全固定电机驱动的SCARA机器人的研究

摘要

随着工业自动化的发展，工业机器人的应用也越发广泛。针对某些中、小型企业需要一种价格在2万元以内的小型搬运机器人的需求，本文设计了一种全固定电机驱动的SCARA机器人，其结构与传统SCARA机器人不同，它所有的驱动电机安装在基座内，采用套轴和同步带的传动方式传递运动，机械手末端采用气缸和吸盘完成对工件的取放，其价格便宜且工作稳定可靠，适用于一般精度的平面运动的搬运作业。
　　因此全固定电机驱动的SCARA机器人的研究十分具有工程应用价值。本文主要对全固定电机驱动的SCARA机器人进行理论分析和机械结构设计，主要内容如下：
　　建立SCARA机器人的简单模型，采用齐次变换矩阵和代数法分别对SCARA机器人的运动学正、反解进行详细推导，并通过SolidWorks Motion对SCARA机器人进行运动学仿真，其结果验证了运动学反解的正确性，为控制系统的软件开发奠定基础。
　　采用Lagrange法推导SCARA机器人的动力学方程，并通过数值算例计算出关节的驱动力矩，并通过SolidWorks Motion对SCARA机器人进行动力学仿真，得到关节的驱动力矩。对比结果表明，SCARA机器人动力学理论分析的正确性，另一方面为样机的电机选型、关节材料选择和套轴结构设计等提供理论支持。
　　通过ANSYS Workbench对SCARA机器人的小臂、大臂、套轴和整机结构进行静力学分析，结果表明它们达到机械强度和刚度要求。并对可能产生共振的小臂结构进行模态分析，其结果表明小臂的固有频率远大于共振频率，不会产生共振，满足设计要求。
　　对SACRA机器人机械部分进行设计，根据基本技术参数，确定其传动方案，对步进电机、同步带、气缸、吸盘和真空发生器等主要标准件进行选型，并对大臂套轴和小臂套轴结构与布局进行详细设计。最终完成了可用于实际作业的SACRA机器人样机。
　　对SCARA机器人物理样机进行实验研究，首先搭建样机实验平台，然后检测样机的主要技术参数指标，其结果达到设计要求，最后对物理样机的搬运作业进行实验研究。
　　本文研究有利于平面小型搬运机器人的应用与普及。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容

第二章 SCARA机器人运动学分析

2.1 引言

2.2 机器人运动学系统

2.3 SCARA机器人运动学模型

2.4 SCARA机器人运动学仿真

2.5 本章小结

第三章 SACRA机器人动力学分析

3.1 引言

3.2 SCARA机器人动力学模型

3.3 SCARA机器人动力学模型算例

3.4 SCARA机器人的动力学仿真

3.5 本章小节

第四章 SCARA机器人有限元分析

4.1 引言

4.2 ANSYS Workbench软件介绍

4.3 结构静力分析

4.4 小臂模态分析

4.5 本章小结

第五章 SCARA机器人样机设计

5.1 引言

5.2 SCARA机器人的总体设计

5.3 关键零部件的设计计算

5.4 大臂套轴结构设计

5.5 小臂套轴结构设计

5.6 SACRA机器人样机

5.7 本章小结

第六章 SCARA机器人样机实验

6.1 引言

6.2 样机实验平台

6.3 样机实验

6.4 小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致谢