搬運機器人的操作應用技術(shù)

1、搬運機器人的操作應用技術(shù)1緒論1.1 引言當代科學技術(shù)發(fā)展的特點之一就是機械技術(shù)，電子技術(shù)和信息技術(shù)的結(jié)合，機 器人就是這種結(jié)合的產(chǎn)物之一。現(xiàn)代機器人都是由機械發(fā)展而來。與傳統(tǒng)的機器的 區(qū)別在于，機器人有計算機控制系統(tǒng)，因而有一定的智能，人類可以編制動作程 序，使它們完成各種不同的動作。隨著計算機技術(shù)和智能技術(shù)的發(fā)展，極大地促進 了機器人研究水平的提高?，F(xiàn)在機器人已成為一個龐大的家族，科學家們?yōu)榱藵M足 不同用途和不同環(huán)境下作業(yè)的需要，把機器人設(shè)計成不同的結(jié)構(gòu)和外形，以便讓他 們在特殊條件下出色地完成任務(wù)。機器人成了人類最忠實可靠的朋友，在生產(chǎn)建設(shè) 和科研工作中發(fā)揮著越來越大的作用。搬運機器人是

2、可以進行自動化搬運作業(yè)的工 業(yè)機器人。最早的搬運機器人出現(xiàn)在 1960年的美國，Versatran和Unimate兩種機 器人首次用于搬運作業(yè)。搬運作業(yè)是指用一種設(shè)備握持工件，是指從一個加工位置 移到另一個加工位置。搬運機器人可安裝不同的末端執(zhí)行器以完成各種不同形狀和 狀態(tài)的工件搬運工作，大大減輕了人類繁重的體力勞動。目前世界上使用的搬運機 器人愈10萬臺，被廣泛應用于機床上下料、沖壓機自動化生產(chǎn)線、自動裝配流水 線、碼垛搬運、集裝箱等的自動搬運。部分發(fā)達國家已制定出人工搬運的最大限 度，超過限度的必須由搬運機器人來完成。本文將從機器人的發(fā)展，現(xiàn)在研究現(xiàn)狀談起，并舉例說明機器人技術(shù)在生活中 的

3、意義和必要性，其中搬運機器人的運用更為突出，所以主要從機床上下料，貨物 搬運，采礦方面說明搬運機器人的工作原理和組成。并詳細在機器人的機構(gòu)，檢 測，控制方面深入理解并研究搬運機器人，最后并著眼于現(xiàn)實，展望未來，對未來 搬運機器人的發(fā)展趨勢作出探究，并作理論上的研究推測。1.2 工業(yè)機器人概述技術(shù)先進工業(yè)機器人集精密化、柔性化、智能化、軟件應用開發(fā)等先進制造技 術(shù)于一體，通過對過程實施檢測、控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理和決策，實現(xiàn)增加產(chǎn) 量、提高質(zhì)量、降低成本、減少資源消耗和環(huán)境污染，是工業(yè)自動化水平的最高體 現(xiàn)。技術(shù)升級工業(yè)機器人與自動化成套裝備具備精細制造、精細加工以及柔性生產(chǎn)等技術(shù)特點，是繼動力

4、機械、計算機之后，出現(xiàn)的全面延伸人的體力和智力的新一代生產(chǎn)工具，是實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)字化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化以及智能化的重要手段。應用領(lǐng)域廣泛工業(yè)機器人與自動化成套裝備是生產(chǎn)過程的關(guān)鍵設(shè)備，可用于制造、安裝、檢測、物流等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，并廣泛應用于汽車整車及汽車零部件、工程機械、軌道交通、低壓電器、電力、IC 裝備、軍工、煙草、金融、醫(yī)藥、冶金及印刷出版等眾多行業(yè)，應用領(lǐng)域非常廣泛。技術(shù)綜合性強工業(yè)機器人與自動化成套技術(shù)，集中并融合了多項學科，涉及多項技術(shù)領(lǐng)域，包括工業(yè)機器人控制技術(shù)、機器人動力學及仿真、機器人構(gòu)建有限元分析、激光加工技術(shù)、模塊化程序設(shè)計、智能測量、建模加工一體化、工廠自動化以及精細物流等先進制

5、造技術(shù)，技術(shù)綜合性強。機器人是自動執(zhí)行工作的機器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運行預先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動。它的任務(wù)是協(xié)助或取代人類工作的工作，例如生產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)，或是危險的工作。有些人認為，最高級的機器人要做的和人一模一樣，其實非也。實際上，機器人是利用機械傳動、現(xiàn)代微電子技術(shù)組合而成的一種能模仿人某種技能的機械電子設(shè)備，他是在電子、機械及信息技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。然而，機器人的樣子不一定必須像人，只要能獨立完成一些人類的技能或有一定危險性的工作，就屬于機器人大家族的成員。1.3 搬運機器人的種類機床上下料搬運機器人目前在機床加工行業(yè)中，要求加工精度高

6、、批量加工速度快導致生產(chǎn)線體自動化程度要有很大的提升，首先一點就是針對機床方面進行全方位自動化處理，使人力從中解放出來，直角坐標機器人目前在機床行業(yè)內(nèi)正在逐步大量使用，包括數(shù)控車床上下料機器人、數(shù)控沖床上下料機器人、數(shù)控加工中心上下料機器人等等。在用立加加工輪轂等大型零件時，負載可達幾十公斤重，其外形也大多是盤類件。這類加工件數(shù)量大，機床幾乎要24 小時運行。在歐美等發(fā)達國家早已采用機器手來自動上料和下料。要根據(jù)加工零件的形狀及加工工藝的不同，來采用不同的手爪抓取系統(tǒng)。而完成抓取，搬運和取走過程的運動機構(gòu)就是大型直角坐標機器人，它們通常就是一個水平運動軸（X軸）和上下運動軸（Z軸）。立式加工中

7、心上下料機器人 在被加工零件形狀和重量不同時，所采用的手爪形狀及結(jié)構(gòu)也不同，手爪的類型及尺寸要根據(jù)具體的零件及加工工藝來定。在德國幾乎所有批量加工都采用機器人自動上下料。但根據(jù)要加工工件的幾何形狀，加工工藝和工作節(jié)拍不同，所采取的手爪和機器人的型號也有所區(qū)別。如加工工件不同或加工工件時間較長，可選用不同的手爪結(jié)構(gòu)，用單臺機器人對多臺機床進行上下料，或是多臺機器人聯(lián)機上下料實現(xiàn)自動化生產(chǎn)線過程。無論多臺機器人同步工作，還是單臺機器人獨立工作，但其本質(zhì)是相近的，由于直角坐標機器人非常適合各種機床上下料應用，它不僅比其它的機器人成本低，而且效率更高，必將被在更多的行業(yè)被更廣泛的應用。物料搬運機器人搬

8、運機器人在實際的工作中就是一個機械手，機械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機具進行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機械工業(yè)的重視。機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了

9、能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛 的引用。1.4 研究意義與必要性在發(fā)達國家中，工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)線成套設(shè)備已成為自動化裝備的主流機器人發(fā)展前景及未來的發(fā)展方向。國外汽車行業(yè)、電子電器行業(yè)、工程機械等行業(yè)已經(jīng)大量使用工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)線，以保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，同時避免了大量的工傷事故。全球諸多國家近半個世紀的工業(yè)機器人的使用實踐表明，工業(yè)機器人的普及是實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，提高社會生產(chǎn)效率，推動企業(yè)和社會生產(chǎn)力發(fā)展的有效手段。機器人技術(shù)

10、是具有前瞻性、戰(zhàn)略性的高技術(shù)領(lǐng)域。國際電氣電子工程師協(xié)會IEEE的科學家在對未來科技發(fā)展方向進行預測中提出了4個重點發(fā)展方向，機器人技術(shù)就是其中之一。1990 年 10 月，國際機器人工業(yè)人士在丹麥首都哥本哈根召開了加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機械工業(yè)的重視。機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱

11、通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。一次工業(yè)機器人國際標準大會，并在這次大會上通過了一個文件，把工業(yè)機器人分為四類：順序型：這類機器人擁有規(guī)定的程序動作控制系統(tǒng)；沿軌跡作業(yè) 型：。這類機器人執(zhí)行某種移動作業(yè)，如焊接。噴漆等；遠距作業(yè)型：比如在月 球上自動工作的機器人；智能型：這類機器人具有感知、適應及思維和人機通信 機能。根據(jù)日本政府2007 年指定的一份計劃，日本2050年工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達到 1.4 兆日元，擁有百萬工業(yè)機器人。按照一個工業(yè)機器人等價于10 個勞動力的標準，百萬工業(yè)機器人相當于千萬勞動力，是

12、目前日本全部勞動人口的15%。我國工業(yè)機器人起步于70 年代初，其發(fā)展過程大致可分為三個階段：70 年代的萌芽期；80 年代的開發(fā)期；90 年代的實用化期。而今經(jīng)過20 多年的發(fā)展已經(jīng)初具規(guī)模。目前我國已生產(chǎn)出部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出弧焊、點焊、碼垛、裝配、搬運、注塑、沖壓、噴漆等工業(yè)機器人。一批國產(chǎn)工業(yè)機器人已服務(wù)于國內(nèi)諸多企業(yè)的生產(chǎn)線上；一批機器人技術(shù)的研究人才也涌現(xiàn)出來。一些相關(guān)科研機構(gòu)和企業(yè)已掌握了工業(yè)機器人操作機的優(yōu)化設(shè)計制造技術(shù)；工業(yè)機器人控制、驅(qū)動系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)；機器人軟件的設(shè)計和編程技術(shù)；運動學和軌跡規(guī)劃技術(shù)；弧焊、點焊及大型機器人自動生產(chǎn)線與周邊配套設(shè)備的開發(fā)和制備技

13、術(shù)等。某些關(guān)鍵技術(shù)已達到或接近世界水平。一個國家要引入高技術(shù)并將其轉(zhuǎn)移為產(chǎn)業(yè)技術(shù)（產(chǎn)業(yè)化），必須具備5 個要素：機器、材料、人力資源、管理、市場。和有著“機器人王國”之稱的日本相比，我國有著截然不同的基本國情，那就是人口多，勞動力過剩。刺激日本發(fā)展工業(yè)機器人的根本動力就在于要解決勞動力嚴重短缺的問題。所以，我國工業(yè)機器人起步晚發(fā)展緩。但是正如前所述，廣泛使用機器人是實現(xiàn)工業(yè)自動化，提高社會生產(chǎn)效率的一種十分重要的途徑。我國正在努力發(fā)展工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)，引進國外技術(shù)第 10 頁 （共 27 頁 ）和設(shè)備，培養(yǎng)人才，打開市場。日本工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的輝煌得益于本國政府的鼓勵 政策，我國在十一五綱要中也體

14、現(xiàn)出了對發(fā)展工業(yè)機器人的大力支持。由此可知機 器人的研究具有深遠的意義和必要性。2 搬運機器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析2.1 國外研究現(xiàn)狀機器人操作機：通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法的運用，機器人操作機已實現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計。以德國KUK公司為代表的機器人公司，已將機器人并聯(lián)平行四邊形結(jié)構(gòu)改為開鏈結(jié)構(gòu)，拓展了機器人的工作范圍，加之輕質(zhì)鋁合金材料的應用，大大提高了機器人的性能。此外采用先進的RV減速器及交流伺服電機，使機器人操作機幾乎成為免維護系統(tǒng)。并聯(lián)機器人：采用并聯(lián)機構(gòu)，利用機器人技術(shù)，實現(xiàn)高精度測量及加工，這是機器人技術(shù)向數(shù)控技術(shù)的拓展，為將來實現(xiàn)機器人和數(shù)控技術(shù)一體化奠定了基礎(chǔ)。意

15、大利COMAU司，日本FANUC?公司已開發(fā)出了此類產(chǎn)品?？刂葡到y(tǒng)：控制系統(tǒng)的性能進一步提高，已由過去控制標準的 6 軸機器人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制21 軸甚至27 軸，并且實現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。人機界面更加友好，基于圖形操作的界面也已問世。編程方式仍以示教編程為主，但在某些領(lǐng)域的離線編程已實現(xiàn)實用化。傳感系統(tǒng)：激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機器人系統(tǒng)中已得到成功應用，并實現(xiàn)了焊縫自動跟蹤和自動化生產(chǎn)線上物體的自動定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應性。日本 KAWASAKIYASKAWAFANU0口瑞典ABB德國KUKA REIS等公司皆推出了此類產(chǎn)品。網(wǎng)絡(luò)

16、通信功能：日本 YASKAWA德國KUK、公司的最新機器人控制器已實現(xiàn)了與Canbus、 Profibus 總線及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接，使機器人由過去的獨立應用向網(wǎng)絡(luò)化應用邁進了一大步，也使機器人由過去的專用設(shè)備向標準化設(shè)備發(fā)展?？煽啃裕河捎谖㈦娮蛹夹g(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應用，使機器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過去機器人系統(tǒng)的可靠性MTBFd!殳為幾千小時，而現(xiàn)在已達到5 萬小時，幾冬天可以滿足任何場合的需求。2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國工業(yè)機器人是從二十世紀八十年代開始起步，經(jīng)過二十多年的努力，已經(jīng)形成了一些具有競爭力的工業(yè)機器人研究機構(gòu)和企業(yè)。先后研發(fā)出弧焊、電焊、裝配、搬運、注塑、沖壓及噴

17、漆等工業(yè)機器人。近幾年，我國工業(yè)機器人及含工業(yè)機器人的自動化生產(chǎn)線相關(guān)的產(chǎn)品的年銷售額已突破10 億元。目前國內(nèi)市場年需求量在 3000臺左右，年銷售額在20億元以上。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，中國市場上工業(yè)機器人總共擁有量盡萬臺，占全球總的0.56%，其中完全國產(chǎn)工業(yè)機器人（行業(yè)規(guī)模比較大的前三家工業(yè)機器人企業(yè)） 行業(yè)集中度占30%左右，其余都是從日本、美國、瑞典、德國、意大利等20 多個國家引進的。國產(chǎn)工業(yè)機器人目前主要以國內(nèi)市場應用為主，年出口量為100 臺左右，年出口額為0.2 億元以上。目前，工業(yè)機器人的應用領(lǐng)域主要有弧焊、點焊、裝配、搬用、噴漆、檢測、碼垛、研磨拋光和激光加工等復雜作業(yè)。在我國

18、，工業(yè)機器人的最初應用是在汽車和工程機械行業(yè)，主要用于汽車及工程機械的噴涂及焊接。目前，由于機器人技術(shù)及研發(fā)的落后，工業(yè)機器人還主要應用在制造業(yè)，非制造業(yè)使用的較少。據(jù)不完全統(tǒng)計，近幾年國內(nèi)廠家所生產(chǎn)的哦工業(yè)機器人有超過一半是提供給汽車行業(yè)。由此可見，汽車工業(yè)的發(fā)展是近幾年我國工業(yè)機器人增長的原動力之一。進入80 年代后，在高技術(shù)浪潮的沖擊下，隨著改革開放的不斷深入，我國機器人技術(shù)的開發(fā)與研究得到了政府的重視與支持?！捌呶濉逼陂g，國家投入資金，對工業(yè)機器人及其零部件進行攻關(guān)，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機器人成套技術(shù)的開發(fā)，研制出了噴涂、點焊、弧焊和搬運機器人。1986 年國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（86

19、3 計劃）開始實施，智能機器人主題跟蹤世界機器人技術(shù)的前沿，經(jīng)過幾年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特種機器人。從90 年代初期起，我國的國民經(jīng)濟進入實現(xiàn)兩個根本轉(zhuǎn)變時期，掀起了新一輪的經(jīng)濟體制改革和技術(shù)進步熱潮，我國的工業(yè)機器人又在實踐中邁進一大步，先后研制出了點焊、弧焊、裝配、噴漆、切割、搬運、包裝碼垛等各種用途的工業(yè)機器人，并實施了一批機器人應用工程，形成了一批機器人產(chǎn)業(yè)化基地，為我國機器人產(chǎn)業(yè)的騰飛奠定了基礎(chǔ)。在機器人的單元技術(shù)和基礎(chǔ)元部件開發(fā)方面：諸如交直流伺服電機及其驅(qū)動系統(tǒng)、測速發(fā)電機、光電編碼器、液壓元部件等均開發(fā)出一些樣機和產(chǎn)品。但這些元部件距批量化生產(chǎn)還有一

20、段距離。在機器人裝置方面：以開發(fā)出具有雙CPU多CPU和分級控制的機器人控制裝置多臺，主控計算機的檔次也逐漸升級。在機器人操作方面機制方面：已開發(fā)出一些先進的操作機和特種機器人，如 AVG壁面爬行機器 人，重復定位精度為0.024mm的裝配機器人，可潛入海底 6000m的水下機器人，移 動機器人，移動遙控機器人等，有些已達到實用化水平并應用于實際工程。在應用工程方面：目前國內(nèi)已建立了多條弧焊機器人生產(chǎn)線，裝配機器人生產(chǎn)線，噴涂生產(chǎn)線和焊接生產(chǎn)線。國內(nèi)的機器人技術(shù)研發(fā)力量已達到國際同類產(chǎn)品的先進水平，而整體價格僅為國外同類產(chǎn)品的三分之二甚至一半，具有很好的性能價格比和市場競爭力。3 搬運機器人的

21、關(guān)鍵技術(shù)分析3.1 自動柔性機床上下料搬運機器人現(xiàn)場布局功能描述該系統(tǒng)使用1臺機器人完成服務(wù)5臺機床進行上下料的作業(yè)，系統(tǒng)描述如下1臺FANNUC R-2000iiB/165F 機器人：安裝于行走軸上，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的上下料動 作1個機器人手爪：基于機器人專用手爪單元開發(fā)的手爪，非常適用于工件一致性 不好的使用情況，并有較高的定位精度和抓持穩(wěn)定性，定位精度高、耐用性好維護 簡單的優(yōu)點。1個長11m的行走軸：在行走軸導軌上安裝一臺工業(yè)機器人，最大運動速度為 1.5米/秒，使用FANU刎服電機驅(qū)動，具有重復定位精度高、響應速度快、運行平 穩(wěn)、可靠等特點，并專門設(shè)計了防塵罩，保護導軌，直線軸承以及齒條

22、等運動部件 服電機驅(qū)動，大大提高了可靠性和使用壽命。在實際應用中，導軌安裝于兩條生產(chǎn) 線機床的中心線上，所安裝的工業(yè)機機器人運動范圍完全覆蓋5臺機床以蓋以及上下料滑臺區(qū)域。從而實現(xiàn)了 1臺機器人服務(wù)5臺機床進務(wù)進行上下料作業(yè)。手R營走穩(wěn)2臺上下料滑臺：每個上下料滑臺上有 4個托盤，每個托盤分別可以存放一個 工件。實現(xiàn)待加工工件的上料，以及加工完成工件的下料。在該系統(tǒng)中，由于使用 了視覺技術(shù)，因此上下料滑臺無需工件的定位裝置。FANUC iR Vision 2DV視覺系統(tǒng)：該視覺系統(tǒng)由一個安裝于手爪上的2D攝像頭完成視覺數(shù)據(jù)采集。該視覺系統(tǒng)作為待加工工件準確抓取的定位方式，省去通 常為滿足機器人

23、的準確抓取而必須采用的機械預定位夾具，具有很高的柔性，使得 在加工中心上可以非常容易地實現(xiàn)多產(chǎn)品混合生產(chǎn)。FANUC iR Vision 3DL視覺系統(tǒng)：該視覺系統(tǒng)由一個安裝于地面上的3D LaserSensor完成視覺數(shù)據(jù)采集。該視覺系統(tǒng)解決了定位面有偏差的工件上料位置變化問 題。由于待加工工件為毛坯件，機器人抓取工件后，上料的定位孔位置會發(fā)生變 化，甚至工件上料時的平面度也有變化。該技術(shù)可以自動補償位置變化，實現(xiàn)高精 度上料。第12頁（共27頁）3DL視覺支架電氣控制系統(tǒng)：運用人機界面對整個系統(tǒng)的的運行狀態(tài)進行監(jiān)控，采采用三菱Q系PLC控制器，并使用工業(yè)現(xiàn)場總線實現(xiàn)系統(tǒng)中實時和非實時數(shù)據(jù)的

24、傳輸，具有高 度可靠性和可維護性。安全設(shè)備采用門開關(guān)，作為機器人工作區(qū)域的安全防護，完全做到人機隔離，確保系統(tǒng)在自動運行中的人員安全。該套設(shè)備的應用極大地提高了產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性，節(jié)省了大批人工，提高了企業(yè)的自動化水平，減少了企業(yè)的勞動力成本支出，提高了產(chǎn)品的市場競爭力。無夾具定位工件的自動柔性搬運：隨著國家和社會的進步，對機械產(chǎn)品的加工也提出了更高的要求，促進了機床加工技術(shù)的不斷提高，同時對機床在加工過程中工件的上下料方式也提出了更高的的要求，現(xiàn)代機械產(chǎn)品的的加工具有自動化程度高、安全文明、環(huán)保性好（噪音?。嵱眯詮姷蕊@著特點和優(yōu)勢，以機器人在機械加工中的自動動化應用為代表，在各個加工領(lǐng)域的

25、應用越來越廣，將成為現(xiàn)代機械加工的主流輔助設(shè)備。在國外，在機械產(chǎn)品的加工中使用機器人已經(jīng)非常普遍，它具有速度快、柔性高、效能高、精度高、無污染等優(yōu)點，是一種非常成熟的機械加工輔助手段，機器人對無定位工件的自動柔性搬運系統(tǒng)的工作原理，就是利用高清晰攝像頭（vision 系統(tǒng)）實現(xiàn)對無定位工件的準確位置判斷，在機器人收到信號后，機器人裝上為工件定制的專用手爪去可靠的抓取工件，在與機床進行通訊得到上料請求后，最終完成機床的上下料。在各種機械加工行業(yè)中該系統(tǒng)應用廣泛。使用機器人對無夾具定位工件的自動柔性搬運系統(tǒng)可以使生產(chǎn)流水線更加簡單易于維護，并大幅度降低工人的勞動強度，效率和柔性又比較高。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

26、簡單、安全文明、無污染，能在各種機械加工場合進行應用，滿足了高效率、低能耗的生產(chǎn)要求。在國內(nèi)的機械加工，目前很多都是使用專機或人工進行機床上下料的方式，這在產(chǎn)品比較單一、產(chǎn)能不高的情況下是非常適合的，但是隨著社會的進步和發(fā)展，科技的日益進步，產(chǎn)品更新?lián)Q代加快，使用專機或人工進行機床上下料就暴露出了很多的不足和弱點，一方面專機占地面積大，結(jié)構(gòu)復雜、維修不便，不利于自動化流水線的生產(chǎn)；另一方面，它的柔性不夠，難以適應日益加快的變化，不利于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整；其次，使用人工會造成勞動強度的增加，容易產(chǎn)生工傷事故，效率也比較低下，且使用人工上下料的產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性不夠，不能滿足大批量生產(chǎn)的需求。使用機器人

27、自動柔性搬運系統(tǒng)就可以解決以上問題，該系統(tǒng)具有很高的效率和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，柔性較高且可靠性高，結(jié)構(gòu)簡單更易于維護，可以滿足不同種類產(chǎn)品的生產(chǎn)，對用戶來 說，可以很快進行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整和擴大產(chǎn)能，并且可以大大降低產(chǎn)業(yè)工人的勞動 強度。在這種趨勢下，對機器人自動柔性搬運系統(tǒng)的需求會大量增加。FANUC iR Vision 2DV視覺系統(tǒng)主要是通過視覺系統(tǒng)軟件設(shè)置，建立視覺 畫面上的點位與機器人位置相對應關(guān)系。對工件進行視覺成像，與已標定的工件進 行比較，得出偏差值，即機器人抓放位置的補償值，實現(xiàn)機器人自動抓放。該技術(shù) 實現(xiàn)了機器人在無夾具定位工件情況下的自動柔性搬運。在該上下料系統(tǒng)中，待加 工工件

28、形狀復雜，用夾具進行定位非常復雜，同時不利于以后同類新產(chǎn)品的擴展。 在應用了 FANUC iRVision 2DV視覺系統(tǒng)后，待加工工件只需放置于上下料滑 臺無定位裝置的托盤上，實際情況為待加工工件可以在托盤上移動正負2厘米以及旋轉(zhuǎn)正負30度。這樣大大減少了在上下料滑臺上的設(shè)計工作，保證了系統(tǒng)的擴展功 能。原理：選一個待加工工件作為初始工件，通過 2DV視覺軟件對該工件在攝像 頭中的畫面點位與機器人示教點位的關(guān)系進行標定，同時完成初始工件的特征標 定。示教完成的抓取程序為初始工件初始位置的抓取位置，此時工件抓取偏差值為 零。當工件平移或者旋轉(zhuǎn)后，位置與初始工件的位置發(fā)生變化。通過2DV軟件，機

29、器人能夠計算出位置變化量X、Y、R機器人把該偏差值存入位置寄存器PR中。此時機器人可以通過把偏差值PR補償?shù)匠跏甲ト∥恢脕韺崿F(xiàn)工件的抓取。第19頁（共27頁）電腦與機器人用網(wǎng)線連通A打開IE,輸入機器人IP ,進入Vision Setup 設(shè)置界面CameraCalibationg Tools 設(shè)置，標準工件特 征標定，參數(shù)設(shè) 置，機器人抓取標準工件程序?qū)崝?shù)運行2D/3D視覺Camera Setup Tools設(shè)置，建 立2D攝像設(shè)置 工具I專用程序，完成 機器人自動抓取 工作Camera Calibrationg Tools設(shè)置機器人 位置與攝像畫面位 置關(guān)系標定補充：在該上下料的應用中只有

30、一種工件，當有多種工件時，2DV視覺系統(tǒng)可以視以根據(jù)不同的工件進行多次特征標定，實現(xiàn)多種工件之間的切換調(diào)用。大大提高了 系統(tǒng)的可擴展性，柔性度高。3D視覺定位技術(shù)應用于機器人上料至機床。攝像頭安裝位置：固定在3DL視覺支架上。該技術(shù)解決了定位面有偏差的工件上料位置變化問題。由于加工工件為毛坯 件，機器人抓取工件后，上料的定位孔位置會發(fā)生變化，甚至工件上料時的平面度 也有變化。對于此種情況況，在沒有 3D視覺系統(tǒng)DL的情況下，機器人是無法實現(xiàn) 對工件的準確上料。原理：選一個毛坯件作為初始工件，通過 3DL視覺軟件對該工件在攝像頭中的畫面 點位與機器人示教點位的關(guān)系進行標定，同時完成初始工件的特征

31、標定。示教完成 的上料程序為初始工件初始位置的上料位置，此時工件上料偏差值為零。當抓取其 它毛坯件后，定位孔位置以及工件的平面度發(fā)生變化。通過3DL軟件，機器人能夠計算出位置變化量X、Y、 Z、W P、R。機器人把該偏差值存入位置寄存器 PR中。此時機器人可以通過把偏差 PR補償?shù)匠跏忌狭衔恢脕韺崿F(xiàn)工件的上料。補充：22DV攝像頭計算平面變化量,3DL是通過攝像頭和激光綜合計算空間變 化量，實際上是通過2DV與激光技術(shù)的綜合應用。該技術(shù)的應用大大增加了系統(tǒng) 設(shè)計的可行性，尤其是在遇到定位面有偏差的工件設(shè)計時。軟浮動功能（Soft Float ）應用于工件抓取和機器人機床上、下料步驟。該項目中機

32、器人手爪抓取待加工工件位置在毛坯面，各個毛坯件抓取位置與定 位孔位置都有差異。雖然有2DVB覺補償，但是毛坯面不能作為特征量，導致在機 器人手爪抓取工件的位置在不停的變化，機器人無法補償此偏差。以下是由于毛坯 面與定位孔位置變化帶來的問題：1 .工件在托盤內(nèi)，機器人抓取后，由于毛坯面帶來的偏差，導致工件在手爪抓 取時有移動，偏差大時與托盤有摩擦；2 .機器人從機床下料時，由于毛坯面帶來的偏差，導致手抓不能完全貼合毛坯 面，即使強硬貼合上，在工件脫離定位銷時會有嚴重的摩擦，導致碰撞報警；說明：軟浮動功能在開啟后，機器人可以受外力改變姿態(tài)，改變大小可以通過 參數(shù)設(shè)置。手爪在抓取毛坯件時可以根據(jù)毛坯

33、面改變姿態(tài)，達到完全貼合，避免碰 撞和摩擦。補充：該項目中，工件定位孔與機床定位銷（錐形）之間的配合精度達到0.01 毫米。機器人本身的重復精度大于0.01 毫米，導致工件上料位置偏差。此時應用軟浮動功能，機器人抓取工件運行到定位銷錐度部位，由機床夾具夾 緊，機器人通過軟浮動移動至上料位置，實現(xiàn)上料過程。3.2物料搬運機器人執(zhí)行機構(gòu)1 .手部手部既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié) 構(gòu)簡單）。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可 以用負壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。傳力機構(gòu)形式較多，常用的有

34、：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔 杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。本次設(shè)計的手部選擇夾持類 回轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)手部。本次設(shè)計的搬運機器人手部執(zhí)行部件如圖 5。Frn：圖5如圖5的機構(gòu)簡圖，手部執(zhí)行依靠桿的伸縮運動來實現(xiàn)其張合運動，桿的動力 源來自后續(xù)驅(qū)動源的液壓缸，該液壓缸采用的是伸縮式液壓缸，該液壓缸能夠節(jié)省 橫向的工作空間。2 .腕部腕部是連接手部和臂部的部件，并可用來調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴大機械手 的動作范圍，并使機械手變的更靈巧，適應性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉(zhuǎn) 運動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運動再增加一個上下擺動即可滿足 工作要求，有些動作較為簡單的專用機械

35、手，為了簡化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直 接用臂部運動驅(qū)動手部搬運工件。目前，應用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸，它的結(jié)構(gòu)緊 湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度?。ㄒ话阈∮?270）,并且要求嚴格密封，否則就難保證穩(wěn)定 的輸出扭矩。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結(jié) 構(gòu)。本次設(shè)計的搬運機器人的腕部是實現(xiàn)手部 180的旋轉(zhuǎn)運動。設(shè)計的搬運機器人 的腕部的運動為一個自由度的回轉(zhuǎn)運動，運動參數(shù)是實現(xiàn)手部回轉(zhuǎn)的角度控制在1800范圍內(nèi)，其基本的結(jié)構(gòu)形式如圖6所示。圖6腕部的驅(qū)動方式采用直接驅(qū)動的方式，由于腕部裝在手臂的末端，所以必須設(shè) 計的十分緊湊可以把驅(qū)動源裝在手腕上。機器人手部的

36、張合是由雙作用單柱塞液壓 缸驅(qū)動的；而手腕的回轉(zhuǎn)運動則由回轉(zhuǎn)液壓缸實現(xiàn)。將夾緊活塞缸的外殼與擺動油 缸的動片連接在一起；當回轉(zhuǎn)液壓缸中不同的油腔中進油時即可實現(xiàn)手腕不同方向 的回轉(zhuǎn)。3 .臂部手臂部件是機械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或 夾具），并帶動他們做空間運動。臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內(nèi)任意一點。如果改變手部的姿態(tài) （方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有三個自由度才能 滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運動。手臂的各種運動通常用驅(qū)動機構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機構(gòu)來實 現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既

37、受腕部、手部和工件的靜、動載荷，而 且自身運動較為多，受力復雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小 和定位精度直接影響機械手的工作性能。本次設(shè)計實現(xiàn)臂部的上下移動、前后伸 縮、以及臂部的回轉(zhuǎn)運動。手臂的運動參數(shù)：伸縮行程：1200mm伸縮速度：83mm/s升降彳T程：300mm升降速度：67mm/s回轉(zhuǎn)范圍：1800。機器人手臂的 伸縮使其手臂的工作長度發(fā)生變化，在圓柱坐標式結(jié)構(gòu)中，手臂的最大工作長度決 定其末端所能達到的圓柱表面直徑。伸縮式臂部機構(gòu)的驅(qū)動可采用液壓缸直接驅(qū) 動。4 .機座機座是機身機器人的基礎(chǔ)部分，起支撐作用。對固定式機器人，直接聯(lián)接在地 面上，對可移動式機器人，則

38、安裝在移動結(jié)構(gòu)上。機身由臂部運動（升降、平移、 回轉(zhuǎn)和俯仰）機構(gòu)及其相關(guān)的導向裝置、支撐件等組成。并且，臂部的升降、回轉(zhuǎn) 或俯仰等運動的驅(qū)動裝置或傳動件都安裝在機身上。臂部的運動越多，機身的結(jié)構(gòu) 和受力越復雜。本次畢業(yè)設(shè)計的搬運機器人的機身選用升降回轉(zhuǎn)型機身結(jié)構(gòu)；臂部 和機身的配置型式采用立柱式單臂配置，其驅(qū)動源來自回轉(zhuǎn)液壓缸。驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動機構(gòu)是搬運機器人的重要組成部分。根據(jù)動力源的不同，工業(yè)機械手的驅(qū)動機構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅(qū)動等四類。液壓驅(qū)動壓力高，可獲得 大的輸出力，反應靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，維修方便，但是，液壓元件成本高，油路比較復雜3 。氣動驅(qū)動壓力低，輸出力較小如

39、需要輸出力大時，其結(jié)構(gòu)尺寸過大，阻尼效果差低速不易控制，但結(jié)構(gòu)簡單，能源方便，成本低。電動機驅(qū)動有：異步電動機、步進電動機為動力源，電動機使用簡單，且隨著材料性能的提高，電動機性能也逐漸提高?？刂葡到y(tǒng)1 . 機械手控制系統(tǒng)組成由于取工件和堆放工件都有定位精度要求，所以在機械手控制中，除了要對垂直手臂滑塊氣缸、氣爪等普通氣缸進行控制外，還要涉及到對水平手臂氣缸以及機械手腰部回轉(zhuǎn)的伺服控制。其中，機械手水平手臂氣缸的伺服控制采用氣動比例伺服控制系統(tǒng); 機械手的回轉(zhuǎn)控制則采用三相混和式步進電機及其控制系統(tǒng)。考慮到機械手工作的穩(wěn)定性、可靠性以及各種控制元器件連接的靈活性和方便性，對這種混合驅(qū)動機械手采

40、用PLC作為核心控制器，上述各控制對象都必須在 PLC的統(tǒng)一控制 下協(xié)同工作，PLC采用日本三菱公司的FX2N-32M即PLC（16點輸入、16點輸出）。步進電機選用深圳白山機電公司的 BS110HB3L142-0即三相混合式步進電機， 最大扭矩：12Nm;保持轉(zhuǎn)矩：13.5Nm;額定電流4.2A。步進電機驅(qū)動器性能的優(yōu)劣，直 接關(guān)系到步進電機的正常運行，必須合理選配。為此，我們?nèi)赃x擇白山公司與 BS110三相混合式步進電機配套的 Q3HB220疇角度恒力矩細分型驅(qū)動器，定位精度 可達30000步 /轉(zhuǎn)。為了確保步進電機控制的穩(wěn)定性、可靠性以及便于日后維護，我們選擇與FX2N系列PLC配套的脈

41、沖發(fā)生單元FX2N-1Pm為步進電機驅(qū)動器的控制 單元2。PLC通過擴展電纜、控制信號以及 FROM/T時令對1PG進行控制，向1PG 發(fā)出定位命令，然后由1PG通過向步進電機驅(qū)動器卒&出指定數(shù)量的脈沖（最大 100KPPS來具體執(zhí)行這個定位命令,從而最終實現(xiàn)PLC對步進電機的伺服定位控制，既提高了控制的靈活性和可靠性, 又便于控制程序的編寫。FX2N-1PG勺FP和RP分別與步進電機的DR利PU-端子相連，表示輸出脈沖類 型分別為前向脈沖和反向脈沖。1PG的DO郵為確定步進電機原點位置時所用。在 調(diào)試時，當步進電機接近原點位置時，應通過此端對應的按鈕接通24V電源，從而使步進電機開始

42、以原點返回速度（ 爬行速度 ） 轉(zhuǎn)動，以便在到達設(shè)定的原點位置時方便于PG啾的控制。PG0和PG0為步進電機到達原點位置時的停轉(zhuǎn)控制信號，需外 加一個5V電源，正端接PG0+負端通過開關(guān)K與PG0相連。當步進電機在DOG言 號的控制下緩慢轉(zhuǎn)動到達設(shè)定的原點位置時，可通過手動或行程開關(guān)觸發(fā)PG0和PG0-,使兩端接通5V電源，于是電機停轉(zhuǎn)，并將原點位置記錄下來，存貯在1PG的BFM#2的#27這2個寄存器中，作為PLC對步進電機進一步控制的基準和重要參 數(shù)。氣動比例伺服控制系統(tǒng)采用德國 Festo公司的相關(guān)產(chǎn)品，主要由HM座標氣缸、伺 服定位控制器SPC20CW及與之配套的內(nèi)置位移傳感器 MLO

43、-POT-0225氣動伺服閥 MPYE-5-1/8-LF-010-B和伺服定位控制連接器 SPC-AIF-POT等裝置組成。在圖2的 控制系統(tǒng)硬件接線中，主要涉及其中 SPC200勺DIO數(shù)字量I/O模塊的接線3。從 該圖中可見，一方面 PLC通過輸出端 Y0-Y3控制SPC200勺定位指令（RecordSelect 工作方式）記錄號選取，并通過 Y6啟動伺服定位；另一方面SPC200Z通過定位任務(wù) 完成信號Q0.4（MC-A）將定位執(zhí)行情況反饋到PLC的輸入端X12,以便于PLC的程序 控制。在滑塊氣缸和氣爪上都安裝有磁性開關(guān)傳感器，用于檢測氣缸活塞的位置。通過這些傳感器的信號，并結(jié)合步進電

44、機和氣動伺服的啟停信號，在PLC的控制下，就能夠?qū)瑝K氣缸和氣爪對應的電磁閥進行控制，進而實現(xiàn)氣缸的動作。2 .控制系統(tǒng)PLC程序設(shè)計步進電機初始化控制程序，PLC與1PG間通過FROM/T時令進行聯(lián)系。通過TO 指令，PLC將控制命令及參數(shù)寫入1PG的緩存，而在1PG控制下，步進電機的運行 狀態(tài)則由PLC通過FROM!令讀入，以便程序處理。在圖 3所示的部分步進電機初始 化程序中，PLC一旦通電運行，便在每一個循環(huán)執(zhí)行周期中將其MgM15寄存器的內(nèi)容寫入1PG的操作命令緩存" BFM#25中，控制1PG的工作。同時，PLC還不斷 從1PG的“BFM#28、“BFM#27和“ BFM

45、#26緩存中讀入步進電機的運行狀態(tài)和 當前位置值，以便在邏輯控制中通過對這些輸入值的處理來進一步控制機械手的動作。按設(shè)計要求，同類型工件每4 個為一組放置，兩種工件各自的堆放順序不能互相干擾。因此，同類型的4個工件搬運為一個基本循環(huán)，在各自的工件循環(huán)中分別設(shè)置了相應的工件計數(shù)標志位 機械手傳送系統(tǒng)輸入和輸出點分配表 Tab 41 manipulator transmission system input and output point distribu tion list第 21 頁 （共 27 頁 ）名稱輸入（輸出）名稱輸入（輸出）名稱輸入（輸出）啟動X0縮回限位X11手腕正轉(zhuǎn)Y5下限位X

46、1手腕反轉(zhuǎn)X13小臂伸出Y6夾緊工件X2底座反轉(zhuǎn)X10松開Y7上限位X3小臂縮回Y0底座止傳X4下降Y1手腕反轉(zhuǎn)Y10手腕正轉(zhuǎn)X5夾緊Y2底座反轉(zhuǎn)Y11伸出限位X6Y3停止X12手爪松開X7底座正轉(zhuǎn)Y4PLC的構(gòu)成及工作原理 可編程邏輯控制器（PLQ又稱可編程控制器。它是在 工業(yè)環(huán)境中使用的數(shù)字操作的電子系統(tǒng)。它使用可編程存儲器存儲用戶設(shè)計的程序 指令，這些指令用來實現(xiàn)邏輯運算、順序操作、定時、計數(shù)及算術(shù)運算和通過數(shù)字 或模擬輸入，輸出來控制各種機電一體化，程序可變、抗干擾能力強、可靠性高、 功能強、體積小、耗電低，特別是易于、價格便宜等特點，具有廣泛的應用前景。 正是基于PLC這些特點，遠遠

47、可以滿足該套工業(yè)機械手的要求。搬運機器人順序功 能圖，如圖7|Mx HyT| 下降X下院位 南下“去常 石:已夾罌 宦T匚|上升 上限位樂底座正轉(zhuǎn) 底座正底手橫正轉(zhuǎn)一Xi手機正轉(zhuǎn)1 HU |IYti 1小智例出 十學悻出限位|施小一| Yi |根開 J Xm松開 Mzr Hv°n小皆墻同匹® * 一一小手脫反轉(zhuǎn)I Ml. | 7J1巨，諄M? X io圖7順序功能圖PLC的選擇可編程邏輯控制器（PLC是在工業(yè)環(huán)境中使用的數(shù)字操作的電子 系統(tǒng)，又稱可編程控制器。它使用可編程存儲器存儲用戶設(shè)計的程序指令，這些指 令用來實現(xiàn)邏輯運算、順序操作、定時、計數(shù)及算術(shù)運算和通過數(shù)字或模擬

48、輸入/輸?shù)?6頁（共27頁）出來控制各種機電一體化，程序可變、抗干擾能力強、可靠性高、功能強、體積 小、耗電低，特別是易于控制、價格便宜等特點，具有廣泛的應用前景。PLC的按以下方式選擇：1、I/O點數(shù)的估算根據(jù)分析的結(jié)果，進行統(tǒng)計估算，F(xiàn)1-40系列選擇主機I/O點數(shù)為13/10。2、容量計算內(nèi)存容量指的是用戶程序的容量。最大 I/O點數(shù)為120, 一股指令的條數(shù)為I/O 點數(shù)的10-12倍左右，PLC的容量不得小于此要求。 根據(jù)所選的PLC1N-40系列的 內(nèi)部元件及輸入輸出的相關(guān)元件、設(shè)備，編制出 I/O外部接線圖如圖4-2所示啟動下限位 支務(wù)工件 上用定底座正簿 手癡正轉(zhuǎn) 何出限過 手

49、服松開 冷叵限吟 手IS反禱 底座炭轉(zhuǎn)月山LUMCOMl° ti ll4y,!L3看vT*P-D下降夾圈上升底座正轉(zhuǎn)111F即上4口而“Lis%Y*去Y*口力4¥«口YhHI竽腕正轉(zhuǎn) 小臂林出 松開小曾縮回 手腕反轉(zhuǎn) 底摩反轉(zhuǎn)b3、程序設(shè)計根據(jù)任務(wù)要求設(shè)計程序梯形圖I心日所2篁 : id i"IMM "0T IS-CMS*.uI，i vaco5、機械手綜合控制程序:綜合前述的步進電機和氣動伺服控制技術(shù)，同時結(jié)合 對垂直手臂滑塊氣缸、氣爪的控制要求，下面給出機械手完成一次定位并抓取工件的 部分PLC程序，該程序表明：當工件分揀加工完畢后，機械手首先轉(zhuǎn)動一定的角度指 向取工件位置，待步進電機定位結(jié)束后，垂直手臂滑塊氣缸活塞落下，然后水平手 臂氣缸在氣動伺服控制下伸出設(shè)定的定位位移。定位位移是由PLC的輸出端子（Y2Y0）控制SPC200俞入端子（I0.2I0.0）的狀態(tài)來決定的，如附表所示，從而實現(xiàn)了 PLC對氣動伺服定位的控制。當氣動伺服定位結(jié)束后，氣爪動作，夾緊工件。后續(xù)的搬運和放置工件的控制程序原理與之類似。機械手綜合控制程