1 智能片盒搬運小車設(shè)計約束分析

根據(jù)前期調(diào)研 ,APR產(chǎn)品的設(shè)計約束主要來自于關(guān)鍵件選型 ,如智能移動平臺和六自由度搬運機械臂。

1. 1 智能移動平臺選型

經(jīng)過前期調(diào)研 , 目前智能移動平臺產(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 。對不同移動平臺的基本性能進行了評估 ,結(jié)果如表1所示。

智能移動平臺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平臺高度約為700 mm , 不利于后期開發(fā) , 國內(nèi)市場也無法找到合適的供應(yīng)商 。最終選擇Adept公司的Lynx平臺。

1.2 六自由度機器人

經(jīng)過前期調(diào)研 , 目前六自由度機器人產(chǎn)品較多的主要有:丹麥UR、瑞典ABB、美國PA、美國Mi1ara、美國Brooks、美國Barrett、美國Denso、韓國Auto-Robot、韓國Cyborg、韓國TEs、日本Rorze、日本sankyo、日本Hirata、瑞 士 staub1i 、臺 灣 Hiwin等 。對不同六自由度機器人的基本性能進行評估 , 主要評估項如下:有效載荷 、機器人自重(作為移動平臺的載荷) 、運動范圍、 直流交流電兼容(移動平臺電池供電)等 。最終選用丹麥 Universa1Robot 公 司 的 URl0型機器人。

URl0機器人主要由六個機器人關(guān)節(jié)和兩根鋁管組成 ,將機器人的機座與機器人的工具相連 ,機器人工具允許在機器人工作空間內(nèi)平移和旋轉(zhuǎn) 。URl0機器人的工作空間是指機座關(guān)節(jié)周圍1300 mm范圍內(nèi)的空間區(qū)域 ,此外機械臂末端執(zhí) 行 機 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)計并制造。

2 系統(tǒng)配置

系統(tǒng)配置如圖1所示。

3 機械布局方案

3. 1 整體布局

自動片盒搬運車主要包含以下幾個部分:

(1)智能移動小車 , 作為載重平臺和移動裝置:

(2)六自由度機器人機械臂 ,進行片盒的搬運:

(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 ,8"片盒可做選配:

(5)傳感器 ,相機鏡頭視覺系統(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)無線模塊 ,用于遠(yuǎn)程通信控制。

自主片盒搬運車的機械框架分為小車上方的承載框架以及底部擴展平臺框架 。承載框架可安放兩個硅片盒 ,還包含頂部裝設(shè)的人機界面觸摸屏。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。

整機的總質(zhì)量不能超過l90 kg ,是因為受智能移動平臺滿載功率的限制 ,經(jīng)理論計算所得 ,通過對已知模塊的估算重量 ,倒推出要設(shè)計的框架模塊的重量要小于42 kg。

對設(shè)計常用的幾種材料進行對比分析 ,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個滿盒12寸FoUP外 ,還安裝有1個六自由度機械臂 、2個RFID傳感器 、2個垂向激光傳感器 、2個光電傳感器和龍門架等 。龍門架上安裝有1個觸摸屏、4個操控按鈕、2根天線和1個三色信號燈。上部框架采用3mm鋁合金飯金件 ,通過螺釘固連的方式進行安裝 ,飯金件全部折彎以加強剛度。主體承載框架內(nèi)部放置有控制器與板卡 ,包括:1個 PC機、數(shù)據(jù)采集板卡、機械臂供電變壓器、機械臂控制器、機械 臂安全面板、UPs電源等。

通過對龍門架進行靜力學(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)計需求。

3.2.3 下部框架分析

一體式擴展框架平臺 ,底部與小車頂板連接 ,頂部與機械臂連接 ,與小車共同承載垂向載荷 ,并增加運輸小車行駛時的穩(wěn)定性(圖4) 。底部擴展平臺CART框架通過螺釘與小車頂部固連 ,整個框架通過鋁合金型材連接而成 。小車與框架通過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 ,擴展框架是由焊接的圓管制成的 ,為了避開擴展框架前方激光/聲吶傳感器的探測區(qū)域 ,在垂直方向設(shè)計斜撐加強管 , 以增加整體剛度和穩(wěn)定性?？蚣茼敳坑糜诜胖秒姎饧上?, 因此設(shè)計橫梁以增加強度 ?？蚣芩闹苎b有4個萬向輪 ,作為從動輪跟隨小車運動 ,在支架和萬向輪之間 ,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)動輪和擴展框架的萬向輪都接觸地面 , 避免輪子虛接觸。

4 結(jié)語

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