SCARA機(jī)器人的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與改進(jìn).pdf

56機(jī)器人技術(shù)刪2007年第7期總第34卷SCARA機(jī)器人的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與改進(jìn)毛燕，徐曉宇，高峰(東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京211189)摘要：設(shè)計(jì)了一種scARA機(jī)器人，借助ANsYs軟件對主要受力零件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。針對調(diào)試過程中機(jī)械臂出現(xiàn)的抖振現(xiàn)象，經(jīng)動(dòng)態(tài)分析后對結(jié)構(gòu)作了改進(jìn)。關(guān)鍵詞：scARA機(jī)器人；機(jī)械臂；滾珠絲杠一花鍵軸；模態(tài)中圈分類號(hào)：TP24文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：10060316(2007)07005603MechanismsmcturedesigIlandoptjJmizationoftheSCARArobotMA0Yan，XUXiaoVu，GAOFeng(schoolofMechanicalEngineeringSoutheastunive璐ity，NanjiIlg211189，chi曲)Abstract：ASCARArobotwasdesigned，wi也memostimportantcomponentssmlctllrea11alyzedusingANSYSAccordingtotllevibrationappearedin山edebuggingprocess，山emechaIlisms廿ucturewasimprovedundermedynaIIlicanalysisKeywords：SCARArobot；manipulator；ballscrewspline；mode1SCARA機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)如圖l所示，主要性能參數(shù)如表1所示。本機(jī)械臂有4個(gè)自由度，分別是大臂(A軸)、小臂(B軸)、手抓(w軸)三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和手抓(z軸)一個(gè)移動(dòng)自由度。1基座2A軸電機(jī)3大臂4小臂5口軸電機(jī)6w軸電機(jī)7z軸電機(jī)8滾珠絲杠花鍵軸圖l總體結(jié)構(gòu)圖為提高機(jī)器人的控制精度，每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸都選用安川伺服電機(jī)。A軸和曰軸都選用了傳動(dòng)比大、體積小、重量輕、傳動(dòng)精度高、回差小的諧波減速器。z軸電機(jī)未經(jīng)減速器而直接與負(fù)載相連，為了避免出現(xiàn)負(fù)載在慣性的作用下帶動(dòng)z軸電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，收稿日期：20070302從而造成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制不精確的情況，在z軸安裝了個(gè)電磁剎車。表1SC舢王A機(jī)器人硬件技術(shù)參數(shù)自由度數(shù)(可控軸數(shù))4軸，增量編碼器魚望堂查墨盔!絲臂長三囂蠹=為了使機(jī)械臂總體結(jié)構(gòu)緊湊，采用滾珠絲杠一花鍵軸來實(shí)現(xiàn)手抓的轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)。如圖2所示，z軸電機(jī)的輸入通過同步帶傳遞至滾珠絲杠一花鍵軸的滾珠螺母；w軸電機(jī)的輸入通過同步帶傳遞至滾珠絲杠一花鍵軸的花鍵套。但這樣的結(jié)構(gòu)存在一個(gè)運(yùn)動(dòng)耦合的問題，當(dāng)z軸與w軸中任何一個(gè)電機(jī)有輸入時(shí)，滾珠絲杠一花鍵軸都會(huì)既轉(zhuǎn)動(dòng)又移動(dòng)。為此采用了如下方案：w軸電機(jī)經(jīng)由減速器減速后將輸入傳遞至花鍵套，從而實(shí)現(xiàn)z軸電機(jī)輸入時(shí)手抓的純移動(dòng)狀態(tài)；對于手抓的純轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，則通過控制兩軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使傳至滾珠絲杠一花鍵軸的轉(zhuǎn)速相同而實(shí)現(xiàn)。萬方數(shù)據(jù)扔芴2007年第7期總第34卷機(jī)器人技術(shù)572結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)該機(jī)械臂中主要的受力零件有底座、大臂和小臂，其中大臂和小臂都是懸臂梁結(jié)構(gòu)，受力情況不好，容易產(chǎn)生振動(dòng)，為此需要對機(jī)械臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。下面以大臂為例來說明設(shè)計(jì)方法。類頻率的激勵(lì)時(shí)容易產(chǎn)生共振，但是這些振動(dòng)的固有頻率很大，避免了機(jī)械臂在工作過程中進(jìn)入共振區(qū)。如圖4所示。圖4大臂第一階和第二階的振型Q22大臂的靜態(tài)特性分析(輸入)O軸電機(jī)(輸入)圖2滾珠絲杠一花鍵軸大臂除了自重以外還承受了小臂上所有的力，為此要求大臂在滿足強(qiáng)度和剛度的條件下應(yīng)盡量減輕自重，這樣可以提高低階固有頻率，減少產(chǎn)生共振的機(jī)會(huì)。設(shè)計(jì)過程中用ANsYs對大臂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。大臂的材料是LYl2，彈性模量為71GPa，泊松比031，密度27103kgm3，劃分網(wǎng)格采用了S01id45單元。如圖3所示。圖3大臂前10階的固有頻率21大臂的模態(tài)分析模態(tài)分析可以確定大臂的固有頻率和振型。固有頻率是反映系統(tǒng)在平衡位置附近作微小振動(dòng)式的物理性質(zhì)，振型是系統(tǒng)在某固有頻率下振動(dòng)的空問姿態(tài)，它們都僅與系統(tǒng)的慣性和剛度有關(guān)，與其他參數(shù)無關(guān)。對大臂振型的分析有助于對機(jī)構(gòu)的振動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行深入研究。由ANsYs分析的結(jié)果可知，大臂的前兩階固有頻率分別為32716Hz，39276Hz。當(dāng)大臂受到此靜態(tài)剛度是靜態(tài)特性的重要指標(biāo)，靜態(tài)剛度太小會(huì)降低機(jī)構(gòu)的固有頻率，導(dǎo)致其響應(yīng)速度變慢，抗干擾能力差，在運(yùn)動(dòng)過程中也會(huì)產(chǎn)生過沖現(xiàn)象，嚴(yán)重影響機(jī)械臂的控制精度。大臂的結(jié)構(gòu)如圖5所示，進(jìn)行靜態(tài)分析時(shí)按照實(shí)際情況施加了約束和載荷，大臂的一端進(jìn)行了全位移約束，另一端沿z軸的負(fù)方向施加了200N的作用力。經(jīng)過分析求解，得出大臂在z方向的變形情況如圖6所示，以及大臂在此作用力下所受的應(yīng)力情況如圖7所示。圖5大臂的結(jié)構(gòu)圖6大臂z方向的應(yīng)變圖圖7大臂的應(yīng)力圖如圖6所示，大臂在此受力情況下沿z方向產(chǎn)生的變形量為287斗m，可計(jì)算出大臂在z方向的剛度為697N“m。由圖7可知大臂最大的應(yīng)力發(fā)生在固定端根部，最大應(yīng)力值為582MPa。一般情況下最大許用應(yīng)力為材料屈服極限的o5o8，現(xiàn)取其下限值O5，材料的屈服極限為240MPa，則許用應(yīng)力為120MPa，因此，材料應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力。萬方數(shù)據(jù)58機(jī)器人技術(shù)黝2007年第7期總第34卷3實(shí)驗(yàn)分析與改進(jìn)該機(jī)械臂采用PMAc進(jìn)行控制，調(diào)試過程中，機(jī)械臂的小臂部分出現(xiàn)了抖振。我們通過單獨(dú)驅(qū)動(dòng)每個(gè)電機(jī)來查找振源，發(fā)現(xiàn)僅驅(qū)動(dòng)B軸電機(jī)時(shí)小臂便出現(xiàn)抖振，為此采用美國LDsDactron公司的動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀對機(jī)械臂進(jìn)行了模態(tài)和動(dòng)態(tài)分析，根據(jù)分析結(jié)果改進(jìn)了機(jī)械臂的相關(guān)結(jié)構(gòu)。31機(jī)械臂的模態(tài)和動(dòng)態(tài)分析機(jī)械臂模態(tài)分析的結(jié)果如圖8所示，該機(jī)械臂存在14Hz左右的低階固有頻率。圖8機(jī)械臂模態(tài)我們分別截取了機(jī)械臂抖振和平穩(wěn)時(shí)的信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。如圖9所示，機(jī)械臂抖振時(shí)的頻率主要是14Hz、100Hz和200Hz，其中后兩種頻率在抖振時(shí)相對而言是次要的，且在平穩(wěn)階段依然存在，因此可以認(rèn)為機(jī)械臂的抖振主要是由于工作在低階固有頻率附近產(chǎn)生的。如圖lo所示。圖9機(jī)械臂抖振時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)圖10機(jī)械臂平穩(wěn)時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)32結(jié)構(gòu)改進(jìn)通過上述分析得知機(jī)械臂的抖振主要是因共振產(chǎn)生的，且頻率較低。在整個(gè)機(jī)械臂的系統(tǒng)中，只有A軸和8軸兩個(gè)關(guān)節(jié)處的滾動(dòng)軸承因剛度小才會(huì)產(chǎn)生這么低的固有頻率，為此對這兩個(gè)關(guān)節(jié)處的結(jié)構(gòu)作了改進(jìn)。現(xiàn)以曰軸關(guān)節(jié)為例進(jìn)行說明。從改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)，如圖11所示，關(guān)節(jié)處僅采用了一個(gè)深溝球軸承，這樣的結(jié)構(gòu)支承剛性低，承受懸臂彎矩能力較差，容易產(chǎn)生振動(dòng)和噪音。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)如圖12所示，采用了成對雙聯(lián)角接觸軸承，預(yù)緊后提高了支承剛度，而且雙軸承可以很好的承受懸臂彎矩，從而減小振動(dòng)和噪聲，使得機(jī)械臂的控制精度得到很大的提高。4321大臂2軸承3小臂4諧波減速器5B軸電機(jī)圖11改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)圖12改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)4結(jié)論設(shè)計(jì)了一個(gè)SCARA機(jī)器人，針對調(diào)試過程中出現(xiàn)的抖振現(xiàn)象，經(jīng)過動(dòng)態(tài)分析對結(jié)構(gòu)作了改進(jìn)，增加了關(guān)節(jié)的剛度，從而減小了振動(dòng)，使機(jī)械臂的控制精度得到了提高，圖13是我們設(shè)計(jì)的scARA機(jī)械臂。圖13scARA機(jī)械臂參考文獻(xiàn)：1】MaIlipulator(SCARA)MallualRBSA(I)S嘶es(V10)【z】Korea，RobostarCoLtd2】精密滾珠絲杠副【z】南京：南京工藝裝備制造廠，2002萬方數(shù)據(jù)SCARA機(jī)器人的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與改進(jìn)作者：毛燕，徐曉宇，高峰，MAOYan，XUXiao-yu，GAOFeng作者單位：東南大學(xué),機(jī)械工程學(xué)院,江蘇,南京,211189刊