【正文】 科，涉及多項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域，包括工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)、機(jī)器人動(dòng)力學(xué)及仿真、機(jī)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(jì)、智能測(cè)量、建模加工一體化、工廠自動(dòng)化以及精細(xì)物流等先進(jìn)制造技術(shù)，技術(shù)綜合性強(qiáng)。有些人認(rèn)為，最高級(jí)的機(jī)器人要做的和人一模一樣，其實(shí)非也。在用立加加工輪轂等大型零件時(shí)，負(fù)載可達(dá)幾十公斤重，其外形也大多是盤類件。而完成抓取，搬運(yùn)和取走過(guò)程的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)就是大型直角坐標(biāo)機(jī)器人，它們通常就是一個(gè)水平運(yùn)動(dòng)軸（ X軸）和上下運(yùn)動(dòng)軸（ Z 軸）。如加工工件不同或加工工件時(shí)間較長(zhǎng)，可選用不同的手爪結(jié)構(gòu)，用單臺(tái)機(jī)器人對(duì)多臺(tái)機(jī)床進(jìn)行上下料，或是多臺(tái)機(jī)器人聯(lián)機(jī)上下料實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)線過(guò)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(chǎng)合，應(yīng)用的更為廣泛。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，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(jī)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(jī)器人執(zhí)行某種移動(dòng)作業(yè)，如焊接。 根據(jù)日本政府 2020 年指定的一份計(jì)劃，日本 2050 年工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)到 兆日元，擁有百萬(wàn)工業(yè)機(jī)器人。目前我國(guó)已生產(chǎn)出部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開(kāi)發(fā)出弧焊、點(diǎn)焊、碼垛、裝配、搬運(yùn)、注塑、沖壓、噴漆等工業(yè)機(jī)器人。 一個(gè)國(guó)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(gè)要素 5M:Machine/Materials/Manpower/Management/Market。但是正如前所述，廣泛使用機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化，提高社會(huì)生產(chǎn)效率的一種十分重要的途徑。 第二章 搬運(yùn)機(jī)器人國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析 2． 1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 機(jī)器人操作機(jī)：通過(guò)有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的運(yùn)用，機(jī)器人操作機(jī)已實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)。意大利 COMAU公司，日本 FANUC 等公司已開(kāi)發(fā)出了此類產(chǎn)品。 傳感系統(tǒng)：激光傳感器、視覺(jué)傳感器和力傳感器在機(jī)器人系統(tǒng)中已得到成功應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)了焊縫自動(dòng)跟蹤和自動(dòng)化生產(chǎn)線上物體的自動(dòng)定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機(jī)器人的作業(yè)性能和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。過(guò)去機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性 MTBF一般為幾千小時(shí)，而現(xiàn)在已達(dá)到 5 萬(wàn)小時(shí)，幾冬天可以滿足任何場(chǎng)合的需求。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)年需 求量在 3000 臺(tái)左右，年銷售額在 20 億元以上。 在我國(guó)，工業(yè)機(jī)器人的最初應(yīng)用是在汽車和工程 機(jī)械行業(yè)，主要用于汽車及工程機(jī)械的噴涂及焊接。 進(jìn)入 80 年代后，在高技術(shù)浪潮的沖擊下，隨著改革開(kāi)放的不斷深入，我國(guó)機(jī)器人技術(shù)的開(kāi)發(fā)與研究得到了政府的重視與支持。 在機(jī)器人的單元技術(shù)和 基礎(chǔ)元部件開(kāi)發(fā)方面：諸如交直流伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、測(cè)速發(fā)電機(jī)、光電編碼器、液壓元部件等均開(kāi)發(fā)出一些樣機(jī)和產(chǎn)品。在應(yīng)用工程方面：目前 國(guó)內(nèi)已建立了多條弧焊機(jī)器人生產(chǎn)線，裝配機(jī)器人生產(chǎn)線，噴涂生產(chǎn)線和焊接生產(chǎn)線。在實(shí)際應(yīng)用中，導(dǎo)軌安裝于兩條生產(chǎn)線機(jī)床的中心線上，所安裝的工業(yè)機(jī)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)范圍完全覆蓋 5 臺(tái)機(jī)床以蓋以及上下料滑臺(tái)區(qū)域。在該系統(tǒng)中， 由于使用了視覺(jué)技術(shù)，因此上下料滑臺(tái)無(wú)需工件的定位裝置。該視覺(jué)系統(tǒng)解決 了 定位面有偏差的工件上料位置變化問(wèn)題。 電氣控制系統(tǒng)：運(yùn)用人機(jī)界面對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，采采用三菱 Q 系 PLC 控制器 ,并使用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸，具有高度可靠性和可維護(hù)性。在國(guó)外，在機(jī)械產(chǎn)品的加工中使用機(jī)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(wú)污染等優(yōu) 點(diǎn)，是一種非常成熟的機(jī)械加工輔助手段 ， 機(jī)器人對(duì)無(wú)定位工件的自動(dòng)柔性搬運(yùn)系統(tǒng)的工作原 理， 就是利用高清晰攝像頭（ vision 系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)定位工件的準(zhǔn)確位置判斷，在機(jī)器人收到信號(hào)后，機(jī)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(jī)床進(jìn)行通訊得到上料請(qǐng)求后，最終完成機(jī)床的上下料。在國(guó)內(nèi)的機(jī)械加工，目前很多都是使用專機(jī)或人工進(jìn)行機(jī)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(huì)的進(jìn)步和發(fā)展，科技的日益進(jìn)步，產(chǎn)品更新?lián)Q代加快，使用專機(jī)或人工進(jìn)行機(jī)床上下料就暴露出了很多的不足和弱點(diǎn)，一方面專機(jī)占地面積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修不便，不利于自動(dòng)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(huì)造成勞動(dòng)強(qiáng)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(duì)工件進(jìn)行視覺(jué)成像，與已標(biāo)定的工件進(jìn)行比較，得出偏差值，即機(jī)器人抓放位置19 的補(bǔ)償值，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)抓放。這樣大大減少了在上下料滑臺(tái)上的設(shè)計(jì)工作，保證了系統(tǒng)的擴(kuò)展功能。通過(guò) 2DV 軟件，機(jī)器人能夠計(jì)算出位置變化量Ｘ、Ｙ、Ｒ機(jī)器人把該偏差值存入位置寄存器 PR[]中。 3D 視覺(jué)定位技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器人上料至機(jī)床。對(duì)于此種情況況，在沒(méi)有 3D 視覺(jué)系統(tǒng) DL 的情況下，機(jī)器人是無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)工 件的準(zhǔn)確上料。通過(guò) 3DL 軟件，機(jī)器人能夠計(jì)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(jì)的可行性，尤其是在遇到定位面有偏差的工件設(shè)計(jì)時(shí)。以下是由于毛坯面與定位孔位置變化帶來(lái)的問(wèn)題： ，機(jī)器人抓取后，由于毛坯面帶來(lái)的偏差，導(dǎo)致工件在手爪抓取時(shí)有移動(dòng)，偏差大時(shí)與托盤有摩擦； ，由于毛坯面帶來(lái)的偏差，導(dǎo)致手抓不能完全貼合毛坯面，即使強(qiáng)硬貼合上，在工件脫離定位銷時(shí)會(huì)有嚴(yán)重的摩擦，導(dǎo)致碰撞報(bào)警； 說(shuō)明：軟浮動(dòng)功能在開(kāi)啟后，機(jī)器人可以受外力改變姿態(tài)，改變大小可以通過(guò)參數(shù)設(shè)置。此時(shí)應(yīng)用軟浮動(dòng)功能，機(jī)器人抓取工件運(yùn)行到定位銷錐度部位，由機(jī)床夾具夾緊，機(jī)器人通過(guò)軟浮動(dòng)移動(dòng)至上料位置，實(shí)現(xiàn)上料過(guò)程。本次設(shè)計(jì)的手部選擇夾持類回轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)手部。手24 腕有獨(dú)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(dòng)或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。 機(jī)器人手部的張合是由雙作用單柱塞液壓缸驅(qū)動(dòng)的；而手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)則由回轉(zhuǎn)液壓缸實(shí)現(xiàn)。 臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。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(jī)械手的工作性能。伸縮式臂部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)可采用液壓缸直接驅(qū)動(dòng)。并且，臂部的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰等運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置或傳動(dòng)件都安裝在機(jī)身上。根據(jù)動(dòng)力源的不同，工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 大致可分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)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(jī)械手控制中，除了要對(duì)垂直手臂滑塊氣缸、 氣爪等普通氣缸進(jìn)行控制外，還要涉及到對(duì)水平手臂氣缸以及機(jī)械手腰部回轉(zhuǎn)的伺服控制。 步進(jìn)電機(jī)選用深圳白山機(jī)電公司的 BS110HB3L14204 型三相混合式步進(jìn)電機(jī)，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(jìn)電機(jī)配套的 Q3HB220M 等角度恒力矩細(xì)分型驅(qū)動(dòng)器，定位精度可達(dá) 30000步 /轉(zhuǎn)。 1PG 的 DOG 端為確定步進(jìn)電機(jī)原點(diǎn)位置時(shí)所用。 氣動(dòng)比例伺服控制系統(tǒng)采用德國(guó) Festo 公司的相關(guān)產(chǎn)品，主要由HMP 坐標(biāo)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(dòng)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(kāi)關(guān)傳感器，用于檢測(cè)氣缸活塞的位置。在圖 3 所示的部分步進(jìn)電機(jī)初始化程序中， PLC 一旦通電運(yùn)行， 便在每一個(gè)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(chǔ)器存儲(chǔ)用戶設(shè)計(jì)的程序指令，這些指令用來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算、順序操作、定時(shí)、計(jì)數(shù)及算術(shù)運(yùn)算和通過(guò)數(shù)字或模擬輸入 /輸出來(lái)控制各種機(jī)電一體化，程序可變、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、功能強(qiáng)、體積小、耗電低，特別是易于控制、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，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(jì) 32 根據(jù)任務(wù)要求設(shè)計(jì)程序梯形圖 33 ○ 5PLC 仿真 34 ○ 6 機(jī)械手綜合控制程序 :綜合前述的步進(jìn)電機(jī)和氣動(dòng)伺服控制技術(shù)，同時(shí)結(jié)合對(duì)垂直手臂滑塊氣缸、氣爪的控制要求 ,下面給出機(jī)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(dāng)工件分揀加工完畢后，機(jī)械手首先轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度指向取工件位置，待步進(jìn)電機(jī)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(dòng)伺服控制下伸出設(shè)定的定位位移。 第四章 搬運(yùn)機(jī)器人的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì) 目前國(guó)際機(jī)器人界都在加大科研力度，進(jìn)行機(jī)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(jìn)一步提高在線編程的可操作性之外，離線編程的實(shí)用化將成為35 研究重點(diǎn)。 4．機(jī)器人的結(jié)構(gòu)靈巧，控制系統(tǒng)愈來(lái)愈小 ，二者正朝著一體化方向發(fā)展。主要對(duì)多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機(jī)理，感知與學(xué)習(xí)方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進(jìn)行研究。傳統(tǒng)機(jī)器人設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)器人意外地與環(huán)境或人碰撞時(shí)是安全的，機(jī)器人對(duì)人是友好的。文章從搬運(yùn)機(jī)器人的實(shí)用方面入手，參考了一套設(shè)計(jì)方案，就搬運(yùn)機(jī)器人的組成（執(zhí)行機(jī)構(gòu) 和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)）以及現(xiàn)實(shí)作業(yè)，理解了具體的手部、腕部、臂部和機(jī)座的結(jié)構(gòu)形式和 PLC 控制原理和具體操著方法