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)
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)。
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
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。
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
表2 有限元分析結(jié)果
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)。
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
表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
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.
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[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.
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