SCARA機(jī)器人裝配及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).doc

SCARA機(jī)器人裝配及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要Scara機(jī)器人是一種由三個(gè)自由度組成的平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人，它的主要作用是可以完成精密儀器和物體的搬運(yùn)和移動(dòng)。由于體積小，傳動(dòng)原理簡單，被廣泛運(yùn)用于電子電氣業(yè)，家用電器業(yè)，精密機(jī)械業(yè)等領(lǐng)域。整個(gè)系統(tǒng)由機(jī)器手，機(jī)器臂，關(guān)節(jié)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等組成。通過各自由度步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，完成機(jī)器手，機(jī)器臂的位置變化。具體設(shè)計(jì)內(nèi)容為：同步齒形帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)，絲杠螺母設(shè)計(jì)，各輸出軸和殼體的設(shè)計(jì),步進(jìn)電機(jī)的選擇等。在校核滿足其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，我們對(duì)scara機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本論文著重研究scara機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。在論文開始首先介紹了機(jī)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(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的詳細(xì)過程。在論文末尾還對(duì)scara機(jī)器人進(jìn)一步改進(jìn)措施和應(yīng)用展望進(jìn)行了闡述。關(guān)鍵詞：scara機(jī)器人，步進(jìn)電機(jī)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)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(jī)器人的特點(diǎn)11.2機(jī)器人的構(gòu)成及分類11.2.1機(jī)器人的構(gòu)成11.2.2機(jī)器人的分類31.3機(jī)器人的應(yīng)用與發(fā)展41.3.1機(jī)器人的應(yīng)用41.4SCARA機(jī)器人的研究意義61.4.1SCARA機(jī)器人的研究意義61.4.2SCARA機(jī)器人的特點(diǎn)71.5本文的研究內(nèi)容8第二章SCARA機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)92.1SCARA機(jī)器人傳動(dòng)方案的比較及確定92.2各自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇112.2.1第一自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇122.2.2第二自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇:122.2.3第三自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇132.3同步齒形帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)142.4絲杠螺母設(shè)計(jì)182.4.1絲杠耐磨性計(jì)算182.4.2絲杠穩(wěn)定性計(jì)算192.4.3絲杠剛度計(jì)算192.4.4絲杠和螺母螺紋牙強(qiáng)度計(jì)算202.4.5螺紋副自鎖條件校核212.5各輸出軸的設(shè)計(jì)212.5.1機(jī)身輸出軸設(shè)計(jì)212.5.2大臂輸出軸設(shè)計(jì)222.5.3帶輪軸設(shè)計(jì):222.5.4升降軸設(shè)計(jì)222.6殼體設(shè)計(jì)23第三章SCARA機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析253.1引言253.2SCARA機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析253.2.1SCARA機(jī)器人連桿坐標(biāo)系的建立253.2.2SCARA機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)問題273.3SCARA機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析293.4本章小結(jié)31第四章總結(jié)與展望32參考文獻(xiàn)33致謝34第一章緒論1.1機(jī)器人的特點(diǎn)機(jī)器人最顯著的特點(diǎn)有以下幾個(gè):1.可編程。生產(chǎn)自動(dòng)化的進(jìn)一步發(fā)展是柔性自動(dòng)化。機(jī)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(gè)重要組成部分。2.擬人化。機(jī)器人在機(jī)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(jī)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(fù)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(jī)器人對(duì)周圍環(huán)境的自適應(yīng)能力。3.通用性。除了專門設(shè)計(jì)的專用機(jī)器人外，一般機(jī)器人在執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)時(shí)具有較好的通用性。比如，更換機(jī)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(wù)。4.機(jī)電一體化。機(jī)器人技術(shù)涉及的學(xué)科相當(dāng)廣泛，但是歸納起來是機(jī)械學(xué)和微電子技術(shù)的應(yīng)用，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用密切相關(guān)。因此，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展必將帶動(dòng)其它技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用水平也可以從一個(gè)方面驗(yàn)證一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和水平。1.2機(jī)器人的構(gòu)成及分類1.2.1機(jī)器人的構(gòu)成一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)，一般由操作機(jī)、驅(qū)動(dòng)單元、控制裝置和為使機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)而要求的外部設(shè)備組成。1.操作機(jī)(又稱執(zhí)行系統(tǒng))操作機(jī)是機(jī)器人完成作業(yè)的實(shí)體，它具有和人手臂相似的動(dòng)作功能，是可在空間抓放物體或進(jìn)行其它操作的機(jī)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(jī)直接執(zhí)行工作的裝置，并可設(shè)置夾持器、工具、傳感器等，是工業(yè)機(jī)器人直接與工業(yè)對(duì)象接觸以完成作業(yè)的機(jī)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(kuò)大手臂的動(dòng)作范圍，一般具有2-3個(gè)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(jī)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(jī)的動(dòng)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(shí)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(shí)還應(yīng)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(jī)座的，通常叫大臂)，手臂與機(jī)座間用關(guān)節(jié)連接，因而擴(kuò)大了末端執(zhí)行器姿態(tài)的變化范圍和運(yùn)動(dòng)范圍。(4)機(jī)座有時(shí)稱為立柱，是工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)中相對(duì)固定并承受響應(yīng)力的基礎(chǔ)部件。可分固定式和移動(dòng)式兩類，移動(dòng)式機(jī)座下部安裝了移動(dòng)機(jī)構(gòu)，它可以擴(kuò)大機(jī)器人的活動(dòng)范圍。2.驅(qū)動(dòng)單元它是由驅(qū)動(dòng)器、減速器、檢測(cè)元件等組成的組件，是用來為操作機(jī)各部件提供動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的裝置。驅(qū)動(dòng)器是將電能或流體能等轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的動(dòng)力裝置，通常是電動(dòng)機(jī)、液壓或氣動(dòng)裝置。驅(qū)動(dòng)形式不同，傳動(dòng)裝置也有所不同。3.控制裝置它是由人對(duì)機(jī)器人的啟動(dòng)、停機(jī)及示教進(jìn)行操作的一種裝置，它指揮機(jī)器人按規(guī)定的要求動(dòng)作?？刂蒲b置包括檢測(cè)(如傳感器)和控制(如計(jì)算機(jī))兩部分，可用來控制驅(qū)動(dòng)單元，檢測(cè)其運(yùn)動(dòng)參數(shù)是否符合規(guī)定要求，并進(jìn)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(duì)于智能機(jī)器人，還應(yīng)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(shí)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(shí)別、大容量數(shù)據(jù)庫和規(guī)劃操作程序等功能。1.2.2機(jī)器人的分類目前世界各國對(duì)處于發(fā)展階段的機(jī)器人還沒有統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，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(jī)器人(機(jī)械手)通常根據(jù)主機(jī)的特定要求設(shè)計(jì)成固定程序(或簡單的可變程序)。這種機(jī)器人(機(jī)械手)多為氣動(dòng)或液動(dòng)，用行程開關(guān)、機(jī)械擋塊來控制其工作位置。工作對(duì)象單一，動(dòng)作較少，結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)簡單，價(jià)格低廉。(2)可編程序的通用機(jī)器人工作程序可變，以適應(yīng)不同的工作對(duì)象，通用性強(qiáng)，適合于以多品種、中小批量生產(chǎn)為特點(diǎn)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(jī)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(cè)等機(jī)(2)采掘機(jī)器人如海洋探礦機(jī)器人等。(3)軍事用途機(jī)器人(4)服務(wù)機(jī)器人如醫(yī)療機(jī)器人，家用機(jī)器人，教學(xué)機(jī)器人等。3.按機(jī)械結(jié)構(gòu)、坐標(biāo)系特點(diǎn)分類按機(jī)械結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系特點(diǎn)可分為直角坐標(biāo)型；圓柱坐標(biāo)型；球坐標(biāo)型；多關(guān)節(jié)型。4.按機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方式分類(1)點(diǎn)位控制(PTP)機(jī)器人就是由點(diǎn)到點(diǎn)的控制方式，這種控制方式只能在目標(biāo)點(diǎn)處準(zhǔn)確控制機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)，完成預(yù)定的操作要求。目前應(yīng)用的工業(yè)機(jī)器人中，很多是屬于點(diǎn)位控制方式的，如上下料搬運(yùn)機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人等。(2)連續(xù)軌跡控制(CP)機(jī)器人機(jī)器人的各關(guān)節(jié)同時(shí)作受控運(yùn)動(dòng)，準(zhǔn)確控制機(jī)器人末端執(zhí)行器按預(yù)定的軌跡和速度運(yùn)動(dòng)，并能控制末端執(zhí)行器沿曲線軌跡上各點(diǎn)的姿態(tài)?；『?、噴漆和檢測(cè)機(jī)器人等均屬連續(xù)軌跡控制方式。5.按驅(qū)動(dòng)方式分類按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓驅(qū)動(dòng)式、氣動(dòng)式、電力驅(qū)動(dòng)式(這是目前用得最多的一類)6.根據(jù)機(jī)器人的功能水平和技術(shù)的先進(jìn)程度按“代”分類(1)第一代機(jī)器人其特點(diǎn)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(yùn)動(dòng)參數(shù)需通過示教或編程給定。60年代以來，工業(yè)中實(shí)際應(yīng)用的絕大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人都屬于第一代機(jī)器人，它包括可編程序(用于上下料)的工業(yè)機(jī)器人具有記憶裝置的示教再現(xiàn)型機(jī)器人，數(shù)控型搬運(yùn)機(jī)器人等。(2)第二代機(jī)器人是70年BANNED始出現(xiàn)的，其技術(shù)特點(diǎn)是采用計(jì)算機(jī)直接控制，是通過具有視覺、觸覺的攝像機(jī)和傳感器，能“感覺”外界信息并通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算和分析