仿真技術在SCARA工業機器人結構優化上的應用

毛芳芳，盧佳佳，朱仁義，2

(1.阜陽職業技術學院，安徽 阜陽 236031；2.巢湖學院，安徽 巢湖 238024)

0 引言

隨著工業4.0以及智能制造等眾多概念的提出，運動控制又再一次被推向新的高潮。為了順應新時代賦予的新使命，筆者申報了安徽省自然科學研究——虛擬仿真技術在工業機器人系統開發中的應用項目并立項。本文以SCARA型機器人為例，在分析其伺服控制系統的基礎上對其結構進行優化，設計出結構簡單、運行可靠，能滿足教學實驗需要的機械手。

運動控制是自動控制和智能制造中的一個重要分支，是通過伺服機構比如電機、液壓或者氣壓泵等設備來實現對機器部件的物理量比如流量、加速度及位置的實時控制，伺服控制是運動控制的核心，伺服系統是帶有反饋環節的控制系統[1]可以用來準確地跟隨或重現某個過程。

1 電機的分類及性能分析

1.1 分類和性能

工業機器人各個關機軸使用的電機種類有很多，機器人的型號、技術指標、應用領域不同，選擇的電機種類也不同。目前，市場上工業機器人使用較多的有兩種電機：步進電機和伺服電機。伺服電機可分為直流伺服(分為有刷和無刷兩種)電機和交流伺服電機(分為同步和異步兩種)，目前，直流伺服電機逐漸被交流伺服電機所取代，因為交流伺服電機沒有直流電機的機械接觸部分，在使用過程中不需要維護[2]。

步進電機的特點是控制結構簡單，與伺服電機相比是開環控制沒有反饋調節，可以直接實現數字控制，而且成本低，性能好，對于傳動功率不大，精度要求不高的小型機械手，此種電機的應用最為廣泛[3]。

1.2 電機控制實現

工業機器人伺服電機應用需要有一定的系統性能，也需要構建一個安全的環境來實現這些功能，對此，在設計中需要確保系統的控制能力過關。目前的機器人伺服電機控制系統中，多使用全閉環控制進給伺服系統或者是半閉環控制進給伺服設計[4]。

前者是借助相關的檢測裝置安裝，針對移動的部位實施及時的跟蹤反饋，通過對重要數據的處理獲得機床的實際運行狀態和具體的運行參數，并將相關信息傳遞到伺服電機中，這時候伺服電機就可以根據相應的智昭林來實現運動誤差的補償和及時的誤差糾正。不過，這種控制模式的應用成本相對較高，系統穩定性不足，缺點也很多，所以使用中的效果也不會很好。

后者的控制系統可靠性更強。半閉環控制設計能夠在驅動電機位置安裝位置檢測設備，能夠實現回轉角的有效監測目標，掌握相應部件的實際運動位置情況，從而更好地接受重要信息，促進誤差補償目標的有效實現。且這一控制模式中，相應的控制精度也比較高，結構更加簡單，整體的系統控制成本比較低，所以在發生故障的情況下，更便于維護維修。

1.3 電機選型及優化方案

本課題在考慮平面關節型機械手通用性及可操作性的基礎上，改用步進電機驅動，設計出能完成XY方向平面運動及Z軸上下運動，選用步進電機具有較好的市場化、商業化前景的4個自由度的機械手。兩個水平面內回轉運動，一個Z軸上下運動，一個Z軸旋轉運動。機械手總體設計方案如下。

1.3.1 主要技術參數確定

設各部分的尺寸和重量如下：

(1)關節Ⅰ和關節Ⅱ軸之間的距離為340 mm，質量為M1(4 kg左右)，重心在關節Ⅰ軸123 mm處，L1=123 mm。

(2)關節Ⅱ和關節Ⅲ軸之間的距離為190 mm，質量為M2(1 kg左右)，重心在距第二關節軸90 mm處，L2=340+90=430 mm。

(3)關節Ⅲ升降裝置及最大負載合計為M3(15 kg左右)，重心在關節Ⅱ軸209 mm處，L3=340+190=530 mm；L4=97 mm；L5=194 mm。

該機械手的基本技術參數如下：

關節Ⅰ回轉：-150°～150° 90°/S

關節Ⅱ回轉：-150°～-30° 180°/S

關節Ⅲ：180 mm 150 mm/S

關節Ⅳ回轉：-90°～90°180°/S

負載重量：294 N

1.3.2 各自由度步進電機的選擇

各軸步進電機的選擇依據如圖3所示。

圖3 步進電機選型參考表

設關節Ⅰ關節Ⅱ及關節Ⅳ繞各自重心軸的轉動慣量分別為JG1，JG2，JG3，根據轉動慣量求解公式不難求出繞關節Ⅰ軸的轉動慣量為：

J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22+JG3+M3L32

(2.1)

其中：M1，M2，M3分別為4 Kg，1 Kg，15 Kg；L1，L2，L3分別為123 mm，430 mm，530 mm。JG1〈〈M1L12、JG2〈〈M2L22、JG3〈〈M3L32，以繞關節Ⅰ軸的轉動慣量為：

J1=M1L12+M2L22+M3L32

(2.2)

=4×0.1232+1×0.4302+4×0.5302

=1.91 kg·m2

同理可得關節Ⅱ軸的轉動慣量：

M2=1 Kg，L4=97 mm；M3=4 Kg，L5=194 mm。

J2=M2L42+M3L52

(2.3)

=1×0.0972+4×0.1942

=0.16 kg·m2

(2.4)

關節Ⅰ選擇步進電機型號：110FH120

同理可以選出關節Ⅱ、關節Ⅲ、關節Ⅳ的步進電機型號。

關節Ⅱ型號：86FH60

關節Ⅲ型號：57FH25

關節Ⅳ型號：57FH13

1.3.3 建模和仿真設計

在開展此次機械手伺服電機驅動中，進行選型和優化后，需要進一步做好設備的運動仿真設計，第一步是對于相應對象的幾何建模工作進行明確，此次設計選擇了UG軟件，選擇這一軟件，是因為UG軟件自身的實體造型強大，具有曲面造型、虛擬裝配和工程圖生成等系統功能，在具體的設計中應用，還能夠實施有限元分析、動力學分析以及仿真模擬等操作，UG為客戶提供了CAD，CAM，CAE三個主要的模塊，其中，CAD模塊主要是為設計師提供多種自由形狀設計、模具、鈑金設計、配線設計等，真正能夠涵蓋實體建模、裝配建模、機械自由形狀建模等目標，為工程設計和系統制圖提供可能。而CAM模塊主要是為設計提供相應的模具加工板塊，能夠實現自動加工處理目標，并將相應的數控程序導出。CAE模塊屬于綜合性有限元建模、解算以及結果可視化模塊，能夠為實現系統設計仿真提供相應的仿真模塊，可以為產品性能評估提供有效的支持，通過建模和仿真測試，能夠對于相應機器人伺服電機的實際驅動和應用情況進行把握，更好的驗證機器人的工作效能，驗證設計的可靠性[5]。

2 結語

結構優化前的機器人存在的問題是由伺服電動機直接驅動，這就要求電機必須有低轉速高扭矩的特點，這樣的電機在市場上的售價格與其他產品相對價格比較高，電機配型方案不夠經濟實惠，若采用優化后的方案使用步進電動機驅動，雖然在動力特性方面不如伺服電機，但由于SCARA工業機器人負載輕，速度低，精度要求不高，同時又采用了合適的加減速設計，因而能滿足教學實驗需要，大大降低了系統成本。