SCARA平面关节式装配机器人的设计与研究
一种基于SCARA机器人机械结构设计
一种基于SCARA机器人机械结构设计1.引言SCARA是一种广泛应用于组装、包装和材料搬运等领域的工业机器人。
它的机械结构采用四条约束自由度，能够实现平面内的三个自由度运动，具有精准定位和高重复精度的特点。
本文将针对SCARA机器人的机械结构进行设计和优化。
2.设计目标（1）实现精准定位：SCARA机器人需要能够准确地定位和操作目标物体，因此机械结构设计要具有足够的刚度和精度。
（2）高重复精度：SCARA机器人通常用于重复性高的工作，要求机械结构设计能够精确重复运动。
（3）简洁合理：机械结构设计要尽量简洁，以减少成本和维护难度。
（1）运动平台：SCARA机器人的运动平台通常采用平行四边形结构，能够实现水平平移和垂直运动。
运动平台需要具有足够的刚度和精度，通常采用铝合金材料制作，表面进行硬质阳极氧化处理以增加硬度和耐腐蚀性。
（2）臂部结构：SCARA机器人的臂部结构由两条平行的支撑臂组成，支撑臂之间通过一个转动关节连接。
转动关节需要具备足够的承载能力和刚度，通常使用精密轴承。
支撑臂的长度需要根据工作需求进行合理设计，过长的臂部会降低机器人的刚度和精度。
（3）手腕结构：SCARA机器人的手腕结构为一个转动关节，用于实现末端执行器的旋转操作。
手腕结构需要具备足够的承载能力和刚度，通常使用精密轴承。
同时，手腕结构需要足够灵活，以方便对目标物体进行操作。
4.结构优化为了进一步提高SCARA机器人的性能，可以对机械结构进行优化。
优化的目标包括降低结构重量、提高刚度和精度、增加载荷能力等。
（1）结构轻量化：可以采用轻质材料替代部分结构件，例如碳纤维复合材料，以降低结构重量，提高机械自由度的加速度和速度。
（2）增加刚度：可以通过加大结构截面尺寸，增加结构件数量等方式增加机械结构的刚度，以降低机械结构的振动和变形，提高定位精度。
（3）优化传动系统：可以对机械传动系统进行优化，例如采用精密减速机、滚珠丝杠等，以提高传动效率和精度。
SCARA机器人MATLAB仿真实验报告
第1章任务描述及需求分析1.1任务描述本文选用雅马哈公司SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm) 机器人作为该系统机器人主体，同时结合所选用的工控机、雅马哈SCARA机器人控制器RXC340等控制设备，还采用红外光栅以及光栅控制器构成安全保护装置，同时选用伺服驱动器、电机、震荡送料机、DDC工业摄像机、气动夹爪和气缸等相关设备共同组成了该自动插件机器人系统，在保证产品合格率达标、操作人员安全、经济效益高的条件下，将保险片插接速度提升至每分钟20个以上，良好的满足生产工艺的需要。
本次实践主要包括两个部分，第一部分为了解自动插件机器人原理，相关硬件选型，最终绘制电气原理图。
第二部分为利用MATLAB软件进行SCARA机器人基于D-H 法建模仿真，然后进行该机器人的正逆运动学分析并绘制相关位置、速度、加速度还有轨迹规划曲线。
1.2需求分析1.2.1性能指标分析（1）生产线插接速度>=20个/min,且插接速度可调。
（2）具有1-8种颜色的保险片识别功能，并能根据保险片的颜色进行1-6工位保险盒定位插接。
（3）控制系统具有手动和半自动运行模式功能。
（4）控制系统具有启动，停止，暂停等功能。
（5）控制系统具有防触碰安全报警指示及复位功能。
（6）储料区容量满时具有暂停供料功能。
（7）控制系统可以实现脱机运行。
1.2.2功能需求目前，工业上的自动插件技术主要包括一下这几种，分别为人工插件技术，半自动插件技术和全自动插件技术。
自动插件技术的发展主要是由于，传统的人工插件工艺已经无法满足现代工业的发展需求了，而且由于人工插件需要大量人工，随着社会的发展人工成本不断上升，并且人工插件的生产效率低、且生产质量得不到有效保障，这些问题都严重制约了企业的发展。
所以设计出一款能够代替人工进行自动化插装的插件机器人是非常有必要的。
在这次实践过程中，我们设计所采用的日本雅马哈公司生产的SCARA机器人，利用该机器人分别实现硬件设备的选型，电气原理图的绘制，还有基于MATLAB软件实现该机器人的仿真、D-H法以及正逆运动学分析。
毕业设计目次
目录
1 引言 (1)
1.1研究背景及现状 (1)
1.2课题研究的意义 (2)
1.3SCARA机器人本体结构 (2)
2SCARA型机器人臂结构的设计 (4)
2.1 电机的设计计算 (4)
2.2轴的设计 (5)
2.2.1轴的材料选择 (5)
2.2.2估计轴的最小直径 (5)
2.2.3 轴的结构设计 (5)
2.2.4轴的校核 (8)
2.3SCARA型机器人的底座机构关键零件的设计 (9)
2.4 大臂的结构设计 (11)
2.5小臂的结构设计 (12)
2.6SCARA型机器人大臂与小臂连接处关节设计 (13)
2.7电机托设计 (14)
2．8SCARA型机器人手腕的设计 (16)
2.8.1 滚珠丝杠花键轴的选择 (18)
2.8.2 同步带的选择 (21)
3平面关节式教学机器人的总体装配图 (23)
4润滑 (24)
结束语 (25)
致谢 (26)
参考文献 (27)
附录一设备使用说明书 (28)
附录二三维装配图 (29)
附录三外购件明细表 (30)。
scara机器人工作原理
scara机器人工作原理首先，选择性柔性组装意味着Scara机器人在进行组装任务时具有其中一种程度的灵活性和自适应能力。
它可以根据任务的需要进行不同的动作和位置调整，以适应不同的工件形状和尺寸。
与传统的刚性组装机器人相比，Scara机器人能够更好地适应多样化的组装任务。
其次，Scara机器人的运动控制是通过控制四个关节实现的。
这四个关节包括两个旋转关节和两个平移关节，它们分别控制机械臂在水平和垂直方向的移动。
这种运动控制结构使得机械臂能够在二维平面内进行多种动作和运动轨迹，例如直线轨迹、圆弧轨迹和螺旋轨迹等。
具体来说，Scara机器人的工作原理涉及以下几个方面：1. 动力系统：Scara机器人通常由电机驱动，其中每个关节都有一个电机来控制它的运动。
电机可根据用户指令在特定角度范围内旋转，控制机械臂的运动。
2. 控制系统：Scara机器人的控制系统由一个中央控制器和多个传感器组成。
中央控制器负责处理和执行用户输入的指令，控制机械臂的运动。
传感器可用于获取环境信息和机械臂状态，以实现精确的定位和运动控制。
3. 运动规划：在执行组装任务之前，Scara机器人需进行运动规划，即确定机械臂的运动轨迹和动作顺序。
根据用户输入的组装要求和环境条件，机器人会通过算法计算出最佳的运动轨迹，以实现高效的组装任务。
4.动作执行：一旦运动规划完成，机器人就会根据计算出的运动轨迹执行动作。
它会根据指令将各个关节移动到相应的位置和角度，以完成特定的组装任务。
需要注意的是，Scara机器人通常用于装配和组装任务，例如在电子元件装配、制造业、医疗设备等领域。
机器人的机械结构和运动控制设计使其能够在狭小的工作空间内进行高精度的组装操作。
此外，Scara机器人还可以与其他自动化设备和系统集成，以实现更高级别的自动化生产。
例如，它可以与视觉系统和传输带等设备配合使用，实现自动检测、定位和传送工件，提高生产效率和质量。
总结起来，Scara机器人的工作原理基于选择性柔性组装和运动控制的基本原则，通过动力系统、控制系统、运动规划和动作执行等步骤，实现高精度、高效率的装配和组装任务。
scara工业机器人课程设计
scara工业机器人课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能够理解SCARA工业机器人的基本结构、原理及功能。
2. 学生能够掌握SCARA工业机器人的运动学及动力学相关知识。
3. 学生能够了解SCARA工业机器人在工业生产中的应用及发展趋势。
技能目标：1. 学生能够运用CAD软件绘制SCARA工业机器人的三维模型。
2. 学生能够编写简单的程序，实现对SCARA工业机器人的控制。
3. 学生能够运用相关工具和仪器对SCARA工业机器人进行调试和维护。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对工业机器人技术的兴趣，激发学生的创新精神和探索欲望。
2. 增强学生的团队合作意识，培养学生在团队中沟通、协作的能力。
3. 提高学生对我国工业机器人产业的认知，培养学生的国家荣誉感和使命感。
课程性质：本课程为实践性较强的学科课程，结合理论教学和实际操作，培养学生的动手能力和实际应用能力。
学生特点：高二年级学生对工业机器人有一定的基础知识，具备一定的自主学习能力和动手操作能力。
教学要求：教师需注重理论与实践相结合，充分调动学生的主观能动性，提高学生的实际操作技能和创新能力。
通过课程学习，使学生达到预定的学习成果，为我国工业机器人产业发展储备优秀人才。
二、教学内容1. SCARA工业机器人的基本结构及原理- 机器人概述、分类及发展历程- SCARA工业机器人的结构组成、工作原理2. SCARA工业机器人的运动学及动力学- 运动学分析：正运动学、逆运动学- 动力学分析：静力学、动力学建模3. SCARA工业机器人的编程与控制- 编程基础：编程语言、编程方法- 控制系统：硬件组成、软件实现4. SCARA工业机器人的应用及发展趋势- 工业应用场景：搬运、装配、焊接等- 发展趋势：智能化、网络化、协同化5. 实践操作- CAD软件绘制SCARA工业机器人三维模型- 编写程序，实现SCARA工业机器人的基本控制- 调试与维护：故障排查、性能优化教学内容安排和进度：第一周：介绍工业机器人概述、分类及发展历程，学习SCARA工业机器人的基本结构及原理第二周：学习SCARA工业机器人的运动学及动力学知识第三周：学习SCARA工业机器人的编程与控制方法第四周：了解SCARA工业机器人的应用及发展趋势，进行实践操作教材章节关联：《工业机器人技术》第三章：工业机器人运动学及动力学第四章：工业机器人编程与控制第五章：工业机器人应用及发展趋势三、教学方法本课程将采用以下多样化的教学方法，以激发学生的学习兴趣和主动性：1. 讲授法：- 用于讲解SCARA工业机器人的基本概念、原理、运动学及动力学知识。
基于SCARA机器人的运动学分析及关节解耦
键 ，其结构如 图 ３所 示 ；但是 基于该 结构 的特殊性 ， 两关节 的运动 不能 单独 完成 （ 丝杠 螺母 旋 转 ，则丝 杠既旋转又垂直移 动 ） ，而是相 互耦合 ；需要 丝杠螺 母端 同步轮和花键螺母端 同步轮配合动作 。在工程应
用 和控制 中 ，直接控制 的是 电机 的转速和转角 ，因此
图 １ Ｓ Ａ Ａ机器人结构图 ＣＲ
件的联合运 动被滚珠丝杠花键一个构件所取代 ，提高
了机器人 的结构 特性 ，但 同时也 引入 ３ ４关节 的运 、 动耦合 问题 。作者基 于 Ｓ Ａ Ａ机器人 的运动耦 合特 ＣＲ 性 ，进行 了解耦 分 析和求 解 ，并 验证 了结论 的正确
性。
・２ ９・
１ 运动 学分 析 １１ 坐标 系的建 立 ．
回转 变 换 张 量 法 基 于牧 野 坐 标 系 分 析
各连 杆 之 间 的变 化 关 系 ，并 求 解 末 端 的位 姿 。牧 野 坐 标 系 是 在
Ｅ ｌｎ・０ ０ ｃ（＋ ＋）０ （＋ ＋ ） 。 ・ ２０ １ Ｌ ０ ２ ３ ｓ ００ ３ ｊ ｉ Ｉ
基于 Ｓ Ａ Ａ机器人的运动学分析及关节解耦 ＣＲ
胡 杰 ，张铁
（ 南理 工大 学机 械 与汽 车工程 学 院 ，广 东广 州 ５０４ ） 华 １６０
摘要 ：应用牧野坐标系建立 Ｓ Ａ Ａ机器人 运动学模 型 ， ＣＲ 采用 回转变 换张量 法计算 运动学 正 、逆解 。针对机 械臂末 端
关节滚珠丝杠滚珠花键运动耦合 ，完成运动学解耦 。采用 Ａ Ａ Ｓ建立虚拟 模型 ，进行运 动仿 真 ，验证 了运 动学解耦 的正 ＤＭ 确性 ，为 Ｓ Ａ Ａ机器人的运动控制提供理论依据。 ＣＲ 关键词 ：Ｓ Ａ Ａ机器人 ；滚珠丝杠滚珠花键 ；回转变换张量法 ；Ａ Ａ ＣＲ Ｄ ＭＳ软件 中图分 类号 ：Ｔ ２２ ２ Ｐ ４ ． 文献标识码 ：Ａ 文章编 号 ：１０ ３ ８ ２ １ ）２ ０ ８－ ０ １— ８ １（０ １ １— ２ ４
SCARA机器人驱动方式及参数初定
SCARA机器人的驱动方式可分为ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ压，气动和电动三种基本类型。
1、液压驱动
液压传动机械手有很大的抓取能力，抓取力可高达上百公斤，液压力可达7MPa，液压传动平稳，动作灵敏，但对密封性的要求高，不宜在高或低温现场工作，需配备一套液压系统。液压驱动有以下特点：
（1）输出功率大；
（1）输出功率大；
（2）气体压缩性能大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速高精度的连续轨迹控制；
（3）结构适当，执行机构可标准化，模拟化，易实现直接驱动；
（4）适用于中小负载驱动，精度要求较低的有限点位程序控制机器人。
3、电力驱动
电力驱动是目前在工业机器手中用的最多的一种。早期多采用步进电机驱动，后来发展了直流伺服电机，现在交流伺服电机驱动也开始广泛使用。上述驱动单元有的直接驱动机构运动，有的通过谐波减速 器装置来减速，结构简单紧凑。
4、SCARA机器人驱动方式的确定
对于SCARA机器人的驱动装置的一般的要求：
(1)驱动装置的质量要尽可能的轻，但是单位质量的输出功率（功率/质量m的比）要高，效率也要高；
(2)反应的速度需要快些，也就是力/质量和力矩/转动惯量比直要大些；
(3)动作要平滑，不产生冲击；
(4)控制应要尽可能的灵活，位移和速度的偏差要小些；
电动驱动的控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、 高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂。适用于中小负载、要求具 有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机械手，如AC伺服喷涂机 械手、点焊机械手、弧焊机械手、装配机械手等。
电力驱动可分为普通交流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动 机驱动。各种电机驱动的特点：
SCARA机器人运动控制系统设计
SCARA机器人运动控制系统设计嘿，咱们来聊聊 SCARA 机器人的运动控制系统设计！这可真是个超级有趣又充满挑战的事儿。
我记得有一次，在一个工厂的生产线上，看到了正在忙碌工作的SCARA 机器人。
它那灵活的手臂，精准的动作，让我瞬间就被吸引住了。
就在那时候，我心里想着，如果能深入了解它背后的运动控制系统设计，那该多酷啊！SCARA 机器人的运动控制系统，就像是它的大脑和神经中枢，指挥着它的一举一动。
咱们先来说说硬件部分。
这可少不了高性能的控制器，就像一个聪明的指挥官，得有强大的运算能力和快速的响应速度，才能应对各种复杂的指令。
传感器也是关键，好比机器人的眼睛和耳朵，能实时感知周围的环境和自身的状态。
电机呢，那就是机器人的肌肉，提供强大的动力。
再说说软件方面。
编程可是重中之重，就像给机器人制定规则和策略。
得用清晰、简洁的代码，告诉机器人啥时候动、怎么动、动多快。
算法也不能少，比如路径规划算法，要让机器人能以最优的路径完成任务，不浪费一丝一毫的能量和时间。
在设计这个运动控制系统的时候，还得考虑各种实际情况。
比如说，不同的工作场景对精度的要求可不一样。
要是在电子厂组装微小的零件，那精度要求就超高，一点儿误差都不能有。
要是搬运一些大件物品，可能对精度的要求就没那么苛刻，但对速度和力量的要求就会提高。
还有啊，稳定性也特别重要。
总不能让机器人工作着工作着突然出故障吧，那可就麻烦大了。
所以在设计的时候，得进行大量的测试和优化，确保系统在各种情况下都能稳定运行。
另外，人机交互界面也不能忽视。
得让操作人员能方便、直观地控制机器人，就像玩手机一样简单易懂。
要是界面复杂难懂，操作起来麻烦，那可就大大降低了工作效率。
总的来说，SCARA 机器人运动控制系统的设计是一个综合性的大工程。
需要我们综合考虑硬件、软件、实际应用场景等多个方面，每一个细节都不能马虎。
就像盖房子一样，每一块砖都要砌好，才能建成坚固又漂亮的大厦。
就像我当初在工厂看到的那个 SCARA 机器人，它之所以能高效、精准地工作，背后离不开精心设计的运动控制系统。
SCARA机器人简介演示
SCARA机器人可以轻松地更换工具和夹具，适应 不同的生产任务。
结构简单、维护方便
SCARA机器人的结构相对简单，运动部件少，维 护成本低，减少了故障率。
应用广泛
SCARA机器人被广泛应用于电子、汽车、塑料等 行业。
SCARA机器人的局限
承载能力有限
SCARA机器人的承载能力相对有限，对于重型物品的搬运或装配 可能会受到限制。
装配和检测
SCARA机器人可以用于装配汽车零部件，并对组装好的车辆进 行检测，以确保质量。
喷漆
SCARA机器人可用于汽车喷漆任务，提高喷涂质量和效率。
在塑料行业的应用
注塑成型
SCARA机器人可用于控制注塑机的操作，提高生产效率。
装配和检测
SCARA机器人可以用于装配塑料制品，并对组装好的人的工作环境中需要避免灰尘、水雾等杂质，否则会 影响其正常工作。
成本较高
虽然SCARA机器人的维护成本相对较低，但其购买成本较高，对 于一些小型企业来说可能难以承受。
未来发展趋势
1 2 3
更高的精度和速度
随着技术的不断进步，未来SCARA机器人将具 有更高的精度和速度，能够更好地适应不断变化 的市场需求。
01
02
03
电子设备制造
SCARA机器人广泛应用于 各类电子设备的制造过程 中，如手机、电脑、电视 等。
汽车零部件装配
SCARA机器人可用于汽车 零部件的装配，提高生产 效率和质量。
其他领域
除上述领域外，SCARA机 器人还可应用于医疗设备 制造、食品包装、航空航 天等领域。
02
SCARA机器人的结构与 特点
矩和较好的控制性能。
丝杠传动
驱动系统采用丝杠传动，具有较高 的传动效率和精度，同时能够承受 较大的负载。
多关节SCARA四轴机器人底座设计
课程名称：机械综合应用设计设计题目：多关节SCARA四轴机器人底座部分设计院系：专业班级：学号：姓名：指导教师：年月日课程设计任务书专业姓名学号开题日期：年月日完成日期：年月日题目多关节SCARA四轴机器人底座部分设计一、设计的目的通过本次设计了解并熟悉设计原理、设计步骤；熟悉并掌握多关节SCARA四轴机器人底座部分驱动部分、传动部分的元器件；熟悉并掌握多关节SCARA四轴机器人底座部分的结构设计和建模并进行校核。
二、设计的容及要求设计多关节SCARA四轴机器人的驱动方案和传动方案；通过计算选出相应的驱动电机和传动装置；实现多关节SCARA四轴机器人底座部分的结构设计，给定具体尺寸并实现建模，最后给出整体装配和底座部分工程图；选择关键零件部位进行强度校核并说明尺寸参数。
三、指导教师评语四、成绩指导教师(签章)年月日摘要平面关节型机器人，即SCARA（Selectively Compliance Assembly Robot Arm，选择性装配关节机器臂）型，是一种由四个自由度（三个旋转自由度，一个移动自由度）组成的平面关节型机器人。
它的前两个关节可以在水平面上左右自由旋转。
第三个关节由一个金属杆和夹持器组成，该金属杆可以在垂直平面向上和向下移动或围绕其垂直轴旋转，但不能倾斜。
这种独特的设计使四轴机器人具有很强的刚性，可控制机器人实现高速点位运动，空间直线插补运动，空间圆弧插补等功能，从而使它们能够胜任高速和高重复性的工作。
它的主要作用是可以完成精密仪器和物体的搬运和移动。
由于体积小，传动原理简单，SCARA机器人被广泛运用于电子电气业、家用电器业、精密机械业等领域。
本论文着重研究SCARA机器人底座部分的设计、关节1的设计，即底座部分的结构设计、大臂和底座的连接设计。
设计过程中，先确定设计方案，对驱动电机和传动装置进行计算并选择。
然后对大臂与底座的连接部分进行选择和强度校核。
其次，利用SOLIDWORKS对底座部分进行建模，包括臂驱动电机和减速器的建模、大臂和底座连接方式的建模和底座部分的外壳建模。