基于机器人技术的自动上下料系统设计

2014-07-04姜万生秦现生王润孝苏海燕

机械与电子 2014年7期

钟靖，姜万生，秦现生，白晶，王润孝，苏海燕

（1．西北工业大学机电学院，陕西西安710072；2．南通爱慕希机械有限公司，江苏南通226009）

0 引言

在数控机床加工行业中，常常要求加工精度高，效率高，易于生产自动化。而针对多工序的工件加工，多采用单台机床人工装夹的方式对不同工序进行分步加工的方法，其缺点是人工装夹精度低，效率低，生产周期长。为此，提出一种工件自动上下料系统，其采用2台数控机床负责不同的工序，并由机器人完成对2台机床的上料和下料，以实现整个生产过程的自动化［1］。

1 系统组成及工作流程

管接件自动上下料系统由人机交互单元、控制单元和检测执行单元3部分组成。各模块的组成和功能如图1所示。

图1 系统组成及功能关系

在系统中，人机交互单元主要有系统的启停，检测执行单元的运行状态显示和信息反馈，系统的程序修改，以及示教过程中的其他操作等功能。控制单元采用工控机加PMAC（多轴运动控制器）的上下位机体系控制结构，工控机作为上位机用于处理非实时信号，PMAC作为下位机用于进行插补运动等实时计算，同时PMAC内部集成有PLC模块，用于处理开关量信号的输入与输出［2］。检测执行单元中的机器人部分带有末端执行器，用于抓取工件，为机床1和机床2上下料。根据加工工艺的需要，设置转向机构，用于对工件的转向操作。同时，采用激光测距传感器对已装夹好的工件进行位置检测，并将结果反馈给控制单元，以保证工件装夹的精度。

根据设计方案，系统一共分为5道工序，其工作流程如图2所示。

图2 系统工作流程

a．机器人从原点A处移动到上料机构B处，夹取工件。

b．机器人将夹取的工件移动到机床1（即C处）进行第1道工序加工，其中，机器人先对机床1上已加工的工件进行下料，然后将夹取的工件装夹到机床1。

c．通过测距传感器检测工件装夹结果是否符合要求。

d．将从机床1取下的工件移动至转向机构E处，进行转向操作。

e．从转向机构夹取工件移动至机床2（即F处）进行第2道工序加工，其中，机器人先将机床2上已加工的工件进行下料，然后将夹取的工件装夹到机床2。

最后，机器人将完成加工的工件下料并回到原点A处，以等待下一个工作循环。

2 检测执行单元设计

2．1 机器人及末端执行器设计

机器人作为执行各种运动的主体，其采用4自由度坐标结构，如图3所示。机器人在X轴方向由直线导轨支撑，并经过伺服电机驱动，通过齿轮齿条的啮合，实现机器人在X方向的往复直线运动；A轴方向、Y轴方向和B轴方向通过伺服电机驱动，减速器减速，并由同步带传动，分别实现A轴方向的摆动运动，Y轴方向的伸缩运动和B轴方向的旋转运动。

由于摆臂摆动过程中，对A轴的转动惯量和力矩较大，故有必要对A轴电机及传动系统进行校核。

图3 机器人结构

2．1．1 计算负载转动惯量

摆臂轴由2个深沟球轴承支撑，一端由电机驱动摆臂轴旋转，另一端通过法兰与摆臂箱连接，从而带动摆臂部分旋转。由平行轴定理［3］得：

J1为摆臂部分相对自身转动轴的转动惯量；J摆臂为摆臂部分相对电机轴的转动惯量；d为电机轴与摆臂转动轴的距离。

由Solid Works中的测量功能，可以得出m摆臂＝25．833 kg，d＝120 mm，J1＝2．886 kg·m2，代入式（1）得：

2．1．2 计算负载转矩

电机带动摆臂部分转动的工作过程中，加速时间为t1，匀速时间为t2，减速时间为t1，如图4所示。

图4 电机工作情况示意

由Solid Works模型可得机器人摆臂在工作过程中的最大摆角为θmax＝56．8°，并设置加速时间为0．2 s，匀速时间为0．8 s，减速时间为0．2 s，最高转速为nm，摆动时间一共为1．2s。则有：

将数据代入式（2）和式（3）得最高转速为：

最大角加速度为：

加速转矩为：

由Solid Works模型得，摆臂在摆动过程中，其质心对转动中心的距离为L＝120mm，对转动中心的转矩为：

由于重力负荷转矩是θ的函数，即是时间的函数，而摆臂的加速转矩、重力转矩在一个往复摆动过程中是对称的，故只需求摆臂单向摆动过程中的最大负荷转矩，将摆臂单向摆动过程中的加速转矩和重力转矩进行合成，如图5所示。

图5 摆臂最大负载转矩

最大转矩将是摆臂在0．2 s，1 s或1．2 s时（最大摆角位置处）产生。

a．摆臂在t＝0．2 s时，有：

b．摆臂在t＝1 s时，有：

c．摆臂在最大摆角位置时，有：

最大负载转矩为：

选择松下电机MHMD 082G1V，转子转动惯量为Jm＝1．61×10－4kg·m2，额定转矩为2．4 N·m，最大转矩为7．1 N·m，额定转速为3 000 r／min，最高转速为4 500 r／min。设计传动系统减速比为i＝80，则负载转动惯量折算到电机轴的惯量为：

负载与电机轴的惯量比为：

负载转矩折算到电机轴的转矩为：

折算到电机的最高转速为：

由此可知，电机及传动系统满足设计的负载要求［4］。

末端执行器主要用于装夹工件、气嘴吹气以及传感检测，其结构如图6所示。安装块用于末端执行器其他零部件的安装，并通过法兰与丝杠花键轴联接，实现动力传输；阀岛用于给气爪和气嘴供气与断气，实现气爪的开合以及气嘴的吹气功能；激光测距传感器用于测量已装夹工件的位置，并将信号反馈给控制器；根据管接件加工特性及要求，气爪指套采用聚四氟乙烯材料，以保护已加工好的螺纹表面，其V型结构设计可以实现对不同直径的工件进行装夹的功能。

图6 末端执行器结构

2．2 上料机构设计

上料机构主要用于给系统提供定位好的工件，以供机器人自动夹取，其结构如图7所示。上料机构由驱动电机提供动力，经同步带传动，最终带动传送带，推动工件向前运动。通过对电机的控制，可以实现工件的断续进给。同时，调节挡板之间的距离，可以为不同尺寸的工件进行上料。

图7 上料机构结构

2．3 转向机构设计

转向机构用于工件在第1道工序和第2道工序之间的90°转向操作，其结构如图8所示。转向机构工作时，首先由机器人将工件送至底板上面并通过传感器精确定位，通过伸缩气缸推动压块压紧工件，并让机器人退出，然后摆动气缸进行90°转向，机器人重新夹取工件。整个过程实现了工件的转向功能。

图8 转向机构结构

3 控制单元设计

3．1 上位机软件设计

根据设计方案，上位机需要与下位机进行数据通讯，上位机给下位机发送控制指令，下位机实时计算系统数据，采集信号并反馈给上位机。通过Windows XP操作系统平台，以C＃高级语言编译出上位机软件，主要有系统操作权限设定、数据库管理、各轴电机运行参数的监控、轴控制参数的设定以及人工示教等功能。

在上位机软件开发中，Delta Tau公司为客户提供有Pcomm32动态链接库，包含多种用于上下位机通讯的函数。通过函数BOOL OpenPmacDevice（DWORD dw DEVICE）与 PMAC卡连接，实现两者数据通讯；同时使用函数BOOL ClosePmacDevice（DWORD dw DEVICE）用于在程序退出前将工控机和PMAC卡的通讯断开。在上下位机通讯中，通过函数Pmac Get Response（）与PMAC卡进行交互，既可实现从PMAC中读取数据、为数据赋值，又能向PMAC发送控制指令。

3．2 下位机控制系统设计

下位机控制系统主要以PMAC为核心，采用位置控制模式对伺服驱动器和伺服电机进行运动控制。PMAC基于DSP的高速计算能力，能够对各轴电机的运动进行插补运算，以保证运动的实时性和精度。同时，PMAC中还集成有PLC模块，PLC模块主要对数字I／O进行处理，主要包括气爪的开合状态、机床运行状态、各种按钮信号以及系统报警信息等。通过PMAC语言对PLC进行编程，并调用PMAC中编好的运动程序，可以实现方案预设的工艺过程［5］。