陳 濤，李艷文

CHEN Tao, LI Yan-wen

（燕山大學(xué) 河北省并聯(lián)機器人與機電系統(tǒng)實驗室，秦皇島 066004）

0 引言

裝配機器人可以不間斷地、不知道累地完成各種各樣艱苦的裝配工序，它不僅大大減輕了工人的疲勞強度，而且提高了生產(chǎn)效率和裝配精度。在許多惡劣的環(huán)境下，從安全和健康考慮是不適合人進(jìn)行工作的，這時候可以用裝配機器人來取代人進(jìn)行工作，它能適應(yīng)各式各樣的惡劣環(huán)境。所以對裝配機器人進(jìn)行研究，開發(fā)出高性能、高精度、高穩(wěn)定性的裝配機器人是迫在眉睫的課題。

在現(xiàn)階段動車組生產(chǎn)線中，擋風(fēng)玻璃的安裝一直是個頭痛的難題，它的安裝包括了涂底膠、安裝、封膠、清洗四個過程，安裝比較繁瑣非常耗人、耗力。目前擋風(fēng)玻璃多為定位作業(yè)，天車、人、玻璃吊具一起協(xié)同工作完成裝配，這樣在精度和安全效率方面都存在需要改進(jìn)的問題。首先，天車上升和下降的位置精度不高，施工人員控制起來比較困難。其次，一般車間只會配1～2部天車，這樣裝配時間長，占用天車的時間長可能會影響到別的工序的正常進(jìn)行。再次，玻璃安裝的時候有一個角度問題，傳統(tǒng)的裝配角度調(diào)節(jié)比較麻煩，用柔性的機械手腕將會更方便。

圖1是當(dāng)前常用的助力機械手配合工人完成的前擋風(fēng)玻璃裝配。

圖1 助力機械手配合工人完成的裝配

1 裝配機器人的總體結(jié)構(gòu)

裝配機器人的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，由于動車體積龐大，在裝配的時候移動動車比較困難，所以把整個裝配機器人設(shè)計成可以移動的形式，這樣就不會對動車的進(jìn)出和工人的裝配帶來不便。整個裝配機器人由定位小車控制柜、短行程直線模組、大臂、小臂、手腕、手爪六個部分組成。定位小車通過光電位移傳感器來實現(xiàn)裝配機器人與動車車頭相對位置的定位，小車上有特定的玻璃放置位置，這樣在抓取玻璃的時候就能得到玻璃相對于手爪的準(zhǔn)確位置，提高運動學(xué)反解求解的精確性。直線模組完成裝配機器人在X方向的運動，通過伺服電機來完成大臂、小臂、手腕在OYZ平面內(nèi)的手爪位置的定位，手爪繞小臂中心軸的運動來實現(xiàn)安裝、涂膠、封膠、清潔四個工序的切換。

圖2 裝配機器人整體結(jié)構(gòu)

車頭放置擋風(fēng)玻璃位置的四邊形每個邊都是曲線，怎樣讓手爪的涂膠膠槍、封膠膠槍、清潔涮沿著曲線運動是需要解決的問題。如果通過計算出邊緣的曲線方程然后通過控制來完成手爪的各個工位沿四周邊緣的曲線運動，這樣計算和控制過程比較麻煩。設(shè)計出了如圖3所示的手爪部分結(jié)構(gòu)，通過氣缸的上下移動和彈簧的平衡來達(dá)到運動要求。

圖3 多工位手爪三維圖

為了減少末端位置的靜轉(zhuǎn)矩，把四個伺服電機和減速器放在機器人的前端，然后通過一系列齒輪傳動和連桿傳動來達(dá)到運動要求，手腕和手爪部分的齒輪傳動如圖4所示。

圖4 手爪手腕齒輪傳動

2 裝配機器人位置正反解及仿真驗證

在進(jìn)行機器人正反解求解前需要把三維模型抽象成幾何模型，為了求解出準(zhǔn)確的正反解數(shù)據(jù)，直接代入了各個連桿的長度，抽象出來的初始位置裝配機器人坐標(biāo)系如圖5所示。

圖5 初始位置坐標(biāo)系

2.1 位置正解

位置正解就是已知各個關(guān)節(jié)的角度，求出機器人末端手爪相對于參考坐標(biāo)系能到達(dá)的位置，避免了復(fù)雜的D-H坐標(biāo)法，直接用坐標(biāo)系相對于運動坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)平移變換求出位置正解。

當(dāng)單軸機器人移動S，大臂繞機座轉(zhuǎn)動θ1，小臂繞大臂旋轉(zhuǎn)θ2，手腕繞小臂旋轉(zhuǎn)θ3，手爪繞手腕Y軸旋轉(zhuǎn)θ4后，新的坐標(biāo)系如圖6所示。

圖6 各關(guān)節(jié)運動后的坐標(biāo)系

用“從左向右”原則進(jìn)行坐標(biāo)變換，各個連桿坐標(biāo)系的關(guān)系可以表示為：

計算可得：

其中：

2.2 位置反解

位置反解即由輸出量坐標(biāo)系{5}相對于坐標(biāo)系{0}的位置，求輸入量S、θ1、θ2、θ3、θ4。裝配機器人的手爪旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)主要是為多工位服務(wù)的，當(dāng)θ4=0的時候是進(jìn)行玻璃抓取安裝和涂底膠工作的，當(dāng)θ4=90°的時候是進(jìn)行封膠工作的，當(dāng)θ4=180°的時候是進(jìn)行清潔工作的。在運動學(xué)反解分析的時候本文是對默認(rèn)的θ4=0這個狀態(tài)進(jìn)行的反解分析，此時裝配機器人進(jìn)行涂膠和安裝工作，要進(jìn)行其他工位的工作只需變化θ4即可。這個時候坐標(biāo)系5相對坐標(biāo)系4的位置是固定不變的，即坐標(biāo)系5相對于坐標(biāo)系4的位置為：

兩邊的矩陣對應(yīng)項相等，可以計算出：

2.3 位置反解在該裝配機器人中的應(yīng)用

裝配機器人要完成裝配需要經(jīng)過四個過程，這些過程需要經(jīng)過一系列關(guān)鍵位置點，這些關(guān)鍵位置點分別為抓取玻璃位置點、防干涉安裝玻璃位置點、玻璃安裝位置點、第一涂膠點、第二涂膠點。在這些關(guān)鍵位置點坐標(biāo)系{4}相對于坐標(biāo)系{0}的位置是可以通過旋轉(zhuǎn)平移變換求出來的，分別為：

得到了矩陣方程就可以求出各個關(guān)鍵位置點的反解如表1所示。

表1 各個關(guān)鍵位置點反解

2.4 在Adams環(huán)境中對運動反解進(jìn)行驗證

在求出各個關(guān)鍵位置每個關(guān)節(jié)需要轉(zhuǎn)過的角度后，要想讓初始位置到關(guān)鍵位置點1，只需要讓直線模組沿X負(fù)方向運動175mm，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)1順時針旋轉(zhuǎn)75.43°，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2順時針旋轉(zhuǎn)26.92°，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)3逆時針旋轉(zhuǎn)12.35°，其他位置點也類似。如果在每個關(guān)鍵位置點之間進(jìn)行一次五次多項式插值，這樣可以求出整個裝配過程每個關(guān)節(jié)的驅(qū)動函數(shù)。把驅(qū)動函數(shù)代入到各個關(guān)節(jié)中去，觀察末端手爪的位置是否經(jīng)過了這些特定位置點就可以驗證反解的準(zhǔn)確性。

為了實現(xiàn)仿真的直觀性，在手腕處建立一個Marker點，通過Marker點在空間的位置來驗證運動學(xué)反解的準(zhǔn)確性，此Marker點在X方向的位移隨時間的變化應(yīng)該過點(0，-475)，(5，550)，(10，550)，(15，150)，(20，150)，(25，550)，(30，-475)，(35，-300)，(36， -300)，(41，200)，(43，200)，(44，200)，(46，200)，(51，550)，(56，550)，(61，150)，(66，150)，(71，550)，(73，550)，(78，550)，(83，150)，(88，150)，(93，550)，(98，-475)。如果仿真結(jié)果經(jīng)過以上關(guān)鍵點坐標(biāo)則說明上述求得的運動學(xué)反解是準(zhǔn)確的。

此Marker點在X方向隨時間的位移變化如圖7所示。

圖7 Marker點在X方向的位移

由圖可知此Marker點在X方向都經(jīng)過了各個時間段的關(guān)鍵點。同理可得Marker點在Y方向和Z方向也經(jīng)過了各個時間段的關(guān)鍵點，從而驗證了反解的準(zhǔn)確性。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 PLC程序設(shè)計

控制系統(tǒng)用西門子S7-200PLC作下位機，PLC通過脈沖信號控制伺服電機，需要把各個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角位移變量通過計算轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖信號，該裝配機器人中用到的是17位增量型編碼器，它表示在電子齒輪比設(shè)為1的時候電機轉(zhuǎn)一圈需要217個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)一圈需要的脈沖數(shù)N與電子齒輪比的關(guān)系式為：

在進(jìn)行電子齒輪比設(shè)置后，可以確定各個關(guān)節(jié)在各個時間段需要的脈沖數(shù)和脈沖頻率。

Smart700觸摸屏與S7-200PLC只支持PPI通信協(xié)議，即一個觸摸屏只能直接控制一個PLC，設(shè)想用PLC1與觸摸屏串聯(lián)，PLC1的輸出作為其余三個PLC的輸出，這樣就可以在一個掃描周期內(nèi)完成觸摸屏對多個PLC的同時控制，即可以實現(xiàn)各個關(guān)節(jié)驅(qū)動的同步控制。由于西門子S7-200自帶高速脈沖輸出口，這樣在進(jìn)行伺服定位控制時就不需要外接定位模塊，大大降低了控制成本。

在運動分析中，每個關(guān)節(jié)的運動非常復(fù)雜，用計數(shù)器和定時器產(chǎn)生的脈沖周期不能滿足控制要求，本程序調(diào)用S7-200自帶的MAP庫函數(shù)，它能使高速脈沖輸出端Q0.0和Q0.1產(chǎn)生滿足控制需要的脈沖信號，用MAP庫函數(shù)進(jìn)行伺服電機速度和位置的控制，用定時器進(jìn)行伺服驅(qū)動的定時控制，用順序控制來進(jìn)行每段時間脈沖信號的跳轉(zhuǎn)。

PLC1的輸入輸出信號受觸摸屏和外界開關(guān)量控制，在程序中把觸摸屏的啟動、停止、復(fù)位的虛擬按鈕與啟動、停止、復(fù)位按鈕開關(guān)并聯(lián)，這樣就可以實現(xiàn)觸摸屏和外部按鈕開關(guān)同時控制系統(tǒng)運行，由于觸摸屏信號不能直接作PLC的輸入信號，需要輔助繼電器來完成，參考程序如圖8所示。

圖8 摸屏信號并聯(lián)外部開關(guān)信號

在點動程序中把正向點動的常閉開關(guān)接通到負(fù)向點動程序中，這樣形成了一個互鎖回路，防止正反轉(zhuǎn)電路的同時進(jìn)行，點動互鎖程序如圖9所示。

圖9 點動互鎖程序

PLC2中用MAP庫程序控制伺服的脈沖輸出，用順序控制器進(jìn)行不同時間段不同速度的有序控制，用定時器進(jìn)行停止時間的控制，在不同的階段只需要把Q0_0_MoveRelative中的脈沖數(shù)和脈沖頻率進(jìn)行變化即可，不同階段的脈沖數(shù)和脈沖頻率可以一一算出，PLC在一個順序控制中參考程序如圖10所示。

圖10 一個順序控制的參考程序

一個順序控制中程序都是以SCR開始，SCRT跳轉(zhuǎn)，SCRE結(jié)束。

3.2 HMI程序設(shè)計

HMI觸摸屏采用Smart700觸摸屏，它能實現(xiàn)與S7-200PLC的無縫連接，通過RS-485串口通信將機械手系統(tǒng)狀態(tài)和控制信息傳送到觸摸屏中，通過觸摸屏可以直觀的查看機器人的相關(guān)工作狀態(tài)，并可以在觸摸屏中設(shè)置相關(guān)的機器人的操作命令按鈕，操作人員通過操作觸摸屏可以將操作命令傳送到PLC中，從而控制裝配機器人的動作。HMI為用戶和系統(tǒng)提供了良好的交互，使操作人員能直觀地操作和監(jiān)測內(nèi)部系統(tǒng)。

本裝配機器人主要是完成控制界面的組態(tài)，然后把各個開關(guān)地址與對應(yīng)的PLC程序地址連接，控制界面包括整個機器人的啟動、停止、復(fù)位和各個驅(qū)動器的點動，組態(tài)后的畫面如圖11所示。

觸摸屏中的所有開關(guān)都是虛擬的，這樣就大大減少了硬件連接中的元器件，但是它不能直接作為PLC的輸出信號，這時需要用到輔助繼電器，通過對輔助繼電器的置位和復(fù)位來完成觸摸屏對PLC的控制，每個開關(guān)按鈕都相當(dāng)于是一個變量，變量為1的時候接通，變量為0的時候斷開。各個開關(guān)變量與S7-200外部鏈接的地址如圖12所示。

最后對PLC和HMI設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，主要是波特率的設(shè)置，使PLC對應(yīng)端口的波特率和HMI設(shè)備的波特率一樣，完成PLC和HMI設(shè)備的通訊。

圖11 控制界面組態(tài)

圖12 開關(guān)變量地址鏈接

4 結(jié)束語

本文提出了一種方便、快捷、智能化的裝配機器人，用于完成裝配精度高、裝配過程復(fù)雜、重復(fù)定位精準(zhǔn)的裝配任務(wù)；給出了正反解表達(dá)式，并依據(jù)建立的三維模型尺寸計算出了各個關(guān)鍵位置點的反解，并用ADAMS仿真軟件驗證了反解的準(zhǔn)確性；以Smart700觸摸屏為上位機，S7-200為下位機完成了控制系統(tǒng)的搭建；本文對工業(yè)機器人從結(jié)構(gòu)設(shè)計到控制系統(tǒng)搭建整個設(shè)計過程有一定的指導(dǎo)意義。

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