1、 毕 业 论 文 2016 年 5 月 31 日课题名称 SCARA机器人的操作与维护 院 /专 业 机械工程学院 / 机电一体化 班 级 指导教师： 毕业设计（论文）报告纸 装 订 线 第 1 页 共 40 页 摘 要 本文主要研究 雅马哈机器人公司下的一款四轴水平多关节机器 YK400XH，包括 RCX240 控制器及其他配套设备的操作与维护。通过对这款机器人的研究，包括对雅马哈机器人公司的简介，四轴机器人的特点，控制器的系统概要及操作，以及编程所需的环境，并对机器人后期的维护作了简单说明，以便人们对SCARA 机器人有更全面的认识及更好的 掌握 。 关键词 ： SCARA 雅马哈 RCX
2、240控制器 操作 第一章 绪 论 1.1 引言 机器人的英文 翻译 是“ Robot”，最开始的意思是像奴隶一样 进行劳动 的机器。 后来人们 把机器人想 像成外貌和 人一样的机器和电子装置。但 也有的 机器人并不是这样 ，比如工业机器人， 它和人 的外貌根本不一样，所以在工业应用场合，人们称呼它为“机械手”。工业机器人可以看成 是一种像 人 的 手臂、手腕和手功能的机械电子装置，它可以把任何物件或工具按照空间位置姿态的要求进行移动，从而完成某一工业生产的作业要求。 机 器人自问世以来，经过了多年的发展，已 经被 广泛应用于各个领域 和行毕业设计（论文）报告纸 装 订 线 第 2 页 共 4
3、0 页 业 ，成为 电子产业 及制造业生产自动化的主要机电一体化设备。本章将主要讨论 工业机器人的定义、 SCARA 机器人及其现状，以及本论文研究的意义和内容。 1.2 工业机器人的定义 工业机器人是机器人家族中必不可少的一部分，也是现在在技术上发展最成熟、应用最广的一种机器人。 国际标准化组织 (ISO)对工业机器人定义为：“是一种能自动控制，可重复编程，多功能、多自由度的操作机。能搬运材料、工件或操持工具，来完成各种作业”。现在国际上很多国家都遵循 ISO 所下的 定义。 1.3 SCARA 机器人 SCARA 是 Selective Compliance Assembly Robot
4、Arm 的缩写， 中文 翻译是 ：选择顺应性装配机器手臂 。 垂直面内有很高的刚度，水平面内有很高的柔顺性， 它 是一种圆柱坐标型 工业机器人 。 SCARA 工业 机器人 在 结构 上非常的紧凑，而且 动作灵活、速度快、定位精度高，它的使用大大提 高了机器人对复杂装配任务的适应性，同时也降低了成本，提高了工作空间 的 利用率。 SCARA 机器人有 3 个旋转关节， 它的 轴线 是 相互平行 的 ， 可以在 平面内进行定位和定向。另一个关节是移动关节， 作用是 完成末端 工 件在垂直于平面的运动。如图 1.1所示 ， 这类机器人的结构轻便、响应快 。 毕业设计（论文）报告纸 装 订 线 第
5、3 页 共 40 页 图 1.1 SCARA 机械手臂 目前 SCARA 机器人 还广泛 应用 在 塑料工业 、汽车工业、电子产品工业、药品工业和食品工业等领域。它的主要 功能 是搬取零件和装配工作。它的第一个轴和第二个轴具有转动 的 特性，第三 轴 和第四个轴可以根据工作 需要的不同，制造 成相应多 种不同的形态，并且一个具有转动、另一个具有线性移动的特性。由于 它 具有特定的形状，决定了其工作范围类似于一个扇形区域。 1.4 国内外 SCARA 机器人研究现状 SCARA 工业机器人在 被广泛应用的同时，也得到了更多的发展与改进。 在国外，人们对 SCARA 工业机器人的研究从没有停止。作
6、为一种水平多关节机器人，无论在机械结构方面，宜是在负载或体积和重量方面，都有了很大的进步。比如在机械制造方面， EPSON 公司 的 SCARA 机器人 BN 和 BL， 这 两种 机器人的设计都将与之配合的驱动齿轮组放在 第一轴和第二轴 轴上，其齿轮 组采用了新的精密铸造方法，它能够减轻整个机械手臂的重量，并且 这种设计 还能在速度、可靠性、耐久性方面获得明显的改进。在负载方面 ， SCARA 机器人也取得了 不俗的成绩。 EPSON 公司生产的 E2H853 型重型 SCARA 机器人最大负载可以达到20kg， 并 且 拥有较小的惯性动量。在体积和重量方面， SCARA 也有很大改进。在
7、2013 年初，作为 SCARA 工业机器人全球市场占有率第一的 EPSON 公司 发布了新款 的 H8 机器人，这款机器人是它的 水平多关节机器人 H 旗舰系列的首款机型。 H8 机器人是现在 450-650 毫米臂长的 SCARA 机 器人中体积最小、重量毕业设计（论文）报告纸 装 订 线 第 4 页 共 40 页 最轻的机型之一。 SCARA 机器人在移动小型、微型、超微型的物品等精密应用方面也有不小的收获， 所以被广泛应用在 3C 行业。 日本 YAMAHA 公司生产的SCARA 机器人最小臂展可以 为 120mm，重复定位精度仅仅为土 0.005，可应用于超微型、高精密场合。 因此综
8、上所述，最新的 SCARA 工业机器人不仅运用了智能技术，而且更拥有流线型的部件，另外它在其他方面的性能也都有了很大的提升， 比如高精度合金材料，最大负载、最大合成速度、重复定位精度都较之前有了显著提升，电缆更为简洁，占地空间更小等。 SCARA 工业机器人在国外已被广泛应用在各个行业，相比较国内而言，差距不是一般的大，这也是为什么国内工业技术一直比不上国外的原因，一方面是技术的问题，另一面也是对工业机器人的不重视。 因为我国工业机器人受技术影响，起步较其他国家比较晚， SCARA 工业 机器人的发展也受到影响。 因此，国内 SCARA 工业机器人无论是在性能上还是重复定位精度都无法与国外相比
9、。 1.5 本论文的研究意义及内容 研 究 SCARA 机器人可以 用于 提高 我国 工业 生产 现代化 的 水平，用于 真正的生产可以大大提高 企业和工厂的 工作效率，还可以用于科学 技术上的 研究工作，开发更 为 先进的机器人提供有利条件 。 在现在多为大型工业制造的情况下，研究工业机器人在小型工业场所下 的应用，不仅能推动科学技术的发展，更是今后科学技术发展的方向，以后的发展方向必定趋向于高精度、高精密的发展，因此， 集合高校、研究所和企业的有利条件，以市场需求为导向，大力推进协同创新，不啻是一条捷径。 本论文以 YAMAHA 公司 旗下的一款机器人 YK400XH 为例， 研究 SCA
10、RA 机器人的操作与维护 ，旨在增加人们对 SCARA 机器人的了解 以及 SCARA 机器人应用方面的优势 。 YK400XH 采用的控制器是 RCX240，配 套的手持编辑器 是 RPB 和编程所需的环境 有两种： VIP+和 VIP WIN。 本篇文章中编程软件我选择的是 VIP+，VIP+软件无论从操作难易程度，还是对操作系统的要求都比 VIP WIN 要实用。如图 1.2 和图 1.3 所示，是本次论文 研究 所采用的机器人 本体 和控制器本体实物图。 毕业设计（论文）报告纸 装 订 线 第 5 页 共 40 页 图 1.2 YK400XH 本体 图 1.3 RCX240S 控制器本
11、体 RCX240 控制器可以控制最多四轴机器人，实现完全绝对位置操作方式，机器人在运行到设定的区域中可实现 I/O 动作，适用于省配 线的网络系统：CC-Link、 DeviceNet、 Ethernet、 Profibus，在考虑到性价比的时候，我们选择 CC-Link。 在高精度和高速度下执行 CP 操作和插补控制能进行高速度多任务操作，即使无 PLC 也可组成有运算功能及逻辑控制等复杂的系统 。 毕业设计（论文）报告纸 装 订 线 第 6 页 共 40 页 第二章 雅马哈机器人 2.1 雅马哈工业机器人简介 雅马哈工业机器人是雅马哈发动机株式会社旗下产品之一。雅马哈发动机的机器人开发始于
12、 30多年前引进本公司的摩托车生产线，也就是耳熟能详的雅马哈摩托，后来于 1984 年综合多种专业技术生产出第一 台工业机器人，开始面相市场，在产品的组装、车载零部件搬运、大型液晶显示屏的制造等各种行业的生产设备中得意广泛的运用。雅马哈工业机器人至今已有超过 30 年的良好业绩，是深受业界的信赖的有力证明。 雅马哈在工业机器人领域拥有多项独立开发的核心技术，例如，控制基板、线性马达、线性光学尺等拥有在精密、高速动作中不可或缺的 “ 马达控制技术 ” ，基于严格评估标准的 “ 机械、控制器开发技术 ” ，在严苛环境下也可稳定工作的 “ 信号处理技术 ” ，通过推动这些独立技术，让雅马哈的产品日臻
13、成熟，在刚性、耐久性、操作性等方面获得高度的评价。 雅 马哈通过充分发挥 “ 生产、销售、技术 ” 一体化的体质，通过确立以检测 -加工 -组装 -检测 -出厂等一系列生产体质，实现了高质量、低价格、短交货期。关键零部件全部为公司内部加工，并按照机器人厂家确定的制造要求和严格标准进行质量管理，从而实现高质量生产。 图 2.1 为雅马哈 1984 年诞生的第一代工业机器人 。 毕业设计（论文）报告纸 装 订 线 第 7 页 共 40 页 图 2.1 雅马哈第一代工业机器人 2.2 伺服电机 伺服电机是一种数字化控制的电机，能够将电能转换为机械能，用于定位控制。其位移是通过脉冲信号数量控制的，转速
14、是通过脉冲频率控制的。伺服电机属于 闭环控制的电机，必须采集电机旋转轴的编码器信号，才能够实现控制。 本次机器人所用的电机为日本多摩川 AC 伺服电机，如图 2.2 所示。 型号为： TBL-I Series 功率为： 100W 电压为 : 200V 图 2.2 伺服电机 2.3 雅马哈四轴机器人 YAMAHA 水平多关节机器人 YK-X系列，可以大大缩短周期时间，扩大作业范围，节省空间，拥有高度的环境适应能力，产品可分为： YK120XG 到 YK1200X，工作半径从 120mm 至 1200mm，最大载重 50kg，另外还有倒吊、壁挂、防尘防滴及无尘室样式，客户可以根 据需求任意选择型号
15、和式样。 1、紧凑设计节省空间，安装空间实现了全机种业界最小。 2、耐久性和保养性并存。 X,Y 和 R轴减速机构的关节部采用新型润滑油，和以前的润滑油比较耐用年数提高约 5倍，因而在大大提高了减速机的耐用性的同时，也实现了免保养维修性。 3、 R轴直接连接机构，实现了高精度。 R 轴重复精度数 0.005 度。 4、大大缩短周期时间。标准周期时间比以前（传统的）机种缩短了 20。 毕业设计（论文）报告纸 装 订 线 第 8 页 共 40 页 5、绝对位置控制的采用。全机种采用绝对位置控制，完全不要回原点复归动作。 6、追求高性价比。和以前的机种相比，有部分产品大约 降低价格 20%。 7、也
16、可以用于洁净室，有 11 机型 66 机种对应无尘室使用。 8、超过 30 年的生产历史。 9、新型控制器 RCX240 体积更小，功能更强大 。 雅马哈四轴机器人基本规格如表 2.1 所示 。 表 2.1 雅马哈四轴机器人基本规格表 类型 YK250XG YK350XG YK400XG 轴规格 X 轴 臂长（ mm） 100 200 250 旋转范围（ ） 140 Y 轴 臂长（ mm） 150 旋转范围（ ） 144 Z 轴 行程（ mm） 150 R 轴 旋转范围（ ） 360 马 达输出 AC X 轴 / Y 轴 / Z 轴 / R 轴 200W / 150W / 50W / 100W
17、 最高速度 XY 轴合成 (m/s) 4.5 5.6 6.1 Z 轴 (m/s) 1.1 R 轴 ( /s) 1020 反复定位精度 1 XY 轴 (mm) 0.01 Z 轴 (mm) 0.01 R 轴 ( ) 0.004 最大搬运重量 (kg) 5kg 4 标准周期时间： 2kg 可搬运时 2(sec) 0.49 R 轴允许力矩 3(kgm2) 0.05 用户配线 (sq 根 ) 0.2 10 用户配管 ( 外形： mm 根 ) 4 3 动作限位设定 1. 软限制 2. 限位器 (X、 Y、 Z 轴 ) 主机重量 (kg) 18.5 19 19.5 适用控制器 RCX240S 电源容量（ V
18、A） 1000 运行方法 程序 迹点定位 遥控命令 在线命令 2.4 雅马哈 新款 水平多关节机器人的特点 YK-XG 系列 机械手臂长 250mm 400mm 的小型水平多关节机器人提高毕业设计（论文）报告纸 装 订 线 第 9 页 共 40 页 了搬运重量 ，升级为完全无皮带结构。 无与伦比的前端轴刚性与免维护的特点 ，可在广泛应 用中发挥 威力。新增了空心中通规格和法兰工具选配功能 ，更加便于使用。 （ 1） 与以往同级机型相比搬运重量增至 1.6 倍 搬运重量增加到 1.6 倍，从原机型的 3.0kg 增至 5.0kg。由于前端 轴的允许惯性力距大，对高速动作和偏置量较大的工件可发挥极大威力。虽然是小型号，却可以承担与高一级水平多关节机器人相同的大载荷作业。如图 2.3 所示。 图 2.3 搬运重量提高 （ 2） 完全无皮带结构，免维护（如图 2.4） ZR 轴直接轴联结构，实现完全无皮带结构。大幅减少了前端旋转轴的空转，可长期维持高精度。配合高反复定位精度 ( 0.004 )，可实现超小型零部件的高精度组装， 且无需担心皮带的破损、松弛 和老化，可长期免维护使用。 图 2.4 完全无皮带结构
