基于FMS串聯(lián)機器人的設(shè)計與研究

楊應(yīng)洪，尹顯明，賴思琦

(1.西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川綿陽621010;2.西南科技大學(xué)工程技術(shù)中心，四川綿陽621010)

柔性制造系統(tǒng) (FMS)由數(shù)臺數(shù)控加工機床和相應(yīng)的物流設(shè)備組成，計算機進行集成管理和控制，能夠較好地適應(yīng)多品種、小批量生產(chǎn)的市場要求。在物流設(shè)備中，用于搬運上下工件到機床的機器人是柔性制造系統(tǒng)的重要組成部分，由工控機控制，并通過現(xiàn)場總線與FMS的總控制單元進行數(shù)據(jù)交換，接收用戶的控制和管理。某中心構(gòu)建的柔性制造系統(tǒng)中所使用的搬運機器人為六自由度串聯(lián)機器人，可負重10 kg，具有承載能力強、控制精度高、成本低的優(yōu)點。

1 柔性制造系統(tǒng)的總體設(shè)計

柔性制造系統(tǒng)由立體倉庫、輸送線、六自由度機器人、數(shù)控車床、加工中心及相應(yīng)附屬設(shè)備組成，運用現(xiàn)場總線及開發(fā)型組態(tài)軟件等網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，使用工業(yè)計算機作為總控制單元，對各設(shè)備進行協(xié)調(diào)控制，根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)的情況進行調(diào)整，以滿足多品種、中小批量的生產(chǎn)要求。

系統(tǒng)工作前，人工將工件按照規(guī)劃好的區(qū)域送入立體倉庫貨架。由碼垛機將工件從立體倉庫取出送到取料位置，此時AGV在取料位置等待并接收工件，送至輸送線。六自由度串聯(lián)機器人從輸送線上取出工件，根據(jù)總控制單元發(fā)出的命令，送到不同的加工設(shè)備上，按照工序流程進行加工。完成加工后，再由機器人從機床上取回工件，通過輸送線、AGV和碼垛機將工件送入立體倉庫貨架?？偪刂茊卧涗浶畔?，完成一個工作流程，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作流程如圖1所示［1－2］。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作流程圖

2 串聯(lián)機器人的設(shè)計與控制

某中心設(shè)計的串聯(lián)機器人為六自由度，可搬運最大質(zhì)量為10 kg的工件，機器人既可由專用的工控機單獨控制，也可由柔性制造系統(tǒng)的總控制單元進行調(diào)度。

2.1 機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

串聯(lián)機器人的每個關(guān)節(jié)都是由電機、減速器、軸承及相應(yīng)機械構(gòu)件組成，其設(shè)計思路為根據(jù)使用的要求，采用倒退方式進行設(shè)計計算。從末端關(guān)節(jié)開始，根據(jù)上一節(jié)的計算結(jié)果判斷是否滿足要求，如果不能達到設(shè)計要求則及時更改原來參數(shù)，直到滿足要求為止，同時也為下一節(jié)的計算提供準確的數(shù)據(jù)。串聯(lián)機器人基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 串聯(lián)機器人三維結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計計算過程如下。

(1)關(guān)節(jié)6設(shè)計過程

關(guān)節(jié)6由步進電機驅(qū)動，通過錐齒輪與諧波減速器諧波軸連接，根據(jù)負載及關(guān)節(jié)殼體零件質(zhì)量等計算電機與減速器所需具體型號。根據(jù)經(jīng)驗值，關(guān)節(jié)6及末端執(zhí)行裝置質(zhì)量不超過1.5 kg，額定負載10 kg，總體關(guān)節(jié)6受力11.5 kg，最大力臂0.05 m，設(shè)定角速度60(°)/s(π/3)，行程范圍360°，可知關(guān)節(jié)6計算結(jié)果為:

加速時間:t=360÷60÷2=3 s;

角加速度:ω=π÷3÷3=π/9;

關(guān)節(jié)6轉(zhuǎn)動慣量:11.5×0.052=0.028 75 kg·m2;

靜力矩:9.8×11.5×0.05=5.635 N·m;

加速度力矩:11.5×0.052×(π/9)=0.005 N·m;

關(guān)節(jié)6合力矩:5.635+0.005=5.64 N·m。

參照步進電機樣本手冊，選定步進電機23HS2003混合式兩相步進電機，由步進電機矩頻特性可知，步進電機轉(zhuǎn)速720 r/min，輸出扭矩約為0.42 N·m，轉(zhuǎn)動慣量0.275 kg·cm2。參照諧波減速器樣本，選定XB1-32-80型諧波減速器，諧波減速比為80，額定承受扭矩6.5 N·m。諧波減速器效率為95%，校核各參數(shù)如下:

電機減速器輸出力矩:0.42×80=33.6 N·m;

諧波減速器額定承受力矩:6.5×95%=6.175 N·m;

安全系數(shù):6.175/5.64=1.1，滿足機器人安全要求。

(2)關(guān)節(jié)5計算過程

關(guān)節(jié)6和關(guān)節(jié)5總質(zhì)量為4.0 kg，負載10 kg，中心偏置為100 mm左右，六節(jié)偏移轉(zhuǎn)軸約為250 mm，要求角速度為60(°)/s，計算時按照每關(guān)節(jié)行程時間三等分來分配加速時間求解角加速度，即加速、勻速、減速分別占時間的1/3，均為1.5 s。關(guān)節(jié)5的計算方法與關(guān)節(jié)6相同，最終合力矩為24.3 N·m。

參照步進電機和諧波減速器的樣本手冊，選定步進電機23HS2003混合式兩相步進電機，由步進電機矩頻特性可知，步進電機轉(zhuǎn)速720 r/min;輸出扭矩約為0.42 N·m，轉(zhuǎn)動慣量為0.275 kg·cm2;選定XB3-50-125型諧波減速器，諧波減速比為125，額定承受扭矩44 N·m。

(3)以此類推，可計算出各個關(guān)節(jié)的電機與減速器型號，從而完成整個串聯(lián)機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計［3－5］。

2.2 機器人控制單元設(shè)計

機器人控制單元為工控機+運動控制卡形式，工控機為研祥104-1541CLDN(B)電腦，運動控制卡為MAC-3002SSP2和MAC-3002SSP4型運動控制卡，采用串聯(lián)方式，可控制機器人的6個關(guān)節(jié)的電機。

軟件控制系統(tǒng)采用Windows系列操作系統(tǒng)，包括空間學(xué)計算、關(guān)節(jié)運動、插補運動、關(guān)節(jié)示教和逆解示、機器人復(fù)位、機器人急停等模塊，其中關(guān)節(jié)示教模塊界面如圖3所示。

圖3 串聯(lián)機器人關(guān)節(jié)示教界面

操作人員在使用機器人時，先將機器人復(fù)位，再在關(guān)節(jié)示教模塊中，將機器人需要完成的抓取工件動作分解為各關(guān)節(jié)的動作，當(dāng)控制關(guān)節(jié)運動到指定位置后，按下“記錄”按鈕，記錄下這個空間位置點，然后進入下一個位置，當(dāng)所有點的數(shù)據(jù)記錄完畢之后，就可以將其保存為一個文本文件。而這個文件既可以在機器人控制系統(tǒng)中調(diào)用，也可在柔性制造系統(tǒng)的總控制單元中調(diào)用，使機器人按照之前設(shè)定的運動軌跡自動完成一個連續(xù)動作。

2.3 總控制單元機器人模塊設(shè)計

柔性制造系統(tǒng)總控制單元使用研華IPC-610H為主控機，使用組態(tài)王軟件開發(fā)前臺程序，運行平臺為Windows系列操作系統(tǒng)，通過現(xiàn)場總線采集信息，協(xié)調(diào)各分站動作［6］。

主控制計算機通過通訊模塊與機器人控制系統(tǒng)進行聯(lián)系，操作人員可以通過主控軟件，調(diào)度記錄了機器人不同運動軌跡的文件，其代碼如下:

控制界面如圖4所示。

圖4 串聯(lián)機器人控制界面

3 結(jié)束語

經(jīng)過詳細的設(shè)計計算，串聯(lián)機器人作為FMS物流系統(tǒng)中的重要組成部分，能夠按照系統(tǒng)指令順利完成從輸送線上抓取工件放到指定機床，完成加工后，又能將工件取回的物流搬運過程。機器人結(jié)構(gòu)緊湊、工作范圍大、靈活性好。在某中心的生產(chǎn)和教學(xué)中得到了很好的應(yīng)用和發(fā)展，對設(shè)計類似的串聯(lián)型機器人具有借鑒作用。

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