吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 唐海亮 張強(qiáng) 魏占勝 王炟

中國2025 智能時代，各行各業(yè)都充斥著改革的氣息，尤其引人注目的便是集眾多前沿科技于一身的現(xiàn)代化制造業(yè)裝備——工業(yè)機(jī)器人。世界各國紛紛抓住歷史機(jī)遇，出臺了“再工業(yè)化”戰(zhàn)略、“工業(yè)4.0”計劃、“2020 增長戰(zhàn)略”推動機(jī)器人技術(shù)快速發(fā)展。在制造業(yè)上廣泛應(yīng)用機(jī)器人，做到“機(jī)器換人，人用機(jī)器”的新型制造自動化。

碼垛機(jī)器人占地面積小、運動空間大、靈活精準(zhǔn)、快速高效、穩(wěn)定性強(qiáng)、安全系數(shù)高，憑借著這些優(yōu)勢在很多領(lǐng)域占有一席之地，大大節(jié)省了勞動力。由于我國機(jī)器人起步較晚，在碼垛機(jī)器人的基礎(chǔ)科學(xué)研究短板突出。通過建立虛擬樣機(jī)并進(jìn)行運動仿真得到運動仿真數(shù)據(jù)，從而達(dá)到優(yōu)化原型樣機(jī)的目的。解決當(dāng)前制造業(yè)產(chǎn)能過剩、大量關(guān)鍵設(shè)備、核心技術(shù)受制于人的問題，期望突破碼垛機(jī)器人方面研究的短板。

1 10kg 碼垛機(jī)器人研究主要內(nèi)容

結(jié)合在校期間Fanuc 系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人實習(xí)，我們提出碼垛機(jī)器人對10kg 載荷的搬運及碼垛設(shè)計。利用Solidworks 建立10kg 碼垛機(jī)器人原型樣機(jī)，對機(jī)器人進(jìn)行運動學(xué)分析并對原型樣機(jī)轉(zhuǎn)速能否快速增加從而實現(xiàn)碼垛機(jī)器人帶動負(fù)載的承載力驗證。

2 10kg 碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 碼垛機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

碼垛機(jī)器人可用于自動化工廠生產(chǎn)流水線上代替人工重復(fù)勞動、提高工作效率，增加人口紅利。它主要用于抓取貨物并按照碼垛形狀給出既定的姿態(tài)將貨物重復(fù)精準(zhǔn)地放在指定位置。碼垛機(jī)器人可以高速運行且工作范圍大，為了避免碼垛機(jī)器人在搬運過程中與貨物發(fā)生碰撞，搬運貨物從貨物多方面進(jìn)行夾取并安全擺放，所以選擇垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人，本質(zhì)是一個仿生手臂空間自由度開鏈?zhǔn)綑C(jī)構(gòu)。主要由機(jī)械臂、驅(qū)動裝置、傳動裝置、內(nèi)部傳感器組成。

當(dāng)前國內(nèi)一般碼垛機(jī)器人重復(fù)定位精度低、承載載荷小，所以結(jié)合校園fanuc 系統(tǒng)研究上料搬運機(jī)器人，研究設(shè)計10kg 碼垛機(jī)器人。選用交流伺服電機(jī)易于CPU 連接、響應(yīng)快、定位精度高、控制性能好，腕部采用十字紐扣RBR 型減小縱身長度，增大結(jié)構(gòu)力矩，總體結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 10kg 碼垛機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

2.2 10kg 碼垛機(jī)器人腰部應(yīng)力分析

對腰部進(jìn)行有限元分析，分析它的承載載荷腰部所受的應(yīng)力，然后判斷結(jié)構(gòu)是否能夠承載10kg 負(fù)載，應(yīng)力分析如圖2。

圖2 應(yīng)力分析

3 10kg 碼垛機(jī)器人運動學(xué)響應(yīng)分析

將原型樣機(jī)在Solidworks 進(jìn)行特征組合，首先省略一些無關(guān)零件，避免在做運動仿真時圖形干涉報錯。然后將處理之后的原型樣機(jī)導(dǎo)入ADAMS 建立虛擬樣機(jī)并進(jìn)行運動仿真。給碼垛機(jī)器人設(shè)定負(fù)載10kg，運轉(zhuǎn)時得出關(guān)節(jié)受力曲線、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速。隨時間變化曲線如圖3、圖4 所示.

圖3 碼垛機(jī)器人Z 軸受力曲線

圖4 碼垛機(jī)器人轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線

4 結(jié)語

由圖3、圖4 曲線分析可知該設(shè)計的碼垛機(jī)器人是可以承受10kg 的負(fù)載并平穩(wěn)運轉(zhuǎn)的。啟動的0.2s 碼垛機(jī)器人的承載力逐漸增大，轉(zhuǎn)速也快速增加，從而實現(xiàn)碼垛機(jī)器人帶動負(fù)載的承載力。