【正文】 案和結(jié)構(gòu)設(shè)計 焊接機器人系統(tǒng)的組成簡介 焊接機器人系統(tǒng)一般由如下幾部分組成 :機械手、變位機、控制器、焊接系統(tǒng) (專用焊接電源、焊槍或焊鉗等 )、焊接傳感器、中央控制計算機和相應(yīng)的安全設(shè)備等。通過前人的設(shè)計與比較 ,發(fā)現(xiàn)在相同的結(jié)構(gòu)尺寸下面具有 6 個自由度的機器人工作范圍是相對比較大的 ,關(guān)鍵是在機器運行中精度比較高。 為了配合焊接機器人的運動 ,以及加快生產(chǎn)的進(jìn)度 ,給焊接機器人配一個變位機是十分有必要的。這樣重復(fù)循環(huán)可以很好的利用時間 ,增加生產(chǎn)效率。它由計算機硬件、軟件和一些專用電路組成 ,其軟件包括控制器系統(tǒng)軟件、機器人專用語言、機器人運動學(xué)及動力學(xué)軟件、機器人控制軟件 、機器人自診斷及自保護軟件等。 焊接系統(tǒng)是焊接機器人完成作業(yè)的必要裝備 ,由焊鉗 (點焊機器人 )、焊槍 (弧焊機器人 )、焊接控制器及水、電、氣等輔助部分構(gòu)成。 雖然在焊接機器人在設(shè)計的時候?qū)⒕忍岣叩搅俗铐敹?,按時由于環(huán)境等因素導(dǎo)致焊接結(jié)果不是很理想 ,為了提高焊接的精度 ,給焊接機器人安裝部分傳感器是必要的。還有其他傳感器 ,例如焊縫跟蹤傳感器 ,可以很好的提高精度。 圖 機器人系統(tǒng)的神經(jīng)中樞 焊接機器人的設(shè)計方案 針對目前焊接機器人的普遍應(yīng)用于各機械行業(yè) ,且焊接機器人的構(gòu)造也有相當(dāng)大的改進(jìn)可以說目前的機器人已經(jīng)相當(dāng)理想不過對于機器人的改進(jìn)沒有最完美只有更完美。不同的焊接要求可以有不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ,鑒于機器人的工作環(huán)境的要求 ,因此設(shè)計出以下三種方案。通過多副齒輪導(dǎo)軌控制焊機移動達(dá)到焊接的目的 ,導(dǎo)軌可根據(jù)生產(chǎn)需求跟空間要求安裝齒輪導(dǎo)軌。優(yōu)點具有結(jié)構(gòu)簡單 ,安裝方便。 方案二 :關(guān)節(jié)式焊接機器人。一個人的腰部以上包括腰部到手指幾乎能觸及到以手臂為半徑的球體范圍。此機器人為關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu) ,機器人主體的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)由腰部、大臂、小臂、腕部等幾個部分組成。手臂有兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個棱柱關(guān)節(jié) ,其軸線按極坐標(biāo)配置 ,運動學(xué)模型較復(fù)雜 ,占用空間較小 ,操作范圍大且靈活。關(guān)節(jié)式機器人具有活動靈活 ,焊接位置相對比較廣 ,定點比較準(zhǔn)確。所以最終確定方案二為本次設(shè)計對象。 腰部的設(shè)計 機器人的腰部不僅要實現(xiàn)可以帶動整個機械主體進(jìn)行 360 度的旋轉(zhuǎn) ,還需一端固定于一個基準(zhǔn)面。所以腰部只有一個旋轉(zhuǎn)的自由度。腰部的大小是根據(jù)整體機器人的大小以及重量等因素來確定腰部基座的大小 ,由于是小型焊接機器人的設(shè)計 ,故先將機器人的重量設(shè)定為 120kg~140kg 左右。 剛度 剛度是指在外力作用下抵抗形變的能力。由于腰部不僅受到彎力 ,還受到扭轉(zhuǎn)力。剛度不僅在外形結(jié)構(gòu)上 ,在零件上也需要注意。影響機身和臂不位置精度的因素有剛度之外 ,關(guān)鍵還是主要運動部件的制造跟裝配進(jìn)度 ,腕的部 分在臂上的定位跟聯(lián)接放似乎也具有一定的影響。精度也主要體現(xiàn)在機械傳動是零件的精度。為了使機器人在運動時盡可能的平穩(wěn)需采取緩沖裝置吸收能量 ,還有一方面就是需要減少機器的動能 ,可以在設(shè)計的時候?qū)C器做的更緊湊一些控制好質(zhì)量 ,以減少慣性力所帶來的影響。圖 是腰部部分結(jié)構(gòu)圖 腰部是有一個電機連接一個聯(lián)軸器去連接 軸 ,在軸上安裝小齒輪 ,在軸的另一端連接一個軸承 ,通過電機帶動小齒輪提供動力 ,帶動大齒輪運轉(zhuǎn) ,使腰部可以自由轉(zhuǎn)動。 圖 腰部部分結(jié)構(gòu)示意圖 大臂部分設(shè)計 機器人的大臂部分相對于腰部的設(shè)計少了固定的基座 ,但是大臂的設(shè)計兩端個需要聯(lián)接腰部跟小臂 ,其結(jié)構(gòu)設(shè)計比較精巧 ,其大臂部分跟腰基聯(lián)接的部分也有一個俯仰的動作的 ,以及大臂跟小臂聯(lián)接部分也有一個俯仰的動作 ,故有兩個自由度。由于上面已經(jīng)強調(diào)過了這邊就不在重復(fù)敘述了。預(yù)計將大臂的長度設(shè)為 600mm,供后面的設(shè)計作參考。兩邊機構(gòu)基本一樣 ,這樣就可以滿足大臂跟小臂的俯仰需求。小臂的一端是連接大臂 ,另一端是連接手腕部分。手腕部分也需要旋轉(zhuǎn)跟俯仰也跟小臂一樣擁有 圖 大臂結(jié)構(gòu)主視圖及俯視圖 兩個自由度。在腰部結(jié)構(gòu)已經(jīng)介紹了 ,同樣的不再重復(fù)描述了。這邊將小臂跟腕部總長度設(shè)為 600mm,最為參考對結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。 手腕部分機構(gòu)跟小臂部分基本上沒有區(qū)別 ,除了機構(gòu)上的大小不一樣 ,其作用功能都是一樣的。 圖 小臂及手腕部分示意圖 3 電機的選型 電機簡介 圖 a 為步進(jìn)電機 ,b 為伺服電機 目前市場上電機品種較繁多 ,選擇一款合適的電機的十分重要的。 步進(jìn)電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機件?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量 ,從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。 雖然步進(jìn)電機已被廣泛地應(yīng)用 ,但步進(jìn)電機并不能像普通的直流電機 ,交流電機在常規(guī)下使用。它涉及到電子、電機、機械及計算機等許多專業(yè)知識。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展 ,步進(jìn)電機的需求量與日俱增 ,在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)用。通俗一點講 :當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號 ,它就驅(qū)動步進(jìn)電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度?？梢酝ㄟ^控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和 加速度 ,用來調(diào)速。伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制 ,并能快速反應(yīng) ,在自動控制系統(tǒng)中 ,可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。伺服電機可使控制速度 ,位置精度非常準(zhǔn)確 ,可以將電壓信號 轉(zhuǎn)化為和轉(zhuǎn) 速轉(zhuǎn)矩以驅(qū) 動控制對象 。伺服主要靠脈沖來定位 ,基本上可以這樣理解 ,伺服電機接收到 1 個脈沖 ,就會旋轉(zhuǎn) 1 個脈沖對應(yīng)的角度 ,來實現(xiàn)位移 ,因為 ,伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能 ,所以伺服電機每旋轉(zhuǎn)一個角度 ,都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖 ,這樣 ,和伺服電機接受的脈沖形成了呼應(yīng) ,或者叫閉環(huán) ,如此一來 ,系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機 ,同時又收了多少脈沖回來 ,這樣 ,就能夠很精確的控制電機的轉(zhuǎn)動 ,來實現(xiàn)精確的定位 ,可達(dá)到 。有刷電機成本低 ,結(jié)構(gòu)簡單 ,啟動轉(zhuǎn)矩大 ,調(diào)速范圍寬 ,控制容易 ,需要維護 ,但維護不方便 (換碳刷 ),產(chǎn)生電磁干擾 ,對環(huán)境有要求。 伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵 ,驅(qū)動器控制的 U/V/W 三相電形成電磁場 ,轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動 ,同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器 ,驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較 ,調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。 交流伺服電機和無刷直流伺服電機在功能上的區(qū)別 :交流伺 服要好一些 ,因為是正弦波控制 ,轉(zhuǎn)矩脈動小。但直流伺服比較簡單 ,便宜。盡管在成本上比較高一點 ,但是優(yōu)點還是十分顯著的。 維護保養(yǎng)要求低 ,而直流電機必須定期清理電刷 ,跟換電刷和換向器。而直流伺服電機損耗主要在轉(zhuǎn)子電樞上 ,散熱困難。對負(fù)載產(chǎn)生不良 影響。 同功率情況下 ,體積小 ,重量輕。 表 為同一家公司生產(chǎn)的兩類伺服電機典型產(chǎn)品性能比對 ,可見永磁交流伺服電機存在明顯優(yōu)勢。要是電機容量小了就很難發(fā)揮機械設(shè)備的能力 ,使生產(chǎn)效率低 ,另一方面電機要是再過載下長期運行的話會使它過早損壞 ,經(jīng)不起沖擊負(fù)載等故障 ,同時還可能出現(xiàn)氣筒困難。 通過查看相關(guān)焊接機器人的資料發(fā)現(xiàn) ,日本安川伺服電機是在焊接機器人中應(yīng)用比較廣泛的。通過查詢安川伺服電機手冊得知安川電機的型號有 SGMAH\SGMPH\SGMGH\SGMSH。 由于焊接機器人每個關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)速度均較低 ,所以在電機選擇過程中功率要求小 ,主要考慮電機的尺寸是否滿足焊接機器人外形尺寸的要求。安川交流伺服電機每種型號均帶有制動器和減速機的類型 ,但由于所用的減速氣味通用減速器 ,減速比較小 ,減速后 不能滿足焊接機器人速度要求 ,因此選用不帶制動器和減速機的標(biāo)準(zhǔn)型交流伺服電機。 大臂俯仰處電機選用 SGMPH15,功率 1500w 轉(zhuǎn)速 3000prm。 小臂旋轉(zhuǎn)處電機選用 SGMPH04,功率 400w 轉(zhuǎn)速 3000prm。 手腕旋轉(zhuǎn)鋤電機選用 SGMPH01,功 率 100w 轉(zhuǎn)速 3000prm。 圖 電機尺寸示意 表 電機參數(shù) SGMPH LL LC LA LZ LG LB LE S LR 質(zhì)量 (kg) 01 62 60 70 6325 02 67 80 90 7 8330 04 87 08 120 145 10 15 4 傳動機構(gòu)的設(shè)計 傳動機構(gòu)的介紹 機械傳動機構(gòu) ,可以將動力所提供的運動的方式、方向或速度加以改變 ,我國古代就有傳動機構(gòu)的應(yīng)用。 滾珠絲杠 滾珠絲杠機構(gòu)大致分為兩種 ,一種是直接連接 ,用于距離較短的高精度定位。另一種是帶減速機構(gòu) ,選擇加速比 ,可加大向機械系統(tǒng)傳遞的轉(zhuǎn)矩。圖 為滾珠絲杠傳動機構(gòu)。b 帶減速 ) 齒輪齒條 齒輪跟齒條可以相互搭配可分為 :齒輪跟齒輪、齒輪跟齒條 ,根據(jù)齒的形狀不