鍛壓機輔助機器人結構設計與工位規劃

武漢理工大學 李紅享

鍛壓機輔助機器人結構設計與工位規劃

武漢理工大學 李紅享

為提高鍛壓生產的安全性，實現鍛壓零件的無人化生產，設計了一種由運料機器人和冷卻機器人構成的鍛壓機輔助系統。該輔助系統在鍛壓機作業過程中，根據輔助作業流程，控制運料機器人和冷卻機器人按照預定工位動作，實現對鍛壓機2個沖壓缸的供料和冷卻?；贛atlab的輔助機器人末端位置作業空間以及工位狀態的仿真結果表明，輔助機器人末端位置的作業空間涵蓋了輔助作業過程中的各個工位點，工位規劃結果正確，機器人末端回程運動安全。仿真結果驗證了所設計的鍛壓機輔助系統方案的可行性。

工業機器人；鍛壓機；結構設計；工位規劃；回程軌跡規劃

近年來隨著我國汽車、輕工業、風電、高鐵等行業迅猛發展，鍛壓零件的需求量日益增加，給鍛造業帶來了空前的發展機遇[1-4]。在傳統的鍛造生產過程中，大多采用人工運料和冷卻。這種生產方式給運料工人和冷卻工人帶來嚴重的安全隱患和健康威脅。因此，實現鍛壓零件的無人化生產勢在必行。工業機器人作為一種智能、高度靈活的自動化設備，在各個領域已經得到廣泛應用[5-8]。本文針對某汽車零件的鍛壓生產過程，設計鍛壓機的2個輔助機器人，實現該汽車零件的自動化生產。

1 設計要求

為完成某種汽車零件的鍛壓過程，需要對該零件進行2次鍛壓。2次鍛壓前的工件稱為毛坯件，2次鍛壓后的工件稱為成品。毛坯件是一種不規則“套筒”形狀的工件，其上下面以及內外表面均十分粗糙。加工前毛坯件放置于供料裝置中，成品被加工出來后，放置于收料裝置，送料裝置和收料裝置均為一種傳送帶，以保證機器人每次取料和放料的時候，工件的坐標不會發生較大的變化。

圖1 兩個輔助機器人的固定位置

設計2個輔助機器人，即運料機器人和冷卻機器人，分別實現加工過程的取放工件和澆水冷卻的過程，以實現對該鍛壓裝置的改造和整個生產過程的自動化。

在輔助機器人的設計中，不僅要保證機器人能夠完成預定的任務，而且要保證在工作過程中機器人的安全性。根據設計條件，確定2個機器人的固定位置如圖1所示。其中，XYZ1為運料機器人參考坐標系，XYZ2為冷卻機器人參考坐標系。

為完成預定的要求，在水平面內，相對于XYZ1坐標系，運料機器人末端的作業空間應包括A（-1145，-450）、B（-120，-1100）、C（630，-1100）、D（1130，-450）4點，此外，為保證機器人安全，作業空間也應該包括E（0，-850）點，即在沖壓缸底座之外。在豎直面內，Z軸的變化范圍是700～1 600。而對于冷卻機器人的要求是機器人的末端以及其噴出的水柱能夠抵達沖頭和沖壓缸，以實現沖頭和沖壓缸的冷卻，即相對于XYZ2坐標系，能夠抵達F（-375，550，850）、G（-375，550，1620）、H（375，575，1470）、I（375，575，700）4點。

2 系統工作流程設計

根據任務要求，確定輔助系統工作流程圖如圖2所示。

圖2 系統工作流程圖

3 機器人結構設計

3.1 運料機器人結構設計

按照輔助機器人系統工作要求，設計運料機器人的結構如圖3所示。同時應用D-H法建立坐標系如圖3所示。運料機器人的D-H參數如表1所示。

圖3 運料機器人結構以及D-H坐標系

表1 運料機器人D-H參數表

應用MATLAB軟件對運料機器人的作業空間進行分析，仿真結果如圖4所示。

圖4 運料機器人末端位置作業空間

由仿真結果可知，運料機器人末端的作業空間涵蓋A、B、C、D、E 5點，且在豎直面內的作業范圍是700～1600，因此，設計的機器人滿足作業要求。機器人的最大工作范圍：Xmax=1 300 mm，Xmin=-1 300 mm，Ymin=-1 300 m m，Ymax=500 mm，Zmin=700 mm，Zmax=1 600 mm。

3.2 冷卻機器人結構設計

按照輔助機器人系統工作要求，設計冷卻機器人的結構如圖5所示。同時應用D-H法建立坐標系如圖5所示。冷卻機器人D-H參數如表2所示。

圖5 冷卻機器人結構以及D-H坐標系

表2 冷卻機器人變換矩陣D-H參數表

應用MATLAB軟件對機器人的作業空間進行分析，仿真結果如圖6所示。其中的圓點為沖頭和沖壓缸的邊緣位置。

圖6 冷卻機器人末端位置作業空間

由仿真結果可知，冷卻機器人的末端與沖壓機無干涉，且末端水柱可以達到沖頭和沖壓缸，起到冷卻的作用。

4 機器人末端位置工位規劃

4.1 運料機器人工位規劃

運料機器人在工作過程中，其末端從初始位置開始，經由A、B、C、D 4點，然后回到初始位置。根據機器人逆運動學可以計算出在各工位狀態，各關節角度或伸出長度。具體工位狀態如圖7所示。運料機器人工位狀態關節參數如表3所示。

圖7 運料機器人末端位置工位狀態

回程軌跡規劃。運料機器人的回程是指在放置好成品工件后，會再次去取毛坯工件，進行下一次的循環工作。為保證在回程過程中，機器人的末端不與鍛壓機碰撞，同時保證機器人的安全，需要對機器人的末端進行軌跡規劃，此處，將末端軌跡規劃為沿直線DE、EA回到取工件位置，即

表3 運料機器人工位狀態關節參數

運料機器人的回程運動仿真結果如圖8和圖9所示。由仿真結果可以看出，機器人末端位置逆運算正確，而且，機器人在回程的過程中，沿預定軌跡運動，能夠安全運行。

圖8 運料機器人末端回程軌跡

圖9 各關節角位置曲線

4.2 冷卻機器人工位規劃

冷卻機器人共有4個工位，即沖頭1、沖壓缸1、沖頭2、沖壓缸2的冷卻，在沖壓時，只要保證2=90°，即可保證機器人末端在鍛壓機底座之外，系統安全運行。冷卻機器人工位狀態如圖10所示。

圖10 冷卻機器人末端位置工位狀態

5 結論

本文設計了鍛壓機的2個輔助機器人，即運料機器人和冷卻機器人。作業空間的仿真結果顯示，機器人的作業空間涵蓋了作業過程中的各個工位點，機器人結構、尺寸合適。設計了輔助機器人系統的工作流程，根據機器人逆運動學推算了各關節在每個工位的角度或伸出長度，并且進行了回程的軌跡規劃，仿真結果驗證了推算的正確性。

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