劉慕雙,楊榮章,趙瑤瑤
(承德石油高等專科學(xué)校 機(jī)械工程系,河北 承德 067000)
近年來(lái),世界工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)入到了智能制造時(shí)代。德國(guó)提出了工業(yè)4.0計(jì)劃, 我國(guó)為了趕上世界科技發(fā)展的步伐,制定了符合我國(guó)國(guó)情的《中國(guó)制造2025》行動(dòng)綱領(lǐng),計(jì)劃到2025年我國(guó)制造業(yè)邁入制造業(yè)強(qiáng)國(guó)的行列。智能制造要求在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用機(jī)器人。目前我們國(guó)家在工業(yè)生產(chǎn)中使用機(jī)器人的比例與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比還比較低,主要是因?yàn)闄C(jī)器人控制原理復(fù)雜,造價(jià)成本較高。能否找到幾種應(yīng)用范圍較廣,控制原理易于實(shí)現(xiàn),造價(jià)成本低廉的機(jī)器人方案,是解決機(jī)器人在我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)中使用比例低的關(guān)鍵所在。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常要在生產(chǎn)線上下搬運(yùn)工件,采用3~4個(gè)自由度結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單控制方便的SCARA機(jī)器人是解決這方面問(wèn)題的較好選擇。
SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm,中文譯名是選擇順應(yīng)性裝配機(jī)器手臂)是一種圓柱坐標(biāo)型的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可以廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)器人。如圖1[1]所示,SCARA機(jī)器人有3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),其軸線相互平行,在平面內(nèi)進(jìn)行定位和定向。另一個(gè)關(guān)節(jié)是移動(dòng)關(guān)節(jié),用于完成末端件在垂直于水平面的運(yùn)動(dòng)。
如圖2所示,手腕參考點(diǎn)的位置坐標(biāo)(x,y,z)是由兩旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角位移φ1和φ2及移動(dòng)關(guān)節(jié)的位移z決定的[2],根據(jù)幾何關(guān)系可以建立手腕參考點(diǎn)O3的坐標(biāo)方程:
根據(jù)圖2表達(dá)的SCARA機(jī)器人投影圖形,可得抓取短點(diǎn)O3的坐標(biāo)式[3]:
式中:L1、L2分別為兩個(gè)擺臂的長(zhǎng)度;φ1、φ2分別為兩個(gè)擺臂對(duì)靜止坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)角;φ3為縱向移動(dòng)絲杠對(duì)靜止坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)角;t為縱向移動(dòng)絲杠的導(dǎo)程。
(6)
(7)
(8)
由(6)、(7)、(8)式得:
(9)
采用與上面相同處理方法可得:
(10)
考慮到減速器的減速比及伺服電機(jī)的脈沖轉(zhuǎn)角等因素,發(fā)給伺服電機(jī)的脈沖數(shù)公式可表達(dá)為:
n1=φ1*i1/Δ1
(11)
n2=(φ2-φ1)*i2/Δ2
(12)
n3=φ3*i3/Δ3
(13)
分別將(9)、(10)、(3)式代入(11)、(12)、(13)式得:
式中:i1、i2、i3分別為三個(gè)伺服電機(jī)的減速比;△1、△2、△3分別為三個(gè)伺服電機(jī)的單位脈沖轉(zhuǎn)角;n1、n2、n3分別為控制計(jì)算機(jī)發(fā)出的脈沖數(shù)。注意:n1、n2為正時(shí),伺服電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),n1、n2為負(fù)時(shí),伺服電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。
這類機(jī)器人的結(jié)構(gòu)輕便、響應(yīng)快,SCARA機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)10 m/s,比一般關(guān)節(jié)式機(jī)器人快數(shù)倍。它最適用于平面定位,垂直方向進(jìn)行裝配的作業(yè)。該機(jī)器人可具有四個(gè)軸和四個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度(包括沿X、Y、Z方向的平移和繞Z軸的旋轉(zhuǎn)自由度)。
SCARA系統(tǒng)在x、y方向上具有很強(qiáng)的靈活性,可以很方便地將集成電路芯片和其他器件針插入到PCB板中,故SCARA系統(tǒng)首先大量用于裝配印刷電路板和電子零部件。SCARA機(jī)器人系統(tǒng)在Z軸方向具有良好的剛度,特別適合于工件在機(jī)床上加工時(shí)的定位安裝及機(jī)器的零部件裝配成整機(jī)方面的工作。所以在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中具有十分廣泛的用途。
1)SCARA機(jī)器人可以搬運(yùn)工件,實(shí)現(xiàn)工件從三維空間內(nèi)的一個(gè)點(diǎn)運(yùn)送到另外一個(gè)點(diǎn)的操作,同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)工件在一個(gè)方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)。
2)SCARA機(jī)器人的工作范圍在水平面內(nèi)的投影是一個(gè)扇形區(qū)域,區(qū)域的大小取決于兩個(gè)臂的長(zhǎng)度參數(shù),在鉛錘方向的工作范圍取決直線導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)范圍,如圖3[4]所示。
3)SCARA機(jī)器人能夠廣泛應(yīng)用于塑料工業(yè)、汽車工業(yè)、電子產(chǎn)品工業(yè)、藥品工業(yè)和食品工業(yè)[4]等領(lǐng)域。它的主要作用是搬取零件和裝配零件的工作。SCARA機(jī)器人的負(fù)重凈載重量在0.1 kg至200 kg之間。
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