盧 軍, 鄭國(guó)穗, 馬金鋒, 劉 杰

(陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm)為在選擇方向具有柔順性的裝配機(jī)器人，與一般的關(guān)節(jié)型機(jī)器人相比，在平面上具有很好的靈活性，而在與平面垂直的方向具有很高的剛性[1]，且SCARA裝配機(jī)器人有較大的工作區(qū)域，使進(jìn)料更容易.它是一種精密型裝配機(jī)器人，具有速度快、精度高、柔性好等特點(diǎn)，可應(yīng)用于電子、機(jī)械和輕工業(yè)等有關(guān)產(chǎn)品的自動(dòng)裝配、搬運(yùn)、調(diào)試等工作，適合于工廠柔性自動(dòng)化生產(chǎn)的需求.由于這種機(jī)器人所具有的各種特性符合用戶的需求，因此需求量迅速上升.

然而，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較，新一代的 SCARA 機(jī)器人具有更為合理的結(jié)構(gòu)布局和使用模塊化的部件.比如EPSON公司生產(chǎn)的SCARA工業(yè)機(jī)器人(BN和BL)在齒輪生產(chǎn)上采用了新的精密鑄造方法，減輕了整個(gè)機(jī)械手臂的重量，并且在機(jī)械手運(yùn)轉(zhuǎn)速度、可靠性、耐久性方面獲得明顯的改進(jìn)；Staubli公司所用的由Bosch-Rexroth提供的SCARA工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，與以前所使用的機(jī)械方面的傳動(dòng)系統(tǒng)相比，它所使用的電纜和控制元件更少，可以為用戶節(jié)約大約85%的空間；在負(fù)載方面也取得了突破性的進(jìn)展，EPSON公司生產(chǎn)的E2H853型重型SCARA機(jī)器人最大負(fù)載可以達(dá)到20 kg，并擁有較小的慣性動(dòng)量；SCARA機(jī)器人在移動(dòng)小型、微型、超微型的物品等精密應(yīng)用方面也有不小的收獲，日本Yamaha公司生產(chǎn)的SCARA機(jī)器人最小臂展可以達(dá)120 mm,重復(fù)定位精度僅僅為±0.005，可應(yīng)用于超微型、高精密場(chǎng)合[2].

因此如上所述，新一代的SCARA工業(yè)機(jī)器人不僅采用了智能技術(shù)，更為流線型的部件，而且在其它方面性能如：高精密合金材料、最大負(fù)載、最大合成速度、重復(fù)定位精度、簡(jiǎn)潔的電纜和更小的空間需要等方面都有了很大提升[3].

另外，與SolidWorks無縫集成的Motion是一個(gè)快速高效的虛擬仿真工具，可以對(duì)復(fù)雜機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析, 得到各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,包括位移、速度、加速度和作用力及反作用力等，為我們?cè)诓恢圃煳锢順訖C(jī)的前提下對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析提供了可能[4].

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

圖1 SCARA型機(jī)器人

如圖1所示，SCARA平面關(guān)節(jié)式裝配機(jī)器人,具有四個(gè)自由度,三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸線相互平行，實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)定位和定向，此外，附加一個(gè)滑動(dòng)關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)末端件垂直運(yùn)動(dòng)[5].另外，再設(shè)計(jì)與裝配機(jī)器人腕部配合使用的柔性手腕,使此裝配機(jī)器人具有較好的通用性[6].

為了更好的滿足生產(chǎn)實(shí)際的要求，設(shè)計(jì)出的機(jī)械臂需達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如表1所示.

表1 裝配機(jī)器人主要技術(shù)參數(shù)

1.2 外形尺寸與工作空間

依據(jù)設(shè)計(jì)要求，SCARA裝配機(jī)器人的工作空間如圖2所示.

圖2 SCARA裝配機(jī)器人工作空間圖

SCARA機(jī)器人總裝圖如圖3所示.

1.機(jī)箱底座 2.伺服電機(jī) 3.行星減速器 4.電感式接近開關(guān) 5.大臂 6.行星減速器 7.伺服電機(jī) 8.伺服電機(jī) 9.伺服電機(jī) 10.小臂 11.傳感器支架 12.絲杠主軸 13.同步帶 14.絲杠螺母 15.花螺母 16.同步帶輪 17.末端執(zhí)行器安裝盤圖3 SCARA裝配機(jī)器人總裝圖

1.3 機(jī)械傳動(dòng)方案

在完成機(jī)械本體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的運(yùn)轉(zhuǎn)，需要對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)SCARA的特點(diǎn)，參考《國(guó)內(nèi)典型工業(yè)機(jī)器人圖冊(cè)》，初步選擇兩種傳動(dòng)方案：

方案一：大、小臂回轉(zhuǎn)均選擇減速電機(jī)傳動(dòng)，精度高、傳動(dòng)比高、效率高、噪音小、振動(dòng)小，傳動(dòng)部分的零件都是標(biāo)準(zhǔn)件，易購買，安裝方便；主軸上下移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)選擇同步帶傳動(dòng)，傳動(dòng)精度高、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比恒定、傳動(dòng)功率大、效率高，但安裝要求高，負(fù)載能力有限.

方案二：大臂回轉(zhuǎn)選擇齒輪減速傳動(dòng)，小臂回轉(zhuǎn)采用二級(jí)同步齒形帶傳動(dòng)，但要求較高的裝配精度，結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜；主軸上下移動(dòng)選擇步進(jìn)減速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)，變旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)主軸沿Z軸方向的上下運(yùn)動(dòng)[7].但相對(duì)同步齒形帶重量較大，需要電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩較大，加工要求高；主軸旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)同方案一.

兩種方案理論上均可實(shí)現(xiàn)，但方案一結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，部件少且較標(biāo)準(zhǔn)件多，較易實(shí)現(xiàn)；方案二結(jié)構(gòu)復(fù)雜，較多使用齒輪，需專門設(shè)備加工，且定位部件形狀多不規(guī)則，加工和安裝均比較復(fù)雜.綜合考慮加工成本和安裝調(diào)試的難易程度，選擇傳動(dòng)方案一.

所以，各關(guān)節(jié)的傳動(dòng)方案最終確定如下：

大臂關(guān)節(jié)：伺服電機(jī)1→行星減速器→大臂.

小臂關(guān)節(jié)：伺服電機(jī)2→行星減速器→小臂.

主軸垂直直線運(yùn)動(dòng)：伺服電機(jī)3→同步齒形帶→絲杠螺母→主軸(Z軸).

主軸旋轉(zhuǎn)：伺服電機(jī)4→同步齒形帶→花鍵螺母→主軸(Z軸).

2 關(guān)鍵部件機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

2.1 大臂機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖4所示，機(jī)器人大臂的驅(qū)動(dòng)電機(jī)與減速器連接后，通過底座連接體(2)安裝在機(jī)器人底座機(jī)箱內(nèi)部,驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過行星減速器減速后，減速器軸通過軸端緊固螺釘與底座連接體(1)連接,底座連接體(1)安裝在機(jī)器人大臂上，另一端插入30208型圓錐滾子軸承內(nèi)圈.

1.機(jī)箱底座 2.C10604伺服電機(jī) 3.ZDH090行星減速器 4.減速器軸 5.套筒 6.軸端緊固螺釘 7.螺釘 8.大臂 9.接近式傳感器 10.底座連接體(1) 11.圓錐滾子軸承 12.底座連接體(2) 圖4 大臂裝配結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)時(shí),經(jīng)減速器減速，通過底座連接體(2)驅(qū)使大臂旋轉(zhuǎn).同時(shí)在圓周方向,安裝有接近式傳感器，以限制大臂在±150 °范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng),以免機(jī)器人小臂部分在運(yùn)動(dòng)空間之外與其它設(shè)備或部件碰撞.

2.2 小臂機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖5所示,機(jī)器人小臂電機(jī)與行星減速器連接后安裝在小臂上,這樣雖然增加了小臂慣量,但有利于簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和零部件制造工藝.與大臂結(jié)構(gòu)類似，小臂連接體(2)安裝在大臂底部，并通過軸端緊固螺釘將減速器軸固定，小臂處采用30208型圓錐滾子軸承，小臂連接體(1)與小臂連接，配合在軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn).與大臂不同的是，當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，由于減速器軸通過小臂連接體(2)固定在大臂上，因此小臂繞大臂端部中心軸相對(duì)大臂轉(zhuǎn)動(dòng)，但轉(zhuǎn)動(dòng)方向與電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)向相反.類似的，在圓周方向，安裝有接近式傳感器，以限制小臂在±120 °范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，以免由于過運(yùn)動(dòng)而造成機(jī)器部件的損壞[8].

1.圓錐滾子軸承 2.大臂 3.軸端緊固螺釘 4.小臂端蓋 5.C10602伺服電機(jī) 6.行星減速器 7.小臂連接體(1) 8.傳感器 9.小臂 10.螺釘 11. 小臂連接體(2)圖5 小臂裝配結(jié)構(gòu)圖

2.3 手腕關(guān)節(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了能實(shí)現(xiàn)SCARA機(jī)器人的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)既能實(shí)現(xiàn)Z軸方向的直線運(yùn)動(dòng)又能同時(shí)實(shí)現(xiàn)繞Z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并要求整個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕.采用滾珠絲杠-滾珠花鍵一體式結(jié)構(gòu)，而代替滾珠絲杠和滾珠花鍵的聯(lián)合動(dòng)作，其主要優(yōu)點(diǎn)在于：減輕機(jī)械臂重量、改善機(jī)械臂的動(dòng)力特性、提高機(jī)械臂的控制精度，減少誤差，使得SCARA機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)非常緊湊且模塊化.

手腕關(guān)節(jié)裝配結(jié)構(gòu)如圖6所示，為了保證精度，依靠滾珠絲杠-滾珠花鍵的軸套和小臂上的配合面來保證 Z 軸與小臂的垂直度.由于同步齒形帶要能調(diào)整中心距及帶張緊力，因此伺服電機(jī)(7)先安裝在電機(jī)支架上，然后再把電機(jī)支架(3)固定在小臂上，小臂上用來連接電機(jī)支架的采用 U 形槽孔，螺栓在U形槽孔平行小臂方向上可以進(jìn)行微調(diào).而驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)(6)和花鍵螺母(14)之間采用二級(jí)同步輪來進(jìn)行傳動(dòng)，從而保證 Z 軸快速旋轉(zhuǎn)時(shí)需要的力矩[9].

1.軸端緊固螺釘 2.小臂 3.電機(jī)支架 4.電機(jī)軸 5.同步帶輪 6.伺服電機(jī)(4) 7.伺服電機(jī)(3) 8.同步帶 9.絲杠主軸 10.接近開關(guān)(2)11.行程開關(guān)支架 12.絲杠螺母 13.支撐座 14.花鍵螺母 15.小臂密封板 16.圓柱銷 17.末端執(zhí)行器安裝盤圖6 手腕關(guān)節(jié)裝配結(jié)構(gòu)圖

2.3.1 絲杠主軸運(yùn)動(dòng)方式

絲杠主軸運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的方式如下：

(1)沿Z軸升降運(yùn)動(dòng)：伺服電機(jī)(7)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過同步帶(8)帶動(dòng)絲杠螺母(12)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)，伺服電機(jī)(6)不轉(zhuǎn)動(dòng)；實(shí)現(xiàn)主軸的垂直直線運(yùn)動(dòng)；

(2)繞Z軸旋轉(zhuǎn)：伺服電機(jī)(6)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過同步帶帶動(dòng)花鍵螺母(14)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)，伺服電機(jī)(7)也轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行反向補(bǔ)償，將由花鍵螺母(14)轉(zhuǎn)動(dòng)引起的主軸旋轉(zhuǎn)抵消，從而實(shí)現(xiàn)了主軸繞Z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；

(3)螺旋運(yùn)動(dòng)：當(dāng)伺服電機(jī)(7)與伺服電機(jī)(6)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸既有沿Z軸的上下運(yùn)動(dòng)，又有繞Z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了主軸的螺旋運(yùn)動(dòng).主軸升降必須要有行程開關(guān)以避免沖出行程,所以在行程開關(guān)支架上安裝有三個(gè)接近開關(guān),從上到下分指示主軸升降的上死點(diǎn)、遠(yuǎn)點(diǎn)位置和下死點(diǎn).

2.3.2 絲杠主軸的分析

由前可知，手腕關(guān)節(jié)所選結(jié)構(gòu)為滾珠絲杠-花鍵一體式，如圖7所示.

圖7 滾珠絲杠-滾珠花鍵一體結(jié)構(gòu)圖

滾珠絲杠-花鍵由絲杠螺母、花鍵螺母、絲杠三部分組成，兩個(gè)螺母由電機(jī)通過同步帶傳動(dòng)，同步輪分別固定在絲杠螺母和花鍵螺母的兩端.由于滾珠絲杠-花鍵為一體式結(jié)構(gòu)，其沿Z 軸上下的直線運(yùn)動(dòng)和繞Z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)存在耦合，對(duì)這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)是獨(dú)立進(jìn)行控制的，故必須對(duì)滾珠絲杠-花鍵的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行解耦分析[10].其中，當(dāng)N1=0時(shí)，呈有固定導(dǎo)程的螺旋運(yùn)動(dòng)；當(dāng)N2=0時(shí)，呈直線運(yùn)動(dòng)；當(dāng)N1=N2時(shí)，呈選裝運(yùn)動(dòng).

3 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

SCARA平面關(guān)節(jié)式裝配機(jī)器人的三維模型已經(jīng)建好，并經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，現(xiàn)將機(jī)器人三維模型導(dǎo)入Solidworks三維設(shè)計(jì)軟件，并利用Solidworks內(nèi)嵌的Motion分析模塊對(duì)已建模型進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真.

將算例類型設(shè)為Motion分析Motion Manager中將仿真標(biāo)記歸零，單擊計(jì)算按鈕進(jìn)行計(jì)算仿真[4].在結(jié)果對(duì)話框中設(shè)置各個(gè)選項(xiàng)如圖8所示.設(shè)置機(jī)器人相關(guān)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，運(yùn)行仿真模擬分析[11]，能夠得到機(jī)器人工作狀態(tài)的相關(guān)運(yùn)動(dòng)形式以及相關(guān)參數(shù)的數(shù)值圖表，主要有位移、速度和加速度等參數(shù)[12].

圖8 設(shè)置結(jié)果與圖解

激活Solidworks Motion后，設(shè)置旋轉(zhuǎn)馬達(dá)和線性馬達(dá)，兩者均設(shè)為伺服驅(qū)動(dòng)，算例類型設(shè)置為基本運(yùn)動(dòng)，設(shè)置算例模擬時(shí)間為13 s，以便觀察裝配體運(yùn)動(dòng)，確保正確的運(yùn)動(dòng)關(guān)系.對(duì)SCARA裝配機(jī)器人的絲杠主軸進(jìn)行仿真分析，因?yàn)榻z杠主軸是豎直方向的運(yùn)動(dòng)，所以只分析該方向的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，其運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)變化規(guī)律部分如圖9、圖10和圖11所示.

圖9 X線性位移

圖10 X線性速度

圖11 X線性加速度

通過圖9、圖10和圖11的分析判斷，可以進(jìn)一步確定各個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)變化是否滿足其工作需求，得到整體運(yùn)動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)特性和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃的設(shè)計(jì)以及優(yōu)化分析提供一定的理論依據(jù).

由測(cè)量結(jié)果可以看出，機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，各個(gè)運(yùn)動(dòng)比較平穩(wěn)、連續(xù)，沒有出現(xiàn)劇烈振動(dòng)或突變現(xiàn)象.可以得出機(jī)器人工作狀態(tài)良好，能夠滿足設(shè)計(jì)要求，說明了設(shè)計(jì)的合理性.

4 結(jié)束語

(1)按照裝配機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)要求和技術(shù)參數(shù)，完成了三維模型和傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)，選用滾珠絲杠-花鍵為一體式結(jié)構(gòu)，對(duì)主軸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過Solidworks的Motion分析模塊，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性.

(2)利用Solidworks進(jìn)行建模與仿真的虛擬樣機(jī)技術(shù)，與通過物理樣機(jī)反饋實(shí)驗(yàn)結(jié)果的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，提高了效率，縮短了研發(fā)周期，而且使設(shè)計(jì)的效果更加直觀，節(jié)約了成本，并為進(jìn)一步的改進(jìn)和設(shè)計(jì)提供了借鑒和依據(jù).

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