水平关节型工业机器人的设计与分析(附件)【字数：8489】
摘 要随着全球化和市场竞争的加剧以及“中国制造2025计划”的提出，工业自动化已经成为我国从发展制造业的不二选择，其中机器人作为自动化过程中的重要环节，已经在日常生活的各个领域都普遍使用，本文就水平多关节机器人SCARA机器人的结构设计、运动性能等进行了研究。本文搜集并了解有关SCARA机器人设计的文献资料， 利用之前已学过的基础机械设计相关知识先定下本次机器人的基本方案的大致对象和内容，再计算校核从而选出合适相互配合的零部件并简单设计其之间的配合结构，大致打好整体设计的框架。
目 录
一、引 言 1
二、国内外现状及分析 2
（一）SCARA机器人国外现状 2
（二）SCARA机器人国内现状 2
三、参数与结构设计 3
（一）总体方案 3
（二）传动系统的选型 4
（三）零部件装配结构设计 9
四、水平关节型机器人的动力学分析 13
（一） ADAMS软件模块简介 13
（二）SCARA机器人模型建立及模拟仿真 13
总结 19
致谢 20
参考文献 21
一、引 言
常见的水平多关节机器人(SCARA)是固定连接在了在一个底座上（图11），一般采用4轴的4个自由度，及在3个方向上的限定范围的转动和1个数值方向上的移动。从现实运动的角度看，SCARA 模仿了人类手臂的运动，该机器人最大的工作空间相当于圆柱体的一部分。
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图11 SCARA一般结构示意图
在工作中，SCARA 的特点是高速高精。除了基础的物料搬运和产品组装的功能外，如果在末端或者机器上配合其他的仪器或系统还可以完成更广泛领域的操作。
SCARA 的负载会带来附加的径向载荷，所以整体结构设计时要考虑到这些情况从而使加载范围内负载时机器本身不管承重还是其他方面一定能正常工作。SCARA的动量极限不能高至使电机运转减慢和手臂停止运动。
因为其负载小、速度快的优点，使得更为适应日渐繁琐的任务目标，同时也节约了资源，提高了工作范围利用率。在日常生活中机器常用于要求快速分拣、或者是需要高的装配精密度的场合。 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
SCARA 的1、2轴常见采用伺服电机或者步进电机加减速机的传动结构。在市场的调控下， SCARA 的第1、2轴大多都使用伺服电机加谐波减速机。3、4轴设计因为电机布置位置、减速装置采用等诸多不同而各有特点。像在3轴与4轴的驱动布置方面，可以采用2根轴的分开布置，所以在结构设计上也会采用2个电机来控制不同的方向运动。也可以让2根轴的驱动耦合的连接在一起，只使用1根轴。但由于是2个方向的运动控制所以仍然需要加载2个分别的电机。
二、国内外现状及分析
（一）SCARA机器人国外现状
早在上世纪70年代由牧野洋研制出 SCARA 后，就在装配作业中发挥作用。在常见的4 自由度机器人中，在限制范围内的4 个关节运动都是在有限刚度内，而其他2 向则是理论上的极大刚度。SCARA机器人运动速度可大较快、在精度方面也可达较高水平，对于给定的命令能够比较高质量的完成，使得能够顺利完成哪怕极其复杂的装配任务，同时成本也大程度下降，提高了工作范围利用率。
自首款SCARA出现迄今已接近半个世纪，但凭借自身的优势特色，SCARA机器人仍是生产领域的一员大将。
在遍布市场的水平关节型工业机器人SCARA仍旧在不断有更多的进步改良，像在结构设计上，EPSON的几款机器人都不再将驱动装置仿在机械手臂上，从而使精密度进一步提高段，且在使用性能和后期保质方面也表现出明显的进步。在负载上，SCARA 机器人也明显有所突破， EPSON 的 E2H853 型可以承受接近 20kg 的质量，同时却能保持住仍然较小的惯量。在轻便性方面，也不乏进步，2013年初，EPSON 发布的 H8 在 8mm 臂长的SCARA机器人中，不管在空间体积还是总的质量都算得上是最轻量级的机型的一种。还有像 Yamaha 公司的 SCARA机器人由于高精密度的定位和毫米级度量使得在精细应用方面也进步及其亮眼。
是以，不断更新的SCARA机器人不仅多了计算机以实现更为人性化的计算操控，整体造型设计也更加美观实用，并且丰富发展了各类性能以能满足不断变化和升级的市场需求。
而展望未来市场，传统机器人一般采用减速装置以实现减速且增大输出力矩的目标，然而传动链越长，功耗、惯量、误差等都会随之增大，并降低系统可靠性。所以发展方向可能是会更多的采用高扭矩低速电机直接驱动的方式。也可能随着智能领域的不断火热，逐步加深对于智能化的更高要求，因此要与智能领域的科学发现与进步成果高度联动，求得双赢局面。而基于装配机器人的不断上升的普及率，对机器人自身或与人之间共同合作的要求也可能不断提高。
（二）SCARA机器人国内现状
国内工业机器人由于是上世纪末才进入轨道，所以与先进国家的技术差距是明显的。
20世纪末，我国才研制出了首台 SCARA 装配机器人。而后不久精密 SCARA才面世，利用了直接驱动以减少各零部件产生的各类误差等，高速高精，且在配备其他多种类型的传感器、多功能系统后能实现更多功能领域的操作。
众为兴是国产 SCARA 的领先品牌企业，于 2009 年成功研发出四轴 SCARA 机器人，目前已经推出多款先进的 SCARA 机器人，配合公司研发的驱控一体控制器，运行速度高、精度高、机构灵巧。李群自动化公司是国内轻量型的 SCARA 机器人研发的世界级企业，其公司的 SCARA 机器人优势可靠：高集成度、低振动、高定位精度、稳定可靠、空间利用率高等。
我国在世界范围内仍旧处于发展的高速阶段，所以对于更高性能的 SCARA的需求仍在不断上升，因此还需要在此领域不断投入资金、关注与采取多种有效政策手段等，而汇集高校、研究所和企业等多方面的有利条件，以更加适应市场的方向，大力不断推进协同创新的前行，不啻是一条捷径。
目 录
一、引 言 1
二、国内外现状及分析 2
（一）SCARA机器人国外现状 2
（二）SCARA机器人国内现状 2
三、参数与结构设计 3
（一）总体方案 3
（二）传动系统的选型 4
（三）零部件装配结构设计 9
四、水平关节型机器人的动力学分析 13
（一） ADAMS软件模块简介 13
（二）SCARA机器人模型建立及模拟仿真 13
总结 19
致谢 20
参考文献 21
一、引 言
常见的水平多关节机器人(SCARA)是固定连接在了在一个底座上（图11），一般采用4轴的4个自由度，及在3个方向上的限定范围的转动和1个数值方向上的移动。从现实运动的角度看，SCARA 模仿了人类手臂的运动，该机器人最大的工作空间相当于圆柱体的一部分。
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图11 SCARA一般结构示意图
在工作中，SCARA 的特点是高速高精。除了基础的物料搬运和产品组装的功能外，如果在末端或者机器上配合其他的仪器或系统还可以完成更广泛领域的操作。
SCARA 的负载会带来附加的径向载荷，所以整体结构设计时要考虑到这些情况从而使加载范围内负载时机器本身不管承重还是其他方面一定能正常工作。SCARA的动量极限不能高至使电机运转减慢和手臂停止运动。
因为其负载小、速度快的优点，使得更为适应日渐繁琐的任务目标，同时也节约了资源，提高了工作范围利用率。在日常生活中机器常用于要求快速分拣、或者是需要高的装配精密度的场合。 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
SCARA 的1、2轴常见采用伺服电机或者步进电机加减速机的传动结构。在市场的调控下， SCARA 的第1、2轴大多都使用伺服电机加谐波减速机。3、4轴设计因为电机布置位置、减速装置采用等诸多不同而各有特点。像在3轴与4轴的驱动布置方面，可以采用2根轴的分开布置，所以在结构设计上也会采用2个电机来控制不同的方向运动。也可以让2根轴的驱动耦合的连接在一起，只使用1根轴。但由于是2个方向的运动控制所以仍然需要加载2个分别的电机。
二、国内外现状及分析
（一）SCARA机器人国外现状
早在上世纪70年代由牧野洋研制出 SCARA 后，就在装配作业中发挥作用。在常见的4 自由度机器人中，在限制范围内的4 个关节运动都是在有限刚度内，而其他2 向则是理论上的极大刚度。SCARA机器人运动速度可大较快、在精度方面也可达较高水平，对于给定的命令能够比较高质量的完成，使得能够顺利完成哪怕极其复杂的装配任务，同时成本也大程度下降，提高了工作范围利用率。
自首款SCARA出现迄今已接近半个世纪，但凭借自身的优势特色，SCARA机器人仍是生产领域的一员大将。
在遍布市场的水平关节型工业机器人SCARA仍旧在不断有更多的进步改良，像在结构设计上，EPSON的几款机器人都不再将驱动装置仿在机械手臂上，从而使精密度进一步提高段，且在使用性能和后期保质方面也表现出明显的进步。在负载上，SCARA 机器人也明显有所突破， EPSON 的 E2H853 型可以承受接近 20kg 的质量，同时却能保持住仍然较小的惯量。在轻便性方面，也不乏进步，2013年初，EPSON 发布的 H8 在 8mm 臂长的SCARA机器人中，不管在空间体积还是总的质量都算得上是最轻量级的机型的一种。还有像 Yamaha 公司的 SCARA机器人由于高精密度的定位和毫米级度量使得在精细应用方面也进步及其亮眼。
是以，不断更新的SCARA机器人不仅多了计算机以实现更为人性化的计算操控，整体造型设计也更加美观实用，并且丰富发展了各类性能以能满足不断变化和升级的市场需求。
而展望未来市场，传统机器人一般采用减速装置以实现减速且增大输出力矩的目标，然而传动链越长，功耗、惯量、误差等都会随之增大，并降低系统可靠性。所以发展方向可能是会更多的采用高扭矩低速电机直接驱动的方式。也可能随着智能领域的不断火热，逐步加深对于智能化的更高要求，因此要与智能领域的科学发现与进步成果高度联动，求得双赢局面。而基于装配机器人的不断上升的普及率，对机器人自身或与人之间共同合作的要求也可能不断提高。
（二）SCARA机器人国内现状
国内工业机器人由于是上世纪末才进入轨道，所以与先进国家的技术差距是明显的。
20世纪末，我国才研制出了首台 SCARA 装配机器人。而后不久精密 SCARA才面世，利用了直接驱动以减少各零部件产生的各类误差等，高速高精，且在配备其他多种类型的传感器、多功能系统后能实现更多功能领域的操作。
众为兴是国产 SCARA 的领先品牌企业，于 2009 年成功研发出四轴 SCARA 机器人，目前已经推出多款先进的 SCARA 机器人，配合公司研发的驱控一体控制器，运行速度高、精度高、机构灵巧。李群自动化公司是国内轻量型的 SCARA 机器人研发的世界级企业，其公司的 SCARA 机器人优势可靠：高集成度、低振动、高定位精度、稳定可靠、空间利用率高等。
我国在世界范围内仍旧处于发展的高速阶段，所以对于更高性能的 SCARA的需求仍在不断上升，因此还需要在此领域不断投入资金、关注与采取多种有效政策手段等，而汇集高校、研究所和企业等多方面的有利条件，以更加适应市场的方向，大力不断推进协同创新的前行，不啻是一条捷径。
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