王曉峰

（蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘭州 730070）

0 引言

國內(nèi)外對工業(yè)機器人的重要部件之一的減速器做了大量的研究。減速器的設(shè)計類型也在不斷地完善和優(yōu)化[1]，近些年也出現(xiàn)了一些特殊用途的減速器。尤其在新元件、新產(chǎn)品方面，在減速器中增加了平面二次包絡(luò)蝸桿減速器[2]。在新材料方面，編入了新型工程材料——鈦和鈦合金，解決了耐腐蝕、高低溫特性、生物相容性等技術(shù)難題。上述文獻雖然解決了減速器控制的絕大部分控制問題和材料設(shè)計問題，但是沒有涉及到減速器之后的末端行為控制，正是因為如此，減速器控制以后的末端控制和相關(guān)參數(shù)的設(shè)定過程存在一定的問題。

本文將從工業(yè)機器人中的基礎(chǔ)部件減速器開始，到最后的坐標(biāo)系選取給出了一系列的方案，基于工業(yè)機器人本體的減速器控制，到提出末端執(zhí)行器的選取要求指標(biāo)，提出相關(guān)參數(shù)標(biāo)定的模塊順序，采用減速器控制上料、取件。針對基坐標(biāo)體系進行分析，驗證其準(zhǔn)確性與有效性。

1 工業(yè)機器人中的減速器

減速器在工業(yè)系統(tǒng)中很容易見到，在工業(yè)機器人中是一個極為重要的部件。其和伺服電機有聯(lián)系，可以使其按需要的速度來運行，以工業(yè)機器人為例，在完成動作的過程中要給每個關(guān)節(jié)、每個軸進行合理降速來完成移動，準(zhǔn)確地到達程序中設(shè)置的點位。即降速移動的過程就是完成一個個點的捕捉，如同采樣取數(shù)據(jù)是一樣的。降速是完成運動點的捕捉，但是機械臂并不是在所有的情況下都是空載，其抓取的物品在回程的過程中要考慮新加的重量，所以要考慮力矩的輸出要夠大。

之前考慮到重量問題，也就是帶載的負重[3]。接下來考慮的是移動過程中精度的保持狀態(tài)問題。不管是哪個軸的運動過程，大部分動作都是重復(fù)的，因為在書寫程序的過程中會使用相似的指令來寫完整個程序。這樣使用會有很大的作用，其一不用設(shè)置過多的采樣點來增加額外的工作量，其二確保運行過程中的安全性[4]。因為有些工作臺上面設(shè)置了很多的傳感器和檢查裝置，其走形路線是相對固定的，看似任意，其實都是采樣好的點，所以確保精度是工業(yè)機器人能正常工作的前提，需由減速器來完成這個功能。

目前市面主流有RV減速器、諧波減速器、行星減速器等，可以根據(jù)不同的情況來作出選擇，在這里不再贅述。減速器在工業(yè)機器人中的控制非常關(guān)鍵，以后的各種控制也是在減速器這個控制元件下完成的。

2 末端執(zhí)行器

操作對象是法蘭盤，所以要選擇工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器，作為工業(yè)機器人的執(zhí)行機構(gòu)，類似于人的手部，主要是裝在工業(yè)機器人手腕上用于直接抓握工件，或者執(zhí)行作業(yè)的部分[5]。機器人的手不一定像人類手部那樣有手指，也可以是沒有手指的手，可以是類似人類的手爪，也可以是進行專業(yè)作業(yè)的工具，像裝在機器人手腕上的噴涂槍、點焊工具等。主要應(yīng)用領(lǐng)域不同，機器人末端執(zhí)行器就會不同。對于普通管狀物體的抓取也有需要注意的地方[6]。

工業(yè)機器人通過安裝不同類型的末端執(zhí)行器，可以完整地實現(xiàn)對圓盤類、長軸類、不規(guī)則形狀、金屬板類等各種元件的搬運、自動上料/下料、工件翻轉(zhuǎn)、工件轉(zhuǎn)序等工作步驟。它看似不起眼，在最末端，也有可能是最小的，卻在控制過程中不可或缺[7]。作為與生產(chǎn)過程相互作用的執(zhí)行部件，對提高工業(yè)機器人的任務(wù)完成度和實際表現(xiàn)有著重要的作用，其工作過程的狀態(tài)，在很大程度上決定了整個工業(yè)機器人的工作完成度和質(zhì)量好壞。

近年來，國內(nèi)外先后研究開發(fā)了多種工業(yè)機器人末端執(zhí)行器，很多材料為非剛性材料，其質(zhì)地、形狀和尺寸等差異很大。針對不同的領(lǐng)域、不同的行業(yè)，使用的機器人末端執(zhí)行器基本都是?？顚Ｓ玫?。對于各種柔脆不規(guī)則形狀材料的靈巧柔順抓取，一直是機器人末端執(zhí)行器的操作難點。

3 相關(guān)參數(shù)的標(biāo)定

手動創(chuàng)建相關(guān)需要的參數(shù)，進行工具數(shù)據(jù)的設(shè)定，也就是TOOLDATA，在示教器的界面上按照從上到下進行設(shè)置。根據(jù)圖1，完成本次標(biāo)定的順序。首先是名稱，本次操作是取、吸、還是夾工件，根據(jù)操作內(nèi)容來命名，可以在大量程序里快速的找到所需要的程序，這也是命名的技巧。

貝伐單抗多囊脂質(zhì)體的處方優(yōu)化及體外釋放特性研究…………………………………………………… 王毅云等（7）：922

圖1 參數(shù)標(biāo)定順序

范圍要確定的是局部變量還是全局變量，這里選擇全局變量。存儲類型選擇可變量，模塊選擇MOD，這些都在示教器上有相應(yīng)的選項，選擇即可。在創(chuàng)建完以后，不要點擊確定，要看一下初始值[8]。在這里有一個工具坐標(biāo)系的標(biāo)定設(shè)置。通過四點或六點進行坐標(biāo)系的標(biāo)定，作為手動輸入法，要設(shè)置X軸、Y軸、Z軸的坐標(biāo)，還有q1、q2、q3、q4的初值設(shè)定，最后初始值里還有質(zhì)量mass的設(shè)定，初始值為-1，要手動的設(shè)置為1，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成后可以正式寫入程序[9]。

4 通過減速器控制上料

相關(guān)參數(shù)設(shè)置結(jié)束后就可以進入供料部分的設(shè)置了。流程是加速器將法蘭盤放到井式供料箱里，通過氣缸推出法蘭盤，由傳送帶將工件運送到末端，完成控制。

井式供料的控制是通過氣缸的收縮來完成的，在井式供料箱的底部需要放置一個傳感器EXDI3，氣缸部分有相同作用的是EXDI2，在運算開始時，氣缸部分的傳感器EXDI2處在待命的狀態(tài)，使用WAIT，傳感器EXDI2狀態(tài)數(shù)值可以設(shè)置為1。根據(jù)圖2所示，完成氣缸模塊的順序控制。下一步，傳感器EXDI3檢測到法蘭盤在檢測范圍內(nèi)，使用WAIT，傳感器EXDI3狀態(tài)數(shù)值可以設(shè)置為1。傳感器EXDI3置1可以進行下一個步序，氣缸的推出。氣缸的推出是EXDI3=1給到PLC輸入信號后，再由PLC的輸出來完成的，通過I/O點的分布，找到氣缸輸出的線圈來完成。這里考慮到氣動部件是一個伸縮元件，而且可能要頻繁動作，可以通過置位復(fù)位完成氣缸的伸縮設(shè)置，這里可以使用和PLC一樣的指令來完成邏輯操作。還要在置位SET、復(fù)位RESET之間插入一個時間的設(shè)置。如果這兩個程序依次完成的話，可能會使法蘭盤無法穩(wěn)定的被送到傳送帶上，同時還會出現(xiàn)在回縮過程中把井式供料箱里的法蘭盤給一塊帶出來。所以這里設(shè)置一個等待時間為2 S，直接設(shè)置數(shù)字2就可以。在復(fù)位RESET完成后，也就是氣缸回到初始點后，再次將傳感器EXDI2設(shè)置為1，為下一次的推出做好準(zhǔn)備，之后的設(shè)置如同上面的順序操作即可，就可以再一次推出井式供料箱里的法蘭盤。

圖2 氣缸模塊的動作

當(dāng)工件到達傳送帶時，讓傳送帶帶著工件到達傳送帶的末端，這里有一個點需要注意，傳送帶在檢測到工件時如何起動運轉(zhuǎn)，在寫程序的過程中要對PLC I/O中對應(yīng)傳送帶馬達的輸出進行置1操作。同樣到達末端的時候進行置0操作。在傳送帶末端有一個傳感器檢測工件的到來，如果有工件到達，傳感器對應(yīng)的PLC輸入點置1操作，在這里應(yīng)該就完成了工件到末端的相應(yīng)流程[10]。但是由于傳感器的檢測范圍較大，在不同的距離都可以檢測到，檢測到以后就進行置0操作，也就是讓傳送帶及時停止，這樣可能工件并沒有到末端的合適位置。所以為了避免不同工件造成的移動位置誤差，需要在PLC輸入點置1操作后等待3 s，然后再進行置0，讓傳送帶停轉(zhuǎn)。讓工件在傳送帶末端穩(wěn)定下來。如果不設(shè)置延時時間，就會造成工件每次到達末端的位置都不一致，不利于下一項流程的位置定位。還有在這里傳送帶的轉(zhuǎn)速是由PLC控制，這里是一個典型的模擬量控制，為了運行平穩(wěn)，讓傳感器的信號來作為一個啟動開關(guān)，速度設(shè)置成一個固定值，不再隨條件變化數(shù)值的大小。

5 減速器控制取件

當(dāng)上面的流程結(jié)束后，就要使用減速器取走法蘭盤。通過控制工業(yè)機器人末端執(zhí)行器來完成動作。如圖3所示，完成末端執(zhí)行器的控制順序。需要操作的元件是法蘭盤，使用常見的弧口夾具很難夾取法蘭盤，其他夾具對柱形元件操作良好，但是對法蘭盤操作不友好。由于法蘭盤上面有一個光滑平面，可以使用真空吸盤夾具來操作。不同于夾取操作的末端執(zhí)行器，這個是通過PLC對控制吸盤的氣動裝置通過氣路管道來完成的。當(dāng)PLC收到抓取的信號，先打開氣路閥門，后通過示教器控制吸住并抓穩(wěn)法蘭盤，將工件移動到放置區(qū)域，再關(guān)閉氣路閥門，法蘭盤脫離末端執(zhí)行器，完成取件操作[11]。

圖3 末端執(zhí)行器的移位過程

幾點需要說明，真空發(fā)生器的觸發(fā)依然使用SET來設(shè)置，在抓取物件的時候要先在元件的上方找一個固定的點標(biāo)記下來，好確定回程。然后下移靠近法蘭盤，在啟動真空發(fā)生器，不要在物體上方的時候就啟用，這樣會使物體抓取的位置不在中心點，這里盡量靠近物體的中心點，再開啟真空發(fā)生器，這樣也方便放置元件的時候好確定位置，減少誤差。當(dāng)抓取到物體后按原來的路線返回，切勿發(fā)生移動，帶上元件在上移的過程中發(fā)生移動會很容易碰到周圍的物體造成取件失敗。同時在取件的速度設(shè)置上也是盡量控制在低速，讓動作的過程能夠穩(wěn)一點，不要發(fā)生對周圍物體的碰撞。一個比較理想的速度值可以設(shè)定為50，盡量不要過大。

HOME在這里并不是坐標(biāo)原點，而是每個關(guān)節(jié)的角度和值。也就是在設(shè)置ABSJ這個變量的時候要使用關(guān)節(jié)變量來設(shè)置目標(biāo)點。

6 坐標(biāo)確定

6.1 基坐標(biāo)

基坐標(biāo)在工業(yè)機器人的底座中心，是坐標(biāo)系的原點。X軸在右側(cè)，Y軸在X軸左側(cè)90°的方向上，于XOY平面垂直90°的是Z軸。

6.2 工件坐標(biāo)系

工件坐標(biāo)系在工業(yè)機器人的操作末端，示教的點是TCP，也就是T0點相對基坐標(biāo)的偏移量。如果工具不止一個可以再設(shè)置一個坐標(biāo)系T1，同時可以對這個點進行示教，也就是系統(tǒng)里面是可以允許多個工件坐標(biāo)系存在的，可以是Tn，只是新增加的坐標(biāo)系要重新進行示教。當(dāng)然這里T0、T1、Tn相對基坐標(biāo)的偏移量肯定會不一樣。但設(shè)置的時候要選擇一個確定的坐標(biāo)系。一般情況下，設(shè)置兩個坐標(biāo)系就可以了。

7 結(jié)束語

本文基于減速器控制的裝配流程算法探討，通過完成對裝配過程的設(shè)置，可以看出減速器在控制的過程中只要涉及到移動，就都會出現(xiàn)在控制過程里面。同時在設(shè)計的過程中還要熟知傳感器在PLC中的輸入接點，以及類似氣缸等輸出裝置的輸出接點[12]。同時要合理利用延時在控制系統(tǒng)中的作用。在末端執(zhí)行器的選擇上要根據(jù)實際的工件形狀來確定類型。通過以上的設(shè)計流程，可以在實操過程中很好地完成類似法蘭盤一類工件的裝配過程。針對工業(yè)機器人的實際操作也完成了對減速器的控制優(yōu)化。而在后續(xù)的控制算法上，可以繼續(xù)開展裝配流程算法方面的研究。