楊應(yīng)洪，尹顯明，賴(lài)思琦

(1.西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川綿陽(yáng)621010;2.西南科技大學(xué)工程技術(shù)中心，四川綿陽(yáng)621010)

柔性制造系統(tǒng) (FMS)由數(shù)臺(tái)數(shù)控加工機(jī)床和相應(yīng)的物流設(shè)備組成，計(jì)算機(jī)進(jìn)行集成管理和控制，能夠較好地適應(yīng)多品種、小批量生產(chǎn)的市場(chǎng)要求。在物流設(shè)備中，用于搬運(yùn)上下工件到機(jī)床的機(jī)器人是柔性制造系統(tǒng)的重要組成部分，由工控機(jī)控制，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)與FMS的總控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，接收用戶(hù)的控制和管理。某中心構(gòu)建的柔性制造系統(tǒng)中所使用的搬運(yùn)機(jī)器人為六自由度串聯(lián)機(jī)器人，可負(fù)重10 kg，具有承載能力強(qiáng)、控制精度高、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

1 柔性制造系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

柔性制造系統(tǒng)由立體倉(cāng)庫(kù)、輸送線(xiàn)、六自由度機(jī)器人、數(shù)控車(chē)床、加工中心及相應(yīng)附屬設(shè)備組成，運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)及開(kāi)發(fā)型組態(tài)軟件等網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，使用工業(yè)計(jì)算機(jī)作為總控制單元，對(duì)各設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)的情況進(jìn)行調(diào)整，以滿(mǎn)足多品種、中小批量的生產(chǎn)要求。

系統(tǒng)工作前，人工將工件按照規(guī)劃好的區(qū)域送入立體倉(cāng)庫(kù)貨架。由碼垛機(jī)將工件從立體倉(cāng)庫(kù)取出送到取料位置，此時(shí)AGV在取料位置等待并接收工件，送至輸送線(xiàn)。六自由度串聯(lián)機(jī)器人從輸送線(xiàn)上取出工件，根據(jù)總控制單元發(fā)出的命令，送到不同的加工設(shè)備上，按照工序流程進(jìn)行加工。完成加工后，再由機(jī)器人從機(jī)床上取回工件，通過(guò)輸送線(xiàn)、AGV和碼垛機(jī)將工件送入立體倉(cāng)庫(kù)貨架。總控制單元記錄信息，完成一個(gè)工作流程，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作流程如圖1所示［1－2］。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作流程圖

2 串聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與控制

某中心設(shè)計(jì)的串聯(lián)機(jī)器人為六自由度，可搬運(yùn)最大質(zhì)量為10 kg的工件，機(jī)器人既可由專(zhuān)用的工控機(jī)單獨(dú)控制，也可由柔性制造系統(tǒng)的總控制單元進(jìn)行調(diào)度。

2.1 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

串聯(lián)機(jī)器人的每個(gè)關(guān)節(jié)都是由電機(jī)、減速器、軸承及相應(yīng)機(jī)械構(gòu)件組成，其設(shè)計(jì)思路為根據(jù)使用的要求，采用倒退方式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。從末端關(guān)節(jié)開(kāi)始，根據(jù)上一節(jié)的計(jì)算結(jié)果判斷是否滿(mǎn)足要求，如果不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求則及時(shí)更改原來(lái)參數(shù)，直到滿(mǎn)足要求為止，同時(shí)也為下一節(jié)的計(jì)算提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。串聯(lián)機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 串聯(lián)機(jī)器人三維結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程如下。

(1)關(guān)節(jié)6設(shè)計(jì)過(guò)程

關(guān)節(jié)6由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)錐齒輪與諧波減速器諧波軸連接，根據(jù)負(fù)載及關(guān)節(jié)殼體零件質(zhì)量等計(jì)算電機(jī)與減速器所需具體型號(hào)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，關(guān)節(jié)6及末端執(zhí)行裝置質(zhì)量不超過(guò)1.5 kg，額定負(fù)載10 kg，總體關(guān)節(jié)6受力11.5 kg，最大力臂0.05 m，設(shè)定角速度60(°)/s(π/3)，行程范圍360°，可知關(guān)節(jié)6計(jì)算結(jié)果為:

加速時(shí)間:t=360÷60÷2=3 s;

角加速度:ω=π÷3÷3=π/9;

關(guān)節(jié)6轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:11.5×0.052=0.028 75 kg·m2;

靜力矩:9.8×11.5×0.05=5.635 N·m;

加速度力矩:11.5×0.052×(π/9)=0.005 N·m;

關(guān)節(jié)6合力矩:5.635+0.005=5.64 N·m。

參照步進(jìn)電機(jī)樣本手冊(cè)，選定步進(jìn)電機(jī)23HS2003混合式兩相步進(jìn)電機(jī)，由步進(jìn)電機(jī)矩頻特性可知，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速720 r/min，輸出扭矩約為0.42 N·m，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.275 kg·cm2。參照諧波減速器樣本，選定XB1-32-80型諧波減速器，諧波減速比為80，額定承受扭矩6.5 N·m。諧波減速器效率為95%，校核各參數(shù)如下:

電機(jī)減速器輸出力矩:0.42×80=33.6 N·m;

諧波減速器額定承受力矩:6.5×95%=6.175 N·m;

安全系數(shù):6.175/5.64=1.1，滿(mǎn)足機(jī)器人安全要求。

(2)關(guān)節(jié)5計(jì)算過(guò)程

關(guān)節(jié)6和關(guān)節(jié)5總質(zhì)量為4.0 kg，負(fù)載10 kg，中心偏置為100 mm左右，六節(jié)偏移轉(zhuǎn)軸約為250 mm，要求角速度為60(°)/s，計(jì)算時(shí)按照每關(guān)節(jié)行程時(shí)間三等分來(lái)分配加速時(shí)間求解角加速度，即加速、勻速、減速分別占時(shí)間的1/3，均為1.5 s。關(guān)節(jié)5的計(jì)算方法與關(guān)節(jié)6相同，最終合力矩為24.3 N·m。

參照步進(jìn)電機(jī)和諧波減速器的樣本手冊(cè)，選定步進(jìn)電機(jī)23HS2003混合式兩相步進(jìn)電機(jī)，由步進(jìn)電機(jī)矩頻特性可知，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速720 r/min;輸出扭矩約為0.42 N·m，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.275 kg·cm2;選定XB3-50-125型諧波減速器，諧波減速比為125，額定承受扭矩44 N·m。

(3)以此類(lèi)推，可計(jì)算出各個(gè)關(guān)節(jié)的電機(jī)與減速器型號(hào)，從而完成整個(gè)串聯(lián)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［3－5］。

2.2 機(jī)器人控制單元設(shè)計(jì)

機(jī)器人控制單元為工控機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡形式，工控機(jī)為研祥104-1541CLDN(B)電腦，運(yùn)動(dòng)控制卡為MAC-3002SSP2和MAC-3002SSP4型運(yùn)動(dòng)控制卡，采用串聯(lián)方式，可控制機(jī)器人的6個(gè)關(guān)節(jié)的電機(jī)。

軟件控制系統(tǒng)采用Windows系列操作系統(tǒng)，包括空間學(xué)計(jì)算、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)、插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)、關(guān)節(jié)示教和逆解示、機(jī)器人復(fù)位、機(jī)器人急停等模塊，其中關(guān)節(jié)示教模塊界面如圖3所示。

圖3 串聯(lián)機(jī)器人關(guān)節(jié)示教界面

操作人員在使用機(jī)器人時(shí)，先將機(jī)器人復(fù)位，再在關(guān)節(jié)示教模塊中，將機(jī)器人需要完成的抓取工件動(dòng)作分解為各關(guān)節(jié)的動(dòng)作，當(dāng)控制關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)到指定位置后，按下“記錄”按鈕，記錄下這個(gè)空間位置點(diǎn)，然后進(jìn)入下一個(gè)位置，當(dāng)所有點(diǎn)的數(shù)據(jù)記錄完畢之后，就可以將其保存為一個(gè)文本文件。而這個(gè)文件既可以在機(jī)器人控制系統(tǒng)中調(diào)用，也可在柔性制造系統(tǒng)的總控制單元中調(diào)用，使機(jī)器人按照之前設(shè)定的運(yùn)動(dòng)軌跡自動(dòng)完成一個(gè)連續(xù)動(dòng)作。

2.3 總控制單元機(jī)器人模塊設(shè)計(jì)

柔性制造系統(tǒng)總控制單元使用研華IPC-610H為主控機(jī)，使用組態(tài)王軟件開(kāi)發(fā)前臺(tái)程序，運(yùn)行平臺(tái)為Windows系列操作系統(tǒng)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)采集信息，協(xié)調(diào)各分站動(dòng)作［6］。

主控制計(jì)算機(jī)通過(guò)通訊模塊與機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)系，操作人員可以通過(guò)主控軟件，調(diào)度記錄了機(jī)器人不同運(yùn)動(dòng)軌跡的文件，其代碼如下:

控制界面如圖4所示。

圖4 串聯(lián)機(jī)器人控制界面

3 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算，串聯(lián)機(jī)器人作為FMS物流系統(tǒng)中的重要組成部分，能夠按照系統(tǒng)指令順利完成從輸送線(xiàn)上抓取工件放到指定機(jī)床，完成加工后，又能將工件取回的物流搬運(yùn)過(guò)程。機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊、工作范圍大、靈活性好。在某中心的生產(chǎn)和教學(xué)中得到了很好的應(yīng)用和發(fā)展，對(duì)設(shè)計(jì)類(lèi)似的串聯(lián)型機(jī)器人具有借鑒作用。

【1】賴(lài)思琦，尹顯明，楊應(yīng)洪．基于FMS的自動(dòng)化輸送線(xiàn)設(shè)計(jì)與研究［J］．組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2012(11):87－89．

【2】賴(lài)思琦，黃恒．FMS控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究［J］．組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2012(6):75－78．

【3】楊文棟．物流機(jī)器人方案設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)研究［D］．西安:西安理工大學(xué)，2008．

【4】羅璟，趙克定，陶湘廳，等．工業(yè)機(jī)器人的控制策略探討［J］．機(jī)床與液壓，2008，36(10):95 －97，100．

【5】焦恩璋，陳美宏．6R串聯(lián)機(jī)器人雅可比矩陣求解和速度仿真［J］．機(jī)床與液壓，2010，38(9):110 －113．

【6】張俊勇．基于組態(tài)王的MPS組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］．制造業(yè)自動(dòng)化，2010(8):167－171．