吳宗慶，沙 杰，齊光宇，席偉偉，李金洋，胡森龍

(河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

電氣化鐵路接觸網(wǎng)是沿鐵路線上空架設(shè)的向電力機(jī)車供電的特殊形式的輸電線路，是鐵路電氣化工程的主構(gòu)架。腕臂是接觸網(wǎng)系統(tǒng)中用于支撐輸電線的關(guān)鍵裝置[1]，由腕臂套管零件和腕臂管材組成。接觸網(wǎng)系統(tǒng)施工時(shí)，預(yù)先將毛坯管通過切割、鉆孔、修磨、做標(biāo)記等加工出所需管材，再根據(jù)裝配的要求將腕臂套管零件(包括承力索座、套管雙耳、定位環(huán)、支撐管卡子)安裝在管件上，這項(xiàng)工作稱為腕臂預(yù)配?，F(xiàn)有的腕臂預(yù)配供料多為人工操作，存在預(yù)配精度差、保障措施不到位、合格率不高、生產(chǎn)效率低、人工成本高等問題。

本文以某企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)需求為研究背景，從改進(jìn)腕臂預(yù)配過程中套管零件供料存在的不足出發(fā)，綜合運(yùn)用工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，設(shè)計(jì)自動供料系統(tǒng)方案，并對供料系統(tǒng)控制方案及機(jī)器人的示教編程過程展開討論，以期為類似分析工作提供有益參考。

1 供料系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 腕臂預(yù)配供料系統(tǒng)工藝流程分析

腕臂零件供料系統(tǒng)是接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配的重要組成部分[2]，它將預(yù)配系統(tǒng)中各個(gè)工位很好地連接起來，并按時(shí)按量地把套管零件送達(dá)指定位置。根據(jù)設(shè)計(jì)需求，在鐵路接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配過程中，平、斜腕臂管件上需裝配不同類型的套管零件，如圖1所示。

圖1 套管零件實(shí)物圖

預(yù)配作業(yè)前需由工人手動將腕臂套管零件從料庫中拾取并逐個(gè)安裝到腕臂管體的相應(yīng)位置，每一個(gè)套管零件的安裝都需要工人借助工裝以調(diào)整和維持其位姿的準(zhǔn)確性。平、斜腕臂預(yù)配成品簡圖如圖2所示。從當(dāng)前腕臂套管零件的供料系統(tǒng)可以看出，其工藝存在以下弊端：人工進(jìn)行上下料，其用時(shí)相對于高效的工業(yè)機(jī)器人會多出很多；人工進(jìn)行腕臂預(yù)配過程中套管零件的位姿固定，安裝精度僅靠簡易的工具完成，裝配精度無法得到很好的保證，且自動化程度較低；人工作業(yè)時(shí)身處在腕臂預(yù)配的工作空間內(nèi)，存在一定的安全隱患。

1.2 供料系統(tǒng)總體方案

結(jié)合鐵路接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配套管零件供料系統(tǒng)開展相關(guān)研究工作，在原有的人工作業(yè)空間布置供料機(jī)器人和料庫臺，替代人工進(jìn)行腕臂套管零件的上料和工裝定位。工人一次性將多組腕臂套管零件放置到料庫臺上，料庫臺置具固定套管零件位姿后由供料機(jī)器人抓取套管零件運(yùn)送至落料工位(腕臂預(yù)配的裝配工位)，到位后供料機(jī)器人保持固定位姿，協(xié)同裝配工位上的工裝夾具完成套管零件的定位、夾緊作業(yè)。完成一組零件供料后，機(jī)器人復(fù)位，等待下一次供料任務(wù)。供料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求是：1)應(yīng)根據(jù)四類零件形狀特征設(shè)計(jì)滿足各零件位姿固定要求的料庫臺置具、機(jī)械手及落料工位工裝；2)應(yīng)根據(jù)供料系統(tǒng)布局要求選用機(jī)器人，并保證運(yùn)動精度符合設(shè)計(jì)要求；3)應(yīng)根據(jù)控制系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)整體控制方案。

1—支撐管卡子；2—套管雙耳；3—承力索座；4—定位環(huán)圖2 平、斜腕臂預(yù)配成品圖

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，套管零件供料系統(tǒng)應(yīng)配有以下組件：工業(yè)機(jī)器人及其控制柜、機(jī)械人末端執(zhí)行器(機(jī)械手)、套管零件料庫臺和套管零件落料工位(腕臂預(yù)配的裝配工位)、控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)。料庫臺布置在工業(yè)機(jī)器人的兩側(cè)，工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器執(zhí)行系統(tǒng)上、下料工作，依次序完成套管零件供料?？刂葡到y(tǒng)通過工業(yè)總線負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度、機(jī)器人狀態(tài)監(jiān)控等工作，并實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控畫面[3]?？傮w設(shè)計(jì)示意圖如圖3所示。

1—料庫臺；2—工業(yè)機(jī)器人；3—料庫臺置具；4—機(jī)械爪；5—落料工位工裝；6—電氣柜；7—機(jī)器人控制柜圖3 套管零件供料系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)示意圖

2 供料系統(tǒng)工位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與選型

2.1 料庫臺工位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

料庫臺用于儲存腕臂預(yù)配所需要的套管零件，由料庫臺置具和物料檢測單元組成。按照腕臂預(yù)配方案(平腕臂需裝配支撐管卡子、套管雙耳、承力索座3種類型套管零件；斜腕臂需裝配支撐管卡子、套管雙耳、定位環(huán)3種類型套管零件)，以10組平、斜腕臂裝配任務(wù)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，分別設(shè)計(jì)平、斜腕臂供料儲料庫臺，以達(dá)到在供料過程中套管零件自動供料效率高、運(yùn)動路徑最優(yōu)等目的[4]。

按照腕臂預(yù)配設(shè)計(jì)要求，腕臂管材在裝配過程中完成穿套管動作時(shí)，腕臂套管零件應(yīng)留有適量間隙，如圖4所示，據(jù)此設(shè)計(jì)的套管零件置具由置具安裝底座和限位塊組成，如圖5所示。通過設(shè)計(jì)安裝底座仿形定位槽底部上端面、置具單側(cè)端面及限位塊端面完成對套管零件的定位，保證套管間隙尺寸不變，從而不影響機(jī)械手抓取。

1—套管零件；2—腕臂管材圖4 腕臂預(yù)配前、后軸側(cè)圖

圖5 料庫臺套管零件置具組合結(jié)構(gòu)圖(部分)

2.2 落料工位工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以定位環(huán)為例設(shè)計(jì)其夾具，如圖6所示。機(jī)器人從料庫臺上夾持套管零件(定位環(huán))后，按照預(yù)配要求將其放置在落料工位夾具(腕臂預(yù)配的裝配工位夾具)內(nèi)，夾具槽內(nèi)的一側(cè)槽壁與被夾持件外表面對應(yīng)嵌合，以實(shí)現(xiàn)被夾持件在安裝槽上的準(zhǔn)確放置，并防止其在槽內(nèi)滑動，夾具安裝槽底部及兩端分別與被夾持件底部凸起和兩端面弧形結(jié)構(gòu)嵌合，實(shí)現(xiàn)其在槽內(nèi)的限位。夾具上設(shè)計(jì)支撐塊，分布在端面兩側(cè)。當(dāng)套管零件放入槽內(nèi)后，支撐塊在氣缸驅(qū)動下相向運(yùn)動壓緊槽內(nèi)套管零件，同時(shí)機(jī)械手松開夾持件后復(fù)位，等待下一次指令。夾具上布有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，在氣缸驅(qū)動下分開、合攏，輔助腕臂管件完成穿管動作。支撐塊、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)聯(lián)合運(yùn)動完成套管零件的定位轉(zhuǎn)換，保證腕臂預(yù)配過程中腕臂管材和套管零件的對中裝配。套管零件形狀不同，設(shè)計(jì)的夾具結(jié)構(gòu)也隨之改變，因其設(shè)計(jì)原理相同，故在此不再贅述。

1—導(dǎo)向機(jī)構(gòu)驅(qū)動裝置；2—導(dǎo)向機(jī)構(gòu)組件；3—壓緊塊；4—壓緊機(jī)構(gòu)驅(qū)動裝置；5—安裝底座；6—套管零件(定位環(huán))圖6 落料工位套管零件夾具結(jié)構(gòu)

2.3供料系統(tǒng)機(jī)器人機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于沒有標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械手用于套管零件的抓取，因此需設(shè)計(jì)專用的機(jī)械手。機(jī)械手應(yīng)該滿足以下設(shè)計(jì)要求：能適應(yīng)套管零件寬度的變化；避免夾裂、刮傷套管零件；夾持需平穩(wěn)。平、斜腕臂一次需要裝配3個(gè)工件完成預(yù)配，類型為箍類零件。套管零件型號、參數(shù)見表1。

表1 套管零件規(guī)格型號

為了能夠?qū)μ坠芰慵M(jìn)行有效定位、抓取及在落料工位夾具上可靠放置，在設(shè)計(jì)機(jī)械手時(shí)，以套管零件的側(cè)端面進(jìn)行定位，以半圓弧面進(jìn)行夾緊。針對套管零件側(cè)端面間距W的差別，機(jī)械手設(shè)計(jì)為1#、2#、3#、4# 4個(gè)對稱布置的機(jī)械爪，以精準(zhǔn)完成對支撐管卡子、套管雙耳、承力索座、定位環(huán)的抓取。同時(shí)，在機(jī)械爪上裝有橡膠墊，這樣不僅可以保護(hù)套管零件還可以使套管零件避免發(fā)生微小的橫向移動。機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示[5]。

圖7 機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 供料系統(tǒng)機(jī)器人選型

通過 SolidWorks 軟件對套管零件供料系統(tǒng)進(jìn)行三維建模，并在仿真軟件中對機(jī)器人搬運(yùn)進(jìn)行干涉校驗(yàn)[6]，可得：機(jī)器人末端執(zhí)行器的水平工作區(qū)域半徑應(yīng)不小于1 m、垂直工作區(qū)域半徑應(yīng)不小于1.2 m；負(fù)載不小于8.6 kg。據(jù)此，選用新松SR10C 6 軸工業(yè)機(jī)器人，該機(jī)器人由6個(gè)關(guān)節(jié)和6個(gè)連桿組成，采用輕量式手臂設(shè)計(jì)，機(jī)械手臂工作穩(wěn)定、可靠。機(jī)器人本體機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定[7]，滿足柔性化生產(chǎn)的要求，具有IP65防護(hù)等級，能更好地適應(yīng)惡劣的外部生產(chǎn)環(huán)境，廣泛應(yīng)用于焊接、制孔、裝配等低負(fù)載、高精度、高速度領(lǐng)域。其性能參數(shù)和關(guān)節(jié)角度范圍分別見表2、表3。

表2 SR10C機(jī)器人性能參數(shù)

表3 SR10C關(guān)節(jié)角的運(yùn)動范圍 單位：(°)

2.5 供料系統(tǒng)運(yùn)動精度分析

無論機(jī)器人的制造、裝配精度有多高，都會由于各種各樣的原因而引起機(jī)器人的誤差，從而影響供料工作的精度。因此，在分析該供料系統(tǒng)選用機(jī)器人運(yùn)動精度時(shí)，采用一種微分變換方法將各種誤差轉(zhuǎn)變?yōu)檫B桿坐標(biāo)系所產(chǎn)生的微小旋轉(zhuǎn)誤差和微小平移誤差。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，要想實(shí)現(xiàn)工件的精確定位[8]，供料機(jī)器人必須嚴(yán)格滿足0.5 mm定位精度要求的設(shè)定；為了分析機(jī)構(gòu)裝配和控制誤差所造成的定位誤差，必須分析各關(guān)節(jié)誤差與定位精度的關(guān)系[9]。由機(jī)器人運(yùn)動學(xué)結(jié)果及微分變換法，機(jī)器人雅可比矩陣J可表示為：

(1)

式中：D=d5s4s5-(d3+d4)c4c5；E=d5s4c5+(d3+d4)c4s5；F=(d3+d4)s4；si=sinθi,ci=cosθi,θi為各關(guān)節(jié)角；di為連桿偏移量。

根據(jù)機(jī)器人雅可比矩陣，機(jī)械手位姿廣義位置矢量的微分運(yùn)動量與關(guān)節(jié)變量的微分運(yùn)動量的關(guān)系可表示為：

[dx,dy,dz,δx,δy,δz]T=J[Δθ1,Δd2,Δd3,

Δθ4,Δθ5]T

(2)

式中：δi為機(jī)械手位姿矢量的微分運(yùn)動量；Δθi為關(guān)節(jié)誤差；Δdi為連桿偏移變量微分運(yùn)動量。

由此，可得關(guān)節(jié)變量微分運(yùn)動量的最小二乘解為：

[Δθ1,Δd2,Δd3,Δθ4,Δθ5]T=(JTJ)-1JT[dx,dy,dz,δx,δy,δz]T

(3)

式(3)取范數(shù)可以解得各關(guān)節(jié)誤差與機(jī)械手精度的關(guān)系：

Δ2θ1+Δ2d2+Δ2d3+Δ2θ4+Δ2θ5≤

(4)

為了確定各關(guān)節(jié)的最大容許誤差，通過MATLAB編程計(jì)算，對式(4)所有位姿遍歷得到矩陣范數(shù)的最小值為1.068 5，即式(4)右側(cè)為0.52×1.068 52，以此確定各關(guān)節(jié)的最大容許誤差。

使用加權(quán)分配的方法進(jìn)一步求解各關(guān)節(jié)的最大容許誤差，分別得到機(jī)器人各關(guān)節(jié)權(quán)值為1,1,1,2,2，則可得Δθ1≤0.072 6，Δd2≤0.072 6，Δd3≤0.072 6，Δθ4≤0.156 3，Δθ5≤0.156 3。從而建立機(jī)械手定位精度與各關(guān)節(jié)誤差之間的關(guān)系，可知各關(guān)節(jié)的精度都在最大允許誤差范圍內(nèi)，能夠滿足供料系統(tǒng)機(jī)器人機(jī)械手運(yùn)動定位精度。

3 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

套管類零件供料系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的運(yùn)動控制及其供料系統(tǒng)輔助設(shè)備的開關(guān)量控制等[10]。其功能包括系統(tǒng)手動/自動操作、運(yùn)動路徑規(guī)劃、生產(chǎn)參數(shù)設(shè)定、各工位工裝的聯(lián)調(diào)聯(lián)控、機(jī)器人部分工作參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障報(bào)警及處理等，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，控制系統(tǒng)應(yīng)具有高的穩(wěn)定性和重復(fù)定位精度。

3.1 控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

套管零件供料系統(tǒng)控制流程如圖8所示[11]，通過對供料系統(tǒng)的功能需求和控制方法的分析，本文選擇 ARM 11處理器作為系統(tǒng)主控芯片，并根據(jù)需要添加了一些擴(kuò)展模塊，如以太網(wǎng)卡接口、串口轉(zhuǎn)接、用戶I/O擴(kuò)展接口、LCD 觸摸顯示屏、用戶按鍵等。選擇嵌入式操作系統(tǒng)Linux作為系統(tǒng)的軟件平臺[12]，并在該平臺上開發(fā)調(diào)試 SPI 設(shè)備驅(qū)動程序，以完成 CPU 與 NRF24L01 無線模塊的通信。

圖8 供料系統(tǒng)控制流程框圖

3.2 供料機(jī)器人的示教編程方案設(shè)計(jì)

根據(jù)供料系統(tǒng)機(jī)器人要完成的工作及動作順序,機(jī)器人的示教編程內(nèi)容包括:1)供料機(jī)器人的運(yùn)動規(guī)劃;2)供料機(jī)器人抓取、抓放工件的動作控制和狀態(tài)檢測；3)供料機(jī)器人與料庫臺、落料工位間的協(xié)調(diào)同步和聯(lián)鎖控制；4)與腕臂預(yù)配全線控制系統(tǒng)之間的信息交換。根據(jù)機(jī)器人示教內(nèi)容的要求，在規(guī)劃機(jī)器人的運(yùn)動軌跡和完成動作編程的同時(shí)，還必須進(jìn)行與其他設(shè)備的協(xié)調(diào)、聯(lián)鎖等邏輯控制編程。以本文研究內(nèi)容為例,滿足10組平、斜腕臂裝配任務(wù)，且每組平、斜腕臂的預(yù)配會涉及3種類型的套管零件,根據(jù)機(jī)器人抓取點(diǎn)位的分布，需要多次對機(jī)器人進(jìn)行示教和編程,如果所有的編程工作都采用在線示教方式,將占用大量的調(diào)試和生產(chǎn)時(shí)間。

針對上述情況, 本文將機(jī)器人的編程分為離線編程和在線示教兩部分[13],以此減少示教編程的工作量,降低現(xiàn)場示教內(nèi)容的復(fù)雜性。在離線編程部分完成:以數(shù)據(jù)參數(shù)化的形式規(guī)劃機(jī)器人的運(yùn)動軌跡；運(yùn)動軌跡插補(bǔ)參數(shù)的計(jì)算；機(jī)器人抓、放工件等動作的邏輯控制；供料機(jī)器人、料庫臺、落料工位間的協(xié)調(diào)、聯(lián)鎖等邏輯控制；與腕臂預(yù)配的全線控制系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，離線編程流程如圖9所示。在線示教部分完成：確定機(jī)器人運(yùn)動軌跡點(diǎn)的準(zhǔn)確位置；位置坐標(biāo)的內(nèi)存存儲和參數(shù)化運(yùn)動軌跡的參數(shù)賦值。由于機(jī)器人的運(yùn)動軌跡在示教前已經(jīng)以參數(shù)化形式在離線編程中規(guī)劃好，因此運(yùn)動軌跡的示教采用“點(diǎn)對點(diǎn)”(PTP)的方式，即只對每一段的端點(diǎn)進(jìn)行示教，而端點(diǎn)之間的連續(xù)運(yùn)動軌跡(CP)由規(guī)劃部分插補(bǔ)運(yùn)算產(chǎn)生。其主要優(yōu)點(diǎn)是： 1)只需要示教機(jī)器人的少數(shù)幾個(gè)運(yùn)動位置，示教時(shí)無需關(guān)注機(jī)器人工作內(nèi)容與其他工位之間復(fù)雜的協(xié)調(diào)聯(lián)鎖控制邏輯；2)現(xiàn)場示教不需要使用機(jī)器人運(yùn)動控制編程語言，簡單方便；3)減少示教過程占用的調(diào)試和生產(chǎn)時(shí)間。

圖9 機(jī)器人離線編程流程圖

4 結(jié)束語

本文在對鐵路接觸網(wǎng)腕臂套管零件供料工藝流程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)腕臂預(yù)配過程中套管零件自動供料系統(tǒng)的技術(shù)要求，制定了供料系統(tǒng)的總體技術(shù)方案，并對工業(yè)機(jī)器人的選型以及上、下料工位和機(jī)械手的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，為后續(xù)研究工作的開展奠定了基礎(chǔ)。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)用后可減少人力的投入，保證生產(chǎn)線精準(zhǔn)地上、下料，為后續(xù)裝配工作提供保障的同時(shí)也提高了腕臂預(yù)配生產(chǎn)的自動化程度和生產(chǎn)效率，具有較高的現(xiàn)實(shí)意義。