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機(jī)電一體化 項(xiàng)目報(bào)告 四軸碼垛機(jī)器人設(shè)計(jì) 成員 機(jī)械系統(tǒng)部分 機(jī)械系統(tǒng) 概述 碼垛機(jī)器人是一種機(jī)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(shí) 現(xiàn)物料的搬運(yùn) 存儲 裝卸運(yùn)輸 等物流活動 機(jī)器人在碼垛箱狀物 1 1 碼垛機(jī)器人總體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)器人是一種四自由度的關(guān)節(jié)式串 聯(lián)機(jī)器人 其機(jī)械系統(tǒng)主要由4個(gè) 關(guān)節(jié)部分組成 能實(shí)現(xiàn)4種運(yùn)動 腰 部旋轉(zhuǎn) 大臂上下運(yùn)動 小臂前后 運(yùn)動和手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動 并全部由交 流伺服電機(jī)驅(qū)動 1 2 腰部底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 腰部底座的運(yùn)動是由底部的伺服電 機(jī)來控制空心軸 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)腰部旋 轉(zhuǎn) 經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明 底部基座及法蘭的結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)可以降低機(jī)械關(guān)節(jié)運(yùn)動時(shí)的 工作噪音 1 3 水平及垂直關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 水平及垂直關(guān)節(jié)部分都各有一個(gè)電 機(jī) 每個(gè)電機(jī)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(shí)現(xiàn) 1 機(jī)器人實(shí)現(xiàn)大臂上下 運(yùn)動 小臂前后運(yùn)動 2 滿足驅(qū)動大慣性力矩負(fù)載和快 速運(yùn)動 精確定位的要求 1 4 機(jī)器人腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 腕部電機(jī)控制手爪連接盤帶動機(jī)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(jī)器人的四個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動是由四 個(gè)AC伺服電機(jī)來驅(qū)動完成的 其功率 和型號如下表 中慣量系列 GYG電 機(jī) 額定旋轉(zhuǎn)速度 1500 r min 電機(jī)功率 電機(jī)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(jī) 驅(qū)動器 交流伺服電動機(jī) 交流伺服電動機(jī)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(jī) 與直流伺服電動機(jī)相比 交流伺 服電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固 維護(hù)簡單 便于 安裝以及轉(zhuǎn)子慣量可以設(shè)計(jì)得較小和能夠 高速運(yùn)轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 交流伺服電動機(jī)采用了全封閉無刷結(jié) 構(gòu) 以適應(yīng)實(shí)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(jī)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(jī)械部分的熱 量小 提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性 碼垛機(jī)器人的電氣系統(tǒng)組成 電氣控制原理設(shè)計(jì) 1 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) 2 電動機(jī)M1 M2 M3 M4由熱繼電器 FR1 FR2 FR3 FR4實(shí)現(xiàn)過載保 護(hù) 3 QF為電源總開關(guān) 4 熔斷器FU1 FU2 FU3 FU4分別實(shí)現(xiàn) 各負(fù)載回路的短路 保護(hù) FU5 FU6分 別完成交流控制回 路和PLC控制回 路 控制部分 張鑫淼 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(shí)操作系統(tǒng)以及實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 現(xiàn)在生產(chǎn)生活節(jié)奏加快 碼垛機(jī)器人要求快 速可靠地完成工作 而且由于碼垛機(jī)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(jī)器人的 控制系統(tǒng)應(yīng)具有體積小 重量輕 功耗低的特 點(diǎn) 因此經(jīng)分析確定 選用 實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)方法 設(shè)計(jì)碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng) 2 控制方式的選擇 碼垛機(jī)器人作為一種高定位精度關(guān)節(jié)式串聯(lián) 機(jī)器人 對其末端定位精度要求較高 由于 碼垛機(jī)器人運(yùn)動速度較慢 所以對其關(guān)節(jié)運(yùn) 動速度精度沒有特殊要求 最后確定碼垛機(jī) 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(jī)器人控制系統(tǒng)的組成 1 控制系統(tǒng)的組成 2 碼垛機(jī)器人工作模式 碼垛機(jī)器人的工作模式有以下 5種 1 復(fù)位零點(diǎn)模式 2 碼垛機(jī)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(yùn)動控制系統(tǒng)軟件 碼垛機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)軟件主要由以下模塊組 成 1 系統(tǒng)啟動和自檢模塊 2 碼垛機(jī)器人展開和重裝載鎖定模塊 3 碼垛機(jī)器人零位尋找模塊 4 運(yùn)動軌跡規(guī)劃模塊 5 運(yùn)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(jī)器人控制系統(tǒng)在運(yùn)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(yán)重程度不同 將故障按輕重分為三類 報(bào)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(hù)措施 1 報(bào)警 此時(shí)碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測到一 個(gè)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 2 任務(wù)退出 當(dāng)碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測到 此類無法自修復(fù)的故障時(shí) 將立即執(zhí)行任務(wù)退出 的操作 3 系統(tǒng)重啟 當(dāng)碼垛機(jī)器人運(yùn)行過程中發(fā)生嚴(yán)重 異常情況時(shí) 使碼垛機(jī)器人緊急停車 設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的主控單元和關(guān)節(jié)控制單 元 根據(jù)碼垛機(jī)器人工作特點(diǎn)和實(shí)際需要 設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)器人的控制系 統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了值得借鑒的方案 傳感檢測部分 常海霞 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(jī)器人中 更是不可缺少的部分 按照機(jī)器人傳感器 所傳感的物理量的位置 可以將機(jī)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(jī)器人本身的坐標(biāo)軸來 確定其位置 是安裝在機(jī)器人內(nèi)部從而感知運(yùn)動 學(xué)及動力學(xué)參數(shù) 通過內(nèi)部檢測傳感器 機(jī)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(jìn)行 工作 外部檢測傳感器用于獲取機(jī)器人周圍環(huán)境或 目標(biāo)物狀態(tài)特征的信息 是機(jī)器人與周圍環(huán)境進(jìn) 行交互工作的信息通道 外部檢測傳感器的功能 是讓機(jī)器人能認(rèn)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(jī)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(jī)器人末端機(jī)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(dá)到這一目的 需要對機(jī)器人的 手指與物體接觸面之間相對運(yùn)動 滑動 的大小和方向進(jìn)行檢測 滑動傳感器就是 為此目的而設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)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(dāng)機(jī)械手工作時(shí) 球體與被握持物體相接 觸 若物體與機(jī)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(shí)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(diǎn) 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(bào)告完畢 謝謝大家