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SCARA机器人的结构动态设计与改进.pdf

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SCARA机器人的结构动态设计与改进.pdf

56机器人技术删2007年第7期总第34卷SCARA机器人的结构动态设计与改进毛燕,徐晓宇,高峰东南大学机械工程学院,江苏南京211189摘要设计了一种scARA机器人,借助ANsYs软件对主要受力零件进行了结构动态设计。针对调试过程中机械臂出现的抖振现象,经动态分析后对结构作了改进。关键词scARA机器人机械臂滚珠丝杠一花键轴模态中圈分类号TP24文献标识码A文章编号10060316200707005603Mechanisms£mcturedesigIlandoptjJmizationoftheSCARArobotMA0Yan,XUXiaoVu,GAOFengschoolofMechanicalEngineeringSoutheastunive璐ity,NanjiIlg211189,chi曲AbstractASCARArobotwasdesigned,wi也memostimportantcomponentssmlctllrea11alyzedusingANSYS.Accordingtotllevibrationappearedin山edebuggingprocess,山emechaIlisms廿ucturewasimprovedundermedynaIIlicanalysis.KeywordsSCARArobotmanipulatorballscrewsplinemode1SCARA机器人的总体结构设计机器人的总体结构如图l所示,主要性能参数如表1所示。本机械臂有4个自由度,分别是大臂A轴、小臂B轴、手抓w轴三个转动自由度和手抓z轴一个移动自由度。1.基座2A轴电机3.大臂4.小臂5.口轴电机6.w轴电机7.z轴电机8.滚珠丝杠~花键轴图l总体结构图为提高机器人的控制精度,每个转动轴都选用安川伺服电机。A轴和曰轴都选用了传动比大、体积小、重量轻、传动精度高、回差小的谐波减速器。z轴电机未经减速器而直接与负载相连,为了避免出现负载在惯性的作用下带动z轴电机转动,收稿日期20070302从而造成机器人运动控制不精确的情况,在z轴安装了个电磁刹车。表1SC舢王A机器人硬件技术参数自由度数可控轴数4轴,增量编码器鱼望堂查墨盔丝臂长三嚣蠹为了使机械臂总体结构紧凑,采用滚珠丝杠一花键轴来实现手抓的转动和移动。如图2所示,z轴电机的输入通过同步带传递至滚珠丝杠一花键轴的滚珠螺母w轴电机的输入通过同步带传递至滚珠丝杠一花键轴的花键套。但这样的结构存在一个运动耦合的问题,当z轴与w轴中任何一个电机有输入时,滚珠丝杠一花键轴都会既转动又移动。为此采用了如下方案w轴电机经由减速器减速后将输入传递至花键套,从而实现z轴电机输入时手抓的纯移动状态对于手抓的纯转动状态,则通过控制两轴电机的转速,使传至滚珠丝杠一花键轴的转速相同而实现。万方数据扔芴2007年第7期总第34卷机器人技术572结构动态设计该机械臂中主要的受力零件有底座、大臂和小臂,其中大臂和小臂都是悬臂梁结构,受力情况不好,容易产生振动,为此需要对机械臂进行结构动态设计。下面以大臂为例来说明设计方法。类频率的激励时容易产生共振,但是这些振动的固有频率很大,避免了机械臂在工作过程中进入共振区。如图4所示。图4大臂第一阶和第二阶的振型Q2.2大臂的静态特性分析输入OⅣ轴电机输入图2滚珠丝杠一花键轴大臂除了自重以外还承受了小臂上所有的力,为此要求大臂在满足强度和刚度的条件下应尽量减轻自重,这样可以提高低阶固有频率,减少产生共振的机会。设计过程中用ANsYs对大臂的结构进行了分析。大臂的材料是LYl2,弹性模量为71GPa,泊松比0.31,密度2.7103kg/m3,划分网格采用了S01id45单元。如图3所示。图3大臂前10阶的固有频率2.1大臂的模态分析模态分析可以确定大臂的固有频率和振型。固有频率是反映系统在平衡位置附近作微小振动式的物理性质,振型是系统在某固有频率下振动的空问姿态,它们都仅与系统的惯性和刚度有关,与其他参数无关。对大臂振型的分析有助于对机构的振动特点进行深入研究。由ANsYs分析的结果可知,大臂的前两阶固有频率分别为327.16Hz,392.76Hz。当大臂受到此静态刚度是静态特性的重要指标,静态刚度太小会降低机构的固有频率,导致其响应速度变慢,抗干扰能力差,在运动过程中也会产生过冲现象,严重影响机械臂的控制精度。大臂的结构如图5所示,进行静态分析时按照实际情况施加了约束和载荷,大臂的一端进行了全位移约束,另一端沿z轴的负方向施加了200N的作用力。经过分析求解,得出大臂在z方向的变形情况如图6所示,以及大臂在此作用力下所受的应力情况如图7所示。图5大臂的结构图6大臂z方向的应变图图7大臂的应力图如图6所示,大臂在此受力情况下沿z方向产生的变形量为28.7斗m,可计算出大臂在z方向的刚度为6.97N/m。由图7可知大臂最大的应力发生在固定端根部,最大应力值为5.82MPa。一般情况下最大许用应力为材料屈服极限的o.5~o.8,现取其下限值O.5,材料的屈服极限为240MPa,则许用应力为120MPa,因此,材料应力远小于许用应力。万方数据58机器人技术黝2007年第7期总第34卷3实验分析与改进该机械臂采用PMAc进行控制,调试过程中,机械臂的小臂部分出现了抖振。我们通过单独驱动每个电机来查找振源,发现仅驱动B轴电机时小臂便出现抖振,为此采用美国LDs.Dactron公司的动态信号分析仪对机械臂进行了模态和动态分析,根据分析结果改进了机械臂的相关结构。3.1机械臂的模态和动态分析机械臂模态分析的结果如图8所示,该机械臂存在14Hz左右的低阶固有频率。图8机械臂模态我们分别截取了机械臂抖振和平稳时的信号进行动态分析。如图9所示,机械臂抖振时的频率主要是14Hz、100Hz和200Hz,其中后两种频率在抖振时相对而言是次要的,且在平稳阶段依然存在,因此可以认为机械臂的抖振主要是由于工作在低阶固有频率附近产生的。如图lo所示。图9机械臂抖振时的动态响应图10机械臂平稳时的动态响应3.2结构改进通过上述分析得知机械臂的抖振主要是因共振产生的,且频率较低。在整个机械臂的系统中,只有A轴和8轴两个关节处的滚动轴承因刚度小才会产生这么低的固有频率,为此对这两个关节处的结构作了改进。现以曰轴关节为例进行说明。从改进前的结构,如图11所示,关节处仅采用了一个深沟球轴承,这样的结构支承刚性低,承受悬臂弯矩能力较差,容易产生振动和噪音。改进后的结构如图12所示,采用了成对双联角接触轴承,预紧后提高了支承刚度,而且双轴承可以很好的承受悬臂弯矩,从而减小振动和噪声,使得机械臂的控制精度得到很大的提高。4321.大臂2.轴承3小臂4谐波减速器5.B轴电机图11改进前的结构图12改进后的结构4结论设计了一个SCARA机器人,针对调试过程中出现的抖振现象,经过动态分析对结构作了改进,增加了关节的刚度,从而减小了振动,使机械臂的控制精度得到了提高,图13是我们设计的scARA机械臂。图13scARA机械臂参考文献1】MaIlipulatorSCARAMallual.RBSAIS嘶esV1.0【z】.Korea,RobostarCo..Ltd.2】精密滚珠丝杠副【z】.南京南京工艺装备制造厂,2002.万方数据SCARA机器人的结构动态设计与改进作者毛燕,徐晓宇,高峰,MAOYan,XUXiaoyu,GAOFeng作者单位东南大学,机械工程学院,江苏,南京,211189刊名机械英文刊名MACHINERY年,卷期2007,347参考文献2条1.精密滚珠丝杠副20022.ManipulatorSCARAManual.RBSAISeriesV1.0本文链接http//d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jx200707020.aspx

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