悬臂搬运机器.doc

第29 卷第2 期太原理工大学学报Vol. 29No. 21998 年3 月JOURNAL OF TAIYUAN UNIVERSIT Y OF T ECHNOLOGY Mar . 1998悬臂搬运机器人武利生李宏艳李元宗( 机械工程系)摘要阐述了悬臂搬运机器人的机构组成, 工作原理, 讨论了以可编程控制器为核心的机器人控制系统。控制软件中的一些方法和技巧对其它工业顺序控制问题具有一定的参考价值。悬臂搬运机器人在中山森莱公司电池极板生产线上的实践应用表明: 该机器人具有结构精巧、控制可靠、运行平稳、价格低廉的特点, 适于在电池、电镀、热处理、堆垛等行业推广。关键词搬运机器人; 机器人机构; 机器人控制中图分类号TP242. 2悬臂搬运机器人是为了提高Ni-MH 电池的生产质量, 减轻工人劳动强度, 提高电池生产的自动化水平而设计研制的一种工业机器人。外观如图1所示。悬臂搬运机器人是具有两个自由度的直角坐标重型搬运机器人 1 。采用可编程控制对其进行点位控制( 即PTP 方式) , 可以根据不同的作业要求,编制不同的程序进行控制。悬臂搬运机器人主要性能参数如下:X 轴电机功率: 2. 2 kW;Z 轴电机功率: 2. 2 kW;最大负载: 300 kg ;X 轴速度: 7. 99 m/ min;Z 轴速率: 10. 06 m/ min;最大程序容量: 2 K ( 可扩大为8 K) ;定位精度: 5 mm.1结构简介悬臂搬运机器人的机构由两大部分组成, 即行走机构和提升机构。两机构分别由各自的电机驱动,运动相对独立。机器人行走机械简图如图2 ( a) 所示。它是由行走电机1 通过联轴节2 带动蜗杆旋转, 经过蜗轮减速机减速后, 装在蜗轮轴上的齿轮3 与蜗轮以相图1工业机器人外观同的转速转动。通过过轮6 的作用将运动传递到车轮7 固联的齿轮8 上来带动两车轮沿轨道5 同步前进。两车轮均为驱动轮, 有利于改善机器人的起动和制动性能, 可以避免在起重量较大时发生打滑现象。机器人的提升机构如图2 ( b) 所示。它由提升电机17 经蜗轮减速机10 后驱动主链轮11 转动, 下 男, 1972 年生, 硕士, 太原理工大学, 030024文稿收到日期: 1997-11-15国家863 项目( 高效储能镍氢电池项目的子课题) : 阳极板浸渍悬臂搬运机器人( a) ( b)图2机器人机构原理链轮14 安装在立架下部的链轮座15 上, 链12 的两端安装在滑块13 上。手臂( 见图1) 与滑块固联, 这样当主动轮11 转动时, 链子就带着滑块和手臂沿立架16 上下移动。由机器人外观图可看出, 机器人手臂设计为悬臂梁的形式, 手实际为一提勾。手心的位置在贮液槽中心线上, 全部传动机构均在贮液槽侧面, 避开了贮液槽上方严重的酸碱气。由于机器人手上无开合动作, 因此机器人的取放物料动作要由机器人本身运动的组合来完成( 详见控制软件中组合机器人动作一节) 。2控制系统悬臂搬运机器人控制系统总体框图如图3 所示。主要由三部分组成: 1) 主回路; 2) 手动控制回路; 3) 自动控制回路; 包括PLC 控制电路和位置检测电路。为了达到设计提出的要求, 两台电机均选用YEJ 系列带制动器的电机。考虑到工作现场恶劣的酸碱气环境, 将手动控制和自动控制回路分开, 万一自动控制系统失灵, 仍可用手动进行控制, 提高了机器人工作的可靠性。自动控制是机器人的主要控制方式, 悬臂搬运机器人的自动控制系统核心是一台日本三菱公司的FX2-48MR 可编程控制器。它具有功能强、可靠性高、体积小、结构紧凑、安装维护方便等优点。位置传感器选用了全封闭的霍尔型接近开关。图3控制系统框图电池极板的浸渍要在从右到左的7 个槽中进行, 机器人的工作就是在这7 个槽间搬运物料, 并在适当的时刻到指定槽中完成规定动作( 抖动) 。由于机器人只有两个自由度, 要完成取放料动作就必须在每个槽中识别前后两个位置, 再加上手臂上下两位置共要检测16 个位置。PLC 输入输出分配表见表1.3控制软件生产中为了提高工效, 一个生产周期中共要在7 个槽内循环浸渍A, B 两卷料5 次。7 个槽从右到左依次编为0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 号, 其中0 号槽为备料槽, 6 号为出料槽, 余为贮液槽。要求: 1) A,B 料循环浸渍所用槽及时间如图4 所示; 2) 上A 料表1输入输出点分配表端口意义辅助继电器端口意义辅助继电器端口意义辅助继电器X00 0# 中点M780 X10 0# 后点M 770 X11 1# 后点M 771X01 1# 中点M781 X02 2# 中点M 782 X12 2# 后点M 772X03 3# 中点M783 X13 3# 后点M 773 X04 4# 中点M 784X14 4# 后点M774 X05 5# 中点M 785 X15 5# 后点M 775X06 6# 中点M786 X16 6# 后点M 776 X07 上点M 750X17 下点M751 X20 启动X21 清零Y0 上升M300 Y1 下降M 301 Y10 欠压示指Y2 左行M 302, M 303 Y3 右行M304, M305第2 期武利生等: 悬壁搬运机器人1192 h 45 min 后上B 料; 3) 当料在1, 2, 4, 5 槽时入槽抖动1 次, 以后每隔15 min 抖动一次, 每次抖动要求上下3 个来回, 升高为40 cm 左右, 升降平稳。图4循环浸渍过程根据工艺要求可以绘出机器人在一个生产周期的时序图( 本文略) 。分析时序图可以看出, 要完成两卷料的整个生产过程共要29 h 15 min. 若将机器人的动作分解成上升( 提升电机正转) 、下降( 提升电机反转) 、左行( 行走电机正转) 、右行( 行走电机反转) 4种, 则机器人在一个生产周期需要完成3 000 多个动作。这是非常典型的顺序控制问题。为了保证工艺要求, 也为了提高程序的效率和使程序更简洁, 在机器人的控制软件编制时采取以下措施。3. 1使用步进指令PLC 虽然具有很强的逻辑计算功能, 但这一问题由于工艺复杂, 动作繁多, 若用通常的梯形图语言编制, 则需使用大量的辅助继电器, 进行大量的自锁和联锁, 不仅编制困难, 更难以维护。一旦工艺稍有变动, 整个软件要重新编制。FX2-PC 有两条简单的步进指令STL 和REL 指令, 并同时具有大量的状态元件S, 这就可以用类似于SFC ( SequentialFunct io n Chart ) 语言的状态转移图方式编程。使用步进指令后, 大大简化了动作执行的条件, 程序和工艺流程的对应关系一目了然, 易于调试修改,提高了工作效率。另外使用步进指令后, 在一个扫描周期里, 仅执行母线上的指令和某步进点内的指令, 而其它步进点内的指令不执行。本程序共有1 800 多条指令。使用步进指令后每一周期仅执行几十条指令, 缩短了程序的扫描周期, 使机器人的动作更加可靠。3. 2组合机器人的动作虽然可以将机器人的每一动作作为一状态处理图5动作组合( 即为一步进点) , 但这将使得程序冗长, 可读性差。另一方面机器人作业时有些动作是连续执行的, 如机器人从1# 槽移到3#槽抓料, 这一过程要经过以下4步( 如图5 所示) :1) 机器人由1# 移到3# 的后点;2) 手臂下降到能抓到提手的位置;3) 向前运动, 移到3# 的中点;4) 手臂上升, 同时将物料提起。可以将这些动作组合在一起, 作为一个步进点处理。它对应的状态就是机器人由1# 槽到3# 槽的抓料状态。机器人的其它动作也可类似组合。在整个生产过程中共有146 次抖动( 机器人提着物料完成3 次上升, 3 次下降动作) 。对于这一动作组合, 因其执行次数多, 将其写作子程序, 放在主程序之后, 利用FX2-PC 提供的调用子程序功能指令CALL P1 ( 功能号为FNC01, P1 为指令指针) , 需要用时直接调用。通过动作组合使程序更简洁了, 易于调试修改。3. 3循环动作处理从时序图可以看到, 机器人在一个生产周期中有些动作完全相同, 有些基本相同。对于这些动作可以利用计数器计数结合简单的判断构造循环来进行处理。例如有一段程序要求机器人在2# 槽和4#槽各完成4 次抖动, 然后将4# 槽的料搬到6# 槽, 就图6局部循环可采用如图6 所示过程处理。这一方法不仅适用于动作完全相同的情况, 对于动作不完全相同的情况也可处理, 但要利用辅助继电器来改变条件。如在程序中有一段动作基本相同, 区别仅在于第一次执行时用4# 槽, 以后用5# 槽。程序中使用了辅助继电器M699 和M700 来构造条件( 见图7) , 将4# 和5#槽等同对待, 循环执行。120 太原理工大学学报第29 卷使用循环处理不但缩短了程序的长度, 而且使程序更简洁, 更易于修改。只要改变计数器的设定值或延时长度就可对程序进行局部的调整。3. 4锁定位置和掉电保持机器人到达指定位置时, 由于惯性或执行其它动作的影响, 有可能使位置稍稍偏移。在这种情况下, 传感器的状态将不能保持, 机器人将因检测不到这一位置而导致程序执行错误。为了解决这一问题, 我们在机器人到达某一指定位置时置位一辅助中间继电器。利用这一辅助继电器来将这一位置锁定, 程序中用辅助继电器的状态来表示该点的状态,而在不需要时将其复位。要注意所有这些电路均连接在母线上, 这样就不需要在每一步进点中置位辅助继电器来锁定位置, 而只需要用辅助继电器来表示位置即可。辅助继电器与位置的对应关系见表1.另外为了实现在设计要求中提出的要求PC 断电时, 能保持断点的状态。程序中选用的辅助中间继电器M, 状态器S 和计数器C 为带掉电保持的。对于定时器T , 因一般情况下无法知道断电时间, T所表示的时间已意义不大, 选用无掉电保持功能的。3. 5程序流程图悬臂搬运机器人在控制软件用类似于SFC 语言的状态转移图语言编制。程序中除了步进点外还有一些电路直接与母线相联。这些电路包括锂电池欠压指示电路, 位置锁定电路和4# 槽5# 槽区分电路。我们可以把这些电路看作程序预处理部分。另外抖动程序也联接在母线上, 但它作为子程序放在主程序之后, 供主程序在必要时调用。调用时执行,不调用时程序在FEND 指令后刷新输入输出状态表, 子程序并不执行。程序执行的流程图如图7 所示。图中的每一个复方框中又包括有局部的循环, 判断等。4结束语图7程序框图悬臂搬运机器人于1996 年3 月安装调试完成,进入试运行阶段。1996 年8 月应厂家的要求, 对机器人的工艺程序进行了一次较大的改进。已在中山森莱公司的电池生产线上投入实际应用。它的应用提高了电池生产的自动化水平, 减轻了工人的劳动强度, 提高了电池的质量。悬臂搬动机器人由于其自由度少, 其机构和控制部分相对简单。不必选用一些特殊结构和精密机构, 也无需采用复杂的控制算法。因此悬臂搬运机器人具有成本低、控制灵活、操作简便、运行可靠、易于维护等特点。悬臂搬运机器人作为一种通用搬运机械, 在电池生产、自动装配、电渡、热处理、堆垛等行业应用前景广泛, 具有很高的推广价值。参考文献1吴瑞详. 机器人技术及应用. 北京: 北京航空航天大学出版社, 1994. 1418( 下转第133 页)第2 期武利生等: 悬壁搬运机器人121参考文献1陈雪瑞, 李文斌, 牛志刚. 参数切换机械系统建模研究. 中国机械工程, 1996, 7 ( 5) : 31332陈雪瑞, 李玉瑛, 赵宗淦. 参数切换机械系统实现研究. 太原工业大学学报, 1997, 28 ( 3) : 5103陈雪瑞, 穆临平, 汪鸣铮. 参数切换机械系统串并联研究. 太原工业大学学报, 1997, 28 ( 4) : 16One Kind of Algebraic Operation on SeriesChen XueruiLi Yuying, Zhang Haif eng( Dep t. of Mech. Engg. ) ( Dep t. of Ap llied Math. and Mech. )AbstractThis paper discusses one new kind of alg ebraic operat ion on ser ies and it s character.T he new operation on series, w hose source is taken at parameter conversio n mechanism sy stem,not only reveals the special oper at ion rules of the system, but also can be used in some o therscience fields.Key wordsseries; mode; mult iplicat ion all over; addit ion all over( 上接第121