基于Creo的四轴机器人运动分析

文德刚，相宁波

（山东临工工程机械有限公司，山东临沂276023）

1 引言

工业机器人主要是指具备多个自由度，由多个运动关节组成，专门用于工业行业的自动化设备，具有自动化程度高，定位准确，工作效率高等特点，按运动关节数量，工业机器人分为三轴、四轴、五轴等多种类型，本文研究对象为连杆式四轴机器人，主要用于码垛、分拣、搬运等行业。

2 基本原理

连杆式码垛机器人主要应用平衡吊的原理，主要结构包括底座（见图1），上部旋转组件和工作装置等部分组成，包含4个关节，其中，一轴为整体旋转，采用中空型RV减速器；二轴为末端装置上下运动，采用滚珠丝杠进行传动；三轴为末端装置水平运动，采用丝杠传动；四轴为末端装置旋转，采用中部输入型RV减速器。四连杆机器人的工作原理可以简化为简易相似三角形，并且当工作装置关节间尺寸满足特定关系时，机器人末端位置，于水平、垂直传动装置的位置呈线性相关，并且运动最平稳，振动最小。

图1 机器人底座结构

3 主要研究对象

连杆机构通过销轴与水平滑板上的凸型块、垂直滑板上的耳座进行连接，其中，垂直滑板上耳座的尺寸对机器人运动范围有重要影响，因此，本文重点研究垂直滑板耳座销孔位置与机器人运动范围之间的关系。

经过前期计算，销孔与安装平面的距离范围为60～120mm，上下运动范围为[-50mm，330mm]，考察水平滑块位于最后端位置时，短连杆与后动臂交点满足以下关系：以前动臂下销轴中心为原点，水平轴往后为X正方向，在后动臂下销轴位于（190，t）位置时（t为后动臂下销轴的Y方向坐标），短连杆与后动臂销轴中心位置D（x0，y0）满足以下条件：

4 软件分析

先在Creo Parametric的建模环境中添加测量，定义为后动臂与垂直滑板的角度，并将其保存为测量模型，然后切换到机构模块中，添加2个伺服电动机，伺服电机1将水平滑板的距离锁定为-110mm，设垂直滑板位置L，其中γ=[0，10]（γ为使L满足[-50mm，330mm]的变量），运行仿真后，并测量中心距分别为60mm，80mm，100mm时的值，然后在同一个坐标系下绘制图形，得到结果如图2所示。

图2 垂直滑板与后动臂的角度随位置的变化曲线

经过对比分析，极值点均出现在滑板位置等于48.8附近，将垂直滑板的位置代入方程（1）中求解，得到点D坐标为（300，0）时，即当短拉杆位于水平位置时，后动臂与滑板间的角度最大。

结合垂直安装导轨和垂直衬板的厚度，最后得出，机械运动中，后动臂与垂直滑板的最大角度与配重耳座中心孔距离l的关系为

而根据机械结构，配重耳座与后动臂不发生干涉的最大允许夹角，以l为横坐标，绘制α和β的折线图，如图3所示。

图3 夹角与距离的关系

从图3可知，在l＞0范围内，α与β不存在交点（无限接近），因此，均按照β角度进行干涉分析即可。为保证机器人有相关的安全裕度，需要保证机器人在处于软件限位时，与极限位置留有15mm以上间隙，结合电机与后动臂的间隙，最终选择销轴中心孔与端面位置距离为80mm。

5 结果验证

最后，按照相关选定参数进行设计，并对实物进行测量，结果与软件仿真一致。

本文结合Creo三维建模与软件自带的机构模拟与仿真分析功能，在通过数学方法无法直接求解的情况下，首先利用软件仿真功能绘制相关参数变化曲线，分析极值出现位置，从而得出多参数优化问题的主要求解办法，最终结合实际需要得出最佳设计参数，对常见机器人设计具有指导意义。