SCARA機器人裝配及結(jié)構(gòu)設計.doc

SCARA機器人裝配及結(jié)構(gòu)設計摘要Scara機器人是一種由三個自由度組成的平面關(guān)節(jié)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(yè)，家用電器業(yè)，精密機械業(yè)等領域。整個系統(tǒng)由機器手，機器臂，關(guān)節(jié)，步進電機驅(qū)動系統(tǒng)等組成。通過各自由度步進電機的驅(qū)動，完成機器手，機器臂的位置變化。具體設計內(nèi)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(jié)構(gòu)強度的基礎上，我們對scara機器人的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計。本論文著重研究scara機器人的結(jié)構(gòu)設計和運動學分析。在論文開始首先介紹了機器人的發(fā)展及其分類情況。在論文第二，三章具體敘述了scara機器人的結(jié)構(gòu)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(guān)鍵詞：scara機器人，步進電機，結(jié)構(gòu)設計，機器臂StructureDesignofSCARAAssemblyManipulatorAbstractASCARArobotisarobotofplaneandjointcomposedofthreedegreesoffreedom.Itsmostlyfunctionisusedtocompletetransitionandmotionofexactapparatusesandobjects.Becauseofitssmallvolumeandsimpledriveprinciple,itiswidelyusedinthefieldofelectronicandelectricindustry,home-usedelectric-wareindustryandexactmechanism.Thewholesystemiscomposedofmanipulatorhand,manipulatorarm,jointsandsteppermotordrivingsystem.Bysteppermotorsdrivingofeachdegreeoffreedom,itcompleteslocationchangeofmanipulatorhandandmanipulatorarm.Theidiographicdesigningcontentisdesigningofin-phasetooth-shapestrap,designingofsilk-barnut,designingofshellandaxisandthechoiceofsteppermotors.Onthebaseofcheckingitsstructureintensity,whileitsatisfied,weoptimizedesigningofthestructureofSCARArobots.Thispaperputitsemphasesonresearchofitsstructuredesigningandkinematicsanalysis.Atthebeginningofthispaper,itintroducesthedevelopmentandsortofrobots.Inthesecondandthirdchapter,itintroducesdetaileddetailamongtheprocessingofthestructuredesigningofaSCARArobotanditskinematicsanalysis.Atthelast,thispapergivessomemeasuresaboutimprovingofSCARArobots,andgivesaexpectationaboutitsfuture.KeyWords:SCARArobots,steppermotor,structuredesign,manipulatorarm目錄摘要iAbstractii第一章緒論11.1機器人的特點11.2機器人的構(gòu)成及分類11.2.1機器人的構(gòu)成11.2.2機器人的分類31.3機器人的應用與發(fā)展41.3.1機器人的應用41.4SCARA機器人的研究意義61.4.1SCARA機器人的研究意義61.4.2SCARA機器人的特點71.5本文的研究內(nèi)容8第二章SCARA機器人結(jié)構(gòu)設計92.1SCARA機器人傳動方案的比較及確定92.2各自由度步進電機的選擇112.2.1第一自由度步進電機的選擇122.2.2第二自由度步進電機的選擇:122.2.3第三自由度步進電機的選擇132.3同步齒形帶傳動設計142.4絲杠螺母設計182.4.1絲杠耐磨性計算182.4.2絲杠穩(wěn)定性計算192.4.3絲杠剛度計算192.4.4絲杠和螺母螺紋牙強度計算202.4.5螺紋副自鎖條件校核212.5各輸出軸的設計212.5.1機身輸出軸設計212.5.2大臂輸出軸設計222.5.3帶輪軸設計:222.5.4升降軸設計222.6殼體設計23第三章SCARA機器人運動學分析253.1引言253.2SCARA機器人正運動學分析253.2.1SCARA機器人連桿坐標系的建立253.2.2SCARA機器人正運動學問題273.3SCARA機器人逆運動學分析293.4本章小結(jié)31第四章總結(jié)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(chǎn)自動化的進一步發(fā)展是柔性自動化。機器人可隨其工作環(huán)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(fā)揮很好的功用，是柔性制造系統(tǒng)(FMS)中的一個重要組成部分。2.擬人化。機器人在機械結(jié)構(gòu)上有類似人的行走、腰轉(zhuǎn)、大臂、小臂、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(huán)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(zhí)行不同的作業(yè)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(zhí)行不同的作業(yè)任務。4.機電一體化。機器人技術(shù)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(shù)的應用，特別是計算機技術(shù)的應用密切相關(guān)。因此，機器人技術(shù)的發(fā)展必將帶動其它技術(shù)的發(fā)展，機器人技術(shù)的發(fā)展和應用水平也可以從一個方面驗證一個國家科學技術(shù)和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和水平。1.2機器人的構(gòu)成及分類1.2.1機器人的構(gòu)成一個機器人系統(tǒng)，一般由操作機、驅(qū)動單元、控制裝置和為使機器人進行作業(yè)而要求的外部設備組成。1.操作機(又稱執(zhí)行系統(tǒng))操作機是機器人完成作業(yè)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(gòu)成。(1)末端執(zhí)行器又稱手部，是操作機直接執(zhí)行工作的裝置，并可設置夾持器、工具、傳感器等，是工業(yè)機器人直接與工業(yè)對象接觸以完成作業(yè)的機構(gòu)。(2)手腕是支承和調(diào)整末端執(zhí)行器姿態(tài)的部件，主要用來確定和改變末端執(zhí)行器的方位和擴大手臂的動作范圍，一般具有2-3個回轉(zhuǎn)自由度以調(diào)整末端執(zhí)行器的姿態(tài)。有些專用機器人可以沒有手腕而直接將末端執(zhí)行器安裝在手臂的端部。(3)手臂它由操作機的動力關(guān)節(jié)和連接桿件等構(gòu)成，是用于支承和調(diào)整手腕和末端執(zhí)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(jié)(如關(guān)節(jié)型就可能有多節(jié))，所以，它有時還應包括肘和肩的關(guān)節(jié)，即手臂和手臂間(靠近末端執(zhí)行器的一節(jié)通常叫小臂，靠近機座的，通常叫大臂)，手臂與機座間用關(guān)節(jié)連接，因而擴大了末端執(zhí)行器姿態(tài)的變化范圍和運動范圍。(4)機座有時稱為立柱，是工業(yè)機器人機構(gòu)中相對固定并承受響應力的基礎部件?？煞止潭ㄊ胶鸵苿邮絻深悾苿邮綑C座下部安裝了移動機構(gòu)，它可以擴大機器人的活動范圍。2.驅(qū)動單元它是由驅(qū)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(qū)動器是將電能或流體能等轉(zhuǎn)換成機械能的動力裝置，通常是電動機、液壓或氣動裝置。驅(qū)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(guī)定的要求動作。控制裝置包括檢測(如傳感器)和控制(如計算機)兩部分，可用來控制驅(qū)動單元，檢測其運動參數(shù)是否符合規(guī)定要求，并進行反饋控制。這就是閉環(huán)控制。如果沒有反饋控制，就是較簡單的開環(huán)控制。4.人工智能系統(tǒng)對于智能機器人，還應有人工智能系統(tǒng)。它主要由兩部分組成，一部分為感覺系統(tǒng)(硬件)，主要靠各類傳感器來實現(xiàn)其感覺功能。另一部分為決策一規(guī)劃智能系統(tǒng)(軟件)，它包括邏輯判斷、模式識別、大容量數(shù)據(jù)庫和規(guī)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(fā)展階段的機器人還沒有統(tǒng)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(jù)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(guān)、機械擋塊來控制其工作位置。工作對象單一，動作較少，結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)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(chǎn)為特點的柔性制造系統(tǒng)中。2.按使用行業(yè)、部門和用途分類(1)工業(yè)機器人它們又可按作業(yè)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(yī)療機器人，家用機器人，教學機器人等。3.按機械結(jié)構(gòu)、坐標系特點分類按機械結(jié)構(gòu)坐標系特點可分為直角坐標型；圓柱坐標型；球坐標型；多關(guān)節(jié)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(zhí)行器的位置和姿態(tài)，完成預定的操作要求。目前應用的工業(yè)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(xù)軌跡控制(CP)機器人機器人的各關(guān)節(jié)同時作受控運動，準確控制機器人末端執(zhí)行器按預定的軌跡和速度運動，并能控制末端執(zhí)行器沿曲線軌跡上各點的姿態(tài)。弧焊、噴漆和檢測機器人等均屬連續(xù)軌跡控制方式。5.按驅(qū)動方式分類按驅(qū)動方式可分為液壓驅(qū)動式、氣動式、電力驅(qū)動式(這是目前用得最多的一類)6.根據(jù)機器人的功能水平和技術(shù)的先進程度按“代”分類(1)第一代機器人其特點是采用開關(guān)量控制，示教再現(xiàn)控制或數(shù)字控制，其作業(yè)路徑和運動參數(shù)需通過示教或編程給定。60年代以來，工業(yè)中實際應用的絕大多數(shù)工業(yè)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(yè)機器人具有記憶裝置的示教再現(xiàn)型機器人，數(shù)控型搬運機器人等。(2)第二代機器人是70年BANNED始出現(xiàn)的，其技術(shù)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