搬运机器人技术论文

目前,随着自动化技术的不断发展和应用的广泛普及,工业机器人已在搬运、焊接、包装、喷绘等领域替代了传统的人力。这是学习啦小编为大家整理的搬运机器人技术论文，仅供参考!

搬运机器人伺服系统的设计研究篇一

摘 要：搬运机器人的伺服系统，目前普遍应用的是以级次掌控、总线讯息、交流程控、数值信息加工、内部结构保护等为主要内容的智能化的数字信息控制手段，不仅确保了伺服系统的安全、高效运行，而且实现了精准、高速、稳定的良好性能。本文对搬运机器人伺服系统的技术质量控制和级次管理进行了分析，并且全面地阐述了定位系统、速率环比、技术参数和设施保护等应当把握的重点内容，对提高伺服系统的控制技术，具有一定的参考价值。

关键词：搬运机器人;伺服系统;设计研究

引言

搬运机器人达到精准、科学的轨迹运行是实现伺服技术功能目标定位的重要保障。目前在搬运机器人伺服系统的应用前景上分析，伴随着机器人在各个领域、各个行业越来越广泛的推广应用，其所从事的工作事项越来越具有很强的技术难度，这就给伺服技术的安全、高效、稳定、科学、动感等性能的发挥带来了很高的要求。同时，随着数字化信息技术普及程度的日益广泛，特别是DSP等技术方法的不断推陈出新，给机器人伺服技术的变革带来了巨大的发展空间，也使得这种伺服系统日益探索应用了许多的新技术和新方法，比如建立交流程控、数值加工等，不仅使得机器人伺服系统满足了高速、精确的目标要求，而且越来越能够独立承担非常复杂的各种任务。

本文结合南方某省的搬运机器人为例，围绕机器人的稳定、精准、防干扰性能，科学地分析阐述了伺服技术的技术特性和研发思路，并对数字信息处理等技术方法的应用推广和设计理念、设施保护等内容进行了探究。

1 搬运机器人伺服系统的级次控制思路和技术标准

该省设计研发这种搬运机器人主要是为了适应浇筑施工环节的技术要求，并且充分考虑到这种机器人的通用效果。所以在设计的时候，将其打造为了固定变量取值为6的现代化机器人，并设计了包括上臂摇动、下臂摇动、腰间回环、手腕摇动、手腕回旋、下臂回环等6项内容在内的活动功能关节，按照浇筑施工现场操作的有关部署，依据一定时间控制能够由热炉内舀出铝制液体，服务于8个机器设备铸模使用。而且在设计这种搬运机器人的时候，要使其能够在3.5米半径的区域内顺畅运转，最后环节的多次确定位置的误差上下不能高于3毫米，按照搬运机器人每个关节的误差折算，上下不能超过0.049度。同时，要严格控制伺服系统的安全、稳定性能，通过技术指标控制，避免机器人在实现搬运伺服功能的时候出现铝制液体流出或者影响浇筑效果。

同时，在对搬运机器人进行技术参数控制的时候，运用了管理、控制、伺服等级次方法，使承担主要控制功能的网络信息系统得到了减负，降低了伺服技术的运行期间。利用管理的技术方法，通常是加强搬运机器人离线状态监控，对其运行的空间事先合理预设，使其能够在进行浇筑环节操作的时候，发挥图形设计、现场示范、纠错调整以及现场施工信息数据的检索、查询、质量问题的排查和定期展现等作用。利用控制的技术方法，一般是依据定位传感设施提供的定位信息，在预定时间内设置出一定的路径，同时将测算出来的下级信息传送给伺服技术进行处理。而伺服技术主要解决的是对搬运机器人的运动功能进行科学掌控，并依据施工标准和设计的精确系数确保机器人能够达到预定的运动轨迹完成工作任务。

2 搬运机器人伺服系统的设计要求

对于搬运机器人来说，伺服系统主要承担任务事项的执行工作，因此，伺服系统的安全、可靠工作，对搬运机器人的总体运行有着至关重要的影响。

一是交流程控。近年来，这种程控驱动技术方法得到了快速的发展，由于本身结构不大、重量很小、能耗量低、适应性强、坚固性高、安全可靠、经久耐用，同时在调速方面有着很好的效果，在未来的发展中很有可能会替换掉直流驱动技术。搬运机器人在各个关节的运行驱动中，全部使用了交流程控的驱动技术，在组件构成上应用的是永磁式同步无刷电机，并且通过自动控制技术确保了频率的变换和速率的调节。

二是三环系统。由于搬运机器人对不利环境的适应性很强，承受重力的性能很高，在发挥伺服技术功能的时候，不仅应当妥善解决稳定性和动态化的设计要求，而且应当注意对外界干扰的防范。本文所提到的搬运机器人就通过这种三环系统较好地实现了伺服功能(详见图2)。但是由于三环伺服控制技术虽然具有良好的稳定和防干扰能力，不过从需要的频率特性上来看，外环的要比内环的低很多，着就制约了外环控制系统的反应性能。所以通常使用一种新型组件，改进内环频率特性，确保系统运行速率，提升有效的防止干扰和可靠性能。

三是伺服系统。构成伺服模式的主要设施包括位控板、放大器、SM电机、编码仪和减速器等。其中SM电机应用的是进口的永磁式系统，可以承受的电力负荷非常高，在机器人中应用非常好。编码仪主要是对SM旋转速率和定位进行监测，而且根据6个运动关节监控机器人运行的精准情况，并运用减速器通过间接程控的方法实现较大的输送力矩确保搬运机器人能够高效做工。由于减速器在每个关节点上都进行了安装，不仅提高了反应速度，而且不会产生很大的转动惯力，运行效率非常好。放大器使用的是变频设施，具有绝缘效果，关节运动产生的功率一般不大，但是启闭的速率却非常高，作用非常显著。位控板的性能一般是接发控制指令，对定位信息做出反应，测算关节运动误差，实现每个关节的伺服系统控制目标，由于构成材料的关键组件是芯片系统，相当于计算机网络设备，具有良好的信号反应和处置性能，而且由于采用了总线控制技术，确保了信息数据的安全、精准、高效地传输，实现了搬运机器人伺服系统的科学运转。

四是参数系统。一般情况下，搬运机器人需要承受的外界应力水平和惯性具有一定的差异性，运行速率也具有一定的不同，但是由于6个关节的动作需要一定的协作性，每个关节的运动都会对搬运机器人位置检测的精确性和动作进行的稳定度产生制约，所以控制技术参数，保障伺服技术的效果是一项非常重要的工作。比如，需要考量电流的跟踪运行轨迹，科学控制电流环的技术参数，确保提升反应速率，无需进行后期的调控，确保搬运机器人伺服系统安全、稳定的运转，同时，由于功率组件启闭迅速，还要尽量改进电流设施的频率特性，确保外环具有稳定的运行性能。

四是保护系统。为了充分保证搬运机器人的安全、稳定动作，就需要对软件硬件设施予以保护。一方面，要妥善地保护硬件设施，一旦搬运机器人伺服系统出现了故障，比如，伺服放大器设施承受的热量过大，电源电压超过了极限负荷，电机运行的速率超过了=极限或者电机承受的电力负荷值过大，编码器在信息的传输上出现了误差，电源相级缺失，就要及时切断主电路的电源，对电力系统进行保护。另一方面，要妥善保护软件设施，主要是对位控板进行保护，比如结合关节的动作，跟踪监测误差情况，并及时做出纠错调整，或者暂停关节动作，避免出现机械碰撞的事故，影响伺服系统的正常运行。

3 结束语

综上所述，搬运机器人伺服技术基于交流程控、三环系统、技术参数的科学把握和对硬件软件设施的及时防护，确保了良好的反应机制和防扰动性能，确保了机器人在承担工作任务的时候能够及时、快速、稳定、高效地按照精准轨迹运行，相信应用推广前景将非常广阔。■

参考文献

[1] 郭毓、马勤弟、许春山、胡斌、毛建.搬运机器人伺服系统的研究(J).南京理工大学学报.2001(3).

[2]昊广顺、凌 雷、方素香、王 玉果.PLC在搬运机器人控制系统中的应用(J).2006(2).

[3]吴凤江、孙奎.基于PROFIBUS总线的搬运机器人伺服控制系统(J).伺服控制.2009(2).

基于工业机器人的极板搬运工作站的设计与实现篇二

【摘 要】在中国制造2050和工业4.0“机器换人”的大背景下，中国工业生产正由制造向智造转型升级。本文在铅蓄电池极板生产线中引入工业机器人，开发了一种极板搬运工作站，并进行了PLC控制系统的设计，大大提电池极板生产效率，实现自动化。

【关键词】工业机器人;电池极板;搬运工作站

Design and implementation of plates handling workstation based on industrial robot

WANG Zhe-lu

(Department of Electrical and Electronic Engineering， Wenzhou Vocational & Technical College， Wenzhou Zhejiang 325035， China)

【Abstract】Under the“Made in China 2025” and “Industry 4.0”， China industry is changing from manufacturing to intelligent manufacturing.In this paper， the industrial robot is introduced into the plate production line， meanwhile a kind of plate handing workstation is developed. The design of PLC control system is carried out in the workstation. The robot workstation greatly improves the production efficiency of the battery plate and realizes automation.

【Key words】Implementation robot; Based plate; Moving station

0 引言

铅蓄电池是一种技术成熟且安全性能好的能源，工业和生活领域的发展，如低速电动车、通讯设备储能等都离不开铅蓄电池，尤其是电动车是减少大气污染的重要措施。然而在电池极板生产中，行业内规模化运作的企业主要还是依靠劳动力手工操作，特别是电池极板上下料搬运作业，其劳动工作强度大，员工搬运工作效率低下、同时铅粉污染危害健康人员的身体，影响工人的工作寿命[1]，其发展急需产业转型升级。

在国外，工业机器人已经成为一种标准化的设备，形成了一些具有竞争力的著名公司，如瑞典的ABB，日本的FANUC、安川，德国的KUKA[2-3]，占领国际和国内市场上的大部分份额。在国内，工业机器人受制核心零部件和工艺原因，还在刚起步。目前有沈阳新松、广州数控设备有限公司、哈尔滨博实自动化有限公司等，在系统集成和核心零部件进行了相关的研究和突破，都有了相应的进展。同时国内也涌现了一大批以工业机器人集成技术为中心的公司，进行工业机器人的集成应用，引进国外技术结合实际生产，为制造业、快消行业等服务工作。

工业机器人是一种能模仿人工操作，可编程和自动控制的高端智能装备，具有高自动化、柔性化，是中国实现工业4.0“机器换人”战略的核心，是“中国制造2025”战略的重要组成部分。在铅蓄行业，引入工业机器人，可以代替手工操作的同时可以大大提电池极板生产效率，确保生产安全和提高企业的效益[4]。因此，机器人极板搬运工作站的研究对铅蓄行业实现自动化及转型升级具有重要的现实意义。

1 机器人极板搬运工作站的设计

目前工业机器人在生产中的应用，主要以机器人人工作站和机器人工作生产线的形式进行整合集成应用。搬运机器人工作站，它的主要工作任务针对重物、消耗人力大且动作简单重复的搬运和贮藏工作[5]，如机床上下料、堆料码垛，机床柔性线等。针对电池极板的几何特性分析和工艺要求，进行极板机器人搬运工作站的设计和实现。

1.1 工作站工作原理

机器人极板搬运工作站由搬运机器人、电池极板输送机、极板架和控制系统等组成。机器人工作站以工业机器人为工作核心，极板输送机和极板架都在机器人工作空间内，工作时，电池极板由极板输送机运送至输送机末端定位点，然后等待机器人抓取电池极板，机器人收到相应的传感器信号后，按照预先规划的路径到达极板位置，末端夹取执行器夹手对其进行夹取，然后按照规划轨迹搬运至极板架位置，将极板准确放置于极板架上，代替人工作业。

1.2 工作站机器人选型

衡量工业机器人的指标很多，有自由度、工作空间、定位精度及重复定位精度、承载能力及最大工作速度等。极板搬运工作站的机器人选型主要考虑以下几个重要指标：

(1)自由度指标，它是衡量机器人运动灵活程度的参数，是衡量机器人的重要指标，自由度越多，机器人越灵活，一般地工业机器人的自由度为3-6个。

(2)工作空间指标，它指的是机器人的工作范围，机器人腕部或者末端执行器能达到的最大范围，工作空间越大，机器人运动范围越大。在运动控制中，注意机器人的极限位置，注意抓取位置和极限位置的考虑。

(3)承载能力指标，机器人在工作范围内任何位置能承受最大的载荷，取决于负载的质量、速度和加速度等，同时要考虑末端执行器的质量，故机器人承载能力是末端执行器和机械手抓取负载的总和还要大。

(4)定位精度指标，机器人实际位置与理想位置之间的偏差，同时重复定位精度是考验一个机器人同一环境和条件下，重复若干次其分散的偏差值，机器人多次重复到相同位置的偏差越小，机器人的重复定位值越高。

通过这几个指标，极板搬运机器人工作站可以选择工作空间大、承载能力强、定位精度高的6自由度工业机器人作为机器人工作的机器本体，设计相应的安装座，以它为中心来设计整个工作站的安装控件。同时，6自由度的机器人具有较高的灵活性，方便完成极板的抓取和实现复杂路径的轨迹规划。 　　1.3 末端执行器的设计

工业机器人末端执行器的设计一般是针对作用对象进行非标设计，它是机器人操作与目标对象直接接触进行工作，是机器人的关键部件，它可以扩大工作空间范围，提升工作作业能力具有非常重要的作用。有电磁式、气动式、机械式等，其中机械式夹取可以分为双指式和多指式，其中双指式又分为回转式和平移式。根据电池极板的几何外形，故末端执行器夹具可采用气动驱动的平移型二指手抓对其进行抓取，采用气动驱动具有响应动作快，灵活，动力清洁等优点，其平移范围必须大于极板的横向尺寸。

1.4 电池极板输送机

电池极板输送机由支架，输送链、输送槽、极板定位板等组成，其中输送链安装在机架的若干个链槽内。工作时，三相异步电动机带动主轴运动，然后链式传送机构对放置在其上面的电池极板进行传送。采用链式传动，启动时电池极板运行平稳，无打滑现象，其适用于远距离运输和恶劣环境等优点。

2 控制系统

机器人极板搬运工作站电气控制系统主要的功能实现包括：①工业机器人示教、调试编程与自动运行等功能;②极板末端执行器气缸动作、传感器的信号传递，实现抓取;③工业机器、PLC和人机界面交互和参数的设置;④整个极板搬运工作站的实现。

2.1 极板工作站控制系统组成

极板搬运工作站的控制系统包括：①PLC控制系统;②机器人控制系统;③示教器。其主要系统采用PLC为控制核心，机器人控制器的I/O信号模块与PLC通信模块可以直接或者间接通信，电池极板输送链上的极板信号和极板末端执行器信号也是通过PLC然后传递给机器人，进行信号的传递。工作时，搬运机器人按照人工示教好的程序正常运行，同时受PLC的控制。

(1)机器人示教器，机器人编程有离线编程和示教编程，示教再现是机器人编程应用较广的编程方式。工作人员观察产品生产的工艺流程，然后根据生产实践，对工业机器人的动作位姿、工作路径、运动参数和工艺参数进行调试，按照需要的任务要求完成机器人编程示教。整个编程过程中，机器人示教器是一个重要的编程设备，通过其对机器人进行控制。

(2)机器人控制器其核心是多轴运动控制平台，实现对多轴机器人的关节伺服控制，同时又相应的机器人专用端口和机器人通用端口和PLC进行信息传递，同时设置相应的总线控制和以太网控制端口，方便与外部设备通讯。

(3)PLC控制柜，其以PLC为控制核心，将机器人控制柜、传感系统、人机界面进行集成控制，整个搬运系统的实现主要依赖PLC的逻辑控制的调试与实现，具有非常重要的作用。

2.2 控制软件设计

机器人工作站的控制软件设计以PLC为中心实现。根据搬运工作站的工作原理，首先采用示教器对机器人进行轨迹路径规划，考虑机器人在搬运极板时所需的运动学和动力学性能，以最舒服的姿态来进行工作。将机器人进行轨迹示教完成以后，再根据机器人抓取执行器极板准备、极板到位、进行抓取、机器人进行搬运到极板架放置，放置结束后重新循环开始的整个过程，然后进行程序的设计和实现。整个系统程序的设计包括系统初始化、手动运行、自动运行、信号显示系统和系统复位。

(1)系统初始化：当整个控制系统开机时，按一下初始化按钮，机器人搬运工作站所有的执行动作按照一定的先后顺序恢复到预先的原始位置，使机器人工作站处于准备运行状态，随时准备开始工作。

(2)手动运行：机器人单机示教轨迹路径，完成路径的最佳规划，手动运行是用来对整个机器人各个功能块进行调试时的状态。通过手动运行模块，可以调试抓取执行器的开合动作，以此来进行极板的抓取力度调节。同时也可以实现抓取后整机联合运行调试操作，让机器人、末端执行器和极板输送架达到最佳状态。

(3)自动运行：自动运行状态是整机连续工作状态，一旦参数都设置好后，正常情况下进入自动运行状态，搬运工业机器人能自动完成电池极板的抓取，搬运、放置循环工作，实现生产的自动化，可以通过按钮或者触摸屏上的启动开始，接受停止指令后停止。其程序的设计可以采用步进顺序控制，按照一定的生产流程来实现工业机器人极板的搬运工作。

(4)信号显示系统和复位系统：通过信号显示可以观察系统的运行情况，可以观察其各功能状态，通过信号显示来判断程序运行的进度、状态以及极板的搬运数量。同时一旦出现故障，可以通过报警灯来提示故障问题，通过触摸屏显示系统快速找到故障点，并且可以通过相应的复位系统进行复位。

2.3 人机界面设计

人机界面的设计，主要通过触摸屏和组态来实现搬运机器人控制系统和人的人机交互，通过信息的交流来实现人对搬运机器人的控制。随着信息技术的发展，传统的纯按键操作平台逐渐被触摸屏所取代，可以克服接线繁琐、按钮多等诸多问题。同时，随着组态技术的发展，可以组建适合工业生产相应的控制系统界面，包启动、停止、循环、单机及数等功能，同时可以制作相应效果更好的系统界面。

本文选取昆仑通态的触摸屏为人机交互界面，同时通过昆仑的MCGS组态软件集成实现机器人工作站的控制要求，根据机器人工作站功能及控制任务的要求，配置相应的对象定义，编辑属性和状态特征等，同时制作组态画面来显示状态信号和一系列的人机操作等。人机界面完成控制硬件与软件的联系，建立了操作人员与监控层的控制与沟通平台，在机器人搬运工作中方便灵活。

3 总结

本文开发了一种铅蓄电池的极板搬运机器人工作站，该极板搬运机器人工作站可以实现极板输送、定位抓取、搬运、放置等功能，同时控制系统采用PLC和昆仑人机界面进行控制来实现整机的运行，其操作性高、性能稳定，从而代替人工实现极板的自动搬运，大大提高工作效率。

【参考文献】

[1]王贵民，马晓建，赵信正.蓄电池生产线极板上料装置[J].轻工机械，2014，3(32)：47-50.

[2]王田苗，陶永.我国工业机器人技术现状与产业发展技化发展战略[J].机械工程学报，2014，9(50)：1-13.

[3]顾震宇.全球工业机器人产业现状与趋势[J].机电一体化，2006，2：6-9.

[4]陈立新，郭文彦.工业机器人在冲压自动化生产线中的应用[J].机械工程与自动化，2010，3：133-135.

[5]王海霞，__宏，吴清锋.工业机器人在制造业中的应用和发展[J].机电工程技术，2015，10(44)：112-114.