基于SolidWorks回轉(zhuǎn)支承自動加工機器人機械本體設計及關鍵技術研究

石寶玉（安徽工業(yè)大學，安徽 馬鞍山　234001）

基于SolidWorks回轉(zhuǎn)支承自動加工機器人機械本體設計及關鍵技術研究

石寶玉
（安徽工業(yè)大學，安徽 馬鞍山234001）

針對目前回轉(zhuǎn)支承加工勞動強度大、自動化程度低等問題，提出一種自動加工機器人設計方案。機器人的機械本體結(jié)構(gòu)是整個系統(tǒng)的基礎，也是目前主要的技術障礙之一。首先介紹了支承自動加工機器人機械本體的設計要求和關鍵技術，然后詳細描述了基于SolidWorks軟件平臺設計的支承自動加工機器人機械本體并介紹與之相關的關鍵技術。最后，針對這款機器人給出具體設計參數(shù)結(jié)合企業(yè)實用來驗證該設計方案的可行性。

回轉(zhuǎn)支承；自動加工機器人；SolidWorks

1.引言

圖1　某種型號回轉(zhuǎn)支承三維圖

回轉(zhuǎn)支承在現(xiàn)實工業(yè)中應用非常廣泛，被人們稱為：“機器的關節(jié)”，其被廣泛應用于汽車起重機、鐵路起重機、集裝箱起重機、挖掘機、以及高、精、尖端領域CT機駐波治療儀、雷達天線座、導彈發(fā)射架、坦克、機器人以及旋轉(zhuǎn)餐廳等等方面。某型號回轉(zhuǎn)支承外觀三維圖如圖1所示?；剞D(zhuǎn)支承作為重要的運動構(gòu)件，處于機械結(jié)構(gòu)承上啟下的關鍵部位，其受力復雜，對產(chǎn)品的性能要求較高，但是目前國內(nèi)回轉(zhuǎn)支承制造技術和生產(chǎn)設備方面落后，有些產(chǎn)品比國外同類產(chǎn)品超重達50%之多，造成資源的大量浪費，而且產(chǎn)品的性能指標遠低于國際水平。因此應開發(fā)高精度回轉(zhuǎn)支承智能化操作機器人，建立智能化多功能自動操作系統(tǒng)。對實現(xiàn)高精度的產(chǎn)品的制造，拓寬企業(yè)產(chǎn)品的應用領域，增加企業(yè)經(jīng)濟效益及競爭力，實現(xiàn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，自動化操作降低能耗、提高生產(chǎn)能力和降低生產(chǎn)成本，同時對解決行業(yè)招工難、用人難等問題有重要意義。同時，采用智能化機器人取代傳統(tǒng)的方式，可提高檢測精度和檢測效率，取代人直接工作在高危險的場合，同時大大減少人力資源，是一種安全，可靠，高效的加工方式。

2.回轉(zhuǎn)支承自動加工機器人整體方案

回轉(zhuǎn)支承自動加工機器人的機械本體機構(gòu)是整個加工系統(tǒng)的基礎，也是針對復雜的加工環(huán)境需解決的技術障礙之一?；剞D(zhuǎn)支承自動加工機器人的機械結(jié)構(gòu)設計要求，主要有幾點：（1）機器人機械臂能自動夾起支承毛坯；（2）自動將毛坯送至液壓卡盤固定；（3）加工完成后自動校正支承精度；（4）加工好的支承工件及時運送到固定區(qū)域擺放；（5）提供足夠的空間安裝所攜帶的電源以及探測、記錄和精度分析處理儀器。

目前，回轉(zhuǎn)支承加工主要依靠人工完成，回轉(zhuǎn)支承自動加工機器人在市場上還處于空白地帶，由于支承加工的復雜性及精密性，機器人手臂代替人類手臂更準確、安全及時的完成工件裝卸任務。支承加工車間數(shù)控機床的長度以及高度都具體一定規(guī)模，因此如何分配機械手的動作及機器人本體大小是回轉(zhuǎn)支承自動加工機器人本體結(jié)構(gòu)的關鍵技術之一，回轉(zhuǎn)支承自動加工機器人設計時考慮多方面因素，作者在保證安全、效率及精度的情況下，提出的一種具有前景的設計方案，采用多只可移動2自由度伸縮移動手臂，伸縮手臂分別在水平和豎直方向運動，機械臂相互配合完成裝卸工件的裝載和拆卸，裝載過程通過升級機床手動卡盤為液壓自動卡盤，加裝機械臂實現(xiàn)工件吊裝、工件自動裝夾、加工測量、工件自動拆卸碼放，實驗齒圈車加工自動化通過PLC控制機械臂的運動、工件吊裝總成電磁鐵的位置及吸合、液壓卡盤的松開與夾緊、自動檢測系統(tǒng)的檢測車加工的路徑等技術實現(xiàn)回轉(zhuǎn)支承的自動加工。

本設計方案的自動加工機器人具有兩只機械手臂加橫梁，采用伺服電機加滾珠絲杠驅(qū)動方式帶動裝卸機械臂的移動，是一種回轉(zhuǎn)支承自動加工領域的新型機器人。

3.回轉(zhuǎn)支承自動加工機器人本體設計

回轉(zhuǎn)支承自動加工機器人機械結(jié)構(gòu)采用SolidWorks 2010軟件進行設計。該設計平臺功能強大、易學易用，同時能夠提供不同的設計方案、減少設計過程中的錯誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。設計采用自下向上的方法設計，即先設計好各個零部件后，運用裝配關系將各個零部件進行組合。采用SolidWorks 2010對回轉(zhuǎn)支承自動加工機器人進行三維造型設計，總體機械結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　回轉(zhuǎn)支承自動加工機器人本體結(jié)構(gòu)圖

4.回轉(zhuǎn)支承自動加工機器人結(jié)構(gòu)及工作流程

回轉(zhuǎn)支承自動加工機器人本體結(jié)構(gòu)包括橫梁、豎梁、第一吸附機械手和第二吸附機械手。橫梁和豎梁垂直焊接固定，組成支承毛坯件的裝卸框架，且為了盡量避免第一吸附機械手和第二吸附機械手在輸送支承毛坯件的過程中，豎梁的機械晃動，導致支承毛坯件掉落，機構(gòu)設計時沿豎梁的長度方向等間隔設置4個橫梁，以增強裝卸框架的穩(wěn)定性。豎梁設置于液壓卡盤的上方，液壓卡盤的一側(cè)設置切削加工支承毛坯件的機床。豎梁的側(cè)面開設有導向槽，第一吸附機械手的上部設置有滑塊，滑塊與導向槽相卡合，液壓驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動第一吸附機械手沿導向槽滑動。第一吸附機械手的下部通過伸縮軸連接吸附卡盤，伸縮軸控制吸附卡盤在豎直方向移動。所述的吸附卡盤的下部活動連接有磁鐵，圖中所示的磁鐵與液壓缸的活塞相連，液壓缸通過活塞控制磁鐵沿吸附卡盤的徑向移動。第一吸附機械手、第二吸附機械手分別設置于液壓卡盤的兩側(cè)。第一吸附機械手用于將支承毛坯件輸送到液壓卡盤上，供機床加工，第二吸附機械手用于將經(jīng)機床加工完成的支承毛坯件取下堆放至一旁。第一吸附機械手和第二吸附機械手協(xié)同配合，保證本實施例切削加工用機械手具有最佳的加工效率。支承自動加工技術路線如圖3所示。

圖3　支承自動加工技術路線圖

5.回轉(zhuǎn)支承自動加工機器人關鍵技術

回轉(zhuǎn)支承自動加工機器人是一個典型機電一體化系統(tǒng)，機械和電氣控制相結(jié)合才能保證機器人準確高效的完成支承加工任務，因此，機械本體之外尚有一些需要同步解決的關鍵問題：

（1）應用伺服電機位置控制與減速機的無間隙配合使用伺服電機的位置控制，通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉(zhuǎn)動速度的大小，通過脈沖數(shù)來確定轉(zhuǎn)動的角度，以確保移動的距離，加以減速機的配合確保在帶動負載運行下有足夠的扭矩！保證機械移動的精度和實現(xiàn)各個電機之間的協(xié)作。

（2）校圓精度檢測

使用德國進口的非接觸式傳感器測量拾取圓表面的三個等分點確定圓的大小通過PLC的函數(shù)運算與實際所需圓的大小比較，進行控制伺服運動使各個電機按校圓程序進行。

圖4　運動控制器

（3）基于MODBUS的分布式控制器研究

以校圓機器為控制對象，構(gòu)建結(jié)構(gòu)簡單，擴展能力強的以PLC控制器為核心（見圖4），配有實時操作系統(tǒng)和以人機界面為通訊載體的伺服驅(qū)動器（見圖5）的新型機器人控制器。開展基于以PLC的 I/O接口技術及伺服驅(qū)動技術研究；研究機床運動控制技術，提高機器人運行速度和實時性，提高機器人動態(tài)性能。

（4）人機交互程序和系統(tǒng)編程技術

圖5　伺服驅(qū)動和電機

人機交互界面和可靠的下位機程序是保證整個系統(tǒng)穩(wěn)定有效運行的關鍵。所以本技術主要研究了下位機軟件技術、伺服控制原理；人機界面技術。

下位管理軟件主要包括：1.顯示屏通信模塊；2.PLC通信模塊；3.運動控制模塊；4.日志管理模塊；5.輔助功能模塊；6.IO測試模塊；7.報警記錄模塊；8.主程序調(diào)度界面模塊。

（5）通過升級機床手動卡盤為液壓自動卡盤，加裝機械臂實現(xiàn)工件吊裝、工件自動裝夾、加工測量、工件自動拆卸碼放，實驗齒圈車加工自動化通過PLC控制機械臂的運動、工件吊裝總成電磁鐵的位置及吸合、液壓卡盤的松開與夾緊、自動檢測系統(tǒng)的檢測、車加工的路徑。

（6）自動檢測系統(tǒng)

自動檢測系統(tǒng)的在整個自動化車加工中至關重要，通過自動化檢測，在加工過程中不再需要人員的參與，在車加工完后通德國進口非接觸式測頭，檢測工件，數(shù)據(jù)通過PLC鏈接，在公差范圍內(nèi)則執(zhí)行工件拆卸等后續(xù)動作，超出公差范圍，PLC將修正誤差，重新進行二次車加工，直至測量符合公差。

6.回轉(zhuǎn)支承自動加工機器人關鍵技術參數(shù)

高精度回轉(zhuǎn)支承自動加工機器人的開發(fā)，新設備的裝夾機械臂最大負載：2100Kg，最大加工直徑：4.5m，校圓精度：±0.15mm，完成校圓直徑為200 mm-4.5 m的校圓機器人系統(tǒng)樣機及周邊設備的開發(fā)。

在滿足機械本體剛度、強度及一些其它技術參數(shù)的基礎上選擇結(jié)構(gòu)簡單、機身緊湊的機身設計，以滿足輕量化、低成本及可維護性要求。成品具體參數(shù)范圍如表1：

表1　回轉(zhuǎn)支自動加工機器人設計參數(shù)

7.結(jié)束語

本文介紹的這款具有自動加工回轉(zhuǎn)支承功能的機器人，可高效準確的完成支承加工任務，基于solidworks2010設計的機械本體完全符合支承自動加工的機械設計要求，同時基于三維軟件的機械設計大幅度地降低物理樣機的制造成本并縮短開發(fā)時間，確保了設計的可行性。目前，本產(chǎn)品已在支承生產(chǎn)企業(yè)投入使用，給企業(yè)提高了勞動效率和經(jīng)濟效益。

［1］SoildWorks公司.零件與裝配體教程［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

［2］張小萍，王君澤.虛擬現(xiàn)實技術在三維編織物設計及仿真中的應用［J］.宇航材料工藝，2005（5）:37-40.

［3］孟祥德，李立順，王斌，等.CAD/CAE協(xié)同仿真技術應用研究［J］.機械設計與制造，2007（9）：213-215.

［4］SolidWorks公司.SolidWorks API二次開發(fā)［M］.生信實維公司，譯.北京:機械工業(yè)出版社，2005.

［5］江洪，魏崢，王濤威.SolidWorks二次開發(fā)實例解析［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

Research on Mechanical Structure and Key Technology on Automatic Processing Robot of Slewing Ring Based on SolidWorks

Shi Bao-yu
（Anhui University of Technology，Ma’anshan Anhui 234001，China）

According to the problems of high strength and low degree of automation，the design scheme of automatic machining robot is presented.Mechanical structure is the important basis of the whole system and primary technology obstacle at present.Firstly，the requirement and key technologies for the design of the supporting automatic processing of mobile robot is introduced，and then a detailed description based on SolidWorks software platform design of supporting automatic processing robot mechanical body and the related key technologies are done. Finally，the specific design parameters for this robot are given to verify the feasibility of the design scheme.

slewing ring；automatic processing robot；SolidWorks

TP24

A

1672-0547（2016）02-0108-03

2016-03-01

安徽工業(yè)大學青年基金項目“行回轉(zhuǎn)支承自動加工機器人”（QZ201408）

石寶玉（1982-），男，安徽宿松人，安徽工業(yè)大學機械工程學院講師，碩士，研究方向：機械自動化、機器人控制。