基于數(shù)控機(jī)床(CNC)機(jī)群的工業(yè)移動機(jī)器人設(shè)計(jì)

王 晉，段宏君

（安陽師范學(xué)院 物電學(xué)院，安陽 455002）

0 引言

在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，數(shù)控機(jī)床已成為制造業(yè)領(lǐng)域的基本設(shè)備。目前，中國的數(shù)控機(jī)床越來越多，但產(chǎn)品自動化水平卻相當(dāng)?shù)蚚1,2]。經(jīng)濟(jì)數(shù)控機(jī)床的質(zhì)量在提高，改進(jìn)數(shù)控機(jī)床的質(zhì)量也在提高，智能移動機(jī)器人服務(wù)的數(shù)控機(jī)床組由不少于兩臺的數(shù)控機(jī)床組成，這為移動智能機(jī)器人的發(fā)展提供了機(jī)遇。

大多數(shù)國內(nèi)公司和研究部門側(cè)重于研究服務(wù)單臺數(shù)控機(jī)床的自動換刀裝置及鉗位操作器，它強(qiáng)調(diào)智能、高速及高精度，對經(jīng)濟(jì)成本和實(shí)用性的考慮較少。但是對國內(nèi)中小型制造企業(yè)來說，控制經(jīng)濟(jì)成本及實(shí)用性才是最重要的。有些研究更關(guān)注機(jī)器人的配置和靈活性，對數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人之間的通信協(xié)同操作處理較少[3,4]。目前中國還沒有關(guān)于智能移動機(jī)器人服務(wù)數(shù)控機(jī)床組及完成多個任務(wù)這方面的報(bào)道。國內(nèi)中小型制造企業(yè)對這類機(jī)器人需求越來越多[5～7]。本文提出了設(shè)計(jì)服務(wù)數(shù)控機(jī)床組的智能機(jī)器人的新理論。為使很多中小型制造企業(yè)節(jié)省費(fèi)用，機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床組的實(shí)時(shí)通信技術(shù)由標(biāo)準(zhǔn)件和簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成。除此之外，通過軟件集成，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的可靠性和穩(wěn)定性。

1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)和運(yùn)動平臺。執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用雙四桿機(jī)構(gòu)聯(lián)動和柔性夾持器，可實(shí)現(xiàn)無運(yùn)動盲區(qū)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

機(jī)器人機(jī)構(gòu)由手臂、前臂、夾持器和基礎(chǔ)組成。手臂和前臂由雙四桿機(jī)構(gòu)聯(lián)系起來，可以完成動力傳輸。為前臂提供動力的電機(jī)靠近基礎(chǔ)安裝，因此執(zhí)行機(jī)構(gòu)重心較低。這樣可以最大程度上使機(jī)器保持平衡。四連桿機(jī)構(gòu)2用于調(diào)整氣缸3的連桿機(jī)構(gòu)長度，所以在垂直平面具有旋轉(zhuǎn)角。這種機(jī)構(gòu)能最大程度上拓寬夾具的作業(yè)范圍?；剞D(zhuǎn)式氣缸可以使執(zhí)行機(jī)構(gòu)在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，所以夾持器可實(shí)現(xiàn)無盲區(qū)運(yùn)動。夾持器能夠利用靈活機(jī)制，采取多種形式的工件和刀具，改進(jìn)機(jī)器人的性能，擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域。

運(yùn)動平臺做往復(fù)直線運(yùn)動，如圖2所示。平臺包括車體、導(dǎo)軌、車輪、旋轉(zhuǎn)編碼器、電機(jī)、電氣控制系統(tǒng)、驅(qū)動控制器和副定位器。車體安放在導(dǎo)軌上，由框架結(jié)構(gòu)組成。當(dāng)車體在軌道上高速運(yùn)行時(shí)，軌道外側(cè)的輪緣可防止車體脫軌。行星齒輪電力馬達(dá)安裝在主傳動軸上。車輪和傳動軸采用活套張緊輥連接，位于旋轉(zhuǎn)編碼器上。活套張緊輥必須安裝在低速輪上。驅(qū)動控制器和電氣控制系統(tǒng)安裝在車體內(nèi)，由鋼絲繩連接。

圖2 往復(fù)運(yùn)動裝置

2 基于ZIGBEE、GPRS和3G模塊的通信技術(shù)

機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床間的無線通訊采用Zigbee。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 機(jī)器人—數(shù)控機(jī)床網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ZigBee(IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn))是一種新興的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它具有短源距、低復(fù)雜性、低功耗、低數(shù)據(jù)率和低成本的特點(diǎn)。因?yàn)閆igBee技術(shù)的抗干擾能力強(qiáng)，本文首先將其引入機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床之間的通訊中。利用GPRS和3G模塊可實(shí)現(xiàn)工作空間中的無線通信。中部節(jié)點(diǎn)采用ARM處理器和存儲器，具有強(qiáng)大的處理能力和存儲空間，以便需要的時(shí)候提供給數(shù)控機(jī)床的程序。機(jī)器人將數(shù)控程序傳輸給數(shù)控機(jī)床，對程序進(jìn)行調(diào)試。當(dāng)調(diào)試結(jié)束，調(diào)試結(jié)果會由機(jī)器人，而不是數(shù)控機(jī)床直接傳輸給監(jiān)控器（個人電腦或個人數(shù)字設(shè)備）。該系統(tǒng)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。數(shù)控機(jī)床組和監(jiān)控電腦或個人數(shù)字設(shè)備是外圍節(jié)點(diǎn)，機(jī)器人為中部節(jié)點(diǎn)。具體框架如圖4所示。

圖4 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

3 機(jī)器人視覺系統(tǒng)的智能控制技術(shù)

機(jī)器人視覺系統(tǒng)采用先進(jìn)的無線傳感器模塊、無線通信模塊、無線ccd相機(jī)。機(jī)器人利用無線ccd相機(jī)和無線傳感器分析夾具作業(yè)姿態(tài)及數(shù)控機(jī)床狀態(tài)，然后將這些視頻信號傳輸給無線傳感器。接收這些處理過的視頻信號后，無線傳感器將其傳送給ARM處理器。ARM處理器將根據(jù)這些信號作出決策，并通過無線通信模塊將決策傳輸給機(jī)器人。閉環(huán)控制系統(tǒng)將按上文所述創(chuàng)建，確保機(jī)器人在運(yùn)動中的精確定位和導(dǎo)航。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

該技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）應(yīng)用嵌入技術(shù)和視覺技術(shù)使控制系統(tǒng)成為融合系統(tǒng)；

2）視覺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確定位和導(dǎo)航(公差小于0.05 毫米 )；

3）視覺系統(tǒng)智能判斷數(shù)控機(jī)床的狀況。

4 結(jié)論

圖5 機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能移動機(jī)器人可以完成數(shù)控機(jī)床的多種任務(wù)，這與中國制造企業(yè)的現(xiàn)狀相一致。機(jī)器人是成功的自動換刀裝置，也是高效鉗位機(jī)械手。更重要的是，它能夠服務(wù)不少于三臺數(shù)控機(jī)床的數(shù)控機(jī)床組，而不僅僅是一臺機(jī)床。機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了中國制造企業(yè)的自動化。應(yīng)用結(jié)果表明，機(jī)器人——數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)能夠?yàn)槠髽I(yè)帶來如提高生產(chǎn)率，降低人力成本，降低產(chǎn)品成本等的諸多效益。因此，機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用能給企業(yè)帶來眾多的經(jīng)濟(jì)效益。該技術(shù)理論在現(xiàn)代化制造中具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。

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