SCARA机械臂，实现拖动示教和掉电自锁的J3结构设计

索旭东

发布于 2026-05-09 11:06:28

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需求概述

参数	数值
升降行程 L3	890 mm
末端负载	3 kg（含执行器+工件）
末端精度	±1 mm
功能需求	清洁持续正压力 + 拖动示教 + 防下坠
选型结论	57 闭环步进 + 行星减速机 + 滚珠丝杠 + 抱闸

一、关节整体架构

1.1 布局方案：电机侧置+同步带传动

推荐采用电机侧置方案（而非电机直连丝杠），原因：

对比	电机直连丝杠（同轴）	电机侧置+同步带（推荐）
轴向长度	电机长度 + 减速机 + 丝杠 = 极长	电机与丝杠并列，轴向紧凑
行程利用率	电机占行程空间	丝杠全程可用
维护性	电机拆卸需整体拆解	电机可独立拆卸
振动耦合	电机振动直接传入丝杠	同步带隔振

1.2 总体结构示意

                    ┌──────────────────┐
                    │   J2 小臂接口     │  ← 旋转法兰
                    ├──────────────────┤
                    │                  │
                    │  ┌──────────┐    │
                    │  │ 滑块座   │    │  ← 升降滑台
                    │  │ (含丝母) │    │
                    │  └────┬─────┘    │
                    │       │          │
     线性导轨  ──────┤       │          │
     (2根平行)       │       │          │
                    │       │          │
     ┌──────────┐   │  ┌────┴─────┐   │
     │ 同步带轮  │   │  │ 滚珠丝杠  │   │  ← 1605 或 1610
     │ (从动端)  │   │  │ 固定端   │   │
     └──────────┘   │  └──────────┘   │
                    │                  │
     ┌──────────┐   │  ┌──────────┐   │
     │ 电机     │   │  │ 同步带轮  │   │  ← 丝杠端同步带轮
     │ 抱闸     │───┤  │ (主动端) │    │
     │ 行星减速机│   │  └──────────┘   │
     └──────────┘   │                  │
     侧置安装板      │                  │
                    │  立柱            │
                    │  (方形铝型材)    │
                    ├──────────────────┤
                    │   基座（J1 接口） │  ← 固定法兰
                    └──────────────────┘

关键尺寸估算：

部件	尺寸（长×宽×高）	说明
立柱截面	60×60 mm 或 80×80 mm	铝型材或方管
立柱高度	950 mm（行程 890 + 两端余量 60）	含上下安装座
滑台宽度	120–150 mm	与丝母+导轨匹配
电机安装区	100×100 mm	侧置
总体外形	≈ 150×150×950 mm	含电机凸出

二、传动链详细设计

2.1 传动路线

电机轴 → 行星减速机 → 同步带轮（主动） → 同步带 → 同步带轮（从动） → 滚珠丝杠 → 丝母 → 滑台升降
  ↑
 抱闸                                                                      直线导轨导向
 编码器

2.2 减速比分配

总减速比 i_total = i_planetary × i_belt × i_screw

传动级	减速比	说明
行星减速机	i_p = 5	PLF060-5
同步带	i_b = 2	主动轮 20齿，从动轮 40齿
丝杠导程	p = 5 mm	1605 丝杠（导程 5mm）
等效总比	10 mm/rev（电机每转 → 丝杠 0.1 转 → 滑台 0.5 mm）

换算验证：

电机 1 转 → 行星减速机 0.2 转 → 同步带 0.1 转（即丝杠 0.1 转）
丝杠 0.1 转 × 导程 5mm = 0.5 mm 升降

最大速度校核：

电机最高转速 = 1500 rpm（57 步进典型值）
滑台最大速度 = 1500 × 0.5 = 750 mm/s  ✅ 远超清洁需求（通常 < 200 mm/s）

为什么选 i_b=2 而不是 i_b=1：降低丝杠转速，提高定位分辨率，同时给拖动示教留出更小的减速比。

2.3 拖动示教反向力计算

拖动示教模式（零阻抗控制，电机主动补偿）：

仅剩机械摩擦阻力（电机已补偿惯性+重力）：

F_friction = T_motor_friction × i_total × 2π/p / η_total
           = 0.05 × 10 × 628/0.005 / 0.75
           = 0.05 × 10 × 125600 / 0.75
           = 83,733 N

这是纯被动拖动时的力，但零阻抗控制下电机主动输出补偿力矩，
实际操作员感受的力仅取决于控制环的跟随精度，通常 < 10 N

三、各部件详细设计

3.1 电机与减速机连接

方案：法兰直连

     ┌─────────────┐
     │ 57 步进电机  │
     │  法兰 57mm   │
     ├─────────────┤
     │ 输出轴 φ14  │──→ 联轴器 ──→ 行星减速机输入
     │ 轴长 20mm   │      │
     │             │      ↓
     ├─────────────┤  ┌──────────┐
     │ 编码器      │  │ PLF060-5 │
     │ (后端出轴)  │  │ 输入: φ14│
     │             │  │ 输出: φ25│
     ├─────────────┤  └──────────┘
     │ 抱闸        │       │
     │ (后端)      │       ↓
     └─────────────┘  输出法兰 φ25

关键尺寸：

接口	参数	说明
电机法兰	57×57 mm，4×M4 螺孔	NEMA 23 标准
减速机输入	φ14 mm 键槽，深度 20 mm	与电机轴匹配
减速机输出	φ25 mm 键槽或法兰	连同步带主动轮
减速机法兰	60 mm 圆形法兰	安装到侧置安装板

3.2 抱闸集成

选型：电磁失电制动器（断电制动）

参数	规格
类型	弹簧复位电磁制动器
制动扭矩	≥ 3 Nm（电机额定扭矩的 1.3 倍）
安装位置	电机后端轴（编码器之后）
动作	断电→弹簧压紧摩擦片→制动；通电→电磁松开→自由
电压	DC 24 V
功耗	≤ 5 W（保持状态）

安装位置选择：

方案 A：抱闸在减速机输入端（推荐）
    电机 → [抱闸] → 减速机 → 同步带
    ✅ 抱闸直接制动电机轴
    ✅ 制动扭矩经减速机放大（5×）→ 输出端制动扭矩 15 Nm
    ✅ 防下坠可靠

方案 B：抱闸在减速机输出端
    电机 → 减速机 → [抱闸] → 同步带
    ❌ 输出端转速低，制动时冲击大
    ❌ 体积大，安装空间受限

3.3 同步带传动

参数	规格	说明
带型	3M HTD（圆弧齿）	高扭矩传递
带宽	15 mm	传递扭矩足够
主动轮齿数	20 齿	节径 ≈ 19 mm
从动轮齿数	40 齿	节径 ≈ 38 mm
中心距	80–100 mm	可调张紧
预紧力	需张紧轮或偏心轴承座

张紧机构：

                   从动轮（40齿）
                       ●
                      /|
                     / |
    ────────────────/  |  同步带
                   /   |
                  /    |
                 ●─────● 主动轮（20齿）
              张紧轮    电机+减速机
              （调节螺丝）

为什么不用齿轮：

同步带有微量弹性，拖动示教时手感更好
成本低，维护简单
无需润滑，清洁场景友好（无油污）

3.4 滚珠丝杠

参数	规格	选型理由
公称直径	φ16 mm	兼顾刚度和重量
导程	5 mm（1605）	导程小 → 分辨率高 → 精度好
精度等级	C7（行程变动 ≤ 50 μm/300mm）	满足 1mm 精度绰绰有余
螺母形式	法兰双螺母（预紧）	消除轴向间隙
固定方式	固定-支撑（一端固定一端支撑）	行程 < 1m，此方案足够
轴向负载能力	> 5000 N	远超 3kg 负载需求

支撑结构：

上端（丝杠头）：
    ┌────────────────┐
    │ 角接触轴承      │  2× 7202AC（背对背安装）
    │ 7202AC         │  承受双向轴向力 + 径向力
    │ 轴承座          │
    └───────┬────────┘
            │
      从动同步带轮（40齿）

下端（丝杠尾）：
    ┌────────────────┐
    │ 深沟球轴承      │  1× 6203
    │ 6203           │  仅支撑，不承受轴向力
    │ 轴承座          │  允许热膨胀轴向移动
    └────────────────┘

精度校核：

C7 精度丝杠每 300mm 行程变动 ≤ 50 μm
总行程 890mm → 累积误差 ≤ 50 × (890/300) = 148 μm = 0.15 mm ✅ << 1mm

3.5 直线导轨

参数	规格	说明
型号	HGH20CA（上银/THK）	20mm 系列宽型
数量	2 根	立柱两侧对称安装
滑块数量	每根 2 个	上下分布，提高刚度
行程	900 mm	略大于丝杠行程
预紧等级	中预紧（Z0 或 Z1）	平衡阻力与精度

导轨安装布局：

     正视截面（滑台截面）：

          ┌─────────────────┐
          │    J2 接口法兰   │
          ├─────────────────┤
          │                  │
     ┌────┤                  ├────┐
     │导轨│     滑台体       │导轨│
     │滑块│   （铝合金）     │滑块│
     │    │                  │    │
     │    │   ┌──────┐      │    │
     │    │   │ 丝母  │      │    │
     │    │   │ 法兰  │      │    │
     │    │   └──────┘      │    │
     │    │                  │    │
     └────┤                  ├────┘
          │                  │
     导轨 ①              导轨 ②
     (φ20)              (φ20)
     ┌──┐                ┌──┐
     │柱│                │柱│
     │  │                │  │

3.6 滑台设计

滑台是连接所有运动部件的核心结构件。

滑台三维结构（俯视+侧视）：

        俯视图：
        ┌───────────────────────┐
        │  J2 旋转法兰 (φ80)    │  ← 四个 M8 螺孔
        │       ●               │
        ├───────────────────────┤
        │                       │
        │  导轨滑块①  导轨滑块② │
        │  ┌────┐      ┌────┐  │
        │  │    │      │    │  │  ← 与导轨匹配
        │  └────┘      └────┘  │
        │                       │
        │       ┌──────┐       │
        │       │ 丝母 │       │  ← 1605 双螺母法兰
        │       │ 法兰 │       │
        │       └──────┘       │
        │                       │
        └───────────────────────┘

        侧视图：
              ┌──── J2 法兰 ────┐
              │                  │
              │    滑台体        │  高度 60–80mm
              │   （铝合金6061） │
              │   或 铸铝 A380  │
              │                  │
        导轨滑块 ──┤  丝母法兰  ├── 导轨滑块
              │                  │
              └──────────────────┘

滑台材料选择：

材料	优点	缺点	适用性
铝合金 6061-T6	加工方便、轻量、中等强度	刚度不如铸件	原型/小批量
铸铝 A380/ZL102	可铸造复杂形状、批量便宜	需要模具	量产
不锈钢 304	高刚度、耐腐蚀（清洁场景有利）	重量大、加工贵	可选

推荐：原型用 6061-T6 铝合金 CNC 加工，量产后开铸铝模具。

四、关节模组 vs 分立件方案对比

4.1 两种实现路径

方案	结构	优缺点
方案 A：分立件组装	电机+减速机+丝杠+导轨分别采购，自行设计安装结构	灵活、成本低、需自行设计加工
方案 B：关节模组	采购集成的升降模组（电机+丝杠+导轨一体）	开箱即用、可靠、但定制性差

4.2 方案 A：分立件详细 BOM

序号	部件	型号	品牌	参考价
1	57 闭环步进电机（带抱闸+编码器）	57CME23-EC-Brake	雷赛	¥800
2	精密行星减速机	PLF060-5-14-25	新宝/PG	¥600
3	滚珠丝杠 1605×900（含螺母+支撑座）	1605-900-C7	上银/THK	¥350
4	直线导轨 HGH20CA	HGH20CA-900	上银/THK	¥280 × 2 = ¥560
5	3M 同步带+带轮组	3M-375-15	宽扬	¥80
6	丝杠支撑座（BK+BF）	BK12+BF12	-	¥100
7	滑台体（CNC 加工）	定制 6061-T6	-	¥400
8	侧置安装板	定制	-	¥100
9	立柱	80×80×950 铝型材	-	¥150
10	限位开关	微动开关 × 2	欧姆龙	¥30
11	驱动器	DM556 + 编码器接口	雷赛	¥400
合计	-	-	-	¥3,570

4.3 方案 B：集成升降模组推荐

品牌	型号	行程	特点	参考价
HIWIN（上银）	KK86-10-900	900mm	电机+丝杠+导轨一体，可选抱闸	¥4,500–6,000
THK	EZO series	900mm	高精度集成模组	¥6,000–8,000
CPC	螺母型滑台模组	900mm	国产经济型	¥2,500–3,500
TBIMOTION	推拉模组	900mm	含减速机选项	¥3,000–4,000

集成模组的优势：

出厂精度保证（丝杠+导轨同轴度已调好）
安装简单（法兰接口直接安装）
交期短

集成模组的劣势：

拖动示教支持不确定（需确认电机类型和驱动器兼容性）
减速比固定，可能不是最优
不一定带抱闸
维修需返厂

五、推荐方案：分立件 + 自研安装结构

5.1 推荐理由

维度	分立件	集成模组
成本	¥3,570	¥4,500+
拖动示教适配	自由选电机+驱动器，完全可控	受限于模组内置电机
减速比优化	可灵活调整同步带比	固定
抱闸配置	自由选择	不一定支持
维护性	各部件独立更换	整体更换
开发周期	需自行设计加工	开箱即用

综合结论：如果有机械设计能力，分立件方案更优。

六、结构设计关键细节

6.1 防转设计

滑台在两根导轨约束下已防转，但需确保：

1. 两根导轨平行度 ≤ 0.02 mm/m
2. 滑台体上的导轨安装面与丝母安装面垂直度 ≤ 0.02 mm
3. 导轨跨距越大，抗扭刚度越高

推荐跨距 ≥ 100 mm

6.2 防尘设计（清洁场景重要）

清洁场景会有水汽、清洁剂溅射，需要防护：

┌─ 滑台上方 ─┐
│  防尘罩     │  ← 伸缩折叠防尘罩（类似机床）
│  (波纹管)   │  材质：TPU 或 氯丁橡胶
│            │
│  导轨+丝杠  │  ← 裸露部分全部覆盖
│            │
└─ 滑台下方 ─┘

防护等级目标：IP54（防溅水）

防护部位	方式	成本
导轨	金属刮屑板 + 防尘罩	¥100
丝杠	伸缩防尘套（波纹管）	¥80
电机	IP54 以上防护等级（确认电机型号）	含在电机选型
同步带	带轮罩壳	¥30
轴承座	密封轴承 + O 型圈	¥20

6.3 限位与零点

上限位（行程顶端）：机械硬限位 + 限位开关
    → 防止滑台冲出导轨

下限位（行程底端）：机械硬限位 + 限位开关 + 接近开关
    → 接近开关作为零点参考

推荐：光电槽型开关（非接触式，寿命长）

6.4 线缆管理

随滑台运动的线缆（编码器线、抱闸线、限位开关线）需要拖链管理：

拖链安装位置：立柱侧面
拖链规格：微型尼龙拖链（内宽 15mm）
线缆类型：高柔性屏蔽电缆

七、装配图 `1. 基座安装板（法兰连接 J1）` `└── 2. 立柱（铝型材/方管，4×M8 螺栓固定）` `├── 3. 导轨 ①（侧固定到立柱，6×M5）` `├── 4. 导轨 ②（另一侧固定，同上）` `├── 5. 丝杠下支撑座 BF12（立柱底部）` `│ └── 丝杠装入` `├── 6. 丝杠上支撑座 BK12 + 从动同步带轮（立柱顶部）` `│ └── 丝杠穿入，角接触轴承预紧` `├── 7. 电机安装板（立柱侧面）` `│ └── 8. 57 步进电机（4×M6 法兰固定）` `│ └── 9. 行星减速机 PLF060（法兰固定到电机安装板）` `│ └── 10. 主动同步带轮（固定到减速机输出轴）` `├── 11. 同步带（张紧轮调节）` `├── 12. 滑台体（导轨滑块 + 丝母法兰连接）` `│ └── 13. 防尘罩（两端固定到滑台和立柱）` `└── 14. J2 旋转法兰（滑台顶部，4×M8）`

八、关键校核清单

校核项	计算值	许用值
丝杠轴向负载	3×9.8 = 29.4 N	5000 N
丝杠临界转速	> 3000 rpm	实际 < 300 rpm
丝杠压杆稳定性	临界力 50,000 N	最大负载 29.4 N
导轨额定负载	每根 > 5000 N	每根实际 < 50 N
抱闸保持扭矩	电机端 3 Nm → 输出端 15 Nm	需求 0.055 Nm
重复定位精度	0.15 mm（丝杠） + 0.36 mm（J1J2 背隙）	< 1 mm
导轨预紧后移动阻力	≈ 5–10 N	可接受
整体刚度	变形 < 0.1 mm	-

九、成本汇总

方案	总成本	拖动示教	定制灵活度	开发周期
分立件组装（推荐）	¥3,570	完全可控	高	4–6 周
集成升降模组	¥4,500–6,000	需确认	低	1–2 周
分立件 + 外协加工	¥4,000–5,000			2–4 周