一种基于SCARA机器人机械结构设计.doc

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1、SCARA机器人机械结构设计本文设计了一个结构简单、传动精度高、操作方便的可以实现用多种控制方式(PC的远程控制，单片机的控制，开关量的控制等）控制的SCARA型机器人。1    机器人机械臂的主要性能参数及计算基本参数   (1) 抓重：≤4kg   (2) 自由度：4   (3) 运动参数：          大臂：±90。(回转角度)，角速度≤30。/s         小臂：±60。，角速度≤15。/s         手腕回转：±180。，角速度≤60。/s         手腕升降：100mm(升降距离)，线速度≤0.01m/s主要参数计算   (1)第三关节采用同

2、步齿形带传动，其参数计算如下：     设计功率Pd=KaP=0.32W(查表取Ka=1.6[2]；P=FV=0.2W；皮带的线速度为0.01m/s,，皮带负载为20N)     同步带的尺寸参数可根据设计功率和带轮转速及行程而定。     (2)步进电机的选型计算    机械臂的每个关节都是步进减速电机驱动的（如图1所示）。现以第三个自由度的电机为例说明电机选择的方法。   启动转矩T=2Jw+QV=0.2N·m(角速度ω=5.3r/s2,转动惯量J=7.8×10－7kg·m2,负载质量Q=2kg,同步带及负载的线加速度ν=5.3×0.011m/s2)   考虑阻力等因素选择

3、的步进减速电机的启动转矩为0.2N·m×2)=0.4N·m。所以电机的启动转矩应该≥0.4N.m。    以同样方式计算的电机的启动转矩为：    底座电机》0.6N.m    第二关节电机≥0.5N.m    手腕回转电机≥0.1N.m2机械臂结构的设计[3]  2.1总体结构       本机械臂的设计根据应用的要求把机构的可靠性和结构简单作为设计的第一位考虑。从方案的确定，总体的设计，元器件的选用方面都遵循了以上的原则，确保了机械臂可靠正常的工作，同时具备良好的经济性和可维护性。       根据上述设计的原则，本机械臂采用了4关节的机械结构，即4自由度机器人.具体包括底

4、座、大臂、小臂、腕部。第一、第二和第四关节直接采用步进减速电机做传动设备；第三关节采用同步带传动的方式。      机械臂机构的外形如图1.2.2传动方案的选择[4]   综合考虑结构,用的标准件/零部件shuliang我们选择如下方案    第一、二、四自由度选择减速步进电机传动，它精度高，传动比高，效率高，噪音小，震动小，传动部分的零部件都是标准件，容易购买，安装方便。   第三个升降自由度选择同步带传动。它传动精度高，结构紧凑，传动比恒定，传动功率大，效率高，但安装要求比较高，而且负载能力有限。   2.3SCARA机械臂主要部分的结构  （1）底座：如图2所示，主要由两

5、部分组成。外壳材料采用45钢。底座的轴承可以承受轴向和径向的力，这样避免了电机过载。电机安装在端盖上，结构简单，加工安装方便，材料用质轻强度好的铝合金。位于轴承套底部的电机7通过对轴1的驱动，从而带动了和轴1固接的大臂的转动.   （2）关节2：如图3所示采用铝合金材料，结构简单，外形简洁美观。轴承承受弯曲负载，保护了电机。电机输出轴2转动，带动了轴6转动，小臂和轴6是固接的，所以小臂也随着电机的转动二转动。   （3）关节3：如图4所示结构简单紧凑，材料也选择比较轻的铝合金。同步带轮只需要采用一对轴承支撑，这样既减轻了重量，结构简单。同时也可以满足设计要求。电机1驱动同步带轮

6、转动，同步带轮带动同步带6以及和同步带固接在一起的滑块3作直线运动，从而驱动和滑块3固接的机械手实现升降运动。导杆2起支持滑块3的作用，使得滑块和同步带保持在同一水平面上。3驱动控制       该机械臂采用步进减速电机做驱动器件，对机械臂的运动控制也就是对步进减速电机的分布式控制。它可以采用开环和闭环的方式。闭环控制可以使机械臂的运动和输入的指令期望的运动参数尽可能的吻合，但是控制部分和机械部分的结构相对复杂。开环控制方式就比较简单，而且在满足电机不失步的情况下，电机的定位精度很高。因此机械臂的驱动控制可以采用开环控制，其开环控制系统模块如图5。  PC主机通过RS232串口

7、发送计时器参数和其他的控制参数，单片机控制器按照PC发送的参数通过驱动模块驱动步进电机的运行。进而实现对执行机构机械臂的控制。驱动模块可以选用集成芯片UCN5804B[6]，它集成了包括：环形分配器、电流控制器、保护电路、放大驱动电路。结构简单可靠，同时用户自己也可以设计各种电路对电机进行控制驱动[7]。