SCARA机器人拧螺丝工作站设计【含SW三维图纸、说明书】
本科毕业论文(设计)开题报告论 文 题 目:SCARA 机器人拧螺丝工作站设计学 院: 专 业 、班 级:机械设计 学 生 姓 名: 年 1月5 日 填毕业论文(设计)开题报告要求开题报告既是规范本科生毕业论文工作的重要环节,又是完成高质量毕业论文(设计)的有效保证。为了使这项工作规范化和制度化,特制定本要求。一、选题依据1. 论文(设计)题目及研究领域;2. 论文(设计)工作的理论意义和应用价值;3. 目前研究的概况和发展趋势。二、论文(设计)研究的内容1.重点解决的问题;2. 拟开展研究的几个主要方面(论文写作大纲或设计思路);3. 本论文(设计)预期取得的成果。三、论文(设计)工作安排1. 拟采用的主要研究方法(技术路线或设计参数);2. 论文(设计)进度计划。四、文献查阅及文献综述学生应根据所在学院及指导教师的要求阅读一定量的文献资料,并在此基础上通过分析、研究、综合,形成文献综述。必要时应在调研、实验或实习的基础上递交相关的报告。综述或报告作为开题报告的一部分附在后面,要求思路清晰,文理通顺, 较全面地反映出本课题的研究背景或前期工作基础。五、其他要求1. 开题报告应在毕业论文(设计)工作开始后的前四周内完成;2. 开题报告必须经学院教学指导委员会审查通过;3. 开题报告不合格或没有做开题报告的学生,须重做或补做合格后,方能继续论文(设计)工作,否则不允许参加答辩;4. 开题报告通过后,原则上不允许更换论文题目或指导教师;5. 开题报告的内容,要求打印并装订成册(部分专业可根据需要手写在统一纸张上,但封面需按统一格式打印)。一、选题依据1. 论文(设计)题目SCARA 机器人拧螺丝工作站设计2. 研究领域本设计内容涉及工业机械手结构、运动学、动力学和控制系统等基础知识,主要研究领域为平面关节型机器人结构、功能设计和控制系统方案设计。 3论文(设计)工作的理论意义和应用价值工业产品的装配,广泛使用螺纹连接来紧固。大量的螺纹装配需要人工完成,机械装配操作仍然是高度劳动密集型的。全球工业装配中,近 70%由螺纹连接构成,螺纹连接占据全部装配工作量的三分之一。以家电、家具装配环节为例,螺纹连接所消耗的人力和工时可以达到整个生产线消耗总量的 1/4 到一半以上。工业机器人根据机械结构和坐标系特点可分为直角坐标型(3P)、圆柱坐标型(R2P)、球坐标型(2R)和关节坐标型(3R)的机器人,关节坐标型机器人的结构类似于人手臂,其位置和姿态完全由旋转运动实现,而平面关节型机器人,即 SCARA 机器人可看作关节坐标型机器人的特例。SCARA 机器人结构简单、体积小、重量轻、安装方便、具有很好的通用性,而且动作迅速、定位精度高,此外,SCARA 机器人一般采用步进电机驱动,控制简单,编程方便。SCARA 机器人拧螺丝工作站可代替人工特定的螺丝紧固作业,实现自动化装配;操作简单便利、高速精确;通用性强。体积小,可配合产线作业,更换产品方便,具有极高的应用价值。 4目前研究的概况和发展趋势1948 年诺伯特维纳在其著作控制论里首次提出自动化工厂的概念,阐述了机器人和控制体系互相结合的发展规律,为机器人的控制理论奠定了基础。20 世纪 50 年代初期,位于美国伊利诺州的阿贡实验室研发了第一代遥控式机械手来操作放射性材料,避免了科学家受到辐射的侵害。同时代的乔治德沃设计研发了一台可以通过程序控制的工业机器人样机,并提出技术方案,随后申请了专利。两年之后随着串联机构在工业领域的广泛使用,其系统误差的长期累积和空间定位精度低等因素促使人们第一次提出了示教再现的编程模式,并运用数控技术和机械臂的结合制造出了第一台工业机器人,它的出现和新的编程理念使得重复定位精度远超绝对定位精度,其意义影响深远。1962 年,美国万能自动化公司研制了一台名为Unimate 的机器人,它采用极坐标式结构,动作灵活、伸缩自如。而早在 4 年前, 恩格尔伯格和乔治德沃尔创立了第 1 家机器人公司 Unimation,恩格尔伯格因而被称为机器人之父。1968 年,日本川崎公司开始学习美国公司先进的机器人制造技术,结合本国机器人产业发展的前景开发出了一系列成本低廉,实用性较好的机器人,为日本的工业和制造业领域发展提供了极大的动力和推动作用,促使日本的工业制成品以物美价廉而畅销全球市场。从 1970 年开始,机器人应用开始在各国工业领域掀起一波又一波浪潮。1973 年,ASEA 公司(现在的 ABB)推出了世界上第一个微型计算机控制、全部电气化的工业机器人 IRB 一 6,为了满足弧焊的要求,它可以进行连续的路径移动。1978 年, 日本教授牧野洋设计出了具有 4 个自由度的可选择柔顺装配机械手(SCARA)。1979 年 Unimafion 公司推出了一系列带有触觉、力觉和视觉的 PUMA 工业机器人,它的出现把机器人技术带入了智能化的时代,使得机器人技术的发展和时代要求紧密的结合在一起。20 世纪 80 年代,随着汽车制造业的崛起,工业机器人开始以 20%40%的速率高速发展,机器人技术开始在汽车工业生产中推广普及,这使得整个机器人技术在现代工业生产领域变得越来越重要。1984 年机器人在全球各国的数量从最开始的不足10 万台,稳步上升到 1990 年接近 30 万台,其中带有嗅觉、视觉、触觉的高性能机器人成为了新研发机器人中的主要对象,并且促进了机器视觉技术和传感器检测技术的稳步成长。1985 年美国的两家公司率先开始在工业机器人领域使用交流伺服技术,使得自动化控制装备性能进一步提升。随着装配机器人在机器人领域所占比重越来越大,提高机器人的质量和效率问题成为了各国机器人研究领域关注的重点。20 世纪末,柔性装配线研发成功,以日本为代表的各国开始广泛发展机器人产业,就此装配机器人开始进入蓬勃发展的阶段。21 世纪以来,机器人在各国开始大范围的投入使用,各国政府都加大了对机器人产业的投资力度。美国政府从 2011 年开始先后投入 7000 万美元发展本国的机器人技术和先进制造技术,并制定了“先进制造业国家战略计划”,力图使美国的制造业重新占领市场高点。韩国在 2014 年提出到 2018 年完成机器人产业的投资翻两倍,机器人公司的数量增加一倍的目标。欧盟则联合其下属的 180 个公司和科研机构一起推出家用机器人研究计划“ SPARC”。同年,英国政府也提出机器人战略 RAS2020,目标是在 2025 年使整个英国机器人产值在 1200 亿美元左右。 我国的工业机器人研究始于 1960 年,先后发展了 50 多年,经历了从模仿到自主创新的各个阶段。1972 年,我国立足于开发自己的第一代工业机器人,进入 80 年代后,机器人研究与开发和国家政策有机结合。86 年国家高新技术研究发展计划正式提出,我国在机器人领域取得一系列重大科研成果,并结合国内产业链的实际情况陆续研制出一批工业机器人;如今以新松为代表的一批国内企业开始推出自己品牌的机器人并逐步在市场推广。时至今日,我国在机器人技术某些领域已接近国际前沿水平,但是在很多方面也面临着不少问题。国产机器人产品较为低端、主要以三轴和四轴机器人为主,主要用于搬运和码垛作业等。而高端制造业的机器人则长期受到国外的品牌的占据。由于机器人的关键制造技术和控制技术等核心问题没有解决使得我国的机器人发展受到制约,加之国内的生产机器人规模较小,使得国产机器人的生存空间受到了挤压。2015 年 3 月国务院正式印发中国制造 2025推动中国制造业特别是高端制造业的发展,其中智能装备和机器人技术作为今后重点支持的方向,这为提升国产机器人的质量和服务做好了铺垫。工业机器人的出现,使自动拧螺丝向工业机械机械手方向发展,螺丝机具有操纵方便、控制精度高、稳定性好、维护方便、人机界面人性化等特点。主要是采用单轴与多轴机器人自动运行及单独动作的运行方式,实现了控制响应的快速性,并对拧紧扭矩及角度进行测控,保证了系统的精度和准确性。螺丝机的结构组成:工业机械手、电动螺丝刀、螺丝自动上料系统和精装夹具等附件。在国外锁螺丝设备早已应用于汽车,电脑,液晶面板,空调,线路板等行业中。1958 年美国联合控制公司研制开发出第一台机械手,1978 年美国 Unimate 公司、斯坦福大学和麻省理工学院联合研制一种 Unimate-Vicarm 型工业机械手,用小型电子计算机控制,进行装配作业,定位误差在1mm 内。如美国试制一台有触觉和视觉的双臂机械手,由于机械手有触觉,所以不要求工件排列的位置很精确。若机械手在拧螺钉遇到阻力时,能将螺钉返回再拧。当前,在国内工厂使用的锁螺丝装置为深圳、东莞一些厂家生产的手持式锁螺丝机和半自动锁螺丝机。虽然手持式锁螺丝机使螺丝输送和锁付一气呵成,提高了生产效率,节省了人力,但是手持式锁螺丝机需要人员重复单调乏味的工作,容易划伤产品外观,造成成本增加。半自动锁螺丝机主要是振盘式的,采用振动盘气动元件作为驱动部件,采用 PLC 或 MCU、传感器和接近开关联合控制。其工作流程是螺丝由驱动部件振动排列,再由压缩空气高速吹到螺丝刀头处,最后进行锁紧作业。随着自动化工业的发展和生产效率、质量要求的不断提高,在国际上自动化装配技术由人工装配朝着半自动化、全自动化装配的趋势发展,SCARA 机器人拧螺丝工作站也在朝着半自动化和全自动化,便捷化,通用化的方向发展。二、论文(设计)研究的内容1. 重点解决的问题(1) SCARA 机器人本体结构设计及三维设计;(2) SCARA 机器人控制系统设计。2. 拟开展研究的几个主要方面(论文写作大纲或设计思路)(1) 拧螺丝 SCARA 机器人概况;(2) 拧螺丝 SCARA 机器人总体设计方案;(3) SCARA 机器人关键零部件设计及参数选择;(4) SCARA 机器人控制系统设计。3. 本论文(设计)预期取得的成果通过学习及查阅有关资料掌握拧螺丝 SCARA 机器人的基础知识,掌握机械手控制系统流程图,并与机械基础和三维绘图软件相结合,设计出符合加工需求的拧螺丝SCARA 机器人,编写设计说明书,形成机械手三维实体建模和平面图纸一套。三、论文(设计)工作安排1. 拟采用的主要研究方法(技术路线或设计参数);首先应当查阅相关文献和学习相关书籍,进行知识储备,设计符合加工需求的拧螺丝 SCARA 机器人和控制系统流程图;然后运用三维绘图软件,进行机械手三维实体建模,并将其转换成平面图纸一套;最后梳理和总结相关知识,编写 SCARA 机器人拧螺丝工作站设计说明书。2. 论文(设计)进度计划第 1 周:布置毕业设计题目,讲解设计内容,查阅资料,了解课题;第 2 周:查阅资料,撰写开题报告;确定外文翻译文章;第 3 周:修改开题报告,撰写文献综述;第 4 周:完成外文翻译,开题答辩;第 5 周:工业机械手结构、运动学、动力学和控制系统等基础知识;第 6 周:了解关节型机器人结构和功能;提出 SCARA 机器人总体结构设计方案; 第 7 周:关键零件参数计算和选择;第 8 周:步进电机、谐波减速器、滚珠丝杠副的计算及选择; 第 9 周:SCARA 机器人三维结构设计;第 10 周:SCARA 机器人三维结构设计;中期检查; 第 11 周:SCARA 机器人运动学仿真;第 12 周:SCARA 机器人控制系统设计; 第 13 周:SCARA 机器人控制系统设计;第 14 周:整理设计资料,编写设计说明书;第 15 周:修改完善整套设计,准备答辩;第 16 周:评阅,修改,毕业答辩。四、需要阅读的参考文献1濮良贵,纪名刚.机械设计M. 北京:高等教育出版社,2002. 2闻梆椿.机械设计手册M. 北京:机械工业出版社,2010.3 邓劲莲.机械产品三维建模图册M. 北京:机械工业出版社,2014.4 斯克莱特.机械设计实用机构与装备图册M. 北京:机械工业出版社,2015. 5帕姆利.机械设计零件与实用装置图册M. 北京:机械工业出版社,2013. 6杨可桢.机械设计基础M. 北京:高等教育出版社,2013.7 程汀.SCARA 机器人的设计及运动、动力学研究D.合肥工业大学硕士学位论文, 2008.8 蔡自兴.机器人学基础M.北京:机械工业出版社,2009.9 李浩.自动锁丝部分技术研究D.合肥工业大学硕士学位论文,2014.10 许果,王俊峰,何岭松.一种基于 SCARA 机器人机械结构设计J.机械工程师, 2005(4):65-67.11 王健强,程汀.SCARA 机器人结构设计及轨迹规划算法J.合肥工业大学学报, 2008.12 贾广田.全自动锁螺丝机控制系统设计与开发D.浙江工业大学硕士学位论文,2015.13 卢军,郑国穗,马金锋,刘杰.SCARA 机器人结构优化设计与运动分析J.陕西科技大学学报,2014.14 卫道柱.螺丝自动拧紧机的研制D.合肥工业大学硕士学位论文,2004.15 夏添. SCARA 机器人的结构设计与运动控制算法研究D.湖北工业大学硕士学位论文,2016.16 蔡军爽. 螺丝机控制系统研究与开发D.东北大学硕士学位论文,2008. 17单片机原理及接口技术M北京航空航天大学出版社,199918 孟飞武.面向制鞋涂胶的 SCARA 机器人结构设计与研究D.安徽理工大学硕士论文,2015.19 杨成文.平面关节机器人研制及其轨迹规划D.华南理工大学硕士论文,2012. 20郭洪红.工业机器人技术.西安:西安电子科技大学出版社,2006.21 桂仲成,吴建东.全球机器人产业现状趋势研究及中国机器人产业发展预测J. 东方电气评论,2014,04:4-10.22 梁文莉.快速增长的中国机器人市场2012 中国工业机器人市场统计数据J.机器人技术与应用,2014,03:2-7.23 梁波.中国机器人技术和产业调查J.高科技与产业化,2015,03:60-65. 24Urrea,Claudio,Kern,John. Trajectory Tracking Control of a Real RedundantManipulator of the SCARA TypeJ.JOURNAL OF ELECTRICAL ENGINEERING & TECHNOLOGY,2016,11(1):215-226.25 Anil B.Suryawanshi etc,Domain mapping as an expeditionary strategy for fast Path PlanningJ,Mechanism and Machine Theory,38,(2003),11-20文献综述一、前言工业产品的装配,广泛使用螺纹连接来紧固。大量的螺纹装配需要人工完成,机械装配操作仍然是高度劳动密集型的。全球工业装配中,近 70%由螺纹连接构成,螺纹连接占据全部装配工作量的三分之一。SCARA 机器人拧螺丝工作站可代替人工特定的螺丝紧固作业,实现自动化装配;操作简单便利、高速精确;通用性强。体积小, 可配合产线作业,更换产品方便,具有极高的应用价值。二、研究概况目前,在世界制造业强国,如美国、德国、日本等国家的自动装配技术都达到了较高的水平,使得机械零部件的装配组装等工艺的精度,效率得到显著提高。在国外锁螺丝设备早已应用于汽车,电脑,液晶面板,空调,线路板等行业中。如美国试制一台有触觉和视觉的双臂机械手,由于机械手有触觉,所以不要求工件排列的位置很精确。若机械手在拧螺钉遇到阻力时,能将螺钉返回再拧。当前,在国内工厂使用的锁螺丝装置主要为深圳、东莞一些厂家生产的手持式锁螺丝机和半自动锁螺丝机。其工作流程是螺丝由驱动部件振动排列,再由压缩空气高速吹到螺丝刀头处,最后进行锁紧作业。但是在国内,上述半自动锁螺丝机设备并没有大面积推广使用,归结其原因有多种:(1)对螺丝尺寸要求极其严格,长度 5mm 18mm,直径为 2.5mm5mm,如果螺丝超出这个尺寸范围基本上不能完成锁付;(2)对螺丝的精度要求很高,如果达不到所要求的精度常常会出现设备频繁卡堵问题;(3) 专用性强,一种半自动化螺丝机一般只能锁付一种型号的工件,不能进行通用性生产; (4)造价非常高昂,因为是自动化设备,所以这种产品的进口价为 36 万人民币,国产的也近 2 万元。对此,国内学者主要从螺丝钳的扭矩测量与控制,专用领域的锁螺丝设备等方面做了相关研究,并且也开发了一些专用领域的锁螺丝设备。三、工业机器人结构特点工业机器人根据机械结构和坐标系的特点可分为直角坐标型(3P)、圆柱坐标型(R2P)、球坐标型(2RP)和关节坐标型(3R)的机器人,关节坐标型机器人的结构类似于人的手臂,其位置和姿态完全是由旋转运动来实现的,而平面关节型工业机器人,即为SCARA(Selective Complianee Assembly Robot Arm)机器人可看作关节坐标型机器人的特例。SCARA 机器人具有四个关节,三个旋转关节轴线相互平行,实现平面内定位和定向,此外,附加一个滑动关节,实现末端件垂直运动。它最显著的特点是在水平方向上的运动具有较大的柔性,而垂直方向具有很强的刚性,这种选择性的柔性,被广泛用于高效率的装配作业中。SCARA 机器人拧螺丝工作站主要由以下几部分构成:(一)送料机构送料机构一般包括振动盘和螺钉输送系统:振动盘将散乱放入其料槽的螺钉进行排列,使螺钉帽朝上呈竖直方向依次输出;螺钉输送系统则是将排列好的螺钉送到锁丝尖头部位。螺钉输送一般采用吸取或吹取两种方式。吸取式是在输送管中利用低于大气压的负压输送螺钉,它可以实现对大多数螺丝输送。吹气式是在输送管中利用正压输送螺钉,这种方式若要保证螺钉能正确输送,螺丝总长和螺帽直径比例就必须满足一定的条件,一般要达到 1:1.3,最低不能低于 1:1.2。吹气式和吸取式相比去掉了吸取的环节,实现效率要比吸取式的高,因此只要当螺丝的长度比例符合要求一般多采用吹气式输送,这样就可以较大程度节省锁丝耗时,提高锁丝效率。(二)SCARA 机器人本体结构工业机器人系统,一般由操作机、驱动单元、控制装置和为使机器人进行作业而要求的外部设备组成。其中操作机(又称执行系统),包括末端执行器、手腕、手臂及机座;驱动单元由驱动器、减速器、检测元件等组成;控制装置包括检测(如传感器)和控制(如计算机)两部分,可用来控制驱动单元,检测其运动参数是否符合规定要求,并进行反馈控制。此外,对于智能型机器人,应配置人工智能系统,一般包括感觉系统(硬件),通过各类传感器来实现功能,和决策一规划智能系统(软件),以实现逻辑判断、模式识别、大容量数据库和规划操作程序等功能。平面关节型机器人多用于装配,要求动作迅速,定位准确,因此需要运动学与动力学设计计算,从而进行操作机结构设计与传动链设计,这就包括:(1) 重量轻、刚性好、惯性小的机械本体结构设计和制造技术一般采用精巧的结构设计及合理的空间布局,如把驱动电机安装在机座上,就可减少臂部惯量、增强机身刚性;在不影响使用性能的情况下,各种部件尽量采用空心结构。此外,材料的选择对整机性能也是至关重要的。(2) 精确传动轴系的设计、制造及调整技术由伺服电机直接驱动,实现无间隙、无空回、少摩擦、少磨损,提高刚性、精度、可靠性;各轴承采用预紧措施以保证传动精度和稳定性。(3) 传动平稳、精度高、结构紧凑且效率高的传动机构设计、制造和调整技术由于在解决机械本体结构问题时,往往会对传动机构提出更高要求,有时还存在多级传动,因此要达到上述目的,常采用的方法有:钢带传动,实现无摩擦无间隙、高精度传动;滚珠丝杠传动,可提高传动效率且传动平稳,起动和低速性能好,摩擦磨损小; 采用 RV 减速器,可缩短传动链。同时合理安排检测系统位置,进一步提高系统精度。(三)锁丝机构锁丝结构一般包括锁附尖头和拧螺钉机构。锁附尖头是位于锁丝头部最下端的结构部件,主要作用有两点,一是用来对输送管传送过来的螺钉进行初定位,使其能够在 Z 轴方向保持竖直固定;二是能与拧螺钉机构准确配合实现螺钉的下移锁进。锁附尖头的手指式结构形式具有可靠性好的特点,应用较为广泛。拧螺钉机构的功能是实现螺钉下移锁进的动作。旋转动作采用具有定转矩的普通电动螺丝刀,经电路改造后装在锁丝结构连接体中心。(四)控制系统机器人控制系统是机器人的重要组成部分,用于对操作机的控制,以完成特定的工作任务,其基本功能有记忆、示教、接口、坐标设置、位置伺服和故障诊断等。机器人控制系统由控制计算机、示教盒、操作面板、硬盘存储、数字和模拟量输入输出、打印机接口、传感器接口、轴控制器、辅助设备控制、通信接口和网络接口等组成。现阶段机器人的控制体系结构有两种主要形式同时存在:一是象 Fanuc,Motoman 这样的传统机器人制造商继续使用大型专有控制装置,持有他们专有的控制体系结构;二是开放式通用运动控制体系结构(比如基于 PC 机的运动控制结构),具有开放性、可移植性、可扩展性等优点,而且可以方便的添加网络通信功能。许多新公司都在研究和尝试基于 PC 的运动控制架构,如 KUKA、ABB、NACHI 等。控制领域常涉及的关键技术包括:(1) 点位控制与轨迹控制的双重控制技术一般为装配机器人安装高级编程语言和操作系统,常用的编程方式是示教编程与离线编程。同时,合理选择关节驱动器功率和变速比、终端基点密度和基点插补方式, 以使运动精确、轨迹光滑。(2) 装配机器人柔顺运动控制技术由于机器人柔顺运动控制是一种关联的、变参数的非线性控制,能使机器人末端执行器和作业对象或环境之间的运动和状态符合给定要求。这种控制的关键在于选择一种合适的控制算法。(3) 误差建模技术在机器人运动中,机械制造误差、传动间隙、控制算法误差等会引起机器人末端位姿误差。因此有必要对机器人运动进行误差补偿,建立合理可靠的误差模型,进行公差优化分配,对系统进行误差标定并采用合适的误差补偿环节。(4) 控制软件技术将诸如减振算法、前馈控制、预测算法等先进的现代控制理论嵌入到机器人控制器内使机器人具有更精确的定位、定轮廓、更高的移动速度、更短的调整时间,即使在刚性低的机器人结构中也能达到无振动运动等特性,有助于提高机器人性能。四、本课题研究内容通过阅读相关文献,我目前对 SCARA 机器人拧螺丝工作站设计这一题目有了一定的了解。SCARA 机器人拧螺丝工作站设计主要由以下几部分构成:送料机构设计、SCARA 机器人本体结构设计、锁丝机构设计和控制系统方案设计。 SCARA 机器人具有四个关节,三个旋转关节轴线相互平行,实现平面内定位和定向,此外,附加一个滑动关节,实现末端件垂直运动。其本体结构较为固定,对其本体结构的设计主要是满足工作要求和安全要求。对其关键零部件的选用如步进电机、谐波减速器、滚珠丝杠副等也有了一定准备。送料机构一般采用吸取或吹取两种方式,吸取式是在输送管中利用低于大气压的负压输送螺钉,它可以实现对大多数螺丝输送;吹气式是在输送管中利用正压输送螺钉。锁丝机构实现了 SCARA 机器人拧螺丝工作站设计的目标要求,即将螺丝锁死在需要装配的零件或部件上,实现了既定的装配作业。而控制系统是实现装配作业自动化的关键,良好的控制系统要同时实现送料机构对螺丝的定时输送,SCARA 机器人本体到达既定的坐标位置和锁丝机构对螺钉的锁死。但是我对这一课题的了解还远远不够深入,送料机构、锁丝机构和 SCARA 机器人本体结构设计有一些简单的设想,但还不够成熟。而控制系统方案设计目前我还没有多少头绪,我仍然需要加强知识的储备和更深刻的学习相关文献。指导教师评阅意见(对选题情况、研究内容、工作安排、文献综述等方面进行评 阅)审核意教研室主任意见见签字:年月日签字:年月日学院教学指导委员会意见签字:年月日公章: 毕业论文(设计)题目名称:SCARA 机器人拧螺丝工作站设计所在学院:专业(班级): 学生姓名:指导教师:评 阅 人 :院长:SCARA 机器人拧螺丝工作站设计总计:表格:插图:摘要随着社会的工业化水平和工业生产的自动化程度不断提高,工业机器人对工业生产的作用也越来越重要,因而,SCARA 装配机器人的需求也越来越大。在此背景下,本文通过阅读文献,了解了国内外工业机器人技术的发展历程,在此基础上,设计了一种方便实用的 SCARA 平面关节型装配机器人,能够在平面内实现螺丝钉的装配作业。本文主要的研究工作包括如下:选择和确定 SCARA 机器人的传动方案,第一、二、四关节均以步进电机驱动,第三关节以连接谐波减速器的步进电机来带动丝杠螺母运动来实现 Z 轴方向上的竖直运动。完成 SCARA 机器人设计,大臂小臂的连接方式相似,都是以步进电机带动连接轴旋转,连接轴与大臂小臂的相连实现其自由度的旋转,丝杠通过支架固定在小臂上,实现竖直运动,丝杠螺母与滑块相连,末端执行器的步进电机则通过连接件与滑块相连,实现其自由度的旋转运动。通过对 SCARA 机器人工作任务、工作要求、工作环境的分析和性价比以及安装调试等因素的考虑, 对步进电机、谐波减速器、末端执行器、大小臂等结构或零件进行了参数计算、型号选择和通过 SolidWorks 进行三维建模,对 SCARA 机器人进行运动学分析,并以三次多项式为例对其进行了轨迹规划的生成。选择对基于 IPC+运动控制卡的开放式控制系统的硬件构成进行简单分析,并简单分析了 PTP、CP 和力(力矩)控制方式。关键词:SCARA 机器人;轨迹规划;结构设计。IABSTRACTWith the increasing level of industrialization and the degree of automation of industrial production, the role of industrial robots in industrial production is becoming more and more important. Therefore, the demand of SCARA assembly robots is also increasing.In this context, this article by reading the literature, to understand the development of domestic and foreign industrial robot history, development status and trends, on this basis, designed a convenient and practical SCARA plane joint assembly robot, can be implemented in the plane screw Of the assembly operations.The main research work of this paper includes the following: select and determine the SCARA robot transmission program, the first, two, four joint rotation are driven by stepper motor, the third joint to connect Harmonic reducer stepper motor to drive the screw nut movement to achieve vertical movement in the Z-axis direction. Complete the SCARA robot design, arm arm connected in a similar way, are driven by the stepper motor shaft rotation, connecting the shaft and the arm connected to achieve its degree of freedom of rotation, screw through the bracket fixed on the arm , To achieve vertical movement, the screw nut is connected with the slider, the end of the stepper motor through the connector connected with the slider to achieve its freedom of rotation of the movement. Through the SCARA robot work tasks, work requirements, working environment analysis and cost-effective and installation and commissioning considerations and other factors, the stepper motor, harmonic reducer, the end of the actuator, the size of the arm or other components of the parameters of the calculation, And the kinematics analysis of SCARA robot is carried out by three-dimensional modeling through SolidWorks, and the trajectory planning is generated by cubic polynomial as an example. The hardware configuration of the open control system based on IPC + motion control card is selected and the analysis of PTP, CP and force (torque) is analyzed.Key Words:SCARA Robot; Trajectory Planning; Structural DesignII目录摘要IABSTRACTII1 绪论11.1 引言11.2 国内外研究的概况和发展趋势12 SCARA 装配机器人总体设计42.1 传动方案的选择42.2 机器人的基本技术参数53 SCARA 的运动学研究63.1 位姿描述63.2 正运动学分析63.3 逆运动学分析83.4 轨迹规划的生成94 关键零部件设计计算124.1 步进电机的计算和选择124.2 滚珠丝杠的选型设计及计算145 SCARA 装配机器人机械结构设计165.1 大臂机械结构设计165.2 小臂机械结构设计165.3 腕关节机械结构设计175.4 机器人的总体结构设计186 控制系统设计196.1 控制系统的硬件构成196.2 SCARA 机器人的控制方式196.3 SCARA 机器人的控制流程207 结 论22参 考 文 献23附录 1:外文翻译24附录 2:外文原文30ISCARA 机器人拧螺丝工作站设计1 绪论1.1 引言工业产品的装配,广泛使用螺纹连接来紧固。大量的螺纹装配需要人工完成,机械装配操作仍然是高度劳动密集型的。全球工业装配中,近 70%由螺纹连接构成,螺纹连接占据全部装配工作量的三分之一。以家电、家具装配环节为例,螺纹连接所消耗的人力和工时可以达到整个生产线消耗总量的 1/4 到一半以上1。工业机器人根据机械结构和坐标系特点可分为直角坐标型(3P)、圆柱坐标型(R2P)、球坐标型(2R)和关节坐标型(3R)的机器人,关节坐标型机器人的结构类似于人手臂, 其位置和姿态完全由旋转运动实现,而平面关节型机器人,即 SCARA 机器人可看作 关节坐标型机器人的特例。SCARA 机器人结构简单、体积小、重量轻、安装方便、具有很好的通用性,而且动作迅速、定位精度高,此外,SCARA 机器人一般采用步进电机驱动,控制简单,编程方便。SCARA 机器人拧螺丝工作站可代替人工特定的螺丝紧固作业,实现自动化装配;操作简单便利、高速精确;通用性强。体积小,可 配合产线作业,更换产品方便,具有极高的应用价值。1.2 国内外研究的概况和发展趋势1948 年诺伯特维纳在其著作控制论里首次提出自动化工厂的概念,阐述了机器人和控制体系互相结合的发展规律,为机器人的控制理论奠定了基础。20 世纪 50 年代初期,位于美国伊利诺州的阿贡实验室研发了第一代遥控式机械手来操作放射性材料,避免了科学家受到辐射的侵害。同时代的乔治德沃设计研发了一台可以通过程序控制的工业机器人样机,并提出技术方案,随后申请了专利。两年之后随着串联机构在工业领域的广泛使用,其系统误差的长期累积和空间定位精度低等因素促使人们第一次提出了示教再现的编程模式,并运用数控技术和机械臂的结合制造出了第一台工业机器人,它的出现和新的编程理念使得重复定位精度远超绝对定位精度,其意义影响深远。1962 年,美国万能自动化公司研制了一台名为 Unimate 的机器人,它采用极坐标式结构,动作灵活、伸缩自如。而早在 4 年前,恩格尔伯格和乔治德沃尔创立了第 1 家机器人公司 Unimation,恩格尔伯格因而被称为机器人之父。1968 年,日本川崎公司开始学习美国公司先进的机器人制造技术,结合本国机器人产业发展的前景开发出了一系列成本低廉,实用性较好的机器人,为日本的工业和制造业领域发展提供了极大的动力和推动作用,促使日本的工业制成品以物美价廉而畅销全球市场。从 1970 年开始,机器人应用开始在各国工业领域掀起一波又一波- 25 -浪潮。1973 年,ASEA 公司(现在的ABB)推出了世界上第一个微型计算机控制、全部电气化的工业机器人 IRB 一 6,为了满足弧焊的要求,它可以进行连续的路径移动。1978 年,日本教授牧野洋设计出了具有 4 个自由度的可选择柔顺装配机械手(SCARA)。1979 年 Unimafion 公司推出了一系列带有触觉、力觉和视觉的 PUMA 工业机器人, 它的出现把机器人技术带入了智能化的时代,使得机器人技术的发展和时代要求紧密的结合在一起2。20 世纪 80 年代,随着汽车制造业的崛起,工业机器人开始以 20%40%的速率高速发展,机器人技术开始在汽车工业生产中推广普及,这使得整个机器人技术在现代工业生产领域变得越来越重要。1984 年机器人在全球各国的数量从最开始的不足10 万台,稳步上升到 1990 年接近 30 万台,其中带有嗅觉、视觉、触觉的高性能机器人成为了新研发机器人中的主要对象,并且促进了机器视觉技术和传感器检测技术的稳步成长。1985 年美国的两家公司率先开始在工业机器人领域使用交流伺服技术, 使得自动化控制装备性能进一步提升。随着装配机器人在机器人领域所占比重越来越大,提高机器人的质量和效率问题成为了各国机器人研究领域关注的重点。20 世纪末,柔性装配线研发成功,以日本为代表的各国开始广泛发展机器人产业,就此装配机器人开始进入蓬勃发展的阶段。21 世纪以来,机器人在各国开始大范围的投入使用,各国政府都加大了对机器人产业的投资力度。美国政府从 2011 年开始先后投入 7000 万美元发展本国的机器人技术和先进制造技术,并制定了“先进制造业国家战略计划”,力图使美国的制造业重新占领市场高点。韩国在 2014 年提出到 2018 年完成机器人产业的投资翻两倍,机器人公司的数量增加一倍的目标。欧盟则联合其下属的 180 个公司和科研机构一起推出家用机器人研究计划“SPARC”。同年,英国政府也提出机器人战略 RAS2020, 目标是在 2025 年使整个英国机器人产值在 1200 亿美元左右。我国的工业机器人研究始于 1960 年,先后发展了 50 多年,经历了从模仿到自主创新的各个阶段。1972 年,我国立足于开发自己的第一代工业机器人,进入 80 年代后,机器人研究与开发和国家政策有机结合。86 年国家高新技术研究发展计划正式提出,我国在机器人领域取得一系列重大科研成果,并结合国内产业链的实际情况陆续研制出一批工业机器人; 如今以新松为代表的一批国内企业开始推出自己品牌的机器人并逐步在市场推广。时至今日,我国在机器人技术某些领域已接近国际前沿水平,但是在很多方面也面临着不少问题。国产机器人产品较为低端、主要以三轴和四轴机器人为主,主要用于搬运和码垛作业等。而高端制造业的机器人则长期受到国外的品牌的占据。由于机器人的关键制造技术和控制技术等核心问题没有解决使得我国的机器人发展受到制约,加之国内的生产机器人规模较小,使得国产机器人的生存空间受到了挤压。2015 年 3 月国务院正式印发中国制造 2025推动中国制造业特别是高端制造业的发展,其中智能装备和机器人技术作为今后重点支持的方向,这为提升国产机器人的质量和服务做好了铺垫。工业机器人的出现,使自动拧螺丝向工业机械机械手方向发展,螺丝机具有操纵方便、控制精度高、稳定性好、维护方便、人机界面人性化等特点。主要是采用单轴与多轴机器人自动运行及单独动作的运行方式,实现了控制响应的快速性,并对拧紧扭矩及角度进行测控,保证了系统的精度和准确性。螺丝机的结构组成:工业机械手、电动螺丝刀、螺丝自动上料系统和精装夹具等附件。在国外锁螺丝设备早已应用于汽车,电脑,液晶面板,空调,线路板等行业中。1958 年美国联合控制公司研制开发出第一台机械手,1978 年美国 Unimate 公司、斯坦福大学和麻省理工学院联合研制一种 Unimate-Vicarm 型工业机械手,用小型电子计算机控制,进行装配作业,定位误差在1mm 内。如美国试制一台有触觉和视觉的双臂机械手,由于机械手有触觉,所以不要求工件排列的位置很精确。若机械手在拧螺钉遇到阻力时,能将螺钉返回再拧。当前,在国内工厂使用的锁螺丝装置为深圳、东莞一些厂家生产的手持式锁螺丝机和半自动锁螺丝机。虽然手持式锁螺丝机使螺丝输送和锁付一气呵成,提高了生产效率,节省了人力,但是手持式锁螺丝机需要人员重复单调乏味的工作,容易划伤产品外观,造成成本增加。半自动锁螺丝机主要是振盘式的,采用振动盘气动元件作为驱动部件,采用PLC 或MCU、传感器和接近开关联合控制。其工作流程是螺丝由驱动部件振动排列,再由压缩空气高速吹到螺丝刀头处,最后进行锁紧作业。随着自动化工业的发展和生产效率、质量要求的不断提高,在国际上自动化装配技术由人工装配朝着半自动化、全自动化装配的趋势发展,SCARA 机器人拧螺丝工作站也在朝着半自动化和全自动化,便捷化,通用化的方向发展。2 SCARA 装配机器人总体设计SCARA 包括有三个旋转自由度,分别为大臂、小臂和末端执行器,除此之外, 还有一个直线自由度,实现末端执行器在竖直方向上的移动。其结构简图如图 2.1 所示。2.1 传动方案的选择图 2.1 SCARA 机器人的结构简图查询相关文献可知,现有如下两种方案进行筛选: 方案一三个旋转自由度均采用步进电机传动,实现大、小臂、末端执行器的旋转运动, 不光可以保障良好的传动精度和效率,并且振动和噪音都比较低,对机器人本身影响较小。此外,其过载性好,控制要求也相对简单。第三关节自由度的传动选择丝杠螺母,实现机器人竖直运动,虽然其传动精度不高,但是其结构易于安装,并且能够实现第四自由度与其的连接。方案二第一、二关节自由度均采用同步齿形带传动,第三、四关节自由度的传动方案不变。由上可知,两种方案都能满足设计要求,但方案一的传动精度和传动效率更高, 且结构更简单,控制起来更容易;相比较而言,方案二传动精度和传动效率略低,且零件大多更复杂,增加了设计的难度。因此,考虑加工、安装和调试因素,传动方案确定为方案一。所以,机器人的传动方案如下所示:第一关节旋转运动(关节一):步进电机 1大臂第二关节旋转运动(关节二):步进电机 2小臂第三关节的垂直直线运动(关节三):步进电机 3谐波减速器丝杠螺母第四关节旋转运动(关节四):步进电机 4主轴(Z 轴)2.2 机器人的基本技术参数在确定机器人的传动方案之后,应当对其基本技术参数进行限定,如表 2.1 所示, 才能更好的对机器人进行设计。表 2.1 机器人的基本技术参数项目技术参数自由度大臂小臂末端升降末端旋转运动范围120150120mm180最大速度180/s180/s100mm/s270/s几何尺寸250mm300mm定位精度1mm根据如上技术参数,可得机器人的运动范围如图 2.2 所示:图 2.2 机器人的运动范围3 SCARA 的运动学研究SCARA 机器人设计的目的是为了完成给定的装配任务,整个装配过程是运动的过程,所以必须对其的运动学进行研究。机器人运动控制的对象包括连杆,关节,工作工具,对象,工作台和参考基准等3。为了提高装配精度和装配效率,还应当对其进行轨迹规划。3.1 位姿描述为了描述机器人本身的运动,通常将其当作刚体来研究彼此之间的运动关系。对其运动关系的研究包括其位置和姿态,简称为位姿4。3.2 正运动学分析SCARA 平面关节型机器人有四个自由度,建立如图3 一1 所示的D 一H 坐标系, 通过如下坐标系来进行正运动学分析6。图 3.1SCARA 关节坐标系各关节的连杆参数的如表 3.1 所示:表 3.1SCARA 机器人的D 一 H 参数表ai-1ai-1qidi关节变量第一关节0l1q1d1q1第二关节0l2q20q2第三关节18000d3d3第四关节00q40q4其齐次通式为:cqisq ca- sqicq ca0- saai-1- d saA = ii-1ii-1i-1ii-1 (3.1)isq sacq sacad ca0ii-1i0i-10i-1i1i-1 代入各关节连杆参数,得:cosq1 - sin q1 0 l1 cosq1 cosq2 sin q20 l2 cosq2 sinqcosq0 l sin qsin q- cosq 0l sin qA = 1111001 01 A = 2200222 -1 0000 1000 11 0 0 0 cosq4 - sin q4 0 0 0A = 1 0 0 sin qA =4cosq40 0 (3.2)300 1 d3 4001 0 00 0 1 000 1 i通过各变换矩阵i-1T (i = 1,2,., n) 相乘,可得到其正运动学方程:0T =0T 1T 2T 3T = A A A A41 2 3 41 2 3 4cos(q1 + q2 -q4 ) sin(q1 + q2 -q4 )0 l1 cosq1 + l2 cos(q1 + q2 ) sin(q + q -q ) - cos(q + q -q ) 0124l sinq + l sin(q+ q )= 1241111200-1 d1 + d30nxox ax00 1px n= yoy aypy (3.3)zzn o ap zz0 0 0 1 3.3 逆运动学分析正运动学分析结束后,还应当进行逆运动学分析7。设机器人末端执行器位姿矢量矩阵为 , 速度矢量矩阵为 。 nx ox axpx nx ox a xpx n o ap T= yyyy T end = ny o y a yp y (3.4)endn z0oz az0 0p z 1 nz oz00 a z p z 0 1 由上可得,关节变量逆解如下:sinq2 = cosq =1 (r 2 - l 2 - l 2 )1 222l l12q2 = arctg(sinq2 / cosq2 )sinq = 1 (l + lcosq )p - l sinq p 1r 2122y22 xcosq = 1 (l + lcosq )p + l sinq p 1r 2122x22 y sinq1 q1 = arctg cosq 1 cosq4 = ox sin(q1 +q2 )+ oy cos(q1 +q2 )sinq4 = -ox cos(q1 +q2 )+ oy sin(q1 +q2 )4 sinq4 q4 = arctg cosq d3 = d1 - pz其中r 2 = p2 + p2 ,式中sinq = 中正负号对应两组可能解。速度xy(q +q )+ (q +q )q1 =px sin 1(2py cos 12)px sin q1 +q2- py cos(q1 +q2q 2 =px px - py pyl1l2 sinq2d = - pz(o A + o B) + + - xyq 1q 2 BoxAoyq 4 = sinq4 + cosq4式中: A = cos(q1 +q2 )-sin(q1 +q2 ), B = cos(q1 +q2 )+sin(q1 +q2 )3.4 轨迹规划的生成(3.5)轨迹规划,就是根据已知量,求出并生成运动轨迹的过程。现采用关节空间规划方法中的三次多项式规划法,结合设计要求,进行轨迹规划。首先假定机器人某关节的关节值的各参数如表 3.2 所示。表 3.2某关节轴的关节值的参数时刻关节值初始值t0q0目标值tfq f当采用三次多项式函数插值时,每一段轨迹都是同样的形式,所以,在插值过程中,三次多项式如式(3.6)示:q (t) = a + a t + a t 2 + a t3(3.6)0123通过对上式求导,可得相应的速度和加速度为: (t ) = a+ 2a t + 3a t 2q123(3.7)q (t ) = 2a2 +6a3t通过上式,很容易地计算出不同时刻的, 和 ,值得注意的是,上式中 t 是各段分别计算的。因此,对于每一段计算都是从t =0 开始8。当插值的过程采用了抛物线的方式时,则其轨迹的运动方程如下所示:q (t ) = q+ 1 t 2 ;12 q 1 q (t ) = q 1 t,0 t t1(3.8)q(t )= q 1 .q (t ) = q + t + t1 1 (t ) = q 12,;20 t t(3.9)qq 1212q(t ) = 0.q (t ) = q + t + t1 + t + 1 t 2 ;1q 1212 2q 122 (t ) = + t,0 t t(3.10)qq(t )q 12 q 212= q 2 .q (t ) = q + t + t2 2 (t ) = q 23,;20 t t(3.11)qq 2323q(t ) = 0.q (t ) = q+ t + tn-1 (t ) = n-1q (n-1)n 2,;0 t t(3.12)qq (n-1)n(n-1)nq(t ) = 0.q (t ) = q+ t + tn-1 + t + 1 t 2 ;n-1q (n-1)n (n-1)n q n22 (t ) = + t,0 t t(3.13)qq(t )写成一般形式如下:q (n-1)n q nn= q n . q (t ) = q1+ 1q 1 t 22 q (t ) = q 1 t0 t t1 ;(3.14) q (t ) = q 1 . q (t ) = q + t + ti i (t ) = q (i+1)i 20 t t ;(3.15) q q (i+1)ii q (t ) = 0. q (t ) = q+ t + ti-1 + t + 1 t 2i-1q (i-1)i (i-1)i 22 qi (t ) = + t0 t t ;(3.16) q q (i-1)i q ii q (t ) = q i .i=2,3,n。在利用式 3.14、式 3.15 及式 3.16 生成轨迹时,应注意每一段都是从 t = 0 开始, 但是段与段同样是相互关联的连接关系。此外,虽然上面的轨迹生成公式只是某一个关节变量的计算过程,但是此公式对于其他的关节变量的轨迹计算也是同样适用的。4 关键零部件设计计算4.1 步进电机的计算和选择根据设计要求可假定各主要部件的质量:底座15kg,大臂10kg,小臂5kg, 末端执行部分2.5kg。1 12 23 3G2G3大、小臂及末端执行器的各自绕各自重心的转动惯量分别为 , , , 由平行轴定理可知,绕第一关节自由度的转动惯量为:J1 = JG1+ m l 2 + J+ m l 2 + J+ m l 2(4.1)1 12 23 3G2G3其中质量 , , 分别为大、小臂及末端执行器的质量,各关节自由度中心到第一关节自由度中心的水平距离分别为 , , ,假定各长度为 250mm、350mm、500mm,而 JG1 m l 2、J m l 2、J = 2.54,故丝杠稳定11。Fwm(4) 丝杠刚度验算d s丝杠的拉压变形量为= Fm LEA式中:L 为滚珠丝杠在两轴承支撑点间的受力pd 2长度,取 L=120mm;E = 20.6 * MPa;截面积 A = 1 =63.58 , 则4d= Fm L = = 23.41 * mm,sEA丝杠变形很小,可忽略不计,故刚度足够。(5) 传动效率计算h = tgltg (l + f )根据初选滚珠丝杠型号查表得螺旋升角为 433,一般摩擦角= 10,则= 0.96,传动效率比较高12。5 SCARA 装配机器人机械结构设计5.1 大臂机械结构设计大臂的结构设计遵循由下及上的设计原则,底座用来固定机器人,电机安装于底座内部,减少了转动惯量,大臂结构装配图如图 5.1 所示13。大臂的驱动电机电机轴插入到连接轴底部,通过销轴固定,深沟球轴承安装于套筒内,上面的轴承上端有透盖固定,下端有轴肩,下面的轴承上端有轴肩,下端通过连接体顶住轴承外圈;另外套筒通过螺栓与底座顶端相连,从而实现了大臂的旋转运动。图 5.1 大臂装配体5.2 小臂机械结构设计小臂的机械结构如图 5.2 所示,根据模块化的设计原则,故小臂的安装方式与大臂相似,不同的是小臂驱动电机通过套筒固定在大臂上而不是固定在底座上。本结构在装配上也较简易,电机、连接轴可在外部进行安装装配,这样降低了机器人的安装成本,大臂小臂采用了同样的传动原理及结构设计,这样能够简化机器人的本体结构和零部件制造成本。(a) 大臂装配体(b)大臂工程图图 5.2 小臂装配体5.3 腕关节机械结构设计如图 5.3 三四关节结构装配图所示,支撑架固定在小臂上,在支撑架顶部,固定着谐波减速器,电机通过谐波减速器带动丝杠运动,丝杠固定在支撑架上,通过丝杠旋转带动丝杠螺母,实现第三自由度的竖直运动。丝杠螺母与滑块相连,第四关节驱动电机通过连接件与滑块相连,电机通过连接轴带动螺丝刀旋转,实现第四自由度的旋转运动。图 5.3 三四关节装配体5.4 机器人的总体结构设计在确定了机器人的传动方案之后,又完成了各相关零件的参数选择或选型,以及机器人各部件的结构设计之后,机器人的总体结构也就确定了下来,将大臂、小臂和末端执行器装配起来就得到了机器人的总体结构,其结构如图 5.4 所示,大臂、小臂、主轴旋转都由步进电机实现,各动作的实现都由步进电机连接连接轴完成,主轴升降通过固定在小臂上的丝杠螺母来实现。其中,大臂的步进电机通过套筒固定在底座的顶端,底座可以固定在工作台或地面上;小臂的步进电机通过套筒固定在大臂上,螺丝刀的步进电机则通过套筒固定在滑块上。图 5.4 SCARA 机器人装配体6 控制系统设计6.1 控制系统的硬件构成SCARA 机器人的控制系统实际上是一种包括任务规划,动作规划,和伺服控制等的分层控制系统,如图 6.1 所示。首先机器人通过人机接口获得命令,然后机器人对输入的命令进行分析“理解”,其次得到相应的任务要求即为任务规划,动作规划则是机器人根据得到的任务要求进行动作分解;机器人对每个关节的运动轨迹进行设计,即为轨迹规划;实现每个关节按照既定的运动要求进行运动,即是伺服控制。图 6.1 机器人的分层控制图6.2 SCARA 机器人的控制方式6.2.1 点位控制方式这种控制方式的特点是实现点的位置控制,控制时是实现由一个已知点到另一个已知点的运动,而点与点之间的轨迹倒是没有什么要求。6.2.2 连续轨迹控制方式这种控制方式的特点是要求其运动轨迹为给定的曲线,且对位姿和速度同样有要求,以完成作业任务。6.2.3 力(力矩)控制方式在进行装配任务时,除了定位精度的要求之外,还要求对末端执行器施加在对象上的力或力矩进行控制,这时就要利用力(力矩)的控制方式15。6.3 SCARA 机器人的控制流程根据以上控制系统和控制方式的选择,为本机器人设计了如图 6.2 的控制流程: 首先是启动系统,进行系统初始化,然后输入程序,然后机器人的大臂和小臂开始运动,保证末端执行器到达指定位置,然后丝杠螺母开始运动,保证末端执行器在 Z 轴方向上达到指定位置,然后末端执行器开始旋转,旋转结束后,丝杠螺母上升一小段位置,如果装配任务没有完成,则重复之前动作直至完成任务,如果任务完成,则关闭系统。图 6.2 机器人的控制流程图7 结论本文设计了一种 SCARA 平面关节式拧螺丝装配机器人,完成了其本体的设计, 了进行运动学分析,并以三次多项式为例进行了轨迹规划的生成,还对其控制系统的设计进行了简单的讨论。本文研究的主要内容如下所示:(1) 对 SCARA 机器人的传动方案进行了选择和确定,大臂、小臂、末端执行器均以步进电机驱动,实现第一、二、四关节的旋转运动,第三关节以步进电机带动丝杠螺母运动来实现 Z 轴方向上的竖直运动。(2) 完成了 SCARA 机器人的本体设计,其大臂小臂的连接方式相似,都是以步进电机带动连接轴旋转,连接轴与大臂小臂的相连实现其自由度的旋转,不同的是, 大臂的步进电机固定在底座上,而小臂的步进电机固结在大臂上。丝杠固定在小臂上, 末端执行器的步进电机通过连接件与滑块相连。(3) 对 SCARA 机器人进行了运动学分析,并以三次多项式为例对其进行了轨迹规划的生成。(4) 通过对 SCARA 机器人工作任务、工作要求、工作环境的分析和性价比以及安装调试等因素的考虑,对步进电机、谐波减速器、末端执行器、大小臂等结构或零件进行了参数计算、型号选择和通过 SolidWorks 进行三维建模。(5) 简单分析了 PTP、CP 和力(力矩)控制方式和基于 IPC+运动控制卡的开放式控制系统的硬件构成。并对 SCARA 装配机器人的控制流程作了简单设计。参 考 文 献1 桂仲成,吴建东.全球机器人产业现状趋势研究及中国机器人产业发展预测J. 东方电气评论,2014,17(4):4-10.2 杨化书,曲新峰,工业机器人技术应用及发展J.黄河水利职业技术学院学报,2004, 16(7),(2004),42-43 .3 杨成文.平面关节机器人研制及其轨迹规划D.广州:华南理工大学,2012 4郭洪红.工业机器人技术.西安:西安电子科技大学出版社,05:75-80.5程汀.SCARA 机器人的设计及运动、动力学研究D.合肥:合肥工业大学,2008. 6王健强,程汀.SCARA 机器人结构设计及轨迹规划算法J.合肥工业大学学报,2008.7 卢军,郑国穗,马金锋,刘杰.SCARA 机器人结构优化设计与运动分析J.陕西科技大学学报,2014.8 夏添.SCARA 机器人的结构设计与运动控制算法研究D.武汉,湖北工业大学,2016. 9斯克莱特.机械设计实用机构与装备图册M. 北京:机械工业出版社,2015.10濮良贵,纪名刚.机械设计M. 北京:高等教育出版社,2002. 11闻梆椿.机械设计手册M. 北京:机械工业出版社,2010.12帕姆利.机械设计零件与实用装置图册M. 北京:机械工业出版社,2013. 13蔡自兴.机器人学基础M.北京:机械工业出版社,2009.14 许果,王峻峰,何岭松.一种基于 SCARA 机器人机械结构设计J.机械工程师,2005, 35(4):65-6715 王健强,程汀.SCARA 机器人结构设计及轨迹规划算法J.合肥工业大学学报,2008, 31(7):1027-102816 杨可桢.机械设计基础M. 北京:高等教育出版社,2013. 17卫道柱.螺丝自动拧紧机的研制D.合肥,合肥工业大学,2004. 18蔡军爽.螺丝机控制系统研究与开发D.沈阳,东北大学,2008.19 贾广田.全自动锁螺丝机控制系统设计与开发D.杭州,浙江工业大学硕士学位论文,2015.20 梁波.中国机器人技术和产业调查J.高科技与产业化,2015,03:60-65. 21李浩.自动锁丝部分技术研究D.合肥:合肥工业大学,2014.22 邓劲莲.机械产品三维建模图册M. 北京:机械工业出版社,2014.23 孟飞武.面向制鞋涂胶的 SCARA 机器人结构设计与研究D.淮南,安徽理工大学,2015.附录 1:外文翻译SCARA 机械手控制和建模摘要现在随着电机驱动器和操纵器动力学的非线性发展,操纵器变得越来越复杂。由于这一系统的复杂性,建模过程尤其是通过使用数学表示或白盒方法的建模过程将变得更加复杂。因此计算机辅助设计(CAD)建模的方法应用的更加广泛。在本文中通过使用 SolidWorks 来呈现机器人手臂 CAD 模型的发展。然后通过 Matlab/Simulink 环境平台的模拟环境来设计基于比例-积分-微分关系的控制器(PID)。本文展现的是 MATLAB 和 SolidWorks 的组合使用的优点,而 SolidWorks 能够很好的表现建模过程。用于 4 自由度(DOF)机械手的 PID 控制器被评定为第 2 自由度后显示了良好的效果。1. 简介SCARA(选择顺应性关节机器人手臂)机器人应用广泛,如取放,装配,包装。SCARA 机器人是一个非线性动力学系统,具有一定的不确定性如摩擦等。由于SCARA 机器人是高度非线性的,用传统的方法难以识别 SCARA 模型的参数。尤为困难的是计算 SCARA 机器人的惯性矩,质量,等等。这种机器人的机械手需要遵循特定应用程序的控制。因此,机器人的轨迹跟踪需要一个正确的动态模型和机器人的准确位置。然而,每个动态模型都有一定程度的错误。不正确的和错误的动态模型最终会导致位置或轨迹跟踪误差。现在,如何简化机械手动力学建模的研究已经取得了许多研究成果。但是,所有研究人员都是采用复杂的方法来克服传统动力学的建模误差。Mathworks 公司介绍了 SimMechanics 链接的三分之一仿真软件产品。SimMechanics 链接工具从外部应用程序,如计算机辅助设计生成物理模型的 XML 文件(CAD)平台。这些物理模型的 XML 文件可以用仿真软件来生成 SimMechanics 模型代表的机械系统。有关于 SolidWorks 和MATLAB 相结合的好处的研究很少,例如为了避免或简化机器人手
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