摘 要

　　隨著(zhù)國家建設新農村政策出臺和房地產(chǎn)事業(yè)的快速發(fā)展，中空玻璃作為房屋的必需品，具有更廣闊的市場(chǎng)前景，然而現階段在制造中空玻璃工藝過(guò)程中，仍處于半自動(dòng)化狀態(tài)。人工上片玻璃和人工下片玻璃，使得人工勞動(dòng)強度大，制造中空玻璃效率低，人工成本高等，嚴重制約了全自動(dòng)化時(shí)代的發(fā)展。針對現階段制造中空玻璃工藝流程處于半自動(dòng)化現狀，本文設計了一種中空玻璃生產(chǎn)線(xiàn)用的上下片機械手。

　　本文首先介紹了國內外上下片機械手的研究現狀，然后提出了中空玻璃生產(chǎn)線(xiàn)用上下片機械手的總體設計方案，進(jìn)一步闡述了上下片機械手各部件的結構設計、選型計算、關(guān)鍵零部件的有限元分析以及上片機械手的運動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。詳細的內容有以下幾個(gè)方面： （1）根據上下片機械手所處的工作環(huán)境、工藝要求以及技術(shù)參數要求，確定了中空玻璃生產(chǎn)線(xiàn)用上下片機械手的總體設計方案。

　　（2）闡述了上下片機械手的尺寸、末端執行器、基座的設計的細節，并且對電機、減速機、齒輪齒條以及同步齒形帶和吸盤(pán)進(jìn)行選型和計算。

　　（3）采用 ANSYS 有限元分析軟件對關(guān)鍵零部件進(jìn)行靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，確保關(guān)鍵零部件具有足夠的強度和剛度。

　　（4）采用 D-H 表示法建立坐標系，建立運動(dòng)學(xué)方程，得出運動(dòng)學(xué)正解和逆解，利用 ADAMS 驗證其運動(dòng)學(xué)方程正確性。建立拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程，采用ADAMS 得出相關(guān)圖解，驗證電機、減速機等結構設計的正確性。

　　（5）根據控制要求，完成了末端執行器氣路、系統硬件、系統軟件的設計，并制做出樣機，調試結果達到預期要求。

　　關(guān)鍵詞：自動(dòng)上下片；機械手；玻璃；運動(dòng)學(xué)；動(dòng)力學(xué)；控制

　　Abstract

　　With the introduction of the country's new rural construction policy and the rapid development of real estate, insulating glass, as a necessity for houses, has a broader market prospect. However, at this stage, the process of manufacturing insulating glass is still in a semi-automated state. Manual loading of glass and manual loading of glass make manual labor intensive, low efficiency in manufacturing hollow glass, and high labor costs, which severely restrict the development of the fully automated era.

　　Aiming at the semi-automatic status of the manufacturing process of insulating glass at this stage, this paper designs a robot for the upper and lower sheets of the insulating glass production line.

　　This article first introduces the current research status of loading and unloading manipulators at home and abroad, and then proposes the overall design of the loading and unloading manipulators for the hollow glass production line, and further elaborates the structural design, selection calculation, and finite element of key components of the loading and unloading manipulators. Analysis and kinematics and dynamics analysis of the loading manipulator. The detailed content has the following aspects:

　　（1） According to the working environment, process requirements and technical parameter requirements of the loading and unloading manipulator, the overall design plan of the loading and unloading manipulator for the hollow glass production line is determined.

　　（2） Explained the details of the size of the upper and lower manipulators, the end effector, and the design of the base, and the selection and calculation of the motor, reducer, rack and pinion, synchronous toothed belt and suction cup.

　　（3） Use ANSYS finite element analysis software to conduct static analysis and modal analysis on key components to ensure that the key components have sufficient strength and rigidity.

　　（4） Use D-H notation to establish the coordinate system, establish the kinematics equations, obtain the kinematics forward and inverse solutions, and use ADAMS to verify the correctness of the kinematics equations. Establish Lagrangian dynamics equations and use ADAMS to obtain relevant diagrams to verify the correctness of the structural design of motors and reducers.

　　（5） According to the control requirements, the design of the end effector gas circuit, system hardware, and system software was completed, and a prototype was made, and the debugging results met the expected requirements.

　　Key words: automatic loading and unloading; manipulator; glass; kinematics;dynamics; control

目錄

　　第一章 緒論

　　1.1 課題研究意義

　　我國工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)同國外依然存在不小的差距。機械手在制造業(yè)、軍事、醫療、流水線(xiàn)等領(lǐng)域得到了廣泛應用，基本實(shí)現了工廠(chǎng)生產(chǎn)中從人工向半自動(dòng)化甚至全自動(dòng)化的快速對接。然而在制造中空玻璃的工藝過(guò)程中，將玻璃運送到流水線(xiàn)上，仍處于人工搬運或者半自動(dòng)化狀態(tài)搬運狀態(tài)，不僅生產(chǎn)效率低，人工成本高，而且在搬運過(guò)程中容易造成玻璃損壞，影響玻璃的質(zhì)量。因此提出一種中空玻璃生產(chǎn)線(xiàn)用的上下片機械手。

　　上下片機械手同傳統的方式有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是提高工作效率，可以不停歇的工作；二是人工成本降低，提高安全性；三是降低損壞率，提高玻璃質(zhì)量。

　　上下片機械手的發(fā)展能極大促進(jìn)全自動(dòng)化的快速發(fā)展。

　　1.2 工業(yè)機器人國內外研究現狀

　　1.2.1 國外研究現狀

　　美國喬治？德沃爾在 1954 年設計出一臺可以用來(lái)編程序的工業(yè)機器人[1].隨 著(zhù)工業(yè)機器人的技術(shù)成熟和完善，對工業(yè)機器人的標準也會(huì )越來(lái)越高，機器人的智能化、模塊化和標準化的程度也會(huì )越來(lái)越高。工業(yè)機器人全自動(dòng)化裝備已經(jīng)逐漸成為自動(dòng)化作業(yè)的標桿，應用于各個(gè)領(lǐng)域，比如軍事領(lǐng)域、醫療領(lǐng)域、農業(yè)領(lǐng)域、娛樂(lè )領(lǐng)域等。在各種產(chǎn)業(yè)工藝流程中，工業(yè)機器人扮演著(zhù)重要的角色。目前國外有名的公司有歐洲的 ABB、意大利的 COMAU、以及日本的安川等。

　　國外的機器人主要以歐盟為主[2].在歐盟，主要以瑞典的 ABB 公司為主。

　　圖 1-1 所示為其研發(fā)的上下料 6 軸機器人 IRB6660-100/3.3.該機器人最大工作半徑 3.35m,承重能力為 100kg,該系列比其系列效率快 15%[3],并且沖壓線(xiàn)擴至 8.7m,坯件尺寸加大，機器人節拍時(shí)間縮短。

　　ABB 公司推出圖 1-2 所示的第七代工業(yè)機器人 IRB6700.工作范圍為 2.6 至3.2 米，在精度、負載和速度方面大幅超越，消耗的功率降低了 15%,總體的可靠性提升，使最大故障間隔時(shí)間達到 400000 小時(shí)，可用于沖壓線(xiàn)上下料任務(wù)。

　　日本安川在 2012 年研發(fā)出新一代 MOTOMAN-EPH130D（如圖 1-3 所示） 和 EP4000D（如圖 1-4 所示）上下料機器人。MOTOMAN-EPH130D 的系列沖程次數范圍為 8.5-12SPM.EP4000D 的系列沖程次數范圍為 9-14.5SPM.它們采用的是 DX100 控制系統。具有高速指令的處理速度，具有示教編程，多個(gè)窗口顯示功能等的特點(diǎn)。

　　圖 1-5 為 KMRiiwa 移動(dòng)機器人，將庫卡輕型協(xié)作機械臂 LBRiiwa（intelligentindustrial work assistant）和方位移動(dòng)機器人結合，使其反應時(shí)間更短，靈敏度更高，實(shí)現了自動(dòng)化。

　　FANUC[4]采開(kāi)發(fā)了如圖1-6所示的鈑金加工自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)。將機械臂與AGV的組合，讓機器人不僅可以在生產(chǎn)線(xiàn)的工序間實(shí)現搬運物料和調度任務(wù)，還可根據生產(chǎn)需要調配到任意工序共同進(jìn)行生產(chǎn)，實(shí)現了物料的傳輸及智能無(wú)人化生產(chǎn)。

　　1.2.2 國內研究現狀

　　我國研究工業(yè)機器人起步較晚但發(fā)展迅速。在國家各種政策之下，經(jīng)過(guò)各大高校，研究院等不懈努力下，我國的工業(yè)機器人的技術(shù)不斷發(fā)展和創(chuàng )新，機器人應用的領(lǐng)域也不斷擴大，到如今工業(yè)機器人不斷的取得好成果。

　　2016 年田樂(lè )帥等[5]人設計了的一種沖床上下料機械手，見(jiàn)圖 1-7.該機械手動(dòng)作簡(jiǎn)單、節拍次數高、工作穩定、速度位置精度高，代替人工完成鈑金件的吸放和搬運工作。

　　2018 年張金嬰[6]在傳統的傳送帶式的光伏生產(chǎn)線(xiàn)上的基礎上，設計并開(kāi)發(fā)出了一臺上下料機器人，見(jiàn)圖 1-8.該機器人適應晶硅電池生產(chǎn)的需求，能進(jìn)行光伏電池片實(shí)驗檢測，具有柔化性特點(diǎn)，并且提高了生產(chǎn)線(xiàn)的靈活度。

　　2019 年王澤輝等人設計了一種圖 1-9 所示的搖臂式自動(dòng)上下料機器人，滿(mǎn)足了中小型企業(yè)機床上下料任務(wù)[7].該上下料機器人代替人工勞動(dòng)進(jìn)行上下料，在工作時(shí)能夠穩定快速的完成任務(wù)，具有穩定性、準確性、效率高以及高性?xún)r(jià)比4 個(gè)優(yōu)勢。

　　2020 年鮑業(yè)泉設計了一款食品封裝線(xiàn)作業(yè)協(xié)同機器人[8],圖 1-10 為該機器人工作時(shí)的圖片。它能夠較好的完成與備料輸送線(xiàn)的定位抓取配合，并能在滿(mǎn)足封裝線(xiàn)生產(chǎn)周期 13.5s 的前提下，依次將 4 個(gè)產(chǎn)品放入到封裝工位的協(xié)同作業(yè)，提高了工作效率。

　　2020 年陳銳鴻等人[9]設計了圖 1-11 所示的變速箱齒輪嚙合測試機上下料機械手。它基于 PLC 為控制系統，合理規劃機械手路徑使用變址寄存器方法調用不同機種的點(diǎn)位位置參數，效率提高了 14%,成本降低 1/3.

　　2021 年付鐵等人研發(fā)了一種可用于激光打標機的自動(dòng)上下料機械手，如圖1-12 所示。該機械手主要由升降機構、擺動(dòng)機構和物料抓放機構組成，并采用PLC 實(shí)現控制，很好的完成了激光打標操作過(guò)程中的自動(dòng)上下料任務(wù)，保證了激光過(guò)程的操作安全[10].

　　1.3 上下片機械手存在問(wèn)題和發(fā)展趨勢

　　1.3.1 機械手存在問(wèn)題

　　（1）工作效率低，現今的中空玻璃機械手每分鐘僅僅能夠吸取玻璃 2-3 個(gè)，生產(chǎn)節拍慢；

　　（2）吸力不能控制的很好，很多廠(chǎng)家一直在研制中空玻璃上下機械手，但對于吸取玻璃這一塊總是失誤，經(jīng)常會(huì )吸不起來(lái)，有時(shí)吸起一定高度，由于某個(gè)地方漏氣或者吸力不夠導致玻璃掉落；

　　（3）局限性大，在玻璃制造中，會(huì )有不同規格大小的玻璃進(jìn)行制造，加工，然后出成品，現今研制的上下料機械手只能吸取特定尺寸的玻璃，這樣會(huì )大大加重制造玻璃廠(chǎng)家的成本，不能實(shí)現一機可以吸取多種不同規格的玻璃；

　　（4）機械手不能精準的控制每一個(gè)動(dòng)作，在運行過(guò)程中，經(jīng)常會(huì )由于慣性機器停不下來(lái)，導致后面出現差錯，整個(gè)機器的協(xié)調性還不夠順暢，生產(chǎn)節拍有時(shí)也跟不上，整臺機器的技術(shù)不夠成熟；（5）噪聲大，在運行過(guò)程中，由于機器之間的不協(xié)調，各部件之間運用的不準確，采用的零件不準確，導致在生產(chǎn)過(guò)程中，噪音太大；

　　（6）出成品時(shí)，中空玻璃表面會(huì )經(jīng)常帶有一些灰塵，不夠干凈，還得進(jìn)行人工擦拭，增加人工成本。

　　1.3.2 機械手的發(fā)展趨勢
　　隨著(zhù)制造業(yè)全自動(dòng)化的時(shí)代到來(lái)。在制造業(yè)產(chǎn)業(yè)中，工藝過(guò)程對上下料機械手的要求會(huì )越來(lái)越高。上下料機械手的發(fā)展趨勢主要表現在以下幾個(gè)方面：

　　（1）成本低，結構簡(jiǎn)單；

　　（2）能夠一機吸取不同規格尺寸的玻璃，同時(shí)對于表面光滑且形成密封狀態(tài)的物品都能夠進(jìn)行吸取，實(shí)現跨越種類(lèi)的吸取；（3）工作高效化，增加各部件之間的協(xié)調性，提高上下料機械手上料和下料的速度顯得尤為重要； （4）可視化，基于視覺(jué)的機械手能夠區分玻璃的尺寸，抓取玻璃到指定位置；（5）可靠性和重復精度高，提高機械手的質(zhì)量和工作精度。高可靠性和重復高精度機械手是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢[11].

　　1.4 主要研究?jì)热莺头椒?/strong>