SCARA平面关节式装配机器人的设计与研究

摘要

自进入21世纪，工业化的发展日新月异，自动化的生产水平也日趋提高，随之产生的工业机器人的应用也越来越广泛，尤其是在焊接、装配、搬运、喷涂和码垛等工业应用领域发挥着越来越重要的作用。
　　针对搬运小型零件并进行装配的工作需求，本文设计一种SCARA工业机器人，SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm)为在选择方向具有柔顺性的装配机器人，与一般的关节型机器人相比，在平面上具有很好的灵活性，而在与平面垂直的方向具有很高的刚性，对于在平面运动的装配作业非常适用。
　　本课题完成了SCARA机器人的的整体结构设计，并对关键结构进行了改进设计计算;对轨迹规划进行了相应的运动学仿真;设计了基于专用运动控制器的运动控制系统;初步完成满足实验室要求的总体设计。
　　其中，针对搬运小型零件并进行装配的工作需求，遵循自下而上的设计原则，在Solidworks环境下完成了机器人的结构设计，确定适用于本设计的传动方案，进一步完善了驱动系统，另外对关键零部件进行了设计计算及选型，论证了该设计的合理性及可行性，为以后的加工制造及装配奠定了基础，初步完成机械系统的构建。
　　运用ANSYSWorkbench建立了SCARA机器人大臂的有限元模型，对大臂结构进行了静力学分析，得到应力云图和位移云图;并通过模态分析，得到1-6阶模态振型图，证明了大臂的精度和刚度满足设计要求。
　　基于D-H法对机器人进行运动学建模，得到正、逆运动学模型的运动学方程。采用关节空间法对机器人的轨迹规划进行研究与生成，以三次多项式函数插值为例，结合本设计，对机械手的某一关节进行了计算与规划，得到相应的轨迹函数。利用Solidworksmotion仿真软件进行运动学的仿真，验证了轨迹函数的正确性。
　　在机械系统总体设计的基础上，结合实验室现有的运动控制器，对机器人的运动控制系统进行了设计，以“PC+运动控制器”的结构来实现机器人的动作，介绍了DMC5400专用运动控制卡的性能以及基于C++Builder6.0软件的编程工具，实践证明该结构在稳定性、可靠性以及在工业现场的抗干扰性方面发挥着极好的作用。

目录

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外装配机器人的研究现状及发展趋势

1．2．1 国内装配机器人的研究现状及发展趋势

1．2．2 国外装配机器人的研究现状及发展趋势

1．3 本论文的研究内容及意义

1．3．1 SCARA装配机器人的核心技术

1．3．2 课题的研究内容及意义

1．4 论文章节安排

1．5 本章小结

2 SCARA装配机器人机械结构设计

2．1 SCARA机器人的总体设计

2．1．1 机器人的基本技术参数

2．1．2 机械传动方案的比较与确定

2．2 机器人关键零部件的设计计算

2．2．1 步进电机的计算和选择

2．2．2 同步带的选型设计及计算

2．2．3 滚珠丝杠的选型设计及计算

2．3 关节一 (大臂)机械结构设计

2．4 关节二 (小臂)机械结构设计

2．5 三四关节机械结构设计

2．6 本章小结

3 SCARA机器人大臂结构有限元分析

3．1 大臂有限元模型的建立

3．1．1 单元的选择

3．1．2 定义材料属性

3．1．3 划分网格

3．2 静力分析

3．2．1 定义约束条件与载荷

3．2．2 分析求解

3．3 模态分析

3．3．1 模态分析的作用

3．3．2 定义约束条件

3．4 本章小结

4 SCARA装配机器人的轨迹规划研究

4．1 SCARA机器人运动学模型

4．1．1 SCARA机器人正运动学分析

4．1．2 SCARA机器人逆运动学分析

4．2 SCARA机器人轨迹规划的方法

4．3 SCARA机器人轨迹规划的生成

4．4 SCARA机器人的运动学仿真

4．5 本章小结

5 SCARA装配机器人控制系统的研究

5．1 机器人控制系统的特点和要求

5．2 机器人控制的分类

5．3 硬件系统设计原则

5．4 运动控制系统的硬件部分

5．4．1 步进电机的控制方案

5．4．2 电机驱动器的选型

5．4．3 运动控制卡的选型

5．5 运动控制系统的软件部分

5．5．1 基于C++Builder软件的软件控制

5．5．2 SCARA机器人的控制流程图

5．6 本章小结

6 总结及展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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