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安全气囊拧螺母直角坐标机器人结构与控制系统设计（全套含CAD图纸）
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购买后包 含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - I - 安全气囊拧螺母直角坐标机器人结构与控制系统设计 摘要 工业机器人诞生于 20 世纪 60 年代，在 20 世纪 90 年代得到迅速发展，是最先产业化的机器人技术。它是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃、应用十分广泛的领域。 在我国工业机器人的真正使用到现在己经接近 20 多年了。已经基本实现了试验、引进到自主开发的转变，促进了我国制造业、勘探业、汽车产业等行业的发展。随着我国工业社会的发展和对自动化水平要求的不断 提高，工业机器 人市场的快速增长提供了一个良好的机会。因此加快工业机器人的开发和研究具有重要的意义。 安全气囊拧螺母直角坐标机器人就是工业机器人成员之一。本文介绍工业机器人的发展历史、现状和未来，重点论述安全气囊拧螺母直角坐标机器人的机构和控制系统的设计，通过采用伺服电机驱动直角坐标机器人进行插补运动控制拧螺母机械手的位置，气动方法控制机械手的上下移动。控制系统采用三菱 系列可编程控制器；利用专门定位模块 20行位置控制，实现了对四个螺母的精确定位。通过采用 列控制器控制拧紧机的运转实 现安全气囊上的四个螺母在预定的扭矩范 围内拧紧，并最终完成工作的过程。 关键词： 工业机器人；安全气囊；可编程控制器 购买后包 含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 960 s, in 990 s is It is a of is a n of is In is r to 0 ， to of of of to of of a So to up of is of of r on th e of of to up X m to By of to of to on 买后包 含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 买后包 含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 目录 摘要 . I . 1 章 绪论 . 1 题背景 . 1 业机器人的概念 . 1 业机器人的发展历史 . 2 业机器人发展现状 . 2 业机器人发展趋势 . 3 章小结 . 4 第 2 章 机械系统的设计和选择 . 5 螺母机器人机构本体设计 . 5 体结构方案拟定 . 5 线滚动导轨副的选择 . 7 械手的选择 . 12 紧机构的设计 . 14 服驱动系统设计和检测装置元件的选择 . 14 服驱动系统设计 . 14 测元件的选择 . 23 章小结 . 25 第 3 章 拧紧控制器 . 26 述 . 26 本特征 . 26 基本功能 . 26 观及接线 . 27 规操作与监视 . 29 式切换 . 29 时显示模式 . 29 紧结果显示模式 . 29 数显示模式 . 30 态显示模式 . 30 数表 . 31 数输入操作 . 33 章小结 . 33 购买后包 含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - V - 第 4 章 控制系统设计 . 34 置控制单元 20. 34 置控制单元 20安装和接线 . 35 . 37 章小结 . 47 结论 . 48 致谢 . 49 参考文献 . 50 附录 . 51 购买后包 含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 购买后包 含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 购买后包 含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 购买后包 含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 购买后包 含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - X - 购买后包 含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 1 - 第 1章 绪论 题背景 生产力在不断进步，推动着科技的进步与革新，以建立更加合理的生 产关系。自工业革命以来，人力劳动已经逐渐被机械所取代，而这种变革 为人类社会创造出巨大的财富，极大地推动了人类社会的进步。时至今天，机电一体化，机械智能化等技术应运而生并已经成为时代的主旋律。人类充分 发挥主观能动性，进一步增强对机械的利用效率，使之为我们创造出愈加巨大的生产力。 工业机器人的出现是人类在利用机械进行社会生产史上的一个里程碑。在发达国家中，工业机器人自动化生产线成套设备已成为自动化装备的主流及未来的发展方向。国外汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业已经大量使用工业机器人自动化生产线，以保证产品质量，提高生产效 率，同时避免了大量的工伤事故。全球诸多国家近半个世纪的工业机器人的使用实践表明，工业机器人的普及是实现自动化生产，提高社会生产效 率，推动企业和社会生产力发展的有效手段。我 国的工业机器人研制起步 较晚，但是有着广大的市场潜力，有着众多的人才和资源基础。近年来国家政策的鼓励支持下，我国自主制造出自己的工业机器人，并且将工业机 器人推广应用到制造与非制造等广大的行业中，提高我国劳动力成本，提 高我国企业的生产效率和国际竞争力，从整体上提高我国社会生产的安全 高效 1。 工业机器人概念 工业机器人由机械本体、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适用于多品种、变批量的柔性生 产线。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替工人的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物， 它购买后包 含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 2 - 是工业以及非工业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。 业机器人的发展历史 世界上第一台机器人于 1954 年诞生于美国，虽然它是一台试验的样 机，然而它体现了现代工业应用的机器人的主要特征， 20 世纪 60 年代，机器人产品问世，代表性的有美国 公司的 机器人和美国 司的 机器人，这两种机器人被认为是世界上的最早的工业机器人。 20 世纪 70 年代，机器人进入工业生产的实用化时代，到 80 年代，工业机器人进入普及时代 ，汽车、电子等行业开始大量使用工业机器人，推动了机器人产业的发展。机器人的研究和开发，无论就水平和规模而言都得到迅速发展，高性能的机器人所占比例将不断增加， 1985 年前后， 司先后推出交流伺服驱动的工业机器人产品，这一时期各种装配机器人的产量增长较快、与机器人配套使用的装置和视觉技术正在迅速发展。目前，工业机器人的开发和研究领域已经成为各国工业自动化的方向。 工业机器人发展现状 机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范 围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社 会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。 国外专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的新的大型高 技术产业。据国际机器人联合会（ 计，世界机器人市场前景看好，从 20 世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势 头。进入 90 年代，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在 10%左右，2000 年增长率上升到 15%。正如 21 世纪日本创建机器人社会技术发展战略报告指出，“机器人技术（ 信息技术（ 样，在强化产业竞争力方面是极为重要的战略高技术领域。培育未来机 器人产业是支撑 21 世纪日本产业竞争力的产业战略之一，具有非常重要的意义。”最近，韩国也将智能机器人作为十大战略产业之一列入国家发展规划现正在实施中。 机器人涉及到机械、电子、控制、计算机、人工智能、传感器、通讯 与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成。因此它 的发展与上述学科发展密切相关。机器人在制造业的应用范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高，功能越来越强，并向着成套技术和装备的方向发展。机器人应用从传统制造业向非购买后包 含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 3 - 制造业转变，向以人为中心的个人化和 微小型方向发展，并将服务于人类活动的各个领域。总趋势是从狭义的机器人概念向广义的机器人技术（ 念转移；从工业机器人产业向解决工程应用方案业务的机器人技术产业发展。机器人技术（ 内涵已变为“灵活应用机器人技术的、具有实在动作功能的智能化系统。”目前，工业机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、 和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面 2。 我国的机器人研究开发工作始于 20 世纪 70 年代初，到现在已经历了 30 年的历程。前 10 年处于研究单位自行开展研究工作状态，发展比较缓慢。 1985 年后开始列入国家有关计划，发展比较快。特别是在 “七五”、 “八五”、“九五”机器人技术国家攻关、“ 863”高技术发展计划的重点支持下，我国的机器人技术取得了重大发展。 我国近几年机器人自动化生产线已经不断出现，并给用户带来显著效益。随着我国工业企业自动化水平的不断提高，机器人自动化线的市场也会越来越大，并且逐渐成为自动化生产线的主要方式。我 国机器人自动化生产线装备的市场刚刚起步，而国内装备制造业正处于由传统装备向先进制造装备转型的时期，这就给机器人自动化生产线研究开发者带来巨大商机。据预测，目前我国仅汽车行业、电子和家电行业、烟草行业、新电池行业等，年需求此类自动化线就达 300 多条，产值约为 60 多亿元人民币。 工业机器人发展趋势 随着计算机技术的不断向智能化方向发展，机器人应用领域的不断扩 展和深化以及在系统 (的群体应用，工业机器人也在不断向智能化方向发展，以适应“敏捷制造” (满足多样化、个性化的需要，并适应多变的非结构环境作业，向非制造领域进军。 （ 1） 感觉功能：感觉功能方功能方面将实现多传感器信息的融合， 以检测多变的外部环境，做出判断和决策，其实质类似于人的五官和身体的综合感觉功能，包括视觉、触觉、力觉、滑觉、接近觉、压觉、听觉、味觉、臭觉、温觉等。研究包括各类传感信息的采集及融合处理、传感器与驱动器一体化技术、感觉功能继承模块等。 （ 2） 控制智能化：由硬线控制走向 线编程发展，进而发展到进一步应用。随着系统化、集成化生产的发展，基于 开放式控制。系统将机器人控制和车间一级控制的发展方向。 （ 3） 移动功能的智能化：为解决长距离搬运作业、大作业对象、多作购买后包 含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 4 - 业对象及极限作业等问题，需开发自主移动系统 (包括滑动、滚动、行走、爬行、跳跃、飞行等 )。 （ 4） 系统应用与集成化：支持以人为核心的生产系统，实现生产系统中机器人群体协调功能、群智能和多机通讯协议，开发能理解人的意志的 “同事机器人”。系统中的“同事机器人” (在兴起将成为操作人员不可或缺的伙伴。围绕着各种机器人共存的堵多课题，正在兴起一门新学科“软机器人学”。 （ 5） 安全可靠性：由于大量不确定因素的存在，要实现智能化的安全可靠性，机器人必须具有对各种意外情况的应变能力，及时采取预防措施和安全对策，包括硬件级、软件级、应用级和人机系统的自诊断和自修复故障。 （ 6） 微型化：向微型化发展，开发毫米级机器人，用于微加工、医学、宇宙和海洋开发等领域。 （ 7） 多传感器信息融合与配置技术：机器人的传感器配置和融合技术在生产过程自动控制中的应用包括面向工艺过程的多传感融合和配置技术；采用智能传感器的现场总线技术；面向工艺要求的新型传感器研制。机电一体化智能传感器包 括具有感知、自主运动、自清污 (自调整、自适应 )的机电一体化传感器研究；面向工艺要求的运动机构设计、实现检测和清污的自主运动。 章小结 本章简单介绍了工业机器人的概念、国内外发展现状和发展趋势，对了解工业机器人研发的意义，为下面机器人的设计提供理论依据。 购买后包 含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 5 - 第 2章 机械系统的设计和选择 拧紧螺母机器人是非常典型的机电一体化产品，它是机械机构、伺服 系统和工控机 (等有机结合的产物，随着社会的发展，其机械结构与传统的机械结构已经发生了较大的变化，由原来的大、复杂、精度低、功能少等正朝着小、精密、功能 强大等方向发展，与传统的机械系统相比，其不仅具有较高的定位精度，还具有良好的动态响应特性，即响应快、稳定性好。 拧螺母机器人机构本体设计 总体结构方案拟定 首先需要对安全气囊 ( 在本文中，选择一种类型的安全气囊作为示例 )的结构作简要说明，四个螺柱呈正方形排列，正方形边长为 82四个 螺柱的螺纹规格均为 求用四个同规格的螺母进行拧紧，拧紧扭矩为18N m。方案拟定对四个螺柱分别进行螺母拧紧，即先对螺柱 1 进行拧紧，然后返回螺母供应处取螺母再进行对 2 号螺柱进行拧紧，对 3 号、 4 号螺柱也是以同样的方式进行拧紧。在设计机械本体的过程中，机械手的设计很重要，拟选择 列拧紧机作为拧紧工具，在拧紧机的头部连接上磁性螺母套头，此性螺母套头直接接触螺母，主要是对螺母进行吸附和拧紧，此套头可以更换，当对不同类型的安全气囊进行螺母拧紧时，就可以在拧紧机上连接相配套规格的套头，在本例中，也要设计出与母相配套的套头，其结构图见图 2力矩拧螺母机械手在横向 (X) 轴的导轨上运动，同时， (X) 轴导轨在纵向 (Y) 轴导轨运动， 轴的速度合成了机械手的速度，机械手在 面 内的位置就可以通过分别在X、 Y 轴的投影确定，即机械手做直线插补运动来对螺母进行定位，机械手在 面内的直线插补运动由伺服电机通过丝杠来驱动，选用专门的定位模块通过控制其向伺服驱动器发出的脉冲量和脉冲率来保证机械手的精确定位，当机械手到达目的位置时，机械手的上下运动通过气动方法实现，选择气缸作为执行元件，气缸活塞杆的运动方向由换向电磁阀来控制，速度通过速度控制阀来控制。另外，拟选用气压缸作为工件 ( 安全气囊 )的夹紧装置。 主要参数设定 横向 (X 向 )工作行程 700向 (Y 向 )工作行程 600 机械手最大运行速度为 s； 购买后包 含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 6 - 定位精度为 坐标系的选择 拧螺母机器人设计的主要问题是选择连杆件和运动副组成的坐标形式，最广泛使用的工业机器人坐标形势有：直角坐标式、圆柱坐标式、球面坐标式、关节坐标式。本系统具有 3 个自由度，既 X 轴、 Y 轴、 Z 轴，其中 X、 Y 进行直线插补运动， Z 轴进行上下运动，符合直角坐标式的特点，故选择采用直角坐标式，另外，直角坐标式机器人还有其他式坐标机器人不可比拟的优点，如下： （ 1）结构简单； （ 2）容 易编程； （ 3）采用直线滚动道轨后，速度高，定位精度高； （ 4）在 X、 Y、 Z 三个坐标轴方向上的运动没有耦合作用，对控制系统设计相对容易些。 图 2拧紧螺母机器人本体结构模型图，其结构形式采用标准的直角坐标系式。 不过，和其的坐标式机器人相比，也具有一些缺点，由于直角坐标式机器人必须采用导轨，故带来一些缺点，例如其道轨面的防护比较困难不能像转动关节的轴承那样密封的很好；导轨的支撑结构增加了机器人的重量；结构尺寸与有效工作范围相比显得庞大，移动部件的惯量比较大，增加了驱动装置的尺寸和 能量消耗。 购买后包 含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 7 - 驱动方式的选择 机械手在 面内的运动采用伺服驱动执行元件 ,其上下运动、螺母供应杆的上下运动和夹紧机构均采用气压式执行元件。 机械传动部件的选择 滚珠丝杠副的选择 本机器人的传动方式为丝杠传动，因此，要进行对丝杠进行选型。滚珠丝杠副是一种新型的螺旋传动元件，它的产生和发展只经历了数十年的历史，然而它在国内外工程技术界人士中已引起了广泛的兴趣和重视。 当今滚珠丝杠副在机床工业、汽车工业、自动控制系统、航空工业、船舶工业和兵器工业等各个部门皆获得了日益广 泛的应用。在此较短的时期内，它之所以能够得到如此迅速的发展和较普遍的应用，主要的原因是内于滚珠丝杠副具有高效率和高精的特点，并具有优越的高速特性和耐磨损性及运动可逆性等特性；这些特点都是普通丝杠副不可能具备的。总之，它具有许多良好的机械传动性能。所以，滚珠丝杠副已成为非常有效的、普遍适用的螺旋传动元件。此外它又可以像滚动轴承那样，由专业厂家组织生产和供应，向用户提供一种新颖的配套元件；广大用户司根据各自的需要方便地进行选用和订购。关于滚珠丝杠副的产生和发展以及它的主要特性如下： （ 1）以滚动代替滑动； （ 2）极高传动效率； （ 3）极高的精度； （ 4）轴向间隙为零； （ 5）使用寿命长； （ 6）精确的同步运动； （ 7）运动的可逆性； （ 8）广阔的发展前景。 对于滚珠丝杠副，其结构上最明显的特征是：构件间的可动联接通常不是借助于运动副本身，而是在丝杠和螺母两构件之间利用小间元件 (滚珠 )来实现的。滚珠丝杠副与滚动轴承相类似，它们都是借助于滚珠来实现构件的可动连接的 由上述工作原理可知，滚珠丝杠副与滑动丝杠副比较滚动摩擦代替了滑动摩擦，因此，具有以下特点 （ 1）摩擦损失小、传动效率高 由于滚动丝杠副的摩擦损失小，其传动效率可达 9096，约为滑动 螺旋机构效率的 23倍。 （ 2）磨损小、寿命长 购买后包 含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 8 - 通常，滚珠丝杠副的主要零件，如丝杠、螺母及滚珠都是经过淬硬 的，并有很低的表面粗糙度；而且滚动摩擦的磨损很小，因而具有良好的耐磨性，即其精度保持性能好，工作寿命长。 （ 3）轴向刚度高 由于滚珠丝杠副可以完全地消除传动间隙，而不致影响丝杠运动的灵 活性，因而可以获得较高的轴向刚度。通常，可以通过预紧来提高铀向刚 度。 （ 4）摩擦阻力小、运动平稳 由于是滚动摩擦，动、静摩擦系数相差较小，其摩擦阻力几乎与速度 无关，而且静摩擦力极小，启动力矩与运动力矩近于相等。因而灵敏高，运动较平稳，启动时无颜动，低速传动时无爬行现象。 （ 5）不能自锁、具有传动的可逆性 在选用滚珠丝杠时，必须知道实际的工作条件：即最大的工作载荷 F 杠的工作长度 L、丝杠的转速 承载能力的选择： 计算作用于丝杠的轴向最大动载荷 后再根据 择丝杠副的型号。 （ 2 式中 L 滚珠丝杠的寿命系数，本机器人的寿命为 硬度系数，在本机器人中，为 载荷系数，在本机器人中，运动平稳时为 最大工作载荷，在本机器人中， (X) 最大工作载荷为 200N；(Y) 向最大工作载荷为 3000N 。 购买后包 含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 9 - 以 (X) 轴为例： （ 1）由表 选择精度等级为 2 级。 （ 2）滚珠丝杠导程的选择：选用 （ 3）最大行程： S = 750（ 4）平均转速、平均轴向力： （ 5）预压力： （ 6）动额定负荷的计算： 由表 取设计寿命以公里计为： 由行走距离转换成小时： （ 2 （ 7）平均轴向负荷 : +P = 500+179 = 679N 由小时 转换成回转次数 L ： 动额定计算负荷 C： 购买后包 含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 10 - 所以，从 珠丝杠的型号中，挑选 型式的螺母，其中公称直径为 25且珠圈数是 滚珠丝杠规格： 25导程： 5节圆直径： 25珠圈数： 2 钢珠直径： 根径： 屈服负荷和临界转速之支撑方式：固定 支撑 所以在拧螺母机器人系统中， X 向选择的滚珠丝杠为插管埋入式双螺 母滚珠丝杠副，型号为 杠得导程 10杠公称直径 d=25额定静载荷为 280N； Y 向选择 杠导程 10杠公称直径 d=50额定静载荷为 3500N。 直线滚动导轨副的选择 导轨按运动轨迹划分可分为直线运动导轨和圆周（回转）运动导轨；按工作时摩擦特性划分为滑动导轨和滚动导轨；滑动导轨又有普通滑动导轨、液压动压导轨、液压静压导轨和卸荷导轨等；滚动导轨按流动体地不同又分为滚珠导轨、滚珠导轨和滚针导轨等；按导轨的受力情况可分为开示导轨和闭式导轨。 滚动导轨是在导轨面之间装有一定数量的滚动体：滚珠、滚柱和滚针，使两导轨面之间具有了滚动摩擦性质， 即摩擦系数小以及动、静摩擦系数很接近。因此，滚动导轨运动轻便，磨损小，并可避免出现爬行现象，且定位精度高，但由于滚动体的原因，此类导轨的抗震性较差，对脏物也较敏感。 滚动导轨的分类可从下述不同角度进行： 按运动轨迹分直线运动导轨、圆周运动导轨；按滚动体形式分滚珠导轨、滚柱导轨和滚针导轨等；按滚动体在导轨面间的运动形式分循环和非循环式。循环导轨是滚动体工作时可在导轨的工作滚道和返回滚道之间循环。常用的有滚动导轨块和直线滚动导轨副。 直线滚动导轨副配置情况如图 2所示： 购买后包 含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 11 - 图 2直线导轨副 直线滚动导轨的特点： （ 1）载荷能力大：刚球与圆弧滚道的接触比与平面接触的载荷能力可提高 13 倍 （ 2）刚性强：在制作时，给定预加载荷而获得较高系统刚度，能承受较大的切削力、冲击与振动。 （ 3）四方向等载荷：全方位上的刚度值一致，具有良好的减振特性。 （ 4）寿命长：由于是纯滚动，摩擦因数为滑动导轨的 1/50 左右，主机消耗低，省电节能，便于机械小型化。 （ 5）传动平稳可靠：动作轻便灵活，定位精度高，微量移动灵活准确。 （ 6）具有机构自调整能力：相对配件加工 精度要求可降低，且安装使用方便。 在拧螺母机器人系统中，在选择滚动直线导轨时，采用两根滚动直线导轨副，每根导轨上有一个滑块，在 X 向，机械手 50N，滑座00N。故总负荷 P = 50 + 300 = 450 N。选四方向等载荷型，型号为 Y 向导轨不仅起到牵引作用，而且还支撑着 X 导轨和机械手，因此在选择时，不仅要注意其静载荷，还要考虑其偏重力矩，防止被卡死。( 偏重力矩即 X 向导轨和机械手的总质量对 Y 向导轨的静力矩 ) ，当机械手移动到离 Y 导 轨最远时，其偏重力矩最大，故偏重力矩应按悬伸最大行程、最大抓重时进行计算。根据静力学原理可求出手臂重质量的质心为之距 Y 向导轨的距离，即偏重力矩 L。 因为机械手和 X 向导轨质量很小，偏重力矩臂不太长，故选择型号为 其抗偏重扭矩为 买后包 含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 12 - 机械手的设计 拧螺母机器人机械手的核心元件是螺母拧紧机和磁性螺母套头，螺母拧紧机工具型号为： 统控制的拧紧机，该系统是以低成本实现各种 形式螺栓拧紧为目的而开发的电动螺栓拧紧机。其拧紧工具结构见图2 图 2拧紧机机构简图 此拧紧机由四部分组成，分别是：解析器、永磁电机、齿轮、扭矩转换器的主要特点如下： （ 1）扭转精度：全量程扭矩的 1/2全量程扭矩的 3%以内。 （ 2）角度表示最小单位： 1 度 ； （ 3）角度内部控制单位： ； （ 4）扭矩转换精度： 1% ； （ 5）拧紧放式：扭矩法、角度法； （ 6）扭矩、转速 ：最大扭矩为 高转速为 500r/m ； 在本系统中，磁性螺母套头连接在拧紧机上，其作用是吸附着螺母随 机械手一起运动，其机构结构见图 2 图 2磁性螺母套头结构图 磁性套头具有磁性，对螺母具有吸附作用，弹簧盖是拧在套节里面，弹簧在弹簧盖的压力下顶着磁性套头，对磁性套头起着缓冲和复位作用。 购买后包 含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 13 - 螺母拧紧机、磁性套头、气缸、弹簧等连接，构成了机械手，如下图 2 图 2机械手结构示意 图 螺母在螺母杆 ( 图中未画出 ) 的推动下向上运动，等快触到磁性螺母套头时螺母杆停止运动，而螺母在惯性的作用下继续运动，在磁性的作用下被吸附在套头上；气缸固定在导轨的滑座上，汽缸活塞的上下运动有电磁阀来控制，本系统选择三位四通电磁阀，汽缸活塞的推杆带动拧紧机的上下运动，当机械手到达需要拧紧的螺栓上方后，气缸活塞推动拧紧机向购买后包 含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 14 - 下运动，加在拧紧机两旁的弹簧能起到缓冲作用，避免拧紧机因快速向下移动时对螺栓产生冲击。同时，当螺母接触到螺栓的时候，磁性螺母套头里的弹簧会收缩，磁性套头也会随着弹簧收缩，在拧紧的时候，弹 簧会紧紧顶进磁性套头，使螺母和螺栓紧紧接触，从而进行拧紧动作。 紧机构的设计 利用气压缸作为工件的加紧装置，以压缩空气为动力源的气动夹具具 有很多的优点，第一，空气可以从大气中取之不竭，无介质费用和供应上 的困难，管道不易堵塞，亦不存在介质变质、补充、更换等问题，空气的粘度很小，一般阻力损失不到邮路阻力损失的四分之一，第二，压缩空气的工作压力较小，因此可降低气动元件的材质和制造精度的要求，由于空气流速快，所以，气动系统具有工作迅速、反映灵敏的特点，可缩短辅助时间。 单个汽缸设计计算，按机械设 计手册选缸筒内径 D=80活塞和压杆的材料为 45 钢，查机械设计手册的抗拉强度为 560取安全系数为 许用应力 :560/73此可选区活塞杆直径为16头部直径为 40活塞直径 0活塞和杆重计算： 压缩空 气的工作压力位 P，取 6效率系数取 气缸的夹紧力为 因为在本系统中，对安全气囊的夹紧需要的力不是太大，故采用了一个汽缸进行夹紧。 制动力矩验算 M = 由机构设计知 L=83得 伺服驱动系统设计和检测装置元件的选择 伺服驱动系统设计 伺服驱动系统的概述 工业机器人一般由机械机构本体、驱动系统和控制系统三部分组成。拧螺母机器人属于工业机器人中的一类，自然也是有这三部分组成，本体由导轨、丝杠、机械手等组成，机械手以一定速度作定位运动，分别完成移动 、升降和拧紧工件等各种动作。拧螺母机器人要完成规定的动作并达到一定的精度要求，是复杂而又很难解决的问题，而伺服系统因响应速度购买后包 含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 15 - 快、速度精度高、调速范围宽、加减速性能好，可以提供灵活、方便、准确和快速的驱动，目前绝大部分机器人的关节运动均采用交流伺服控制系统。随着技术的进步，计算机技术、电子技术和电动机磁性材料的发展，交流伺服驱动控制也取得了极大的进步，伺服系统已进入全数字化和交流 化的时代。本系统采用松下公司的 系列伺服电动机及驱动器。为了更好地了解拧螺母机器人的原理，以下是对伺服系统特点的说明 。 拧螺母机器人需要实现高精度的位置控制，而实现精确位置控制的一个基本条件是需要有高精度的执行机构。当脉冲当量和进给速度都要求太高时，传统的步进电机或直流伺服电机将面临一系列问题，且实现起来难度大，成本较高。为了解决这个问题，我们选用了伺服驱动系统。从基本结构来看，伺服系统主要由三部分组成：控制器、功率驱动装置、反馈装置和电动机。控制器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差，调节控制量；功率驱动装置作为系统的主回路，一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动机之上，调节电动机转矩的大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电动机所需的交流电或直流电；电动机则按供电大小拖动机械运转。 该伺服驱动系统接受控制单元的控制，控制单元为位置控制模块，即 受到 控制，同时，输出控制指令 (脉冲 /方向 )以控制伺服驱动器，在位置控制方式下，伺服驱动器接收位置控制模块发出的位置指令信号 (脉冲方向 )，送入脉冲列形态，经电子齿轮分倍频后，在偏差可逆计数器中与反馈脉冲信号比较后形成偏差信号。反馈脉冲是由光电编码器检测到电机实际所产生的脉冲数，经四倍 频后产生的。位置偏差信号经位置环的复合前馈控制器调节后，形成速度指令信号。速度指令信号与速度反馈信号 与位置检测装置相同 比较后的偏差信号经速度环比例积分控制器调节后产生电流指令信号，在电流环中经矢量变换后，由 出转矩电流，控制交流伺服电机的运行。位置控制精度由光电编码器每转产生的脉冲数控制。它分增量式光电编码器和绝对式光电编码器。增量式编码器构造简单，易于掌握，平均寿命长，分辨率高，实际应用较多。 本系统采用的是增量式光电编码器。绝对式光电编码器按二进制编码输出，信号线多，由于精度取决 于位数，所以高分辨率不易得到。但是这种编码器即使不动时也能输出绝对角度信息，图 2为伺服系统和控制器的系统构成图： 购买后包 含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 16 - 图 2伺服系统和控制器的系统构成图 伺服驱动器外观和接线图 在伺服驱动系统中，伺服驱动器要完成较复杂的控制算法，故电路结构较复杂，其电路可分为主电路、控制电路及显示设定等几部分，三相电源从 个输入端子输入驱动器，经过驱动器内部电路的控制，从 U、 V、 W 三个输出端子输出，控制交流伺服电机，控制电源从驱动器的 r、 t 输入端子输入，经过整流， C 转换后作为控制电路的电源。 松下伺服驱动器的控制电路主要由 个部分组成，完成电动机的速度控制、位置控制、电压 /电流等参数采集、编码器信号处理、控制信号输出、保护功能实现以及与其他外设进行接口等功能，驱动器的显示设定部分作为人机接口，完成驱动器设定与操作等功能，松 系列伺服驱动器在运动控制系统中可以被设置为具有多种控制方式，可以进行速度控制、位置控制机转矩控制，而且该驱动器还有完善的保护措施和方便的操作接口。图 2驱动器外观图。 购买后包 含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 17 - 图 2驱动器外观图 接线时需要注意以下问题： (1)连接电缆到每个接线端时，要用有绝缘套压线端护以保证绝缘屏蔽。 (2)不安装外接放电 L 时，请将 (和 (端护短接来。 (3)如果驱动器山于发生再生放电电阻过载 (而跳问，请务必再外接一个放电电阻。此时，请拆除 (和 间的连接线，再在 P)和 间接入电阻。 (4)通常情况， 列 A 型、 B 型驱动器山于已指定需要外接电阻，而不需要将 护短接起来。 (5)生再生放电电阻过载 (报警，请在 间接入电阻。 (6)使用外接放电时，请 置参数 值 ( 设成 0以外之值 ) 。 购买后包 含有 纸和说明书 ,咨询 Q 19
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