基于FMS串聯機器人的設計與研究

楊應洪，尹顯明，賴思琦

(1.西南科技大學制造科學與工程學院，四川綿陽621010;2.西南科技大學工程技術中心，四川綿陽621010)

柔性制造系統 (FMS)由數臺數控加工機床和相應的物流設備組成，計算機進行集成管理和控制，能夠較好地適應多品種、小批量生產的市場要求。在物流設備中，用于搬運上下工件到機床的機器人是柔性制造系統的重要組成部分，由工控機控制，并通過現場總線與FMS的總控制單元進行數據交換，接收用戶的控制和管理。某中心構建的柔性制造系統中所使用的搬運機器人為六自由度串聯機器人，可負重10 kg，具有承載能力強、控制精度高、成本低的優點。

1 柔性制造系統的總體設計

柔性制造系統由立體倉庫、輸送線、六自由度機器人、數控車床、加工中心及相應附屬設備組成，運用現場總線及開發型組態軟件等網絡通信技術，使用工業計算機作為總控制單元，對各設備進行協調控制，根據生產任務的情況進行調整，以滿足多品種、中小批量的生產要求。

系統工作前，人工將工件按照規劃好的區域送入立體倉庫貨架。由碼垛機將工件從立體倉庫取出送到取料位置，此時AGV在取料位置等待并接收工件，送至輸送線。六自由度串聯機器人從輸送線上取出工件，根據總控制單元發出的命令，送到不同的加工設備上，按照工序流程進行加工。完成加工后，再由機器人從機床上取回工件，通過輸送線、AGV和碼垛機將工件送入立體倉庫貨架。總控制單元記錄信息，完成一個工作流程，其系統結構和工作流程如圖1所示［1－2］。

圖1 系統結構及工作流程圖

2 串聯機器人的設計與控制

某中心設計的串聯機器人為六自由度，可搬運最大質量為10 kg的工件，機器人既可由專用的工控機單獨控制，也可由柔性制造系統的總控制單元進行調度。

2.1 機器人機械結構設計

串聯機器人的每個關節都是由電機、減速器、軸承及相應機械構件組成，其設計思路為根據使用的要求，采用倒退方式進行設計計算。從末端關節開始，根據上一節的計算結果判斷是否滿足要求，如果不能達到設計要求則及時更改原來參數，直到滿足要求為止，同時也為下一節的計算提供準確的數據。串聯機器人基本結構如圖2所示。

圖2 串聯機器人三維結構圖

設計計算過程如下。

(1)關節6設計過程

關節6由步進電機驅動，通過錐齒輪與諧波減速器諧波軸連接，根據負載及關節殼體零件質量等計算電機與減速器所需具體型號。根據經驗值，關節6及末端執行裝置質量不超過1.5 kg，額定負載10 kg，總體關節6受力11.5 kg，最大力臂0.05 m，設定角速度60(°)/s(π/3)，行程范圍360°，可知關節6計算結果為:

加速時間:t=360÷60÷2=3 s;

角加速度:ω=π÷3÷3=π/9;

關節6轉動慣量:11.5×0.052=0.028 75 kg·m2;

靜力矩:9.8×11.5×0.05=5.635 N·m;

加速度力矩:11.5×0.052×(π/9)=0.005 N·m;

關節6合力矩:5.635+0.005=5.64 N·m。

參照步進電機樣本手冊，選定步進電機23HS2003混合式兩相步進電機，由步進電機矩頻特性可知，步進電機轉速720 r/min，輸出扭矩約為0.42 N·m，轉動慣量0.275 kg·cm2。參照諧波減速器樣本，選定XB1-32-80型諧波減速器，諧波減速比為80，額定承受扭矩6.5 N·m。諧波減速器效率為95%，校核各參數如下:

電機減速器輸出力矩:0.42×80=33.6 N·m;

諧波減速器額定承受力矩:6.5×95%=6.175 N·m;

安全系數:6.175/5.64=1.1，滿足機器人安全要求。

(2)關節5計算過程

關節6和關節5總質量為4.0 kg，負載10 kg，中心偏置為100 mm左右，六節偏移轉軸約為250 mm，要求角速度為60(°)/s，計算時按照每關節行程時間三等分來分配加速時間求解角加速度，即加速、勻速、減速分別占時間的1/3，均為1.5 s。關節5的計算方法與關節6相同，最終合力矩為24.3 N·m。

參照步進電機和諧波減速器的樣本手冊，選定步進電機23HS2003混合式兩相步進電機，由步進電機矩頻特性可知，步進電機轉速720 r/min;輸出扭矩約為0.42 N·m，轉動慣量為0.275 kg·cm2;選定XB3-50-125型諧波減速器，諧波減速比為125，額定承受扭矩44 N·m。

(3)以此類推，可計算出各個關節的電機與減速器型號，從而完成整個串聯機器人的機械結構設計［3－5］。

2.2 機器人控制單元設計

機器人控制單元為工控機+運動控制卡形式，工控機為研祥104-1541CLDN(B)電腦，運動控制卡為MAC-3002SSP2和MAC-3002SSP4型運動控制卡，采用串聯方式，可控制機器人的6個關節的電機。

軟件控制系統采用Windows系列操作系統，包括空間學計算、關節運動、插補運動、關節示教和逆解示、機器人復位、機器人急停等模塊，其中關節示教模塊界面如圖3所示。

圖3 串聯機器人關節示教界面

操作人員在使用機器人時，先將機器人復位，再在關節示教模塊中，將機器人需要完成的抓取工件動作分解為各關節的動作，當控制關節運動到指定位置后，按下“記錄”按鈕，記錄下這個空間位置點，然后進入下一個位置，當所有點的數據記錄完畢之后，就可以將其保存為一個文本文件。而這個文件既可以在機器人控制系統中調用，也可在柔性制造系統的總控制單元中調用，使機器人按照之前設定的運動軌跡自動完成一個連續動作。

2.3 總控制單元機器人模塊設計

柔性制造系統總控制單元使用研華IPC-610H為主控機，使用組態王軟件開發前臺程序，運行平臺為Windows系列操作系統，通過現場總線采集信息，協調各分站動作［6］。

主控制計算機通過通訊模塊與機器人控制系統進行聯系，操作人員可以通過主控軟件，調度記錄了機器人不同運動軌跡的文件，其代碼如下:

控制界面如圖4所示。

圖4 串聯機器人控制界面

3 結束語

經過詳細的設計計算，串聯機器人作為FMS物流系統中的重要組成部分，能夠按照系統指令順利完成從輸送線上抓取工件放到指定機床，完成加工后，又能將工件取回的物流搬運過程。機器人結構緊湊、工作范圍大、靈活性好。在某中心的生產和教學中得到了很好的應用和發展，對設計類似的串聯型機器人具有借鑒作用。

【1】賴思琦，尹顯明，楊應洪．基于FMS的自動化輸送線設計與研究［J］．組合機床與自動化加工技術，2012(11):87－89．

【2】賴思琦，黃恒．FMS控制系統的設計與研究［J］．組合機床與自動化加工技術，2012(6):75－78．

【3】楊文棟．物流機器人方案設計及運動學、動力學研究［D］．西安:西安理工大學，2008．

【4】羅璟，趙克定，陶湘廳，等．工業機器人的控制策略探討［J］．機床與液壓，2008，36(10):95 －97，100．

【5】焦恩璋，陳美宏．6R串聯機器人雅可比矩陣求解和速度仿真［J］．機床與液壓，2010，38(9):110 －113．

【6】張俊勇．基于組態王的MPS組態監控系統的設計［J］．制造業自動化，2010(8):167－171．