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机械手臂重复定位精度研究

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《微特电机杂志》2016年第二期

摘要:

SCARA机器人常用于精密装配和加工,其机械本体、驱动控制、减速器、电机等都会影响SCARA机器人的精度和运动速度。主要针对一台SCARA机器人对其进行实验台搭建,测试其重复定位精度和运动速度,为SCARA机器人性能指标的评定提供一种参考性方法。

关键词:

伺服电动机;机械臂;SCARA;机器人

收稿日期:2015-06-260引言SCARA工业机器人适合于平面定位,完成垂直方向安装等任务。SCARA多关节机器人的特点有速度快、运动灵活、结构小巧紧凑、定位精度高等。SCARA多关节机器人极大地提高了对多层次多环节装配工作的适应性,使生产效率获得提高,而降低了其本身成本。SCARA工业机器人诞生至今已有四十多年[1-2]。依据富士经济调查公司于2011发表的研究报告,日本Epson公司和Yamaha公司在SCARA机器人注册送体验金无需申请份额上居前两名。由于国内工业机器人起步晚,SCARA机器人的发展受到极大地影响。我国第一台高性能精密装配机器人是上海交通大学于1995年研制的一台SCARA四轴装配机器人[2-3]。其技术特点:机器人运动采用直接驱动技术,进而减少了减速器等带来的传动误差,保证了有较高的定位精度和较快的运动速度。该工业机器人装有高精度高分辨率的力觉和视觉传感器,其控制板采用了多任务操作系统,并具有离线编程的功能。

上海大学也在同期研制了“上海1号”、“上海2号”等工业机器人。在国产SCARA机器人研发企业中,沈阳新松机器人自动化股份有限公司产品重复定位精度达±0.04mm,哈尔滨博实产品的重复定位精度为±0.08mm。国产SCARA机器人在国内工业生产线上也被广泛应用,可与日本等国外SCARA工业机器人相比,但无论是在机器人电路设计,还是在外围结构的流线型设计及定位精度等方面都存在极大差距[6-7]。影响工业机器人定位精度因素很多,但机器人关节用的电机及其组件,对机器人的定位精度有较大影响。因此,本文将开展对SCARA机器人重复定位精度和运动速度测试方法的研究,可以为进一步改进电机的设计提供参考,同时也提供了一种SCARA机械手臂运动的重复定位精度和速度测量实验方法。

1实验方法

SCARA机器人由机体和控制系统组成,如图1所示。机械臂的运动是通过控制伺服电机而实现的。通过对设定机械臂运动的不同路径及位移,调节机械臂不同轴向位置进而多次对千分表进行撞击并记录相关数据,借用概率分布相关方法可以得出所撞击次数中相应的撞击位置偏差,进而可得到相应的精度,具体实验图如图2所示。为了测定相应的机械手臂的运动速度,可以调节机械手臂不同速度下撞击一个回路电路开关,然后利用示波器记录脉冲个数,进而可以求得机械臂运动的平均值,具体实验图如图3所示。因为机械臂是匀速运动的,所以所求得的平均速度即为机械臂在当前时刻的运动速度。实验中所用测定位精度的千分表为表盘千分表,其测量精度为0.001mm,表盘千分表完全满足机械臂定位精度测量的要求。实验前先将千分表调零位,保证机械臂在规定运动位移两端点时轻轻碰撞侧头。记录数据时,只需读指针相对零位转过的格数,最终在处理数据时将所读格数乘以0.001mm,即可得到机械臂在指定点的定位精度。通过多次重复测量,即可得到重复定位精度。

2重复定位精度测试

将SCARA机器人底座固定于钢架基座上并进行原点回零位设置,设置不同的机械手臂工作路径和工作位移,如图4所示。记录机械手臂X轴和Y轴分别在手臂行程为-200mm,-100mm,100mm和200mm时,分别撞击千分表50次,记录撞击千分表显示的数据,如表1所示。将撞击千分表的数据以标定的原点为坐标原点,用软件画出在相应坐标下的记录点,然后以0.03mm为半径做圆,可以得到落在0.03mm为半径的圆内点的数目,用数理的方法进而求得相应的定位精度。实验结果如图5~图7所示。根据图5,X轴不同行程下不同速度的重复定位精度测量比较结果可以看出,X轴的行程为100mm时,除了初始测量时个别实验值落在0.01mm之外,其它所得实验定位精度偏差均在0~0.01mm之间。X轴的行程为-100mm时,所得实验定位精度偏差均在0~0.016mm之间。通过上述分析可以得知,行程距离为10mm时,X轴的重复定位偏差的最大幅值为0.016mm,则可得其重复定位精度为±0.008mm。根据图6,Y轴不同行程下不同速度的重复定位精度测量比较结果可以看出,Y轴的行程为200mm时,所得实验定位精度偏差均在0~0.013mm之间。Y轴的行程为-200mm时,所得实验定位精度偏差均同样均落在0~0.02mm之间。通过上述分析可以得知,行程距离为200mm时,X轴的重复定位偏差的最大幅值为0.02mm,则可得其重复定位精度为±0.01mm。根据图7可以分析Z轴不同行程下不同速度的重复定位精度,Z轴的行程为50mm时,所得实验定位精度偏差均在-0.005~0.003mm之间。Z轴的行程为75mm时,所得实验定位精度偏差均落在0.0005~0.014mm之间。通过上述分析可以得知,行程距离为50mm时,Z轴的重复定位偏差的最大幅值为0.0035mm,则可得其重复定位精度为±0.00175mm;行程距离为75mm时,Z轴的重复定位偏差的最大幅值为0.0145mm。则可得其重复定位精度为±0.0072mm。通过以上分析可以得知,Z轴的重复定位精度为±0.01mm。

3机械臂速度测试

为了测定X轴和Y轴的运动速度,本文选取了X轴和Y轴在不同位置角度处对应的弧长作为机械臂的行程,通过反复多次测量,可得到相应角度(弧长)对应的速度。在此为了测得机械臂在最大速度运行下的状态,在程序运行中设定了最大速度的不同速率,可获得相应的运行速度。实验图如图8所示。将示波器所记录各向撞击开关的电频数目与机械臂所重复运动次数的距离推导出来,然后将单个行程范围下的平均速度计算出,最终计算出5个不同行程下的平均速度,即为机械臂各轴当前的运动速度。具体测试方法如图3所示,测试结果如表2、表3所示。从表2、表3可以看出,根据机械臂不同转角,可以测得相应速度下对应的速度,而此种速度可以作为一种衡量SCARA机器人运动速度特性的参考。

4结语

SCARA机器人在工业生产中被广泛应用,特别是一些高精度装配和组装的生产线上,因此对于SCARA的重复定位精度和运动速度参数需要进行衡量。机器人关节用电机及其组件,对机器人的定位精度有较大的影响,通过重复定位精度的分析为电机的改进设计提供了指导。本文提出的一种简单的测试方法,可以较为精确地测试其重复定位精度和运动速度,为SCARA机器人性能指标的评定提供一种参考性方法。

作者:何洪军 张东宁 马传宝 单位:中国电子科技集团公司第二十一研究所

微特电机杂志责任编辑:杨雪    阅读:人次
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