模塊化電子氣動工業機器人系統設計

錢 敏張興國

(1. 南通工貿技師學院，江蘇 南通 226010；2. 南通大學機械工程學院，江蘇 南通 226019)

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模塊化電子氣動工業機器人系統設計

錢 敏1張興國2

(1. 南通工貿技師學院，江蘇 南通 226010；2. 南通大學機械工程學院，江蘇 南通 226019)

基于電子氣動技術與模塊化組合式的設計思路，完成了一款用于物料搬運的電子氣動機器人本體結構和控制系統設計。詳細說明了機器人的本體結構，給出了采用模塊化閥島技術的氣動系統原理圖，闡述了基于PLC控制器的控制系統的軟、硬件設計。設計完成的電子氣動搬運機器人綜合了圓柱坐標型和極(球)坐標型工業機器人的特點，能實現5個自由度運動。

工業機器人；電子氣動技術；模塊化組合式

工業機器人產業是中國智能制造領域的突破口和重要抓手，被譽為“制造業皇冠頂端的明珠”，其研發、制造、應用是衡量一個國家高端制造業水平和科技創新能力的重要標志[1]。在國外，工業機器人技術日趨成熟，已經成為一種標準設備被工業界廣泛應用，相繼形成了一批具有影響力的、著名的工業機器人公司[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，日本和歐盟的工業機器人技術最為先進[3]。隨著中國制造業的蓬勃發展，特別是智能制造時代的到來，高性能低成本工業機器人系統研究將成為中國工業機器人技術研究和產業發展的重點[4-5]。中國工業機器人的研究起步較晚，盡管在某些關鍵技術上有所突破，但仍缺乏整體核心技術的突破，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、伺服電動機、控制器等關鍵部件。其中，模塊化可重構的工業機器人新型機構設計是中國工業機器人實現突破的核心關鍵技術之一[3]。

搬運機器人是工業化生產中的重要裝備，可代替人工完成物料一定范圍內的裝卸、移動等工作，其應用可以有效降低勞動強度，提高搬運效率，降低人工成本。由于工業應用場合不同，搬運機器人的功能需求不一，結構也千差萬別，因此，搬運機器人的設計與生產大多采用定制化生產方式，設計和生產成本較高。如何簡化搬運機器人結構設計，擴大結構適用性，從而提高機器人性價比和可靠性是現代搬運機器人研究的重要方向。

本設計基于電子氣動技術和模塊化組合式設計思想，設計了一款電子氣動搬運機器人的本體結構和控制系統，并驗證了設計可行性。設計結果可以為搬運機器人，乃至工業機器人新型結構設計研究提供一定的理論和試驗依據。

1 電子氣動技術與模塊化組合式設計

1.1 電子氣動技術

氣壓傳動作為機器人驅動的重要方式之一，具有介質安全、成本低、綠色環保等優點，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，是困擾氣動技術在機器人領域應用的技術難題之一。隨著微電子控制技術的發展，在原有的氣動執行元件上安裝一些電子元件或裝置，可以極大地提高系統運行的精準度和可靠性，是機電一體化技術的深入發展，也是氣動技術發展的必然趨勢。

1.2 模塊化組合式設計

由于不同領域的需求，機器人產品正朝著多品種、多規格、小批量、復雜化等方向發展。若仍采用傳統的“一個用戶需求、一次重新設計”的設計方法，就很難滿足這些要求。模塊化組合式設計思想[6-8]是以成組技術為基礎，針對工業機器人生產領域小批量、多品種的需求，面向作業任務，綜合運用目前已有的各種先進技術，選用優良品質的各組成模塊(如執行元件模塊、控制模塊)，將機器人按所需的功能和運動進行分解，然后將模塊化執行機構和控制系統耦合集成，實現工業機器人的快速研制和重構。模塊化設計方法與傳統設計方法相比，不僅可以通過選擇適當模塊迅速構建客戶所需機器人，而且還能很好解決機器人品種、規格與設計制造的周期、成本之間的矛盾，既可以兼顧使用上的專業性和結構上的通用性，又可以簡化設計結構，縮短研制周期，提高產品設計的柔性和性價比。在這一領域進行深入研究，帶來的生產快速、性價比高的工業機器人必將推動中國機器人產業及先進制造業的發展[9]。

2 電子氣動搬運機器人結構設計

基于電子氣動技術和模塊化組合式設計思想，設計完成了一款電子氣動搬運機器人，本體結構見圖1。該電子氣動搬運機器人綜合了圓柱坐標型和極(球)坐標型工業機器人的特點，能實現5個自由度運動，分別是：體旋轉1、體升降2、臂旋轉3、臂伸縮4、腕旋轉5。其中體旋轉1、臂旋轉3采用電驅動(步進電機)，滿足多工位精確定位需要；體升降2、臂伸縮4、腕旋轉5采用氣壓驅動(氣缸)，完成工作范圍內的移動和搬運任務；手爪部分采用指夾持氣缸，通過更換不同指部元件實現不同物品夾持。

圖2為該電子氣動搬運機器人實物樣機。

2.1 機械本體結構

2.1.1 機身 搬運機器人的機座與機身合成一體。機身的回轉運動(體旋轉)由步進電機驅動，通過同步齒形帶傳動。同步帶傳動具有傳動準確、效率高、吸振好、平穩等優點，能夠滿足搬運機器人體旋轉高精度的定位需求。

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

圖1 電子氣動搬運機器人結構圖

Figure 1 Structure diagram of electro-pneumatic transfer robot

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

7. 閥島 8. 體旋轉 9. 工作臺

圖2 電子氣動搬運機器人樣機

Figure 2 Prototype of electro-pneumatic transfer robot

升降運動(體升降)采用SMC公司[10]的平臺式導桿氣缸，該款氣缸具有安裝高度小、承受偏心負載能力強、無需外設計導向裝置、T槽結構便于安裝附件等特點。升降運動氣缸根據設計要求選定型號為MGF40-100。

2.1.2 手臂 搬運機器人通過臂部運動改變手部在空間的位置，臂部結構設計與運動形式、抓取重量、自由度、運動精度等因素有關，同時還需考慮到手臂受力情況、氣缸及導向裝置的布置、內部管路與手腕的連接形式等因素。結構設計采用模塊化組合式設計思想，將臂旋轉、臂伸縮的功能執行元件模塊化，然后通過自行設計的連接板來組合實現。

手臂運動包括臂旋轉、臂伸縮2個自由度，采用極坐標型運動方式。臂旋轉采用“步進電機+同步齒形帶”驅動。其中，步進電機置于手臂端部，一方面作為動力源，另一方面與臂伸縮部分構成力平衡，避免運動中各構件重力所引起的偏重力矩起伏過大影響機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、內置磁環定行程、凸輪軸承摩擦小壽命長、調行程裝置、方便安裝等特點。

2.1.3 其它部分 腕旋轉自由度主要實現搬運機器人指部的姿態變化，設計中采用MDSVB7型回轉氣缸，通過可調整限位塊來滿足指部的位置調整需要。

指夾持自由度主要完成對搬運物體的夾持、釋放等動作。根據功能分析和計算，選用MHQZ-16D型標準氣動夾持氣缸，并通過連接板安裝于腕旋轉的回轉氣缸上。

電子氣動搬運機器人技術參數見表1。

2.2 氣動系統

氣動系統各執行元件采用選定的氣缸，各氣缸進氣口、出氣口裝有出氣節流式單向節流閥，便于執行元件的速度控制與調節。同時，氣流的控制有利于執行元件運動穩定性的改善。電磁閥安裝采用先進的閥島技術，把多個電磁閥采用總線結構集成在一起，縮小了體積，減少了控制線，便于安裝、綜合布線和控制，結構緊湊、簡化。圖3為搬運機器人的氣動系統原理圖。

表1 電子氣動搬運機器人技術參數

圖3 電子氣動搬運機器人氣動系統原理圖

3 電子氣動搬運機器人控制系統

3.1 控制系統硬件

控制系統選用三菱公司的PLC控制器作為控制核心，并擴展2個脈沖輸出模塊用于電機運動控制。PLC控制器根據控制點數需要選型為FX2N-64MR，FX2N系列PLC具有運算速度快、存儲容量大、抗干擾能力強等優點，既可處理數字量信號，通過擴展還可處理模擬量信號和定位控制；擴展模塊選用FX2N-1PG分別控制2個體旋轉、臂旋轉步進電機。步進電機的靜態鎖緊力矩可以滿足確保機器人工作穩定性。控制系統構成框圖見圖4。

圖4 控制系統構成框圖

3.2 控制系統軟件

搬運機器人系統控制主要實現系統初始化、返回原點、手動操作、自動運行、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。

系統初始化主要包括運行狀態初始化和電機運動控制參數初始化兩部分。運行狀態初始化通過功能指令IST對步進梯形圖中的狀態初始化和一些特殊輔助繼電器進行自動切換控制，包括返回原點操作、手動操作控制和自動循環控制等；電機運動控制參數初始化主要是通過設定BFM數據緩沖器參數來初始化定位模塊FX2N-1PG的工作參數，包括控制參數設定、常用輸入控制和軟控制位等，如運行速度、爬行速度、加減速時間、回參考點開關信號、返回原點等。返回原點是指機器人各執行機構全部自動復位到原點狀態，所有動作執行完成到位后，原點標志置位，為自動運行做準備。手動操作主要實現單個執行機構單獨運轉或同時運轉，用于調試設備或工作狀態的調整。自動運行可以實現各執行機構的連續、循環和協同工作。當原點條件滿足后，在自動運行模式下按下啟動信號，將自動完成程序預定的搬運過程。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行，同時設定了運行狀態斷電保持功能。若原點條件不滿足，自動運行模式將不能啟動。故障檢測及報警功能主要用于搬運機器人運行狀態下的自檢和故障報警功能，實時對設備運行狀態、故障信息和系統變化進行檢測，以便于工作人員了解設備運行狀況以及對出現的故障采取有效應對措施。

4 結論

利用電子氣動技術和模塊化組合式設計思想完成了一款搬運工業機器人系統設計。所設計的電子氣動工業機器人將微電子控制技術、氣壓傳動技術和模塊化設計思想有機結合，面對工業機器人中的執行單元相似部件進行模塊化設計，通過適當調整參數或快速更換樣機中可換件，實現系統重構，完成不同的功能需求。運用電子氣動技術和模塊化組合式設計思想設計的工業機器人與傳統的專用機器人相比，具有柔性強、設計制造周期短、適應面寬、性價比高等優點。

[1] 王田苗, 陶永. 我國工業機器人技術現狀與產業化發展戰略[J]. 機械工程學報, 2014, 50(9): 1-13.

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[3] 王田苗, 陶永. 我國工業機器人技術現狀與產業化發展戰略[J]. 機械工程學報, 2014, 50(9): 1-13.

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[10] SMC(中國)有限公司. 現代實用氣動技術[M]. 3版. 北京: 機械工業出版社, 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

江蘇省自然科學基金項目(編號：BK20131205)

錢敏，女，南通工貿技師學院高級講師。

張興國(1975-)，男，南通大學機械工程學院副教授，碩士，碩士生導師。E-mail: zhangxingguo@163.com

2016—03—15