基于減速器控制的裝配流程算法探討

王曉峰

（蘭州職業技術學院，蘭州 730070）

0 引言

國內外對工業機器人的重要部件之一的減速器做了大量的研究。減速器的設計類型也在不斷地完善和優化[1]，近些年也出現了一些特殊用途的減速器。尤其在新元件、新產品方面，在減速器中增加了平面二次包絡蝸桿減速器[2]。在新材料方面，編入了新型工程材料——鈦和鈦合金，解決了耐腐蝕、高低溫特性、生物相容性等技術難題。上述文獻雖然解決了減速器控制的絕大部分控制問題和材料設計問題，但是沒有涉及到減速器之后的末端行為控制，正是因為如此，減速器控制以后的末端控制和相關參數的設定過程存在一定的問題。

本文將從工業機器人中的基礎部件減速器開始，到最后的坐標系選取給出了一系列的方案，基于工業機器人本體的減速器控制，到提出末端執行器的選取要求指標，提出相關參數標定的模塊順序，采用減速器控制上料、取件。針對基坐標體系進行分析，驗證其準確性與有效性。

1 工業機器人中的減速器

減速器在工業系統中很容易見到，在工業機器人中是一個極為重要的部件。其和伺服電機有聯系，可以使其按需要的速度來運行，以工業機器人為例，在完成動作的過程中要給每個關節、每個軸進行合理降速來完成移動，準確地到達程序中設置的點位。即降速移動的過程就是完成一個個點的捕捉，如同采樣取數據是一樣的。降速是完成運動點的捕捉，但是機械臂并不是在所有的情況下都是空載，其抓取的物品在回程的過程中要考慮新加的重量，所以要考慮力矩的輸出要夠大。

之前考慮到重量問題，也就是帶載的負重[3]。接下來考慮的是移動過程中精度的保持狀態問題。不管是哪個軸的運動過程，大部分動作都是重復的，因為在書寫程序的過程中會使用相似的指令來寫完整個程序。這樣使用會有很大的作用，其一不用設置過多的采樣點來增加額外的工作量，其二確保運行過程中的安全性[4]。因為有些工作臺上面設置了很多的傳感器和檢查裝置，其走形路線是相對固定的，看似任意，其實都是采樣好的點，所以確保精度是工業機器人能正常工作的前提，需由減速器來完成這個功能。

目前市面主流有RV減速器、諧波減速器、行星減速器等，可以根據不同的情況來作出選擇，在這里不再贅述。減速器在工業機器人中的控制非常關鍵，以后的各種控制也是在減速器這個控制元件下完成的。

2 末端執行器

操作對象是法蘭盤，所以要選擇工業機器人的末端執行器，作為工業機器人的執行機構，類似于人的手部，主要是裝在工業機器人手腕上用于直接抓握工件，或者執行作業的部分[5]。機器人的手不一定像人類手部那樣有手指，也可以是沒有手指的手，可以是類似人類的手爪，也可以是進行專業作業的工具，像裝在機器人手腕上的噴涂槍、點焊工具等。主要應用領域不同，機器人末端執行器就會不同。對于普通管狀物體的抓取也有需要注意的地方[6]。

工業機器人通過安裝不同類型的末端執行器，可以完整地實現對圓盤類、長軸類、不規則形狀、金屬板類等各種元件的搬運、自動上料/下料、工件翻轉、工件轉序等工作步驟。它看似不起眼，在最末端，也有可能是最小的，卻在控制過程中不可或缺[7]。作為與生產過程相互作用的執行部件，對提高工業機器人的任務完成度和實際表現有著重要的作用，其工作過程的狀態，在很大程度上決定了整個工業機器人的工作完成度和質量好壞。

近年來，國內外先后研究開發了多種工業機器人末端執行器，很多材料為非剛性材料，其質地、形狀和尺寸等差異很大。針對不同的領域、不同的行業，使用的機器人末端執行器基本都是專款專用的。對于各種柔脆不規則形狀材料的靈巧柔順抓取，一直是機器人末端執行器的操作難點。

3 相關參數的標定

手動創建相關需要的參數，進行工具數據的設定，也就是TOOLDATA，在示教器的界面上按照從上到下進行設置。根據圖1，完成本次標定的順序。首先是名稱，本次操作是取、吸、還是夾工件，根據操作內容來命名，可以在大量程序里快速的找到所需要的程序，這也是命名的技巧。

貝伐單抗多囊脂質體的處方優化及體外釋放特性研究…………………………………………………… 王毅云等（7）：922

圖1 參數標定順序

范圍要確定的是局部變量還是全局變量，這里選擇全局變量。存儲類型選擇可變量，模塊選擇MOD，這些都在示教器上有相應的選項，選擇即可。在創建完以后，不要點擊確定，要看一下初始值[8]。在這里有一個工具坐標系的標定設置。通過四點或六點進行坐標系的標定，作為手動輸入法，要設置X軸、Y軸、Z軸的坐標，還有q1、q2、q3、q4的初值設定，最后初始值里還有質量mass的設定，初始值為-1，要手動的設置為1，數據準備完成后可以正式寫入程序[9]。

4 通過減速器控制上料

相關參數設置結束后就可以進入供料部分的設置了。流程是加速器將法蘭盤放到井式供料箱里，通過氣缸推出法蘭盤，由傳送帶將工件運送到末端，完成控制。

井式供料的控制是通過氣缸的收縮來完成的，在井式供料箱的底部需要放置一個傳感器EXDI3，氣缸部分有相同作用的是EXDI2，在運算開始時，氣缸部分的傳感器EXDI2處在待命的狀態，使用WAIT，傳感器EXDI2狀態數值可以設置為1。根據圖2所示，完成氣缸模塊的順序控制。下一步，傳感器EXDI3檢測到法蘭盤在檢測范圍內，使用WAIT，傳感器EXDI3狀態數值可以設置為1。傳感器EXDI3置1可以進行下一個步序，氣缸的推出。氣缸的推出是EXDI3=1給到PLC輸入信號后，再由PLC的輸出來完成的，通過I/O點的分布，找到氣缸輸出的線圈來完成。這里考慮到氣動部件是一個伸縮元件，而且可能要頻繁動作，可以通過置位復位完成氣缸的伸縮設置，這里可以使用和PLC一樣的指令來完成邏輯操作。還要在置位SET、復位RESET之間插入一個時間的設置。如果這兩個程序依次完成的話，可能會使法蘭盤無法穩定的被送到傳送帶上，同時還會出現在回縮過程中把井式供料箱里的法蘭盤給一塊帶出來。所以這里設置一個等待時間為2 S，直接設置數字2就可以。在復位RESET完成后，也就是氣缸回到初始點后，再次將傳感器EXDI2設置為1，為下一次的推出做好準備，之后的設置如同上面的順序操作即可，就可以再一次推出井式供料箱里的法蘭盤。

圖2 氣缸模塊的動作

當工件到達傳送帶時，讓傳送帶帶著工件到達傳送帶的末端，這里有一個點需要注意，傳送帶在檢測到工件時如何起動運轉，在寫程序的過程中要對PLC I/O中對應傳送帶馬達的輸出進行置1操作。同樣到達末端的時候進行置0操作。在傳送帶末端有一個傳感器檢測工件的到來，如果有工件到達，傳感器對應的PLC輸入點置1操作，在這里應該就完成了工件到末端的相應流程[10]。但是由于傳感器的檢測范圍較大，在不同的距離都可以檢測到，檢測到以后就進行置0操作，也就是讓傳送帶及時停止，這樣可能工件并沒有到末端的合適位置。所以為了避免不同工件造成的移動位置誤差，需要在PLC輸入點置1操作后等待3 s，然后再進行置0，讓傳送帶停轉。讓工件在傳送帶末端穩定下來。如果不設置延時時間，就會造成工件每次到達末端的位置都不一致，不利于下一項流程的位置定位。還有在這里傳送帶的轉速是由PLC控制，這里是一個典型的模擬量控制，為了運行平穩，讓傳感器的信號來作為一個啟動開關，速度設置成一個固定值，不再隨條件變化數值的大小。

5 減速器控制取件

當上面的流程結束后，就要使用減速器取走法蘭盤。通過控制工業機器人末端執行器來完成動作。如圖3所示，完成末端執行器的控制順序。需要操作的元件是法蘭盤，使用常見的弧口夾具很難夾取法蘭盤，其他夾具對柱形元件操作良好，但是對法蘭盤操作不友好。由于法蘭盤上面有一個光滑平面，可以使用真空吸盤夾具來操作。不同于夾取操作的末端執行器，這個是通過PLC對控制吸盤的氣動裝置通過氣路管道來完成的。當PLC收到抓取的信號，先打開氣路閥門，后通過示教器控制吸住并抓穩法蘭盤，將工件移動到放置區域，再關閉氣路閥門，法蘭盤脫離末端執行器，完成取件操作[11]。

圖3 末端執行器的移位過程

幾點需要說明，真空發生器的觸發依然使用SET來設置，在抓取物件的時候要先在元件的上方找一個固定的點標記下來，好確定回程。然后下移靠近法蘭盤，在啟動真空發生器，不要在物體上方的時候就啟用，這樣會使物體抓取的位置不在中心點，這里盡量靠近物體的中心點，再開啟真空發生器，這樣也方便放置元件的時候好確定位置，減少誤差。當抓取到物體后按原來的路線返回，切勿發生移動，帶上元件在上移的過程中發生移動會很容易碰到周圍的物體造成取件失敗。同時在取件的速度設置上也是盡量控制在低速，讓動作的過程能夠穩一點，不要發生對周圍物體的碰撞。一個比較理想的速度值可以設定為50，盡量不要過大。

HOME在這里并不是坐標原點，而是每個關節的角度和值。也就是在設置ABSJ這個變量的時候要使用關節變量來設置目標點。

6 坐標確定

6.1 基坐標

基坐標在工業機器人的底座中心，是坐標系的原點。X軸在右側，Y軸在X軸左側90°的方向上，于XOY平面垂直90°的是Z軸。

6.2 工件坐標系

工件坐標系在工業機器人的操作末端，示教的點是TCP，也就是T0點相對基坐標的偏移量。如果工具不止一個可以再設置一個坐標系T1，同時可以對這個點進行示教，也就是系統里面是可以允許多個工件坐標系存在的，可以是Tn，只是新增加的坐標系要重新進行示教。當然這里T0、T1、Tn相對基坐標的偏移量肯定會不一樣。但設置的時候要選擇一個確定的坐標系。一般情況下，設置兩個坐標系就可以了。

7 結束語

本文基于減速器控制的裝配流程算法探討，通過完成對裝配過程的設置，可以看出減速器在控制的過程中只要涉及到移動，就都會出現在控制過程里面。同時在設計的過程中還要熟知傳感器在PLC中的輸入接點，以及類似氣缸等輸出裝置的輸出接點[12]。同時要合理利用延時在控制系統中的作用。在末端執行器的選擇上要根據實際的工件形狀來確定類型。通過以上的設計流程，可以在實操過程中很好地完成類似法蘭盤一類工件的裝配過程。針對工業機器人的實際操作也完成了對減速器的控制優化。而在后續的控制算法上，可以繼續開展裝配流程算法方面的研究。