武漢理工大學(xué) 李紅享

鍛壓機(jī)輔助機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工位規(guī)劃

武漢理工大學(xué) 李紅享

為提高鍛壓生產(chǎn)的安全性，實(shí)現(xiàn)鍛壓零件的無人化生產(chǎn)，設(shè)計(jì)了一種由運(yùn)料機(jī)器人和冷卻機(jī)器人構(gòu)成的鍛壓機(jī)輔助系統(tǒng)。該輔助系統(tǒng)在鍛壓機(jī)作業(yè)過程中，根據(jù)輔助作業(yè)流程，控制運(yùn)料機(jī)器人和冷卻機(jī)器人按照預(yù)定工位動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍛壓機(jī)2個(gè)沖壓缸的供料和冷卻。基于Matlab的輔助機(jī)器人末端位置作業(yè)空間以及工位狀態(tài)的仿真結(jié)果表明，輔助機(jī)器人末端位置的作業(yè)空間涵蓋了輔助作業(yè)過程中的各個(gè)工位點(diǎn)，工位規(guī)劃結(jié)果正確，機(jī)器人末端回程運(yùn)動(dòng)安全。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的鍛壓機(jī)輔助系統(tǒng)方案的可行性。

工業(yè)機(jī)器人；鍛壓機(jī)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；工位規(guī)劃；回程軌跡規(guī)劃

近年來隨著我國(guó)汽車、輕工業(yè)、風(fēng)電、高鐵等行業(yè)迅猛發(fā)展，鍛壓零件的需求量日益增加，給鍛造業(yè)帶來了空前的發(fā)展機(jī)遇[1-4]。在傳統(tǒng)的鍛造生產(chǎn)過程中，大多采用人工運(yùn)料和冷卻。這種生產(chǎn)方式給運(yùn)料工人和冷卻工人帶來嚴(yán)重的安全隱患和健康威脅。因此，實(shí)現(xiàn)鍛壓零件的無人化生產(chǎn)勢(shì)在必行。工業(yè)機(jī)器人作為一種智能、高度靈活的自動(dòng)化設(shè)備，在各個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[5-8]。本文針對(duì)某汽車零件的鍛壓生產(chǎn)過程，設(shè)計(jì)鍛壓機(jī)的2個(gè)輔助機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)該汽車零件的自動(dòng)化生產(chǎn)。

1 設(shè)計(jì)要求

為完成某種汽車零件的鍛壓過程，需要對(duì)該零件進(jìn)行2次鍛壓。2次鍛壓前的工件稱為毛坯件，2次鍛壓后的工件稱為成品。毛坯件是一種不規(guī)則“套筒”形狀的工件，其上下面以及內(nèi)外表面均十分粗糙。加工前毛坯件放置于供料裝置中，成品被加工出來后，放置于收料裝置，送料裝置和收料裝置均為一種傳送帶，以保證機(jī)器人每次取料和放料的時(shí)候，工件的坐標(biāo)不會(huì)發(fā)生較大的變化。

圖1 兩個(gè)輔助機(jī)器人的固定位置

設(shè)計(jì)2個(gè)輔助機(jī)器人，即運(yùn)料機(jī)器人和冷卻機(jī)器人，分別實(shí)現(xiàn)加工過程的取放工件和澆水冷卻的過程，以實(shí)現(xiàn)對(duì)該鍛壓裝置的改造和整個(gè)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化。

在輔助機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，不僅要保證機(jī)器人能夠完成預(yù)定的任務(wù)，而且要保證在工作過程中機(jī)器人的安全性。根據(jù)設(shè)計(jì)條件，確定2個(gè)機(jī)器人的固定位置如圖1所示。其中，XYZ1為運(yùn)料機(jī)器人參考坐標(biāo)系，XYZ2為冷卻機(jī)器人參考坐標(biāo)系。

為完成預(yù)定的要求，在水平面內(nèi)，相對(duì)于XYZ1坐標(biāo)系，運(yùn)料機(jī)器人末端的作業(yè)空間應(yīng)包括A（-1145，-450）、B（-120，-1100）、C（630，-1100）、D（1130，-450）4點(diǎn)，此外，為保證機(jī)器人安全，作業(yè)空間也應(yīng)該包括E（0，-850）點(diǎn)，即在沖壓缸底座之外。在豎直面內(nèi)，Z軸的變化范圍是700～1 600。而對(duì)于冷卻機(jī)器人的要求是機(jī)器人的末端以及其噴出的水柱能夠抵達(dá)沖頭和沖壓缸，以實(shí)現(xiàn)沖頭和沖壓缸的冷卻，即相對(duì)于XYZ2坐標(biāo)系，能夠抵達(dá)F（-375，550，850）、G（-375，550，1620）、H（375，575，1470）、I（375，575，700）4點(diǎn)。

2 系統(tǒng)工作流程設(shè)計(jì)

根據(jù)任務(wù)要求，確定輔助系統(tǒng)工作流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

3 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 運(yùn)料機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照輔助機(jī)器人系統(tǒng)工作要求，設(shè)計(jì)運(yùn)料機(jī)器人的結(jié)構(gòu)如圖3所示。同時(shí)應(yīng)用D-H法建立坐標(biāo)系如圖3所示。運(yùn)料機(jī)器人的D-H參數(shù)如表1所示。

圖3 運(yùn)料機(jī)器人結(jié)構(gòu)以及D-H坐標(biāo)系

表1 運(yùn)料機(jī)器人D-H參數(shù)表

應(yīng)用MATLAB軟件對(duì)運(yùn)料機(jī)器人的作業(yè)空間進(jìn)行分析，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 運(yùn)料機(jī)器人末端位置作業(yè)空間

由仿真結(jié)果可知，運(yùn)料機(jī)器人末端的作業(yè)空間涵蓋A、B、C、D、E 5點(diǎn)，且在豎直面內(nèi)的作業(yè)范圍是700～1600，因此，設(shè)計(jì)的機(jī)器人滿足作業(yè)要求。機(jī)器人的最大工作范圍：Xmax=1 300 mm，Xmin=-1 300 mm，Ymin=-1 300 m m，Ymax=500 mm，Zmin=700 mm，Zmax=1 600 mm。

3.2 冷卻機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照輔助機(jī)器人系統(tǒng)工作要求，設(shè)計(jì)冷卻機(jī)器人的結(jié)構(gòu)如圖5所示。同時(shí)應(yīng)用D-H法建立坐標(biāo)系如圖5所示。冷卻機(jī)器人D-H參數(shù)如表2所示。

圖5 冷卻機(jī)器人結(jié)構(gòu)以及D-H坐標(biāo)系

表2 冷卻機(jī)器人變換矩陣D-H參數(shù)表

應(yīng)用MATLAB軟件對(duì)機(jī)器人的作業(yè)空間進(jìn)行分析，仿真結(jié)果如圖6所示。其中的圓點(diǎn)為沖頭和沖壓缸的邊緣位置。

圖6 冷卻機(jī)器人末端位置作業(yè)空間

由仿真結(jié)果可知，冷卻機(jī)器人的末端與沖壓機(jī)無干涉，且末端水柱可以達(dá)到?jīng)_頭和沖壓缸，起到冷卻的作用。

4 機(jī)器人末端位置工位規(guī)劃

4.1 運(yùn)料機(jī)器人工位規(guī)劃

運(yùn)料機(jī)器人在工作過程中，其末端從初始位置開始，經(jīng)由A、B、C、D 4點(diǎn)，然后回到初始位置。根據(jù)機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)可以計(jì)算出在各工位狀態(tài)，各關(guān)節(jié)角度或伸出長(zhǎng)度。具體工位狀態(tài)如圖7所示。運(yùn)料機(jī)器人工位狀態(tài)關(guān)節(jié)參數(shù)如表3所示。

圖7 運(yùn)料機(jī)器人末端位置工位狀態(tài)

回程軌跡規(guī)劃。運(yùn)料機(jī)器人的回程是指在放置好成品工件后，會(huì)再次去取毛坯工件，進(jìn)行下一次的循環(huán)工作。為保證在回程過程中，機(jī)器人的末端不與鍛壓機(jī)碰撞，同時(shí)保證機(jī)器人的安全，需要對(duì)機(jī)器人的末端進(jìn)行軌跡規(guī)劃，此處，將末端軌跡規(guī)劃為沿直線DE、EA回到取工件位置，即

表3 運(yùn)料機(jī)器人工位狀態(tài)關(guān)節(jié)參數(shù)

運(yùn)料機(jī)器人的回程運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果如圖8和圖9所示。由仿真結(jié)果可以看出，機(jī)器人末端位置逆運(yùn)算正確，而且，機(jī)器人在回程的過程中，沿預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)，能夠安全運(yùn)行。

圖8 運(yùn)料機(jī)器人末端回程軌跡

圖9 各關(guān)節(jié)角位置曲線

4.2 冷卻機(jī)器人工位規(guī)劃

冷卻機(jī)器人共有4個(gè)工位，即沖頭1、沖壓缸1、沖頭2、沖壓缸2的冷卻，在沖壓時(shí)，只要保證2=90°，即可保證機(jī)器人末端在鍛壓機(jī)底座之外，系統(tǒng)安全運(yùn)行。冷卻機(jī)器人工位狀態(tài)如圖10所示。

圖10 冷卻機(jī)器人末端位置工位狀態(tài)

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了鍛壓機(jī)的2個(gè)輔助機(jī)器人，即運(yùn)料機(jī)器人和冷卻機(jī)器人。作業(yè)空間的仿真結(jié)果顯示，機(jī)器人的作業(yè)空間涵蓋了作業(yè)過程中的各個(gè)工位點(diǎn)，機(jī)器人結(jié)構(gòu)、尺寸合適。設(shè)計(jì)了輔助機(jī)器人系統(tǒng)的工作流程，根據(jù)機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)推算了各關(guān)節(jié)在每個(gè)工位的角度或伸出長(zhǎng)度，并且進(jìn)行了回程的軌跡規(guī)劃，仿真結(jié)果驗(yàn)證了推算的正確性。

[1]李建軍，黃茂林，彭謙之等.鍛造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].熱處理技術(shù)與裝備，2015，36(3):57-62.

[2]吳漢卿，王斌修.鍛造技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)[J].模具制造，2015，(8):69-71.

[3]賀小坤,白云嶺.汽車齒輪的鍛造余熱等溫退火工藝[J].金屬熱處理，2014，39(11):128-132.

[4]閆鵬程.風(fēng)電環(huán)件鍛造工藝與裝備最新發(fā)展[J].金屬加工（熱加工），2015，(3):76-79.

[5]機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用編輯部.我國(guó)工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)狀與發(fā)展[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2013，1(1)：3-5.

[6]孫英飛，羅愛華.我國(guó)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2012，12(12)：2912-2918.

[7]王素艷.機(jī)器人在汽車曲軸鍛造生產(chǎn)線上的應(yīng)用研究[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2015，34(2):79-81.

[8]王生瑤，高志光.自動(dòng)夾具在鍛造過程的應(yīng)用探索[J].科技促進(jìn)發(fā)展，2012:48-50.

2016-07-06)