基于機器人技術的自動上下料系統設計

鐘 靖，姜萬生，秦現生，白 晶，王潤孝，蘇海燕

（1．西北工業大學機電學院，陜西 西安710072；2．南通愛慕希機械有限公司，江蘇 南通226009）

0 引言

在數控機床加工行業中，常常要求加工精度高，效率高，易于生產自動化。而針對多工序的工件加工，多采用單臺機床人工裝夾的方式對不同工序進行分步加工的方法，其缺點是人工裝夾精度低，效率低，生產周期長。為此，提出一種工件自動上下料系統，其采用2臺數控機床負責不同的工序，并由機器人完成對2臺機床的上料和下料，以實現整個生產過程的自動化［1］。

1 系統組成及工作流程

管接件自動上下料系統由人機交互單元、控制單元和檢測執行單元3部分組成。各模塊的組成和功能如圖1所示。

圖1 系統組成及功能關系

在系統中，人機交互單元主要有系統的啟停，檢測執行單元的運行狀態顯示和信息反饋，系統的程序修改，以及示教過程中的其他操作等功能。控制單元采用工控機加PMAC（多軸運動控制器）的上下位機體系控制結構，工控機作為上位機用于處理非實時信號，PMAC作為下位機用于進行插補運動等實時計算，同時PMAC內部集成有PLC模塊，用于處理開關量信號的輸入與輸出［2］。檢測執行單元中的機器人部分帶有末端執行器，用于抓取工件，為機床1和機床2上下料。根據加工工藝的需要，設置轉向機構，用于對工件的轉向操作。同時，采用激光測距傳感器對已裝夾好的工件進行位置檢測，并將結果反饋給控制單元，以保證工件裝夾的精度。

根據設計方案，系統一共分為5道工序，其工作流程如圖2所示。

圖2 系統工作流程

a．機器人從原點A處移動到上料機構B處，夾取工件。

b．機器人將夾取的工件移動到機床1（即C處）進行第1道工序加工，其中，機器人先對機床1上已加工的工件進行下料，然后將夾取的工件裝夾到機床1。

c．通過測距傳感器檢測工件裝夾結果是否符合要求。

d．將從機床1取下的工件移動至轉向機構E處，進行轉向操作。

e．從轉向機構夾取工件移動至機床2（即F處）進行第2道工序加工，其中，機器人先將機床2上已加工的工件進行下料，然后將夾取的工件裝夾到機床2。

最后，機器人將完成加工的工件下料并回到原點A處，以等待下一個工作循環。

2 檢測執行單元設計

2．1 機器人及末端執行器設計

機器人作為執行各種運動的主體，其采用4自由度坐標結構，如圖3所示。機器人在X軸方向由直線導軌支撐，并經過伺服電機驅動，通過齒輪齒條的嚙合，實現機器人在X方向的往復直線運動；A軸方向、Y軸方向和B軸方向通過伺服電機驅動，減速器減速，并由同步帶傳動，分別實現A軸方向的擺動運動，Y軸方向的伸縮運動和B軸方向的旋轉運動。

由于擺臂擺動過程中，對A軸的轉動慣量和力矩較大，故有必要對A軸電機及傳動系統進行校核。

圖3 機器人結構

2．1．1 計算負載轉動慣量

擺臂軸由2個深溝球軸承支撐，一端由電機驅動擺臂軸旋轉，另一端通過法蘭與擺臂箱連接，從而帶動擺臂部分旋轉。由平行軸定理［3］得：

J1為擺臂部分相對自身轉動軸的轉動慣量；J擺臂為擺臂部分相對電機軸的轉動慣量；d為電機軸與擺臂轉動軸的距離。

由Solid Works中的測量功能，可以得出m擺臂＝25．833 kg，d＝120 mm，J1＝2．886 kg·m2，代入式（1）得：

2．1．2 計算負載轉矩

電機帶動擺臂部分轉動的工作過程中，加速時間為t1，勻速時間為t2，減速時間為t1，如圖4所示。

圖4 電機工作情況示意

由Solid Works模型可得機器人擺臂在工作過程中的最大擺角為θmax＝56．8°，并設置加速時間為0．2 s，勻速時間為0．8 s，減速時間為0．2 s，最高轉速為nm，擺動時間一共為1．2s。則有：

將數據代入式（2）和式（3）得最高轉速為：

最大角加速度為：

加速轉矩為：

由Solid Works模型得，擺臂在擺動過程中，其質心對轉動中心的距離為L＝120mm，對轉動中心的轉矩為：

由于重力負荷轉矩是θ的函數，即是時間的函數，而擺臂的加速轉矩、重力轉矩在一個往復擺動過程中是對稱的，故只需求擺臂單向擺動過程中的最大負荷轉矩，將擺臂單向擺動過程中的加速轉矩和重力轉矩進行合成，如圖5所示。

圖5 擺臂最大負載轉矩

最大轉矩將是擺臂在0．2 s，1 s或1．2 s時（最大擺角位置處）產生。

a．擺臂在t＝0．2 s時，有：

b．擺臂在t＝1 s時，有：

c．擺臂在最大擺角位置時，有：

最大負載轉矩為：

選擇松下電機MHMD 082G1V，轉子轉動慣量為Jm＝1．61×10－4kg·m2，額定轉矩為2．4 N·m，最大轉矩為7．1 N·m，額定轉速為3 000 r／min，最高轉速為4 500 r／min。設計傳動系統減速比為i＝80，則負載轉動慣量折算到電機軸的慣量為：

負載與電機軸的慣量比為：

負載轉矩折算到電機軸的轉矩為：

折算到電機的最高轉速為：

由此可知，電機及傳動系統滿足設計的負載要求［4］。

末端執行器主要用于裝夾工件、氣嘴吹氣以及傳感檢測，其結構如圖6所示。安裝塊用于末端執行器其他零部件的安裝，并通過法蘭與絲杠花鍵軸聯接，實現動力傳輸；閥島用于給氣爪和氣嘴供氣與斷氣，實現氣爪的開合以及氣嘴的吹氣功能；激光測距傳感器用于測量已裝夾工件的位置，并將信號反饋給控制器；根據管接件加工特性及要求，氣爪指套采用聚四氟乙烯材料，以保護已加工好的螺紋表面，其V型結構設計可以實現對不同直徑的工件進行裝夾的功能。

圖6 末端執行器結構

2．2 上料機構設計

上料機構主要用于給系統提供定位好的工件，以供機器人自動夾取，其結構如圖7所示。上料機構由驅動電機提供動力，經同步帶傳動，最終帶動傳送帶，推動工件向前運動。通過對電機的控制，可以實現工件的斷續進給。同時，調節擋板之間的距離，可以為不同尺寸的工件進行上料。

圖7 上料機構結構

2．3 轉向機構設計

轉向機構用于工件在第1道工序和第2道工序之間的90°轉向操作，其結構如圖8所示。轉向機構工作時，首先由機器人將工件送至底板上面并通過傳感器精確定位，通過伸縮氣缸推動壓塊壓緊工件，并讓機器人退出，然后擺動氣缸進行90°轉向，機器人重新夾取工件。整個過程實現了工件的轉向功能。

圖8 轉向機構結構

3 控制單元設計

3．1 上位機軟件設計

根據設計方案，上位機需要與下位機進行數據通訊，上位機給下位機發送控制指令，下位機實時計算系統數據，采集信號并反饋給上位機。通過Windows XP操作系統平臺，以C＃高級語言編譯出上位機軟件，主要有系統操作權限設定、數據庫管理、各軸電機運行參數的監控、軸控制參數的設定以及人工示教等功能。

在上位機軟件開發中，Delta Tau公司為客戶提供有Pcomm32動態鏈接庫，包含多種用于上下位機通訊的函數。通過函數BOOL OpenPmacDevice（DWORD dw DEVICE）與 PMAC卡連接，實現兩者數據通訊；同時使用函數BOOL ClosePmacDevice（DWORD dw DEVICE）用于在程序退出前將工控機和PMAC卡的通訊斷開。在上下位機通訊中，通過函數Pmac Get Response（ ）與PMAC卡進行交互，既可實現從PMAC中讀取數據、為數據賦值，又能向PMAC發送控制指令。

3．2 下位機控制系統設計

下位機控制系統主要以PMAC為核心，采用位置控制模式對伺服驅動器和伺服電機進行運動控制。PMAC基于DSP的高速計算能力，能夠對各軸電機的運動進行插補運算，以保證運動的實時性和精度。同時，PMAC中還集成有PLC模塊，PLC模塊主要對數字I／O進行處理，主要包括氣爪的開合狀態、機床運行狀態、各種按鈕信號以及系統報警信息等。通過PMAC語言對PLC進行編程，并調用PMAC中編好的運動程序，可以實現方案預設的工藝過程［5］。

4 結束語

設計了一種自動上下料系統，對機器人及末端執行器、上料機構、轉向機構進行結構設計，并對關鍵電機及其傳動系統校核，最后對控制系統進行簡要設計。目前，已與南通愛慕希機械有限公司聯合生產樣機。

［1］ 程小波，馬彩鳳．數控加工在制造業中的應用［J］．裝備制造技術，2013（7）：194－195．

［2］ 白海清，彭玉海，何 寧．基于PMAC的數控系統軟件開發研究［J］．機床與液壓，2007，35（2）：59－61．

［3］ 李卓球．理論力學［M］．武漢：武漢理工大學出版社，2009．

［4］ 余清華，朱宏杰，郭 軍，等．數控機床進給系統必須慣量匹配［J］．金屬加工，2013（3）：53－54．

［5］ 郭 鼓，李樹軍，徐永新，等．一種基于PMAC的開放式數控系統的設計與實現［J］．制造業自動化，2012，34（4）：106－109．