机电一体化方向专业综合训练设计指导书.doc

北京石油化工学院机电一体化方向专业综合训练设计指导书机 电 工 程 系2010年12月11目 录第一部分：课程设计内容及要求.1一、课程设计目的.1二、课程设计要求.1三、教学大纲内容.1四、设计的步骤与学时分配.1五、说明书编写要求.1第二部分：机电一体化系统设计. 2一、系统组成.2二、主要技术参数.5三、机械系统设计.6四、控制系统设计.15五、气动夹持装置.15第一部分 课程设计的内容及要求一、课程设计的目的：机电课程设计的目的在于培养学生机械、电子、计算机及控制的综合集成能力和工程能力，结合实际进行机、电、控制的综合设计，进一步加深学生的理论课的学习，强化学生的实践能力，打通机电教学环节。机电课程设计是机械系统设计教学中的一个重要的环节。二、机电课程设计的要求：要求学生综合运用所学的理论知识，对机电一体化系统的机械、电器、气液传动进行综合设计，学会微机的使用及其编程，掌握典型的伺服传动元件、检测元件的使用、设计。三、教学大纲内容1机械系统设计（0号装配图一张）2气压系统设计（包含在再设计说明书中）3电器及控制系统的设计（电气图一张）4整理资料并编写设计说明书（重点包括关节，其传动链主要由伺服电机、同步带、滚珠丝杠构成。）四、课程设计内容及学时分配：1动员与讲座 1天2总体方案设计 1天3机械系统设计 4天4气压传动回路设计 1天5控制系统设计 1天6整理说明书 1天7答辩 1天五、说明书书写要求（手写）1说明书要把题目要求、总体方案论证与设计、系统组成结构原理图、机械零部件设计计算、电路接线说明、气路设计说明及总结；2说明书应该思路清晰、条理分明，书写工整；3说明书后面附上课程设计心得体会。六、上交材料1日记1本。2设计说明书1份。3手绘机器人装配图1张。4控制接线图1张。5气路接线图1张。第二部分 机电一体化系统设计一、系统组成（一）概述1、 机器人的英文名缘由：机器人是一种具有某种仿人功能的自动机、机器人的国际名叫“罗伯特（ROBOT）。“ROBOT”一词源于捷克作家卡列尔查培于1920年的一部名叫作罗萨姆的万能机器人公司的幻想剧，罗伯特是该剧主人公的名字，他是既忠诚又勤劳的机器人。2、 机器人的定义：（我国科学家的定义）机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。3、 机器人的三原则：1)、 机器人不能伤害人类；2)、 在不违反第一条的情况下，机器人必须遵守人类的命令；3)、 在不违反第一、二条的情况下，机器人应能保护自己。4、 机器人发展史：1)、 古代机器人：（1）、 中国机关人世界最早的机器人列子、汤问篇中记载西周穆王时，有位名叫偃师的能工巧匠就制造了一个能歌善舞的伶人机器人。春秋后期，木匠鲁班制造的木鸟，能在空中飞行“三日不下”。1800年前的汉代，大科学家张衡发明的计里鼓车。计里鼓车每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下。后汉三国时期，诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”，并用其运送军粮，支援前方战争。最早的军事机器人（2）、 西方最早的机器人，是公元前2世纪古希腊人发明的最原始的机器人自动机。1738年，法国天才技师杰克戴瓦克逊发明了一只机器鸭。2)、 现代机器人：1954 年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。1959 年第一台工业机器人（可编程、圆坐标）在美国诞生，开创了机器人发展的新纪元。1967年日本成立了人工手研究会（现改名为仿生机构研究会），同年召开了日本首届机器人学术会。1970年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议。1980年被称为“机器人元年”。5、 机器人的组成部分：1)、 机器人的手操作系统，作用是抓住一个工作对象使其按工作或作战要求动作。2)、 机器人的眼感测系统，作用是观测工作对象及其周围环境的信息，通过收集信息将其反馈给控制中心，作为对机器人行为控制和协调的依据。3)、 机器人神经系统信息传输系统，作用是将传感器和观测器获得的各种信息下传上达，交给各执行及其附属设备。4)、 机器人的心脏动力系统，作用是负责向机器人提供动力，主要设备有各种发动机，发电机及其附属设备。5)、 机器人的大脑指挥控制系统。作用是加工处理各种信息，指挥机器人的各种行动。 图1-2 机器人图片6、 机器人的种类：按技术层次分为：固定程序控制机器人、示教再现机器人、数控机器人、遥控机器人、智能机器人。按工作自由度分为自主机器人、半自主机器人、摇控机器人。7、 机器人的用途：1)、 勤劳忠诚的员工不计报酬2)、 未知世界的使者不知“天高地厚”3)、 未到战争中的圣斗士不晓得皮肉之苦4)、 保姆、白衣天使和明星不用包装炒作8、 机器人的未来发展：人性化，智能化，普及化。（二）组成机器人是一种具有高度灵活性的自动化机器，是一种复杂的机电一体化设备。机器人按技术层次分为：固定程序控制机器人，示教再现机器人，智能机器人等。本课程所使用的机器人为四自由度机器人，为平面关节式，其轴线相互平行或垂直，能够在空间内进行定位。教学机器人采用伺服电机驱动，主要传动部件采用可视化设计，控制简单，编程方便，是专为满足高等院校机电一体化、自动控制等专业进行机电及控制课程教学实验需要和相关工业机器人应用培训需要而最新开发的四自由度机器人，它是一个多输入多输出的动力学复杂系统，是进行控制系统设计的理想平台；它具有高度的能动性和灵活性，具有广阔的开阔空间，是进行运动规划和编程系统设计的理想对象。机器人按技术层次分为：固定程序控制机器人，示教再现机器人，智能机器人等。本课程所使用的机器人为四自由度示教再现式机器人。整个系统包括四自由度机器人1台，控制柜1台，控制卡1块，实验附件1套（包括轴、轴座），机器人控制软件1套。机器人采用平面关节式开链结构，即机器人各连杆由旋转关节或移动关节串联连接，如图1-1所示。各关节轴线相互平行或垂直。连杆的一端装在固定的支座上（底座），另一端处于自由状态，可安装各种工具以实现机器人作业。关节的作用是使相互联接的两个连杆产生相对运动。关节的传动采用模块化结构，由同步齿型带和谐波减速器等多种传动结构配合实现。机器人各关节均采用伺服电机驱动，并通过Windows环境下的软件编程和运动控制卡实现对机器人的控制，使机器人能够在工作空间内任意位置精确定位。图1-1 机器人结构二、主要技术参数机器人技术参数如表1-1所示。表1-1 机器人技术参数机构形态平面关节型自由度4负载能力2 kg动作范围关节转动-110 +110关节转动-90 +90关节升降0 150mm关节转动0 360最大速度关节转动180o /s关节转动360o /s关节升降150mm /s关节转动360o /s最大展开半径400mm高度680mm本体重量48 kg安装环境温度0 +45湿度20 80不结露振动0.5 G以下其它避免易燃、腐蚀性气体、液体勿溅水、油、粉尘等勿接近电器噪声源操作方式示教再现编程电源容量单相 220V 50Hz 8A三、 机械系统设计机器人机械系统主要由以下几大部分组成：原动部件、传动部件、执行部件。基本机械结构连接方式为原动部件传动部件执行部件。机器人的传动简图如图所示。关节传动链主要由伺服电机、减速器构成。关节传动链主要由伺服电机、同步带、减速器构成。关节传动链主要由伺服电机、同步带、滚珠丝杠构成。关节传动链主要由伺服电机、减速器构成。在机器人末端还有一个气动的夹持器。本机器人中，原动部件为伺服电机，本机器人中采用了同步齿型带传动、谐波减速传动、行星减速传动、滚动螺旋传动等传动方式。执行部件采用了气动手爪机构，以完成抓取作业。四、控制系统设计机器人控制系统主要由计算机系统、电机驱动器及电机、传感器、电源、控制柜、控制电路等几部分组成。计算机系统内安装有运动控制卡等硬件和机器人控制软件。 运动控制卡由高性能专用微处理器、大规模可编程器件及接口器件等组成，用于实现步进/伺服电机的位置、速度、加速度的控制及多个步进/伺服电机的多轴协调控制。其主要功能为：S形、梯形自动加减速速度曲线规划；输出控制脉冲到电机驱动器以使电机运动；能利用限位开关传感器实现高速高精度原点返回操作。电机驱动器用来把运动控制卡提供的低功率的脉冲信号放大为能驱动电机的大功率电信号，以驱动电机带动负载旋转。电源部分用来提供电机供电电源及各驱动器的控制用电源，包括相关保护、滤波器件等。控制电路提供电气系统所需的电源开、关顺序操作及保护、报警、状态指示等控制操作。其主要控制信号有：1、 脉冲信号 PULS ：此信号由运动控制卡发出，驱动器接收此信号驱动交流伺服电机旋转；2、 方向信号SIGN ：此信号由运动控制卡发出，用来控制电机旋转方向。3、 原点信号 ORG ：由零位开关发出。ORG信号可单独用于寻零操作，ORG信号也可与编码器Z相信号配合得到精度更高的寻零操作；4、 限位信号 EL ：由限位开关发出。+EL为电机运行正方向的限位信号，-EL为电机运行负方向的限位信号，当与电机运行相同方向的EL信号为“ON”状态时，控制卡立即停止发出脉冲，电机自动停止运行。这个信号被锁存，即使EL又恢复成“OFF”状态，控制卡也不会再发出脉冲，可由指令发出相反方向运动的脉冲链使电机反向运动，解除这一锁存状态；5、 驱动器报警信号ALM：由驱动器发出。当驱动器发生故障时，报警信号ALM为“ON”状态，控制卡接收到这个信号后立即停止发出脉冲，电机自动停止运行；6、 伺服ON信号：由运动控制卡发出，驱交流伺服驱动器接收到此信号后，即处于伺服状态。7、 编码器信号：编码器输出A、B、Z相信号送到交流伺服驱动器，经交流伺服驱动器分频后发送到运动控制卡，用来反馈交流伺服电机实际运行位置及实现闭环控制。五、气动夹持装置 确认零部件机器人气动夹持装置包括气泵、油水分离器、控制阀、手爪本体及气管五部分组成，在开始连接之前请确认是否包括以上各部分，如有缺少请尽快与我公司联系。 气路连接为了方便用户使用，气动夹持器在发货前已经在气泵、油水分离器、控制阀以及手爪本体上安装好了相应的快插接头，所以在用户连接气路时，只需要按照图7-1所示的顺序，顺次连接各部件，即可完成安装过程。图7-1气路连接图图中粗线表示以气管相连接，细线表示以电线相连接。在按照上图连接完毕后，将夹持器本体用M4螺钉安装紧固在手腕法兰盘上即可完成安装。 气压调节当夹持系统连接完毕后，首先确认气泵出气