多工位壓縮機(jī)氣閥裝配機(jī)械手的工作平臺設(shè)計

王 浩，巴 鵬，王 健，鄒昌利，蘇 放

(沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中機(jī)械手的應(yīng)用方式日新月異，從以往只能在生產(chǎn)線中看到的機(jī)械手，到如今任意生產(chǎn)工段都有其一席之地，可以說機(jī)械手在當(dāng)今生產(chǎn)活動中有著舉足輕重的地位[1].尤其在機(jī)械裝配工段，機(jī)械手可代替工人自動完成多道裝配工作，它不僅減輕了裝配工人的勞動強(qiáng)度，而且提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的裝配精度[2].

現(xiàn)階段已經(jīng)使用裝配機(jī)械手的壓縮機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，多采用單工位工作型的機(jī)械手裝配形式.每個機(jī)械手只能在一個工位下完成一套裝配動作，且單條生產(chǎn)線只能裝配一種壓縮機(jī)機(jī)型，因此需要多臺機(jī)械手才能完成整個裝配任務(wù)，成本較高，并且在工作空間有限的情況下，多臺機(jī)械手不便布置且工作時會相互干擾，使用不方便，工作環(huán)境差，效率低[3-4].

本文設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，工作可靠，效率高，成本低廉，可實現(xiàn)不同壓縮機(jī)機(jī)型、不同工位及不同氣閥，在同一工作平臺上完成裝配任務(wù)的多工位氣閥裝配機(jī)械手的工作平臺.該工作平臺的設(shè)計目的在于提高單臺機(jī)械手的使用效率，提高機(jī)械手的適用性，降低企業(yè)的采購成本.

1 工作平臺的總體設(shè)計及功能

利用Pro/E三維軟件對工作平臺整體進(jìn)行三維建模.圖1所示為多工位壓縮機(jī)氣閥裝配機(jī)械手工作平臺的立體結(jié)構(gòu).

從圖1可以看出，多工位氣閥裝配機(jī)械手工作平臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分包括工作臺、電控箱、蝸輪絲桿升降機(jī)、伸縮支腿、阻尼彈簧減震器、麥克納姆輪及車架.工作臺固定設(shè)于車架中心區(qū)域；電控箱置于工作臺的側(cè)面；蝸輪絲桿升降機(jī)垂直固定于車架四角；阻尼彈簧減震器用于連接車架與麥克納姆輪；伸縮支腿收縮后置于車架兩端的導(dǎo)軌內(nèi).

工作平臺的電氣控制模塊包括終端設(shè)備、傳感器單元、計數(shù)器單元、圖像處理模塊、PLC控制器、音頻模塊、供電系統(tǒng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)(圖2).終端設(shè)備、音頻模塊、傳感器單元、計數(shù)器單元及圖像處理模塊的信號傳輸端口分別與PLC控制器信號傳輸端口相連接.計數(shù)器單元設(shè)于蝸輪絲桿升降機(jī)的輸入軸上.執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括A伺服電機(jī)及B伺服電機(jī)：A伺服電機(jī)固定于麥克納姆輪安裝架之上，其動力輸出端與麥克納姆輪動力輸入端相連接；B伺服電機(jī)固定于車架的底部，其動力輸出端與蝸輪絲桿升降機(jī)動力輸入端相連接.A伺服電機(jī)和B伺服電機(jī)的信號傳輸端口分別經(jīng)驅(qū)動器與PLC控制器的信號傳輸端口相連接.供電系統(tǒng)分別向PLC控制器、A伺服電機(jī)、B伺服電機(jī)提供電源.

圖2 工作平臺的控制框圖

電氣控制以西門子Smart系列觸摸屏為上位機(jī)(它為用戶提供人機(jī)交互界面和參數(shù)輸入與選擇的窗口)；以PLC作為下位機(jī)，同時預(yù)留一路RS485接口.該接口通過Modbus RTU協(xié)議與機(jī)械手控制柜通訊，以獲得機(jī)械手工作狀態(tài)并控制機(jī)械手示教程序的執(zhí)行.

工作平臺的主要功能包括：①通過麥克納姆輪實現(xiàn)平臺任意方向的運(yùn)動；②通過路徑設(shè)定實現(xiàn)按規(guī)劃路徑的行走及定位；③通過流程控制實現(xiàn)機(jī)械手示教程序的按次執(zhí)行；④通過蝸輪絲桿升降機(jī)實現(xiàn)機(jī)械手的工作角度補(bǔ)償.

2 工作平臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

工作平臺機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的主要功能是實現(xiàn)機(jī)械手的承載.車架是機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的核心構(gòu)件，車架設(shè)計的合理性直接決定了機(jī)械結(jié)構(gòu)的承載能力及穩(wěn)定程度.本文首先采用Pro/E對車架進(jìn)行建模(圖3)，然后利用ANSYS Workbench有限元軟件對車架進(jìn)行力學(xué)分析[5-6].

圖3 車架三維模型

壓縮機(jī)的氣閥相對笨重，目前通用大型壓縮機(jī)氣閥重量為50 kg，具有如此抓取能力的機(jī)械手本體重量為600～800 kg.本文以通用大型壓縮機(jī)氣閥裝配為標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計工作平臺承載能力為800 kg，工作平臺自重為200 kg，蝸輪絲桿升降機(jī)擬提升重量為1 000 kg，單個升降機(jī)提升重量為250 kg.

載荷邊界條件為：單獨(dú)將8 000 N(即800 kg)機(jī)械手重力向下施加于工作臺；再將10 000 N提升力向上平均施加于車架4個蝸輪絲桿升降機(jī)安裝位置.移動工作和裝配工作時車架的應(yīng)力云圖分別見圖4和圖5.從兩種工作情況的應(yīng)力云圖可知，移動工作時車架的最大應(yīng)力為5.138 MPa，裝配工作時車架的最大應(yīng)力為7.820 6 MPa，都遠(yuǎn)小于車架材料(45鋼)的屈服強(qiáng)度，能夠滿足工況需求.

圖4 移動工作時車架的應(yīng)力云圖

圖5 裝配工作時車架的應(yīng)力云圖

3 工作平臺的電氣控制設(shè)計

工作平臺電氣控制部分的控制連接方式如圖6所示.工作平臺選用西門子S7-200系列PLC，采用224XP型號CPU.該P(yáng)LC屬于西門子公司的早期產(chǎn)品，編程簡單直觀，價格低廉，功能全面且方便拓展，完全可以滿足工作平臺的設(shè)計和后期開發(fā)要求.

圖6 電氣控制部分連接方式

3.1 數(shù)字輸入模組設(shè)計

3.1.1 傳感器單元設(shè)計

傳感器單元負(fù)責(zé)工作平臺的數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)反饋.它由紅外測距傳感器、水平傳感器、超聲波模塊、電子羅盤及碼盤組成.紅外測距傳感器用來測控機(jī)械手到工件的距離，保證平臺X軸與裝配體X軸共線.水平傳感器用于平臺調(diào)平工作，其反饋的X軸與Y軸角度被輸入PLC控制器，PLC控制器根據(jù)傳感器角度輸入值計算出渦輪絲桿升降機(jī)的轉(zhuǎn)動圈數(shù)，然后控制渦輪升降機(jī)轉(zhuǎn)動，最終達(dá)到終端設(shè)備上所設(shè)定的平臺工作角度.超聲波模塊為兩個超聲波測距傳感器，放置在工作臺的兩端，與紅外測距傳感器同側(cè).其作用是通過控制兩個超聲傳感器所獲數(shù)值相等，達(dá)到平臺Y軸與裝配體Y軸平行，同時補(bǔ)償紅外測距傳感器的精度.電子羅盤用于控制平臺的轉(zhuǎn)動方向.碼盤用來測控平臺的移動距離.

3.1.2 計數(shù)器單元設(shè)計

計數(shù)器單元安裝在蝸輪絲桿升降機(jī)的輸入軸上，主要用于監(jiān)控平臺的升降與調(diào)平工作.其信號實時反饋至PLC控制器，根據(jù)輸入軸旋轉(zhuǎn)圈數(shù)計算出升降機(jī)的提升高度，平臺達(dá)到終端設(shè)備中設(shè)定的平臺提升高度后與水平傳感器通訊，完成調(diào)平工作.

3.1.3 圖像處理模塊設(shè)計

圖像處理模塊采用實時熱成像視頻攝像頭.該攝像頭采集到的圖片被送到視覺傳感器驅(qū)動器進(jìn)行處理，處理結(jié)果反饋至PLC控制器，實時與熱成像視頻攝像頭采集到的熱像圖片進(jìn)行時域?qū)Ρ龋?dāng)檢測到有熱源移動時，傳感器認(rèn)定在工作區(qū)域有人為活動，機(jī)器報警，向機(jī)械手發(fā)出暫停工作信號，從而起到安全保護(hù)的作用.

3.2 數(shù)字輸出模組設(shè)計

PLC控制器通過程序控制A伺服電機(jī)，驅(qū)動麥克納姆輪運(yùn)動，同時通過PID算法將工作平臺運(yùn)動狀態(tài)反饋給控制器，該運(yùn)動狀態(tài)與電子羅盤所獲位置狀態(tài)一起輸入比較器比較，以提高位置控制精度.PLC控制器同時通過程序控制B伺服電機(jī)，驅(qū)動渦輪絲桿升降機(jī)運(yùn)動，實現(xiàn)升降機(jī)的提升與下降，以發(fā)揮固定工作工位、補(bǔ)償工作平臺高度的作用.揚(yáng)聲器及其驅(qū)動器的作用在于關(guān)鍵工作狀態(tài)播報和報警提醒.

4 工作平臺的通訊與人機(jī)界面設(shè)計

為了提高工作平臺的通用性、可視化程度，及時掌握設(shè)備工作狀態(tài)，可運(yùn)用WinCC flexible設(shè)計可視化人機(jī)交互界面[7].本文采用串口聯(lián)網(wǎng)模塊對預(yù)留接口進(jìn)行協(xié)議同步轉(zhuǎn)換，使工作平臺提供Modbus RTU和Modbus TCP多路并行通訊模式；基于Modbus RTU協(xié)議和RS485通訊接口，預(yù)留控制接口，以滿足常用工業(yè)控制的通訊需求.

4.1 人機(jī)界面設(shè)計

工作平臺的人機(jī)界面包括主頁、參數(shù)設(shè)置、路徑規(guī)劃、報警報文、時鐘設(shè)置和手動模式(圖7).主頁面可直觀顯示工作平臺工作狀態(tài)，也可控制工作平臺的啟停.參數(shù)設(shè)置頁面的選項包含需裝配的壓縮機(jī)型號、需安裝的氣閥型號、需執(zhí)行的裝配工位以及對應(yīng)工位下需執(zhí)行的機(jī)械手裝配程序.路徑規(guī)劃頁面的設(shè)置包括機(jī)械手各工作工位坐標(biāo)、工作平臺移動路線坐標(biāo)、工作平臺提升高度及工作角度.報警報文頁面可查看工作日志和報警代碼.時鐘設(shè)置頁面可對工作平臺系統(tǒng)時間進(jìn)行修改.手動模式頁面用于選擇工作平臺的工作模式.

圖7 工作平臺的人機(jī)界面

4.2 PLC與觸摸屏的通訊設(shè)置

PLC與觸摸屏有標(biāo)準(zhǔn)的通訊組態(tài)程序，可直接在WinCC flexible軟件中進(jìn)行設(shè)置(圖8).通過PLC與觸摸屏的通訊設(shè)備，可對通訊協(xié)議、接口標(biāo)準(zhǔn)和從站地址等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定.

圖8 PLC與觸摸屏通訊參數(shù)設(shè)置

4.3 PLC與機(jī)械手控制柜的通訊設(shè)置

PLC與機(jī)械手控制柜采用Modbus通訊協(xié)議[8]，以Port 0為通訊接口.Modbus通訊協(xié)議的梯形程序如圖9所示.為了方便多種型號機(jī)械手的通訊連接，可采用串口聯(lián)網(wǎng)模塊對Modbus RTU實現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換.轉(zhuǎn)換后的協(xié)議為Modbus TCP，能夠與Modbus RTU協(xié)議實現(xiàn)并行傳輸.轉(zhuǎn)換前、后的協(xié)議物理接口分別為RS485和RJ45.

圖9 Modbus通訊協(xié)議的梯形程序

5 工作平臺測試

為了測試該工作平臺的實用性和準(zhǔn)確性，在工作平臺上搭載埃斯頓ER30型機(jī)械手，對2D90型壓縮機(jī)進(jìn)行多工位裝配實驗，具體裝配任務(wù)為2D90型2個工位上的壓縮機(jī)氣閥裝配.

5.1 實驗步驟

(1)將工作平臺RS485數(shù)據(jù)接口與機(jī)械手控制柜的控制器相連，然后打開工作平臺開關(guān)，啟動機(jī)械手.

(2)在人機(jī)界面的參數(shù)設(shè)置頁面選擇裝配的壓縮機(jī)型號2D90、安裝的氣閥型號325/340，勾選所需的裝配工位為2，輸入對應(yīng)工位下執(zhí)行的機(jī)器人裝配程序文件名.

(3)在人機(jī)界面的路徑規(guī)劃頁面設(shè)置機(jī)械手裝配距離1 100 mm、工作平臺提升的高度180 mm、工作平臺的工作角度0°.工作平臺移動路線坐標(biāo)為：起始點(0,0)，裝配工位1(0,2 000)，裝配工位2(0,2 200)，途經(jīng)點1(500,2 200)，途經(jīng)點2(500,0).

(4)在工作平臺到達(dá)指定工位后，啟動位置定位程序，先通過紅外測距傳感器控制工作平臺，達(dá)到所設(shè)定的距離，并使工作平臺X軸與裝配體X軸重合，再通過兩個超聲波測距傳感器控制并調(diào)整工作平臺，使其Y軸與裝配體Y軸平行.

(5)啟動升降程序，先由計數(shù)器單元控制渦輪絲桿升降機(jī)提升至設(shè)定高度，再通過水平傳感器控制渦輪絲桿升降機(jī)，使工作平臺調(diào)整至設(shè)定的工作角度.

(6)工作平臺完成基礎(chǔ)調(diào)整工作后，向機(jī)械手發(fā)出預(yù)先選擇的裝配程序，機(jī)械手開始工作.

(7)機(jī)械手完成工作后，機(jī)械手控制柜返回工作平臺完成信號，渦輪絲桿升降機(jī)收回.

(8)工作平臺完成一個工位工作后執(zhí)行下一工位程序，重復(fù)步驟(4)～(7)，直至兩個工位工作全部完成后，經(jīng)2個預(yù)設(shè)途經(jīng)點返回原點.

5.2 實驗結(jié)果

該實驗主要測試工作平臺對規(guī)劃路徑搜尋與定位的穩(wěn)定性、升降機(jī)提升和機(jī)械手控制的精度以及升降速度與通訊速度調(diào)整的及時性.實驗結(jié)果表明：工作平臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，運(yùn)動精準(zhǔn)，程序執(zhí)行可靠，實驗結(jié)果理想，達(dá)到了設(shè)計目的.

6 結(jié)束語

(1)通過ANSYS Workbench軟件有限元分析，車架的機(jī)械結(jié)構(gòu)承載能力滿足設(shè)計要求，設(shè)計方案可行，能夠滿足機(jī)械手對工作平臺強(qiáng)度與剛度的要求.

(2)提出一種多工位壓縮機(jī)氣閥裝配機(jī)械手的工作平臺，對組成該工作平臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣控制進(jìn)行了設(shè)計，實驗測試的結(jié)果理想.

(3)該工作平臺利用自動化技術(shù)，提升了壓縮機(jī)生產(chǎn)技術(shù)含量，提高了生產(chǎn)質(zhì)量，不僅能降低壓縮機(jī)裝配成本，而且能降低機(jī)械手采購成本，具有較好的推廣價值和應(yīng)用前景.

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