機械手臂重復定位精度和運動速度測量實驗研究

何洪軍,張東寧,馬傳寶

(中國電子科技集團公司第二十一研究所,上海 200233)

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機械手臂重復定位精度和運動速度測量實驗研究

何洪軍,張東寧,馬傳寶

(中國電子科技集團公司第二十一研究所,上海 200233)

SCARA機器人常用于精密裝配和加工，其機械本體、驅動控制、減速器、電機等都會影響SCARA機器人的精度和運動速度。主要針對一臺SCARA機器人對其進行實驗臺搭建，測試其重復定位精度和運動速度，為SCARA機器人性能指標的評定提供一種參考性方法。

伺服電動機;機械臂;SCARA；機器人

0 引 言

SCARA工業機器人適合于平面定位，完成垂直方向安裝等任務。SCARA多關節機器人的特點有速度快、運動靈活、結構小巧緊湊、定位精度高等。SCARA多關節機器人極大地提高了對多層次多環節裝配工作的適應性, 使生產效率獲得提高，而降低了其本身成本。SCARA工業機器人誕生至今已有四十多年[1-2]。依據富士經濟調查公司于2011發表的研究報告，日本Epson公司和Yamaha公司在SCARA機器人市場份額上居前兩名。由于國內工業機器人起步晚，SCARA機器人的發展受到極大地影響。我國第一臺高性能精密裝配機器人是上海交通大學于1995年研制的一臺SCARA四軸裝配機器人[2-3]。其技術特點：機器人運動采用直接驅動技術,進而減少了減速器等帶來的傳動誤差,保證了有較高的定位精度和較快的運動速度。該工業機器人裝有高精度高分辨率的力覺和視覺傳感器，其控制板采用了多任務操作系統，并具有離線編程的功能。上海大學也在同期研制了“上海1號”、“上海2號”等工業機器人。在國產SCARA機器人研發企業中，沈陽新松機器人自動化股份有限公司產品重復定位精度達±0.04 mm，哈爾濱博實產品的重復定位精度為±0.08 mm[5]。國產SCARA機器人在國內工業生產線上也被廣泛應用,可與日本等國外SCARA工業機器人相比,但無論是在機器人電路設計，還是在外圍結構的流線型設計及定位精度等方面都存在極大差距[6-7]。影響工業機器人定位精度因素很多，但機器人關節用的電機及其組件，對機器人的定位精度有較大影響。因此，本文將開展對SCARA機器人重復定位精度和運動速度測試方法的研究，可以為進一步改進電機的設計提供參考，同時也提供了一種SCARA機械手臂運動的重復定位精度和速度測量實驗方法。

1 實驗方法

SCARA機器人由機體和控制系統組成，如圖1所示。機械臂的運動是通過控制伺服電機而實現的。通過對設定機械臂運動的不同路徑及位移，調節機械臂不同軸向位置進而多次對千分表進行撞擊并記錄相關數據，借用概率統計分布相關方法可以得出所撞擊次數中相應的撞擊位置偏差，進而可得到相應的精度，具體實驗圖如圖2所示。為了測定相應的機械手臂的運動速度，可以調節機械手臂不同速度下撞擊一個回路電路開關，然后利用示波器記錄脈沖個數，進而可以求得機械臂運動的平均值，具體實驗圖如圖3所示。因為機械臂是勻速運動的，所以所求得的平均速度即為機械臂在當前時刻的運動速度。

圖1 SCARA機器人系統機體和控制系統圖

圖2 機械臂定位精度測量原理圖

圖3 機械臂運動速度測試原理圖

實驗中所用測定位精度的千分表為表盤千分表，其測量精度為0.001 mm,表盤千分表完全滿足機械臂定位精度測量的要求。實驗前先將千分表調零位，保證機械臂在規定運動位移兩端點時輕輕碰撞側頭。記錄數據時，只需讀指針相對零位轉過的格數，最終在處理數據時將所讀格數乘以0.001 mm，即可得到機械臂在指定點的定位精度。通過多次重復測量，即可得到重復定位精度。

2 重復定位精度測試

將SCARA機器人底座固定于鋼架基座上并進行原點回零位設置，設置不同的機械手臂工作路徑和工作位移，如圖4所示。記錄機械手臂X軸和Y軸分別在手臂行程為-200 mm，-100 mm，100 mm和200 mm時，分別撞擊千分表50次，記錄撞擊千分表顯示的數據，如表1所示。

圖4 機械臂移動坐標標定

機械臂運動軸-200-100100200300X軸0-2000-100010002000300Y軸0-2000-100010002000300Z軸050075------R軸----------

將撞擊千分表的數據以標定的原點為坐標原點，用軟件畫出在相應坐標下的記錄點，然后以0.03 mm為半徑做圓，可以得到落在0.03 mm為半徑的圓內點的數目，用數理統計的方法進而求得相應的定位精度。

實驗結果如圖5～圖7所示。

根據圖5，X軸不同行程下不同速度的重復定位精度測量比較結果可以看出，X軸的行程為100 mm時，除了初始測量時個別實驗值落在0.01 mm之外，其它所得實驗定位精度偏差均在0～0.01 mm之間。X軸的行程為-100 mm時，所得實驗定位精度偏差均在0～0.016 mm之間。通過上述分析可以得知，行程距離為10 mm時，X軸的重復定位偏差的最大幅值為0.016 mm,則可得其重復定位精度為±0.008 mm。

圖5 X軸行程100 mm時不同速度下的定位偏差

圖6 Y軸行程100 mm時不同速度下的定位偏差

圖7 Z軸行程50 mm時不同速度下的定位偏差

根據圖6，Y軸不同行程下不同速度的重復定位精度測量比較結果可以看出，Y軸的行程為200 mm時，所得實驗定位精度偏差均在0～0.013 mm之間。Y軸的行程為-200 mm時，所得實驗定位精度偏差均同樣均落在0～0.02 mm之間。通過上述分析可以得知，行程距離為200 mm時，X軸的重復定位偏差的最大幅值為0.02 mm,則可得其重復定位精度為±0.01 mm。

根據圖7可以分析Z軸不同行程下不同速度的重復定位精度，Z軸的行程為50 mm時，所得實驗定位精度偏差均在-0.005～0.003 mm之間。Z軸的行程為75 mm時，所得實驗定位精度偏差均落在0.0005～0.014 mm之間。通過上述分析可以得知，行程距離為50 mm時，Z軸的重復定位偏差的最大幅值為0.003 5 mm,則可得其重復定位精度為±0.001 75 mm；行程距離為75 mm時，Z軸的重復定位偏差的最大幅值為0.014 5 mm。則可得其重復定位精度為±0.007 2 mm。通過以上分析可以得知，Z軸的重復定位精度為±0.01 mm。

3 機械臂速度測試

為了測定X軸和Y軸的運動速度，本文選取了X軸和Y軸在不同位置角度處對應的弧長作為機械臂的行程，通過反復多次測量，可得到相應角度(弧長)對應的速度。在此為了測得機械臂在最大速度運行下的狀態，在程序運行中設定了最大速度的不同速率，可獲得相應的運行速度。實驗圖如圖8所示。

圖8 機械臂速度測試實驗圖

將示波器所記錄各向撞擊開關的電頻數目與機械臂所重復運動次數的距離推導出來，然后將單個行程范圍下的平均速度計算出，最終計算出5個不同行程下的平均速度，即為機械臂各軸當前的運動速度。具體測試方法如圖3所示，測試結果如表2、表3所示。

表2 X軸旋轉角度為30°時的測試結果

表3 Y軸旋轉角度為30°時的測試結果

從表2、表3可以看出，根據機械臂不同轉角，可以測得相應速度下對應的速度，而此種速度可以作為一種衡量SCARA機器人運動速度特性的參考。

4 結 語

SCARA機器人在工業生產中被廣泛應用，特別是一些高精度裝配和組裝的生產線上，因此對于SCARA的重復定位精度和運動速度參數需要進行衡量。機器人關節用電機及其組件，對機器人的定位精度有較大的影響，通過重復定位精度的分析為電機的改進設計提供了指導。本文提出的一種簡單的測試方法，可以較為精確地測試其重復定位精度和運動速度，為SCARA機器人性能指標的評定提供一種參考性方法。

[1] 徐元昌. 工業機器人[M]. 北京:中國輕工業出版社，1999:1-2.

[2] 陳開強.面向多點高速裝配應用的SCARA工業機器人控制精度模型研究[D].杭州：浙江大學，2012.

[3] 韓建海.工業機器人[M].武漢:華中科技大學出版社，2009:2-3.

[4] 齊進凱.氣動機械手的結構設計、分析及控制的研究 [D].上海:東華大學,2006.

[5] 殷際英，何廣平.關節型機器人[M].北京:化學工業出版社，2003:1-2.

[6] MAKINO H,FURUY N.SCARA robot and its family[C]//Proeeedings of the 3rd Intemational Conference on Assembly Automation， Stuttgart，1982:433-444.

[7] 肖鄭進. SCARA平面關節裝配機器人設計及精度分析[D].南京:南京理工大學,2002.

Experimental Study on the Accuracy and Speed of the Mechanical Arm Movement Based on Actuating Motor

HE Hong-jun，ZHANG Dong-ning，MA Chuan-bao

(No. 21 Research Institute of CETC,Shanghai 200233,China)

SCARA robots are often used in precision assembly and processing. Its mechanical body, drive control, reducer, motor and etc will affect the accuracy and speed of the SCARA robot. In this paper, a SCARA robot was built on the experimental platform. The accuracy and speed of movement were tested. A reference method for evaluating the performance of SCARA robot was provided.

actuating motor; mechanical arm; SCARA; robot

2015-06-26

TM383.4

A

1004-7018(2016)03-0035-03