兩軸四臂工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用研究

陳公興，陳吹信，陳朝大

（廣東技術(shù)師范學(xué)院 天河學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院，廣州 510540）

機(jī)器人技術(shù)

兩軸四臂工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用研究

陳公興，陳吹信，陳朝大

（廣東技術(shù)師范學(xué)院 天河學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院，廣州 510540）

建立兩軸四臂工業(yè)機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)機(jī)器人齊次坐標(biāo)變換的動(dòng)力學(xué)方程，從而算出操作臂位置、速度和加速度。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝的要求，構(gòu)建機(jī)器人控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)升降軸和旋轉(zhuǎn)軸的主控電路，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)機(jī)器人間的通信和定位控制四個(gè)操作臂準(zhǔn)確地取料放料的整個(gè)過(guò)程。該工業(yè)機(jī)器人采用先進(jìn)的控制技術(shù)，控制位置精準(zhǔn)，能解決人工不能準(zhǔn)確定位的問(wèn)題，速度快，大大節(jié)約了設(shè)備成本，提高了企業(yè)生產(chǎn)效率，提高了企業(yè)的利潤(rùn)。

兩軸四臂；工業(yè)機(jī)器人；定位控制

0 引言

隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，沖壓技術(shù)也向高速化、自動(dòng)化、柔性化方向發(fā)展。在沖壓生產(chǎn)中，采用機(jī)器人代替人工操作，構(gòu)成自動(dòng)化生產(chǎn)單元或組成柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線，是進(jìn)行高速、高效、高質(zhì)量沖壓生產(chǎn)的一種有效方法，也是現(xiàn)代沖壓生產(chǎn)技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。所以，研究使用兩軸四臂工業(yè)機(jī)器人可以很好地應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，有著十分重要的意義。和計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一樣，工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用正在日益改變著人類的生產(chǎn)和生活方式。它能取代人工在各個(gè)沖壓工位上進(jìn)行物料沖壓、搬運(yùn)、上下料等工作，并且在節(jié)約人力勞動(dòng)成本，提高人工及設(shè)備安全性和生產(chǎn)效率，保持產(chǎn)品產(chǎn)量、 質(zhì)量和工藝穩(wěn)定性等方面具有極大的優(yōu)勢(shì)。對(duì)圓形板材進(jìn)行沖壓、鉆孔變形等場(chǎng)合尤其適用；機(jī)械行業(yè)中的熱處理、電鍍、噴漆、裝備，自動(dòng)化生產(chǎn)線中用機(jī)械手來(lái)回搬運(yùn)材料；危險(xiǎn)場(chǎng)合中的物料抓取等?？傊瑥V泛應(yīng)用于機(jī)械加工、貨物搬運(yùn)、生物科技、先進(jìn)制造技術(shù)等領(lǐng)域。

1 工業(yè)機(jī)器人操作臂的數(shù)學(xué)建模

該工業(yè)機(jī)器人有升降軸、旋轉(zhuǎn)軸等兩個(gè)軸和四個(gè)臂，主要由滑軌、絲桿、減速機(jī)、同步輪，本體和伺服控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。它的驅(qū)動(dòng)裝置采用交流伺服電機(jī)與諧波減速器的組合。機(jī)械部分除機(jī)架外，主要部件均由鋁合金型材制作，具有重量輕、機(jī)身小巧等特點(diǎn)。

圖1 兩軸四臂工業(yè)機(jī)器人模型

為了知道兩軸四臂工業(yè)機(jī)器人操作臂的運(yùn)動(dòng)位置、速度、加速度和加速度，對(duì)它的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行建模。該機(jī)器人自由度n為2，i=1，2，…，n。

機(jī)器人操作臂的總動(dòng)能：

Ki為操作臂i的動(dòng)能，Ji為操作臂i上的各點(diǎn)慣量。

機(jī)器人操作臂的總勢(shì)能：

Pi為操作臂i的勢(shì)能，mi為操作臂i的質(zhì)量，g=(gx,gy,gz,0)是在基座坐標(biāo)系表示的重力行矢量，0Ai為聯(lián)系第i坐標(biāo)系和基座坐標(biāo)系間的齊次坐標(biāo)變換矩陣。是操作臂i的質(zhì)心矢量在操作臂i坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

根據(jù)機(jī)器人操作臂的動(dòng)能和勢(shì)能表達(dá)式，可得到機(jī)器人操作臂的拉格朗日函數(shù)為：

2 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)及工作原理

工業(yè)機(jī)器人的手臂的驅(qū)動(dòng)裝置是一個(gè)為了跟蹤目標(biāo)值對(duì)手臂當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行反饋構(gòu)成的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)控制系統(tǒng)檢測(cè)各軸的當(dāng)前位置以及速度，將它們作為反饋信號(hào)，間接地決定各軸的驅(qū)動(dòng)力，如圖2所示。

圖2 機(jī)器人手臂控制系統(tǒng)的組成

兩軸四臂工業(yè)機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 兩軸四臂工業(yè)機(jī)器人主要技術(shù)參數(shù)

該機(jī)器人主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，針對(duì)沖壓件特點(diǎn)設(shè)計(jì)，該機(jī)為兩軸四臂設(shè)計(jì)，臂長(zhǎng)可調(diào)，z軸上下調(diào)整高度，y軸以45°的倍數(shù)旋轉(zhuǎn)等功能。機(jī)器人的臂部是運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，有很高的定位精度要求，采用伺服電機(jī)絲杠機(jī)構(gòu)，由絲桿把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線移動(dòng)，使機(jī)械手在升降導(dǎo)軌滑塊上升降移動(dòng)。水平四臂機(jī)構(gòu)在伺服電機(jī)與諧波減速器的共同作用下作水平方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。它最適合在送料臺(tái)和沖床之間上下工序取放料使用，可用于流水線生產(chǎn)，也可單臺(tái)使用，造價(jià)比現(xiàn)有四軸機(jī)低。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝的控制要求，設(shè)計(jì)兩軸四臂工業(yè)機(jī)器人主控電路如圖3所示。以PLC為控制核心，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程、調(diào)試，通過(guò)觸摸屏的操作來(lái)控制兩軸四臂工業(yè)機(jī)器人完成快速、穩(wěn)定搬運(yùn)物料任務(wù)，實(shí)現(xiàn)水平旋轉(zhuǎn)和升降功能。機(jī)器人電氣系統(tǒng)采用5個(gè)接近開(kāi)關(guān)作為位置檢測(cè)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。為了保證抓取工件和安全釋放工件時(shí)，通過(guò)電磁鐵的吸力將待提升物吸牢，即可開(kāi)始搬送待提升物。當(dāng)待提升物搬送到目的地時(shí)，釋放電磁鐵就可脫離待提升物。機(jī)器人手臂放料完成退回放料待機(jī)點(diǎn)后會(huì)控制沖床沖壓，運(yùn)行工作流程如圖4所示。

3 工業(yè)機(jī)器人上間的通信和實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人間的通信，通過(guò)以下編程可以設(shè)定RS485通訊協(xié)議、通訊時(shí)間異常、ASCII/RTU模式選擇和8位處理器模式，可以同送料臺(tái)配合使用，完成一條生產(chǎn)線的上工位送料完成信號(hào)和下工位取料完畢信號(hào)，精確地控制機(jī)器人運(yùn)行，完成取料、加工和放料的任務(wù)。

圖3 兩軸四臂工業(yè)機(jī)器人主控電路

圖4 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行工作流程圖

該工業(yè)機(jī)器人完成對(duì)圓形板材的沖壓。為方便說(shuō)明，定為A、B、C、D四臂，人工把需要加工的圓形鋼板放在送料機(jī)指定的柱槽中，在異步電機(jī)的作用下，鋼板向上移動(dòng)到一定的位置，然后停下來(lái)，A臂旋轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)取料，接著把該料放入沖床，再旋轉(zhuǎn)45°，發(fā)出沖床啟動(dòng)信號(hào)，沖床向下沖壓板材，完成后，由相鄰的B臂旋轉(zhuǎn)至沖床取料，與此同時(shí)， C臂在送料機(jī)上取料，完成后，旋轉(zhuǎn)90°，B臂把沖壓好的物料放入裝料框，C臂剛好把物料旋轉(zhuǎn)到?jīng)_床并放入，再旋轉(zhuǎn)45°，發(fā)出沖床啟動(dòng)信號(hào)，沖床又一次對(duì)物料沖壓，完成后，最后的D臂旋轉(zhuǎn)到?jīng)_床取料，同時(shí)A臂在送料機(jī)上取料。當(dāng)送料機(jī)上的物料被取走時(shí)，剩下的物料自動(dòng)上升，直到全部取完為止，進(jìn)入送料臺(tái)另一邊取料，循環(huán)往復(fù)。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于智能生產(chǎn)線的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)下的兩軸四臂工業(yè)機(jī)器人。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝要求，對(duì)該機(jī)器人進(jìn)行建立數(shù)學(xué)模型，從而改進(jìn)和設(shè)計(jì)機(jī)器人的四臂長(zhǎng)度、臂連接體結(jié)構(gòu)和機(jī)器人本體，以優(yōu)化它們之間融合度和柔韌性，提高生產(chǎn)率，滿足生產(chǎn)線的實(shí)際需求。通過(guò)臺(tái)達(dá)PLC編程，設(shè)置機(jī)器人之間的通信協(xié)議，編寫上下旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、抓取、搬運(yùn)和釋放等控制程序，加以配合沖床，已完成和實(shí)現(xiàn)一條生產(chǎn)線機(jī)器人的智能控制。在技術(shù)研究和產(chǎn)品測(cè)試中，兩軸四臂工業(yè)機(jī)器人有著十分重要的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)價(jià)值。

[1] 陳公興.工業(yè)機(jī)器人人機(jī)界面與示教編程[M].華南理工大學(xué),2016.

[2] 牛宗賓.工業(yè)機(jī)器人交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013.

[3] 華磊.一種六軸工業(yè)機(jī)器人及多軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究[D].華南理工大學(xué),2014.

Application research of two-axis and four-arm industrial robots

CHEN Gong-xing, CHEN Chui-xin, CHEN Chao-da

TP2

A

1009-0134(2017)04-0001-03

2016-12-29

2015年廣東高校省級(jí)重點(diǎn)平臺(tái)和重大科研項(xiàng)目：兩軸四臂工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用研究（2015KQNCX237）

陳公興（1981 -），男，廣東湛江人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)器人研發(fā)及工業(yè)機(jī)器人的先進(jìn)技術(shù)。