關(guān)節(jié)型搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)說明

./關(guān)節(jié)型搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)摘要隨著現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展,工業(yè)機(jī)器人的使用迅速增長(zhǎng)。本文通過對(duì)國外工業(yè)機(jī)器人的分析,并結(jié)合搬運(yùn)所需要的條件,設(shè)計(jì)出了工廠自動(dòng)化生產(chǎn)和生產(chǎn)線使用的搬運(yùn)機(jī)器人。本文著重對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案、機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)從理論上進(jìn)行了詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì)。在搬運(yùn)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)中,采用了應(yīng)用最為廣泛的平面關(guān)節(jié)型；在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中,主要設(shè)計(jì)了搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器、手腕、手臂和腰的機(jī)械結(jié)構(gòu)；在末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)上采用了一種具有接近覺、接觸覺及滑動(dòng)覺的初級(jí)智能機(jī)械手；在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,采用可編程控制器〔PLC進(jìn)行控制,并對(duì)控制系統(tǒng)的硬件原理做了分析,對(duì)PLC的程序也進(jìn)行了編譯；在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,采用了氣動(dòng)和電機(jī)兩種驅(qū)動(dòng)方式,主要?jiǎng)幼鞑捎秒姍C(jī)驅(qū)動(dòng)。關(guān)鍵詞：搬運(yùn)機(jī)器人,三感覺機(jī)械手,可編程序控制器.DesignofthejointtransportingrobotAbstractUnderthedevelopmentofthemodernindustrialrobot’stechnology,theuseofindustrialrobotincreasesrapidly.Throughanalyzingthedomesticandforeignindustrialrobots,combingtheconditionsofthetransportation,thetransportingrobotforthefactoryautomationproduceandtheproductionlineisdesignedinthisarticle.Theemphasisonthisarticleistoanalyzeanddesignthetransportingrobotintheory.Theanalyticalobjectsincludethetotalscheme,themechanismdesign,andthecontrolsystemdesign.Inthetotalschemedesign,themostwildlyappliedplanejointtypeischosen.Inthemechanism,thetransportingrobot’send-effector,thewrist,thearmandthewaistaremainlydesigned.Akindoftheapproachingsense,thecontactsenseandtheskiddingsenseprimaryintelligencemanipulatorisadoptedintheend-effector;Inthecontrolsystem,theprogrammablecontroller<PLC>isused,theprincipleofhardwareisanalyzedandtheprogramsinPLCarecompiled.Intheactuatingsystem,twodrivingtypesareusedwhichincludethepneumaticoperationandthemotor.Themainmovementisdrivenbythemotor.Keywords:Transportingrobot,threefeelingsmanipulators,programmablecontroller〔PLC1．引言本課題研制的搬運(yùn)機(jī)器人,是一種綜合了人和機(jī)器特長(zhǎng)的擬人機(jī)械電子裝置,既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力,又有長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力,是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。它能夠感應(yīng)工件并能按規(guī)定抓取,升高,轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度,向前移動(dòng),把料準(zhǔn)確放入指定的工位。為了便于設(shè)計(jì),工件設(shè)為60*60*60的立方體,重為3kg。本文對(duì)一類搬運(yùn)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等從理論上進(jìn)行了較為全面的研究。在機(jī)械手設(shè)計(jì)上采用了一種具有接近覺、接觸覺及滑動(dòng)覺的初級(jí)智能機(jī)械手。2．總體方案與機(jī)械本體設(shè)計(jì)由工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成及其運(yùn)動(dòng)系統(tǒng),進(jìn)行機(jī)械本體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的方案比較與選擇,基于總體方案的設(shè)計(jì),選定基本技術(shù)參數(shù)。.2.1手部〔末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算分析手部的功能與分類,根據(jù)其設(shè)計(jì)要求,在本次設(shè)計(jì)中可使用的末端執(zhí)行器有以下幾種：〔1吸附式〔2電磁吸盤式〔3多關(guān)節(jié)多指手爪〔4夾鉗持式手爪本設(shè)計(jì)選用的是夾鉗式手部的齒輪齒條平行連桿式平移型夾持器。結(jié)構(gòu)如圖2-1所示：圖2-1齒輪齒條平行連桿式平移型夾持器夾鉗式手部應(yīng)具有適當(dāng)?shù)牡膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力,手部方案計(jì)算包括：夾緊力、夾緊缸驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算。受力示意如圖：圖2-2受力示意圖2.2手腕的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算分析手腕的功能與分類,手腕設(shè)計(jì)應(yīng)該具有兩個(gè)自由度,即能實(shí)現(xiàn)手腕的回轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)動(dòng),由手腕設(shè)計(jì)要求,在本次設(shè)計(jì)中可采用的設(shè)計(jì)方案有以下幾種結(jié)構(gòu)：方案一傳動(dòng)示意圖2-3如下：圖2-3方案一傳動(dòng)示意圖方案二傳動(dòng)示意圖如圖2-4所示：圖2-4擺動(dòng)液壓缸驅(qū)動(dòng)手腕方案三傳動(dòng)示意圖如圖2-5所示：在方案三中充分考慮到手腕回轉(zhuǎn)所需力矩小所以使用的電動(dòng)機(jī)和諧波減速機(jī)構(gòu)都質(zhì)量和體積都很小,可以之間將其直接放在手腕前端,這樣就減少了小臂前端的質(zhì)量和體積,所以在本次設(shè)計(jì)中使用第三方案。圖2-5方案三傳動(dòng)示意手腕回轉(zhuǎn)、俯仰時(shí),需要克服腕部的摩擦阻力力矩、工件重心偏置力矩和腕部啟動(dòng)時(shí)的慣性阻力力矩。手腕設(shè)計(jì)方案的計(jì)算包括：手腕回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算〔二手腕俯仰力矩的計(jì)算2.3手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算分析手臂的功能與分類,根據(jù)其設(shè)計(jì)要求,本次設(shè)計(jì)可供選擇的結(jié)構(gòu)主要有以下幾種：〔一液壓驅(qū)動(dòng)圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)〔二電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)援助坐標(biāo)型機(jī)器人手臂〔三PUMA機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)〔四SPINE機(jī)器人多節(jié)柔性手臂〔五帶諧波減速器的機(jī)器人手臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖2-6PUMA560機(jī)器人小臂傳動(dòng)圖本設(shè)計(jì)是采用PUMA機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)結(jié)合設(shè)計(jì)需要進(jìn)行改進(jìn)：一、小臂的示意圖如下：圖2-7小臂的示意圖二、大臂示意圖如下：圖2-8大臂示意圖其大臂和小臂均用高強(qiáng)度的鋁合金材料制成的薄壁框形結(jié)構(gòu),大臂的肘關(guān)節(jié)處的傳動(dòng)與別處不同,為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)和動(dòng)作的精確,以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,質(zhì)量小,所以采用諧波減速器。設(shè)計(jì)計(jì)算截面尺寸和手臂長(zhǎng)度,使其在滿足強(qiáng)度、剛度和尺寸要求的前提下,得到最優(yōu)尺寸和最小質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。大臂肘關(guān)節(jié)處的傳動(dòng)示意圖為：圖2-9大臂肘關(guān)節(jié)處傳動(dòng)示意圖2.4機(jī)座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算分析機(jī)座的功能與分類,根據(jù)其設(shè)計(jì)要求,在本次設(shè)計(jì)中可供選擇的腰座有以下幾種：方案一：采用環(huán)形軸承作支撐結(jié)構(gòu)的機(jī)器人腰座圖2-10采用環(huán)形軸承作支撐結(jié)構(gòu)的機(jī)器人腰座方案二：采用普通軸承作支撐結(jié)構(gòu)的機(jī)器人腰座圖2-11采用普通軸承作支撐結(jié)構(gòu)的機(jī)器人腰座本方案是采用普通軸承做支承元件的腰座支承結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)制造簡(jiǎn)單,成本低、安裝調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn),雖然存在腰座尺寸過大的缺點(diǎn),但是卻可以增加穩(wěn)定性。本次設(shè)計(jì)即采用這種腰部。方案三：PUMA機(jī)器人腰座經(jīng)過對(duì)減速器和電動(dòng)機(jī)選擇及相關(guān)計(jì)算,搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械本體效果圖如下：圖2-12搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械本體效果圖3．控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通過對(duì)PLC的分析,本機(jī)采用三菱公司生產(chǎn)的FX2N-40MRPLC。機(jī)器人搬運(yùn)操作方式分為手動(dòng)和自動(dòng)操作方式。自動(dòng)操作方式又分為步進(jìn)、單周期和連續(xù)操作方式?！?機(jī)器人搬運(yùn)示意圖3-1機(jī)器人搬運(yùn)示意圖原位〔零點(diǎn)位置：機(jī)器人的小臂停在下限位置出,鉗抓放松,即物體抓取出,不需要通過仰俯運(yùn)動(dòng)來調(diào)整鉗抓的角度,輸送帶和物料臺(tái)同一高度?！?機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)輸入和輸出點(diǎn)分配表表3-1I/O分配表名稱代號(hào)輸入名稱代號(hào)輸入名稱代號(hào)輸出啟動(dòng)SB1X0手動(dòng)操作SB6X10電磁閥上升YV1Y0上升限位SQ1X1連續(xù)操作SB7X11電磁閥左移YV2Y1左移限位SQ2X2單步上升SB7X12電磁閥下降YV3Y2下降限位SQ3X3單步下降SB8X13輸送帶A轉(zhuǎn)動(dòng)YV4Y3工件檢測(cè)SQ4X4單步左移SB9X14抓取YV5Y4抓限位SB2X5單步右移SB10X15電磁閥右移YV6Y5右移限位SB3X6夾緊SB11X16原點(diǎn)指示ELY6停止SB4X7放松SB12X17輸送帶B轉(zhuǎn)動(dòng)YV7Y7回原點(diǎn)SB5X20輸送帶轉(zhuǎn)動(dòng)SB13X21〔3PLC輸入,輸出連接電路圖圖3-2PLC輸入,輸出連接電路圖〔4操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)包括回原點(diǎn)程序,手動(dòng)單步操作程序和自動(dòng)連續(xù)操作程序。圖3-3機(jī)械手操作程序圖其原理是：X20接通,系統(tǒng)自動(dòng)回原點(diǎn),Y6驅(qū)動(dòng)指示燈亮。X10接通,其常閉觸頭打開,程序不跳轉(zhuǎn)〔CJ為一跳轉(zhuǎn)指令,如果CJ驅(qū)動(dòng),則跳到指針P所指P0處,執(zhí)行手動(dòng)程序。之后,由于X11常閉觸點(diǎn),當(dāng)執(zhí)行CJ指令時(shí),跳轉(zhuǎn)到P1所指的結(jié)束位置。如果置于自動(dòng)位置,〔既X10常閉閉合、X11常閉打開則程序執(zhí)行時(shí)跳過手動(dòng)程序,直接執(zhí)行自動(dòng)程序?！?回原位程序圖3-4回原位狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖〔6手動(dòng)單步操作程序圖中上升/下降,左移/右移都有聯(lián)鎖和限位保護(hù)。圖3-5手動(dòng)單步操作程序圖〔7自動(dòng)操作程序圖3-6自動(dòng)操作狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖3.2傳感器的選擇在本設(shè)計(jì)中,傳感器主要用來檢測(cè)手腕、手臂、腰部的轉(zhuǎn)動(dòng)角度,還有確定手爪對(duì)工件的抓取。在機(jī)械手設(shè)計(jì)上采用了一種具有接近覺、接觸覺及滑動(dòng)覺的初級(jí)智能機(jī)械手。工作原理如下：接近覺傳感器、接觸覺傳感器、滑動(dòng)覺傳感器位于手指上接近覺傳感器是由紅外發(fā)射器、紅外探測(cè)器及其信號(hào)處理電路構(gòu)成。接觸覺傳感器、滑動(dòng)覺傳感器是一個(gè)傳感器。是由聚偏氟乙烯膜,銅箔電極和絕緣橡膠表皮保護(hù)層構(gòu)成。圖3-7初級(jí)智能機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖4．結(jié)論與建議4.1結(jié)論本文對(duì)一類搬運(yùn)機(jī)器人的總體方案上進(jìn)行了研究,并對(duì)其機(jī)械本體結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。<1>通過相關(guān)方案的選擇、計(jì)算及校核,從理論上驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的可行性和正確性。<2>編寫了PLC程序,并進(jìn)行了機(jī)器人搬運(yùn)工件模擬實(shí)驗(yàn),在模擬實(shí)驗(yàn)中機(jī)器人能夠很好的完成設(shè)計(jì)好的動(dòng)作,證實(shí)了機(jī)器人控制系統(tǒng)的正確性。4.2建議在設(shè)計(jì)方面還存在不少不足,可以提出以下幾個(gè)方面建議對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行完善：<1>本設(shè)計(jì)理論上采用光電編碼器的輸出直接通過PLC的高速記數(shù)單元與PLC進(jìn)行連接,PLC再通過高速記數(shù)單元將控制信號(hào)發(fā)送給電動(dòng)機(jī),但在實(shí)際的PLC設(shè)計(jì)中采用的是機(jī)械限位所產(chǎn)生的信號(hào)發(fā)送給PLC,PL