基于滚珠丝杠的四自由度点胶机器人设计研究

陈 曦，汤雪松

（河北工业大学 控制科学与控制工程学院，天津 300000）

0 引言

点胶机器人又称涂胶机、滴胶机、打胶机、灌胶机等，专门对流体进行控制。并将流体点滴、涂覆于产品表面或产品内部的自动化机器。点胶机器人主要用于产品工艺中的胶水、油漆以及其他液体精确点，可以用来实现打点、画线、圆型或弧型[1]。常见点胶机多为直线运动式或者二维、三维空间运动式，运动的自由度间成空间直角的关系。本文设计的四自由度直角坐标机器人是一个可以实现空间4个自由度运动的机构，可以满足更高的移动要求。直角坐标度机器人驱动方式常见的有气动、液压和电动驱动，但气动驱动过于粗糙，液压驱动系统结构太庞大，考虑到系统本身控制比较复杂，为了保证稳定性和准确性选择以步进电机为驱动装置、以滚珠丝杠为传动装置实现对系统的控制[2]。从整体来看系统将具有更好的稳定性，更高的精度，可以满足整个三维空间的运动。

1 主体设计

本文研究的直角坐标机器人是四个自由度，即X轴，Y轴，Z轴，R轴。X、Y、Z轴为直线运动，R轴为旋转运动。X、Y、Z轴的直线运动有行程限制，所以需要位置反馈。R轴作为旋转轴不需要光电开关或者行程开关来限制行程[3]。结构上，Y轴垂直放置于X轴的支撑滑块上，实现一维平面的直角运动系统，Y轴的支撑滑块竖直放置Z轴，在Z轴的底部连接一根金属长杆，长杆下端与法兰盘连接，由步进电机进行驱动，从而实现旋转运动。图1为整体效果图。

图1 整体效果图

2 机械结构

2.1 直线运动轴

以X轴为例，如图2所示。运动轨道安装在固定基准面上，直接支撑运动滑块，运动滑块位于轨道上，一边各带两个，滑块与轨道通过滚珠耦合在一起，构成了直线导轨。运动滑块之上安装的是支撑滑块，作用是为Y轴的支撑铝型材及滑台提供等高且水平的支撑，由于直线轴有行程限制，为了保证运动安全，在轨道两端安装了光电开关来限位。滚珠丝杠水平放置在滑台内部轨道中心位置，丝杠两端由轴承支撑座支起以防止丝杠受力不均产生形变影响机械性，联轴器两端分别与丝杠和步进电机相连，这使得步进电机与丝杠之间实现了软连接，有效地缓解了两轴不同心的问题。滚珠丝杠利用滚珠运动带动滑块运动，其启动力矩极小，不会出现滑动运动那样的爬行现象，从而确保了精确的微进给，实现高精度的定位[4]。Y轴与Z轴的组装与X轴相似，这里将不再叙述。

图2 X轴结构解析图

2.2 旋转运动轴

R轴为旋转运动轴，也是用于安装点胶装的轴，结构与直线运动轴基本一致，图3为R轴结构示意图。该部分最重要的问题就是同心，由于R轴的操作机构为法兰盘，本身有重量，并且法兰盘会带负载，所以轴在转动过程中很容易出现摆动问题，最终可能会造成轴变形弯曲。为解决该问题，在Z轴下方位置安装两个轴承来做约束，上部采用角接触球轴承用于承受轴向载荷，下部采用深沟球轴承用于承受径向力。

图3 R轴结构示意图

3 控制部分

如图4所示，上位机通过CAN总线控制单片机，经C8051F500的C2D/C2CK接口将程序输入其中。单片机信号经过ULN2003应用电路（达林顿晶体管阵列）与步进电机驱动器相连，驱动器驱动电机动作，其中PUL为脉冲，DIR为电机方向，ENA为电机使能信号。

图4 系统通讯及控制流程

按照设计的要求，XYZ轴是单自由逐一动作，同时配合R轴的旋转运动。即X轴运动时，Y轴、Z轴静止，同理Y轴、Z轴也是如此。对于直线运动轴，为了保证机器人的运动在有效行程内，XYZ轴分别安装了光电开关，用于给单片机发信号使步进电机停止工作。此外为了防止光电开关失效的情况，在光电开关的外端还安装了行程开关，用于机械臂超出行程的触发[5]。光电开关或行程开关发出的信号会通过施密特触发器的滤波放大后送入单片机处理。

为实现各轴的精确控制，本文除了采取比较好的驱动、传动装置外，还采取了闭环控制的控制策略，将光电编码器输出的A相、B相脉冲做异或处理，得到两倍频率的反馈脉冲用于各轴的精确定位，有效的避免了步进电机因为干扰失步造成的误差。其中X轴与Y轴采用K3808G-1024BM-L5型编码器，可靠性高，寿命长，抗干扰性能强，Z轴采用K8030J-1024BM-L5型编码器，与XY轴编码的区别在于增加了采用无键槽锁紧环固定方式，安装方便，可变孔径。图5为光电开关与编码器的接线原理图。

图5 光电开关与编码器的接线原理图

4 结论

本文设计的四自由度点胶直角坐标机器人的精度高、效率好，并且能在整个三维空间自由可逆的运行，实现了自由灵活运动的要求，保障了整个点胶过程的精度。从整体来看，大量采用标准化的元器件，大大降低了成本，具有显著的经济性。此外，该设计实现了模块化，各自由度自成体系，可以分别拆卸，便于更换与维修。相比于其他类似的机器人有很好的改进与优势。

[1] 李刚,周文宝.直角坐标机器人简述及其应用介绍[J].伺服控制,2008,(09)：72-75.

[2] 徐起贺.滚动直线导轨副的特点、现状及发展动向[J].机械制造,2001,(02)：19-21.

[3] 王炎欢,陈阿三,刘鑫茂.直角坐标机器人控制系统的研制[J].轻工机械,2010,(04)：67-69.

[4] 李团结.机器人技术[M].电子工业出版社,2009：10-11.

[5] 张志远,李琪,毕海深.基于直角坐标机器人的软袋再包装自动上料系统[J].制造业自动化,2012,(06)：11-14.