基于工业机器人的车架自动出库工位设计

2014-10-15李金义

机电信息 2014年18期

李金义陈彬

（北京电子科技职业学院，北京100026）

0 引言

工业机器人是在工厂车间内用来移动各种材料、零件、工具以及其他物体的装置，可以通过编程来控制它们的动作，实现物体的抓取、移动和精确放置。工业机器人是机电一体化的典型产品，它既应用了传统的机械结构与传动技术，又应用了计算机控制技术、自动化技术以及传感器技术，是一种综合计算机、传感器、自动控制等技术的产品。常见的工业机器人由操作部分（机器本体）、控制部分、伺服驱动部分以及传感器装置组成，具有自动控制、仿人操作、可重复编程的特点，能够在三维空间中完成复杂的动作，尤其在变种类、变批量的柔性工作场合能达到提高工作效率、改善工人劳动条件、提高产品质量的目的。本文将通过具体实例对机器人在汽车装配领域的应用进行详细探讨。

1 不同类型工业机器人的性能对比

随着机器人技术的迅速发展，其在工业领域的应用也越来越广泛，如焊接机器人、搬运机器人、抓取机器人等。工业机器人在抓取、运输方面的应用，根据搬运工件的大小和结构的不同，有摆动横杆式机械手、平行四连杆结构摆臂式机械手和六自由度关节型机器人等几种形式，下面对它们的优缺点进行具体的对比和分析。

（1）摆动横杆式机械手。这种结构的机械手主要是通过对设置在横杆上调节装置的控制（最多可有5个自由度），实现工件在2个工位之间任意位置的停留或加工，其作用区域可以覆盖横杆搭放的2个竖杆之间的任意位置。这种机械手结构相对比较简单，容易控制，不会占太多空间，具有较高的负载能力。

（2）平行四连杆结构摆臂式机械手。这种机械手是在工厂生产线上搬运大型工件常用的工程设备，可分为双平行四连杆摆臂式机械手和单平行四连杆摆臂式机械手。这种类型的机械手通常采用吊装的方式，不占地面空间，具有很强的负载能力，运动速度快，而且具有放大行程的优点。

（3）六自由度关节型机器人。近几年来，六自由度关节型机器人的运动控制技术及其在工程实际中的应用已经十分成熟，它有其他机械手不具备的特点，在工厂生产线上得到了广泛应用。六自由度机器人采用的关节型连接控制结构，可以在三维空间的任意点运动和停留，姿态调整灵活，柔性较高，但是它的末端速度是所有关节的运动速度合成，速度相对较低，关节型结构的限制导致其负载能力较小。这种机器人在安装上十分简单，地面固定安装或吊装都可以，工作范围大，工作角度无限制。

3种工件运送方式的性能对比如表1所示。

表1 3种工件运送方式的性能对比表

从表1可以看出，与摆臂式机械手和横杆式机械手相比，六自由度关节型机器人用于自动化输送工件具有结构简单、成本低、柔性高、维护容易的优点，但也有效率偏低、无法承担较大载荷的缺点，尤其对于大件、较长件以及工件的翻转效果很不理想。对于本文所要求的工件——车架来说，六自由度机器人是最适合的搬运工具，下面进行具体论述。

2 六自由度机器人在车架自动出库工位的应用

车架自动出库教学培训装置实现模型汽车车架自动出库动作，将模型汽车的车架从立体仓库中取出来，完成汽车装配工艺中的第一个工艺流程，结构如图1所示。

图1 车架自动出库教学培训装置结构图

车架自动出库教学培训装置由车架仓库、传感器、输送线、六自由度机器人、气动抓手组成，其动作流程如下：

（1）六自由度机器人启动，气动抓手运行到车架仓库位置；

（2）根据车架仓库传感器判断车架存储状态和位置，运行到即将抓取车架的位置；

（3）张开气动抓手，将气动抓手运动到能够抓取车架的位置；

（4）闭合气动抓手，抓紧车架；

（5）抓住车架向上抬起，离开仓库；

（6）将车架运送到输送线上；

（7）张开气动抓手，将车架放下；

（8）机器人回到原始位置，准备下一次的抓取。

对于此工序来说，六自由度机器人既不需要过高的载荷，也不需要太高的效率，在立体库中的车架是堆叠放置的；对于抓取它的机械手来说，需要较高的柔性和可控性，所以选择六自由度工业机器人用于此工位，是非常合适的。

机器人的运动控制方式有以下2种：一种是点位控制，仅控制机器人目标点的位姿，不控制起始点和目标点的运动轨迹，这种控制方式控制简单、运动速度快，尤其适用于物料的搬运作业；另一种是连续轨迹控制，通过控制机器人的运动轨迹进行运动，即使机器人按照规定的速度、路径实现平稳而准确的运动。大多数机器人是采用2种方式相结合来进行控制。