SCARA机器人机械结构优化设计及误差分析 上

对于SCARA机器人而言，其机械结构不仅影响本身的性能、寿命以及使用，也影响精度要求能否达到指标。本章主要针对SCARA机器人的机械结构进行探讨并提出总体及其各个部分的设计方案，提出具体优化方法，并初步进行误差分析，找出误差源，减小误差，从而提高机器人的精度与刚度。

如图2.1所示是本次设计的SCARA机器人整体效果图。从整体外观图中可以大致看出，其具有四个自由度，分别是三个旋转自由度，以及一个滑动自由度。其中，SCARA机器人的三个旋转关节之间是相互平行的，这三个关节相互配合，可以对所要抓取的物体实现初步定位确定。而剩下的一个滑动自由度，则是用来实现SACRA机器人末端执行部件垂直方向上的运动，从而实现对所抓取物体的精确定位。SCARA机器人的四个自由度相互配合，相互作用，最终实现工业生产生活及其他方面应用的目的。本文在传统SCARA机器人机械设计的基础上，进行了一定的优化设计，使得机器人的整体性能有了一定的改进和提升。

本文对SCARA机器人的设计先制定了一些总体设计原则，分别如下:

首先是针对SCARA机器人在工作运转过程中的摩擦问题。因为SCARA机器人主要以机械结构为主，其工作时各零部件的运转也是通过机械传动来实现，而机械传动，必然会产生相应的摩擦，如果不能很好地解决摩擦问题，则可能会对SCARA机器人的工作运转产生较大的影响，从而影响到整体性能和精度的实现。机械传动时产生的摩擦会导致机器人的零部件大量发热，从而带来了一定的热变形误差;由于温度的上升，导致步进电机需要输出更大的驱动力去驱动SCARA机器人的运转，电机的运作负担会相应增大，这也将会导致电机本身散发出更多的热量，从而造成一种恶性循环。因此，在设计时必须重视摩擦问题的解决。因为摩擦力是不可能完全消除的，所以本文所秉持的原则是尽量将摩擦力控制到最小。本设计中，在选取SCARA机器人零部件时，优先使用低摩擦阻力的标准件，对机器人的支撑件，也进行相应的精加工处理，降低表面粗糙度，从而改善工作环境，相应地减小摩擦力。

其次是SCARA机器人的整体质量问题。因为SCARA机器人是一个以机械结构为主的物体，若机械结构所使用的金属材料密度比较大，将使得SCARA机器人的整体质量过大，这便会造成机器人本身的结构过于笨重，运作不灵活，而且也会使得机器人拥有较大的运动惯量，从而对机器人在实际工业生产应用中造成一定影响。在本设计中，在保证SCARA机器人自身功能和精度实现的前提下，尽量减少其总体质量，这既可以使机器人本身不笨重，也可以减少本身的运动惯量，减小电机的负担，从而减小电机的发热量。如通过选取质轻的金属材料，以及紧凑机器人的整体结构或者部分结构来实现这一目标。

最后，对于SCARA机器人运转过程中遇到的振动问题，也需要谨慎对待。由于电机的转动，或者是外界其他因素的影响而造成各种各样的振动，从而影响SCARA机器人的工作运转，带来一定的误差，进而影响其工作精度。因此，在设计SCARA机器人时，应当尽量采取一些减小或消除振动的措施。如通过增加阻尼、提高固有振动频率等方法来增加机器人系统的抗振性。

遵循以上几个设计原则和机械原理，对SCARA机器人进行相应的设计。首先，需要规定SCARA机器人第一关节(机器人的大臂)和第二关节(机器人的小臂)的转动范围。如果SCARA机器人第一关节和第二关节均具有3600的全角度旋转范围，则机器人在实际工作运转时可能会发生部分零部件碰撞甚至造成损坏的情况，增加了维修成本。从前文的论述中可以知道SCARA机器人第一关节和第二关节的转动范围，也就圈定了其能够抓取物体的范围。无论从工作安全角度，还是从工作要求角度，我们都需要对SCARA机器人第一关节和第二关节的转动范围做出相应的规定。在本设计中，我们设定SCARA机器人第一关节的转动范围1500，其第二关节的转动范围是1200，这样即可以从理论上避免机器人在工作运转过程中出现零部件相碰撞、过旋转的情况，也大致圈定了机器人在实际工业生产应用时的工作范围。在规定好SCARA第一关节和第二关节的旋转范围后，还需要对其第三关节和第四关节即末端执行部件的行程做出相应的规定。因为这一参数也会对机器人抓手的抓取范围带来一定的影响，当SCARA机器人第一关节和第二关节通过旋转运动，大致确定了被抓取物体的位置后，第三关节和第四关节再通过上下运动以及一定的旋转运动，对被抓取物体实现最后的精确定位抓取。此外，还规定了SCARA机器人第三关节和第四关节的行程上限为120mm，定位精度为0.41 mm所能够抓取的物体质量上限为1kg。如果超出这些范围，SCARA机器人可能会因为动力不足而无法实现抓取运动，也可能会造成各零部件的应力集中，对其使用寿命造成一定的影响。