SCARA机器人机械结构优化设计及误差分析 下

SCARA机器人末端的执行部件需要实现的运动有两种:第一种是实现竖直方向上的直线运动，第二种是实现主轴的旋转运动。对于整个SCARA机器人而言，该部分的机械结构是其中最为灵活的部分，在设计时因使该部分拥有较为紧凑的结构，质量尽量轻巧，以增强工作能力和灵活性。

在本设计中，可将SCARA机器人第三关节和第四关节的竖直运动和旋转运动分开实现:使用梯型同步带和滚珠丝杠来实现竖直方向上的运动，对于旋转运动，则采用步进电机直接输出转矩到主轴来实现。此结构简单，并且会使第三关节和第四关节的维修方便、操作简单。

如图2.4所示是SCAR.A机器人第三关节和第四关节的结构装配图，同步带轮1将步进电机的转矩传送到滚珠丝杠3上，立架2, 6则固定在小臂7上面，对于滚珠丝杠3，则采用了固定一支撑的支撑方式，对于滚珠丝杠的两端，采用一对深沟球轴承8来实现其支撑功能。因为深沟球轴承可以承受较大的径向载荷和少量的轴向的载荷，在本设计中滚珠丝杠主要承受的是径向载荷，故采用深沟球轴承可以满足设计要求。丝杆螺母4通过连接件9和支架13与主轴14相联接，从而实现主轴14在垂直方向上的运动。步进电机12通过紧固螺钉与主轴14相联接，并且直接输出转矩到主轴14，从而实现主轴14的旋转运动。总体而言，机器人第三、四关节整体结构较为紧凑，可以灵活地实现对物体的定位和抓取，极大地增强了SCARA机器人在实际的工业生产生活中的应用以及适应的能力。

抓手机械结构设计

SCARA机器人的抓手是机器人与被抓取物体唯一能够直接接触的部分。抓手设计好坏，将直接影响到机器人是否可以成功抓取物体，以及机器人的工作效率。如图2.5所示是机器人抓手部分的结构装配图。抓手部分的机械结构、抓手的质量以及抓手所能承受的负荷能力，将直接影响机器人的臂部结构和性能，故抓手部分的机械结构设计与第三关节和第四关节类似，采用相对紧凑的结构和相对轻的整体质量。抓手具有一个自由度，主要是通过手抓的横向移动来实现张开和闭合，从而实现对不同方位、不同大小物体的抓取。

在本设计中，我们选取了V型手抓，其特点是夹持平稳可靠，可以实现自动定心，且夹持误差较小。此外，采用步进电机通过两个螺杆的差动传动来实现手抓的横向移动。电机4通过螺杆2来带动夹爪座3沿着导向杆1做横向运动，手抓5则固定在夹爪座3上，从而可以实现手抓5的开闭。

材料的选择

SCARA机器人各个零部件大致可以分为标准件和非标准件。对于标准件，其型号需要在设计过程中通过计算去选型，并不需要加工和制作，直接购买即可。对于非标准件或者其他零部件，不仅需要进行计算和设计，而且需要加工制造，故需对这些非标准件的材质进行一定的选择。在选材方面，本设计采用的是铝合金和铸铁等材料。铝合金具有质轻、机械性能较高、成本低、散热性好、易加工等特点，是非常理想的机器人加工材料。根据上述特点，选择铝合金作为加工材料，可减轻第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、抓手以及其他部件的质量和惯量，实现精准的定位和运动，达到工业实际生产应用的目标要求。本设计还可以通过降低加工制造成本，使整个SCARA机器人具有较高的性价比。此外，本设计考虑将第一关节和第二关节做成空心结构，并加薄盖实现密封，这也将在一定程度上减轻机械结构的整体质量。

而对于底座的加工，则采用铸铁材料。不难发现如图2.1所示的SCARA机器人“头重脚轻”，很多零部件都集中在了前端部分，而后端只有一个底座，这两个部分是以机器人的第一关节为桥梁联接在一起。在这种情况下，如果对底座继续采用铝合金作为加工材料，在材料相同、密度相同的前提下，后端部分的质量会比前端部分的质量小很多，这将导致机器人的重心处于整个结构的前段部分，在工作运转过程中，将可能会发生翻转等一些安全问题。此外，铸铁相对于铝合金密度较大，将增大底座的质量，使得机器人的重心向整个结构的后半部分移动，从而可以避免出现“头重脚轻”的情况。铸铁拥有良好的铸造性能，可以根据不同的设计要求，加工出不同的形状。根据SCARA机器人不同部位有着不同的加工精度，可以对铸铁采用相应的加工方式。如SCARA机器人底座的上表面与回转体进行配合，所以采用精加工方式，以便减小摩擦。此外，尽量将底座设计成较低较矮的形状，这将可以降低振动现象。误差分析

在本设计中，按照工作要求将SCARA机器人的定位精度设定为0.01 mm。从机器人的整体结构和工作情况来看，影响其精度的因素有很多。通过找出影响SCARA机器人精度的误差源，分析产生的原因，采取可行措施，从而减小误差，提高工作精度。

首先，从整体运转进行误差分析，即对摩擦力和电机运转产生的热变形误差进行分析。SCARA机器人以机械零部件为主，当其运转工作时，各零部件之间进行机械传动，将会不可避免的产生摩擦，从而产生大量热量，导致零部件的温度升高，致使零部件的尺寸发生一定的变化。此外，当机器人因为机械摩擦而导致温度上升，会使步进电机的运转负载加重，同样会导致步进电机的发热量增大而产生变形，如此恶性循环，会使得SCARA机器人产生很大的热变形误差。

以本设计中所用的铝合金材料为例，铝合金的热膨胀系数在1.881 X 10的-5次方到2.360x 10的-5次方之间，即当温度升高了1℃的时候，1m长的铝合金会增加至少18um的长度。因此，热变形误差对SCARA机器人的整体构造以及精度的实现有一定影响。为降低热变形对SCARA机器人的影响，需要减小机器人各零部件之间的摩擦力，当摩擦力减小后，因摩擦力而产生的热量就会减小，步进电机的运转负载也会降低，电机的发热量也就相应减小。所以，减小SCARA机器人零部件之间的摩擦力，可有效减小机器人热变形误差、提高机器人精度。

其次，是SCARA机器人各零部件之间的配合公差。主要是其中的孔和轴，在进行配合时，会有一定的误差。常用的配合公差主要有以下的三种方式:过盈配合，间隙配合以及过渡配合。由于刀具、夹具等器件以及加工工艺的影响，会对孔和轴的造成一定的误差，因此加工出来的孔和轴都会处在一定的公差范围内。配合公差有可能会对SCARA机器人的承载能力和可靠性造成一定的影响，从而影响到SCARA机器人的精度以及使用寿命。本设计中的SCARA机器人采用的公差等级为七级，有一定的精度保障，符合工作要求。因此，在孔和轴的加工制造的过程中，尽量减少加工制造给孔和轴带来的误差，从而提高机器人的承载能力和精度。

最后，是环境误差对SCARA机器人精度造成的影响。SCARA机器人在工作过程中，尤其是应用到实际工业生产中时，会受到工业生产车间等各种各样外界环境因素的影响。当外界的温度、湿度等因素突然发生变化，当外界的存在振动时，均会对SCARA机器人的工作和精度造成一定的影响。而环境因素在所有影响SCARA机器人精度的误差源中，属于不可控的一类。因此，我们尽量采取预防措施保障机器人的精度，以降低环境误差带来的影响。如将所设计的SCARA机器人底座做成低矮形状，可以降低机器人的振动现象。