劉慕雙，楊榮章，趙瑤瑤

(承德石油高等?？茖W(xué)校 機(jī)械工程系，河北　承德　067000)

近年來，世界工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)入到了智能制造時(shí)代。德國(guó)提出了工業(yè)4.0計(jì)劃， 我國(guó)為了趕上世界科技發(fā)展的步伐，制定了符合我國(guó)國(guó)情的《中國(guó)制造2025》行動(dòng)綱領(lǐng)，計(jì)劃到2025年我國(guó)制造業(yè)邁入制造業(yè)強(qiáng)國(guó)的行列。智能制造要求在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用機(jī)器人。目前我們國(guó)家在工業(yè)生產(chǎn)中使用機(jī)器人的比例與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比還比較低，主要是因?yàn)闄C(jī)器人控制原理復(fù)雜，造價(jià)成本較高。能否找到幾種應(yīng)用范圍較廣，控制原理易于實(shí)現(xiàn)，造價(jià)成本低廉的機(jī)器人方案，是解決機(jī)器人在我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)中使用比例低的關(guān)鍵所在。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常要在生產(chǎn)線上下搬運(yùn)工件，采用3～4個(gè)自由度結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單控制方便的SCARA機(jī)器人是解決這方面問題的較好選擇。

1　SCARA機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理及功能分析

SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm，中文譯名是選擇順應(yīng)性裝配機(jī)器手臂)是一種圓柱坐標(biāo)型的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可以廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)器人。如圖1[1]所示，SCARA機(jī)器人有3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其軸線相互平行，在平面內(nèi)進(jìn)行定位和定向。另一個(gè)關(guān)節(jié)是移動(dòng)關(guān)節(jié)，用于完成末端件在垂直于水平面的運(yùn)動(dòng)。

如圖2所示，手腕參考點(diǎn)的位置坐標(biāo)(x，y，z)是由兩旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角位移φ1和φ2及移動(dòng)關(guān)節(jié)的位移z決定的[2]，根據(jù)幾何關(guān)系可以建立手腕參考點(diǎn)O3的坐標(biāo)方程：

根據(jù)圖2表達(dá)的SCARA機(jī)器人投影圖形，可得抓取短點(diǎn)O3的坐標(biāo)式[3]：

式中：L1、L2分別為兩個(gè)擺臂的長(zhǎng)度；φ1、φ2分別為兩個(gè)擺臂對(duì)靜止坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)角；φ3為縱向移動(dòng)絲杠對(duì)靜止坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)角；t為縱向移動(dòng)絲杠的導(dǎo)程。

(6)

(7)

(8)

由(6)、(7)、(8)式得：

(9)

采用與上面相同處理方法可得：

(10)

考慮到減速器的減速比及伺服電機(jī)的脈沖轉(zhuǎn)角等因素，發(fā)給伺服電機(jī)的脈沖數(shù)公式可表達(dá)為：

n1=φ1*i1/Δ1

(11)

n2=(φ2-φ1)*i2/Δ2

(12)

n3=φ3*i3/Δ3

(13)

分別將(9)、(10)、(3)式代入(11)、(12)、(13)式得：

式中：i1、i2、i3分別為三個(gè)伺服電機(jī)的減速比；△1、△2、△3分別為三個(gè)伺服電機(jī)的單位脈沖轉(zhuǎn)角；n1、n2、n3分別為控制計(jì)算機(jī)發(fā)出的脈沖數(shù)。注意：n1、n2為正時(shí)，伺服電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，n1、n2為負(fù)時(shí)，伺服電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

這類機(jī)器人的結(jié)構(gòu)輕便、響應(yīng)快，SCARA機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)10 m/s，比一般關(guān)節(jié)式機(jī)器人快數(shù)倍。它最適用于平面定位，垂直方向進(jìn)行裝配的作業(yè)。該機(jī)器人可具有四個(gè)軸和四個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度(包括沿X、Y、Z方向的平移和繞Z軸的旋轉(zhuǎn)自由度)。

SCARA系統(tǒng)在x、y方向上具有很強(qiáng)的靈活性，可以很方便地將集成電路芯片和其他器件針插入到PCB板中，故SCARA系統(tǒng)首先大量用于裝配印刷電路板和電子零部件。SCARA機(jī)器人系統(tǒng)在Z軸方向具有良好的剛度，特別適合于工件在機(jī)床上加工時(shí)的定位安裝及機(jī)器的零部件裝配成整機(jī)方面的工作。所以在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中具有十分廣泛的用途。

2　結(jié)論

1)SCARA機(jī)器人可以搬運(yùn)工件，實(shí)現(xiàn)工件從三維空間內(nèi)的一個(gè)點(diǎn)運(yùn)送到另外一個(gè)點(diǎn)的操作，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)工件在一個(gè)方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)。

2)SCARA機(jī)器人的工作范圍在水平面內(nèi)的投影是一個(gè)扇形區(qū)域，區(qū)域的大小取決于兩個(gè)臂的長(zhǎng)度參數(shù)，在鉛錘方向的工作范圍取決直線導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)范圍，如圖3[4]所示。

3)SCARA機(jī)器人能夠廣泛應(yīng)用于塑料工業(yè)、汽車工業(yè)、電子產(chǎn)品工業(yè)、藥品工業(yè)和食品工業(yè)[4]等領(lǐng)域。它的主要作用是搬取零件和裝配零件的工作。SCARA機(jī)器人的負(fù)重凈載重量在0.1 kg至200 kg之間。

參考文獻(xiàn)：

[1]左國(guó)棟，趙志勇，王冬青.SCARA機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及MATLAB建模仿真[D]. 青島：青島大學(xué)，2016.

[2]熊青春.四自由度教學(xué)機(jī)器人的研制[D]. 合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2005.

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