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市场上比较常见的SCARA机械手结构

发布日期:2020-04-28

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来源:知乎

一:Epson G系列SCARA机械手

Epson G系列SCARA机械手



1.产品特征

J2、J3、J4电机呈直线排列

SCARA机械手产品特征

从上图可以看到,G系列的2、3、4轴电机呈直接排列,而且J3轴电机比J4轴的电机要大,原因是J3轴是丝杆的上下运动,力较大,而且是一级同步带减速(丝杆本身也有减速作用),所以J3轴电机还是在带刹车的,为的是断电的时候负载不会轻易下降(这是对小负载来说,大负载的话,J3、J4都会加刹车)。J4轴电机则使用两级同步带减速,控制丝杆的旋转。

电机呈直线排列的好处是,整个关节可以收窄,变得比较细长,但是缺点也是比较明显的,由于J3轴电机离J2轴旋转中心比较远,又是稍大的电机,整个二关节的惯量会增大很多,这对SCARA机械手的性能是有非常大的影响的。高中物理老师告诉我们,惯量乘以角加速度等于扭矩。在扭矩一定的情况下,惯量增加了,角加速度自然就下来了。



J3、J4轴耦合设计

不仅是G系列,Epson的所有SCARA机械手都是采用J3、J4轴耦合的设计,意思是J3、J4轴是联动的。想要丝杆单纯上下运动或者旋转运动都需要同时运动两个电机。耦合的原因是用了滚珠丝杆花键轴,简称丝杆花键。就是下面这货。

SCARA机械手耦合设计

丝杆花键,顾名思义就是把滚珠丝杆和滚珠花键集成到了一起。制作工艺非常复杂。目前业界做得最好的当然是日本的THK,很大一块市场份额都在THK手里,另外,咱们的湾湾、大陆、韩国也有个别厂家在做。基本上这几家我们都一一做过详细的测试,THK排第一,这实至名归,其他厂家的话,也各有优劣。

采用丝杆花键的好处是可以简化设计,但缺点也很明显,就如同iphone X出来时大家朋友圈所“揭秘”的缺点一样——就是贵!!不管丝杆花键的这种设计还是比较普遍的,大部分厂家都会采用这种设计。


J1、J2轴中空设计

G系列SCARA机械手还有一个特点是J1、J2轴都采用了中空中线的设计,而且,Epson并没有采用标准的中空组合型减速机,Epson采用的是谐波减速机的三件套——钢轮、柔轮、波发生器,然后自行设计支撑轴承。

SCARA机械手中空设计

这样的好处是成本更低,结构更紧凑,但是这是大厂家、高手的玩法,因为三件套的装配、支撑的设计、密封等等都比较困难,很容易出问题,国内很多减速机厂家自己都没搞清楚,而且出问题了这责任就不好界定了,是三件套品质问题还是客户设计问题呢?所以你会发现,HDS在中国几乎不销售三件套,其他厂家也很少卖或者根本就没有。而大部分国内客户也比较偏向选用组合型,可以降低装配难度。

采用中空走线的好处是,没有外部的波纹管,外观看起来更简洁,防护等级也可以做得更高,比如倒挂型的SCARA机械手一般就都采用中空走线。但中空走线对线缆的性能要求会更高,因为中空走线的空间更小,线缆的活动范围更小,这样机械手在快速来回运动时,对线缆的磨损会加快。当然这随之也会相对增加成本,像EPSON这种中空设计是稍复杂了一点。


二:Epson LS系列SCARA机械手

Epson LS系列SCARA机械手

产品特征


J2、J3、J4轴电机呈三角形布局

LS系列我个人认为是G系列的改进版,将J2、J3、J4电机呈三角形布局,即把J3、J4都往后拉,惯量大大减少了,性能有很大提升。同样,J4轴也采用两组同步带传送,整体结构非常紧凑。

其实本来我是想放的是Adept的Cobra机器人,似乎Adept才是最早采用这种三角布局的厂家,也正是因为成三角形,所以Adept才把这款SCARA机械手命名为Cobra(眼镜蛇),因为跟眼镜蛇的头很像。但是很遗憾我没有找到Cobra的结构图,要讲解起来就比较麻烦。刚好LS也是这种结构,所以就以LS系列作为例子。

SCARA机械手三角形布局

外部波纹管走线

LS系列也是采用外部波纹管走线,这进一步简化了设计,而且减少了二关节的中间零件,这也进一步减少了惯量,也有利于性能的提升。也难怪LS系列在中国成了爆款,销售遥遥领先。也正因为如何,LS系列的个别型号价格压得很低,低到几乎是国内同等规格设计的成本价。因此,这个规格的SCARA机械手竞争相当惨烈,国内做得人特别多,但是精品倒真不多。


三:IAI IX系列SCARA机械手

IAI IX系列SCARA机械手

产品特征

J2、J3、J4轴呈直线排列

与Epson的G系列相同,IAI也采用了2、3、4轴电机直线排列的布局设计。



J4轴使用了一个行星减速机

G系列的J4轴采用的是同步带两级减速,而IAI则使用了一个行星减速机。该行星减速机是一段比,即减速机在10以下,采用行星减速机之后结构自然是简化了,但是行星减速机会大大增加了二关节的重量与惯量,而且行星减速机背隙一般会比较大,背隙1弧分以下的行星非常贵,所以个人认为这个设计并不是太好。一般只在大负载的SCARA机械手,因为减速比要比较大,用同步带减速设计在体积上会同步轮会比较大,所以才会选用一个行星减速机。不过目前据我所知,IAI的SCARA机械手在中国的市场占有率也不大。


波纹管走线

IAI在走线方面采用了传统经济的外部波纹管走线的设计,这是最常见的设计。


四:YAMAHA WK系列SCARA机械手

YAMAHA WK系列SCARA机械手

产品特征


J3、J4轴非耦合设计

YAMAHA的J3轴和J4轴采用了另一种设计概念,即把J3、J4轴独立运动,每一个电机控制一种运动,这样的好处是,把一根丝杆花键变成了一根丝杆和一根花键,这在价格上也不是一加一等于二,一根丝杆花键的价格可比一根丝杆加一根花键要贵得多,而且丝杆和花键的厂家就多了去了。因此,也这是国内SCARA机械手设计的另一个主要方向,可以降低不少成本。但是呢,便宜总是有代价,这个方案我们最早也做过样机测试,在装配上会有比较大的难度,要保证丝杆与花键要有很高的平行度能才保存精度,这对大批量生产的一线工人的装配要求就高了,而且丝杆和花键的总重量要大一些,这也影响了机械手的性能,所以最终我们放弃了这种方案。



无同步带设计

YAMAHA机器人最大的特点就是没有同步带。

SCARA机械手无同步带设计

其J3轴采用的是电机与丝杆直连,而J4轴则是采用了特殊的中空电机连接一个中空的谐波减速机再连接花键螺母,带动花键旋转。

这种设计的好处是,没有同步带,所以就没有了同步带的磨损、张力调节、寿命等问题。维护更少,这也是YAMAHA一直宣传的亮点。但是,同样的问题,电机太靠前,甚至比EPSON的G系列还要靠前,整体的惯量还要更大,还多了一个谐波减速机,这其实对机械手的性能影响非常大。而且,把同步带减速换成一个谐波,这里的成本是增加的,而选用中空电机,这又比普通电机要贵得多(相对于国内环境来说,YAMAHA的采购成本肯定要比我们低得多)。所以,国产的SCARA机械手很少采用这种中空电机与减速机的方案,会想办法把J4轴电机通过同步带往后面拉,算是经济性改良版。




五:Staubli SCARA机械手 TP80

Staubli SCARA机械手 TP80

产品特征


最大化的减少机械手末端的惯量

TP80是目前世界上最快的SCARA机械手,没有之一!作为世界之最,其结构设计自然非比寻常。首先,TP80本身的设计额定负载就只有0.5KG,意味着这一台超轻负载的机械手。另外,Staubli的工程师脑洞大开,想尽办法把电机尽可能往基座上拉,大大减小了机械手的惯量。


SCARA机械手基座

如上图所示,TP80的J1轴电机在基座的上方,而一般放在一关节的J2轴电机也放到了基座里,通过同步带传到J2轴上,而原本应该在二关节的J4轴电机也放到了一关节上,J3轴电机虽然还留在二关节上,但也尽量往旋转中心放置,因此整机机械手本体就非常轻,惯量非常小,所以特别快。同时线缆也隐藏在机械手内部,外观很有科技感。

当然,这也是有代价的,创新的设计带来的是装配难度的大大增加,因此这款产品的产量一直不高,另外,创新的设计也使得这款产品成本很高,也这让原来喜欢它的客户望钱生叹,可远观而不可亵玩!

标准壁装设计

一般的SCARA机械手都以地面安装为标配,而TP80则标配是侧面安装,确切的原因不太清楚,不知是应用的需要,还是结构设计上的妥协。但这也意味着TP80与其他厂家是无法通用的,用TP80就得设计一个特殊的支架才行。这对用户来说,有些时候也会是一个糟点。


六:DENSO HSR系列SCARA机械手

DENSO HSR系列SCARA机械手

产品特征


最漂亮的SCARA机械手

作为压轴的产品,我认为DENSO的这一款SCARA机械手是我心中最漂亮的SCARA,绝对没有之一。大音稀声这个词可以用来形容这款产品。线条非常简洁,不像TP80那样线条分明,但是整体让人看了眼前一亮,性能方面已不是重点,光是颜值就已经Hold住全场。


小惯量设计

与TP80类似,HSR也尽量减少了机械手的惯量。首先,J1轴电机还是在基座的下方,与大多数机械手类似。但至于用的是否是谐波减速机,目前不太清楚。正常来说SCARA机械手用的绝大多数是谐波,而TP80的J1轴用的是RV,但HSR让我有疑问是因为,HSR在650mm臂长的时候,标称的重复定位精度居然达到0.012mm。要知道其他厂家在这个臂长标称都是0.02mm,虽然我们实测也比0.02mm小,但是考虑在不同的点位会有一点偏差,而且考虑到长期的磨损问题,我们会有一点冗余,所以保守地标0.02mm,而DENSO直接标到0.012mm,目前不知道是因为他们有特殊的设计使得精度进一步提升,还是他们标了一个更有野心的值,这个精度是否全工作空间适合还有稳定时间我是比较疑惑的。

SCARA机械手小惯量设计

DENSO把J2轴电机放到一关节上,而且是放到了J1轴的旋转轴上。这样虽然比不上TP80放到基座那样减少了重量(实际加上同步轮、轴承等设计也未必能减多少),但整体结构比TP80要简化了一些。

SCARA机械手

至于J3、J4轴,目前官网并没有公开说明其设计,所以目前我也不太清楚。我的猜测是J3、J4轴电机还是在二关节上,可能其中有一个电机放在了J2轴旋转轴上,进一步减少了惯量,甚至有可能J4轴电机使用了中空电机。当然,这些纯属我的YY,目前这款机械手在国内还没有销售。


优美的走线设计

虽然HSR也采用了外部走线,但是,与其他SCARA机械手不同的是,DENSO并没有使用传统的波纹管,而是采用了一种非标的支撑结构,应该是自己开模设计的,因为比较小,我一开始还以为只是一个装饰。后来看了宣传视频才了解到J2轴电机放到J1轴旋转轴,那么J2轴电机线缆就不需要经过这个线缆支撑,即里面的线变少了。

SCARA机械手走线设计

看图片DENSO似乎把前面的线缆变集成为一条大的线缆,也有可能是视频制作的简化。如我前面讲过,如果真是这样的设计的话一般是定制线缆,生产上会方便一些,也简洁,但是线缆的柔性会下降,转变半径会变大,更容易磨损,所以我也挺好奇DENSO这一款的寿命测试结果是怎样的。

总之,目前对这款机械手的性能还是结构了解还不太多,相信等在国内批量销售之后,性能与结构的揭密就会出来了。


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