2018年第一篇干貨
3 F" ~8 P, {$ c K我有近兩周沒(méi)有更新了,,就為了憋個(gè)大招~~~. y; X6 o' [* ~7 n$ ^4 C4 W# X7 Y
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(lái)說(shuō),,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(guò)的機(jī)器人圖紙拿出來(lái)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(mén)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(méi)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(ài)好者的作品,,也有了解過(guò)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。
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第一 便宜沒(méi)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(lái),,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(guò)四大家之一的機(jī)器人裝配線,,只能走專門(mén)的參觀路線,走馬觀花,,快速走過(guò),,而且還有專人盯著你,防止你拿出手機(jī)拍攝,,可見(jiàn)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(wú)法形成文檔,。所以,,有一個(gè)很老的梗是,國(guó)內(nèi)抄國(guó)外的某個(gè)設(shè)備,,看到國(guó)外圖紙上多了一個(gè)孔,,也不知道有什么用,但既然國(guó)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(jiàn)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(guò),,把坑一個(gè)一個(gè)填平了,,產(chǎn)品就出來(lái)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(jiàn)的SCARA結(jié)構(gòu)介紹給大家。圖紙呢,,沒(méi)有,,爛的圖紙我也不好意思給你,我設(shè)計(jì)過(guò)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(jiàn)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(shuō)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(guò)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。 ; ^# f6 e. s7 X: F2 E
重點(diǎn)說(shuō)明:下面所講的結(jié)構(gòu)都根據(jù)各個(gè)廠家給出的公開(kāi)資料做的合理猜測(cè),,文中所說(shuō)的“類似”“相同”等字眼是指廠家之間的理念相似,,沒(méi)有誰(shuí)挑誰(shuí)的說(shuō)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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, O. { z- c7 ~7 F; W* jEpson 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(lái)說(shuō),,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(lái)了,。' i; \+ ?0 O1 [# H) L2 `( c2 S
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(guó)也有個(gè)別廠家在做,。基本上這幾家我們都一一做過(guò)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(lái)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(méi)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。 ( \: ^2 p/ q, ~4 Z
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(wèn)題,,國(guó)內(nèi)很多減速機(jī)廠家自己都沒(méi)搞清楚,而且出問(wèn)題了這責(zé)任就不好界定了,,是三件套品質(zhì)問(wèn)題還是客戶設(shè)計(jì)問(wèn)題呢,?所以你會(huì)發(fā)現(xiàn),,HDS在中國(guó)幾乎不銷售三件套,其他廠家也很少賣或者根本就沒(méi)有,。而大部分國(guó)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(méi)有外部的波紋管,,外觀看起來(lái)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(lái)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),。 + a7 }8 p6 l |5 f! @! t) i& L
IAI 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(guò)目前據(jù)我所知,IAI的SCARA在中國(guó)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(jiàn)的設(shè)計(jì)。 ! B+ C7 c+ R( c& d1 T
Epson 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(lái)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(méi)有找到Cobra的結(jié)構(gòu)圖,要講解起來(lái)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(guó)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(guó)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(guó)內(nèi)做得人特別多,,但是精品倒真不多,。 # F' P3 }3 ~) K& t6 Y6 l
YAMAHA 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(guó)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(guò)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(wú)同步帶設(shè)計(jì) YAMAHA機(jī)器人最大的特點(diǎn)就是沒(méi)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(méi)有同步帶,所以就沒(méi)有了同步帶的磨損,、張力調(diào)節(jié),、壽命等問(wèn)題。維護(hù)更少,,這也是YAMAHA一直宣傳的亮點(diǎn),。但是,同樣的問(wèn)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(guó)內(nèi)環(huán)境來(lái)說(shuō),,YAMAHA的采購(gòu)成本肯定要比我們低得多),。所以,國(guó)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(guò)同步帶往后面拉,,算是經(jīng)濟(jì)性改良版。
! Y3 l( f% v, e" s; z+ yStaubli 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(méi)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(kāi),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(guò)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(lái)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(lái)喜歡它的客戶望錢(qián)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(wú)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(lái)說(shuō),,有些時(shí)候也會(huì)是一個(gè)糟點(diǎn)。 # s1 R4 w. e& F% L
DENSO 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(méi)有之一。大音稀聲這個(gè)詞可以用來(lái)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(lái)說(shuō)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(wèn)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(wèn)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(méi)有公開(kāi)說(shuō)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(guó)內(nèi)還沒(méi)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(lái),。 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(méi)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(kāi)模設(shè)計(jì)的,,因?yàn)楸容^小,我一開(kāi)始還以為只是一個(gè)裝飾,。后來(lái)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(guò)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(guò),,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(guó)內(nèi)批量銷售之后,,性能與結(jié)構(gòu)的揭密就會(huì)出來(lái)了,。
O3 _3 _: O8 d1 g' u2 I08 01-2018 謝謝垂閱 最后說(shuō)兩句:不知不覺(jué)雜七雜八寫(xiě)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(xiě)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(xiě)得不清楚,,大家想進(jìn)一步了解的,歡迎在留言區(qū)留言,。
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