五軸工業(yè)機(jī)器人在機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

沈 剛, 李 翔, 李 戈, 臧萬順

(中國礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 江蘇 徐州 222116)

機(jī)械行業(yè)與自動(dòng)化技術(shù)結(jié)合越來越普遍,自動(dòng)化生產(chǎn)線已成為行業(yè)的主流[1]。機(jī)械設(shè)計(jì)、可編程控制器、電機(jī)拖動(dòng)技術(shù)和測試技術(shù)等均為機(jī)械自動(dòng)化專業(yè)的基礎(chǔ)課程,理論性和實(shí)踐性很強(qiáng)。傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐中的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容,如金工實(shí)習(xí)、電工實(shí)習(xí),理論性較強(qiáng),學(xué)科聯(lián)系少,不能將傳統(tǒng)機(jī)械與自動(dòng)化技術(shù)系統(tǒng)結(jié)合,因而很難滿足社會(huì)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)人才的要求,也滿足不了新時(shí)期卓越工程師計(jì)劃對(duì)機(jī)械專業(yè)畢業(yè)生的要求[2]。

工業(yè)機(jī)器人作為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè),在我國工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展中起著重要的作用[3]。五軸工業(yè)機(jī)器人以機(jī)械自動(dòng)化專業(yè)理論為基礎(chǔ),結(jié)合沖壓行業(yè)實(shí)踐需求,將機(jī)械自動(dòng)化專業(yè)的機(jī)械設(shè)計(jì)、電機(jī)拖動(dòng)技術(shù)、可編程邏輯控制器、測試技術(shù)等課程的理論知識(shí)系統(tǒng)地結(jié)合在一起,鍛煉了學(xué)生理論與實(shí)踐結(jié)合能力,對(duì)于改善機(jī)械自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)質(zhì)量,為卓越計(jì)劃背景下工科院校實(shí)現(xiàn)教學(xué)和實(shí)踐綜合改革和創(chuàng)新提供了新思路[4]。

1 五軸工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理

五軸工業(yè)機(jī)器人包括機(jī)械部分和控制系統(tǒng)。該機(jī)器人采用圓柱坐標(biāo)式[5-6],實(shí)現(xiàn)五軸運(yùn)動(dòng)。機(jī)械部分包括手臂、升降部分、回轉(zhuǎn)部分和底座,其結(jié)構(gòu)見圖1。機(jī)器人由五臺(tái)伺服電機(jī)(以下簡稱電機(jī))驅(qū)動(dòng),電機(jī)由控制系統(tǒng)控制。電機(jī)M1驅(qū)動(dòng)擺臂運(yùn)動(dòng),電機(jī)M2帶動(dòng)滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)手臂上下運(yùn)動(dòng),電機(jī)M3驅(qū)動(dòng)手臂旋轉(zhuǎn),電機(jī)M4驅(qū)動(dòng)手臂伸縮,電機(jī)M5驅(qū)動(dòng)手指轉(zhuǎn)接盤旋轉(zhuǎn)。圖2為研制樣機(jī)實(shí)物圖。

圖1 五軸工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 五軸工業(yè)機(jī)器人樣機(jī)實(shí)物圖

2 五軸工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)

2.1 硬件組成

控制系統(tǒng)以可編程邏輯控制器為基礎(chǔ),選用三菱FX3U為PLC主控單元,配合三菱FX2N-1PG定位模塊。上位機(jī)選用三菱GS系列觸摸屏,實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。圖3為控制系統(tǒng)的原理圖。PLC抗干擾能力強(qiáng),可靠性高[7]。三菱FX3U可編程控制器內(nèi)置了64 KB的內(nèi)存,高速處理速度可達(dá)到0.065 μs/基本指令,達(dá)到業(yè)內(nèi)最高水平。最大輸入輸出點(diǎn)數(shù)可達(dá)到384個(gè)[8]。FX2N-1PG是定位控制型脈沖輸出模塊。設(shè)備及材料見表1。

圖3 控制系統(tǒng)原理圖

名稱數(shù)量三菱FX3U11PG模塊524V直流電源2歐姆龍MY2J繼電器若干三菱觸摸屏GS2110-WTBD1光電開關(guān)若干空氣開關(guān)1機(jī)械本體加工零件若干滾珠絲杠2直線導(dǎo)軌2報(bào)警燈1封緊紙若干電纜若干同步帶1同步帶輪2

2.2 程序設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)器人工作軌跡需要,設(shè)計(jì)多套路徑,開機(jī)后在觸摸屏中選擇,被選路徑的具體距離由示教確定。圖4是五軸工業(yè)機(jī)器人的程序流程圖。機(jī)械手開機(jī)后可選擇更改程序,更改程序后須回到初始原點(diǎn),回原點(diǎn)后可進(jìn)行示教操作。如果不更改程序,繼續(xù)運(yùn)行以前選擇的程序,只需回原點(diǎn)后即可進(jìn)入主操作頁面。為保證運(yùn)行準(zhǔn)確性和安全性,系統(tǒng)默認(rèn)重新上電后必須進(jìn)行回原點(diǎn)操作,且重新選擇程序后必須示教,否則機(jī)器人無法運(yùn)動(dòng)。通過上位機(jī)進(jìn)行速度、加減速時(shí)間等參數(shù)的調(diào)整,系統(tǒng)實(shí)時(shí)校驗(yàn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。如果超過安全值，系統(tǒng)報(bào)警,機(jī)器人處于急停狀態(tài)無法運(yùn)動(dòng)。如果參數(shù)正常,機(jī)器人的示教完成后可選擇單步或單周期運(yùn)動(dòng)來驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)軌跡是否合理。運(yùn)行中PLC配合1PG模塊控制5個(gè)伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)各軸順序運(yùn)動(dòng)。

圖4 程序流程圖

圖5為單步的邏輯示意圖。PLC內(nèi)部指令M8040順序指令傳送禁止,指令M8041順序指令傳送開始,通過2個(gè)指令的切換實(shí)現(xiàn)單步和連續(xù)運(yùn)動(dòng)[9]。圖6為單周期和聯(lián)動(dòng)邏輯示意圖。程序運(yùn)行到最后一步時(shí),檢測現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)模式,如果是單周期模式,程序?qū)沃芷跇?biāo)志位復(fù)位,程序運(yùn)行完最后一步停止。如果是聯(lián)動(dòng)模式,系統(tǒng)將聯(lián)動(dòng)標(biāo)志位置位,程序繼續(xù)運(yùn)行。

圖5 單步邏輯示意圖

圖6 連動(dòng)和單周期邏輯示意圖

電機(jī)的運(yùn)動(dòng)靠1PG模塊發(fā)送的脈沖控制,電機(jī)選擇位置控制模式,并且為絕對(duì)控制方式。示教時(shí)FX3U中的高速計(jì)數(shù)器記錄電機(jī)接收的脈沖數(shù),示教完成后將脈沖數(shù)寫入寄存器中(該寄存器具有斷電保持功能),啟動(dòng)后,PLC通過1PG模塊發(fā)送對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖,復(fù)現(xiàn)示教動(dòng)作。電機(jī)運(yùn)行的加減速時(shí)間可通過觸摸屏設(shè)置,1PG定位模塊根據(jù)運(yùn)行速度、總脈沖數(shù)、加減速時(shí)間規(guī)劃脈沖發(fā)送速度。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收脈沖后,規(guī)劃電機(jī)運(yùn)動(dòng),同時(shí)與伺服電機(jī)編碼盤反饋信號(hào)對(duì)比,保證定位精度。

2.3 上位機(jī)

圖7是主操作頁面,上位機(jī)選用三菱GS2110人機(jī)界面,通過GT Works3編輯程序。該觸摸屏內(nèi)置RS-232和RS-422接口,支持SD存儲(chǔ)卡,實(shí)現(xiàn)與GOT Simple連接的FA設(shè)備的數(shù)據(jù)一元化管理,操作簡單,穩(wěn)定性好[10]。人機(jī)界面通過串口方式與FX3U可編程控制器通信。機(jī)器人除電源、急停、啟動(dòng)按鈕外，其他控制按鈕全部集中于觸摸屏。上位機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)程序選擇、參數(shù)設(shè)定、主控指令和示教功能。根據(jù)操作者身份和數(shù)據(jù)性質(zhì),將操作界面分為3層,分別加密保護(hù),通過密碼管理實(shí)現(xiàn)安全性及防止誤操作。

圖7 主操作頁面

2.4 與沖床聯(lián)接

實(shí)際使用中與沖床配合,機(jī)械手需要輸入沖床的異常、急停信號(hào),輸出沖床啟動(dòng)、機(jī)器人異常和電磁閥啟動(dòng)信號(hào)。實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)沖床的控制,保證機(jī)器人和沖床的安全性。

3 五軸機(jī)器人調(diào)試結(jié)果

實(shí)際測試得到的各電機(jī)的速度見表2。在實(shí)際的搬運(yùn)測試中效率可達(dá)到13.95次/min,具有較高的效率,電機(jī)可達(dá)到較高的位置精度。

表2 電機(jī)速度測試

4 結(jié)語

本文實(shí)現(xiàn)了五軸工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng),實(shí)際測試表明，達(dá)到了較高的效率和準(zhǔn)確性。該教學(xué)實(shí)驗(yàn)屬綜合性實(shí)驗(yàn)[11],在機(jī)器人的研發(fā)過程中,鞏固了學(xué)生的機(jī)械設(shè)計(jì)、電機(jī)拖動(dòng)和可編程邏輯控制器等理論知識(shí),將機(jī)械、電子、氣動(dòng)等學(xué)科系統(tǒng)地結(jié)合在一起,為機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新設(shè)備，有助于推行“卓越計(jì)劃”[12],提高學(xué)生工程實(shí)踐能力。

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