基于Creo的四軸機器人運動分析

文德剛，相寧波

（山東臨工工程機械有限公司，山東臨沂276023）

1 引言

工業(yè)機器人主要是指具備多個自由度，由多個運動關(guān)節(jié)組成，專門用于工業(yè)行業(yè)的自動化設(shè)備，具有自動化程度高，定位準(zhǔn)確，工作效率高等特點，按運動關(guān)節(jié)數(shù)量，工業(yè)機器人分為三軸、四軸、五軸等多種類型，本文研究對象為連桿式四軸機器人，主要用于碼垛、分揀、搬運等行業(yè)。

2 基本原理

連桿式碼垛機器人主要應(yīng)用平衡吊的原理，主要結(jié)構(gòu)包括底座（見圖1），上部旋轉(zhuǎn)組件和工作裝置等部分組成，包含4個關(guān)節(jié)，其中，一軸為整體旋轉(zhuǎn)，采用中空型RV減速器；二軸為末端裝置上下運動，采用滾珠絲杠進行傳動；三軸為末端裝置水平運動，采用絲杠傳動；四軸為末端裝置旋轉(zhuǎn)，采用中部輸入型RV減速器。四連桿機器人的工作原理可以簡化為簡易相似三角形，并且當(dāng)工作裝置關(guān)節(jié)間尺寸滿足特定關(guān)系時，機器人末端位置，于水平、垂直傳動裝置的位置呈線性相關(guān)，并且運動最平穩(wěn)，振動最小。

圖1 機器人底座結(jié)構(gòu)

3 主要研究對象

連桿機構(gòu)通過銷軸與水平滑板上的凸型塊、垂直滑板上的耳座進行連接，其中，垂直滑板上耳座的尺寸對機器人運動范圍有重要影響，因此，本文重點研究垂直滑板耳座銷孔位置與機器人運動范圍之間的關(guān)系。

經(jīng)過前期計算，銷孔與安裝平面的距離范圍為60～120mm，上下運動范圍為[-50mm，330mm]，考察水平滑塊位于最后端位置時，短連桿與后動臂交點滿足以下關(guān)系：以前動臂下銷軸中心為原點，水平軸往后為X正方向，在后動臂下銷軸位于（190，t）位置時（t為后動臂下銷軸的Y方向坐標(biāo)），短連桿與后動臂銷軸中心位置D（x0，y0）滿足以下條件：

4 軟件分析

先在Creo Parametric的建模環(huán)境中添加測量，定義為后動臂與垂直滑板的角度，并將其保存為測量模型，然后切換到機構(gòu)模塊中，添加2個伺服電動機，伺服電機1將水平滑板的距離鎖定為-110mm，設(shè)垂直滑板位置L，其中γ=[0，10]（γ為使L滿足[-50mm，330mm]的變量），運行仿真后，并測量中心距分別為60mm，80mm，100mm時的值，然后在同一個坐標(biāo)系下繪制圖形，得到結(jié)果如圖2所示。

圖2 垂直滑板與后動臂的角度隨位置的變化曲線

經(jīng)過對比分析，極值點均出現(xiàn)在滑板位置等于48.8附近，將垂直滑板的位置代入方程（1）中求解，得到點D坐標(biāo)為（300，0）時，即當(dāng)短拉桿位于水平位置時，后動臂與滑板間的角度最大。

結(jié)合垂直安裝導(dǎo)軌和垂直襯板的厚度，最后得出，機械運動中，后動臂與垂直滑板的最大角度與配重耳座中心孔距離l的關(guān)系為

而根據(jù)機械結(jié)構(gòu)，配重耳座與后動臂不發(fā)生干涉的最大允許夾角，以l為橫坐標(biāo)，繪制α和β的折線圖，如圖3所示。

圖3 夾角與距離的關(guān)系

從圖3可知，在l＞0范圍內(nèi)，α與β不存在交點（無限接近），因此，均按照β角度進行干涉分析即可。為保證機器人有相關(guān)的安全裕度，需要保證機器人在處于軟件限位時，與極限位置留有15mm以上間隙，結(jié)合電機與后動臂的間隙，最終選擇銷軸中心孔與端面位置距離為80mm。

5 結(jié)果驗證

最后，按照相關(guān)選定參數(shù)進行設(shè)計，并對實物進行測量，結(jié)果與軟件仿真一致。

本文結(jié)合Creo三維建模與軟件自帶的機構(gòu)模擬與仿真分析功能，在通過數(shù)學(xué)方法無法直接求解的情況下，首先利用軟件仿真功能繪制相關(guān)參數(shù)變化曲線，分析極值出現(xiàn)位置，從而得出多參數(shù)優(yōu)化問題的主要求解辦法，最終結(jié)合實際需要得出最佳設(shè)計參數(shù)，對常見機器人設(shè)計具有指導(dǎo)意義。