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2018年第一篇干貨 5 s3 b4 s E. `8 W5 O+ ^
我有近兩周沒有更新了，就為了憋個大招~~~5 Z9 |4 y; O8 {+ Z5 a+ o
很多人在設計一款新機器人的時候，第一件事就是去“調研”，除了市場調研之外，機械工程師很多時候是去查某一家有什么專利，怎么設計的，用的什么電機、減速機、多少減速比之類。而對于初學者來說，很可能會去買圖紙，可能是淘寶、可能是一些專業抄數的，也可能是有些人把自己設計過的機器人圖紙拿出來賣。 你是不是以為我要講從道德上如何譴責這樣種行為？Too young too simple！“抄”絕對是一門藝術，抄到超越原作的例子多了去了。而且咱們這不打口水戰，只談技術。 我這篇文章要講的是，但凡你在網上能找到的圖紙其實都是沒有用的，專業抄數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。大部分可能是畢業設計或者業余愛好者的作品，也有了解過抄數或者專業賣圖紙的，這種當然比你去淘寶或者網上免費下載的好一些，但如果你想靠這些圖紙去做出一個好產品，那你就要三思了。
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8 a }6 V9 I- [/ _/ @ s) u: f* [4 \第一 便宜沒好貨，好貨不便宜 你能拿到的圖紙絕對不會是什么大公司的產品圖紙，大公司對圖紙保密都比較嚴格，不會輕易流出來，別人輕易不敢賣，大多數是一些拿著一份圖紙跳到這家小公司做一做，再跳到另一家小公司改一改，你想這要真的是一份好產品的圖紙，好的機器人公司就不會這么少了，大家都不需要做研發，去買圖紙就好了。 工藝是圖紙給不了的 這是關鍵中的關鍵。即使你拿到抄數的圖紙，外觀、結構都可以抄，但工藝是很難抄的。哪怕你拿到了四大家族的機器人圖紙，你也做不到人家的水平，因為工藝你不知道。我曾經曾經去參觀過四大家之一的機器人裝配線，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，防止你拿出手機拍攝，可見人家對裝配工藝的保密程度。 裝配順序、裝配手法、檢測手段、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，有一個很老的梗是，國內抄國外的某個設備，看到國外圖紙上多了一個孔，也不知道有什么用，但既然國外加這個孔，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。也有一個在日本很常見的現象，某個簡單的工位，一個老頭可以干幾十年。各位，不管什么事情，你要是能明日復一日年復一年干上十年，你就是這方面的專家。所以呢，做機器人也是一樣，別總想著彎道超車，該踩的坑一個也繞不過，把坑一個一個填平了，產品就出來了。· 第二 劃重點 今天到底講什么干貨 廢話這么多，我們今天要講的呢？很簡單就是把現在市場上比較常見的SCARA結構介紹給大家。圖紙呢，沒有，爛的圖紙我也不好意思給你，我設計過的圖紙呢，我也不敢給你，也給不了，都在公司電腦里，層層把關保管著。但是呢，我把現在市場上常見的SCARA結構分了一下類，把每一類的結構都給大家介紹一下，有哪些優點，哪些缺點，這比你去淘一份圖紙要好多了。特別說明，這些知識比較適合新手，大神請繞道！！另外呢，我后面也會整理一下設計SCARA的時候要注意的地方。你要設計SCARA，哪些坑是你可能會遇到的，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備一下再跳下去是吧。
& P% [3 D- P& ~) X 重點說明：下面所講的結構都根據各個廠家給出的公開資料做的合理猜測，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，我也不知道哪個產品在前哪個產品在后。文章也僅供交流學習。 1 H$ d# u7 y( z+ P0 o! V6 x
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, b. `8 C. }! E: NEpson G系列 1 ![]() 產品特征 1 J2、J3、J4電機呈直線排列 從上圖可以看到，G系列的2、3、4軸電機呈直接排列，而且J3軸電機比J4軸的電機要大，原因是J3軸是絲桿的上下運動，力較大，而且是一級同步帶減速（絲桿本身也有減速作用），所以J3軸電機還是在帶剎車的，為的是斷電的時候負載不會輕易下降（這是對小負載來說，大負載的話，J3、J4都會加剎車）。J4軸電機則使用兩級同步帶減速，控制絲桿的旋轉。 電機呈直線排列的好處是，整個關節可以收窄，變得比較細長，但是缺點也是比較明顯的，由于J3軸電機離J2軸旋轉中心比較遠，又是稍大的電機，整個二關節的慣量會增大很多，這對機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。7 r9 H0 l: \5 a. s
2 J3、J4軸耦合設計 不僅是G系列，Epson的所有SCARA都是采用J3、J4軸耦合的設計，意思是J3、J4軸是聯動的。想要絲桿單純上下運動或者旋轉運動都需要同時運動兩個電機。耦合的原因是用了滾珠絲桿花鍵軸，簡稱絲桿花鍵。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。制作工藝非常復雜。目前業界做得最好的當然是日本的THK，很大一塊市場份額都在THK手里，另外，咱們的灣灣、大陸、韓國也有個別廠家在做。基本上這幾家我們都一一做過詳細的測試，THK排第一，這實至名歸，其他廠家的話，也各有優劣，有興趣的朋友可以在留言區討論。 采用絲桿花鍵的好處是可以簡化設計，但缺點也很明顯，就如同iphone X出來時大家朋友圈所“揭秘”的缺點一樣——就是貴！！不管絲桿花鍵的這種設計還是比較普遍的，大部分廠家都會采用這種設計。 3 J1、J2軸中空設計 G系列還有一個特點是J1、J2軸都采用了中空中線的設計，而且，Epson并沒有采用標準的中空組合型減速機，Epson采用的是諧波減速機的三件套——鋼輪、柔輪、波發生器，然后自行設計支撐軸承。 ( j: K# u- V" w( d* r' n
這樣的好處是成本更低，結構更緊湊，但是這是大廠家、高手的玩法，因為三件套的裝配、支撐的設計、密封等等都比較困難，很容易出問題，國內很多減速機廠家自己都沒搞清楚，而且出問題了這責任就不好界定了，是三件套品質問題還是客戶設計問題呢？所以你會發現，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，外觀看起來更簡潔，防護等級也可以做得更高，比如倒掛型的SCARA一般就都采用中空走線。但中空走線對線纜的性能要求會更高，因為中空走線的空間更小，線纜的活動范圍更小，這樣機器人在快速來回運動時，對線纜的磨損會加快。當然這隨之也會相對增加成本，像EPSON這種中空設計是稍復雜了一點。 7 L# B) p2 U3 ]2 W2 o! p
IAI IX系列 2 ![]() 產品特征 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軸電機直線排列的布局設計。 2 J4軸使用了一個行星減速機 G系列的J4軸采用的是同步帶兩級減速，而IAI則使用了一個行星減速機。該行星減速機是一段比，即減速機在10以下，采用行星減速機之后結構自然是簡化了，但是行星減速機會大大增加了二關節的重量與慣量，而且行星減速機背隙一般會比較大，背隙1弧分以下的行星非常貴，所以個人認為這個設計并不是太好。一般只在大負載的SCARA，因為減速比要比較大，用同步帶減速設計在體積上會同步輪會比較大，所以才會選用一個行星減速機。不過目前據我所知，IAI的SCARA在中國的市場占有率也不大。 3 波紋管走線 IAI在走線方面采用了傳統經濟的外部波紋管走線的設計，這是最常見的設計。 $ X- ~ r; T& q5 x7 v- f* N
Epson LS系列 3 ![]() 產品特征 1 J2、J3、J4軸電機呈三角形布局 LS系列我個人認為是G系列的改進版，將J2、J3、J4電機呈三角形布局，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，整體結構非常緊湊。 其實本來我是想放的是Adept 的Cobra機器人，似乎Adept才是最早采用這種三角布局的廠家，也正是因為成三角形，所以Adept才把這款SCARA命名為Cobra（眼鏡蛇），因為跟眼鏡蛇的頭很像。但是很遺憾我沒有找到Cobra的結構圖，要講解起來就比較麻煩。剛好LS也是這種結構，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，這進一步簡化了設計，而且減少了二關節的中間零件，這也進一步減少了慣量，也有利于性能的提升。也難怪LS系列在中國成了爆款，銷售遙遙領先。也正因為如何，LS系列的個別型號價格壓得很低，低到幾乎是國內同等規格設計的成本價。因此，這個規格的SCARA競爭相當慘烈，國內做得人特別多，但是精品倒真不多。
& ]& c2 M- d/ V! q+ \- f$ w8 [- i5 WYAMAHA WK系列 4 ![]() 產品特征 1 J3、J4軸非耦合設計 YAMAHA的J3軸和J4軸采用了另一種設計概念，即把J3、J4軸獨立運動，每一個電機控制一種運動，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，這在價格上也不是一加一等于二，一根絲桿花鍵的價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SCARA設計的另一個主要方向，可以降低不少成本。但是呢，便宜總是有代價，這個方案我們最早也做過樣機測試，在裝配上會有比較大的難度，要保證絲桿與花鍵要有很高的平行度能才保存精度，這對大批量生產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，這也影響了機器人的性能，所以最終我們放棄了這種方案。 2 無同步帶設計 YAMAHA機器人最大的特點就是沒有同步帶。 其J3軸采用的是電機與絲桿直連，而J4軸則是采用了特殊的中空電機連接一個中空的諧波減速機再連接花鍵螺母，帶動花鍵旋轉。 這種設計的好處是，沒有同步帶，所以就沒有了同步帶的磨損、張力調節、壽命等問題。維護更少，這也是YAMAHA一直宣傳的亮點。但是，同樣的問題，電機太靠前，甚至比EPSON的G系列還要靠前，整體的慣量還要更大，還多了一個諧波減速機，這其實對機器人的性能影響非常大。而且，把同步帶減速換成一個諧波，這里的成本是增加的，而選用中空電機，這又比普通電機要貴得多（相對于國內環境來說，YAMAHA的采購成本肯定要比我們低得多）。所以，國產的SCARA很少采用這種中空電機與減速機的方案，會想辦法把J4軸電機通過同步帶往后面拉，算是經濟性改良版。
0 W( f% u4 y5 M& l! i% UStaubli TP80 5 ![]() 產品特征 1 最大化的減少機器人末端的慣量 TP80是目前世界上最快的SCARA，沒有之一！作為世界之最，其結構設計自然非比尋常。首先，TP80本身的設計額定負載就只有0.5KG，意味著這一臺超輕負載的機器人。另外，Staubli的工程師腦洞大開，想盡辦法把電機盡可能往基座上拉，大大減小了機器人的慣量。 如上圖所示，TP80的J1軸電機在基座的上方，而一般放在一關節的J2軸電機也放到了基座里，通過同步帶傳到J2軸上，而原本應該在二關節的J4軸電機也放到了一關節上，J3軸電機雖然還留在二關節上，但也盡量往旋轉中心放置，因此整機機器人本體就非常輕，慣量非常小，所以特別快。同時線纜也隱藏在機器人內部，外觀很有科技感。 當然，這也是有代價的，創新的設計帶來的是裝配難度的大大增加，因此這款產品的產量一直不高，另外，創新的設計也使得這款產品成本很高，也這讓原來喜歡它的客戶望錢生嘆，可遠觀而不可褻玩！ 2 標準壁裝設計 一般的SCARA都以地面安裝為標配，而TP80則標配是側面安裝，確切的原因不太清楚，不知是應用的需要，還是結構設計上的妥協。但這也意味著TP80與其他廠家是無法通用的，用TP80就得設計一個特殊的支架才行。這對用戶來說，有些時候也會是一個糟點。
) C5 J: \% `8 J( |DENSO HSR系列 6 ![]() 產品特征 1 最漂亮的SCARA 作為壓軸的產品，我認為DENSO的這一款SCARA是我心中最漂亮的SCARA，絕對沒有之一。大音稀聲這個詞可以用來形容這款產品。線條非常簡潔，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，光是顏值就已經Hold住全場。 2 小慣量設計 與TP80類似，HSR也盡量減少了機器人的慣量。首先，J1軸電機還是在基座的下方，與大多數機器人類似。但至于用的是否是諧波減速機，目前不太清楚。正常來說SCARA用的絕大多數是諧波，而TP80的J1軸用的是RV，但HSR讓我有疑問是因為，HSR在650mm臂長的時候，標稱的重復定位精度居然達到0.012mm。要知道其他廠家在這個臂長標稱都是0.02mm，雖然我們實測也比0.02mm小，但是考慮在不同的點位會有一點偏差，而且考慮到長期的磨損問題，我們會有一點冗余，所以保守地標0.02mm，而DENSO直接標到0.012mm，目前不知道是因為他們有特殊的設計使得精度進一步提升，還是他們標了一個更有野心的值，這個精度是否全工作空間適合還有穩定時間我是比較疑惑的。 DENSO把J2軸電機放到一關節上，而且是放到了J1軸的旋轉軸上。這樣雖然比不上TP80放到基座那樣減少了重量（實際加上同步輪、軸承等設計也未必能減多少），但整體結構比TP80要簡化了一些。 至于J3、J4軸，目前官網并沒有公開說明其設計，所以目前我也不太清楚。我的猜測是J3、J4軸電機還是在二關節上，可能其中有一個電機放在了J2軸旋轉軸上，進一步減少了慣量，甚至有可能J4軸電機使用了中空電機。當然，這些純屬我的YY，目前這款機器人在國內還沒有銷售，如果有讀者了解其結構的話，歡迎在留言區分享出來。 3 優美的走線設計 雖然HSR也采用了外部走線，但是，與其他SCARA不同的是，DENSO并沒有使用傳統的波紋管，而是采用了一種非標的支撐結構，應該是自己開模設計的，因為比較小，我一開始還以為只是一個裝飾。后來看了宣傳視頻才了解到J2軸電機放到J1軸旋轉軸，那么J2軸電機線纜就不需要經過這個線纜支撐，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化。如我前面講過，如果真是這樣的設計的話一般是定制線纜，生產上會方便一些，也簡潔，但是線纜的柔性會下降，轉變半徑會變大，更容易磨損，所以我也挺好奇DENSO這一款的壽命測試結果是怎樣的。 總之，目前對這款機器人的性能還是結構了解還不太多，相信等在國內批量銷售之后，性能與結構的揭密就會出來了。 ; G# g, \; U/ d( L# }4 K
08 01-2018 謝謝垂閱 最后說兩句：不知不覺雜七雜八寫了不少，統計了一下已經有5千字，一般閱讀需要16分鐘，微信文章怕寫太長大家看得累，所以SCARA機器人的設計要點就放到下一篇了。這一篇如果有哪里寫得不清楚，大家想進一步了解的，歡迎在留言區留言。 2 n' u/ i: N' G h" r1 n# {* q
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發表于 2018-1-8 20:02:09
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