智能機(jī)械手在車輪生產(chǎn)線上的應(yīng)用探索

張世歡，吳玉國，耿培濤

（1.安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032；2.馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽 馬鞍山 243003）

MG車輪公司擁有生產(chǎn)設(shè)備547臺，包含2條車輪軋制線、1條箍環(huán)軋制線、2條車輪熱處理生產(chǎn)線、3條車輪精加工生產(chǎn)線、4條車輪檢測線。目前MG車輪公司部分生產(chǎn)線仍使用懸臂吊，自動化程度低，應(yīng)用智能機(jī)械手是提高生產(chǎn)線自動化程度的有效途徑。

1 應(yīng)用智能機(jī)械手的意義

MG車輪歷經(jīng)60多年發(fā)展，所產(chǎn)車輪在國內(nèi)外皆有不錯(cuò)口碑。車輪生產(chǎn)制造相對固化，雖然在行業(yè)內(nèi)具有一定的競爭力，但與先進(jìn)的車輪制造商相比，仍在自動化方面存在不足?，F(xiàn)場加熱、軋鋼等操作室多，人員調(diào)配效率低下，人力資源需求多，協(xié)調(diào)和管理方面也消耗大量的人力物力。生產(chǎn)排程需要人工排程，工序之間存在大量人為干預(yù)，因此生產(chǎn)穩(wěn)定性差，無法根據(jù)產(chǎn)線能力自動調(diào)節(jié)，上下料系統(tǒng)準(zhǔn)確率相對偏低。

基于以上考慮，我們提出在生產(chǎn)線上應(yīng)用智能機(jī)械手來代替懸臂吊。

2 車輪生產(chǎn)線上下料系統(tǒng)

車輪上下料系統(tǒng)是車輪生產(chǎn)、打捆，堆垛、運(yùn)輸中最為關(guān)鍵的。其現(xiàn)場設(shè)備構(gòu)成及動作順序如下：

鋼坯加熱→90MN壓力機(jī)鐓粗、成形→無芯棒立式軋機(jī)軋制→SIRD700旋轉(zhuǎn)鍛壓機(jī)沖孔、輻板成形、精整→臺車式隧道緩冷爐→空冷至室溫→環(huán)形熱處理加熱爐→淬火→臺車式隧道回火爐→拋丸→硬度檢測→超聲波探傷→加工→檢測→刷油包裝。

車輪熱處理加熱爐為外徑Φ16m單排環(huán)形加熱爐，淬火臺為熱處理加熱爐和控制臺所包圍，有四組淬火臺，加熱爐外通過智能機(jī)械手同時(shí)給四組臺子上下料，兼提供給回火爐落垛的功能?；鼗馉t為兩座單排臺車式隧道爐，長度約30m，每臺車落垛6件車輪，為兩兩上料。

3 上下料系統(tǒng)對智能機(jī)械手的要求

目前上下料系統(tǒng)涉及如下幾個(gè)重要部件：

（1）自動裝載機(jī)：采用地面架軌方式安裝，軌長約80m，跨距約16m，工作范圍覆蓋整個(gè)緩冷料場；大車橫移速度0～60m/min，小車橫移速度0～40m/min，吊具起升速度0～12m/min。一臺負(fù)責(zé)緩冷坑揭蓋及車輪垛入緩冷坑，一臺負(fù)責(zé)車輪垛入庫出庫，兩臺自動裝載機(jī)功能配置一樣，可互為備用。

（2）懸臂吊改造：使之具備旋轉(zhuǎn)和解垛車輪垛功能，負(fù)責(zé)將緩存區(qū)中的車輪垛解垛，運(yùn)至7#爐。

（3）溫度檢測設(shè)備：該設(shè)備設(shè)置于入緩冷坑交接位，實(shí)施檢測碼垛的第一個(gè)車輪溫度，當(dāng)溫度達(dá)到允許的最低工藝參數(shù)時(shí)，可以手動控制提前將交接位上的車輪垛轉(zhuǎn)運(yùn)至緩冷坑。

為了克服智能機(jī)械手在高速、重載運(yùn)行情況下穩(wěn)定性差和精度差等諸多難題[1]，需匹配重載、快速、大跨距、耐高溫和高重復(fù)定位精度等要求的智能機(jī)械手，滿足強(qiáng)度、剛度要求，以保障智能機(jī)械手的安全運(yùn)行。

4 智能機(jī)械手的結(jié)構(gòu)

智能機(jī)械手裝備雖復(fù)雜，但簡化后的機(jī)械手主要由控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及位置監(jiān)測裝置等部分組成[2]。各機(jī)械系統(tǒng)組成關(guān)系，如圖1所示。

圖1 各機(jī)械系統(tǒng)組成關(guān)系

智能機(jī)械手通過控制機(jī)械手主臂和手爪系統(tǒng)配合操作，將車輪垛放入目標(biāo)位置。為了使機(jī)械手在水平和垂直方向自由轉(zhuǎn)動，本文設(shè)計(jì)一種簡單的4自由度機(jī)構(gòu)[3]，分別是：轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)運(yùn)動、大臂上下擺動、小臂上下擺動、手腕旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，如圖2所示。根據(jù)機(jī)械手三維結(jié)構(gòu)，簡化機(jī)械手抓取部分，以底座為參考坐標(biāo)系，其余各關(guān)節(jié)處為相對坐標(biāo)系建立運(yùn)動學(xué)關(guān)系。以機(jī)械手各關(guān)節(jié)為坐標(biāo)原點(diǎn)[4]，連桿方向?yàn)閄軸，連桿垂直方向?yàn)閅軸，建立D-H坐標(biāo)系進(jìn)行數(shù)學(xué)建模分析。

圖2 機(jī)械手連桿簡化坐標(biāo)系

根據(jù)機(jī)械手各關(guān)節(jié)位置關(guān)系和運(yùn)動軌跡，可得：

移動矩陣為：

旋轉(zhuǎn)矩陣為：

根據(jù)移動矩陣rij和旋轉(zhuǎn)矩陣Cij，計(jì)算可得D-H坐標(biāo)系下機(jī)械手某點(diǎn)N的坐標(biāo)，從j坐標(biāo)系變換到i坐標(biāo)系的變換矩陣Mij為 ：

計(jì)算可得機(jī)械手某點(diǎn)N從初始坐標(biāo)系χiφiγi移動到目標(biāo)坐標(biāo)系χ jφjγj的公式為 ：

5 機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)

安裝的機(jī)械手需要具備旋轉(zhuǎn)和解垛車輪垛功能，負(fù)責(zé)將緩存區(qū)中的車輪垛逐個(gè)解垛，所設(shè)計(jì)的上下料搬運(yùn)機(jī)械手必須滿足這個(gè)特點(diǎn)，且需要精確的定位功能。根據(jù)以上因素分析，以驅(qū)動類型、輸出力、結(jié)構(gòu)性、安全性、操控性、安裝要求以及維護(hù)要求等因素為參考對象，分別對液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電機(jī)驅(qū)動三種不同驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行比較，如表1所示。

表1 機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)特性表

由于車間位置緊湊，車輪垛較重，要求快速響應(yīng)的同時(shí)，輸出力較大，機(jī)械手運(yùn)動狀態(tài)易于簡單操作，各個(gè)關(guān)節(jié)控速精準(zhǔn)。綜上分析，智能機(jī)械手選取液壓驅(qū)動方式。

6 智能機(jī)械手相關(guān)問題

（1）重復(fù)定位精度要求高：智能機(jī)械手每天工作量巨大，尤其是重復(fù)工作部分，需在設(shè)定好指定路線情況下，精準(zhǔn)到達(dá)指定點(diǎn)。通過多次試驗(yàn)定位基準(zhǔn)得到誤差反饋，多次測算并進(jìn)行計(jì)算機(jī)編程操作，降低重復(fù)定位偏差值。

（2）集成化：復(fù)雜的機(jī)械傳動系統(tǒng)由多個(gè)子系統(tǒng)組成，器件的集成度不斷強(qiáng)化，每一個(gè)子系統(tǒng)能夠獨(dú)立完成設(shè)計(jì)工作，各個(gè)子系統(tǒng)功能作用在一起，便能完成機(jī)械系統(tǒng)總體功能要求。

（3）模塊化：計(jì)算機(jī)開放型控制器成為研究熱點(diǎn)方向，模塊化、輕量化、標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)聯(lián)化是智能機(jī)械手未來重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域。位置傳感器和速度傳感器不斷進(jìn)化，更是助推智能機(jī)械手進(jìn)步。加入導(dǎo)向驅(qū)動裝置的智能機(jī)械手具有彈性運(yùn)載等優(yōu)點(diǎn)。

7 應(yīng)用結(jié)果

智能機(jī)械手具有水平、垂直運(yùn)動速度快等優(yōu)勢，生產(chǎn)過程中應(yīng)用智能機(jī)械手可以大幅提高自動化水平，節(jié)約人工勞動強(qiáng)度，生產(chǎn)更加安全可靠。其結(jié)構(gòu)剛性好，操作方便，能滿足各種產(chǎn)品生產(chǎn)搬運(yùn)工作。機(jī)械手可配置為全閉環(huán)系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)檢測位置指令和實(shí)際位置是否一致，操作方便。

8 結(jié)語

上下料系統(tǒng)是MG車輪公司生產(chǎn)、堆垛、解垛、運(yùn)輸中最為關(guān)鍵的，使用頻次高，是車輪公司不可缺少的重要設(shè)備。本課題根據(jù)設(shè)備工作特點(diǎn)和現(xiàn)場工藝要求，從機(jī)械手連桿特性、驅(qū)動方式等方面進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化，將堆垛區(qū)的懸臂吊改造為智能機(jī)械手，裝備智能化水平顯著提高。