两轴四臂工业机器人应用研究

陈公兴，陈吹信，陈朝大

（广东技术师范学院 天河学院电气与电子工程学院，广州 510540）

机器人技术

两轴四臂工业机器人应用研究

陈公兴，陈吹信，陈朝大

（广东技术师范学院 天河学院电气与电子工程学院，广州 510540）

建立两轴四臂工业机器人的数学模型，推导机器人齐次坐标变换的动力学方程，从而算出操作臂位置、速度和加速度。根据现场工艺的要求，构建机器人控制系统，设计升降轴和旋转轴的主控电路，通过编程实现机器人间的通信和定位控制四个操作臂准确地取料放料的整个过程。该工业机器人采用先进的控制技术，控制位置精准，能解决人工不能准确定位的问题，速度快，大大节约了设备成本，提高了企业生产效率，提高了企业的利润。

两轴四臂；工业机器人；定位控制

0 引言

随着现代制造技术的发展，冲压技术也向高速化、自动化、柔性化方向发展。在冲压生产中，采用机器人代替人工操作，构成自动化生产单元或组成柔性自动化生产线，是进行高速、高效、高质量冲压生产的一种有效方法，也是现代冲压生产技术的重要发展方向之一。所以，研究使用两轴四臂工业机器人可以很好地应对这些挑战，有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样，工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。它能取代人工在各个冲压工位上进行物料冲压、搬运、上下料等工作，并且在节约人力劳动成本，提高人工及设备安全性和生产效率，保持产品产量、 质量和工艺稳定性等方面具有极大的优势。对圆形板材进行冲压、钻孔变形等场合尤其适用；机械行业中的热处理、电镀、喷漆、装备，自动化生产线中用机械手来回搬运材料；危险场合中的物料抓取等。总之，广泛应用于机械加工、货物搬运、生物科技、先进制造技术等领域。

1 工业机器人操作臂的数学建模

该工业机器人有升降轴、旋转轴等两个轴和四个臂，主要由滑轨、丝杆、减速机、同步轮，本体和伺服控制系统组成，如图1所示。它的驱动装置采用交流伺服电机与谐波减速器的组合。机械部分除机架外，主要部件均由铝合金型材制作，具有重量轻、机身小巧等特点。

图1 两轴四臂工业机器人模型

为了知道两轴四臂工业机器人操作臂的运动位置、速度、加速度和加速度，对它的动力学进行建模。该机器人自由度n为2，i=1，2，…，n。

机器人操作臂的总动能：

Ki为操作臂i的动能，Ji为操作臂i上的各点惯量。

机器人操作臂的总势能：

Pi为操作臂i的势能，mi为操作臂i的质量，g=(gx,gy,gz,0)是在基座坐标系表示的重力行矢量，0Ai为联系第i坐标系和基座坐标系间的齐次坐标变换矩阵。是操作臂i的质心矢量在操作臂i坐标系中的坐标。

根据机器人操作臂的动能和势能表达式，可得到机器人操作臂的拉格朗日函数为：

2 工业机器人控制系统及工作原理

工业机器人的手臂的驱动装置是一个为了跟踪目标值对手臂当前运动状态进行反馈构成的伺服驱动系统，通过控制系统检测各轴的当前位置以及速度，将它们作为反馈信号，间接地决定各轴的驱动力，如图2所示。

图2 机器人手臂控制系统的组成

两轴四臂工业机器人的主要技术参数如表1所示。

表1 两轴四臂工业机器人主要技术参数

该机器人主要技术参数如表1所示，针对冲压件特点设计，该机为两轴四臂设计，臂长可调，z轴上下调整高度，y轴以45°的倍数旋转等功能。机器人的臂部是运动关节，有很高的定位精度要求，采用伺服电机丝杠机构，由丝杆把旋转运动变换为直线移动，使机械手在升降导轨滑块上升降移动。水平四臂机构在伺服电机与谐波减速器的共同作用下作水平方向旋转运动。它最适合在送料台和冲床之间上下工序取放料使用，可用于流水线生产，也可单台使用，造价比现有四轴机低。

根据现场工艺的控制要求，设计两轴四臂工业机器人主控电路如图3所示。以PLC为控制核心，对机器人进行编程、调试，通过触摸屏的操作来控制两轴四臂工业机器人完成快速、稳定搬运物料任务，实现水平旋转和升降功能。机器人电气系统采用5个接近开关作为位置检测信号，从而实现准确定位。为了保证抓取工件和安全释放工件时，通过电磁铁的吸力将待提升物吸牢，即可开始搬送待提升物。当待提升物搬送到目的地时，释放电磁铁就可脱离待提升物。机器人手臂放料完成退回放料待机点后会控制冲床冲压，运行工作流程如图4所示。

3 工业机器人上间的通信和实现

为了实现工业机器人间的通信，通过以下编程可以设定RS485通讯协议、通讯时间异常、ASCII/RTU模式选择和8位处理器模式，可以同送料台配合使用，完成一条生产线的上工位送料完成信号和下工位取料完毕信号，精确地控制机器人运行，完成取料、加工和放料的任务。

图3 两轴四臂工业机器人主控电路

图4 工业机器人运行工作流程图

该工业机器人完成对圆形板材的冲压。为方便说明，定为A、B、C、D四臂，人工把需要加工的圆形钢板放在送料机指定的柱槽中，在异步电机的作用下，钢板向上移动到一定的位置，然后停下来，A臂旋转过来取料，接着把该料放入冲床，再旋转45°，发出冲床启动信号，冲床向下冲压板材，完成后，由相邻的B臂旋转至冲床取料，与此同时， C臂在送料机上取料，完成后，旋转90°，B臂把冲压好的物料放入装料框，C臂刚好把物料旋转到冲床并放入，再旋转45°，发出冲床启动信号，冲床又一次对物料冲压，完成后，最后的D臂旋转到冲床取料，同时A臂在送料机上取料。当送料机上的物料被取走时，剩下的物料自动上升，直到全部取完为止，进入送料台另一边取料，循环往复。

4 结论

本文提出了一种基于智能生产线的复杂运动下的两轴四臂工业机器人。根据现场工艺要求，对该机器人进行建立数学模型，从而改进和设计机器人的四臂长度、臂连接体结构和机器人本体，以优化它们之间融合度和柔韧性，提高生产率，满足生产线的实际需求。通过台达PLC编程，设置机器人之间的通信协议，编写上下旋转运动、抓取、搬运和释放等控制程序，加以配合冲床，已完成和实现一条生产线机器人的智能控制。在技术研究和产品测试中，两轴四臂工业机器人有着十分重要的应用价值和市场价值。

[1] 陈公兴.工业机器人人机界面与示教编程[M].华南理工大学,2016.

[2] 牛宗宾.工业机器人交流伺服驱动系统设计[D].哈尔滨工业大学,2013.

[3] 华磊.一种六轴工业机器人及多轴联动控制系统的研究[D].华南理工大学,2014.

Application research of two-axis and four-arm industrial robots

CHEN Gong-xing, CHEN Chui-xin, CHEN Chao-da

TP2

A

1009-0134(2017)04-0001-03

2016-12-29

2015年广东高校省级重点平台和重大科研项目：两轴四臂工业机器人应用研究（2015KQNCX237）

陈公兴（1981 -），男，广东湛江人，硕士研究生，研究方向为机器人研发及工业机器人的先进技术。