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發(fā)表于 2012-12-22 23:29:01
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一種基于SCARA機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計
2 D: w5 H* T# q, P- Z, \1 u T摘 要：針對SCARA機(jī)器人在生產(chǎn)教學(xué)中的廣泛應(yīng)用，設(shè)計了一個結(jié)構(gòu)簡單、傳動精度高、操作方便的可以實現(xiàn)用多種控制方式(PC的遠(yuǎn)程控制，單片機(jī)的控制，開關(guān)量的控制等）控制的SCARA型機(jī)器人。 5 S* g6 |: s6 A. p$ I. {) |# m, c1 O
$ G( \1 h/ L/ k, F% g& x
SCARA機(jī)器人為平面關(guān)節(jié)型的機(jī)器人，它結(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。CARA機(jī)器人一般采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，控制簡單，編程方便，廣泛應(yīng)用于電器、泵類等裝配工作中[1]。 本文針對試驗教學(xué)的需要，設(shè)計了一種新型的SCARA機(jī)器人。/ n t+ Y m. G
1 機(jī)器人機(jī)械臂的主要性能參數(shù)及計算# L4 r5 ^8 f: a8 ?6 Q
1.1 SCARA機(jī)器人機(jī)械臂的基本性能參數(shù)8 d: _) @' C3 c8 Y
根據(jù)本機(jī)器人的應(yīng)用要求，其主要的設(shè)計參數(shù)要求如下：. ^0 j. Y* C0 S( ^$ Y
(1) 抓重：≤4kg" a( P# C+ t0 H' i$ W. M
(2) 自由度：4
* A) i y: ~2 X7 e1 T i( o1 Z(3) 運(yùn)動參數(shù)：& |+ u) J& X+ B7 I. `# Y
大臂：±90。(回轉(zhuǎn)角度)，角速度≤30。/s
6 _/ O: u) ?3 c" U8 { e- u% `小臂：±60。(回轉(zhuǎn)角度)，角速度≤15。/s7 H U' j: n# T4 E
手腕回轉(zhuǎn)：±180。(回轉(zhuǎn)角度)，角速度≤60。/s
0 Z, j7 K) T# ?1 s+ O) x- Z手腕升降：100mm(升降距離)，線速度≤0.01m/s
' p9 c( M; Z2 o& I' d1.2 主要參數(shù)計算' `( D( Z9 S/ n W3 w
(1)第三關(guān)節(jié)采用同步齒形帶傳動，其參數(shù)計算如下：5 ]" v# t1 A9 n- `% \5 ]: ^
設(shè) 計 功 率 Pd=KaP=0.32W(查 表 取Ka=1.6[2]；P=FV=0.2W；皮帶的線速度為0.01m/s,，皮帶負(fù)載為20N), ?9 d, _8 W; V1 ?8 N
同步帶的尺寸參數(shù)可根據(jù)設(shè)計功率和帶輪轉(zhuǎn)速及行程而定。
8 i" ~2 k Q+ C( w4 X6 f8 U( X(2)步進(jìn)電機(jī)的選型計算
$ G* a# n+ ^% l* [% l機(jī)械臂的每個關(guān)節(jié)都是步進(jìn)減速電機(jī)驅(qū)動的（如圖1所示）?，F(xiàn)以第三個自由度的電機(jī)為例說明電機(jī)選擇的方法。( h* m7 y3 @8 H
啟動轉(zhuǎn)矩 T=2Jw+QV=0.2N·m( 角速度 ω=5.3r/s2,轉(zhuǎn)動慣量J=7.8×10－7kg·m2,負(fù)載質(zhì)量Q=2kg,同步帶及負(fù)載的線加速度ν=5.3×0.011m/s2)# g$ v$ Q6 |1 h" {* s
考慮阻力等因素選擇的步進(jìn)減速電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩為0.2N·m×2 安全系數(shù))=0.4N·m。 所以電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩應(yīng)該≥0.4 N.m。
+ |4 v& B! w6 }1 j; ?以同樣方式計算的電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩為：
5 O# j" _0 R% H1 j底座電機(jī)》＝0.6 N.m. d" Z; ^7 l# s
第二關(guān)節(jié)電機(jī)≥0.5N.m. U1 _+ x6 B! Y4 I" _6 a
手腕回轉(zhuǎn)電機(jī)≥0.1N.m
% {7 k9 T# [/ b7 D& `* a2 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計[3]& ]7 i o# h. p: _+ l, _$ ]# z$ t
2.1 總體結(jié)構(gòu), i. t. u) q7 p2 W; Y
本機(jī)械臂的設(shè)計根據(jù)應(yīng)用的要求把機(jī)構(gòu)的可靠性和結(jié)構(gòu)簡單作為設(shè)計的第一位考慮。從方案的確定，總體的設(shè)計，元器件的選用方面都遵循了以上的原則，確保了機(jī)械臂可靠正常的工作，同時具備良好的經(jīng)濟(jì)性和可維護(hù)性。' E$ z d% v7 B9 q
根據(jù)上述設(shè)計的原則，本機(jī)械臂采用了4關(guān)節(jié)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，即4自由度機(jī)器人.具體包括底座、大臂、小臂、腕部。第一、第二和第四關(guān)節(jié)直接采用步進(jìn)減速電機(jī)做傳動設(shè)備（轉(zhuǎn)動自由度)；第三關(guān)節(jié)采用同步帶傳動的方式（升降移動自由度）。2 v1 [& U1 [& N2 A# W: p, T; I2 H9 b
機(jī)械臂機(jī)構(gòu)的外形如圖1.6 U) I5 g% V' z6 p, T1 u/ R: `2 t
+ H4 n" m, u5 w3 O9 U& p; q
2.2 傳動方案的選擇[4]; ]/ \0 t2 b P4 K! r
根據(jù)機(jī)械臂的設(shè)計原則及要求,我們初步選擇了兩種傳動方案。
/ f2 i3 S$ B$ H4 D3 m（1）方案1. j* Z! k0 e" Q& K/ _( y
第一、二、四自由度選擇減速步進(jìn)電機(jī)傳動，它精度高，傳動比高，效率高，噪音小，震動小，傳動部分的零部件都是標(biāo)準(zhǔn)件，容易購買，安裝方便。
}% l0 _4 h; i7 n* h/ Y1 x第三個升降自由度選擇同步帶傳動。它傳動精度高，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動比恒定，傳動功率大，效率高，但安裝要求比較高，而且負(fù)載能力有限。( ~- ^2 \. r: U* l/ u
（2） 方案2
0 c0 `0 j! W) z第二自由度采用二級同步齒形帶傳動， 但是安裝要求高!結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜。& T, Z% N% K. n' Z! k# ^ H
第三自由度選擇步進(jìn)減速電機(jī)直接驅(qū)動絲杠螺母傳動，把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動，傳動精度高，而且絲杠具有自鎖的功能；但是速度不宜太高，而且相對同步齒形帶來說重量比較重，需要電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩更大，加工要求比較高。
; v+ d/ e+ O6 J6 b其它自由度和方案1一樣。
* u. n1 r2 m) G9 a% T以上兩個方案從傳動上來看都是可以實現(xiàn)的。方案1在結(jié)構(gòu)上是最簡單的，所以比較容易實現(xiàn)；方案2結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，加工和安裝都比較困難。方案1用的標(biāo)準(zhǔn)件比較多，零部件比較少，所以容易加工和購買。綜合考慮，我們選擇方案1.
: V( E0 _3 ~ z( ?$ {2.3 SCARA機(jī)械臂主要部分的結(jié)構(gòu)
/ {% r9 f# a% V（1）底座：如圖2所示，主要由兩部分組成（外殼和軸承套部分）。外殼材料采用 45鋼。底座的軸承可以承受軸向和徑向的力，這樣避免了電機(jī)過載。電機(jī)安裝在端蓋上，結(jié)構(gòu)簡單，加工安裝方便，材料用質(zhì)輕強(qiáng)度好的鋁合金。位于軸承套底部的電機(jī) 7通過對軸1的驅(qū)動，從而帶動了和軸1 固接的大臂的轉(zhuǎn)動. $ m6 h H7 L- v
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（2）關(guān)節(jié)2：如圖3所示采用鋁合金材料，結(jié)構(gòu)簡單，外形簡潔美觀。軸承承受彎曲負(fù)載，保護(hù)了電機(jī)。電機(jī)輸出軸2轉(zhuǎn)動，帶動了軸6轉(zhuǎn)動，小臂和軸6是固接的，所以小臂也隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動二轉(zhuǎn)動。
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) h, J# e5 P0 f% w- u; }（3）關(guān)節(jié)3：如圖4所示結(jié)構(gòu)簡單緊湊，材料也選擇比較輕的鋁合金。同步帶輪只需要采用一對軸承支撐，這樣既減輕了重量，結(jié)構(gòu)簡單。同時也可以滿足設(shè)計要求。電機(jī)1驅(qū)動同步帶輪轉(zhuǎn)動，同步帶輪帶動同步帶6以及和同步帶固接在一起的滑塊3作直線運(yùn)動，從而驅(qū)動和滑塊3固接的機(jī)械手實現(xiàn)升降運(yùn)動。導(dǎo)桿2起支持滑塊3的作用，使得滑塊和同步帶保持在同一水平面上。 $ S2 P( d$ S/ @' H4 i$ B
# c1 B7 K; G* |- O) i3 驅(qū)動控制
+ S$ \$ V) {) d) l該機(jī)械臂采用步進(jìn)減速電機(jī)做驅(qū)動器件，對機(jī)械臂的運(yùn)動控制也就是對步進(jìn)減速電機(jī)的分布式控制。它可以采用開環(huán)和閉環(huán)的方式。閉環(huán)控制可以使機(jī)械臂的運(yùn)動和輸入的指令期望的運(yùn)動參數(shù)盡可能的吻合，但是控制部分和機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。開環(huán)控制方式就比
6 m! _. X/ J: s7 u* O D/ |較簡單，而且在滿足電機(jī)不失步的情況下，電機(jī)的定位精度很高。因此機(jī)械臂的驅(qū)動控制可以采用開環(huán)控制，其開環(huán)控制系統(tǒng)模塊如圖5。 + C4 ~1 c& b# m( G+ @. X+ M8 ~
" W( B- t9 C! h2 bPC主機(jī)通過RS232串口發(fā)送計時器參數(shù)和其他的控制參數(shù)，單片機(jī)控制器按照PC發(fā)送的參數(shù)通過驅(qū)動模塊驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行。進(jìn)而實現(xiàn)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械臂的控制。驅(qū)動模塊可以選用集成芯片UCN5804B[6]，它集成了包括：環(huán)形分配器、電流控制器、保護(hù)電路、放大驅(qū)動電路。結(jié)構(gòu)簡單可靠，同時用戶自己也可以設(shè)計各種電路對 電機(jī)進(jìn)行控制驅(qū)動[7]。) z7 w, e, m7 r; [1 |* \- y" [
4 小 結(jié)
1 g4 b8 i+ t5 T4 e$ F機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計對整個控制系統(tǒng)的性能有很大的影響， 因此其結(jié)構(gòu)的合理與精心設(shè)計是整個控制系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵之一。在結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計中，還要考慮各部分的彈性變形、摩擦、間隙和傳動誤差等問題。本文設(shè)計的機(jī)械臂機(jī)構(gòu)簡單，較容易控制?？梢詰?yīng)用在機(jī)器人控制試驗和教學(xué)等領(lǐng)域；加上合適的機(jī)械手爪還可以組成簡單的裝配的機(jī)械臂。如果在系統(tǒng)中加裝反饋裝置，還可以組成控制精度更高、系統(tǒng)更穩(wěn)定的閉環(huán)機(jī)器人控制系統(tǒng)?；诔杀炯熬鹊鹊目紤]，可選擇電位器實現(xiàn)位置的反饋[8]。 * j) D" q4 h# c) A
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