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　　手持式下肢型焊機器人的開發

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　　先進制造 ◇ 系列技術講座

　　1月11日13:30-17:00 2023 Ansys中國機器人行業典型研討會

沖壓是機械制造工業的基本制造手段之一，提高沖壓產品質量的穩定性和可靠性是至關重要的。限于經濟和技術的原因，我省的沖壓制造作業基本還是機械式。選用機械式，不僅沖壓組織工作量大，沖壓制造率低，沖壓產品質量波動大；而且組織工作自然交通不便，勞動者條件差，組織工作量大。沖壓過程中的靜電、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與國際性接軌，在工業企業內正大力推行“身心健康、安全、環保”即“HSE”管理，改善建筑工人在沖壓中的組織工作自然環境是非常迫切的。而選用自動沖壓技術，是發生改變上述狀況的唯一途徑。 工業機器人作為人類肢體的外延，它能在制造人員無法操作方式的自然環境下，樂此不疲地從事艱苦的、繁重的勞動者，使制造建筑工人擺脫危險、有害的組織工作自然環境，減輕制造建筑工人的組織工作量[1]，是代替建筑工人展開沖壓操作方式的最佳自動化工具。全機能焊機器人由機械系統、掌控系統、驅動力系統組成如圖 1所示。目前，全機能焊機器人的廣泛采用還受到一定的限制：全機能焊機器人價格低廉，一次性投資風險大；結構為分體結構，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說沖壓工品樂版采用；掌控程序開發方式多選用微創程式設計或機器人詞匯程式設計，由于我省制造建筑工人的知識結構所限，還不足以掌握以微創程式設計或機器人詞匯程式設計開發掌控程序。

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全機能焊機器人的價格、結構和掌控程序的開發方式，在很大程度上制約了全機能焊機器人的應用領域和推展。因而，在我省目前條件下，能否在非一般來說沖壓工位或叢林中沖壓中采用焊機器人，是一個值得探索的課題。筆者認為：利用機電一體化技術與計算機硬體、軟件相結合，開發價格低廉，體積小、體積小、結構緊湊型、易于靈巧終端的手持式焊機器人；以圖形仿真方式開發掌控軟件，簡化掌控軟件開發方式，是能在非一般來說沖壓工位或叢林中沖壓中采用焊機器人的。責任編輯如是說的手持式焊機器人，以MC68HC908GP32 中央處理器為核心理念，以固化的掌控軟件，掌控手持式焊機器人順利完成沖壓制造作業，為焊機器人的應用領域和推展，提供了有價值的參考。責任編輯對手持式焊機器人的機械結構、掌控系統硬體、掌控軟件開發等幾個關鍵技術問題作了簡要如是說。

　　1 手持式焊機器人機械硬體

焊機器人應用領域的最大特點是：以掌控軟件的發生改變，取代復雜的機械結構和電機結構的發生改變，使焊機器人順利完成焊制造作業通用化。因而，按照柔性制造的觀點，將焊機器人的硬體——大臂、小臂、小腿、機身連同掌控的電機硬體，以及機器人掌控器都設計、制造為機電一體組件結構[2]。焊機器人采用用戶根據企業順利完成具體的沖壓制造作業的需要，購買焊機器人機電一體組件，裝配成專用的手持式焊機器人，防止了SCSI自由度，使得手持式焊機器人結構緊湊型、體積小、價格低廉，易于靈巧終端。圖2是選用機電一體化組件裝配的手持式焊機器人樣機。

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　　2 手持式焊機器人掌控硬體

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

a、中央處理器提供非常多的I/O路由器，不擴充可程式設計SCSI接口，就能“季莫菲”數個臂體組件，同時驅動力數個臂體組件，并預留I/O路由器，易于手持式機器人機能擴充（擴充成手持式檢測機器人等）

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

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

　　3 手持式焊機器人掌控原理

沖壓制造中，透過方向規劃，焊機器人順利完成沖壓制造作業任務多數是按順序展開的，而且順利完成焊制造作業的體育運動軌跡一般是已知的，或者體育運動軌跡科紫萁為多種單個體育運動軌跡的組合，能透過對各單個體育運動軌跡掌控而合成給定的體育運動軌跡。因而，能透過建立微積分模型，用微積分方法求解焊機器人體育運動逆解，把焊機器人順利完成沖壓制造作業的體育運動和方向，轉化為“預定”的軌跡和姿態，以app程式設計方式開發出掌控程序，掌控焊機器人體育運動時再作實時補償。這樣的掌控方式，防止了全機能焊機器人選用實時采樣、實時計算對計算機性能的高要求，使得能選用低成本掌控系統掌控焊機器人，使焊機器人價格大幅度下降。

　　選用機電一體化的臂體組件，以搭“積木”方式裝配的手持式機器人，順利完成沖壓制造作業時，對沖壓工具的位置和姿態的掌控，其實質上就是對TNUMBERFK電機轉軸轉動角度和轉動速度的協調掌控，由TNUMBERFK電機基本原理和公式：

　　θ＝360/Z

式中：θ-步距角　　Z-步進電機轉子齒數

　　可知，每輸入一個驅動力脈沖，電機轉軸TNUMBERFK一個步距角增量，因而：

　　a、TNUMBERFK電機轉軸的回轉角度與輸入的脈沖數成正比；

　　b、TNUMBERFK電機轉軸的轉速決定于輸入脈沖的頻率。

　　TNUMBERFK電機能將輸入脈沖轉換為旋轉體育運動，它本身所特有的高精度、無漂移、無累計誤差等優點，使它成為電機一體化產品中，唯一能采用開環掌控技術的伺服和執行元件。很顯然，對手持式焊機器人的體育運動掌控，就是對TNUMBERFK電機輸入脈沖數量和脈沖頻率的協調掌控。

　　4 手持式機器人掌控軟件開發

機器人掌控軟件的開發方式，直接制約著機器人的應用領域和推展，快速、簡便的開發方式不僅促進機器人的應用領域和推展，而且直接決定機器人順利完成制造作業的柔性。手持式焊機器人是面向制造工人作為智能工具采用，必須簡化掌控軟件開發方法。

為滿足實時掌控的要求，選用匯編詞匯程式設計；為適應環境手持式焊機器人結構發生改變或制造作業工藝改進后，快速開發掌控程序的需要，以Visual Basic詞匯開發了“手持式機器人CAD系統”軟件，使掌控軟件的開發在“手持式機器人CAD系統”支持下展開[3]，開發界面如圖 3所示。在可視化的人機界面輸入各組件的有關參數，反復調用各級菜單，優化焊機器人結構參數；直觀地觀察、比較機器人仿真圖形和計算的各類數據；以圖形仿真方式，仿真焊機器人的制造作業體育運動和軌跡，在圖形仿真的同時自動順利完成掌控程序設計，下載到機器人掌控器內，以此簡化掌控程序的開發。在“手持式機器人CAD系統”支持下開發掌控程序，只需用鼠標點擊相應的菜單，而所有涉及機器人插補算法、逆向體育運動學算法等機器人專業知識和技術，都由“手持式機器人CAD系統”軟件處理。這種圖形仿真開發掌控軟件的方式，使手持式焊機器人能適應環境多種沖壓制造作業，使沖壓制造作業通用化。以圖形仿真方式開發掌控軟件，就如同采用Windows圖形界面操作方式微型計算機一樣，使不熟悉機器人硬體的人，能迅速、簡便地開發出機器人掌控軟件，促進機器人的應用領域和推展。

　　手持式焊機器人掌控系統上電復位后，固化的掌控軟件開始運行，系統初始化后：

a、掌控軟件讀取大臂、小臂、小腿的轉動角度值，計算后調用TNUMBERFK電機正轉、反轉、加速、減速子程序，向相應I/O路由器輸出連續的系列脈沖信號，掌控大臂、小臂、小腿轉動；

　　b、掌控軟件讀入采集的標征作業狀態的數值，并將數值與從指定地址讀取的目標值展開比較，依據差值調用大臂、小臂、小腿位置、姿態補償子程序，對大臂、小臂、小腿的轉動展開補償；

　　c、由于外界干擾，手持式焊機器人的沖壓工具偏離或遠離預定軌跡時，掌控軟件讀入采集的標征作業狀態的數值，并將數值與從指定地址讀取的目標值展開比較，依據差值調用大臂、小臂、小腿加、減速補償子程序，對大臂、小臂、小腿展開加減速補償。

　　5 結束語

依托MC68HC908GP32 中央處理器芯片的高性能，開發了價格低廉，體積小、體積小、易于靈巧終端，掌控軟件開發簡便的手持式焊機器人。透過樣機實驗表明，手持式焊機器人的體育運動機能和掌控精度，滿足了電焊自動沖壓要求。而該機結構緊湊型，體積小，易于攜帶和靈巧終端，一機多用，具有可開發性，開發掌控軟件簡便，且制造成本低廉，實質上使該機成了一個靈巧的自動沖壓工具。在操作方式建筑工人的操作方式下展開沖壓機型機能組合，掌控程序開發，自動沖壓前定位“清零”等組織工作。使該機只是代替人去順利完成繁重的、有害的沖壓操作方式，去提高沖壓產品質量，而不是完全代替人的勞動者。在我省這樣一個人口眾多的國家，降低制造作業組織工作量，提高制造作業組織工作產品質量，是實施自動化的宗旨，也是開發手持式焊機器人的指導思想。

　　( 文章來源：互聯網 )

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