【正文】 運行，且具有良好的響應特性； ②正轉與反轉時的特性相同，且運行特性穩(wěn)定； ③維護容易，而且不用保養(yǎng)； ④具有良好的抗干擾能力，且相對于輸出來說，體積小，重量輕。因為它可以達到很大的力矩，精度高，加速迅速，可靠性高，在正反兩個方向連續(xù)旋轉運動平 滑。 黑龍江工程學院專科生畢業(yè)論文 14 機器人傳動方案的對比分析及選擇 傳動裝置的作用是將驅動元件的動力傳遞給機器人的執(zhí)行部件，以實現(xiàn)各種預定的運動。諧波齒輪傳動具有體積小、結構緊湊、效率高、能獲得大的傳動比等優(yōu)點，但存在扭轉剛度較低且傳動比不能太小的缺點。蝸輪蝸桿機構常用于要求有大的傳動比且傳動過程中要求機構自鎖的場合，這種方式安全性能高，但同樣存在齒側間隙，而且效率較低。螺旋傳動也是將回轉運動變換為直線運動的重要傳動方式，有滑動螺旋傳動和滾動螺旋傳動。滾珠絲杠副屬于滾動螺旋傳動，傳動具有傳動效率高、摩擦阻力小、運轉平穩(wěn)且能夠有效消除傳動間隙的優(yōu)點，但是價格較高，因此滾珠絲杠螺母被廣泛應用于要求較高的數(shù)控傳動系統(tǒng)中。 腰部回轉關節(jié) 機械手腰部回轉運動，選用蝸桿傳動，由于其結構緊湊，可以實現(xiàn)大的傳動比等優(yōu)點。 手臂伸縮關節(jié) 機械手精度要求不是很高，在滿足性能要求的基礎上應考慮到經(jīng)濟性要求。 黑龍江工程學院?？粕厴I(yè)論文 15 圖 24周向回轉關節(jié)傳動方案 圖 25 徑向移動關節(jié)傳動方案 手臂升降關節(jié) 機械手垂直手臂的升降關節(jié)，如 水平手臂伸縮關節(jié)傳動方法一樣，使用絲杠螺母副將電動機的旋轉運動轉換為手臂的升降移動。從系統(tǒng)總體的角度而言，它應包括硬件和軟件兩大部分。個人計算機作為上位機，組成 PLCPC兩級控制系統(tǒng)。上位機的任務是對現(xiàn)場采集來的信號進行顯示、處理和動態(tài)監(jiān)視。 PLC 控制系統(tǒng)硬件設計需要配置輸入輸出點，設計接線圖并實際安裝調試。 軟件設計包括 PLC 梯形圖的設計和上位機監(jiān)控軟件的開發(fā)。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。一般工業(yè)控制軟件開發(fā)方式有兩種：一種是使用通用軟件，如： VB、 VC++進行開發(fā)；另一種是使用工業(yè)界流行的組態(tài)軟件進行開發(fā)。綜合考慮，本文采用 VB進行監(jiān)控軟件的開發(fā)。 黑龍江工程學院?？粕厴I(yè)論文 17 第三章 教 學機器人機械系統(tǒng)設計 機器人模塊化設計方法 近幾十年來，產(chǎn)品更新速度越來越快，加之市場競爭日益激烈，許多企業(yè)被迫走上了多品種、中小批量的生產(chǎn)方式。為適應這一轉變，各種新思想、新方法，例如成組技術、計算機輔助技術等應運而生，模塊化思想也是其中之一。這種方法首先是對產(chǎn)品進行功能分析，功能是系統(tǒng)必須完成的任務，也可以說是系統(tǒng)的用途，它是系統(tǒng)的輸入與輸出 之間的總關系。功能分析就是根據(jù)一定的邏輯關系把對象系統(tǒng)各組成部分的功能相互聯(lián)系起來，從局部功能與整體功能的相互關系上研究對象系統(tǒng)的功能的一種方法。通過模塊選擇與組合 以構成一定范圍內(nèi)的不同功能或同功能不同性能、不同規(guī)格的系列產(chǎn)品。各模塊如圖 3l 所示劃分 。其中手臂模塊和手部模塊是該機械手的基本模塊， 并可以細分為不同功能的局部模塊。各部分連接件和關節(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)各種實際情況需要還可以增加或減少功能模塊。 機器人手部設計 機器人的手爪又稱為末端執(zhí)行器，是直接用于抓取和握緊專用工具 (如噴槍、扳手、焊具等 )并進行操作的部件。工業(yè)機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?？紤]到機器人主要抓取圓柱形物體，因此采用夾鉗式平行連桿手爪。 由設計要求知工件的重量 m= kg，夾持點距離轉軸的力臂約為 35mm。 K2可按照 K2=1． 1～ 2． 5選擇； G—— 工件重力。 N≥ K1 G=1． 5 2 0． 3 9． 8= 所以 N=10N 所需夾持力矩 M=N 黑龍江工程學院專科生畢業(yè)論文 19 本系統(tǒng)中，初選慧魚元件中的小功率電機，進行校核。 手部傳動方式選擇 手爪的傳動方式有回轉型和平移型，本課題所研制的機器人手部確定為夾鉗式，采用回轉型傳動，如圖 33 所示。 1殼體 2驅動件 3鉸銷 4連桿 7圓柱 6手指 8V 形 手指 9工件 圖 33 手部傳動方案圖 機器人手臂設計 手臂是機器人執(zhí)行機構中重要的部件，它的作用是將被抓取的工件運送到指定的位置。根據(jù)總體方案中驅動和傳動方式的設計方案，手臂伸縮運動和升降運動屬于直線運動，選用螺旋傳動。為了增加手臂剛度，防止在伸縮運動時繞軸線轉動或產(chǎn)生變形，該機構需設置導向裝置。 伸縮電機選擇 黑龍江工程學院?？粕厴I(yè)論文 20 手臂作水平伸縮運動時，首先要克服摩擦阻力和啟動過程中的慣性力，所以 驅動力 F可參照文獻 [23] 公式 F=Fm+Fg (33) 式中： FM—— 各支承處的摩擦阻力 (N)； Fg—— 啟動過程中的慣性力 (N)，其大小可按公式 (3— 4)估算： Fg=M 根據(jù)手臂伸縮的速度 v=0． 04m／ s，速度從靜止加速到工作速度的增量為，所用時間 t=，所以 a=v/t= 已知機械手的承載能力為 ，手臂質量 2kg，總質量就為 。 a= = Fm=μ M V／ η ，式中， η 為傳動效率取 70％。根據(jù)計算出的功率，選取慧魚組件中的小功率直流電機，額定功率 1． 1W，額定轉速 5000 轉／分。螺旋傳動結構簡單，工作平穩(wěn)可靠，有良好的減速和增力性能。螺旋傳動按照用途可以分為三種： (1)傳力螺旋，主要用來傳遞 動力； (2)傳導螺旋，以傳遞運動為主； (3)調整螺旋，用于調整和固定零件的 相對位置。雖然滑動螺旋摩擦阻力大，傳動效率低，但是滑動螺旋結構簡單、便于制造、易于自鎖。 (1)參數(shù)選擇 根據(jù)慧魚元件中的螺桿和螺母的型號，初選螺桿： 黑龍江工程學院?？粕厴I(yè)論文 21 (2)耐磨性校核 通常螺旋工作時，不僅承受轉矩和軸向力作用，同時工作面間有相當大的滑動 速度，其主要失效形式是螺旋工作面的磨損。 根據(jù)文獻 [25]，當計算出的壓強小于材料的許用壓強時滿足條件。將螺桿參數(shù)代入公式得： 慧魚元件的材料為尼龍，根據(jù)文獻 [24]表 2452 材料許用壓強 [p]=4MP187。 所以，滿足耐磨性要求。 根據(jù)文獻 [23]，驅動力 F=Fm+Fg+W 式中： Fm—— 各支承處的摩擦阻力 (N)； Fg—— 啟動過程中的慣性力 (N)，其大小可按公式 (3— 4)估算； W—— 運動部件的總重力 (N) 根據(jù)手臂升降的速度 v=／ s，速度從靜止加速到工作速度的增量為 ／s，所用時間 t=，所以 a=v/t=。摩擦力忽略不計。 黑龍江工程學院?？粕厴I(yè)論文 22 升降螺旋傳動設計與校核 升降結構采用的螺桿和螺母同手臂伸 縮部分螺桿結構相同，這里不在贅述。 機械手采用蝸桿傳動的腰部回轉傳動機構，直流電機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軸的方向，再經(jīng)過十字聯(lián)軸節(jié)和軸承等，最終驅動立柱回轉 。當腰部回轉體與手臂、末端執(zhí)行器均處于圖 34 狀態(tài)時，各部分對回轉中心產(chǎn)生的轉動慣量最大，其代數(shù)和為： 圖 34腰部回轉受力示意圖 電機軸扭矩 不計 。 腰部回轉扭矩 T= 100/= 因此計算出的電機功率 該電機滿足要求。蝸桿選擇單頭蝸桿，減速比i=l:40。 1964 年他發(fā)明了六面拼接體，并開始發(fā)明慧魚創(chuàng)意組合模型 。所有構件均使用優(yōu)質的尼龍塑膠制成，采用燕尾槽插接方式連接。模型由機械構件、微型電機、傳感器、氣動元件、電腦接口板及控制軟件等組成。模型可用電腦、 PLc 或單片機對其進行控制 [26]，慧魚模型采用著名的三維 CATIA 或 UG軟件進行設計、開發(fā)和結構計算，為了保證計算結果的可靠性，利用容積與功能模型、運動模擬、橫流研究等輔助工具，通過計算機輔助設計 CAD／ CAM 和三維的 UG，做出受力高達 3000KN 的高質量注塑模。如圖 35 所示。 電氣元件 電氣元件為模型提供動力、執(zhí)行控制命令和產(chǎn)生控制信號，它是模型“動”起來必不可少的器件。主要包括：直流電機 (9v 雙向 )，紅外線發(fā)射接收裝置、傳感器 (光敏、熱敏、磁敏、觸敏 )，發(fā)光器件，電磁閥，接口電路板，可調直流變壓器 (9V， 1A， 帶短路保護功能 )。 手部組裝 手爪部分如圖 37所示，主要采用了連桿機構，通過連桿推動兩桿手指各繞其支點作回轉運動，從而使手指松開和閉合。 圖 37手部組裝圖 圖 38手臂伸縮機構組裝圖 (2)手臂升降機構：如圖 39所示 該部分采用滑動螺旋傳動，將電機的旋轉運動轉化為螺母的上下移動。 圖 39升降機構組裝圖 圖 310 腰部回轉機構圈 機器人總體結構圖 利用慧魚元件組裝成的機器人如圖 311 所示，整個機器人固定在一個底板上 圖 31l 機器人總體結構圖 小結 本章按照模塊化設計方法，將機器人本體結構分為手部、手臂和立柱三部分，分別對這三部分結構進行了設計，并選擇關鍵的零部件。 黑龍江工程學院?？粕厴I(yè)論文 26 第四章 教學機器人 PLC 控制系統(tǒng)的硬件設計 本文所研究的機械手系統(tǒng)是一個典型的機電一體化系統(tǒng)。常用的方法是利用通用或專用的電子部件取代傳動機械產(chǎn)品中的復雜機械功能部 件以彌補其不足。但是，該接口板不具有通用性，它有一定的局限性，輸入端必須是慧魚傳感器，如果換成其它元件就不能完成控制。 機器人 PLC 控制系統(tǒng)的總體設計 PLC 的工作方式與通用微機不完全相同，與繼電器控制系統(tǒng)也有本質區(qū)別，最大的特點就是 PLC 的硬件和軟 件可以分開設計。 PLC 的應用設計一般應按照圖 41的幾個步驟進行。 黑龍江工程學院?？粕厴I(yè)論文 27 PLC 控制系統(tǒng)的模式 就目前 PLC 的基本控制結構與模式來說，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。這是最簡單的 PLC 控制系統(tǒng)，其輸入輸出點數(shù)和存儲器容量比較小，控制系統(tǒng)簡單明了。該控制系統(tǒng)多用于各種控制對象所處的地理位置比較接近且相互之間動作有一定聯(lián)系的場合。 PLC 控制系統(tǒng)的最終執(zhí)行裝置是直流電機，為了實現(xiàn)直流電機的正反轉，使用了中間繼電器，因此 PLC 輸出端口連接繼電器線圈即可，輸出系統(tǒng)比較簡單。因此本文采用單臺 PLC 控制多個對象的模式，如圖 42 所示。 圖 42 機械手的控制系統(tǒng)模式 PLC 控制系統(tǒng)的功能 對于任何裝置的控制系統(tǒng)，都要設置控制任務，機械手的控制任務是： (1)機械手的運動過程：包括垂直手臂的升降、水平手臂的伸縮、腰部的回轉和夾鉗的張合。 PLC 控制系統(tǒng)的運行方式 由 PLC 構成的機械手控制系統(tǒng)有兩種運行方式，即手動運行方式和自動運行方 式。 (2)自動運行方式下，全部動作，如夾緊、放松、旋轉、伸縮和升降等，都使用PLC 進行控制，按照第 2 章所述機器人任務要求自動完成動作。在設計選型時，不僅要滿足當前控制系統(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 點數(shù)一般預留 lO％到 15％的余量。 本系統(tǒng)中控制對象的 I／ O 點數(shù)如下： 直流 電機 4個：為了實現(xiàn)直流電機正反轉， 4個直流電機占用 8個開關量輸出端口； 光電傳感器 1個：開關量輸入 1個； 限位開關 8個：開關量輸入 8個； 控制按鈕 10 個：開關輸入 10個； 選擇開關 1個：該選擇開關具有 3個檔位，因此占用 3個開關量輸入端口。系統(tǒng)中沒有模擬量，因此不需要選擇模擬量單元。 本系統(tǒng)采用日本三菱公司生產(chǎn)的 FX2N48MR 系列 PLC，該 PLC 是近年來該公司推出的高性能 小型可編程控制器，它有靈活多變的系統(tǒng)配置，還有許多特殊功能模塊可以選用，功能強大，使用方便。它有特殊功能模塊和功能擴展板，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。同時用戶程序編制有指令表、梯形圖和狀態(tài)轉移圖二種形式，可供不同用戶選擇。 (2)應用程序的存儲容量： FX2N48MR 具有較大的存儲容量，內(nèi) 8K 步 RAM(RUN 過程中口 T 以更改程序 )，最大可達 16