多关节SCARA四轴机器人底座设计

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《机械综合应用设计》课程设计说明书

1.3 设计任务

如图表1.1是本次设计的设计要求及设计参考参数。

表1.1 SCARA四轴机器人设计参考参数 规格 X轴 臂长/回转范围 Y轴 臂长/回转范围 轴规格 Z轴 有效行程 R轴 回转范围 X、Y轴合成 速度 Z速度 R速度 X Y 电机规格 Z R X Y 重复定位精度 Z R 最大负载 本体重量 ±0.02mm ±0.02° 5KG 26KG 200w(带刹车) 100w ±0.08mm ±0.08mm 300mm ±360o 3.3m/s 1m/s 360°/s 400w 200w 参数 350mm、±115o 350mm、±115o 本次设计要求完成底座部分的设计，具体任务包括：（1）收集相关资料，确定设计思路；（2）通过分析SCARA机器人的结构，确定设计方案；（3）对底座部分进行结构设计；（4）对大臂与底座连接部分等进行强度计算；（5）采用有限元分析软件对主要受力构件进行强度校核；（6）绘制底座部分工程图；（7）完成设计说明书的书写。

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1.4 设计思路

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。最后，利用软件进行结构材料的选择和强度校核。同时，结构设计也要考虑与大臂设计部分相配合，其中包括尺寸、接口参数和形状。

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第2章 底座的设计方案

2.1 底座部分的设计方法

本次设计的底座装置是指底座部分的结构设计，也包括底座与大臂部分的连接问题。因此本次设计主要负责第一关节即表1.1中X轴的设计。驱动第一关节转动需要驱动电机。大臂末端速度为

v??r?2?nr （2-1）

由公式（2-1）得，大臂旋转转速为

n?60v60*3.3?r/min?90r/min （2-2） 2?r2*?*0.35而实际电机转速nN??90r/min，因此需要减速装置。

在选定驱动电机和减速器以后按照考虑到它们的尺寸再预留一定电缆的空间以实现控制器安置的原则确定底座外壳内径尺寸。然后根据要求确定外径尺寸。

考虑到该机器人本要应用于工厂装配、物料搬运，一般安装在工作台上，确定底座部分与工作台的连接，设计连接部分，实现机器人的固定。确定底座材料和加工工艺。

减速器顶部设有连接部分，选择相应连接方式实现强度校核。

2.2 设计方案的选择

2.2.1 总体传动方案的比较

总体传动方案初步选择两种传动方案。

方案一：第一二旋转自由度均选择减速电机传动，精度高，传动比高，效率高，噪音小，振动小，传动部分的零件都是标准件，易购买，安装方便。第三移动和第四旋转自由度选择同步带传动，传动精度高，结构紧凑，传动比恒定，传动功率大，效率高，但安装要求高，负载能力有限。

方案二：第一旋转自由度选择齿轮减速传动，第二旋转自由度采用二级同步齿形带传动，但安装都要求较高，结构也较复杂。第三移动自由度选择步进减速电机直接

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驱动丝杠螺母传动，变旋转运动为直线运动，但相对同步齿形带重量较大，需要电机输出转矩较大，加工要求高。第四自由度设计同方案一。

两种方案理论上均可实现，但方案一结构简单，部件少且较多标准件，较易实现。方案二结构复杂，较多使用齿轮，需专门设备加工，且定位部件形状多不规则，加工和安装均比较复杂。综合考虑，本机器人总体设计初选方案一，如图2-1。

图2-1 总体设计示意图

第一自由度和第二自由度回转范围都为±115°，可设置限位开关实现机器人控制轴的相对位置定位，并确保关节轴不超过其行程范围，保证了机器人本体和操作者的安全。

2.2.2 驱动电机类型的比较

在机器人驱动电机的选用方面，目前机器人电机主要如表2.1四种：

表2.1 机器人电机的对比

电机名称 性能特点 应用场合 可直接实现数字控制，结构简单，控制性能在控制领域应用较为广好，成本低廉；通常不需要反馈就能对位置步进电机 泛，适于传动功率不大的和速度进行控制，可以以实现自锁功能，转关节或小型机器人。 矩恒定；位置误差不会积累；定位性能好。 调速特性好，启动力矩大，相对功率大，快各类数字控制系统中的对直流伺服电机 速响应。但结构复杂，成本较高，需要外围驱动装置的转速有较高的转换电路与微机配合实现数字控制，同时电控制要求和精度的装备。