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自动焊接机器人设计,自动,焊接,机器人,设计
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自动焊接机器人设计摘 要焊接机器人的自动化控制是当前研究的主要方向之一,也是实现工业生产全自动的重要一步。机器人自动化是是智能化的发展前提,自动化要求设计合理、高效,精准的机器人动力传动系统,本文从机器人各组件的传动设计入手,选择合适的传动和控制方式来实现焊接机器人的自动控制。本次设计了一个六自由度的焊接机器人,分别为机座的转动,大臂的摆动,小臂的转动和摆动,手腕的转动和摆动,完成这六个关键部位的传动设计和校核,其中机座采用伺服电机驱动,大臂,小臂和腕部均采用步进电机驱动。控制系统选用以PLC为核心的机器人自动控制方案。整个机器人机身高约1.6m,臂展约1.5m,适合中小型零件的焊接工作。该论文有图14幅,表10个,参考文献37篇。关键词:焊接机器人;机电一体化;PLC;六自由度AbstractThe automatic control of welding robots is one of the main directions of current research, and it is also an important step to achieve full automatic industrial production. Robot automation is a prerequisite for intelligent development. Automation requires a reasonable, efficient and accurate robot power transmission system. This article starts with the transmission design of each component of the robot and selects the appropriate transmission and control method to achieve automatic control of the welding robot.This time, we designed a six-degree-of-freedom welding robot, which is the rotation of the base, the swing of the arm, the rotation and swing of the arm, and the rotation and swing of the wrist. The base is driven by a servo motor, and the arm, arm and wrist are driven by a stepper motor. The control system selects the robot automatic control scheme with PLC as the core. The entire robot body is about 1.6m high and its arm span is about 1.5m, which is suitable for welding small and medium-sized parts. Keywords: Welding Robot;mechatronics;PLC;Six degrees of freedom目录摘 要1 绪论11.1 概述11.2 焊接机器人研究现状21.3 选题背景和意义31.4 课题的主要研究内容42 设计方案对比52.1 机器人机械结构方案52.2 机器人驱动方案62.3 机器人传动方案72.4 机器人控制系统方案82.5 总体方案设计83 焊接机器人机械设计103.1 焊接机器人组成及分类103.2 焊接机器人大臂结构设计113.3 焊接机器人小臂结构设计213.4 焊接机器人腕部结构设计253.5 焊接机器人机身结构设计293.6 齿轮减速设计与计算303.7 电机的选择与校核324 硬件控制系统设计364.1 焊接机器人控制系统364.2 PLC控制系统364.3 PLC选取374.4 机器人焊接控制流程384.5 I/O端口分配394.6 元器件选择425 软件系统设计455.1 博途软件介绍455.2 PLC控制程序465.3 HMI触摸屏466 结论与展望476.1 安全性与经济性分析466.2 总结467 参考文献478 翻译部分47ContentsAbstract1 Introduction11.1 Introduction11.2 Research status21.3 background and significance31.4 Main research content42 Design scheme comparison52.1 Robot mechanical structure scheme52.2 Robot drive solution62.3 Robot transmission scheme72.4 Robot control system solution82.5 Overall design83 Mechanical design of welding robot103.1 Composition and classification of welding robots103.2 Structural design of welding robot boom113.3 Structure design of welding robot arm213.4 Structure design of welding robot wrist253.5 Structural design of welding robot body293.6 Gear reduction design and calculation303.7 Motor selection and verification324 Welding robot control system364.1 Welding robot control system364.2 PLC control system364.3 PLC selection374.4 Robot welding control process384.5 I / O port assignment394.6 Component selection425 Software system design455.1 Introduction of Botu Software455.2 PLC control program465.3 HMI touch screen466 Conclusion and Prospect476.1 Safety and economic analysis456.2 Conclusion458 References479 Translation Section471绪论1 绪论1 Introduction1.1 概述(Introduction)工业机器人机械臂在现在的工业生产中起着重要的作用,其中焊接机器人能够在较差的环境下完成工人手工难度较高或较危险和重复性高的工作,并且达到一定的焊接质量指标。自动焊接机器人最重要两个部分是机械结构设计和控制系统的选型和设计,然后对焊接机器人进行人工调试和再现教学。然而,对于工厂内正在运行工作焊接机器人来说,一般是无法得到精确的关节角度等数据的,这说明正在服役的这些焊接机器人无法达到很高的定位精度和焊缝质量。焊接机器人对工作环境适应能力很高,能够完成水下,高压,污染度较高,高空等相当恶劣的工况环境下的工作。焊接机械臂在工业生产领域的高度适用标识着世界机械生产革命朝向自动化控制方向发展。全世界工业机器人的技术水平随着工业技术的发展和各领域的应用向前迈进,并对焊接机器人技术进行深入研究和技术创新,使焊接工艺的发展朝向运动精度更高,系统更稳定,使用寿命更长和焊缝质量更好等方面深入研究,并实现了较强的信息化。随着计算机控制技术、网络通信技术、智能机器人技术以及人工智能理论研究的快速发展,焊接机器人的控制系统研究已经完善了许多,但是对于新型的激光焊接机器人的控制精度和运动精度,自动焊接的路径模拟仿真等诸多方面还存在许多问题,需要进一步研讨。教学型焊接机器人在现在的工厂生产中广泛使用,但焊接机器人的高度自动化和智能化的实现对现有的工业常用的系统还需要进一步的发展。工业生产用的焊接机器人的使世界各地的焊接车间进入人工控制自动运行阶段,在降低企业生产成本的同时也能提高的企业生产效率,但在大多数特殊零件焊接中,焊接机器人的运动与定位的低精度和成缝质量达不到手工焊接的高质量又不能完全替代工人的手工焊接。焊接机器人在制造生产中有着通用度很高的有点。在通用零部件的焊接工艺中很多都采用机器人进行自动焊接,而在工件的焊接方式和需要焊接的线路不变的时候,焊接机器人凭借自动运行的稳定性和不变性能够让几乎每一次的焊接结果与上一次相同,从而保证只要示教的焊接路径调试的完成度很高,就能有每一次的焊接都满足工艺要求,而且可以明显改善工人的工作条件和劳动生产率。因此,在这些特点的基础上,它被广泛应用于汽车制造、工程机械、钢结构和金属工业等领域,为生产工业的快速发展奠定了基础。1.2 焊接机器人研究现状(Research status)信息技术,机器视觉在最近几年已广泛应用到工业机器人上,而焊接机器人是工业机器人中最早应用于工业生产的机器人,直至目前已经大范围运转于各企业工厂焊接车间中。信息技术和机械视觉作为优化机器人焊接运动路径和准确定位焊枪位置被广泛应用于各环境中的焊接作业中包括工厂内的工件零件焊接,核电站所需的水下焊接,室外的高空作业等。焊接机器人经历了三个阶段。第一步是示教机器人。在示教学习过程中,将人工演示的运动路径保存到控制系统中,焊接机器人根据存储的轨迹进行复现操作。但该系统为无反馈开环系统,灵活性和准确性较差,但结构简单,即使在困难的工作条件下也易于使用,因此在早期得到了广泛地应用;第二步是机器人和传感器的开发和应用技术,焊接机器人可以读取部分外部信息反馈,具有一定的自动控制与反映设置,灵活性和准确性都得到了提高,但不能实现焊缝跟踪和实时调整焊接质量;第三步是智能化机器人和工业的焊接技术的快速发展,在智能化控制下,焊接机器人可以获取外部环境信息,自动定位工件的焊缝位置,调整焊枪的姿态通过不同的算法和程序,并计划专用焊接路线来保证焊接质量。机械手的发展和使用正被越来越多的人在企业生产领域见到它:它代替人进行高度重复性的劳作,也能在险恶的环境中完成任务;第二,它可以根据不同的生产工艺达到所需的要求,根据预先拟定工作中的工作时间和路线,完成所需的动作和作业;第三部分,装卸规格相同但功能不同的末端执行器,可以完成各种各样的自动控制内容,机器人的操作模块非常简洁和易理解,能让大多数工人可以完成机器人的操作,有效地改善工人的工作环境。 目前,多数国内企业焊自动接车间使用的还是机器人控制柜进行运动控制的焊接机器人,尽管可以一定程度再现教学内容,但不具备识别焊接外部环境情况和处理突发情况的能力。目前我国的机械臂制造、控制系统预焊路径和控制柜自动焊接都不能难以实现焊接机器人的高精度要求,即使是发达国家也只能满足一些特定产品在具体场景中的要求。另外,工件的焊接工艺是一个涉及电流,磁场,热量等许多外界因素的过程,其作业过程具有一定的特殊性和复杂性,使现有的焊接机器人在应用上受到很大的外界因素限制。 国外先进研究表明,焊接机器人智能化技术研究分为焊接传感技术、焊缝识别技术、焊缝跟踪技术、焊缝成形质量控制方法、多机器人协调控制技术与遥控焊接技术六个方面。智能化不仅是焊接机器人的未来研究方向,也是包括智能家具,智能汽车,大多数的服务业的客户端的自动化目标都是实现智能化。 我国焊接机器人的产业化发展除了存在上述技术问题外,还存在其他难题。第一,我国的工业起步较晚,基础的零部件制造相较于国外较落后,生产的精密零部件的精度不够高。在机器人的各元器件的生产和江都要求方面都比不上国外的高精度生产,例如高性能的交流伺服电机和精密的谐波减速器等方面。第二,我国没有具有影响力的焊接机器人品牌。虽然有部分企业单位从事各种用途的机器人的研发开发工作,但还没有出现很大的突破和形成大的规模,缺少优秀的市场品牌和先进的机器人形象,与世界上一流的精密元器件生产相比,例如减速器、控制器等核心部件能较明显地感觉到差距。第三,焊接机器人没能形成大规模产业化,缺少成熟的学习教材和研发环境。在高校本科中缺乏优质的机器人教材,而各机器人研究院也没有赶上国际先进机器人的研发,自动化焊接机器人是工业焊接领域不可缺少的部分,调动积极性的政策能有效推动机器人的研发进程,也能刺激国内焊接机器人的产业发展。 1.3 选题背景和意义(Background and Significance)进入21世纪来,我国经济快速发展,汽车工业迅速更新,汽车制造成为也是制造企业的关键,而汽车零部件的焊接工艺又是制造车辆方面的重点工序。焊接过程中存在很多对周围环境造成不利的影响:弧光、铁削、烟尘等等,这些都是设计焊接机器人不容忽视的重要因素。 在发达国家工业生产基地中焊接机器人的应用比较普遍,例如机械生产、汽车工业、航空航天领域等涉及各行各业,是现代工业生产中重要的设备,一定程度上代表了工业化的水平。焊接机器人在全世界的进化方向都是一样的,研发目标均为一定程度的自动化和智能管理的发展,在机器人控制柜,智能化模块管理和机械视觉,焊缝追踪等技术下实现焊接工作的自动化,并能够保证高质量的工作水准是当前要实现的目标。 对于工业焊接机器人,机械传动系统的设计和机器人控制系统的设计是两大重点。机器人传动系统需要根据焊接目标和焊接工作环境设计传动路线,并对各部件进行强度,寿命和平衡性校核,选用适合的电机与传感器实现运作平稳与较高定位精度。机器人的控制系统可选方案很多,例如单片机,PLC,机器人控制柜等等,其中机器人控制器功能齐全完善,但是价格较昂贵,单片机需要使用计算机语言进行编程控制,学习成本很高,而随着 PLC 技术迭代更新,功能组件逐步完善,工业制造选用PLC来控制焊接机器人运作也被许多企业认可。结合实习所认识的工厂情况,在机器人实验室中的实验和学习,其中大多数的机器人控制方式选用的控制系统都是PLC加上一台控制柜,通过对工作外部环境的适应和焊接内容的模拟,记录示教的焊接过程,通过工件的位置确定不变来完成自动焊接任务。 1.4 课题的主要研究内容(Main research content)1.4.1 研究目标设计一种六自由度焊接机器人,采用关节型焊接机器人实现工件任意方向任意点的焊接,从而获得高质量的焊缝。焊接机器人有四个关节,每个关节均由步进电机驱动,使焊接机器人达到高精度、稳定性好,避免了人地抖动误差。本次课题为设计机器人的机械传动结构设计,机械臂各组成部件的设计和控制系统的设计。根据焊接机器人的控制需要,选择合适的工业用PLC和机器人控制柜作为焊接机器人的控制系统,实现各关节部位轴的旋转运动,使焊接动作能够平稳的运行,并且能够实现各关节驱动电机的频繁启停和正反转控制已调整机器人的空间坐标。使用PLC控制系统可以适应各种环境的干扰,控制柜则是专门控制机器人各个关节运动和示教的控制器,完全适用于多关节的机器人系统,能一定程度保证各关节的运动精度从而达到工业要求的定位精度,实现焊接焊缝的高质量。虽然PLC在一定程度上不能进行焊接零件轮廓的控制,在运动精度,定位精度和自动化控制方面多关节机器人与新型的智能型机器人相差比较大,但是在目前各大企业的生产焊接车间内都是使用的多关节焊接机器人,其简单的控制方式与较好的焊接质量在普通的焊接产品上是达到了要求的,所以在目前仍有很大的市场空间。 1.4.2 研究方法通过到工厂参观学习,观察和学习全自动控制的多关节机器人的外形结构,传动方式,控制方式,了解全自动机器人的工作原理,并分析各关节组件运动之间的关系,再继而查找大量的文献资料,了解机器人的在工厂内的实际使用情况,使用的环境,适用的零部件,半自动焊接工厂和全自动焊接车间中焊接机器人分别是如何进行控制和运行的,明确焊接机器人的工作要求,确定将要设计的焊接机器人的基本功能和驱动传动方案,对自己设计的传动组件例如减速器和齿轮等进行必要的疲劳度校核。大多数的机电设备,均为机械传统结构和电气系统控制的组合,这也是机电一体化的结果。所以把整个系统分为这两部分来设计,即机械传动结构系统和电气控制系统。再将机械传动结构分为几个模块来设计,主要分为运动机构(手部设计、腕部设计,臂部设计)、机身机座结构(减速器的选择,电机的选型与校核等)。电气控制系统包括PLC和控制柜的选型,PLC各个端口地址的分配,关节电机和其匹配的驱动器的选型,电气原理图的绘制等,最后运用电脑软件编程以驱动焊接机器人进行焊接作业。622设计方案对比2设计方案对比2 Design scheme comparison2.1机器人机械结构方案(Robot mechanical structure scheme)焊接机器人由其机器人本身的结构可分为多关节机器人和直角坐标机器人。直角坐标机器人是由三根导轨组成空间坐标系进行关节运动的焊接机床,通过设定机器人初始位置为坐标原点,确定焊接工件的空间坐标,便可以在控制器中进行坐标输入,控制各轴电机驱动沿着导轨到达工件处进行焊接工作。直角焊接机器人的优点在于结构简单,控制思路清晰,只需要对运送到工作台上的零件进行直角坐标计算便能进行焊接工作,适用于小型件大批量的焊接作业。图1-1直角焊接机器人Figure 1-1 Right-angle welding robot多关节机器人是模仿人类的手臂关节,由机身,大小臂,动力传动系统和焊枪组成,每个关节均由电机驱动,焊枪则直接装载在末端执行器上,送丝机构装在机器人外部机身上,通过控制电机的转动精度实现焊接的运动精度和定位精度的控制。多关节机器人的优点是整体结构紧凑,运动灵活,可以应对多种形状的工件焊接,可以实现较复杂的曲线焊接线路,在面对较复杂恶劣的外部环境依然可以正常完成焊接作业,对外部环境的依赖很小。图1-2多关节机器人Figure 1-2 Multi-joint robot对比直角坐标机器人,多关节机器人运动更加灵活,多个电机的驱动使其工作范围更加广,根据焊接对象的大小可以调整机器人的大小设计,并且多关节机器人是各工厂中常见的机电设备,用途广,实用性高,控制容易,空间利用率高,能针对不同工件调整相应的姿态完成焊接工作。故本次设计目标为多关节的焊接机器人设计。2.2机器人驱动方案(Robot drive solution)多关节机器人的运动方式为对各个关节进行转动和摆动,通过在各个关节处连接电机,电机输出力矩带动关节运动是非常适合多关节机器人的驱动系统。电机驱动又分为伺服电机驱动和步进电机驱动。步进电机是通过接收脉冲信号来输出动力,控制系统脉冲信号的有无和频率的大小来实现对输出轴的启停和转速控制,每输出一个脉冲信号便能使输出轴转动一个步距角,通过不同的连接方式也能实现半个步距角的转动精度控制,脉冲信号的有无和脉冲频率的大小能控制步进电机的启停和转动速度,脉冲信号的方向则是控制电机的正反转动的。步进电机驱动应用的场合大多为开环控制,但利用其它元器件的的信号辅助也能实现系统的闭环控制。步进电机驱动的优点是控制简单,有较好的运动精度,可以满足大部分的运动精度要求。伺服电机驱动目前用的较多的为交流伺服电机,常用于闭环控制系统的驱动方案,能够通过负反馈实现整个运动系统的实时反馈控制,在各个电机转动时能根据反馈的信号调整电机的输出,对于需要在系统传动过程中不停改变输出量的控制系统来说的非常适合的驱动系统。伺服驱动启动时间很短,运动控制精度较高,常应用于有较高精度要求的工作,也常应用于机器人的驱动控制。在焊接机器人的驱动系统设计中,闭环控制的必须的,每个电机的运转都必须有一定的反馈才能确定输出轴的转过角度,以便随时能够调整焊枪的位置。对于步进电机,焊接机器人机座处承受整个机器人的重量,启动转矩会比较大,如果在机座处选用步进电机可能会因为过大的启动转矩导致步距角转动失真,造成电机输出轴转动精度下降,故在机座处的驱动选用交流伺服电机驱动。在机器人大臂,小臂,腕部等关节处的驱动则选用步进电机,步进电机驱动简单,而机器人各关节处需要的转速不高,利用步进电机和其驱动器和传感器构成闭环控制,足够满足焊接机器人的运动精度要求。2.3机器人传动方案(Robot transmission scheme)焊接机器人各处的转动速度都不高,故在各个电机处都需要选择减速方案,而在机器人传动中常用的有齿轮传动,链传动,蜗轮蜗杆传动等多种传动方式。齿轮传动效率较高,减速比较小,圆锥齿轮传动能改变运动方向,圆柱齿轮传动能够将动力平稳传递到输出轴上。链传动传递效率和精度都比较低,减速比相较齿轮传动更大。蜗轮蜗杆传动也能改变运动的传动方向,而且蜗轮蜗杆转动精度很高,减速比很大,但空间占用大,不适合机器人各关节的狭小空间的应用。在机器人传动系中常用的还有谐波减速器,这种减速器是使用刚轮和柔轮的弹性变形来传递运动和扭矩,其体积较小,传动精度很高,适合在低速传动中使用。机座处的传动主要用于调整机器人的面对方向,希望运动速度较低,要求有较大的减速比,整个机座转动平稳,故设计机座处三级减速方案,第一级为锥齿轮传动,第二级和第三级均为直齿圆柱齿轮传动,电机安装在机座外部,通过联轴器与齿轮轴相连。大臂处的传动主要作用为调整机器人小臂和焊枪的空间位置,需要的转动速度较低,要求减速比较大,可以选用谐波减速器进行减速和传动。小臂的运动为小臂的旋转运动,作用是为了调整机器人腕部的空间位置和焊枪的工作姿态,故需要的运动速度偏低,要求减速比较高,故选用谐波减速器进行减速和传动控制。腕部的运动分别为腕部的俯仰运动和偏转运动,其主要作用是调整焊枪的工作姿态以完成整个焊接流程,要求传动平稳,速度较低,精度较高,故设计二级的传动减速方案,一级传动锥齿轮传动,二级传动为链传动。手腕部分的电机驱动经过二级链轮链条传动,和锥齿轮啮合传动改变运动方向来实现腕部的偏转。2.4机器人控制系统方案(Robot control system solution)机器人自动化控制常用的方式有单片机控制,PLC控制,机器人专用控制柜控制等,准确来说可分为非伺服控制和伺服控制。在非伺服控制系统中,控制程序用于从前往后顺序执行运动控制,该系统会给每个运动轴的持续运动执行相应的程序,但从开始运动到最后都不会反馈该运动轴是否正确完成了运动,每根轴在其运动过程中需要通过其它元器件的控制信号的检测和反馈来实现该轴的运动控制。这种简单的控制方法是不适用于机器人系统来控制准确性和高定位要求的运动过程的。伺服控制系统是一种以高精度控制和来自其它元器件的反馈来完成该整个运动过程的控制方式。与非伺服控制不同,伺服控制会在各轴的运动过程中持续的检测其反馈信号以实时调整该轴的运动状态,是有高精度要求的机器人理想的控制系统。焊接机器人控制系统决定选用PLC作为核心控制器,完成5个电机的闭环控制伺服系统的建立。在焊接机器人工作过程中需要对焊枪位置进行不断的调整,则需要各个电机都能做到启停和加减速的快速控制,而执行焊接工艺要求的定位精度要求较高,故对各个电机有较高的运动精度要求。2.5总体方案设计(Overall design)本次课题设计目标是自动焊接机器人,采用多关节机器人的基本模型,参考汽车弧焊生产线的工作环境与条件,选用PLC来控制机器人运动,各个关节选用电机驱动,通过控制电机的转动速度,转动方向,加减速比等因素来实现将机械臂运动到工件需要焊接的部位,通过控制输出脉冲来实现焊枪末端定位精度的保证,使用示教控制器来完成焊接机器人的示教控制,一次的示教演示需要完成一条完整的焊接焊缝,焊枪和送丝机构不会在机器人内部空间设计,均采用外部安装方式。总体设想为设计一个六自由度的多关节机器人,机座用地脚螺钉固定在地面上,通过电机带动机器人的大臂进行转动,大臂一侧装有电机带动大臂的摆动,大臂上端设置一台电机实现小臂旋转,另一侧装备的电机带动小臂摆动,小臂内部空余足够的空间,需要设置腕部的转动和摆动两个驱动电机。本次设计的整个焊接机器人臂展至少达到1.5m,满足大多数的焊接现场的要求,机座的的旋转角度不大于240,保证后侧操纵人员的安全,末端执行器上需要安装传感器避免发生碰撞,控制系统出于经济性和实用性考虑选用PLC和机器人控制柜,其余元器件在满足控制要求的前提下优先安全性和经济性选择。 3焊接机器人机械设计3 焊接机器人机械设计3 Mechanical design of welding robot3.1 焊接机器人组成及分类(Composition and classification of welding robots)近年来焊接机器人的核心控制系统随着先进技术的发展进行了很多次的迭代更新和系统优化,但焊接机器人的机械构成组成没有很大改变:第一部分是能够执行动作的机器人本体,第二部分是由机械手带动焊枪完成的焊接工作流程。弧焊机器人由机器人本体、控制系统、人机交互、送丝机构及焊枪等这几部分组成。 (1) 焊接机器人 焊接机器人的机械部分设计会根据不同的焊接目标零件有不同的设计,但共同点都是一次焊接动作就能够完成工件各点的焊接。(2) 控制系统 机器人控制柜能够将不同的电气元器件在控制柜中进行硬件连线,内部安装有断路器、西门子PLC、安全控制器、保险丝、接线端子、中间继电器等元器件。 (3) 人机交互 一般为机器人示教控制器或HMI,二者都是匹配相应的控制系统对机器人进行直接的控制。 (4) 送丝机构及焊枪 焊枪为焊接机器人的执行机构,与送丝机构组成外置的焊接系统,是焊接机器人不可缺少的部分。自动焊接机器人按对工件的焊接方式可分为3大类,分别是点焊机器人、弧焊机器人和激光焊机器人。 点焊机器人通过人工手动的进行焊接路径选择,焊接机器人姿态的确定,通过确定两点来确定焊枪的运动路线,如果要焊接弧形的焊缝则需要将曲线插接为大量的定位点,用极短的直线来拟合曲线完成弧形焊接,但这样做焊缝质量偏低,不能应用于精度较高要求的工件焊接,也不能对其他零件的焊接工艺执行相同的程序,故点焊更适合重复性工作场合。 弧焊机器人是指用于进行自动弧焊的工业机器人。弧焊机器人是基于控制系统完成弧形焊接线路工作,能够完成曲线的焊接路线,适合圆盘类工件或类椭圆焊接面进行焊接工作,具有焊接作业持续时间长、生产率高、质量好、稳定性好等特点。 激光焊接机器人是新型的焊接机器人,能够完成精细零件的焊接工作但控制系统更为复杂,其零部件的生产制造精度要求很高,在考虑经济性和适用性方面一般不采用。 3.2 焊接机器人大臂结构设计(Structural design of welding robot boom)机器人大臂的作用为支撑小臂和腕部,小臂作用是支撑腕部和手部,机器人的大臂和小臂是机器人完成动作的关键,能够维持焊接机器人的动作与运动,并且带动腕部和手部做所需的空间运动。大臂是焊接机器人是机器人的主要构成部件之一,整个大臂的长度会决定焊枪离地面的高度,同时也是支承机器人的机体运行姿态的主要零部件,能够随着机座的旋转决定机器人的正面朝向,大臂的摆动会带动小臂和腕部和焊枪进行运动,所以大臂的运动控制也会影响焊枪枪嘴的定位关系。大臂部设计应达到的基本要求为: (1)要有较大的承载能力,刚度要求高同时自重尽量轻;(2)大臂臂部运动速度平稳,准确度和可控性要高,惯性要小;(3)手臂动作应灵活,有足够的运动工作的空间范围;(4)位置精度要求高,能达到工艺要求的定位精度。3.2.1 机器人大臂结构设计 图3-1大臂结构Figure 3-1 Boom structure在选材方面,考虑到需要较大的承载能力,刚度要求高同时重量尽量轻,机器人的大臂壳体材料选择铸铝,相比于铸钢密度较低,能减轻外壳重量,但强硬度都足够,外壳形状如上图3-1所示。设小臂的重量为,腕部的重量为: (3-1)大臂的转动速度为了追求稳定性设置的较低,同时也能让操纵人员对机器人整体有时间适应和达到一定的运动精度。假定机器人大臂的转动速度为 ,机器人大臂的驱动电机启动转矩计算: (3-2)上面的公式中: 可以计算出机器人大臂从静止加速到的时间为:, 减速器拟选用谐波减速器,谐波减速器有很大的减速比适合机器人大臂很低的运动速度,并且谐波减速器整体结构小巧精密,既能保证机器人的转动精度,又能满足机械臂不会过重的问题。在粗略计算小臂的转动惯量,计算得到的谐波减速器的输出转矩大小为 (3-3)初步选择的谐波减速器技术规格内容如下表表3-1谐波减速器参数表Table 2-1 Harmonic reducer parameter table减速器类型谐波减速器减速器型号XB3-50-120额定输出转矩20N.m传递效率0.9减速比120润滑方式油润滑大臂的驱动器选用步进电机,机器人正常运转时电机的输出转矩为: (3-4)电机选型选择57系列三相步进电机,型号为57B09。技术参数如下表3-2.表3-2型号57B09步进电机技术规格Table 3-2 Model 57B09 stepper motor technical specifications产品名称三相步进电机型号57B09步进角1.2保持转矩0.9 N.m额定电流3.5 A适用驱动3R60转子惯量300 g.cm重量0.75 kg3.2.2 减速器的计算和校核谐波减速器具有很高的减速比,减速器整体无论是制造精密度还是传动的精密度够很高。谐波减速器的刚轮需要选择强度较高,使用寿命较长的材料,故选用锻钢,减速器的柔轮则同样选择锻钢,为保证两轮的啮合磨损和使用强度的一致性,避免造成资源浪费,在后续的维修过程中不需要拆装减速器,直接替换全新的型号即可。首先计算谐波减速器的柔轮和刚轮的齿数 : (3-5) 在减速器传动过程中,需要判断刚轮和柔轮啮合时是否还有间隙,需要进一步的计算说明。当电机启动后,电机输出轴将动力传递到谐波减速器的刚轮,与柔轮进行啮合实现减速后将动力传递给大臂的输出轴,带动大臂进行摆动运动。在刚轮和柔轮啮合时轮齿间隙会减小,具体计算如下: (3-6) (3-7)在谐波减速器的传动系统中,应该避免在刚轮和柔轮啮合程度最高的时候发生两轮齿顶互相碰撞的情况,否则会极大的减小谐波减速器的使用寿命和传动精度。这种情况下,可以使刚轮和柔轮啮合时的齿间侧隙的最大值大于刚轮和柔轮啮合后发生的轮齿碰撞的扭转现象造成的侧隙,这样就可以确定在刚轮和柔轮啮合过程中通过旋转摩擦等力的作用下齿间侧隙依然不为零。下面是相关的计算过程。 (3-8) (3-9) (3-10) (3-11) (3-12) (3-13) 在谐波减速器的传动过程中,为了保证传动的准确性,需要对相对啮入深度进行判断和取值,取值方式如下:,所以的取值可以使用,继续下一步计算和校核。 (3-14) (3-15)验算下列两个公式: (3-16) (3-17) (3-18) (3-19) (3-20)经过上述计算可以得出,在谐波减速器工作时,在刚轮齿根圆与柔轮齿顶圆在减速器啮合传动过程中径向间隙不为零,故谐波减速器能够正常工作。 3.2.3 机器人大臂的平衡计算 因为焊接机器人的各个零部件重量各不相同,质心不会分布在大臂的轴线上,而机器人大臂的长度会将机器人的质心抬高,会距离地面和机座有一定的高度,因此焊接机器人的大臂负着平衡整个机器人的整个偏心质量,平衡的措施为在大臂的后侧设计一个弹簧的连接孔,采用刚性弹簧的弹力将机器人的质心拉回靠近到大臂中心轴线的位置,用机座来承受机器人的整个质量,减轻大臂的负担。加装好刚性平衡弹簧后,当机器人处于正常运行状态,机器人的整体没有发生运动,末端执行器装备上焊枪后,平衡弹簧的受力分析如下图3-2。图3-2 带平衡弹簧时的大臂受力图Figure 3-2 The large arm with a balancing spring is subjected to force diagram在上图的受力分析中,为大臂、小臂、腕部和焊枪对机器人小臂的作用力,为平衡弹簧被拉长而产生的作用力: (3-21) 在机器人的大臂后方加装好刚性平衡弹簧后,当机器人处于正常运行状态,大臂的驱动电机启动,机械臂处于静止即将运动的临界运动状态,此时的受力分析如下。图3-3大臂垂直时的受力图Figure 3-3 Force diagram when the boom is vertical (3-22)当机器人正常启动,大臂的驱动电机开始驱动传递动力,带动机器人大臂旋转,使焊接机器人向下转动,达到相对于垂直方向的30的位置时,此时的受力分析如下图3-4。图3-4大臂前俯30时受力分析图Figure 3-4 Diagram of force analysis when the boom is bent forward 30 焊接机器人启动后,启动大臂处驱动电机输出动力,传动系统触底动力带动机器人大臂旋转,使焊接机器人向上转动即大臂向后仰,达到相对于垂直方向的10的位置时,此时的受力分析如下图3-5。图3-5大臂后仰10时的受力分析图Figure 3-5 Force analysis diagram when the boom is tilted back by 10 上面分析了机器人在静止状态电机驱动大臂发生旋转运动后,整个机器人的姿态位置发生的变化,并且在各个位置状态下的示意图,将其简化为受力分析图后分别计算出了的大小,其含义是在机器人各种运动下弹簧为了保持机器人的整体平衡而被拉伸所需的力矩。接下来分析焊接机器人大臂在上诉三种位置下,刚性平衡弹簧受到拉伸而发生的各种形变下产生的弹性力的大小,见图3-6,这个弹性力是起到平衡焊接机器人最主要的力,故设计和选取的弹簧在发生形变时产生的形变力的大小不能与下面的计算结果发生太大的偏差,否者会有多余的内应力产生,影响平衡弹簧的使用疲劳强度和使用寿命,不利于机器人的运动。图3-6图解法计算各特征位置时的弹簧力力臂Figure 3-6 Graphic method for calculating spring force arm at each characteristic position求得在三种运动状态下的弹簧发生拉伸形变产生的弹性力大小分别为: (3-23) (3-24) (3-25)在焊接机器人平衡的设计中,弹簧的受到的力是持续存在的,并且会根据焊接机器人的不断运动而大小进行变化,故弹簧会一致处于拉伸状态,为保证弹簧的疲劳度和使用寿命要求,选择使用两根对称的平衡弹簧来平衡大臂运动整个机器人质量的偏心产生的力矩,所需要提供的弹性力的大小计算如下, 3.3.4 大臂平衡弹簧的设计在前一小节提到的在焊接机器人平衡的设计中,弹簧的受到的力是持续存在的,并且会根据焊接机器人的不断运动而大小进行变化,故弹簧会一致处于拉伸状态,为保证弹簧的疲劳度和使用寿命要求的疲劳度,选用弹簧的材料为碳素钢丝弹簧(国标为GB4357-89C级),为第类弹簧。选取弹簧丝的直径为。下面是其中一根弹簧的计算校核过程如下。 , (3-26)取弹簧的小径的值为d=4mm,查阅机械设计课本相关表格,取弹簧的内径标准值D=25 mm 。代入弹簧的内外径计算公式可以算得:根据已算得的弹簧参数对平衡弹簧的刚度进行校核计算: (3-27) 代入数值计算可得 (3-28)下面进行平衡弹簧的匝数的计算: (3-29) 最后对平衡弹簧的极限应力和极限载荷时发生的变形量是否超出弹性变形范围进行验算校核。 (3-30) (3-31) (3-32) (3-33)由此可以校核平衡弹簧伸缩比: 故能够在弹性形变的范围内满足平衡弹簧的伸缩要求。 (3-34)平衡弹簧受力后的长度变化: (3-35) (3-36) (3-37)从上面算的受力后的长度变化数值可以知道平衡弹簧的伸缩变形量在是超出大臂的运动极限范围的,故可以确定弹簧的各项性能是大臂平衡要求的。平衡弹簧的参数设计和必要的校核完毕,故平衡弹簧的相关设计参数可由下表3-3可知。表3-3 平衡弹簧设计参数Table 3-3 Design parameters of balance spring材料碳素钢丝弹簧使用数量2根旋绕比6.25弹簧中径25mm旋转方向右旋螺旋角255自由长度434mm直径4mm3.3 焊接机器人小臂结构设计(Structure design of welding robot arm)机器人小臂考虑到需要较大的承载能力,刚度要求高同时重量尽量要求低,机器人的小臂壳体材料选择铸铝,相比于铸钢密度较低,能减轻外壳重量,并且强硬度都足够。3.3.1 小臂电机及减速器选型焊接机器人小臂的两个自由度是摆动和旋转。在控制焊接机器人运动时,大臂与地面垂直状态,小臂与地面平行状态时,机器人的小臂有最大的转动惯量。小臂运动速度为从静止加速到加速时间为,由此可以算出输出轴的转矩: (3-38)小臂的传动减速器拟选用谐波减速器,在计算完转动惯量后,计算减速器的转矩 (3-39)表3-4减速器的选型参数Table 3-4 Selection parameters of reducer减速器类型谐波减速器减速器型号XB3-50-100额定输出转矩20N.m减速比100润滑类型油润滑传递效率0.9可以计算步进电机正常运转的输出矩为 (3-40)小臂的驱动电机选用步进电机驱动。电机选型选择57系列三相步进电机,型号为57B09,其技术规格见表3-5。表3-5步进电机的选型参数Table 3-5Stepping motor selection parameters 产品名称三相步进电机型号57B09步进角1.2保持转矩0.9 N.m额定电流3.5 A适用驱动3R60转子惯量300 g.cm重量0.75 kg3.3.2 传动结构形式的选择机器人小臂处的减速器选用谐波齿轮减速,型号和技术参数见上表2-4,考虑运动精度和动作的平稳性,需要的传动比较大,承载力较好,故取压力角的渐开线齿廓运动传动较平稳,适合小臂处的减速传动设计。谐波齿轮参数计算与基本的校核 (3-41) 下面计算和校核谐波减速器运转时刚轮和柔轮啮合时的部分参数。 同样的,当电机启动后,电机输出轴将动力传递到谐波减速器,减速器刚轮与柔轮进行啮合进行减速传动后将动力传递给小臂的输出轴,带动小臂进行旋转和摆动运动。在刚轮和柔轮啮合时轮齿间隙会减小减小,具体计算如下两轮啮合时轮齿间隙减小: (3-42) (3-43)在减速器传动过程中,需要判断刚轮和柔轮啮合时是否还有间隙,需要进一步的计算说明。当电机启动后,电机输出轴将动力传递到谐波减速器的刚轮,与柔轮进行啮合实现减速后将动力传递给小臂的输出轴,带动小臂进行转动运动。在刚轮和柔轮啮合时轮齿间隙会减小,具体计算如下: (3-44) (3-45) (3-46) (3-47) (3-48) (3-49) ,所以的取值可以使用,继续下一步计算和校核。 (3-50) 验算下列两个公式: (3-51) (3-52) (3-53) (3-54)故在刚轮齿根圆与柔轮齿顶圆之间存在径向间隙。3.4 焊接机器人腕部结构设计(Structure design of welding robot wrist)机器人腕部结构的作用为确定手部的作业方向和定位焊接的空间位置,需要2个自由度,分别是俯仰运动和偏转运动,腕部连接手臂和机器人的末端执行器来支持和改变焊枪末端的空间坐标以实现更好的焊接效果。手腕的设计要求为结构尽可能紧凑,选材方面质量要求轻,机器人运动时旋转稳定、定位精度较高,故选择强硬度较高的合金钢为材料。焊接机器人腕部的传动方式为锥齿轮传动和链传动,分别实现机器人手腕的偏转运动和俯仰运动,机器人通过腕部的运动将焊枪调整到合适的焊接姿势,并能够准确定位到空间坐标上,进行焊接工作。3.4.1机器人手腕的偏转计算本次设计的焊接机器人腕部由步进电机驱动,经过两级链轮链条传动,和锥齿轮啮合传动改变运动方向,实现腕部的偏转,完成焊枪的空间定位。手腕处锥齿轮减速传动和链传动中,锥齿轮会根据电机的输出轴和链轮的计算校核后进行选型,链轮传动在下一小节进行参数的部分计算。下面为机器人腕部的惯性力矩计算: (3-55) (3-56) (3-57) (3-58) (3-59) (3-60) (3-61) (3-62) 在上述公式中:焊接机器人的工作数据如下,机器人手腕处壳体的材料选用铸钢,硬度较大能够保护内部安装的电机和传动系的零部件,制造工艺简单,成本较低。查的铸钢的密度数值代入上述公式中:手腕处的驱动电机选用步进电机,查得弹性联轴器和链轮传动的效率可以计算步进电机所需要的启动转矩,传动效率如下表3-6。表3-6零部件的传动效率Table 3-6 Transmission efficiency of components 零部件名称传动效率零部件名称传动效率弹性联轴器0.99滚子链0.96锥齿轮0.97滚动轴承0.99 (3-63)从锐特技术网查询,86系列三相步进电机的技术数据表格和矩频特性曲线可以选择满足要求的步进电机型号,选择86B7型号的步进电机,匹配的驱动器为3R86。所选电机的参数见表3-7。表3-7型号86B7步进电机技术规格Table 3-7 Model 86B7 stepper motor technical specifications产品名称三相步进电机型号86B7步进角1.2保持转矩6.78 N.m额定电流4.3 A适用驱动3R86转子惯量3300 g.cm重量4.0 kg步进电机的保持转矩为6.78N.m,额定转速为在选取链轮齿数时尽量让大小链轮的轮齿数为奇数,使得链轮的齿数分布均匀,不会导致受力集中而影响链轮的传动效率和使用寿命。虽然链轮传动的效率和传动的精度较低,但是链轮传动有较大的减速比,根据链轮的传动方式和电机的控制也能达到一定的控制精度。选用小链轮齿数17,大链轮齿数23. (3-64) (3-65) (3-66) (3-67) (3-68) (3-69) (3-70) (2-71)上述公式中: 从上面的计算结果可以对链条进行初步选型,选择传动链链号10B。下面对链传动的各项数值进行校核计算。查链传动的技术表可知大小链轮的部分数值为: ,链轮传动的各项参数计算如下: (3-72) (3-73) (3-74) (3-75)上面的公式中: 代入上述公式可算得大小链轮的数据,整理后见下表3-8. 表3-8链轮的计算参数Table 3-8 Calculation parameters of sprocket d186.3mmd2116.7mmda193mmda2123.4mmdf176.14mmdf2106.54mmdg168.86mmdg299.49mmha4.29mm 根据计算大链轮分度圆直径116.7mm,齿数23,小链轮分度圆直径86.3mm,齿数17,所选链条10B,节距为15.875mm。3.4.2机器人手腕俯仰计算手腕俯仰驱动选择与手腕偏转相同的步进电机型号86系列三相步进电机86B7。电机的技术参数可参考表2-7。链传动参数与相关尺寸计算结果同手腕偏转一致。3.5 焊接机器人机身结构设计(Structural design of welding robot body)3.5.1支撑架的设计支撑架需要承载大小臂上装备零件的重量以及安装在机器人外部的送丝机构,考虑到机器人整体的平衡性,在焊接机器人大臂左侧设计一个平衡弹簧的固定连接孔,考虑到机器人驱动电机的安装位置,在焊接机器人大臂右侧也设计一个步进电机的支撑架。3.5.2 机座的设计机器人的机座是把臂部方向旋转至焊接位置所在方位,机座部分一个自由度便能够能满足完成机器人工作姿态的定位要求,即带动大臂的左右旋转运动。机座处的传动系设计为一级斜齿轮传动和二级的直齿圆柱齿轮传动,故需要在机座中间轴位置留出一定空间加工出轴承的固定座。机座是焊接机器人的支撑部分,处于焊接机器人的最下层,由地脚螺钉定死在地面上,保证机器人原点的固定不动,只起到承受整个机器人重量的作用即可。机座是整个机器人的承重组件,承受着焊接机器人自身的全部重量,选用的此材料要求强度非常高故选用高强度的45钢,制造工艺选用铸造和焊接。机身内部结构的设计为三级减速传动的设计与校核,多级减速将电机输出转矩减小,低速带动大臂进行旋转,实现机器人整体平稳的运动。3.6 齿轮减速设计与计算(Gear reduction design and calculation)机器人机座处第二级的高速级直齿圆柱齿轮传动计算校核和第三级的低速级直齿圆柱齿轮传动校核计算结果见下面两个小节内容。3.6.1高速级齿轮设计与计算 根据机座处的三级减速传动的设计,计算直齿圆柱齿轮传动的相关数据说明和进行必要的强硬度校核。在选材方面,根据以往的设计经验,小齿轮材料选用45Cr(调质),表面硬度为280HBS,大齿轮材料选用45钢(调质),表面硬度为240HBS。(1)齿轮校核计算。 计算小齿轮分度圆直径: (3-76),。计算齿轮的应力循环系数:取安全系数S=1,计算接触疲劳许用应力: 故该齿轮传动满足齿轮疲劳强度。2.6.2低速级齿轮设计与计算根据机座处的三级减速传动的设计,选用直齿圆柱齿轮传动,计算直齿圆柱齿轮传动的相关数据说明和进行必要的强硬度校核。齿轮材料的选择根据之前的课程设计经验,选择小齿轮的材料为40Cr(调质),硬度为280HBS,大齿轮的材料为45钢(调质),硬度为240HBS。,下面对齿轮的各项数值进行计算和校核。按齿面接触疲劳强度计算有: 计算小齿轮分度圆直径: (3-77),。计算齿轮啮合时的接触应力循环系数: (3-78) (3-79)取安全系数S=1,计算接触疲劳许用应力: (3-80) (3-81) 故可以满足齿轮疲劳强度。3.7 电机的选择与校核(Motor selection and verification)自动焊接机器人利用电机产生的扭矩为驱动,通过各级减速器传递动力完成各个执行关节的转动,故需要电机能够高起动转矩,低惯性矩,高功率输出比等要求,并且能够保证低速稳定的条件下有足够的转矩,才能提供高精度的控制。机座处驱动电机启动需带动整个机器人进行旋转运动,承受负载较大,选择使用交流伺服电机,在松下电机中选型为 A6系列MHMF042A1U4 伺服电机,驱动器为A6SG系列多功能型MBDLN25SF,可以接收反馈传感器的信号。伺服电机的部分参数见表3-9。表3-9型号MHMF042A1U4伺服电机规格表Table 3-9 Model MHMF042A1U4 servo motor specifications产品名称伺服电机型号MHMF042A1U4额定输出400W额定电流2.1A油封有,带保护唇轴规格带键带螺纹额定转矩1.27N.m额定转速3000r/min转子惯量0.5610-4kg.m2重量1.2 kg 末端执行器所配用的步进电机要求质量和体积尽可能小,以减少其转动惯量,降低系统实现高定位精度的难度。为了在保持可靠性的同时实现高速响应,对机器人电机的选择最重要的要求就是承受短时过载问题。各个关节电动机必须满足以下要求才适合机器人系统:1)高速反应:短时间内完成驱动程序发送电机转动命令,响应速度越快,系统的动态响应性能越好。2)起动转矩惯性输出比大:电机在相同质量下的起动转矩较大,即电机在相同起动转矩下的相对质量足够小;3)速度范围宽:速度范围可达1:1000-1:10000;4)能进行频繁的加减速,正反转与启停控制。下面开始计算校核电机输出轴转矩,并验算电机带动大臂转动的运动精度。 (3-82) (3-83) (3-84) (3-85) 当焊接机器人正常启动运行,大臂的步进电机启动,带动机器人大臂转动运动,即大臂向下转动相对于垂直方向的30时,具体看图3-7示意,此时可以求得惯性力矩的最大值。图3-7大小臂处于极限位置Figure 3-7 Big and small arms are in the limit position从上图中看出大臂与垂直于水平线的直线oa的角度为30,算的垂直距离 赋值计算可得: (3-86)赋值计算可得: (3-87)m赋值计算可得: (3-88)赋值计算可得 对于机座处的第二级的和第三级圆柱直齿齿轮传动,根据以往的设计经验,取减速比i=9 ,可以计算总的减速比为: (3-89) 。机器人机座处的总传动效率算得为0.8,考虑到机座处是用伺服电机作为驱动元件,故可以保证机座处的运动精度达到要求。4硬件电路设计4 硬件控制系统设计4 Hardware control system design4.1 焊接机器人控制系统(Welding robot control system)机器人的自动控制系统也是焊接机器人设计的核心所在。在焊接工艺中,焊接机器人机身零部件的生产精度决定能达到的焊接精度的下限,控制系统控制机器人运动精度决定能达到的焊接精度的上限,而控制机器人对外部环境条件的改变做出一定动作例如复现焊接路径,防碰撞检测,急停复位等动作则完全依赖于控制系统的逻辑演算。目前在工业生产中,绝大多数企业的机器人控制采用机器人专用控制柜建立服务站对复数台机器人进行控制,例如采用ABB控制柜对焊接路径进行人工教学,之后就能复现焊接路径,经控制人员确认路径无误且能较好地达到焊缝要求时,经自动搬运的焊件摆放完毕后,便可执行自动焊接工作,操作人员只需注意机器人是否出现故障和是否正常运行,实现工厂焊接工艺生产的自动化。4.2 PLC控制系统(PLC control system)4.2.1 伺服控制系统 伺服控制为闭环控制,通常用于控制机器人的控制系统,该系统可以根据指定要求自动控制机械设备的运动。在很多情况下,可以控制机械运动的速度的运动控制,用功率完成控制系统的反馈,形成一个良性的闭环系统。4.2.2 PLC控制系统 PLC控制又叫可编程逻辑控制器,是服务于各种工业项目自动化控制需求和减轻工人劳作负担实现工业生产自动化的一套自动系统。操作人员通过人机交互控制界面向PLC发出控制指令,其内部程序的执行转化数字或模拟量输入输出控制外部硬件的响应完成各类机械生产工作方式,较好地解决了工业领域中关于可靠性和经济性等问题。PLC控制主要有以下特点:1)可靠性高、抗干扰能力强 西门子PLC输入输出端口设计有光电隔离,外部因素对PLC影响很小,自带的24直流电源避免电流的高频干扰,各模块之间设置了自诊断电路和联锁保护措施,能及时保存当前重要信息,断电重连也能继续当前操作。2)编程和使用都很简单 PLC采用梯形图进行直观的编程,学习简单,并且能够在模拟运行中实时监视程序运行结果和修改程序,灵活方便。3)功能完善、通用性强 PLC能完成工业需求的多种控制方式,包括PID控制,A/D转换等多种基础功能,模块化设计能适用于多数工业生产环境。4)设计安装简单、维护方便 PLC接线端口整齐划一接线非常直观,应用软件编程和仿真调试缩短设计周期和调试阶段,另外PLC自身很少出现错误与损坏,有能迅速检测自身工作状态,根据监视状态能迅速排查故障,效率很高。5)空间占用小功能强大 西门子PLC采用了模块化设计和集成电路,整体结构紧凑,功能齐全,PLC的CPU可以随身携带并与PC进行连接,十分方便,是实现机电一体化的理想控制系统。4.3 PLC选取(PLC selection)PLC适用的电压范围和温度范围广,有较强的抗干扰能力,在工厂流水线等焊接环境中不需要采取特殊的电源隔离和屏蔽措施。根据课题需求选用德国西门子生产的S7-1200系列,选用CPU为1214C AC/DC/继电器。本系统中用六个电机分别用于机械手各个关节的转动与传动控制和进行焊接作业。下表为S7-1200性能表。表4-1 S7-1200性能特点Table4-1 S7-1200 Performance characteristics特性CPU1211CCPU1212CCPU1214C本机数字量I/O本机模拟量输入点6I/4O28I/6O214I/10O2脉冲捕获输入点数6814信号模块扩展个数-28上升沿/下降沿中断点数6/68/812/12高速计数器最多组态6个使用任意内置或信号板输入的高速计数器高速脉冲输出100kHz100kHz或30kHz100kHz或30kHz续表4-1S7-1200性能特点Table4-1 S7-1200 Performance characteristics操作员监控功能无有有传感器电源输出电流/mA300300400外形尺寸/mm901007590100751110075从表中可知CUP1214C有14个输入接口10个输出接口,最多可以拓展8个信号模块,6个高速脉冲计数器。本课题中在进行地址分配时需要对I/O接口进行拓展,选择的拓展模块为SM1221,拓展8个I接口和SM1222,拓展8个O接口。4.4 机器人焊接控制流程(Robot welding control process)自动焊接机器人在焊接工作过程中,运动精度和定位精度都要求很高,电动机会频繁地进行正反转以调整机器人的姿态和末端执行器的空间位置,根据伺服系统要求,决定焊接机器人的传动系统的驱动电机选用混合式步进电动机,作为课题设计的动力元件。焊接机器人的各个关节运动方式均为转动,则需要在电机输出轴处配置角度编码器,记录各个电机轴的转动角度,完成示教的数据记录。避免出现突发情况例如工人不慎进入焊接机器人的工作空间,需要在腕部安装防撞传感器触动机器人的急停程序。步进电动机的驱动器与 PLC 相连,由PLC 发出的脉冲信号给步进驱动器进行信号放大处理,再来驱动器就会控制步进电动机的输出转速和转向,进而带动整个机器人的各个关节执行运动工作,如果按下了暂停按钮,PLC会控制各个电机停止转动,而步进电动机在电能源接通的时候有自锁功能,电机会在该处暂停锁死而不会返回原点,这个特性符合焊接机器人频繁启停和加减速的工作特点。本课题设计的焊接机械手是六个自由度的机器人,故需要六个驱动电动机,分别为 :机座伺服电机,大臂转动步进电机、小臂摆动步进电机、小臂转动步 4-1 控制流程图Figure 4-1 Control flow chart进电机,手腕摆动步进电机、手腕转动步进电机,依次命名为 M6、M1、M2、M3、M4、M5。焊接机器人总启动开关打开后,首先会自动检测机械臂是否在原点位置,正常则运行灯常亮,否则故障指示灯会闪烁,直至恢复原点位置。按下示教开关 B4 进去示教模式,按下机座控制开关 S6 先机座电机M6旋转,旋转一定角度后,按下确认按钮SB停下电机M6;按下大臂控制开关 S1 ,大臂电机 M1 接通,然后大臂摆过一定角度,按下确认按钮SB停下电机M1;按下小臂控制开关 S2 ,小臂摆动电机 M2 接通,操作动作完毕后,按下确认按钮SB停下电机M2;按下小臂控制开关 S3 ,小臂摆动电机 M3 接通,操作动作完毕后,按下确认按钮SB停下电机M3;按下腕摆控制开关 S4 ,手腕摆动电动机 M4 接通,操作动作完毕后,按下确认按钮SB停下电机M4 ;按下腕转控制开关 S5 ,手腕转动电机 M5 接通,操作动作完毕后,按下确认按钮SB停下电机M5。按下送丝控制开关 S6 ,启动焊接系统,检测是否缺焊丝,正常则缺焊丝警报灯常灭,否则闪烁报警。之后运行电机模拟焊接路径,路径模拟完成后按下复位按钮 SB3 ,机器人返回原点,退出示教模式。按下再现开关 SB5 机械臂进入再现模式,先空载运行确认焊接路径无误后按下焊枪启动按钮 KA1 ,清枪之后开始焊接工作。 4.5 I/O端口分配(I / O port assignment)在上一章节中对焊接机器人的控制流程进行了设计,根据该流程对PLC的出入输出地址进行分配,具体I/O 地址的分配情况见表5-2。表4-2 地址变量分配表Table 4-2 Address variable allocation table输入地址符号定义输出地址符号定义I0.0S1电机M1启动Q0.0M1电机M1I0.1S2电机M2启动Q0.1M2电机M2I0.2S3电机M3启动Q0.2M3电机M3I0.3S4电机M4启动Q0.3M4电机M4I0.4S5电机M5启动Q0.4M5电机M5I0.5S6电机M6启动Q0.5M6电机M6I0.6B4示教模式Q0.6L1运行指示灯I0.7B5再现模式Q0.7L2停止指示灯I1.0B0总启动开关Q1.0L3故障指示灯I1.1B1停止按钮Q1.1L4缺焊丝指示灯I1.2B2急停按钮SMQ0.0-SMQ0.5N1-N6电机转动方向输出控制I1.3B3复位按钮SMQ1.0-SMQ1.5P1-P6PLC脉冲输出口I1.4A1焊枪启动按钮I1.5KA2故障报警续 表5-2 地址变量分配表Table 5-2 Address variable allocation tableSMI0.0SB确认按钮SMI0.1SQ1角度传感器1SMI0.2SQ2角度传感器2SMI0.3SQ3角度传感器3SMI0.4SQ4角度传感器4SMI0.5SQ5角度传感器5在上面的地址分配表格中,由于PLC1214C的I/O接口数量不满足我设计的控制流程,故对输入和输出接口分别进行了模块拓展,分别为SM1221和SM1222,均拓展了8个端口用于功能分配。使用PLC作为整个焊机机器人的控制系统,在电机的启停和运动方向均可由程序的响应来实现,电机的转速控制可以通过激活S7-1200的高速计数器,通过控制脉冲数来实现电机的转速控制。PLC的输出端连接各电机驱动器和各个状态的指示灯来表明工程的运行状态。完成PLC与各外部硬件设备的接线,故PLC端口接线图和电气原理图如下所示。图4-2 PLC端口接线图Figure 4-2 Port wiring diagram图4-3 电气原理图Figure 4-3 Electrical schematic diagram4.6 元器件选择(Component selection)4.6.1 焊枪选型焊接机器人手部结构为执行机构,可采用夹持式或吸附式装备焊枪,通过系统的控制要求,执行焊接作业,根据本次机器人的机械结构设计,在机器人内部没有留下送丝机构的安装空间,故采用外接式的送丝机构和焊枪。从性能和型号选择上,焊枪选用了水冷外置式机器人焊枪ARS01500W,其焊接装备和送丝机构外接在焊接机器人外部,其中,防撞设计利用一个传感器开关从输入到反馈信息,保护机器人的部分部件,同时起到人机伤害事件的发生,本次选用的水冷型外置式焊枪质量大约2kg,选用的a=45,由下图可以得知焊枪全长X = 388.4mm,高度Y=29.3mm,适合本次设计的焊接机器人。图4-4水冷外置式焊枪Figure 4-4 Water cooled external welding gun4.6.2 断路器选择空气开关是整个电路系统的重要元器件,起到保护整个电路的作用,控制电流通断的保险装置。在这次设计的电路系统中,断路器安装在220V的总线路上,要求选择的空气开关有很好的检测与控制性能。根据课题设计计算的要求选择塑壳断路器Compact NSX。该断路器有较好的线路保护功能,可以避免在操作失误或者接线错误时出现短路情况甚至烧坏CPU和其它电子元件,通讯快速简单,检测准确安全,适合这次设计机器人电路系统。4.6.3 继电器选择继电器适用西门子自带的通用型号继电器。西门子的继电器能满足控制的性能要求,继电器的指示灯能直观的表达电机的运行状态,便于对自动控制流程的过程分析和流程把握,在PLC运行过程中出现故障时一般为PLC外部硬件出现问题例如保险丝烧断或导线断路,而此时便能迅速找出问题所在。4.6.4 交流接触器选择根据控制系统电路要求选择施耐德的LC1-D09M7C型号的交流接触器,适用于50Hz或者60Hz,电压至高660V,电流最高95A的电路中,性能足够适用于S7-1200的硬件连接要求。可以频繁启动和暂停电路的通断来控制电机的转动,满足焊接机器人运动在示教阶段需要经常性启停和正反转电机的要求,也能通过脉冲的大小来控制电机的实时转速,实现较高精度的定位要求。4.6.5 控制柜的选择机器人控制柜是目前大多数机器人自动控制的关键组件,它是专为机器人运动控制而设计开发的控制器,适配目前市场上各种品牌和型号的机器人。本次设计的自动焊接机器人选用的主要控制系统为西门子的PLC控制,在能和西门子PLC适配的控制柜中选择,可以选用ABB的IRC5型号的机器人控制柜。该控制柜功能齐全,通讯接口足够,能完成各个动作的控制,并且可以实现机器人的远程操纵,能够达到焊接机器人的控制精度和定位精度要求,在目前的市场中价格合适,性价比很高。5 软件系统设计5 软件系统设计5 Software system design5.1 博途软件介绍(Introduction of Botu Software)TIA博途是基于Windows的专用于西门子PLC编程的软件,其中配套的WinCC软件适用于西门子PLC建立的控制工程的仿真运行,组态连接HMI可以绘制人机操作界面,将界面内的图案与PLC程序的地址相匹配则完成了人机交互界面的设置,直接点击绘制的控制按钮便可直接启动工程程序。博途编程方式同样是使用梯形图编译,在确定要实现的自动化控制工程后,绘制顺序控制的基本流程,再对各流程单元进行输入输出地址分配,适当使用中间位避免系统预设地址冲突,之后便可以创建项目和连接设备组态,按照之前绘制的流程图和地址进行梯形图编写。编写完毕后可以在博图软件中打开监视模式进行编译,通过检查各开关的接通与断流和各输出端口的接通状态判断所写程序是否符合之前的自动控制流程图,如果搜寻设备WinCC 进行连接便可进行仿真模拟。博途软件的学习成本低下且上手简单,也是大多数工厂在PLC控制中的右限选择项。博途功能强大,在连接设备组态时会系统生成与该硬件设备对应的模拟系统,该模拟系统与实际硬件在型号,版本与功能上完全一致,在赋予该模块对应的参数后便可实际仿真,极大地缩短设计师与工控现场的距离感,能更真实的把控工况现场的状况。5.2 PLC控制程序(PLC control program)5.2.1主程序PLC主程序是实现焊接机器人的总启停和急停控制和机器人控制模式的切换。机器人启动控制为开关I1.0闭合机器人启动,系统通电,之后调用复位子程序,检测机器人是否在原点位置,否则故障指示灯Q1.0闪烁直至焊接机器人复位。急停控制为按下常闭开关I1.2,所有触点断开电机断电急停,机器人停止运动,故障指示灯Q1.0常亮。停止控制为在调试机器人的运动过程中按下常闭开关I1.1,使正在控制运转的电机刹车,机器人停止运动,故障指示灯Q1.0闪烁。控制模式切换是用于示教模式和再现模式的使用,即按下开关I0.6机器人进入示教模式,之后调用各电机控制的子程序对机器人进行控制和定位。按下I0.7则进入再现模式,调用再现子程序实现机器人的自动焊接。5.2.2子程序PLC的各个子程序为3类,电机控制子程序,复位子程序,焊枪控制子程序。复位子程序是利用各电机的传感器反馈位置信号确定转动角度,当转动角度为0时机器人处于原点位置。在机器人启动时,检测各电机的传感器信号,控制转动角度非零的电机回转到0,即为机器人的复位动作。电机控制子程序是通过PLC与电机驱动器连接通信,PLC输出信号控制电机的转速和转向实现机器人各部位的动作。本次设计采用的为伺服电机和步进电机驱动。PLC输出端口Q0.5连接伺服驱动器的X2通信接口,输出拓展模块SM1222的Q0.6和Q1.6分别为电机转速控制和转向控制信号输出端,连接驱动器的X4控制接口,X5接外部传感器,X3接PLC的故障报警输入端I1.5。PLC与步进电机的通信连接为Q0.0至Q0.4连接步进电机驱动器的free使能信号端口,输出拓展模块SM1222的Q0.0至Q0.5和Q1.0至Q1.5为电机转速控制和转向控制信号输出端,分别连接驱动器的脉冲信号端和方向信号端,驱动器的故障信号端连接PLC的故障报警输入端I1.5。焊枪控制子程序是在进入再现模式后,在确认焊接路径无误后启动焊接系统,进行焊接工作。5.3 HMI触摸屏(HMI touch screen)HMI触摸屏是PLC适配的自动控制触摸屏产品,能够实现人工实操自动控制的工作情况与启停状态,由系统工程师将控制系统各个操纵按键与界面上的按钮进行地址匹配,其主要作用是实现运营商对自动化工程系统的交互和控制,简洁的控制画面能将PLC内部复杂的信息转换与流通直观的表现出来,极大地降低了PLC自动化控制的实际使用难度,又基于PLC的低故障率,故在工业自动化领域广泛使用。HMI触摸屏能与西门子PLC直接通讯,在触摸屏上将控制面板绘制好后,将各个绘制的按钮开关与程序中的地址或者中间位建立连接,并设置需要的动画效果,便能直观的了解PLC程序的运行情况。6结论与展望6 结论与展望6 Conclusion and Prospect6.1 安全性与经济性分析(Safety and economic analysis)6.1.1经济性分析本次设计的自动焊接机器人选用材料常见耐用型,在保证各部件强度的前提下也能达到正常的使用寿命要求,驱动器采用一台伺服电机和5台小型的步进电机驱动,符合机器人较慢的运动速度,具有很高的性价比。控制方面选用西门子的S7-1200系列PLC,是工业上常见的控制器,非常适合用于机器人的控制,并且PLC的价格不高,适用范围广,可控性高,程序编写和仿真都能在Windows上进行,还能够通过触摸屏进行远程控制,符合本次设计的经济理念。6.1.2安全性分析焊接机器人整机高约1.6m,臂展约1.5m,机座旋转范围不超过240可以划分出机器人的工作区域。焊枪上装有防碰撞传感器,PLC具有稳定快速的响应,在模拟的线路中可以避免出现意外。在控制系统中也设置了停止与急停按钮,在机器人动作过程中出现意外也能及时停机。6.2 总结(Conclusion)本次设计完成了一个焊接用工业机械臂的机械结构设计,对个关节部位的动力传递和驱动方式进行了简单的选型和设计,选用了PLC和ABB机器人控制柜作为机器人控制系统,采用示教控制器对机械臂进行示教和再现操作。整个系统可分为四部分,PLC和ABB机器人控制柜组成的控制系统,机器人本体,焊枪与送丝机构,人机交互界面。操纵人员通过外部控制器实现与机器人控制柜和PLC的通讯,实现远程控制焊接机器人的运动,运用示教控制器可以对工件的焊接工艺进行预设置,确定好机械臂的动作,调整焊枪与工件的距离以保证焊缝的质量,保存模拟运行的焊接动作,实现机器人的自动焊接工序,完成对工件的焊接工作。在焊接机器人的设计过程中,学习查阅了机械臂、模块化设计、PLC控制,传感器技术,机器人控制系统,焊接工作站等等大量文献资料,思考了如何选用最佳方式连接各个模块,在满足强度和刚度要求的情况下要如何保证机械臂的平衡与快速响应等等,学到了很多,也让我认识到自己的只
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