机械工程师MECHANICALENGINEER基于机器人的自动取件系统的布局设计与优化刘春，杨浩然，薛允成（沈阳航空航天大学航空制造工艺数字化国防重点学科实验室，沈阳110136）摘分析钛合金热成形工艺流程后得出机器人取件流程和机器人选型要求。重点从载荷选型和臂长选型两方面阐述了要：机器人布局设计优化过程，利用Kuka.Load软件进行载荷分析，利用DELMIA实现取件系统仿真和碰撞检测。工业机器人；钛合金热成形；布局设计；可视化仿真关键字：中图分类号:TP242.2文献标志码:A文章编号：员园园圆原圆猿猿猿（圆园员9）01原园012原园3XUEYunchengLayoutDesignandOptimizationofRobot-basedAutomaticPickingSystemLIUChun,YANGHaoran,（KeyLaboratoryofFundamentalScienceforNationalDefenceofAeronauticalDigitalManufacturingProcess,ShenyangAerospaceUniversity,Shenyang110136,China）Abstract:Afteranalyzingthehotformingprocessoftitaniumalloy,therobotpickingprocessandrobotselectionrequirementsareobtained.Therobotlayoutdesignoptimizationprocessisdescribedfromtheaspectsofloadselectionandarmlengthselection.TheloadanalysisisperformedbyKuka.Loadsoftware,andthepickingsystemsimulationandcollisiondetectionarerealizedbyDELMIA.Keywords:industrialrobot;titaniumalloythermoforming;layoutdesign;visualsimulation0引言涉和机器人抓取零件的最大尺寸都受到布局设计和轨迹优化的影响，传统设计优化方法未考虑机器人与末端执行器和零件的碰撞问题，且无法实现对抓取零件最大尺寸的优化。针对此问题，本文针对以上布局设计仿真的缺陷，以钛合金热成形取件系统为研究对象，运用Kuka.可视化仿真、碰撞检测等手段进行综合分析后，得出最有并综合考虑抓取时间进行优化。1布局设计要求以某型飞机多用途钛合金热成形取件机器人建设项目为例，进行自动取件系统布局设计与优化，项目主要指标如下：零件尺寸不大于1.5m伊3.5m，零件质量不大于50kg，工位节拍不大于120s，设备通用性好，可适用于不同曲率零件。2布局设计及方案为了实现机器人可适用于不同型号热成形机，方便搬运，在不考虑使用第七轴的前提下进行布局设计。如图1为由工业机器人、末端执行器、双目识别定位系统、上位机协调控制系统组成的自动取件系统。2.1末端执行器的设计在汽车冲压领域末端执行器采用真空图1正面取件自动取件系统由于工业机器人具有效率高、可编程性、适应恶劣环境等一系列优点，其逐渐被广泛应用在各种重复劳动和容易发生危险的场合。在国内汽车、钢铁行业得到了率先使用，完成汽车的焊接和喷涂，钢铁生产过程中的捞渣、样板搬运、拆捆等工作。近些年随着钛合金热成形技术的发展，新型飞机使用的钛合金零件不断增大，手工取料方式在大型钛合金零件取件时不能满足效率、速度、安全方面的要求，从而需要自动化取件系统满足生产需求，提高加工效率。由于飞机制造存在多批次、小批量等特点，在钛合金热成形领域国内仍然采用人工取件系统。陈世钟等[1]阐述了DELMIA仿真技术在机器人生产线仿真中的应用；徐立云等[2]以运动时间最短为目标，采用粒子群优化算法，实现对机器人工位的布局设计与优化；张映红等[3]对汽车点焊机器人生产线进行布局研究，解决汽车生产线上多机器人干涉问题；周文贤等[4]对冲压生产单元进行仿真与优化，优化了机器人的生产节拍。传统的机器人取件系统布局设计只能根据经验实现机器人的选型和工位布局。在布局设计方面，以往的文献中通常在不考虑碰撞的前提下，运用实时算法得出最优布局，但实际设计中碰撞的问题往往不可忽略；在干涉问题方面，以往的布局仿真文献中关于干涉问题的研究往往集中于机器人与设备、机器人与机器人之间，并没有考虑末端执行器和零件与机器人之间；在布局优化方面，通常以固定以取件时间作为机器人布局设计和轨迹优化的主要目标，较少以机器人可以抓取的最大尺寸零件为布局设计和轨迹优化的主要目标。事实上机器人的碰撞干Load载荷计算软件和DELMIA仿真软件，通过数学建模、利于取件尺寸的钛合金热成形自动取件系统整体布局，型号热成形机，末端夹取精度不大于2mm，可以夹取大12圆园员9年第1期网址：www.jxgcs.com电邮：hrbengineer@163.com机械工程师MECHANICALENGINEER吸盘式的柔性夹取装置，在钛合金热成形领域，由于在高温下工作，需要自行设计夹取式末端执行器。为最大限度发挥机器人载荷，减小取件过程中可能发生的碰撞干涉，其与机图2末端执行器器人法兰盘应尽可能近。其三维模型如图2。2.2机器人取件流程设计如表1所示按照零件规格分为大型件、中型件、小型件；按取件方法可分为正面取件法和侧方位取件法。表1零件分类标准零件规格大型件中型件小型件2.6伊1.2~3.5伊1.50.4伊0.3~2.6伊1.20伊0~0.4伊0.3长伊宽/m厚度/mm0.5~2.00.5~2.00.5~3.0质量/kg30~508~300~8曲率/m-1<0.10<0.15<0.10图5Kuka.Load载荷计算界面人最大提升质量P/kg、零件与执行器重心距机器人第六轴距离X进行判断。在实际设计中，由于机器人需要夹取大尺寸零件，在远离底座时也要具备较大载荷，所以将X为机器人载荷选型的主要限定条件。由经验估计X的极大值可由经验公式（G+D）·X=<0.5P初步确定，由此选择机器人型号，然后通过软件Kuka.Load进行验证。其验证结果如图5所示。2）由零件尺寸和取件方法确定机器人臂长选型。机至少应将零件抬起300mm，再向炉外平移如图3所示L4距离，然后绕第五轴旋转180毅，最后放在零件台上。1）侧方位取件过程：在取出如表1所示曲率零件,首先器人大臂半径R、机器人底座高度Hdz、机器人热成形机开口下沿高度Hxy、下模具高度Hmj、零件长度Llj、零件宽度Wlj；如图3所示：机器人中心与热成形机前端垂直距离为3Y、水平距离为4Y、大臂与水平方向夹角为兹；如图4所示:4Y机器人底座机器人大臂机器人小臂L3L5为机器人第六轴到末端执行器最前端、L6为移出热成形机距离；如图6所示机器人行程D、最远可达范围C。末端执行器下模具工作台L2L1图3侧方位取件示意图件略微抬起，向炉外平移如图4所示L5距离，然后绕第一轴旋转90毅，放在零件台上。2.3机器人选型2）正面取件过程：在取出中小型零件时应首先将零图6Kuka机器人尺寸数据载荷选型。根据末端执行器质量G、零件质量D、以及机器1）由末端执行器质量和零件质量和机器人载荷进行正面取件过程：L5由所选末端执行器确定，取件过程满足下述条件：侧方位取件过程：（5Y）+H
22工作台下模具零件末端执行器小臂大臂机器人底座D>姨L6+（Hxy+Hmj原Hdz），且L6>L5。摇226Y>L4L4>L3；L3=图4正面取件示意图L2-L1>R。姨摇
Wlj+2
蓸2蔀；Llj2（下转第20页）网址：www.jxgcs.com电邮：hrbengineer@163.com圆园员9年第1期13机械工程师MECHANICALENGINEER角进行调节的过程中，系统具有快速、无超调的特点，且具有较好的抗干扰能力，这对柔索驱动关节的控制具有重要意义。[参考文献][1][2]时间/s吴伟国.面向作业与人工智能的仿人机器人研究进展[J].哈尔滨工业大学学报,2015,47(7):1-19.肥:中国科学技术大学,2011.1510.颜钦.基于SMA的仿生柔性鱼鳍三维运动机理与实验研究[D].合高志强.自抗扰控制思想探究[J].控制理论与应用,2013(12):1498-朱斌.自抗扰控制入门[M].北京:北京航空航天大学出版社,2017:35-38.齐乃明,秦昌茂,宋志国.高超声速飞行器改进自抗扰串级解耦控制器设计[J].哈尔滨工业大学学报,2011,43(11):34-38.大学,2003.李晓磊.一种新型的智能优化方法-人工鱼群算法[D].杭州:浙江李晓磊,钱积新.基于分解协调的人工鱼群优化算法研究[J].电路与系统学报,2003,8(1):1-6.（责任编辑张立明）图8拮抗柔索收缩量[3][4][5][6][7]时间/s图9外界干扰下的响应作者简介：朱春涛（1993—）,男,硕士研究生,研究方向为机器人技术及应用；胡小春（1957—）,女，博士，教授，研究方向为生物力学、复合材料结构设计与分析、人工智能等。收稿日期：2018-03-07通过联合仿真，验证了控制系统的可行性及在外界干扰下的稳定性。根据仿真结果可得，在通过收缩两侧柔索对关节转（上接第13页）Hdz）］/tan兹；兹可由H、G、C、Hdz、Hxy、Hmj表示：L2=［4Y·tan兹原（Hxy+Hmj-1L1=Llj。2若无问题根据运行时间对轨迹点进行效率优化，调节工位节拍提高简单移动时运动速度，微调轨迹点提高取件效率。4结语本文综合考虑机器人与末端执行器和零件的碰撞问题，建立不同取件方法下，零件大小和质量与取件机器人尺寸型号之间主要约束关系。利用DELMIA对自动取件系统进行仿真和碰撞检测，为快速根据实际工作需求选择合适机器人与布局方案讨论了一种方法，实现了钛合金热成形领域大型零件取件自动化，提高生产效率和改善工人工作环境。[参考文献][1][2][3][4]陈世钟,宋健,黄卓,等.DELMIA在机器人生产线仿真中的应用[J].机械制造与自动化,2016,45(4):157-160.徐立云,蔡炳杰,杨连生,等.复杂机器人工位布局与运动时间的协同优化[J].计算机集成制造系统,2016,22(8):1867-1876.践[J].装备制造技术,2017(7):138-140,158.技术,2017,42(1):75-81.张映红,覃轶毅,朱瑞丹.汽车点焊机器人生产线布局研究与实周文贤,于海武,汪伟.机器人冲压生产线的仿真与优化[J].锻压（责任编辑通过上述公式可以计算得出机器人最远可达范围C或机器人行程D值，确定机器人臂长并结合载荷选型从而选取合适的机器人型号，以及通过计算得出的X、Y值确定取件系统布局。KR90R2700pro型号正面取件、中型件选取KR210R3100ultra型号正面取件、大型件选取KR210R3100ultra型号侧方位取件。3仿真验证优化综合上述计算得出结论：对于小型件选择选取库卡Robotics模块，给模型添加运动副并定义机器人1~6轴的具坐标系，将工具法兰位置绑定在机器人第六轴法兰中首先将选取的机器人模型导入DELMIA，使用运动。然后将末端执行器模型导入，建立末端执行器的工心，在工具上建立工具中心点（TCP），给末端抓手建立运动副。按照前文计算得出的结论进行机器人和热成形机布局，遵循精益化生产要求布置零件台和物料台。然后运用RobotManagement工具为工具中心点添加运动轨迹点，进行运行路线仿真，进行碰撞检测，若出现零件与机器人之间碰撞会产生红色的干涉区域，暂停仿真查找碰撞原因，若存在路径规划问题调节轨迹点重新进行仿真，张立明）作者简介：刘春（1960—），男，博士，教授，研究方向为飞机数字化制造技术、工业机器人；杨浩然（1993—），男，硕士研究生，研究方向为飞机数字化制造技术。收稿日期：2018-04-0220圆园员9年第1期网址：www.jxgcs.com电邮：hrbengineer@163.com