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    搬运机器人期末考试论文

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    搬运机器人调研论文



    学院：机械工程学院 专业：机电一体化 班级： 学号: 学生姓名：



    2011年12月20日



    . 摘要
    搬运机器人不但能够代替人的某些功能和动作，有时还能超过人的体力能力。可以24小时甚至更长时间连续重复运转，还可以承受各种恶劣环境进行物体搬运作业，超过限度的必须由搬运机器人来完成。因此，搬运机器人是人体局部功能的延长和发展。 21世纪是敏捷制造的时代，搬运机器人在敏捷制造系统中应用广泛。

    关键词： 机器人 物体搬运 连续运转 恶劣环境



    . 目录
    第一章 绪论 ........................................................................................................................... 4 1．1引言 .............................................................................................................................. 4 1．2工业机器人概述 .......................................................................................................... 5 1．3搬运机器人的种类 ...................................................................................................... 6 1．3．1机床上下料搬运机器人 .................................................................................... 6 1．3．2物料搬运机器人 ................................................................................................ 7 1．4研究意义与必要性 ...................................................................................................... 8 第二章 搬运机器人国内外研究现状分析 ......................................................................... 10 2．1国外研究现状 ............................................................................................................ 10 2．2国内研究现状 ............................................................................................................ 11 第三章 搬运机器人的关键技术分析 ................................................................................. 14 3．1自动柔性机床上下料搬运机器人 ............................................................................ 14 3．1．1现场布局 .......................................................................................................... 14 3．1．2功能描述 .......................................................................................................... 14 3．1．3 3DL视觉支架 .................................................................................................. 16 3．2物料搬运机器人 ........................................................................................................ 22 3．2．1执行机构 .......................................................................................................... 22 3．2．2驱动机构 .......................................................................................................... 26 3．2．3控制系统 .......................................................................................................... 26 第四章 搬运机器人的未来发展趋势 ................................................................................. 34 第五章 总结 ......................................................................................................................... 36 致谢： ..................................................................................................................................... 36 参考文献 ................................................................................................................................. 37




    . 第一章 绪论
    1．1引言
    当代科学技术发展的特点之一就是机械技术，电子技术和信息技术的结合，机器人就是这种结合的产物之一。现代机器人都是由机械发展而来。与传统的机器的区别在于，机器人有计算机控制系统，因而有一定的智能，人类可以编制动作程序，使它们完成各种不同的动作。随着计算机技术和智能技术的发展，极大地促进了机器人研究水平的提高。现在机器人已成为一个庞大的家族，科学家们为了满足不同用途和不同环境下作业的需要，把机器人设计成不同的结构和外形，以便让他们在特殊条件下出色地完成任务。机器人成了人类最忠实可靠的朋友，在生产建设和科研工作中发挥着越来越大的作用。搬运机器人是可以进行自动化搬运作业的工业机器人。最早的搬运机器人出现在1960年的美国，Versatran和Unimate两种机器人首次用于搬运作业。搬运作业是指用一种设备握持工件，是指从一个加工位置移到另一个加工位置。搬运机器人可安装不同的末端执行器以完成各种不同形状和状态的工件搬运工作，大大减轻了人类繁重的体力劳动。目前世界上使用的搬运机器人愈10万台，被广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配流水线、码垛搬运、集装箱等的自动搬运。部分发达国家已制定出人工搬运的最大限度，超过限度的必须由搬运机器人来完成。



    . 本文将从机器人的发展，现在研究现状谈起，并举例说明机器人技术在生活中的意义和必要性，其中搬运机器人的运用更为突出，所以主要从机床上下料，货物搬运，采矿方面说明搬运机器人的工作原理和组成。并详细在机器人的机构，检测，控制方面深入理解并研究搬运机器人，最后并着眼于现实，展望未来，对未来搬运机器人的发展趋势作出探究，并作理论上的研究推测。 1．2工业机器人概述
    技术先进工业机器人集精密化、柔性化、智能化、软件应用开发等先进制造技术于一体，通过对过程实施检测、控制、优化、调度、管理和决策，实现增加产量、提高质量、降低成本、减少资源消耗和环境污染，是工业自动化水平的最高体现。
    技术升级工业机器人与自动化成套装备具备精细制造、精细加工以及柔性生产等技术特点，是继动力机械、计算机之后，出现的全面延伸人的体力和智力的新一代生产工具，是实现生产数字化、自动化、网络化以及智能化的重要手段。
    应用领域广泛工业机器人与自动化成套装备是生产过程的关键设备，可用于制造、安装、检测、物流等生产环节，并广泛应用于汽车整车及汽车零部件、工程机械、轨道交通、低压电器、电力、IC装备、军工、烟草、金融、医药、冶金及印刷出版等众多行业，应用领域非常广泛。
    技术综合性强工业机器人与自动化成套技术，集中并融合了多项

    . 学科，涉及多项技术领域，包括工业机器人控制技术、机器人动力学及仿真、机器人构建有限元分析、激光加工技术、模块化程序设计、智能测量、建模加工一体化、工厂自动化以及精细物流等先进制造技术，技术综合性强。
    机器人是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。有些人认为，最高级的机器人要做的和人一模一样，其实非也。实际上，机器人是利用机械传动、现代微电子技术组合而成的一种能模仿人某种技能的机械电子设备，他是在电子、机械及信息技术的基础上发展而来的。然而，机器人的样子不一定必须像人，只要能独立完成一些人类的技能或有一定危险性的工作，就属于机器人大家族的成员。 1．3搬运机器人的种类 1．3．1机床上下料搬运机器人
    目前在机床加工行业中，要求加工精度高、批量加工速度快导致生产线体自动化程度要有很大的提升，首先一点就是针对机床方面进行全方位自动化处理，使人力从中解放出来，直角坐标机器人目前在机床行业内正在逐步大量使用，包括数控车床上下料机器人、数控冲床上下料机器人、数控加工中心上下料机器人等等。在用立加加工轮毂等大型零件时，负载可达几十公斤重，其外形也大多是盘类件。这

    . 类加工件数量大，机床几乎要24小时运行。在欧美等发达国家早已采用机器手来自动上料和下料。要根据加工零件的形状及加工工艺的不同，来采用不同的手爪抓取系统。而完成抓取，搬运和取走过程的运动机构就是大型直角坐标机器人，它们通常就是一个水平运动轴（X轴）和上下运动轴（Z轴）。立式加工中心上下料机器人在被加工零件形状和重量不同时，所采用的手爪形状及结构也不同，手爪的类型及尺寸要根据具体的零件及加工工艺来定。
    在德国几乎所有批量加工都采用机器人自动上下料。但根据要加工工件的几何形状，加工工艺和工作节拍不同，所采取的手爪和机器人的型号也有所区别。如加工工件不同或加工工件时间较长，可选用不同的手爪结构，用单台机器人对多台机床进行上下料，或是多台机器人联机上下料实现自动化生产线过程。无论多台机器人同步工作，还是单台机器人独立工作，但其本质是相近的，由于直角坐标机器人非常适合各种机床上下料应用，它不仅比其它的机器人成本低，而且效率更高，必将被在更多的行业被更广泛的应用。 1．3．2物料搬运机器人
    搬运机器人在实际的工作中就是一个机械手，机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，

    . 加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的重视。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。 1．4研究意义与必要性
    在发达国家中，工业机器人自动化生产线成套设备已成为自动化装备的主流 机器人发展前景及未来的发展方向。国外汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业已经大量使用工业机器人自动化生产线，以保证产品质量，提高生产效率，同时避免了大量的工伤事故。全球诸多国家近半个世纪的工业机器人的使用实践表明，工业机器人的普及是实现自动化生产，提高社会生产效率，推动企业和社会生产力发展的有效手段。
    机器人技术是具有前瞻性、战略性的高技术领域。国际电气电子工程师协会IEEE的科学家在对未来科技发展方向进行预测中提出了4个重点发展方向，机器人技术就是其中之一。
    1990年10月，国际机器人工业人士在丹麦首都哥本哈根召开了

    . 一次工业机器人国际标准大会，并在这次大会上通过了一个文件，把工业机器人分为四类：⑴顺序型。这类机器人拥有规定的程序动作控制系统；⑵沿轨迹作业型。这类机器人执行某种移动作业，如焊接。喷漆等；⑶远距作业型。比如在月球上自动工作的机器人；⑷智能型。这类机器人具有感知、适应及思维和人机通信机能。
    根据日本政府2007年指定的一份计划，日本2050年工业机器人产业规模将达到1.4兆日元，拥有百万工业机器人。按照一个工业机器人等价于10个劳动力的标准，百万工业机器人相当于千万劳动力，是目前日本全部劳动人口的15%。我国工业机器人起步于70年代初，其发展过程大致可分为三个阶段：70年代的萌芽期；80年代的开发期；90年代的实用化期。而今经过20多年的发展已经初具规模。目前我国已生产出部分机器人关键元器件，开发出弧焊、点焊、码垛、装配、搬运、注塑、冲压、喷漆等工业机器人。一批国产工业机器人已服务于国内诸多企业的生产线上；一批机器人技术的研究人才也涌现出来。一些相关科研机构和企业已掌握了工业机器人操作机的优化设计制造技术；工业机器人控制、驱动系统的硬件设计技术；机器人软件的设计和编程技术；运动学和轨迹规划技术；弧焊、点焊及大型机器人自动生产线与周边配套设备的开发和制备技术等。某些关键技术已达到或接近世界水平。
    一个国家要引入高技术并将其转移为产业技术（产业化），必须具备5个要素5M:Machine/Materials/Manpower/Management/Market。和有着“机器人王国”之称的日本相比，我国有着截然不同的基本国

    . 情，那就是人口多，劳动力过剩。刺激日本发展工业机器人的根本动力就在于要解决劳动力严重短缺的问题。所以，我国工业机器人起步晚发展缓。但是正如前所述，广泛使用机器人是实现工业自动化，提高社会生产效率的一种十分重要的途径。我国正在努力发展工业机器人产业，引进国外技术和设备，培养人才，打开市场。日本工业机器人产业的辉煌得益于本国政府的鼓励政策，我国在十一五纲要中也体现出了对发展工业机器人的大力支持。由此可知机器人的研究具有深远的意义和必要性。
    第二章 搬运机器人国内外研究现状分析
    2．1国外研究现状
    机器人操作机：通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，机器人操作机已实现了优化设计。以德国KUKA公司为代表的机器人公司，已将机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人的工作范围，加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了机器人的性能。此外采用先进的RV减速器及交流伺服电机，使机器人操作机几乎成为免维护系统。并联机器人：采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量及加工，这是机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已开发出了此类产品。
    控制系统：控制系统的性能进一步提高，已由过去控制标准的6

    . 轴机器人发展到现在能够控制21轴甚至27轴，并且实现了软件伺服和全数字控制。人机界面更加友好，基于图形操作的界面也已问世。编程方式仍以示教编程为主，但在某些领域的离线编程已实现实用化。 传感系统：激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到成功应用，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。日本KAWASAKI、YASKAWA、FANUC和瑞典ABB、德国KUKA、REIS等公司皆推出了此类产品。
    网络通信功能：日本YASKAWA和德国KUKA公司的最新机器人控制器已实现了与Canbus、Profibus总线及一些网络的联接，使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展。
    可靠性：由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器人系统的可靠性有了很大提高。过去机器人系统的可靠性MTBF一般为几千小时，而现在已达到5万小时，几冬天可以满足任何场合的需求。 2．2国内研究现状
    我国工业机器人是从二十世纪八十年代开始起步，经过二十多年的努力，已经形成了一些具有竞争力的工业机器人研究机构和企业。先后研发出弧焊、电焊、装配、搬运、注塑、冲压及喷漆等工业机器人。近几年，我国工业机器人及含工业机器人的自动化生产线相关的

    . 产品的年销售额已突破10亿元。目前国内市场年需求量在3000台左右，年销售额在20亿元以上。统计数据显示，中国市场上工业机器人总共拥有量尽万台，占全球总量的0.56%，其中完全国产工业机器人(行业规模比较大的前三家工业机器人企业行业集中度占30%左右，其余都是从日本、美国、瑞典、德国、意大利等20多个国家引进的。国产工业机器人目前主要以国内市场应用为主，年出口量为100台左右，年出口额为0.2亿元以上。 目前，工业机器人的应用领域主要有弧焊、点焊、装配、搬用、喷漆、检测、码垛、研磨抛光和激光加工等复杂作业。
    在我国，工业机器人的最初应用是在汽车和工程机械行业，主要用于汽车及工程机械的喷涂及焊接。目前，由于机器人技术及研发的落后，工业机器人还主要应用在制造业，非制造业使用的较少。据不完全统计，近几年国内厂家所生产的哦工业机器人有超过一半是提供给汽车行业。由此可见，汽车工业的发展是近几年我国工业机器人增长的原动力之一。进入80年代后，在高技术浪潮的冲击下，随着改革开放的不断深入，我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。“七五”期间，国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人。1986年国家高技术研究发展计划（863计划）开始实施，智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。


    . 从90年代初期起，我国的国民经济进入实现两个根本转变时期，掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮，我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。
    在机器人的单元技术和基础元部件开发方面：诸如交直流伺服电机及其驱动系统、测速发电机、光电编码器、液压元部件等均开发出一些样机和产品。但这些元部件距批量化生产还有一段距离。在机器人装置方面：以开发出具有双CPU、多CPU和分级控制的机器人控制装置多台，主控计算机的档次也逐渐升级。在机器人操作方面机制方面：已开发出一些先进的操作机和特种机器人，如AVG、壁面爬行机器人，重复定位精度为0.024mm的装配机器人，可潜入海底6000m的水下机器人，移动机器人，移动遥控机器人等，有些已达到实用化水平并应用于实际工程。在应用工程方面：目前国内已建立了多条弧焊机器人生产线，装配机器人生产线，喷涂生产线和焊接生产线。国内的机器人技术研发力量已达到国际同类产品的先进水平，而整体价格仅为国外同类产品的三分之二甚至一半，具有很好的性能价格比和市场竞争力。


    . 第三章 搬运机器人的关键技术分析
    3．1自动柔性机床上下料搬运机器人 3．1．1现场布局

    3．1．2功能描述
    该系统使用 1 台机器人完成服务5 台机床进行上下料的作业，系统描述如下1 台FANNUC R-2000iiB/165F 机器人：安装于行走轴上，实现整个系统的上下料动作1 个机器人手爪：基于机器人专用手爪单元开发的手爪，非常适用于工件一致性不好的使用情况，并有较高的定位精度和抓持稳定性，定位精度高、耐用性好维护简单的优点。 1个长 11m 的行走轴：在行走轴导轨上安装一台工业机器人,最大运动速度为 1.5 米/秒,使用 FANUC 伺服电机驱动，具有重复定位

    . 精度高、、响应速度快、运行平稳、可靠等特点，并专门设计了防尘罩，保护导轨，直线轴承以及齿条等运动部件服电机驱动，大大提高了可靠性和使用寿命。在实际应用中，导轨安装于两条生产线机床的中心线上，所安装的工业机机器人运动范围完全覆盖 5 台机床以盖以及上下料滑台区域。从而实现了 1台机器人服务 5 台机床进务进行上下料作业。

    2 台上下料滑台：每个上下料滑台上有 4 个托盘，每个托盘分别可以存放一个工件。实现待加工工件的上料，以及加工完成工件的下料。在该系统中， 由于使用了视觉技术，因此上下料滑台无需工件的定位装置。
    FANUC iR Vision 2DV视觉系统：该视觉系统由一个安装于手爪上的 2D 摄像头完成视觉数据采集。该视觉系统作为待加工工件准确抓取的定位方式， 省去通常为满足机器人的准确抓取而必须采用的机械预定位夹具，具有很高的柔性，使得在加工中心上可以非常容易地实现多产品混合生产。


    .
    FANUC iR Vision 3DL视觉系统：该视觉系统由一个安装于地面上的 3D Laser Sensor 完成视觉数据采集。该视觉系统解决了定位面有偏差的工件上料位置变化问题。由于待加工工件为毛坯件，机器人抓取工件后，上料的定位孔位置会发生变化，甚至工件上料时的平面度也有变化。该技术可以自动补偿位置变化，实现高精度上料。 3．1．3 3DL视觉支架
    5 台抽检滑台：针对每台机床有一个抽检滑台，实现随时对该机床工件加工工件质量的检测。
    电气控制系统：运用人机界面对整个系统的的运行状态进行监控，采采用三菱 Q 系 PLC 控制器,并使用工业现场总线实现系统中实时和非实时数据的传输，具有高度可靠性和可维护性。安全设备采用门开关，作为机器人工作区域的安全防护，完全做到人机隔离，确保系统在自动运行中的人员安全。该套设备的应用极大地提高了产品的质量稳定性，节省了大批人工，提高了企业的自动化水平，减少了企业

    . 的劳动力成本支出，提高了产品的市场竞争力。

    无夹具定位工件的自动柔性搬运
    随着国家和社会的进步，对机械产品的加工也提出了更高的要求，促进了机床加工技术的不断提高，同时对机床在加工过程中工件的上下料方式也提出了更高的的要求，现代机械产品的的加工具有自动化程度高、安全文明、环保性好（噪音小）、实用性强等显著特点和优势，以机器人在机械加工中的自动动化应用为代表，在各个加工领域的应用越来越广，将成为现代机械加工的主流辅助设备。在国外，在机械产品的加工中使用机器人已经非常普遍，它具有速度快、柔性高、效能高、精度高、无污染等优点，是一种非常成熟的机械加工辅助手段，机器人对无定位工件的自动柔性搬运系统的工作原理，就是利用高清晰摄像头（vision 系统）实现对无定位工件的准确位置判断，在机器人收到信号后，机器人装上为工件定制的专用手爪去可靠的抓

    . 取工件，在与机床进行通讯得到上料请求后，最终完成机床的上下料。在各种机械加工行业中该系统应用广泛。使用机器人对无夹具定位工件的自动柔性搬运系统可以
    使生产流水线更加简单易于维护，并大幅度降低工人的劳动强度，效率和柔性又比较高。该系统结构简单、安全文明、无污染，能在各种机械加工场合进行应用，满足了高效率、低能耗的生产要求。在国内的机械加工，目前很多都是使用专机或人工进行机床上下料的方式，这在产品比较单一、产能不高的情况下是非常适合的，但是随着社会的进步和发展，科技的日益进步，产品更新换代加快，使用专机或人工进行机床上下料就暴露出了很多的不足和弱点，一方面专机占地面积大，结构复杂、维修不便，不利于自动化流水线的生产；另一方面，它的柔性不够，难以适应日益加快的变化，不利于产品结构的调整；其次，使用人工会造成劳动强度的增加，容易产生工伤事故，效率也比较低下，且使用人工上下料的产品质量的稳定性不够，不能满足大批量生产的需求。使用机器人自动柔性搬运系统就可以解决以上问题，该系统具有很高的效率和产品质量稳定性，柔性较高且可靠性高，结构简单更易于维护，可以满足不同种类产品的生产，对用户来说，可以很快进行产品结构的调整和扩大产能，并且可以大大降低产业工人的劳动强度。在这种趋势下，对机器人自动柔性搬运系统的需求会大量增加。FANUC iR Vision 2DV 视觉系统主要是通过视觉系统软件设置，建立视觉画面上的点位与机器人位置相对应关系。对工件进行视觉成像，与已标定的工件进行比较，得出偏差值，即机器人抓放位置

    . 的补偿值，实现机器人自动抓放。该技术实现了机器人在无夹具定位工件情况下的自动柔性搬运。在该上下料系统中，待加工工件形状复杂，用夹具进行定位非常复杂，同时不利于以后同类新产品的扩展。在应用了 FANUC iRVision 2DV 视觉系统后，待加工工件只需放置于上下料滑台无定位装置的托盘上，实际情况为待加工工件可以在托盘上移动正负 2 厘米以及旋转正负 30 度。这样大大减少了在上下料滑台上的设计工作，保证了系统的扩展功能。
    原理：选一个待加工工件作为初始工件，通过 2DV 视觉软件对该工件在摄像头中的画面点位与机器人示教点位的关系进行标定，同时完成初始工件的特征标定。示教完成的抓取程序为初始工件初始位置的抓取位置，此时工件抓取偏差值为零。当工件平移或者旋转后，位置与初始工件的位置发生变化。通过 2DV软件，机器人能够计算出位置变化量Ｘ、Ｙ、Ｒ机器人把该偏差值存入位置寄存器 PR[]中。此时机器人可以通过把偏差值 PR[]补偿到初始抓取位置来实现工件的抓取。



    .
    补充：在该上下料的应用中只有一种工件，当有多种工件时，2DV 视觉系统可以视以根据不同的工件进行多次特征标定，实现多种工件之间的切换调用。大大提高了系统的可扩展性，柔性度高。
    3D 视觉定位技术应用于机器人上料至机床。 摄像头安装位置：固定在 3DL 视觉支架上。
    该技术解决了定位面有偏差的工件上料位置变化问题。由于加工工件为毛坯件，机器人抓取工件后，上料的定位孔位置会发生变化，甚至工件上料时的平面度也有变化。对于此种情况况，在没有 3D 视觉系统DL的情况下，机器人是无法实现对工件的准确上料。
    原理：选一个毛坯件作为初始工件，通过 3DL 视觉软件对该工件在摄像头中的画面点位与机器人示教点位的关系进行标定，同时完成初始工件的特征标定。示教完成的上料程序为初始工件初始位置的上料位置，此时工件上料偏差值为零。当抓取其它毛坯件后，定位孔

    . 位置以及工件的平面度发生变化。通过 3DL软件，机器人能够计算出位置变化量Ｘ、Ｙ、Z 、W、P、Ｒ。机器人把该偏差值存入位置寄存器 PR[]中。此时机器人可以通过把偏差 PR[]补偿到初始上料位置来实现工件的上料。


    补充：22DV摄像头计算平面变化量，3DL是通过摄像头和激光综合计算空间变化量，实际上是通过2DV 与激光技术的综合应用。该技术的应用大大增加了系统设计的可行性，尤其是在遇到定位面有偏差的工件设计时。
    软浮动功能（Soft Float）应用于工件抓取和机器人机床上、下料步骤。


    . 该项目中机器人手爪抓取待加工工件位置在毛坯面，各个毛坯件抓取位置与定位孔位置都有差异。虽然有2DV视觉补偿，但是毛坯面不能作为特征量，导致在机器人手爪抓取工件的位置在不停的变化，机器人无法补偿此偏差。以下是由于毛坯面与定位孔位置变化带来的问题：
    1.工件在托盘内，，机器人抓取后，由于毛坯面带来的偏差，导致工件在手爪抓取时有移动，偏差大时与托盘有摩擦；
    2.机器人从机床下料时，由于毛坯面带来的偏差，导致手抓不能完全贴合毛坯面，即使强硬贴合上，在工件脱离定位销时会有严重的摩擦，导致碰撞报警；
    说明：软浮动功能在开启后，机器人可以受外力改变姿态，改变大小可以通过参数设置。手爪在抓取毛坯件时可以根据毛坯面改变姿态，达到完全贴合，避免碰撞和摩擦。
    补充：该项目中，工件定位孔与机床定位销（锥形）之间的配合精度达到 0.01 毫米。机器人本身的重复精度大于 0.01 毫米，导致工件上料位置偏差。此时应用软浮动功能，机器人抓取工件运行到定位销锥度部位，由机床夹具夹紧，机器人通过软浮动移动至上料位置，实现上料过程。 3．2物料搬运机器人 3．2．1执行机构 1.手部


    . 手部既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。
    传力机构形式较多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。本次设计的手部选择夹持类回转型结构手部。
    本次设计的搬运机器人手部执行部件如图2-2。


    图2-2搬运机器人手部执行部件示意图
    Fig 2-2 handling robot hands actuating parts schemes 如图2-2的机构简图，手部执行依靠杆的伸缩运动来实现其张合运动，杆的动力源来自后续驱动源的液压缸，该液压缸采用的是伸缩式液压缸，该液压缸能够节省横向的工作空间。 2.腕部
    腕部是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手

    . 腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。
    目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于270），并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭矩。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。本次设计的搬运机器人的腕部是实现手部180的旋转运动。
    设计的搬运机器人的腕部的运动为一个自由度的回转运动，运动    参数是实现手部回转的角度控制在0~180范围内，其基本的结构形式如图2-3所示。

    图2-3腕部回转基本结构示意图
    Fig 2-3 wrist rotation basic structure schematic drawing 腕部的驱动方式采用直接驱动的方式，由于腕部装在手臂的末端，所以必须设计的十分紧凑可以把驱动源装在手腕上。机器人手部的张合是由双作用单柱塞液压缸驱动的；而手腕的回转运动则由回转液压缸实现。将夹紧活塞缸的外壳与摆动油缸的动片连接在一起；当回转液压缸中不同的油腔中进油时即可实现手腕不同方向的回转。 3.臂部
    手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部

    . （包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。
    臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。
    手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。本次设计实现臂部的上下移动、前后伸缩、以及臂部的回转运动。手臂的运动参数：伸缩行程：1200mm；伸缩速度：83mm/s；升降行程：300mm；升降速度：67mm/s；回转范围：0~180。机器人手臂的伸缩使其手臂的工作长度发生变化，在圆柱坐标式结构中，手臂的最大工作长度决定其末端所能达到的圆柱表面直径。伸缩式臂部机构的驱动可采用液压缸直接驱动。 4.机座
    机座是机身机器人的基础部分，起支撑作用。对固定式机器人，直接联接在地面上，对可移动式机器人，则安装在移动结构上。机身由臂部运动（升降、平移、回转和俯仰）机构及其相关的导向装置、支撑件等组成。并且，臂部的升降、回转或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上。臂部的运动越多，机身的结构和受力越复杂。本次毕业设计的搬运机器人的机身选用升降回转型机身结构；臂部和

    . 机身的配置型式采用立柱式单臂配置，其驱动源来自回转液压缸。 3．2．2驱动机构
    驱动机构是搬运机器人的重要组成部分。根据动力源的不同，工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。 液压驱动压力高，可获得大的输出力，反应灵敏，可实现连续轨迹控制，维修方便，但是，液压元件成本高，油路比较复杂[3]。气动驱动压力低，输出力较小如需要输出力大时，其结构尺寸过大，阻尼效果差低速不易控制，但结构简单，能源方便，成本低。电动机驱动有：异步电动机、步进电动机为动力源，电动机使用简单，且随着材料性能的提高，电动机性能也逐渐提高。 3．2．3控制系统 1.机械手控制系统组成
    由于取工件和堆放工件都有定位精度要求，所以在机械手控制中，除了要对垂直手臂滑块气缸、气爪等普通气缸进行控制外，还要涉及到对水平手臂气缸以及机械手腰部回转的伺服控制。其中，机械手水平手臂气缸的伺服控制采用气动比例伺服控制系统;机械手的回转控制则采用三相混和式步进电机及其控制系统。考虑到机械手工作的稳定性、可靠性以及各种控制元器件连接的灵活性和方便性，对这种混合驱动机械手采用PLC作为核心控制器，上述各控制对象都必须在PLC的统一控制下协同工作(如图2所示，PLC采用日本三菱公司的

    . FX2N-32MR型PLC(16点输入、16点输出。
    步进电机选用深圳白山机电公司的BS110HB3L142-04型三相混合式步进电机，最大扭矩:12Nm;保持转矩:13.5Nm;额定电流4.2A。步进电机驱动器性能的优劣，直接关系到步进电机的正常运行，必须合理选配。为此，我们仍选择白山公司与BS110三相混合式步进电机配套的Q3HB220M等角度恒力矩细分型驱动器，定位精度可达30000步/转。为了确保步进电机控制的稳定性、可靠性以及便于日后维护，我们选择与FX2N系列PLC配套的脉冲发生单元FX2N-1PG作为步进电机驱动器的控制单元[2]。PLC通过扩展电缆、控制信号以及FROM/TO指令对1PG进行控制，向1PG发出定位命令，然后由1PG通过向步进电机驱动器输出指定数量的脉冲(最大100KPPS来具体执行这个定位命令，从而最终实现PLC对步进电机的伺服定位控制，既提高了控制的灵活性和可靠性,又便于控制程序的编写。 FX2N-1PG的FP和RP分别与步进电机的DR-和PU-端子相连，表示输出脉冲类型分别为前向脉冲和反向脉冲。1PG的DOG端为确定步进电机原点位置时所用。在调试时，当步进电机接近原点位置时，应通过此端对应的按钮接通24V电源，从而使步进电机开始以原点返回速度(爬行速度转动，以便在到达设定的原点位置时方便于PG0端的控制。PG0+和PG0-为步进电机到达原点位置时的停转控制信号，需外加一个5V电源，正端接PG0+，负端通过开关K与PG0-相连。当步进电机在DOG信号的控制下缓慢转动到达设定的原点位置时，可通过手动或行程开关触发PG0+和PG0-，使两端接通5V电源，于是电机停

    . 转，并将原点位置记录下来，存贮在1PG的BFM#26和#27这2个寄存器中，作为PLC对步进电机进一步控制的基准和重要参数。
    气动比例伺服控制系统采用德国Festo公司的相关产品，主要由HMP坐标气缸、伺服定位控制器SPC200以及与之配套的内置位移传感器MLO-POT-0225、气动伺服阀MPYE-5-1/8-LF-010-B和伺服定位控制连接器SPC-AIF-POT等装置组成。在图2的控制系统硬件接线中，主要涉及其中SPC200的DIO数字量I/O模块的接线[3]。从该图中可见，一方面PLC通过输出端Y0-Y3控制SPC200的定位指令(RecordSelect工作方式记录号选取，并通过Y6启动伺服定位;另一方面SPC200又通过定位任务完成信号Q0.4(MC-A将定位执行情况反馈到PLC的输入端X12，以便于PLC的程序控制。在滑块气缸和气爪上都安装有磁性开关传感器，用于检测气缸活塞的位置。通过这些传感器的信号，并结合步进电机和气动伺服的启停信号，在PLC的控制下，就能够对滑块气缸和气爪对应的电磁阀进行控制，进而实现气缸的动作。
    2.控制系统PLC程序设计
    步进电机初始化控制程序，PLC与1PG间通过FROM/TO指令进行联系。通过TO指令，PLC将控制命令及参数写入1PG的缓存，而在1PG控制下，步进电机的运行状态则由PLC通过FROM指令读入，以便程序处理。在图3所示的部分步进电机初始化程序中，PLC一旦通电运行，便在每一个循环执行周期中将其M0～M15寄存器的内容写入1PG的操作命令缓存“BFM#25”中，控制1PG的工作。同时，PLC还

    . 不断从1PG的“BFM#28”、“BFM#27”和“BFM#26”缓存中读入步进电机的运行状态和当前位置值，以便在逻辑控制中通过对这些输入值的处理来进一步控制机械手的动作。按设计要求，同类型工件每4个为一组放置，两种工件各自的堆放顺序不能互相干扰。因此，同类型的4个工件搬运为一个基本循环，在各自的工件循环中分别设置了相应的工件计数标志位

    1机械手传送系统输入和输出点分配表
    ○    Tab 4-1 manipulator transmission system input and output point distribution list 名 称 输入（输出） 名 称 输入（输出） 名 称 输入（输出）
    启动 X0 缩回限位 X11 手腕正转 Y5 下限位 X1 手腕反转 X13 小臂伸出 Y6 夹紧工件 X2 底座反转 X10 松开 Y7 上限位 X3 小臂缩回 Y0 底座正传 X4 下降 Y1 手腕反转 Y10 手腕正转 X5 夹紧 Y2 底座反转 Y11 伸出限位 X6 上升 Y3 停止 X12 手爪松开 X7 底座正转 Y4 2PLC的构成及工作原理
    ○可编程逻辑控制器（PLC）又称可编程控制器。它是在工业环境中使用的数字操作的电子系统。它使用可编程存储器存储用户设计的程序指令，这些指令用来实现逻辑运算、顺序操作、定时、计数及算术运算和通过数字或模拟输入，输出来控制各种机电一体化，程序可变、抗干扰能力强、可靠性高、功能强、体积小、耗电低，特别是易于、价格便宜等特点，具有广泛的应用前景。


    . 正是基于PLC这些特点，远远可以满足该套工业机械手的要求。搬运机器人顺序功能图，如图4-1
    图4-1顺序功能图
    Fig 4-1 order functional diagram 3 PLC的选择
    ○可编程逻辑控制器（PLC）是在工业环境中使用的数字操作的电子系统，又称可编程控制器。它使用可编程存储器存储用户设计的程序指令，这些指令用来实现逻辑运算、顺序操作、定时、计数及算术运算和通过数字或模拟输入/输出来控制各种机电一体化，程序可变、抗干扰能力强、可靠性高、功能强、体积小、耗电低，特别是易于控制、价格便宜等特点，具有广泛的应用前景。


    . PLC的按以下方式选择： 1. I/O点数的估算
    根据分析的结果，进行统计估算，F1-40系列选择主机I/O点数为13/10。 2.容量计算
    内存容量指的是用户程序的容量。最大I/O点数为120，一般指令的条数为I/O点数的10-12倍左右，PLC的容量不得小于此要求。 根据所选的PLC1N-40系列的内部元件及输入输出的相关元件、设备，编制出I/O 外部接线图如图4-2所示

    图4-2外部接线图 Fig 4-2 external hookup 4 程序设计
    ○

    . 根据任务要求设计程序梯形图




    . 5PLC仿真
    ○



    . 6机械手综合控制程序:综合前述的步进电机和气动伺服控制技术，○同时结合对垂直手臂滑块气缸、气爪的控制要求,下面给出机械手完成一次定位并抓取工件的部分PLC程序，该程序表明:当工件分拣加工完毕后，机械手首先转动一定的角度指向取工件位置，待步进电机定位结束后，垂直手臂滑块气缸活塞落下，然后水平手臂气缸在气动伺服控制下伸出设定的定位位移。定位位移是由PLC的输出端子(Y2～Y0控制SPC200输入端子(I0.2～I0.0的状态来决定的，如附表所示，从而实现了PLC对气动伺服定位的控制。当气动伺服定位结束后，气爪动作,夹紧工件。后续的搬运和放置工件的控制程序原理与之类似。
    第四章 搬运机器人的未来发展趋势
    目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展。主要研究内容集中在以下10个方面：
    1．工业机器人操作机结构的优化设计技术：探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载/自重比，同时机构向着模块化、可重构方向发展。
    2．机器人控制技术：重点研究开放式，模块化控制系统，人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化，以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为

    . 研究重点。
    3．多传感系统：为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化。
    4．机器人的结构灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。
    5．机器人遥控及监控技术，机器人半自主和自主技术，多机器人和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。
    6．虚拟机器人技术：基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机器人的虚拟遥操作和人机交互。
    7．多智能体（multi-agent）调控制技术：这是目前机器人研究的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。 8．微型和微小机器人技术（micro/miniature robotics）:这是机器人研究的一个新的领域和重点发展方向。过去的研究在该领域几乎是空白，因此该领域研究的进展将会引起机器人技术的一场革命，并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的影响，微小型机器人技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面。
    9．软机器人技术（soft robotics）:主要用于医疗、护理、休闲和

    . 娱乐场合。传统机器人设计未考虑与人紧密共处，因此其结构材料多为金属或硬性材料，软机器人技术要求其结构、控制方式和所用传感系统在机器人意外地与环境或人碰撞时是安全的，机器人对人是友好的。
    第五章 总结
    为了改善劳动环境，提高生产效率，快速实现工业生产的机械化和自动化，搬运机器人受到很多国家的重视，并被广泛运用。 本文探究了国内外机器人发展的现状，通过学习机器人的工作原理，熟悉了搬运机器人的运动机理。在此基础上，熟悉了机床上下料机器人，搬运机器人的基本系统结构，了解了机器人机械方面的设计（包括传动部分、执行部分、驱动部分）工作。文章从搬运机器人的实用方面入手，参考了一套设计方案，就搬运机器人的组成（执行机构和驱动机构）以及现实作业，理解了具体的手部、腕部、臂部和机座的结构形式和PLC控制原理和具体操着方法。最后并着眼于现实，展望未来，对未来搬运机器人的发展趋势作出探究，并作理论上的研究推测。
    致谢：
    感谢赵老师在这学期对我们的帮助和谆谆教诲，让我们学到了很多关于工业机器人方面的知识，为以后的工作打下了坚实的基础。



    . 参考文献
    [1] 朱世强，王宣银.机器人技术及其应用[M].浙江：浙江大学出版社，2004. [2] 孙树栋.工业机器人技术基础[M]. 西安：西北工业大学出版社，2006. [3] 隗金文，王慧.液压传动[M].沈阳：东北大学出版社，2001. [4] 谢存禧，张铁.机器人技术及其应用[M].北京：机械工业出版社，2008. [5] 吴振彪.工业机器人[M]. 武汉：华中科技大学出版社，2004. [6] 范印越.机器人技术[M]. 北京：电子工业出版社，1988. [7] 丛明，徐晓飞.玻璃基搬运机器人的设计[J].自动化学报，2008，17（4）：1001-2265. [8] 张建民.机电一体化系统设计[M]. 北京：高等教育出版社，2007. [9] 濮良贵，纪名刚.机械设计[M].第八版.北京：高等教育出版社，2006. [10] 韩建海.工业机器人.华中科技大学出版社，2009. [11] 廖常初.FX系列PLC编成及应用[M].北京：机械工业出版社，2005. [12] 王田苗.走向产业化的先进机器人技术中国制造信息化，2005（10）:24～25世界工业机器人产业发展动向.今日科技,2001


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