内容发布更新时间 : 2024/5/19 18:16:27星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

SCARA机器人装配及结构设计

摘 要

Scara 机器人是一种由三个自由度组成的平面关节型机器人，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，被广泛运用于电子电气业，家用电器业，精密机械业等领域。整个系统由机器手，机器臂，关节，步进电机驱动系统等组成。通过各自由度步进电机的驱动，完成机器手，机器臂的位置变化。具体设计内容为：同步齿形带传动设计，丝杠螺母设计，各输出轴和壳体的设计,步进电机的选择等。在校核满足其结构强度的基础上，我们对scara 机器人的结构进行优化设计。

本论文着重研究scara 机器人的结构设计和运动学分析。在论文开始首先介绍了机器人的发展及其分类情况。在论文第二，三章具体叙述了scara 机器人的结构设计和运动学分析的详细过程。在论文末尾还对scara 机器人进一步改进措施和应用展望进行了阐述。

关键词：scara 机器人，步进电机，结构设计，机器臂

Structure Design of SCARA Assembly Manipulator Abstract

A SCARA robot is a robot of plane and joint composed of three degrees of freedom. Its mostly function is used to complete transition and motion of exact apparatuses and objects. Because of its small volume and simple drive principle, it is widely used in the field of electronic and electric industry, home-used electric-ware industry and exact mechanism. The whole system is composed of manipulator hand, manipulator arm, joints and stepper motor driving system. By stepper motor’s driving of each degree of freedom, it completes location change of manipulator hand and manipulator arm. The idiographic designing content is designing of in-phase tooth-shape strap, designing of silk-bar nut, designing of shell and axis and the choice of stepper motors. On the base of checking its structure intensity, while it satisfied, we optimize designing of the structure of SCARA robots.

This paper put its emphases on research of its structure designing and kinematics analysis. At the beginning of this paper, it introduces the development and sort of robots. In the second and third chapter, it introduces detailed detail among the processing of the structure designing of a SCARA robot and its kinematics analysis. At the last, this paper gives some measures about improving of SCARA robots, and gives a expectation about its future.

Key Words: SCARA robots, stepper motor, structure design, manipulator arm

目 录

摘 要 i

Abstract ii

第一章 绪论 1

1.1 机器人的特点 1

1.2 机器人的构成及分类 1 1.2.1 机器人的构成 1 1.2.2 机器人的分类 3 1.3 机器人的应用与发展 4 1.3.1 机器人的应用 4

1.4 SCARA机器人的研究意义 6 1.4.1 SCARA机器人的研究意义 6 1.4.2 SCARA机器人的特点 7 1.5本文的研究内容 8

第二章 SCARA机器人结构设计 9 2.1 SCARA机器人传动方案的比较及确定 9 2.2 各自由度步进电机的选择 11 2.2.1 第一自由度步进电机的选择 12 2.2.2 第二自由度步进电机的选择: 12 2.2.3 第三自由度步进电机的选择 13 2.3 同步齿形带传动设计 14 2.4 丝杠螺母设计 18

2.4.1 丝杠耐磨性计算 18 2.4.2 丝杠稳定性计算 19 2.4.3 丝杠刚度计算 19

2.4.4 丝杠和螺母螺纹牙强度计算 20 2.4.5 螺纹副自锁条件校核 21 2.5 各输出轴的设计 21 2.5.1 机身输出轴设计 21 2.5.2 大臂输出轴设计 22 2.5.3 带轮轴设计: 22 2.5.4 升降轴设计 22 2.6 壳体设计 23

第三章 SCARA机器人运动学分析 25 3.1 引言 25

3.2 SCARA机器人正运动学分析 25

3.2.1 SCARA机器人连杆坐标系的建立 25 3.2.2 SCARA机器人正运动学问题 27 3.3 SCARA机器人逆运动学分析 29 3.4 本章小结 31 第四章 总结与展望 32 参 考 文 献 33 致 谢 34

第一章 绪论

1.1 机器人的特点

机器人最显著的特点有以下几个:

1.可编程。生产自动化的进一步发展是柔性自动化。机器人可随其工作环境变化的需要而再编程，因此它在小批量多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用，是柔性制造系统 (FMS)中的一个重要组成部分 。

2.拟人化。机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有电脑。此外，智能化机器人还有许多类似人类的 “生物传感器”，如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器、语言功能等.传感器提高了机器人对周围环境的 自适应能力。

3.通用性。除了专门设计的专用机器人外，一般机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性。比如，更换机器人手部末端操作器 (手爪、工具等)便可执行不同的作业任务。 4.机电一体化。机器人技术涉及的学科相当广泛，但是归纳起来是机械学和微电子技术的应用，特别是计算机技术的应用密切相关。

因此，机器人技术的发展必将带动其它技术的发展，机器人技术的发展和应用水平也可以从一个方面验证一个国家科学技术和工业技术的发展和水平 。

1.2 机器人的构成及分类 1.2.1 机器人的构成

一个机器人系统，一般由操作机、驱动单元、控制装置和为使机器人进行作业而要求的外部设备组成。

1.操作机(又称执行系统)

操作机是机器人完成作业的实体，它具有和人手臂相似的动作功能，是可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置。通常由下列部分构成 。

(1)末端执行器又称手部，是操作机直接执行工作的装置，并可设置夹持器、工具、传感器等，是工业机器人直接与工业对象接触以完成作业的机构。

(2)手腕是支承和调整末端执行器姿态的部件，主要用来确定和改变末端执行器的方位和扩大手臂的动作范围，一般具有 2-3个回转自由度以调整末端执行器的姿态。有些专用机器人可以没有手腕而直接将末端执行器安装在手臂的端部。

(3)手臂 它由操作机的动力关节和连接杆件等构成，是用于支承和调整手腕和末端执行器位置的部件。手臂有时不止一条，而且每条手臂，也不一定只有一节 (如关节型就可能有多节)，所以，它有时还应包括肘和肩的关节，即手臂和手臂间(靠近末端执行器的一节通常叫小臂 ，靠近机座的，通常叫大臂 )，手臂与机座间用关节连接，因而扩大了末端执行器姿态的变化范围和运动范围。

(4)机座有时称为立柱，是工业机器人机构中相对固定并承受响应力的基础部件。可分固定式和移动式两类，移动式机座下部安装了移动机构，它可以扩大机器人的活动范围。 2.驱动单元

它是由驱动器、减速器、检测元件等组成的组件 ，是用来为操作机各部件提供动力和运动的装置。驱动器是将电能或流体能等转换成机械能的动力装置，通常是电动机 、液压或气动装置。驱动形式不同，传动装置也有所不同。

3.控制装置

它是由人对机器人的启动 、停机及示教进行操作的一种装置，它指挥机器人按规定的要求动作。控制装置包括检测 (如传感器)和控制(如计算机)两部分，可用来控制驱动单元，检测其运动参数是否符合规定要求，并进行反馈控制。这就是闭环控制。如果没有反馈控制，就是较简单的开环控制。