吸盘式scara机械臂结构设计毕业设计论文

吸盘式scara机械臂结构设计毕业设计论文内容摘要：

能将实验结果发回地球。 在海洋开发方面，美国曾用 Curv 号有缆水下机器人成功地从西班牙附近 900 米深的海底打捞一颗因 B52 轰炸机失事掉入水中的氢弹。 挪威卑尔根公司生产的一种水下机器人，可在水下 600 米处作业，装有电视摄像机，可收集海底标本，切割石油管道和缆索等。 在放射性环境中，如在核电站里，机器人可用来检查、修复管道、阀门等，如日吸盘式 Scara 机械 臂 结构设计 7 本东芝公司研制的一种蛇形机器人，具有八个关节，可以在 狭小的空间里操作，臂长达 米，臂顶端装有电视摄像机。 在 军 事 方面，机器人己用于侦察、布雷、排除爆炸物、装填弹药等。 在建筑中，己有一种爬壁机器人可用来修理墙面，擦洗窗户。 此外还有摘果实、挤牛奶、剪羊毛、清理垃圾、监护病人的机器人等。 总之，机器人的应用面相当广泛，机器人的工作特点是在计算机控制下离开人的干预进行各项工作。 用机器人代替人，可以使人摆脱高温、有毒、 粉尘、振动、放射性、强噪音等恶劣环境，而去从事机器人的监控、维护等工作，使工作性质发生了变化，减轻了劳动强度，同时也改善了就业结构。 机器人工作 抗干扰能力强，一心一意按所编程序工作，动作精度、重复精度高，因此能保证和提高产品质量。 解决多品种小批量生产的自动化问题二随着人民生活水平的提高，人们要求提供更丰富更多样的产品。 因此，用传统的生产方式难以满足人们的需求，当前柔性制造系统的飞速发展正是适应了这种发展趋势，而机器人是柔性系统中不可缺少的提高劳动生产率的关键设各。 与人相比，机器人有一个最大的特点 :不知疲倦、不需要休息，在合宜的条件下，可以连续工作，因此可以大大地提高劳动生产率。 机器人对于改善劳动条件、减少安全事故，减少人受危险环境的伤害等方面都有显 著的效果。 机器人的发展 现代工业机器人起源于数控机床和远程控制器。 1954 年，美国的 Gee Devol首先把远程控制器的杆结构与数控铣床的伺服轴结合起来，研制出了第一台通用机械手。 这种机械手可以通过让其沿一系列点运动，将运动位置以数字形式存贮起来，动作执行时，使伺服系统驱动机械手各关节轴来再现这些位置，从而让机械手完成一些简单的工作。 正是由于这个机械手具有了编程示教再现功能，因此许多人把它作为现代工业机器人产生的标志。 在随后的生产应用中，为了适应各种不同用途需要，相继出现了直角坐标、关 节坐标、极坐标等许多种不同结构的机器人。 与第一代示教再现型机器人不同，第二代机器人是具有感觉功能的适应控制机器人。 这种机器人带有传感器，能感知环境和对象的情况，以控制自身动作的变化。 在机器人视觉、触觉研究的同时，机器人其他感觉功能的开发也已经开始，对机器人的接近觉、听觉、滑觉以及会话等功能都进行了研究，并取得了一定的成果。 而且这种有感知功能的机器人开始被应用于工业生产中的焊接、装配及机械加工等作业。 智能机器人被人们称为第三代机器人，它是能利用感觉和识别功能做决策行动的机器人。 从七十年代后期开始，吸盘式 Scara 机械 臂 结构设计 8 人们对智能机 器人的规划生成系统 (问题解决系统，路径搜索等 )，环境的理解系统 (感觉智能，包括视觉，触觉等 )，知识获得与利用系统 (知识工程和专家系统等 )，人一机接口系统，运动系统等问题展开了更加广泛、深入地研究。 智能机器人的研究是一个艰巨而又广泛的问题，随着研究的不断深入，相关科学的飞速发展 (如第五代智能计算机 )，具有智能的机器人在不久的将来一定会出现。 纵观机器人的发展过程，可以看出， 自从机器人在五十年代诞生以来，在短短的四十多年里由于各种有关技术的发展，特别是自动控制技术、集成电路技术及微型计算机技术的应用，在国际形式 的推动下，各国在经济上和科技上展开激烈的竞争，机器人的生产和应用随之得到了迅速的发展。 它经历了第一代工业机器人的研究、实用化、普及，第二代感知功能机器人的研究、实用化，以及第三代智能机器人的研究等各个阶段。 我国的机器人研究始于 70 年代。 经过近 20 年努力，特别是经过 “七 11.”攻关、“ 863”计划，取得了一批重要成果，掌握了机器人控制系统硬件设计、软件设计、机器人语言等技术。 就全国来说，目前我国机器人研究开发工作做得较好的地区是 :以中科院沈阳自动化研究所为首的东北地区机器人工程中心，以机电部广州机床所为龙头的华南地区的机器人工程中心。 而各工程中心 _L作的侧重点又有所不同 :东北地区以特种机器人、水下机器人开发为 L,华北地区以喷漆 Y1lt 人、焊接机器人开发为主，华东地区以搬运机器人、装配机器人、移动机器人开发为主。 1986 年，国家把智能机器人列为高技术发展计划，研究目标是跟踪世界先进水平，工作内容主要是围绕特种机器人进行攻关。 进 入 90 年代，在国内市场经济发展的推动下，确定了特种机器人与工业机器人及其应用工程并重、以应用带动关键技术和基础研究的发展方针，实现了高技术发展与国民经济主战场的密切衔接，研制出 有自主知识产权的工业机器人系列产品，并小批试产，完成了一批机器人应用工程，建立了 9 个机器人产业化基地和 7 个科研基地。 我国的高等院校，如长沙国防科技大学、上海交通大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等在步行机器人、精密装配机器人及 7 自由度机器人研制等前沿领域内做出了可喜的成绩，正在逐步缩短在机器人技术方面与世界先进水平的差距。 综上所述，我国机器人发展已跨过了起步阶段，走上了进步和发展的道路。 今后的任务是把机器人技术推广到更多的工业自动化生产领域和其他更广泛的应用领域，大力开展跨区域交流合作，与国际接轨， 早日跻身于世界先进行列。 吸盘式 Scara 机械 臂 结构设计 9 本文的研究内容 SCARA 机器人为平面关节型机器人，一般采用步进电机驱动，控制简单，编程方便。 主要应用于电子产品中异形元件装配，小型机电产品如电机、空压机、电器、泵类等的装配工作，是一种小型经济型机器人。 该机器人的突出特点是机构承载能力强，具有较好的通用性，重复定位精度高，动作速度快，应 用范围广。 此课题为自拟实际开发的科研课题。 该论文涉及计算机技术、电子、机械、检测技术及传感器技术等多学科的知识，主要完成了以下的工作 : ， 用 AutoCAD 等计算机图形辅助设计软件完成了 SCARA 机器人的机械本体结构设计。 为了满足灵活性强、工作空间大、重量轻及结构紧凑等工作要求，将其设计为具有四个转动关节的机器人。 SCARA 机器人的运动学数学模型，得到了运动学方程的正解和反解，并在运动学分析的基础上，求得了 SCARA 机器人的雅可比矩阵。 3 机械 臂模块的规划与数学描述：研究机械臂的功能约束，研究具有明确机械 功能的模块定义方法及数学描述； 4 机械臂模块的工程设计：研究模块化机械结构设计方法，设计出机械臂及吸盘的整体结构。 吸盘式 Scara 机械 臂 结构设计 10 2 SCARA机器人的研究意义和原理设计 SCARA机器人的研究意义 目前，国外已有各种专用和通用的装配机器人在生产中得到应用，主要类型大致有直角坐标型、圆柱坐标型和关节型三大类。 关节型装配机器人又有垂直关节型 (即空间关节型 )和平面关节型 (即 SCARA 型 )两种。 拒统计资料介绍，在这些装配机器人中，平面关节型装配机器人是应用数量最多且较为广泛的一种装配机器人。 1991 年世界上 4 万余台在生产上应用的装配机器人中， SCARA 机器人约占 3/4 左右。 其主要应用领域为电子电气业、家用电器业、精密机械业。 从事 印刷电路板上电子元器件的插入作业。 家用电器及仪器仪表的组装作业 :小型电器开关、接触器等电器产品的组装作业。 可以说， SCARA 型机器人在轻型、较简单且要求机器人价格较低的装配作业中大显了身手。 随 着 社 会需求的增大和技术的进步，装配机器人将会得到迅速的发展，多品种、少批量生产方式和为提高产品质量及生产效率的生产工艺需求，将是推动装配机器人发展的直接动力。 近年来计算机、 CIMS 及柔性自动装配系统等的发展，又为装配机器人的应用和发展提供了良好的可能性。 1972 年我国开始研制机器人，但发展缓慢，受经济、观念等因素 的制约，基本没有什么应用，直到 1986 年，沈阳机器人研究所成立，中国的机器人才向实用阶段发展。 随着国内教育和科技的发展，哈工大等高校出现了专门的机器人机构，研究水平在某些方面己达到国际先进水平。 在应用方面，一汽等大型企业己开始使用机器人自动化生产线。 但总体来说，国内机器人发展还是趋于落后，特别是在应用方面发展缓慢。 究其原因，除了经济因素的制约外，很重要的一点是有关机器人的教育跟不上，知道机器人的人很多，但真正了解、懂机器人的人少而又少，这就使我国的机器人发展缺乏智力支持，加强机器人技术教育，缓解人才危机迫在 眉睫。 而研制结构简单、成本较低 SCARA 机器人用于教学可以提高教育的现代化水平，用于实际生产可以大大提高工作效率，还可以用于科学研究工作，为开发更先进的装配机器人提供有利条件，随着我国经济和科技的发展，我们有能力也有必要进行这方面的研究。 SCARA机器人的特点 根据工作环境、工作特点等要求，本 SCARA 机器人应具备以下几个特点 : ，适于观察。 如果作为示教用机器人应该让观看者赏心悦目，同时能直观地了解它的构成和动吸盘式 Scara 机械 臂 结构设计 11 作原理。 故机器人的外形应巧妙设计，部分外壳应采用透明材料，内部结构应简单 明了，另外，机器人的动作应连续，速度适中。 在满足所要求功能的前提下，尽可能降低成本，这是设计的基本要求 .如果作为教学用机器人只要求有一些示范性动作，而对实践的功能要求不高，速度等参数可在一定范围内调整，定位精度要求也不高，故机构尽可能采用规则件、标准件，驱动元件采用便宜的步进电机，而光电码盘等测试校验元件则可不用，其功能由软件部分实现补偿。 这样，结构大大简化，成本也随之降低。 ，重量轻 SCARA 机器人要求抓取重量不大，动作范围也很小，故体积很小，展开应在 60 x 80cm2 左右。 要 实现 SCARA 机器人的四个自由度，内部零件应尽量小巧，结构应尽可能紧凑。 重量轻是机器人研制的一个 方向，在满足强度和刚度的条件下，零部件越轻越好，故材料要首选 铝质轻质材料，零件特别是具有定位功能的壳体定位板应采用板筋结构，各零件的空间分布要合理，减小倾覆力矩。 本 SCARA 机器人采用步进电机驱动，速度要求不高，故减速比可在一定范围内调整，只要能满足转矩即可。 选择减速方案可根据空间结构要求，优先选用标准谐波减速器，跨距转大的传动可选用同步带传动，力求一步到位，传动简单。 SCARA机器人传动方案的确定 根据课题特点，参考《国内典型工业机器人图册》，初步确定以下方案 : 吸盘式 Scara 机械 臂 结构设计 12 图 21 传动原理图 如图所示 :大臂转动采用谐波减速，小臂转动采用二级同步带减速，升降轴采用丝杠螺母传动，手腕转动采用步进电机直接驱动。 这种方案主要考虑了传动链的简化，结构比较简单易行。 方案一具有以下特点 : ，适合结构特点，减速比大、体积小、重量轻、精度高、回差小、承载能力大、噪音小、效率高、定 位安装方便，由于使用标准件，价格也不高。 二级同步齿型带减速，充分利用了大臂的空间，结构紧凑，传动比恒定，传动功率大，效率较高，但对安装有一定要求，需加调整装置。 3. 第三个自由度采用丝杠螺母传动。 电机直接驱动丝杠螺母传动的同时兼有减速的作用，一步把旋转运动转变为直线运动，传动精度较高，丝杠有自锁功能，速度吸盘式 Scara 机械 臂 结构设计 13 不宜过高。 ，不配光电码盘。 步进电机价格便宜，体积小，控制方便，为减少零部件，简化结构，不用码盘进行位置速度检测，这就要求在控制中采取一些措施，速度不能太高，以防止电机丢步。 SCARA 机器人为平面关节型机器人，四个自山 度包括大臂、小臂的旋转，腕部的升降及旋转，为了使机器人的臂转动，所需要的最大转矩是当臂呈水平状态，如图21 所示。 设各部分的尺寸和重量如下 : 1 大臂的第一和第二关节轴之间的距离为 350m m，质量为 m,(3 kg 左右 ) 其重心在距离第一关节轴 150 mm 处。 2 小臂的第二和第三关节轴之间的距离为 200 mm，质量为 m,(0 .8 k g 左右 )，其重心在距离第二关节轴 100m m 处。 m3 ( 4kg 左右 )，重心在距第二关节轴 200 mm 处。 第一关节轴第二关节轴第三关节轴3Kg Kg 4Kg图 22 SCARA 机器人手臂的重量分布 该机器人的基本技术参数如下 : 大臂回转 :+900， 300/s 小臂回转 :1600， 150/s 手腕升降 :l。