陳 熵 袁 真 李 旭,2※

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，長沙 410128；2.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，長沙 410128）

隨著科技水平和制造業(yè)的快速發(fā)展，直角坐標(biāo)機器人在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中已得到廣泛應(yīng)用。目前，國內(nèi)外主要采用壁掛（懸臂）式、龍門式、掛臂式等結(jié)構(gòu)形式來設(shè)計直角坐標(biāo)型機器人。各軸實現(xiàn)直線運動的傳動方式大致有四種：齒輪齒條傳動、滾珠絲杠傳動、同步齒形帶傳動、直線電機傳動。另外，在特殊場合也有采用鋼絲繩牽引實現(xiàn)軸的運動，直角坐標(biāo)式機器人在驅(qū)動方式通常采用步進(jìn)電機驅(qū)動、伺服電機驅(qū)動等，根據(jù)機器人的類型和所需要完成的工作來具體選取合適的控制方式，廣泛應(yīng)用于制造業(yè)和其他行業(yè)。

本研究設(shè)計一種三自由度龍門式直角坐標(biāo)機器人，其執(zhí)行機構(gòu)末端通過X、Y、Z三軸正交方向的直線運動，能夠精確定位到空間中的任一點。其中，X軸、Y軸由步進(jìn)電機驅(qū)動、同步齒形帶傳動；Z軸為直線電機驅(qū)動、絲桿傳動。在控制系統(tǒng)的作用下，旨在實現(xiàn)機構(gòu)空間中精確定位功能。本文主要直角坐標(biāo)機器人的機械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)，為直角坐標(biāo)機器人在龍門型桌面級3D打印機的后續(xù)開發(fā)中提供參考。

1 直角坐標(biāo)機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

直角坐標(biāo)機器人的機械機構(gòu)設(shè)計包括：直角坐標(biāo)機器人外形的設(shè)計、直線導(dǎo)軌的設(shè)計、直角坐標(biāo)機器人傳動方式的選擇、軸承的選擇等。

1.1 直角坐標(biāo)機器人外形的設(shè)計

本研究設(shè)計的龍門式結(jié)構(gòu)的直角坐標(biāo)機器人，總體空間尺寸設(shè)計為：長度方向700mm，寬度方向716mm，高度方向420mm。綜合考慮直角坐標(biāo)機器人的應(yīng)用場景、成本等方面考慮，加工零件的材料要求強度較高、重量輕、材料價格低、彈性模量大，所以，本次設(shè)計的直角坐標(biāo)機器人機械結(jié)構(gòu)主體材料選擇6063鋁合金和鋁型材，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 直線導(dǎo)軌的同步帶齒型帶傳動設(shè)計

直角坐標(biāo)機器人的X軸和Y軸的傳動方式，是利用同步帶傳動來實現(xiàn)滑塊在滑軌上的直線運動。X軸和Y軸上的受力主要是由徑向的壓力引起的摩擦力，X軸上的行程長度為420mm，Y軸上的行程長度為450mm，為保證運動的穩(wěn)定性，X軸及Y軸的直線導(dǎo)軌均由兩根圓柱形導(dǎo)軌對稱分布，其導(dǎo)向精度高，安裝簡便，高低速均可應(yīng)用。

圖1 直角坐標(biāo)機器人結(jié)構(gòu)圖

直線導(dǎo)軌應(yīng)具有良好的耐磨性，摩擦因數(shù)盡可能小，具有良好的加工和熱處理性能。因此，導(dǎo)軌的材料應(yīng)選用鍍鉻鋼，為提高導(dǎo)軌表面硬度，采用表面淬火工藝。

執(zhí)行機構(gòu)末端負(fù)載在X軸滑塊上，工作時，X軸驅(qū)動電機帶動X軸方向的滑塊運動，從而帶動末端執(zhí)行機構(gòu)在X軸方向上移動，實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)末端在X軸方向的定位。左右兩根立柱分別安在Y軸的雙滑塊上，與X軸方向同理，Y軸驅(qū)動電機工作時，帶動雙滑塊在Y軸方向的導(dǎo)軌上運動，從而帶動立柱上X軸滑軌的移動，實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)末端在平面上任意點的運動。

1.3 直線導(dǎo)軌的絲桿傳動設(shè)計

直角坐標(biāo)機器人Z軸的傳動方式是絲桿傳動。利用螺旋絲桿帶動絲桿螺母上下移動，從而使與絲桿螺母間接固連在一起的連接桿實現(xiàn)上下運動。螺旋絲桿具有精度高、摩擦阻力小、定位精度高的特點。

執(zhí)行機構(gòu)末端與Z軸滑塊相連，絲桿螺母穩(wěn)定裝配于滑塊上，Z軸方向驅(qū)動部分通過驅(qū)動絲桿轉(zhuǎn)動，帶動絲桿螺母的升降，從而間接帶動末端執(zhí)行機構(gòu)的升降，實現(xiàn)末端執(zhí)行機構(gòu)在Z軸方向的升降。Z軸方向升降結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 Z方向升降結(jié)構(gòu)

2 直角坐標(biāo)機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

本研究的直角坐標(biāo)機器人控制系統(tǒng)是由PLC（可編程控制器）、步進(jìn)電機驅(qū)動器、按鍵控制模塊、行程開關(guān)保護模塊、人機交互模塊所組成。通過人機交互模塊，人為輸入X、Y、Z三軸坐標(biāo)后，PLC接收模塊處理后的信息，并控制各軸電機旋轉(zhuǎn)，最終實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)末端移動至相應(yīng)坐標(biāo)軸位置。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 步進(jìn)電機驅(qū)動電路設(shè)計

本次設(shè)計采用步進(jìn)電機驅(qū)動，其轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，轉(zhuǎn)動角度由發(fā)出的電脈沖數(shù)決定，且結(jié)構(gòu)簡單，沒有累積誤差，精度高，帶動負(fù)載慣量的能力。

步進(jìn)電機驅(qū)動部分由步進(jìn)電機和步進(jìn)驅(qū)動器組成。在選擇步進(jìn)電機型號時，需要知道電機所要傳遞的轉(zhuǎn)矩大小來選擇電機的型號。本次設(shè)計的驅(qū)動X軸和Y軸方向運動的步進(jìn)電機型號為：57BYGHT。驅(qū)動Z軸方向運動的步進(jìn)電機型號為：42BYGHT。

步進(jìn)電機驅(qū)動器為直流兩相步進(jìn)電機驅(qū)動器。

額定電壓為：12～42V、額定電流為4.5A。驅(qū)動器的CP＋和CP－分別表示控制脈沖信號正端和負(fù)端；DIR＋和DIR－分別表示方向信號正端和負(fù)端；EN＋和EN－分別表示使能信號的正端和負(fù)端。A＋和A－接步進(jìn)電機A相繞組的正負(fù)端；B＋和B－接步進(jìn)電機B相繞組的正負(fù)端。當(dāng)A、B兩相繞組調(diào)換時，可使電機方向反向。驅(qū)動器與步進(jìn)電機連接電路圖如圖4所示。

2.2 按鍵控制模塊電路設(shè)計

按鍵控制模塊實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的啟動、停止、脫機保護功能。設(shè)置啟動按鈕SB1、停止按鈕SB2和脫機按鈕SB3，啟動按鈕接入控制器X000輸入端口，按下啟動按鈕將觸發(fā)控制器內(nèi)設(shè)定程序，直角坐標(biāo)機器人按照設(shè)定要求完成動作，具體動作順序由控制器程序給定。停止按鈕與控制器X001輸入端口相連，打開后，各軸上的運動立刻停止，但電機輸出軸處于鎖死狀態(tài)，不能轉(zhuǎn)動。脫機按鈕SB3接入控制器X002輸入端口，按下后，各電機軸脫機，不再鎖死，外力可使軸轉(zhuǎn)動。

2.3 行程開關(guān)保護模塊電路設(shè)計

圖4 驅(qū)動器與步進(jìn)電機連接電路

直角坐標(biāo)機器人三軸上的運動可將末端執(zhí)行機構(gòu)定位到工作空間中任意位置，各軸上的運動有固定的行程。為保證正常工作，方便確定運動開始時的空間原點，需設(shè)置行程控制電路，Z軸上的行程長度為200mm，在其兩端安裝行程開關(guān)SB4和SB5，接入PLC控制輸入端口X003和X004；X軸上的行程長度為420mm，在其兩端安裝行程開關(guān)SB6和SB7，接入PLC控制輸入端口X005和X006；Y軸上的行程長度為450mm，在其兩端安裝行程開關(guān)SB8和SB9，接入PLC控制輸入端口X007和X008；當(dāng)各軸上的運動達(dá)到行程極限位置時，行程開關(guān)打開，觸發(fā)PLC內(nèi)置程序，改變運動方向或立即停止動作，起到安全保護作用。開關(guān)設(shè)置電路圖如圖5所示。

圖5 開關(guān)設(shè)置電路

2.4 人機交互模塊設(shè)計

以觸摸屏作為人機交互模快已經(jīng)被廣泛使用，并能滿足本研究控制系統(tǒng)的坐標(biāo)位置輸入與顯示功能。為了實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)末端的精確定位，需要通過人為輸入X、Y、Z三軸坐標(biāo)，對輸入坐標(biāo)進(jìn)行行程范圍的合理性判斷后，再通過電機驅(qū)動，將執(zhí)行機構(gòu)末端移動至相應(yīng)坐標(biāo)軸位置。

2.5 控制系統(tǒng)程序設(shè)計

通過PLC對各個系統(tǒng)模塊的數(shù)據(jù)采集與驅(qū)動控制，實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)末端的精準(zhǔn)定位。

由于驅(qū)動電機的當(dāng)前位置沒有斷電記憶功能，在機器斷電后，每次重新啟動都需要將執(zhí)行末端移動至空間坐標(biāo)原點，因此，需要通過固定程序?qū)崿F(xiàn)空間坐標(biāo)原點的初始化。初始化功能的實現(xiàn)是通過X、Y、Z三軸電機依次向坐標(biāo)原點方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，直至觸發(fā)原點位置的行程開關(guān)SB4、SB6、SB8，并及時停止相對應(yīng)的電機，此時程序設(shè)定當(dāng)前三維坐標(biāo)0.0.0為空間坐標(biāo)原點?？刂葡到y(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。

3 結(jié)論

（1）本文設(shè)計制作了一款龍門式直角坐標(biāo)機器人，總體空間尺寸的長度方向為700mm，寬度為716mm，高度為420mm。X軸上的行程長度為420mm，Y軸上的行程長度為450mm，Z軸上的行程長度為200mm。機械結(jié)構(gòu)主體材料選擇6063鋁合金和鋁型材。

圖6 控制系統(tǒng)軟件流程

（2）該直角坐標(biāo)機器人的驅(qū)動方式選用電力驅(qū)動，采用步進(jìn)電機。X軸和Y軸方向運動的步進(jìn)電機型號為：57BYGHT。驅(qū)動Z軸方向運動的步進(jìn)電機型號為：42BYGHT。

（3）該直角坐標(biāo)機器人的工作流程為：按下啟動按鈕SB1后，程序初始化，各軸復(fù)位到行程中點，執(zhí)行機構(gòu)末端處于空間原點；然后，通過人機交互模塊，人為輸入X、Y、Z三軸的坐標(biāo)信息，控制器通過坐標(biāo)解析，發(fā)送一定頻率、數(shù)量的脈沖信號，驅(qū)動各軸的步進(jìn)電機勻速轉(zhuǎn)動規(guī)定轉(zhuǎn)角，Y、X、Z軸上構(gòu)件依次移動到目標(biāo)位置，末端執(zhí)行機構(gòu)完成指定動作后，各步進(jìn)電機再次驅(qū)動Z、X、Y三軸上構(gòu)件依次移動到目標(biāo)位置，完成工作。