智能機械手在車輪生產線上的應用探索

張世歡，吳玉國，耿培濤

（1.安徽工業大學機械工程學院，安徽 馬鞍山 243032；2.馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽 馬鞍山 243003）

MG車輪公司擁有生產設備547臺，包含2條車輪軋制線、1條箍環軋制線、2條車輪熱處理生產線、3條車輪精加工生產線、4條車輪檢測線。目前MG車輪公司部分生產線仍使用懸臂吊，自動化程度低，應用智能機械手是提高生產線自動化程度的有效途徑。

1 應用智能機械手的意義

MG車輪歷經60多年發展，所產車輪在國內外皆有不錯口碑。車輪生產制造相對固化，雖然在行業內具有一定的競爭力，但與先進的車輪制造商相比，仍在自動化方面存在不足。現場加熱、軋鋼等操作室多，人員調配效率低下，人力資源需求多，協調和管理方面也消耗大量的人力物力。生產排程需要人工排程，工序之間存在大量人為干預，因此生產穩定性差，無法根據產線能力自動調節，上下料系統準確率相對偏低。

基于以上考慮，我們提出在生產線上應用智能機械手來代替懸臂吊。

2 車輪生產線上下料系統

車輪上下料系統是車輪生產、打捆，堆垛、運輸中最為關鍵的。其現場設備構成及動作順序如下：

鋼坯加熱→90MN壓力機鐓粗、成形→無芯棒立式軋機軋制→SIRD700旋轉鍛壓機沖孔、輻板成形、精整→臺車式隧道緩冷爐→空冷至室溫→環形熱處理加熱爐→淬火→臺車式隧道回火爐→拋丸→硬度檢測→超聲波探傷→加工→檢測→刷油包裝。

車輪熱處理加熱爐為外徑Φ16m單排環形加熱爐，淬火臺為熱處理加熱爐和控制臺所包圍，有四組淬火臺，加熱爐外通過智能機械手同時給四組臺子上下料，兼提供給回火爐落垛的功能。回火爐為兩座單排臺車式隧道爐，長度約30m，每臺車落垛6件車輪，為兩兩上料。

3 上下料系統對智能機械手的要求

目前上下料系統涉及如下幾個重要部件：

（1）自動裝載機：采用地面架軌方式安裝，軌長約80m，跨距約16m，工作范圍覆蓋整個緩冷料場；大車橫移速度0～60m/min，小車橫移速度0～40m/min，吊具起升速度0～12m/min。一臺負責緩冷坑揭蓋及車輪垛入緩冷坑，一臺負責車輪垛入庫出庫，兩臺自動裝載機功能配置一樣，可互為備用。

（2）懸臂吊改造：使之具備旋轉和解垛車輪垛功能，負責將緩存區中的車輪垛解垛，運至7#爐。

（3）溫度檢測設備：該設備設置于入緩冷坑交接位，實施檢測碼垛的第一個車輪溫度，當溫度達到允許的最低工藝參數時，可以手動控制提前將交接位上的車輪垛轉運至緩冷坑。

為了克服智能機械手在高速、重載運行情況下穩定性差和精度差等諸多難題[1]，需匹配重載、快速、大跨距、耐高溫和高重復定位精度等要求的智能機械手，滿足強度、剛度要求，以保障智能機械手的安全運行。

4 智能機械手的結構

智能機械手裝備雖復雜，但簡化后的機械手主要由控制系統、驅動系統、執行機構以及位置監測裝置等部分組成[2]。各機械系統組成關系，如圖1所示。

圖1 各機械系統組成關系

智能機械手通過控制機械手主臂和手爪系統配合操作，將車輪垛放入目標位置。為了使機械手在水平和垂直方向自由轉動，本文設計一種簡單的4自由度機構[3]，分別是：轉臺旋轉運動、大臂上下擺動、小臂上下擺動、手腕旋轉運動，如圖2所示。根據機械手三維結構，簡化機械手抓取部分，以底座為參考坐標系，其余各關節處為相對坐標系建立運動學關系。以機械手各關節為坐標原點[4]，連桿方向為X軸，連桿垂直方向為Y軸，建立D-H坐標系進行數學建模分析。

圖2 機械手連桿簡化坐標系

根據機械手各關節位置關系和運動軌跡，可得：

移動矩陣為：

旋轉矩陣為：

根據移動矩陣rij和旋轉矩陣Cij，計算可得D-H坐標系下機械手某點N的坐標，從j坐標系變換到i坐標系的變換矩陣Mij為 ：

計算可得機械手某點N從初始坐標系χiφiγi移動到目標坐標系χ jφjγj的公式為 ：

5 機械手驅動系統

安裝的機械手需要具備旋轉和解垛車輪垛功能，負責將緩存區中的車輪垛逐個解垛，所設計的上下料搬運機械手必須滿足這個特點，且需要精確的定位功能。根據以上因素分析，以驅動類型、輸出力、結構性、安全性、操控性、安裝要求以及維護要求等因素為參考對象，分別對液壓驅動、氣壓驅動、電機驅動三種不同驅動系統進行比較，如表1所示。

表1 機械手驅動系統特性表

由于車間位置緊湊，車輪垛較重，要求快速響應的同時，輸出力較大，機械手運動狀態易于簡單操作，各個關節控速精準。綜上分析，智能機械手選取液壓驅動方式。

6 智能機械手相關問題

（1）重復定位精度要求高：智能機械手每天工作量巨大，尤其是重復工作部分，需在設定好指定路線情況下，精準到達指定點。通過多次試驗定位基準得到誤差反饋，多次測算并進行計算機編程操作，降低重復定位偏差值。

（2）集成化：復雜的機械傳動系統由多個子系統組成，器件的集成度不斷強化，每一個子系統能夠獨立完成設計工作，各個子系統功能作用在一起，便能完成機械系統總體功能要求。

（3）模塊化：計算機開放型控制器成為研究熱點方向，模塊化、輕量化、標準化、網聯化是智能機械手未來重點發展領域。位置傳感器和速度傳感器不斷進化，更是助推智能機械手進步。加入導向驅動裝置的智能機械手具有彈性運載等優點。

7 應用結果

智能機械手具有水平、垂直運動速度快等優勢，生產過程中應用智能機械手可以大幅提高自動化水平，節約人工勞動強度，生產更加安全可靠。其結構剛性好，操作方便，能滿足各種產品生產搬運工作。機械手可配置為全閉環系統，能實時檢測位置指令和實際位置是否一致，操作方便。

8 結語

上下料系統是MG車輪公司生產、堆垛、解垛、運輸中最為關鍵的，使用頻次高，是車輪公司不可缺少的重要設備。本課題根據設備工作特點和現場工藝要求，從機械手連桿特性、驅動方式等方面進行了系統優化，將堆垛區的懸臂吊改造為智能機械手，裝備智能化水平顯著提高。