智能片盒搬运小车布局设计

1 智能片盒搬运小车设计约束分析

根据前期调研 ,APR产品的设计约束主要来自于关键件选型 ,如智能移动平台和六自由度搬运机械臂。

1. 1 智能移动平台选型

经过前期调研 , 目前智能移动平台产品较多 , 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 。对不同移动平台的基本性能进行了评估 ,结果如表1所示。

智能移动平台多不能满足洁净厂房c1assl00的要求 ,主要还是应用在室内环境中 , 只有Adept公司的Lynx和Metra1abs 的scitosG5能够达到需求。Metra1abs的scitos G5平台高度约为700 mm , 不利于后期开发 , 国内市场也无法找到合适的供应商 。最终选择Adept公司的Lynx平台。

1.2 六自由度机器人

经过前期调研 , 目前六自由度机器人产品较多的主要有:丹麦UR、瑞典ABB、美国PA、美国Mi1ara、美国Brooks、美国Barrett、美国Denso、韩国Auto-Robot、韩国Cyborg、韩国TEs、日本Rorze、日本sankyo、日本Hirata、瑞 士 staub1i 、台 湾 Hiwin等 。对不同六自由度机器人的基本性能进行评估 , 主要评估项如下:有效载荷 、机器人自重(作为移动平台的载荷) 、运动范围、 直流交流电兼容(移动平台电池供电)等 。最终选用丹麦 Universa1Robot 公 司 的 URl0型机器人。

URl0机器人主要由六个机器人关节和两根铝管组成 ,将机器人的机座与机器人的工具相连 ,机器人工具允许在机器人工作空间内平移和旋转 。URl0机器人的工作空间是指机座关节周围1300 mm范围内的空间区域 ,此外机械臂末端执 行 机 构 还 应 包 含 抓 手(Gripper) , 用 于 抓 取 12" FOUP法兰 ,该模块由sMEE 设计并制造。

2 系统配置

系统配置如图1所示。

3 机械布局方案

3. 1 整体布局

自动片盒搬运车主要包含以下几个部分:

(1)智能移动小车 , 作为载重平台和移动装置:

(2)六自由度机器人机械臂 ,进行片盒的搬运:

(3)主体框架 ,用于承载2盒l2寸满载片盒:

(4)LoadPort,用于承载片盒 ,数量为2个 ,8"片盒可做选配:

(5)传感器 ,相机镜头视觉系统 ,激光、超声波、在位、倾斜传感器:

(6)触摸屏 ,作为用户操作界面:

(7)无线模块 ,用于远程通信控制。

自主片盒搬运车的机械框架分为小车上方的承载框架以及底部扩展平台框架 。承载框架可安放两个硅片盒 ,还包含顶部装设的人机界面触摸屏。整车尺寸宽度控制在760mm×780 mm×l 800 mm以内 ,水平面内最大转弯半径为950 mm ,能够在l 200 mm 宽度的通道内调头(需每次完成搬运任务后将车辆位置设置到通道中间 ,并设置单行道) 。

3.2 整车框架设计分析

3.2. 1 质量负载预算

质量负载预算如表2所示。

整机的总质量不能超过l90 kg ,是因为受智能移动平台满载功率的限制 ,经理论计算所得 ,通过对已知模块的估算重量 ,倒推出要设计的框架模块的重量要小于42 kg。

对设计常用的几种材料进行对比分析 ,如表3所示。

3.2.2 上部框架分析

上部框架除放置有装载2个满盒12寸FoUP外 ,还安装有1个六自由度机械臂 、2个RFID传感器 、2个垂向激光传感器 、2个光电传感器和龙门架等 。龙门架上安装有1个触摸屏、4个操控按钮、2根天线和1个三色信号灯。上部框架采用3mm铝合金饭金件 ,通过螺钉固连的方式进行安装 ,饭金件全部折弯以加强刚度。主体承载框架内部放置有控制器与板卡 ,包括:1个 PC机、数据采集板卡、机械臂供电变压器、机械臂控制器、机械 臂安全面板、UPs电源等。

通过对龙门架进行静力学仿真分析(图2) , 龙门架最大变形为0 .3 mm ,饭金厚度为2.0 mm,重10 kg ,满足要求。

图3为龙门架模态仿真图 ,其中一 阶模态为88 Hz ,远好于 APR500/l0产品模态 ,符合设计需求。

3.2.3 下部框架分析

一体式扩展框架平台 ,底部与小车顶板连接 ,顶部与机械臂连接 ,与小车共同承载垂向载荷 ,并增加运输小车行驶时的稳定性(图4) 。底部扩展平台CART框架通过螺钉与小车顶部固连 ,整个框架通过铝合金型材连接而成 。小车与框架通过L 型连接板和减振阻尼装置同小车顶板通孔连接 ,用螺钉直接固连到小车内部的螺纹孔处。允许顶板微小变形进行解耦 , 以消除内应力。

图5为整车框架模态仿真图 , 车架材料为铝合金 , 壁厚1 .2mm ,底部四脚支撑 ,重量为30 kg ,在承受90 kg负载的情况下 ,最大变形量为0.657 3 mm。

从图6可知 ,扩展框架是由焊接的圆管制成的 ,为了避开扩展框架前方激光/声呐传感器的探测区域 ,在垂直方向设计斜撑加强管 , 以增加整体刚度和稳定性。框架顶部用于放置电气集成箱 , 因此设计横梁以增加强度 。框架四周装有4个万向轮 ,作为从动轮跟随小车运动 ,在支架和万向轮之间 ,加入弹簧柔性件(或阻尼器) ,具有足够的刚度和柔性的地面适应性 ,保证小车驱动轮和扩展框架的万向轮都接触地面 , 避免轮子虚接触。

4 结语

当机械臂进入初始位置时 ,移动模块开始运动 。所以 ,为保证移动模块的行驶安全 ,机械臂和传感控制模块等作为移动小车的有效载荷 ,被视为一 个整体 ,其整体重心相对于安装平面应在AGV小车允许的安全运行范围内:移动小车自重60 kg, 最大承重90 kg ,4个框架脚轮最大乘重为400 kg(安全系数0.5) ,满足要求。