桁架機(jī)器人檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)研究*

李進(jìn)冬，武 瀅

（1.沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司沈一車床廠，沈陽(yáng) 110142；2.沈陽(yáng)機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110142）

桁架機(jī)器人檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)研究*

李進(jìn)冬1，武 瀅2

（1.沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司沈一車床廠，沈陽(yáng) 110142；2.沈陽(yáng)機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110142）

近幾年來，國(guó)內(nèi)外的桁架機(jī)器人產(chǎn)品發(fā)展特別迅速，其結(jié)構(gòu)形式、控制形式、性能指標(biāo)也各不相同，急需一款實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)不同種類的桁架產(chǎn)品進(jìn)行標(biāo)定。為滿足以上需求，研發(fā)了桁架機(jī)器人產(chǎn)品的綜合測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)可完成桁架產(chǎn)品的定位精度、速度參數(shù)、負(fù)載能力和綜合定位指標(biāo)等參數(shù)測(cè)試。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)為桁架機(jī)器人產(chǎn)品的性能測(cè)試提供了平臺(tái)，同時(shí)對(duì)該類產(chǎn)品進(jìn)行綜合評(píng)定，并對(duì)桁架機(jī)器人產(chǎn)品在改進(jìn)升級(jí)中提供數(shù)據(jù)支持和參考依據(jù)。

桁架機(jī)器人；實(shí)驗(yàn)臺(tái)；綜合性能測(cè)試

0 引言

隨著我國(guó)機(jī)械行業(yè)的迅速發(fā)展，企業(yè)對(duì)機(jī)械設(shè)備的加工精度和效率要求越來越高。同時(shí)，近年來人力成本越來越高，造成很多機(jī)械加工行業(yè)均出現(xiàn)了用工招工難題。引進(jìn)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工的生產(chǎn)設(shè)備，成為機(jī)械行業(yè)的普遍共識(shí)。而桁架機(jī)器人產(chǎn)品，因其在性價(jià)比和可維護(hù)方面的優(yōu)勢(shì)，成為大多數(shù)企業(yè)首選的加工自動(dòng)線產(chǎn)品。

國(guó)內(nèi)能提供桁架機(jī)器人產(chǎn)品的企業(yè)很多，有專門從事自動(dòng)線產(chǎn)品公司，也有從事數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)制造的公司，所提供的桁架機(jī)器人產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動(dòng)形式、性能指標(biāo)、控制器方式都有很大差異。因此，設(shè)計(jì)一款涵蓋不同種形式的桁架機(jī)器人產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，可對(duì)不同產(chǎn)品進(jìn)行主要性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，有利于對(duì)該類產(chǎn)品進(jìn)行綜合評(píng)定，并對(duì)該類產(chǎn)品在設(shè)計(jì)改進(jìn)中提出有建設(shè)性的參考依據(jù)。

1 桁架機(jī)器人產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式

1.1 桁架主體形式

圖1 三立柱形式桁架主體

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外主要桁架主體構(gòu)成形式各不相同［1-3］，但大體上分為三立柱形式桁架主體（見圖1）和雙懸臂形式桁架主體（見圖2）。其中三立柱形式通用性更強(qiáng)，更易于擴(kuò)展為多臺(tái)設(shè)備組線，雙懸臂形式近幾年來在國(guó)內(nèi)應(yīng)用很多，更適于兩臺(tái)機(jī)床的成線布局形式，其占地面積更小、安裝調(diào)試更簡(jiǎn)單，而且其性價(jià)比更高。

圖2 雙懸臂形式桁架主體

1.2 抓手形式不同

為提高桁架機(jī)器人產(chǎn)品的工作效率，抓手形式通常為雙抓手結(jié)構(gòu)。但根據(jù)所擬定抓取工件的形狀、重量、尺寸不同，抓手形式也不同。因各生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)思想和配套設(shè)備特點(diǎn)的不同，抓手形式也各異，以應(yīng)用最廣的標(biāo)準(zhǔn)盤類工件抓手為例，主要包括以下幾種形式，如圖3所示。主要是抓手模塊的旋轉(zhuǎn)形式不同，可分為集成型旋轉(zhuǎn)頭式（圖3a）、標(biāo)準(zhǔn)氣缸式（圖3b）以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)式（圖3c）等形式。

圖3 抓手結(jié)構(gòu)圖

1.3 控制形式不同

常用桁架機(jī)器人產(chǎn)品的控制形式也多種多樣，具體形式有基于PLC的控制、專用桁架控制器等形式?？刂葡到y(tǒng)不同，對(duì)桁架機(jī)器人產(chǎn)品的定位精度指標(biāo)、速度與加速度指標(biāo)及操作方便性等方面，均有較大的差異。

最簡(jiǎn)單的控制形式是PLC控制形式，其優(yōu)點(diǎn)是性價(jià)比較高，主要缺點(diǎn)是控制形式相對(duì)單一，對(duì)于多套上下料程序的程序切換適應(yīng)能力較差。一般的專用桁架控制器的操作形式接近工業(yè)機(jī)器人控制器，一般均有示教功能，對(duì)于多套不同程序可方便切換。部分桁架控制器具有與機(jī)床控制系統(tǒng)類似功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)控制軸精度的補(bǔ)償功能和對(duì)控制速度與加速度的優(yōu)化功能，提高設(shè)備的速度和定位等參數(shù)指標(biāo)。

2 桁架實(shí)驗(yàn)臺(tái)功能設(shè)計(jì)

針對(duì)桁架機(jī)器人產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式、抓手形式與控制形式的不同，進(jìn)行桁架實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)，對(duì)常用桁架的常見性能指標(biāo)和參數(shù)要求［4-5］進(jìn)行測(cè)試與評(píng)價(jià)，最終提供一套測(cè)試結(jié)果，作為桁架產(chǎn)品性能指標(biāo)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 測(cè)試主要參數(shù)指標(biāo)

以應(yīng)用較多的拾取端提取重量為50kg的兩軸桁架機(jī)器人產(chǎn)品為例［6-7］，其主要參數(shù)指標(biāo)見表1。

表1 桁架系統(tǒng)主要參數(shù)指標(biāo)

2.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試項(xiàng)目及方法

根據(jù)桁架機(jī)器人產(chǎn)品的主要參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)及測(cè)試，主要分為4個(gè)項(xiàng)目，分別為兩軸速度指標(biāo)項(xiàng)目測(cè)試與方法、兩軸定位指標(biāo)項(xiàng)目測(cè)試與方法、拾取端承載指標(biāo)項(xiàng)目測(cè)試與方法和綜合定位指標(biāo)項(xiàng)目測(cè)試與方法。各項(xiàng)目主要實(shí)施項(xiàng)目及方法如下。

2.2.1 速度指標(biāo)項(xiàng)目測(cè)試

內(nèi)容：測(cè)試兩軸高速伺服進(jìn)給系統(tǒng)加減速特性，為桁架的高速伺服進(jìn)給系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)和優(yōu)化提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

設(shè)備：筆記本電腦及IBN-TOOL軟件等；

測(cè)試方法：先使用網(wǎng)線使筆記本電腦和CNC系統(tǒng)有效通訊，再運(yùn)行筆記本電腦上的IBN-TOOL軟件。通過IBN-TOOL軟件的“伺服跟蹤”功能，對(duì)不同速度給定值和速度實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。然后在CNC系統(tǒng)中編寫NC程序，使伺服軸以不同速度進(jìn)行直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在伺服軸運(yùn)動(dòng)同時(shí)，IBN-TOOL軟件可自動(dòng)記錄速度給定值和速度實(shí)際值［8］。進(jìn)而通過對(duì)速度曲線進(jìn)行分析，就可以得到加速度相關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)和曲線。這樣就可以獲得所測(cè)試桁架機(jī)器人產(chǎn)品的速度和加速度特性，提供桁架性能指標(biāo)的評(píng)定結(jié)果。

2.2.2 定位指標(biāo)項(xiàng)目測(cè)試

內(nèi)容：測(cè)量?jī)奢S進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度、重復(fù)定位精度。

儀器：激光干涉儀，分光鏡，反射鏡，水平儀，高度支撐平臺(tái)等。

測(cè)試方法：用激光干涉儀及相關(guān)鏡組進(jìn)行測(cè)量，分別對(duì)桁架的兩軸進(jìn)給結(jié)構(gòu)進(jìn)行多次測(cè)量。其中由于桁架的水平軸的高度較高，需借助高度支撐平臺(tái)來進(jìn)行水平軸相關(guān)精度的測(cè)試。

2.2.3 拾取端承載指標(biāo)測(cè)試

內(nèi)容：拾取端承載指標(biāo)，主要測(cè)量機(jī)械傳動(dòng)鏈各方向的靜剛度。

儀器：液壓缸加載系統(tǒng)、拉壓力傳感器、數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng)、百分表。

測(cè)試方法：通過液壓加載的方式，對(duì)桁架機(jī)器人產(chǎn)品的拾取端的兩個(gè)方向（前后、左右），按不同的施加載荷數(shù)值進(jìn)行加載，得到不同方向的變形曲線圖。以此判定桁架機(jī)器人產(chǎn)品的剛性特性［9］。

2.2.4 綜合定位指標(biāo)項(xiàng)目測(cè)試

內(nèi)容：測(cè)量拾取端抓手模塊的綜合定位精度、重復(fù)定位精度。

儀器：工業(yè)攝相機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件、顯示單元、標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試樣件等。

測(cè)試方法：用工業(yè)攝相機(jī)及數(shù)據(jù)處理和顯示單元［10］，對(duì)抓手模塊中抓取標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試樣件進(jìn)行測(cè)量（測(cè)試樣件中心有高精度圓孔），為保證測(cè)試準(zhǔn)確性，需要進(jìn)行多次測(cè)量并記錄樣件中心偏差數(shù)據(jù)，可測(cè)得綜合定位相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.3 桁架綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的測(cè)試方法和測(cè)試儀器，設(shè)計(jì)以下桁架實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過不同的測(cè)試平臺(tái)完成四個(gè)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)臺(tái)的整體布置形式及各實(shí)驗(yàn)器材的布置如圖4所示。

圖4 桁架上下料產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)臺(tái)原理圖

2.3.1 兩軸速度指標(biāo)項(xiàng)目

通過桁架控制器編寫兩軸往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制程序，按系統(tǒng)允許的最大速度執(zhí)行，以滿足水平軸和豎直軸的最大行程范圍動(dòng)作為準(zhǔn)。通過2.2.1中的測(cè)試方法，實(shí)現(xiàn)桁架機(jī)器人產(chǎn)品的該項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果包括兩軸速度和加速度曲線，兩軸最大速度和加速度數(shù)值。

2.3.2 兩軸定位指標(biāo)項(xiàng)目

通過桁架控制器分別編寫兩軸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)程序，推薦速度為50m/min。以拾取端在豎直軸最大行程的80%處，測(cè)定的水平軸全行程的定位精度。以水平軸分別在最大、最小和中間點(diǎn)三處分別測(cè)量豎直軸的全行程定位精度。測(cè)量數(shù)值允許桁架控制器采用補(bǔ)償修正定位精度的方法而達(dá)到的更高精度。通過2.2.2中的測(cè)試方法，實(shí)現(xiàn)桁架機(jī)器人產(chǎn)品的該項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果包括兩軸的定位精度和重復(fù)定位精度數(shù)值曲線及標(biāo)定的兩軸定位精度和重復(fù)定位精度。

2.3.3 拾取端承載指標(biāo)項(xiàng)目

以拾取端在豎直軸最大行程的80%處，以水平軸分別在最大、最小和中間點(diǎn)三處，分別測(cè)量拾取端的前后、左右兩個(gè)方向的承載能力，通過2.2.3中的測(cè)試方法，實(shí)現(xiàn)桁架機(jī)器人產(chǎn)品的該項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)中左右方向所施加力的以設(shè)計(jì)最大拾取能力（N）的最大的80%進(jìn)行測(cè)量，前后方向所施加力的以設(shè)計(jì)最大拾取能力（N）的最大的25%進(jìn)行測(cè)量。通過2.2.3中的測(cè)試方法，實(shí)現(xiàn)桁架機(jī)器人產(chǎn)品的該項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果包括拾取端分別在左右和前后兩個(gè)方向的按拾取能力施加相應(yīng)大小測(cè)試力下的變形數(shù)值。

2.3.4 綜合定位指標(biāo)項(xiàng)目

以拾取端裝載了手抓模塊為準(zhǔn)，手抓抓取標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試樣件，在豎直軸最大行程的80%處，以水平軸分別在最大、最小和中間點(diǎn)三處，通過2.2.4中的測(cè)試方法，實(shí)現(xiàn)桁架機(jī)器人產(chǎn)品的該項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果包括手抓模塊在抓取標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試樣件的情況下，測(cè)得的桁架綜合定位數(shù)值，該項(xiàng)指標(biāo)為桁架最終定位功能的體現(xiàn)。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一套用于測(cè)試不同類型桁架機(jī)器人產(chǎn)品的試驗(yàn)臺(tái)，可對(duì)兩軸速度指標(biāo)、兩軸定位指標(biāo)、拾取端承載指標(biāo)和綜合定位指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試和標(biāo)定，并形成各測(cè)試項(xiàng)目的測(cè)試結(jié)果。所列實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和測(cè)試方法，可滿足桁架機(jī)器人產(chǎn)品性能的測(cè)量和評(píng)定要求。本桁架實(shí)驗(yàn)臺(tái)的研發(fā)，為國(guó)內(nèi)外相關(guān)桁架產(chǎn)品的性能提供平臺(tái)，并在以后的產(chǎn)品設(shè)計(jì)改進(jìn)中可起到指導(dǎo)作用。本桁架實(shí)驗(yàn)臺(tái)的研發(fā)，對(duì)桁架機(jī)器人產(chǎn)品在性能統(tǒng)一和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的形成方面，起到一定的推動(dòng)作用。

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（編輯 趙蓉）

Research on Gantry Loader Test Bed

LI Jin-dong1，WU Ying2
（1.No1.Lathe works，Shenyang Machine Tool Co.，LTD，Shenyang 110142，China；2.State key Laboratory，Shenyang Machine Tool（Group）Co.，LTD，Shenyang 110142，China）

Gantry loader has gained rapid development in recent years，and it varies from structure types，control systems，and characteristic parameters.A gantry loader test bed is needed to verify the comprehensive characteristic test of gantry loader product.This paper designs a comprehensive characteristic test bed，which can complete the test items such as the positioning accuracy，speed parameters，loading ability and comprehensive test.This test bed is adaptive to multi-type gantry loaders，and also supplies a standard test report which could not only shows the parameters but also advances valuable suggestions.

gantry loader；test bed；comprehensive characteristic test

TH122；TG65

A

1001-2265（2015）06-0090-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.06.025

2015-04-02

沈陽(yáng)市2015年科技計(jì)劃項(xiàng)目資助（F15-004-2-00）

李進(jìn)冬（1981—），河北昌黎人，沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司工程師，碩士，主要從事機(jī)床自動(dòng)線產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)，（E-mail）13609882268@ 163.com。