搬運機器人技術論文
目前,隨著自動化技術的不斷髮展和應用的廣泛普及,工業機器人已在搬運、焊接、包裝、噴繪等領域替代了傳統的人力。這是小編為大家整理的，僅供參考!
搬運機器人伺服系統的設計研究篇一
摘 要：搬運機器人的伺服系統，目前普遍應用的是以級次掌控、匯流排訊息、交流程控、數值資訊加工、內部結構保護等為主要內容的智慧化的數字資訊控制手段，不僅確保了伺服系統的安全、高效執行，而且實現了精準、高速、穩定的良好效能。本文對搬運機器人伺服系統的技術質量控制和級次管理進行了分析，並且全面地闡述了定位系統、速率環比、技術引數和設施保護等應當把握的重點內容，對提高伺服系統的控制技術，具有一定的參考價值。
關鍵詞：搬運機器人;伺服系統;設計研究
引言
搬運機器人達到精準、科學的軌跡執行是實現伺服技術功能目標定位的重要保障。目前在搬運機器人伺服系統的應用前景上分析，伴隨著機器人在各個領域、各個行業越來越廣泛的推廣應用，其所從事的工作事項越來越具有很強的技術難度，這就給伺服技術的安全、高效、穩定、科學、動感等效能的發揮帶來了很高的要求。同時，隨著數字化資訊科技普及程度的日益廣泛，特別是DSP等技術方法的不斷推陳出新，給機器人伺服技術的變革帶來了巨大的發展空間，也使得這種伺服系統日益探索應用了許多的新技術和新方法，比如建立交流程控、數值加工等，不僅使得機器人伺服系統滿足了高速、精確的目標要求，而且越來越能夠獨立承擔非常複雜的各種任務。
本文結合南方某省的搬運機器人為例，圍繞機器人的穩定、精準、防干擾效能，科學地分析闡述了伺服技術的技術特性和研發思路，並對數字資訊處理等技術方法的應用推廣和設計理念、設施保護等內容進行了探究。
1 搬運機器人伺服系統的級次控制思路和技術標準
該省設計研發這種搬運機器人主要是為了適應澆築施工環節的技術要求，並且充分考慮到這種機器人的通用效果。所以在設計的時候，將其打造為了固定變數取值為6的現代化機器人，並設計了包括上臂搖動、下臂搖動、腰間迴環、手腕搖動、手腕迴旋、下臂迴環等6項內容在內的活動功能關節，按照澆築施工現場操作的有關部署，依據一定時間控制能夠由熱爐內舀出鋁製液體，服務於8個機器裝置鑄模使用。而且在設計這種搬運機器人的時候，要使其能夠在3.5米半徑的區域內順暢運轉，最後環節的多次確定位置的誤差上下不能高於3毫米，按照搬運機器人每個關節的誤差折算，上下不能超過0.049度。同時，要嚴格控制伺服系統的安全、穩定效能，通過技術指標控制，避免機器人在實現搬運伺服功能的時候出現鋁製液體流出或者影響澆築效果。
同時，在對搬運機器人進行技術引數控制的時候，運用了管理、控制、伺服等級次方法，使承擔主要控制功能的網路資訊系統得到了減負，降低了伺服技術的執行期間。利用管理的技術方法，通常是加強搬運機器人離線狀態監控，對其執行的空間事先合理預設，使其能夠在進行澆築環節操作的時候，發揮圖形設計、現場示範、糾錯調整以及現場施工資訊資料的檢索、查詢、質量問題的排查和定期展現等作用。利用控制的技術方法，一般是依據定位感測設施提供的定位資訊，在預定時間內設定出一定的路徑，同時將測算出來的下級資訊傳送給伺服技術進行處理。而伺服技術主要解決的是對搬運機器人的運動功能進行科學掌控，並依據施工標準和設計的精確係數確保機器人能夠達到預定的運動軌跡完成工作任務。
2 搬運機器人伺服系統的設計要求
對於搬運機器人來說，伺服系統主要承擔任務事項的執行工作，因此，伺服系統的安全、可靠工作，對搬運機器人的總體執行有著至關重要的影響。
一是交流程控。近年來，這種程控驅動技術方法得到了快速的發展，由於本身結構不大、重量很小、能耗量低、適應性強、堅固性高、安全可靠、經久耐用，同時在調速方面有著很好的效果，在未來的發展中很有可能會替換掉直流驅動技術。搬運機器人在各個關節的執行驅動中，全部使用了交流程控的驅動技術，在元件構成上應用的是永磁式同步無刷電機，並且通過自動控制技術確保了頻率的變換和速率的調節。
二是三環系統。由於搬運機器人對不利環境的適應性很強，承受重力的效能很高，在發揮伺服技術功能的時候，不僅應當妥善解決穩定性和動態化的設計要求，而且應當注意對外界干擾的防範。本文所提到的搬運機器人就通過這種三環系統較好地實現了伺服功能***詳見圖2***。但是由於三環伺服控制技術雖然具有良好的穩定和防干擾能力，不過從需要的頻率特性上來看，外環的要比內環的低很多，著就制約了外環控制系統的反應效能。所以通常使用一種新型元件，改進內環頻率特性，確保系統執行速率，提升有效的防止干擾和可靠效能。
三是伺服系統。構成伺服模式的主要設施包括位控板、放大器、SM電機、編碼儀和減速器等。其中SM電機應用的是進口的永磁式系統，可以承受的電力負荷非常高，在機器人中應用非常好。編碼儀主要是對SM旋轉速率和定位進行監測，而且根據6個運動關節監控機器人執行的精準情況，並運用減速器通過間接程控的方法實現較大的輸送力矩確保搬運機器人能夠高效做工。由於減速器在每個關節點上都進行了安裝，不僅提高了反應速度，而且不會產生很大的轉動慣力，執行效率非常好。放大器使用的是變頻設施，具有絕緣效果，關節運動產生的功率一般不大，但是啟閉的速率卻非常高，作用非常顯著。位控板的效能一般是接發控制指令，對定位資訊做出反應，測算關節運動誤差，實現每個關節的伺服系統控制目標，由於構成材料的關鍵元件是晶片系統，相當於計算機網路裝置，具有良好的訊號反應和處置效能，而且由於採用了匯流排控制技術，確保了資訊資料的安全、精準、高效地傳輸，實現了搬運機器人伺服系統的科學運轉。
四是引數系統。一般情況下，搬運機器人需要承受的外界應力水平和慣性具有一定的差異性，執行速率也具有一定的不同，但是由於6個關節的動作需要一定的協作性，每個關節的運動都會對搬運機器人位置檢測的精確性和動作進行的穩定度產生制約，所以控制技術引數，保障伺服技術的效果是一項非常重要的工作。比如，需要考量電流的跟蹤執行軌跡，科學控制電流環的技術引數，確保提升反應速率，無需進行後期的調控，確保搬運機器人伺服系統安全、穩定的運轉，同時，由於功率元件啟閉迅速，還要儘量改進電流設施的頻率特性，確保外環具有穩定的執行效能。
四是保護系統。為了充分保證搬運機器人的安全、穩定動作，就需要對軟體硬體設施予以保護。一方面，要妥善地保護硬體設施，一旦搬運機器人伺服系統出現了故障，比如，伺服放大器設施承受的熱量過大，電源電壓超過了極限負荷，電機執行的速率超過了=極限或者電機承受的電力負荷值過大，編碼器在資訊的傳輸上出現了誤差，電源相級缺失，就要及時切斷主電路的電源，對電力系統進行保護。另一方面，要妥善保護軟體設施，主要是對位控板進行保護，比如結合關節的動作，跟蹤監測誤差情況，並及時做出糾錯調整，或者暫停關節動作，避免出現機械碰撞的事故，影響伺服系統的正常執行。
3 結束語
綜上所述，搬運機器人伺服技術基於交流程控、三環系統、技術引數的科學把握和對硬體軟體設施的及時防護，確保了良好的反應機制和防擾動效能，確保了機器人在承擔工作任務的時候能夠及時、快速、穩定、高效地按照精準軌跡執行，相信應用推廣前景將非常廣闊。■
參考文獻
[1] 郭毓、馬勤弟、許春山、胡斌、毛建.搬運機器人伺服系統的研究***J***.南京理工大學學報.2001***3***.
[2]昊廣順、凌 雷、方素香、王 玉果.PLC在搬運機器人控制系統中的應用***J***.2006***2***.
[3]吳鳳江、孫奎.基於PROFIBUS匯流排的搬運機器人伺服控制系統***J***.伺服控制.2009***2***.
基於工業機器人的極板搬運工作站的設計與實現篇二
【摘 要】在中國製造2050和工業4.0“機器換人”的大背景下，中國工業生產正由製造向智造轉型升級。本文在鉛蓄電池極板生產線中引入工業機器人，開發了一種極板搬運工作站，並進行了PLC控制系統的設計，大大提電池極板生產效率，實現自動化。
【關鍵詞】工業機器人;電池極板;搬運工作站
Design and implementation of plates handling workstation based on industrial robot
WANG Zhe-lu
***Department of Electrical and Electronic Engineering， Wenzhou Vocational & Technical College， Wenzhou Zhejiang 325035， China***
【Abstract】Under the“Made in China 2025” and “Industry 4.0”， China industry is changing from manufacturing to intelligent manufacturing.In this paper， the industrial robot is introduced into the plate production line， meanwhile a kind of plate handing workstation is developed. The design of PLC control system is carried out in the workstation. The robot workstation greatly improves the production efficiency of the battery plate and realizes automation.
【Key words】Implementation robot; Based plate; Moving station
0 引言
鉛蓄電池是一種技術成熟且安全效能好的能源，工業和生活領域的發展，如低速電動車、通訊裝置儲能等都離不開鉛蓄電池，尤其是電動車是減少大氣汙染的重要措施。然而在電池極板生產中，行業內規模化運作的企業主要還是依靠勞動力手工操作，特別是電池極板上下料搬運作業，其勞動工作強度大，員工搬運工作效率低下、同時鉛粉汙染危害健康人員的身體，影響工人的工作壽命[1]，其發展急需產業轉型升級。
在國外，工業機器人已經成為一種標準化的裝置，形成了一些具有競爭力的著名公司，如瑞典的ABB，日本的FANUC、安川，德國的KUKA[2-3]，佔領國際和國內市場上的大部分份額。在國內，工業機器人受制核心零部件和工藝原因，還在剛起步。目前有瀋陽新鬆、廣州數控裝置有限公司、哈爾濱博實自動化有限公司等，在系統整合和核心零部件進行了相關的研究和突破，都有了相應的進展。同時國內也湧現了一大批以工業機器人整合技術為中心的公司，進行工業機器人的整合應用，引進國外技術結合實際生產，為製造業、快消行業等服務工作。
工業機器人是一種能模仿人工操作，可程式設計和自動控制的高階智慧裝備，具有高自動化、柔性化，是中國實現工業4.0“機器換人”戰略的核心，是“中國製造2025”戰略的重要組成部分。在鉛蓄行業，引入工業機器人，可以代替手工操作的同時可以大大提電池極板生產效率，確保生產安全和提高企業的效益[4]。因此，機器人極板搬運工作站的研究對鉛蓄行業實現自動化及轉型升級具有重要的現實意義。
1 機器人極板搬運工作站的設計
目前工業機器人在生產中的應用，主要以機器人人工作站和機器人工作生產線的形式進行整合整合應用。搬運機器人工作站，它的主要工作任務針對重物、消耗人力大且動作簡單重複的搬運和貯藏工作[5]，如機床上下料、堆料碼垛，機床柔性線等。針對電池極板的幾何特性分析和工藝要求，進行極板機器人搬運工作站的設計和實現。
1.1 工作站工作原理
機器人極板搬運工作站由搬運機器人、電池極板輸送機、極板架和控制系統等組成。機器人工作站以工業機器人為工作核心，極板輸送機和極板架都在機器人工作空間內，工作時，電池極板由極板輸送機運送至輸送機末端定位點，然後等待機器人抓取電池極板，機器人收到相應的感測器訊號後，按照預先規劃的路徑到達極板位置，末端夾取執行器夾手對其進行夾取，然後按照規劃軌跡搬運至極板架位置，將極板準確放置於極板架上，代替人工作業。
1.2 工作站機器人選型
衡量工業機器人的指標很多，有自由度、工作空間、定位精度及重複定位精度、承載能力及最大工作速度等。極板搬運工作站的機器人選型主要考慮以下幾個重要指標：
***1***自由度指標，它是衡量機器人運動靈活程度的引數，是衡量機器人的重要指標，自由度越多，機器人越靈活，一般地工業機器人的自由度為3-6個。
***2***工作空間指標，它指的是機器人的工作範圍，機器人腕部或者末端執行器能達到的最大範圍，工作空間越大，機器人運動範圍越大。在運動控制中，注意機器人的極限位置，注意抓取位置和極限位置的考慮。
***3***承載能力指標，機器人在工作範圍內任何位置能承受最大的載荷，取決於負載的質量、速度和加速度等，同時要考慮末端執行器的質量，故機器人承載能力是末端執行器和機械手抓取負載的總和還要大。
***4***定位精度指標，機器人實際位置與理想位置之間的偏差，同時重複定位精度是考驗一個機器人同一環境和條件下，重複若干次其分散的偏差值，機器人多次重複到相同位置的偏差越小，機器人的重複定位值越高。
通過這幾個指標，極板搬運機器人工作站可以選擇工作空間大、承載能力強、定位精度高的6自由度工業機器人作為機器人工作的機器本體，設計相應的安裝座，以它為中心來設計整個工作站的安裝控制元件。同時，6自由度的機器人具有較高的靈活性，方便完成極板的抓取和實現複雜路徑的軌跡規劃。 1.3 末端執行器的設計
工業機器人末端執行器的設計一般是針對作用物件進行非標設計，它是機器人操作與目標物件直接接觸進行工作，是機器人的關鍵部件，它可以擴大工作空間範圍，提升工作作業能力具有非常重要的作用。有電磁式、氣動式、機械式等，其中機械式夾取可以分為雙指式和多指式，其中雙指式又分為迴轉式和平移式。根據電池極板的幾何外形，故末端執行器夾具可採用氣動驅動的平移型二指手抓對其進行抓取，採用氣動驅動具有響應動作快，靈活，動力清潔等優點，其平移範圍必須大於極板的橫向尺寸。
1.4 電池極板輸送機
電池極板輸送機由支架，輸送鏈、輸送槽、極板定位板等組成，其中輸送鏈安裝在機架的若干個鏈槽內。工作時，三相非同步電動機帶動主軸運動，然後鏈式傳送機構對放置在其上面的電池極板進行傳送。採用鏈式傳動，啟動時電池極板執行平穩，無打滑現象，其適用於遠距離運輸和惡劣環境等優點。
2 控制系統
機器人極板搬運工作站電氣控制系統主要的功能實現包括：①工業機器人示教、除錯程式設計與自動執行等功能;②極板末端執行器氣缸動作、感測器的訊號傳遞，實現抓取;③工業機器、PLC和人機介面互動和引數的設定;④整個極板搬運工作站的實現。
2.1 極板工作站控制系統組成
極板搬運工作站的控制系統包括：①PLC控制系統;②機器人控制系統;③示教器。其主要系統採用PLC為控制核心，機器人控制器的I/O訊號模組與PLC通訊模組可以直接或者間接通訊，電池極板輸送鏈上的極板訊號和極板末端執行器訊號也是通過PLC然後傳遞給機器人，進行訊號的傳遞。工作時，搬運機器人按照人工示教好的程式正常執行，同時受PLC的控制。
***1***機器人示教器，機器人程式設計有離線程式設計和示教程式設計，示教再現是機器人程式設計應用較廣的程式設計方式。工作人員觀察產品生產的工藝流程，然後根據生產實踐，對工業機器人的動作位姿、工作路徑、運動引數和工藝引數進行除錯，按照需要的任務要求完成機器人程式設計示教。整個程式設計過程中，機器人示教器是一個重要的程式設計裝置，通過其對機器人進行控制。
***2***機器人控制器其核心是多軸運動控制平臺，實現對多軸機器人的關節伺服控制，同時又相應的機器人專用埠和機器人通用埠和PLC進行資訊傳遞，同時設定相應的匯流排控制和乙太網控制埠，方便與外部裝置通訊。
***3***PLC控制櫃，其以PLC為控制核心，將機器人控制櫃、感測系統、人機介面進行整合控制，整個搬運系統的實現主要依賴PLC的邏輯控制的除錯與實現，具有非常重要的作用。
2.2 控制軟體設計
機器人工作站的控制軟體設計以PLC為中心實現。根據搬運工作站的工作原理，首先採用示教器對機器人進行軌跡路徑規劃，考慮機器人在搬運極板時所需的運動學和動力學效能，以最舒服的姿態來進行工作。將機器人進行軌跡示教完成以後，再根據機器人抓取執行器極板準備、極板到位、進行抓取、機器人進行搬運到極板架放置，放置結束後重新迴圈開始的整個過程，然後進行程式的設計和實現。整個系統程式的設計包括系統初始化、手動執行、自動執行、訊號顯示系統和系統復位。
***1***系統初始化：當整個控制系統開機時，按一下初始化按鈕，機器人搬運工作站所有的執行動作按照一定的先後順序恢復到預先的原始位置，使機器人工作站處於準備執行狀態，隨時準備開始工作。
***2***手動執行：機器人單機示教軌跡路徑，完成路徑的最佳規劃，手動執行是用來對整個機器人各個功能塊進行除錯時的狀態。通過手動執行模組，可以除錯抓取執行器的開合動作，以此來進行極板的抓取力度調節。同時也可以實現抓取後整機聯合執行除錯操作，讓機器人、末端執行器和極板輸送架達到最佳狀態。
***3***自動執行：自動執行狀態是整機連續工作狀態，一旦引數都設定好後，正常情況下進入自動執行狀態，搬運工業機器人能自動完成電池極板的抓取，搬運、放置迴圈工作，實現生產的自動化，可以通過按鈕或者觸控式螢幕上的啟動開始，接受停止指令後停止。其程式的設計可以採用步進順序控制，按照一定的生產流程來實現工業機器人極板的搬運工作。
***4***訊號顯示系統和復位系統：通過訊號顯示可以觀察系統的執行情況，可以觀察其各功能狀態，通過訊號顯示來判斷程式執行的進度、狀態以及極板的搬運數量。同時一旦出現故障，可以通過報警燈來提示故障問題，通過觸控式螢幕顯示系統快速找到故障點，並且可以通過相應的復位系統進行復位。
2.3 人機介面設計
人機介面的設計，主要通過觸控式螢幕和組態來實現搬運機器人控制系統和人的人機互動，通過資訊的交流來實現人對搬運機器人的控制。隨著資訊科技的發展，傳統的純按鍵操作平臺逐漸被觸控式螢幕所取代，可以克服接線繁瑣、按鈕多等諸多問題。同時，隨著組態技術的發展，可以組建適合工業生產相應的控制系統介面，包啟動、停止、迴圈、單機及數等功能，同時可以製作相應效果更好的系統介面。
本文選取崑崙通態的觸控式螢幕為人機互動介面，同時通過崑崙的MCGS組態軟體整合實現機器人工作站的控制要求，根據機器人工作站功能及控制任務的要求，配置相應的物件定義，編輯屬性和狀態特徵等，同時製作組態畫面來顯示狀態訊號和一系列的人機操作等。人機介面完成控制硬體與軟體的聯絡，建立了操作人員與監控層的控制與溝通平臺，在機器人搬運工作中方便靈活。
3 總結
本文開發了一種鉛蓄電池的極板搬運機器人工作站，該極板搬運機器人工作站可以實現極板輸送、定位抓取、搬運、放置等功能，同時控制系統採用PLC和崑崙人機介面進行控制來實現整機的執行，其操作性高、效能穩定，從而代替人工實現極板的自動搬運，大大提高工作效率。
【參考文獻】
[1]王貴民，馬曉建，趙信正.蓄電池生產線極板上料裝置[J].輕工機械，2014，3***32***：47-50.
[2]王田苗，陶永.我國工業機器人技術現狀與產業發展技化發展戰略[J].機械工程學報，2014，9***50***：1-13.
[3]顧震宇.全球工業機器人產業現狀與趨勢[J].機電一體化，2006，2：6-9.
[4]陳立新，郭文彥.工業機器人在衝壓自動化生產線中的應用[J].機械工程與自動化，2010，3：133-135.
[5]王海霞，李志巨集，吳清鋒.工業機器人在製造業中的應用和發展[J].機電工程技術，2015，10***44***：112-114.