【正文】 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造技術(shù)，技術(shù)綜合性強。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。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。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）。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。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(yīng)用的更為廣泛。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)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。 機器人技術(shù)是具有前瞻性、戰(zhàn)略性的高技術(shù)領(lǐng)域。這類機器人執(zhí)行某種移動作業(yè)，如焊接。 根據(jù)日本政府 2020 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 兆日元，擁有百萬工業(yè)機器人。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 5M:Machine/Materials/Manpower/Management/Market。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。 第二章 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。意大利 COMAU公司，日本 FANUC 等公司已開發(fā)出了此類產(chǎn)品。 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(yīng)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(yīng)性。過去機器人系統(tǒng)的可靠性 MTBF一般為幾千小時，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。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。 在我國，工業(yè)機器人的最初應(yīng)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。 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。 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。在應(yīng)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。在實際應(yīng)用中，導(dǎo)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。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。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。 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)的傳輸，具有高度可靠性和可維護性。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18 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(fù)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(yīng)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。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19 的補償值，實現(xiàn)機器人自動抓放。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。通過 2DV 軟件，機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。 3D 視覺定位技術(shù)應(yīng)用于機器人上料至機床。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。通過 3DL 軟件，機器人能夠計算出位置變化量Ｘ、Ｙ、 Z 、 W、 P、Ｒ。該技術(shù)的應(yīng)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。以下是由于毛坯面與定位孔位置變化帶來的問題： ，機器人抓取后，由于毛坯面帶來的偏差，導(dǎo)致工件在手爪抓取時有移動，偏差大時與托盤有摩擦； ，由于毛坯面帶來的偏差，導(dǎo)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(dǎo)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。此時應(yīng)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。本次設(shè)計的手部選擇夾持類回轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)手部。手24 腕有獨立的自由度。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)。 機器人手部的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)。 臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內(nèi)任意一點。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。伸縮式臂部機構(gòu)的驅(qū)動可采用液壓缸直接驅(qū)動。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。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。 3． 2． 3 控制系統(tǒng) 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。 步進電機選用深圳白山機電公司的 BS110HB3L14204 型三相混合式步進電機，最大扭矩 :12Nm。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 Q3HB220M 等角度恒力矩細分型驅(qū)動器，定位精度可達 30000步 /轉(zhuǎn)。 1PG 的 DOG 端為確定步進電機原點位置時所用。 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HMP 坐標氣缸、伺服定位控制器 SPC200 以及與之配套的內(nèi)置位移傳感器 MLOPOT022氣動伺服閥 MPYE51/8LF010B 和伺服定位控制連接器 SPCAIFPOT等裝置組成。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。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 M0～ M15 寄存器的內(nèi)容寫入1PG 的操作命令緩存 “BFM25” 中，控制 1PG 的工作。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，特別是易于控制、價格便宜等特點，具有廣泛的應(yīng)用前景。 根據(jù)所選的 PLC1N40 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 42 所示 圖 42 外部接線圖 Fig 42 external hookup ○ 4 程序設(shè)計 32 根據(jù)任務(wù)要求設(shè)計程序梯形圖 33 ○ 5PLC 仿真 34 ○ 6 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。 第四章 搬運機器人的未來發(fā)展趨勢 目前國際機器人界都在加大科研力度，進行機器人共性技術(shù)的研究，并朝著智能化和多樣化方向發(fā)展。編程技術(shù)除進一步提高在線編程的可操作性之外，離線編程的實用化將成為35 研究重點。 4．機器人的結(jié)構(gòu)靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小 ，二者正朝著一體化方向發(fā)展。主要對多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機理，感知與學習方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進行研究。傳統(tǒng)機器人設(shè)計未考慮與人緊密共處，因此其結(jié)構(gòu)材料多為金屬或硬性材料，軟機器人技術(shù)要求其結(jié)構(gòu) 、控制方式和所用傳感系統(tǒng)在機器人意外地與環(huán)境或人碰撞時是安全的，機器人對人是友好的。文章從搬運機器人的實用方面入手，參考了一套設(shè)計方案，就搬運機器人的組成（執(zhí)行機構(gòu) 和驅(qū)動機構(gòu)）以及現(xiàn)實作業(yè)，理解了具體的手部、腕部、臂部和機座的結(jié)構(gòu)形式和 PLC 控制原理和具體操著方法