模塊化電子氣動工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計

錢 敏張興國

(1. 南通工貿(mào)技師學(xué)院，江蘇 南通 226010；2. 南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019)

?

模塊化電子氣動工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計

錢 敏1張興國2

(1. 南通工貿(mào)技師學(xué)院，江蘇 南通 226010；2. 南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019)

基于電子氣動技術(shù)與模塊化組合式的設(shè)計思路，完成了一款用于物料搬運(yùn)的電子氣動機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計。詳細(xì)說明了機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)，給出了采用模塊化閥島技術(shù)的氣動系統(tǒng)原理圖，闡述了基于PLC控制器的控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計。設(shè)計完成的電子氣動搬運(yùn)機(jī)器人綜合了圓柱坐標(biāo)型和極(球)坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)5個自由度運(yùn)動。

工業(yè)機(jī)器人；電子氣動技術(shù)；模塊化組合式

工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是中國智能制造領(lǐng)域的突破口和重要抓手，被譽(yù)為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，其研發(fā)、制造、應(yīng)用是衡量一個國家高端制造業(yè)水平和科技創(chuàng)新能力的重要標(biāo)志[1]。在國外，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備被工業(yè)界廣泛應(yīng)用，相繼形成了一批具有影響力的、著名的工業(yè)機(jī)器人公司[2]，包括瑞典的ABB Robotics，日本的FANUC、Yaskawa，德國的KUKA Roboter，美國的Adept Technology、American Robot、Emerson Industrial Automation、S-TRobotics，意大利COMAU，英國的AutoTechRobotics，加拿大的Jcd International Robotics，以色列的Robogroup Tek 公司等，其中，日本和歐盟的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)最為先進(jìn)[3]。隨著中國制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，特別是智能制造時代的到來，高性能低成本工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)研究將成為中國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)[4-5]。中國工業(yè)機(jī)器人的研究起步較晚，盡管在某些關(guān)鍵技術(shù)上有所突破，但仍缺乏整體核心技術(shù)的突破，特別是在制造工藝與整套裝備方面，缺乏高精密、高速與高效的減速機(jī)、伺服電動機(jī)、控制器等關(guān)鍵部件。其中，模塊化可重構(gòu)的工業(yè)機(jī)器人新型機(jī)構(gòu)設(shè)計是中國工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)突破的核心關(guān)鍵技術(shù)之一[3]。

搬運(yùn)機(jī)器人是工業(yè)化生產(chǎn)中的重要裝備，可代替人工完成物料一定范圍內(nèi)的裝卸、移動等工作，其應(yīng)用可以有效降低勞動強(qiáng)度，提高搬運(yùn)效率，降低人工成本。由于工業(yè)應(yīng)用場合不同，搬運(yùn)機(jī)器人的功能需求不一，結(jié)構(gòu)也千差萬別，因此，搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計與生產(chǎn)大多采用定制化生產(chǎn)方式，設(shè)計和生產(chǎn)成本較高。如何簡化搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計，擴(kuò)大結(jié)構(gòu)適用性，從而提高機(jī)器人性價比和可靠性是現(xiàn)代搬運(yùn)機(jī)器人研究的重要方向。

本設(shè)計基于電子氣動技術(shù)和模塊化組合式設(shè)計思想，設(shè)計了一款電子氣動搬運(yùn)機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，并驗(yàn)證了設(shè)計可行性。設(shè)計結(jié)果可以為搬運(yùn)機(jī)器人，乃至工業(yè)機(jī)器人新型結(jié)構(gòu)設(shè)計研究提供一定的理論和試驗(yàn)依據(jù)。

1 電子氣動技術(shù)與模塊化組合式設(shè)計

1.1 電子氣動技術(shù)

氣壓傳動作為機(jī)器人驅(qū)動的重要方式之一，具有介質(zhì)安全、成本低、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，但由于氣體具有較大的可壓縮性，使得氣動元件的精確定位十分困難，是困擾氣動技術(shù)在機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)難題之一。隨著微電子控制技術(shù)的發(fā)展，在原有的氣動執(zhí)行元件上安裝一些電子元件或裝置，可以極大地提高系統(tǒng)運(yùn)行的精準(zhǔn)度和可靠性，是機(jī)電一體化技術(shù)的深入發(fā)展，也是氣動技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

1.2 模塊化組合式設(shè)計

由于不同領(lǐng)域的需求，機(jī)器人產(chǎn)品正朝著多品種、多規(guī)格、小批量、復(fù)雜化等方向發(fā)展。若仍采用傳統(tǒng)的“一個用戶需求、一次重新設(shè)計”的設(shè)計方法，就很難滿足這些要求。模塊化組合式設(shè)計思想[6-8]是以成組技術(shù)為基礎(chǔ)，針對工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)領(lǐng)域小批量、多品種的需求，面向作業(yè)任務(wù)，綜合運(yùn)用目前已有的各種先進(jìn)技術(shù)，選用優(yōu)良品質(zhì)的各組成模塊(如執(zhí)行元件模塊、控制模塊)，將機(jī)器人按所需的功能和運(yùn)動進(jìn)行分解，然后將模塊化執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)耦合集成，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的快速研制和重構(gòu)。模塊化設(shè)計方法與傳統(tǒng)設(shè)計方法相比，不僅可以通過選擇適當(dāng)模塊迅速構(gòu)建客戶所需機(jī)器人，而且還能很好解決機(jī)器人品種、規(guī)格與設(shè)計制造的周期、成本之間的矛盾，既可以兼顧使用上的專業(yè)性和結(jié)構(gòu)上的通用性，又可以簡化設(shè)計結(jié)構(gòu)，縮短研制周期，提高產(chǎn)品設(shè)計的柔性和性價比。在這一領(lǐng)域進(jìn)行深入研究，帶來的生產(chǎn)快速、性價比高的工業(yè)機(jī)器人必將推動中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)及先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展[9]。

2 電子氣動搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于電子氣動技術(shù)和模塊化組合式設(shè)計思想，設(shè)計完成了一款電子氣動搬運(yùn)機(jī)器人，本體結(jié)構(gòu)見圖1。該電子氣動搬運(yùn)機(jī)器人綜合了圓柱坐標(biāo)型和極(球)坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)5個自由度運(yùn)動，分別是：體旋轉(zhuǎn)1、體升降2、臂旋轉(zhuǎn)3、臂伸縮4、腕旋轉(zhuǎn)5。其中體旋轉(zhuǎn)1、臂旋轉(zhuǎn)3采用電驅(qū)動(步進(jìn)電機(jī))，滿足多工位精確定位需要；體升降2、臂伸縮4、腕旋轉(zhuǎn)5采用氣壓驅(qū)動(氣缸)，完成工作范圍內(nèi)的移動和搬運(yùn)任務(wù)；手爪部分采用指夾持氣缸，通過更換不同指部元件實(shí)現(xiàn)不同物品夾持。

圖2為該電子氣動搬運(yùn)機(jī)器人實(shí)物樣機(jī)。

2.1 機(jī)械本體結(jié)構(gòu)

2.1.1 機(jī)身 搬運(yùn)機(jī)器人的機(jī)座與機(jī)身合成一體。機(jī)身的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(體旋轉(zhuǎn))由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，通過同步齒形帶傳動。同步帶傳動具有傳動準(zhǔn)確、效率高、吸振好、平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足搬運(yùn)機(jī)器人體旋轉(zhuǎn)高精度的定位需求。

1. 體旋轉(zhuǎn) 2. 體升降 3. 臂旋轉(zhuǎn) 4. 臂伸縮 5. 腕旋轉(zhuǎn) 6. 指夾持

圖1 電子氣動搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

Figure 1 Structure diagram of electro-pneumatic transfer robot

1. 指夾持 2. 腕旋轉(zhuǎn) 3. 臂伸縮 4. 臂旋轉(zhuǎn) 5. 工件 6. 體升降

7. 閥島 8. 體旋轉(zhuǎn) 9. 工作臺

圖2 電子氣動搬運(yùn)機(jī)器人樣機(jī)

Figure 2 Prototype of electro-pneumatic transfer robot

升降運(yùn)動(體升降)采用SMC公司[10]的平臺式導(dǎo)桿氣缸，該款氣缸具有安裝高度小、承受偏心負(fù)載能力強(qiáng)、無需外設(shè)計導(dǎo)向裝置、T槽結(jié)構(gòu)便于安裝附件等特點(diǎn)。升降運(yùn)動氣缸根據(jù)設(shè)計要求選定型號為MGF40-100。

2.1.2 手臂 搬運(yùn)機(jī)器人通過臂部運(yùn)動改變手部在空間的位置，臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計與運(yùn)動形式、抓取重量、自由度、運(yùn)動精度等因素有關(guān)，同時還需考慮到手臂受力情況、氣缸及導(dǎo)向裝置的布置、內(nèi)部管路與手腕的連接形式等因素。結(jié)構(gòu)設(shè)計采用模塊化組合式設(shè)計思想，將臂旋轉(zhuǎn)、臂伸縮的功能執(zhí)行元件模塊化，然后通過自行設(shè)計的連接板來組合實(shí)現(xiàn)。

手臂運(yùn)動包括臂旋轉(zhuǎn)、臂伸縮2個自由度，采用極坐標(biāo)型運(yùn)動方式。臂旋轉(zhuǎn)采用“步進(jìn)電機(jī)+同步齒形帶”驅(qū)動。其中，步進(jìn)電機(jī)置于手臂端部，一方面作為動力源，另一方面與臂伸縮部分構(gòu)成力平衡，避免運(yùn)動中各構(gòu)件重力所引起的偏重力矩起伏過大影響機(jī)器人定位精度和性能；臂伸縮選用MXF20-100型直線氣缸，具有高度小、內(nèi)置磁環(huán)定行程、凸輪軸承摩擦小壽命長、調(diào)行程裝置、方便安裝等特點(diǎn)。

2.1.3 其它部分 腕旋轉(zhuǎn)自由度主要實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)機(jī)器人指部的姿態(tài)變化，設(shè)計中采用MDSVB7型回轉(zhuǎn)氣缸，通過可調(diào)整限位塊來滿足指部的位置調(diào)整需要。

指夾持自由度主要完成對搬運(yùn)物體的夾持、釋放等動作。根據(jù)功能分析和計算，選用MHQZ-16D型標(biāo)準(zhǔn)氣動夾持氣缸，并通過連接板安裝于腕旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)氣缸上。

電子氣動搬運(yùn)機(jī)器人技術(shù)參數(shù)見表1。

2.2 氣動系統(tǒng)

氣動系統(tǒng)各執(zhí)行元件采用選定的氣缸，各氣缸進(jìn)氣口、出氣口裝有出氣節(jié)流式單向節(jié)流閥，便于執(zhí)行元件的速度控制與調(diào)節(jié)。同時，氣流的控制有利于執(zhí)行元件運(yùn)動穩(wěn)定性的改善。電磁閥安裝采用先進(jìn)的閥島技術(shù)，把多個電磁閥采用總線結(jié)構(gòu)集成在一起，縮小了體積，減少了控制線，便于安裝、綜合布線和控制，結(jié)構(gòu)緊湊、簡化。圖3為搬運(yùn)機(jī)器人的氣動系統(tǒng)原理圖。

表1 電子氣動搬運(yùn)機(jī)器人技術(shù)參數(shù)

圖3 電子氣動搬運(yùn)機(jī)器人氣動系統(tǒng)原理圖

3 電子氣動搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)

3.1 控制系統(tǒng)硬件

控制系統(tǒng)選用三菱公司的PLC控制器作為控制核心，并擴(kuò)展2個脈沖輸出模塊用于電機(jī)運(yùn)動控制。PLC控制器根據(jù)控制點(diǎn)數(shù)需要選型為FX2N-64MR，F(xiàn)X2N系列PLC具有運(yùn)算速度快、存儲容量大、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，既可處理數(shù)字量信號，通過擴(kuò)展還可處理模擬量信號和定位控制；擴(kuò)展模塊選用FX2N-1PG分別控制2個體旋轉(zhuǎn)、臂旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)鎖緊力矩可以滿足確保機(jī)器人工作穩(wěn)定性。控制系統(tǒng)構(gòu)成框圖見圖4。

圖4 控制系統(tǒng)構(gòu)成框圖

3.2 控制系統(tǒng)軟件

搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)控制主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化、返回原點(diǎn)、手動操作、自動運(yùn)行、故障檢測及報警等功能。程序編制采用三菱公司PLC編程軟件完成。

系統(tǒng)初始化主要包括運(yùn)行狀態(tài)初始化和電機(jī)運(yùn)動控制參數(shù)初始化兩部分。運(yùn)行狀態(tài)初始化通過功能指令I(lǐng)ST對步進(jìn)梯形圖中的狀態(tài)初始化和一些特殊輔助繼電器進(jìn)行自動切換控制，包括返回原點(diǎn)操作、手動操作控制和自動循環(huán)控制等；電機(jī)運(yùn)動控制參數(shù)初始化主要是通過設(shè)定BFM數(shù)據(jù)緩沖器參數(shù)來初始化定位模塊FX2N-1PG的工作參數(shù)，包括控制參數(shù)設(shè)定、常用輸入控制和軟控制位等，如運(yùn)行速度、爬行速度、加減速時間、回參考點(diǎn)開關(guān)信號、返回原點(diǎn)等。返回原點(diǎn)是指機(jī)器人各執(zhí)行機(jī)構(gòu)全部自動復(fù)位到原點(diǎn)狀態(tài)，所有動作執(zhí)行完成到位后，原點(diǎn)標(biāo)志置位，為自動運(yùn)行做準(zhǔn)備。手動操作主要實(shí)現(xiàn)單個執(zhí)行機(jī)構(gòu)單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)或同時運(yùn)轉(zhuǎn)，用于調(diào)試設(shè)備或工作狀態(tài)的調(diào)整。自動運(yùn)行可以實(shí)現(xiàn)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的連續(xù)、循環(huán)和協(xié)同工作。當(dāng)原點(diǎn)條件滿足后，在自動運(yùn)行模式下按下啟動信號，將自動完成程序預(yù)定的搬運(yùn)過程。除急停情況外，程序只有完成一個完整動作流程后才會停止運(yùn)行，同時設(shè)定了運(yùn)行狀態(tài)斷電保持功能。若原點(diǎn)條件不滿足，自動運(yùn)行模式將不能啟動。故障檢測及報警功能主要用于搬運(yùn)機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)下的自檢和故障報警功能，實(shí)時對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、故障信息和系統(tǒng)變化進(jìn)行檢測，以便于工作人員了解設(shè)備運(yùn)行狀況以及對出現(xiàn)的故障采取有效應(yīng)對措施。

4 結(jié)論

利用電子氣動技術(shù)和模塊化組合式設(shè)計思想完成了一款搬運(yùn)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計。所設(shè)計的電子氣動工業(yè)機(jī)器人將微電子控制技術(shù)、氣壓傳動技術(shù)和模塊化設(shè)計思想有機(jī)結(jié)合，面對工業(yè)機(jī)器人中的執(zhí)行單元相似部件進(jìn)行模塊化設(shè)計，通過適當(dāng)調(diào)整參數(shù)或快速更換樣機(jī)中可換件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)重構(gòu)，完成不同的功能需求。運(yùn)用電子氣動技術(shù)和模塊化組合式設(shè)計思想設(shè)計的工業(yè)機(jī)器人與傳統(tǒng)的專用機(jī)器人相比，具有柔性強(qiáng)、設(shè)計制造周期短、適應(yīng)面寬、性價比高等優(yōu)點(diǎn)。

[1] 王田苗, 陶永. 我國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略[J]. 機(jī)械工程學(xué)報, 2014, 50(9): 1-13.

[2] 張效祖. 工業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 世界制造技術(shù)與裝備市場, 2004(5): 33-36.

[3] 王田苗, 陶永. 我國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略[J]. 機(jī)械工程學(xué)報, 2014, 50(9): 1-13.

[4] 駱敏舟, 方健, 趙江海. 工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用[J]. 機(jī)械設(shè)計與制造, 2015, 44(1): 1-4.

[5] 馬光, 申桂英. 工業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 組合機(jī)床與自動化加工技術(shù), 2002(3): 48-51.

[6] 施進(jìn)發(fā), 梁錫冒. 機(jī)械模塊學(xué)理論[J]. 中國機(jī)械工程, 1997, 8(6): 53-55.

[7] 侯亮, 唐任仲, 徐燕申. 產(chǎn)品模塊化設(shè)計理論、技術(shù)與應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 機(jī)械工程學(xué)報, 2004, 40(1): 56-61.

[8] 張興國,劉明. 工業(yè)機(jī)器人組合式模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計研究[J]. 制造業(yè)自動化, 2008(7): 30-32,74.

[9] 陳航, 殷國富, 趙偉, 等. 工業(yè)機(jī)器人模塊化設(shè)計研究[J]. 機(jī)器人技術(shù), 2009, 36(3): 56-58.

[10] SMC(中國)有限公司. 現(xiàn)代實(shí)用氣動技術(shù)[M]. 3版. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2008: 698-721.

A design of transfer robot based on electro-pneumatic controlling technologies

QIAN Min1ZHANGXing-guo2

(1.NanTongIndustryandTradeTechnicianCollege,Nantong,Jiangsu226010,China;2.SchoolofMechanicalEngineering,NantongUniversity,Nantong,Jiangsu226019,China)

A type of transfer robot was designed based on electro-pneumatic controlling technologies and module structure combination. Structure of the robot was explained in detail, and the corresponding draw for the working principle of the pneumatic system adopted valve island technology was analyzed. Furthermore, the control program and hardware of the control system were demonstrated. The electro- pneumatic transfer robot integrated the characteristics of cylindrical coordinates and polar (ball) coordinates, it can achieve 5 degrees of freedom movement.

industrial robot; electro-pneumatic controlling technology; modularization and combination

江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號：BK20131205)

錢敏，女，南通工貿(mào)技師學(xué)院高級講師。

張興國(1975-)，男，南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授，碩士，碩士生導(dǎo)師。E-mail: zhangxingguo@163.com

2016—03—15