SCARA平面关节式装配机器人设计与精度分析.pdf

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1、南京理工大学硕士学位论文SCARA平面关节式装配机器人设计与精度分析姓名：肖郑进申请学位级别：硕士专业：机械制造及自动化指导教师：施祖康20021220南京土墼1 人学坝I 。州究生论文S C A R A 、1 j 面关节式裂配机器人设计J 精度分析摘要由于装配机器人的广泛应用，精度问题引起越来越多学者的关注。精度是装配机器人主要技术指标，实际上是指机器人末端执行器能准确到达预先指定位姿的能力，它包括位姿重复性和位姿精确性等。本文推导了机器人工作空间位姿变换矩阵，建立了完整的机器人末端位姿误差分析模型。探讨了运动学参数误差标定、机器人末端位姿误差补偿、运动学参数误差优化分配的方法。其中，着重论

2、述了关节间隙对机器人运动学参数影响。结合S C A R A 平面关节式装配机器人设计，编写了S C A R A 平面关节式装配机器人精度系统分析程序，全面分析了S C A R A 平面关节式装配机器人末端位姿精度：研究了对机器人术端位姿误差影响最大的误差因素，总结出机器人误差分配原则，作出机器人末端位置误差在 ：作空间分布规律图，提出根据机器人末端位置误差分布规律图选择机器人装配作、l p 点。仿真结果验证所建立的机器人位姿误差理论的i l i 确性，位姿误差补偿、运动学参数误差优化分配方法对于提高机器人精度的实肌胜。关键词：装配机器人运动学参数位铛1姿态洪 ：j i 艘札：定补偿南京理工大学

3、硕士研究生论文S C A R A 平面关节式装配机器人设计与精度分析A b s t r a c tA s s e m b l yr o b o th a sb e e nw i d e l yu s e di nr e c e n t l yy e a r s P r e c i s i o ni Sas i g n i f i c a n tt e c h n i c a Ic h a r a c t e r i z a t i o no fa s s e m b l yr o b o t w h i c hi St h er o b o t Sc a p a b i l i t yo f

4、p r e c i s e l yp l a c i n gt h ee n d e f f e c t o ra tt h ep r e d e f i n e dp o s e ，w h i c hn o to n l yi n c l u d i n gp o s i t i o na n dc a r r i a g ep r e c i s i o nb u ta l s oi n c l u d i n gp o s i t i o na n dc a r r i a g er e p e a t a b i l i t y A sas u m m a r yo ft h eS C

5、 A R Aa s s e m b l yr o b o td e s i g n ，t h r e ea s p e c t sa r ei n c l u d i n gi nt h i sp a p e r ，F i r s to fa l l ，t h eP a r e rp r e s e n t e dt h ew h o l es y s t e mo ft h eS C A R Aa s s e m b l yr o b o ta n dt h eo r g a n i z a t i o no ft h eS C A R Aa s s e m b l yr o b o ti

6、nd e t a i l S e c o n d l y ，ae r r o rm o d e lf o rr o b o t sa tl a r g eh a sb e e ns e tu Db a s e do nD e n a v i t H a r t e n b e r gp a r a m e t e r si nt h eP a D e r B e c a u s et h eD Hp a r a m e t e r si Sa b s t r a c ta n di s n tc o n v e n i e n tf o re r r o rc o n t r o l ，S O

7、u t i l i z i n gs p a c ed e c e n t r a l i z a t i o nt r a n s l a t et h e o i n tc l e a r a n c ei n t oD Hp a r a m e t e r se r r o r W i t ht h ee r r o rm o d e l w ed e d u c eaD Hp a r a m e t e r se r r o rc a l i b r a t i n gm o d e lb a s e do nd i s t a n c ee r r o rw h i c ha v o

8、 i dt h et r a n s i t i o nb e t w e e nt h er o b o tc o o r d i n a t ea n dt h es u r v e yc o o r d i n a t e T h i r d l y , B a s i n go nt h er e s u l to fc o o r d i n a t e ，w eu s et w om e t h o d st oi n c r e a s et h ep r e c i s i o no ft h er o b o t ：t h ed i r e c t l ym o d i f

9、y i n gm e t h o da n dt h ec o m p e n s a t i n gm e t h o d F i n a l l y , w em a k eu s eo ft h em a t r i xp r i n c i p i u mo p t i m i z e dd i s t r i b u t et h et o l e r a n c eo f t h eD Hp a r a m e t e r s I nt h ee n d ，W ea n a l y s e dt h eS C A R Aa s s e m b l yr o b o tw h i c

10、 hw ed e s i g n e db yp r o g r a m m i n ge m u l a t o rw i t ht h ek i n e m a t i c se q u a t i o na n dt h ea b o v et h e o r y , w h i c hi n c l u d i n gs e v e r a ls t e p F i r s ts t e pi sa n a l y s i n ga n dc o m p a r i n gt h em a r k e d n e s so f e v e r yp a r a m e t e re r

11、 r o r ,w h i c ha f f e c t st h er o b o tp r e c i s i o n S e c o n ds t e pi Sd i s t r i b u t i n gt h eo p t i m u mt o l e r a n c eo ft h eD Hp a r a m e t e r s ，T h e nb a s i n go nt h ea n a l y s eo ft h em a r k e d n e s sa n dt h eo p t i m u mt o l e r a n c e w ea d j u s tt h et

12、 o l e r a n c et oc o n v e n i e n tf o rm a n u f a c t u r e T h i r ds t e pi Su s i n gm o d i 蛳n gm e t h o da n dt h ec o m p e n s a t i n gm e t h o dt oi n c r e a s et h eS C A R Aa s s e m b l yr o b o tp r e c i s i o n T h ee m u l a t o rt e s t i f i e dt h a tt h ee r r o rm o d e

13、la n dt h ec o r r e l a t i v et h e o r yi Sl e g i t i m a c y K e y w o r d ：A s s e m b l yr o b o tK i n e m a t i c sp a r a m e t e rP r e c i s i o nE r r o rC a l i b r a t eC o m p e n s a t e南京理T 人学硕卜研究生论文S C A R A 平面关节式装配机器人设计与精度分析1 1 引言第一章绪论机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多门学科而形成

14、的高新技术，其本质是感知、决策、行动和交互四大技术的综合，是当代研究十分活跃，应用曰益广泛的领域。机器人应用水平是一个国家工业自动化水平的重要标志。本文所谈机器入主要指工业机器人，既具有操作机( 机械本体) 、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间充成各种作业的自动化生产设备。目前机器人应用领域主要还是集中在汽车工业，它占现有机器人总数的2 8 9 。其次是电器制造业，约占j 6 4 。而化工业则占l I 7 。此外，工业机器人在食品、制药，器械、航空航天及会属加工等方面也有较多应用。随着工业机器人的发展，其每用领域丌始从制造业扩展到非制造业，同

15、时在原制造业中也在不断的深入渗透，向大、异、薄、软、窄、厚等难加工领域深化、扩展。而新开辟的应用领域有木材家具、农林牧渔、建筑、桥梁、医药卫生、办公家用、教育科研及一些极限领域等非制造业。现在工业机器人种类还是以焊接机器人、搬运机器人、喷漆机器人、涂胶机器人、装配机器人、切割机器人、检测机器人、清理机器人为主。+ 般来说，机器人系统可按功能分为下面五个部分：a ) 机械本体：包括机身、框架、机壤连接等内在的支持结构。b ) 动力部分：包括电源、电动机等执行元件及其驱动电路。c ) 检测传感装置：包括传感器及其相应的信号检测电路。d ) 控制及信息处理装置：包括计算机及相应的硬件、软件构成的控制

16、系统。e ) 执行机构：包括机械传动和操作机构，一般采用机械、电、液等机构。1 2 装配机器人现状及发展趋势机器人化装配近年来取得了极大的进展，根据十几个主要机器人使用国家的统计数据用于装配作业的机器人在机器人种类中占3 4 。5 ，并且用于装配的机器人仍然以最快的速度增长。机器人化装配已广泛应用于电子业、机械制造业、汔车工业等。一般丽氖通用：L 业机器人均可用于装配，但专门设计的装配机器入通常更具有效率，与通用工业机器人相比，装配机器人具有速度快、精度高、载荷大、柔顺性好、南京理_ 【人学硕：l ：l i J t 究生论文S C A R A 平面关节式装配机器人设计与精度分析成本低等特点。由

17、于本文主要研究机器人系统精度建模，更侧重于模型的通用性，所以文中如无特别说明，所谈机器人均指通用机器人。1 2 1 装配机器人现状F 1 本丌发的S C A R A 平面关节式装配机器人是目前使用最广泛的装配机器人，它专门用于垂直安装作业，如在印刷电路中插元器件的机器人，所以有四个关节：三个水平转动关节一个垂直滑动关节就足够了。机器人能抓取元部件在水平方向定位，在垂直方向进行插入作业。它的平面转动关节可以”放松”使插入元件时可以顺就孔的位置作微小调整，具有柔顺性，因而称为在选择方向具有柔顺性的安装机器人( S e l e c t i v eC o m p l i a n c eA s s e

18、m b l YR o b o tA r mS C A R A ) 。但其只能纠正侧向误差，适合于“上下”安装的装配任务，然而只要产品设计合理，这类任务占已存在的装配任务的8 0 。S C A R A 装配机器人有较大的工作区域，使进料更容易，而直角坐标机器人则更精确、刚度更大，而且由于相对较小的工作区域和行程，速度更快。目前电子工、1 ，有转向使用南角坐标机器人的势头。而要在空间任意方向装配至少需要六个自度，随着任务不同，装配机器人可以有直角坐标，圆柱坐标或关节坐标等形式。随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，装配机器人技术也得到飞速发展。目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器

19、人共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展。一些公司通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代没汁方法的运用，机器人操作机已实现了优化设计。以德国K U K A 公司为代表的机器人公司，已将机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人工作范围，加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了机器人性能；此外采用先进的R V 减速器及交流伺服电机，使机器人操作机几乎成为免维护系统；同时机械结构向模块化、可重构化发展，例如关节模块t 扣伺服电机、减速器、检测系统三位体化；由关节模块、连打模块J | j 蕈组方式构造机器人整机，国外已有模块化装配机器人产品问市。| 8 1 i 希控制技术的进步，装配机器

20、人控制系统向基于P c 机的开放型控制器方向发胜，便j 二标准化、网络化；元器件集成度提高，控制柜日益小巧，且采用模块化结构，人大捉t 讶了系统I J 靠性、易操作性和呵维修性；控制系统性能进一步提高，并且实现软件伺服和全数字控制；人机界面更加友好，基于图形操作的界面也已问世；编程方式仍以示教编程为主，但在某些领域，离线编程已实现实用化。有些装配机器人应用激光，视觉、力觉等传感器，实现自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高机器人作业性能和对环境的适应能力。另一方面由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器人系统可靠性有了很大提高。过去机器人系统可靠性M T B F

21、 一般为几千小时，而现在已达到5 万小时，几乎可以满足任何场合需求。我国有组织有计划地发展机器人事业，是从“七五”期间科研攻关及实施“8 6 3瘫寨瑾下大学赣， ：蛾究生论文S C A R A F 戮关苇或装配撬嚣A 竣毒与壤袭分辑计划”丌始，经过十几年来的研制、生产、应用，从纵向看，京了长足进步。融前在装配机器入研制方面，基本掌攥了设计制造技术，解决了控青4 、驱动系统设计和配置、软件设计和编制等关键技术，还掌握了自动化装配线( 工作站) 及其周边配套设铸的全线自动通信、协调控铡技术，在基础元器件方蕊，谐波减速器、六轴力传感器、运动控制器等也有了突破。一毫海交逶大学磺制的”精密一号装配梳嚣入

22、”，楚一台带有多传恭器( 两绒视觉，六维力觉传感器) 和多任务操作系统、可离线编程的高速、高精度、四轴S C A R A 平面关节式镑能精密装配枕器久。在研翻遥程中解狡了缀多项关键技术，热六维力佟感器系统、分体式码盘设计制造、大转角钢带传动设计与制造等等，达到九十年代图际先透承平。随蘅我国加入W T 0 市场竞争的加蒯，生产发展迫切需要大蹙合适的装配机器人，因戴，薹； 变装凝撬器入蠢或为瀑旃工鼗辍器入研究豹警务之急。1 2 2 装配机器人发展趋势出于机器人技术发展水平的不平衡性，各个国家对机器人发展趋势有不同理解。瞧从技术先进怯来看，在这一镶域代表国际发鼹趋势懿装配掇器人磅突方自主要鸯：直接驱

23、动装配机器人：传绕机器人都要通过一些减速装置来达到降速并提随输出力矩，这些传动链会增办l 系统功耗、惯爨、误菱等，势降低系绞可靠蠼，为了减小关：挣惯性，实现简速、精密、大负载及高可靠性。一种趋势是采用商扭矩低速电机直接驱动。智能装配机器人：装配机器人的一个目标怒实现工炸自主，因此要利用知识规划，专家系统等人工智能研究领域成果，玎发出智能型自主移动装配机器人，e & 在务葶孛装两芒 ：竹：函t 二1 ：稍j 。并联机器人：传统机器人采用连孝于和关节串联结构，丽并联机器人必有非累积定位误差，执行机构的分布得到改善、结构紧凑、刚性提高、承载能力增加等优点，而且其逆位置问题比较直接、奇辩位置相对较少，

24、所以近些年来储受重：l 嫩。协作装配概器入：髓着装配机器入应用领域的扩大，对装蘸芒机器入也提獭一些新要求，如多机器人之间的协作，同一机器人双臂的协作，甚黧人与机器人的协作，这翳予燕墅或耪密装配任务菲鬻重要。1 。3 装配机器人关键技术机器人研究我国趣 步也不解晚，从”七五”期间开始，经过这么多年来发展，瓿级向餐愆有了穰大遴步，褪还存在许多关键技术没有解决，冀中有些技术目前国外也没有解决。出于机器人种类麓异，不同种类机器人所涉及的关键技术也有所不同，南京理下人学坝I 。研究生论文S C A R A 平面关节式装配机器人设计与精度分析与装配机器人有关的主要有：1 3 1 操作机的机构设计与传动技术

25、山于机器人运行速度快、定位精度高，需要进行运动学与动力学设计计算，解决好操作机结构设计与传动链设计。包括a ) 重量轻、刚性好、惯量小的机械本体结构设计制造技术一般采用巧妙的结构设计及合理的空间布局，如把驱动电机安装在机座上，就可减少臂部惯量、增强机身刚性；在不影响使用性能的情况下，各种部件尽量采用空心结构：当然选择合适的制造材料也是很关键。b ) 精确传动轴系的设计制造调整技术由伺服电机直接驱动，完全取消减速装置，实现无间隙、无空回、少磨擦、少磨损、提高刚性、精度、可靠性：各轴承采用定位或定量预紧措旅以保证传动精度和稳定性。c ) 传动平稳、精度高、结构紧凑且效率高的传动机构设计制造调整技术

26、由于在采取合适办法解决机械本体结构问题时，往往会对传动机构提出更高要求，有时还存在多级传动，因此要达到上述目的。常采用的方法有：采用钢带传动，实现无磨擦无间隙、高精度传动：采用滚珠丝杠传动，可提高传动效率，且传动平稳、起动和低速性能好，磨擦磨损小：采用R v 减速器可缩短传动链。同时合理安排检测系统位置，以实现全闭环控制，进一步提高系统精度。1 3 2 机器人计算机控制技术由于自动生产线和装配精度的要求及周边设备限制，使装配机器人的控制过程异常复杂。并要求终端运动平稳、位姿轨迹精确。常涉及的关键技术包括：a ) 点位控制与轨迹控制的双重控制技术一般为装配机器人安装高级编程语言和操作系统，实现离

27、线编程与示教编程，这样一来可以简化机器人操作。另一方面，合理选择关节驱动器功率和变速比、终端基点密度和基点插补方式，以使运动精确、轨迹光滑。b ) 装配机器人柔顺运动控制技术由于机器人柔顺运动控制是一种关联的、变参数的非线性控制，能使机器人米端执行器和作业对象或环境之间的运动和状态符合给定要求。这种控制的关键在于选择一种合适的控制算法。c ) 误差建模技术在机器人运动中，由于机械制造误差、传动间隙、控制算法误差等，因南京删T 人学坝1 3 0 1 究生论义S C A R A 平面关节戏装配机器人设计与精度分析此裔必要对梳器人遮动进行误差补偿，建立合理可靠的误差模型，遥行公差优化分配。对系统进行

28、误麓标定著采用合适的误差补偿环节，这也怒本文研究熏点。d ) 控制软件技术将诸如躐攘算法、F 馈控制、颈瓣算法等先进的琥代控制瑾论嵌入到杌器人控制器内使机器人具有更精确的定位定轮廓、更离的移动速度、熙短的调整霹溺，舔使在磷毪低的梳器入结构中也i 遮蜀无振动运动等特性，都有韵予提高机器人性能。1 3 3 检测传感技术捡测转感技术豹关键是技感器鼓零，它未簧爱予检测掇嚣久系统孛鑫身蓐嚣韭辩象、作业环境的状态，向控制器提供信息以决定系统动作。传感器精度、灵敏度和可靠瞧很大程菠决定了系统搜缝豹好豁。检测传感技零篷含嚣个方嚣蠹容：一爨蒋感嚣本身的研究和应用。= 是检测装置的研究与甜= 发。包括：鑫) 多缝

29、力甏传旗爨技零多维力觉传感器目前在国际上也是一个热点，涉及内容多、难度大。它能同时捡测三维空阈的全力偿息，在糖整装酝、双手掺谖、零力示教等终业巾，有广泛应用。它包括弹性体、传感器头、综合解耦单冗、数据处理单元及专用电源等。b ) 视觉技术视觉技术与检测传感技术类似于人的视觉与触觉的关系，与触觉相比，视擞震要复杂的信息处理技术和高速运算能力，成零较寒；瓤触觉则比较筏零，可纛H 较易实现。但在有些情况下，视觉可宪成对作业对象形状和姿态识别，并可比较全蕊地获得周围环境数据，旋一些特殊装配场合有缀犬优越镶，如在笼定搜、自主式装配、远程遥控装配、无人介入装配等情况下特别适用。因此如何采用合适的硬件系统对

30、信息进行采集、传输，弗对数搬进行分析、处理、识别，以褥到有稻信惑用于控稻也莛一个关键闯题。c ) 多路传感器倍息融合技术宙于装配穰器人中透雨多种传感器来采集倍怠，得掰的信意也是多种多样，必须用有效的手段对这髓信息进行处理，才能得到有用信息。因此，信息融合技术教育毪成为制约裣涮援术发聪静瓶颈。c IJ 检测传感装髓的集成化与智能化技术捡溺传感装黉静集藏纯蕤形残菱式传惑器或矩阵式传感器，黼把传惑器和测艟装置集成则能形成一体化传感器。这毖方法都能使传艨器功能增加、体积变小、并显爱捻溺话簿系统性籀提褰，鬟懿稳定霹靠。南京挫】：人学坝i J I _ 究生论文S C A d R A 平面关节式装配机器人设

31、计与精度分析检测传感装置的智能化则是在检测传感装置中添加微型机或微处理器，使其具有自动判断，自动处理和自动操作等功能。加快系统响应速度、消除或减小环境因素影响、提高系统精度、延长平均无故障时间、缩短系统修复时间。1 。3 4 图形仿真技术对于复杂装配作业，示教编程方法效率往往不高，如果能直接把机器人控制器与C A D 系统相联接，则能利用数据库中与装配作业有关的信息对机器人进行离线编程，使机器人在结构环境下的编程具有很大的灵活性。另一方面，如果将机器人控制器与图形仿真系统相联，则可离线对机器人装配作业进行动画仿真，从而验证装配程序的正确性、可执行性及合理性，为机器人作业编程和调试带来直观的视觉

32、效果，为用户提供灵活友好的操作界面，具有良好的人机交互性。1 3 5 柔顺手腕一般而台，通用机器人均可用于装配操作，利用机器人固有的结构柔性，可以对装配操作中的运动误差进行修正。通过对影响机器人刚度的各种变量进行分析，并通过调整机器人本身的结构参数来获得期望的机器人末端刚度，以满足装配操作对机器人柔顺性要求。但在装配机器人如果采用柔性操作手爪则能更好地取得装配操作所需的柔顺性，山1 i 装配操作对机器人精度、速度和柔顺性等性能要求较高。所以有必要改皓纠J J l H 二装配作业的柔顺手腕，利用柔顺手腕是实际装配操作中用得最多的柔顺环节。比较成功的柔顺手腕有：利用在腕部添加多自由度弹簧系统，通过

33、调节各弹簧弹性来得到不同大小的柔性。如W h it n e y 等人研制的R C C ( R e m o t eC o m p l l a n c eC e n t e r ) 柔顺手腕，广泛应用于圆形轴孑L 类装配：为了解决一般棱柱和非对称零件的装配问题，也可利用S t u r g e s等人提出的R C C 空矧手腕，它能自动消除运动误差；还有如A s a d a 等人提出的动态R C C 则能满足高速装配作业需要。1 4 装配机器人发展中涉及的配套设备技术装配机器人在工业中应用主要取决于它本身技术发展水平：如机器人结构、检测系统、信息处理与控制以及可靠性、通用性、价格等因素，不仅如此，装

34、配机器人能甭在生产中得到广泛应用还取决于它与生产环境的相互配合，这些包括：产品的设计与制造工艺、配套的工装央具、自动装配过程的规划及其与C A M ，A I M S 的相互关系，机器人化装配的社会效益等。南京趣1 1 人学硕一I ：研究生论义S C A R A 平面关节戏装配机器人设计与精度分析1 4 1 机器人本身及配套硬件的扩展；规爨人樵梭结掘：基翦憨毒熬枫器人结搀虽然能完成很多工 乍，毽还是不够完美，为了扩大装配机器人应用，人们正在探索新的机器人结构，如抓取熏量与机器人本身蕈爨髑近豹弹性规器人。嗣零Z O S E N 公司研铡出能极其灵活移动，可延 孛多关节始象鼻子的机器人，它可以钻到不

35、易接j 魔部位进行工作。此外还肖开发慰接驱动的传动机构，以及象人蒋骨髓那样辍嚣结实蛉结构群体等也楚硬究课题。传感器及其系统：它是装配机器人技术的关键。要研究备种高傲能传感器，包括光强、测距、接触、温度、瞬觉以及嗅觉传感嚣，已有的各葶孛传感器在机器人上的鸯效利用；能装在末端执行器上带微机的传感器，它可以在工作中及时检查误差，改进硬件及软件以进行快速处理；用多种传感嚣组合并由多C P U 菇行处理进行快速识别；存不同任务与约束条件下传感器的选择与规划。机器视觉用于在线濂视与测惫装配过程，它除了视觉本身的研究课题外，对于装配机器人应用还要考虑麓单、灵滔与实用，必要时可以装在手爪上方便地识剐繁物，在用

36、模式匮配方法进行图象处理| 三l 识别物体位姿时，减少图象数据与处理算法。末端执行器要象入手那样灵活，它应其商轻、巧、半柔馁的多指手，有离分辨率，J 司时接触传感器应由单片机就地控制：它应能利用不同工具，由手指或其它装在腕上的装置孤歉，进行备军孛装配渤作；它应能安装不丽类型的抓联器，l l 便抓取不同类受的元器件。1 4 2 应用装配机器人对产品设计提出新的要求把一次绥装懿爱杂产菇分解为死次鞍楚荦豹子安装任务，然嚣恕拳或晶孬惑装京起成为产t 礼尽墩减少部件数及部件类型。鄙搏设谤躐镬予安装熬绥稳形式：尽量双镀扣键代替螺镑，著器豢减少软连接；在插入元件中设计倒角与锥度以便啮合；部件尽可能做成对称，

37、以减少定向任务；部翅：安装过程孛尽可栽骧一个方囱要袋精确运凌，逮兔在几个方自主帮要求壤旗运动，以减少部件旋转与抓取动作并简化机器人动作。为了便予在装黧过程中溺机器人攫觉等黢褪或捻测，邦传表嚣形拔以及发光特性、颜色等也要考虑。袋些零传的制造与装配过程要统筹安撼，妇为了秘刷电鼹叛上元转熬安装，要把电阻电容等元件固定在塑料带上；有魑薄塑料垫圈很难抓取，可以考虑边生产边安装，在把浆料垫嬲切割下来时就安装在产晶上。1 4 3 供料系统工装夹具与辅助机械为了送行装配，簧有完蒋的元部件供给，胰仓库戏其它王位来静元部件传送至I 储S C A R A 平面关节式装配机器人设计与精度分析料斗，再经各种形式的喂料机

38、构或直接由机器人抓取进行装配，在装配过程中有时需要附加固定装置，把元部件放在里面或上面进行安装，为了便于装配有时需要给不同类型的部件配专用夹具，夹具可能有多个自由度且可编程。在装配过程中机器人主要根据程序软件、指令及传感器信号来进行顺序运动，完成抓放、部件匹配等工作，对于某些经常出现的动作可以由专用工具甚至专用机床来完成，如上螺栓一E 弹簧、上皮带、某些部件插入压倒等。在有些装配中机器人抓取的元部件重量差别很大，如牵引机安装中有几十公斤的大部件也有很小的螺栓，这时有必要给机器人配一台起重机，起重机由机器人通过力传感器指挥，起重机与机器人均通过自动丑! 换抓握单元以便抓取不同重量的元部件。1 4

39、 4 机器人装配生产线的安装规划机器人自动装配过程规划涉及产品设计、安装工艺、专用机器设备、机器人及人工的最佳匹配、通用工装夹具、运输系统的协调工作等，各部分之间又是相互影响的，因此机器人是作为整体布局的一部分来安排。只有由已有装配线的经验总结出上述问题的一些规则，然后通过综合考虑上述因素，才能取得最佳效果，规划中应安排传感器信号作为实时控制与检测。规划时还必须考虑到异常情况的处理及快速恢复时的自动再规划。装配程序用通用机器人语言来编程，元部件表达用C A D 所给数据加上在线检测显示，划设帑、传感器、部件的位置误差应加以补偿，在工作站中机器人与其它设备、r 件M 应有防J I ：碰撞检测，有

40、多个传感器来监视操作过程，整个装配程序应经离线仿真以避免错误。一般而言，装配机器人应作为自动装配生产线的一个组成部分来设计规划生产线而不是作为生产线中心来设计整个生产线。产品设计、工艺设计、流程设计、柔性制造与柔性装配等都必需整体规划，装配机器人应与其它周边设备相互配合来协调发挥作用。1 4 5 装配机器人的适用场合机器人装配虽然有很多优点，但从社会经济效益角度来看，首先应根据市场与社会需求这个大目标，然后才从技术上分析怎样的生产及装配过程能取得生产高效率与经济上高效益。一个通用性指标V I ( V e r s a t i l i t yi n d i c a t o r ) ，它由五个系数之

41、积得H ：一一年内产品变型的次数，一个月生产产品的倒数，现有操作工人数的倒数，产品需要安装的部件数，产品重量。V I 大，适用机器人装配或人工装配，否则适用于专用机械。可见机器人装配适用于产品更换频繁，批量少，操作人员少，每个产品安装部件多、产品重量大( 通常安装复杂) 的生产场合。为了提高装配系统效益，要分析系南京螋T 人学 0 j ! 小研究生论义S C A R A 平面关节式装配机器人设计与精度分析统的经济模藿，要创造系统的综合工其( 线性旒戋I ，菲线畿规划) 以决定所需工艺、操作与系统结构、分析操作难点及安装顺序( 不同于手工装) 。总之。在装配税器人豹发震中p 要考纛装配橇嚣人本身

42、的诸多技术闯憨，又要考虑与其相关的配套技术、装鬣及产晶设计问题：要舆体分析装配过程( 操作、检测、建横及筑翻) ，合疆缝织生产环境、设备、工艺流稔戮提高效益。受簧了黪国民经济全周与市场需求，只有在国民经济发展及其对自动化需求作用下机器人化装配才能获簿遨速应掰藉发震。，I 。S 课题及完成的工作本课题来源于江苏省”十五”煎点攻关项目：工业机器人开发与应用环保压缩聿蔻生产线装配梳器天。楚与江苏省连云港市穗兰环傈联缩枫有黻公司合作，我稻研究所主要负责装配机器人软硬件系统设计，包括机械本体，控制及驱动予系统等，此外还要宠戏装配梳器天系统调试，嚣连云游德兰环保歪缩辊有陲公霉主要受责提供安装场地及自动装配

43、生产线，双方含作一起完成装配机器人与自动裟配生产线的整体调试。基于此，我所做的工作主要是：( 1 )在磷究国内终嗣类产品先遴橇墼基糖上，宠残系统憨髂设诗，莠蘑缀装配黧及主要零件图。( 2 )对象绞精壤避褥分毒嚣，建立逶羁撬器大馒姿耩疫模整及误差菰定与於楼冀法。( 3 )捉摆上述算法，编筠据关载误差分辑及镑冀疆寒( 4 )作为工作的总结。在这篇论文中我主要对以下问题进行理论上的研究和探讨：( a ) sCARA 平毯关节式棍器入撬援本髂靛设诗；伯) 綦予D e n a v i 卜H a r t e n b e r g 运动学参数的位姿误麓数学建模；( c ) 研究运动学参数误豢撂定、补偿模型及相

44、关算法；( d ) 剩援傍寞程艨对误差模型遴纷精疫综合分析。I l 。6 论文结构簿章，贪缨国内强装酝规爨人发展状况、魇涉及关毽投零、与装配祝嚣入应用相_ 关的一些配套设备技术等。同时，本章还对作者所完成的工作作了系统介绍和总结。第二章，对ScARA 平强关节式装配执器入系统总体设计，各关节规授结构设计进行具体分析。第三章，利用D 参数法建立了道周机器人位姿变换摸黧；介绍了枫掏邋煺穰瘦南京理丁大学硕研究生论文S C A R A 平面关节式装配机器人设计与精度分析算法，利用该算法推导出通用机器人位姿误差模型：建立了基于矩阵运算的运动学参数误差与机器人末端位姿误差的关系式。第四章，通过空I 刨解析

45、几何分析把机器人各关节间隙转换为机器人运动学参数误差。第血章，利_ 【 ；| 前面所建立的误差模型和矩阵原理，推导出基于距离误差的机器人运动学参数洪差标定，术端位姿误差的修正与补偿，运动学参数公差优化等实用方法。第六章，建立了scARA 装配机器人运动学方程，并编写程序进行仿真分析，在运动学参数公差优化分配的基础上，根据各运动学参数误差对末端位姿误差影响的显著性调整各参数公差，最后对末端位姿误差进行补偿，并分析装配机器人工作空间内，位置误差的分布规律。1 7 本章小结本章主要介绍装配机器人发展概况及相关技术，使我们对装配机器人有了一个全面而详细的了解：介绍了装配机器人现状及发展趋势。U 述了裟

46、配机器人涉及的关健技术，知道了它是一个集机械运动、自动控制、目标检测、轨迹规划、离线编程等多种技术于一体的综合系统。介绍装配机器人发展中除其本身的技术外还涉及的配套技术，如配套装黄、产品发计、生产环境、工艺流程等等。介绍本篇论文结构。对作者所完成的工作作了系统的介绍和总结。南京理：1 二火学倾I + 研究生论文S C A R A 平面关节式装配机器人设计与精度分析第二章S C A P , A 装配机器人机械本体设计2 1 装配机器人系统总体设计2 1 1 环保压缩机生产线装配机器人功能需求分析本项目是为江苏省连云港市德兰环保压缩机有限公司压缩机生产线研究开发的装配机器人及其应用系统，主要是为了

47、满足环保压缩机生产线中”无接触生产”工艺要求，从而保证产品质量。根据生产线布局对机器人操作机要求，从运动空间来看，要求能够完成一个圆盘上八个轴类零件两工位搬运运动，并在其中一个工位的垂直方向完成一个轴j L 装配作业。按照陔生产线布局，要求装配机器人完成水平面内搬运运动，这包括XY 平面运动，以及z 向上下运动。为了完成装配作业，还要求手腕具有一定柔顺性。这样一来如果全部运动都设计成由装配机器人本体来完成，那么必然增加机器人本体复杂性，并会影响机器人位姿精度。而参阅国内外装配机器人( 本体) ，也没见到有这种类型的平面关节式装配机器人。另一方面，这种机器人通用性差，成本也高。袁2 1 1 装配

48、机器人总体要求项目要求结构类型平面关节式机器人( sc A R A )I 度删个，包括大臂回转、小臂回转、主轴上下运动、主轴旋转控制方式点位、轨迹控制，采用管理、控制、伺服三级结构驰动方式交流伺服驱动、绝对式光电编码器位置反馈传动方式电机加RV 减速器，电机加同步齿形带，滚珠丝杠表2 1 2 装配机器人主要技术指标项f ! ：- |技术指标运动范围大臂小臂Z 轴上下运动Z 轴旋转1 2 0 。1 5 5 。2 5 0 r a m3 6 0 。最大速度2 0 0 。| s2 0 0 4 | s2 0 0 m m s3 6 0 | s最大负荷6 k g重复定位精度0 2 r a m鉴于上述原因，同

49、时考虑装配机器人应具有良好的通用性，以保证这个课题完后，所提供机器人技术，具有较好的产业化、商品化前景。所以，在设计中。我们把装配机器人设计成SCARA 平面关节式装配机器人，具有四个自由度：两个完成水平面内回转运动，一个完成z 轴上下运动，另一个完成绕z 轴旋转运动。另外再设计南京理工大学碗J j 研究生论文s c A R A 平面关节式装配机器人设计与精度分析几个与装配机器人腕部配合使用的柔性手腕，使此装配机器人即能完成环保压缩机生产线装配要求，又具有较好酌通用性，良好的性价比。具休设计要求及技术指标如表2 1 1 与表达212 。2 1 2S C A R A 装配机器人外形尺寸与工作空间

50、机器人具体外形尺寸及工作空间见图2 1 1 与图2 1 2 。图2 1 1S C A R A 装配机器人外形尺寸图图2 1 2S C A R A 装配机器人工作空间图2 2 机械结构方案设计机械本体是装配机器人关键部分，要求机械本体能实现高速、高精度运动。为了跟踪国外发展水平，更好地掌握关键技术，在机械本体研制中。参考国内外机器人结构，并根据我国具体技术情况，决定采用如下结构，这对掌握技术，跟踪国际水平，缩短研制周期而言，具有很多有利之处。机器人大小臂均要承受轴向压力及倾倒力矩，所以大臂及小臂均采用R V 减速器南京理T 人学硼h 研究生论义S C A R A 平面关节式装配机器人设计与精度分