四軸碼垛機(jī)器人設(shè)計(jì)

機(jī)電一體化機(jī)電一體化 項(xiàng)目報(bào)告項(xiàng)目報(bào)告 四軸碼垛機(jī)器人設(shè)計(jì)四軸碼垛機(jī)器人設(shè)計(jì) 成員 成員 機(jī)械系統(tǒng)部分機(jī)械系統(tǒng)部分 機(jī)械系統(tǒng) 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 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)成碼垛 以便使單元化的碼垛實(shí) 現(xiàn)物料的搬運(yùn) 存儲(chǔ) 裝卸運(yùn)輸 等物流活動(dòng) 現(xiàn)物料的搬運(yùn) 存儲(chǔ) 裝卸運(yùn)輸 等物流活動(dòng) 機(jī)器人在碼垛箱狀物機(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)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)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(dòng) 腰關(guān)節(jié)部分組成 能實(shí)現(xiàn)4種運(yùn)動(dòng) 腰 部旋轉(zhuǎn) 大臂上下運(yùn)動(dòng) 小臂前后部旋轉(zhuǎn) 大臂上下運(yùn)動(dòng) 小臂前后 運(yùn)動(dòng)和手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 并全部由交運(yùn)動(dòng)和手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 并全部由交 流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng) 1 2 腰部底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1 2 腰部底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 腰部底座的運(yùn)動(dòng)是由底部的伺服電腰部底座的運(yùn)動(dòng)是由底部的伺服電 機(jī)來(lái)控制空心軸 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)腰部旋 轉(zhuǎn) 機(jī)來(lái)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)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(dòng)時(shí)的 工作噪音 構(gòu)設(shè)計(jì)可以降低機(jī)械關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)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)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(lái)使?jié)L珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng) 間接帶動(dòng)其滑塊及拖板 齒型帶的旋轉(zhuǎn)來(lái)使?jié)L珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng) 間接帶動(dòng)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(dòng) 小臂前后運(yùn)動(dòng) 實(shí)現(xiàn) 1 機(jī)器人實(shí)現(xiàn)大臂上下 運(yùn)動(dòng) 小臂前后運(yùn)動(dòng) 2 滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)大慣性力矩負(fù)載和快 2 滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)大慣性力矩負(fù)載和快 速運(yùn)動(dòng) 精確定位的要求 速運(yùn)動(dòng) 精確定位的要求 1 4 機(jī)器人腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(pán)帶動(dòng)機(jī)器人手爪旋轉(zhuǎn) 腕部電機(jī)控制手爪連接盤(pán)帶動(dòng)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) 化 飲料 藥品 啤酒 日化等行業(yè) 電氣部分電氣部分 崔培崔培 電氣部分 碼垛機(jī)器人的四個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)是由四碼垛機(jī)器人的四個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)是由四 個(gè)AC伺服電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)完成的 其功率個(gè)AC伺服電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)完成的 其功率 和型號(hào)如下表 中慣量系列 GYG電和型號(hào)如下表 中慣量系列 GYG電 機(jī) 額定旋轉(zhuǎn)速度機(jī) 額定旋轉(zhuǎn)速度 15001500 r min r min 電機(jī)功率電機(jī)型號(hào)驅(qū)動(dòng)器型號(hào) 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(dòng)器AC伺服電機(jī) 驅(qū)動(dòng)器 交流伺服電動(dòng)機(jī) 交流伺服電動(dòng)機(jī)是把加在控制繞組上 的交流電信號(hào)轉(zhuǎn)換為一定的轉(zhuǎn)速和偏角的 電動(dòng)機(jī) 與直流伺服電動(dòng)機(jī)相比 交流伺 服電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固 維護(hù)簡(jiǎn)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(dòng)機(jī)采用了全封閉無(wú)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(dòng)機(jī)開(kāi)槽多且深 圍繞在定子鐵芯上 絕 緣可靠 磁場(chǎng)均勻 可對(duì)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)電氣控制原理設(shè)計(jì) 1 1 交流接觸器KM1 交流接觸器KM1 KM2 KM3 KM4分KM2 KM3 KM4分 別控制腕關(guān)節(jié) 小別控制腕關(guān)節(jié) 小 臂 大臂 腰關(guān)節(jié) 臂 大臂 腰關(guān)節(jié) 2 2 電動(dòng)機(jī)M1 M2 電動(dòng)機(jī)M1 M2 M3 M4由熱繼電器M3 M4由熱繼電器 FR1 FR2 FR3 FR1 FR2 FR3 FR4實(shí)現(xiàn)過(guò)載保FR4實(shí)現(xiàn)過(guò)載保 護(hù) 護(hù) 3 QF為電源總開(kāi)關(guān) 3 QF為電源總開(kāi)關(guān) 4 熔斷器FU1 FU2 4 熔斷器FU1 FU2 FU3 FU4分別實(shí)現(xiàn)FU3 FU4分別實(shí)現(xiàn) 各負(fù)載回路的短路各負(fù)載回路的短路 保護(hù) FU5 FU6分保護(hù) FU5 FU6分 別完成交流控制回別完成交流控制回 路和PLC控制回路和PLC控制回 路 路 控制部分 張?chǎng)雾祻場(chǎng)雾?控制部分 一 控制方案的確定一 控制方案的確定 1 操作系統(tǒng)及微控制器的選擇 操作系統(tǒng)及微控制器的選擇 目前廣泛使用的有目前廣泛使用的有3種操作系統(tǒng) 批處理操種操作系統(tǒng) 批處理操 作系統(tǒng) 作系統(tǒng) 分時(shí)操作系統(tǒng)以及實(shí)時(shí)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 點(diǎn) 因此經(jīng)分析確定 選用實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)方法實(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) 設(shè)計(jì)碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng) 2 控制方式的選擇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)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(duì)其末端定位精度要求較高 由于機(jī)器人 對(duì)其末端定位精度要求較高 由于 碼垛機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度較慢 所以對(duì)其關(guān)節(jié)運(yùn)碼垛機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度較慢 所以對(duì)其關(guān)節(jié)運(yùn) 動(dòng)速度精度沒(méi)有特殊要求 最后確定碼垛機(jī)動(dòng)速度精度沒(méi)有特殊要求 最后確定碼垛機(jī) 器人控制方式選擇器人控制方式選擇位置閉環(huán)伺服控制方式位置閉環(huán)伺服控制方式以以 保證其操作末端要求的定位精度 其控制系保證其操作末端要求的定位精度 其控制系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示 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碼垛機(jī)器人的工作模式有以下5種 種 1 復(fù)位零點(diǎn)模式復(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碼垛機(jī)器人伸展 重裝載鎖緊工作模式 3 手動(dòng)控制模式手動(dòng)控制模式 4 自動(dòng)模式自動(dòng)模式 5 自檢模式自檢模式 3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件 碼垛機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件主要由以下模塊組 成 碼垛機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件主要由以下模塊組 成 1 系統(tǒng)啟動(dòng)和自檢模塊系統(tǒng)啟動(dòng)和自檢模塊 2 碼垛機(jī)器人展開(kāi)和重裝載鎖定模塊碼垛機(jī)器人展開(kāi)和重裝載鎖定模塊 3 碼垛機(jī)器人零位尋找模塊碼垛機(jī)器人零位尋找模塊 4 運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃模塊運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃模塊 5 運(yùn)動(dòng)學(xué)解算模塊運(yùn)動(dòng)學(xué)解算模塊 6 通信模塊通信模塊 7 故障檢測(cè)與處理模塊故障檢測(cè)與處理模塊 表表1列出了碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中可能出列出了碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中可能出 現(xiàn)的各種故障種類(lèi) 現(xiàn)的各種故障種類(lèi) 針對(duì)列出的各種故障 首先根據(jù)系統(tǒng)發(fā)生故障的 種類(lèi)及嚴(yán)重程度不同 將故障按輕重分為三類(lèi) 報(bào)警 任務(wù)退出和緊急停車(chē) 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(cè)到一 個(gè)接近故障情況 但經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)可自修復(fù)該 類(lèi)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(cè)到 此類(lèi)無(wú)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(guò)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(chē) 設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的主控單元和關(guān)節(jié)控制單設(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)了設(shè)計(jì)了5種常用的工作模式 基于軟件模塊種常用的工作模式 基于軟件模塊 化的思想 編輯化的思想 編輯7種工作模塊 并為機(jī)器人種工作模塊 并為機(jī)器人 工作中可能出現(xiàn)的故障給出了解決方案 工作中可能出現(xiàn)的故障給出了解決方案 為自動(dòng)碼垛系統(tǒng)可靠 安全地工作打下良為自動(dòng)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 統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了值得借鑒的方案 傳感檢測(cè)部分傳感檢測(cè)部分 常海霞常海霞 傳感器是自動(dòng)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(lèi) 傳感器的分類(lèi) 傳感器的分類(lèi) 內(nèi)部檢測(cè)傳感器是以機(jī)器人本身的坐標(biāo)軸來(lái) 確定其位置 是安裝在機(jī)器人內(nèi)部從而感知運(yùn)動(dòng) 學(xué)及動(dòng)力學(xué)參數(shù) 通過(guò)內(nèi)部檢測(cè)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(cè)傳感器用于獲取機(jī)器人周?chē)h(huán)境或 目標(biāo)物狀態(tài)特征的信息 是機(jī)器人與周?chē)h(huán)境進(jìn) 行交互工作的信息通道 外部檢測(cè)傳感器的功能 是讓機(jī)器人能認(rèn)識(shí)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(duì)環(huán)境具有自校正和自適應(yīng) 能力 外部檢測(cè)傳感器通常包括觸覺(jué) 接近覺(jué) 視覺(jué) 聽(tīng)覺(jué) 嗅覺(jué) 味覺(jué)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(duì)物體作用最佳大小的把握力 以保證在抓取過(guò)程中 既能不產(chǎn)生滑動(dòng) 又不至于因用力過(guò)大而使物體產(chǎn)生變形或 損壞 為達(dá)到這一目的 需要對(duì)機(jī)器人的 手指與物體接觸面之間相對(duì)運(yùn)動(dòng) 滑動(dòng) 的大小和方向進(jìn)行檢測(cè) 滑動(dòng)傳感器就是 為此目的而設(shè)計(jì)的 滑動(dòng)傳感器滑動(dòng)傳感器 原理圖 工作原理 如圖所示為一種球形滑覺(jué)傳感器 該傳感器 的主要部分是一個(gè)可以自由滾動(dòng)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(pán)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