SCARA機器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計與運動分析

盧 軍, 鄭國穗, 馬金鋒, 劉 杰

(陜西科技大學 機電工程學院， 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器人，與一般的關節(jié)型機器人相比，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裝配機器人有較大的工作區(qū)域，使進料更容易.它是一種精密型裝配機器人，具有速度快、精度高、柔性好等特點，可應用于電子、機械和輕工業(yè)等有關產(chǎn)品的自動裝配、搬運、調(diào)試等工作，適合于工廠柔性自動化生產(chǎn)的需求.由于這種機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，減輕了整個機械手臂的重量，并且在機械手運轉(zhuǎn)速度、可靠性、耐久性方面獲得明顯的改進；Staubli公司所用的由Bosch-Rexroth提供的SCARA工業(yè)機器人驅(qū)動系統(tǒng)，與以前所使用的機械方面的傳動系統(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；在負載方面也取得了突破性的進展，EPSON公司生產(chǎn)的E2H853型重型SCARA機器人最大負載可以達到20 kg，并擁有較小的慣性動量；SCARA機器人在移動小型、微型、超微型的物品等精密應用方面也有不小的收獲，日本Yamaha公司生產(chǎn)的SCARA機器人最小臂展可以達120 mm,重復定位精度僅僅為±0.005，可應用于超微型、高精密場合[2].

因此如上所述，新一代的SCARA工業(yè)機器人不僅采用了智能技術，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、最大負載、最大合成速度、重復定位精度、簡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是一個快速高效的虛擬仿真工具，可以對復雜機構(gòu)進行運動學和動力學仿真分析, 得到各構(gòu)件的運動規(guī)律,包括位移、速度、加速度和作用力及反作用力等，為我們在不制造物理樣機的前提下對該結(jié)構(gòu)進行運動學分析提供了可能[4].

1 總體結(jié)構(gòu)設計

1.1 總體設計

圖1 SCARA型機器人

如圖1所示，SCARA平面關節(jié)式裝配機器人,具有四個自由度,三個旋轉(zhuǎn)關節(jié)軸線相互平行，實現(xiàn)平面內(nèi)定位和定向，此外，附加一個滑動關節(jié)，實現(xiàn)末端件垂直運動[5].另外，再設計與裝配機器人腕部配合使用的柔性手腕,使此裝配機器人具有較好的通用性[6].

為了更好的滿足生產(chǎn)實際的要求，設計出的機械臂需達到的技術指標如表1所示.

表1 裝配機器人主要技術參數(shù)

1.2 外形尺寸與工作空間

依據(jù)設計要求，SCARA裝配機器人的工作空間如圖2所示.

圖2 SCARA裝配機器人工作空間圖

SCARA機器人總裝圖如圖3所示.

1.機箱底座 2.伺服電機 3.行星減速器 4.電感式接近開關 5.大臂 6.行星減速器 7.伺服電機 8.伺服電機 9.伺服電機 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裝配機器人總裝圖

1.3 機械傳動方案

在完成機械本體設計的基礎上，為了實現(xiàn)機械臂的運轉(zhuǎn)，需要對傳動機構(gòu)進行設計，根據(jù)SCARA的特點，參考《國內(nèi)典型工業(yè)機器人圖冊》，初步選擇兩種傳動方案：

方案一：大、小臂回轉(zhuǎn)均選擇減速電機傳動，精度高、傳動比高、效率高、噪音小、振動小，傳動部分的零件都是標準件，易購買，安裝方便；主軸上下移動和旋轉(zhuǎn)選擇同步帶傳動，傳動精度高、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比恒定、傳動功率大、效率高，但安裝要求高，負載能力有限.

方案二：大臂回轉(zhuǎn)選擇齒輪減速傳動，小臂回轉(zhuǎn)采用二級同步齒形帶傳動，但要求較高的裝配精度，結(jié)構(gòu)也較復雜；主軸上下移動選擇步進減速電機直接驅(qū)動絲杠螺母傳動，變旋轉(zhuǎn)運動為直線運動，實現(xiàn)主軸沿Z軸方向的上下運動[7].但相對同步齒形帶重量較大，需要電機輸出轉(zhuǎn)矩較大，加工要求高；主軸旋轉(zhuǎn)設計同方案一.

兩種方案理論上均可實現(xiàn)，但方案一結(jié)構(gòu)簡單，部件少且較標準件多，較易實現(xiàn)；方案二結(jié)構(gòu)復雜，較多使用齒輪，需專門設備加工，且定位部件形狀多不規(guī)則，加工和安裝均比較復雜.綜合考慮加工成本和安裝調(diào)試的難易程度，選擇傳動方案一.

所以，各關節(jié)的傳動方案最終確定如下：

大臂關節(jié)：伺服電機1→行星減速器→大臂.

小臂關節(jié)：伺服電機2→行星減速器→小臂.

主軸垂直直線運動：伺服電機3→同步齒形帶→絲杠螺母→主軸(Z軸).

主軸旋轉(zhuǎn)：伺服電機4→同步齒形帶→花鍵螺母→主軸(Z軸).

2 關鍵部件機械結(jié)構(gòu)設計與分析

2.1 大臂機械結(jié)構(gòu)設計

如圖4所示，機器人大臂的驅(qū)動電機與減速器連接后，通過底座連接體(2)安裝在機器人底座機箱內(nèi)部,驅(qū)動電機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)安裝在機器人大臂上，另一端插入30208型圓錐滾子軸承內(nèi)圈.

1.機箱底座 2.C10604伺服電機 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

當電機軸旋轉(zhuǎn)時,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,以免機器人小臂部分在運動空間之外與其它設備或部件碰撞.

2.2 小臂機械結(jié)構(gòu)設計

如圖5所示,機器人小臂電機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,但有利于簡化結(jié)構(gòu)設計和零部件制造工藝.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，當電機驅(qū)動時，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大臂轉(zhuǎn)動，但轉(zhuǎn)動方向與電機輸出軸轉(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，以免由于過運動而造成機器部件的損壞[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 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 手腕關節(jié)機械結(jié)構(gòu)設計

為了能實現(xiàn)SCARA機器人的末端執(zhí)行機構(gòu)既能實現(xiàn)Z軸方向的直線運動又能同時實現(xiàn)繞Z軸的旋轉(zhuǎn)運動，并要求整個結(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)合動作，其主要優(yōu)點在于：減輕機械臂重量、改善機械臂的動力特性、提高機械臂的控制精度，減少誤差，使得SCARA機器人的傳動系統(tǒng)非常緊湊且模塊化.

手腕關節(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(7)先安裝在電機支架上，然后再把電機支架(3)固定在小臂上，小臂上用來連接電機支架的采用 U 形槽孔，螺栓在U形槽孔平行小臂方向上可以進行微調(diào).而驅(qū)動伺服電機(6)和花鍵螺母(14)之間采用二級同步輪來進行傳動，從而保證 Z 軸快速旋轉(zhuǎn)時需要的力矩[9].

1.軸端緊固螺釘 2.小臂 3.電機支架 4.電機軸 5.同步帶輪 6.伺服電機(4) 7.伺服電機(3) 8.同步帶 9.絲杠主軸 10.接近開關(2)11.行程開關支架 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 手腕關節(jié)裝配結(jié)構(gòu)圖

2.3.1 絲杠主軸運動方式

絲杠主軸運動實現(xiàn)的方式如下：

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

(2)繞Z軸旋轉(zhuǎn)：伺服電機(6)轉(zhuǎn)動，通過同步帶帶動花鍵螺母(14)轉(zhuǎn)動，此時，伺服電機(7)也轉(zhuǎn)動，進行反向補償，將由花鍵螺母(14)轉(zhuǎn)動引起的主軸旋轉(zhuǎn)抵消，從而實現(xiàn)了主軸繞Z軸的旋轉(zhuǎn)運動；

(3)螺旋運動：當伺服電機(7)與伺服電機(6)同時轉(zhuǎn)動，主軸既有沿Z軸的上下運動，又有繞Z軸的旋轉(zhuǎn)運動，從而實現(xiàn)了主軸的螺旋運動.主軸升降必須要有行程開關以避免沖出行程,所以在行程開關支架上安裝有三個接近開關,從上到下分指示主軸升降的上死點、遠點位置和下死點.

2.3.2 絲杠主軸的分析

由前可知，手腕關節(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，兩個螺母由電機通過同步帶傳動，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 軸上下的直線運動和繞Z軸的旋轉(zhuǎn)運動存在耦合，對這兩個運動是獨立進行控制的，故必須對滾珠絲杠-花鍵的運動進行解耦分析[10].其中，當N1=0時，呈有固定導程的螺旋運動；當N2=0時，呈直線運動；當N1=N2時，呈選裝運動.

3 機器人運動學仿真

SCARA平面關節(jié)式裝配機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)將機器人三維模型導入Solidworks三維設計軟件，并利用Solidworks內(nèi)嵌的Motion分析模塊對已建模型進行三維運動學仿真.

將算例類型設為Motion分析Motion Manager中將仿真標記歸零，單擊計算按鈕進行計算仿真[4].在結(jié)果對話框中設置各個選項如圖8所示.設置機器人相關的運動學參數(shù)，運行仿真模擬分析[11]，能夠得到機器人工作狀態(tài)的相關運動形式以及相關參數(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 設置結(jié)果與圖解

激活Solidworks Motion后，設置旋轉(zhuǎn)馬達和線性馬達，兩者均設為伺服驅(qū)動，算例類型設置為基本運動，設置算例模擬時間為13 s，以便觀察裝配體運動，確保正確的運動關系.對SCARA裝配機器人的絲杠主軸進行仿真分析，因為絲杠主軸是豎直方向的運動，所以只分析該方向的運動參數(shù)，其運動學參數(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，可以進一步確定各個運動學參數(shù)變化是否滿足其工作需求，得到整體運動過程中的運動特性和運動規(guī)律，為結(jié)構(gòu)和運動軌跡規(guī)劃的設計以及優(yōu)化分析提供一定的理論依據(jù).

由測量結(jié)果可以看出，機械手在運動周期內(nèi)，各個運動比較平穩(wěn)、連續(xù)，沒有出現(xiàn)劇烈振動或突變現(xiàn)象.可以得出機器人工作狀態(tài)良好，能夠滿足設計要求，說明了設計的合理性.

4 結(jié)束語

(1)按照裝配機器人的總體設計要求和技術參數(shù)，完成了三維模型和傳動方案的設計，選用滾珠絲杠-花鍵為一體式結(jié)構(gòu)，對主軸進行了優(yōu)化設計，通過Solidworks的Motion分析模塊，驗證了設計的合理性.

(2)利用Solidworks進行建模與仿真的虛擬樣機技術，與通過物理樣機反饋實驗結(jié)果的傳統(tǒng)設計相比，提高了效率，縮短了研發(fā)周期，而且使設計的效果更加直觀，節(jié)約了成本，并為進一步的改進和設計提供了借鑒和依據(jù).

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