【正文】 a2=90mm 齒根圓直徑 df2=80mm 機(jī)器人實(shí)驗(yàn)組裝 慧魚創(chuàng)意模型簡(jiǎn)介 1958年創(chuàng)始人阿圖菲舍爾 (Anhur Flscher)博士打破傳統(tǒng)，發(fā)明了世界上第一枚高級(jí)尼龍錨栓，翻開(kāi)了慧魚歷史發(fā)展嶄新的第一頁(yè)。 電動(dòng)機(jī)選擇 腰部回轉(zhuǎn)由電機(jī)通過(guò)圓柱齒輪減速器和一對(duì)蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)。 手臂升降結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 電動(dòng)機(jī)選擇及校核 升降裝置中電動(dòng)機(jī)選擇也主要是按照功率選擇，因?yàn)樯仙璧墓β蚀笥谙陆? 時(shí)所需的功率，所以按照上升時(shí)功率選擇即可。本課題中的機(jī)器人用于教學(xué)，采用慧魚模型中的元件，精度要求不 高，所以采用滑動(dòng)螺旋即可。 所以手臂電機(jī)功率 P=2W。 a (34) 式中： M—— 手臂伸縮部件的總質(zhì)量 (Kg)； a—— 啟動(dòng)過(guò)程中的平均加速度 (M/s2)，是速度增量與升降速所用的時(shí)間的比值。驅(qū)動(dòng)桿 2 末端與連桿 4 由鉸銷 3 鉸接，當(dāng)驅(qū)動(dòng)桿 2坐直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)連桿推動(dòng)兩桿手指各繞 其支點(diǎn)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而使手指松開(kāi)和閉合 。 在本系統(tǒng)中， K1=， K2=2。夾鉗式操作手是機(jī)器人廣泛采用的一種手部形 式，如圖 32 所示。 圖 3l機(jī)械手各模塊組成 機(jī)械手按其功能分析可分為基座、 立柱、手臂、手腕、手部模塊。 模塊設(shè)計(jì)的方法有很多，比較成熟的方法是基于功能結(jié)構(gòu)的模塊設(shè)計(jì)方法。同時(shí)為了在過(guò)程控制中隨時(shí)了解運(yùn)動(dòng)過(guò)程的狀態(tài)，以及在發(fā)生事故時(shí)進(jìn)行人工干 預(yù)，要利用 PLC 的通信功能進(jìn)行監(jiān)控軟件的開(kāi)發(fā)，以便監(jiān)測(cè)輸入輸出信號(hào)的狀態(tài)并能遠(yuǎn)程控制機(jī)械手的動(dòng)作。 PLC 適用于開(kāi)關(guān)量邏輯控制和順序控制，而且可以組成控制網(wǎng)絡(luò)，是工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用的控制裝置?？紤]到安裝的位置要求，如圖 24 所示，電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速先經(jīng)過(guò)一對(duì)直齒圓柱齒輪減速，然后再經(jīng)過(guò)蝸輪蝸桿傳動(dòng)，蝸桿為主動(dòng)件，正向運(yùn)行時(shí)不會(huì)發(fā)生自鎖，只是效率相對(duì)來(lái)說(shuō)有所降低。行星齒輪傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高的優(yōu)點(diǎn)，是用于中等減速比傳動(dòng)，但存在齒輪間隙，難以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)過(guò)程中精確位置要求，因此 限制了它的廣泛應(yīng)用。 電動(dòng)機(jī)根據(jù)輸出形式分，可阻分為旋轉(zhuǎn)型和直線型。機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖黑龍江工程學(xué)院?？粕厴I(yè)論文 13 如圖 23所示。 (5)SCARA型：這種機(jī)器人由兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)組成。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作過(guò)程中負(fù)荷變動(dòng)少，容易控制，缺點(diǎn) 是動(dòng)作區(qū)域狹窄。上料主要完成：工件夾取 —— 垂直手臂上升 —— 腰部旋轉(zhuǎn) —— 水平手臂伸出 —— 手臂下降 ——手爪張開(kāi)這一系列動(dòng)作，將工件從儲(chǔ)存處送到流水線的傳送帶上。 黑龍江工程學(xué)院?？粕厴I(yè)論文 10 軟件設(shè)計(jì)包括 PLC 梯形圖、狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖的設(shè)計(jì)和上位機(jī)監(jiān)控軟件的開(kāi)發(fā)。該機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)反復(fù)拆裝，無(wú)限組合；控制系統(tǒng)確定為以 PLC 為核心，控制機(jī)械手完成一系列復(fù)雜動(dòng)作：如手爪張合，腰部回轉(zhuǎn)，水平手臂伸縮和垂直手臂升降等動(dòng)作。 隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和自動(dòng)化水平的不斷提高，人們?cè)诟鞣N領(lǐng)域內(nèi)大量采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。今后的任務(wù)是把機(jī)器人技術(shù)推廣到更多的工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域和其他更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，大力開(kāi)展跨國(guó)區(qū)域交流合作，與國(guó)際接軌，早日躋身于世界先進(jìn)行列。 1985 年后開(kāi)始列入國(guó)家有關(guān)計(jì)劃，發(fā)展比較快。 智能機(jī)器人被人們稱為第三代機(jī)器人，是能利用感覺(jué)和識(shí)別功能做決策行動(dòng)的機(jī)器人。這種機(jī)械手可以通過(guò)讓其沿一系列點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，將運(yùn)動(dòng)位置以數(shù)字形式存儲(chǔ)起來(lái)，動(dòng)作執(zhí)行時(shí)，使伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手各關(guān)節(jié)軸來(lái)再現(xiàn)這些位置，從而讓機(jī)械手完成一些簡(jiǎn)單的工作。教育機(jī)器人是一類應(yīng)用于教育領(lǐng)域的機(jī)器人，它一般具備以下特點(diǎn)：首先是教學(xué)適用性，符合教學(xué)使用的相關(guān)需求；其次是具有良好的性能價(jià)格比，特定的教學(xué)用戶群決定了其價(jià)位不能過(guò)高；再次就是它的開(kāi)放性和可擴(kuò) 展性，可以根據(jù)需要方便地增 、減功能模塊，進(jìn)行自主創(chuàng)新；此外，它還應(yīng)當(dāng)有友好的人機(jī)交互界面。從某種意義上來(lái)說(shuō)，機(jī)器人是機(jī)器進(jìn)化過(guò)程的產(chǎn)物，是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。首先對(duì)機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，確定驅(qū)動(dòng)方案和傳動(dòng)方案，然后按照模塊化設(shè)計(jì)方法組裝建立機(jī)械手結(jié)構(gòu)，最后進(jìn)行了機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究。下位機(jī)采用可編程序控制器，上位機(jī)采用 PC 機(jī)，從硬件上進(jìn)行了 PLC 選型、輸入輸出點(diǎn)的配置等，軟件上采用順序控制法編制 了機(jī)器人的梯形圖程序，并利用 PLC 的通信功能 ，采用 Visual Basic 開(kāi)發(fā)了簡(jiǎn)單實(shí)用的監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制機(jī)器人的目的。 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是進(jìn)入 80 年代以來(lái)，機(jī)器人技術(shù)的不斷進(jìn)步，其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用日 益廣泛，引起了各國(guó)專家學(xué)者的普遍關(guān)注。將其作為《機(jī)器人學(xué)》、《機(jī)黑龍江工程學(xué)院?？粕厴I(yè)論文 7 器人技術(shù)》及《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程及機(jī)械電子工程專業(yè)的綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，不僅可以讓學(xué)生在輕松愉快的氛圍中充分理解相關(guān)課程的專業(yè)知識(shí) ，而且可以激發(fā)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣，讓他們樹(shù)立系統(tǒng)工程概念，培養(yǎng)其獨(dú)立開(kāi)展科學(xué)研究的能力。 與第一代示教再現(xiàn)型機(jī)器人不同，第二代機(jī)器人是具有感覺(jué)功能的適應(yīng)控制機(jī)器人。國(guó)外專家預(yù)測(cè)，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車、計(jì)算機(jī)之后出現(xiàn)的新的大型高技術(shù)產(chǎn)業(yè) 。 在機(jī)器人操作機(jī)研制方面：已開(kāi)發(fā)出一些先進(jìn)的操作機(jī)和特種機(jī)器人 ,如自動(dòng)導(dǎo)引車 AGV，壁面爬行機(jī)器人，重復(fù)定位精度為177。機(jī)器人控制器 的功能是控制機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和操作，以滿足作業(yè)要求。具有功能強(qiáng)、可靠性高、容易維護(hù)、應(yīng)用靈活、體積小能耗低等優(yōu)點(diǎn)，適用于開(kāi)關(guān)量邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制、順序控 制和過(guò)程控制，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以組成控制網(wǎng)絡(luò)，是具有完整控制功能和數(shù)據(jù)處理功能的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。 (2)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 按照模塊化的設(shè)計(jì)方法，將機(jī)器人分為手部結(jié)構(gòu)、手臂和立柱三部分，分別對(duì)各個(gè)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)并校核，通過(guò)實(shí)驗(yàn)使用慧魚零件搭建機(jī)械手的結(jié)構(gòu)。所謂的機(jī)電一體化系統(tǒng)是指在系統(tǒng)的主功能、信息處理功能和控制功能等方面引進(jìn)了電子技術(shù)，并把機(jī)械裝置、執(zhí)行部件、計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備以及軟件等有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成的系統(tǒng)，即機(jī)械、執(zhí)行、信息處理、接口和軟件等部分在電子技術(shù)的支配下，以系統(tǒng)的觀點(diǎn)進(jìn)行組合而形成的一種新型機(jī)械系統(tǒng)。根據(jù)其用途和特點(diǎn)其技術(shù)參數(shù)如表 21所示： 表 2l機(jī)器人技術(shù)參數(shù) 自由度數(shù)目 3 定位精度 1mm 負(fù)載能力（含末端執(zhí)行器） 黑龍江工程學(xué)院專科生畢業(yè)論文 12 幾何尺寸 200mm*270mm*350mm 運(yùn)動(dòng)范圍 腰部轉(zhuǎn)動(dòng) 180 手臂伸縮 120mm 手臂升降 160mm 最大展開(kāi)半徑 220mm 本體重量 8kg 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 直流電機(jī) 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)形式的確定 機(jī)器人手臂部分的主要功能是使機(jī)械手達(dá)到空間的 指定位置，一般需要有三個(gè)自由度。 (4)多關(guān)節(jié)型：這類機(jī)器人由兩個(gè)肩關(guān)節(jié)和一個(gè)肘關(guān)節(jié)進(jìn)行定位，由兩個(gè)或三個(gè)腕關(guān)節(jié)定向。最適用于平面定位，垂直方向進(jìn)行裝配的作業(yè) 。 (2)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率質(zhì)量比大，驅(qū)動(dòng)平穩(wěn)，同時(shí)液壓驅(qū)動(dòng)調(diào)速比較簡(jiǎn)單，能在很大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速；缺點(diǎn)是易漏油，這不僅影響工作穩(wěn)定性和定位精度，而且污染環(huán)境。因?yàn)樗梢赃_(dá)到很大的力矩，精度高，加速迅速，可靠性高，在正反兩個(gè)方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)平 滑。螺旋傳動(dòng)也是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)的重要傳動(dòng)方式，有滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)和滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)。 黑龍江工程學(xué)院?？粕厴I(yè)論文 15 圖 24周向回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案 圖 25 徑向移動(dòng)關(guān)節(jié)傳動(dòng)方案 手臂升降關(guān)節(jié) 機(jī)械手垂直手臂的升降關(guān)節(jié)，如 水平手臂伸縮關(guān)節(jié)傳動(dòng)方法一樣，使用絲杠螺母副將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為手臂的升降移動(dòng)。 PLC 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)需要配置輸入輸出點(diǎn)，設(shè)計(jì)接線圖并實(shí)際安裝調(diào)試。綜合考慮，本文采用 VB進(jìn)行監(jiān)控軟件的開(kāi)發(fā)。功能分析就是根據(jù)一定的邏輯關(guān)系把對(duì)象系統(tǒng)各組成部分的功能相互聯(lián)系起來(lái)，從局部功能與整體功能的相互關(guān)系上研究對(duì)象系統(tǒng)的功能的一種方法。各部分連接件和關(guān)節(jié)具備一定的互換性和繼承性，夾持式 和吸附式手部模塊可以根據(jù)需要互換，根據(jù)各種實(shí)際情況需要還可以增加或減少功能模塊。 由設(shè)計(jì)要求知工件的重量 m= kg，夾持點(diǎn)距離轉(zhuǎn)軸的力臂約為 35mm。 G=1． 5 2 0． 3 9． 8= 所以 N=10N 所需夾持力矩 M=N根據(jù)總體方案中驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)方式的設(shè)計(jì)方案，手臂伸縮運(yùn)動(dòng)和升降運(yùn)動(dòng)屬于直線運(yùn)動(dòng)，選用螺旋傳動(dòng)。 a= = Fm=μ 螺旋傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作平穩(wěn)可靠，有良好的減速和增力性能。 根據(jù)文獻(xiàn) [25]，當(dāng)計(jì)算出的壓強(qiáng)小于材料的許用壓強(qiáng)時(shí)滿足條件。摩擦力忽略不計(jì)。 腰部回轉(zhuǎn)扭矩 T= 100/=所有構(gòu)件均使用優(yōu)質(zhì)的尼龍塑膠制成，采用燕尾槽插接方式連接。 電氣元件 電氣元件為模型提供動(dòng)力、執(zhí)行控制命令和產(chǎn)生控制信號(hào)，它是模型“動(dòng)”起來(lái)必不可少的器件。 圖 39升降機(jī)構(gòu)組裝圖 圖 310 腰部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)圈 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)圖 利用慧魚元件組裝成的機(jī)器人如圖 311 所示，整個(gè)機(jī)器人固定在一個(gè)底板上 圖 31l 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)圖 小結(jié) 本章按照模塊化設(shè)計(jì)方法，將機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)分為手部、手臂和立柱三部分，分別對(duì)這三部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并選擇關(guān)鍵的零部件。 機(jī)器人 PLC 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) PLC 的工作方式與通用微機(jī)不完全相同，與繼電器控制系統(tǒng)也有本質(zhì)區(qū)別，最大的特點(diǎn)就是 PLC 的硬件和軟 件可以分開(kāi)設(shè)計(jì)。該控制系統(tǒng)多用于各種控制對(duì)象所處的地理位置比較接近且相互之間動(dòng)作有一定聯(lián)系的場(chǎng)合。 PLC 控制系統(tǒng)的運(yùn)行方式 由 PLC 構(gòu)成的機(jī)械手控制系統(tǒng)有兩種運(yùn)行方式，即手動(dòng)運(yùn)行方式和自動(dòng)運(yùn)行方 式。系統(tǒng)中沒(méi)有模擬量，因此不需要選擇模擬量單元。 (2)應(yīng)用程序的存儲(chǔ)容量： FX2N48MR 具有較大的存儲(chǔ)容量，內(nèi) 8K 步 RAM(RUN 過(guò)程中口 T 以更改程序 )，最大可達(dá) 16K。它有特殊功能模塊和功能擴(kuò)展板，如模擬量輸入／輸出模塊、 RS232／RS422／ RS485 串行通信模塊，具有位置控制和聯(lián)網(wǎng)通信等功能。在設(shè)計(jì)選型時(shí)，不僅要滿足當(dāng)前控制系統(tǒng)的要求，還要考慮到以后生產(chǎn)工藝的可能變化及可靠性的要求， I／ O 點(diǎn)數(shù)一般預(yù)留 lO％到 15％的余量。因此本文采用單臺(tái) PLC 控制多個(gè)對(duì)象的模式，如圖 42 所示。 黑龍江工程學(xué)院?？粕厴I(yè)論文 27 PLC 控制系統(tǒng)的模式 就目前 PLC 的基本控制結(jié)構(gòu)與模式來(lái)說(shuō)，根據(jù)控制的不同要求，控制模式一般可分為下面三種類型。常用的方法是利用通用或?qū)Ｓ玫碾娮硬考〈鷤鲃?dòng)機(jī)械產(chǎn)品中的復(fù)雜機(jī)械功能部 件以彌補(bǔ)其不足。 手部組裝 手爪部分如圖 37所示，主要采用了連桿機(jī)構(gòu)，通過(guò)連桿推動(dòng)兩桿手指各繞其支點(diǎn)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而使手指松開(kāi)和閉合。模型可用電腦、 PLc 或單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行控制 [26]，慧魚模型采用著名的三維 CATIA 或 UG軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和結(jié)構(gòu)計(jì)算，為了保證計(jì)算結(jié)果的可靠性，利用容積與功能模型、運(yùn)動(dòng)模擬、橫流研究等輔助工具，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) CAD／ CAM 和三維的 UG，做出受力高達(dá) 3000KN 的高質(zhì)量注塑模。蝸桿選擇單頭蝸桿，減速比i=l:40。 機(jī)械手采用蝸桿傳動(dòng)的腰部回轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，直流電機(jī)的輸出軸減速箱和蝸輪蝸桿減速器的輸入端相連，蝸輪蝸桿減速器一方面提供了減速功能，另一方面改變了旋轉(zhuǎn)軸的方向，再經(jīng)過(guò)十字聯(lián)軸節(jié)和軸承等，最終驅(qū)動(dòng)立柱回轉(zhuǎn) 。 所以，滿足耐磨性要求。雖然滑動(dòng)螺旋摩擦阻力大，傳動(dòng)效率低，但是滑動(dòng)螺旋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于制造、易于自鎖。 V／ η ，式中， η 為傳動(dòng)效率取 70％。 伸縮電機(jī)選擇 黑龍江工程學(xué)院?？粕厴I(yè)論文 20 手臂作水平伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，首先要克服摩擦阻力和啟動(dòng)過(guò)程中的慣性力，所以 驅(qū)動(dòng)力 F可參照文獻(xiàn) [23] 公式 F=Fm+Fg (33) 式中： FM—— 各支承處的摩擦阻力 (N)； Fg—— 啟動(dòng)過(guò)程中的慣性力 (N)，其大小可按公式 (3— 4)估算： Fg=M 手部傳動(dòng)方式選擇 手爪的傳動(dòng)方式有回轉(zhuǎn)型和平移型，本課題所研制的機(jī)器人手部確定為夾鉗式，采用回轉(zhuǎn)型傳動(dòng)，如圖 33 所示。可按照 K2=1． 1～ 2． 5選擇； G—— 工件重力。工業(yè)機(jī)器人的末端操作器是多種多樣的，大致可分為夾鉗式、吸附式、專用操作器和仿生多指靈巧手。各模塊如圖 3l 所示劃分 。為適應(yīng)這一轉(zhuǎn)變，各種新思想、新方法，例如成組技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)等應(yīng)運(yùn)而生，模塊化思想也是其中之一。本課題采用三菱公司的 FX 系列 PLC，所以系統(tǒng)軟件采用三菱公司提供的SWOPCFXGP／ WINC 軟件，編制控制梯形圖程序。個(gè)人計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，組成 PLCPC兩級(jí)控制系統(tǒng)。 腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)