工业机器人机械本体模块化设计

摘要：随着我国科学技术不断发展，在“中国制造2025”的背景下，社会也加强了对智能制造、自动化装备产业的关注度，传统的硬性生产线形式逐渐朝向柔性生产线方向发展，自动化生产逐渐向智能化方向发展。基于此，本文首先探究工业机器人、柔性生产线理念，提出柔性生产线工作原理，进而提出工业机器人的“智能制造”柔性生产线设计方案。

关键词：机器人；模块化设计；标准接口

1 引言

工业革命的兴起，使得比较单一的人类劳动逐渐被各种各样的机械设备代替，进而推动了人类社会向前发展，同时也为人类社会创造出巨大的经济利益。随着工业4.0的到来，机械加工技术、工业机器人技术、机电一体化技术交叉结合，进一步提高了生产效率和机械利用率，为各行各业的发展起到了极大的推动作用。工业机器人可以代替人类进行一些繁重、劳动强度较大的工作，还可以在工作环境比较恶劣、比较危险的地方。工业机器人作为一种集多先进技术于一体的自动化装备，体现了现代工业技术的高效益、软硬件结合等特点，成为柔性制造系统、自动化工厂、计算机集成制造系统等现代化制造系统的重要组成部分。目前，工业机器人具有柔性好、自动化程度高、可编程性、通用性等特点，已经广泛运用到工业加工制造的各个方面。 2 工业机器人

工业机器人是面向工业领域的一种多关节机械手、多自由度的机械装置，它可以根据软件编程实现相应的动作，依靠自身的控制力、动力实现工业生产的一种机器设备。如今很多工业机器人可以接收人类指令，并结合实现编排的程序作出反馈，新时期的工业机器人还可以融入人工智能技术针对性制定动作和信息反馈形式。机器人控制系统作为机器人的大脑，也是决定机器人操作功能、性能的基础。工业机器人控制技术的核心任务就是在工作领域中的运行位置、操作流程、运行姿态与轨迹、动作时间等。当代人工机器人具有软件菜单操作、自主编程、人机交互界面、在线操作提示等功能。 3 关键技术

3.1 开放式硬件系统

采用开放式CPU计算模块，分为示教器、控制器、光电耦合单元、PLC控制单元等。示教器和控制器通过串口总线进行通讯，控制单元和PLC控制单元用来规划机器人运动路径、姿态、补偿等环节。 3.2 开放式软件系统

完善的软件系统是衡量一套机器人系统能够工作的前提。通用的软件系统都是基于Linux，采用开放式和模块式设计，根据不同的功能要求，将软件系统分为驱动层、核心层和应用层。 3.3 机器人故障自诊断系统

通过设定代码的方式，机器人系统根据反馈回来的信息以代码的形式显示出来，提示操作者进行相关的维护。

4 工业机器人模块化参数化设计的实现 4.1 生产线总体布局

以生产流程为主，充分考虑满足产品多样性需求、节省劳动力，对整个柔性

生产线设计方案进行优化和改善，并提出柔性生产线的总结构模型。对于“智能制造”柔性生产线来说，如果采用上述流程，需要有2台车床、2台加工中心、工业机器人、行走导轨、自动上料设备、下料传输线、中转台等硬件设施。以及视觉系统、设备控制系统、机器人控制系统等软件支持。在行走轨道上安装工业机器人，轨道铺设在4台数控机床与加工中心中，主要是负责取工件、上下料、放料等工作。

4.2 硬件设计

整个系统外围设备较多，需要与中频炉、去氧化皮机、5000t主压机、500t切边机以及可控冷却线共5个设备厂家的设备进行信号交换，信号逻辑复杂且主控制系统需要处理6台机器人的系统信号。因此，在此采用三菱Q02PLC作为主控CPU，三菱GS2110-WTBD触摸屏作为人机界面，配置QX40和QY40P作为与外围设备信号交换的输入输出模块，配置QJ61BT11N通讯模块与机器人进行CC-Link数据通讯，为了方便以后的扩展，配置QJ71E71以太网模块，为MES系统留有以太网接口。

4.3 手爪控制设计

锻造机器人搬运系统主要针对高温棒料，温度高达1000℃，这就需要机器人手爪的耐高温性能比较好，在结构设计中需要充分考虑到气缸的隔热和耐高温。机器人在搬运热工件时不能长时间地接触热源，有时候还必须加手爪的沾水动作来进行有效降温。此外，机器人手爪在设计时采取了防空抓、防放错措施。机器人手爪上采用的气缸带有磁性开关，在手爪没有抓到工件时可以发出空抓信号；机器人调试完成后发生错放的概率极低，万一发生错放，机器人检测到工件与模具之间的硬性碰撞便会紧急停机，并发出警报。机器人手爪只需要控制一个气缸，这里采用中封式的三位五通电磁阀，在断电后不会导致工件脱离手爪。所有手爪信号通过机器人第三轴的ＥＥ口来连接，主要包括手爪开关控制、气体隔热保护、手爪断裂检测、空气压力异常等安全信号。 4.4 自动上料机构

该系统主要是负责毛坯自动上料，主要是由取料机构、回转上料机构构成。其中，回转上料结构回转工作台主要是凭借伺服电机、减速齿轮转动带动运行，上方总共设置了8个工位，将导柱插入到工位上，可以一次性穿过18个零件。取料机构主要是凭借伺服电机、滚珠丝杆实现上下平移，将取料台安装在丝杆螺母副上。取料台手指设施通过气缸压缩控制，可以实现前后收缩运动。再者，每个取料台上方都安装了摄像头系统，主要是负责定位取料位置，确保定位精度。在系统运行当中，在回转上料结构回转工作台上，将导柱旋转到指定的取料工作位置后，取料机构取料台向下移动到标准的取料高度，此时手指在气缸带动下伸出穿越工件，取料台再向上运行即可在导柱上取出工件，完成整个上料环节。整个流程中，摄像头系统会判定工件摆放位置和取料位置进行对比分析，将两个位置信息的偏差存储到数据库中。外部设备获取数据库中的误差信息后，即可将误差数据传递给机器人，这样即可修正机器人的取料精度，按照编程顺序将工件固定在机床上进行切削加工。 4.5 伺服电机调试

伺服驱动器调试完毕后，接下来进行伺服电机的调试：第一步，先将限位力矩调节至最小；第二步，接通使能，观察伺服电机是否运行正常，是否存在顺时针、逆时针来回旋转摆动的现象，如果没有出现这种情况，需要重新调整Pn191；第三步，在重新调整Pn191后，待伺服电机出现顺时、逆时来回摆动旋转的运转

情况时，然后继续调整Pn190，直至伺服电机停止后，手动操作旋转轴，观察顺时、逆时旋转时是否有限位，若还没有调节出上述现象，可调整方向盘旋转角度进行多次测试直至限位正常。需要说明的是在步骤三中如果伺服电机转轴正反旋转到一定角度后出现顺同一方向旋转，也需要重新调整Pn191。限位正常后，即可在电脑上启动模拟驾驶程序测试进行模拟驾驶，力反馈信息会通过模拟驾驶程序经上述系统传递至方向盘。 5 结束语

本文提出了一种工业机器人模块化设计方法。经验证，这种工业机器人设计方法切实可行，对其他机器人的模块化设计也具有一定的借鉴作用。 参考文献：

[1]赵源.当前工业机器人应用中的机械结构设计方法分析[J].现代制造技术与装备，2018（12）：32-33.

[2]郑会翔.当前工业机器人应用中的机械结构设计方法分析[J].南方农机，2018，49（16）：43.

[3]邓君，李川，白云.串联工业机器人机械臂的模块化组合式设计方法[J].科学技术与工程，2018，18（22）：66-71.

[4]赵冠楠. 工业机器人机械本体模块化设计及其部分软件的开发[D].燕山大学，2018.