碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)介紹及其三維模型建立分析

陶喜冰，朱業(yè)金

（青島科捷機(jī)器人有限公司，山東 青島 266100）

1 碼垛機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計

碼垛機(jī)器人組成分為三部分，其中包括腰座旋轉(zhuǎn)部分、并聯(lián)部分以及尾端執(zhí)行器部分，碼垛機(jī)器人是一種4自由度的混聯(lián)機(jī)器人。各部分主要功能是，腰座旋轉(zhuǎn)部分主要控制機(jī)器人末端執(zhí)行器在運(yùn)行過程中的轉(zhuǎn)動；機(jī)器人的機(jī)械臂主要受到并聯(lián)部分的控制，在并聯(lián)部分是由平行四桿機(jī)組合而成，控制末端執(zhí)行器在空間位置的擺動；在機(jī)器人進(jìn)行抓手操作時主要是受末端執(zhí)行器的控制。在此次設(shè)計的機(jī)器人中抓手運(yùn)動可以實現(xiàn)下列四種運(yùn)動功能：環(huán)繞基座實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，垂直上下移動、水平前后運(yùn)動，抓手回轉(zhuǎn)運(yùn)動。在上述四個運(yùn)動中有相對應(yīng)的4個交流伺服電機(jī)進(jìn)行動作的控制，由于交流伺服電機(jī)運(yùn)行性能良好并且功率在輸出過程中較大，控制的精確度較高，所能承受的力度較大等其它優(yōu)點，所以在對機(jī)器人進(jìn)行控制過程中達(dá)到精準(zhǔn)控制。位于腰座旋轉(zhuǎn)部分的伺服電機(jī)利用擺線減速器控制驅(qū)動腰座運(yùn)動。位于末端執(zhí)行器部分的伺服電機(jī)利用擺線減速器控制機(jī)器人的抓手作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。并聯(lián)部分有水平關(guān)節(jié)電機(jī)和垂直關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動控制兩種電機(jī)，主要是平行四桿機(jī)構(gòu)成，這兩個電機(jī)在連接過程中主要是采用同步帶輪減速器分別與滾珠絲杠之間進(jìn)行連接，在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時使用滾珠絲杠進(jìn)行控制，進(jìn)而驅(qū)動與滾珠絲杠相連的機(jī)器人前臂和后臂沿各自導(dǎo)軌作水平前后運(yùn)動和垂直上下運(yùn)動。

2 碼垛機(jī)器人幾何模型的建立

ANSYS WORKBENCH 與UG以及PRO/E建模功能相比下，前者不如后面兩者更加的便捷直觀，ANSYS WORKBENCH實現(xiàn)的主要功能是進(jìn)行有限元分析，所以此次設(shè)計的碼垛機(jī)器人通過三維建模軟件UG進(jìn)行每個零件部位的幾何模型建立，在裝配環(huán)境中把每個零件都組合到一起，進(jìn)而組合而成碼垛機(jī)器人的整體三維模型。如果對實體模型直接進(jìn)行有限元分析將會出現(xiàn)非常多的問題，所以在進(jìn)行分析之前就需要對實體進(jìn)行系統(tǒng)地、有效地幾何清理，這樣可以迅速地、高質(zhì)量地展現(xiàn)出有限元分析的網(wǎng)格劃分。此外還受到機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件較多因素的影響，直接利用ANSYSWORKBENCH進(jìn)行有限元分析，會產(chǎn)生較大的計算量，還會給計算精度造成影響。所以首先需要對模型進(jìn)行簡化處理之后，然后再將數(shù)據(jù)導(dǎo)入ANSYSWORKBENCH之中。在機(jī)械系統(tǒng)中進(jìn)行模態(tài)分析的是已有頻率以及主振型，分析中主要依據(jù)的是機(jī)械系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)剛度特性和質(zhì)量分布。結(jié)構(gòu)中的螺栓孔、工藝孔和圓角等一些幾何特點對于精度的影響作用較小，所以在進(jìn)行模態(tài)分析時可以忽略不計，但是需要將盈配合或用螺栓聯(lián)系在一起的兩個零件組成一個完整的部件，另外簡化各種配合、嚙合及傳動關(guān)系。簡化后的幾何模型，如圖1所示。

圖1 碼垛機(jī)器人幾何模型

圖2 碼垛機(jī)器人三維模型

機(jī)器人的運(yùn)動軌跡規(guī)劃及仿真分析運(yùn)用SolidWorks 建立新型碼垛機(jī)器人的三維模型(如圖2所示)。將模型保存成( ★ .x_t) 格式，再導(dǎo)入 ADAMS中進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析。機(jī)器人的運(yùn)動軌跡如圖3所示，由起點A出發(fā)運(yùn)動到點F，最后再回到點A。該運(yùn)動軌跡通過以下STEP函數(shù)控制完成。

圖3 機(jī)器人運(yùn)動路徑示意圖

J1 軸 Motion( 抓 手 豎 直 運(yùn) 動 —AB、EF 段 ) ∶st ep( t i m e，0，0，4，0) + s tep( ti m e，4，0，6，90d) +step( time，16，0，18， － 90d)J2 軸 Motion( 機(jī) 械 臂 旋 轉(zhuǎn) —CD段 )∶step ( time， 0， 0， 2， 50d ) + step ( time， 8，0， 10， － 50d) + step( time，12，0，14，50d)J3 軸 Motion( 抓 手 水 平 運(yùn) 動 —BC、ED 段 ) ∶step( time，0，0，2，30d) + step( time，2，0，4，35d) +step( time，6，0，8，－ 35d) + step ( time，8，0，10 － 30d) +step( time，12，0，14，30d) + step( time，14，0，16，35d) +step(time，18，0，20，－ 35d)機(jī)器人的機(jī)架與地面鎖定，底盤和機(jī)架之間添加回轉(zhuǎn)副和回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，在 J2 軸和 J3 軸分別添加驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，設(shè)定時間為 5s，setps=100，圖4～6所顯示的是末端執(zhí)行器在進(jìn)行坐標(biāo)移動過程中的速度以及加速度的仿真曲線圖。曲線顯示的波動形態(tài)與實際情況最為符合，直接將機(jī)器人的各個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩情況顯示出來，直接影響著下面的關(guān)節(jié)電機(jī)控制。

圖4 末端執(zhí)行器在 x、y、z 方向上的位移及合成仿真曲線

ADAMS/Post Processor針對機(jī)器人在運(yùn)行過程中每個位置的移動、移動速度進(jìn)行精確測量。當(dāng)機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)到 2s期間，可得數(shù)據(jù)θ=20°，β=45°，θ1=90°，這時末端執(zhí)行器部分的位移數(shù)據(jù)與進(jìn)行仿真試驗后的數(shù)據(jù)一致，數(shù)據(jù)分別顯示是 x =－2430mm，y =3413mm，z = 2106mm，不僅證明了數(shù)學(xué)推導(dǎo)的正確性，而且還與實際更加符合，通過仿真試驗所得的曲線變化較為穩(wěn)定，反映了該碼垛機(jī)器人的設(shè)計合理性。

圖5 末端執(zhí)行器在 x、y、z 方向上的速度及合成仿真曲線

圖6 末端執(zhí)行器在 x、y、z 方向上的加速度及合成仿真曲線