四轴码垛机器人设计【机电一体化 】

机电一体化项目报告 四轴码垛机器人设计 成员 机械系统部分 机械系统 概述 码垛机器人是一种机电一体化高新技术产品 码垛是按照一定模式 一件件堆成码垛 以便使单元化的码垛实现物料的搬运 存储 装卸运输等物流活动 机器人在码垛箱状物 1 1码垛机器人总体机械结构设计 机器人是一种四自由度的关节式串联机器人 其机械系统主要由4个关节部分组成 能实现4种运动 腰部旋转 大臂上下运动 小臂前后运动和手腕回转运动 并全部由交流伺服电机驱动 1 2腰部底座的结构设计 腰部底座的运动是由底部的伺服电机来控制空心轴 进而实现腰部旋转 经实验证明 底部基座及法兰的结构设计可以降低机械关节运动时的工作噪音 1 3水平及垂直关节的结构设计 水平及垂直关节部分都各有一个电机 每个电机都由控制同步带轮及齿型带的旋转来使滚珠丝杠转动 间接带动其滑块及拖板 实现 1 机器人实现大臂上下运动 小臂前后运动 2 满足驱动大惯性力矩负载和快速运动 精确定位的要求 1 4机器人腕部的结构设计 腕部电机控制手爪连接盘带动机器人手爪旋转 丰富多样的抓手形式 可以广泛应用于石化 饮料 药品 啤酒 日化等行业 电气部分 崔培 电气部分 码垛机器人的四个关节的运动是由四个AC伺服电机来驱动完成的 其功率和型号如下表 中惯量系列 GYG电机 额定旋转速度1500r min 电机功率 电机型号 驱动器型号 腕关节 0 5kw GYG501BC2 T2G B RYC501B3 VVT2 小臂 0 85kw GYG851BC2 T2G B RYC851B3 VVT2 大臂 1 3kw GYG132BC2 T2G B RYC132B3 VVT2 腰关节 1 8kw GYG182BC2 T2G B RYC182B3 VVT2 AC伺服电机 驱动器 交流伺服电动机 交流伺服电动机是把加在控制绕组上的交流电信号转换为一定的转速和偏角的电动机 与直流伺服电动机相比 交流伺服电动机具有结构坚固 维护简单 便于安装以及转子惯量可以设计得较小和能够高速运转等优点 结构特点 交流伺服电动机采用了全封闭无刷结构 以适应实际生产环境不需要定期检查和维修 其定子省去了铸件壳体 结构紧凑 外形小 重量轻 定子铁心较一般电动机开槽多且深 围绕在定子铁芯上 绝缘可靠 磁场均匀 可对定子铁芯直接冷却 散热效果好 因而传给机械部分的热量小 提高了整个系统的稳定性 码垛机器人的电气系统组成 电气控制原理设计 交流接触器KM1 KM2 KM3 KM4分别控制腕关节 小臂 大臂 腰关节电动机M1 M2 M3 M4由热继电器FR1 FR2 FR3 FR4实现过载保护 QF为电源总开关 熔断器FU1 FU2 FU3 FU4分别实现各负载回路的短路保护 FU5 FU6分别完成交流控制回路和PLC控制回路 控制部分 控制部分 一 控制方案的确定1 操作系统及微控制器的选择目前广泛使用的有3种操作系统 批处理操作系统 分时操作系统以及实时操作系统 现在生产生活节奏加快 码垛机器人要求快速可靠地完成工作 而且由于码垛机器人控制系统可以与监控系统相连 所以要求码垛机器人的控制系统应具有体积小 重量轻 功耗低的特点 因此经分析确定 选用实时嵌入式系统方法设计码垛机器人控制系统 2 控制方式的选择 码垛机器人作为一种高定位精度关节式串联机器人 对其末端定位精度要求较高 由于码垛机器人运动速度较慢 所以对其关节运动速度精度没有特殊要求 最后确定码垛机器人控制方式选择位置闭环伺服控制方式以保证其操作末端要求的定位精度 其控制系统结构如图1所示 二 码垛机器人控制系统的组成1 控制系统的组成 2 码垛机器人工作模式 码垛机器人的工作模式有以下5种 复位零点模式码垛机器人伸展 重装载锁紧工作模式 3 手动控制模式 4 自动模式 5 自检模式 3 运动控制系统软件 码垛机器人运动控制系统软件主要由以下模块组成 系统启动和自检模块码垛机器人展开和重装载锁定模块 3 码垛机器人零位寻找模块运动轨迹规划模块运动学解算模块 6 通信模块 7 故障检测与处理模块 表1列出了码垛机器人控制系统在运行过程中可能出现的各种故障种类 针对列出的各种故障 首先根据系统发生故障的种类及严重程度不同 将故障按轻重分为三类 报警 任务退出和紧急停车 根据不同的故障 采取下述3种保护措施 报警 此时码垛机器人控制系统实时检测到一个接近故障情况 但经检测发现系统可自修复该类故障 任务退出 当码垛机器人控制系统实时检测到此类无法自修复的故障时 将立即执行任务退出的操作 系统重启 当码垛机器人运行过程中发生严重异常情况时 使码垛机器人紧急停车 设计了系统的主控单元和关节控制单元 根据码垛机器人工作特点和实际需要设计了5种常用的工作模式 基于软件模块化的思想 编辑7种工作模块 并为机器人工作中可能出现的故障给出了解决方案 为自动码垛系统可靠 安全地工作打下良好的基础 也为其他工业机器人的控制系统设计提供了值得借鉴的方案 传感检测部分 传感器是自动控制系统中信息获取的首要环节和关键技术 传感器在机器人中更是不可缺少的部分 按照机器人传感器所传感的物理量的位置 可以将机器人传感器分为内部传感器和外部传感器两大类 传感器的分类 内部检测传感器是以机器人本身的坐标轴来确定其位置 是安装在机器人内部从而感知运动学及动力学参数 通过内部检测传感器 机器人可以了解自己的工作状况 调整和控制自己按照一定的位置 速度 加速度 压力和轨迹等进行工作 外部检测传感器用于获取机器人周围环境或目标物状态特征的信息 是机器人与周围环境进行交互工作的信息通道 外部检测传感器的功能是让机器人能认识工作环境 更好地执行和检查产品质量 取物 控制操作 应付环境和修改程序等工作 使机器人对环境具有自校正和自适应能力 外部检测传感器通常包括触觉 接近觉 视觉 听觉 嗅觉 味觉等传感器 机器人末端机械手要抓住属性未知物体 必须对物体作用最佳大小的把握力 以保证在抓取过程中 既能不产生滑动 又不至于因用力过大而使物体产生变形或损坏 为达到这一目的 需要对机器人的手指与物体接触面之间相对运动 滑动 的大小和方向进行检测 滑动传感器就是为此目的而设计的 滑动传感器 原理图 工作原理 如图所示为一种球形滑觉传感器 该传感器的主要部分是一个可以自由滚动的球体 球的表面是用导线和绝缘体按一定规格相间布置得如同棋盘的网眼 在球表面任意两个地方安装有接触器 接触器触头表面小于球面上露出的导体面积 当机械手工作时 球体与被握持物体相接触 若物体与机械手之间有相对滑动 将带动球体随之滚动 接触器与球的导体区交替接触从而发出一系列的脉冲信号 实现了