齿坯上下料串并混联机械手分析与设计

摘 要

　　齿坯上下料机械手是用于汽车后桥主减盆角齿的悬挂式等温正火热处理线，在该生产线上、下料点各配套一台机械手，用于锻后工件由链板输送线至悬挂链输送线的自动上料，以及热处理后工件由悬挂链输送线至链板输送线的的自动下料。

　　本课题围绕对该齿坯上下料机械手的分析和设计展开，根据应用工况和设计要求，分析机械手的设计指标，提出一种新型混联机械手并对机械手手臂和手部构型进行设计。

　　在确定好机械手构型和初选尺寸的基础上，对机械手手臂的运动学和动力学进行分析并基于手臂机构的雅克比矩阵分析了手臂机构的奇异性。根据手臂机构的运动学反解绘制其工作空间并基于构型参数对工作空间的影响对尺寸参数进行了优选。

　　建立手部机构的力传递模型，选取了合适的构件几何参数并计算手部负载所需的驱动力。

　　对机械手整机结构进行设计，包括机械手底座、腰部、手臂和手部的结构设计及机械手的驱动和传动零部件的计算与选型。对机械手的上料过程进行轨迹规划，规划合理的轨迹路径点并采用抛物线过渡的曲线插值法对手臂的关节空间进行轨迹规划。

　　设计手臂控制系统，选择独立控制策略，使用嵌套控制回路的控制结构建立了手臂控制系统并使用 Simulink 对其进行建模和仿真，验证手臂控制系统模型的可行性。

　　关键词：混联机械手；构型设计；运动学；机构参数；结构设计；轨迹规划与控制

Abstract

　　Gear billet loading and unloading manipulator is used in automobile rear axle main basin Angle gear reduction is hanging isothermal heat treatment line, on the production line, cutting point each supporting a manipulator, after used for forging workpiece by chain plate conveyor line to hang chain conveyor line, automatic feeding, and after heat treatment of workpiece by suspension chain conveyor line to chain plate conveyor line automatic blanking.

　　This topic focuses on the analysis and design of the gear blank loading and unloading manipulator. According to the application conditions and design requirements, the design index of the manipulator is analyzed. A new type of hybrid manipulator is proposed and the configuration of the manipulator arm and hand is designed.

　　On the basis of determining the configuration and the primary size of the manipulator, the kinematics and dynamics of the manipulator were analyzed, and the singularity of the manipulator was analyzed based on the Jacobian matrix.

　　Based on the inverse kinematics of the manipulator, the workspace was drawn and the size parameters were optimized based on the influence of configuration parameters on the workspace. The force transfer model of the hand mechanism was established, and the appropriate geometric parameters were selected and the driving force required by the hand load was calculated.

　　The whole structure of the manipulator is designed, including the structural design of the manipulator base, waist, arm and hand, as well as the calculation and selection of the drive and transmission parts of the manipulator. The trajectory planning of the manipulator is carried out during the loading process. The reasonable trajectory path points are planned and the trajectory planning of the joint space of the manipulator is carried out by using the curve interpolation method of parabolic transition. The arm control system was designed, and the independent control strategy was selected. The arm control system was established by using the control structure of the nested control loop, and the model and simulation were carried out by using Simulink to verify the feasibility of the arm control system model.

　　Key words: hybrid manipulator; kinematics; dimension parameter; structural design; track planning and control motor control system

目 录

　　1 章 绪 论

　　1.1 引言

　　随着现代工业化的发展，先进发达的工业化国家相继提出了制造业强国的目标，美国提出了美国新进制造计划，德国提出了德国工业 4.0,日本提出日本制造业白皮书，为了赶上发达国家工业自动化进程，中国也提出了中国制造 2025.中国制造 2025意味着我们制造业将面临着全面转型升级的任务，意味着现在的工业现场的许多高危重体力及许多重复性单调的工作在未来都将被工业机器人代替。而工业机器人的应用，一方面可以减轻工人们的劳动强度，把人们从单调危险的工作环境中解放出来，在另一方面，也改善了产品的品质，提高了劳动生产效率。所以，发展工业机器人技术，实现工厂生产由人工向半自动化乃及全自动化生产的过渡是一个很重要的战略节点，生产自动化水平已经成为衡量一个国家生产制造水平的重要指标之一[1-5].

　　1959 年，美国生产的第一台工业机器人[6].现在，各式各样的工业机器人的被广泛应用于各个领域的工业环境中。工业机器人是指具有多自由度的机械装置或设备，狭义的工业机器人主要指具有多个自由度的机械臂。它们依靠自身的特殊机构和驱动系统，控制系统等共同来实现工业上的自动化。它们可以通过示教或者预选编号的轨迹程序来实现需要的功能操作，现代的机器人加上人工智能技术以后可以实现更灵活的工业自动化操作。工业机器人在航空航天、汽车制造、交通运输、冶金化工等重要的工业部门扮演重要角色，被广泛应用在焊接，刷漆，上下料，码垛，装配等工业场合[7].

　　上下料机械手是工业机器人重要的组成成分。作为各种加工生产线中最基本的工序之一，上下料工序成为自动化生产线效率高低的一个关键因素。根据各种生产线上下料工序的要求，工厂环境等设计合适的上下料机器人，直接影响到企业生产效率，生产成本以及产品质量。在工业上，上下料机械手的应用减轻了劳动强度，保证了产品质量，实现安全生产。尤其是在在高温，高压，低温，低压，粉尘，易爆和放射性等恶劣的环境中工作，机械手的替代意义巨大。因此，在机械加工生产线，铸造，锻造，冲压，热处理，电镀，喷漆，装配等需要上下料机械手的工业环境中，上下料机械手将进一步大展身手[8-10].

　　1.2 课题背景及意义

　　本课题的应用背景是国内某企业要建造一条用于汽车后桥主减盆角齿的悬挂式等温正火热处理线，需为该生产线上、下料点各配套一台机械手，用于锻后工件由锻机至热处理线工装的自动化转移，以及热处理后工件的自动下料装筐。

　　作为热处理生产线中最基本的工序之一，上下料工序成为热处理生产线效率高低的一个关键因素。传统热处理生产线的上下料工序需要人工操作，但是生产线车间高温，污染，噪音等造成了车间环境恶劣，使得人工上下料存在很多安全隐患，现在传统热处理生产线已经无法满足行业需求了，因此现在的生产线上下料都在朝着自动化方向发展[11].

　　在现代自动化热处理生产线中，上下料工序通常由机械手完成。热处理生产线中的上下料机械手的应用弥补了人工送料的各种不足，同时降低了生产成本，提升了产品质量，也更加便于管理。因此，上下料机械手决定了热处理生产线的效率，是热处理生产线自动化的基础[12,13].但是，由于我国研究人员对于上下料机器人的研究依然与国外发达工业大国的先进水平差距明显，国内能够自主设计机器人并大批量应用的厂家很少，导致我们很多企业使用的上下料机械手都是依赖进口的，价格昂贵。而且由于国外的上下料机械手的设计并不是针对中国企业的特定需求，并未结合企业实际情况进行设计，因此，对于企业来讲并非最合适。

　　因此，根据我国自动化生产线的实际情况，结合具体上下料要求来研究和设计所需的上下料机械手对于我国工业自动化发展具有重要意义。它将丰富我国上下料机械手的构型，可以为设计自动化生产线中的上下料机械手提供参考价值。

　　1.3 上下料机械手的国内外研究现状

　　工业机器人产业作为高端制造装备的重要组成部分，技术附加值高，市场需求空间大，对未来制造业的生产自动化，柔性化，智能化影响巨大，有望成为继汽车，飞机，计算机之后出现的另一战略新兴产业[14].因此，在过去的年间，世界各国都纷纷将发展机器人技术和产业作为本国科技发展的重要战略地位。上下料机器手作为是工业机器人的重要组成成分，开展对上下料机器手的研究意义重大。

　　1.3.1 上下料机械手国外研究现状

　　国外工业机器人技术由于起步较早，其技术也比较成熟。世界上第一台工业机器人 Unimate 在美国研制成功，第一台全电驱 6 轴工业机器人 FAMULUS 由德国 KUKA公司于 1973 年率先研制成功。如今在发达国家中，工业机器人的应用领域越来越广泛，主要应用在各种自动化生产线中，包括焊接，搬运，上下料，检测，装配等等[15].

　　在国际上有影响力的，知名度较高的工业机器人公司大都是来自国外，这些公司已经形成了一些标准设备且得到工业界的广泛应用。目前，国际上的知名工业机器人公司主要分为日系和欧系，它们占据着国内的大部分市场。日系的主要公司有安川，FANUC,松下等。欧系中，有瑞典的 ABB,德国的 KUKA,意大利的 COMAU 和奥地利的 IGM 公司，其中 ABB 公司是世界上最大的机器人制造公司，在工业机器人领域中被广泛应用。

　　机器人公司的上下料机械手产品类型主要有：少自由度机械手，传统六自由度机械手和多自由度机械手。

　　（1）少自由度机械手20 世纪 80 年代，少自由度的机械手开始在工业生产中使用。如图 1-1 所以的Doppin 2D 型摆臂机械手，这是 ABB 公司生产的一款两自由度机械手，可以用于装载金属板坯料。该机械手由于自由度少，所以结构简单，速度快，可靠性高，生产成本也低，但是由于其水平行程较小，一般是使用两个机械手并配合穿梭小车协调工作完成上下料任务的。图 1-2 所示是安川公司的 4 自由度上下料机械手，其水平伸出度可达 3159mm,可以搬运 160kg 的工件，重复定位精度为正负 0.5mm.该机械手高速稳定精度高，设备构成简易且维护成本低，是一款通用型机械手，适用于各种上下料场合。

　　（2）传统六自由度机械手现在工业环境中应用最普遍的就是 6 自由度机械手，这种机械手由于适用于各种复杂工业环境，可以设计成具有不同负载能力和工作范围的各种规格的工业机器人，所以占据着工业机器人市场的半壁江山。

　　图 1-3 为 ABB 公司最新推出的第七代工业机器人 IRB6700 IRB,有多款型号，负载在 150kg 至 300kg 之间，工作范围为 2.6 至 3.2 米，在精度、负载和速度方面大幅提升，同时功耗降低了 15%且总体可维护性得到提升，使最大故障间隔时间达到400000 小时，可适用于各种上下料任务。图 1-4 为发那科 6 轴工业机器人 Robot-1000IA,该机器人拥有 6 个自由度，因为其将机器人的横向宽度减小到了极限，整体机构紧凑，所以可以贴近临接的机器人，夹具或者工件进行安装。其最大伸长半径科大 2.06m,负载 80kg,重复定位精度为±0.07mm.这块机器人具有的紧凑的机器人结构和优越的运动性能，能够布局在密集的上下料，搬运，码垛，取件，包装等各种作业。

　　为了让上下料机械手在速度，稳定性和柔性方面有所提升，很多机器人公司在传统六自由度机械手的基础上研发了整体性能更强的上下料机械手。它们通过在传统六轴机器人末端串联上一个直线移动轴或者转动轴，使得机器人的适应性更强，速度更快。如图 1-5 所示，ABB 公司在六自由度机械手的基础上设计出了旋转七轴机械手，该机械手是在六自由度机械手的末端添加了一个独立的旋转轴，其整体工作范围可以达到 3100mm 到 4550mm,负载 50kg.

　　在某些工业场合但机器人技术无法满足生产需要，为此多机器人技术应运而生。

　　图 1-6 是安川公司的双臂机器人 SDA5F,该机器人具有十五个自由度，水平身长范围达 1604mm,每一个腕部可以负载 50kg,由于采用独特的双臂控制协调作业，使其工作可以更灵活，可以应用于上下料，搬运，组装等多种场合。

　　1.3.2 上下料机械手国内研究现状

　　相对于与国外先进的工业大国，我们国家的工业机器人起步较晚，国产知名机器人公司数量甚少。我国从二十世纪八十年代开始进行机器人的研究，哈工大研发了第一台弧焊机器人"华宇Ⅰ型".自 1986 年开始，我国先后启动了"七五"机器人攻关计划，"863"国家高技术发展计划，使我国在机器人技术领域取得了一系列成果。

　　机器人产业化是未来发展的趋势，我国为了摆脱仅仅是机器人消费大国，成为机器人制造和销售大国，支持和开展各种工业环境下机器人的应用非常重要。近些年来，由于国家制造业转型的需要，国家在政策上给予了很多支持。经过一系列技术攻关，我国的工业机器人产业也实现了从无到有，从小到大，取得了一系列成果，出现了一些具有竞争力的机器人企业，而且呈现出来快速发展的趋势[16-18].例如，新松机器人自动化股份有限公司，海尔哈工大机器人技术有限公司，埃斯顿自动化公司等。

　　以新松机器人自动化股份公司为例，该企业是一家拥有机器人核心技术、致力于高端装备制造的高新技术企业，是中国机器人行业的领军企业。

　　针对不同的上下料环境，新松公司研发相适应的上下料机器人。如图 1-7,这是新松公司自主开发的 DT 系列搬运机械手，采用龙门架结构以及双侧齿轮齿条传动的方式，运动平稳且承载能力强。这系列的机械手具有广泛的应用范围，能够承受一定的冲击，搬运较重的工件，运动位置精度高，具有较大的结构刚性。结合灵活柔性化的模块化设计广泛应用于多种行业。如图 1-8 所示，这是新松自主研发的串联六关节机器人 SR80B,是新松自动化公司应用最广泛和最灵活的工业机器人之一。该机器人机身结构紧凑，手臂修长，节约空间，在密集型布局产业中的前景应用广泛，同时具有具有运动范围广，运动性能好，可靠性高的优点，被广泛应用于上下料作业。

　　除了串联上下料机器人，新松也开发了并联上下料机器人。如图 1-9 为新松自主研发的 SRBL3A 六轴并联机器人，该机器人具有 6 个自由度，具有灵活性强，精度高，钢性强等特点，具备示教功能，并支持视觉识别，可以满足大多数精密作业场合，可以实现柔性上下料。在六自由度并联上下料机械手外，新松公司也研发了 Delta、SCARA 并联机器人等。

　　我国已经是世界最大的机器人市场，且还有很大的拓展空间。但是，目前我国大部分已装备的机器人是被国外机器人品牌占据的，主要原因是我国机器人产业起步相对较晚，市场被抢先占据，同时我国目前与欧美日等发达国家的机器人在伺服电机，减速器，控制系统等方面均存在一定差距。

　　1.4 论文主要内容

　　论文根据国内某汽车热处理生产线上下料机器人的设计要求及工况，设计出一种能够满足实际需求的上下料机械手。论文对机械手的整体构型方案，运动学，动力学，轨迹规划，样机结构设计及控制系统设计等进行了研究。主要研究内容如下：

　　（1） 以热处理生产线的工况和实际需要，确定上下料机械手的技术指标，根据设计指标提出了一种新型串并混联上下料机械手，并进行尺寸初选和整体方案分析。

　　（2） 确定机械手构型后，对构型方案中的手臂机构的运动学和动力学进行分析。

　　内容包括建立合适坐标系，求得机构位置正反解，求解机械手的雅可比矩阵并对机构奇异性进行分析，求解机构动力学模型。

　　（3） 基于位置反解求得机械手的工作空间，并根据机构参数对工作空间的影响优选机构尺寸参数。分析了机械手手部的力传递模型，并对机械手手部机构构件选择合适的几何尺寸参数。

　　（4） 设计机械手的整机结构，包括机械手的底座，腰部，手臂，腕部和手部的结构设计，以及对机械手的驱动和传动零部件进行计算和选型。

　　（5） 对机械手上下料进行轨迹规划，包括路径点选取和轨迹拟合。对机械手手臂的电控系统进行探索，采取独立控制策略，基于电机驱动器模型，设计了控制系统的速度环和位置环，并进行建模仿真分析。

　　第 2 章 机械手方案分析

　　2.1 引言

　　2.2 机械手设计指标分析

　　2.2.1 作业背景及过程

　　2.2.2 设计指标分析

　　2.3 机械手构型方案设计

　　2.3.1 手臂构型设计

　　2.3.2 手部构型设计

　　2.4 机械手手臂机构尺寸初选

　　2.5 机械手驱动和传动系统分析

　　2.6 机械手控制系统分析

　　2.7 本章小结

　　第 3 章 机械手运动学及动力学的分析

　　3.1 引言

　　3.2 机械手手臂机构坐标系及自由度

　　3.3 机械手手臂运动学分析

　　3.3.1 位置反解

　　3.3.2 反解算例验证

　　3.3.3 位置正解

　　3.3.5 雅可比矩阵及奇异型分析

　　3.4 机械手手臂动力学分析

　　3.4.1 Lagrange 动力学方程

　　3.4.2 手臂机构动能和势能分析

　　3.4.3 手臂动力学模型

　　3.5 本章小结

　　第 4 章 机械手工作空间及机构参数

　　4.1 引言

　　4.2 机械手手臂工作空间

　　4.2.1 手臂运动约束条件

　　4.2.3 手臂工作空间绘制

　　4.3 机械手手臂机构参数优选

　　4.4 机械手手部机构参数

　　4.4.1 手部力传递计算

　　4.4.2 手部的结构参数

　　4.5 本章小结

　　第 5 章 机械手结构设计

　　5.1 引言

　　5.2 机械手整机结构布局

　　5.3 机械手底座及腰部设计

　　5.3.1 底座设计

　　5.3.2 腰部设计

　　5.4 机械手手臂和腕部设计

　　5.4.1 球副功能设计

　　5.4.2 手臂支链

　　5.4.3 腕部设计

　　5.5 机械手手部设计

　　5.6 机械手液压驱动设计

　　5.6.1 手部液压驱动

　　5.6.2 腕部和腰部液压驱动

　　5.7 直线模组设计

　　5.7.1 滚珠丝杠的选择

　　5.7.2 伺服电机的参数计算和选择

　　5.8 机械手整机结构

　　5.9 本章小结

　　第 6 章 机械手轨迹规划与控制

　　6.1 引言

　　6.2 机械手轨迹规划

　　6.2.1 操作空间路径点规划

　　6.2.2 轨迹规划

　　6.2.3 轨迹规划算例

　　6.3 机械手轨迹控制

　　6.3.1 驱动器

　　6.3.2 独立控制系统

　　6.3.3 手臂轨迹控制仿真

　　6.4 本章小结

结 论

　　本课题以国内某企业齿坯热处理线上下料为背景，设计了一种新型串并混联上下料机械手，实现锻后工件的自动上料及热处理后的自动下料。对机械手的机构构型、机构运动学、动力学、工作空间，机械手整机结构设计、手臂关节空间轨迹规划和电控系统设计等方面展开了研究。

　　（1） 根据机械手作业要求分析设计指标，基于设计指标提出了一种新型混联机械手构型方案 R-3（P-2（S-S）-R,手臂采用 3（P-2（S-S）并联机构，腰部和腕部分别串联一转动副，构成五自由度串并混联机械手构型，该机械手能满足上下料要求且兼具串并联机构的优点。基于齿坯工件形状和尺寸设计了机械手手部构型，该构型简单有效，动作灵活，能够抓取不同规格尺寸的齿坯工件。

　　（2） 利用几何向量关系求解了手臂机构正反解，为工作空间求解、轨迹规划、控制系统设计等提供了运动学基础。基于手臂机构的雅克比矩阵对其奇异性进行了分析，分析表明尺寸设计时要避免手臂并联机构动静平台半径尺寸相差不大且轨迹规划时并联机构的 P 副和动平台不能处于同一水平面上。使用拉格朗日法建立了手臂机构动力学方程，为建立基于模型的柔性控制系统提供了动力学基础。

　　（3）基于手臂机构初选尺寸和机构反解绘制了手臂机构的工作空间，结果表明初选机构尺寸参数超出了手臂机构的工作空间要求。通过分析两个对工作空间影响较大的参数l 和a ,对手臂机构的尺寸参数进行了优选，优先后的尺寸参数更小且能够满足工作空间要求。通过力学分析，建立了手部机构的力传递模型，并根据各个机构参数对力传递性能的影响设计了一组较合适的手部机构参数，该手部机构可以满足所需的不同规格齿坯工件的抓取。

　　（4） 对机械手的整体结构进行设计，包括机械手底座、腰身、手臂及手部的结构设计并对机械手的驱动和传动零部件进行计算和选型，选用 YMD 型单叶片摆动液压缸驱动机械手腰部和腕部的转动关节，选用 BMH1002P 型同步伺服电机和丝杠滑台模组驱动手臂三分支的移动关节，选用双输入液压缸驱动手部动作。

　　（5） 根据上下料机械手作业特点，合理规划了机械手操作空间的运动路径点，并基于运动学反解和抛物线过渡的线性插值法对机械手手臂关节空间进行了轨迹规划轨迹规划曲线光滑平稳，连续性好。采用独立控制策略对机械手手臂控制系统进行设计，并使用 Simulink 对其进行建模仿真，结果表明该控制系统具有较好的轨迹跟踪性能，验证了控制系统的可靠性。

　　（6） 由于篇幅有限，本文未利用动力学建立基于模型的柔性控制系统，未对整机电液一体化控制系统进行分析设计。

　　本文为该上下料机械手的研发和使用奠定了理论基础，为开发具有自主知识产权的新型上下料机械手提供了参考。在后续的工作中，该论文的分析可以作为物理样机制造的参考，然后针对实际工况对上下料机械手做更进一步的分析和改进。

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致 谢

　　时光飞逝，短暂的研究生学习生涯即将结束。值此论文完成之际，谨向所有给予我帮助的老师、同学和家人表示衷心的感谢！

　　本论文是在金振林教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、框架及内容，金老师都给予了无私的帮助。金老师严谨务实的工作作风，敏锐的学术洞察力以及开拓性的创新思维深刻影响着我，其言传身教让我受益匪浅。在此，向金老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。

　　感觉师兄王跃灵、赵裕明、冯海兵、谢忠，贾志众等在学习和生活中给予的支持与帮助；感谢同窗王凯，宋鹏，卫健行，室友高翔、杜金金、戈剑章在学习和生活中提供的支持与帮助。衷心感谢家人在物质上的无私给予和精神上的细致关怀！

　　最后，向参与论文评审和答辩的各位老师表示由衷的感谢。

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