物流仓库取送货工业机器人教学设备设计

摘   要：介绍物流仓库取送货工业机器人教学设备的总体方案、蛄构设计及液压传动设计等内容，为实训教学提供条件，绔学生电4新思维电4造莨好的环境，培齐学生正确设计PLC控审6系统和液压传动系统的调整、故障排除等技能。
关键词：x-9．机器人；自由度；取货；送货

    为了适应培养高等技术应用性人才的要求，培养学生综合实践和技术应用能力，对机电液一体化的技术复合知识进行实训教学，我们设计翩造了物流仓库取送货工业机器人（以下简称工业机器人）．供学生设计、编程、调整和故障排除等技能训练。

    1 工业机器人的性能和结构

    1．1 业机器人的性能

    本设计采用圆柱坐标式（如图1）．四自由度、五动作的方案．其动作及主要参数经调试确定如下。

    臂的伸缩（x方向移动自由度）；行程300ram，速度橱为3000ram／min。

    工业机器人行走（Y方向移动自由度）：行程为4000nm．行走速度为400mm/min机器人运动自由度臂升降（z方向移动自由度）为2000  mm/min。

    臂回转（z方向转动自由度）铁限位调整。回转角为 90^。 ，可调挡铁限位调整。

    手爪张开和夹紧：二爪间距放开时为230ram，夹紧后为200mm，夹紧力不小于lkN．可调，最大抓取重量300N。

    取送货时货位定位精度5mm。

    1．2 I业机器人的蛄构

    根据总体方案的各参数要求及无锡职业技术学院的实际制造能力，确定了各部件和整机的结构设计。

    1．2．1 行走机构

    行走机构采用4个钢轮在钢轨上的行走机构。如图2行走机构由伺服电机通过同步轮．同步带传至摆线减速器，再由减速器输出轴经同步轮、同步带传至主动钢轮。行走组件安装在行走底板上。

    1．2．2 机体

    机体采用下底板和上顶板通过双导向立柱联接结构。上顶板安装臂升降伺服电机，下底板与体转轴联接；立柱是臂升降部件的导向柱。

    1．2．3 臂的伸结

    臂的伸缩采用双作用单伸出杆液压缸通过液压传动实现；采用双导柱、双导向结构。臂的伸缩缸安装在臂升降部件的移动板上。

    1．2．4 臂的升降

    臂的升降采用滚珠丝杠螺母机构驱动臂升降部件实现=直流伺服电机安装在机体的顶板上．伺服电机输出轴与滚珠丝杠联接．滚珠螺母安装在臂升降部件移动板上。滚珠丝杠采用悬挂式．重力使丝杠受拉应力。

    1．2．5 臂的回转

    臂的回转实际是机体回转．采用2个单作用液压缸传动．经链条‘链轮机构传动转轴实现回转。回转速度有节流阀调节。转轴的滑动轴承座与安装底板连接．为承受轴向负载，转轴滑动轴承的上、下各安装一个平面推力球轴承。

    1．2．6 手瓜机构

    手爪采用双支点连杆、杠杆式结构，手爪的张开、夹紧采用双作用单伸出液压缸的液压传动（如图3所示）。

    2 控制方式厦动作循环

    2．1 控制方式

    系统控制为开环自动控制，位置检测采用无触点开关型位置检测传感器，用于动作顺序控制和正确定位。控制方式采用PLC可编程序自动控制，取送货由平台上取货送至货架任一货位．或从货架的任一货位取货送至平台（如图4、图5）；也可由计算机编程后自动控制取送货，或手控半自动取送货。

    2．2 动作循环

    送货时：（货放在平台上）臂伸到位一手爪夹紧一臂微抬一臂缩回一行走（ 方向）移动到货位一臂转90．（臂绕z轴旋转）一臂升（z方向）移动到货位一臂仲（z方向）移动到货位一手爪张开（货放到位）一臂缩一臂降一臂反转90‘一行走至平台前（等待新的指令或连续送下一货位的货）。

    取货时：机器人在平台前是原位状态．当接到取鄢一货位的货物指令时．机器人行走（ 方向）到货位一臂转90．一臂升（ 方向）至货位高度一臂伸（z方向）到货位一手爪夹紧货物一臂微抬一臂缩回一臂下降到位一臂反向转90"一行走至平台前（到位）一臂伸到位一手爪张开（放下货物）一臂缩（在平台前等待新的指令或连续取货）。

    3 驱动方式

    臂升降、行走均为直流伺服电机驱动。臂伸缩、手爪张开夹紧，臂回转采用液压传动驱动。

    4 液压传动系统设计

    臂的伸缩、臂的回转（机体）、手爪的张开和夹紧采用液压传动。经夹紧力’臂的伸缩和臂的回转力矩估算．确定丁各液压缸、括塞杆直径，各液压缸行程和液压传动系统调压值。液压系统原理如图6。

    5 主要实训教学内窖

    物流仓库取送货工业机器人教学实训设备，主要为电气控制和液压传动实训教学。

    5．1 电气与自动控制实训课题

    （1）自动控制基本原理实训教学。
    （2）学生自行设计PLC程序控制实训。
    （3）PLC程序控制进行机上调试及运行实训。
    （4）计算机编程及联机实训。
    
    5．2 液压传动系统调试厦故障分析实训课题
    
    （1）液压传动工作原理、动作循环等基础实训教学。
    （2）液压系统工作压力、执行件运动速度等调试实训。
    （3）液压系统油压、流量、噪声、动作循环、机器人运行故障等机电液综合故障分析与调试实训。
  
     物流仓库取送货工业机器人教学实训设备经过2年的大．因此，需建立适应度函数和目标函数的映射关系：

    f（X）=K-F（X）       （6）

    式中K为合适的正常数，保证f（x）始终大于0。

    2．3 交叉（Crossover）

    交叉是遗传算法的一种主要运算，所谓交叉，实际上是两个个体对应码串之间的一种运算，其运算规则为这两个串之间子串的相互交换，其结果是实现两个个体之间部分遗传信息的交换，如图1所示。
    

    在本算侧中，所有参加交叉运算的个体按适应度比例方法（Fitness Proportional Mode1）即赌轮选择。这些个体的成对组合（构成双亲）按随机方法确定，个体中参与交叉运算的串及其交叉位置也是随机确定的。每对双亲交叉产生的两个新个体（称作子代）将作为下一代群体的候选者。

    2．4 变异（Mutation）

    变异也是遗传算法的一种重要运算，所谓变异，实际上是某个个体本身所进行的一种独立运算。其运算规则为该个体串中某一特定位置上0和1代码之间的相互转换，使
得群体中的个体增加新的信息。在本文的算例中，参与变异的个体以较小的概率选定，变异位置随机确定。个体经过变异后产生一个新的个体并具有新的基因，这个新个体也将作为下一代的候选者：

    2．5 算法流程图

    算法流程如图2所示，在Matlab环境下实现。

    

    3 算例结果

    图3为塑件图，材料为ABS。在算法中，群体规模取踟，交叉概率为0．5，变异概
率为0．001，最大进化代数为100．权重系数A、B 各取0 5，运算结果如图4所示。
图4表明：随着遗传代数的增加，各代群体中最大适应度向“好”的方向发展。分析数据还表明，整个群体的适应度也向“好”的方向变化。通赳算例得出的优化结果为：注射温度279 99℃ ；模具温度31．6717,；最大注射压力160．37MPe；最大注射速率696．27em3／s。

    4 结论

    借助已有的CAE模块，采用遗传算法进行多参数的工艺条件优化，其精度满足生产工艺要求，可为注射机的选择及注射工艺的制定迅速提供准确的参数，尤其对大型塑件，能大大减少试模阶段的工艺调整，为生产高技优质的制件提供可靠保证。