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機械社區

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。

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。

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。

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。·

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。

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。

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。

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。

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。[attach]443587[/attach]

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。