机电一体化-慧鱼机器人(电焊机)

1、目录1.机电一体化创新设计项目实验教学大纲 1.1设计项目实验的内容1.2设计项目实验的要求 1.3设计项目实验应完成的工作1.4设计项目实验进程安排2.慧鱼机器人模型 2.1机器人的组成 2.2机器人的工作空间形式 2.3 机器人的机械运动形态和变换控制 2.4机器人的位移、速度的控制方法 2.5机器人的轨迹规划 3.机电一体化系统创新设计分析 3.1 分析慧鱼机器人模型的不合理设计 3.2 构思机械设备创新优化的设计及思想3.3实训课程的体会和建议2、慧鱼机器人的模型。2.1、机器人的组成：点焊机器人主要由运动机构和控制系统两大部分组成。运动机构，使点焊机完成各种转动（摆动）、移动或复合运

2、动来实现规定的动作，改变点焊机焊接时的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。控制机构主要是实现点焊机的自动化操做。 此次点焊机的组成主要是由慧鱼机器人的组合模型零件组成的。主要有以下的零件： 机械零件：连杆、凸轮、齿轮（普通齿轮、锥齿轮、斜齿轮等）、涡轮、蜗杆、螺杆、轴（直轴和曲轴）、联轴器、变速器、齿轮箱等； 电气零件：直流电机、灯泡、电磁气阀、行程开关、传感器、可调直流变压器、电脑接口板、PLC接口板、红外线发射接收装置等. 机构散件：臂、手、腕、立柱为组合模型必要的零部件，导向件为固定各零部件的方向必要的零件，支承件为支承各零部件的位置，机构部件组合

3、机构的必要零件。 其各类零件由下图所示齿轮、齿轮轴和齿条 六面体及六面体的拼接 其他六面体及楔形体涡轮与蜗杆 万向节 齿轮箱 普通电动机 灯泡 开关 脉冲齿轮主要组成：（1） 底座。直接利用涡轮当支撑件，机架与涡轮连成一体，通过涡轮蜗杆传动，实现电焊机器人整体的左右旋转功能。如下图所示：（2） 点焊机器人手臂支架。如图所示，手臂的上下摆动主要是靠丝杆传动和滑块机构共同工作实现的。丝杆的转动带动滑块的前后移动，从而使得手臂在竖直方向上做摆动，其支撑形式主要是以穿在手臂支架中心处的支撑杆来支撑和旋转的。只需控制旋转的转速就可以控制手臂摆动的角度。（3） 机械手。如图所示，机械臂的伸缩也是靠丝杆螺母

4、副来实现的。电机驱动丝杆转动带动红色滑块移动，红色滑块与机械臂连成一体，因此直接可以带动机械臂前后伸缩。（4） 减速箱。如图所示，电机转动，经过几级的变速后，才对各个部件进行运动的控制。（5） 控制部件。如图所示，无论是机构运动的角度还是行程的计算都是通过开关通断的次数进行计算的。电机带动槽轮的旋转，从而使得开关不断的进行启停，只需通过一定的算法就可以计算实际运动的位移和角度。同时，该开关也可以作为限位开关来使用，以确定机器的原点和工作的极限位置。机器人整体图如下图所示：2.2、机器人的工作空间形式（1） 三维空间自由度的坐标形式如下图所示：其中：M1是底座旋转台的电动机 M2是控制点焊机升降

5、的电动机 M3是控制点焊机焊点伸缩的电动机 M4是点焊机焊接点工作灯泡如下图所示，以机械臂的轴心线作为x轴，则点焊机器人只有三个自由度：分别是： xoy平面上的转动：如图所示，其运动空间约为180度。 yoz平面上的转动：机械臂可以上下摆动约九十度。y轴方向的移动。机械臂可以沿X轴方向前进或者后退。其行程约为10cm左右。2.3、机器人的机械运动形态和变换控制（1）点焊机底盘结构传动简图如下：工作原理： 如图为电动机M1带动的运动链。M1转动通过变速箱带动蜗杆，蜗杆带动涡轮。安装在底盘的大涡轮带动整个机器人转动从而实现多角度的工作形式。可实现270度内转动主机架工作。旋转的极限位置和这个方向上

6、的原点都是通过限位开关来实现的。（2）、电焊机手臂上下摆动结构传动简图如下：工作原理： 如图为电动机M2带动的运动链。M2转动通过变速箱、齿轮传动到丝杆。安装在丝杆上面的滑块在丝杆的带动下做平移运动，同时机械臂支架通过套筒与滑块联结，从而随着滑块一起运动。由于杠杆的原理，可让机械臂在垂直面上上升或下降进行工作。其极限位置和该方向上的原点也是靠限位开关实现的。（3）、点焊机手臂伸缩机构传动简图如下：工作原理： 如图为电动机M3带动的运动链，M3转动通过变速箱带动丝杆，安装在丝杆上面的滑块在丝杆的带动下做平移运动，从而带动悬臂运动。可实现机械臂在丝杆轴线方向上伸出或缩进进行工作。其极限位置和该方向

7、上的原点也是靠限位开关实现的。2.4、机器人的位移、速度、方向的控制。机器人的动作都是通过连接电脑的一块智能电路板实现的。电脑通过数据线，将程序下载到智能版，再由智能板发出指令去控制机器人的电机、灯泡等部件，从而完成机器人的各种动作。机器人的个动作的位置、方向均由智能版的程序来控制实施。如电机的正转、反转和停止，只需在电脑中通过软件如LLWin或者ROBOPro等软件里编制相关程序控制便可。当然，如果有能力的话，也可以通过自己开发的连接库，再用高级语言编写程序，调用相关函数，同样也能实现模型的控制。在实验室提供的软件中，我们还可以通过检测各电机或者灯泡等部件是否正常，正常的话观察各个自由度是否

8、全部到位，并且还可以检测传感器是否正常。这样不但利于故障的检测，而且还方便程序的调试和机器人的硬件调试。通过此方法，我们可以大致确定机器人不同自由度的各个极限的位置，避免电机因为卡死而烧坏或者硬件的损坏。如何对位移和角度进行控制和计算呢？如上图所示，机器人的路程和角度的计算都是通过计算开关的闭合和开启的次数来计算。电机的旋转带动槽轮的旋转，不断的使开关闭合和和断开，再由智能板对其进行计数，再通过一定的换算比例就可以确定电机转了多少圈，从而确定各部件运行了多少距离和角度。因此，只需要程序中给定一些参数，就可以直接操纵机器人的位移和角度的位置。2.5、机器人的轨迹规划。 在编制机器人的轨迹之前，必

9、须确认各部分机构都正常，各部分都调试正常后，才对其进行程序的编写和调试。由于机器人在运行前的位置不一，所以，程序的开头必须对其进行复位，即机器人回到它的坐标原点。其原点的确定由各个自由度方向上的极限位置的限位开关来确定，程序只需要驱动各电机旋转到极限位置，通过检测限位开关的信号就可以确定其是否回到原点。次过程中，也可以对机器人的极限位置进行调整，以适应之后程序的要求。确定好原点后，就可以对其各部件运动的路程和角度进行计算。通过一定的算法编写程序，再将程序下载到智能板中，就对机器人进行各种动作的循环和操作控制。下面是实验时用的一种循环的过程图：回原点运行到位置1，然后点焊运行到位置2，然后点焊运

10、行到位置3，然后点焊通过反复实验和调整后，基本上机器人能很好的完成上述的循环，再通过修改参数，就可以实现机器人不同位置和不同动作的控制。 3、机电一体化系统创新设计分析3.1、分析德普施机器人和慧鱼机器人模型的不合理设计。不合理设计：（1）、机器人模型中，只对各部件各个方向上的一端有限位开关，导致另一端无限制而使动作超程。 模型中，当机器人向原点的方向运动时，都有限位开关限制运动的极限位置，但是在相反的另一个方向却是自由的。这样的话会导致如果程序出错而从另一个方向上一直运行，会出现损坏构件的隐患。（2）、机构部件过于零碎，导致强度不够和摩擦力增大，易出现电机卡死现象。 有些连杆或者框架的结构应

11、该设计成为一体，那样可以保持比较好的精度和使机构运动起来更加顺畅。（3）、机械臂的支撑结构和驱动形式设计不合理。如图所示，连接丝杆的螺母副结构不固定，导致左右摆动，甚至使得机械臂的拨叉脱离，使得功能失效，应改进这传动结构和支撑形式。（4）、如下图所示，由于此机器人是焊接机器人，对于焊接，需要一定的精度，而模型中的机械臂比较长，而且电机也是与机械臂连在一起，这必定会带来振动，从而影响焊接精度和质量。3.2、构思机械设备的创新优化的设计以及设想。针对上述的不合理的问题，可以进行如下的改进和优化。（1）、极限位置的限定问题。 最简单的方法就是在另一侧也设计相应的限位开关来限制另一端的极限位置。但在工

12、程问题上，设置一个限位开关是不安全的，一旦开关失灵了必定会导致很严重的后果，因此，至少会设置两个限位开关。（2）、模型设计不合理的问题。 尽可能的将可以为一个整体的设计为一个整体，以保证机械运动的顺畅性。无关紧要的可以再细分为其他小零件。（3）、机械臂支架传动结构设计不合理的问题。 带有与丝杆配合的螺母的滑块由于自由度限制得不够，导致左右摇摆，可以在其下方设置一条导轨，以限制在轴向旋转的自由度，并且能够起到支撑的作用。（4）、焊接时的振动问题。 电机直接与机械臂组成一体，必定会带来振动的问题，并且在移动过程中，由于惯性力的问题，又会影响定位精度。因此，电机的位置应该最好设置在底座或者靠近底座的

13、位置，为实现其在不同方向上的传动，可以使用锥齿轮传动，以保证各个方向上稳定的传动。3.3、实训课程的体会和建议。体会：在这次的机电一体化创新设计项目中，认识到各种设备模型和增强了动手实践能力。模型建造过程，需要百分百的耐心和细心，不能有任何错误。如果前面有那么一个零部件选错了，可能导致后面组装时组装不下，要拆前面组装好的部件，得不偿失。所以我们一开始先把零件逐个分开，再按照说明书的步骤逐步逐步地组装。虽然这只是模型，但其实就是现实设备的缩小话，对于研究其机械结构和功能原理是非常直观和方便的。通过模型去想象真实设备的结构和原理，并对其进行优化和设计。模型当中存在着不少设计不合理性，需要我们一一探

14、索研究，结合实际提出合理设计要求。在这个项目过程中，基本上是对以前所学的专业知识的重新复习，通过这一次项目设计，对所学的知识有了更深的理解，把学到的东西真正运用到实际中去。实验中，也增强了我们的团队意思的。由于模型中，细小的零件非常多，非常容易出错。因此，合理的分工和团队的合作显得尤为重要。在组装过程中，组员们都非常的认真组装，期间并无出现什么大错误，整个拼装和调试过程都是非常顺利的。这是一个非常有趣而且能在玩中学到东西的实验，学校应该多弄些这样的实验来启发学生的发散性思维。这样的实验激起我们的兴趣，让我们在玩的过程中又学习和增加了自己的专业基础知识。最后衷心感谢老师在这个课程设计的耐心指导。优化和建议：（1）