智能机械手在车轮生产线上的应用探索

张世欢，吴玉国，耿培涛

（1.安徽工业大学机械工程学院，安徽 马鞍山 243032；2.马鞍山钢铁股份有限公司，安徽 马鞍山 243003）

MG车轮公司拥有生产设备547台，包含2条车轮轧制线、1条箍环轧制线、2条车轮热处理生产线、3条车轮精加工生产线、4条车轮检测线。目前MG车轮公司部分生产线仍使用悬臂吊，自动化程度低，应用智能机械手是提高生产线自动化程度的有效途径。

1 应用智能机械手的意义

MG车轮历经60多年发展，所产车轮在国内外皆有不错口碑。车轮生产制造相对固化，虽然在行业内具有一定的竞争力，但与先进的车轮制造商相比，仍在自动化方面存在不足。现场加热、轧钢等操作室多，人员调配效率低下，人力资源需求多，协调和管理方面也消耗大量的人力物力。生产排程需要人工排程，工序之间存在大量人为干预，因此生产稳定性差，无法根据产线能力自动调节，上下料系统准确率相对偏低。

基于以上考虑，我们提出在生产线上应用智能机械手来代替悬臂吊。

2 车轮生产线上下料系统

车轮上下料系统是车轮生产、打捆，堆垛、运输中最为关键的。其现场设备构成及动作顺序如下：

钢坯加热→90MN压力机镦粗、成形→无芯棒立式轧机轧制→SIRD700旋转锻压机冲孔、辐板成形、精整→台车式隧道缓冷炉→空冷至室温→环形热处理加热炉→淬火→台车式隧道回火炉→抛丸→硬度检测→超声波探伤→加工→检测→刷油包装。

车轮热处理加热炉为外径Φ16m单排环形加热炉，淬火台为热处理加热炉和控制台所包围，有四组淬火台，加热炉外通过智能机械手同时给四组台子上下料，兼提供给回火炉落垛的功能。回火炉为两座单排台车式隧道炉，长度约30m，每台车落垛6件车轮，为两两上料。

3 上下料系统对智能机械手的要求

目前上下料系统涉及如下几个重要部件：

（1）自动装载机：采用地面架轨方式安装，轨长约80m，跨距约16m，工作范围覆盖整个缓冷料场；大车横移速度0～60m/min，小车横移速度0～40m/min，吊具起升速度0～12m/min。一台负责缓冷坑揭盖及车轮垛入缓冷坑，一台负责车轮垛入库出库，两台自动装载机功能配置一样，可互为备用。

（2）悬臂吊改造：使之具备旋转和解垛车轮垛功能，负责将缓存区中的车轮垛解垛，运至7#炉。

（3）温度检测设备：该设备设置于入缓冷坑交接位，实施检测码垛的第一个车轮温度，当温度达到允许的最低工艺参数时，可以手动控制提前将交接位上的车轮垛转运至缓冷坑。

为了克服智能机械手在高速、重载运行情况下稳定性差和精度差等诸多难题[1]，需匹配重载、快速、大跨距、耐高温和高重复定位精度等要求的智能机械手，满足强度、刚度要求，以保障智能机械手的安全运行。

4 智能机械手的结构

智能机械手装备虽复杂，但简化后的机械手主要由控制系统、驱动系统、执行机构以及位置监测装置等部分组成[2]。各机械系统组成关系，如图1所示。

图1 各机械系统组成关系

智能机械手通过控制机械手主臂和手爪系统配合操作，将车轮垛放入目标位置。为了使机械手在水平和垂直方向自由转动，本文设计一种简单的4自由度机构[3]，分别是：转台旋转运动、大臂上下摆动、小臂上下摆动、手腕旋转运动，如图2所示。根据机械手三维结构，简化机械手抓取部分，以底座为参考坐标系，其余各关节处为相对坐标系建立运动学关系。以机械手各关节为坐标原点[4]，连杆方向为X轴，连杆垂直方向为Y轴，建立D-H坐标系进行数学建模分析。

图2 机械手连杆简化坐标系

根据机械手各关节位置关系和运动轨迹，可得：

移动矩阵为：

旋转矩阵为：

根据移动矩阵rij和旋转矩阵Cij，计算可得D-H坐标系下机械手某点N的坐标，从j坐标系变换到i坐标系的变换矩阵Mij为 ：

计算可得机械手某点N从初始坐标系χiφiγi移动到目标坐标系χ jφjγj的公式为 ：

5 机械手驱动系统

安装的机械手需要具备旋转和解垛车轮垛功能，负责将缓存区中的车轮垛逐个解垛，所设计的上下料搬运机械手必须满足这个特点，且需要精确的定位功能。根据以上因素分析，以驱动类型、输出力、结构性、安全性、操控性、安装要求以及维护要求等因素为参考对象，分别对液压驱动、气压驱动、电机驱动三种不同驱动系统进行比较，如表1所示。

表1 机械手驱动系统特性表

由于车间位置紧凑，车轮垛较重，要求快速响应的同时，输出力较大，机械手运动状态易于简单操作，各个关节控速精准。综上分析，智能机械手选取液压驱动方式。

6 智能机械手相关问题

（1）重复定位精度要求高：智能机械手每天工作量巨大，尤其是重复工作部分，需在设定好指定路线情况下，精准到达指定点。通过多次试验定位基准得到误差反馈，多次测算并进行计算机编程操作，降低重复定位偏差值。

（2）集成化：复杂的机械传动系统由多个子系统组成，器件的集成度不断强化，每一个子系统能够独立完成设计工作，各个子系统功能作用在一起，便能完成机械系统总体功能要求。

（3）模块化：计算机开放型控制器成为研究热点方向，模块化、轻量化、标准化、网联化是智能机械手未来重点发展领域。位置传感器和速度传感器不断进化，更是助推智能机械手进步。加入导向驱动装置的智能机械手具有弹性运载等优点。

7 应用结果

智能机械手具有水平、垂直运动速度快等优势，生产过程中应用智能机械手可以大幅提高自动化水平，节约人工劳动强度，生产更加安全可靠。其结构刚性好，操作方便，能满足各种产品生产搬运工作。机械手可配置为全闭环系统，能实时检测位置指令和实际位置是否一致，操作方便。

8 结语

上下料系统是MG车轮公司生产、堆垛、解垛、运输中最为关键的，使用频次高，是车轮公司不可缺少的重要设备。本课题根据设备工作特点和现场工艺要求，从机械手连杆特性、驱动方式等方面进行了系统优化，将堆垛区的悬臂吊改造为智能机械手，装备智能化水平显著提高。