SCARA機器人擰螺絲工作站設(shè)計【含SW三維圖紙、說明書】

本科畢業(yè)論文(設(shè)計)開題報告 論 文 題 目：SCARA 機器人擰螺絲工作站設(shè)計學 院： 專 業(yè) 、班 級：機械設(shè)計 學 生 姓 名： 年 1 月 5 日 填 畢業(yè)論文（設(shè)計）開題報告要求 開題報告既是規(guī)范本科生畢業(yè)論文工作的重要環(huán)節(jié)，又是完成高質(zhì)量畢業(yè)論文 （設(shè)計）的有效保證。為了使這項工作規(guī)范化和制度化，特制定本要求。一、選題依據(jù) 1. 論文（設(shè)計）題目及研究領(lǐng)域； 2. 論文（設(shè)計）工作的理論意義和應用價值； 3. 目前研究的概況和發(fā)展趨勢。二、論文（設(shè)計）研究的內(nèi)容1.重點解決的問題； 2. 擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計思路）； 3. 本論文（設(shè)計）預期取得的成果。三、論文（設(shè)計）工作安排 1. 擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計參數(shù)）； 2. 論文（設(shè)計）進度計劃。四、文獻查閱及文獻綜述 學生應根據(jù)所在學院及指導教師的要求閱讀一定量的文獻資料，并在此基礎(chǔ)上通過分析、研究、綜合，形成文獻綜述。必要時應在調(diào)研、實驗或?qū)嵙暤幕A(chǔ)上遞交相關(guān)的報告。綜述或報告作為開題報告的一部分附在后面，要求思路清晰，文理通順， 較全面地反映出本課題的研究背景或前期工作基礎(chǔ)。 五、其他要求 1. 開題報告應在畢業(yè)論文（設(shè)計）工作開始后的前四周內(nèi)完成； 2. 開題報告必須經(jīng)學院教學指導委員會審查通過； 3. 開題報告不合格或沒有做開題報告的學生，須重做或補做合格后，方能繼續(xù)論文（設(shè)計）工作，否則不允許參加答辯； 4. 開題報告通過后，原則上不允許更換論文題目或指導教師； 5. 開題報告的內(nèi)容，要求打印并裝訂成冊（部分專業(yè)可根據(jù)需要手寫在統(tǒng)一紙張上，但封面需按統(tǒng)一格式打?。?。 一、選題依據(jù) 1. 論文（設(shè)計）題目 SCARA 機器人擰螺絲工作站設(shè)計 2. 研究領(lǐng)域 本設(shè)計內(nèi)容涉及工業(yè)機械手結(jié)構(gòu)、運動學、動力學和控制系統(tǒng)等基礎(chǔ)知識，主要研究領(lǐng)域為平面關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)、功能設(shè)計和控制系統(tǒng)方案設(shè)計。 3．論文（設(shè)計）工作的理論意義和應用價值 工業(yè)產(chǎn)品的裝配，廣泛使用螺紋連接來緊固。大量的螺紋裝配需要人工完成，機械裝配操作仍然是高度勞動密集型的。全球工業(yè)裝配中，近 70%由螺紋連接構(gòu)成，螺紋連接占據(jù)全部裝配工作量的三分之一。以家電、家具裝配環(huán)節(jié)為例，螺紋連接所消耗的人力和工時可以達到整個生產(chǎn)線消耗總量的 1/4 到一半以上。 工業(yè)機器人根據(jù)機械結(jié)構(gòu)和坐標系特點可分為直角坐標型(3P)、圓柱坐標型(R2P)、球坐標型(2R)和關(guān)節(jié)坐標型(3R)的機器人，關(guān)節(jié)坐標型機器人的結(jié)構(gòu)類似于人手臂，其位置和姿態(tài)完全由旋轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)，而平面關(guān)節(jié)型機器人，即 SCARA 機器人可看作關(guān)節(jié)坐標型機器人的特例。SCARA 機器人結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、安裝方便、具有很好的通用性，而且動作迅速、定位精度高，此外，SCARA 機器人一般采用步進電機驅(qū)動，控制簡單，編程方便。SCARA 機器人擰螺絲工作站可代替人工特定的螺絲緊固作業(yè)，實現(xiàn)自動化裝配；操作簡單便利、高速精確；通用性強。體積小，可配合產(chǎn)線作業(yè)，更換產(chǎn)品方便，具有極高的應用價值。 4．目前研究的概況和發(fā)展趨勢 1948 年諾伯特·維納在其著作《控制論》里首次提出自動化工廠的概念，闡述了機器人和控制體系互相結(jié)合的發(fā)展規(guī)律，為機器人的控制理論奠定了基礎(chǔ)。 20 世紀 50 年代初期，位于美國伊利諾州的阿貢實驗室研發(fā)了第一代遙控式機械手來操作放射性材料，避免了科學家受到輻射的侵害。同時代的喬治·德沃設(shè)計研發(fā)了一臺可以通過程序控制的工業(yè)機器人樣機，并提出技術(shù)方案，隨后申請了專利。兩年之后隨著串聯(lián)機構(gòu)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛使用，其系統(tǒng)誤差的長期累積和空間定位精度低等因素促使人們第一次提出了示教再現(xiàn)的編程模式，并運用數(shù)控技術(shù)和機械臂的結(jié)合制造出了第一臺工業(yè)機器人，它的出現(xiàn)和新的編程理念使得重復定位精度遠超絕對定位精度，其意義影響深遠。1962 年，美國萬能自動化公司研制了一臺名為Unimate 的機器人，它采用極坐標式結(jié)構(gòu)，動作靈活、伸縮自如。而早在 4 年前， 恩格爾伯格和喬治·德沃爾創(chuàng)立了第 1 家機器人公司 Unimation，恩格爾伯格因而被稱為機器人之父。 1968 年，日本川崎公司開始學習美國公司先進的機器人制造技術(shù)，結(jié)合本國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前景開發(fā)出了一系列成本低廉，實用性較好的機器人，為日本的工業(yè)和制造業(yè)領(lǐng)域發(fā)展提供了極大的動力和推動作用，促使日本的工業(yè)制成品以物美價廉而暢銷全球市場。 從 1970 年開始，機器人應用開始在各國工業(yè)領(lǐng)域掀起一波又一波浪潮。1973 年，ASEA 公司(現(xiàn)在的 ABB)推出了世界上第一個微型計算機控制、全部電氣化的 工業(yè)機器人 IRB 一 6，為了滿足弧焊的要求，它可以進行連續(xù)的路徑移動。1978 年， 日本教授牧野洋設(shè)計出了具有 4 個自由度的可選擇柔順裝配機械手(SCARA)。1979 年 Unimafion 公司推出了一系列帶有觸覺、力覺和視覺的 PUMA 工業(yè)機器 人，它的出現(xiàn)把機器人技術(shù)帶入了智能化的時代，使得機器人技術(shù)的發(fā)展和時代要求緊密的結(jié)合在一起。 20 世紀 80 年代，隨著汽車制造業(yè)的崛起，工業(yè)機器人開始以 20%~40%的速率高速發(fā)展，機器人技術(shù)開始在汽車工業(yè)生產(chǎn)中推廣普及，這使得整個機器人技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域變得越來越重要。1984 年機器人在全球各國的數(shù)量從最開始的不足 10 萬臺，穩(wěn)步上升到 1990 年接近 30 萬臺，其中帶有嗅覺、視覺、觸覺的高性能機器人成為了新研發(fā)機器人中的主要對象，并且促進了機器視覺技術(shù)和傳感器檢測技術(shù)的穩(wěn)步成長。1985 年美國的兩家公司率先開始在工業(yè)機器人領(lǐng)域使用交流伺服技術(shù)，使得自動化控制裝備性能進一步提升。隨著裝配機器人在機器人領(lǐng)域所占比重越來越大，提高機器人的質(zhì)量和效率問題成為了各國機器人研究領(lǐng)域關(guān)注的重點。20 世紀末，柔性裝配線研發(fā)成功，以日本為代表的各國開始廣泛發(fā)展機器人產(chǎn)業(yè)，就此裝配機器人開始進入蓬勃發(fā)展的階段。 21 世紀以來，機器人在各國開始大范圍的投入使用，各國政府都加大了對機器人產(chǎn)業(yè)的投資力度。美國政府從 2011 年開始先后投入 7000 萬美元發(fā)展本國的機器人技術(shù)和先進制造技術(shù)，并制定了“先進制造業(yè)國家戰(zhàn)略計劃”，力圖使美國的制造業(yè)重新占領(lǐng)市場高點。韓國在 2014 年提出到 2018 年完成機器人產(chǎn)業(yè)的投資翻兩倍，機器人公司的數(shù)量增加一倍的目標。歐盟則聯(lián)合其下屬的 180 個公司和科研機構(gòu)一起推出家用機器人研究計劃“ SPARC”。同年，英國政府也提出機器人戰(zhàn)略 RAS2020，目標是在 2025 年使整個英國機器人產(chǎn)值在 1200 億美元左右。 我國的工業(yè)機器人研究始于 1960 年，先后發(fā)展了 50 多年，經(jīng)歷了從模仿到自主創(chuàng)新的各個階段。1972 年，我國立足于開發(fā)自己的第一代工業(yè)機器人，進入 80 年代后，機器人研究與開發(fā)和國家政策有機結(jié)合。86 年國家高新技術(shù)研究發(fā)展計劃正式提出，我國在機器人領(lǐng)域取得一系列重大科研成果，并結(jié)合國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈的實際情況陸續(xù)研制出一批工業(yè)機器人；如今以新松為代表的一批國內(nèi)企業(yè)開始推出自己品牌的機器人并逐步在市場推廣。時至今日，我國在機器人技術(shù)某些領(lǐng)域已接近國際前沿水平，但是在很多方面也面臨著不少問題。國產(chǎn)機器人產(chǎn)品較為低端、主要以三軸和四軸機器人為主，主要用于搬運和碼垛作業(yè)等。而高端制造業(yè)的機器人則長期受到國外的品牌的占據(jù)。由于機器人的關(guān)鍵制造技術(shù)和控制技術(shù)等核心問題沒有解決使得我國的機器人發(fā)展受到制約，加之國內(nèi)的生產(chǎn)機器人規(guī)模較小，使得國產(chǎn)機器人的生存空間受到了擠壓。2015 年 3 月國務院正式印發(fā)《中國制造 2025》推動中國制造業(yè)特別是高端制造業(yè)的發(fā)展，其中智能裝備和機器人技術(shù)作為今后重點支持的方向，這為提升國產(chǎn)機 器人的質(zhì)量和服務做好了鋪墊。 工業(yè)機器人的出現(xiàn),使自動擰螺絲向工業(yè)機械機械手方向發(fā)展,螺絲機具有操縱方便、控制精度高、穩(wěn)定性好、維護方便、人機界面人性化等特點。主要是采用單軸與多軸機器人自動運行及單獨動作的運行方式,實現(xiàn)了控制響應的快速性,并對擰緊扭矩及角度進行測控,保證了系統(tǒng)的精度和準確性。螺絲機的結(jié)構(gòu)組成：工業(yè)機械手、電動螺絲刀、螺絲自動上料系統(tǒng)和精裝夾具等附件。 在國外鎖螺絲設(shè)備早已應用于汽車，電腦，液晶面板，空調(diào)，線路板等行業(yè)中。1958 年美國聯(lián)合控制公司研制開發(fā)出第一臺機械手，1978 年美國 Unimate 公司、斯坦福大學和麻省理工學院聯(lián)合研制一種 Unimate-Vicarm 型工業(yè)機械手，用小型電子計算機控制，進行裝配作業(yè)，定位誤差在±1mm 內(nèi)。如美國試制一臺有觸覺和視覺的雙臂機械手，由于機械手有觸覺，所以不要求工件排列的位置很精確。若機械手在擰螺釘遇到阻力時，能將螺釘返回再擰。 當前，在國內(nèi)工廠使用的鎖螺絲裝置為深圳、東莞一些廠家生產(chǎn)的手持式鎖螺絲機和半自動鎖螺絲機。雖然手持式鎖螺絲機使螺絲輸送和鎖付一氣呵成，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)省了人力，但是手持式鎖螺絲機需要人員重復單調(diào)乏味的工作，容易劃傷產(chǎn)品外觀，造成成本增加。半自動鎖螺絲機主要是振盤式的，采用振動盤氣動元件作為驅(qū)動部件，采用 PLC 或 MCU、傳感器和接近開關(guān)聯(lián)合控制。其工作流程是螺絲由驅(qū)動部件振動排列，再由壓縮空氣高速吹到螺絲刀頭處，最后進行鎖緊作業(yè)。 隨著自動化工業(yè)的發(fā)展和生產(chǎn)效率、質(zhì)量要求的不斷提高，在國際上自動化裝配技術(shù)由人工裝配朝著半自動化、全自動化裝配的趨勢發(fā)展，SCARA 機器人擰螺絲工作站也在朝著半自動化和全自動化，便捷化，通用化的方向發(fā)展。 二、論文（設(shè)計）研究的內(nèi)容 1. 重點解決的問題 （1） SCARA 機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計及三維設(shè)計； （2） SCARA 機器人控制系統(tǒng)設(shè)計。 2. 擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計思路） （1） 擰螺絲 SCARA 機器人概況； （2） 擰螺絲 SCARA 機器人總體設(shè)計方案； （3） SCARA 機器人關(guān)鍵零部件設(shè)計及參數(shù)選擇； （4） SCARA 機器人控制系統(tǒng)設(shè)計。 3. 本論文（設(shè)計）預期取得的成果 通過學習及查閱有關(guān)資料掌握擰螺絲 SCARA 機器人的基礎(chǔ)知識，掌握機械手控制系統(tǒng)流程圖，并與機械基礎(chǔ)和三維繪圖軟件相結(jié)合，設(shè)計出符合加工需求的擰螺絲SCARA 機器人，編寫設(shè)計說明書，形成機械手三維實體建模和平面圖紙一套。 三、論文（設(shè)計）工作安排 1. 擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計參數(shù)）； 首先應當查閱相關(guān)文獻和學習相關(guān)書籍，進行知識儲備，設(shè)計符合加工需求的擰螺絲 SCARA 機器人和控制系統(tǒng)流程圖；然后運用三維繪圖軟件，進行機械手三維實體建模，并將其轉(zhuǎn)換成平面圖紙一套；最后梳理和總結(jié)相關(guān)知識，編寫 SCARA 機器人擰螺絲工作站設(shè)計說明書。 2. 論文（設(shè)計）進度計劃 第 1 周：布置畢業(yè)設(shè)計題目，講解設(shè)計內(nèi)容，查閱資料，了解課題； 第 2 周：查閱資料，撰寫開題報告；確定外文翻譯文章； 第 3 周：修改開題報告，撰寫文獻綜述； 第 4 周：完成外文翻譯，開題答辯； 第 5 周：工業(yè)機械手結(jié)構(gòu)、運動學、動力學和控制系統(tǒng)等基礎(chǔ)知識； 第 6 周：了解關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)和功能；提出 SCARA 機器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案； 第 7 周：關(guān)鍵零件參數(shù)計算和選擇； 第 8 周：步進電機、諧波減速器、滾珠絲杠副的計算及選擇； 第 9 周：SCARA 機器人三維結(jié)構(gòu)設(shè)計； 第 10 周：SCARA 機器人三維結(jié)構(gòu)設(shè)計；中期檢查； 第 11 周：SCARA 機器人運動學仿真； 第 12 周：SCARA 機器人控制系統(tǒng)設(shè)計； 第 13 周：SCARA 機器人控制系統(tǒng)設(shè)計； 第 14 周：整理設(shè)計資料，編寫設(shè)計說明書； 第 15 周：修改完善整套設(shè)計，準備答辯； 第 16 周：評閱，修改，畢業(yè)答辯。 四、需要閱讀的參考文獻 [1]濮良貴,紀名剛.機械設(shè)計[M]. 北京：高等教育出版社，2002. [2]聞梆椿.機械設(shè)計手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2010. [3] 鄧勁蓮.機械產(chǎn)品三維建模圖冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2014. [4] 斯克萊特.機械設(shè)計實用機構(gòu)與裝備圖冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2015. [5]帕姆利.機械設(shè)計零件與實用裝置圖冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2013. [6]楊可楨.機械設(shè)計基礎(chǔ)[M]. 北京：高等教育出版社，2013. [7] 程汀.SCARA 機器人的設(shè)計及運動、動力學研究[D].合肥工業(yè)大學碩士學位論文, 2008. [8] 蔡自興.機器人學基礎(chǔ)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009. [9] 李浩.自動鎖絲部分技術(shù)研究[D].合肥工業(yè)大學碩士學位論文,2014. [10] 許果,王俊峰,何嶺松.一種基于 SCARA 機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].機械工程師， 2005(4):65-67. [11] 王健強,程汀.SCARA 機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及軌跡規(guī)劃算法[J].合肥工業(yè)大學學報， 2008. [12] 賈廣田.全自動鎖螺絲機控制系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)[D].浙江工業(yè)大學碩士學位論文,2015. [13] 盧軍,鄭國穗,馬金鋒,劉杰.SCARA 機器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與運動分析[J].陜西科技大學學報,2014. [14] 衛(wèi)道柱.螺絲自動擰緊機的研制[D].合肥工業(yè)大學碩士學位論文,2004. [15] 夏添. SCARA 機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與運動控制算法研究[D].湖北工業(yè)大學碩士學位論文,2016. [16] 蔡軍爽. 螺絲機控制系統(tǒng)研究與開發(fā)[D].東北大學碩士學位論文,2008. [17]單片機原理及接口技術(shù)[M]．北京航空航天大學出版社，1999． [18] 孟飛武.面向制鞋涂膠的 SCARA 機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究[D].安徽理工大學碩士論文,2015. [19] 楊成文.平面關(guān)節(jié)機器人研制及其軌跡規(guī)劃[D].華南理工大學碩士論文,2012. [20]郭洪紅.工業(yè)機器人技術(shù)[Ｍ].西安:西安電子科技大學出版社,2006. [21] 桂仲成,吳建東.全球機器人產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀趨勢研究及中國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展預測[J]. 東方電氣評論,2014,04:4-10. [22] 梁文莉.快速增長的中國機器人市場——2012 中國工業(yè)機器人市場統(tǒng)計數(shù)據(jù)[J].機器人技術(shù)與應用,2014,03:2-7. [23] 梁波.中國機器人技術(shù)和產(chǎn)業(yè)調(diào)查[J].高科技與產(chǎn)業(yè)化,2015,03:60-65. [24]Urrea,Claudio,Kern,John. Trajectory Tracking Control of a Real Redundant Manipulator of the SCARA Type[J].JOURNAL OF ELECTRICAL ENGINEERING & TECHNOLOGY,2016,11(1):215-226. [25] Anil B.Suryawanshi etc,Domain mapping as an expeditionary strategy for fast Path Planning[J],Mechanism and Machine Theory,38,(2003),11-20 文獻綜述 一、前言 工業(yè)產(chǎn)品的裝配，廣泛使用螺紋連接來緊固。大量的螺紋裝配需要人工完成，機械裝配操作仍然是高度勞動密集型的。全球工業(yè)裝配中，近 70%由螺紋連接構(gòu)成，螺紋連接占據(jù)全部裝配工作量的三分之一。SCARA 機器人擰螺絲工作站可代替人工特定的螺絲緊固作業(yè)，實現(xiàn)自動化裝配；操作簡單便利、高速精確；通用性強。體積小， 可配合產(chǎn)線作業(yè)，更換產(chǎn)品方便，具有極高的應用價值。 二、研究概況 目前，在世界制造業(yè)強國，如美國、德國、日本等國家的自動裝配技術(shù)都達到了較高的水平，使得機械零部件的裝配組裝等工藝的精度，效率得到顯著提高。在國外鎖螺絲設(shè)備早已應用于汽車，電腦，液晶面板，空調(diào)，線路板等行業(yè)中。如美國試制一臺有觸覺和視覺的雙臂機械手，由于機械手有觸覺，所以不要求工件排列的位置很精確。若機械手在擰螺釘遇到阻力時，能將螺釘返回再擰。 當前，在國內(nèi)工廠使用的鎖螺絲裝置主要為深圳、東莞一些廠家生產(chǎn)的手持式鎖螺絲機和半自動鎖螺絲機。其工作流程是螺絲由驅(qū)動部件振動排列，再由壓縮空氣高速吹到螺絲刀頭處，最后進行鎖緊作業(yè)。但是在國內(nèi)，上述半自動鎖螺絲機設(shè)備并沒有大面積推廣使用，歸結(jié)其原因有多種：(1)對螺絲尺寸要求極其嚴格，長度 5mm～ 18mm，直徑為 2.5mm～5mm，如果螺絲超出這個尺寸范圍基本上不能完成鎖付；(2)對螺絲的精度要求很高，如果達不到所要求的精度常常會出現(xiàn)設(shè)備頻繁卡堵問題；(3) 專用性強，一種半自動化螺絲機一般只能鎖付一種型號的工件，不能進行通用性生產(chǎn)； (4)造價非常高昂，因為是自動化設(shè)備，所以這種產(chǎn)品的進口價為 3~6 萬人民幣，國產(chǎn)的也近 2 萬元。 對此，國內(nèi)學者主要從螺絲鉗的扭矩測量與控制，專用領(lǐng)域的鎖螺絲設(shè)備等方面做了相關(guān)研究，并且也開發(fā)了一些專用領(lǐng)域的鎖螺絲設(shè)備。 三、工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)特點 工業(yè)機器人根據(jù)機械結(jié)構(gòu)和坐標系的特點可分為直角坐標型(3P)、圓柱坐標型(R2P)、球坐標型(2RP)和關(guān)節(jié)坐標型(3R)的機器人,關(guān)節(jié)坐標型機器人的結(jié)構(gòu)類似于人的手臂,其位置和姿態(tài)完全是由旋轉(zhuǎn)運動來實現(xiàn)的,而平面關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人,即為SCARA(Selective Complianee Assembly Robot Arm)機器人可看作關(guān)節(jié)坐標型機器人的特例。SCARA 機器人具有四個關(guān)節(jié),三個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸線相互平行,實現(xiàn)平面內(nèi)定位和定向,此外,附加一個滑動關(guān)節(jié),實現(xiàn)末端件垂直運動。它最顯著的特點是在水平方向上的運動具有較大的柔性,而垂直方向具有很強的剛性,這種選擇性的柔性,被廣泛用于高效率的裝配作業(yè)中。SCARA 機器人擰螺絲工作站主要由以下幾部分構(gòu)成： （一）送料機構(gòu) 送料機構(gòu)一般包括振動盤和螺釘輸送系統(tǒng)：振動盤將散亂放入其料槽的螺釘進行排列，使螺釘帽朝上呈豎直方向依次輸出；螺釘輸送系統(tǒng)則是將排列好的螺釘送到鎖絲尖頭部位。螺釘輸送一般采用吸取或吹取兩種方式。吸取式是在輸送管中利用低于大氣壓的負壓輸送螺釘，它可以實現(xiàn)對大多數(shù)螺絲輸送。吹氣式是在輸送管中利用正壓輸送螺釘，這種方式若要保證螺釘能正確輸送，螺絲總長和螺帽直徑比例就必須滿足一定的條件，一般要達到 1：1.3，最低不能低于 1：1.2。吹氣式和吸取式相比去掉了吸取的環(huán)節(jié)，實現(xiàn)效率要比吸取式的高，因此只要當螺絲的長度比例符合要求一般多采用吹氣式輸送，這樣就可以較大程度節(jié)省鎖絲耗時，提高鎖絲效率。 （二）SCARA 機器人本體結(jié)構(gòu) 工業(yè)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(shè)備組成。其中操作機(又稱執(zhí)行系統(tǒng)),包括末端執(zhí)行器、手腕、手臂及機座;驅(qū)動單元由驅(qū)動器、減速器、檢測元件等組成;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。此外,對于智能型機器人,應配置人工智能系統(tǒng),一般包括感覺系統(tǒng)(硬件),通過各類傳感器來實現(xiàn)功能,和決策一規(guī)劃智能系統(tǒng)(軟件),以實現(xiàn)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。 平面關(guān)節(jié)型機器人多用于裝配,要求動作迅速,定位準確,因此需要運動學與動力學設(shè)計計算,從而進行操作機結(jié)構(gòu)設(shè)計與傳動鏈設(shè)計,這就包括: (1) 重量輕、剛性好、慣性小的機械本體結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造技術(shù) 一般采用精巧的結(jié)構(gòu)設(shè)計及合理的空間布局,如把驅(qū)動電機安裝在機座上,就可減少臂部慣量、增強機身剛性;在不影響使用性能的情況下,各種部件盡量采用空心結(jié)構(gòu)。此外,材料的選擇對整機性能也是至關(guān)重要的。 (2) 精確傳動軸系的設(shè)計、制造及調(diào)整技術(shù) 由伺服電機直接驅(qū)動,實現(xiàn)無間隙、無空回、少摩擦、少磨損,提高剛性、精度、可靠性;各軸承采用預緊措施以保證傳動精度和穩(wěn)定性。 (3) 傳動平穩(wěn)、精度高、結(jié)構(gòu)緊湊且效率高的傳動機構(gòu)設(shè)計、制造和調(diào)整技術(shù)由于在解決機械本體結(jié)構(gòu)問題時,往往會對傳動機構(gòu)提出更高要求,有時還存在 多級傳動,因此要達到上述目的,常采用的方法有:鋼帶傳動,實現(xiàn)無摩擦無間隙、高精度傳動;滾珠絲杠傳動,可提高傳動效率且傳動平穩(wěn),起動和低速性能好,摩擦磨損小; 采用 RV 減速器,可縮短傳動鏈。同時合理安排檢測系統(tǒng)位置,進一步提高系統(tǒng)精度。 （三）鎖絲機構(gòu) 鎖絲結(jié)構(gòu)一般包括鎖附尖頭和擰螺釘機構(gòu)。鎖附尖頭是位于鎖絲頭部最下端的結(jié)構(gòu)部件，主要作用有兩點，一是用來對輸送管傳送過來的螺釘進行初定位，使其能夠在 Z 軸方向保持豎直固定；二是能與擰螺釘機構(gòu)準確配合實現(xiàn)螺釘?shù)南乱奇i進。鎖附尖頭的手指式結(jié)構(gòu)形式具有可靠性好的特點，應用較為廣泛。擰螺釘機構(gòu)的功能是實現(xiàn)螺釘下移鎖進的動作。旋轉(zhuǎn)動作采用具有定轉(zhuǎn)矩的普通電動螺絲刀,經(jīng)電路改造后裝在鎖絲結(jié)構(gòu)連接體中心。 （四）控制系統(tǒng) 機器人控制系統(tǒng)是機器人的重要組成部分，用于對操作機的控制，以完成特定的工作任務，其基本功能有記憶、示教、接口、坐標設(shè)置、位置伺服和故障診斷等。機器人控制系統(tǒng)由控制計算機、示教盒、操作面板、硬盤存儲、數(shù)字和模擬量輸入輸出、打印機接口、傳感器接口、軸控制器、輔助設(shè)備控制、通信接口和網(wǎng)絡接口等組成?，F(xiàn)階段機器人的控制體系結(jié)構(gòu)有兩種主要形式同時存在:一是象 Fanuc，Motoman 這樣的傳統(tǒng)機器人制造商繼續(xù)使用大型專有控制裝置，持有他們專有的控制體系結(jié)構(gòu);二是開放式通用運動控制體系結(jié)構(gòu)(比如基于 PC 機的運動控制結(jié)構(gòu))，具有開放性、可移植性、可擴展性等優(yōu)點，而且可以方便的添加網(wǎng)絡通信功能。許多新公司都在研究和嘗試基于 PC 的運動控制架構(gòu)，如 KUKA、ABB、NACHI 等?？刂祁I(lǐng)域常涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括： (1) 點位控制與軌跡控制的雙重控制技術(shù) 一般為裝配機器人安裝高級編程語言和操作系統(tǒng),常用的編程方式是示教編程與離線編程。同時,合理選擇關(guān)節(jié)驅(qū)動器功率和變速比、終端基點密度和基點插補方式, 以使運動精確、軌跡光滑。 (2) 裝配機器人柔順運動控制技術(shù) 由于機器人柔順運動控制是一種關(guān)聯(lián)的、變參數(shù)的非線性控制,能使機器人末端 執(zhí)行器和作業(yè)對象或環(huán)境之間的運動和狀態(tài)符合給定要求。這種控制的關(guān)鍵在于選擇一種合適的控制算法。 (3) 誤差建模技術(shù) 在機器人運動中,機械制造誤差、傳動間隙、控制算法誤差等會引起機器人末端位姿誤差。因此有必要對機器人運動進行誤差補償,建立合理可靠的誤差模型,進行公差優(yōu)化分配,對系統(tǒng)進行誤差標定并采用合適的誤差補償環(huán)節(jié)。 (4) 控制軟件技術(shù) 將諸如減振算法、前饋控制、預測算法等先進的現(xiàn)代控制理論嵌入到機器人控制器內(nèi)使機器人具有更精確的定位、定輪廓、更高的移動速度、更短的調(diào)整時間,即使在剛性低的機器人結(jié)構(gòu)中也能達到無振動運動等特性,有助于提高機器人性能。 四、本課題研究內(nèi)容 通過閱讀相關(guān)文獻，我目前對 SCARA 機器人擰螺絲工作站設(shè)計這一題目有了一定的了解。SCARA 機器人擰螺絲工作站設(shè)計主要由以下幾部分構(gòu)成：送料機構(gòu)設(shè)計、SCARA 機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計、鎖絲機構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)方案設(shè)計。 SCARA 機器人具有四個關(guān)節(jié),三個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸線相互平行,實現(xiàn)平面內(nèi)定位和定向,此外,附加一個滑動關(guān)節(jié),實現(xiàn)末端件垂直運動。其本體結(jié)構(gòu)較為固定，對其本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要是滿足工作要求和安全要求。對其關(guān)鍵零部件的選用如步進電機、諧波減速器、滾珠絲杠副等也有了一定準備。送料機構(gòu)一般采用吸取或吹取兩種方式，吸取式是在輸送管中利用低于大氣壓的負壓輸送螺釘，它可以實現(xiàn)對大多數(shù)螺絲輸送；吹氣式是在輸送管中利用正壓輸送螺釘。鎖絲機構(gòu)實現(xiàn)了 SCARA 機器人擰螺絲工作站設(shè)計的目標要求，即將螺絲鎖死在需要裝配的零件或部件上，實現(xiàn)了既定的裝配作業(yè)。而控制系統(tǒng)是實現(xiàn)裝配作業(yè)自動化的關(guān)鍵，良好的控制系統(tǒng)要同時實現(xiàn)送料機構(gòu)對螺絲的定時輸送，SCARA 機器人本體到達既定的坐標位置和鎖絲機構(gòu)對螺釘?shù)逆i死。 但是我對這一課題的了解還遠遠不夠深入，送料機構(gòu)、鎖絲機構(gòu)和 SCARA 機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計有一些簡單的設(shè)想，但還不夠成熟。而控制系統(tǒng)方案設(shè)計目前我還沒有多少頭緒，我仍然需要加強知識的儲備和更深刻的學習相關(guān)文獻。 指導教師評閱意見（對選題情況、研究內(nèi)容、工作安排、文獻綜述等方面進行評 閱） 審核 意 教研室主任意見 見  簽字： 年 月 日 簽字： 年 月 日 學院教學指導委員會意見 簽字： 年 月 日公章： 畢業(yè)論文（設(shè)計） 題目名稱：SCARA 機器人擰螺絲工作站設(shè)計 所在學院： 專業(yè)（班級）： 學生姓名： 指導教師： 評 閱 人 ： 院 長 ： SCARA 機器人擰螺絲工作站設(shè)計 總計：表格： 插圖： 摘要 隨著社會的工業(yè)化水平和工業(yè)生產(chǎn)的自動化程度不斷提高，工業(yè)機器人對工業(yè)生產(chǎn)的作用也越來越重要，因而，SCARA 裝配機器人的需求也越來越大。 在此背景下，本文通過閱讀文獻，了解了國內(nèi)外工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展歷程，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種方便實用的 SCARA 平面關(guān)節(jié)型裝配機器人，能夠在平面內(nèi)實現(xiàn)螺絲釘?shù)难b配作業(yè)。 本文主要的研究工作包括如下：選擇和確定 SCARA 機器人的傳動方案，第一、二、四關(guān)節(jié)均以步進電機驅(qū)動，第三關(guān)節(jié)以連接諧波減速器的步進電機來帶動絲杠螺母運動來實現(xiàn) Z 軸方向上的豎直運動。完成 SCARA 機器人設(shè)計，大臂小臂的連接方式相似，都是以步進電機帶動連接軸旋轉(zhuǎn)，連接軸與大臂小臂的相連實現(xiàn)其自由度的旋轉(zhuǎn)，絲杠通過支架固定在小臂上，實現(xiàn)豎直運動，絲杠螺母與滑塊相連，末端執(zhí)行器的步進電機則通過連接件與滑塊相連，實現(xiàn)其自由度的旋轉(zhuǎn)運動。通過對 SCARA 機器人工作任務、工作要求、工作環(huán)境的分析和性價比以及安裝調(diào)試等因素的考慮， 對步進電機、諧波減速器、末端執(zhí)行器、大小臂等結(jié)構(gòu)或零件進行了參數(shù)計算、型號選擇和通過 SolidWorks 進行三維建模，對 SCARA 機器人進行運動學分析，并以三次多項式為例對其進行了軌跡規(guī)劃的生成。選擇對基于 IPC+運動控制卡的開放式控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成進行簡單分析，并簡單分析了 PTP、CP 和力（力矩）控制方式。 關(guān)鍵詞：SCARA 機器人；軌跡規(guī)劃；結(jié)構(gòu)設(shè)計。 I ABSTRACT With the increasing level of industrialization and the degree of automation of industrial production, the role of industrial robots in industrial production is becoming more and more important. Therefore, the demand of SCARA assembly robots is also increasing. In this context, this article by reading the literature, to understand the development of domestic and foreign industrial robot history, development status and trends, on this basis, designed a convenient and practical SCARA plane joint assembly robot, can be implemented in the plane screw Of the assembly operations. The main research work of this paper includes the following: select and determine the SCARA robot transmission program, the first, two, four joint rotation are driven by stepper motor, the third joint to connect Harmonic reducer stepper motor to drive the screw nut movement to achieve vertical movement in the Z-axis direction. Complete the SCARA robot design, arm arm connected in a similar way, are driven by the stepper motor shaft rotation, connecting the shaft and the arm connected to achieve its degree of freedom of rotation, screw through the bracket fixed on the arm , To achieve vertical movement, the screw nut is connected with the slider, the end of the stepper motor through the connector connected with the slider to achieve its freedom of rotation of the movement. Through the SCARA robot work tasks, work requirements, working environment analysis and cost-effective and installation and commissioning considerations and other factors, the stepper motor, harmonic reducer, the end of the actuator, the size of the arm or other components of the parameters of the calculation, And the kinematics analysis of SCARA robot is carried out by three-dimensional modeling through SolidWorks, and the trajectory planning is generated by cubic polynomial as an example. The hardware configuration of the open control system based on IPC + motion control card is selected and the analysis of PTP, CP and force (torque) is analyzed. Key Words：SCARA Robot; Trajectory Planning; Structural Design II 目 錄 摘要 I ABSTRACT II 1 緒論 1 1.1 引言 1 1.2 國內(nèi)外研究的概況和發(fā)展趨勢 1 2 SCARA 裝配機器人總體設(shè)計 4 2.1 傳動方案的選擇 4 2.2 機器人的基本技術(shù)參數(shù) 5 3 SCARA 的運動學研究 6 3.1 位姿描述 6 3.2 正運動學分析 6 3.3 逆運動學分析 8 3.4 軌跡規(guī)劃的生成 9 4 關(guān)鍵零部件設(shè)計計算 12 4.1 步進電機的計算和選擇 12 4.2 滾珠絲杠的選型設(shè)計及計算 14 5 SCARA 裝配機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 16 5.1 大臂機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 16 5.2 小臂機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 16 5.3 腕關(guān)節(jié)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 17 5.4 機器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 18 6 控制系統(tǒng)設(shè)計 19 6.1 控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 19 6.2 SCARA 機器人的控制方式 19 6.3 SCARA 機器人的控制流程 20 7 結(jié) 論 22 參 考 文 獻 23 附錄 1：外文翻譯 24 附錄 2：外文原文 30 I SCARA 機器人擰螺絲工作站設(shè)計 1 緒論 1.1 引言 工業(yè)產(chǎn)品的裝配，廣泛使用螺紋連接來緊固。大量的螺紋裝配需要人工完成，機械裝配操作仍然是高度勞動密集型的。全球工業(yè)裝配中，近 70%由螺紋連接構(gòu)成，螺紋連接占據(jù)全部裝配工作量的三分之一。以家電、家具裝配環(huán)節(jié)為例，螺紋連接所消耗的人力和工時可以達到整個生產(chǎn)線消耗總量的 1/4 到一半以上[1]。 工業(yè)機器人根據(jù)機械結(jié)構(gòu)和坐標系特點可分為直角坐標型(3P)、圓柱坐標型(R2P)、球坐標型(2R)和關(guān)節(jié)坐標型(3R)的機器人，關(guān)節(jié)坐標型機器人的結(jié)構(gòu)類似于人手臂， 其位置和姿態(tài)完全由旋轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)，而平面關(guān)節(jié)型機器人，即 SCARA 機器人可看作 關(guān)節(jié)坐標型機器人的特例。SCARA 機器人結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、安裝方便、具有很好的通用性，而且動作迅速、定位精度高，此外，SCARA 機器人一般采用步進電機驅(qū)動，控制簡單，編程方便。SCARA 機器人擰螺絲工作站可代替人工特定的螺絲緊固作業(yè)，實現(xiàn)自動化裝配；操作簡單便利、高速精確；通用性強。體積小，可 配合產(chǎn)線作業(yè)，更換產(chǎn)品方便，具有極高的應用價值。 1.2 國內(nèi)外研究的概況和發(fā)展趨勢 1948 年諾伯特2維納在其著作《控制論》里首次提出自動化工廠的概念，闡述了機器人和控制體系互相結(jié)合的發(fā)展規(guī)律，為機器人的控制理論奠定了基礎(chǔ)。 20 世紀 50 年代初期，位于美國伊利諾州的阿貢實驗室研發(fā)了第一代遙控式機械手來操作放射性材料，避免了科學家受到輻射的侵害。同時代的喬治2德沃設(shè)計研發(fā)了一臺可以通過程序控制的工業(yè)機器人樣機，并提出技術(shù)方案，隨后申請了專利。兩年之后隨著串聯(lián)機構(gòu)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛使用，其系統(tǒng)誤差的長期累積和空間定位精度低等因素促使人們第一次提出了示教再現(xiàn)的編程模式，并運用數(shù)控技術(shù)和機械臂的結(jié)合制造出了第一臺工業(yè)機器人，它的出現(xiàn)和新的編程理念使得重復定位精度遠超絕對定位精度，其意義影響深遠。1962 年，美國萬能自動化公司研制了一臺名為 Unimate 的機器人，它采用極坐標式結(jié)構(gòu)，動作靈活、伸縮自如。而早在 4 年前，恩格爾伯格和喬治2德沃爾創(chuàng)立了第 1 家機器人公司 Unimation，恩格爾伯格因而被稱為機器人之父。 1968 年，日本川崎公司開始學習美國公司先進的機器人制造技術(shù)，結(jié)合本國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前景開發(fā)出了一系列成本低廉，實用性較好的機器人，為日本的工業(yè)和制造業(yè)領(lǐng)域發(fā)展提供了極大的動力和推動作用，促使日本的工業(yè)制成品以物美價廉而暢銷全球市場。從 1970 年開始，機器人應用開始在各國工業(yè)領(lǐng)域掀起一波又一波 - 25 - 浪潮。1973 年，ASEA 公司(現(xiàn)在的ABB)推出了世界上第一個微型計算機控制、全部電氣化的工業(yè)機器人 IRB 一 6，為了滿足弧焊的要求，它可以進行連續(xù)的路徑移動。1978 年，日本教授牧野洋設(shè)計出了具有 4 個自由度的可選擇柔順裝配機械手(SCARA)。 1979 年 Unimafion 公司推出了一系列帶有觸覺、力覺和視覺的 PUMA 工業(yè)機器人， 它的出現(xiàn)把機器人技術(shù)帶入了智能化的時代，使得機器人技術(shù)的發(fā)展和時代要求緊密的結(jié)合在一起[2]。 20 世紀 80 年代，隨著汽車制造業(yè)的崛起，工業(yè)機器人開始以 20%~40%的速率高速發(fā)展，機器人技術(shù)開始在汽車工業(yè)生產(chǎn)中推廣普及，這使得整個機器人技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域變得越來越重要。1984 年機器人在全球各國的數(shù)量從最開始的不足10 萬臺，穩(wěn)步上升到 1990 年接近 30 萬臺，其中帶有嗅覺、視覺、觸覺的高性能機器人成為了新研發(fā)機器人中的主要對象，并且促進了機器視覺技術(shù)和傳感器檢測技術(shù)的穩(wěn)步成長。1985 年美國的兩家公司率先開始在工業(yè)機器人領(lǐng)域使用交流伺服技術(shù)， 使得自動化控制裝備性能進一步提升。隨著裝配機器人在機器人領(lǐng)域所占比重越來越大，提高機器人的質(zhì)量和效率問題成為了各國機器人研究領(lǐng)域關(guān)注的重點。20 世紀末，柔性裝配線研發(fā)成功，以日本為代表的各國開始廣泛發(fā)展機器人產(chǎn)業(yè)，就此裝配機器人開始進入蓬勃發(fā)展的階段。 21 世紀以來，機器人在各國開始大范圍的投入使用，各國政府都加大了對機器 人產(chǎn)業(yè)的投資力度。美國政府從 2011 年開始先后投入 7000 萬美元發(fā)展本國的機器人技術(shù)和先進制造技術(shù)，并制定了“先進制造業(yè)國家戰(zhàn)略計劃”，力圖使美國的制造業(yè)重新占領(lǐng)市場高點。韓國在 2014 年提出到 2018 年完成機器人產(chǎn)業(yè)的投資翻兩倍，機 器人公司的數(shù)量增加一倍的目標。歐盟則聯(lián)合其下屬的 180 個公司和科研機構(gòu)一起推出家用機器人研究計劃“SPARC”。同年，英國政府也提出機器人戰(zhàn)略 RAS2020， 目標是在 2025 年使整個英國機器人產(chǎn)值在 1200 億美元左右。我國的工業(yè)機器人研究 始于 1960 年，先后發(fā)展了 50 多年，經(jīng)歷了從模仿到自主創(chuàng)新的各個階段。1972 年， 我國立足于開發(fā)自己的第一代工業(yè)機器人，進入 80 年代后，機器人研究與開發(fā)和國家政策有機結(jié)合。86 年國家高新技術(shù)研究發(fā)展計劃正式提出，我國在機器人領(lǐng)域取得一系列重大科研成果，并結(jié)合國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈的實際情況陸續(xù)研制出一批工業(yè)機器人； 如今以新松為代表的一批國內(nèi)企業(yè)開始推出自己品牌的機器人并逐步在市場推廣。時至今日，我國在機器人技術(shù)某些領(lǐng)域已接近國際前沿水平，但是在很多方面也面臨著不少問題。國產(chǎn)機器人產(chǎn)品較為低端、主要以三軸和四軸機器人為主，主要用于搬運和碼垛作業(yè)等。而高端制造業(yè)的機器人則長期受到國外的品牌的占據(jù)。由于機器人的關(guān)鍵制造技術(shù)和控制技術(shù)等核心問題沒有解決使得我國的機器人發(fā)展受到制約，加之國內(nèi)的生產(chǎn)機器人規(guī)模較小，使得國產(chǎn)機器人的生存空間受到了擠壓。2015 年 3 月 國務院正式印發(fā)《中國制造 2025》推動中國制造業(yè)特別是高端制造業(yè)的發(fā)展，其中智能裝備和機器人技術(shù)作為今后重點支持的方向，這為提升國產(chǎn)機器人的質(zhì)量和服務做好了鋪墊。 工業(yè)機器人的出現(xiàn),使自動擰螺絲向工業(yè)機械機械手方向發(fā)展,螺絲機具有操縱方便、控制精度高、穩(wěn)定性好、維護方便、人機界面人性化等特點。主要是采用單軸與多軸機器人自動運行及單獨動作的運行方式,實現(xiàn)了控制響應的快速性,并對擰緊扭矩及角度進行測控,保證了系統(tǒng)的精度和準確性。螺絲機的結(jié)構(gòu)組成：工業(yè)機械手、電動螺絲刀、螺絲自動上料系統(tǒng)和精裝夾具等附件。 在國外鎖螺絲設(shè)備早已應用于汽車，電腦，液晶面板，空調(diào)，線路板等行業(yè)中。1958 年美國聯(lián)合控制公司研制開發(fā)出第一臺機械手，1978 年美國 Unimate 公司、斯坦福大學和麻省理工學院聯(lián)合研制一種 Unimate-Vicarm 型工業(yè)機械手，用小型電子計算機控制，進行裝配作業(yè)，定位誤差在±1mm 內(nèi)。如美國試制一臺有觸覺和視覺的雙臂機械手，由于機械手有觸覺，所以不要求工件排列的位置很精確。若機械手在擰螺釘遇到阻力時，能將螺釘返回再擰。 當前，在國內(nèi)工廠使用的鎖螺絲裝置為深圳、東莞一些廠家生產(chǎn)的手持式鎖螺絲機和半自動鎖螺絲機。雖然手持式鎖螺絲機使螺絲輸送和鎖付一氣呵成，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)省了人力，但是手持式鎖螺絲機需要人員重復單調(diào)乏味的工作，容易劃傷產(chǎn)品外觀，造成成本增加。半自動鎖螺絲機主要是振盤式的，采用振動盤氣動元件作為驅(qū)動部件，采用PLC 或MCU、傳感器和接近開關(guān)聯(lián)合控制。其工作流程是螺絲由驅(qū)動部件振動排列，再由壓縮空氣高速吹到螺絲刀頭處，最后進行鎖緊作業(yè)。 隨著自動化工業(yè)的發(fā)展和生產(chǎn)效率、質(zhì)量要求的不斷提高，在國際上自動化裝配技術(shù)由人工裝配朝著半自動化、全自動化裝配的趨勢發(fā)展，SCARA 機器人擰螺絲工作站也在朝著半自動化和全自動化，便捷化，通用化的方向發(fā)展。 2 SCARA 裝配機器人總體設(shè)計 SCARA 包括有三個旋轉(zhuǎn)自由度，分別為大臂、小臂和末端執(zhí)行器，除此之外， 還有一個直線自由度，實現(xiàn)末端執(zhí)行器在豎直方向上的移動。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖 2.1 所示。 2.1 傳動方案的選擇 圖 2.1 SCARA 機器人的結(jié)構(gòu)簡圖 查詢相關(guān)文獻可知，現(xiàn)有如下兩種方案進行篩選： 方案一 三個旋轉(zhuǎn)自由度均采用步進電機傳動，實現(xiàn)大、小臂、末端執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)運動， 不光可以保障良好的傳動精度和效率，并且振動和噪音都比較低，對機器人本身影響較小。此外，其過載性好，控制要求也相對簡單。 第三關(guān)節(jié)自由度的傳動選擇絲杠螺母，實現(xiàn)機器人豎直運動，雖然其傳動精度不高，但是其結(jié)構(gòu)易于安裝，并且能夠?qū)崿F(xiàn)第四自由度與其的連接。 方案二 第一、二關(guān)節(jié)自由度均采用同步齒形帶傳動，第三、四關(guān)節(jié)自由度的傳動方案不變。 由上可知，兩種方案都能滿足設(shè)計要求，但方案一的傳動精度和傳動效率更高， 且結(jié)構(gòu)更簡單，控制起來更容易；相比較而言，方案二傳動精度和傳動效率略低，且零件大多更復雜，增加了設(shè)計的難度。因此，考慮加工、安裝和調(diào)試因素，傳動方案確定為方案一。 所以，機器人的傳動方案如下所示： 第一關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)運動（關(guān)節(jié)一）：步進電機 1→大臂 第二關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)運動（關(guān)節(jié)二）：步進電機 2→小臂 第三關(guān)節(jié)的垂直直線運動（關(guān)節(jié)三）：步進電機 3→諧波減速器→絲杠螺母第四關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)運動（關(guān)節(jié)四）：步進電機 4→主軸（Z 軸） 2.2 機器人的基本技術(shù)參數(shù) 在確定機器人的傳動方案之后，應當對其基本技術(shù)參數(shù)進行限定，如表 2.1 所示， 才能更好的對機器人進行設(shè)計。 表 2.1 機器人的基本技術(shù)參數(shù) 項目 技術(shù)參數(shù) 自由度 大臂 小臂 末端升降 末端旋轉(zhuǎn) 運動范圍 ±120° ±150° 120mm ±180° 最大速度 180°/s 180°/s 100mm/s 270°/s 幾何尺寸 250mm 300mm 定位精度 ±1mm 根據(jù)如上技術(shù)參數(shù)，可得機器人的運動范圍如圖 2.2 所示： 圖 2.2 機器人的運動范圍 3 SCARA 的運動學研究 SCARA 機器人設(shè)計的目的是為了完成給定的裝配任務，整個裝配過程是運動的過程，所以必須對其的運動學進行研究。機器人運動控制的對象包括連桿，關(guān)節(jié)，工作工具，對象，工作臺和參考基準等[3]。為了提高裝配精度和裝配效率，還應當對其進行軌跡規(guī)劃。 3.1 位姿描述 為了描述機器人本身的運動，通常將其當作剛體來研究彼此之間的運動關(guān)系。對其運動關(guān)系的研究包括其位置和姿態(tài)，簡稱為位姿[4]。 3.2 正運動學分析 SCARA 平面關(guān)節(jié)型機器人有四個自由度，建立如圖3 一1 所示的D 一H 坐標系， 通過如下坐標系來進行正運動學分析[6]。 圖 3.1 SCARA 關(guān)節(jié)坐標系 各關(guān)節(jié)的連桿參數(shù)的如表 3.1 所示： 表 3.1 SCARA 機器人的D 一 H 參數(shù)表 ai-1 ai-1 qi di 關(guān)節(jié)變量 第一關(guān)節(jié) 0 l1 q1 d1 q1 第二關(guān)節(jié) 0 l2 q2 0 q2 第三關(guān)節(jié) 180° 0 0 d3 d3 第四關(guān)節(jié) 0 0 q4 0 q4 其齊次通式為:  écqi êsq ca  - sqi cq ca  0 - sa  ai-1 ù - d sa ú A = ê i i-1 i i-1 i-1 i i-1 ú (3.1) i êsq sa cq sa ca d ca ú 0 ê i i-1 i ? 0 i-1 0 i-1 i 1 i-1 ú ? 代入各關(guān)節(jié)連桿參數(shù),得： écosq1 - sin q1 0 l1 cosq1 ù  écosq2 sin q2  0 l2 cosq2 ù êsinq cosq 0 l sin q ú êsin q - cosq 0 l sin q ú A = ê 1 1 1 1 ê0 0 1 0 1 ú A = ê 2 ú 2 ê0 0 2 2 2 ú -1 0 ú 0 ? ê 0 0 1 ú ê ú 0 ?ú ? 0 0 1 ú? é1 0 0 0 ù écosq4 - sin q4 0 0 ù ú ê0 A = ê 1 0 0 ú êsin q ê A =?4 cosq4 ú 0 0 ú (3.2) 3 ê0 ê 0 1 d3 ú ú 4 ê0 0 ê 1 0 ú ú ê?0 0 0 1 ? ?0 0 0 1 ú? i 通過各變換矩陣i-1T (i = 1,2,..., n) 相乘，可得到其正運動學方程： 0T =0T 1T 2T 3T = A A A A 4 1 2 3 4 1 2 3 4 écos(q1 + q2 -q4 ) sin(q1 + q2 -q4 ) 0 l1 cosq1 + l2 cos(q1 + q2 ) ù êsin(q + q -q ) - cos(q + q -q ) 0 1 2 4 l sinq + l sin(q + q ) ú = ê 1 2 4 1 1 1 1 2 ú ê0 0 -1 d1 + d3 ú 0 ê ? énx  ox ax 0 0 1 ú ? ú px ù n ê = ê y oy ay py ú  (3.3) z z ên o a p ú ê z z ú ê?0 0 0 1 ú? 3.3 逆運動學分析 正運動學分析結(jié)束后，還應當進行逆運動學分析[7]。 設(shè)機器人末端執(zhí)行器位姿矢量矩陣為 , 速度矢量矩陣為 ? 。 é · · · · ù énx ox ax px ù ênx ox a x px ú ên o a p ú · ê · · · · ú T = ê y y y y ú T end = êny o y a y p y ú (3.4) end ên ê z ê?0 oz az 0 0 p ú z ú 1 ú? ê · · ênz oz 0 ê ? 0 · · ú a z p z ú ? 0 1 ú 由上可得，關(guān)節(jié)變量逆解如下: sinq2 = ± cosq = 1 (r 2 - l 2 - l 2 ) 1 2 2 2l l 1 2 q2 = arctg(sinq2 / cosq2 ) sinq = 1 [(l + l cosq )p - l sinq p ] 1 r 2 1 2 2 y 2 2 x cosq = 1 [(l + l cosq )p + l sinq p ] 1 r 2 1 2 2 x 2 2 y ? sinq1 ? q1 = arctg? cosq ÷ è 1 ? cosq4 = ox sin(q1 +q2 )+ oy cos(q1 +q2 ) sinq4 = -[ox cos(q1 +q2 )+ oy sin(q1 +q2 )] è 4 ? ? sinq4 ? q4 = arctg? cosq ÷ d3 = d1 - pz 其中r 2 = p2 + p2 ，式中sinq = ±  中正負號對應兩組可能解。速度 x y · (q +q )+ · (q +q ) q1 = px sin 1 ( 2 py cos 1 2 ) ) px sin q1 +q2 - py cos(q1 +q2 · · · q 2 = px px - py py l1l2 sinq2 · · d = - pz (o A + o B)? · + · ? + · - · · x y ?q 1 q 2 ÷ Box Aoy q 4 = ?è ? sinq4 + cosq4 式中： A = cos(q1 +q2 )-sin(q1 +q2 ), B = cos(q1 +q2 )+sin(q1 +q2 ) 3.4 軌跡規(guī)劃的生成  (3.5) 軌跡規(guī)劃，就是根據(jù)已知量，求出并生成運動軌跡的過程?，F(xiàn)采用關(guān)節(jié)空間規(guī)劃方法中的三次多項式規(guī)劃法，結(jié)合設(shè)計要求，進行軌跡規(guī)劃。 首先假定機器人某關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)值的各參數(shù)如表 3.2 所示。 表 3.2 某關(guān)節(jié)軸的關(guān)節(jié)值的參數(shù) 時刻 關(guān)節(jié)值 初始值 t0 q0 目標值 tf q f 當采用三次多項式函數(shù)插值時，每一段軌跡都是同樣的形式，所以，在插值過程中，三次多項式如式（3.6）示： q (t) = a + a t + a t 2 + a t3 （3.6） 0 1 2 3 通過對上式求導，可得相應的速度和加速度為： ì · (t ) = a + 2a t + 3a t 2 ?q í··  1 2 3 （3.7） ??q (t ) = 2a2 +6a3t 通過上式，很容易地計算出不同時刻的θ， ?和 ?，值得注意的是，上式中 t 是各段分別計算的。因此，對于每一段計算都是從t =0 開始[8]。當插值的過程采用了拋物線的方式時，則其軌跡的運動方程如下所示： ìq (t ) = q + 1 ·· t 2 ; ? 1 2 q 1 ? · ·· í ?q (t ) = q 1 t, 0 ￡ t ￡ t1 （3.8） ?q ?··(t ) ?? ·· = q 1 . ìq (t ) = q + · ?t + t1 ? ? 1 ? ? · (t ) = · q 12? è , ÷; 2 ? 0 ￡ t ￡ t  （3.9） íq q 12 12 ?q ?··(t ) = 0. ? ? ìq (t ) = q + ·  ?t + t1 + t  ? + 1 ··  t 2 ; è ? 1 q 12? ? 12 ÷ 2 ? q 12 2 ? · (t ) = · + ·· t, 0 ￡ t ￡ t （3.10） íq ?q ?··(t ) ? ? q 12 q 2 12 ·· = q 2 . ìq (t ) = q + · ?t + t2 ? ? 2 ? ? · (t ) = · q 23? è , ÷; 2 ? 0 ￡ t ￡ t  （3.11） íq q 23 23 ?q ?··(t ) = 0. ? ? ìq (t ) = q + ·  ?t + tn-1 ? ? ? ? · (t ) = · n-1 q (n-1)n ? 2 è , ÷; ? 0 ￡ t ￡ t  （3.12） íq q (n-1)n (n-1)n ?q ?··(t ) = 0. ? ? ìq (t ) = q + ·  ?t + tn-1 + t  ? + 1 ··  t 2 ; ? n-1 ? q (n-1)n ? è (n-1)n ÷ q n 2 ? 2 ? · (t ) = · ·· + t, 0 ￡ t ￡ t （3.13） íq ?q ?··(t ) ? ? 寫成一般形式如下： q (n-1)n q n n ·· = q n . ? ì q (t ) = q1  ·· + 1 q 1 t 2 2 ? · · í q (t ) = q 1 t 0 ￡ t ￡ t1 ； （3.14） ? ·· ·· ? q (t ) = q 1 . ?? ì q (t ) = q + · ?t + ti ? ??i ? · (t ) = · q (i+1)i ? 2 è ÷ ? 0 ￡ t ￡ t ； （3.15） í q ? ·· q (i+1)i i ? q (t ) = 0. ?? ì q (t ) = q + ·  ?t + ti-1 + t  ? + 1 ·· t 2 ? i-1 q (i-1)i ? è (i-1)i ÷ 2 ? 2 qi ? · (t ) = · + · t 0 ￡ t ￡ t ； （3.16） í q ? ·· q (i-1)i q i i · ? q (t ) = q i . ?? i=2，3，??，n。 在利用式 3.14、式 3.15 及式 3.16 生成軌跡時，應注意每一段都是從 t = 0 開始， 但是段與段同樣是相互關(guān)聯(lián)的連接關(guān)系。此外，雖然上面的軌跡生成公式只是某一個關(guān)節(jié)變量的計算過程，但是此公式對于其他的關(guān)節(jié)變量的軌跡計算也是同樣適用的。 4 關(guān)鍵零部件設(shè)計計算 4.1 步進電機的計算和選擇 根據(jù)設(shè)計要求可假定各主要部件的質(zhì)量：底座≤15kg，大臂≤10kg，小臂≤5kg， 末端執(zhí)行部分≤2.5kg。 1 1 2 2 3 3 G2 G3 大、小臂及末端執(zhí)行器的各自繞各自重心的轉(zhuǎn)動慣量分別為 , , , 由平行軸定理可知，繞第一關(guān)節(jié)自由度的轉(zhuǎn)動慣量為： J1 = JG1 + m l 2 + J + m l 2 + J + m l 2 (4.1) 1 1 2 2 3 3 G2 G3 其中質(zhì)量 , , 分別為大、小臂及末端執(zhí)行器的質(zhì)量，各關(guān)節(jié)自由度中心到第一關(guān)節(jié)自由度中心的水平距離分別為 , , ，假定各長度為 250mm、350mm、 500mm，而 JG1 << m l 2、J << m l 2、J << m l 2 故 , , 均可省略不計，所以機 器人第一關(guān)節(jié)自由度的等效轉(zhuǎn)動慣量為： J = m l 2 + m l 2 + m l 2 1 1 1 2 2 3 3 = 10 kg * ( ) ( ) ( ) =1.25kg2 （4.2） 因為機器人大臂 = 0 到 =30°/s 所需時間為t = 1s，所以啟動轉(zhuǎn)矩 1 T1 = J ′ w1 - w0 t = 1.25 * ? = 0.65N2m (4.3) 由上可知，步進電機的轉(zhuǎn)速為1250r/min 時，步進電機的轉(zhuǎn)矩必須不低于0. 65N2m，根據(jù)以上參數(shù)要求，選用由雷塞公司生產(chǎn)的 86HS47 型兩項混合式步進電機，其轉(zhuǎn)速為 1250r/min 時，保持轉(zhuǎn)矩為 3. 5N2m，符合設(shè)計要求。 小臂步進電機的計算同大臂步進電機的計算類似，同理，繞第二關(guān)節(jié)自由度的等 效轉(zhuǎn)動慣量為： J = m l 2 + m l 2 2 2 2 3 3 = 5kg * ( ) + 2.5kg * ( ) = 0.85 kg2 （4.4） 因為機器人小臂 = 0 到 =30°/s 所需時間為 t = 1s，所以啟動轉(zhuǎn)矩 T = J ′ w1 - w0 = 0.85 * ? = 0.46N2m〈 0.65 N2m， 1 1 t 此外，第三關(guān)節(jié)自由度的運動形式是電機驅(qū)動諧波減速器，然后帶動絲杠的旋轉(zhuǎn)，，因而必須將絲杠的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的因素考慮在內(nèi)，其技術(shù)參數(shù)如表 4.1 示。 表 4.1 絲杠軸的技術(shù)參數(shù) 名稱 公稱直徑dm 螺距 p 接觸角β 摩擦系數(shù) 螺紋類型 單位 （mm） （mm） （°） 數(shù)值 20 2 45 0.1 梯形螺紋 由表可得：螺旋升角： l = arctan 2 /10p =3.64° (4.5) 當量摩擦角 螺紋阻力矩  rv = arctan  f cos(b / 2  ) =6.17° (4.6) T1 = dm / 2Q tan(l + rv )=0.052N (4.7) 螺紋摩擦力矩 T2 = fc × Q × Dm =0.06N (4.8) 2 式（4.8）中， = 0.1 表示摩擦系數(shù)，Q 表示絲杠軸承載面的平均直徑，取螺母內(nèi)外徑的平均值，即 ( 20 + 40)/2 = 30mm，所以，絲杠所轉(zhuǎn)動力矩 T = 0.112N2m 安全系數(shù)取 2，則絲杠所需最小轉(zhuǎn)矩 T = 2T =0.224 N2m， 考慮摩擦力矩和繞各自重心的轉(zhuǎn)動慣量等因素，則可假定為 T=1N2m,取安全系數(shù)為 2，則諧波減速器所需輸出最小轉(zhuǎn)矩 = 2T =2N2m，據(jù)此選擇中技克美公司生產(chǎn)的扁平型諧波減速器，XB3 一 32 型號的技術(shù)參數(shù)見下表。 表 4.2 XB3 一 32 一 50 的技術(shù)參數(shù) 機型 速比 最高輸入轉(zhuǎn)速 rpm 輸入轉(zhuǎn)速 3000rpm 半流體潤滑 油潤滑 輸出扭矩 輸入功率 32 50 3500 6000 2 0.021 設(shè)諧波減速器的傳動效率η= 90 ，則步進電機需輸出力矩 = = = 0.04 N2m〈0.65 N2m， η 由上可知，本設(shè)計中的步進電機均選擇 86HS35 型兩相混合式步進電機。 4.2 滾珠絲杠的選型設(shè)計及計算 (1) 最大工作載荷計算 工作最大負載 = 24.5N，方向為絲杠軸向。因此,滾珠絲杠的進給抗力，即最大工作載荷 Fm=Fz+ f，橫向工作載荷 =0.5Fz = 12.25N；f 為摩擦系數(shù)，f=0.15。因此，絲杠最大工作載荷為 Fm=24.5+12.25 * 0.15=26.34N (2) 最大動負載校核 滾珠絲杠最大動負載 C = √ ，L 為工作壽命，L=60nT/ ；n 為絲杠轉(zhuǎn)速， n=v/ = =25r/s=1500rpm，T 為額定使用壽命(h)，取 T=15000，則 L=60 * l500 * 15000/ =1350。因此 C = √ * l.2 * 26.34=349.33N，查表知額定動負載 Ca=4kN， 安全裕度為 4000/349.33 = 11.45[9]。 (3) 絲杠穩(wěn)定性驗算 FK = 2 f p 2 EI 絲杠臨界壓縮載荷 (mL)2  ，且絲杠通過軸承在兩端固定的支承方式，查表 知支承方式系數(shù) =0.25[10]。材料選用 45 號鋼，彈性模量 E=20.58 N/ ，I 為 截面慣性矩，I= =490.9 ，其中 為絲杠底徑，絲杠底徑近似為外徑和滾珠直 徑之差,即 ，絲杠外徑 d= (0.2～0.25) ，絲杠名義直徑已知 =l0mm， 查表知滾珠直徑 =2.38lmm，故得 =9mm;μ為長度系數(shù)，此處取 2; 且 L=120mm， ( )2 f p 2 EI FK = 2 = mL  = 4323.3N，絲杠穩(wěn)定安全系數(shù) ( ) n = Fk = >>[  ] = 2.5～4，故絲杠穩(wěn)定[11]。 F w m (4) 絲杠剛度驗算 d s 絲杠的拉壓變形量為  = Fm L EA  式中：L 為滾珠絲杠在兩軸承支撐點間的受力 pd 2 長度,取 L=120mm；E = 20.6 * MPa；截面積 A = 1 =63.58 ， 則 4 d = Fm L = = 23.41 * mm， s EA 絲杠變形很小,可忽略不計,故剛度足夠。 (5) 傳動效率計算 h = tgl tg (l + f ) 根據(jù)初選滾珠絲杠型號查表得螺旋升角為 4°33'，一般摩擦角φ= 10'，則 = 0.96，傳動效率比較高[12]。 5 SCARA 裝配機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 5.1 大臂機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計遵循由下及上的設(shè)計原則，底座用來固定機器人，電機安裝于底座內(nèi)部，減少了轉(zhuǎn)動慣量，大臂結(jié)構(gòu)裝配圖如圖 5.1 所示[13]。大臂的驅(qū)動電機電機軸插入到連接軸底部，通過銷軸固定，深溝球軸承安裝于套筒內(nèi)，上面的軸承上端有透蓋固定，下端有軸肩，下面的軸承上端有軸肩，下端通過連接體頂住軸承外圈；另外套筒通過螺栓與底座頂端相連，從而實現(xiàn)了大臂的旋轉(zhuǎn)運動。 圖 5.1 大臂裝配體 5.2 小臂機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 小臂的機械結(jié)構(gòu)如圖 5.2 所示，根據(jù)模塊化的設(shè)計原則，故小臂的安裝方式與大臂相似，不同的是小臂驅(qū)動電機通過套筒固定在大臂上而不是固定在底座上。本結(jié)構(gòu)在裝配上也較簡易，電機、連接軸可在外部進行安裝裝配，這樣降低了機器人的安裝成本，大臂小臂采用了同樣的傳動原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計，這樣能夠簡化機器人的本體結(jié)構(gòu)和零部件制造成本。 (a) 大臂裝配體 （b）大臂工程圖圖 5.2 小臂裝配體 5.3 腕關(guān)節(jié)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 如圖 5.3 三四關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)裝配圖所示，支撐架固定在小臂上，在支撐架頂部，固定著諧波減速器，電機通過諧波減速器帶動絲杠運動，絲杠固定在支撐架上，通過絲杠旋轉(zhuǎn)帶動絲杠螺母，實現(xiàn)第三自由度的豎直運動。絲杠螺母與滑塊相連，第四關(guān)節(jié)驅(qū)動電機通過連接件與滑塊相連，電機通過連接軸帶動螺絲刀旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)第四自由度的旋轉(zhuǎn)運動。 圖 5.3 三四關(guān)節(jié)裝配體 5.4 機器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 在確定了機器人的傳動方案之后，又完成了各相關(guān)零件的參數(shù)選擇或選型，以及機器人各部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計之后，機器人的總體結(jié)構(gòu)也就確定了下來，將大臂、小臂和末端執(zhí)行器裝配起來就得到了機器人的總體結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖 5.4 所示，大臂、小臂、主軸旋轉(zhuǎn)都由步進電機實現(xiàn)，各動作的實現(xiàn)都由步進電機連接連接軸完成，主軸升降通過固定在小臂上的絲杠螺母來實現(xiàn)。其中，大臂的步進電機通過套筒固定在底座的頂端，底座可以固定在工作臺或地面上；小臂的步進電機通過套筒固定在大臂上，螺絲刀的步進電機則通過套筒固定在滑塊上。 圖 5.4 SCARA 機器人裝配體 6 控制系統(tǒng)設(shè)計 6.1 控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 SCARA 機器人的控制系統(tǒng)實際上是一種包括任務規(guī)劃，動作規(guī)劃，和伺服控制等的分層控制系統(tǒng)，如圖 6.1 所示。首先機器人通過人機接口獲得命令，然后機器人對輸入的命令進行分析“理解”，其次得到相應的任務要求即為任務規(guī)劃，動作規(guī)劃則是機器人根據(jù)得到的任務要求進行動作分解；機器人對每個關(guān)節(jié)的運動軌跡進行設(shè)計，即為軌跡規(guī)劃；實現(xiàn)每個關(guān)節(jié)按照既定的運動要求進行運動，即是伺服控制。 圖 6.1 機器人的分層控制圖 6.2 SCARA 機器人的控制方式 6.2.1 點位控制方式 這種控制方式的特點是實現(xiàn)點的位置控制，控制時是實現(xiàn)由一個已知點到另一個已知點的運動，而點與點之間的軌跡倒是沒有什么要求。 6.2.2 連續(xù)軌跡控制方式 這種控制方式的特點是要求其運動軌跡為給定的曲線，且對位姿和速度同樣有要求，以完成作業(yè)任務。 6.2.3 力（力矩）控制方式 在進行裝配任務時，除了定位精度的要求之外，還要求對末端執(zhí)行器施加在對象上的力或力矩進行控制，這時就要利用力（力矩）的控制方式[15]。 6.3 SCARA 機器人的控制流程 根據(jù)以上控制系統(tǒng)和控制方式的選擇，為本機器人設(shè)計了如圖 6.2 的控制流程： 首先是啟動系統(tǒng)，進行系統(tǒng)初始化，然后輸入程序，然后機器人的大臂和小臂開始運動，保證末端執(zhí)行器到達指定位置，然后絲杠螺母開始運動，保證末端執(zhí)行器在 Z 軸方向上達到指定位置，然后末端執(zhí)行器開始旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)結(jié)束后，絲杠螺母上升一小段位置，如果裝配任務沒有完成，則重復之前動作直至完成任務，如果任務完成，則關(guān)閉系統(tǒng)。 圖 6.2 機器人的控制流程圖 7 結(jié) 論 本文設(shè)計了一種 SCARA 平面關(guān)節(jié)式擰螺絲裝配機器人，完成了其本體的設(shè)計， 了進行運動學分析，并以三次多項式為例進行了軌跡規(guī)劃的生成，還對其控制系統(tǒng)的設(shè)計進行了簡單的討論。 本文研究的主要內(nèi)容如下所示： （1） 對 SCARA 機器人的傳動方案進行了選擇和確定，大臂、小臂、末端執(zhí)行器均以步進電機驅(qū)動，實現(xiàn)第一、二、四關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運動，第三關(guān)節(jié)以步進電機帶動絲杠螺母運動來實現(xiàn) Z 軸方向上的豎直運動。 （2） 完成了 SCARA 機器人的本體設(shè)計，其大臂小臂的連接方式相似，都是以步進電機帶動連接軸旋轉(zhuǎn)，連接軸與大臂小臂的相連實現(xiàn)其自由度的旋轉(zhuǎn)，不同的是， 大臂的步進電機固定在底座上，而小臂的步進電機固結(jié)在大臂上。絲杠固定在小臂上， 末端執(zhí)行器的步進電機通過連接件與滑塊相連。 （3） 對 SCARA 機器人進行了運動學分析，并以三次多項式為例對其進行了軌跡規(guī)劃的生成。 （4） 通過對 SCARA 機器人工作任務、工作要求、工作環(huán)境的分析和性價比以及安裝調(diào)試等因素的考慮，對步進電機、諧波減速器、末端執(zhí)行器、大小臂等結(jié)構(gòu)或零件進行了參數(shù)計算、型號選擇和通過 SolidWorks 進行三維建模。 （5） 簡單分析了 PTP、CP 和力（力矩）控制方式和基于 IPC+運動控制卡的開放式控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成。并對 SCARA 裝配機器人的控制流程作了簡單設(shè)計。 參 考 文 獻 [1] 桂仲成,吳建東.全球機器人產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀趨勢研究及中國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展預測[J]. 東方電氣評論,2014,17（4）:4-10. [2] 楊化書，曲新峰，工業(yè)機器人技術(shù)應用及發(fā)展[J].黃河水利職業(yè)技術(shù)學院學報，2004， 16（7），(2004)，42-43 . [3] 楊成文.平面關(guān)節(jié)機器人研制及其軌跡規(guī)劃[D].廣州：華南理工大學，2012． [4]郭洪紅.工業(yè)機器人技術(shù)[Ｍ].西安:西安電子科技大學出版社,05:75-80. [5]程汀.SCARA 機器人的設(shè)計及運動、動力學研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學,2008. [6]王健強,程汀.SCARA 機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及軌跡規(guī)劃算法[J].合肥工業(yè)大學學報，2008. [7] 盧軍,鄭國穗,馬金鋒,劉杰.SCARA 機器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與運動分析[J].陜西科技大學學報,2014. [8] 夏添.SCARA 機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與運動控制算法研究[D].武漢，湖北工業(yè)大學,2016. [9]斯克萊特.機械設(shè)計實用機構(gòu)與裝備圖冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2015. [10]濮良貴,紀名剛.機械設(shè)計[M]. 北京：高等教育出版社，2002. [11]聞梆椿.機械設(shè)計手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2010. [12]帕姆利.機械設(shè)計零件與實用裝置圖冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2013. [13]蔡自興.機器人學基礎(chǔ)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009. [14] 許果，王峻峰，何嶺松.一種基于 SCARA 機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].機械工程師，2005， 35(4)：65-67． [15] 王健強，程汀.SCARA 機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及軌跡規(guī)劃算法[J].合肥工業(yè)大學學報，2008， 31(7)：1027-1028． [16] 楊可楨.機械設(shè)計基礎(chǔ)[M]. 北京：高等教育出版社，2013. [17]衛(wèi)道柱.螺絲自動擰緊機的研制[D].合肥，合肥工業(yè)大學,2004. [18]蔡軍爽.螺絲機控制系統(tǒng)研究與開發(fā)[D].沈陽，東北大學,2008. [19] 賈廣田.全自動鎖螺絲機控制系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)[D].杭州，浙江工業(yè)大學碩士學位論文,2015. [20] 梁波.中國機器人技術(shù)和產(chǎn)業(yè)調(diào)查[J].高科技與產(chǎn)業(yè)化,2015,03:60-65. [21]李浩.自動鎖絲部分技術(shù)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學,2014. [22] 鄧勁蓮.機械產(chǎn)品三維建模圖冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2014. [23] 孟飛武.面向制鞋涂膠的 SCARA 機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究[D].淮南，安徽理工大學,2015. 附錄 1：外文翻譯 SCARA 機械手控制和建模 摘要 現(xiàn)在隨著電機驅(qū)動器和操縱器動力學的非線性發(fā)展，操縱器變得越來越復雜。由于這一系統(tǒng)的復雜性，建模過程尤其是通過使用數(shù)學表示或白盒方法的建模過程將變得更加復雜。因此計算機輔助設(shè)計（CAD）建模的方法應用的更加廣泛。在本文中通過使用 SolidWorks 來呈現(xiàn)機器人手臂 CAD 模型的發(fā)展。然后通過 Matlab/Simulink 環(huán)境平臺的模擬環(huán)境來設(shè)計基于比例--積分--微分關(guān)系的控制器（PID）。本文展現(xiàn)的是 MATLAB 和 SolidWorks 的組合使用的優(yōu)點，而 SolidWorks 能夠很好的表現(xiàn)建模過程。用于 4 自由度（DOF）機械手的 PID 控制器被評定為第 2 自由度后顯示了良好的效果。 1. 簡介 SCARA（選擇順應性關(guān)節(jié)機器人手臂）機器人應用廣泛，如取放，裝配，包裝。SCARA 機器人是一個非線性動力學系統(tǒng)，具有一定的不確定性如摩擦等。由于SCARA 機器人是高度非線性的，用傳統(tǒng)的方法難以識別 SCARA 模型的參數(shù)。尤為困難的是計算 SCARA 機器人的慣性矩，質(zhì)量，等等。 這種機器人的機械手需要遵循特定應用程序的控制。因此，機器人的軌跡跟蹤需要一個正確的動態(tài)模型和機器人的準確位置。然而，每個動態(tài)模型都有一定程度的錯誤。不正確的和錯誤的動態(tài)模型最終會導致位置或軌跡跟蹤誤差?，F(xiàn)在，如何簡化機械手動力學建模的研究已經(jīng)取得了許多研究成果。但是，所有研究人員都是采用復雜的方法來克服傳統(tǒng)動力學的建模誤差。 Mathworks 公司介紹了 SimMechanics 鏈接的三分之一仿真軟件產(chǎn)品。SimMechanics 鏈接工具從外部應用程序，如計算機輔助設(shè)計生成物理模型的 XML 文件（CAD）平臺。這些物理模型的 XML 文件可以用仿真軟件來生成 SimMechanics 模型代表的機械系統(tǒng)。 有關(guān)于 SolidWorks 和MATLAB 相結(jié)合的好處的研究很少，例如為了避免或簡化機器人手