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1、1引言SCARA机器人很类似人的手臂的运动，它包含肩关节、肘关节和腕关节来实现水平 和垂直运动，在平面内进行定位和定向，是一种固定式的工业机器人。机器人技术代表 了高技术的发展前沿，是当代科技中的前沿和尖端，综合了多学科的发展成果，集计算机 技术、通信技术、传感技术、机械技术等于一体，是开展教学的良好载体和教学内容% 模拟工业机器人系统来开发教学机器人实验系统是一个很需要重视的领域，它作为机器 人技术、计算机技术和机电一体化技术教育的教学工具，对人才培养和高新技术的推广 应用有着重要的意义。为方便实际教学，研制一种开放式教学机器人，便于学生从机器 人的设计、制造、安装、调试和使用等方面对机器人
2、有一个全面的掌握，以适应我国现 代化建设的需要。1.1研究背景及现状1979年日本山梨大学牧野洋发明了平面关节型SCARA机器人，该型机器人在此后 的装配作业中得到了广泛应用。它有3个转动关节，其轴线相互平行，可在平面内进行 定位和定向。其还有一个移动关节，用于完成手爪在垂直于平面的运动，如图1.1所示3。图1.1SCARA型机器人在国外，教学机器人研究己经受到很大的重视，因为一个国家要大力发展机器人技 术，首先就应该从教育起步。日本是世界上机器人教育水平和机器人文化普及水平最高 的国家之一。培养机器人的兴趣是从幼年开始培训，而且是教育干部系统必须履行的职 责之一。从高中阶段开始深入学习机器人
3、方面的知识，并一直持续到大学。不仅每所大 学具有高水平的机器人研究和教学内容，且每年举行多种不同档次的机器人设计和制作 大赛，通过大赛培养了大批机器人技术研究和应用人才，使日本的机器人技术走到了世 界前列。日本牧野洋设计的SCARA机器人己经在教育和工业界普及并形成产业化4同。国内工业机器人的研究己经取得可喜成绩，不过教育机器人的研究仍处于起步阶 段。率先进行机器人教育的有香港城市大学，他们采用“趣味”机器人微型电子鼠和 乒乓球机器人进行教学。微型电子鼠主要由传感器、电机、处理器、软件组成，每个部 分有多种选择。电子鼠的各个部分的任意组合几乎是无限的，因此可以实施电子、机械 和控制软件应用的综
4、合教育6。上海交通大学机器人研究所在这方面也做的比较好，他 们自主研发了 EDUROBOT 680II五自由度教学机器人和二自由度SCARA教学机器人，功 能多样，适合教学不断深入的需要。让人兴奋不已的是，各种足球机器人比赛己在国内 各高校展开并取得可喜的成绩。1.2 课题研究的意义通过平面关节式教学机器人的开发设计，为我学院选修课机械手与机器人提供 一个可以直观感受关节坐标式机器人的教学工具，该设计完成后经过进一步的试验设计 可以实现该课程的实践教学，丰富该课程的教学手段、提高教学水平。本课题通过对平面关节式机器人机构的优化设计，使这种机器人更加适应于教学 中。与工业机器人相比，平面关节式教
5、学机器人要具有制造简单、价格便宜、质量轻等 特点，本课题主要围绕这些特点展开研究。1.3 SCARA机器人本体机构教学机器人相对而言对运动精度的要求要比工业场合用的机器人所要求的精度低， 对运动速度和稳定性的要求也不高，所用的费用不能过高，它只需具备机器人的基本元 素，机构要做到小巧灵活方便，质量要轻等特点，达到一定的精度即可。如图1.2所示，SCARA机器人机械结构组成为：机座1、大臂4和小臂6、升降杆8 及末端执行器10。其中的活动部分是由四个关节组成。有三个旋转关节I、II、III, 其轴线是相互平行，在平面内进行定位和定向。另一个关节是移动关节III,用于完成末 端件升降运动。大臂是由
6、安装在基座上的交流伺服电机2通过谐波齿轮3传动，大臂上 也安装有一个交流伺服电机6，它也通过谐波齿轮5传动来驱动小臂，小臂上安装有两 个电机8、10，用来驱动升降丝杠的升降和手抓11旋转。升降丝杠通过固接末端执行 器进行作业7,8。设计中大臂和小臂均采用谐波齿轮和推力向心交叉短圆柱滚子轴承结构，其刚度高, 能承受轴向压力与径向扭矩，与谐波齿轮配合符合SCARA机器人大小臂刚性高及抗倾覆 力矩能力好的要求。有利于缩短传动链,简化结构设计。主轴（z轴）处于机器人小臂末 端，相对线速度大，对重量与惯量特别敏感，传动方式要求同时实现Z轴方向的旋转运 动和上下运动，并要求结构紧凑、重量轻。经过比较，滚珠
7、丝杠花键轴来实现Z轴上下 运动。在不影响性能情况下，尽量减小运动部件壁厚，把大臂设计成经济的空心框架结构， 以增加刚度和强度，并掏空底部，用薄钢板加以密封，便于加工。而底座则设计地比较 矮，以减小工作过程中共振现象，在具体应用中再根据情况把底座加高固定10。图1.2SCARA机器人结构示意图2 SCARA型机器人臂结构的设计机器人臂的设计根据应用的要求要充分考虑机构的可靠性和机构的简单性。在元器 件的选择上要确保机器人臂可靠正常的工作，同时具备良好的经济性和维护性。本机器 人包括四个自由度，三个转动一个移动。具体机构包括：底座、大臂、小臂、手腕四个 主要部分。大臂和小臂的转动直接通过交流伺服电
8、机来实现，即实现前两个转动自由度； 手腕的转动和移动通过滚珠丝杠花键轴来实现，这样就实现了三个转动和一个移动的四 个自由度。这种方案结构简单，而且标准件多，零部件比较少，容易加工和购买，所以 容易实现。2.1 电机的设计计算电动机的选择主要是容量的选择，如果电动机的容量选小了，一方面不能充分发挥 机械设备的能力，使生产效率降低，另一方面电动机经常在过载下运行，会使他过早损 坏，同时还可能出现启动困难、经受不起冲击负载等故障。如果电动机容量选大了，则 不仅使设备投资费用增加，而且由于电动机经常轻载下运行，运行效率和功率因数都会 下降。由于本课题为平面关节式教学机器人，主要用于教学演示，所以所选用
9、的电机的要求不算太高，能驱动机器人大臂和小臂旋转，手的直线和回转运动就可以，即达到演示 的效果就可以。是初选底座里驱动大臂的电机型号为步进电机86BYG250B-0402，电机 的转子惯量为 1540g.cm2。自由度传动系统上所有惯量折算到电机轴1上的等效惯量J为1SJ1 x = JD1 + Jx + 汽 + 人 + 孔=2.2 x 10 _ 4 kg m22 i1i2i22 1 2电机轴的扭矩为GDT = J - + Tf1 x “因为所选材料的摩擦系数f=0.002，所以T=T。取响应时间At=0.04s,则f1.57rad/“ 2-2 X 10-4Kg m2 XT0 = O1 m所选两
10、相混合式步进电机86BYG250BN-0402电机在3000rpm时扭矩为0.6N.m，满足要求，其余几个电机的选择计算类似，第二自由度选择86BYG250AN，第三和第四自 由度是两个 56BYG250B。表 2.1 步进电机技术数据序号型号相数步距角()静态相 电流 (A)相电阻(Q)相电感(mH)保持转矩(Nm)定位转矩(Nm)重量(Kg)186BYG250BN20.9/1.841.1115.00.082.6286BYG250AN20.9/1.83.60.97.22.40.081.5356BYG250B20.9/1.82.40.92.40.650.030.482.2 轴的设计轴的结构设计
11、是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理 地确定轴的结构形式和尺寸。周的结构设计不合理，会影响轴的工作能力和轴上零件的 工作可靠性，还会增加轴的制造成本及造成轴上零件装配困难等。因此，轴的结构设计 是轴设计中的重要内容。轴的一般设计步骤是：按工作要求选择材料；估计轴的最小直径；轴的结构 设计；轴的强度校核计算，必要时进行刚度或振动稳定性等校核计算；绘制轴的零 件工作图。2.2.1 轴的材料选择轴的常用材料是碳素钢和合金钢。钢轴毛坯多的是轧制圆钢或锻件，有的则直接用 圆钢。碳素钢比合金钢低廉，对应力集中的敏感性小，是轴类零件最常用的材料，本课 题精度和强度要求低，选用价格低廉
12、应用最广的 45 钢。2.2.2 估计轴的最小直径根据本课题研究的平面关节式教学机器人的工作条件，初步估计底座大轴的最小直 径为32，大臂与小臂连接处的小臂的最小直径为 18。2.2.3 轴的结构设计轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸。轴的结构应满足：轴和轴上 的零件要有准确的工作位置；轴上的零件应便于装拆调整；轴应具有良好的工艺性等。 保证轴上零件可靠工作，需要零件在工作过程中有准确的位置，即零件在轴上必须有准 确的定位和固定，零件在轴上的准确位置包括轴向和周向两个方面。本课题轴向定位采用轴肩定位，结构简单可靠，轴肩分为定位轴肩和非定位轴肩, 定位轴肩高度一般去3-6mm,非定位
13、轴肩多是为了装配合理方便和径向尺寸过渡时采用, 轴肩高度无严格限制，一般为l-2mm。根据机器人的运动特点，底座大轴上安装有一对轴承，因为轴上既有轴向力又有径 向力，所以选用一对角接触球轴承。轴一共分为六段，第三段和第五段是和轴承配合的， 为了加工和安装方便，在第二段和第三段设计非定位轴肩，高度为2mm，第一段是与大 臂配合的，设计定位轴肩，高度为3mm，第三段和第四段为定位轴肩，根据轴承的定位 要求，设计定位轴肩高度为3mm，第四段与第五段也相同，之间的定位轴肩高度为3mm， 为了便于安装，第五段和第六段之间设计非定位轴肩，高度为2mm。由于机器人底座的 大轴承受着整个机器人的外部结构的重量
14、和扭矩，所以应尽量减小大轴的长度，根据轴 承手册可以查出，选用角接触球轴承的型号为7008AC,所以第三段和第五段的长度为 15mm，所以轴的各段的直径和长度可以初步确定出来，第一段直径为32mm，长度为 26mm第二段直径为36mm，长度为27mm，第三段直径为40mm，长度为15mm，第四段 直径为46mm,长度为20mm，第五段直径为40mm,长度为15mm，第六段直径为36mm， 长度为25mm。根据各段的配合要求，轴加工的粗糙度和形位公差已在零件图中给出，图2.1为大 轴的大体结构。D.02E-Cf0.02E-C0. 02DCt0. 02SCg0un -h C-J -=-=sg15-
15、图2.1底座大轴大轴第六段端部和表面打有圆孔，用于与电机连接，电机轴伸进大轴底端的孔中， 用内六角圆柱端紧定螺钉连接，电机直接驱动大臂旋转。轴的第一段开有键槽，用于与 大臂配合，用键驱动大臂的运动，并用内六角圆柱端紧定螺钉连接大轴和大臂，防止大 轴与大臂分离，而却还能驱动大臂旋转的力矩，如图2.2所示。大臂与小臂的关节连接处小轴直径和长度的确定类似，共四段，第二段和第四段和 轴承配合，第一段和第二段之间为非定位轴肩，高度为1mm，第二段和第三段之间为定 位轴肩，高度为3mm，第三段和第四段之间为定位轴肩，高度为3mm，尽量减小轴的长 度，查轴承手册选用角接触球轴承7004AC。第一段与电机直接连接，直径为18mm, 长度为23mm，第二段直径为20mm，长度为12mm，第三段直径为26mm，长度为16mm， 第四段直径20mm，长度为12mm。加工的形位公差和粗糙度已在零件图中表示出，小轴的结构如图2.3所示。0.015B-Ct0.Q2B-C 20 ,1.6C0.015B-C/
