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饮料出产线码垛机械人的设计道理2023-05-30

1 钻研布景

双平行四边形码垛机械人在饮料工业出产搬运领域占有沉要市场, 随着我国造作自动化水平的提升及国内企业机械代替人为产生热潮, 正得到越来越多的利用和示范推广。

图1所示为荆门娃哈哈集团有限公司针对饮料出产线的自动化需要, 成功开发的系列工业机械人产品, 其中的码垛机械人能够凭据分歧饮料进行分歧码放, 对产品进行鉴别判断, 自动调取码垛方式。这极大地提高了饮料的出产效能, 扩大了产能, 节约了企业成本, 创造出可观的效益。

图1 饮料出产线系列工业机械人

笔者从机构道理、运动学算法、工作空间及标定测试等设计步骤和道理对饮料出产线码垛机械人进行了深刻索求和钻研, 通过工程实际和验证, 实现了设计理论与工程实际的结合。

2 机构道理

双平行四边形码垛机械人三维模型如图2所示, 基础部件蕴含底座、腰部、大臂、幼臂、伎俩、结尾法兰, 拥有空间领域内的三平动和绕腰部轴线 (Z轴) 动弹共四个自由度。由三角架及其连杆从动部件, 与大臂和幼臂组成三组平行四边形, 实此刻搬运过程中的结尾伎俩水平。

图2 双平行四边形码垛机械人三维模型

机械人机构简图如图3所示, 其中O0-x0y0z0、O1-x1y1z1、O2-x2y2z2、O3-x3y3z3、O4-x4y4z4、O5-x5y5z5顺次为底座、腰部、大臂、幼臂、伎俩、结尾法兰的连体坐标系, θi (i=1~5) 为动弹关节变量, di (i=1~5) 、ai-1 (i=1~5) 为杆长参数。

图3 机械人机构简图

对于机械人结尾法兰连体坐标系O5-x5y5z5在底座连体坐标系O0-x0y0z0下的地位坐标 (x, y, z) 和欧拉角姿势坐标 (φ, ψ, θ) , 思考到机构运动特点, 机械人具备三平动和绕Z轴动弹共四个自由度, 因而有φ=0, ψ=0�；等说母顺げ问�1。

表1 机械人杆长参数

基于平行四边形特点, 动弹关节变量满足:

机械人的四个独立动弹关节变量为腰部关节θ1、大臂关节θ2、腕部关节θ4和结尾法兰θ5。在机械人回零状态下, 大臂竖直, 幼臂水平, θ1=0°, θ2=-90°, θ3=90°, θ4=0°, θ5=0°。

3 运动学算法

机械人运动学用于解决机械人驱动电机关节变量与结尾刚体独立位姿坐标之间的映射关系。

已知操作空间变量为u= (x y zθ) T, 求解关节空间变量为q= (θ1θ2θ4θ5) T。

先求解关节变量θ1。为了简化三角函数符号, 用ci暗示cosθi, si暗示sinθi。连体坐标系Oj-xjyjzj相对于Oi-xiyizi的变换矩阵为jiT, 从而结尾法兰相对于底座刚体的变换为51T=21T32T43T54T, 可暗示为:

式 (2) 中的矩阵各分量能够通过结构参数暗示如下:

c23暗示cos (θ2+θ3) , s23暗示sin (θ2+θ3) 。此表, 式 (2) 还能够表白为:

对比式 (2) 和式 (3) , 矩阵的第2行第4列元素为常数, 即可获得求解θ1的一元方程:

通过三角函数全能公式, 可求出θ1:

对比式 (2) 和式 (3) , 矩阵的第1行第1列和2行第1列两个元素能够导出方程:

从而能够求出θ5:

对比式 (2) 和式 (3) , 矩阵的第1行第4列和第3行第4列两个元素能够导出方程:

联立式 (9) 和式 (10) 解除变量θ2+θ3, 能够获得求解θ2的一元方程通式:

从而能够求解出θ2:

在式 (11) 、式 (12) 中:A=2a2N, B=2a2M, C=M2+N2+a22-a32, M=pxc1+pys1-a1-a4, N=pz-d1-d5。

再次联立式 (11) 和式 (12) , 即可求出θ2+θ3:

从而能够求出θ3。

4 工作空间设计

机械人四个关节极限约束如下:

通过几何分析, 工作空间是由8段圆弧组成的立体空间, 在竖直断面内是由6段圆弧组成的包络空间, 如图4所示。

图4 6段圆弧组成的包络空间

凭据机械人机构简图分析了局, 结合几何参数和关节约束前提, 图4中实线部门为工作空间断面, 点划线为中央过渡线。图5所示为娃哈哈三种负载规格码垛机械人的几何参数和竖直断面工作空间。通过以上步骤, 能够成立平行四边形码垛机械人为作空间的通用绘造步骤。

5 标定测试

为保障地位和轨迹测试的有效性, 必要实现对机械人几何参数的标定�；等思负尾问娣庞诮谠炱髟硕Ｐ椭�, 几何参数的精度将直接影响机械人结尾执行器的地位正确度和轨迹精度。图6所示为机械人装配车间使用高精密激光追踪仪对码垛机械人进行几何参数的精确标定测试。

几何参数标定步骤如下:标定底座基准平面→标定腰部回转圆→腰部回转轴线, 即机械人基准坐标系的Z轴→标定X轴参考方位点→标定机械人基准坐标系的X轴→确定机械人基准坐标系→标定大臂摆动圆→标定大臂摆动圆心→标定幼臂摆动圆→标定幼臂摆动圆心→标定头部被动铰链摆动圆→标定头部被动铰链圆心→标定结尾执行器轴线→在执行软件界面丈量杆长参数和相应的方位角。

图5 码垛机械人几何参数和竖直断面工作空间

通过对机械人几何参数进行标定, 而后对沉复定位精度、轨迹精度等进行标定测试, 使机械人可能在定位和轨�＝谠旆矫媛愠霾叩木纫�。

图6 机械人几何参数标定测试

6工程实际

图7、图8所示为码垛机械人在饮料出产线上搬运资料和产品码垛的利用现场, 机械人可能精确满足搬运负载、速度、定位等的机能要求, 极大提高饮料出产效能, 较好地实现了机械代替人为。

图7 码垛机械人用于饮料出产线资料搬运

图8 码垛机械人用于饮料出产线产品码垛

7结论

对利用于饮料出产线的双平行四边形结构码垛机械人进行钻研, 拥有沉要意思。

笔者钻研了双平行四边形码垛机械人的设计道理, 确认这一机械人是拥有三平动一动弹的机构, 并成立了其机构模型。具体分析了机械人的机构运动学, 获得了单一向观的运动学推算公式�；诩负伟绮街�, 获得了急剧绘造机械人为作空间的步骤, 以及分歧参数下机械人的工作空间。选取高精密激光追踪仪设计出机械人几何参数的标定测试步骤, 使机械人获得精确的定位和轨迹。在饮料出产线现场利用笔者所设计的码垛机械人, 将会有优良的产业远景。

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