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　　手持式下肢型焊機(jī)器人的開(kāi)發(fā)

　　國(guó)際性金屬加工網(wǎng)

　　先進(jìn)制造 ◇ 系列技術(shù)講座

　　1月11日13:30-17:00 2023 Ansys中國(guó)機(jī)器人行業(yè)典型研討會(huì)

沖壓是機(jī)械制造工業(yè)的基本制造手段之一，提高沖壓產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性是至關(guān)重要的。限于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的原因，我省的沖壓制造作業(yè)基本還是機(jī)械式。選用機(jī)械式，不僅沖壓組織工作量大，沖壓制造率低，沖壓產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)大；而且組織工作自然交通不便，勞動(dòng)者條件差，組織工作量大。沖壓過(guò)程中的靜電、噪音，煙塵直 接危害建筑工人的身體身心健康。隨著我省加入WTO與國(guó)際性接軌，在工業(yè)企業(yè)內(nèi)正大力推行“身心健康、安全、環(huán)?！奔础癏SE”管理，改善建筑工人在沖壓中的組織工作自然環(huán)境是非常迫切的。而選用自動(dòng)沖壓技術(shù)，是發(fā)生改變上述狀況的唯一途徑。 工業(yè)機(jī)器人作為人類肢體的外延，它能在制造人員無(wú)法操作方式的自然環(huán)境下，樂(lè)此不疲地從事艱苦的、繁重的勞動(dòng)者，使制造建筑工人擺脫危險(xiǎn)、有害的組織工作自然環(huán)境，減輕制造建筑工人的組織工作量[1]，是代替建筑工人展開(kāi)沖壓操作方式的最佳自動(dòng)化工具。全機(jī)能焊機(jī)器人由機(jī)械系統(tǒng)、掌控系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)組成如圖 1所示。目前，全機(jī)能焊機(jī)器人的廣泛采用還受到一定的限制：全機(jī)能焊機(jī)器人價(jià)格低廉，一次性投資風(fēng)險(xiǎn)大；結(jié)構(gòu)為分體結(jié)構(gòu)，體積大、重量重、不易于靈巧終端，適于在流水制造昂尚一般來(lái)說(shuō)沖壓工品樂(lè)版采用；掌控程序開(kāi)發(fā)方式多選用微創(chuàng)程式設(shè)計(jì)或機(jī)器人詞匯程式設(shè)計(jì)，由于我省制造建筑工人的知識(shí)結(jié)構(gòu)所限，還不足以掌握以微創(chuàng)程式設(shè)計(jì)或機(jī)器人詞匯程式設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)掌控程序。

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全機(jī)能焊機(jī)器人的價(jià)格、結(jié)構(gòu)和掌控程序的開(kāi)發(fā)方式，在很大程度上制約了全機(jī)能焊機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域和推展。因而，在我省目前條件下，能否在非一般來(lái)說(shuō)沖壓工位或叢林中沖壓中采用焊機(jī)器人，是一個(gè)值得探索的課題。筆者認(rèn)為：利用機(jī)電一體化技術(shù)與計(jì)算機(jī)硬體、軟件相結(jié)合，開(kāi)發(fā)價(jià)格低廉，體積小、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊型、易于靈巧終端的手持式焊機(jī)器人；以圖形仿真方式開(kāi)發(fā)掌控軟件，簡(jiǎn)化掌控軟件開(kāi)發(fā)方式，是能在非一般來(lái)說(shuō)沖壓工位或叢林中沖壓中采用焊機(jī)器人的。責(zé)任編輯如是說(shuō)的手持式焊機(jī)器人，以MC68HC908GP32 中央處理器為核心理念，以固化的掌控軟件，掌控手持式焊機(jī)器人順利完成沖壓制造作業(yè)，為焊機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域和推展，提供了有價(jià)值的參考。責(zé)任編輯對(duì)手持式焊機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、掌控系統(tǒng)硬體、掌控軟件開(kāi)發(fā)等幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題作了簡(jiǎn)要如是說(shuō)。

　　1 手持式焊機(jī)器人機(jī)械硬體

焊機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的最大特點(diǎn)是：以掌控軟件的發(fā)生改變，取代復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電機(jī)結(jié)構(gòu)的發(fā)生改變，使焊機(jī)器人順利完成焊制造作業(yè)通用化。因而，按照柔性制造的觀點(diǎn)，將焊機(jī)器人的硬體——大臂、小臂、小腿、機(jī)身連同掌控的電機(jī)硬體，以及機(jī)器人掌控器都設(shè)計(jì)、制造為機(jī)電一體組件結(jié)構(gòu)[2]。焊機(jī)器人采用用戶根據(jù)企業(yè)順利完成具體的沖壓制造作業(yè)的需要，購(gòu)買焊機(jī)器人機(jī)電一體組件，裝配成專用的手持式焊機(jī)器人，防止了SCSI自由度，使得手持式焊機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊型、體積小、價(jià)格低廉，易于靈巧終端。圖2是選用機(jī)電一體化組件裝配的手持式焊機(jī)器人樣機(jī)。

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　　2 手持式焊機(jī)器人掌控硬體

　　為適應(yīng)環(huán)境選用機(jī)電一體化組件，以搭“積木”的方式裝配成各種手持式焊機(jī)器人，手持式焊機(jī)器人掌控硬體選用中央處理器為掌控核心理念，很顯然，為適應(yīng)環(huán)境增、減機(jī)電一體組件擴(kuò)充手持式焊機(jī)器人機(jī)能的需要，掌控系統(tǒng)硬體須要具有可擴(kuò)充性，這包括：

a、中央處理器提供非常多的I/O路由器，不擴(kuò)充可程式設(shè)計(jì)SCSI接口，就能“季莫菲”數(shù)個(gè)臂體組件，同時(shí)驅(qū)動(dòng)力數(shù)個(gè)臂體組件，并預(yù)留I/O路由器，易于手持式機(jī)器人機(jī)能擴(kuò)充（擴(kuò)充成手持式檢測(cè)機(jī)器人等）

　　b、機(jī)電一體化臂體組件的繼電器嵌入在臂體內(nèi)，中央處理器須要具有大容量的片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器和RAM，能不外擴(kuò)充存儲(chǔ)器，以利縮小繼電器的體積。

　　手持式焊機(jī)器人掌控系統(tǒng)核心理念MC68HC908GP32 中央處理器芯片可組成5個(gè)I/O路由器，用3個(gè)路由器對(duì)3個(gè)臂體組件展開(kāi)掌控，一個(gè)I/O路由器掌控小腿直流電機(jī)，一個(gè)I/O路由器掌控小腿TNUMBERFK電機(jī)。

　　3 手持式焊機(jī)器人掌控原理

沖壓制造中，透過(guò)方向規(guī)劃，焊機(jī)器人順利完成沖壓制造作業(yè)任務(wù)多數(shù)是按順序展開(kāi)的，而且順利完成焊制造作業(yè)的體育運(yùn)動(dòng)軌跡一般是已知的，或者體育運(yùn)動(dòng)軌跡科紫萁為多種單個(gè)體育運(yùn)動(dòng)軌跡的組合，能透過(guò)對(duì)各單個(gè)體育運(yùn)動(dòng)軌跡掌控而合成給定的體育運(yùn)動(dòng)軌跡。因而，能透過(guò)建立微積分模型，用微積分方法求解焊機(jī)器人體育運(yùn)動(dòng)逆解，把焊機(jī)器人順利完成沖壓制造作業(yè)的體育運(yùn)動(dòng)和方向，轉(zhuǎn)化為“預(yù)定”的軌跡和姿態(tài)，以app程式設(shè)計(jì)方式開(kāi)發(fā)出掌控程序，掌控焊機(jī)器人體育運(yùn)動(dòng)時(shí)再作實(shí)時(shí)補(bǔ)償。這樣的掌控方式，防止了全機(jī)能焊機(jī)器人選用實(shí)時(shí)采樣、實(shí)時(shí)計(jì)算對(duì)計(jì)算機(jī)性能的高要求，使得能選用低成本掌控系統(tǒng)掌控焊機(jī)器人，使焊機(jī)器人價(jià)格大幅度下降。

　　選用機(jī)電一體化的臂體組件，以搭“積木”方式裝配的手持式機(jī)器人，順利完成沖壓制造作業(yè)時(shí)，對(duì)沖壓工具的位置和姿態(tài)的掌控，其實(shí)質(zhì)上就是對(duì)TNUMBERFK電機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度的協(xié)調(diào)掌控，由TNUMBERFK電機(jī)基本原理和公式：

　　θ＝360/Z

式中：θ-步距角　　Z-步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)

　　可知，每輸入一個(gè)驅(qū)動(dòng)力脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)軸TNUMBERFK一個(gè)步距角增量，因而：

　　a、TNUMBERFK電機(jī)轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)角度與輸入的脈沖數(shù)成正比；

　　b、TNUMBERFK電機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定于輸入脈沖的頻率。

　　TNUMBERFK電機(jī)能將輸入脈沖轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)體育運(yùn)動(dòng)，它本身所特有的高精度、無(wú)漂移、無(wú)累計(jì)誤差等優(yōu)點(diǎn)，使它成為電機(jī)一體化產(chǎn)品中，唯一能采用開(kāi)環(huán)掌控技術(shù)的伺服和執(zhí)行元件。很顯然，對(duì)手持式焊機(jī)器人的體育運(yùn)動(dòng)掌控，就是對(duì)TNUMBERFK電機(jī)輸入脈沖數(shù)量和脈沖頻率的協(xié)調(diào)掌控。

　　4 手持式機(jī)器人掌控軟件開(kāi)發(fā)

機(jī)器人掌控軟件的開(kāi)發(fā)方式，直接制約著機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域和推展，快速、簡(jiǎn)便的開(kāi)發(fā)方式不僅促進(jìn)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域和推展，而且直接決定機(jī)器人順利完成制造作業(yè)的柔性。手持式焊機(jī)器人是面向制造工人作為智能工具采用，必須簡(jiǎn)化掌控軟件開(kāi)發(fā)方法。

為滿足實(shí)時(shí)掌控的要求，選用匯編詞匯程式設(shè)計(jì)；為適應(yīng)環(huán)境手持式焊機(jī)器人結(jié)構(gòu)發(fā)生改變或制造作業(yè)工藝改進(jìn)后，快速開(kāi)發(fā)掌控程序的需要，以Visual Basic詞匯開(kāi)發(fā)了“手持式機(jī)器人CAD系統(tǒng)”軟件，使掌控軟件的開(kāi)發(fā)在“手持式機(jī)器人CAD系統(tǒng)”支持下展開(kāi)[3]，開(kāi)發(fā)界面如圖 3所示。在可視化的人機(jī)界面輸入各組件的有關(guān)參數(shù)，反復(fù)調(diào)用各級(jí)菜單，優(yōu)化焊機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)；直觀地觀察、比較機(jī)器人仿真圖形和計(jì)算的各類數(shù)據(jù)；以圖形仿真方式，仿真焊機(jī)器人的制造作業(yè)體育運(yùn)動(dòng)和軌跡，在圖形仿真的同時(shí)自動(dòng)順利完成掌控程序設(shè)計(jì)，下載到機(jī)器人掌控器內(nèi)，以此簡(jiǎn)化掌控程序的開(kāi)發(fā)。在“手持式機(jī)器人CAD系統(tǒng)”支持下開(kāi)發(fā)掌控程序，只需用鼠標(biāo)點(diǎn)擊相應(yīng)的菜單，而所有涉及機(jī)器人插補(bǔ)算法、逆向體育運(yùn)動(dòng)學(xué)算法等機(jī)器人專業(yè)知識(shí)和技術(shù)，都由“手持式機(jī)器人CAD系統(tǒng)”軟件處理。這種圖形仿真開(kāi)發(fā)掌控軟件的方式，使手持式焊機(jī)器人能適應(yīng)環(huán)境多種沖壓制造作業(yè)，使沖壓制造作業(yè)通用化。以圖形仿真方式開(kāi)發(fā)掌控軟件，就如同采用Windows圖形界面操作方式微型計(jì)算機(jī)一樣，使不熟悉機(jī)器人硬體的人，能迅速、簡(jiǎn)便地開(kāi)發(fā)出機(jī)器人掌控軟件，促進(jìn)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域和推展。

　　手持式焊機(jī)器人掌控系統(tǒng)上電復(fù)位后，固化的掌控軟件開(kāi)始運(yùn)行，系統(tǒng)初始化后：

a、掌控軟件讀取大臂、小臂、小腿的轉(zhuǎn)動(dòng)角度值，計(jì)算后調(diào)用TNUMBERFK電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速子程序，向相應(yīng)I/O路由器輸出連續(xù)的系列脈沖信號(hào)，掌控大臂、小臂、小腿轉(zhuǎn)動(dòng)；

　　b、掌控軟件讀入采集的標(biāo)征作業(yè)狀態(tài)的數(shù)值，并將數(shù)值與從指定地址讀取的目標(biāo)值展開(kāi)比較，依據(jù)差值調(diào)用大臂、小臂、小腿位置、姿態(tài)補(bǔ)償子程序，對(duì)大臂、小臂、小腿的轉(zhuǎn)動(dòng)展開(kāi)補(bǔ)償；

　　c、由于外界干擾，手持式焊機(jī)器人的沖壓工具偏離或遠(yuǎn)離預(yù)定軌跡時(shí)，掌控軟件讀入采集的標(biāo)征作業(yè)狀態(tài)的數(shù)值，并將數(shù)值與從指定地址讀取的目標(biāo)值展開(kāi)比較，依據(jù)差值調(diào)用大臂、小臂、小腿加、減速補(bǔ)償子程序，對(duì)大臂、小臂、小腿展開(kāi)加減速補(bǔ)償。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

依托MC68HC908GP32 中央處理器芯片的高性能，開(kāi)發(fā)了價(jià)格低廉，體積小、體積小、易于靈巧終端，掌控軟件開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)便的手持式焊機(jī)器人。透過(guò)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)表明，手持式焊機(jī)器人的體育運(yùn)動(dòng)機(jī)能和掌控精度，滿足了電焊自動(dòng)沖壓要求。而該機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊型，體積小，易于攜帶和靈巧終端，一機(jī)多用，具有可開(kāi)發(fā)性，開(kāi)發(fā)掌控軟件簡(jiǎn)便，且制造成本低廉，實(shí)質(zhì)上使該機(jī)成了一個(gè)靈巧的自動(dòng)沖壓工具。在操作方式建筑工人的操作方式下展開(kāi)沖壓機(jī)型機(jī)能組合，掌控程序開(kāi)發(fā)，自動(dòng)沖壓前定位“清零”等組織工作。使該機(jī)只是代替人去順利完成繁重的、有害的沖壓操作方式，去提高沖壓產(chǎn)品質(zhì)量，而不是完全代替人的勞動(dòng)者。在我省這樣一個(gè)人口眾多的國(guó)家，降低制造作業(yè)組織工作量，提高制造作業(yè)組織工作產(chǎn)品質(zhì)量，是實(shí)施自動(dòng)化的宗旨，也是開(kāi)發(fā)手持式焊機(jī)器人的指導(dǎo)思想。

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