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標題: 沒遇到這些坑，你都不好意思說你設計過SCARA [打印本頁]
作者: ww112358134711 時間: 2018-1-22 12:33
標題: 沒遇到這些坑，你都不好意思說你設計過SCARA
本帖最后由 ww112358134711 于 2018-1-22 12:35 編輯 ) Z2 }& D4 h: E& s0 R4 I# m0 A
1 T* p' z: L3 G, U" f' D( ][attach]444730[/attach]按照慣例前面都有一段廢話
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SCARA的易與難
SCARA機器人是多關節(jié)機器人中比較簡單的一款機型。說它簡單，是因為只有4個自由度，結構相對簡單，而且通用型的SCARA的設計概念已經比較清晰，也比較公開，所以門檻很低，是這兩年很多新興的機器人公司選擇最先開發(fā)的產品，而且價格越做越低，個別售價低到我懷疑人生~~~
說SCARA難，是因為大家有目共睹，這么多年過去了，市場上還是EPSON獨占鰲頭，其他國產品牌望塵莫及。說到底原因是SCARA結構雖簡單，但在細節(jié)上卻有很多坑。這不是買份圖紙或者拆幾臺EPSON的機器人就可以GET到的。哪怕兩家選用一模一樣的零部件，不同的工藝生產的機器人也很可能相去甚遠。
今天我們要講的就是，以通用SCARA為例，大家使用的都是類似的零部件，那么不同廠家的差異性在哪里，從設計到量產，有哪些坑是很可能會遇到的。
這一篇知識點也會比較雜，有些可能不太好理解，我盡量請通俗一點。
[attach]444736[/attach]Question1
設計需求設定
這是SCARA設計的第一步，首先得知道你設計的SCARA面向的哪些客戶，面向哪些應用。細一點說就是SCARA的臂長、負載、精度、防護等級等等，具體隨便找一個廠家去看他們的宣傳手冊就知道有哪些參數(shù)。合理的設計需求很重要，設計機器人的最終目的就是賣出去，這不是做科研，去挑戰(zhàn)極限，而且是追求合理。所以一般要先做市場調研，挑清楚自己想在做哪一塊再動手。
目前來說，3~6KG的SCARA是市場上做得最多的SCARA，競爭相當慘烈！這里其實很多人寫過，我就不多廢話。
臂長布局
SCARA的臂長布局有三個，A軸、B軸、Z軸。A軸即一關節(jié)，B軸是二關節(jié)，Z軸就是花鍵絲桿（我們不講絲桿和花鍵分離的設計）。大多數(shù)廠家都會按負載來區(qū)分系列，同一系列有不同展長。比如QKM的Athena系列（簡稱AH）SCARA，最大負載6KG，臂長有450、500、650可選。一般的做法是有一個基本款，然后通過改變一關節(jié)的長度去衍生其他型號。而基本款的臂長一般是對半。還是以QKM的AH系列為例，基本款為AH-500，即A軸、B軸都是250mm，而其他兩個型號AH-450和AH-650都是二關節(jié)不變，改變一關節(jié)的長度來實現(xiàn)。
A軸=B軸是工作空間占有率（注意不是工作空間大�。┳畲蟮呐浜稀Ｖ糜跒槭裁床煌坶L是改變一關節(jié)長度而不是二關節(jié)長度呢？原因很簡單，二關節(jié)的結構比一關節(jié)要復雜得多，所以二關節(jié)的開模費和機加費也比一關節(jié)貴多了。像AH系列的一關節(jié)采用的是鋁型材拉伸的方式，連重新開模都省了，只需要切不同長度的鋁型材就好了，當然，這也不是我們平時看到的是鋁型材，是自己設計開模的。
Question2
Question3
電機選型
電機是SCARA機器人驅動部件。也是決定機器人性能的主要零部件之一。同等規(guī)格的SCARA在電機功率選型上基本都相同，只是品牌不同，慣量、扭矩、性能略有不同而已。
那不同品牌的電機的差別在哪里呢？（注意，如果只是電機與電機來比個高下的話，那還是一句老話，一分錢一分貨。不過呢，我們要評判的機器人整體性能，所以并沒有必要追求極致。）
最高轉速：750W以下的電機，大多數(shù)的最高轉速有5000RPM和6000RPM，個別會更高。這在之前講cycle time的時候已經講過，最高轉速對cycle time的影響非常有限，而且也受諧波減速機的限制，諧波減速機不一定可以承受很高的輸入轉速，越大號的減速機最大輸入轉速越低。
輸出扭矩曲線：這是一個很重要的品牌差距。我們專門買了一臺專業(yè)測試電機性能的儀器，對不同品牌電機輸出扭矩與速度的變化關系。我們都知道，額定轉速下，電機的輸出扭矩是比較穩(wěn)定的，不同品牌差距不大，但過了額定轉速，就是秀肌肉了。隨著轉速的提升，扭矩會隨之下降，好的電機扭矩下降會比較平緩，而差一點的電機幾乎是斷崖式的下降。扭矩下降就意味著加速度上不去，速度自然上不去。
發(fā)熱：能量傳遞效率也是品牌差距所在。效率越低意味著有用功越少，那損失的能量去哪里了呢？大部分都轉化為熱能。對于小型機器人來說，“散熱”是非常關鍵的設計，因為空間緊湊，各個部件都靠得比較近，會相互影響。所以如果電機發(fā)熱嚴重，那么在高速運動時，一旦溫度過高，電機轉子漆包線表皮過熱熔化，電機就是短路掛了。另一方面，電機的熱會傳遞給減速機，對諧波減速機來說，溫度過高，會導致油脂變質，大大增加磨損，指不定什么時候就掛了。
慣量比：在做設計時，還要注意一個負載慣量比問題。即機械臂的所有負載（包含設計負載與機械臂本身）經過減速機構之后折算到電機轉子的慣量與轉子本身慣量的比例。一般是轉子的N倍。聽不懂的請百度有相關專業(yè)論文。通俗來說，就是指控制的難易程度或響應程度，倍數(shù)越小，越容易控制，響應越快，比如機床上的慣量比一般比會比較小。對機器人來說，自然也是越小越好，但實際比較難實現(xiàn)，所以有一個相對比較好的經驗值，需要自己搜索（此處省略幾十字）。
體積：不同品牌的電機有時體積還挺大，特別是國產電機，很多時候會比同等規(guī)格的進口電機屁股長出一段，這會很影響機械設計。SCARA相對還好一點點，但如果你去看國產的六軸，就會發(fā)現(xiàn)不少國產六軸的后面是小蠻腰，前端卻托著個大餅臉，456軸太肥了，慣量要大很多，就是因為電機太長的緣故。圖就不好放上來了，萬一為看出是什么品牌我就要挨罵了。大家自行搜圖。
減速機選型
這絕對是SCARA本體的第一大坑，沒有之一！沒有之一！沒有之一！小型SCARA一般只有J1、J2軸會用減速機，而且是用諧波減速機，原因是諧波減速機體積小，精度高。
但是諧波減速機在使用上有非常非常非常多的細節(jié)問題。首先是品牌差異，目前國內做諧波的有很多家，其中做得比較大的也有幾家，不同品牌之間，由于齒型不同、零部件不同、加工工藝不同，有相當大的差異；其次，諧波裝配的好壞與客戶有非常大的關系。諧波的裝配要求說到底只有一個，就是波發(fā)生器與剛柔輪同軸要求，但是要實現(xiàn)這個目的，那要考慮的東西就多了。
所以業(yè)內有不少人都感嘆，明明與四大家族用的是都是HD的減速機，但是壽命和性能就是不一樣。這就是因為裝配零件的設計和裝配工藝不同導致。
在減速機裝配上，我們花了好幾年，遇到各種各樣的坑才最終搜索出一套諧波的裝配方法與設計方法。裝配10套是一回事，裝配100、1000套那就是完全不同的概念了。
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所以假設你的SCARA還在樣機階段，沒什么問題，別高興得太早，后來有的是坑在等著你。如果你已經批量，而且正在遇到漏油、卡滯、異響、壽命短等問題，淡定，這不是你們家獨有的問題，用諧波的人都遇到過，把坑一個一個填平了就穩(wěn)定了。不過，有一個前提是，巧婦難為無米之炊，如果你用的是特別便宜的國產品牌，那恭喜你，認命吧，他們自己也沒搞清楚諧波是怎么回事。
Question4
Question5
同步帶同步輪
同步帶同步輪是常用減速比比較小的地方。在SCARA上常用在J3、J4軸。在本體的成本構成中，同步帶同步輪的成本占比很小。但是有一些小細節(jié)也要注意。比如防止買到假貨（特別是3M，那做的人太多了），比如如何調整張力、比如同步帶的磨損問題、張力下降問題~~
絲桿花鍵
絲桿花鍵是SCARA也是SCARA的重要零部件。而且，由于制作困難，不管是國內還是國外，做的人都非常少，可能是有些關鍵工藝沒有解決。所以客戶的選擇性也不多，能用的就那么幾家。安裝上也基本類似，品牌差異主要是在精度與產品一致性。
絲桿花鍵最大的坑其實是在維護這一塊，絲桿花鍵是需要定期潤滑保養(yǎng)的。但是，使用者經常會忘記懶得保養(yǎng)，導致滾珠/滾道磨損，縮短壽命。
Question6
Question7
散熱
散熱設計是小型機器人的設計關鍵。因為小型機器人內部空間很小，電機、減速機等發(fā)熱部件很靠近，彼此影響。特別是防護等級達到IP65的設計，因為內部與外部的空氣不流通，熱量無法散出，所以只能通過內部空氣以及本體散熱。因此，如何想辦法把內部熱量均勻散開，而不是聚集在一起，就是設計關鍵。否則就是我之前講過的，也許你瞬間速度很快，但是跑一段時間，熱量上來了，機器人就會過熱，輕者報警、重者直接掛了。% n8 I$ A1 }4 F, d }' g' @" i
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生產
這也是每一家都會遇到的坑，而且是大坑。
在機器人研發(fā)階段，樣機少，一般是由研發(fā)人員裝配，因為對產品很熟，有專業(yè)素養(yǎng)，所以裝配效果會比較好。但是，一旦進入量產階段，就大不一樣了。工人對產品不一定了解，而且不同工人的專業(yè)素養(yǎng)不同，所以裝配出來的結果會有很大差異。因此，模塊化的設計、專業(yè)的培訓、嚴格的品質把握就非常重要。
生產量每上一個數(shù)量級，就是一個鬼門關，很容易批量品質問題。牢牢記住一個點就是，在整個生產系統(tǒng)中，人是最不穩(wěn)定的因素，人是最不可控的，是最容易出現(xiàn)問題的地方。
Question 8
最后說兩句
: b+ @5 c+ n) v1 _3 _4 P* _. z
0 x# h4 N' D9 t& u) P) s上面從立項到生產，可能說得有點雜了，某些重要的，比如減速機，后面我再整理一下，把能夠公開的再系統(tǒng)講一次，敬請期待。
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作者: 鷹頭貓 時間: 2018-1-22 13:05
原來SCARA這么多坑...
作者: 阿狂 時間: 2018-1-22 14:23
好多圖片顯示不出來啊。
作者: 454141017 時間: 2018-1-22 16:30
輕型的仿SCARA，分割器轉臺，立柱升降，同步帶帶動B擺臂和Z軸。湊合著自己用。
作者: xiaobing86203 時間: 2018-1-22 18:03
最近用了一款安川的小機器人GP7，感覺這類小機器人都比較坑啊，占地布局沒節(jié)省，工作半徑又比較小，所以有看到的社友需注意了，這類小型機器人只適合吊裝啊。
作者: 曉昀 時間: 2018-1-22 18:42
機器人發(fā)展還有很長的一段路要走。不論從技術，配套商，生產制造還是市場和人才，還處在摸索發(fā)展階段。8 [5 _( Z4 X& q" p' T4 A) q
9 D$ d. n5 g* Q1 p- B樓主整理的知識非常好，能夠給不了解這個行業(yè)的人一個拋磚引玉的作用。
作者: 1309537392 時間: 2018-1-23 11:27
長知識了
作者: 未來機關 時間: 2018-3-8 10:44
我是做scara機械臂的。樓主說的真的太對了，減速機問題太多了。于是
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我們造的是直驅電機的scara機械臂。沒有了減速機。精度比減速機高。壽命也比減速機長多了。) F* ^' E C7 u8 R( i
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作者: wanglin222 時間: 2018-3-8 10:57
# }: q, z L# t s1 W+ R' ^直驅電機精度怎么保證？
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作者: 小蔡 時間: 2018-3-8 11:15
8樓的兄弟，電機直驅的話，電機的功率要大很多吧，而且停止時的精度能達到要求嗎？
作者: 未來機關 時間: 2018-3-9 11:20
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精度依靠編碼器的反饋保證。實測，重復定位精度小于1個絲。比減速機的好多了。減速機的在外力作用下，本身的彈性還會導致很大的誤差。而直驅的，因為做實時的反饋，所以外力作用下也能保證精度。外力的情況下，精準定位時間會長一點。
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作者: 未來機關 時間: 2018-3-9 11:23
本帖最后由 未來機關 于 2018-3-9 11:26 編輯 & i* D/ {" v, H0 K# K, \; w4 \
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電機的功率是轉速和轉矩的乘積。電機是高轉矩，低速度的電機。因為沒有諧波減速機的發(fā)熱損耗，總的輸入功率不到100W。非常省電。比諧波減速機的功率小很多。停止的時候，比諧波的更穩(wěn)。諧波輸出是柔輪，本身有彈性。直驅沒有這個彈性環(huán)節(jié)了，定位時間更短。實際用百分表打過表，非常爽。2 Q) a) W F! E+ P4 Q: `
3 s- H; l2 y' s# y% N
作者: 未來機關 時間: 2018-3-30 15:34
產品，已經開始賣了，請各位多多捧場。如果有興趣，可以做代理。合作方式很多。[attach]449549[/attach] B# ?$ l% O5 S% S" ~; d
作者: 而咚 時間: 2018-3-31 19:13
多謝分享，正在做畢設，來學習學習9 `: D: y: g8 e4 u8 L1 C8 G
作者: 藍zuzu 時間: 2018-4-15 12:02
不錯
作者: ��！同目 時間: 2018-4-16 10:26
很厲害��！學習學習
作者: lixingbiao1203 時間: 2018-5-10 14:28
厲害了
作者: 翁進賢 時間: 2018-5-26 13:18
學習了
作者: newlaw2008 時間: 2018-5-31 21:45
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電機直驅，不采用減速機，需要伺服電機的性能超強，輸出轉矩是最大的問題啊，請問你們是用的什么牌子的電機呢？: ]2 F' i: p5 @
作者: 韓良佐 時間: 2019-2-19 14:26
. p0 @9 U) z2 w( H/ r; L長知識了
作者: billgong333 時間: 2019-2-21 13:25
這個機械臂看著簡單，實際要設計的間隙小，精度高，還是很難的
作者: 漠舞 時間: 2019-2-21 17:06
8 p" D; d+ }) z7 V& v: m9 F機器人發(fā)展還有很長的一段路要走。不論從技術，配套商，生產制造還是市場和人才，還處在摸索發(fā)展階段。7 a, v6 f( n$ k5 a0 z' ?
0 F- y0 T/ p' G. B1 |! E7 F N4 `& F# x
, e' m3 W7 r4 B( c- V樓主整理的知識非常好，能夠給不了解這個行業(yè)的人一個拋磚引玉的作用。
作者: 風仔很忙 時間: 2019-2-21 23:06
哦~
作者: TracyM123 時間: 2019-7-30 09:19
不錯不錯�。。。。。。。。。。�
作者: 老沈zj 時間: 2020-6-28 11:23
' i H3 Q! U' ~這個機械臂公差怎么定��？大概控制在多少左右，才能控制精度在±0.01mm左右5 k% i6 K. m% p2 f Z7 F
作者: aflyq 時間: 2020-8-3 10:01
我想請教一下關于scara的精度不穩(wěn)定問題，以及解決辦法，有誰知道嗎？
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作者: liuyong453 時間: 2020-8-3 16:34
) N, N- U, V! m感覺有點反人類的設計。直驅能做好！假如1：100的諧波，我是不是可以理解為電機功率要放大100倍。這100倍的電機的成本應該會比諧波不知道重了多少，同時成本會低嗎？？？？？9 X; H: }4 ~0 _( R
作者: 0388 時間: 2020-11-10 09:24
謝謝分享
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