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2018年第一篇干貨
, T8 u( {& j1 F我有近兩周沒有更新了,，就為了憋個(gè)大招~~~' z$ r9 x! a: z9 w0 Z6 H
很多人在設(shè)計(jì)一款新機(jī)器人的時(shí)候，第一件事就是去“調(diào)研”,，除了市場(chǎng)調(diào)研之外,，機(jī)械工程師很多時(shí)候是去查某一家有什么專利，怎么設(shè)計(jì)的,，用的什么電機(jī),、減速機(jī)、多少減速比之類,。而對(duì)于初學(xué)者來說,，很可能會(huì)去買圖紙，可能是淘寶,、可能是一些專業(yè)抄數(shù)的,，也可能是有些人把自己設(shè)計(jì)過的機(jī)器人圖紙拿出來賣。 你是不是以為我要講從道德上如何譴責(zé)這樣種行為,？Too young too simple,！“抄”絕對(duì)是一門藝術(shù)，抄到超越原作的例子多了去了,。而且咱們這不打口水戰(zhàn),，只談技術(shù),。 我這篇文章要講的是，但凡你在網(wǎng)上能找到的圖紙其實(shí)都是沒有用的,，專業(yè)抄數(shù)的圖紙又是你買不起的,，我自己也找到幾份圖紙模型，都是很粗糙的作品,。大部分可能是畢業(yè)設(shè)計(jì)或者業(yè)余愛好者的作品,，也有了解過抄數(shù)或者專業(yè)賣圖紙的，這種當(dāng)然比你去淘寶或者網(wǎng)上免費(fèi)下載的好一些,，但如果你想靠這些圖紙去做出一個(gè)好產(chǎn)品,，那你就要三思了。 5 u5 m) o* z- a
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第一 便宜沒好貨,，好貨不便宜 你能拿到的圖紙絕對(duì)不會(huì)是什么大公司的產(chǎn)品圖紙,，大公司對(duì)圖紙保密都比較嚴(yán)格，不會(huì)輕易流出來,，別人輕易不敢賣,，大多數(shù)是一些拿著一份圖紙?zhí)竭@家小公司做一做，再跳到另一家小公司改一改,，你想這要真的是一份好產(chǎn)品的圖紙,，好的機(jī)器人公司就不會(huì)這么少了，大家都不需要做研發(fā),，去買圖紙就好了,。 工藝是圖紙給不了的 這是關(guān)鍵中的關(guān)鍵。即使你拿到抄數(shù)的圖紙,，外觀,、結(jié)構(gòu)都可以抄，但工藝是很難抄的,。哪怕你拿到了四大家族的機(jī)器人圖紙,，你也做不到人家的水平，因?yàn)楣に嚹悴恢�,。我曾�?jīng)曾經(jīng)去參觀過四大家之一的機(jī)器人裝配線,，只能走專門的參觀路線，走馬觀花,，快速走過,，而且還有專人盯著你，防止你拿出手機(jī)拍攝,，可見人家對(duì)裝配工藝的保密程度,。 裝配順序、裝配手法,、檢測(cè)手段,、裝配工具這些都是圖紙里看不到的工藝,，有些工藝甚至都無法形成文檔。所以,，有一個(gè)很老的梗是，國內(nèi)抄國外的某個(gè)設(shè)備,，看到國外圖紙上多了一個(gè)孔,，也不知道有什么用，但既然國外加這個(gè)孔,，那我也加,。工藝這種東西就是一層紙，捅破了就是那回事,，不捅破就是那么神秘,。也有一個(gè)在日本很常見的現(xiàn)象，某個(gè)簡(jiǎn)單的工位,，一個(gè)老頭可以干幾十年,。各位，不管什么事情,，你要是能明日復(fù)一日年復(fù)一年干上十年,，你就是這方面的專家。所以呢,，做機(jī)器人也是一樣,，別總想著彎道超車，該踩的坑一個(gè)也繞不過,，把坑一個(gè)一個(gè)填平了,，產(chǎn)品就出來了�,！� 第二 劃重點(diǎn) 今天到底講什么干貨 廢話這么多,，我們今天要講的呢？很簡(jiǎn)單就是把現(xiàn)在市場(chǎng)上比較常見的SCARA結(jié)構(gòu)介紹給大家,。圖紙呢,，沒有，爛的圖紙我也不好意思給你,，我設(shè)計(jì)過的圖紙呢,，我也不敢給你，也給不了,，都在公司電腦里,，層層把關(guān)保管著。但是呢,，我把現(xiàn)在市場(chǎng)上常見的SCARA結(jié)構(gòu)分了一下類,，把每一類的結(jié)構(gòu)都給大家介紹一下,，有哪些優(yōu)點(diǎn)，哪些缺點(diǎn),，這比你去淘一份圖紙要好多了,。特別說明，這些知識(shí)比較適合新手,，大神請(qǐng)繞道�,。�另外呢,，我后面也會(huì)整理一下設(shè)計(jì)SCARA的時(shí)候要注意的地方,。你要設(shè)計(jì)SCARA，哪些坑是你可能會(huì)遇到的,，雖然我不太方便告訴你我們是怎么繞過去,，但至少你知道前面有坑可以先把憋口氣再準(zhǔn)備一下再跳下去是吧。
0 ^0 D: t7 u& \9 R! M 重點(diǎn)說明：下面所講的結(jié)構(gòu)都根據(jù)各個(gè)廠家給出的公開資料做的合理猜測(cè),，文中所說的“類似”“相同”等字眼是指廠家之間的理念相似,，沒有誰挑誰的說法，我也不知道哪個(gè)產(chǎn)品在前哪個(gè)產(chǎn)品在后,。文章也僅供交流學(xué)習(xí),。
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9 S0 K0 k$ O( H9 K! r& o: d; cEpson G系列 1 ![]() 產(chǎn)品特征 1 J2、J3,、J4電機(jī)呈直線排列 從上圖可以看到,，G系列的2、3,、4軸電機(jī)呈直接排列,，而且J3軸電機(jī)比J4軸的電機(jī)要大，原因是J3軸是絲桿的上下運(yùn)動(dòng),，力較大,，而且是一級(jí)同步帶減速（絲桿本身也有減速作用），所以J3軸電機(jī)還是在帶剎車的,，為的是斷電的時(shí)候負(fù)載不會(huì)輕易下降（這是對(duì)小負(fù)載來說,，大負(fù)載的話，J3,、J4都會(huì)加剎車）,。J4軸電機(jī)則使用兩級(jí)同步帶減速，控制絲桿的旋轉(zhuǎn),。 電機(jī)呈直線排列的好處是,，整個(gè)關(guān)節(jié)可以收窄，變得比較細(xì)長(zhǎng)，但是缺點(diǎn)也是比較明顯的,，由于J3軸電機(jī)離J2軸旋轉(zhuǎn)中心比較遠(yuǎn),，又是稍大的電機(jī)，整個(gè)二關(guān)節(jié)的慣量會(huì)增大很多,，這對(duì)機(jī)器人的性能是有非常大的影響的,。高中物理老師告訴我們，慣量乘以角加速度等于扭矩,。在扭矩一定的情況下,，慣量增加了，角加速度自然就下來了,。. ?" l5 a5 h8 q& U
2 J3、J4軸耦合設(shè)計(jì) 不僅是G系列,，Epson的所有SCARA都是采用J3,、J4軸耦合的設(shè)計(jì)，意思是J3,、J4軸是聯(lián)動(dòng)的,。想要絲桿單純上下運(yùn)動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)都需要同時(shí)運(yùn)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)。耦合的原因是用了滾珠絲桿花鍵軸,，簡(jiǎn)稱絲桿花鍵,。就是下面這貨。 絲桿花鍵,，顧名思義就是把滾珠絲桿和滾珠花鍵集成到了一起,。制作工藝非常復(fù)雜。目前業(yè)界做得最好的當(dāng)然是日本的THK,，很大一塊市場(chǎng)份額都在THK手里,，另外，咱們的灣灣,、大陸,、韓國也有個(gè)別廠家在做�,；旧线@幾家我們都一一做過詳細(xì)的測(cè)試,，THK排第一，這實(shí)至名歸,，其他廠家的話,，也各有優(yōu)劣，有興趣的朋友可以在留言區(qū)討論,。 采用絲桿花鍵的好處是可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),，但缺點(diǎn)也很明顯，就如同iphone X出來時(shí)大家朋友圈所“揭秘”的缺點(diǎn)一樣——就是貴！,！不管絲桿花鍵的這種設(shè)計(jì)還是比較普遍的,，大部分廠家都會(huì)采用這種設(shè)計(jì)。 3 J1,、J2軸中空設(shè)計(jì) G系列還有一個(gè)特點(diǎn)是J1,、J2軸都采用了中空中線的設(shè)計(jì)，而且,，Epson并沒有采用標(biāo)準(zhǔn)的中空組合型減速機(jī),，Epson采用的是諧波減速機(jī)的三件套——鋼輪、柔輪,、波發(fā)生器,，然后自行設(shè)計(jì)支撐軸承。 5 Y5 s1 H4 `4 u- S* g$ T7 I: v
這樣的好處是成本更低,，結(jié)構(gòu)更緊湊,，但是這是大廠家、高手的玩法,，因?yàn)槿椎难b配,、支撐的設(shè)計(jì)、密封等等都比較困難,，很容易出問題,，國內(nèi)很多減速機(jī)廠家自己都沒搞清楚，而且出問題了這責(zé)任就不好界定了,，是三件套品質(zhì)問題還是客戶設(shè)計(jì)問題呢,？所以你會(huì)發(fā)現(xiàn)，HDS在中國幾乎不銷售三件套,，其他廠家也很少賣或者根本就沒有,。而大部分國內(nèi)客戶也比較偏向選用組合型，可以降低裝配難度,。 采用中空走線的好處是,，沒有外部的波紋管，外觀看起來更簡(jiǎn)潔,，防護(hù)等級(jí)也可以做得更高,，比如倒掛型的SCARA一般就都采用中空走線。但中空走線對(duì)線纜的性能要求會(huì)更高,，因?yàn)橹锌兆呔�的空間更小,，線纜的活動(dòng)范圍更小，這樣機(jī)器人在快速來回運(yùn)動(dòng)時(shí),，對(duì)線纜的磨損會(huì)加快,。當(dāng)然這隨之也會(huì)相對(duì)增加成本，像EPSON這種中空設(shè)計(jì)是稍復(fù)雜了一點(diǎn)。
! m9 T1 C/ H: O3 v A/ N* F" A0 AIAI IX系列 2 ![]() 產(chǎn)品特征 1 J2,、J3,、J4軸呈直線排列 與Epson的G系列相同，IAI也采用了2,、3,、4軸電機(jī)直線排列的布局設(shè)計(jì)。 2 J4軸使用了一個(gè)行星減速機(jī) G系列的J4軸采用的是同步帶兩級(jí)減速,，而IAI則使用了一個(gè)行星減速機(jī),。該行星減速機(jī)是一段比，即減速機(jī)在10以下,，采用行星減速機(jī)之后結(jié)構(gòu)自然是簡(jiǎn)化了,，但是行星減速機(jī)會(huì)大大增加了二關(guān)節(jié)的重量與慣量，而且行星減速機(jī)背隙一般會(huì)比較大,，背隙1弧分以下的行星非常貴,，所以個(gè)人認(rèn)為這個(gè)設(shè)計(jì)并不是太好。一般只在大負(fù)載的SCARA,，因?yàn)闇p速比要比較大，用同步帶減速設(shè)計(jì)在體積上會(huì)同步輪會(huì)比較大,，所以才會(huì)選用一個(gè)行星減速機(jī),。不過目前據(jù)我所知，IAI的SCARA在中國的市場(chǎng)占有率也不大,。 3 波紋管走線 IAI在走線方面采用了傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)的外部波紋管走線的設(shè)計(jì),，這是最常見的設(shè)計(jì)。
8 K8 q# y# _+ U S9 v3 Q3 SEpson LS系列 3 ![]() 產(chǎn)品特征 1 J2,、J3,、J4軸電機(jī)呈三角形布局 LS系列我個(gè)人認(rèn)為是G系列的改進(jìn)版，將J2,、J3,、J4電機(jī)呈三角形布局，即把J3,、J4都往后拉,，慣量大大減少了，性能有很大提升,。同樣,，J4軸也采用兩組同步帶傳送，整體結(jié)構(gòu)非常緊湊,。 其實(shí)本來我是想放的是Adept 的Cobra機(jī)器人,，似乎Adept才是最早采用這種三角布局的廠家，也正是因?yàn)槌扇切危訟dept才把這款SCARA命名為Cobra（眼鏡蛇）,，因?yàn)楦坨R蛇的頭很像,。但是很遺憾我沒有找到Cobra的結(jié)構(gòu)圖，要講解起來就比較麻煩,。剛好LS也是這種結(jié)構(gòu),，所以就以LS系列作為例子。 2 外部波紋管走線 LS系列也是采用外部波紋管走線,，這進(jìn)一步簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì),，而且減少了二關(guān)節(jié)的中間零件，這也進(jìn)一步減少了慣量,，也有利于性能的提升,。也難怪LS系列在中國成了爆款，銷售遙遙領(lǐng)先,。也正因?yàn)槿绾�,，LS系列的個(gè)別型號(hào)價(jià)格壓得很低，低到幾乎是國內(nèi)同等規(guī)格設(shè)計(jì)的成本價(jià),。因此,，這個(gè)規(guī)格的SCARA競(jìng)爭(zhēng)相當(dāng)慘烈，國內(nèi)做得人特別多,，但是精品倒真不多,。
5 ?+ [" \+ D. u; FYAMAHA WK系列 4 ![]() 產(chǎn)品特征 1 J3、J4軸非耦合設(shè)計(jì) YAMAHA的J3軸和J4軸采用了另一種設(shè)計(jì)概念,，即把J3,、J4軸獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，每一個(gè)電機(jī)控制一種運(yùn)動(dòng),，這樣的好處是,，把一根絲桿花鍵變成了一根絲桿和一根花鍵，這在價(jià)格上也不是一加一等于二,，一根絲桿花鍵的價(jià)格可比一根絲桿加一根花鍵要貴得多,，而且絲桿和花鍵的廠家就多了去了。因此,，也這是國內(nèi)SCARA設(shè)計(jì)的另一個(gè)主要方向,，可以降低不少成本。但是呢,，便宜總是有代價(jià),，這個(gè)方案我們最早也做過樣機(jī)測(cè)試，在裝配上會(huì)有比較大的難度,，要保證絲桿與花鍵要有很高的平行度能才保存精度,，這對(duì)大批量生產(chǎn)的一線工人的裝配要求就高了,，而且絲桿和花鍵的總重量要大一些，這也影響了機(jī)器人的性能,，所以最終我們放棄了這種方案,。 2 無同步帶設(shè)計(jì) YAMAHA機(jī)器人最大的特點(diǎn)就是沒有同步帶。 其J3軸采用的是電機(jī)與絲桿直連,，而J4軸則是采用了特殊的中空電機(jī)連接一個(gè)中空的諧波減速機(jī)再連接花鍵螺母,，帶動(dòng)花鍵旋轉(zhuǎn)。 這種設(shè)計(jì)的好處是,，沒有同步帶,，所以就沒有了同步帶的磨損、張力調(diào)節(jié),、壽命等問題,。維護(hù)更少，這也是YAMAHA一直宣傳的亮點(diǎn),。但是,，同樣的問題，電機(jī)太靠前,，甚至比EPSON的G系列還要靠前,，整體的慣量還要更大，還多了一個(gè)諧波減速機(jī),，這其實(shí)對(duì)機(jī)器人的性能影響非常大,。而且，把同步帶減速換成一個(gè)諧波,，這里的成本是增加的，而選用中空電機(jī),，這又比普通電機(jī)要貴得多（相對(duì)于國內(nèi)環(huán)境來說,，YAMAHA的采購成本肯定要比我們低得多）。所以,，國產(chǎn)的SCARA很少采用這種中空電機(jī)與減速機(jī)的方案,，會(huì)想辦法把J4軸電機(jī)通過同步帶往后面拉，算是經(jīng)濟(jì)性改良版,。
c0 n; ~3 T& U/ M7 T$ ^- wStaubli TP80 5 ![]() 產(chǎn)品特征 1 最大化的減少機(jī)器人末端的慣量 TP80是目前世界上最快的SCARA,，沒有之一！作為世界之最,，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自然非比尋常,。首先，TP80本身的設(shè)計(jì)額定負(fù)載就只有0.5KG,，意味著這一臺(tái)超輕負(fù)載的機(jī)器人,。另外,，Staubli的工程師腦洞大開，想盡辦法把電機(jī)盡可能往基座上拉,，大大減小了機(jī)器人的慣量,。 如上圖所示，TP80的J1軸電機(jī)在基座的上方,，而一般放在一關(guān)節(jié)的J2軸電機(jī)也放到了基座里,，通過同步帶傳到J2軸上，而原本應(yīng)該在二關(guān)節(jié)的J4軸電機(jī)也放到了一關(guān)節(jié)上,，J3軸電機(jī)雖然還留在二關(guān)節(jié)上,，但也盡量往旋轉(zhuǎn)中心放置，因此整機(jī)機(jī)器人本體就非常輕,，慣量非常小,，所以特別快。同時(shí)線纜也隱藏在機(jī)器人內(nèi)部,，外觀很有科技感,。 當(dāng)然，這也是有代價(jià)的,，創(chuàng)新的設(shè)計(jì)帶來的是裝配難度的大大增加,，因此這款產(chǎn)品的產(chǎn)量一直不高，另外,，創(chuàng)新的設(shè)計(jì)也使得這款產(chǎn)品成本很高,，也這讓原來喜歡它的客戶望錢生嘆，可遠(yuǎn)觀而不可褻玩,！ 2 標(biāo)準(zhǔn)壁裝設(shè)計(jì) 一般的SCARA都以地面安裝為標(biāo)配,，而TP80則標(biāo)配是側(cè)面安裝，確切的原因不太清楚,，不知是應(yīng)用的需要,，還是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的妥協(xié)。但這也意味著TP80與其他廠家是無法通用的,，用TP80就得設(shè)計(jì)一個(gè)特殊的支架才行,。這對(duì)用戶來說，有些時(shí)候也會(huì)是一個(gè)糟點(diǎn),。
/ l; V- S, T( a8 F# k DDENSO HSR系列 6 ![]() 產(chǎn)品特征 1 最漂亮的SCARA 作為壓軸的產(chǎn)品,，我認(rèn)為DENSO的這一款SCARA是我心中最漂亮的SCARA，絕對(duì)沒有之一,。大音稀聲這個(gè)詞可以用來形容這款產(chǎn)品,。線條非常簡(jiǎn)潔，不像TP80那樣線條分明,，但是整體讓人看了眼前一亮,，性能方面已不是重點(diǎn),，光是顏值就已經(jīng)Hold住全場(chǎng)。 2 小慣量設(shè)計(jì) 與TP80類似,，HSR也盡量減少了機(jī)器人的慣量,。首先，J1軸電機(jī)還是在基座的下方,，與大多數(shù)機(jī)器人類似,。但至于用的是否是諧波減速機(jī)，目前不太清楚,。正常來說SCARA用的絕大多數(shù)是諧波,，而TP80的J1軸用的是RV，但HSR讓我有疑問是因?yàn)�,，HSR在650mm臂長(zhǎng)的時(shí)候,，標(biāo)稱的重復(fù)定位精度居然達(dá)到0.012mm。要知道其他廠家在這個(gè)臂長(zhǎng)標(biāo)稱都是0.02mm,，雖然我們實(shí)測(cè)也比0.02mm小,，但是考慮在不同的點(diǎn)位會(huì)有一點(diǎn)偏差，而且考慮到長(zhǎng)期的磨損問題,，我們會(huì)有一點(diǎn)冗余,，所以保守地標(biāo)0.02mm，而DENSO直接標(biāo)到0.012mm,，目前不知道是因?yàn)樗麄冇刑厥獾脑O(shè)計(jì)使得精度進(jìn)一步提升,，還是他們標(biāo)了一個(gè)更有野心的值，這個(gè)精度是否全工作空間適合還有穩(wěn)定時(shí)間我是比較疑惑的,。 DENSO把J2軸電機(jī)放到一關(guān)節(jié)上,，而且是放到了J1軸的旋轉(zhuǎn)軸上。這樣雖然比不上TP80放到基座那樣減少了重量（實(shí)際加上同步輪,、軸承等設(shè)計(jì)也未必能減多少）,，但整體結(jié)構(gòu)比TP80要簡(jiǎn)化了一些。 至于J3,、J4軸，目前官網(wǎng)并沒有公開說明其設(shè)計(jì),，所以目前我也不太清楚,。我的猜測(cè)是J3、J4軸電機(jī)還是在二關(guān)節(jié)上,，可能其中有一個(gè)電機(jī)放在了J2軸旋轉(zhuǎn)軸上,，進(jìn)一步減少了慣量，甚至有可能J4軸電機(jī)使用了中空電機(jī),。當(dāng)然,，這些純屬我的YY,，目前這款機(jī)器人在國內(nèi)還沒有銷售，如果有讀者了解其結(jié)構(gòu)的話,，歡迎在留言區(qū)分享出來,。 3 優(yōu)美的走線設(shè)計(jì) 雖然HSR也采用了外部走線，但是,，與其他SCARA不同的是,，DENSO并沒有使用傳統(tǒng)的波紋管，而是采用了一種非標(biāo)的支撐結(jié)構(gòu),，應(yīng)該是自己開模設(shè)計(jì)的,，因?yàn)楸容^小，我一開始還以為只是一個(gè)裝飾,。后來看了宣傳視頻才了解到J2軸電機(jī)放到J1軸旋轉(zhuǎn)軸,，那么J2軸電機(jī)線纜就不需要經(jīng)過這個(gè)線纜支撐，即里面的線變少了,。 看圖片DENSO似乎把前面的線纜變集成為一條大的線纜,，也有可能是視頻制作的簡(jiǎn)化。如我前面講過,，如果真是這樣的設(shè)計(jì)的話一般是定制線纜,，生產(chǎn)上會(huì)方便一些，也簡(jiǎn)潔,，但是線纜的柔性會(huì)下降,，轉(zhuǎn)變半徑會(huì)變大，更容易磨損,，所以我也挺好奇DENSO這一款的壽命測(cè)試結(jié)果是怎樣的,。 總之，目前對(duì)這款機(jī)器人的性能還是結(jié)構(gòu)了解還不太多,，相信等在國內(nèi)批量銷售之后,，性能與結(jié)構(gòu)的揭密就會(huì)出來了。 - C0 N; M# P9 @% l2 u$ g2 K$ w
08 01-2018 謝謝垂閱 最后說兩句：不知不覺雜七雜八寫了不少,，統(tǒng)計(jì)了一下已經(jīng)有5千字,，一般閱讀需要16分鐘，微信文章怕寫太長(zhǎng)大家看得累,，所以SCARA機(jī)器人的設(shè)計(jì)要點(diǎn)就放到下一篇了,。這一篇如果有哪里寫得不清楚，大家想進(jìn)一步了解的,，歡迎在留言區(qū)留言,。 ) L3 r' H/ I3 c; X K7 K) E9 F
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發(fā)表于 2018-1-8 20:02:09
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