（机械工程专业论文）跟踪移载机器人系统研究.pdf

，一 一 。f 、 l。i ? 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 牲日 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期：趟垒：! ：坚 2 0 0 4 年上海大学工程硕士学位论文 跟踪移载机器人系统研制 硕士生：朱耀忠 导师：陈振华研究员 学科专业：机械工程 上海大学机电工程与自动化学院 20 0 3 年12 月 4d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e d t os h a n g h a iu n i v e r s i t yf o rt h ed e g r e e o fm a s t e ri ne n g i n e e r i n g ，一一 d e v e l o p m e n to fa t r a c km o b i l er o b o ts y s t e m m dc a n d i d a t e ：z h u y a o z h o n g s u p e r v i s o r ：p r o f c h e nz h e n h u a m a j o r ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g s h a n g h a iu n i v e r si t y d e c e m b e r ，2 0 0 3 摘要 跟踪移载机器人系统，是根据我公司显像管玻屏生产线自动化 改造的要求研制开发的。其目的：是使两组独立相向运动的悬挂输 送带之间显像管玻屏的输送，由原来靠人工搬运，通过本系统设备 来实现自动搬运。 本文要研制解决的是如何在两组独立相向运动的悬挂输送带之 间显像管玻屏的输送过程中，运用移载机器人技术来实现自动搬运问 题。文中主要就系统研制过程中的技术、设计思路和实际使用情况进 行了比较详细的介绍，特别是对研制过程中的一些关键技术问题，例 如：在两组独立相向运动并且运动的速度变化较大的悬挂输送带之 间，如何实现移载机对悬挂输送带的适时动态跟踪技术、如何解决单 台移载机取送作业均为跟踪移载、双向送取的技术难点以及如何解决 两台移载机在取屏和投屏作业时的相互影响等都进行了详细的论述。 同时文中也对电视显象管玻壳行业自动生产线设备的发展历史和目 前移载机器人技术在电视显象管玻壳生产过程中实际应用状况，以及 未来的发展前景也作了一定的介绍。 本文分为一h 章，第一章卞要介绍了课题的米源、日f f j 、意义，并 简要介绍了彩管玻先生产的物流技术的发展历史耵i 发展趋势。第一一章 介绍了在玻壳! k 过程- l - 上业机器人技术的实际应用川h i 移己。第三i 章谚0 明了跟踪移栽机器人系统l ，f ，j ! 是小功能、婴求及二仁婴性能十旨标。第旧、 ， 一 一 五章详细介绍了机械和控制系统的设计思恕和设计方案。第 了本系统的主要特点和研制中的关键技术。第七章对木系统 和实际应用情况进行了简要总结。 关键词：移载跟踪 a bs trac t t h ef o c u so ft h i sp a p e ri so nt h ed e v e l o p m e n to fa ni n d u s t r yr o b o t s y s t e mu s e d i na na u t o m a t i c p r o d u c t i o n l i n ef o r m a n u f a c t u r i n g - 一一 g l a s s s c r e e n so nc o l o r f u lk i n e s c o p e s t h e e n g i n e e r i n gb a c k g r o u n do ft h i ss t u d yi sa sf o l l o w i n g ： d u r i n gt h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，t h eg l a s s s c r e e n s a r ec a r r i e db y t w os e to fc o n v e y e rb e l t s t h e s et w ob e l t sm o v e dv i s a v i s t h e g l a s s s c r e e n sw e r et r a n s p o r t e db e t w e e nt h et w o s e to fc o n v e y e rb e l t s f o r m e r l ya r t i f i c i a l l y w h a tt od ob yt h er o b o ts y s t e md e v e l o p e di nt h i s p a p e ri s t ot r a n s p o r tt h eg l a s s s c r e e n sb e t w e e nt h et w os e to fc o n v e y e r b e l t sa u t o m a t i c a l l y , i n s t e a do fa r t i f i c i a l l y t h ep a p e rp r e s e n t st h es c h e m ef o rd e si g n ，k e yt e c h n o l o g i e sa n dt h e a p p l i c a t i o no ft h et r a n s p o r ts y s t e m s o m ek e yt e c h n i c a li s s u e s i nt h e d e v e l o p m e n ta r ed e t a i l e dd e s c r i b e d s u c ha sr e a l t i m e t r a c k i n go nt h e c o n v e yb e l t si nt h em o b i l es y s t e mw h e nt h e s et w ob e l t sm o v e d v i s a v i s t h et r a n s p o r t i n go fs i n g l em o b il er o b o ta n dt h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e nt w o m o b i l er o b o t sd u r i n g t a k i n g a n dp u t t i n gt h e g l a s s s c r e e n s i t a l s o i n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n t sa n dt h et r e n d so ft h ea u t o m a t i cp r o d u c t i o n l i n ef o r m a n u f a c t u r i n gg l a s s s c r e e n s o nc o l o r f u l k i n e s c o p e sa n d t h e a p p l i c a t i o n o ft h em o b i l er o b o t t e c h n o l o g y i nt h e m a n u f a c t u r i n g v g l a s s s c r e e n s t h e p r e s e n tp a p e ri n c l u d e s7 c h a p t e r s t h e e n g i n e e r i n gb a c k g r o u n do ft h i ss t u d y , i n c l u d i n gt h es t a t e o f - a r to f t h e l o g i s t i c a n dt r a n s p o r tt e c h n o l o g yf o rg l a s s s c r e e n so nc o l o r f u l k i n e s c o p e s ，i si n t r o d u c e db r i e f l yi nc h a p t e r1 t h ea p p l i c a t i o no fi n d u s t r y r o b o t si ng l a s s s c r e e n sm a n u f a c t u r i n gi sp r e s e n ti nc h a p t e r2 t h eb a s i c r f u n c t i o na n dt e c h n i c a lp e r f o r m a n c eo ft h em o b i l er o b o ti s g i v e ni n c h a p t e r3 t h ed e t a i l e di d e aa n ds c h e m ef o rd e s i g no ft h em e c h a n i c a l s y s t e ma n dc o n t r o ls y s t e mi sp r e s e n t e di nc h a p t e r4a n dc h a p t e r5 t h e m a i nf e a t u r e sa n ds o m ek e yi s s u e si nt h ed e v e l o p m e n ta r ei n t r o d u c e di n c h a p t e r6 f i n a l l y , t h ec o n c l u s i o ni sg i v e ni nt h el a s tc h a p t e r , c h a p t e r7 k e yw o r d s ：m o b i l er o b o tp r o d u c t i o nl i n e v l _-。_-_。1。-。_。_。_。-。1。1-。1。 。 一 ， ? - 一 一 一 目录 第一章绪论1 1 1 课题的来原 1 1 2 选题的目的、意义及重要性 2 1 3 彩管玻壳生产的现状和发展趋势3 1 4 彩管玻壳生产的物流技术的发展历史 4 1 5 彩管玻壳生产的物流技术的发展趋势 l1 1 6 本文的研制任务和预期目标12 第二章工业机器人技术在玻壳生产过程中的实际应用 1 3 2 1 工业机器人在玻壳生产过程的应用历史 1 3 2 2 工业机器人在玻壳生产过程的应用实例 1 4 2 2 1 热加工工序高温区工业机器人的应用1 4 2 2 2 研磨工序潮湿、多粉尘区工业机器人的应用 1 6 2 2 3 检查包装工序工业机器人的应用 1 8 2 3 工业机器人在玻壳生产过程的应用前景 2 0 第三章跟踪移载机器人系统的基本功能、要求及主要性能指标2 1 3 1 系统方案选择 2l 3 2 基本功能及婴求 2 2 3 3 主要性能指标 2 2 第四章机械系统的总体改汁 2 4 4 1 纵向足艮踪部分的i 殳计 2 4 4 2 横向平移部分的设计 4 3 纵向跟踪发信装置的设计 4 4 升降取屏部分的设计 4 5 跟踪检测装置的设计 2 5 2 5 2 6 2 6 4 6 机械系统主要驱动件的计算与选用2 7 第五章控制系统的总体设计 31 5 1 跟踪方式的设计 31 5 2 双机工作的节拍协调 3 2 5 3 跟踪移载机安全系统的设计 5 4 控制软件和硬件的设计 3 4 3 6 第六章系统的主要特点及研制中的关键技术 3 9 6 1 系统的主要特点 3 9 6 2 系统研制中的关键技术 4 0 第七章总结4 3 附录 4 7 参考文献 7 1 功读工程硕士期间发表的论文、参加的重大科研项目及获奖项目7 3 附件l跟踪移载机器人系统用户报告 7 4 附件2获奖项日复e l jf t ： 7 6 附件3参力的亟大科研项l 二f 复e f j 仆8 0 致谢8 6 1 1 课题的来源 我是一名在职攻读工程硕士学位的学生，大学毕业后到企业工 作已有二十年，长期从事自动流水线生产设备的引进、维护、改造和 设计开发工作，到上海大学继续深造的目的是通过学习新的知识，更 好地为企业发展服务。 我所在企业是一家中日合资企业，是由上海广电电子股份有限公 司、上海久事投资公司和日本旭硝子株式会社、日本丸红株式会社合 资建成的。生产的产品是用于电视和电脑的彩色显象管和彩色显示器 玻壳。外方的主要投资方日本旭硝子株式会社是目前世界最大的电子 玻璃生产企业，它是在1 9 6 7 年开始生产彩色显象管玻壳，当时生产 主要以人工为主，技术相当落后。经过几十年的不断发展，旭硝子株 式会社已成为世界玻壳行业的龙头企业。由于行业的垄断，日本旭硝 子株式会社向我们提供的设备技术也只相当于日本二十世纪八十年 代的水平，生产过程中的自动化程度不是很高，制品的物流过程大量 是靠人工搬运来完成。随着我国经济的飞速发展，人民生活水平的不 断提高和居住环境的不断改善，电视机尺寸也越做越大，显象管玻壳 尺寸和重量也随之增大，过去靠人工搬运f i j 输送方式已越来越不适 应，为了减轻工人的劳动1 川1 1 1 1 ，i x i i ：，减少制品的碰伤损失，杜绝搬运过秤 中工伤事放的发生，降低哆? 动成小，捉i ：辅i j - 霄，的合格率，如何在现彳 条件尽快实现生产过秤t 扎物流e f 动化，足我们从习 企业发箭工作 。 一 一 一1 - j f 人，# i ：w f 晓卜1 一沦爻 。 者的急切任务。本文所要研究开发的课题就是我公司急需角犁决的一个 设备开发改造项目。 1 2 选题的目的、意义及重要性 在彩色显象管玻壳制造过程中，由于受各种条件的限制，远距离 输送不可避免。原先制品的远距离输送一般采用周转箱或地面输送带 等方式，这种方式不仅花费大量的人力物力而且还要占用大面积的场 地和通道，另一种能在空中进行制品搬运的悬挂输送方式，虽能克服 上述缺点，但由于输送链强度以及动力源功率的限制，悬挂输送带的 输送距离不能过长，如能够实现两悬挂输送带之间物体的跟踪移载， 就能使悬挂输送带的输送距离大大增加，还能实现柔性物流和智能调 度。 本次的跟踪移载机器人系统，是根据我公司生产线改造的要求研 制开发的。其目的：是使两组独立相向运动的悬挂输送带之间显像管 玻屏的输送，由原来靠人工搬运，通过本系统设备来实现自动搬运。 其中取屏悬挂输送带是从退火炉检验车间把初检合格的显像管玻屏 输送出来，而投屏输送带是把玻屏运往研磨车间。由于两车间距离较 远，一组悬挂输送带不能承担长足巨离运输，故采用两组输送带在闪车 间之间交汇。日前工人2 4 小时人工搬运，把屏从取屏手矗篮搬剑投 屏吊簸上。口艮踪移找系统投入使j | _ j 后，可实现2 , 1 , j , i i - j 无人f 九守，连 续满负衙一l ：作，人人提高t - 1 ：父p l 川- , j 例下：- j l ! ，为实现整条乍产：线的纠能化柔。陀 自动，卜产创造了条件。 目前在圜内外的显像管玻壳制造工厂中，挂篮问的制品移载均由 人1 完成，尚未见采用机器人移载的报道。随着屏幕尺寸的不断增大， 用人工来移载逐渐不能胜任。跟踪移载机器人系统的研制和开发，能 节省大量人力，保证产品质量，并能大大提高生产线物流系统的自动 化程度，更重要的是提高物流系统的科学管理水平。 跟踪移载机器人系统是“彩管玻壳智能化柔性自动生产线及关键 技术研制”项目( 国家8 6 3 计划项目) 的关键系统设备。它的研制成 功将为玻壳生产进一步实现智能化柔性自动生产创造条件。 我的工程硕士学位论文研发的主要内容为该跟踪移载机器人系 统的机械、控制总体设计与关键技术的研究。 1 3 彩管玻壳生产的现状和发展趋势 十几年来，我国彩色显像管玻壳得到了迅猛的发展，通过技术引 进和技术改造并通过消化吸收已初步形成了一定的产业基础，通过对 大生产技术和新工艺逐渐掌握，逐步形成了新的经济增长点，彩色显 像管玻壳的销售额和产值逐年均有大幅度的增长。彩色显像管玻壳的 生产量约占l 丛：界彩色显像管玻壳产量的1 4 ，已跨入世界彩色显像管 玻壳生产大罔f f ，j 前列。 内彩1 薯：玻壳化产氽业匕有j 厄家，以安刚玻壳厂为最大。安玻 壳j 。始建一j ：l9 9 0 年，当t l , j 作为振兴i | l 民族一eq k l | ，j 发陡当时的iu 子工l kh l , 投资兴建n ，j 。址我山支2 i ，j 彩管玻壳厂。坡初引进的足芙 卜。f j 足fr f i 形常f t 沦文 1 。_ - 。_ _ 。1 。_ 。_ _ _ _ 。_ 。一 j 一 康i = 公司的技术，后来又融合了日本n e g 公司的先进技术，是一个有 产品研制开发能力的大型国有股份制企业。另外四家彩管玻壳生产企 业均为中外合资企业。 随着世界制造业逐步向中国的转移，国外彩管玻壳生产企业也在 加快向中国转移，美国康宁公司、日本旭硝子株式会社、韩国h e g 株 式会社等相继关闭和计划关闭国内的生产线，并将停产的生产线设备 转移到中国，由此引发了我国彩管玻壳生产行业的新一轮设备引进和 改造的高潮。 1 4 彩管玻壳生产的物流技术的发展历史 物流与生产同时产生，并随着生产制造技术的提高，制造成本在 整个生产过程中的比重的下降而逐渐为人们重视，物流技术的提高借 助于自动化技术的发展得以实现。在彩管玻壳生产过程中物流技术的 发展大致经历了以下几个阶段： ( 1 )人工物流 人工物流是最早的物流形式，物流的输送、存取由人工或借助较 简单的机械来实现。这种方式由于初期投资少、设备简单，在彩管玻 壳生产的初划被广泛应用。但内于玻壳生产是一种在高温环境下的作 业，稍不当心就可能被烫伤或划伤，存这种物流上作方j = = 卜，不仪二l 人的劳动强度大，：l 伤i 刚改多，i n jm 叭鼠损伤现缘兀j j 有发乍。 ( 2 )自动物流 随着彩管玻先i j ：、l ，j 1 2 0k g 0 1 ( 6 ) 驱动方式及动力跟踪一电机+ 变频调速 取屏一真空+ 吸盘 ( 7 ) 控制方式 手臂双向伸缩一双气缸组合+ 倍增机构 p l c 程序控制( 一套p l c 控制二台移载机) 第四章机械系统的总体设计 跟踪移载系统是由2 台跟踪移载机、4 套挂篮检测装置和控制系 统组成。跟踪移载机( 如图4 2 所示) ，根据功能可分为纵向跟踪，横 向平移，纵r 甸j t p 踪发信装置、升降取屏等部分。两台跟踪移载机放置 在两悬挂输送带中间，, , - p i t l t n _ 2 倍挂篮节距，控制箱安放在便于操作的 位置。如图4 - 1 所示 曩踪移蓑杠( a ) l t # t l t i l鼍踪荸蓑扭( b )$ 董检测装置 _ 南 音 南 c ； 搜屏董髓 1 一u _ j 崔霾剁_ 一蔚刊湎肾 l 一 氲刊衙肾 ， _ = 亡- 爿魍卿f- 啊 坠且 i 呸啊 v - - 1 2 一节 爿，午 囊屏吊董输送 厂i 刘1 一【 跟踪移栽系统半听前i 置l 冬i 4 1 纵向足艮踪部分的设计 纵向j i ! 艮踪部分足- - + i t f j 纵向j f 艮踪小车，小乍安装j i 璀座顺面的曲根 导轨上。i i lj ：扎簸j ，j 运功迷度经常变化，因此纵向f k 踪小| i j ，| ，j 动力采 用变频 j 爿迷iu 机，叼实现适时u t q 褴，并将芷 ：! 踪小午i ，i j 移动迷度分级， 根据挂篮移动速度的波动情况，可随时测整跟踪d 、车的速度等级。 在小车移动范围内安装有4 个发信开关和2 个极限位开关，这一 组开关是用来控制小车双向移动范围的。 如图二所示 图4 2 跟踪移载机 4 2 横向平移部分的设计 横向平移部分的主要功能就是移载，从图4 1 平面布置图上可以 知道，两挂篮传输线间距为1 5 米，且为双向送取，由于载屏挂篮为 框式结构，在取、送屏时机械手臂必须仲入左、矛i 篮榧内，因此移载 手臂采用独特的i 层舣阳倍增机构肜，以实现产送取、tf i f n j 定何、 有送放特殊的运动婴求。 4 3 纵向i f 艮踪发信装筒的设计 每台跟踪移载机有两套纵向跟踪发信装置，分别用了：对取屏挂篮 和投屏悬挂输送带的适时跟踪。为了能及时反应出悬挂输送带与纵向 小车的速度差异，该发信装置采用直接接触方式，如图4 - 3 当吊篮进 入跟踪区域后气缸将触杆推出，等待挂篮吊杆碰到触杆后，使触杆带 动发信转动，发信开关发信，跟踪小车移动。 吊蓝吊杆 触杆发信开关 气缸 图4 3 跟踪发信装置 4 4 升降取屏部分的设计 为了减轻升降部分重量，升降取屏部分直接选用导向气缸，气缸 下部安装柔顺性的波纹状吸盘，确保能可靠地吸取屏。 4 5 跟踪检测装置的设计 如图l l 所j ，- jl - 箍i i 、 检测装斟：安装仃2 台口醍踪移j 戈机的j 坶边，缚 套装置由上一卜帆组检测丁 ：关组成( 见l 鍪j , 1 - 2 ) ，其助能卡婴是检测挂 篮有无拔厨状沙利捉“3 箍的f ( f f l 剀何v f 1 ：。 2 0 一 ”ij i ，】：颁i , - f v l 匕欠 4 6 机械系统主要驱动件的计算与选用 ( 1 ) 升降取屏部分真空系统吸盘的计算与选用 吸取产品的真空由压缩空气通过真空发生器产生，通过分析比 较，本项目选用的真空发生器型号为：z hio b s ( s m c ) ，其产生的真空 度为- - 8 8 k p a ，吸盘选用高柔顺度的吸盘，型号为z p l 2 5 h b n 。吸盘直 径为中1 2 5 m m 。 根据吸盘的吸吊力公式： f = p sx 0 1 其中，f ( n ) 吸吊力； p ( k p a ) 真空度； s ( c m 2 ) 吸盘面积； t 安全系数，一般取4 。 则吸吊力为： f = 8 8 12 52 7 0 1 = 2 7 0 n 44 产品总量为2 0 k g = 1 9 6 n 吸吊力大于产品总量，符合要求。 ( 2 ) 升降取屏部分升降气缸的选用于校核。 升降气缸选用m ( ：1 7 t 0 5 0 ( s m c ) 根拆 气缸j ：作于t 力公，f = 1 7 彳尸 r 1 效j 钮一股取0 5 a ( m m ! ) 缸径实际面积 p ( m p a ) 气压 气缸的实际拉力：f = 0 0 5x1 10 0x00 5 = 2 7 5 气缸的实际拉力大于产品重量，符合要求。 ( 3 ) 纵向驱动电机的选用 根据技术指标：挂篮驱动速度为1 2 米分，即v = 0 2 米秒， 纵向移动部分的质量m = 3 0 0 k g ，即重量p = 2 9 4 0 n 纵向驱动部分的摩擦系数f = 0 2 纵向驱动传动系统的效率n = 0 8 启动要求在0 2 秒时间内达到0 2 米秒的速度，即加速度 a = l 米秒 则纵向驱动力为： f - - - ( 尸x0 2 + m xa ) l l f = ( 三呈兰旦兰q ：三三q q 业 o 8 f = 11 lo 驱动电机的功率：w = f x1 ，= l110x0 2 = 2 2 2 考虑到工况及安全系数，选用5 5 0 w 功率的电动机。 ( 4 ) 纵向驱动总传动比的确定 l 也机转速为n = 1 4 5 0 转分 纵ll j 输为刚步撕j 髟| | j i | 1 ：轮，齿数为z = 3 0 ，i n = 。l ，分歧网正c 径 f ) - - - - 12 0 r a m 上“人。、j j j f ：河! 十。f t 沧文 亚书蚓眦扣坐= 丝堕型= 4 5 5 3 要求传动比：2i 石万= 反五万汪r = 斗 选用减速比为4 3 的摆线针轮减速器，型号为w b w y l 5 - - 4 3 - - o 5 5 ( 5 ) 纵向驱动导轨确定 滑动导轨的选型 受力分析图 如上图所示w 为小1 i 弧! i - i ，f ，为f | j j j i f l i l 亟醚。 经计算w = 2 9 ，| t o x ，( 0 ，0 ) l ? ，= 2 9 ，l ，( 0 ，7 5 0 ) k 产剐斗 帖一0 + 里： k r t = 3 0 0 + 3 0 0 22 5 单个滑块承受的负载能力： 盹等+ 竿 ：旦2 互竺! 竺茎芝! 刍 42 2 9 4 0 + 2 9 40 2 9 4 04 - 2 5x2 9 4 = 上 42 = 1 17 6n 通过对照t h k 公司单个滑块的负载能力表，可以在l h 类型中选 定型号在2 5 左右，并根据直线导轨尺寸表和公称型号最终可选定 l h 2 5 a n 导轨寿命校验 寿命长度： 一。( 筹卜。( 勰) 3 = 1 6 4 7 6 4 砌 式l j 石，：硬度系数为l 六：负载系数为1 2 c ：) 离小动态额定负载l i l 2 5 a n - 21 0 0 0 x f ，：p = ii7 6 n 余g 擘a ) j f l ：均通过汁筛选川，这址不作洋细介乡 。 第五章控制部分的设计 由于本移载机工作条件恶劣( 2 4 小时不可间断) ，现场环境温度 较高( 玻屏温度可达5 0 。c ) ；挂篮的框式封闭结构，移动挂篮和移载 机伸出的手臂之间可能产生运动干涉，一旦出现干涉情况，将严重时 损坏设备而停止生产，危险陛较大。所以对移载机的跟踪系统和安全 系统提出了很高的要求。下面重点对控制系统的跟踪方式、双机工作 的节拍协调、移载机的安全系统及控制软件特点进行介绍。 5 1 跟踪方式的设计 悬挂输送带按图4 - 1 所示以各自速度运动，移载机上的运动小车 沿直线导轨x 方向运动。手臂及吸盘安装在运动小车上。运动小车首 先必须准确跟踪上有屏的挂篮，在实现跟踪后，快速伸出手臂及吸盘， 吸起玻屏并迅速缩回手臂，完成一个取屏动作。然后跟踪上投屏输送 带的空挂篮，跟踪实现后，反向快速伸出手臂吸盘吸住的玻屏，并投 放在空挂篮里，最后迅速缩回手臂，完成一个放屏动作，等待下一次 取屏。由于两条输送带交汇长度较短，又必须安排两台移载机，故移 载机x 方向长度较短，运动小车移动长度有限。而在这有限长度内， 又必须完成上述动作，改对足艮踪速度的建立要求较高。 跟踪方可选j 【= 气液缶i ：变气流方式渊速足艮踪( 曰小引进砹得检 验线木端e i 动投屏机 ! | j 采川此方式) 、俐服lu 机实现俐服足 5 踪、和交 流变频动爿迷i f 艮踪等力j = 。j ：长气液缸变气流可爿速方式一旦设定述度 后，其速度恒定，无自动速度调节功能，不能适应吊篮速度波动，且 造价较高；而伺服系统亦价格昂贵且本系统无需很高的精度；而采用 交流变频调速较为经济又可在较大的范围内自动调节速度以适应挂 篮速度变化，故本系统采用交流变频调速。 速度传感器( 图4 3 ) 由三个接近开关( l s l 、l s 2 、l s 3 ) 及回 转发信片组件组成。当运动的挂篮吊杆碰到发信触杆时，发信组件以 回转轴为中心回转，根据挂篮吊杆和运动小车( 速度传感器固定在运 动小车上) 的相对速度差，发信片分别覆盖接近开关l s l 、l s 2 、l s 3 ， 控制系统根据三个接近开关状态即可获得挂篮和小车的相对速度差 大小( 若l s lo n 一小车速度慢、l s ll s 2o n 一速度较慢、l s 2o n 一速度合适、l s 2l s 3o n 一速度较快、l s 3o n 一速度快) 。从而 控制变频器的输出频率，自动调节移载机速度，使移载机和挂篮速度 保持一致。本方式可在一定范围内自动调节跟踪速度。在工作现场由 于生产节拍的需要及悬挂输送线的负载大小变化，悬挂输送线的运动 速度有一定波动，本系统在工作中较好地适应了这种变化，取得满意 的效果。 5 2 双机工作的节拍协调 由于输送带的输送速度较快，用一台移载机完成对一个屏的取、 投动作剧均j 后无法对第二个屏进行移栽，故必需配备二台移栽机。本 移载机组包括两台完全独立的移找机，在实际使用过f 翟当。 l 发现若 双机完全独。：二i ：作( 有屏即义) ，一i rf fi 不能提高! 卜产效率，反而会 j f 于空挂篮资源冲突，导敛a # 移栽机取好屏却无空一n 簸能及时投放m 1 ：i 缸人。1 ：f7 e 卫f j 。f 妒论上。 一 - 空等，从而降低了投屏效率，甚至导致连续漏屏( 移载机未能把l # 传输线上的玻屏全部取去，使玻屏重新回到检验车间) 。通过节拍分 析和规划，本机采用双机协同工作方式。下面对此问题进行剖析： 由于工作场地的限制，两台移载机的布置见图4 一l ： a 、b 两移载机间距为2 倍挂篮节足e = 2 p 理论上：取屏挂篮节足e = p 1 投屏挂篮节足e = p 2p i = p 2 = pv l = v 2 = v a 组移载机完成一次取、投屏并准备第二次取屏的工作时间= t a b 组移载机完成一次取、投屏并准备第二次取屏的工作时间= t b t a = t b = t t m a x = 2 p v( 当移载机取好屏并准备投屏时，一个空挂篮正 好已过) t m i n = p v( 当移载机取好屏并准备投屏时，一个空挂篮正 好到达) 实际上：由于v l v 2 ，p 1 p 2 故对b 组移载机，由于经过b 组的投屏悬挂输送带挂篮均为空篮， 所以t m i n t b t m a x 而对a 组移载机，最不利的情况是：当a 组取好屏并准备屏时， 正好一个空挂篮已过，而后续的挂篮已有玻屏( b 组所投) ，所以对 t a ，有可i j 邑t m in t a t m ii 1 ，b 组就将漏屏( j ：a 组木? i 孑玻肠叫焚掉i f | j 无法取屏，。玻d f 企鄙流向b 一 组) 。 双机协同工作： 本控制系统采取a 组间隔取屏( 只取双数屏) ，b 组有屏即取的 方式，根本上避免了上述情况。其原理如下： a 组移载机对经过它的取屏传输带吊篮进行双号识别，只对双号 挂篮里的玻屏进行取作业。对b 组移载机，通常经过它的取屏传输带 挂篮的玻屏是间隔的( 单号) ，而t m i n t b t m a x 。故对b 组而 言，通常是不会漏屏的。( 只要a 组把双数屏都取走) 对a 组移载机， 最不利的因素仍然是取、投屏传输带相位差最大时，即a 组准备投屏 时，空挂篮正好己过，而随后的投屏传输带吊篮已有屏( b 组所投) ， 但由于a 组已取走双数屏，随后的投屏传输带吊篮里必然也是间隔有 屏，a 组等一个节拍就可投屏，所以a 组可能漏取一只双数屏，随后 立即恢复正常的工作，避免了连续漏屏现象。 经过半年多运行，本系统实际漏屏概率 o 1 。 5 3 跟踪移载机器人安全系统的设计 跟踪移载机在取屏及投屏时，机械手臂均伸入运动着的挂篮内， 靠自动跟踪系统保证手臂和挂篮的相对位置。由于挂篮为框式结构， 若由于某种原因相对位置发生变化，将导致手臂和吊篮的运动干涉， 严重时会引起悬挂输送带的损坏和移栽机术机的严重。弓i 放。m 恐挂输 送；m ：的非j l 三常停机会“接甘敛整条生产线的停顿，j e 损失( 以缚分钟 数t 元汁) 是。甜p 币：i ，i ，j 。一i 改小移城系统列安个系统作了巫，- _ 考l g 。 小安全系统他 | r f i i i i i ff ，l ：火效保护、吸头们i 摭仙：护及怂北传输带紧急 停止等三重保护。 ( 1 ) 器件失效保护 本控制系统的p l c 、开关i 巳源、变频器、真空吸头、运动系统的 电机、同步齿形带均在保护之列。 若系统p l c 失效、开关电源故障、后备电池电压过低及变频器故 障时，系统报警并自动紧急停机，手臂强制回中。 电机失效或同步齿形带断裂：在运动指令发出后的0 5 s 内，p l c 检测安装在移载机运行轨道旁的四个接近传感器传回的信号，判 断小车无移动，即自动停机报警，并强制手臂回中。 真空吸头破裂或真空发生器故障：p l c 对真空信号进行判断，若 在规定时间内不能建立起真空，系统放弃当前玻屏并自动复位。 若第二次尝试仍然失败，则系统停机报警，并强制手臂回中。 ( 2 ) 吸头碰撞保护 若自动跟踪系统出现故障，导致手臂及吸头在伸出和缩回过程中 和挂篮发生碰撞，安装在吸头上的四只触须开关发信，系统放弃当前 作业，立即缩回手臂，并报警停机。该保护功能可确保移载机手臂在 任何情况下一旦和挂篮发生运动干涉，即刻缩回手臂。 ( 3 ) ：晷= = 挂输送带紧急停i 卜 此。腌况只有在檄端。盹沙下实施。即p l c 检测到吸头和拌簸发乍碰 撞，并发指令缩丁惜，f f 二l 丁惜在0 5 s 内不能缩i i i i ( 如iu 磁i f k j 失 效、气缸火效、丁惜破片物k 夕匕或破仆j , 。, f , - t i 住等) 。系统采取j 。4 z ) - 一f | ，i 勺 保移、措施一恩扎输送带紧急停i 卜，以f | | 】保输送j ：和移城机的安全。 5 4 控制硬件和软件的设计 ( 1 ) 硬件 本控制系统核心硬件采用o m r o nc q m i 系列p l c 、法国t e 变频 器、o m r o n 接近开关及光电开关。具体配置如下： c p u 电源 c q m l _ c p u 4 1 p a 2 0 6 输入模块c q m l i d 2 1 2x 5 输出模块c q m l 一o d 2 1 2x 2 c q m l _ 0 c 2 2 2 x 2 变频器t ea t v 一1 8 u 2 9 n 4 以上器件具较高的性能和可靠性，确保系统的可靠工作。 控制系统硬件框图如下： 罩兰运，芟：j 垂缓一 i 一一一一一 ? = ；。：j 。一 一一 小榨制软件采刚腆块化i 殳汁，包 | 1 1 i 控程序利六个予f 譬序。 主控程序包括手动程序、所有动作的执行和各科，放障处理程序( 包 括安全系统) 。而移载机移动部分( 包括各种快速定位、自动跟踪) 、 系统主动作部分、跟踪调试程序部分则分别编成六个子程序( a 、b 二组) ，相互间可调用。 为了配合系统的维护、修理，本控制系统把a 、b 二组移载机的控 制硬软件均独立处理( p l c 共用) ，保证在某组断电维修时，另外一 组可正常工作，且在软件上作了处理，使b 组在维修时，a 组放弃双 号取屏方式，改为有屏即取方式，以提高工作效率。 本系统控制软件框图如下： ；署始 ：令l 芝：夕_ 每i 尽 ，。人 ， 。：。， 附录t j 包含了a 组l l ji 个子稚序，分别为： j 三二? 鬟：；j i 孑 + f ? ，：- i 子程序0 ：a 组自动跟踪子程序 子程序1 ：a 组系统动作子程序 子程序2 ：a 组调试跟踪子程序 第六章系统主要特点及研制中的关键技术 6 1 系统的主要特点 ( 1 ) 系统操作方便 本系统操作方式分为手动和自动两种模式： a ) 当系统被设定在手动模式时，可通过操作面板上的各个按键来控 制移载机的各项动作。还可以按照程序进行跟踪调试，以便将移载 机的运动状态调整到最佳。 b ) 当系统被设定在自动模式时，a 机和b 机可分别或同时启动，系 统将按照事先编好的工作程序自动进行屏的移载，并分别记录a 机、 b 机的移载情况。 ( 2 ) 系统具有自检和自我保护功能 当某移载机因故动作不到位时，系统发出警报，同时将该移载机 手臂缩回至安全位，并停止该机工作，待排除故障后再重新启动。系 统发出警报的同时在操作面板上会显示出故障位置。若系统所产生的 故障会威胁到悬挂输送线的正常运行，本系统将自动停止悬挂输送 线。 ( 3 ) 两移栽机具有 力、删j l 作f f ，j 功能 系统可分为t n j j 【- = ：作和胁机联合一j ：作鹏种方工。 a ) 单机工1 i - - t l , j ，只开腑台移拔机，j j t i l g i 亥机：f 孑尽可能多地移拔，门 篮l i ，j 屏。 卜 一 b ) 两机联合工作时，两移载机沩- 调工作，完全移载取屏挂篮中的屏。 ( 1 ) 结构新颖、紧凑 跟踪移载机的移载手臂采用双气缸驱动的双向送取倍增机构，该 移载手臂具有结构紧凑、定位精确、调节方便、易于控制等特点。 ( 5 ) 适时动态跟踪 系统纵向跟踪采用了适时动态跟踪技术。配置了挂篮相对位置检 测装置，当测得跟踪移载小车与吊篮不同步时，移载机将自动调整跟 踪速度，与吊篮保持一致，确保取、投屏作业的安全可靠。 6 2 系统研制中的关键技术 ( 1 ) 实现移载机对悬挂输送带的适时跟踪。 由于悬挂输送链的负载不断变化，其运行速度经常变动，为了确 保移载机在取、投屏时与挂篮的相对位置保持一致，就必须采用适时 跟踪技术。要做到移载机对挂篮的适时跟踪，就得对悬挂输送带速度 进行适时采样，经计算处理后再控制纵向跟踪小车。若用上述方法有 以下几个难点：1 ) 对悬挂输送带的速度采样困难。2 ) 移载机对挂篮的 跟踪会有滞后。3 ) 系统较复杂。为了简化系统并能较可靠地实现跟踪 移载，本系统采用了适时动态足艮踪技术，即挂篮位置跟踪检测和多级 速度控制相结合的方法。用一组接近开关检测5 种相对位置信号( 图 i ) ，变频控制f f r ? 齐n 的5 级速度分别对应予5 种位置信号， i ! 艮踪时f 【；! 掘 位置差实现f 艇踪速度的自动切换。用此办法可使足艮踪小乍位置在一定 范内与m 篮位置保十，! i 。一致。从而实现适时动态跟踪。 ( 2 ) 解决单台移载机取、送作业均为跟踪移载、双向送取的技术难点。 移载系统的取屏和投屏对象为两条相向移动挂篮，跟踪移载机要 实现取屏一等待一投屏一等待这一循环功能，载屏挂篮为框式结构， 在完成纵向跟踪的基础上，横向移载手臂必须在较短时间内伸入篮框 取屏或投屏并缩回。两条悬挂输送带间距为1 5 0 0 毫米，即要求移载 距离为1 5 0 0 毫米，且在中间位须停顿。为使结构简洁轻巧，手臂伸 缩迅速，而且不与吊篮相干涉。移载手臂采用双向倍增机构，其驱动 元件是两个行程为3 7 5 毫米的气缸，倍增后吸盘的行程为双向7 5 0 毫 米，使手臂朝两个方向都能伸入挂篮框，进行屏的抓取和投放。倍增 机构采用双气缸驱动有以下显著优点：结构紧凑。能实现三点精 确定位。一般倍增机构的动力源多为电机或单气缸，如用电机不仅结 构复杂而且安全性差；如用单气缸则无法实现三点定位。调节方便。 气缸的运动速度通过调速阀调节，十分的方便。易于控制。取屏手 臂的各种运动，是由几个气缸电磁阀动作的不同组合来实现的。解 决了单台移载机的双向作业问题。倍增机构结构紧凑，而且可以双向 移动，因此在这里作为移载手臂最为合适。 ( 3 ) 解决两台移载机在取屏和投屏作业时的相互影响。 在本系统中，两台移载机取屏与投屏的优先权相反，因此取、投 屏作业会相互产生影响，加上取屏挂篮与投屏挂篮的移动速度不一 致，从而造成作、i k 秩序混 l 及大。遗漏屏现缘。系统控制一l 采用一台移 载机优先选择移栽，卜一台移找机判别移载的方法，以及对两台移载 机作j 1 了拍f l j 差值进行控制，有效地解决了上述难题。 本系统中单台跟踪移载机的取屏剧划为3 6 秒，投屏周期为3 秒。 而悬挂输送带每隔7 秒移过一个挂篮。存移载机跟踪取屏后投屏悬挂 输送带不一定正好有空吊篮在投屏区域内，因此它必须等待空挂篮进 入投屏区域，方可进行投屏作业，最长等待时间为7 秒。因此只用一 台跟踪移载机无法实现完全移载。而简单采取两机独立工作也不能消 除漏屏现象，因为在a 机取屏后等到的第一个挂篮为b 机刚投过屏的 挂篮，它就要再等7 秒，这就会造成有两个屏要留给b 机移载，而在 多数时间内b 机只能移载一只屏。即使b 机刚好将两只屏都移到相邻 两个投屏挂篮上，这也就意味下一轮a 机必定要等7 秒以上，就是说 a 机一定会放过两个屏给b 机移载。从上面分析可以看出要实现完全 移载就不能让a 机等两个吊篮。为保证a 机始终有空挂篮可投采取了 以下几项措施： a ) 将两台跟踪移载机安排在两倍挂篮节距的位置上。 b ) 协调两移载机的取屏次序。a 机只抓取取屏挂篮中第二、四、六 等