機(jī)械手臂重復(fù)定位精度和運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究

何洪軍,張東寧,馬傳寶

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所,上海 200233)

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機(jī)械手臂重復(fù)定位精度和運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究

何洪軍,張東寧,馬傳寶

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所,上海 200233)

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。

伺服電動(dòng)機(jī);機(jī)械臂;SCARA；機(jī)器人

0 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(hào)”、“上海2號(hào)”等工業(yè)機(jī)器人。在國產(chǎn)SCARA機(jī)器人研發(fā)企業(yè)中，沈陽新松機(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)±0.04 mm，哈爾濱博實(shí)產(chǎn)品的重復(fù)定位精度為±0.08 mm[5]。國產(chǎn)SCARA機(jī)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(jī)器人相比,但無論是在機(jī)器人電路設(shè)計(jì)，還是在外圍結(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)是通過控制伺服電機(jī)而實(shí)現(xiàn)的。通過對(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。

圖1 SCARA機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)體和控制系統(tǒng)圖

圖2 機(jī)械臂定位精度測(cè)量原理圖

圖3 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)速度測(cè)試原理圖

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0.001 mm,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)過的格數(shù)，最終在處理數(shù)據(jù)時(shí)將所讀格數(shù)乘以0.001 mm，即可得到機(jī)械臂在指定點(diǎn)的定位精度。通過多次重復(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-200 mm，-100 mm，100 mm和200 mm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。

圖4 機(jī)械臂移動(dòng)坐標(biāo)標(biāo)定

機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軸-200-100100200300X軸0-2000-100010002000300Y軸0-2000-100010002000300Z軸050075------R軸----------

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)，用軟件畫出在相應(yīng)坐標(biāo)下的記錄點(diǎn)，然后以0.03 mm為半徑做圓，可以得到落在0.03 mm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100 mm時(shí)，除了初始測(cè)量時(shí)個(gè)別實(shí)驗(yàn)值落在0.01 mm之外，其它所得實(shí)驗(yàn)定位精度偏差均在0～0.01 mm之間。X軸的行程為-100 mm時(shí)，所得實(shí)驗(yàn)定位精度偏差均在0～0.016 mm之間。通過上述分析可以得知，行程距離為10 mm時(shí)，X軸的重復(fù)定位偏差的最大幅值為0.016 mm,則可得其重復(fù)定位精度為±0.008 mm。

圖5 X軸行程100 mm時(shí)不同速度下的定位偏差

圖6 Y軸行程100 mm時(shí)不同速度下的定位偏差

圖7 Z軸行程50 mm時(shí)不同速度下的定位偏差

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200 mm時(shí)，所得實(shí)驗(yàn)定位精度偏差均在0～0.013 mm之間。Y軸的行程為-200 mm時(shí)，所得實(shí)驗(yàn)定位精度偏差均同樣均落在0～0.02 mm之間。通過上述分析可以得知，行程距離為200 mm時(shí)，X軸的重復(fù)定位偏差的最大幅值為0.02 mm,則可得其重復(fù)定位精度為±0.01 mm。

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50 mm時(shí)，所得實(shí)驗(yàn)定位精度偏差均在-0.005～0.003 mm之間。Z軸的行程為75 mm時(shí)，所得實(shí)驗(yàn)定位精度偏差均落在0.0005～0.014 mm之間。通過上述分析可以得知，行程距離為50 mm時(shí)，Z軸的重復(fù)定位偏差的最大幅值為0.003 5 mm,則可得其重復(fù)定位精度為±0.001 75 mm；行程距離為75 mm時(shí)，Z軸的重復(fù)定位偏差的最大幅值為0.014 5 mm。則可得其重復(fù)定位精度為±0.007 2 mm。通過以上分析可以得知，Z軸的重復(fù)定位精度為±0.01 mm。

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)的弧長作為機(jī)械臂的行程，通過反復(fù)多次測(cè)量，可得到相應(yīng)角度(弧長)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。

圖8 機(jī)械臂速度測(cè)試實(shí)驗(yàn)圖

將示波器所記錄各向撞擊開關(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，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。

表2 X軸旋轉(zhuǎn)角度為30°時(shí)的測(cè)試結(jié)果

表3 Y軸旋轉(zhuǎn)角度為30°時(shí)的測(cè)試結(jié)果

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

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。

[1] 徐元昌. 工業(yè)機(jī)器人[M]. 北京:中國輕工業(yè)出版社，1999:1-2.

[2] 陳開強(qiáng).面向多點(diǎn)高速裝配應(yīng)用的SCARA工業(yè)機(jī)器人控制精度模型研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2012.

[3] 韓建海.工業(yè)機(jī)器人[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社，2009:2-3.

[4] 齊進(jìn)凱.氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析及控制的研究 [D].上海:東華大學(xué),2006.

[5] 殷際英，何廣平.關(guān)節(jié)型機(jī)器人[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003:1-2.

[6] MAKINO H,FURUY N.SCARA robot and its family[C]//Proeeedings of the 3rd Intemational Conference on Assembly Automation， Stuttgart，1982:433-444.

[7] 肖鄭進(jìn). SCARA平面關(guān)節(jié)裝配機(jī)器人設(shè)計(jì)及精度分析[D].南京:南京理工大學(xué),2002.

Experimental Study on the Accuracy and Speed of the Mechanical Arm Movement Based on Actuating Motor

HE Hong-jun，ZHANG Dong-ning，MA Chuan-bao

(No. 21 Research Institute of CETC,Shanghai 200233,China)

SCARA robots are often used in precision assembly and processing. Its mechanical body, drive control, reducer, motor and etc will affect the accuracy and speed of the SCARA robot. In this paper, a SCARA robot was built on the experimental platform. The accuracy and speed of movement were tested. A reference method for evaluating the performance of SCARA robot was provided.

actuating motor; mechanical arm; SCARA; robot

2015-06-26

TM383.4

A

1004-7018(2016)03-0035-03