仿真技术在SCARA工业机器人结构优化上的应用

毛芳芳，卢佳佳，朱仁义，2

(1.阜阳职业技术学院，安徽 阜阳 236031；2.巢湖学院，安徽 巢湖 238024)

0 引言

随着工业4.0以及智能制造等众多概念的提出，运动控制又再一次被推向新的高潮。为了顺应新时代赋予的新使命，笔者申报了安徽省自然科学研究——虚拟仿真技术在工业机器人系统开发中的应用项目并立项。本文以SCARA型机器人为例，在分析其伺服控制系统的基础上对其结构进行优化，设计出结构简单、运行可靠，能满足教学实验需要的机械手。

运动控制是自动控制和智能制造中的一个重要分支，是通过伺服机构比如电机、液压或者气压泵等设备来实现对机器部件的物理量比如流量、加速度及位置的实时控制，伺服控制是运动控制的核心，伺服系统是带有反馈环节的控制系统[1]可以用来准确地跟随或重现某个过程。

1 电机的分类及性能分析

1.1 分类和性能

工业机器人各个关机轴使用的电机种类有很多，机器人的型号、技术指标、应用领域不同，选择的电机种类也不同。目前，市场上工业机器人使用较多的有两种电机：步进电机和伺服电机。伺服电机可分为直流伺服(分为有刷和无刷两种)电机和交流伺服电机(分为同步和异步两种)，目前，直流伺服电机逐渐被交流伺服电机所取代，因为交流伺服电机没有直流电机的机械接触部分，在使用过程中不需要维护[2]。

步进电机的特点是控制结构简单，与伺服电机相比是开环控制没有反馈调节，可以直接实现数字控制，而且成本低，性能好，对于传动功率不大，精度要求不高的小型机械手，此种电机的应用最为广泛[3]。

1.2 电机控制实现

工业机器人伺服电机应用需要有一定的系统性能，也需要构建一个安全的环境来实现这些功能，对此，在设计中需要确保系统的控制能力过关。目前的机器人伺服电机控制系统中，多使用全闭环控制进给伺服系统或者是半闭环控制进给伺服设计[4]。

前者是借助相关的检测装置安装，针对移动的部位实施及时的跟踪反馈，通过对重要数据的处理获得机床的实际运行状态和具体的运行参数，并将相关信息传递到伺服电机中，这时候伺服电机就可以根据相应的智昭林来实现运动误差的补偿和及时的误差纠正。不过，这种控制模式的应用成本相对较高，系统稳定性不足，缺点也很多，所以使用中的效果也不会很好。

后者的控制系统可靠性更强。半闭环控制设计能够在驱动电机位置安装位置检测设备，能够实现回转角的有效监测目标，掌握相应部件的实际运动位置情况，从而更好地接受重要信息，促进误差补偿目标的有效实现。且这一控制模式中，相应的控制精度也比较高，结构更加简单，整体的系统控制成本比较低，所以在发生故障的情况下，更便于维护维修。

1.3 电机选型及优化方案

本课题在考虑平面关节型机械手通用性及可操作性的基础上，改用步进电机驱动，设计出能完成XY方向平面运动及Z轴上下运动，选用步进电机具有较好的市场化、商业化前景的4个自由度的机械手。两个水平面内回转运动，一个Z轴上下运动，一个Z轴旋转运动。机械手总体设计方案如下。

1.3.1 主要技术参数确定

设各部分的尺寸和重量如下：

(1)关节Ⅰ和关节Ⅱ轴之间的距离为340 mm，质量为M1(4 kg左右)，重心在关节Ⅰ轴123 mm处，L1=123 mm。

(2)关节Ⅱ和关节Ⅲ轴之间的距离为190 mm，质量为M2(1 kg左右)，重心在距第二关节轴90 mm处，L2=340+90=430 mm。

(3)关节Ⅲ升降装置及最大负载合计为M3(15 kg左右)，重心在关节Ⅱ轴209 mm处，L3=340+190=530 mm；L4=97 mm；L5=194 mm。

该机械手的基本技术参数如下：

关节Ⅰ回转：-150°～150° 90°/S

关节Ⅱ回转：-150°～-30° 180°/S

关节Ⅲ：180 mm 150 mm/S

关节Ⅳ回转：-90°～90°180°/S

负载重量：294 N

1.3.2 各自由度步进电机的选择

各轴步进电机的选择依据如图3所示。

图3 步进电机选型参考表

设关节Ⅰ关节Ⅱ及关节Ⅳ绕各自重心轴的转动惯量分别为JG1，JG2，JG3，根据转动惯量求解公式不难求出绕关节Ⅰ轴的转动惯量为：

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

(2.1)

其中：M1，M2，M3分别为4 Kg，1 Kg，15 Kg；L1，L2，L3分别为123 mm，430 mm，530 mm。JG1〈〈M1L12、JG2〈〈M2L22、JG3〈〈M3L32，以绕关节Ⅰ轴的转动惯量为：

J1=M1L12+M2L22+M3L32

(2.2)

=4×0.1232+1×0.4302+4×0.5302

=1.91 kg·m2

同理可得关节Ⅱ轴的转动惯量：

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)

关节Ⅰ选择步进电机型号：110FH120

同理可以选出关节Ⅱ、关节Ⅲ、关节Ⅳ的步进电机型号。

关节Ⅱ型号：86FH60

关节Ⅲ型号：57FH25

关节Ⅳ型号：57FH13

1.3.3 建模和仿真设计

在开展此次机械手伺服电机驱动中，进行选型和优化后，需要进一步做好设备的运动仿真设计，第一步是对于相应对象的几何建模工作进行明确，此次设计选择了UG软件，选择这一软件，是因为UG软件自身的实体造型强大，具有曲面造型、虚拟装配和工程图生成等系统功能，在具体的设计中应用，还能够实施有限元分析、动力学分析以及仿真模拟等操作，UG为客户提供了CAD，CAM，CAE三个主要的模块，其中，CAD模块主要是为设计师提供多种自由形状设计、模具、钣金设计、配线设计等，真正能够涵盖实体建模、装配建模、机械自由形状建模等目标，为工程设计和系统制图提供可能。而CAM模块主要是为设计提供相应的模具加工板块，能够实现自动加工处理目标，并将相应的数控程序导出。CAE模块属于综合性有限元建模、解算以及结果可视化模块，能够为实现系统设计仿真提供相应的仿真模块，可以为产品性能评估提供有效的支持，通过建模和仿真测试，能够对于相应机器人伺服电机的实际驱动和应用情况进行把握，更好的验证机器人的工作效能，验证设计的可靠性[5]。

2 结语

结构优化前的机器人存在的问题是由伺服电动机直接驱动，这就要求电机必须有低转速高扭矩的特点，这样的电机在市场上的售价格与其他产品相对价格比较高，电机配型方案不够经济实惠，若采用优化后的方案使用步进电动机驱动，虽然在动力特性方面不如伺服电机，但由于SCARA工业机器人负载轻，速度低，精度要求不高，同时又采用了合适的加减速设计，因而能满足教学实验需要，大大降低了系统成本。