摘要

　　隨著(zhù)國內小型玻璃加工制造企業(yè)對自動(dòng)化設備需求的增加，尤其是用于玻璃清洗、磨邊、鋼化等工序上下料的小型自動(dòng)化設備具有廣闊的市場(chǎng)空間。目前大中型玻璃加工制造企業(yè)的上下料設備主要采用關(guān)節型通用機械手，該類(lèi)設備安裝維護費用較高，在小型企業(yè)難以實(shí)現多工位、多臺數普及。因此，研制一種結構簡(jiǎn)單、研發(fā)制造周期短、成本較低、具有一定通用性的小型上下料機械手可以解決小型企業(yè)自動(dòng)化程度低的問(wèn)題，有效提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和降低成本。

　　本文綜述了國內外上下料機械手的研究現狀及現有機型，根據玻璃加工的實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境，分析了上下料機械手的工作流程，提出一種能夠連續完成玻璃磨片工序上、下料操作的機械手；設計了其機械結構的總體方案，并進(jìn)一步對驅動(dòng)機構、傳動(dòng)機構、物料搬運支架機構，氣動(dòng)吸附裝置及傳送機構等進(jìn)行選型設計，借助三維設計軟件對機械手進(jìn)行了三維建模，并進(jìn)一步運用 ADAMS 軟件對機構進(jìn)行運動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)仿真，驗證機械手末端平臺的運動(dòng)軌跡及機械結構的合理性。

　　基于 ANSYS 對機械手的關(guān)鍵零部件進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，通過(guò)分析應力云圖和應變云圖驗證機械手強度和剛度的可靠性。

　　控制系統基于高性能、低成本總線(xiàn)技術(shù)，采用 PLC 主控制器。根據工程實(shí)際合理分配 I/O 口，完成控制系統中電路和氣動(dòng)的接線(xiàn)設計、程序編寫(xiě)及外部接線(xiàn)圖繪制等。

　　搭建樣機平臺，對機械手的進(jìn)行現場(chǎng)安裝調試。該平板玻璃磨邊工序自動(dòng)上下料機械手達到預期的動(dòng)作目標，符合實(shí)際生產(chǎn)線(xiàn)的需求，能夠滿(mǎn)足小型企業(yè)的生產(chǎn)要求。

　　關(guān)鍵詞：上下料機械手；仿真；PLC 控制；有限元分析

ABSTRACT

　　With the increasing demand for automation equipment in domestic small glassmanufacturing enterprises, especially small automation equipment for glass cleaning,grinding, steeling and other processes has broad market space. At present, the loadingand unloading equipment of large and medium-sized glass processing andmanufacturing enterprises mainly adopts the joint type universal manipulator. Theinstallation and maintenance cost of such equipment is high, and it is difficult to realizemulti-station and multi-station popularization in small enterprises. Therefore,developing a kind of small loading and unloading manipulator with simple structure,short manufacturing cycle, low cost and certain versatility can solve the problem of lowdegree of automation in small enterprises, effectively improve the productionefficiency and reduce the cost of enterprises.

　　In this thesis, the research status of the loading and unloading manipulator at homeand abroad and the existing models are summarized. According to the actual productionenvironment of glass processing, the work flow of the loading and unloadingmanipulator is analyzed. A manipulator that can continuously complete the glassgrinding process is proposed. Design the overall scheme of its mechanical structure,and further to the drive mechanism, transmission mechanism, material handlingsupport mechanism, pneumatic adsorption device and transmission mechanism forselection design, the manipulator was modeled by 3D design software, and thekinematics and dynamics simulation were carried out by ADAMS software to verifythe rationality of the movement trajectory and mechanical structure of the end platformof the manipulator.

　　Based on ANSYS, the finite element statics analysis of the key parts of themanipulator is carried out. The reliability of the strength and stiffness of themanipulator is verified by analyzing the stress and strain nephograms.

　　The control system is based on high performance, low cost bus technology, usingPLC main controller. According to the actual project reasonable distribution of I / O port, complete the control system circuit and pneumatic wiring design, programmingand external wiring diagram drawing.

　　A prototype platform was built to conduct on-site installation and debugging ofthe manipulator. The automatic loading and unloading manipulator of the flat glassgrinding process reaches the expected action target, meets the demand of actualproduction line, and can meet the production requirements of small enterprises.

　　Key words: loading and unloading manipulator ; simulation ; PLC control ; finiteelement analysis

目錄

　　第一章 緒論

　　1.1 課題研究背景和意義

　　工業(yè)機械手是工業(yè)領(lǐng)域重要的自動(dòng)化設備，在機械制造、電子電氣、煙草、化工等行業(yè)被廣泛應用[1].機械手用于搬運、焊接、裝配等生產(chǎn)加工環(huán)節，可以大大降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。玻璃加工行業(yè)由于其成品工序較多，在搬運、輸送、上下料、碼垛、打包等環(huán)節對機械手的需求量較大。

　　目前市場(chǎng)上機械手按用途分為通用型和專(zhuān)用型。通用機械手工作范圍大、通用性強，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的生產(chǎn)場(chǎng)合，但相對造價(jià)高。專(zhuān)用機械手具有動(dòng)作少、工作對象單一、結構簡(jiǎn)單、造價(jià)低等特點(diǎn)[2].針對我國小型加工制造企業(yè)機械手裝機量不足的現狀，研制結構簡(jiǎn)單、成本較低、具有一定通用性的小型機械手可以解決小型企業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化程度低的問(wèn)題，加快生產(chǎn)節拍，降低生產(chǎn)成本。

　　1.2 工業(yè)機械手國內外研究現狀

　　1.2.1 國外研究現狀

　　近年，機械手作為機器人的一個(gè)重要分支發(fā)展迅猛，尤其歐美、日本、瑞典等國的機械手研發(fā)和制造水平處于世界領(lǐng)先地位。先進(jìn)的智能化機械手采用高精度減速器、快速響應伺服控制技術(shù)、高辨識功能等核心技術(shù)和先進(jìn)的控制算法，保證其運動(dòng)精度和工作可靠性，在全世界范圍的工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應用。具有代表性的工業(yè)機器人公司主要有瑞典 ABB Robotics、美國 S-T Robotics、德國KUKA Roboter、日本 FANUC 等[3-5].

　　機械手從結構角度分類(lèi)主要有關(guān)節型串聯(lián)機械手、并聯(lián)機械手和新型混合機械手等類(lèi)型。典型的關(guān)節型串聯(lián)機器人有瑞典的 ABB 公司研發(fā)用于優(yōu)化壓機上下料的六自由度機械手 IRB6660 系列，如圖 1-1 所示。其根據沖壓過(guò)程生產(chǎn)節拍要求，強化了機器人的主要軸，剛性更強，準確性高，縮短節拍時(shí)間，速度更快，便于控制[6,7].德國庫卡公司研發(fā)用于沖壓生產(chǎn)線(xiàn)的機器人，如圖 1-2 所示，控制上下料節拍，提高了生產(chǎn)效率，選用真空、電磁不同手爪夾具，并修改程序快速更改生產(chǎn)工藝，保證工件質(zhì)量，此上下料機械手在空間占用和自身重量方面上有很大的優(yōu)勢[8].

　　美國 ST 機械手使用的技術(shù)是基于混合步進(jìn)電機而更常見(jiàn)的直流伺服電機，控制器采用雙處理器，如圖 1-3 所示，R17 五軸機械手是一款完全獨立的五軸垂直鉸接設計，成本非常低、快速、準確，易于控制，配置氣動(dòng)、電動(dòng)夾手，可用于多種類(lèi)型物料的上下料。

　　典型的并聯(lián)機械手有日本發(fā)那科中型并聯(lián)連桿機械手 Robot M-2iA,研發(fā)用于高速操作和零件裝配過(guò)程，如圖 1-4 所示，根據腕部自由度和動(dòng)作范圍，選用不同連桿，配備了 iRVision 視覺(jué)系統，幾乎可以滿(mǎn)足所有的工作任務(wù)要求。外國學(xué)者 Sébastien BRIOT 等[9]設計了一種 2 自由度空間平移并聯(lián)機械手 IRSBot-2,如圖 1-5 所示，它是具有 2 自由度的 IRCCYN 空間機械手，其剛度增加，總質(zhì)量減少。相對于串聯(lián)機械手，這種機器人結構在運動(dòng)質(zhì)量、剛度和工作空間大小方面具有更好的性能，可以非常快速和準確執行取放操作。

　　新型混合機械手有 Lisandro J. Puglisi 等[10]結合串聯(lián)、并聯(lián)機構的優(yōu)點(diǎn)，提出的一種混合機構，如圖 1-6 所示，該機構由兩個(gè)主要部分組成：3R 串聯(lián)臂和球形平行腕，一個(gè)設計用于定位的串行鏈和一個(gè)設計用于定向的低重量平行手腕。3PSS-1S 球形機構是一種重量輕、尺寸減小的平行機構，允許球形運動(dòng)，在仿真過(guò)程中識別了三種奇異姿態(tài)，并在真實(shí)樣機中進(jìn)行了驗證。國外學(xué)者 MinaA. s. Aziz 等[11]提出了一種新的平面冗余機械手的機械設計，如圖 1-7 所示，介紹了一種新的連桿結構設計，通過(guò)將電機定位在底座上來(lái)降低扭矩重量比，連接到連桿的軸將通過(guò)同步帶系繞各自的軸旋轉。每個(gè)電機將只負責控制一個(gè)獨立于其他環(huán)節的環(huán)節。這種對傳統機械手設計的改變將有助于連桿重量的顯著(zhù)降低，從而提高機械手的扭矩重量比。

　　究多自由度，輕量化，串聯(lián)、并聯(lián)結構混合的機械手，使其應用范圍也越來(lái)越廣，加大與微電子和計算機控制系統結合研發(fā)，逐步推出新一代智能機械手。

　　1.2.2 國內研究現狀

　　隨著(zhù)國內加工制造行業(yè)自動(dòng)化水平的提高，機械手逐步應用于不同的領(lǐng)域，我國在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的新時(shí)代，在技術(shù)研究等方面也已取得很大的進(jìn)步[12].

　　國內在機械手核心技術(shù)方面研究和自主創(chuàng )新能力具有代表性的企業(yè)有沈陽(yáng)新松、埃夫特、南京埃斯頓、眾為興、廣州數控等。

　　沈陽(yáng)新松機器人自動(dòng)化股份有限公司自主設計研發(fā)國內首臺七自由度協(xié)作機械手 SCR5,如圖 1-8 所示，集人工智能、智能制造為一體，配置簡(jiǎn)單便捷，搭配視覺(jué)技術(shù)，動(dòng)作軌跡精度高，可自主避障。其輕量化的結構，搭配先進(jìn)激光技術(shù)，可用于對精度要求較高的柔性生產(chǎn)線(xiàn)，完成上下料等工作要求[13,14].

　　埃夫特智能裝備股份有限公司在打磨機器人的基礎上[15],研發(fā)的六軸 ER 系 列機械手，可用于搬運、上下料、碼垛、切割等生產(chǎn)線(xiàn)，如圖 1-9 所示，型號為ER50-2100 的六軸機械手，機器人以其超高的穩定性和軌跡精度完成生產(chǎn)線(xiàn)上下料動(dòng)作。

　　南京埃斯頓公司機械手使用先進(jìn)的技術(shù)，自主研發(fā)的機械手，緊隨國際技術(shù)水平，朝著(zhù)自主機械手產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展，在產(chǎn)品技術(shù)、開(kāi)發(fā)、應用上有重要突破[16].其公司研發(fā)用于印刷電路板和汽車(chē)零部件等行業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)上下料的產(chǎn)柱坐標型機械手和關(guān)節型機械手兩種，如圖 1-10 所示，桁架機械手操作簡(jiǎn)單，容易掌握，采用五軸插補控制技術(shù)，運動(dòng)軌跡平滑過(guò)渡，機械手可長(cháng)時(shí)間連續工作，相比關(guān)節型機器人，節能、成本較低；如圖 1-11 所示，6 軸通用小負載關(guān)節型機械手 ER20-1780 工作速度快，剛性強，運行平穩，工作精度高。

　　SCARA 工業(yè)機器人是眾為興具有完全自主產(chǎn)權的多關(guān)節四軸機械手，其使用高性能處理芯片，可以完成對機械手系統實(shí)時(shí)監控和多構件間協(xié)調運作的功能[17].如圖 1-12 所示，型號為 AR4215 的機械手，可以穩定完成重復性動(dòng)作，靈活運用在小型零件搬運生產(chǎn)線(xiàn)。廣州數控研究開(kāi)發(fā)的 GSK RB08A3 系列搬運機械手，可用于機床上下料[18].如圖 1-13 所示為 RB08A3-1490 型的六軸機械手，各軸分別通過(guò)電機與減速器直連、整體式諧波減速器的方法，對機械手機械結構進(jìn)行優(yōu)化，達到的工作精度更高，性能更加穩定。

　　國內學(xué)者從工業(yè)生產(chǎn)中出現的難題出發(fā)，在機械手本體結構和末端執行抓取機構等方面進(jìn)行了研究。針對機械手末端抓取部位，目前有機械夾持式、真空吸盤(pán)式等設計。

　　趙哲祥等[19]設計的機械手，圖 1-14 所示，在四軸圓柱坐標機器人的基礎上增加了一個(gè)軸，滿(mǎn)足不規則汽車(chē)零件的要求，提高工作穩定性。采用真空吸盤(pán)式對零件進(jìn)行抓取，通過(guò)對各坐標結構和機械手的自由度分析，五軸圓柱坐標機械手滿(mǎn)足了靈活性和控制器簡(jiǎn)單的要求。金作勇等人[20]設計了基于光軸生產(chǎn)線(xiàn)的氣壓搬運機械手，適用于光軸產(chǎn)品生產(chǎn)線(xiàn)，圖 1-15 所示，機械手末端使用夾持式手爪，其優(yōu)點(diǎn)是能夠快速將生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品搬運到下一道工序，不僅移動(dòng)速度快，而且阻力損失小，大幅度提高生產(chǎn)效率。

　　楊少鋒[21]針對目前貨物入庫碼垛存在的問(wèn)題，完成了一種四軸桁架機械手的設計，如圖 1-16 所示，既可以滿(mǎn)足大質(zhì)量貨物的碼垛要求，又可于其他智能化設備配合使用。機械手的操作簡(jiǎn)單，工作穩定，使用真空吸盤(pán)實(shí)現對貨物拾取，工作過(guò)程中及時(shí)接收信號，快速工作、及時(shí)反饋，實(shí)現全自動(dòng)化作業(yè)。

　　在研究機械手本體結構、多自由度等方向上也取得一系列成果。郭鵬遠等 [22]

　　根據沖床上下料的工作要求，設計出一種 3 自由度圓柱坐標型機械手。通過(guò)仿真、樣機實(shí)驗，驗證該機械手路線(xiàn)平穩，無(wú)奇異點(diǎn)，完全適應沖床的工作環(huán)境，達到了沖壓技術(shù)生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化、高速化、柔性化和精密化的目的。

　　劉一鳴等人[23]針對傳統的 6 自由度機械臂難以滿(mǎn)足非結構化工業(yè)應用的需求，基于機器人模塊設計了 7 自由度冗余機械手，采用 R-S 結構。完美的解決了機械手工作空間存在障礙物時(shí)的奇異位形的問(wèn)題。

　　洪成軍等人[24]用一系列 R 型關(guān)節和 T 型關(guān)節從仿生學(xué)的角度描述了機械手的構型，提出了兩個(gè)標準輸入一個(gè)標準輸出的模塊新概念。這種新型模塊化關(guān)節的使用使得模塊化操縱器能夠實(shí)現更多的配置，從而在使用盡可能少的模塊化關(guān)節的同時(shí)適應廣泛的應用場(chǎng)景。

　　張龍等人[25]研制的基于圓柱坐標的機械手，可以在工作空間內完成三自由度運動(dòng)。與六自由度關(guān)節機械手相比，基于圓柱坐標的機械手具有簡(jiǎn)單的運動(dòng)學(xué)，易于在工作空間規劃軌跡和控制空間運動(dòng)，通過(guò)機器視覺(jué)精準定位。具有結構緊湊、實(shí)用性強、算法靈活等特點(diǎn)，非常適合在分揀、裝配和生產(chǎn)線(xiàn)上的應用。

　　國內對于機械手本體結構和末端抓取結構方面的研究，滿(mǎn)足實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)的各種工序。

　　1.3 工業(yè)機械手發(fā)展趨勢

　　隨著(zhù)加工制造企業(yè)自動(dòng)化程度的提高，機械手被廣泛用于各種行業(yè)，對其性能要求更高[26-28].機械手在結構上不斷創(chuàng )新和性能方面逐步提高，其發(fā)展方向有以下幾個(gè)方面[29-31].

　　（1）機械手運動(dòng)精度定位精度和重復位置精度是評價(jià)機械手運動(dòng)精度的重要指標，其反映的是機械手的運動(dòng)可靠性。目前高速、高精度的機械手研發(fā)和制造成本較高，影響了其在小型企業(yè)的廣泛應用。所以研發(fā)機械結構簡(jiǎn)單、制造成本較低的機械手，優(yōu)化其控制系統以達到提高其運動(dòng)精度和工作可靠性的目的，是未來(lái)小型工業(yè)機械手的發(fā)展趨勢。

　　（2）標準化、模塊化通用機械手和專(zhuān)用機械手是現在工業(yè)中運用最多的，這兩種機械手在其性能和工作的要求上都有優(yōu)缺點(diǎn)，不能更好的滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求，所以在設計機械手的過(guò)程中，應該提高機械手的各部件間的靈活連接，設計零部件的參數化，格局使用的要求靈活選用組裝。機械手模塊化，降低了設計機械手的難度，結構更加簡(jiǎn)單，維修保養方便，降低成本。讓機械手設計朝著(zhù)標準化，參數化方向發(fā)展，有很大的發(fā)展空間。

　　（3）智能化企業(yè)中常用的機械手都是通過(guò)編好的程序控制其做一些固定的運動(dòng)，不能在復雜的工作環(huán)境中隨即應變，有很大的局限性。所以我們希望研制的機械手不再是冷冰冰的機器，而是可以通過(guò)感知外部環(huán)境做出相應的動(dòng)作，不再是做一些簡(jiǎn)單的高強度動(dòng)作，讓機器更加智能化，更好的滿(mǎn)足人們的需求。隨著(zhù)技術(shù)的不斷提高，智能化的機械手能更好的代替人的工作，并且結合視覺(jué)系統和觸覺(jué)系統自動(dòng)感知外部環(huán)境作出反應[32].

　　加大對機械手的自主研發(fā)，滿(mǎn)足各行各業(yè)的生產(chǎn)需求，同時(shí)降低成本是工業(yè)機械手發(fā)展的重要前提。通過(guò)對國內外工業(yè)機械手的發(fā)展趨勢分析，目前，我們需要對專(zhuān)用機械手進(jìn)行設計開(kāi)發(fā)，主要包括，其結構設計、電氣控制技術(shù)、故障診斷與測試技術(shù)三方面的研究與優(yōu)化設計，同時(shí)也要降低機械手的成本，滿(mǎn)足企業(yè)的要求，加速工業(yè)機械手的應用，提高工業(yè)生產(chǎn)的機械化和自動(dòng)化。

　　1.4 課題來(lái)源

　　本課題來(lái)源于河北省高等學(xué)校科學(xué)研究重點(diǎn)項目（項目編號為ZD2019058）。

　　1.5 主要研究?jì)热?/strong>