1、 机械手改造项目分析

1.1 工艺分析

   搬运线的每一个工位，都由三大部分组成。1）上料机械手 2）下料机械手 3）穿梭车 上料机械手与下料机械手机械传动机构相似，运动轨迹也相似，分别由X-Y两台伺服电机组合运动而成。穿梭车是由单台伺服电机控制，相对简单，只是普通的点到点控制。压机角度位置的信号可以由同步绝对编码器接入控制系统。

       上下料机械手的轨迹可以规划为下图所示：

原点到A点定义为轨迹1，系统回原点后，进入工件等待位置；

B线段为轨迹2，定义为从机械手从等待点到B点抓起负载；

C线段为轨迹3，定义为机械手抓住负载后，抬起等待压机信号；

D- E 组合线段为轨迹4，定义为压机信号给出允许信号后，机械手移动负载到压机的模具中，等待压模；

E - A 线段为轨迹 5，定义为负载正确放到待压位置后，离开回到工件等待位置处；

每段轨迹都可以由触摸屏通过设置关键点来定义，不同的负载特性设置不同的关键点，每一种负载调试好关键点数据后，形成配方文件保存，以便下次加工同样的工件。

1.2 关键点分析

    海马机械手改造四大关键点

安全性（重点）

安全性的考虑在整个改造项目中都必须是放在重中之重的位置，汽车行业冲压生产线上面的模具，一般都是进口特别昂贵的。

☆设备对于人的安全

☆设备之间机械运动部件之间的安全性

机械手轨迹实现（难点）

机械手轨迹的实现是在整个项目改造中的的难点，其关键点是数据模型公式的正确建立，要从复杂多变的运动轨迹中找出其不变的固有规律，依据这个规律来建立数据模型公式；

☆机械手运动轨迹算法

☆运动轨迹算法的实现

生产工艺逻辑关系（要点）

☆工位与工位之间的逻辑关系

☆上料手与前一工位压机之间的逻辑关系

☆上料手与穿梭车之间的逻辑关系

☆穿梭车与下料手之间的逻辑关系

☆下料手与压机之间的逻辑关系

4）工件参数示教（切入点）

    原先的系统已经正常使用很多年，已经生产了很多种类的工件，每一个工件的参数都已经成熟，在改造设计的时候，需要考虑新系统能延用老系统的一些工件参数配方。

2、 机械手轨迹算法实现

2.1 原有机械结构

上下料机械手的机械机构如下图所示，

机械手臂的垂直方向由一台单独的伺服电机控制，伺服电机的正反转能带动整个机械手臂及其负载的上下位移的变化，机械手臂的水平方向由另外一台单独的伺服电机控制，伺服电机的正反转直接推动机械手臂的本体的水平方向位移的变化，但由于机械结构的特殊性，机械手臂末端的负载的轨迹并不仅仅是水平位置的变化，更有垂直位置的变化；

他们的电机执行机构都是   伺服电机+同步轮+丝杠组成；

 2.2 机械手数学模型

 根据现有的机械结构及其运动规律，建立以下数学模型：

2.3 机械手数学公式推导

Xc的值：由光电开关位置决定，水平轴的【光电原点到位开关】决定了Xc的值；

Yc 的值：由光电开关位置决定，垂直轴的【光电原点到位开关】决定了Yc的值；

其中，机械手臂距离  a , b 都是常数，由机械结构决定

由图(A)可以得出： A 点的坐标位置为： （ Xc ，Yc+a ）

               D点的坐标位置为： （ Xc ，Yc+a+b ）

水平电机从 A->B ，假设移动了 ∆x(AB) mm  

   根据公式： 

  B 点坐标为：（ Xc - ∆x(AB)  , Yc+a）

  E 点坐标为：（ Xc - ∆x(DE)  , Yc+a+b-∆Y(DE)）

由图(A)可以得出：

那么E点坐标就变为 :

 二、水平电机从A->C，假设移动了∆x(AC) mm

根据公式：

C 点坐标为：（ Xc - ∆x(AC)  , Yc+a）

  F 点坐标为：（ Xc - ∆x(DF)  , Yc+a+b-∆Y(DF)）

由图(A)可以得出：

那么F点坐标就变为 

由此可以推出，负载点的轨迹坐标与当前移动量的关系：（当前移动量定义为：水平电机离A点的距离（有正负之分）；A点定义为：机械手臂完全垂直地面与水平方向的交点；假设当前移动量为：∆x）

得出垂直电机不动的前提下，任意点坐标与∆x的关系

X= Xc -(a+b)/a * ∆x

2.4利用三菱指令实现机械手轨迹变化

我决定建立与原系统一样的坐标系，这样可以完全利用工厂原先调试好的各个工件

的参数，而不必进行工件参数的设定。

实际的坐标系建立如下：

坐标系中的  轨迹点 是以机械手臂所抓的负载来参考的

 要实现上图所示的轨迹效果，必须走两轴线性插补，我们所使用的是绝对值系统，故采用ABS-2 这条指令来进行直线插补，多拐点不停止可以采用 CPSTART2   CPEND这一组指令来实现。其中每一条轨迹，使用一组CPSTART2   CPEND +ABS-2来完成，我们将起点与终止点之间的定位通过细分描点法来逼近；

插补描述如下：

比如要使轨迹从A点运动到B点，运行速度为V,  要完成A-B运动，

水平轴必须移动△X （可由A/B点坐标求出）

垂直轴必须移动△Y （可由A/B点坐标求出）

只需要使用指令 ABS-2 

                  A(X1,YI)

                  B(X2,Y2)

 现在由于我们水平轴机械结构的复杂性，

水平电机移动的距离变为△x+△x′

垂直电机移动的距离变为△y+△y′

    由于水平轴的定义，电机转一圈，固定参数的行程与机械负载水平上的行程是一样 ，所以 △x′=0;

可以通过 A .B 两点的 坐标 及上面的计算中公式可以推导出 两点之间相差的△y′

将指令调整为：

                       ABS-2 

                   A(X1,YI)

                 B(X2,Y2+△y′)

    可以将触摸屏上面的起点和终点之间细分，然后其中每一个细分段都按照上面的思路去做。

在实现的过程中，要实时注意轨迹坐标与电机真实坐标之间的转换，要明白什么时候用轨迹坐标什么时候用真实坐标。

 2.5 机械手运行中伺服参数调试

    机械手功能轨迹实现以后，还需要对组成机械手的X-Y两个插补电机的伺服参数进行进一步调整，这样才能保证机械手抓住负载后平稳快速的定位，防止机械手抓住负载后在快速启动、高速运行、紧急停止过程中，手臂末端负载的振动。

    伺服调整主要是需要调整以下5个参数

1） GD2:转动惯量负载比

2）PG1:模型环增益 

3) PG2:位置环增益

4）VG2 速度环增益

5）VIC 速度环积分时间

项目中采取的方式如下：

一、针对上料机械手 X轴 Y轴，首先将 各自的PA08（增益调整模式） 选择为插补模式；

二、以正常生产产品的速度，实际运行15-30分钟；

三、读取X轴与Y轴的伺服参数，分别记录X-Y两轴的 5个参数: GD2 、PG1、PG2、VG2、VIC ；

四、对比记录的X-Y两轴参数，选取其中GD2（转动惯量）大的那台作为基准；

五、将两台伺服的PA08(增益调整模式) 重新改为手动模式；

六、将转动惯量小的那台的5个伺服参数按照转动惯量大的那台设置；

七、下料机械手的伺服参数调整过程重复以上六个步骤；

 2.6 机械手轨迹实现中的优化处理

    在调试过程中，发现在走轨迹4（图2.4中的 C-D-E）的时候，负载高速运行到D拐点的时候，总是有点不平稳的现象。

    经过思考与多次验证，发现D点发生负载不平稳现象是由于轨迹4在D点变化过急造成的，也就是在D点伺服电机的加加速度变化太大，后来在轨迹四中，加入一平滑过度弧线       F-G(橙色部分)，让轨迹4的运行曲线从原先的C-D-E 改变为 C-F-G-E 

                                        图（2.6）

    图（2-6）中的圆弧 F-G 是优化时增加的平滑过度曲线，其原则如下：线段CD与线段DE 的中点垂直线的相交点作为圆点，原点到线段CD的垂直线长度作为半径，做一圆，圆与线段CD及DE之间的圆弧线作为D拐点处的平滑过度曲线。

    经过如上图（2.6）中所示的轨迹优化以后，在实际运行中就再也没有出现D拐点运行不稳的情况！

3、结论

    项目改造完成后，实现了原有工件参数的直接延用，并且在生产节拍上比原有系统稍有提高，同时也保证了机械手运动过程的平稳性，从最初的一个工位段的尝试改造到最后得到客户认可，进行整条生产线改造。冲压线改造完成后已经一直在客户处实际使用生产，有2年多了，一直很稳定，未有任何故障发生！ 纵上所述，该项算法应用及实现可作为其它汽车厂家改造相关机械设备的依据和参考。