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1、型材搬运上下料机器人研究47卷第1期（总第172期）2006年3月中国造船SHIPBUI[DINGOFCHINAVol.47No.l（SerialNo.l72）Mar.2006文章编号:10004882（2005）04—0104—07型材搬运上下料机器人研究郑绍春，孙超，李慧明,周永清（武汉理工大学交通学院，湖北武汉430063）摘要为了解决在造船，造桥，建筑等钢结构制造工业中，实现钢质型材弯曲机，焊接机和切割机自动搬运上下料这一关键技术问题?木文提出了一种型材自动搬运上下料机器人的设计方案.作者较为详尽地阐述了它的主体结构设计原理,提岀了计算机视觉定位及控制方法，并
2、对重型超长钢质型材搬运机器人进行了技术探讨关键词;船舶，舰船工程;型材上下料;机器入;视觉定位;型材加工白动生产线中图分类号:U671.99文献标识码:A，1概述我国船厂的型材加工设备（如焊接机，切割机，弯曲机等），在加工型材上下料时，一般由操作工人借助车间的龙门吊车来完成•因为吊车与人协同,能利用一定长度的缆绳沿一定轨道在水平和竖直方向抓举,提升和运输型材由于型材质重，型长，吊运时存在摇摆和旋转,欲控制型林精确定位，完成上下料操作，通常是一件费时费力的事情;吊车启停与搬运路线人工控制，有时会带有定的随意性与盲目性，使吊车运行的效率不高，导致电能的浪费，增加了造船成本
3、;同时,工人要抓住重型型材来阻止其振荡，进行定位，这项工作对操作工人来说是危险的.为此，作者试图用机器人替代传统的吊车协同人上下料•借助机器人的超人功能,诸如出色的可重复性，定位的精确性和快速的移动性，来提高型材加工的效率，降低船舶建造成本，并将操作工人从危险工作环境中解放出來.基于这一设想,国外有关科研机构业已作了大量研究工作口］.借鉴国外的研究成果,作者尝试着对型材冷弯机自动上下料装置进行了研究，旨在全面实现型材加工a动化及型材加工a动生产线.收稿口期：2004—030&修改稿收稿口期:200506—092型材上下料机器人主体结构的设计原理根据型材加工设备加工范围
4、和技术特征，型材上下料机器人应满足下述主要技术指标：①操作型钢范围:球扁钢，扁钢，等边角钢，不等边角钢,T型钢；②操作型钢最大长度:12m;③操作型钢线形:直线，曲线｝④活动工作空间XXYXZ（长X宽X高）：60mX6mX（0.7〜2）m;⑤搬运最大尺寸的型钢计算重量:约600kg（以12m长T型材为例:上1OmmX400mm/20mmX125mm）:⑥定位精度;±lmm.上述技术指标具有如下所述的几个技术特征：①机器人工作的三维空间大，运动距离长，跨度大；②搬运物体质重,型长；③加工型材的机械加工面为一平面，机械手可平面定位，但非直线；④定位精度要求不高.47卷第1
5、期（总第172期）郑绍害等:型材搬运上下料机器人研究综合上述特征，作者在最广泛使用的工业机器人的几种坐标系（直角坐标系，圆柱坐标系，球面坐标系,关节坐标系）中,选用直角坐标系作为构造型材上下料机器人主体结构的理论依据•其优点为：①结构简单；②编程容易；⑧若采用直线滚动导轨,速度高，定位精度高；④在X,y和Z三个坐标轴方向上的运动没有耦合作用,较容易控制；⑤活动范围大.直角坐标系机器人至少有三个自由度.为了搬运曲线型材，其机械手的手指定位需增加一个绕Z轴旋转的自由度，因而设计为四个自由度.考虑到型材弯曲机，切割机和焊接机自动上下料机器人（见图1,图2,图3）操作的对象是
6、重型超长型材,为使型材搬运在立体空间平稳地平移，运行轨迹光顺平滑，使型材在长度方向的各个质点均受到电磁力的约束，避免产生振荡,故其设计应由下述部分组成：①双固定导轨1（本例设为X轴，长为60m,见图1）；②多门架（本例设为四门架:2A,2B,2C,2D,见图1）,跨度为6m,跨度方向设为y轴；③行走传动机构7（由于定位精度要求不高，采用齿轮齿条传动，见图2）;④提升机械手:3A,3B,3C,3D,见图1（本例提升高度设为6m,提升方向设为z轴）；⑤具有光学视觉定位功能的电脑装置&见图2.声,/刀，-JILJ-I3C3D1厂厂IL..—*LILL.rJ嗣l-]?r,r]
7、r_7,图1型材上下料机器人的俯视图型材上下料机器人搬运的有效面积接近船体车间行车的工作区域，所以它能很好地利用车间的空间•它可根据操作对象的长短确定采用多至四门架（一主动2A,三从动2B,2C,2D）,少到一门架（一主动2A）.门架与门架由左右侧推拉杠（4A1,4A2,4B1,4B2）联动，门架与推拉杠连接靠电磁离合器（5A,5B,5C）离合,因而它们之间相对间距可调.挂在每个门架上的提升机械手3可随门架横梁2在直角坐标系里作三维运动，机械手三个手撒12,15,⑶中每个手指的末端连接一电磁铁吸附块(11,10,14),第一手指12与第三手指13可绕
