四軸碼垛機器人設(shè)計

機電一體化機電一體化 項目報告項目報告 四軸碼垛機器人設(shè)計四軸碼垛機器人設(shè)計 成員 成員 機械系統(tǒng)部分機械系統(tǒng)部分 機械系統(tǒng) 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 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 等物流活動 現(xiàn)物料的搬運 存儲 裝卸運輸 等物流活動 機器人在碼垛箱狀物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 并全部由交運動和手腕回轉(zhuǎn)運動 并全部由交 流伺服電機驅(qū)動流伺服電機驅(qū)動 1 2 腰部底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計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) 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)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 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 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 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 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 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) 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 碼垛機器人的四個關(guān)節(jié)的運動是由四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電和型號如下表 中慣量系列 GYG電 機 額定旋轉(zhuǎn)速度機 額定旋轉(zhuǎn)速度 15001500 r min r 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)計電氣控制原理設(shè)計 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 電動機M1 M2 電動機M1 M2 M3 M4由熱繼電器M3 M4由熱繼電器 FR1 FR2 FR3 FR1 FR2 FR3 FR4實現(xiàn)過載保FR4實現(xiàn)過載保 護 護 3 QF為電源總開關(guān) 3 QF為電源總開關(guān) 4 熔斷器FU1 FU2 4 熔斷器FU1 FU2 FU3 FU4分別實現(xiàn)FU3 FU4分別實現(xiàn) 各負載回路的短路各負載回路的短路 保護 FU5 FU6分保護 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 張鑫淼張鑫淼 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) 分時操作系統(tǒng)以及實時操作系統(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 點 因此經(jīng)分析確定 選用實時嵌入式系統(tǒng)方法實時嵌入式系統(tǒng)方法 設(shè)計碼垛機器人控制系統(tǒng) 設(shè)計碼垛機器人控制系統(tǒng) 2 控制方式的選擇2 控制方式的選擇 碼垛機器人作為一種高定位精度關(guān)節(jié)式串聯(lián)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2 碼垛機器人工作模式 碼垛機器人的工作模式有以下碼垛機器人的工作模式有以下5種 種 1 復位零點模式復位零點模式 2 碼垛機器人伸展 重裝載鎖緊工作模式碼垛機器人伸展 重裝載鎖緊工作模式 3 手動控制模式手動控制模式 4 自動模式自動模式 5 自檢模式自檢模式 3 運動控制系統(tǒng)軟件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 碼垛機器人運動控制系統(tǒng)軟件主要由以下模塊組 成 1 系統(tǒng)啟動和自檢模塊系統(tǒng)啟動和自檢模塊 2 碼垛機器人展開和重裝載鎖定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碼垛機器人零位尋找模塊 4 運動軌跡規(guī)劃模塊運動軌跡規(guī)劃模塊 5 運動學解算模塊運動學解算模塊 6 通信模塊通信模塊 7 故障檢測與處理模塊故障檢測與處理模塊 表表1列出了碼垛機器人控制系統(tǒng)在運行過程中可能出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 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 1 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)可自修復該 類故障 2 任務(wù)退出 當碼垛機器人控制系統(tǒng)實時檢測到 此類無法自修復的故障時 將立即執(zhí)行任務(wù)退出 的操作 3 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元 根據(jù)碼垛機器人工作特點和實際需要 設(shè)計了設(shè)計了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 并為機器人種工作模塊 并為機器人 工作中可能出現(xiàn)的故障給出了解決方案 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 統(tǒng)設(shè)計提供了值得借鑒的方案 傳感檢測部分傳感檢測部分 常海霞常海霞 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 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 學及動力學參數(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體面 積 當機械手工作時 球體與被握持