機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的改進(jìn)及運(yùn)行精度分析

程雷

唐山松下產(chǎn)業(yè)機(jī)器有限公司 河北唐山 063000

1 序言

機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)猶如給機(jī)器人裝上了靈活的腿，使機(jī)器人系統(tǒng)有更多的自由度和更好的可達(dá)性，加大了機(jī)器人的有效工作范圍，方便編程[1]，是完整機(jī)器人系統(tǒng)的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中。其中，導(dǎo)軌是機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵組成部分，起著穩(wěn)定支撐和高精度運(yùn)行的關(guān)鍵作用；導(dǎo)軌的防護(hù)裝置對導(dǎo)軌的正常及長期穩(wěn)定運(yùn)行又起到了不可或缺的重要作用。本文基于高速大行程焊接機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的實例展開論述，針對防護(hù)裝置在高速大行程的焊接環(huán)境中易出現(xiàn)故障的現(xiàn)象，通過對機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)防護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，使上述問題得以解決。

機(jī)器人運(yùn)行精度是焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)最重要的性能指標(biāo)，它直接影響機(jī)器人的工作性能。從機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)變形控制及機(jī)器人控制系統(tǒng)優(yōu)化方面，來闡述機(jī)器人相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過減小結(jié)構(gòu)變形和優(yōu)化機(jī)器人控制系統(tǒng)，來達(dá)到減小誤差、提高機(jī)器人運(yùn)行精度的效果。

2 焊接機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2.1 行走機(jī)構(gòu)普通防護(hù)的類型

機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)導(dǎo)軌防護(hù)常用的方式有：①風(fēng)琴伸縮護(hù)罩。主要用來防止灰塵等顆粒物進(jìn)入導(dǎo)軌滑塊，以免滾動體受損和導(dǎo)軌表面損傷，適用于環(huán)境良好的防塵場合。②鋼板伸縮防護(hù)罩。在風(fēng)琴護(hù)罩無法阻擋的高溫焊渣、切屑環(huán)境下適宜應(yīng)用此結(jié)構(gòu)，能夠防止焊渣和切屑及其他尖銳物進(jìn)入導(dǎo)軌滑塊，多用于中低速運(yùn)行場合。

2.2 行走導(dǎo)軌迷宮式防護(hù)裝置

上述兩種普通防護(hù)方式在一般使用環(huán)境、中低速情況下比較適用，可對于高速大行程機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)在焊接等惡劣環(huán)境中運(yùn)行時，則難以適用。目前，防護(hù)罩的發(fā)展方向是向著高速化、高精度化、復(fù)合化、開放化、低噪聲、長壽命、節(jié)省空間和能源，以及適應(yīng)環(huán)境要求等方向發(fā)展。相較于國外的機(jī)床導(dǎo)軌防護(hù)罩，國內(nèi)導(dǎo)軌防護(hù)罩應(yīng)用現(xiàn)狀是適應(yīng)性和滿足度遠(yuǎn)達(dá)不到市場要求[2]。由于國外的高性能防護(hù)罩價格昂貴，加大了使用成本，所以在高速大行程及焊接等惡劣環(huán)境中運(yùn)行時，提出了一種機(jī)器人行走防護(hù)的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，從而保證在以上特殊環(huán)境使用時，順應(yīng)防護(hù)罩的發(fā)展方向，同時大幅降低成本。

改進(jìn)前的行走機(jī)構(gòu)如圖1所示。防護(hù)裝置由傳統(tǒng)

圖1 改進(jìn)前的行走機(jī)構(gòu)

正裝滑板結(jié)構(gòu)帶伸縮護(hù)罩方式，改進(jìn)成為迷宮式防護(hù)結(jié)構(gòu)（見圖2）。經(jīng)過實際項目設(shè)計及現(xiàn)場使用，對于導(dǎo)軌的防護(hù)起到了很好的效果，如圖3所示。

圖2 改進(jìn)后的行走機(jī)構(gòu)

圖3 改進(jìn)后的機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)實例

改進(jìn)后結(jié)構(gòu)使用的U形鋼板防護(hù)罩，更適用于焊接與切割等具有焊渣飛濺及切割鐵屑的惡劣環(huán)境，其行走滑板部分與U形防護(hù)罩不接觸，通過滑塊Z形板與滑板連接，形成迷宮式導(dǎo)軌防護(hù)結(jié)構(gòu)，能夠有效地防止焊接時焊渣和切割鐵屑及顆粒物進(jìn)入導(dǎo)軌滑塊，對確保機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定運(yùn)行、降低設(shè)備防護(hù)及后期維護(hù)成本起到了很好的作用，同時對設(shè)備組裝及維護(hù)的方便性也有很大的提升。

改進(jìn)后結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點：①解決了風(fēng)琴伸縮護(hù)罩在使用過程中出現(xiàn)異常情況時對機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)運(yùn)行的不良影響。②迷宮式防護(hù)裝置能夠適應(yīng)高速大行程機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)在焊接等不良環(huán)境下，實現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，提高了機(jī)器人系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。③降低了設(shè)備使用及后期維護(hù)成本。

3 焊接機(jī)器人運(yùn)行精度分析

運(yùn)動精度作為關(guān)鍵的性能指標(biāo)，是工業(yè)機(jī)器人完成操作任務(wù)的重要保證。然而，由于工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)中制造誤差、關(guān)節(jié)間隙、彈性變形等不確定性因素的影響，末端執(zhí)行器實際的運(yùn)動遠(yuǎn)未達(dá)到高精度、高可靠的性能要求。因此，精確地分析和評估工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動精度的可靠性，是確保其在工作過程中準(zhǔn)確、可靠運(yùn)行的重要保障[3]。本文從機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變形控制及機(jī)器人控制系統(tǒng)優(yōu)化兩方面來闡述，以達(dá)到減小誤差、提高機(jī)器人運(yùn)行精度的效果。

3.1 滑塊Z形板對機(jī)器人運(yùn)行精度的影響

滑塊Z形板作為機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵組成部分，它的強(qiáng)度及變形量對于機(jī)器人行走裝置的精度有著至關(guān)重要的影響，尤其是對于多向行走機(jī)構(gòu)的累計效應(yīng)更加明顯。在實際項目數(shù)據(jù)測試中，滑塊Z形板的設(shè)計及加工方式不同，其強(qiáng)度和變形量也會出現(xiàn)很大差異。

滑塊Z形板的受力分析如圖4所示，已知Z形板受力參數(shù)F=7000N，L1=77mm，L2=121mm，L3=20m m。采用有限元分析Z形板的撓度及應(yīng)力值，滑塊Z形板的應(yīng)力分布云圖如圖5所示。

圖4 滑塊Z形板的受力分析

由圖5可知，設(shè)計結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值符合設(shè)計要求，但撓度值為1.27mm（見圖6），數(shù)值偏大。在單一方向行走機(jī)構(gòu)中可以使用，但在多方向機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)中變形將出現(xiàn)累加現(xiàn)象，導(dǎo)致機(jī)器人運(yùn)行精度大幅下降，從而影響機(jī)器人自動化系統(tǒng)的生產(chǎn)質(zhì)量和效率。

圖5 滑塊Z形板的應(yīng)力分布云圖

圖6 滑塊Z形板的位移撓曲圖

因此，為解決多方向機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)中變形累加過大的現(xiàn)象，對上述行走機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵元件——Z形板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，如圖7所示。在不改變外形尺寸的前提下，將整體加工件改成組焊件，并通過開坡口減小應(yīng)力集中的方式，提高疲勞極限，使滑塊Z形板焊接件的強(qiáng)度增加，撓度值大幅減小。經(jīng)試驗測試，機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)Z形板的撓度值為0.2mm。

圖7 組焊加工的滑塊Z形板

上述機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的試驗數(shù)據(jù)表明，對于尺寸相同的整體加工的滑塊Z形板和組焊加工的滑塊Z形板，二者力學(xué)性能有很大不同，組焊加工的滑塊Z形板強(qiáng)度及變形量控制明顯優(yōu)于整體加工件。在焊接接頭強(qiáng)度匹配方面，實際生產(chǎn)中多按照熔敷金屬強(qiáng)度來選擇焊接材料，而熔敷金屬強(qiáng)度并非是實際的焊縫強(qiáng)度。熔敷金屬不等同于焊縫金屬，其焊縫金屬的強(qiáng)度往往比熔敷金屬的強(qiáng)度高出不少。因此，就會出現(xiàn)名義“等強(qiáng)”而實際“超強(qiáng)”的結(jié)果[4]。同時采用合適的方法減小焊接殘余應(yīng)力，以提高疲勞強(qiáng)度，使組焊件在獲得較高強(qiáng)度的同時，獲得較低的變形量。

焊接機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)滑塊Z形板組焊件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，極大地提升了機(jī)器人運(yùn)行精度，為機(jī)器人系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保證。

3.2 控制系統(tǒng)對機(jī)器人運(yùn)行精度的影響

焊接過程的復(fù)雜性和不確定性，以及機(jī)器人本身所具有的非完整約束性，使得經(jīng)典控制理論難以適用于焊接機(jī)器人的視覺跟蹤和焊縫跟蹤控制，因此滑膜變結(jié)構(gòu)控制理論在此方面廣泛應(yīng)用。當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)達(dá)到滑模面后，難于嚴(yán)格地沿著滑模面向平衡點滑動，而在滑模面兩側(cè)來回穿越，從而產(chǎn)生振顫[5]。

因此對于機(jī)器人控制系統(tǒng)的振顫問題，在機(jī)器人控制系統(tǒng)程序中引入ACCEL補(bǔ)償，使機(jī)器人向平衡點運(yùn)行過程中，能夠平滑過渡。

在機(jī)器人控制系統(tǒng)程序中引入ACCEL補(bǔ)償（見圖8），能大幅度減輕機(jī)器人振顫問題，同時在運(yùn)用視覺跟蹤和焊縫跟蹤控制時，起到了更好的促進(jìn)作用，從而使機(jī)器人的外部軸協(xié)調(diào)及機(jī)器人之間的運(yùn)動協(xié)調(diào)更加精確，機(jī)器人焊接更加穩(wěn)定，可保證焊接質(zhì)量，提高生產(chǎn)率。

圖8 ACCEL補(bǔ)償

4 結(jié)束語

針對焊接機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)在高速大行程環(huán)境中運(yùn)行時，防護(hù)罩易出現(xiàn)故障的現(xiàn)象，采用迷宮式防護(hù)結(jié)構(gòu)，在可靠防護(hù)設(shè)備的同時大幅降低使用及后期維護(hù)成本；對于帶行走機(jī)構(gòu)的焊接機(jī)器人運(yùn)行精度，從結(jié)構(gòu)變形控制及控制系統(tǒng)優(yōu)化兩方面進(jìn)行闡述，通過減小設(shè)備結(jié)構(gòu)變形和優(yōu)化機(jī)器人控制系統(tǒng)程序，從而提高機(jī)器人運(yùn)行精度。