设计说明书正文

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[1]。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有一个全面的掌握，以适应我国现代化建设的需要[2]。

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[4,5]。

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[9]。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.cm 2

。

自由度θ1传动系统上所有惯量折算到电机轴1上的等效惯量J 1Σ为 242

21221m kg 102.2i i J i J 2J 2J J J Z1H x x D11??=++++=-∑∑

电机轴的扭矩为

f T Δt

ωJ T 1+?=∑

因为所选材料的摩擦系数f=0.002，所以T f =T 。取响应时间△t=0.04s ，则

m 0.1N 0.04s s rad

1.57m Kg 10

2.2T 24-?=???=

所选两相混合式步进电机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

2.2 轴的设计

轴的结构设计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：①按工作要求选择材料；②估计轴的最小直径；③轴的结构设计；④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；⑤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φ32，大臂与小臂连接处的小臂的最小直径为φ18。

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1-2mm。

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Φ32mm，长度为26mm第二段直径为Φ36mm，长度为27mm，第三段直径为Φ40mm，长度为15mm，第四段直径为Φ46mm，长度为20mm，第五段直径为Φ40mm，长度为15mm，第六段直径为Φ36mm，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。

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。

图2.2键连接

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Φ18mm，长度为23mm，第二段直径为Φ20mm，长度为12mm，第三段直径为Φ26mm，长度为16mm，第四段直径Φ20mm，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。

图2.3小轴

轴的第一段钻两个圆孔，电机轴直接深入孔中，用内六角圆柱端紧定螺钉拧紧，电

机直接驱动小轴旋转。轴的第三段上开有键槽，小轴和小臂用键连接，并用内六角圆柱端紧定螺钉将轴和臂柠紧，轴的旋转带动臂的转动。

2.2.4 轴的校核

由材料力学可知，实心圆柱的扭转强度条件为

τ=T/WT=﹙9.55×106P ﹚/0.2d3n ≤[τ]

τ=(9.55×106×0.2)/﹙0.2×323×1500﹚≈0.2MPa ＜[τ]＝30~40MPa

所以，根据扭转强度条件，轴满足要求。

计算危险界面上的当量弯矩Me ，估算大臂小臂总重20Kg ，距离为200mm ，

所以M=20×10×0.2=40N ·m 。根据材料力学第三强度理论，计算如下：

245MPa 40MPa 0.6)(0.340(αΤ)M Me 2222≤=?+=+=

其中，α是考虑转矩所产生的扭转剪应力与弯矩所产生的弯曲应力的性质不同而设

的应力校正系数，对于不变的转矩取α≈0.3。

由上式可知，轴满足弯矩强度条件。综上所述，底座大轴满足强度条件。大臂与小

臂的关节连接处小轴的校核类似，经校核满足要求。

2.3 SCARA型机器人的底座机构关键零件的设计

主要由外壳、轴承、轴承套、电机和紧固螺钉五部分组成。外壳材料采用45号钢，外筒为通孔，这样安装电机简单方便。底座最下端打有螺纹孔，可以用地脚螺栓与平板或地直接连接，并适当的增加底座的重量，以平衡手臂的重量，保证机器人的平衡工作。底座结构如图2.4所示。底座的轴承采用一对角接触球轴承，并进行正装，上端轴承用轴承座固定，下端轴承用专门设计的轴承端盖固定，轴承座如图2.5所示。这样轴承可以承受轴向和径向的力，这样就避免了电机的过载，电机安装在端盖上，端盖上开有一个与电机定位圆大小相同的圆槽，电机定位圆正好能与开的圆形槽配合，机构简单，加工安装方便，实现了电机轴与大轴的同轴。端盖与底座外筒用螺栓连接在一起，这样既起到了连接电机的作用又起到了支撑轴的作用，如图2.6所示。轴上开有键槽，直接与大臂连接，并用内六角圆柱端紧定螺钉连接大轴和大臂，电机通过驱动轴来带动大臂的转动。从而实现了第一个转动自由度。底座的部分装配图如图2.7所示。

图2.4底座外筒

图2.5轴承座

图2.6安装电机端盖

1底座 2电机 3螺母 4弹簧垫圈 5螺栓 6轴承固定环 7内六角圆柱端紧定螺钉

8轴承座 9电机托 10角接触球轴承 11轴 12螺母 13弹簧垫圈 14螺栓 15底座盖72内六角圆柱头螺钉 73弹簧垫圈 74轴承端盖

图2.7底座装配图

2.4 大臂的结构设计

大臂采用的材料为45钢，大臂的左端与底座的轴用键连接，并在臂左端的两侧打有螺纹孔，轴和臂用内六角圆柱端紧定螺钉拧紧，臂的左部分铣去一层，使左端变薄，再在上边铣一空槽，这样减轻了大臂的整体重量，减小电机运行负载，减小轴的驱动力矩，保持机器人的平衡。在臂的右端中间部分洗一同槽，在臂的上面铣圆孔，此处为大臂与小臂连接的关节。整体结构如图2.8所示。

图2.8大臂

2.5 小臂的结构设计

小臂的材料为45钢，形状为长方体，臂的左端开有键槽，用于臂和轴的配合连接，中间部分铣一个正方形槽，放入驱动手腕回转的步进电机，右边一点铣一通槽，这样可以减轻小臂的重量，保持机器人臂的平衡，并在这铣一圆形槽，用于与电机托的定位。最右端铣下去一半厚度，减轻臂的重量，铣一通孔，用于固定滚珠丝杠花键轴。整体结构如图2.9所示。

图2.9小臂

2.6 SCARA型机器人大臂与小臂连接处关节设计

机器人的臂采用45钢材料，机构简单，大臂左端与大轴相连接的一侧铣去一部分，使大臂左端的厚度变薄，并在左边的端面铣一个通臂的槽，从而减小大臂的质量，降低大臂的承受力矩，保持机器人的平衡。关节处由步进电机、轴、轴承、紧定螺钉等组成。大臂上打有孔，轴穿过大臂的孔，轴上开有键槽，轴和键与小臂配合，并用紧定螺钉将小臂和轴连接在一起，轴上安装有一对角接触球轴承轴承，采用正装结构，既能承受轴向力又能承受径向力。大臂上开有圆形槽，这个圆形槽与大臂电机托底部的圆相配合，大臂托上也开有与电机定位圆相同的圆形槽，这个槽与电机定位圆相配合，从而保证电机在竖直的轴线上旋转，小臂采用45钢材料，上边铣下去一部分通孔，以减轻小臂的质量，小臂上开有一个圆形与电机配合的定位圆槽，保证电机在竖直轴线的方向旋转。通过电机的转动带动轴的转动，轴带动着小臂的转动，从而实现了第二个转动自由度。关节处装配图如图2.10所示。

24角接触球轴承 25紧定螺钉 26轴 27螺栓 28弹簧垫圈 29小臂 67紧定螺钉

68弹簧垫圈 69平键 70紧定螺钉 71轴承端盖

图2.10关节处装配图

2.7 电机托设计

轴与电机直接连接，为减轻轴的负载，为电机设计电机托，将电机用电机托固定在机器人臂上。电机托的材料为45钢，厚度为3mm下部有圆形的突出端，这个圆形端口正好与臂上开的圆形槽配合，电机托的上端面开有圆形槽，这个圆形槽与电机的定位圆配合，这样通过两次定位，就保证了电机轴与旋转轴的轴线在一条直线上，能保证电机在轴线方向上旋转。电机托的结构和与臂的连接结构如下图所示。

图2.11大臂电机托

图2.12小臂电机托

图2.13大臂与大臂电机托连接结构

图2.14小臂与小臂电机托连接结构

2.8 SCARA型机器人手腕的设计

小臂的末端安装步进电机和滚珠丝杠花键轴，采用滚珠丝杠花键轴主要有以下几个优点：

1减轻手腕关节重量；

2改善手腕关节的动力特性；

3提高手腕关节的控制精度，减少误差。

步进电机与同步带轮用紧定螺钉连接，通过同步带与滚珠丝杠花键轴连接。步进电机3通过紧定螺钉与直线小带轮连接，直线大带轮通过螺栓连接到滚珠丝杠花键轴的丝杠螺母上，步进电机3驱动同步带旋转从而驱动丝杠螺母旋转使滚珠丝杠花键轴直线运动，实现手腕的上下移动。步进电机4通过紧定螺钉与回转小带轮连接，回转大带轮通过螺栓与滚珠丝杠花键轴的花键螺母连接，步进电机4驱动同步带旋转从而驱动花键螺母旋转，从而使手腕旋转，实现了手腕旋转的第四个自由度。

机械手与丝杠用紧定螺钉连接固定，这样机械手可以随时与丝杠安装或拆卸，机械人还可以安装其他的手抓，这个手抓也可以安装到其他的机器人手腕上，这种结构设计具有了更好的通用性。手抓处采用四边形式的机构，上部安装有电磁铁，四边形下方的小轴上安装磁铁。当手腕移动到下方指定位置时，电磁铁通电，吸引四边形下方的小轴，使手抓住加紧，当需要放松时，使电磁铁接通反向电流，这样就使手抓松开，这就实现了一个转动自由度和一个移动自由度。腕部部分结构装配图和手抓结构图如下图所示。

30六角螺母 31六角头螺栓 32弹簧垫圈 33电机 34六角螺母 35弹簧垫圈

36六角头螺栓 37电机 38紧定螺钉 39直线小带轮 40直线同步带 41直线大带轮42滚珠丝杠花键轴 43六角螺母 44弹簧垫圈 45六角头螺栓 46六角头螺栓

47弹簧垫圈 48回转大带轮 49紧定螺钉 60小臂电机托 61六角螺母 62弹簧垫圈63六角头螺栓 64回转同步带 65紧定螺钉 66回转小带轮

图2.15腕部装配图

49紧定螺钉 50六角头螺栓 51弹簧垫圈 52六角螺母 53电磁铁 54磁铁

55四边形1 56四边形2 57四边形3 58四边形4 59机械手

图2.16手抓

2.8.1 滚珠丝杠花键轴的选择

由于平面关节式教学机器人仅用于教学演示，所以选用的滚珠丝杠花键轴不宜过大，通过购买的滚珠丝杠花键轴尺寸系列表选用外径d=8mm的即可。

BNS-A

图2.17滚珠丝杠花键轴外部结构

下面为滚珠丝杠花键轴的型号和尺寸：

表2.2滚珠丝杠花键轴的型号和尺寸

图2.18滚珠丝杠花键轴内部结构

如图2所示，滚珠丝杠花键轴由丝杠螺母，花键螺母，丝杠三部分组成，两个螺母由电机通过同步带传动，同步轮分别固定在丝杠螺母和花键螺母的两端。运动关系如表2.3。

表2.3 滚珠丝杠花键轴运送关系表

由于滚珠丝杠—花键为一体式结构，其沿Z 轴上下的直线运动和绕 Z 轴的旋转运动存在耦合，对这两个运动是独立进行控制的，故必须对滚珠丝杠—花键的运动进行解耦分析。

经运动分析，同步轮旋转和丝杠的运动应满足如下关系：

（1）在竖直方向上的运动由滚珠丝杠、滚珠花键的运动合成：

l i ??=。

360Φ-y 3

1 （2-1） 由于N1>0，y1的方向（向下）与?4的方向相同，取负

l j ??=。

360Φy 4

2 （2-2） 由于N2>0，y2的放下（向上）与?4的方向相同，取正，则：

360）ΦΦ（Φ360Φy y 343

4

213l i j l i l j l ?=??=+=--360 （2-3） 式中：

y1：表示关节3电机传动滚珠丝杠螺母旋转，在竖直方向的位移，向上为正； y2：表示关节4电机传动滚珠花键螺母旋转，在竖直方向的位移；向上为正； Φ3：表示关节3电机的转角；?表示关节3电机至丝杠螺母侧同步轮的减速比； Φ4：表示关节4电机的转角；j ：表示关节 4 电机至花键螺母侧同步轮的减速比；

（2）旋转运动仅由滚珠花键的运动产生：

j θ/43Φ= （2-4）

由式（2.3）、（2.4）可解得：