機械手臂重復(fù)定位精度研究

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1、機械手臂重復(fù)定位精度研究 機械手臂重復(fù)定位精度研究 2016/04/20 《微特電機雜志》2016年第二期 摘要: SCAＲA機器人常用于精密裝配和加工，其機械本體、驅(qū)動控制、減速器、電機等都會影響SCAＲA機器人的精度和運動速度。主要針對一臺SCAＲA機器人對其進行實驗臺搭建，測試其重復(fù)定位精度和運動速度，為SCAＲA機器人性能指標(biāo)的評定提供一種參考性方法。 關(guān)鍵詞: 伺服電動機;機械臂;SCAＲA;

2、機器人 收稿日期:2015－06－260引言SCAＲA工業(yè)機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)機器人的特點有速度快、運動靈活、結(jié)構(gòu)小巧緊湊、定位精度高等。SCAＲA多關(guān)節(jié)機器人極大地提高了對多層次多環(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)機器人誕生至今已有四十多年［1－2］。依據(jù)富士經(jīng)濟調(diào)查公司于2011發(fā)表的研究報告，日本Epson公司和Yamaha公司在SCAＲA機器人市場份額上居前兩名。由于國內(nèi)工業(yè)機器人起步晚，SCAＲA機器人的發(fā)展受到極大地影響。我國第一臺高性能精密裝配機器人是上海交通大學(xué)于1995年研制的

3、一臺SCAＲA四軸裝配機器人［2－3］。其技術(shù)特點:機器人運動采用直接驅(qū)動技術(shù)，進而減少了減速器等帶來的傳動誤差，保證了有較高的定位精度和較快的運動速度。該工業(yè)機器人裝有高精度高分辨率的力覺和視覺傳感器，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”、“上海2號”等工業(yè)機器人。在國產(chǎn)SCAＲA機器人研發(fā)企業(yè)中，沈陽新松機器人自動化股份有限公司產(chǎn)品重復(fù)定位精度達0．04mm，哈爾濱博實產(chǎn)品的重復(fù)定位精度為0．08mm。國產(chǎn)SCAＲA機器人在國內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)線上也被廣泛應(yīng)用，可與日本等國外SCAＲA工業(yè)機器人相比，但無論是在機器人電路設(shè)計，還是

4、在外圍結(jié)構(gòu)的流線型設(shè)計及定位精度等方面都存在極大差距［6－7］。影響工業(yè)機器人定位精度因素很多，但機器人關(guān)節(jié)用的電機及其組件，對機器人的定位精度有較大影響。因此，本文將開展對SCAＲA機器人重復(fù)定位精度和運動速度測試方法的研究，可以為進一步改進電機的設(shè)計提供參考，同時也提供了一種SCAＲA機械手臂運動的重復(fù)定位精度和速度測量實驗方法。 1實驗方法 SCAＲA機器人由機體和控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。機械臂的運動是通過控制伺服電機而實現(xiàn)的。通過對設(shè)定機械臂運動的不同路徑及位移，調(diào)節(jié)機械臂不同軸向位置進而多次對千分表進行撞擊并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，借用概率統(tǒng)計分布相關(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，進而可得到相應(yīng)的精度，具體實驗圖如圖2所示。為了測定相應(yīng)的機械手臂的運動速度，可以調(diào)節(jié)機械手臂不同速度下撞擊一個回路電路開關(guān)，然后利用示波器記錄脈沖個數(shù)，進而可以求得機械臂運動的平均值，具體實驗圖如圖3所示。因為機械臂是勻速運動的，所以所求得的平均速度即為機械臂在當(dāng)前時刻的運動速度。實驗中所用測定位精度的千分表為表盤千分表，其測量精度為0．001mm，表盤千分表完全滿足機械臂定位精度測量的要求。實驗前先將千分表調(diào)零位，保證機械臂在規(guī)定運動位移兩端點時輕輕碰撞側(cè)頭。記錄數(shù)據(jù)時，只需讀指針相對零位轉(zhuǎn)過的格數(shù)，最終在處理數(shù)據(jù)時將所讀格數(shù)乘以0．001mm，即可得到

6、機械臂在指定點的定位精度。通過多次重復(fù)測量，即可得到重復(fù)定位精度。 2重復(fù)定位精度測試 將SCAＲA機器人底座固定于鋼架基座上并進行原點回零位設(shè)置，設(shè)置不同的機械手臂工作路徑和工作位移，如圖4所示。記錄機械手臂X軸和Y軸分別在手臂行程為－200mm，－100mm，100mm和200mm時，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)定的原點為坐標(biāo)原點，用軟件畫出在相應(yīng)坐標(biāo)下的記錄點，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)點的數(shù)目，用數(shù)理統(tǒng)計的方法進而求得相應(yīng)的定位精度。實驗結(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)定位精度測量比較結(jié)果可以看出，X軸的行程為100mm時，除了初始測量時個別實驗值落在0．01mm之外，其它所得實驗定位精度偏差均在0～0．01mm之間。X軸的行程為－100mm時，所得實驗定位精度偏差均在0～0．016mm之間。通過上述分析可以得知，行程距離為10mm時，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)定位精度測量比較結(jié)果可以看出，Y軸的行程為200mm時，所得實驗定位精度偏差均在0～0．013mm之間。Y軸的行程為－200mm時，所得實驗定位精度偏差均同樣均落在0～0

8、．02mm之間。通過上述分析可以得知，行程距離為200mm時，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，所得實驗定位精度偏差均在－0．005～0．003mm之間。Z軸的行程為75mm時，所得實驗定位精度偏差均落在0．0005～0．014mm之間。通過上述分析可以得知，行程距離為50mm時，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，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。通過以上分析可以得知，Z軸的重復(fù)定位精度為0．01mm。 3機械臂速度測試 為了測定X軸和Y軸的運動速度，本文選取了X軸和Y軸在不同位置角度處對應(yīng)的弧長作為機械臂的行程，通過反復(fù)多次測量，可得到相應(yīng)角度(弧長)對應(yīng)的速度。在此為了測得機械臂在最大速度運行下的狀態(tài)，在程序運行中設(shè)定了最大速度的不同速率，可獲得相應(yīng)的運行速度。實驗圖如圖8所示。將示波器所記錄各向撞擊開關(guān)的電頻數(shù)目與機械臂所重復(fù)運動次數(shù)的距離推導(dǎo)出來，然后將單個行程范圍下的平均速度計算出，最終計算出5個不同行程下的平均速度，即為機械臂各軸當(dāng)前的運動速度。具體測試方法如圖3所示，測試結(jié)果如表2、表3所示。從表2、表3可以看出，根據(jù)機械臂不同轉(zhuǎn)角，可以測得相應(yīng)速度下對應(yīng)的速度，而此種速度可以作為一種衡量SCAＲA機器人運動速度特性的參考。 4結(jié)語 SCAＲA機器人在工業(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，因此對于SCAＲA的重復(fù)定位精度和運動速度參數(shù)需要進行衡量。機器人關(guān)節(jié)用電機及其組件，對機器人的定位精度有較大的影響，通過重復(fù)定位精度的分析為電機的改進設(shè)計提供了指導(dǎo)。本文提出的一種簡單的測試方法，可以較為精確地測試其重復(fù)定位精度和運動速度，為SCAＲA機器人性能指標(biāo)的評定提供一種參考性方法。