摘要隨著自動化設(shè)備的普及，在實際的自動化生產(chǎn)所需求的效率和穩(wěn)定性愈加提高，促進(jìn)了自動化的發(fā)展。機(jī)器人它具有人工不可替代的高速度和高精度使機(jī)器人成為了自動化生產(chǎn)的核心。SCARA機(jī)器人是一種用于平面的搬運和裝配的機(jī)器人旁支，目前在裝配、搬運等各種方面它已經(jīng)代替了工人在自動化生產(chǎn)中成為了重要工具。本文設(shè)計了一種應(yīng)用于吸附搬運小型工件的SCARA機(jī)器人。具體工作內(nèi)容如下（1）查詢了SCARA機(jī)器人在國內(nèi)和國外的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，對比并選擇了SCARA機(jī)器人的機(jī)械傳動方案。（2）對SCARA機(jī)器人的傳動方式和驅(qū)動方式進(jìn)行選型。設(shè)計了SCARA機(jī)器人的本體和末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)。（3）利用ANSYSWorkbench對大臂有限元模型進(jìn)行了有限元分析。關(guān)鍵詞：SCARA機(jī)器人；末端執(zhí)行器；結(jié)構(gòu)設(shè)計；有限元分析

AbstractWiththepopularizationofautomationequipment,theefficiencyandstabilityrequiredintheactualautomatedproductionareincreasing,andthedevelopmentofautomationispromoted.Robots:Ithashighspeedandhighprecisionthatareirreplaceablebyartificial,makingrobotsthecoreofautomatedproduction.SCARArobotisakindofrobotsidebranchusedforplanehandlingandassembly,andithasreplacedworkersinvariousaspectssuchasassemblyandhandling,andhasbecomeanimportanttoolinautomatedproduction.Inthispaper,aSCARArobotisdesignedforadsorptionandhandlingofsmallworkpieces.Thespecificworkcontentisasfollows(1)ThedevelopmentstatusandtrendofSCARArobotathomeandabroadwereinquired,andthemechanicaltransmissionschemeofSCARArobotwascomparedandselected.(2)SelectthetransmissionmodeanddrivemodeofSCARArobot.ThestructureoftheSCARArobotbodyandend-effectorwasdesigned.(3)ANSYSWorkbenchwasusedtoanalyzethefiniteelementmodelofthelargearm.Keywords：SCARARobot；EndEffector；StructuralDesign；FiniteElementAnalysis

目錄第1章 緒論 [2]，通過電子控制系統(tǒng)對電機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)控制，從而實現(xiàn)機(jī)器人的各種復(fù)雜動作。具有響應(yīng)速度快，動態(tài)性能好控制精度高，可以實現(xiàn)復(fù)雜的控制策略的優(yōu)點，適合于精密操作和輕負(fù)載場合應(yīng)用。液壓驅(qū)動通過液壓泵推動液壓油，利用油壓來驅(qū)動機(jī)器人的關(guān)節(jié)與執(zhí)行器進(jìn)行運動。其優(yōu)點是動力傳輸效率高，可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸同時提供很大的力和扭矩，適合于重負(fù)載應(yīng)用。但維護(hù)成本和液壓系統(tǒng)的要求較高。因此只適用于對運動速度和精度沒有要求的場合中。氣動驅(qū)動作為動力源，通過壓縮空氣和氣閥控制氣流來驅(qū)動機(jī)器人的運動。其結(jié)構(gòu)簡單，成本較低且運動的速度較快但由于氣體具有的可壓縮性，氣動系統(tǒng)的控制精度相比電氣和液壓系統(tǒng)要低。根據(jù)三種驅(qū)動方式的區(qū)別，考慮SCARA機(jī)器人所需的精度、結(jié)構(gòu)以及控制等要求。設(shè)計使用電機(jī)驅(qū)動作為機(jī)器人的動力源，可使機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)緊湊且具有較高的定位精度。常用的電機(jī)一般為步進(jìn)電機(jī)交、直流伺服電機(jī)。為了確定設(shè)計所需的電機(jī)類型將三種電機(jī)的特點進(jìn)行對比如下：步進(jìn)電機(jī)可以在不需要反饋系統(tǒng)的情況下工作，步進(jìn)電機(jī)可以控制輸入的電脈沖數(shù)對電機(jī)的運動實現(xiàn)精確控制。步進(jìn)電機(jī)有控制簡單、定位精確等優(yōu)點在打印機(jī)、CNC機(jī)床、3D打印、機(jī)器人等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但步進(jìn)電機(jī)在某些速度下可能會遇到共振問題，影響運行的平穩(wěn)性和精度且隨著運行速度的增加，步進(jìn)電機(jī)的扭矩?zé)o法保證平穩(wěn)，限制了其在高速應(yīng)用中的性能。交流伺服電機(jī)與直流伺服電機(jī)相比交流伺服電機(jī)通常配備有更復(fù)雜的控制技術(shù)，如矢量控制。交流伺服電機(jī)可以通過使用編碼器或其他反饋裝置實現(xiàn)對速度、位置和加速度的高精度控制且可以在較小的體積和重量下提供較大的扭矩直流伺服電機(jī)是一種在自動控制系統(tǒng)中廣泛使用的電動機(jī)，通常配備有反饋裝置（如編碼器）來實現(xiàn)閉環(huán)控制。可以對速度進(jìn)行很好的控制，在較小的體積和重量下能夠提供較大的扭矩。但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且電刷放電也會對其實際工作帶來一定影響。綜合考慮所設(shè)計的機(jī)器人的技術(shù)要求和設(shè)計用途為吸附搬運，精度要求高，額定負(fù)載2.5kg，最大負(fù)載為5kg。驅(qū)動電機(jī)選用為交流伺服電機(jī)。2.2.2第1，2關(guān)節(jié)的傳動第1和第2關(guān)節(jié)的運動是大臂和小臂的旋轉(zhuǎn)運動，都為旋轉(zhuǎn)運動，傳動的方式一起考慮。（1）1軸和2軸電機(jī)同軸1軸2軸電機(jī)同軸是將2軸的驅(qū)動電機(jī)安裝在大臂上或者基座內(nèi)部通過同步帶的傳動提供小臂旋轉(zhuǎn)的動力，可以使2軸電機(jī)的質(zhì)量集中在第1關(guān)節(jié)，降低了小臂的負(fù)載和轉(zhuǎn)動慣量使機(jī)器人更為穩(wěn)定。一般在輕負(fù)載，工作時間較長的生產(chǎn)線中使用。（2）1軸和2軸電機(jī)不同軸1軸和2軸電機(jī)不同軸是將2軸的驅(qū)動電機(jī)和減速器安裝在小臂上，通過電機(jī)直接提供小臂旋轉(zhuǎn)的動力，由于電機(jī)直接驅(qū)動小臂不需要同步帶傳動所以相比電機(jī)同軸的效率和穩(wěn)定性更高且結(jié)構(gòu)更簡單安裝更方便，并可以保證較高精度。由于目前的伺服電機(jī)，體積小，質(zhì)量輕，可以彌補(bǔ)機(jī)器人的重心到底座的距離變遠(yuǎn)的缺點。1軸和2軸減速器的選用工業(yè)機(jī)器人中使用的減速器通常是為了用于降低電動機(jī)或發(fā)動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速并通過增加輸出轉(zhuǎn)矩來滿足的工作需求。在工業(yè)機(jī)器人常用的減速器主要有行星、RV和諧波三種減速器。（1）行星減速器當(dāng)行星減速器的太陽輪在驅(qū)動力的作用下旋轉(zhuǎn)時，太陽輪會帶動行星齒輪組一起轉(zhuǎn)動。行星齒輪組的行星輪會沿著內(nèi)齒圈上的特定路徑進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而形成一個類似于公轉(zhuǎn)的運動。行星齒輪組會通過特定的齒輪比例來放大或縮小太陽輪的旋轉(zhuǎn)速度，達(dá)到減速的效果。行星減速器結(jié)構(gòu)緊湊、扭矩輸出高、傳動平穩(wěn)等優(yōu)點，能滿足機(jī)器人對于扭矩、精度和穩(wěn)定性等方面的要求。（2）RV減速器RV減速器由行星齒輪減速器的前級和擺線針輪減速器的后級組成，沒有了一般針擺傳動的缺點。它的傳動比大、精度較為穩(wěn)定，剛性強(qiáng)。一般在機(jī)器人所需承受高負(fù)載的部位上應(yīng)用。（3）諧波減速器諧波減速器是一種由剛輪、柔輪、波發(fā)生器組成的減速裝置。通過柔性齒輪和剛性齒輪之間的相對運動來實現(xiàn)輸入軸到輸出軸的減速傳動。其結(jié)構(gòu)如圖SEQ圖\*ARABIC2-1所示諧波減速器有著體積小、重量輕、高精度、大扭矩輸出、零背隙、緊湊結(jié)構(gòu)、平穩(wěn)性和耐久性等優(yōu)點。圖2-1諧波減速器的結(jié)構(gòu)圖為了使SCARA機(jī)器人輕量化的同時具有高剛性與高精度，考慮安裝方便，成本控制，減速裝置采用諧波減速機(jī)。2.2.3第3，4關(guān)節(jié)的傳動第3第4關(guān)節(jié)運動為移動旋轉(zhuǎn)副。3，4關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計使用滾珠絲桿花鍵傳動。傳統(tǒng)的SCARA機(jī)器人所用的升降旋轉(zhuǎn)方式由滾珠絲杠和滾珠花鍵實現(xiàn)，通過分開控制絲桿電機(jī)和花鍵電機(jī)就可以滿足機(jī)器人的的升降和旋轉(zhuǎn)要求。目前出現(xiàn)了一體化的滾珠絲杠滾珠花鍵結(jié)構(gòu)，即在一根軸上同時使用滾珠絲杠與滾珠花鍵其結(jié)構(gòu)如圖2-2所示，絲桿螺母和花鍵螺母分別位于軸的兩端。分別控制絲桿電機(jī)和花鍵電機(jī)的運動狀態(tài)實現(xiàn)主軸運動。絲桿和花鍵螺母通過同步齒形帶傳動電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。具體的運動方式如下（1）主軸升降移動3軸伺服電機(jī)啟動，通過同步齒形帶使絲杠螺母從動輪轉(zhuǎn)動，帶動絲杠螺母轉(zhuǎn)動，且4軸伺服電機(jī)不啟動時可以實現(xiàn)主軸升降運動，通過3軸伺服電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)實現(xiàn)主軸的升和降。（2）主軸螺旋運動4軸伺服電機(jī)啟動，通過同步齒形帶使花鍵螺母從動輪轉(zhuǎn)動，帶動花鍵螺母轉(zhuǎn)動，且3軸伺服電機(jī)不啟動時可以實現(xiàn)主軸螺旋運動。（3）主軸旋轉(zhuǎn)運動3軸和4軸伺服電機(jī)啟動，通過同步齒形帶帶動花鍵螺母從動輪轉(zhuǎn)動，使花鍵螺母轉(zhuǎn)動，3軸和4軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速相同轉(zhuǎn)向相反，通過絲桿螺母與花鍵螺母的同時運動可以抵消掉主軸的升降，實現(xiàn)主軸的旋轉(zhuǎn)運動。圖2-2一體式滾珠絲杠花鍵軸結(jié)構(gòu)圖2.2.4傳動方案的確定根據(jù)以上各關(guān)節(jié)傳動方案的設(shè)計，確定所設(shè)計SCARA機(jī)器人的整體傳動方案最終確定如下：通過安裝在底座中的伺服電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩傳動到諧波減速器繼續(xù)傳遞轉(zhuǎn)矩最后傳動到大臂使大臂回轉(zhuǎn)。小臂的傳動方式與大臂相似通過安裝在小臂中的伺服電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩傳動到大臂上的諧波減速器繼續(xù)傳遞轉(zhuǎn)矩使小臂回轉(zhuǎn)。通過控制3軸和4軸的伺服電機(jī)的運動情況控制一體化滾珠絲杠花鍵的運動實現(xiàn)主軸運動。圖2-3所示為SCARA機(jī)器人的整體傳動示意圖。1—大臂驅(qū)動伺服電機(jī)；2—大臂諧波減速器；3—小臂諧波減速器；4—小臂伺服電機(jī)；5—滾珠絲桿伺服電機(jī)；6—滾珠花鍵伺服電機(jī)；7—同步齒形帶；8—一體式精密滾珠絲桿花鍵圖2-3SCARA機(jī)器人傳動示意圖

第3章SCARA機(jī)器人的關(guān)鍵部件設(shè)計3.1旋轉(zhuǎn)軸驅(qū)動選型設(shè)計3.1.1第1軸伺服電機(jī)及諧波減速器的選擇計算第1第2軸的伺服電機(jī)選型的計算思路為推導(dǎo)伺服電機(jī)所需的最小驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。初步估計機(jī)器人各部分的質(zhì)量為：底座10kg，大臂8kg，小臂7kg，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)重量6kg。將大臂、小臂及末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量分別假設(shè)為JG1，JG2，JG3。要計算SCARAJ式中m1，m2，m3分別為大臂、小臂、末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的質(zhì)量，l1，l2，l3分別為大臂、小臂、末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的質(zhì)心到第一關(guān)節(jié)軸的水平距離，距離估算為160mm、400mm、500mm。由于JG1?m1l12、假設(shè)所設(shè)計的機(jī)器人的大臂從完全靜止的狀態(tài)時，時間角速度達(dá)到200°/s所需時間為t1s，則電機(jī)需要的啟動轉(zhuǎn)矩為：T根據(jù)上式計算得T1=9.858552N?m?？紤]及其他各方面因素的影響2，計算T計算得Tmin=19.717104N?m所以減速器需要輸出至少以上20N?m的轉(zhuǎn)矩。根據(jù)所需轉(zhuǎn)矩采用來福諧波減速器型號LHT-17-80-U-I它的減速比為80、額定轉(zhuǎn)矩為22N?m、瞬間容許最大轉(zhuǎn)矩為87N?m、啟動停止時的峰值轉(zhuǎn)矩為43N?m，額定轉(zhuǎn)矩達(dá)到所需的轉(zhuǎn)矩。假設(shè)諧波減速器的傳動效率為T=根據(jù)上式計算得電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩為T=0.2778N?m。根據(jù)所需的轉(zhuǎn)矩采用匯川技術(shù)伺服電機(jī)MS1H1-10B30CB-A331Z型它的額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，在額定轉(zhuǎn)速時3.1.2第2軸伺服電機(jī)及諧波減速器的選擇計算小臂的計算和選擇與大臂的計算類似，忽略JGJ根據(jù)上式可算得第二關(guān)節(jié)軸的等效轉(zhuǎn)動慣量J2=2.62kg?m2假設(shè)所設(shè)計的機(jī)器人的小臂從完全靜止的狀態(tài)時，時間角速度達(dá)到200°/s所需時間為t2，可求得大臂所選擇的諧波減速器的最小輸出轉(zhuǎn)矩為Tmin=18.2876N?m所以減速器需要輸出至少以上19N?m的轉(zhuǎn)矩。根據(jù)所需轉(zhuǎn)矩選擇來福諧波減速器，其型號與大臂減速器型號相同為LHT-17-80-U-I，符合所需減速器要求。根據(jù)公式（3—4）計算得伺服電機(jī)需要的輸出轉(zhuǎn)矩T=0.26383.2第3第4軸驅(qū)動設(shè)計選型3.2.1滾珠絲桿花鍵選型設(shè)計（1）工作最大載荷計算滾珠絲杠的工作最大載荷為FF式中FZ——預(yù)估主軸的軸向負(fù)載，F(xiàn)Z=6×9.8=FYf——橫向工作載荷與導(dǎo)桿軸套間摩擦系數(shù)的乘積f=0.15根據(jù)上式計算得絲桿的最大工作載荷估算為Fm（2）計算滾珠絲桿花鍵的轉(zhuǎn)速n設(shè)計要求3軸的直線運動速度V=500mm/s，初選絲桿導(dǎo)程P?25mmV=計算得到絲桿的轉(zhuǎn)速由得n=1200r/min（3）計算滾珠絲桿花鍵的最大動載荷根據(jù)負(fù)載力的大小，可由下列式子計算出滾珠絲桿的最大動載荷FL，式中L0——T——額定使用壽命，取滾珠絲杠的使用壽命T=15000hn——絲桿的轉(zhuǎn)速，根據(jù)前述計算結(jié)果取n=1200r/minfW——載荷系數(shù)當(dāng)絲桿的運轉(zhuǎn)狀平穩(wěn)時候取ffH——硬度系數(shù)。當(dāng)絲桿硬度≥58HRC時，取Fm——為滾珠絲桿的最大工作載荷為計算得最大動載荷FQ=722.57N根據(jù)計算出的最大動載荷選擇THKBNS系列2525A型號滾珠絲桿花鍵。絲桿導(dǎo)程（4）絲杠穩(wěn)定性的驗算失穩(wěn)時的臨界載荷F式中fkE——彈性模量，材料為鋼取E=I——按絲桿軸外徑d確定的截面慣性矩，I=fk——絲杠支承系數(shù)取fk——壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)取K=2.5a——滾珠絲杠兩端支承間的距離，取a=300mm?？伤愕肍k（5）傳動效率的計算η=λ=arctan式中——絲桿的螺旋升角——摩擦角，根據(jù)所選絲桿取10°可得η=98.7%計算得出滾珠絲桿花鍵的傳動效率高，所選的滾珠絲杠花鍵副滿足使用要求。3.2.2滾珠絲桿花鍵驅(qū)動電機(jī)選型設(shè)計因為滾珠絲桿花鍵最大載荷Fm=63.21N，所以3軸和4軸直接使用伺服電機(jī)與同步帶直接驅(qū)動絲桿運動T式中Fm——P?——η——絲桿傳動效率。可算出電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩T=0.237N?m取安全系數(shù)為2，則電機(jī)最小轉(zhuǎn)矩T3=2T=0.474N?m。根據(jù)所需轉(zhuǎn)矩關(guān)節(jié)3和關(guān)節(jié)4電機(jī)選擇匯川技術(shù)伺服電機(jī)MS1H1-20B30CB-A331Z型，它的額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，在額定轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)矩為0.3.3同步齒形帶選型設(shè)計SCARA機(jī)器人的3軸和4軸通常涉及到機(jī)器人的垂直移動和末端執(zhí)行器（如夾具或工具）的旋轉(zhuǎn)。采用同步帶傳動相比其他傳動方式（如齒輪傳動、直接驅(qū)動、鏈條傳動等）具有一系列的優(yōu)點。3.3.1關(guān)節(jié)3的同步帶的選型（1）確定同步齒形帶的計算功率3軸電機(jī)為MS1H1-20B30CB-A331Z型額定功率為200w額定轉(zhuǎn)速3000r/min。設(shè)傳動比為1.8其功率計算公式為P式中KA——工況修正系數(shù)，取其值為P——為所需要傳遞的功率。根據(jù)計算得同步帶的計算功率為Pd（2）選定同步帶帶型圖3-1為圓弧齒同步帶選型圖。根據(jù)功率Pd=300W，轉(zhuǎn)速n=3000r/min，據(jù)此可以選擇3M同步齒形帶，節(jié)距為P圖SEQ圖\*ARABIC3-1圓弧齒同步帶選型圖（3）確定小帶輪齒數(shù)Z1和小帶輪節(jié)圓半徑 根據(jù)選擇帶的同步帶型3M型和轉(zhuǎn)速n=3000r/min，根據(jù)圖3-2可知，小帶輪上齒數(shù)至少取Z1min20，這里取Z1圖3-2帶輪的最小齒數(shù)小帶輪節(jié)圓直徑d計算得d（4）確定大帶輪齒數(shù)Z2及節(jié)圓半徑Z計算得Z大帶輪節(jié)圓直徑根據(jù)公式（3-15）可算出d2（5）計算同步帶帶速vv=由上式可得v=6m/S查《機(jī)械設(shè)計手冊》可知（6）初定中心距a中心距a0要滿足0.7(d1+d2)<（7）初定同步帶的節(jié)線長度Lop及其齒數(shù)同步帶的節(jié)線長度為L計算得到L根據(jù)圓弧齒同步帶長度系列選擇節(jié)線長接近Lop的同步帶。長度代號為384節(jié)線長Lp=384mm，節(jié)線上齒數(shù)（8）計算同步帶的實際中心距實際中心距a計算得到a（9）計算小帶輪嚙合齒數(shù)z小帶輪嚙合齒數(shù)z計算得到小帶輪嚙合齒數(shù)z（10）計算基本額定功率根據(jù)所選的同步帶型3M和小帶輪轉(zhuǎn)速查《機(jī)械設(shè)計手冊》得基本額定功率P（11）同步帶的寬度bsb式中Kz——小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù)，由于Zm≥6，取bs0——同步帶的基準(zhǔn)寬度，查表得3M型bsKL—圓弧齒帶長系數(shù)，查表得KL計算得到bs≥6mm?。?2）作用在軸上的力F式中KF——矢量相加系數(shù)，查機(jī)械設(shè)計手冊取KF計算可得Fr=3.3.2關(guān)節(jié)4的同步帶的選型關(guān)節(jié)4的同步帶選型步驟和關(guān)節(jié)3相似，關(guān)節(jié)4所選擇的伺服電機(jī)與關(guān)節(jié)3的電機(jī)相同其額定功率為200w，額定轉(zhuǎn)速3000r/min。取傳動比為1.5同步帶計算功率為Pd=300W。小帶輪上齒數(shù)Z1取48由公式（3-15）得小帶輪節(jié)圓直徑d1=45.85mm由傳動比為1.5可得大帶輪上齒數(shù)Z2為72，大帶輪節(jié)圓直徑為d2=68.79mm。根據(jù)公式（3-17）計算同步帶帶速得v=7.2m/s中心距a0同樣需要滿足條件0.7(d1+d2)<a0<2(d1+d2)計算得80.25mm<a0<229.28mm。初定a0=90mm。根據(jù)公式（3-18）計算同步帶的節(jié)線長度Lop=361.44mm根據(jù)圓弧齒同步帶長度系列選擇節(jié)線長接近

第4章SCARA機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計4.1SCARA機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計4.1.1SCARA機(jī)器人大臂結(jié)構(gòu)設(shè)計第1關(guān)節(jié)為大臂的旋轉(zhuǎn)，主要支撐小臂及腕部并帶動其轉(zhuǎn)動。采用中空設(shè)計，便于將伺服電機(jī)安裝于內(nèi)部以減少轉(zhuǎn)動慣量，使結(jié)構(gòu)更為簡單，結(jié)構(gòu)圖如圖所示。具體安裝方式為伺服電機(jī)與諧波減速器相連，減速器通過安裝在底座和大臂上，從而實現(xiàn)大臂轉(zhuǎn)動。如圖4-1為SCARA機(jī)器人大臂結(jié)構(gòu)。圖SEQ圖\*ARABIC4-1SCARA機(jī)器人大臂結(jié)構(gòu)4.1.2SCARA機(jī)器人小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4-2為SCARA機(jī)器人的小臂結(jié)構(gòu)。第2關(guān)節(jié)為小臂的旋轉(zhuǎn)。與大臂的電機(jī)安裝方式類似，小臂的伺服電機(jī)與諧波減速器相連，減速器通過安裝在小臂和大臂上，電機(jī)通過諧波減速器直接驅(qū)動小臂，完成小臂的旋轉(zhuǎn)運動。結(jié)構(gòu)圖如圖4-2所示圖4-2SCARA機(jī)器人小臂結(jié)構(gòu)4.1.3SCARA機(jī)器人腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計第3關(guān)節(jié)運動為主軸的升降運動，第4關(guān)節(jié)運動為主軸的旋轉(zhuǎn)，關(guān)節(jié)3和關(guān)節(jié)4的伺服電機(jī)都安裝在小臂上的電機(jī)安裝板上各自通過同步齒形帶傳動帶動絲桿和花鍵螺母進(jìn)行轉(zhuǎn)動，完成主軸的運動，具運動結(jié)構(gòu)如圖4-3所示。圖4-3SCARA機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)4.2機(jī)器人末端執(zhí)行器的設(shè)計4.2.1機(jī)器人末端執(zhí)行器的介紹末端執(zhí)行器是安裝在所設(shè)計的機(jī)器人的主軸的末端，根據(jù)要求的任務(wù)實現(xiàn)抓取，移動物體等功能機(jī)構(gòu)。末端執(zhí)行器的種類分為搬運用末端執(zhí)行器，加工用末端執(zhí)行器等。搬運用末端執(zhí)行器是將物體進(jìn)行抓取、吸附并實現(xiàn)搬運功能的裝置。加工用末端執(zhí)行器是使用相應(yīng)的加工工具對用來對工件進(jìn)行加工的裝置。本設(shè)計的機(jī)器人要求的功能為搬運。所需設(shè)計的末端執(zhí)行器類型為搬運用末端執(zhí)行器。根據(jù)末端執(zhí)行器搬運原理的不同區(qū)分為下列執(zhí)行器（1）夾持式執(zhí)行器。夾持式執(zhí)行器又根據(jù)手指的運動方式可以分為回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型執(zhí)行器通過夾持手指的回轉(zhuǎn)運動夾持工件達(dá)到對目標(biāo)物體的夾緊和釋放，當(dāng)需要夾持工件時手指在驅(qū)動系統(tǒng)的作用下繞工件旋轉(zhuǎn)并閉合實現(xiàn)對工件的夾持。能夠輕易抓取一些形狀不規(guī)則的物品確保工件被安全且穩(wěn)定的夾持，目前廣泛運用在搬運機(jī)器人上。平移型執(zhí)行器。平移執(zhí)行器通過兩側(cè)夾持手指的平移運動夾持工件達(dá)到對目標(biāo)物體的夾緊和釋放，當(dāng)需要夾持工件時兩側(cè)夾持手指在有驅(qū)動系統(tǒng)的作用下在直線導(dǎo)軌上進(jìn)行平移運動實現(xiàn)對工件的夾持。該執(zhí)行器具有較為簡單的結(jié)構(gòu)，在夾持工件時沿著直線運動且在夾持工件的過程中可以保持夾持中心。夾持式末端執(zhí)行器的驅(qū)動方式主要分為氣動、液壓、電動三種。氣動驅(qū)動的優(yōu)點是所需的成本較低，動作速度快但會受到氣壓、密封性、耐久性的影響導(dǎo)致夾持力不穩(wěn)定導(dǎo)致工件的脫落。液壓驅(qū)動的優(yōu)點是可以提供更大的夾持力，適用于重負(fù)載的場合，可以提供平穩(wěn)的力輸出但液壓系統(tǒng)的成本較高同時可能存在泄露的問題需要頻繁維護(hù)。(2)真空吸附式末端執(zhí)行器真空吸附式執(zhí)末端行器的主要組成部分是真空泵和吸盤。真空吸附式執(zhí)行器真空泵抽出吸盤內(nèi)的空氣使吸盤轉(zhuǎn)為真空狀態(tài)，通過大氣壓將工件推向吸盤，達(dá)到吸附物體的作用，在需要釋放物體時只需將真空泵停止工作回復(fù)吸盤內(nèi)的氣壓就會停止吸附。真空吸附式末端執(zhí)行器具有靈活性高的特點可根據(jù)所需要吸附的工件得不同選擇更換不同直徑、形狀的吸盤來適應(yīng)搬運物體。但真空吸附式執(zhí)行器的吸力不大，多用于尺寸不大且薄和輕的工件比如金屬板材、玻璃、紙張等。(3)磁吸附式執(zhí)行器磁吸附式執(zhí)行器可以分為為電磁吸盤、永久磁吸盤。電磁吸盤通過電流接通線圈來產(chǎn)生磁力，吸附鐵磁性工件斷電后磁力消失工件不再被吸附。使用電磁吸盤的優(yōu)點是可以提供大的吸力可以吸附大型金屬件，缺點是需要持續(xù)的供電對電源的依賴性高。永久磁吸盤通過利用永久磁體的磁力進(jìn)行工件的吸附，當(dāng)工件靠近永久磁吸附式執(zhí)行器時工件會被執(zhí)行器的磁場所吸引使工件貼近執(zhí)行器進(jìn)行搬運，在需要釋放時通過移動隔磁片改變磁體磁場釋放工件。永久磁吸盤的優(yōu)點是不需要供電，維護(hù)簡單。缺點是吸力較弱。磁吸附式執(zhí)行器缺點是只能應(yīng)用于鐵磁性物體，對工作環(huán)境的要求高吸附效果容易收到環(huán)境中的金屬碎片影響。4.2.2末端執(zhí)行器的核心部件設(shè)計選型考慮到機(jī)器人的所需設(shè)計參數(shù)要求的工件重量不大使用真空吸附式末端執(zhí)行器作為本機(jī)器人的末端執(zhí)行器。（1）吸盤的材料和形狀選擇在吸附式執(zhí)行器中真空吸盤是重要的組成部分。真空吸盤的材料通常是丁腈橡膠和硅橡膠。丁腈橡膠具有對潤滑油、燃油等油類具有耐油性且耐磨性好生產(chǎn)成本較低所以應(yīng)用廣泛而硅橡膠具有比丁腈橡膠更好的耐高低溫性且擁有生理惰性對人體無害常用于醫(yī)療器械和需要接觸食品的場合。真空吸盤的形狀決定了其吸取物體時具有的優(yōu)勢。圖4-4為常見的真空吸盤形狀。及其運用場合。根據(jù)機(jī)器人設(shè)計要求選擇丁腈橡膠和平行的吸盤形狀圖4-4常用的吸盤形狀4.2.3末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計真空吸盤所需吸力為工件的重力F=式中m——所設(shè)計的機(jī)器人的最大負(fù)載為5KGg——重力加速度為9.8m/S計算得出真空吸盤的所需吸力F=49N根據(jù)F=P推導(dǎo)出D=式中P——真空度，取P=0.06Mpan——吸盤的數(shù)量取n=4f——安全系數(shù)，所設(shè)計吸盤工作狀態(tài)為水平懸掛，考慮摩擦力、工件的表面粗糙度等因素影響選擇安全系數(shù)f=1計算得吸盤的有效吸附直徑D為33mm。選擇的吸盤直徑需要大于33mm選擇氣克立吸盤PATS-35-6吸盤直徑為35mm為側(cè)向配管型真空吸盤。根據(jù)要求設(shè)計出的末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)如圖4-5所示。末端執(zhí)行器由法蘭連接體和吸盤安裝板組成。通過主軸上的鏈接法蘭與末端執(zhí)行器進(jìn)行鏈接。吸盤的真空發(fā)生裝置采用真空發(fā)生器。在機(jī)器人外通過氣管連接到吸盤的側(cè)端為真空吸盤提供吸力。圖4-5末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖

第5章SCARA機(jī)器人大小臂的有限元分析5.1有限元分析法的介紹有限元分析法是一種用于評估和預(yù)測機(jī)械產(chǎn)品在各種載荷的情況下行為的方法，通過將機(jī)械的復(fù)雜結(jié)構(gòu)分解為小的有限元然后對這些有限元進(jìn)行力學(xué)的模擬分析最后組合得到整個機(jī)械產(chǎn)品的有限元分析結(jié)果。有限元分析可以通過ANSYS軟件進(jìn)行，ANSYS能夠與市面上大多計算機(jī)輔助設(shè)計軟件借口,實現(xiàn)軟件間的數(shù)據(jù)交換和共享，將不同軟件的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ANSYS其中5.2基于ANSYS軟件的大臂靜力分析將三維建模的大臂模型導(dǎo)ANSY