兩軸四臂工業機器人應用研究

陳公興，陳吹信，陳朝大

（廣東技術師范學院 天河學院電氣與電子工程學院，廣州 510540）

機器人技術

兩軸四臂工業機器人應用研究

陳公興，陳吹信，陳朝大

（廣東技術師范學院 天河學院電氣與電子工程學院，廣州 510540）

建立兩軸四臂工業機器人的數學模型，推導機器人齊次坐標變換的動力學方程，從而算出操作臂位置、速度和加速度。根據現場工藝的要求，構建機器人控制系統，設計升降軸和旋轉軸的主控電路，通過編程實現機器人間的通信和定位控制四個操作臂準確地取料放料的整個過程。該工業機器人采用先進的控制技術，控制位置精準，能解決人工不能準確定位的問題，速度快，大大節約了設備成本，提高了企業生產效率，提高了企業的利潤。

兩軸四臂；工業機器人；定位控制

0 引言

隨著現代制造技術的發展，沖壓技術也向高速化、自動化、柔性化方向發展。在沖壓生產中，采用機器人代替人工操作，構成自動化生產單元或組成柔性自動化生產線，是進行高速、高效、高質量沖壓生產的一種有效方法，也是現代沖壓生產技術的重要發展方向之一。所以，研究使用兩軸四臂工業機器人可以很好地應對這些挑戰，有著十分重要的意義。和計算機、網絡技術一樣，工業機器人的廣泛應用正在日益改變著人類的生產和生活方式。它能取代人工在各個沖壓工位上進行物料沖壓、搬運、上下料等工作，并且在節約人力勞動成本，提高人工及設備安全性和生產效率，保持產品產量、 質量和工藝穩定性等方面具有極大的優勢。對圓形板材進行沖壓、鉆孔變形等場合尤其適用；機械行業中的熱處理、電鍍、噴漆、裝備，自動化生產線中用機械手來回搬運材料；危險場合中的物料抓取等。總之，廣泛應用于機械加工、貨物搬運、生物科技、先進制造技術等領域。

1 工業機器人操作臂的數學建模

該工業機器人有升降軸、旋轉軸等兩個軸和四個臂，主要由滑軌、絲桿、減速機、同步輪，本體和伺服控制系統組成，如圖1所示。它的驅動裝置采用交流伺服電機與諧波減速器的組合。機械部分除機架外，主要部件均由鋁合金型材制作，具有重量輕、機身小巧等特點。

圖1 兩軸四臂工業機器人模型

為了知道兩軸四臂工業機器人操作臂的運動位置、速度、加速度和加速度，對它的動力學進行建模。該機器人自由度n為2，i=1，2，…，n。

機器人操作臂的總動能：

Ki為操作臂i的動能，Ji為操作臂i上的各點慣量。

機器人操作臂的總勢能：

Pi為操作臂i的勢能，mi為操作臂i的質量，g=(gx,gy,gz,0)是在基座坐標系表示的重力行矢量，0Ai為聯系第i坐標系和基座坐標系間的齊次坐標變換矩陣。是操作臂i的質心矢量在操作臂i坐標系中的坐標。

根據機器人操作臂的動能和勢能表達式，可得到機器人操作臂的拉格朗日函數為：

2 工業機器人控制系統及工作原理

工業機器人的手臂的驅動裝置是一個為了跟蹤目標值對手臂當前運動狀態進行反饋構成的伺服驅動系統，通過控制系統檢測各軸的當前位置以及速度，將它們作為反饋信號，間接地決定各軸的驅動力，如圖2所示。

圖2 機器人手臂控制系統的組成

兩軸四臂工業機器人的主要技術參數如表1所示。

表1 兩軸四臂工業機器人主要技術參數

該機器人主要技術參數如表1所示，針對沖壓件特點設計，該機為兩軸四臂設計，臂長可調，z軸上下調整高度，y軸以45°的倍數旋轉等功能。機器人的臂部是運動關節，有很高的定位精度要求，采用伺服電機絲杠機構，由絲桿把旋轉運動變換為直線移動，使機械手在升降導軌滑塊上升降移動。水平四臂機構在伺服電機與諧波減速器的共同作用下作水平方向旋轉運動。它最適合在送料臺和沖床之間上下工序取放料使用，可用于流水線生產，也可單臺使用，造價比現有四軸機低。

根據現場工藝的控制要求，設計兩軸四臂工業機器人主控電路如圖3所示。以PLC為控制核心，對機器人進行編程、調試，通過觸摸屏的操作來控制兩軸四臂工業機器人完成快速、穩定搬運物料任務，實現水平旋轉和升降功能。機器人電氣系統采用5個接近開關作為位置檢測信號，從而實現準確定位。為了保證抓取工件和安全釋放工件時，通過電磁鐵的吸力將待提升物吸牢，即可開始搬送待提升物。當待提升物搬送到目的地時，釋放電磁鐵就可脫離待提升物。機器人手臂放料完成退回放料待機點后會控制沖床沖壓，運行工作流程如圖4所示。

3 工業機器人上間的通信和實現

為了實現工業機器人間的通信，通過以下編程可以設定RS485通訊協議、通訊時間異常、ASCII/RTU模式選擇和8位處理器模式，可以同送料臺配合使用，完成一條生產線的上工位送料完成信號和下工位取料完畢信號，精確地控制機器人運行，完成取料、加工和放料的任務。

圖3 兩軸四臂工業機器人主控電路

圖4 工業機器人運行工作流程圖

該工業機器人完成對圓形板材的沖壓。為方便說明，定為A、B、C、D四臂，人工把需要加工的圓形鋼板放在送料機指定的柱槽中，在異步電機的作用下，鋼板向上移動到一定的位置，然后停下來，A臂旋轉過來取料，接著把該料放入沖床，再旋轉45°，發出沖床啟動信號，沖床向下沖壓板材，完成后，由相鄰的B臂旋轉至沖床取料，與此同時， C臂在送料機上取料，完成后，旋轉90°，B臂把沖壓好的物料放入裝料框，C臂剛好把物料旋轉到沖床并放入，再旋轉45°，發出沖床啟動信號，沖床又一次對物料沖壓，完成后，最后的D臂旋轉到沖床取料，同時A臂在送料機上取料。當送料機上的物料被取走時，剩下的物料自動上升，直到全部取完為止，進入送料臺另一邊取料，循環往復。

4 結論

本文提出了一種基于智能生產線的復雜運動下的兩軸四臂工業機器人。根據現場工藝要求，對該機器人進行建立數學模型，從而改進和設計機器人的四臂長度、臂連接體結構和機器人本體，以優化它們之間融合度和柔韌性，提高生產率，滿足生產線的實際需求。通過臺達PLC編程，設置機器人之間的通信協議，編寫上下旋轉運動、抓取、搬運和釋放等控制程序，加以配合沖床，已完成和實現一條生產線機器人的智能控制。在技術研究和產品測試中，兩軸四臂工業機器人有著十分重要的應用價值和市場價值。

[1] 陳公興.工業機器人人機界面與示教編程[M].華南理工大學,2016.

[2] 牛宗賓.工業機器人交流伺服驅動系統設計[D].哈爾濱工業大學,2013.

[3] 華磊.一種六軸工業機器人及多軸聯動控制系統的研究[D].華南理工大學,2014.

Application research of two-axis and four-arm industrial robots

CHEN Gong-xing, CHEN Chui-xin, CHEN Chao-da

TP2

A

1009-0134(2017)04-0001-03

2016-12-29

2015年廣東高校省級重點平臺和重大科研項目：兩軸四臂工業機器人應用研究（2015KQNCX237）

陳公興（1981 -），男，廣東湛江人，碩士研究生，研究方向為機器人研發及工業機器人的先進技術。