陳 曦，湯雪松

（河北工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與控制工程學(xué)院，天津 300000）

0 引言

點(diǎn)膠機(jī)器人又稱涂膠機(jī)、滴膠機(jī)、打膠機(jī)、灌膠機(jī)等，專門對流體進(jìn)行控制。并將流體點(diǎn)滴、涂覆于產(chǎn)品表面或產(chǎn)品內(nèi)部的自動化機(jī)器。點(diǎn)膠機(jī)器人主要用于產(chǎn)品工藝中的膠水、油漆以及其他液體精確點(diǎn)，可以用來實(shí)現(xiàn)打點(diǎn)、畫線、圓型或弧型[1]。常見點(diǎn)膠機(jī)多為直線運(yùn)動式或者二維、三維空間運(yùn)動式，運(yùn)動的自由度間成空間直角的關(guān)系。本文設(shè)計(jì)的四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人是一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)空間4個(gè)自由度運(yùn)動的機(jī)構(gòu)，可以滿足更高的移動要求。直角坐標(biāo)度機(jī)器人驅(qū)動方式常見的有氣動、液壓和電動驅(qū)動，但氣動驅(qū)動過于粗糙，液壓驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)太龐大，考慮到系統(tǒng)本身控制比較復(fù)雜，為了保證穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性選擇以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動裝置、以滾珠絲杠為傳動裝置實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制[2]。從整體來看系統(tǒng)將具有更好的穩(wěn)定性，更高的精度，可以滿足整個(gè)三維空間的運(yùn)動。

1 主體設(shè)計(jì)

本文研究的直角坐標(biāo)機(jī)器人是四個(gè)自由度，即X軸，Y軸，Z軸，R軸。X、Y、Z軸為直線運(yùn)動，R軸為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。X、Y、Z軸的直線運(yùn)動有行程限制，所以需要位置反饋。R軸作為旋轉(zhuǎn)軸不需要光電開關(guān)或者行程開關(guān)來限制行程[3]。結(jié)構(gòu)上，Y軸垂直放置于X軸的支撐滑塊上，實(shí)現(xiàn)一維平面的直角運(yùn)動系統(tǒng)，Y軸的支撐滑塊豎直放置Z軸，在Z軸的底部連接一根金屬長桿，長桿下端與法蘭盤連接，由步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，從而實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。圖1為整體效果圖。

圖1 整體效果圖

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.1 直線運(yùn)動軸

以X軸為例，如圖2所示。運(yùn)動軌道安裝在固定基準(zhǔn)面上，直接支撐運(yùn)動滑塊，運(yùn)動滑塊位于軌道上，一邊各帶兩個(gè)，滑塊與軌道通過滾珠耦合在一起，構(gòu)成了直線導(dǎo)軌。運(yùn)動滑塊之上安裝的是支撐滑塊，作用是為Y軸的支撐鋁型材及滑臺提供等高且水平的支撐，由于直線軸有行程限制，為了保證運(yùn)動安全，在軌道兩端安裝了光電開關(guān)來限位。滾珠絲杠水平放置在滑臺內(nèi)部軌道中心位置，絲杠兩端由軸承支撐座支起以防止絲杠受力不均產(chǎn)生形變影響機(jī)械性，聯(lián)軸器兩端分別與絲杠和步進(jìn)電機(jī)相連，這使得步進(jìn)電機(jī)與絲杠之間實(shí)現(xiàn)了軟連接，有效地緩解了兩軸不同心的問題。滾珠絲杠利用滾珠運(yùn)動帶動滑塊運(yùn)動，其啟動力矩極小，不會出現(xiàn)滑動運(yùn)動那樣的爬行現(xiàn)象，從而確保了精確的微進(jìn)給，實(shí)現(xiàn)高精度的定位[4]。Y軸與Z軸的組裝與X軸相似，這里將不再敘述。

圖2 X軸結(jié)構(gòu)解析圖

2.2 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動軸

R軸為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動軸，也是用于安裝點(diǎn)膠裝的軸，結(jié)構(gòu)與直線運(yùn)動軸基本一致，圖3為R軸結(jié)構(gòu)示意圖。該部分最重要的問題就是同心，由于R軸的操作機(jī)構(gòu)為法蘭盤，本身有重量，并且法蘭盤會帶負(fù)載，所以軸在轉(zhuǎn)動過程中很容易出現(xiàn)擺動問題，最終可能會造成軸變形彎曲。為解決該問題，在Z軸下方位置安裝兩個(gè)軸承來做約束，上部采用角接觸球軸承用于承受軸向載荷，下部采用深溝球軸承用于承受徑向力。

圖3 R軸結(jié)構(gòu)示意圖

3 控制部分

如圖4所示，上位機(jī)通過CAN總線控制單片機(jī)，經(jīng)C8051F500的C2D/C2CK接口將程序輸入其中。單片機(jī)信號經(jīng)過ULN2003應(yīng)用電路（達(dá)林頓晶體管陣列）與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器相連，驅(qū)動器驅(qū)動電機(jī)動作，其中PUL為脈沖，DIR為電機(jī)方向，ENA為電機(jī)使能信號。

圖4 系統(tǒng)通訊及控制流程

按照設(shè)計(jì)的要求，XYZ軸是單自由逐一動作，同時(shí)配合R軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。即X軸運(yùn)動時(shí)，Y軸、Z軸靜止，同理Y軸、Z軸也是如此。對于直線運(yùn)動軸，為了保證機(jī)器人的運(yùn)動在有效行程內(nèi)，XYZ軸分別安裝了光電開關(guān)，用于給單片機(jī)發(fā)信號使步進(jìn)電機(jī)停止工作。此外為了防止光電開關(guān)失效的情況，在光電開關(guān)的外端還安裝了行程開關(guān)，用于機(jī)械臂超出行程的觸發(fā)[5]。光電開關(guān)或行程開關(guān)發(fā)出的信號會通過施密特觸發(fā)器的濾波放大后送入單片機(jī)處理。

為實(shí)現(xiàn)各軸的精確控制，本文除了采取比較好的驅(qū)動、傳動裝置外，還采取了閉環(huán)控制的控制策略，將光電編碼器輸出的A相、B相脈沖做異或處理，得到兩倍頻率的反饋脈沖用于各軸的精確定位，有效的避免了步進(jìn)電機(jī)因?yàn)楦蓴_失步造成的誤差。其中X軸與Y軸采用K3808G-1024BM-L5型編碼器，可靠性高，壽命長，抗干擾性能強(qiáng)，Z軸采用K8030J-1024BM-L5型編碼器，與XY軸編碼的區(qū)別在于增加了采用無鍵槽鎖緊環(huán)固定方式，安裝方便，可變孔徑。圖5為光電開關(guān)與編碼器的接線原理圖。

圖5 光電開關(guān)與編碼器的接線原理圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的四自由度點(diǎn)膠直角坐標(biāo)機(jī)器人的精度高、效率好，并且能在整個(gè)三維空間自由可逆的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了自由靈活運(yùn)動的要求，保障了整個(gè)點(diǎn)膠過程的精度。從整體來看，大量采用標(biāo)準(zhǔn)化的元器件，大大降低了成本，具有顯著的經(jīng)濟(jì)性。此外，該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了模塊化，各自由度自成體系，可以分別拆卸，便于更換與維修。相比于其他類似的機(jī)器人有很好的改進(jìn)與優(yōu)勢。

[1] 李剛,周文寶.直角坐標(biāo)機(jī)器人簡述及其應(yīng)用介紹[J].伺服控制,2008,(09)：72-75.

[2] 徐起賀.滾動直線導(dǎo)軌副的特點(diǎn)、現(xiàn)狀及發(fā)展動向[J].機(jī)械制造,2001,(02)：19-21.

[3] 王炎歡,陳阿三,劉鑫茂.直角坐標(biāo)機(jī)器人控制系統(tǒng)的研制[J].輕工機(jī)械,2010,(04)：67-69.

[4] 李團(tuán)結(jié).機(jī)器人技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社,2009：10-11.

[5] 張志遠(yuǎn),李琪,畢海深.基于直角坐標(biāo)機(jī)器人的軟袋再包裝自動上料系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動化,2012,(06)：11-14.