【精编】多关节SCARA四轴机器人底座设计.pdf

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1、课程名称：机械综合应用设计设计题目：多关节 SCARA 四轴机器人底座部分设计院系：专业班级：学号：姓名：年月日课程设计任务书专业姓名学号开题日期：年月日完成日期：年月日题目多关节 SCARA 四轴机器人底座部分设计一、设计的目的通过本次设计了解并熟悉设计原理、设计步骤；熟悉并掌握多关节 SCARA 四轴机器人底座部分驱动部分、传动部分的元器件；熟悉并掌握多关节 SCARA 四轴机器人底座部分的结构设计和建模并进行校核。指导教师：二、设计的内容及要求设计多关节 SCARA 四轴机器人的驱动方案和传动方案；通过计算选出相应的驱动电机和传动装置；实现多关节 SCARA 四轴机器人底座部分的结构设计

2、，给定具体尺寸并实现建模，最后给出整体装配和底座部分工程图；选择关键零件部位进行强度校核并说明尺寸参数。三、指导教师评语四、成绩指导教师 (签章)年月日摘要平面关节型机器人，即SCARA（Selectively Compliance Assembly Robot Arm，选择性装配关节机器臂）型，是一种由四个自由度（三个旋转自由度，一个移动自由度）组成的平面关节型机器人。它的前两个关节可以在水平面上左右自由旋转。第三个关节由一个金属杆和夹持器组成，该金属杆可以在垂直平面内向上和向下移动或围绕其垂直轴旋转，但不能倾斜。这种独特的设计使四轴机器人具有很强的刚性，可控制机器人实现高速点位运动，空间直

3、线插补运动，空间圆弧插补等功能，从而使它们能够胜任高速和高重复性的工作。它的主要作用是可以完成精密仪器和物体的搬运和移动。由于体积小，传动原理简单，SCARA 机器人被广泛运用于电子电气业、家用电器业、精密机械业等领域。本论文着重研究SCARA 机器人底座部分的设计、关节1 的设计，即底座部分的结构设计、大臂和底座的连接设计。设计过程中，先确定设计方案，对驱动电机和传动装置进行计算并选择。然后对大臂与底座的连接部分进行选择和强度校核。其次，利用 SOLIDWORKS对底座部分进行建模，包括臂驱动电机和减速器的建模、大臂和底座连接方式的建模和底座部分的外壳建模。最后，利用软件进行结构材料的选择和

4、强度校核。同时，结构设计也要考虑与大臂设计部分相配合，其中包括尺寸、接口参数和形状。关键词：SCARA 机器人；底座部分；结构设计；大臂和底座的连接；强度校核AbstractSCARA robot,namely SCARA(Selectively Compliance Assembly Robot Arm,selective assembly joint robot arm),is a kind of four degrees of freedom(three rotational degrees of freedom,a freedom of movement)SCARA robot.The

5、 first two joints can rotate freely on the horizontal plane.The third joint consists of a metal rod and holder,which can move up and down in a vertical plane or rotate around its vertical axis,but it cant tilt.This unique design makes the four axis robot has strong rigidity,can control the robot to

6、realize high speed point-to-point movement,space linear interpolation,circular interpolation function space,so that they can be qualified for high speed and high repetitive work.Its main function is to complete the movement and movement of precision instruments and objects.Because of its small size

7、and simple driving principle,SCARA robot has been widely used in electronic and electrical industry,household appliance industry,precision machinery industry and other fields.This thesis focuses on the design of the base of the SCARA robot and the design of the joint 1,that is,the structural design

8、of the base part and the connection design of the big arm and the base.In the design process,the design scheme is determined first,and the drive motor and transmission device are calculated and selected.Then,the connecting part of the large arm and the base is selected and checked for strength.Secon

9、dly,the SOLIDWORKS is used to model the base part,including the modeling of the arm drive motor and reducer,the modeling of the connection mode of the large arm and the base and the shell modeling of the base part.Finally,the software is used to select the structure material and strength check.At th

10、e same time,the structural design should also be considered in conjunction with the large arm design,which includes dimensions,interface parameters,and shapes.Keyword:SCARA robot;Base part;Structural design;The connection of the large arm and the base;Strength checking目录第 1 章 绪论.11.1 SCARA 工业机器人概述 .

11、11.2 设计的目的与意义.11.3 设计任务 .31.4 设计思路 .4第 2 章 底座的设计方案.52.1 底座部分的设计方法.52.2 设计方案的选择.52.2.1 总体传动方案的比较.52.2.2 驱动电机类型的比较.62.2.3 减速器类型的比较.72.3 机械传动方案的确定.7第 3 章 结构设计与计算.93.1 大臂关键零部件的计算.93.1.1 驱动电机的计算和选择.103.1.2 谐波减速器的计算和选择.103.2 底座外壳的设计.113.3 底座的元器件安装结构.11第 4 章 强度校核.124.1 底座大臂连接强度校核.124.2 底座外壳应变.13第 5 章 装配关系.

12、145.1 底座元器件.145.2 底座具体连接.155.2.1 底板的连接.155.2.2 谐波减速器的固定.165.2.3 减速器与电机的连接.165.2.4 后盖的连接.175.3 其他部件 .18第 6 章 结论.196.1 总结.196.2 展望.19参考文献 .20第1章 绪论1.1 SCARA 工业机器人概述SCARA 工业机器人是一种圆柱坐标型的工业机器人。它依靠两个旋转关节实现X-Y平面内的快速定位，依靠一个移动关节和一个旋转关节在Z 方向上做伸缩和R方向上做旋转运动。这种结构特性使得scara 机器人擅长从一点抓取物体，然后快速的安放到另一点，因此 SCARA 机器人在自动

13、装配生产线上得到了广泛的应用。它有以下特点：（1）适应工业场合，能够稳定的长时间无故障运行；（2）能够大批量生产；（3）价格上适应我国国情，满足企业成本核算需求；（4）适用于简单、重复的小载荷搬运工位，效率高，节省成本。它的系统特点如下：（1）采用众为兴高性能控制器，可控制机器人实现高速点位运动，空间直线插补运动，空间圆弧插补等功能；系统扩展性强，参数配置简单，易于维护；（2）基于高性能处理芯片的机器人功能部件保证了系统的实时控制与调度，实现多伺服功能部件的联动与插补；（3）系统界面简洁大方，提供丰富的显示及监控信息；（4）机器人语言指令系统简单易学，能满足绝大部分工业需求。1.2 设计的目的

14、与意义工业机器人根据机械结构和坐标系特点可分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型和关节坐标型的机器人。关节坐标型机器人的结构类似于人手臂，其位置和姿态完全由旋转运动实现，而平面关节型机器人，即SCARA 机器人可看作关节坐标型机器人的特例。机器人如图1.1、图 1.2 所示具有四个关节，三个旋转关节轴线相互平行，实现平面内定位和定向，此外，附加一个滑动关节，实现末端件垂直运动。它最显著的特点是在水平方向上的运动具有较大的柔性，而垂直方向具有很强的刚性，这种选择性的柔性，被广泛用于高效率的装配、焊接、密封和搬运等领域。同时，它还具有动作快、重复精度高、部件少、多种安装方式、基本免维修等优点。图 1

15、.1 SCARS 机器人图 1.2 SCARA 机器人简图目前，应用于装配作业的还有六轴机器人，虽然它可能更加迅速和低廉，但在动作相对简单，而又需要有高产量的环境中，四轴机器人具有绝对优势，因为其运动轨迹为圆柱型，相对运动轨迹成球型的六轴机器人而言，它更加适应那些需要往返运动的工作环境。并且，新一代的机器人，不仅整合了智能技术，更换了流线型部件，而且它能够移动的有效载荷更大，电缆更简介，空间更节省，比如即公司的机器人和最新公布的型重型机器人。1.3 设计任务如图表 1.1 是本次设计的设计要求及设计参考参数。表 1.1 SCARA 四轴机器人设计参考参数规格参数轴规格X轴臂长/回转范围350m

16、m、115oY轴臂长/回转范围350mm、115oZ 轴有效行程300mm R轴回转范围 360o速度X、Y轴合成3.3m/s Z 速度1m/s R速度360/s 电机规格X 400w Y 200w Z 200w(带刹车)R 100w 重复定位精度X 0.08mm Y 0.08mm Z 0.02mm R 0.02 最大负载5KG 本体重量26KG 本次设计要求完成底座部分的设计，具体任务包括：（1）收集相关资料，确定设计思路；（2）通过分析 SCARA 机器人的结构，确定设计方案；（3）对底座部分进行结构设计；（4）对大臂与底座连接部分等进行强度计算；（5）采用有限元分析软件对主要受力构件进行

17、强度校核；（6）绘制底座部分工程图；（7）完成设计说明书的书写。1.4 设计思路设计过程中，先确定设计方案，对驱动电机和传动装置进行计算并选择。然后对大臂与底座的连接部分进行选择和强度校核。其次，利用 SOLIDWORKS对底座部分进行建模，包括臂驱动电机和减速器的建模、大臂和底座连接方式的建模和底座部分的外壳建模。最后，利用软件进行结构材料的选择和强度校核。同时，结构设计也要考虑与大臂设计部分相配合，其中包括尺寸、接口参数和形状。第 2 章 底座的设计方案2.1 底座部分的设计方法本次设计的底座装置是指底座部分的结构设计，也包括底座与大臂部分的连接问题。因此本次设计主要负责第一关节即表1.1

18、 中 X轴的设计。驱动第一关节转动需要驱动电机。大臂末端速度为nrrv2（2-1）由公式（2-1）得，大臂旋转转速为min/90min/35.0*23.3*60260rrrvn（2-2）而实际电机转速min/90rnN，因此需要减速装置。在选定驱动电机和减速器以后按照考虑到它们的尺寸再预留一定电缆的空间以实现控制器安置的原则确定底座外壳内径尺寸。然后根据要求确定外径尺寸。考虑到该机器人本要应用于工厂装配、物料搬运，一般安装在工作台上，确定底座部分与工作台的连接，设计连接部分，实现机器人的固定。确定底座材料和加工工艺。减速器顶部设有连接部分，选择相应连接方式实现强度校核。2.2 设计方案的选择2

19、.2.1 总体传动方案的比较总体传动方案初步选择两种传动方案。方案一：第一二旋转自由度均选择减速电机传动，精度高，传动比高，效率高，噪音小，振动小，传动部分的零件都是标准件，易购买，安装方便。第三移动和第四旋转自由度选择同步带传动，传动精度高，结构紧凑，传动比恒定，传动功率大，效率高，但安装要求高，负载能力有限。方案二：第一旋转自由度选择齿轮减速传动，第二旋转自由度采用二级同步齿形带传动，但安装都要求较高，结构也较复杂。第三移动自由度选择步进减速电机直接驱动丝杠螺母传动，变旋转运动为直线运动，但相对同步齿形带重量较大，需要电机输出转矩较大，加工要求高。第四自由度设计同方案一。两种方案理论上均可

20、实现，但方案一结构简单，部件少且较多标准件，较易实现。方案二结构复杂，较多使用齿轮，需专门设备加工，且定位部件形状多不规则，加工和安装均比较复杂。综合考虑，本机器人总体设计初选方案一，如图2-1。图 2-1 总体设计示意图第一自由度和第二自由度回转范围都为115，可设置限位开关实现机器人控制轴的相对位置定位，并确保关节轴不超过其行程范围，保证了机器人本体和操作者的安全。2.2.2 驱动电机类型的比较在机器人驱动电机的选用方面，目前机器人电机主要如表2.1 四种：表 2.1 机器人电机的对比电机名称性能特点应用场合步进电机可直接实现数字控制，结构简单，控制性能好，成本低廉；通常不需要反馈就能对位

21、置和速度进行控制，可以以实现自锁功能，转矩恒定；位置误差不会积累；定位性能好。在 控 制 领 域 应 用 较 为 广泛，适于传动功率不大的关节或小型机器人。直流伺服电机调速特性好，启动力矩大，相对功率大，快速响应。但结构复杂，成本较高，需要外围转换电路与微机配合实现数字控制，同时电刷放电对实际工作有影响。各类数字控制系统中的对驱动装置的转速有较高的控制要求和精度的装备。交流伺服电机结构简单，运行可靠，使用维修方便，价格较昂贵。调速性能好，响应速度快。增量式码盘的反馈可达到很高的精度。可以实现很大的启动功率，提供很高的响应速度。各类数字和运动控制系统。液压伺服马达具有较大的功率体积比，运动平稳，

22、定位精度高，负载能力大，能够抓住重负载而不产生滑动。但是，定位精度低，其费用较高，其液压系统经常出现漏油现象。大功率机械装备。参考本课题技术要求和设计用途主要是装配作业，机器人负载不大，要求整机重量轻，且作业范围不大，要求机器人体积小的特点，本设计中机器人四个关节均选用交流伺服电机驱动。2.2.3 减速器类型的比较在减速器选用方面，目前机器人的传动系统中主要采用减速器或谐波减速器。减速器是近几年发展起来的以两级减速和中心圆盘支撑为主的全封闭式摆线针轮减速器，与其它减速方式相比，减速器具有减速比大、同轴线传动、传动精度高、刚度大、结构紧凑等优点，适用于重载、高速和高精度场合。谐波减速器也具有传动

23、比大，承载能力大，传动精度高，传动平稳，传动效率高，结构简单、体积小，重量轻等优点，而且相对于减速器，其制造成本要低很多，所以本设计中采用谐波减速机。2.3 机械传动方案的确定由于主轴处于机器人小臂末端，相对线速度大，对重量与惯量特别敏感，所以传动方式要求同时实现轴方向直线运动和绕轴的回转运动，并要求其结构紧凑、重量轻。因此，三四关节的传动设计需重点考虑，根据以上方案初选，结合本项目特点，最终选择同步齿形带联合滚珠丝杠以实现轴垂直运动，而用同步齿形带联合带键的滑动轴套来实现轴旋转运动。各关节的传动方案最终确定如下：1 轴（大臂回转）：伺服电机1-谐波减速器-大臂。2 轴（小臂回转）：伺服电机1

24、-谐波减速器-小臂。3 轴（主轴垂直直线运动）：伺服电机3-同步齿形带-丝杠螺母-主轴。4 轴（主轴旋转）：伺服电机4-同步齿形带-滚珠丝杆花键-主轴。第 3 章 结构设计与计算3.1 大臂关键零部件的计算设定各部分的质量：机座kgm10，大臂质量kgm71，小臂质量kgm52，手腕质量kgm33。工作载荷。假设机器人大小臂及手腕相对于各自重心的转动惯量分别是、，由平行轴定理求得机座旋转轴的转动惯量为：（3-1）式中：、为大臂、小臂、手腕的估计质量；、分别为各重心到关节1 的距离，分别取为180mm，450mm，550mm。、，故、这里忽略不计，所以轴的等效转动惯量为：（3-2）由式（3-2）

25、计算得到轴的等效转动惯量是2115.2mKgJ?机器人大臂从00到s/5401，所需时间st1，启动转矩为（3-3）由式（3-3）计算可得mNT?3.201,考虑摩擦力矩、，假设mNT?241（3-4）取电机的转速为n电机=3000 r/min，大臂旋转速度为1m/s。大臂旋转转速为min/3.27min/35.0*21*60260rrrvn（3-5）取 n=25r/min,则传动比为:i=n电机/n=3000/25=120 （3-6）假设谐波减速器的传动效率为90%，取安全系数为 1.5，故电机输出端的负载力矩为mNiTTout?33.09.0*1205.1*24*5.1*11（3-7）谐波

26、减速器的最小输出转矩为mNTT?365.111min（3-8）3.1.1 驱动电机的计算和选择可选得大臂伺服电机型号为TS4609N7190，表 3.1 是该伺服电机的参数：表 3.1 大臂伺服电机性能参数带刹车，伺服驱动器型号：QX04NH/QX04NP 法兰规格额定功率额定转矩额定线电流额定转速额定线电压转子惯量轴径机身长mmkWmN?Amin/rV4210*?mkgmmmm60 0.4 1.27 3.3 3000 200 0.44 14 132.7 3.1.2 谐波减速器的计算和选择可选得谐波减速器型号是CSF-20-120-2UH-LW，表 3.1 是该谐波减速器的参数：表 3.2 C

27、SF-20型号性能参数减速比2000r/min输入时的瞬时转矩启 停 的 峰值转矩平均负载转矩的最大容许值瞬 间 容 许最大转矩最高输入转速（润 滑 脂 润滑）mN?mN?mN?mN?min/r120 40 87 49 147 6500 3.2 底座外壳的设计考虑到电机、谐波减速器的尺寸，还要预留一些控制线路的空间，设计内径为?160mm，外径为?180mm 的底座外壳。底座外壳不存在强度问题，只需要考虑其受压。铝合金强度高、塑性好且重量轻，因此，底座外壳的材料选择为A6061。考虑其受压情况，采用铸造成型加工，厚度为10mm。3.3 底座的元器件安装结构图 3-1 是底座元器件简易图，由此可

28、看出元器件的摆放位置与连接关系。如图所示，底板 1 与外壳 2 连接，外壳 2 与谐波减速器4 相连接。电机3 倒装在最底部，电机输出轴插入谐波减速器4 与减速器连接。谐波减速器通过5 螺钉组 8*M8 与大臂 6相连实现第一关节的运动和运动的输出。图 3-1 底座元器件简易图图 3-2 底座结构设计建模图第 4 章 强度校核4.1 底座大臂连接强度校核本次设计中大臂和底座连接选用的是8个按圆形阵列均匀分布的M8*25的螺钉组。表 4.1 M8 螺钉的参数类别规格牙距 mm 成品外径 mm 线径最大最厚mm02.0国际粗牙 60M8 1.25 7.96 7.79 7.02 把螺钉组的受力简化成

29、图4.1 所示。图 4.1 底座与大臂连接螺钉组受力由图可知，螺钉组受到转矩，设大臂旋转加速度为，则转矩（4-1）设螺钉预紧力为，各螺钉轴线到螺钉组中心的距离为r，即 r=27.5mm。则 (4-2)其中，结合面的摩擦系数；第 个螺钉的轴线到螺钉组对称中心O的距离，mm；螺钉数目；防滑系数。取，由式（4-2）得。选用螺钉材料为Q235，性能等级为4.6 的螺钉。查得，240MPas。取安全系数4S。故螺钉材料的许用应力为MPaMPSS60a4240（4-3）M8螺钉小径为mm647.6d1。（4-4）所以，大臂与底座连接强度符合要求。4.2 底座外壳应变图 4.2 是外壳应变情况。图 4.2

30、底座外壳应变由图 4.2 可知，底座外壳应变很小基本可以忽略不计，所以外壳厚度设为10mm，由铝合金制造符合要求。第 5 章 装配关系5.1 底座元器件图 5.1 所示是底座部分整体爆炸图。图 5.1 整体爆炸图由 3.1 节可知，可知道底板与外壳有连接关系，外壳与谐波减速器有连接关系。电机与谐波减速器有连接关系。谐波减速器与大臂有连接关系。由于要安置控制线，需要添加一个外壳，后盖与外壳有要添加连接关系。5.2 底座具体连接5.2.1 底板的连接图 5.2 底板的连接关系如图 5.2 所示。底板与外壳连接时选用6*M6螺钉组，其中心在?85.5mm的圆上，选用沉头螺钉；底板与工作台连接处选用4

31、*M8 螺母连接，其中心现在?103mm 的圆上。5.2.2 谐波减速器的固定图 5.3 减速器与外壳的连接如图 5.3，谐波减速器自带6 个孔，此时，在外壳上方开6 个孔，用 6*M6的沉头螺钉组与谐波减速器法兰相连起固定作用。5.2.3减速器与电机的连接图 5.4 减速器与电机的连接电机和谐波减速器选用12*M6沉头螺钉组连接。5.2.4 后盖的连接由于要安置控制线路，设计在外壳底部加工出一个类似于矩形的截面的类似梯形的通槽，然后设计一块结合面与外壳相同的后盖如图5-5 所示。用 2*M4螺钉连接外壳和后盖。后盖可选择性打孔，实现控制线路的连接。图 5.5 后盖的设计5.3 其他部件图 5

32、.6 限位螺钉为实现第一自由度回转范围为115，保证其回转角度不超过回转范围，设计在谐波减速器上打两个孔，装上有限位螺钉，如图5-6。第 6 章 结论6.1 总结现在工业机器人已经被越来越多的公司所接受，也有更多的公司需要工业机器人来完成一些生产工作。本课题正是基于公司的实际需求而展开的研究工作。本文的底座部分设计研究工作集中在两部分：一部分是研究了机器人底座部分元器件选择，通过总结样机设计、生产设计过程，并将实践与机械设计理论、机器人学理论相结合，总结出套机器人设计方法；另一部分是实现底座部分结构设计。本课题的主要研宄成果有以下几点：（1）设计并生产出了底座部分样机，并进行了结构完善。（2）

33、通过总结设计生产过程，总结了一套机器人设计方法，包括驱动电机选择、减速器选择。（3）对底座输出部分做了强度校核，做到了与实际相符合。6.2 展望本课题在总结机器人机械设计方法中，对可靠性分析这一部分的内容没有细分到各个步骤中，实际上可靠性是国产机器人非常大的一个问题；强度校核只做了简化，没有做进一步实际情况分析和工作环境。另外，也没有对控制系统做设计，也没考虑电路设计。所以有待进一步研究的问题如下：1，深入研究机器人可靠性问题。2，设计控制系统和方案，完善结构中的电路部分及控制部分连接。参考文献1 夏添.SCARA机器人的结构设计与运动控制算法研究D.武汉：湖北工业大学，2016.2 程汀.SCARA机器人的设计及运动、动力学的研究D.合肥:合肥工业大学，2008.3 方健.SCARA机器人运动控制器设计及应用研究D.长春：吉林大学，2007.4 杨林.工业机器人机械设计方法与机器人算法研究D.江门：五邑大学，2013.5 王春晖.四轴机器人的嵌入式运动控制系统设计D.杭州：浙江大学，2014.6 赵锡芳，刘劲松.精密装配机器人型号样机的研制J.高技术通讯，1996：14-16.7 濮良贵，陈定国，吴立言.机械设计第九版M.北京：高等教育出版社，2015:62-100.8 冯浩，汪建新，赵书尚.机电一体化系统设计M.武汉：华中科技大学出版社，2014：54-60.