建筑板材安裝機(jī)器人自動供料系統(tǒng)的研究設(shè)計

馬 宏 侯滿哲 郭全花 王月亭

(河北建筑工程學(xué)院，張家口 075000)

建筑板材安裝機(jī)器人自動供料系統(tǒng)的研究設(shè)計

馬 宏 侯滿哲 郭全花 王月亭

(河北建筑工程學(xué)院，張家口 075000)

自動供料問題廣泛存在于工業(yè)領(lǐng)域中，為了實(shí)現(xiàn)室內(nèi)裝修機(jī)器人的自動化供料專門設(shè)計了一套室內(nèi)裝修機(jī)器人供料系統(tǒng).本文采用了機(jī)電一體化的設(shè)計思想，對供料系統(tǒng)的整體功能、驅(qū)動裝置、傳動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析和設(shè)計，從而得出了經(jīng)濟(jì)型、實(shí)用化、高可靠性的供料系統(tǒng)的設(shè)計方案.在此基礎(chǔ)上，完成了各種電氣元件的選型及典型零件的優(yōu)化設(shè)計.該機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡單、自動化程度高，能大大提高板材安裝機(jī)器人的取料精度和速度.

建筑機(jī)器人；室內(nèi)裝修；板材供料；機(jī)械結(jié)構(gòu)

0 引 言

從20世紀(jì)40年代至今，全球范圍的科技革命促進(jìn)了生產(chǎn)和生活方式的重大變化，機(jī)器人的誕生和機(jī)器人學(xué)的建立，無疑是世紀(jì)人類科學(xué)技術(shù)的重大成就.正如宋健院士在國際自動控制聯(lián)合會第14屆大會報告中所指出的那樣：“機(jī)器人的進(jìn)步和應(yīng)用是本世紀(jì)自動控制最有說服力的成就，是當(dāng)代最高意義上的自動化.”[1]機(jī)器人作為一種高技術(shù)，也是不斷發(fā)展和完善的，這種不斷的發(fā)展和完善是通過科技革命的內(nèi)在推動力來實(shí)現(xiàn)的.同時，機(jī)器人的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，使科學(xué)技術(shù)成為顯見的生產(chǎn)力，極大地推動著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，推動著人民生活的改善，推動著生產(chǎn)力的提高，推動著整個社會的進(jìn)步[2].機(jī)器人技術(shù)作為當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的前沿學(xué)科，將成為未來社會生產(chǎn)和生活中不可缺少的角色.

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是當(dāng)今世界最引人注目的高新產(chǎn)品之一.許多國家都把發(fā)展機(jī)器人作為高技術(shù)領(lǐng)域的戰(zhàn)略目標(biāo)列入國家發(fā)展計劃，但各國的發(fā)展模式有所不同.1954年美國的GG戴沃爾發(fā)表了“通用重復(fù)性機(jī)器人”專利論文，第一次提出了“工業(yè)機(jī)器人”和“示教再現(xiàn)”的概念，1959年unimation公司推出了第一臺工業(yè)機(jī)器人.1967年日本從美國引進(jìn)unimate和veisatran等類型的工業(yè)機(jī)器人以后，僅用了10年左右的時間，便形成了自己的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，成為世界上應(yīng)用和生產(chǎn)機(jī)器人最多的國家，其工業(yè)機(jī)器人的安裝數(shù)量約占全世界的60%.

進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，由于具有一般功能的傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用趨向飽和，而許多高級生產(chǎn)和特種應(yīng)用則需要具有各種智能的機(jī)器人參與，因而促使智能機(jī)器人獲得較為迅速的發(fā)展.無論從國際或國內(nèi)的角度來看，復(fù)蘇和繼續(xù)發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的一條重要途徑就是開發(fā)各種智能機(jī)器人，以求提高機(jī)器人的性能,擴(kuò)大其功能和應(yīng)用領(lǐng)域.這正是從事智能機(jī)器人研究和應(yīng)用的廣大科技工作者施展才干的大好時機(jī)[3-5].

我國也同樣重視機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與其應(yīng)用的結(jié)合，機(jī)械部科技司賴維德高工說：“要解決用好機(jī)器人的問題，主管部門要鼓勵機(jī)器人研制生產(chǎn)單位和用戶緊密結(jié)合堅(jiān)持以實(shí)際應(yīng)用帶動機(jī)器人發(fā)展的方向”[6].我國裝修機(jī)器人的起步比相對較晚，但是裝修機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用的如何不僅取決于機(jī)器人本身的成熟和完善程度，而且取決于使用的經(jīng)濟(jì)效果，因此面對這樣的趨勢我們必須根據(jù)國情有分析的吸收和發(fā)展.哈爾濱工業(yè)大學(xué)已經(jīng)研究開發(fā)出一種遙控式壁面爬行檢查機(jī)器人，可用于檢查、噴涂等作業(yè)[7].

在這樣的情況下國家“863”計劃確立了板材安裝室內(nèi)裝修機(jī)器人系統(tǒng)的項(xiàng)目.本課題正是該項(xiàng)目的一個子課題.本課題的意義在于完善板材安裝室內(nèi)裝修機(jī)器人項(xiàng)目的系統(tǒng)，是其實(shí)現(xiàn)上料的自動化控制，并且使其形成產(chǎn)業(yè)化的規(guī)模形勢，課題研究具有重要的意義.

1 整機(jī)設(shè)計參數(shù)

(1)人工成批上料(每次20塊)，自動供料系統(tǒng)能自動取料(每次1塊)，并將板材進(jìn)給至板材安裝機(jī)器人取料工位，以保證板材安裝機(jī)器人可靠吸取板材；

(2)按照人體工程學(xué)要求設(shè)計，供料系統(tǒng)自身的上料工位便于操作；

(3)保證板材供料過程中不能對板材安裝端面及外表面造成任何劃傷等損害；

(4)自動供料系統(tǒng)動作循環(huán)節(jié)拍：不超過10分鐘；

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

2.1 整體設(shè)計的基本原則

(1)對機(jī)器使用功能方面的要求.

實(shí)現(xiàn)預(yù)定的使用功能是機(jī)械設(shè)計的最基本的要求，好的使用性能指標(biāo)是設(shè)計的主要目標(biāo).另外操作使用方便、工作安全可靠、體積小、重量輕、效率高、外形美觀、噪聲低等往往也是機(jī)械設(shè)計時所要求的.

(2)對機(jī)器經(jīng)濟(jì)性的要求.

機(jī)器的經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)在設(shè)計、制造和使用的全過程中.在設(shè)計機(jī)器時要全面綜的進(jìn)行考慮.設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)為合理的功能定位、實(shí)現(xiàn)使用功能要求的最簡單的技術(shù)途徑和最簡單合理的結(jié)構(gòu).

2.2 功能分析及運(yùn)動分解

圖1 動作流程圖

(1)任務(wù)分析.

根據(jù)任務(wù)要求，系統(tǒng)需要有缺料報警機(jī)制，所以在機(jī)械復(fù)位后就應(yīng)當(dāng)首先檢測是否有料以便判斷是否需要報警，在判斷后才可以進(jìn)入正常的運(yùn)行階段.在運(yùn)行階段中系統(tǒng)需要完成從料垛取料，然后將料運(yùn)送到指定位置，等待機(jī)器人取料.待取料完成后要回到取料位置，準(zhǔn)備第二次取料.期間可能有意外出現(xiàn)，比如取料沒有成功，機(jī)器人并未真正的取走料等，所以系統(tǒng)中要設(shè)置很多的檢測元件.當(dāng)意外發(fā)上后要設(shè)置相應(yīng)的補(bǔ)救措施.如取料未成功就需要進(jìn)行再次取料的動作.動作流程圖如圖1所示.

(2)工作節(jié)拍.

本系統(tǒng)的循環(huán)周期要求在十分鐘以內(nèi)，共包括“機(jī)械復(fù)位、尋料、取料、提升至供料位、給機(jī)器人裝料、手抓回位”六個分動作以及“手抓是否攜料、料垛是否有料、料位是否有料、是否成功取料、機(jī)器人是否到位、料是否被取走”六個檢測判斷.其中“機(jī)械復(fù)位”與“手抓是否攜料”只有開機(jī)時執(zhí)行一次.由于檢測判斷的時間遠(yuǎn)小于機(jī)械系統(tǒng)的動作時間，故在此處只列寫動作節(jié)拍所占用的時間.各動作的動作節(jié)拍時間見表1.

表1 系統(tǒng)動作節(jié)拍

2.3 整機(jī)功能分解

系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)分為以下四部分：

(1)支撐機(jī)架.

支撐架是其他各結(jié)構(gòu)的支撐部分，其與地面由可調(diào)地腳螺釘接觸，該設(shè)計可使系統(tǒng)在任何地面上保證系統(tǒng)水平.支撐機(jī)架如圖2所示.

圖2 支撐機(jī)架仿真圖

(2)提升機(jī)構(gòu).

提升機(jī)構(gòu)用于完成板材的提升、尋料和給機(jī)器人安裝板材的三個預(yù)定動作.其與下部的支撐機(jī)架連接，上部與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)連接.系統(tǒng)共有兩個提升機(jī)構(gòu)，分別安裝于系統(tǒng)倆側(cè)，中間由方鋼連接.提升機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，由豎直的絲杠將轉(zhuǎn)動變化成直線運(yùn)動.每個絲杠兩側(cè)各配有一個光杠，光杠上裝有直線軸承，軸承與中間的支撐架相連接.提升機(jī)構(gòu)如圖3所示.

圖3 提升機(jī)構(gòu)仿真圖 圖4 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)仿真圖

(3)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu).

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由鋁材做成的一個“回”形支架，與板材連接的抓手就固定在這個這個“回”形支架的兩條鋁材上.“回”形的其余兩邊上裝有垂直的方鋼，在方鋼的另一頭連接有軸承支座，通過軸承與傳動的旋轉(zhuǎn)軸連接.連接處的軸承，可保證回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)順利旋轉(zhuǎn).其驅(qū)動也由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，由齒輪傳動到旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)軸，由旋轉(zhuǎn)軸將動力傳動到旋轉(zhuǎn)處.回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)如圖4所示.

(4)板材料垛機(jī)構(gòu).

由于每次上料為20快，料垛重量達(dá)到1 000 kg，高度高達(dá)900 mm.故將供料機(jī)構(gòu)單獨(dú)設(shè)計，然后再保證其與主機(jī)構(gòu)的定位.供料機(jī)構(gòu)設(shè)計為一個小車，下部由萬向輪支撐，可保證小車移動.上面安裝有定位桿，不同的板材可以將定位桿安裝在不同的定位孔上.每次小車上的料被取完后，推走裝料即可，然后再推入.板材料垛機(jī)構(gòu)如圖5.

2.4 系統(tǒng)裝配仿真圖

系統(tǒng)的裝配仿真如圖6所示.

圖5 板材料垛機(jī)構(gòu) 圖6 系統(tǒng)裝配仿真圖

2.5 關(guān)鍵技術(shù)分析計算

(1)電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)矩及等效轉(zhuǎn)動慣量的計算.

移動部件質(zhì)量M=200 kg，速度v=300 mm/s，轉(zhuǎn)動部件質(zhì)量M2=10 kg，轉(zhuǎn)速200 r/min回轉(zhuǎn)半徑r=20 mm，長度L=1 800.

=20×10-4+0.04×10-4kgm2

≈20×10-4kgm2

摩擦系數(shù)u≈0.003～0.005，摩擦力F=2 umg=2×0.005×200 kg××10 m/s2=20 N

圖7 電機(jī)加速過程示意圖

慣性轉(zhuǎn)矩：加速過程如圖7所示.

慣性轉(zhuǎn)矩T2=Jε=20.04×10-4×698.13=1.4 Nm

理論啟動轉(zhuǎn)矩T=T1+T2=3×10-3+1.4≈1.4 Nm

取機(jī)械效率η=75%，實(shí)際啟動轉(zhuǎn)矩Ts=1.4/0.75=1.87N·m

實(shí)際啟動功率Ps=293/0.75=390W

取安全系數(shù)k=2，電機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩T0=k·Ts=3.74N·m

電機(jī)啟動功率P0=k·Ps=780W

(2)當(dāng)量載荷.

(3)額定動載荷.

(4)滾珠絲杠底徑d2m.

支承方式為一端固定一端游動，取支撐系數(shù)a=0.039，摩擦力F0=u0mg=20 N，滾珠絲杠支點(diǎn)間距離：L=1.1×1 400+(10～14)×10=1 680 mm

(5)同步性解決方案.

系統(tǒng)左右倆側(cè)運(yùn)動的同步問題是本設(shè)計的技術(shù)難點(diǎn)，該問題是指系統(tǒng)倆側(cè)的兩個提升機(jī)構(gòu)以及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)倆側(cè)的運(yùn)動能否同步，能否真正的將負(fù)載的重量平均分到系統(tǒng)的倆側(cè)，如果不能的話，將造成系統(tǒng)受力不均，相當(dāng)于有內(nèi)應(yīng)力存在，影響系統(tǒng)的運(yùn)行精度，壽命等參數(shù).

問題的解決：提升機(jī)構(gòu)中，只用一個電機(jī)作為驅(qū)動源，保障了動力源的同一性；然后用同步帶將左右兩側(cè)的絲杠連接保證了左右倆個絲杠運(yùn)動的同步性，通過以上方法保證了左右提升機(jī)構(gòu)的同步性問題.在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中，同樣采用一個電機(jī)作為驅(qū)動源，保證了動力源的的同一性；然后將傳動齒輪裝在傳動軸的正中間，左右負(fù)載均勻，形成了左右有對稱的形式，保證左右運(yùn)動的同步性.通過以上的方法解決了系統(tǒng)的同步性問題.

3 結(jié) 論

板材供料系統(tǒng)的完成使國家“863計劃”項(xiàng)目—板材安裝室內(nèi)裝修機(jī)器人系統(tǒng)的板材自動供料問題得到很好的解決，從而使板材安裝室內(nèi)裝修的自動化水平大大提高.板材自動供料系統(tǒng)是供料機(jī)械中典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，對其進(jìn)行研究不僅具有很高的應(yīng)用價值，同時還有很高的理論價值.本文通過對板材供料系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)及典型零件的設(shè)計主要完成了以下工作：

對板材供料系統(tǒng)采用機(jī)械電子學(xué)思想進(jìn)行了總體設(shè)計.立足于機(jī)電一體化的觀點(diǎn)，對板材供料系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動裝置、傳動方式等各組成部分進(jìn)行了較為全面的分析，最后得出板材供料系統(tǒng)的總體方案.該方案結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠，滿足設(shè)計基本要求.

在滿足使用要求的前提下，對各種電氣元件選型進(jìn)行了比較，做出經(jīng)濟(jì)合理的選擇，爭取在最大范圍內(nèi)降低成本，滿足了設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性要求.結(jié)合使用要求，工藝要求等對各種典型零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，使本供料系統(tǒng)做到了安裝簡單、運(yùn)行可靠.

[1]第17屆國際建筑機(jī)器人學(xué)術(shù)討論會簡介[J].國內(nèi)外機(jī)電一體化技術(shù),2001,(05):4～5

[2]Fang Tea Hyun.Deteetion and diagnosis of sensor and actuator failures using perception net.Proeeedings of the SICE Annual Conferenee,1999,7:893～896

[3]機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,Robot Technique and Application.2009,(06):24～26

[4]賴維德.我國工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展走向——訪機(jī)械部科技司賴維德高工 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用.1998,(03)：44～48

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[6]Young,Jun.Vision and Policy on Korea‘s Robot Industry.The 4～(th) China-Korea-Japan Joint Workshop on Robotics

[7]Y.Morita,H.Ukai and H.Kando.“Robust trajectory tracking control of elastic robot manipulators.J.1997,(119):727～735

[8]孫偉,于永璋.幾種建筑機(jī)器人概介[J].建筑機(jī)械化.1990,(06):22～24

The Study and Design of Automatic Feeding System of Building Board Installation Robot

MAHong,HOUMan-zhe,GUOQuan-hua,WANGYue-ting

(Hebei university of architecture,Zhangjiakou 075000)

Automatic feeding problems widely exist in industry.A feeding system of interior decoration robot was designed in order to achieve the automatically supplying interior decoration materials.Electromechanical integration designing thought was adopted in this article and that means analyzing and designing about overall function,drive,driving device,transmission system and control system of the feeding system so that a economical,practical and highly reliable desing scheme of feeding system was created.Based on this,type selection of all kinds of electrical elements and optimal designing of typical part were finished.The machine has a compact structure,an easy way to operate and a high degree of automation and all of these can greatly improve the reclaiming precision and speed of building board installation robots.

Building Robot;Interior Decoration;Sheet Feeding;Mechanical Structure

2015-05-26

馬宏(1979-)，男，助教，從事工用機(jī)器人研究.

TH 12

A