玻璃磨边机上下料机械手的研发

摘要

　　随着国内小型玻璃加工制造企业对自动化设备需求的增加，尤其是用于玻璃清洗、磨边、钢化等工序上下料的小型自动化设备具有广阔的市场空间。目前大中型玻璃加工制造企业的上下料设备主要采用关节型通用机械手，该类设备安装维护费用较高，在小型企业难以实现多工位、多台数普及。因此，研制一种结构简单、研发制造周期短、成本较低、具有一定通用性的小型上下料机械手可以解决小型企业自动化程度低的问题，有效提高企业的生产效率和降低成本。

　　本文综述了国内外上下料机械手的研究现状及现有机型，根据玻璃加工的实际生产环境，分析了上下料机械手的工作流程，提出一种能够连续完成玻璃磨片工序上、下料操作的机械手；设计了其机械结构的总体方案，并进一步对驱动机构、传动机构、物料搬运支架机构，气动吸附装置及传送机构等进行选型设计，借助三维设计软件对机械手进行了三维建模，并进一步运用 ADAMS 软件对机构进行运动学及动力学仿真，验证机械手末端平台的运动轨迹及机械结构的合理性。

　　基于 ANSYS 对机械手的关键零部件进行有限元静力学分析，通过分析应力云图和应变云图验证机械手强度和刚度的可靠性。

　　控制系统基于高性能、低成本总线技术，采用 PLC 主控制器。根据工程实际合理分配 I/O 口，完成控制系统中电路和气动的接线设计、程序编写及外部接线图绘制等。

　　搭建样机平台，对机械手的进行现场安装调试。该平板玻璃磨边工序自动上下料机械手达到预期的动作目标，符合实际生产线的需求，能够满足小型企业的生产要求。

　　关键词：上下料机械手；仿真；PLC 控制；有限元分析

ABSTRACT

　　With the increasing demand for automation equipment in domestic small glassmanufacturing enterprises, especially small automation equipment for glass cleaning,grinding, steeling and other processes has broad market space. At present, the loadingand unloading equipment of large and medium-sized glass processing andmanufacturing enterprises mainly adopts the joint type universal manipulator. Theinstallation and maintenance cost of such equipment is high, and it is difficult to realizemulti-station and multi-station popularization in small enterprises. Therefore,developing a kind of small loading and unloading manipulator with simple structure,short manufacturing cycle, low cost and certain versatility can solve the problem of lowdegree of automation in small enterprises, effectively improve the productionefficiency and reduce the cost of enterprises.

　　In this thesis, the research status of the loading and unloading manipulator at homeand abroad and the existing models are summarized. According to the actual productionenvironment of glass processing, the work flow of the loading and unloadingmanipulator is analyzed. A manipulator that can continuously complete the glassgrinding process is proposed. Design the overall scheme of its mechanical structure,and further to the drive mechanism, transmission mechanism, material handlingsupport mechanism, pneumatic adsorption device and transmission mechanism forselection design, the manipulator was modeled by 3D design software, and thekinematics and dynamics simulation were carried out by ADAMS software to verifythe rationality of the movement trajectory and mechanical structure of the end platformof the manipulator.

　　Based on ANSYS, the finite element statics analysis of the key parts of themanipulator is carried out. The reliability of the strength and stiffness of themanipulator is verified by analyzing the stress and strain nephograms.

　　The control system is based on high performance, low cost bus technology, usingPLC main controller. According to the actual project reasonable distribution of I / O port, complete the control system circuit and pneumatic wiring design, programmingand external wiring diagram drawing.

　　A prototype platform was built to conduct on-site installation and debugging ofthe manipulator. The automatic loading and unloading manipulator of the flat glassgrinding process reaches the expected action target, meets the demand of actualproduction line, and can meet the production requirements of small enterprises.

　　Key words: loading and unloading manipulator ; simulation ; PLC control ; finiteelement analysis

目录

　　第一章 绪论

　　1.1 课题研究背景和意义

　　工业机械手是工业领域重要的自动化设备，在机械制造、电子电气、烟草、化工等行业被广泛应用[1].机械手用于搬运、焊接、装配等生产加工环节，可以大大降低企业的生产成本，提高生产效率。玻璃加工行业由于其成品工序较多，在搬运、输送、上下料、码垛、打包等环节对机械手的需求量较大。

　　目前市场上机械手按用途分为通用型和专用型。通用机械手工作范围大、通用性强，适用于不断变换生产品种的生产场合，但相对造价高。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、造价低等特点[2].针对我国小型加工制造企业机械手装机量不足的现状，研制结构简单、成本较低、具有一定通用性的小型机械手可以解决小型企业生产线自动化程度低的问题，加快生产节拍，降低生产成本。

　　1.2 工业机械手国内外研究现状

　　1.2.1 国外研究现状

　　近年，机械手作为机器人的一个重要分支发展迅猛，尤其欧美、日本、瑞典等国的机械手研发和制造水平处于世界领先地位。先进的智能化机械手采用高精度减速器、快速响应伺服控制技术、高辨识功能等核心技术和先进的控制算法，保证其运动精度和工作可靠性，在全世界范围的工业领域得到了广泛应用。具有代表性的工业机器人公司主要有瑞典 ABB Robotics、美国 S-T Robotics、德国KUKA Roboter、日本 FANUC 等[3-5].

　　机械手从结构角度分类主要有关节型串联机械手、并联机械手和新型混合机械手等类型。典型的关节型串联机器人有瑞典的 ABB 公司研发用于优化压机上下料的六自由度机械手 IRB6660 系列，如图 1-1 所示。其根据冲压过程生产节拍要求，强化了机器人的主要轴，刚性更强，准确性高，缩短节拍时间，速度更快，便于控制[6,7].德国库卡公司研发用于冲压生产线的机器人，如图 1-2 所示，控制上下料节拍，提高了生产效率，选用真空、电磁不同手爪夹具，并修改程序快速更改生产工艺，保证工件质量，此上下料机械手在空间占用和自身重量方面上有很大的优势[8].

　　美国 ST 机械手使用的技术是基于混合步进电机而更常见的直流伺服电机，控制器采用双处理器，如图 1-3 所示，R17 五轴机械手是一款完全独立的五轴垂直铰接设计，成本非常低、快速、准确，易于控制，配置气动、电动夹手，可用于多种类型物料的上下料。

　　典型的并联机械手有日本发那科中型并联连杆机械手 Robot M-2iA,研发用于高速操作和零件装配过程，如图 1-4 所示，根据腕部自由度和动作范围，选用不同连杆，配备了 iRVision 视觉系统，几乎可以满足所有的工作任务要求。外国学者 Sébastien BRIOT 等[9]设计了一种 2 自由度空间平移并联机械手 IRSBot-2,如图 1-5 所示，它是具有 2 自由度的 IRCCYN 空间机械手，其刚度增加，总质量减少。相对于串联机械手，这种机器人结构在运动质量、刚度和工作空间大小方面具有更好的性能，可以非常快速和准确执行取放操作。

　　新型混合机械手有 Lisandro J. Puglisi 等[10]结合串联、并联机构的优点，提出的一种混合机构，如图 1-6 所示，该机构由两个主要部分组成：3R 串联臂和球形平行腕，一个设计用于定位的串行链和一个设计用于定向的低重量平行手腕。3PSS-1S 球形机构是一种重量轻、尺寸减小的平行机构，允许球形运动，在仿真过程中识别了三种奇异姿态，并在真实样机中进行了验证。国外学者 MinaA. s. Aziz 等[11]提出了一种新的平面冗余机械手的机械设计，如图 1-7 所示，介绍了一种新的连杆结构设计，通过将电机定位在底座上来降低扭矩重量比，连接到连杆的轴将通过同步带系绕各自的轴旋转。每个电机将只负责控制一个独立于其他环节的环节。这种对传统机械手设计的改变将有助于连杆重量的显著降低，从而提高机械手的扭矩重量比。

　　究多自由度，轻量化，串联、并联结构混合的机械手，使其应用范围也越来越广，加大与微电子和计算机控制系统结合研发，逐步推出新一代智能机械手。

　　1.2.2 国内研究现状

　　随着国内加工制造行业自动化水平的提高，机械手逐步应用于不同的领域，我国在科学技术高速发展的新时代，在技术研究等方面也已取得很大的进步[12].

　　国内在机械手核心技术方面研究和自主创新能力具有代表性的企业有沈阳新松、埃夫特、南京埃斯顿、众为兴、广州数控等。

　　沈阳新松机器人自动化股份有限公司自主设计研发国内首台七自由度协作机械手 SCR5,如图 1-8 所示，集人工智能、智能制造为一体，配置简单便捷，搭配视觉技术，动作轨迹精度高，可自主避障。其轻量化的结构，搭配先进激光技术，可用于对精度要求较高的柔性生产线，完成上下料等工作要求[13,14].

　　埃夫特智能装备股份有限公司在打磨机器人的基础上[15],研发的六轴 ER 系 列机械手，可用于搬运、上下料、码垛、切割等生产线，如图 1-9 所示，型号为ER50-2100 的六轴机械手，机器人以其超高的稳定性和轨迹精度完成生产线上下料动作。

　　南京埃斯顿公司机械手使用先进的技术，自主研发的机械手，紧随国际技术水平，朝着自主机械手产业化方向发展，在产品技术、开发、应用上有重要突破[16].其公司研发用于印刷电路板和汽车零部件等行业生产线上下料的产柱坐标型机械手和关节型机械手两种，如图 1-10 所示，桁架机械手操作简单，容易掌握，采用五轴插补控制技术，运动轨迹平滑过渡，机械手可长时间连续工作，相比关节型机器人，节能、成本较低；如图 1-11 所示，6 轴通用小负载关节型机械手 ER20-1780 工作速度快，刚性强，运行平稳，工作精度高。

　　SCARA 工业机器人是众为兴具有完全自主产权的多关节四轴机械手，其使用高性能处理芯片，可以完成对机械手系统实时监控和多构件间协调运作的功能[17].如图 1-12 所示，型号为 AR4215 的机械手，可以稳定完成重复性动作，灵活运用在小型零件搬运生产线。广州数控研究开发的 GSK RB08A3 系列搬运机械手，可用于机床上下料[18].如图 1-13 所示为 RB08A3-1490 型的六轴机械手，各轴分别通过电机与减速器直连、整体式谐波减速器的方法，对机械手机械结构进行优化，达到的工作精度更高，性能更加稳定。

　　国内学者从工业生产中出现的难题出发，在机械手本体结构和末端执行抓取机构等方面进行了研究。针对机械手末端抓取部位，目前有机械夹持式、真空吸盘式等设计。

　　赵哲祥等[19]设计的机械手，图 1-14 所示，在四轴圆柱坐标机器人的基础上增加了一个轴，满足不规则汽车零件的要求，提高工作稳定性。采用真空吸盘式对零件进行抓取，通过对各坐标结构和机械手的自由度分析，五轴圆柱坐标机械手满足了灵活性和控制器简单的要求。金作勇等人[20]设计了基于光轴生产线的气压搬运机械手，适用于光轴产品生产线，图 1-15 所示，机械手末端使用夹持式手爪，其优点是能够快速将生产出来的产品搬运到下一道工序，不仅移动速度快，而且阻力损失小，大幅度提高生产效率。

　　杨少锋[21]针对目前货物入库码垛存在的问题，完成了一种四轴桁架机械手的设计，如图 1-16 所示，既可以满足大质量货物的码垛要求，又可于其他智能化设备配合使用。机械手的操作简单，工作稳定，使用真空吸盘实现对货物拾取，工作过程中及时接收信号，快速工作、及时反馈，实现全自动化作业。

　　在研究机械手本体结构、多自由度等方向上也取得一系列成果。郭鹏远等 [22]

　　根据冲床上下料的工作要求，设计出一种 3 自由度圆柱坐标型机械手。通过仿真、样机实验，验证该机械手路线平稳，无奇异点，完全适应冲床的工作环境，达到了冲压技术生产线自动化、高速化、柔性化和精密化的目的。

　　刘一鸣等人[23]针对传统的 6 自由度机械臂难以满足非结构化工业应用的需求，基于机器人模块设计了 7 自由度冗余机械手，采用 R-S 结构。完美的解决了机械手工作空间存在障碍物时的奇异位形的问题。

　　洪成军等人[24]用一系列 R 型关节和 T 型关节从仿生学的角度描述了机械手的构型，提出了两个标准输入一个标准输出的模块新概念。这种新型模块化关节的使用使得模块化操纵器能够实现更多的配置，从而在使用尽可能少的模块化关节的同时适应广泛的应用场景。

　　张龙等人[25]研制的基于圆柱坐标的机械手，可以在工作空间内完成三自由度运动。与六自由度关节机械手相比，基于圆柱坐标的机械手具有简单的运动学，易于在工作空间规划轨迹和控制空间运动，通过机器视觉精准定位。具有结构紧凑、实用性强、算法灵活等特点，非常适合在分拣、装配和生产线上的应用。

　　国内对于机械手本体结构和末端抓取结构方面的研究，满足实际工业生产线的各种工序。

　　1.3 工业机械手发展趋势

　　随着加工制造企业自动化程度的提高，机械手被广泛用于各种行业，对其性能要求更高[26-28].机械手在结构上不断创新和性能方面逐步提高，其发展方向有以下几个方面[29-31].

　　（1）机械手运动精度定位精度和重复位置精度是评价机械手运动精度的重要指标，其反映的是机械手的运动可靠性。目前高速、高精度的机械手研发和制造成本较高，影响了其在小型企业的广泛应用。所以研发机械结构简单、制造成本较低的机械手，优化其控制系统以达到提高其运动精度和工作可靠性的目的，是未来小型工业机械手的发展趋势。

　　（2）标准化、模块化通用机械手和专用机械手是现在工业中运用最多的，这两种机械手在其性能和工作的要求上都有优缺点，不能更好的满足市场的需求，所以在设计机械手的过程中，应该提高机械手的各部件间的灵活连接，设计零部件的参数化，格局使用的要求灵活选用组装。机械手模块化，降低了设计机械手的难度，结构更加简单，维修保养方便，降低成本。让机械手设计朝着标准化，参数化方向发展，有很大的发展空间。

　　（3）智能化企业中常用的机械手都是通过编好的程序控制其做一些固定的运动，不能在复杂的工作环境中随即应变，有很大的局限性。所以我们希望研制的机械手不再是冷冰冰的机器，而是可以通过感知外部环境做出相应的动作，不再是做一些简单的高强度动作，让机器更加智能化，更好的满足人们的需求。随着技术的不断提高，智能化的机械手能更好的代替人的工作，并且结合视觉系统和触觉系统自动感知外部环境作出反应[32].

　　加大对机械手的自主研发，满足各行各业的生产需求，同时降低成本是工业机械手发展的重要前提。通过对国内外工业机械手的发展趋势分析，目前，我们需要对专用机械手进行设计开发，主要包括，其结构设计、电气控制技术、故障诊断与测试技术三方面的研究与优化设计，同时也要降低机械手的成本，满足企业的要求，加速工业机械手的应用，提高工业生产的机械化和自动化。

　　1.4 课题来源

　　本课题来源于河北省高等学校科学研究重点项目（项目编号为ZD2019058）。

　　1.5 主要研究内容

　　本文根据实际加工生产线中机械手工作环境，设计一套与磨边机对接的自动上下料机械手。内容主要包括以下几个方面：

　　（1）根据实际玻璃磨边生产线要求，设计自动上下料机械手的总体布局方案，确定各部分结构设计，主要包括平移机构、升降机构、翻转机构以及传送机构的设计。

　　（2）对自动上下料机械手关键执行机构进行运动学和动力学分析，通过模拟机械手执行机构各部分动作，检验机械结构的合理性；进行动力学分析，得到各部分连接处受力大小，为后续工作提供理论数据。

　　（3）对机械手移动架和翻转大臂进行静力学分析，分析应力分布云图和总变形情况，检验结构设计的可行性。对机械手底架进行模态分析，验证结构设计是否合理。

　　（4）对机械手气压驱动系统方案的设计，完成气动回路设计，并对气动回路元件进行选型计算。

　　（5）根据自动上下料机械手的工作流程，对其控制系统进行设计，主要包括系统硬件设计、系统软件设计和触摸屏功能设计。选择合适的电器元件并完成电路和程序的设计。

　　（6）最后对机械手机械结构和控制系统进行安装，完成对机械手的运行调试，对其工位进行确定。

　　第二章 玻璃磨边机上下料机械手结构设计 

　　2.1 上下料机械手总体方案设计 

　　2.2 动作流程设计 

　　2.3 上下料机械手本体结构设计 

　　2.3.1 平移机构的设计 

　　2.3.2 传送机构的设计 

　　2.3.3 翻转机构的设计 

　　2.3.4 抓取机构的设计 

　　2.3.5 升降机构的设计 

　　2.4 机械手关键零部件的选型及尺寸优化 

　　2.4.1 减速器选型 

　　2.4.2 电机选型 

　　2.4.3 同步带选型 

　　2.4.4 翻转机构尺寸优化 

　　2.4.5 底架设计及选材 

　　2.5 本章小结 

　　第三章 玻璃磨边机上下料机械手虚拟仿真分析 

　　3.1 Adams 软件简介 

　　3.2 上下料机械手的运动学仿真分析 

　　3.2.1 虚拟样机的建立 

　　3.2.2 机械手运动学仿真 

　　3.2.3 仿真结果分析 

　　3.3 上下料机械手的动力学仿真分析 

　　3.4 本章小结 

　　第四章 玻璃磨边机上下料机械手有限元分析 

　　4.1 引言 

　　4.2 有限元静力学分析 

　　4.2.1 大臂静力学分析 

　　4.2.2 移动架静力学分析 

　　4.3 底架模态分析 

　　4.3.1 模态分析 

　　4.3.2 模态分析步骤 

　　4.3.3 模态结果分析 

　　4.4 本章小结 

　　第五章 气压驱动系统的设计 

　　5.1 气动系统设计 

　　5.2 气动回路元件的选择 

　　5.2.1 气源 

　　5.2.2 气缸 

　　5.2.3 真空吸盘和真空发生器 

　　5.2.4 电磁阀 

　　5.2.5 气动回路元器件表 

　　5.3 气动回路设计 

　　5.4 本章小结 

　　第六章 机械手控制系统的设计 

　　6.1 引言 

　　6.2 控制系统硬件设计 

　　6.2.1 PLC 选型

　　6.2.2 电机控制电路设计 

　　6.3 控制系统软件设计 

　　6.3.1 PLC 输入输出端口分配

　　6.3.2 PLC 程序设计

　　6.2.3 PLC 程序编写

　　6.4 人机交互系统设计 

　　6.4.1 触摸屏选择 

　　6.4.2 人机交互界面设计 

　　6.5 本章小结 

　　第七章 样机组装与调试 

　　7.1 机械手机械结构组装 

　　7.2 机械手控制系统安装 

　　7.3 机械手调试运行 

　　7.4 本章小结 

总结与展望

　　本文根据玻璃磨边机加工生产线的需求，研发了一种自动上下料机械手，完成了机械手机械结构和控制系统的设计。该机械手结构简单、研发制造成本较低、具有一定通用性，也可用于玻璃清洗、玻璃钢化炉及中空线等不同玻璃加工生产线。论文主要完成的工作如下：

　　（1）在调研机械手的实际工况和运动要求之后，确定了自动上下料机械手的总体布局方案。对机械手各部分机械结构进行了设计，主要包括平移机构、升降机构、翻转机构以及传送机构的设计。使用 SOLIDWORKS 软件，对机械手零部件进行三维模型的创建，装配检查无干涉，完成运动仿真，满足机械手工作位置和运动轨迹要求。

　　（2）运用 ADAMS 软件对玻璃磨边机上下料机械手关键执行机构进行运动学和动力学分析。通过模拟机械手执行机构工作过程，得到运动过程中各部件速度位移变化曲线和各支点受力图，分析其变化曲线，论证了机械手机械结构设计合理性。

　　（3）通过 ANSYS Workbench 平台，对机械手移动架、底架和翻转大臂进行静力学分析，得到应力分布云图和总变形情况，验证结构强度和刚度满足设计要求，结构设计安全。进一步对机械手底架结构进行模态分析，得到底架前九阶固有频率、最大位移和振型，外部影响频率不在其固有频率范围内。

　　（4）对机械手气压驱动系统进行了设计，完成了真空吸盘、吸盘架升降、定位升降和辊轮升降机构的气动回路设计和元件选型计算，气动回路能够满足玻璃上下片的抓取和放置要求。

　　（5）根据玻璃磨边机自动上下料机械手的工作流程，对机械手控制系统进行了设计，主要包括系统硬件设计、软件设计和人机交互系统设计。完成了主控制器 PLC 的选型，绘制了电机控制电路图；对 PLC 输入输出端口进行分配，完成了程序的设计和编写；完成了触摸屏的选择和人机交互界面的设计。

　　（6）最后完成了样机制造，对样机进行了机械结构和控制部分的安装。通 过样机调试实验，对机械手工作过程中各项参数进行了测定，机械手执行机构的工作位置、运动速度及上片节拍等指标均达到预期要求，满足磨边机生产线上下料的技术要求。

　　本文对玻璃磨边机上下料机械手机械结构和控制系统进行了研发，并完成了样机的制造，运行调试结果符合设计要求，实现了和磨边机的工序对接。但由于时间、能力限制，该机械手尚存在有待完善之处：

　　（1）只完成了翻转机构的尺寸优化，可进一步对其它机构进行尺寸优化，减轻机械手整机重量、减低成本。

　　（2）将该机械手控制系统与视觉系统相结合，实现物料的自动识别与定位，提高机械手的智能化水平。

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　　[51] 任琪。 PLC 物料自动上下料机械手控制系统的设计[J]. 山东工业技术， 2018（05）： 126.

　　[52] 杨金桥。 基于 PLC 的上下料机械手[D]. 浙江工业大学， 2014.

致谢

　　时光匆匆，短暂的两年学习生活即将结束。在这两年，我不仅在学业上收获颇多，在生活中也得到很多温暖。借此机会，向所有在学习和生活中给予我帮助的老师、亲友表示我真诚的谢意。

　　感谢导师于晶晶老师对我研究生阶段学习生活的耐心指导和认真负责，在论文撰写过程中，悉心指导，对论文的研究方向和内容提出很多意见，帮助我理清论文的思路，顺利完成毕业论文。

　　在外派实习期间，感谢校外导师张铁壁老师、石岩老师和王文成老师的对我毕业课题项目的支持和指导，以及在生活中提供的帮助，使我的理论知识、实践能力和项目经历等多方面得到提高。同时还有感谢沧州德跃机械科技有限公司提供的学习平台、技术支持和照顾；感谢同事周强、徐韬、苏杰等在机械手组装和程序运行调试过程中提供的技术指导和帮助。

　　感谢我的同学们，对论文提出的意见和在生活上的帮助，一起愉快度过研究生学习生活。

　　感谢我的家人在背后默默的付出和支持，在我求学路上的关心、鼓励和包容，让我安心学习，顺利完成学业。

　　即将踏入社会，感谢河北科技师范学院的培养，在学校的学习成长，专业理论知识提高的同时，慢慢进步成熟；最后感谢在我学习、论文完成过程中各位老师的教导，老师们辛苦了。

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