1 智能片盒搬運(yùn)小車設(shè)計(jì)約束分析

根據(jù)前期調(diào)研 ,APR產(chǎn)品的設(shè)計(jì)約束主要來(lái)自于關(guān)鍵件選型 ,如智能移動(dòng)平臺(tái)和六自由度搬運(yùn)機(jī)械臂。

1. 1 智能移動(dòng)平臺(tái)選型

經(jīng)過(guò)前期調(diào)研 , 目前智能移動(dòng)平臺(tái)產(chǎn)品較多 , 主要有:Adept公 司 的 Lynx、AETHON 公 司 的 Tug、Metra1abs 公 司 的 scitosG5、KIVA-system公司的KIVA以及NEOBOTIx公司的 MP系列 。對(duì)不同移動(dòng)平臺(tái)的基本性能進(jìn)行了評(píng)估 ,結(jié)果如表1所示。

智能移動(dòng)平臺(tái)多不能滿足潔凈廠房c1assl00的要求 ,主要還是應(yīng)用在室內(nèi)環(huán)境中 , 只有Adept公司的Lynx和Metra1abs 的scitosG5能夠達(dá)到需求。Metra1abs的scitos G5平臺(tái)高度約為700 mm , 不利于后期開發(fā) , 國(guó)內(nèi)市場(chǎng)也無(wú)法找到合適的供應(yīng)商 。最終選擇Adept公司的Lynx平臺(tái)。

1.2 六自由度機(jī)器人

經(jīng)過(guò)前期調(diào)研 , 目前六自由度機(jī)器人產(chǎn)品較多的主要有:丹麥UR、瑞典ABB、美國(guó)PA、美國(guó)Mi1ara、美國(guó)Brooks、美國(guó)Barrett、美國(guó)Denso、韓國(guó)Auto-Robot、韓國(guó)Cyborg、韓國(guó)TEs、日本Rorze、日本sankyo、日本Hirata、瑞 士 staub1i 、臺(tái) 灣 Hiwin等 。對(duì)不同六自由度機(jī)器人的基本性能進(jìn)行評(píng)估 , 主要評(píng)估項(xiàng)如下:有效載荷 、機(jī)器人自重(作為移動(dòng)平臺(tái)的載荷) 、運(yùn)動(dòng)范圍、 直流交流電兼容(移動(dòng)平臺(tái)電池供電)等 。最終選用丹麥 Universa1Robot 公 司 的 URl0型機(jī)器人。

URl0機(jī)器人主要由六個(gè)機(jī)器人關(guān)節(jié)和兩根鋁管組成 ,將機(jī)器人的機(jī)座與機(jī)器人的工具相連 ,機(jī)器人工具允許在機(jī)器人工作空間內(nèi)平移和旋轉(zhuǎn) 。URl0機(jī)器人的工作空間是指機(jī)座關(guān)節(jié)周圍1300 mm范圍內(nèi)的空間區(qū)域 ,此外機(jī)械臂末端執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 還 應(yīng) 包 含 抓 手(Gripper) , 用 于 抓 取 12" FOUP法蘭 ,該模塊由sMEE 設(shè)計(jì)并制造。

2 系統(tǒng)配置

系統(tǒng)配置如圖1所示。

3 機(jī)械布局方案

3. 1 整體布局

自動(dòng)片盒搬運(yùn)車主要包含以下幾個(gè)部分:

(1)智能移動(dòng)小車 , 作為載重平臺(tái)和移動(dòng)裝置:

(2)六自由度機(jī)器人機(jī)械臂 ,進(jìn)行片盒的搬運(yùn):

(3)主體框架 ,用于承載2盒l(wèi)2寸滿載片盒:

(4)LoadPort,用于承載片盒 ,數(shù)量為2個(gè) ,8"片盒可做選配:

(5)傳感器 ,相機(jī)鏡頭視覺(jué)系統(tǒng) ,激光、超聲波、在位、傾斜傳感器:

(6)觸摸屏 ,作為用戶操作界面:

(7)無(wú)線模塊 ,用于遠(yuǎn)程通信控制。

自主片盒搬運(yùn)車的機(jī)械框架分為小車上方的承載框架以及底部擴(kuò)展平臺(tái)框架 。承載框架可安放兩個(gè)硅片盒 ,還包含頂部裝設(shè)的人機(jī)界面觸摸屏。整車尺寸寬度控制在760mm×780 mm×l 800 mm以內(nèi) ,水平面內(nèi)最大轉(zhuǎn)彎半徑為950 mm ,能夠在l 200 mm 寬度的通道內(nèi)調(diào)頭(需每次完成搬運(yùn)任務(wù)后將車輛位置設(shè)置到通道中間 ,并設(shè)置單行道) 。

3.2 整車框架設(shè)計(jì)分析

3.2. 1 質(zhì)量負(fù)載預(yù)算

質(zhì)量負(fù)載預(yù)算如表2所示。

整機(jī)的總質(zhì)量不能超過(guò)l90 kg ,是因?yàn)槭苤悄芤苿?dòng)平臺(tái)滿載功率的限制 ,經(jīng)理論計(jì)算所得 ,通過(guò)對(duì)已知模塊的估算重量 ,倒推出要設(shè)計(jì)的框架模塊的重量要小于42 kg。

對(duì)設(shè)計(jì)常用的幾種材料進(jìn)行對(duì)比分析 ,如表3所示。

3.2.2 上部框架分析

上部框架除放置有裝載2個(gè)滿盒12寸FoUP外 ,還安裝有1個(gè)六自由度機(jī)械臂 、2個(gè)RFID傳感器 、2個(gè)垂向激光傳感器 、2個(gè)光電傳感器和龍門架等 。龍門架上安裝有1個(gè)觸摸屏、4個(gè)操控按鈕、2根天線和1個(gè)三色信號(hào)燈。上部框架采用3mm鋁合金飯金件 ,通過(guò)螺釘固連的方式進(jìn)行安裝 ,飯金件全部折彎以加強(qiáng)剛度。主體承載框架內(nèi)部放置有控制器與板卡 ,包括:1個(gè) PC機(jī)、數(shù)據(jù)采集板卡、機(jī)械臂供電變壓器、機(jī)械臂控制器、機(jī)械 臂安全面板、UPs電源等。

通過(guò)對(duì)龍門架進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析(圖2) , 龍門架最大變形為0 .3 mm ,飯金厚度為2.0 mm,重10 kg ,滿足要求。

圖3為龍門架模態(tài)仿真圖 ,其中一 階模態(tài)為88 Hz ,遠(yuǎn)好于 APR500/l0產(chǎn)品模態(tài) ,符合設(shè)計(jì)需求。

3.2.3 下部框架分析

一體式擴(kuò)展框架平臺(tái) ,底部與小車頂板連接 ,頂部與機(jī)械臂連接 ,與小車共同承載垂向載荷 ,并增加運(yùn)輸小車行駛時(shí)的穩(wěn)定性(圖4) 。底部擴(kuò)展平臺(tái)CART框架通過(guò)螺釘與小車頂部固連 ,整個(gè)框架通過(guò)鋁合金型材連接而成 。小車與框架通過(guò)L 型連接板和減振阻尼裝置同小車頂板通孔連接 ,用螺釘直接固連到小車內(nèi)部的螺紋孔處。允許頂板微小變形進(jìn)行解耦 , 以消除內(nèi)應(yīng)力。

圖5為整車框架模態(tài)仿真圖 , 車架材料為鋁合金 , 壁厚1 .2mm ,底部四腳支撐 ,重量為30 kg ,在承受90 kg負(fù)載的情況下 ,最大變形量為0.657 3 mm。

從圖6可知 ,擴(kuò)展框架是由焊接的圓管制成的 ,為了避開擴(kuò)展框架前方激光/聲吶傳感器的探測(cè)區(qū)域 ,在垂直方向設(shè)計(jì)斜撐加強(qiáng)管 , 以增加整體剛度和穩(wěn)定性。框架頂部用于放置電氣集成箱 , 因此設(shè)計(jì)橫梁以增加強(qiáng)度 ?？蚣芩闹苎b有4個(gè)萬(wàn)向輪 ,作為從動(dòng)輪跟隨小車運(yùn)動(dòng) ,在支架和萬(wàn)向輪之間 ,加入彈簧柔性件(或阻尼器) ,具有足夠的剛度和柔性的地面適應(yīng)性 ,保證小車驅(qū)動(dòng)輪和擴(kuò)展框架的萬(wàn)向輪都接觸地面 , 避免輪子虛接觸。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)機(jī)械臂進(jìn)入初始位置時(shí) ,移動(dòng)模塊開始運(yùn)動(dòng) 。所以 ,為保證移動(dòng)模塊的行駛安全 ,機(jī)械臂和傳感控制模塊等作為移動(dòng)小車的有效載荷 ,被視為一 個(gè)整體 ,其整體重心相對(duì)于安裝平面應(yīng)在AGV小車允許的安全運(yùn)行范圍內(nèi):移動(dòng)小車自重60 kg, 最大承重90 kg ,4個(gè)框架腳輪最大乘重為400 kg(安全系數(shù)0.5) ,滿足要求。