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1、機(jī)械手臂重復(fù)定位精度研究 機(jī)械手臂重復(fù)定位精度研究 2016/04/20 《微特電機(jī)雜志》2016年第二期 摘要: SCAＲA機(jī)器人常用于精密裝配和加工，其機(jī)械本體、驅(qū)動(dòng)控制、減速器、電機(jī)等都會(huì)影響SCAＲA機(jī)器人的精度和運(yùn)動(dòng)速度。主要針對(duì)一臺(tái)SCAＲA機(jī)器人對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建，測(cè)試其重復(fù)定位精度和運(yùn)動(dòng)速度，為SCAＲA機(jī)器人性能指標(biāo)的評(píng)定提供一種參考性方法。 關(guān)鍵詞: 伺服電動(dòng)機(jī);機(jī)械臂;SCAＲA;

2、機(jī)器人 收稿日期:2015－06－260引言SCAＲA工業(yè)機(jī)器人適合于平面定位，完成垂直方向安裝等任務(wù)。SCAＲA多關(guān)節(jié)機(jī)器人的特點(diǎn)有速度快、運(yùn)動(dòng)靈活、結(jié)構(gòu)小巧緊湊、定位精度高等。SCAＲA多關(guān)節(jié)機(jī)器人極大地提高了對(duì)多層次多環(huán)節(jié)裝配工作的適應(yīng)性，使生產(chǎn)效率獲得提高，而降低了其本身成本。SCAＲA工業(yè)機(jī)器人誕生至今已有四十多年［1－2］。依據(jù)富士經(jīng)濟(jì)調(diào)查公司于2011發(fā)表的研究報(bào)告，日本Epson公司和Yamaha公司在SCAＲA機(jī)器人市場(chǎng)份額上居前兩名。由于國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人起步晚，SCAＲA機(jī)器人的發(fā)展受到極大地影響。我國(guó)第一臺(tái)高性能精密裝配機(jī)器人是上海交通大學(xué)于1995年研制的

3、一臺(tái)SCAＲA四軸裝配機(jī)器人［2－3］。其技術(shù)特點(diǎn):機(jī)器人運(yùn)動(dòng)采用直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)，進(jìn)而減少了減速器等帶來(lái)的傳動(dòng)誤差，保證了有較高的定位精度和較快的運(yùn)動(dòng)速度。該工業(yè)機(jī)器人裝有高精度高分辨率的力覺(jué)和視覺(jué)傳感器，其控制板采用了多任務(wù)操作系統(tǒng)，并具有離線編程的功能。 上海大學(xué)也在同期研制了“上海1號(hào)”、“上海2號(hào)”等工業(yè)機(jī)器人。在國(guó)產(chǎn)SCAＲA機(jī)器人研發(fā)企業(yè)中，沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司產(chǎn)品重復(fù)定位精度達(dá)0．04mm，哈爾濱博實(shí)產(chǎn)品的重復(fù)定位精度為0．08mm。國(guó)產(chǎn)SCAＲA機(jī)器人在國(guó)內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)線上也被廣泛應(yīng)用，可與日本等國(guó)外SCAＲA工業(yè)機(jī)器人相比，但無(wú)論是在機(jī)器人電路設(shè)計(jì)，還是

4、在外圍結(jié)構(gòu)的流線型設(shè)計(jì)及定位精度等方面都存在極大差距［6－7］。影響工業(yè)機(jī)器人定位精度因素很多，但機(jī)器人關(guān)節(jié)用的電機(jī)及其組件，對(duì)機(jī)器人的定位精度有較大影響。因此，本文將開(kāi)展對(duì)SCAＲA機(jī)器人重復(fù)定位精度和運(yùn)動(dòng)速度測(cè)試方法的研究，可以為進(jìn)一步改進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考，同時(shí)也提供了一種SCAＲA機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)的重復(fù)定位精度和速度測(cè)量實(shí)驗(yàn)方法。 1實(shí)驗(yàn)方法 SCAＲA機(jī)器人由機(jī)體和控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)控制伺服電機(jī)而實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)對(duì)設(shè)定機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的不同路徑及位移，調(diào)節(jié)機(jī)械臂不同軸向位置進(jìn)而多次對(duì)千分表進(jìn)行撞擊并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，借用概率統(tǒng)計(jì)分布相關(guān)方法可以

5、得出所撞擊次數(shù)中相應(yīng)的撞擊位置偏差，進(jìn)而可得到相應(yīng)的精度，具體實(shí)驗(yàn)圖如圖2所示。為了測(cè)定相應(yīng)的機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)速度，可以調(diào)節(jié)機(jī)械手臂不同速度下撞擊一個(gè)回路電路開(kāi)關(guān)，然后利用示波器記錄脈沖個(gè)數(shù)，進(jìn)而可以求得機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的平均值，具體實(shí)驗(yàn)圖如圖3所示。因?yàn)闄C(jī)械臂是勻速運(yùn)動(dòng)的，所以所求得的平均速度即為機(jī)械臂在當(dāng)前時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)速度。實(shí)驗(yàn)中所用測(cè)定位精度的千分表為表盤千分表，其測(cè)量精度為0．001mm，表盤千分表完全滿足機(jī)械臂定位精度測(cè)量的要求。實(shí)驗(yàn)前先將千分表調(diào)零位，保證機(jī)械臂在規(guī)定運(yùn)動(dòng)位移兩端點(diǎn)時(shí)輕輕碰撞側(cè)頭。記錄數(shù)據(jù)時(shí)，只需讀指針相對(duì)零位轉(zhuǎn)過(guò)的格數(shù)，最終在處理數(shù)據(jù)時(shí)將所讀格數(shù)乘以0．001mm，即可得到

6、機(jī)械臂在指定點(diǎn)的定位精度。通過(guò)多次重復(fù)測(cè)量，即可得到重復(fù)定位精度。 2重復(fù)定位精度測(cè)試 將SCAＲA機(jī)器人底座固定于鋼架基座上并進(jìn)行原點(diǎn)回零位設(shè)置，設(shè)置不同的機(jī)械手臂工作路徑和工作位移，如圖4所示。記錄機(jī)械手臂X軸和Y軸分別在手臂行程為－200mm，－100mm，100mm和200mm時(shí)，分別撞擊千分表50次，記錄撞擊千分表顯示的數(shù)據(jù)，如表1所示。將撞擊千分表的數(shù)據(jù)以標(biāo)定的原點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，用軟件畫(huà)出在相應(yīng)坐標(biāo)下的記錄點(diǎn)，然后以0.03mm為半徑做圓，可以得到落在0．03mm為半徑的圓內(nèi)點(diǎn)的數(shù)目，用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)而求得相應(yīng)的定位精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5～圖7所示。根

7、據(jù)圖5，X軸不同行程下不同速度的重復(fù)定位精度測(cè)量比較結(jié)果可以看出，X軸的行程為100mm時(shí)，除了初始測(cè)量時(shí)個(gè)別實(shí)驗(yàn)值落在0．01mm之外，其它所得實(shí)驗(yàn)定位精度偏差均在0～0．01mm之間。X軸的行程為－100mm時(shí)，所得實(shí)驗(yàn)定位精度偏差均在0～0．016mm之間。通過(guò)上述分析可以得知，行程距離為10mm時(shí)，X軸的重復(fù)定位偏差的最大幅值為0．016mm，則可得其重復(fù)定位精度為0．008mm。根據(jù)圖6，Y軸不同行程下不同速度的重復(fù)定位精度測(cè)量比較結(jié)果可以看出，Y軸的行程為200mm時(shí)，所得實(shí)驗(yàn)定位精度偏差均在0～0．013mm之間。Y軸的行程為－200mm時(shí)，所得實(shí)驗(yàn)定位精度偏差均同樣均落在0～0

8、．02mm之間。通過(guò)上述分析可以得知，行程距離為200mm時(shí)，X軸的重復(fù)定位偏差的最大幅值為0．02mm，則可得其重復(fù)定位精度為0．01mm。根據(jù)圖7可以分析Z軸不同行程下不同速度的重復(fù)定位精度，Z軸的行程為50mm時(shí)，所得實(shí)驗(yàn)定位精度偏差均在－0．005～0．003mm之間。Z軸的行程為75mm時(shí)，所得實(shí)驗(yàn)定位精度偏差均落在0．0005～0．014mm之間。通過(guò)上述分析可以得知，行程距離為50mm時(shí)，Z軸的重復(fù)定位偏差的最大幅值為0．0035mm，則可得其重復(fù)定位精度為0．00175mm;行程距離為75mm時(shí)，Z軸的重復(fù)定位偏差的最大幅值為0．0145mm。則可得其重復(fù)定位精度為0．0072

9、mm。通過(guò)以上分析可以得知，Z軸的重復(fù)定位精度為0．01mm。 3機(jī)械臂速度測(cè)試 為了測(cè)定X軸和Y軸的運(yùn)動(dòng)速度，本文選取了X軸和Y軸在不同位置角度處對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)作為機(jī)械臂的行程，通過(guò)反復(fù)多次測(cè)量，可得到相應(yīng)角度(弧長(zhǎng))對(duì)應(yīng)的速度。在此為了測(cè)得機(jī)械臂在最大速度運(yùn)行下的狀態(tài)，在程序運(yùn)行中設(shè)定了最大速度的不同速率，可獲得相應(yīng)的運(yùn)行速度。實(shí)驗(yàn)圖如圖8所示。將示波器所記錄各向撞擊開(kāi)關(guān)的電頻數(shù)目與機(jī)械臂所重復(fù)運(yùn)動(dòng)次數(shù)的距離推導(dǎo)出來(lái)，然后將單個(gè)行程范圍下的平均速度計(jì)算出，最終計(jì)算出5個(gè)不同行程下的平均速度，即為機(jī)械臂各軸當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)速度。具體測(cè)試方法如圖3所示，測(cè)試結(jié)果如表2、表3所示。從表2、表3可以看出，根據(jù)機(jī)械臂不同轉(zhuǎn)角，可以測(cè)得相應(yīng)速度下對(duì)應(yīng)的速度，而此種速度可以作為一種衡量SCAＲA機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度特性的參考。 4結(jié)語(yǔ) SCAＲA機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用，特別是一些高精度裝配和組裝的生產(chǎn)線上，因此對(duì)于SCAＲA的重復(fù)定位精度和運(yùn)動(dòng)速度參數(shù)需要進(jìn)行衡量。機(jī)器人關(guān)節(jié)用電機(jī)及其組件，對(duì)機(jī)器人的定位精度有較大的影響，通過(guò)重復(fù)定位精度的分析為電機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。本文提出的一種簡(jiǎn)單的測(cè)試方法，可以較為精確地測(cè)試其重復(fù)定位精度和運(yùn)動(dòng)速度，為SCAＲA機(jī)器人性能指標(biāo)的評(píng)定提供一種參考性方法。