立式中空玻璃生产线上下片机械手的设计与分析

摘 要

　　随着国家建设新农村政策出台和房地产事业的快速发展，中空玻璃作为房屋的必需品，具有更广阔的市场前景，然而现阶段在制造中空玻璃工艺过程中，仍处于半自动化状态。人工上片玻璃和人工下片玻璃，使得人工劳动强度大，制造中空玻璃效率低，人工成本高等，严重制约了全自动化时代的发展。针对现阶段制造中空玻璃工艺流程处于半自动化现状，本文设计了一种中空玻璃生产线用的上下片机械手。

　　本文首先介绍了国内外上下片机械手的研究现状，然后提出了中空玻璃生产线用上下片机械手的总体设计方案，进一步阐述了上下片机械手各部件的结构设计、选型计算、关键零部件的有限元分析以及上片机械手的运动学和动力学分析。详细的内容有以下几个方面： （1）根据上下片机械手所处的工作环境、工艺要求以及技术参数要求，确定了中空玻璃生产线用上下片机械手的总体设计方案。

　　（2）阐述了上下片机械手的尺寸、末端执行器、基座的设计的细节，并且对电机、减速机、齿轮齿条以及同步齿形带和吸盘进行选型和计算。

　　（3）采用 ANSYS 有限元分析软件对关键零部件进行静力学分析和模态分析，确保关键零部件具有足够的强度和刚度。

　　（4）采用 D-H 表示法建立坐标系，建立运动学方程，得出运动学正解和逆解，利用 ADAMS 验证其运动学方程正确性。建立拉格朗日动力学方程，采用ADAMS 得出相关图解，验证电机、减速机等结构设计的正确性。

　　（5）根据控制要求，完成了末端执行器气路、系统硬件、系统软件的设计，并制做出样机，调试结果达到预期要求。

　　关键词：自动上下片；机械手；玻璃；运动学；动力学；控制

　　Abstract

　　With the introduction of the country's new rural construction policy and the rapid development of real estate, insulating glass, as a necessity for houses, has a broader market prospect. However, at this stage, the process of manufacturing insulating glass is still in a semi-automated state. Manual loading of glass and manual loading of glass make manual labor intensive, low efficiency in manufacturing hollow glass, and high labor costs, which severely restrict the development of the fully automated era.

　　Aiming at the semi-automatic status of the manufacturing process of insulating glass at this stage, this paper designs a robot for the upper and lower sheets of the insulating glass production line.

　　This article first introduces the current research status of loading and unloading manipulators at home and abroad, and then proposes the overall design of the loading and unloading manipulators for the hollow glass production line, and further elaborates the structural design, selection calculation, and finite element of key components of the loading and unloading manipulators. Analysis and kinematics and dynamics analysis of the loading manipulator. The detailed content has the following aspects:

　　（1） According to the working environment, process requirements and technical parameter requirements of the loading and unloading manipulator, the overall design plan of the loading and unloading manipulator for the hollow glass production line is determined.

　　（2） Explained the details of the size of the upper and lower manipulators, the end effector, and the design of the base, and the selection and calculation of the motor, reducer, rack and pinion, synchronous toothed belt and suction cup.

　　（3） Use ANSYS finite element analysis software to conduct static analysis and modal analysis on key components to ensure that the key components have sufficient strength and rigidity.

　　（4） Use D-H notation to establish the coordinate system, establish the kinematics equations, obtain the kinematics forward and inverse solutions, and use ADAMS to verify the correctness of the kinematics equations. Establish Lagrangian dynamics equations and use ADAMS to obtain relevant diagrams to verify the correctness of the structural design of motors and reducers.

　　（5） According to the control requirements, the design of the end effector gas circuit, system hardware, and system software was completed, and a prototype was made, and the debugging results met the expected requirements.

　　Key words: automatic loading and unloading; manipulator; glass; kinematics;dynamics; control

目录

　　第一章 绪论

　　1.1 课题研究意义

　　我国工业生产线同国外依然存在不小的差距。机械手在制造业、军事、医疗、流水线等领域得到了广泛应用，基本实现了工厂生产中从人工向半自动化甚至全自动化的快速对接。然而在制造中空玻璃的工艺过程中，将玻璃运送到流水线上，仍处于人工搬运或者半自动化状态搬运状态，不仅生产效率低，人工成本高，而且在搬运过程中容易造成玻璃损坏，影响玻璃的质量。因此提出一种中空玻璃生产线用的上下片机械手。

　　上下片机械手同传统的方式有以下几个优点：一是提高工作效率，可以不停歇的工作；二是人工成本降低，提高安全性；三是降低损坏率，提高玻璃质量。

　　上下片机械手的发展能极大促进全自动化的快速发展。

　　1.2 工业机器人国内外研究现状

　　1.2.1 国外研究现状

　　美国乔治？德沃尔在 1954 年设计出一台可以用来编程序的工业机器人[1].随 着工业机器人的技术成熟和完善，对工业机器人的标准也会越来越高，机器人的智能化、模块化和标准化的程度也会越来越高。工业机器人全自动化装备已经逐渐成为自动化作业的标杆，应用于各个领域，比如军事领域、医疗领域、农业领域、娱乐领域等。在各种产业工艺流程中，工业机器人扮演着重要的角色。目前国外有名的公司有欧洲的 ABB、意大利的 COMAU、以及日本的安川等。

　　国外的机器人主要以欧盟为主[2].在欧盟，主要以瑞典的 ABB 公司为主。

　　图 1-1 所示为其研发的上下料 6 轴机器人 IRB6660-100/3.3.该机器人最大工作半径 3.35m,承重能力为 100kg,该系列比其系列效率快 15%[3],并且冲压线扩至 8.7m,坯件尺寸加大，机器人节拍时间缩短。

　　ABB 公司推出图 1-2 所示的第七代工业机器人 IRB6700.工作范围为 2.6 至3.2 米，在精度、负载和速度方面大幅超越，消耗的功率降低了 15%,总体的可靠性提升，使最大故障间隔时间达到 400000 小时，可用于冲压线上下料任务。

　　日本安川在 2012 年研发出新一代 MOTOMAN-EPH130D（如图 1-3 所示） 和 EP4000D（如图 1-4 所示）上下料机器人。MOTOMAN-EPH130D 的系列冲程次数范围为 8.5-12SPM.EP4000D 的系列冲程次数范围为 9-14.5SPM.它们采用的是 DX100 控制系统。具有高速指令的处理速度，具有示教编程，多个窗口显示功能等的特点。

　　图 1-5 为 KMRiiwa 移动机器人，将库卡轻型协作机械臂 LBRiiwa（intelligentindustrial work assistant）和方位移动机器人结合，使其反应时间更短，灵敏度更高，实现了自动化。

　　FANUC[4]采开发了如图1-6所示的钣金加工自动化生产线。将机械臂与AGV的组合，让机器人不仅可以在生产线的工序间实现搬运物料和调度任务，还可根据生产需要调配到任意工序共同进行生产，实现了物料的传输及智能无人化生产。

　　1.2.2 国内研究现状

　　我国研究工业机器人起步较晚但发展迅速。在国家各种政策之下，经过各大高校，研究院等不懈努力下，我国的工业机器人的技术不断发展和创新，机器人应用的领域也不断扩大，到如今工业机器人不断的取得好成果。

　　2016 年田乐帅等[5]人设计了的一种冲床上下料机械手，见图 1-7.该机械手动作简单、节拍次数高、工作稳定、速度位置精度高，代替人工完成钣金件的吸放和搬运工作。

　　2018 年张金婴[6]在传统的传送带式的光伏生产线上的基础上，设计并开发出了一台上下料机器人，见图 1-8.该机器人适应晶硅电池生产的需求，能进行光伏电池片实验检测，具有柔化性特点，并且提高了生产线的灵活度。

　　2019 年王泽辉等人设计了一种图 1-9 所示的摇臂式自动上下料机器人，满足了中小型企业机床上下料任务[7].该上下料机器人代替人工劳动进行上下料，在工作时能够稳定快速的完成任务，具有稳定性、准确性、效率高以及高性价比4 个优势。

　　2020 年鲍业泉设计了一款食品封装线作业协同机器人[8],图 1-10 为该机器人工作时的图片。它能够较好的完成与备料输送线的定位抓取配合，并能在满足封装线生产周期 13.5s 的前提下，依次将 4 个产品放入到封装工位的协同作业，提高了工作效率。

　　2020 年陈锐鸿等人[9]设计了图 1-11 所示的变速箱齿轮啮合测试机上下料机械手。它基于 PLC 为控制系统，合理规划机械手路径使用变址寄存器方法调用不同机种的点位位置参数，效率提高了 14%,成本降低 1/3.

　　2021 年付铁等人研发了一种可用于激光打标机的自动上下料机械手，如图1-12 所示。该机械手主要由升降机构、摆动机构和物料抓放机构组成，并采用PLC 实现控制，很好的完成了激光打标操作过程中的自动上下料任务，保证了激光过程的操作安全[10].

　　1.3 上下片机械手存在问题和发展趋势

　　1.3.1 机械手存在问题

　　（1）工作效率低，现今的中空玻璃机械手每分钟仅仅能够吸取玻璃 2-3 个，生产节拍慢；

　　（2）吸力不能控制的很好，很多厂家一直在研制中空玻璃上下机械手，但对于吸取玻璃这一块总是失误，经常会吸不起来，有时吸起一定高度，由于某个地方漏气或者吸力不够导致玻璃掉落；

　　（3）局限性大，在玻璃制造中，会有不同规格大小的玻璃进行制造，加工，然后出成品，现今研制的上下料机械手只能吸取特定尺寸的玻璃，这样会大大加重制造玻璃厂家的成本，不能实现一机可以吸取多种不同规格的玻璃；

　　（4）机械手不能精准的控制每一个动作，在运行过程中，经常会由于惯性机器停不下来，导致后面出现差错，整个机器的协调性还不够顺畅，生产节拍有时也跟不上，整台机器的技术不够成熟；（5）噪声大，在运行过程中，由于机器之间的不协调，各部件之间运用的不准确，采用的零件不准确，导致在生产过程中，噪音太大；

　　（6）出成品时，中空玻璃表面会经常带有一些灰尘，不够干净，还得进行人工擦拭，增加人工成本。

　　1.3.2 机械手的发展趋势
　　随着制造业全自动化的时代到来。在制造业产业中，工艺过程对上下料机械手的要求会越来越高。上下料机械手的发展趋势主要表现在以下几个方面：

　　（1）成本低，结构简单；

　　（2）能够一机吸取不同规格尺寸的玻璃，同时对于表面光滑且形成密封状态的物品都能够进行吸取，实现跨越种类的吸取；（3）工作高效化，增加各部件之间的协调性，提高上下料机械手上料和下料的速度显得尤为重要； （4）可视化，基于视觉的机械手能够区分玻璃的尺寸，抓取玻璃到指定位置；（5）可靠性和重复精度高，提高机械手的质量和工作精度。高可靠性和重复高精度机械手是未来发展的必然趋势[11].

　　1.4 主要研究内容和方法

　　1.4.1 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）。

　　1.4.2 研究内容

　　根据中空玻璃生产工艺流程中上料工位和下料工位的实际生产需求，设计一种用于中空玻璃生产线用的上下片机械手，该机械手主要代替人工在中空玻璃生产线中完成玻璃的上片和下片任务。研究的内容主要有：

　　（1）针对现阶段中空玻璃生产线工作环境、工艺流程以及相关的部分技术参数基本情况，确定了机械手的功能需求和工作流程，对传送系统以及机械手各部件进行结构设计方案，提出了总体结构方案设计。

　　（2）主要确定了机械手的尺寸，完成了机械手各部件的结构设计，并且对电机、同步带、减速机等进行计算选型。

　　（3）主要对上片机械手的关键零部件进行有限元分析，强度校核。采用ANSYS 有限元软件对关键零部件进行静力学分析和模态分析。

　　（4）采用 D-H 法建立运动学方程，得出正解和逆解，利用 ADMAS 进行运动学分析。采用拉格朗日方程，建立动力学方程，利用 ADMAS 进行仿真分析。

　　（5）主要完成了气路系统、系统硬件和系统软件的设计，并且对相关部件进行选型。

　　1.4.3 研究方法

　　（1）通过查阅大量文献结合实际情况，并且去工作场地观察，分析机械手的工作环境和工作基本要求，确定自由度和结构。 （2）对机械手进行整体以及各个部分的方案设计，通过生产玻璃流程，确定机械手的工艺流程以及参数要求，对机械手的各个零件进行选型计算，对各个部分零件进行设计。

　　（3）设计出机械手，通过 SOLIDWORKS 画出三维图，通过 ANSYS 对一些零件做静力学分析，来验证这些零件宽度、直径等尺寸是否合适，对相关零件做模态分析，保证电机和这些零件在工作过程中不发生共振。

　　（4）通过 D-H 法建立坐标系，建立坐标系方程，利用 ADAMS 软件进行运动学仿真，来验证运动学分析的正确性。

　　（5）建立动力学方程，通过 ADAMS 进行动力学仿真，验证电机和减速机等选型的正确性，通过相关的参数确定样机，制作出样机，进行调试。

　　第二章 中空玻璃生产线用上下片机械手总体方案设计

　　2.1 中空玻璃的生产工艺路线

　　2.2 上下片机械手的工艺要求和技术参数要求

　　2.2.1 上下片机械手的工艺要求

　　2.2.2 上下片机械手的参数要求

　　2.3 机械手的结构设计方案

　　2.3.1 自由度与动作设计

　　2.3.2 升降和前后传送部件的方案设计和选择

　　2.3.3 传送系统部分的方案确定

　　2.3.4 机械手吸盘的选型

　　2.3.5 运输机架的方案设计

　　2.3.6 总体结构方案设计

　　2.4 本章小结

　　第三章 中空玻璃生产线用上下片机械手结构设计

　　3.1 机械手的尺寸确定

　　3.1.1 机械手臂的尺寸确定

　　3.1.2 末端执行器的尺寸确定

　　3.2 械手关键零部件选型计算

　　3.2.1 减速机的选型和计算

　　3.2.2 电机的选型和计算

　　3.2.3 齿轮齿条的选型和计算

　　3.2.4 同步齿形带的选型和计算

　　3.2.5 直线导轨的选型和计算

　　3.2.6 吸盘的选型和计算

　　3.3 本章小结

　　第四章 关键零部件有限元分析

　　4.1 光轴的有限元分析

　　4.1.1 光轴的强度校核

　　4.1.2 光轴的静力学分析

　　4.1.3 光轴的模态分析

　　4.2 玻璃的有静力学分析

　　4.3 末端执行器机架的静力学分析

　　4.4 本章小结

　　第五章 上片机械手的运动学和动力学分析

　　5.1 刚体的齐次变换和 D-H 表示法

　　5.1.1 刚体的位姿和齐次变换

　　5.1.2 D-H 表示法

　　5.2 上片机械手运动学分析

　　5.2.1 机械手运动学正解

　　5.2.2 机械手运动学逆解

　　5.2.3 机械手运动学分析算例

　　5.2.4 机械手运动学仿真分析

　　5.3 动力学分析

　　5.3.1 拉格朗日动力学理论

　　5.3.2 动力学方程

　　5.3.3 动力学仿真分析

　　5.4 本章小结

　　第六章 上下片机械手控制系统设计及样机调试

　　6.1 气路系统设计

　　6.2 控制系统的设计

　　6.2.1 系统组成

　　6.2.2 控制任务要求

　　6.2.3 控制系统方案设计

　　6.3 系统硬件设计

　　6.3.1 PLC 选型

　　6.3.2 PLC 系统输入/输出系统的设计

　　6.3.3 输入电路设计

　　6.3.4 电器接线图的设计

　　6.4 机械手控制系统软件设计

　　6.4.1 触摸屏

　　6.4.2 机械手系统人机界面设计

　　6.4.3 主控界面

　　6.4.4 PLC 程序设计

　　6.5 上下片机械手物理样机和调试

　　6.6 本章小结

　　总结与展望

　　1.课题研究工作总结

　　本文针对生产中空玻璃流水线中自动化程度低、需人工参与等的现状进行研究，设计出了一个立式中空玻璃生产线上下片机械手，主要研究内容和结论如下：

　　（1）通过查阅资料和观察实地，分析了机械手的工作环境和基本要求以及工作相关参数。确定了自由度和机械手的结构简图，整体的设计方案。

　　（2）确定了机械手结构、驱动方式和传动结构，并完成了选型计算，采用仿真法验证了选型的正确性。

　　（3）建立了机械手的运动学和动力学模型，并采用过 Adams 工程软件仿真验证了机械手运动学和动力学的正确性。 （4）通过机械手的各种动作，确定机械手外部的系统硬件，PLC 的选型，I/O 分配表的编写，输入和输出电路设计，软件方面的设计，根据机械手的各种参数以及动作，设计出触摸屏的相关功能以及 PLC 梯形图的编写，最终完成了立式中空玻璃上下片机械手的样机制作及调试。 （5）生产节拍达至 5-6 片，吸盘能够稳定的吸取玻璃，整个流程非常流畅，达到预期效果，补足了现今的一些缺陷。

　　2.展望

　　经样机调试，该机械手还存在一些不足之处，需从对以下方面做进一步研究（1）对于机械手的结构设计，体积大，质量大，应该进一步进行优化结构，从而减轻重量，减小体积。

　　（2）研究视觉引导的机械手，在上下片过程中对玻璃进行检测、分级，提高中空玻璃生产线的智能化。

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致谢

　　指缝很宽，时间太瘦，悄悄从指缝间溜走。我人生的第一阶段学生生涯即将画上句号，我也即将离开这风景优美、环境清新的秦皇岛。回想起这么多年的学习和生活，不禁感慨万千。从最初的焦躁、忐忑，到期间的迷茫、慌乱，再至最后的自信、淡然。通过敬爱的导师张亮和亲爱的同学不断解惑和鼓励，坚实的走完了求学生涯的最后一段旅程。因此论文即将完成之际，由衷地向诸位老师和同学以及支持我的家人表示我最诚挚的谢意，感谢你们这么多年来在我的生活、学习、科研、工作中给予的鼓励、关心、支持和帮助。

　　我要特别感谢我的导师张亮，感谢张老师在学业上给予我的殷切关怀和耐心指导。张老师宽厚谦和、平易近人的性格，渊博广阔、严谨求实的治学态度，兢兢业业、求真务实的工作作风给我留下了深深的印象。同时，我还要感谢沧州德跃机械科技有限公司给予的实习平台，让我的专业知识更加巩固，感谢沧州德跃机械科技有限公司员工苏杰等人在生活和学习上给予我最大的帮助和教导。

　　感谢校外导师河北水利电力学院机电学院张铁壁老师对我生活上无微不至的关怀，感谢校外河北水利电力学院王文成老师等人对我学术的指导，同时，我还要感谢我学生生涯所有给予我帮助的老师和同学。最后，我要感谢我的家人，感谢他们一直以来对我的理解、鼓励和支持。

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