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标题: 没遇到这些坑，你都不好意思说你设计过SCARA [打印本页]

作者: ww112358134711 时间: 2018-1-22 12:33
标题: 没遇到这些坑，你都不好意思说你设计过SCARA
本帖最后由 ww112358134711 于 2018-1-22 12:35 编辑

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按照惯例前面都有一段废话

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SCARA的易与难

SCARA机器人是多关节机器人中比较简单的一款机型。说它简单，是因为只有4个自由度，结构相对简单，而且通用型的SCARA的设计概念已经比较清晰，也比较公开，所以门槛很低，是这两年很多新兴的机器人公司选择最先开发的产品，而且价格越做越低，个别售价低到我怀疑人生~~~

说SCARA难，是因为大家有目共睹，这么多年过去了，市场上还是EPSON独占鳌头，其他国产品牌望尘莫及。说到底原因是SCARA结构虽简单，但在细节上却有很多坑。这不是买份图纸或者拆几台EPSON的机器人就可以GET到的。哪怕两家选用一模一样的零部件，不同的工艺生产的机器人也很可能相去甚远。

今天我们要讲的就是，以通用SCARA为例，大家使用的都是类似的零部件，那么不同厂家的差异性在哪里，从设计到量产，有哪些坑是很可能会遇到的。

这一篇知识点也会比较杂，有些可能不太好理解，我尽量请通俗一点。

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Question1

设计需求设定

这是SCARA设计的第一步，首先得知道你设计的SCARA面向的哪些客户，面向哪些应用。细一点说就是SCARA的臂长、负载、精度、防护等级等等，具体随便找一个厂家去看他们的宣传手册就知道有哪些参数。合理的设计需求很重要，设计机器人的最终目的就是卖出去，这不是做科研，去挑战极限，而且是追求合理。所以一般要先做市场调研，挑清楚自己想在做哪一块再动手。

目前来说，3~6KG的SCARA是市场上做得最多的SCARA，竞争相当惨烈！这里其实很多人写过，我就不多废话。

臂长布局

SCARA的臂长布局有三个，A轴、B轴、Z轴。A轴即一关节，B轴是二关节，Z轴就是花键丝杆（我们不讲丝杆和花键分离的设计）。大多数厂家都会按负载来区分系列，同一系列有不同展长。比如QKM的Athena系列（简称AH）SCARA，最大负载6KG，臂长有450、500、650可选。一般的做法是有一个基本款，然后通过改变一关节的长度去衍生其他型号。而基本款的臂长一般是对半。还是以QKM的AH系列为例，基本款为AH-500，即A轴、B轴都是250mm，而其他两个型号AH-450和AH-650都是二关节不变，改变一关节的长度来实现。

A轴=B轴是工作空间占有率（注意不是工作空间大小）最大的配合。置于为什么不同臂长是改变一关节长度而不是二关节长度呢？原因很简单，二关节的结构比一关节要复杂得多，所以二关节的开模费和机加费也比一关节贵多了。像AH系列的一关节采用的是铝型材拉伸的方式，连重新开模都省了，只需要切不同长度的铝型材就好了，当然，这也不是我们平时看到的是铝型材，是自己设计开模的。

Question2

Question3

电机选型

电机是SCARA机器人驱动部件。也是决定机器人性能的主要零部件之一。同等规格的SCARA在电机功率选型上基本都相同，只是品牌不同，惯量、扭矩、性能略有不同而已。

那不同品牌的电机的差别在哪里呢？（注意，如果只是电机与电机来比个高下的话，那还是一句老话，一分钱一分货。不过呢，我们要评判的机器人整体性能，所以并没有必要追求极致。）

最高转速：750W以下的电机，大多数的最高转速有5000RPM和6000RPM，个别会更高。这在之前讲cycle time的时候已经讲过，最高转速对cycle time的影响非常有限，而且也受谐波减速机的限制，谐波减速机不一定可以承受很高的输入转速，越大号的减速机最大输入转速越低。

输出扭矩曲线：这是一个很重要的品牌差距。我们专门买了一台专业测试电机性能的仪器，对不同品牌电机输出扭矩与速度的变化关系。我们都知道，额定转速下，电机的输出扭矩是比较稳定的，不同品牌差距不大，但过了额定转速，就是秀肌肉了。随着转速的提升，扭矩会随之下降，好的电机扭矩下降会比较平缓，而差一点的电机几乎是断崖式的下降。扭矩下降就意味着加速度上不去，速度自然上不去。

发热：能量传递效率也是品牌差距所在。效率越低意味着有用功越少，那损失的能量去哪里了呢？大部分都转化为热能。对于小型机器人来说，“散热”是非常关键的设计，因为空间紧凑，各个部件都靠得比较近，会相互影响。所以如果电机发热严重，那么在高速运动时，一旦温度过高，电机转子漆包线表皮过热熔化，电机就是短路挂了。另一方面，电机的热会传递给减速机，对谐波减速机来说，温度过高，会导致油脂变质，大大增加磨损，指不定什么时候就挂了。

惯量比：在做设计时，还要注意一个负载惯量比问题。即机械臂的所有负载（包含设计负载与机械臂本身）经过减速机构之后折算到电机转子的惯量与转子本身惯量的比例。一般是转子的N倍。听不懂的请百度有相关专业论文。通俗来说，就是指控制的难易程度或响应程度，倍数越小，越容易控制，响应越快，比如机床上的惯量比一般比会比较小。对机器人来说，自然也是越小越好，但实际比较难实现，所以有一个相对比较好的经验值，需要自己搜索（此处省略几十字）。

体积：不同品牌的电机有时体积还挺大，特别是国产电机，很多时候会比同等规格的进口电机屁股长出一段，这会很影响机械设计。SCARA相对还好一点点，但如果你去看国产的六轴，就会发现不少国产六轴的后面是小蛮腰，前端却托着个大饼脸，456轴太肥了，惯量要大很多，就是因为电机太长的缘故。图就不好放上来了，万一为看出是什么品牌我就要挨骂了。大家自行搜图。

减速机选型

这绝对是SCARA本体的第一大坑，没有之一！没有之一！没有之一！小型SCARA一般只有J1、J2轴会用减速机，而且是用谐波减速机，原因是谐波减速机体积小，精度高。

但是谐波减速机在使用上有非常非常非常多的细节问题。首先是品牌差异，目前国内做谐波的有很多家，其中做得比较大的也有几家，不同品牌之间，由于齿型不同、零部件不同、加工工艺不同，有相当大的差异；其次，谐波装配的好坏与客户有非常大的关系。谐波的装配要求说到底只有一个，就是波发生器与刚柔轮同轴要求，但是要实现这个目的，那要考虑的东西就多了。

所以业内有不少人都感叹，明明与四大家族用的是都是HD的减速机，但是寿命和性能就是不一样。这就是因为装配零件的设计和装配工艺不同导致。

在减速机装配上，我们花了好几年，遇到各种各样的坑才最终搜索出一套谐波的装配方法与设计方法。装配10套是一回事，装配100、1000套那就是完全不同的概念了。

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所以假设你的SCARA还在样机阶段，没什么问题，别高兴得太早，后来有的是坑在等着你。如果你已经批量，而且正在遇到漏油、卡滞、异响、寿命短等问题，淡定，这不是你们家独有的问题，用谐波的人都遇到过，把坑一个一个填平了就稳定了。不过，有一个前提是，巧妇难为无米之炊，如果你用的是特别便宜的国产品牌，那恭喜你，认命吧，他们自己也没搞清楚谐波是怎么回事。

Question4

Question5

同步带同步轮

同步带同步轮是常用减速比比较小的地方。在SCARA上常用在J3、J4轴。在本体的成本构成中，同步带同步轮的成本占比很小。但是有一些小细节也要注意。比如防止买到假货（特别是3M，那做的人太多了），比如如何调整张力、比如同步带的磨损问题、张力下降问题~~

丝杆花键

丝杆花键是SCARA也是SCARA的重要零部件。而且，由于制作困难，不管是国内还是国外，做的人都非常少，可能是有些关键工艺没有解决。所以客户的选择性也不多，能用的就那么几家。安装上也基本类似，品牌差异主要是在精度与产品一致性。

丝杆花键最大的坑其实是在维护这一块，丝杆花键是需要定期润滑保养的。但是，使用者经常会忘记懒得保养，导致滚珠/滚道磨损，缩短寿命。

Question6

Question7

散热

散热设计是小型机器人的设计关键。因为小型机器人内部空间很小，电机、减速机等发热部件很靠近，彼此影响。特别是防护等级达到IP65的设计，因为内部与外部的空气不流通，热量无法散出，所以只能通过内部空气以及本体散热。因此，如何想办法把内部热量均匀散开，而不是聚集在一起，就是设计关键。否则就是我之前讲过的，也许你瞬间速度很快，但是跑一段时间，热量上来了，机器人就会过热，轻者报警、重者直接挂了。

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生产

这也是每一家都会遇到的坑，而且是大坑。

在机器人研发阶段，样机少，一般是由研发人员装配，因为对产品很熟，有专业素养，所以装配效果会比较好。但是，一旦进入量产阶段，就大不一样了。工人对产品不一定了解，而且不同工人的专业素养不同，所以装配出来的结果会有很大差异。因此，模块化的设计、专业的培训、严格的品质把握就非常重要。

生产量每上一个数量级，就是一个鬼门关，很容易批量品质问题。牢牢记住一个点就是，在整个生产系统中，人是最不稳定的因素，人是最不可控的，是最容易出现问题的地方。

Question 8

最后说两句

上面从立项到生产，可能说得有点杂了，某些重要的，比如减速机，后面我再整理一下，把能够公开的再系统讲一次，敬请期待。

作者: 鹰头猫 时间: 2018-1-22 13:05
原来SCARA这么多坑...

作者: 阿狂 时间: 2018-1-22 14:23
好多图片显示不出来啊。

作者: 454141017 时间: 2018-1-22 16:30
轻型的仿SCARA，分割器转台，立柱升降，同步带带动B摆臂和Z轴。凑合着自己用。

作者: xiaobing86203 时间: 2018-1-22 18:03
最近用了一款安川的小机器人GP7，感觉这类小机器人都比较坑啊，占地布局没节省，工作半径又比较小，所以有看到的社友需注意了，这类小型机器人只适合吊装啊。

作者: 晓昀 时间: 2018-1-22 18:42
机器人发展还有很长的一段路要走。不论从技术，配套商，生产制造还是市场和人才，还处在摸索发展阶段。

楼主整理的知识非常好，能够给不了解这个行业的人一个抛砖引玉的作用。

作者: 1309537392 时间: 2018-1-23 11:27
长知识了

作者: 未来机关 时间: 2018-3-8 10:44
我是做scara机械臂的。楼主说的真的太对了，减速机问题太多了。于是

我们造的是直驱电机的scara机械臂。没有了减速机。精度比减速机高。寿命也比减速机长多了。
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作者: wanglin222 时间: 2018-3-8 10:57

未来机关发表于 2018-3-8 10:44; u, \. w7 _( \
我是做scara机械臂的。楼主说的真的太对了，减速机问题太多了。于是
: F8 b+ m" m* u G! |/ ^: v我们造的是直驱电机的scara机械臂 ...

直驱电机精度怎么保证？

作者: 小蔡 时间: 2018-3-8 11:15
8楼的兄弟，电机直驱的话，电机的功率要大很多吧，而且停止时的精度能达到要求吗？

作者: 未来机关 时间: 2018-3-9 11:20

wanglin222 发表于 2018-3-8 10:576 H+ b- X* z7 Z6 E* A3 H7 L
直驱电机精度怎么保证？

精度依靠编码器的反馈保证。实测，重复定位精度小于1个丝。比减速机的好多了。减速机的在外力作用下，本身的弹性还会导致很大的误差。而直驱的，因为做实时的反馈，所以外力作用下也能保证精度。外力的情况下，精准定位时间会长一点。

作者: 未来机关 时间: 2018-3-9 11:23
本帖最后由未来机关于 2018-3-9 11:26 编辑

小蔡发表于 2018-3-8 11:15
/ @. }* }7 j9 X$ E( f! ^3 f* G- F8 V8楼的兄弟，电机直驱的话，电机的功率要大很多吧，而且停止时的精度能达到要求吗？

电机的功率是转速和转矩的乘积。电机是高转矩，低速度的电机。因为没有谐波减速机的发热损耗，总的输入功率不到100W。非常省电。比谐波减速机的功率小很多。停止的时候，比谐波的更稳。谐波输出是柔轮，本身有弹性。直驱没有这个弹性环节了，定位时间更短。实际用百分表打过表，非常爽。

作者: 未来机关 时间: 2018-3-30 15:34
产品，已经开始卖了，请各位多多捧场。如果有兴趣，可以做代理。合作方式很多。[attach]449549[/attach]

作者: 而咚 时间: 2018-3-31 19:13
多谢分享，正在做毕设，来学习学习

作者: 蓝zuzu 时间: 2018-4-15 12:02
不错

作者: 啊！同目 时间: 2018-4-16 10:26
很厉害啊！学习学习

作者: lixingbiao1203 时间: 2018-5-10 14:28
厉害了

作者: 翁进贤 时间: 2018-5-26 13:18
学习了

作者: newlaw2008 时间: 2018-5-31 21:45

未来机关发表于 2018-3-8 10:448 T9 ]2 \1 ^: L4 c$ T! S9 B
我是做scara机械臂的。楼主说的真的太对了，减速机问题太多了。于是6 H0 D9 }& |! C
我们造的是直驱电机的scara机械臂 ...

电机直驱，不采用减速机，需要伺服电机的性能超强，输出转矩是最大的问题啊，请问你们是用的什么牌子的电机呢？

作者: 韩良佐 时间: 2019-2-19 14:26

长知识了

作者: billgong333 时间: 2019-2-21 13:25
这个机械臂看着简单，实际要设计的间隙小，精度高，还是很难的

作者: 漠舞 时间: 2019-2-21 17:06

机器人发展还有很长的一段路要走。不论从技术，配套商，生产制造还是市场和人才，还处在摸索发展阶段。7 a, v6 f( n$ k5 a0 z' ?
7 F N4 `& F# x
楼主整理的知识非常好，能够给不了解这个行业的人一个抛砖引玉的作用。

作者: 风仔很忙 时间: 2019-2-21 23:06
哦~

作者: TracyM123 时间: 2019-7-30 09:19
不错不错！！！！！！！！！！！

作者: 老沈zj 时间: 2020-6-28 11:23

未来机关发表于 2018-3-8 10:44
8 D2 v+ @9 J4 i. D6 I7 V我是做scara机械臂的。楼主说的真的太对了，减速机问题太多了。于是6 g3 {% A1 ~' K" T4 f) }' |# d
我们造的是直驱电机的scara机械臂 ...

这个机械臂公差怎么定啊？大概控制在多少左右，才能控制精度在±0.01mm左右

作者: aflyq 时间: 2020-8-3 10:01
我想请教一下关于scara的精度不稳定问题，以及解决办法，有谁知道吗？

作者: liuyong453 时间: 2020-8-3 16:34

未来机关发表于 2018-3-9 11:20
: {/ A' x& b: y5 M+ \0 T精度依靠编码器的反馈保证。实测，重复定位精度小于1个丝。比减速机的好多了。减速机的在外力作用下，本 ...

感觉有点反人类的设计。直驱能做好！假如1：100的谐波，我是不是可以理解为电机功率要放大100倍。这100倍的电机的成本应该会比谐波不知道重了多少，同时成本会低吗？？？？？

作者: 0388 时间: 2020-11-10 09:24
谢谢分享

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