石寶玉（安徽工業(yè)大學(xué)，安徽 馬鞍山　234001）

基于SolidWorks回轉(zhuǎn)支承自動(dòng)加工機(jī)器人機(jī)械本體設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究

石寶玉
（安徽工業(yè)大學(xué)，安徽 馬鞍山234001）

針對(duì)目前回轉(zhuǎn)支承加工勞動(dòng)強(qiáng)度大、自動(dòng)化程度低等問題，提出一種自動(dòng)加工機(jī)器人設(shè)計(jì)方案。機(jī)器人的機(jī)械本體結(jié)構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是目前主要的技術(shù)障礙之一。首先介紹了支承自動(dòng)加工機(jī)器人機(jī)械本體的設(shè)計(jì)要求和關(guān)鍵技術(shù)，然后詳細(xì)描述了基于SolidWorks軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)的支承自動(dòng)加工機(jī)器人機(jī)械本體并介紹與之相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。最后，針對(duì)這款機(jī)器人給出具體設(shè)計(jì)參數(shù)結(jié)合企業(yè)實(shí)用來(lái)驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方案的可行性。

回轉(zhuǎn)支承；自動(dòng)加工機(jī)器人；SolidWorks

1.引言

圖1　某種型號(hào)回轉(zhuǎn)支承三維圖

回轉(zhuǎn)支承在現(xiàn)實(shí)工業(yè)中應(yīng)用非常廣泛，被人們稱為：“機(jī)器的關(guān)節(jié)”，其被廣泛應(yīng)用于汽車起重機(jī)、鐵路起重機(jī)、集裝箱起重機(jī)、挖掘機(jī)、以及高、精、尖端領(lǐng)域CT機(jī)駐波治療儀、雷達(dá)天線座、導(dǎo)彈發(fā)射架、坦克、機(jī)器人以及旋轉(zhuǎn)餐廳等等方面。某型號(hào)回轉(zhuǎn)支承外觀三維圖如圖1所示?；剞D(zhuǎn)支承作為重要的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，處于機(jī)械結(jié)構(gòu)承上啟下的關(guān)鍵部位，其受力復(fù)雜，對(duì)產(chǎn)品的性能要求較高，但是目前國(guó)內(nèi)回轉(zhuǎn)支承制造技術(shù)和生產(chǎn)設(shè)備方面落后，有些產(chǎn)品比國(guó)外同類產(chǎn)品超重達(dá)50%之多，造成資源的大量浪費(fèi)，而且產(chǎn)品的性能指標(biāo)遠(yuǎn)低于國(guó)際水平。因此應(yīng)開發(fā)高精度回轉(zhuǎn)支承智能化操作機(jī)器人，建立智能化多功能自動(dòng)操作系統(tǒng)。對(duì)實(shí)現(xiàn)高精度的產(chǎn)品的制造，拓寬企業(yè)產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域，增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益及競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，自動(dòng)化操作降低能耗、提高生產(chǎn)能力和降低生產(chǎn)成本，同時(shí)對(duì)解決行業(yè)招工難、用人難等問題有重要意義。同時(shí)，采用智能化機(jī)器人取代傳統(tǒng)的方式，可提高檢測(cè)精度和檢測(cè)效率，取代人直接工作在高危險(xiǎn)的場(chǎng)合，同時(shí)大大減少人力資源，是一種安全，可靠，高效的加工方式。

2.回轉(zhuǎn)支承自動(dòng)加工機(jī)器人整體方案

回轉(zhuǎn)支承自動(dòng)加工機(jī)器人的機(jī)械本體機(jī)構(gòu)是整個(gè)加工系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是針對(duì)復(fù)雜的加工環(huán)境需解決的技術(shù)障礙之一?；剞D(zhuǎn)支承自動(dòng)加工機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，主要有幾點(diǎn)：（1）機(jī)器人機(jī)械臂能自動(dòng)夾起支承毛坯；（2）自動(dòng)將毛坯送至液壓卡盤固定；（3）加工完成后自動(dòng)校正支承精度；（4）加工好的支承工件及時(shí)運(yùn)送到固定區(qū)域擺放；（5）提供足夠的空間安裝所攜帶的電源以及探測(cè)、記錄和精度分析處理儀器。

目前，回轉(zhuǎn)支承加工主要依靠人工完成，回轉(zhuǎn)支承自動(dòng)加工機(jī)器人在市場(chǎng)上還處于空白地帶，由于支承加工的復(fù)雜性及精密性，機(jī)器人手臂代替人類手臂更準(zhǔn)確、安全及時(shí)的完成工件裝卸任務(wù)。支承加工車間數(shù)控機(jī)床的長(zhǎng)度以及高度都具體一定規(guī)模，因此如何分配機(jī)械手的動(dòng)作及機(jī)器人本體大小是回轉(zhuǎn)支承自動(dòng)加工機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)之一，回轉(zhuǎn)支承自動(dòng)加工機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)考慮多方面因素，作者在保證安全、效率及精度的情況下，提出的一種具有前景的設(shè)計(jì)方案，采用多只可移動(dòng)2自由度伸縮移動(dòng)手臂，伸縮手臂分別在水平和豎直方向運(yùn)動(dòng)，機(jī)械臂相互配合完成裝卸工件的裝載和拆卸，裝載過程通過升級(jí)機(jī)床手動(dòng)卡盤為液壓自動(dòng)卡盤，加裝機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)工件吊裝、工件自動(dòng)裝夾、加工測(cè)量、工件自動(dòng)拆卸碼放，實(shí)驗(yàn)齒圈車加工自動(dòng)化通過PLC控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)、工件吊裝總成電磁鐵的位置及吸合、液壓卡盤的松開與夾緊、自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)車加工的路徑等技術(shù)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)支承的自動(dòng)加工。

本設(shè)計(jì)方案的自動(dòng)加工機(jī)器人具有兩只機(jī)械手臂加橫梁，采用伺服電機(jī)加滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)方式帶動(dòng)裝卸機(jī)械臂的移動(dòng)，是一種回轉(zhuǎn)支承自動(dòng)加工領(lǐng)域的新型機(jī)器人。

3.回轉(zhuǎn)支承自動(dòng)加工機(jī)器人本體設(shè)計(jì)

回轉(zhuǎn)支承自動(dòng)加工機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)采用SolidWorks 2010軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)平臺(tái)功能強(qiáng)大、易學(xué)易用，同時(shí)能夠提供不同的設(shè)計(jì)方案、減少設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。設(shè)計(jì)采用自下向上的方法設(shè)計(jì)，即先設(shè)計(jì)好各個(gè)零部件后，運(yùn)用裝配關(guān)系將各個(gè)零部件進(jìn)行組合。采用SolidWorks 2010對(duì)回轉(zhuǎn)支承自動(dòng)加工機(jī)器人進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)，總體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　回轉(zhuǎn)支承自動(dòng)加工機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)圖

4.回轉(zhuǎn)支承自動(dòng)加工機(jī)器人結(jié)構(gòu)及工作流程

回轉(zhuǎn)支承自動(dòng)加工機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)包括橫梁、豎梁、第一吸附機(jī)械手和第二吸附機(jī)械手。橫梁和豎梁垂直焊接固定，組成支承毛坯件的裝卸框架，且為了盡量避免第一吸附機(jī)械手和第二吸附機(jī)械手在輸送支承毛坯件的過程中，豎梁的機(jī)械晃動(dòng)，導(dǎo)致支承毛坯件掉落，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)沿豎梁的長(zhǎng)度方向等間隔設(shè)置4個(gè)橫梁，以增強(qiáng)裝卸框架的穩(wěn)定性。豎梁設(shè)置于液壓卡盤的上方，液壓卡盤的一側(cè)設(shè)置切削加工支承毛坯件的機(jī)床。豎梁的側(cè)面開設(shè)有導(dǎo)向槽，第一吸附機(jī)械手的上部設(shè)置有滑塊，滑塊與導(dǎo)向槽相卡合，液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)第一吸附機(jī)械手沿導(dǎo)向槽滑動(dòng)。第一吸附機(jī)械手的下部通過伸縮軸連接吸附卡盤，伸縮軸控制吸附卡盤在豎直方向移動(dòng)。所述的吸附卡盤的下部活動(dòng)連接有磁鐵，圖中所示的磁鐵與液壓缸的活塞相連，液壓缸通過活塞控制磁鐵沿吸附卡盤的徑向移動(dòng)。第一吸附機(jī)械手、第二吸附機(jī)械手分別設(shè)置于液壓卡盤的兩側(cè)。第一吸附機(jī)械手用于將支承毛坯件輸送到液壓卡盤上，供機(jī)床加工，第二吸附機(jī)械手用于將經(jīng)機(jī)床加工完成的支承毛坯件取下堆放至一旁。第一吸附機(jī)械手和第二吸附機(jī)械手協(xié)同配合，保證本實(shí)施例切削加工用機(jī)械手具有最佳的加工效率。支承自動(dòng)加工技術(shù)路線如圖3所示。

圖3　支承自動(dòng)加工技術(shù)路線圖

5.回轉(zhuǎn)支承自動(dòng)加工機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

回轉(zhuǎn)支承自動(dòng)加工機(jī)器人是一個(gè)典型機(jī)電一體化系統(tǒng)，機(jī)械和電氣控制相結(jié)合才能保證機(jī)器人準(zhǔn)確高效的完成支承加工任務(wù)，因此，機(jī)械本體之外尚有一些需要同步解決的關(guān)鍵問題：

（1）應(yīng)用伺服電機(jī)位置控制與減速機(jī)的無(wú)間隙配合使用伺服電機(jī)的位置控制，通過外部輸入的脈沖的頻率來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)速度的大小，通過脈沖數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，以確保移動(dòng)的距離，加以減速機(jī)的配合確保在帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)行下有足夠的扭矩！保證機(jī)械移動(dòng)的精度和實(shí)現(xiàn)各個(gè)電機(jī)之間的協(xié)作。

（2）校圓精度檢測(cè)

使用德國(guó)進(jìn)口的非接觸式傳感器測(cè)量拾取圓表面的三個(gè)等分點(diǎn)確定圓的大小通過PLC的函數(shù)運(yùn)算與實(shí)際所需圓的大小比較，進(jìn)行控制伺服運(yùn)動(dòng)使各個(gè)電機(jī)按校圓程序進(jìn)行。

圖4　運(yùn)動(dòng)控制器

（3）基于MODBUS的分布式控制器研究

以校圓機(jī)器為控制對(duì)象，構(gòu)建結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，擴(kuò)展能力強(qiáng)的以PLC控制器為核心（見圖4），配有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和以人機(jī)界面為通訊載體的伺服驅(qū)動(dòng)器（見圖5）的新型機(jī)器人控制器。開展基于以PLC的 I/O接口技術(shù)及伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究；研究機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，提高機(jī)器人運(yùn)行速度和實(shí)時(shí)性，提高機(jī)器人動(dòng)態(tài)性能。

（4）人機(jī)交互程序和系統(tǒng)編程技術(shù)

圖5　伺服驅(qū)動(dòng)和電機(jī)

人機(jī)交互界面和可靠的下位機(jī)程序是保證整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定有效運(yùn)行的關(guān)鍵。所以本技術(shù)主要研究了下位機(jī)軟件技術(shù)、伺服控制原理；人機(jī)界面技術(shù)。

下位管理軟件主要包括：1.顯示屏通信模塊；2.PLC通信模塊；3.運(yùn)動(dòng)控制模塊；4.日志管理模塊；5.輔助功能模塊；6.IO測(cè)試模塊；7.報(bào)警記錄模塊；8.主程序調(diào)度界面模塊。

（5）通過升級(jí)機(jī)床手動(dòng)卡盤為液壓自動(dòng)卡盤，加裝機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)工件吊裝、工件自動(dòng)裝夾、加工測(cè)量、工件自動(dòng)拆卸碼放，實(shí)驗(yàn)齒圈車加工自動(dòng)化通過PLC控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)、工件吊裝總成電磁鐵的位置及吸合、液壓卡盤的松開與夾緊、自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)、車加工的路徑。

（6）自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的在整個(gè)自動(dòng)化車加工中至關(guān)重要，通過自動(dòng)化檢測(cè)，在加工過程中不再需要人員的參與，在車加工完后通德國(guó)進(jìn)口非接觸式測(cè)頭，檢測(cè)工件，數(shù)據(jù)通過PLC鏈接，在公差范圍內(nèi)則執(zhí)行工件拆卸等后續(xù)動(dòng)作，超出公差范圍，PLC將修正誤差，重新進(jìn)行二次車加工，直至測(cè)量符合公差。

6.回轉(zhuǎn)支承自動(dòng)加工機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

高精度回轉(zhuǎn)支承自動(dòng)加工機(jī)器人的開發(fā)，新設(shè)備的裝夾機(jī)械臂最大負(fù)載：2100Kg，最大加工直徑：4.5m，校圓精度：±0.15mm，完成校圓直徑為200 mm-4.5 m的校圓機(jī)器人系統(tǒng)樣機(jī)及周邊設(shè)備的開發(fā)。

在滿足機(jī)械本體剛度、強(qiáng)度及一些其它技術(shù)參數(shù)的基礎(chǔ)上選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)身緊湊的機(jī)身設(shè)計(jì)，以滿足輕量化、低成本及可維護(hù)性要求。成品具體參數(shù)范圍如表1：

表1　回轉(zhuǎn)支自動(dòng)加工機(jī)器人設(shè)計(jì)參數(shù)

7.結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的這款具有自動(dòng)加工回轉(zhuǎn)支承功能的機(jī)器人，可高效準(zhǔn)確的完成支承加工任務(wù)，基于solidworks2010設(shè)計(jì)的機(jī)械本體完全符合支承自動(dòng)加工的機(jī)械設(shè)計(jì)要求，同時(shí)基于三維軟件的機(jī)械設(shè)計(jì)大幅度地降低物理樣機(jī)的制造成本并縮短開發(fā)時(shí)間，確保了設(shè)計(jì)的可行性。目前，本產(chǎn)品已在支承生產(chǎn)企業(yè)投入使用，給企業(yè)提高了勞動(dòng)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

［1］SoildWorks公司.零件與裝配體教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［2］張小萍，王君澤.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在三維編織物設(shè)計(jì)及仿真中的應(yīng)用［J］.宇航材料工藝，2005（5）:37-40.

［3］孟祥德，李立順，王斌，等.CAD/CAE協(xié)同仿真技術(shù)應(yīng)用研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007（9）：213-215.

［4］SolidWorks公司.SolidWorks API二次開發(fā)［M］.生信實(shí)維公司，譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［5］江洪，魏崢，王濤威.SolidWorks二次開發(fā)實(shí)例解析［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

Research on Mechanical Structure and Key Technology on Automatic Processing Robot of Slewing Ring Based on SolidWorks

Shi Bao-yu
（Anhui University of Technology，Ma’anshan Anhui 234001，China）

According to the problems of high strength and low degree of automation，the design scheme of automatic machining robot is presented.Mechanical structure is the important basis of the whole system and primary technology obstacle at present.Firstly，the requirement and key technologies for the design of the supporting automatic processing of mobile robot is introduced，and then a detailed description based on SolidWorks software platform design of supporting automatic processing robot mechanical body and the related key technologies are done. Finally，the specific design parameters for this robot are given to verify the feasibility of the design scheme.

slewing ring；automatic processing robot；SolidWorks

TP24

A

1672-0547（2016）02-0108-03

2016-03-01

安徽工業(yè)大學(xué)青年基金項(xiàng)目“行回轉(zhuǎn)支承自動(dòng)加工機(jī)器人”（QZ201408）

石寶玉（1982-），男，安徽宿松人，安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師，碩士，研究方向：機(jī)械自動(dòng)化、機(jī)器人控制。