毛芳芳，盧佳佳，朱仁義，2

(1.阜陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 阜陽(yáng) 236031；2.巢湖學(xué)院，安徽 巢湖 238024)

0 引言

隨著工業(yè)4.0以及智能制造等眾多概念的提出，運(yùn)動(dòng)控制又再一次被推向新的高潮。為了順應(yīng)新時(shí)代賦予的新使命，筆者申報(bào)了安徽省自然科學(xué)研究——虛擬仿真技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用項(xiàng)目并立項(xiàng)。本文以SCARA型機(jī)器人為例，在分析其伺服控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠，能滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)需要的機(jī)械手。

運(yùn)動(dòng)控制是自動(dòng)控制和智能制造中的一個(gè)重要分支，是通過(guò)伺服機(jī)構(gòu)比如電機(jī)、液壓或者氣壓泵等設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器部件的物理量比如流量、加速度及位置的實(shí)時(shí)控制，伺服控制是運(yùn)動(dòng)控制的核心，伺服系統(tǒng)是帶有反饋環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)[1]可以用來(lái)準(zhǔn)確地跟隨或重現(xiàn)某個(gè)過(guò)程。

1 電機(jī)的分類(lèi)及性能分析

1.1 分類(lèi)和性能

工業(yè)機(jī)器人各個(gè)關(guān)機(jī)軸使用的電機(jī)種類(lèi)有很多，機(jī)器人的型號(hào)、技術(shù)指標(biāo)、應(yīng)用領(lǐng)域不同，選擇的電機(jī)種類(lèi)也不同。目前，市場(chǎng)上工業(yè)機(jī)器人使用較多的有兩種電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)。伺服電機(jī)可分為直流伺服(分為有刷和無(wú)刷兩種)電機(jī)和交流伺服電機(jī)(分為同步和異步兩種)，目前，直流伺服電機(jī)逐漸被交流伺服電機(jī)所取代，因?yàn)榻涣魉欧姍C(jī)沒(méi)有直流電機(jī)的機(jī)械接觸部分，在使用過(guò)程中不需要維護(hù)[2]。

步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)是控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與伺服電機(jī)相比是開(kāi)環(huán)控制沒(méi)有反饋調(diào)節(jié)，可以直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，而且成本低，性能好，對(duì)于傳動(dòng)功率不大，精度要求不高的小型機(jī)械手，此種電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛[3]。

1.2 電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)

工業(yè)機(jī)器人伺服電機(jī)應(yīng)用需要有一定的系統(tǒng)性能，也需要構(gòu)建一個(gè)安全的環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)這些功能，對(duì)此，在設(shè)計(jì)中需要確保系統(tǒng)的控制能力過(guò)關(guān)。目前的機(jī)器人伺服電機(jī)控制系統(tǒng)中，多使用全閉環(huán)控制進(jìn)給伺服系統(tǒng)或者是半閉環(huán)控制進(jìn)給伺服設(shè)計(jì)[4]。

前者是借助相關(guān)的檢測(cè)裝置安裝，針對(duì)移動(dòng)的部位實(shí)施及時(shí)的跟蹤反饋，通過(guò)對(duì)重要數(shù)據(jù)的處理獲得機(jī)床的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)和具體的運(yùn)行參數(shù)，并將相關(guān)信息傳遞到伺服電機(jī)中，這時(shí)候伺服電機(jī)就可以根據(jù)相應(yīng)的智昭林來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)誤差的補(bǔ)償和及時(shí)的誤差糾正。不過(guò)，這種控制模式的應(yīng)用成本相對(duì)較高，系統(tǒng)穩(wěn)定性不足，缺點(diǎn)也很多，所以使用中的效果也不會(huì)很好。

后者的控制系統(tǒng)可靠性更強(qiáng)。半閉環(huán)控制設(shè)計(jì)能夠在驅(qū)動(dòng)電機(jī)位置安裝位置檢測(cè)設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)回轉(zhuǎn)角的有效監(jiān)測(cè)目標(biāo)，掌握相應(yīng)部件的實(shí)際運(yùn)動(dòng)位置情況，從而更好地接受重要信息，促進(jìn)誤差補(bǔ)償目標(biāo)的有效實(shí)現(xiàn)。且這一控制模式中，相應(yīng)的控制精度也比較高，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，整體的系統(tǒng)控制成本比較低，所以在發(fā)生故障的情況下，更便于維護(hù)維修。

1.3 電機(jī)選型及優(yōu)化方案

本課題在考慮平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手通用性及可操作性的基礎(chǔ)上，改用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)出能完成XY方向平面運(yùn)動(dòng)及Z軸上下運(yùn)動(dòng)，選用步進(jìn)電機(jī)具有較好的市場(chǎng)化、商業(yè)化前景的4個(gè)自由度的機(jī)械手。兩個(gè)水平面內(nèi)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，一個(gè)Z軸上下運(yùn)動(dòng)，一個(gè)Z軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案如下。

1.3.1 主要技術(shù)參數(shù)確定

設(shè)各部分的尺寸和重量如下：

(1)關(guān)節(jié)Ⅰ和關(guān)節(jié)Ⅱ軸之間的距離為340 mm，質(zhì)量為M1(4 kg左右)，重心在關(guān)節(jié)Ⅰ軸123 mm處，L1=123 mm。

(2)關(guān)節(jié)Ⅱ和關(guān)節(jié)Ⅲ軸之間的距離為190 mm，質(zhì)量為M2(1 kg左右)，重心在距第二關(guān)節(jié)軸90 mm處，L2=340+90=430 mm。

(3)關(guān)節(jié)Ⅲ升降裝置及最大負(fù)載合計(jì)為M3(15 kg左右)，重心在關(guān)節(jié)Ⅱ軸209 mm處，L3=340+190=530 mm；L4=97 mm；L5=194 mm。

該機(jī)械手的基本技術(shù)參數(shù)如下：

關(guān)節(jié)Ⅰ回轉(zhuǎn)：-150°～150° 90°/S

關(guān)節(jié)Ⅱ回轉(zhuǎn)：-150°～-30° 180°/S

關(guān)節(jié)Ⅲ：180 mm 150 mm/S

關(guān)節(jié)Ⅳ回轉(zhuǎn)：-90°～90°180°/S

負(fù)載重量：294 N

1.3.2 各自由度步進(jìn)電機(jī)的選擇

各軸步進(jìn)電機(jī)的選擇依據(jù)如圖3所示。

圖3 步進(jìn)電機(jī)選型參考表

設(shè)關(guān)節(jié)Ⅰ關(guān)節(jié)Ⅱ及關(guān)節(jié)Ⅳ繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為JG1，JG2，JG3，根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量求解公式不難求出繞關(guān)節(jié)Ⅰ軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22+JG3+M3L32

(2.1)

其中：M1，M2，M3分別為4 Kg，1 Kg，15 Kg；L1，L2，L3分別為123 mm，430 mm，530 mm。JG1〈〈M1L12、JG2〈〈M2L22、JG3〈〈M3L32，以繞關(guān)節(jié)Ⅰ軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

J1=M1L12+M2L22+M3L32

(2.2)

=4×0.1232+1×0.4302+4×0.5302

=1.91 kg·m2

同理可得關(guān)節(jié)Ⅱ軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

M2=1 Kg，L4=97 mm；M3=4 Kg，L5=194 mm。

J2=M2L42+M3L52

(2.3)

=1×0.0972+4×0.1942

=0.16 kg·m2

(2.4)

關(guān)節(jié)Ⅰ選擇步進(jìn)電機(jī)型號(hào)：110FH120

同理可以選出關(guān)節(jié)Ⅱ、關(guān)節(jié)Ⅲ、關(guān)節(jié)Ⅳ的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)。

關(guān)節(jié)Ⅱ型號(hào)：86FH60

關(guān)節(jié)Ⅲ型號(hào)：57FH25

關(guān)節(jié)Ⅳ型號(hào)：57FH13

1.3.3 建模和仿真設(shè)計(jì)

在開(kāi)展此次機(jī)械手伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)中，進(jìn)行選型和優(yōu)化后，需要進(jìn)一步做好設(shè)備的運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)計(jì)，第一步是對(duì)于相應(yīng)對(duì)象的幾何建模工作進(jìn)行明確，此次設(shè)計(jì)選擇了UG軟件，選擇這一軟件，是因?yàn)閁G軟件自身的實(shí)體造型強(qiáng)大，具有曲面造型、虛擬裝配和工程圖生成等系統(tǒng)功能，在具體的設(shè)計(jì)中應(yīng)用，還能夠?qū)嵤┯邢拊治觥?dòng)力學(xué)分析以及仿真模擬等操作，UG為客戶提供了CAD，CAM，CAE三個(gè)主要的模塊，其中，CAD模塊主要是為設(shè)計(jì)師提供多種自由形狀設(shè)計(jì)、模具、鈑金設(shè)計(jì)、配線設(shè)計(jì)等，真正能夠涵蓋實(shí)體建模、裝配建模、機(jī)械自由形狀建模等目標(biāo)，為工程設(shè)計(jì)和系統(tǒng)制圖提供可能。而CAM模塊主要是為設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的模具加工板塊，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)加工處理目標(biāo)，并將相應(yīng)的數(shù)控程序?qū)С觥AE模塊屬于綜合性有限元建模、解算以及結(jié)果可視化模塊，能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真提供相應(yīng)的仿真模塊，可以為產(chǎn)品性能評(píng)估提供有效的支持，通過(guò)建模和仿真測(cè)試，能夠?qū)τ谙鄳?yīng)機(jī)器人伺服電機(jī)的實(shí)際驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用情況進(jìn)行把握，更好的驗(yàn)證機(jī)器人的工作效能，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可靠性[5]。

2 結(jié)語(yǔ)

結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的機(jī)器人存在的問(wèn)題是由伺服電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，這就要求電機(jī)必須有低轉(zhuǎn)速高扭矩的特點(diǎn)，這樣的電機(jī)在市場(chǎng)上的售價(jià)格與其他產(chǎn)品相對(duì)價(jià)格比較高，電機(jī)配型方案不夠經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，若采用優(yōu)化后的方案使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，雖然在動(dòng)力特性方面不如伺服電機(jī)，但由于SCARA工業(yè)機(jī)器人負(fù)載輕，速度低，精度要求不高，同時(shí)又采用了合適的加減速設(shè)計(jì)，因而能滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)需要，大大降低了系統(tǒng)成本。