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機電一體化項目報告 四軸碼垛機器人設(shè)計 成員 機械系統(tǒng)部分 機械系統(tǒng) 概述 碼垛機器人是一種機電一體化高新技術(shù)產(chǎn)品 碼垛是按照一定模式 一件件堆成碼垛 以便使單元化的碼垛實現(xiàn)物料的搬運 存儲 裝卸運輸?shù)任锪骰顒?機器人在碼垛箱狀物 1 1碼垛機器人總體機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 機器人是一種四自由度的關(guān)節(jié)式串聯(lián)機器人 其機械系統(tǒng)主要由4個關(guān)節(jié)部分組成 能實現(xiàn)4種運動 腰部旋轉(zhuǎn) 大臂上下運動 小臂前后運動和手腕回轉(zhuǎn)運動 并全部由交流伺服電機驅(qū)動 1 2腰部底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計 腰部底座的運動是由底部的伺服電機來控制空心軸 進而實現(xiàn)腰部旋轉(zhuǎn) 經(jīng)實驗證明 底部基座及法蘭的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以降低機械關(guān)節(jié)運動時的工作噪音 1 3水平及垂直關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 水平及垂直關(guān)節(jié)部分都各有一個電機 每個電機都由控制同步帶輪及齒型帶的旋轉(zhuǎn)來使?jié)L珠絲杠轉(zhuǎn)動 間接帶動其滑塊及拖板 實現(xiàn) 1 機器人實現(xiàn)大臂上下運動 小臂前后運動 2 滿足驅(qū)動大慣性力矩負載和快速運動 精確定位的要求 1 4機器人腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計 腕部電機控制手爪連接盤帶動機器人手爪旋轉(zhuǎn) 豐富多樣的抓手形式 可以廣泛應(yīng)用于石化 飲料 藥品 啤酒 日化等行業(yè) 電氣部分 崔培 電氣部分 碼垛機器人的四個關(guān)節(jié)的運動是由四個AC伺服電機來驅(qū)動完成的 其功率和型號如下表 中慣量系列 GYG電機 額定旋轉(zhuǎn)速度1500r min 電機功率 電機型號 驅(qū)動器型號 腕關(guān)節(jié) 0 5kw GYG501BC2 T2G B RYC501B3 VVT2 小臂 0 85kw GYG851BC2 T2G B RYC851B3 VVT2 大臂 1 3kw GYG132BC2 T2G B RYC132B3 VVT2 腰關(guān)節(jié) 1 8kw GYG182BC2 T2G B RYC182B3 VVT2 AC伺服電機 驅(qū)動器 交流伺服電動機 交流伺服電動機是把加在控制繞組上的交流電信號轉(zhuǎn)換為一定的轉(zhuǎn)速和偏角的電動機 與直流伺服電動機相比 交流伺服電動機具有結(jié)構(gòu)堅固 維護簡單 便于安裝以及轉(zhuǎn)子慣量可以設(shè)計得較小和能夠高速運轉(zhuǎn)等優(yōu)點 結(jié)構(gòu)特點 交流伺服電動機采用了全封閉無刷結(jié)構(gòu) 以適應(yīng)實際生產(chǎn)環(huán)境不需要定期檢查和維修 其定子省去了鑄件殼體 結(jié)構(gòu)緊湊 外形小 重量輕 定子鐵心較一般電動機開槽多且深 圍繞在定子鐵芯上 絕緣可靠 磁場均勻 可對定子鐵芯直接冷卻 散熱效果好 因而傳給機械部分的熱量小 提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性 碼垛機器人的電氣系統(tǒng)組成 電氣控制原理設(shè)計 交流接觸器KM1 KM2 KM3 KM4分別控制腕關(guān)節(jié) 小臂 大臂 腰關(guān)節(jié)電動機M1 M2 M3 M4由熱繼電器FR1 FR2 FR3 FR4實現(xiàn)過載保護 QF為電源總開關(guān) 熔斷器FU1 FU2 FU3 FU4分別實現(xiàn)各負載回路的短路保護 FU5 FU6分別完成交流控制回路和PLC控制回路 控制部分 控制部分 一 控制方案的確定1 操作系統(tǒng)及微控制器的選擇目前廣泛使用的有3種操作系統(tǒng) 批處理操作系統(tǒng) 分時操作系統(tǒng)以及實時操作系統(tǒng) 現(xiàn)在生產(chǎn)生活節(jié)奏加快 碼垛機器人要求快速可靠地完成工作 而且由于碼垛機器人控制系統(tǒng)可以與監(jiān)控系統(tǒng)相連 所以要求碼垛機器人的控制系統(tǒng)應(yīng)具有體積小 重量輕 功耗低的特點 因此經(jīng)分析確定 選用實時嵌入式系統(tǒng)方法設(shè)計碼垛機器人控制系統(tǒng) 2 控制方式的選擇 碼垛機器人作為一種高定位精度關(guān)節(jié)式串聯(lián)機器人 對其末端定位精度要求較高 由于碼垛機器人運動速度較慢 所以對其關(guān)節(jié)運動速度精度沒有特殊要求 最后確定碼垛機器人控制方式選擇位置閉環(huán)伺服控制方式以保證其操作末端要求的定位精度 其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示 二 碼垛機器人控制系統(tǒng)的組成1 控制系統(tǒng)的組成 2 碼垛機器人工作模式 碼垛機器人的工作模式有以下5種 復(fù)位零點模式碼垛機器人伸展 重裝載鎖緊工作模式 3 手動控制模式 4 自動模式 5 自檢模式 3 運動控制系統(tǒng)軟件 碼垛機器人運動控制系統(tǒng)軟件主要由以下模塊組成 系統(tǒng)啟動和自檢模塊碼垛機器人展開和重裝載鎖定模塊 3 碼垛機器人零位尋找模塊運動軌跡規(guī)劃模塊運動學(xué)解算模塊 6 通信模塊 7 故障檢測與處理模塊 表1列出了碼垛機器人控制系統(tǒng)在運行過程中可能出現(xiàn)的各種故障種類 針對列出的各種故障 首先根據(jù)系統(tǒng)發(fā)生故障的種類及嚴重程度不同 將故障按輕重分為三類 報警 任務(wù)退出和緊急停車 根據(jù)不同的故障 采取下述3種保護措施 報警 此時碼垛機器人控制系統(tǒng)實時檢測到一個接近故障情況 但經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)可自修復(fù)該類故障 任務(wù)退出 當碼垛機器人控制系統(tǒng)實時檢測到此類無法自修復(fù)的故障時 將立即執(zhí)行任務(wù)退出的操作 系統(tǒng)重啟 當碼垛機器人運行過程中發(fā)生嚴重異常情況時 使碼垛機器人緊急停車 設(shè)計了系統(tǒng)的主控單元和關(guān)節(jié)控制單元 根據(jù)碼垛機器人工作特點和實際需要設(shè)計了5種常用的工作模式 基于軟件模塊化的思想 編輯7種工作模塊 并為機器人工作中可能出現(xiàn)的故障給出了解決方案 為自動碼垛系統(tǒng)可靠 安全地工作打下良好的基礎(chǔ) 也為其他工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)設(shè)計提供了值得借鑒的方案 傳感檢測部分 傳感器是自動控制系統(tǒng)中信息獲取的首要環(huán)節(jié)和關(guān)鍵技術(shù) 傳感器在機器人中更是不可缺少的部分 按照機器人傳感器所傳感的物理量的位置 可以將機器人傳感器分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器兩大類 傳感器的分類 內(nèi)部檢測傳感器是以機器人本身的坐標軸來確定其位置 是安裝在機器人內(nèi)部從而感知運動學(xué)及動力學(xué)參數(shù) 通過內(nèi)部檢測傳感器 機器人可以了解自己的工作狀況 調(diào)整和控制自己按照一定的位置 速度 加速度 壓力和軌跡等進行工作 外部檢測傳感器用于獲取機器人周圍環(huán)境或目標物狀態(tài)特征的信息 是機器人與周圍環(huán)境進行交互工作的信息通道 外部檢測傳感器的功能是讓機器人能認識工作環(huán)境 更好地執(zhí)行和檢查產(chǎn)品質(zhì)量 取物 控制操作 應(yīng)付環(huán)境和修改程序等工作 使機器人對環(huán)境具有自校正和自適應(yīng)能力 外部檢測傳感器通常包括觸覺 接近覺 視覺 聽覺 嗅覺 味覺等傳感器 機器人末端機械手要抓住屬性未知物體 必須對物體作用最佳大小的把握力 以保證在抓取過程中 既能不產(chǎn)生滑動 又不至于因用力過大而使物體產(chǎn)生變形或損壞 為達到這一目的 需要對機器人的手指與物體接觸面之間相對運動 滑動 的大小和方向進行檢測 滑動傳感器就是為此目的而設(shè)計的 滑動傳感器 原理圖 工作原理 如圖所示為一種球形滑覺傳感器 該傳感器的主要部分是一個可以自由滾動的球體 球的表面是用導(dǎo)線和絕緣體按一定規(guī)格相間布置得如同棋盤的網(wǎng)眼 在球表面任意兩個地方安裝有接觸器 接觸器觸頭表面小于球面上露出的導(dǎo)體面積 當機械手工作時 球體與被握持物體相接觸 若物體與機械手之間有相對滑動 將帶動球體隨之滾動 接觸器與球的導(dǎo)體區(qū)交替接觸從而發(fā)出一系列的脈沖信號 實現(xiàn)了對滑動的檢測 脈沖信號的頻率與物體滑動的速度有關(guān) 特點 1 與現(xiàn)在常用的光電滑覺傳感器相比 無論相對滑動方向如何 球體都會發(fā)生滾動 傳感器也都產(chǎn)生信號輸出 所以這種結(jié)構(gòu)的傳感器所測量的滑動不受滑動方向的限制 能檢測全方位滑動 2 減小球體的尺寸和傳導(dǎo)面積可以提高檢測靈敏度 報告完畢謝謝大家