董冠華，胡曉兵，殷國富，周 飛

（四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065）

0 引言

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,機(jī)器人技術(shù)越來越多融入到了當(dāng)今制造業(yè),直角坐標(biāo)機(jī)器人作為機(jī)器人的一種重要組成部分,憑借著其結(jié)構(gòu)緊湊、強(qiáng)度高、運(yùn)動簡單及無奇異狀態(tài)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于焊接、碼垛、包裝、檢測、裝配及包裝等領(lǐng)域[1]。

不同的工況條件和作業(yè)需求對于機(jī)器人精度有著不同的要求，在設(shè)計開發(fā)機(jī)器人平臺過程中，對機(jī)器人的精度設(shè)計也成為工作中的重中之重。基于課題需要，針對高精度、低負(fù)載、高速度的作業(yè)需求,本文設(shè)計開發(fā)了一套懸臂式直角坐標(biāo)機(jī)器人。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，動作過程中Y軸（懸臂部分）因負(fù)載而產(chǎn)生的形變會直接影響到機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作精度。目前，設(shè)計人員往往只通過對Y軸線性模組（簡稱模組）簡化模型進(jìn)行有限元分析，并根據(jù)有限元分析的結(jié)果做進(jìn)一步的設(shè)計分析。實(shí)際上，簡化模型與實(shí)際樣機(jī)之間存在一定的誤差。本文結(jié)合人工視覺技術(shù)，針對兩者之間的誤差進(jìn)行了研究，為后續(xù)的設(shè)計開發(fā)提供了理論依據(jù)。

1 機(jī)器人平臺與實(shí)驗(yàn)原理

本文所設(shè)計開發(fā)的懸臂式直角坐標(biāo)機(jī)器人，主要由X、Y、Z軸向模組與末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。機(jī)器人具有四個自由度：X、Y、Z軸向的移動和功能部件的X向旋轉(zhuǎn)。其中，X軸模組固定于基座，Y軸模組為懸臂結(jié)構(gòu)，通過連接塊與X軸滑臺相連，Z軸模組固連與Y軸模組滑臺。所設(shè)機(jī)器人的額定負(fù)載為5kg，定位精度為±0.05mm。

實(shí)際工作中，所設(shè)計直角坐標(biāo)機(jī)器人 X軸模組與基座固連，Z軸模組主要受軸向拉力作用，對機(jī)器人平臺的精度的影響較??；Y軸模組為懸臂結(jié)構(gòu)，因受重力和外部載荷作用形變量最大，且對機(jī)器人平臺的精度影響最為嚴(yán)重。因此，機(jī)器人平臺的最終精度很大程度上取決于Y軸模組的形變大小，在精度設(shè)計時也必須對懸臂結(jié)構(gòu)的Y軸模組的剛度進(jìn)行校核。

本文在精度設(shè)計分析的過程中，對Y軸模組進(jìn)行建模，并根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸將之簡化為殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計計算。同時，本文在物理平臺上結(jié)合機(jī)械視覺技術(shù)，對該種根據(jù)簡化模型分析的結(jié)果對機(jī)器人精度設(shè)計的方法進(jìn)行驗(yàn)證。同時，為保證視覺實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本文基于實(shí)驗(yàn)室直角坐標(biāo)機(jī)器人平臺進(jìn)行改造，去除Z軸模組和末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，將工業(yè)攝像頭加裝在Y軸末端。最終通過分析結(jié)果與機(jī)械視覺標(biāo)定量的比較，驗(yàn)證該種設(shè)計分析方式的可行性，并探討其適用范圍。

圖1 機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺示意圖

2 基于Ansys workbench的有限元分析

2.1 Y軸模組的結(jié)構(gòu)形式與簡化模型

所設(shè)計機(jī)器人的模組主要有傳動部分和支撐部分組成，傳動部分主要包括滾珠絲桿、滾珠導(dǎo)軌與滑臺，支撐部分主要是指模組的成型殼體。理論上講，傳動部分的功能只是完成動力的傳遞和運(yùn)動方式的轉(zhuǎn)化，所有的外部載荷都應(yīng)由支撐部分承擔(dān)。實(shí)際工況中，傳動部分的存在也一定程度上提高了模組的整體剛度，承載了一小部分的外部載荷，但絕大多數(shù)的外部載荷仍然是由支撐部分的成型殼體承擔(dān)?；谝陨戏治?，本文為方便分析和減少分析數(shù)據(jù)量，將實(shí)際為多部件的裝配體簡化成簡單的殼體結(jié)構(gòu)，并對之進(jìn)行有限元分析。

2.2 有限元分析流程

根據(jù)有限元分析流程：建立簡化模型；將模組材料指定為A l-6061（如表1所示）；網(wǎng)格化處理時保證殼體的層厚方向上單元層數(shù)至少為2；約束也施加載荷方式：將一段施加固定約束，另一端施加外部集中載荷（10-100N區(qū)間10N間隔施載），同時激活標(biāo)準(zhǔn)引力作用。定義以上相關(guān)數(shù)據(jù)之后，通過求解器運(yùn)算求解[2]。

表1 材料屬性

圖2 網(wǎng)格劃分

圖3 施加邊界條件

圖4 分析圖解

2.3 分析結(jié)果匯總

表2 有限元分析結(jié)果

3 基于機(jī)械視覺的實(shí)驗(yàn)

3.1 圖像獲取

實(shí)驗(yàn)平臺中，將Basler工業(yè)相機(jī)加裝與Y軸模組末端，并通過1394接口數(shù)據(jù)線與其嵌入PC機(jī)的采集卡相連，實(shí)現(xiàn)對圖像的獲取和采集。

圖5 硬件設(shè)備

為減小偶然誤差對實(shí)驗(yàn)的影響，在數(shù)據(jù)采集時，針對每個不同載荷，每次采集取五個樣本，在后續(xù)處理中將該五個樣本的特征信息作為所屬載荷下的有效數(shù)據(jù)。

3.2 圖像處理

通過相機(jī)所獲取圖像的質(zhì)量難免會受到外界因素的影響，為保證所測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需對圖像進(jìn)行相應(yīng)的處理。Labview為用戶提供了形狀匹配、邊緣檢測、圖像銳化、圖像增強(qiáng)、形心坐標(biāo)等相關(guān)功能的VI，用戶只需要在圖形化編程的界面選取相關(guān)的VI，通過導(dǎo)線相連，并控制每個V I的相關(guān)參數(shù)，即可以完成圖像的處理。具體操作步驟此處不做贅述[3,4]。

圖6 圖像處理流程

圖7 圖像特征識別

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

根據(jù)有限元分析和實(shí)驗(yàn)測量的數(shù)據(jù)可以得到以下走勢圖，如圖8、圖9所示。

圖8 誤差走勢圖

圖9 相對誤差量與誤差率

結(jié)合以上兩幅圖解，對比分析兩種方式所得到機(jī)器人因Y軸模組形變而產(chǎn)生的定位精度的誤差,不難得到以下結(jié)論：

1）懸臂式直角坐標(biāo)機(jī)器人基于Y軸模組簡化模型的有限元分析結(jié)果進(jìn)行精度設(shè)計的方式是可行的，且與分析結(jié)果與實(shí)際誤差量擬合程度較高；

2）隨著外部載荷的增加，因Y軸模組形變而產(chǎn)生的定位誤差量也逐漸變大，且誤差率也隨著增大，并最后穩(wěn)定于10%左右，該值對于通過有限元分析進(jìn)行精度設(shè)計的修正具有一定參考意義。

[1] 于鋒釗. 基于ANSYS的龍門式直角坐標(biāo)機(jī)器人橫梁分析[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2008年,5期.

[2] 許京荊等.ANSYS 13.0 WORKBENCH數(shù)值模擬技術(shù)[M].北京:2012.

[3] 裴忠發(fā)等.基于LabVIEW的機(jī)器視覺實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)電工程，2002年,4期.

[4] 朱虹等.數(shù)字圖像處理技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:2011.