機構可標準化，模擬化，易實現直接驅動；（4） 液壓系統可實現自我潤滑，過載保護方便，使用壽命慈航；（5） 適用于低速，重載傳動。氣壓驅動氣壓傳動機械手結構簡單，動作迅速，價格低廉，由于空氣可壓縮，所以工作速度穩定性差，氣壓一般為0.7MPa，因而抓取力小，只有幾十到幾百牛。氣壓驅動具有以下特點：（1） 輸出功率大；（2） 氣體壓縮性能大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實現高速高精度的連續軌跡控制；（3） 結構適當，執行機構可標準化，模擬化，易實現直接驅動；（4） 適用于中小負載驅動，精度要求較低的有限點位程序控制機器人。電力驅動電力驅動是目前在工業機器手中用的最多的一種。早期多采用步進電機驅動，后來發展了直流伺服電機，現在交流伺服電機驅動也開始廣泛使用。上述驅動單元有的直接驅動機構運動，有的通過諧波減速器裝置來減速，結構簡單緊湊。電動驅動的控制精度高，功率較大，能精確定位，反應靈敏，可實現高速、高精度的連續軌跡控制，伺服特性好，控制系統復雜。適用于中小負載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機械手，如AC伺服噴涂機械手、點焊機械手、弧焊機械手、裝配機械手等。電力驅動可分為普通交流電動機驅動，交、直流伺服電動機驅動和步進電動機驅動。各種電機驅動的特點：(1) 普通交、直流電動機驅動需加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機械手。(2) 直流伺服電動機：直流伺服電動機具有良好的啟動、制動和調速特性，可很方便地在較寬范圍內實現平滑的無級調速，動態響應特性和穩定性好，可適應頻繁啟動、反向、制動等工作狀況。直流伺服電動機按勵磁方式不同，有永磁式和電磁式之分；按轉速高低及轉子的轉動慣量大小，有高速、小慣量（小慣量直流伺服電動機有多種：無槽電樞直流伺服電動機，繞組鐵芯細長，故轉動慣量小，其功率較大；空心杯轉子直流伺服電動機，轉動慣量很小，靈敏度更高，功率較小；印制繞組直流伺服電動機，可承受頻繁的起動、換向，切率中等。這類電動機的轉子轉動慣量小，電感小，故換向性能好，動態響應快，快速性能好，低速無爬行）和低速、大慣量（大慣量直流伺服電動機有永磁式和電磁式兩種，其中永磁式用得較多，它的低速性能好，輸出轉矩大，調速范圍寬，轉子慣量大，受負載影響小，故可與絲杠直接連接，承受過載、重載能力強）之分。(3) 交流伺服電動機：交流伺服電動機幾乎具有直流伺服電動機的所有優點，且結構簡單，制造、維護簡單，具有調速范圍寬、穩速精度高，動態響應特性更好等技術特點，可達到更大的功率和更高的轉速。隨著計算機控制技術、電子技術的發展，交流伺服電動機已廣泛取代直流伺服電動機。(4) 步進電動機：步進電動機是由電脈沖信號控制的，它可將電脈沖信號轉換成相應的角位移或直線位移，有回轉式和直線式兩種。步進電動機結構簡單、控制簡便、價格較低，但易失步，具有轉子慣量低、反應靈敏、能提供較大的低速轉矩、無漂移、無積累定位誤差等優良性能，其控制線路簡單，不需反饋編碼器和相應的電子線路。步進電動機輸出轉角與輸入脈沖個數成嚴格正比關系，轉子速度主要取決于脈沖頻率，故控制簡便。步進電動機系統主要由步進控制器、功率放大器及步進電動機組成。純硬件的步進電動機控制器由脈沖發生器、環形分配器、控制邏輯等組成，它的作用就是把脈沖串分配給步進電動機的各個繞組，使步進電動機按既定的方向和速度旋轉。若采用微機技術，用軟件與硬件相結合，則控制器不僅可在硬件上簡化線路，降低成本，而且又提高可靠性。2.2SCARA機器人驅動方式的確定對于SCARA機器人的驅動裝置的一般的要求：(1) 驅動裝置的質量要盡可能的輕，但是單位質量的輸出功率（功率/質量m的比）要高，效率也要高；(2) 反應的速度需要快些，也就是力/質量和力矩/轉動慣量比直要大些；(3) 動作要平滑，不產生沖擊；(4) 控制應要盡可能的靈活，位移和速度的偏差要小些；(5) 驅動裝置要安全可靠；(6) 驅動裝置要操作方便和它的維護也很方便；(7) 它對環境無污染或污染很少，噪音也要小；(8) 經濟要便宜些，最主要的是要盡量減少它的占地面積。綜合考慮所設計的SCARA機器人的參數和所需要完成的工作條件，所以本次設計的關節都選擇交流伺服電機驅動系統。2.3SCARA機器人的減速器選擇現在，在機器人的傳動系統中最常使用的有RV減速器和諧波減速器，根據設計要求選擇了斯諾伐克Spinea諧波減速器。減速器的類型和特點：諧波減速器RV減速器：該減速器具有較大的傳動比和較大的承載能力，而且它的傳動精度也比較高，傳動中比較的平穩，傳動的效率比較的理想，它的結構簡單、體積比較小質量又輕，它的制造的成本價格要比RV減速器制造的成本價格要低的很多。RV減速器：該減速器一般應用于負載比較大，速度和精度要求比較高的場合等特點。2.4SCARA機器人傳動機構的對比與分析SCARA工業機械手的傳動系統要求結構緊湊、重量輕、轉動慣量和體積小，要求消除傳動間隙，提高其運動和位置精度。工業機械手傳動裝置除齒輪傳動，蝸桿傳動，鏈傳動和行星齒輪傳動外，還常用滾珠絲杠、諧波齒輪、鋼帶、同步齒形帶和繩輪傳動，以下就是工業機械手常用的傳動方式及其特點：(1) 滾珠絲杠：傳動效率高，達0.9-0.98,有利于主機的小型化和減輕勞動強度；摩擦力矩小，接觸鋼度高，使溫升及熱變形減小，有利于改善主機的動態特性和提高工作精度；工作壽命長，傳動無間隙，無爬行傳動精度高，具有很好的高速性能；抗沖擊振動性能差，承受徑向載荷能力差。(2) 同步帶：靠齒嚙合傳動，傳動比準確，傳動效率高，初張緊力最小，瞬間速度均勻，單位質量傳遞的功率最大；與鏈和齒輪傳動相比，噪聲小，不需潤滑，傳動比、線速度范圍大，傳遞功率大；耐沖擊振動較好，維修簡便、經濟。廣泛應用于各種機械傳動。(3) 諧波齒輪傳動：傳動比大、范圍寬；元件少，體積小，重量輕；同時嚙合的齒數多，承載能力高；且誤差能互相補償，故運動精度高。可采用調整波發生器達到無側隙嚙合；運轉平穩、噪音低，傳動效率也比較高，且傳動比大時，效率并不顯著下降，但主要零件一柔輪的制造工藝比較復雜。(4) 蝸桿傳動：傳動比大，工作平穩，噪聲較小，結構緊湊，在一定條件下有自鎖性，效率低。根據設計任務書的要求，對SCARA機器人的各個關節的傳動方式進行合理的選擇，為后續的關節電機型號的選擇和具體計算校核提供基礎。各關節的傳動方案決定了整體機器人的結構，是SCARA機器人能否傳輸運動、精準定位的一大參考值，因而在傳動方案的選擇中，查詢《國內典型工業機器人圖冊》的機器人傳動的經典傳動方案，現給出傳動方案如下：第一二關節自由度均選擇交流伺服電機傳動，不僅保證了傳動精度，而且在效率和振動方面，也有良好的提高，此外，模塊化的產品也市場化，所以易購買，而且安裝也較為方便；第三關節和第四關節選擇滾珠絲桿滾珠花鍵以及同步帶傳動，在結構緊湊的基礎上，保證了設計任務書中對三，四關節速度及運動范圍的要求。最終的傳動方案如表2-1所示：表2-1傳動方案2.5SCARA機器人機構桿件參數初定由于scara是相對成熟的工業級產品，因此可參考具體的實機進行參數初定。這里選用ABB公司3公斤級臂展550mm的SCARA機器人作為參考，其外形圖如圖2-1所示。圖2-1IRB910SC-3/0.55外形圖任務書要求最大展開半徑要求為560mm，初定大臂325mm，小臂235mm。2.6SCARA機器人運動空間計算利用Matlab結合DH法計算SCARA機器人運動空間，計算程序如下所示。運動空間如圖2-2所示。%前置法計算scara運動空間L1=325;%大臂長度L2=235;%小臂長度a=[];%空矩陣保存解點坐標theta1_max=130;%關節1最大運動范圍theta2_max=125;%關節2最大運動范圍theta3_max=180;%關節3最大運動范圍d1=0;d2=0;d3=0;%建立DH坐標參數參數取決于機器人關節結構暫取0不會影響最終成圖形狀d4_max=80;%關節4最大運動范圍deg2rad=pi/180;N=10;%設置循環次數嵌套循環運算量大求解費時r=10;%設執行器距關節四在x方向上偏移量為rA=[r;0;0;1];%執行器坐標原點在第四關節坐標中表示%機器人學中的算法fori=-N:Ntheta1=i*theta1_max*deg2rad/N;A01=[cos(theta1)-sin(theta1)00sin(theta1)cos(theta1)00001d10001];forj=-N:Ntheta2=j*theta2_max*deg2rad/N;A12=[cos(theta2)-sin(theta2)0L1sin(theta2)cos(theta2)00001d20001];fork=-N:Ntheta3=k*theta3_max*deg2rad/N;A23=[cos(theta3)-sin(theta3)0L2sin(theta3)cos(theta3)00001d30001];forp=0:Nd4=p*d4_max/N;A34=[10000100001d40001];T04=A01*A12*A23*A34;a=[aT04*A];endendendendscatter3(a(1,:),a(2,:),a(3,:));%繪三維散點圖axisequal;圖2-2SCARA機器人運動空間2.7SCARA機械臂材料初定機械臂的材料要根據工作狀況來選擇，SCARA機械臂具有體積小，重量輕的特點，對于實現運動的機械臂來說，在滿足輕度和剛度的條件下，零部件越輕越好。通常情況下，可以從以下大類材料中選取:（1）合金鋼（2）經過熱處理的優質鋼（3）輕型合金，如鋁合金綜上，本次設計擬定大臂、小臂材料為鋁合金1060。第3章SCARA機器人關節元件設計計算經查詢市場上現有SCARA機器人的各項參數，主要是負載和本體質量的對比，發現任務書所提負載所對應的本體質量余量很大，所以此次設計按照從末端開始設計的思路來進行設計。3.1滾珠絲桿滾珠花鍵的計算及選型相比于傳統的結構設計，新一代的SCARA機器人使用了滾珠絲桿花鍵由絲桿螺母、花鍵螺母、絲桿三部分組成。由于絲桿中的鋼球在螺母與絲桿之間來回滑動，保證了其傳動的高效性，與過去的滑動絲桿相比，其驅動扭矩僅占傳統絲桿的三分之一3.1.1計算滾珠絲桿花鍵的負載由于3軸是豎直安裝，滾珠絲桿的負載力主要包括手腕和負載本身的重力和加速運動時產生的慣性力。如前所述，設手腕的質量為4.5kg，負載質量為1.5kg，第3軸的運動直線加速度最大設為a=25m/s，則機器人手腕加速度時產生的慣性力為手腕的重力為聯立式子可得絲杠軸所受的最大負載力為計算滾珠絲杠花鍵的轉速設計要求3軸的直線運動速度500mm/s，取絲杠導程為20mm，則絲杠的轉速由計算得出螺母的選擇根據滾珠絲桿中鋼球循環方式的不同，絲桿螺母分為:彎管式、循環器式、端蓋式，這里選擇彎管式，它通過彎管讓鋼球進行循環，鋼球經過絲桿軸的溝槽滑入彎管，接著滾進溝槽中，循環往復。計算滾珠絲杠花鍵的最大動載荷根據負載力的大小，可由下列式子計算出滾珠絲桿的最大動載荷：式中：為滾珠絲桿的壽命，且，其中，T為使用壽命普通機械 取，設計任務書要求年限壽命為3年，按一年365天， 每天3班制，計算得26280h；n為絲桿的轉速1500(r/min)；為載荷系數。參考表，這里取=1。為硬度系數。當絲桿硬度>58HRC 時，取=1.0；當絲桿的硬度>55HRC時，取=1.11；當絲桿的硬 度>50HRC時，取=1.56；當絲桿的硬度>45HRC時，取=2.4；Fm為滾珠絲桿的最大工作載荷(N)。3.1.5剛度的驗算由于滾珠絲杠花鍵部和滾珠絲杠部間距很小，且滾珠絲杠長度受行程限制長度不會太長，且沒有兩軸端壓力的產生，不會有失穩的可能性，所以剛度不驗算。3.1.6計算傳動效率滾珠絲桿的傳動效率一般在0.8~0.9，可計算得出:式中：為絲杠的螺旋升角，，為導程，為滾珠絲杠軸外徑。為摩擦角，一般取10°。由此可以計算出滾珠絲杠花鍵的傳動效率。傳動效率較高。滾珠絲杠花鍵選擇綜上，選擇THK公司的BNS-2020A型的滾珠絲杠花鍵。詳細數據由附錄1給出。3.1.8滾珠絲杠花鍵驅動電機的選擇與計算由于負載力不大，動絲桿進行直線運動。因此3軸和4軸可以不采用減速器，采用同步帶傳動同時利用其減速，減速比均為2。根據功率相等的原則，有如下式子：式中： ——軸向力； ——電機力矩； ——直線運動速度； ——電機轉速； ——絲杠的傳動效率；又由式子： 最終推導如下公式： 代入公式計算的（3軸）（4軸） 考慮到同步帶的傳動效率，安全系數為2，則電機的最小轉矩（3軸）（4軸）所需功率為P=230W（3軸）P=0.524W（4軸）3軸選擇安川SGM7J系列，為了保持絲杠斷電后的狀態，選擇帶保持制動器的電機，詳細代號為SGM7J04A7C6E。.4軸選擇安川SGM7J系列，詳細代號為SGM7JA5A7A61。詳細數據見附錄2。3.23軸同步齒形帶的設計與選型為了減小機器人總體設計外形尺寸，使結構緊湊，3軸和4軸均通過同步帶傳遞運動與力矩，下面進行他們的選擇與計算。根據選擇的關節3軸的電機型號，結合同步帶不僅改變傳動方向的作用而且改變了輸出力矩的特性可以計算功率等參數。3.2.1確定同步齒形帶的計算功率考慮到速度增減、功率的高低、載荷的大小和預緊力對帶輪的影響，其功率計算公式為式中： ——考慮載荷性質和運轉時間的工況修正系數； ——傳遞的功率表3-1同步帶的工況修正系數由表3-1得=2，根據所選用電機得傳遞功率P=230w，計算得選定帶型和節距參考如圖3-1所示的圓弧齒同步帶選型圖，依據上述計算的功率Pd，轉速n，據此可以選擇同步齒形帶。圖3-1圓弧齒同步帶選型圖選定同步齒形帶帶型為3M大小帶輪齒數及節圓半徑。根據帶輪轉速和帶型，根據表3-2可確定小帶輪的最小齒數。此設計中，由于安裝尺寸限制，3軸選擇小帶輪。表3-2帶輪的最小齒數=25=50同步帶帶速計算初選中心距中心距滿足下述條件根據結構尺寸要求取帶長及齒數確定帶長的計算公式如下根據圓弧齒同步帶長度系列查得，其節線長，節線上齒數同步帶的實際中心距為計算得a=73.28mm。基本額定功率基本額定功率是各種帶型對應于基準寬度的額定功率，為各帶型的許用工作拉力，m為寬度為的帶單位長度的質量，各參數見表3-3所示。表3-3同步帶的基準寬度、許用工作拉力和單位長度的質量選擇L（輕型），算得帶寬計算同步帶帶寬計算公式如下式其中：——嚙合系數，因，取=1； ——帶長系數，按表可查得=1； ——帶基準寬度，查表確定；算得： 取bs=19mm。作用于軸上的力計算緊邊張力松邊張力最終根據以上計算參數選取寧波伏龍同步帶公司的261-3M同步帶。3.34軸同步齒形帶的設計與選型計算和選型過程基本與3軸相同。3.3.1確定同步齒形帶的計算功率功率計算公式為式中： ——考慮載荷性質和運轉時間的工況修正系數； ——傳遞的功率由表3-1得=1.5，根據所選用電機得傳遞功率P=0.524w，計算得3.3.2選定帶型和節距參考如圖3-1所示的圓弧齒同步帶選型圖，依據上述計算的功率Pd，轉速n，據此可以選擇同步齒形帶。選定同步齒形帶帶型為3M。3.3.3大小帶輪齒數及節圓半徑。=25=50