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焊缝 质量 检测 机器人 设计

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焊缝质量检测机器人摘 要焊缝广泛的存在于各种机械构件中，焊接质量对机械装备的力学性能影响很大。而且多数焊接结构都是在整体设计中比较关键的，一旦损坏会造成很大的经济损失。当前焊缝检测量大，人工检测效率低、结果可准塑性差。单纯用人工检查的方式不但达不到检验周期与质量的要求，可能还会对检测人员意外伤害。针对以上问题，本次设计将设计一个焊缝质量检测机器人。该机器人可以检测水平面和竖直面的各种焊缝，通用性比较高。总体硬件包括传送装置、固定装置、上下料机构，PLC1200，ABB IRC5控制柜和工业机器人本体。编程软件主要采用TIA Portal V13SP1编写程序控制信号输入，使用RoboDK进行机器人运动仿真和程序生成。本系统的预期目标是：能够基本实现对工件的焊缝自动检测，要求机器人有一定的精度，整体效率比较高。 关键词：工业机器人；焊缝质量检测AbstractThe welding seam widely exists in various mechanical components, and the welding quality has a great influence on the mechanical properties of mechanical equipment. And most of the welding structures are more critical in the overall design, once damaged, it will cause great economic losses. At present, the amount of weld detection is large, the efficiency of manual detection is low, and the result is poor in quasi plasticity. Manual inspection alone can not meet the requirements of inspection cycle and quality, and may also cause accidental injury to inspectors.In view of the above problems, this design will design a welding quality inspection robot. The robot can detect all kinds of welds in the horizontal and vertical planes, and has high universality. The overall hardware includes conveyor, fixed device, loading and unloading mechanism, plc1200, abb irc5 control cabinet and industrial robot body. The programming software mainly uses TIA portal v13sp1 to program control signal input, and robodk to simulate robot motion and generate program.The expected goal of this system is: it can basically realize the automatic detection of the welding seam of the workpiece, which requires the robot to have certain accuracy and high overall efficiency.There are 37 papers, 6 tables and 28 references. Keywords: Industrial robot; weld quality inspection目 录摘要I目录III1绪论11.1研究背景及研究意义11.2国内外研究现状12焊缝质量检测机器人整体方案设计32.1被检测件的说明32.2机械系统总体设计42.3控制系统总体设计62.4系统可靠性、经济性、安全性、绿色环保性分析63 焊缝质量检测机器人机械结构设计计算73.1传动方案设计73.2机器人各自由度机构设计103.3电机与减速器的选择163.4 传动齿轮和涡轮的设计与校核213.5轴的校核253.6轴承的校核273.7螺栓强度校核283.8键的强度校核294传送机构与固定机构的机械设计294.1传送机构的设计294.2固定机构的设计315控制部分设计335.1plc型号的选择335.2机器人控制柜的选择335.3机器人控制部分的原理345.4固定装置与传送装置控制说明366机器人简易仿真397结论41参考文献42翻译部分5653ContentsAbatractIContentsIII1 Introduction11.1 Research background and significance11.2 Research status at home and abroad12 The overall scheme design of the robot for weld quality inspection32.1 Description of tested parts32.2 Overall Design of Mechanical System42.3 General design of control system62.4 Analysis of System Reliability, Economy, Safety and Green Environment Protection63 Mechanical structure design and calculation of weld quality inspection robot73.1 Design of transmission scheme73.2 The design of robots freedom mechanism103.3 Selection of motor and reducer163.4 Design and check of transmission gear and turbine213.5 Screw strength check253.6 Check of bearing273.7 Screw strength check283.8 Flat Bond Strength Checking294 Mechanical design of transmission mechanism and fixed mechanism294.1 Design of transmission mechanism294.2 Design of fixed mechanism315 Control part design335.1 Selection of robot control cabinet335.2 Selection of robot control cabinet335.3 Principle of robot control part345.4 Control instructions for fixtures and conveyors366 System Debugging and Programming397 Conclusion41References422 The overall scheme design of the robot for weld quality inspection1绪论1 Introduction1.1研究背景及研究意义(Research background and significance)焊缝广泛的存在于各种机械构件中，焊接质量对机械装备的力学性能影响很大。而且多数焊接结构都是在整体设计中比较关键的，一旦损坏会造成很大的经济损失。当前焊缝检测量大，人工检测效率低、结果可准塑性差。单纯用人工检查的方式不但达不到检验周期与质量的要求，可能还会对检测人员意外伤害。所以迫切地需要设计出自动检测焊缝质量的机构。而随着工业自动化的发展，机器人相对于人而言优势越来越大，速度快，操作精准1 2。所以，尝试将焊缝质量检测和工业机器人实现有机结合，让机器取代人工是实现焊缝高速高效检测的可靠办法。以山东矿机为例，该公司成产的液压支架焊件数量多焊缝较为复杂，而人工检测效率低下，无法做到全部检测，只能抽检，产品质量就有了很大的不确定性。焊缝质量检测机器人就可以做到又好又快地检测焊缝质量，对于实际生产是有很大意义的。1.2国内外研究现状(Research status at home and abroad)首先需要明确的是，国内目前在检测机器人方面是比不上国外的。虽然我国近年来在这方面进步明显，但和国外还是有一些差距。首先焊接和检测的生产线是比较割裂的，随焊随测还是比较少的，其次不同地区不同企业的技术水平发展的也不平衡，相当一部分的企业焊缝检测还是以手工检测为主，自动化程度很低。而且很多企业的管理水平不够，有些企业有比较好的检测流水线，但是利用率不高，没能很好的使用。我觉得主要原因还是中国人口多，劳动力成本比较低，用人工检测的方式反而还比自动化流水线检测焊缝质量成本更加低廉。但是我觉得随着技术的不断发展以及人力成本的提升，会倒逼这些企业去研发或者使用自动检测焊缝的机构，也不一定是机器人，也可能是一些半自动化的设备3。国外在1970年代初期，超声波涡流探测机构被开发出来，1980年代中期，远程地区的在线管线检测被应用于工程。1990年代，出现了多种智能检测机器人，形成了机器人检测的新时代和一系列技术检测机器人和商业市场。比如东京燃气株式会社开发的蜘蛛机器人具有使用16个超声波探测针检测焊接探头，并在球面壳体板上寻求任意点坐标位置的功能。日本钢管株式会社开发出检测石油管线腐蚀的机器人。机器人借助液流推力在管道内前进，通过监测超声波脉冲反射时间来计算腐蚀深度，而且精度很高。丹麦的Force研究所开发出了一系列可移动式攀爬墙壁的机器人，利用磁吸附和预先确定的磁条跟踪，可以找到各种类型的大型箱体焊接。中国的焊接检查机器人的研究从1980年代开始。1987年，哈工大开发了螺杆驱动式管内移动机器人的原型和管道机器人内平面4点支撑的原型，之后又开发了大直径的管内射线探伤机器人。1997年，cnpc第一工程公司开发了甘马射线管道内部爬行器。通过外部遥控器的协助，机器人可以实现诸如前进，后退，静止，光线暴露等一系列检查过程。在技术评估之后，它达到了中国的领先水平。1998年，盘锦无损检测公司开发了应用于苏丹管道建设的zp 3型X射线管爬行。测试表明，抓取操作和维护是简单的，但工作稳定可靠，位置精度符合要求，照片质量符合标准，它是一些主要检测管道部分从中国西部向东燃气传输的装置。然而，在中国，管道机器人的研究还处于以进口X射线装置和检测装置为中心的实验阶段。X射线检查的主要界限是裂缝检测和裂缝尺寸。裂纹检测（特别是厚肉焊接裂纹）中，超声波的可靠性不高。1960年代超声波检查开始用于焊接检查。超声波可以用来检测水平面和垂直面的缺陷，同时可以测得缺陷的尺寸等信息。超声波检测的灵敏度比较高，甚至可以检测到微小焊缝4。1980年代以前，主要使用手动检测A型脉冲反射超声波探伤器。1980年代出现了数字a型脉冲反射缺陷检测器。在技术上，这是实现能够累积和打印反射波的数字脉冲显示器的一步。目前，该技术已被改良为全自动超声波探伤器，可以实时检测和保存缺陷检测数据，并逐步采用了完全彩色扫描图像打印和刻录cd数据的流程阵列技术5。全自动超声波探伤检测器采用A扫描、B扫描和T 0 FD（飞行时间衍射）三种方法来实现缺陷图像的彩色显示。2焊缝质量检测机器人整体方案设计2 The overall scheme design of the robot for weld quality inspection虽然毕设题目为焊缝质量检测机器人，但设计任然需要涉及一些必要的其他部分作为对设计的补充。综合考虑后，具体设计机器人本体部分以及末端执行器，对于固定机构与传送机构选型为主，辅以必要的校核。而上下料机构与机器人本体的设计重合了，所以就不做说明。机器人本体，即机械部分的设计，参考了很多大型工业机器人公司产品的结构，从而进行合理拼接与整体修改。于是得出了具体的参数，从而实现电机与减速器的合理选型。最后设计了整体的控制部分，详细说明了一个工件是怎么自动完成检测的。设计时不仅考虑了实际需求，还综合考虑了经济性可行性与环境友好性。而对于机器人程序的编写，主要是依靠了现有的仿真软件robodk自动生成的。至于plc部分接口的说明也在附录中有所呈现。2.1被检测件的说明(Description of tested parts)被检测件在设计要求中没有说明，所以选择了液压支架中的连杆件6 7 8。主要考虑带液压支架中焊缝结构多，而且很复杂，有水平面有垂直面，焊缝类型也很多，比较具有代表性。但是考虑带被检测件太重会影响传送带的运行，所以选择了液压支架中的连杆件。而连杆，可以简单的理解为是一个箱体，结构稍微简单一些，测量时也是对不同部分分别按照步骤测量的，重量不算大。图2-1液压支架连杆件工业流程图Fig. 2-1 industrial flow chart of hydraulic support connecting rod所以，综合考虑后，我选择对与第一道工序检测，即，检测主筋板与隔板之间的焊缝。可以把模型整体抽象为水平面的直焊缝与竖直面的弧边焊缝。这样焊缝比较复杂，也就可以用到多自由度机器人，从而满足工作量要求。被检测件模型如下所示。图2-2被检测件三维模型Fig. 2-2 3D model of inspected parts2.2机械系统总体设计(Overall design of mechanical system)对工业机器人进行设计，首先要明确机器人要完成什么样的动作，末端执行器的大致运动曲线，以及机器人要不要求有较高的精度较大的负载等等。然后就可以确定一些最基本的参数，比如自由度，自由度越大机械臂就越灵活，当然随之而来也会导致机械臂成本的增加，所以一般而言能用少自由度就尽量不用多自由度机器人。活动空间即工作空间也要确定，一般而言通过调整连杆或者大小臂的长度以及各个关节转动的角度就可以调整工作空间。当然也和前三个自由度选取的形式有关系。直角坐标系机器人，结构简单、直观性强、定位精度高但是机体空间大，灵活性差。圆柱坐标型机器人，工作空间为圆柱形、机体体积小且精度较高。球坐标型机器人工作空间大，结构紧凑但是比较复杂。关节式机器人工作空间大，结构紧凑、通用性强。还有就是要考虑定位精度和重复定位精度，定位精度就是机械臂理论上要达到的空间位置与实际上到达的位置之间的偏差，重复定位精度就是其他条件相同的情况下机器人运动很多次所到达空间位置的离散程度。一般来说，精度和机械臂的结构、整体的刚度以及电机编码器的精度等等都有关系，在要求不高的情况下可以不用太考虑。本系统中工业机器人的用途是检测焊缝质量。要求机器人能够检测垂直面和水平面的不同形状的焊缝。由于检测方式是超声相控阵，只要正对于焊缝，像个一段距离检测就可以，不要求特别高的定位精度。而对于垂直面的焊缝，机器人在手腕和夹具之间设有力矩传感器，可以调节末端执行器的相关运动。总体而言，系统需要一定的复现精度，要求运行平稳。根据实际生产经验，以及对末端执行器也就是夹具的调整，本次设计的焊缝质量检测机器人采用关节式。为串联式5轴机器人，结构紧凑而且灵活度高9-12。根据实际要求，确定焊缝质量检测机器人的主要设计参数值。表2-1焊缝质量检测机器人具体参数Table 2-1 Specific parameters of weld quality inspection robot参数数值自由度5最大活动半径808mm预设负载3Kg重复定位精度0.08mm关节变量范围J1 +108/ -108J2 +78/ -78J3 +138/ -58J4 +180/ -180J5 +118/ -118关节最高转速J1 120/SJ2 120/SJ3 140/SJ4 180/SJ5 180/S经过以上分析，确定了工业机器人的结构类型及主要技术参数，则可以确定工业机器人的大致结构，结构原理图2-1所示。其中，圆代表关节自由度，菱形代表旋转自由度。图2-3焊缝质量检测机器人结构原理图Figure 2-3 Structural schematic diagram of weld quality inspection robot2.3控制系统总体设计(General design of control system)ABB IRC5 Compact控制柜，即ABB第五代控制模块，有很高的控制精度以及多样化的功能，几乎支持的现有的所有通讯方式，配适性很高，也可以直接控制工业机器人。并且ABB第五代控制模块拥有多个IO接口，可以与外围设备，比如plc或者电机的编码器进行通讯，这也是它对工业机器人的空间运动轨迹惊醒规划的首要条件。总体来说，工业机器由机械、驱动、控制等部分组成，需要由控制部分控制驱动，进一步控制机器人本体，来实现各种运动。而机器人的控制一般都是选择plc。而S7-1200结构紧凑，功能完善，所以选择1200作为机器人系统的总控制器，再选取机器人专用的控制柜来实现plc和机器人的通信与控制。2.4系统可靠性、经济性、安全性、绿色环保性分析(Analysis of system reliability, economy, safety and environmental protection)可靠性：机械部分主要采用1060铝合金铸造，保证强度的情况下，减轻系统重量。因此，该系统有很好的可靠性。在设计和计算中，选择了各轴最危险的工作条件作为计算数据，而且也考虑到突发事件，溜了很大的余量。然后，为了确保系统的安全性，对转轴、轴承等都进行了检测，确保设计是合理的。因此，可靠性可以。经济性：本设计并没有每个自由度都选取精密减速器，而是尽可能选取便宜的蜗轮蜗杆减速与齿轮减速。而且也通过对末端执行器的调整，在可以完成对水平面垂直面焊缝以及直面与弧面焊缝检测的基础上尽可能少的设计自由度。因此也是设计了五自由度的机械臂，而不是无脑选择6自由度。而在控制方面，由于对精度还是有一定需求的，所以选择了ABB第五代的控制柜，这是必不可少的，如果选择便宜的替代平会对整体性能造成影响。PLC不仅仅控制了机械臂本体，而且还通过拓展模块控制了传送机构与固定机构，因此PLC的选择也算是很合理的。安全性：ABB第五代控制模块拥有防碰撞算法，当机械臂末端执行器运行中碰到障碍或者说外在环境对它惊醒干扰之后，他可以及时的做出调整，从而提高系统的安全性。并且在robodk的仿真中，对于预设的控制轨迹，可以进行模拟，如果有碰撞或者说机械臂过线问题可以及时调整，防止在实际过程中出现问题。并且整体而言系统肯定要设置急停按钮，当系统出现问题了可以按下，终止整个检测环节。绿色环保型分析：整体而言供电是交流电，而且用的是交流伺服电机，传动动平稳，噪声小，所以环保型不错。 3焊缝质量检测机器人机械结构设计计算3 焊缝质量检测机器人机械结构设计计算3 Mechanical structure design and calculation of weld quality inspection robot在设计机器人大体的结构时，主要确定需要几个自由度，每个关节是转动还是俯仰或者是直线运动，然后确定材料和臂长等重要参数，并考虑零件的安装顺序、机器人的走线等因素。在选择电机和减速器时，可以先按照机器人每个轴最危险的姿态来选取，然后再根据实际情况来作一定的调整，然后再根据总体的设计确定电机的安装方式，比如可以埋在手臂中，或者放在手臂最末端充当配重块。最后设计配套使用的零件，比如电机安装法兰或者支架，就可以完成结构整体的设计。同时也要考虑电机和减速器自身的重量，这也会影响机器人其他机构的设计与校核。在该系统中，首先绘制了工业机器人的三维模型，并粗略的先选定了各部分的材料然后使用solidworks自带的质量评价功能就可以直接得出质量、惯性力矩及其他信息。当然，考虑到摩擦转矩等，必须设定一个安全系数，这样就可更好地满足适用条件。其实，最主要就是先确定每个自由度大概是怎么实现地，然后对每个自由度进行设计与校核，比如设计齿轮还有蜗轮蜗杆地具体参数，以及轴本身地弯扭距校核，轴系零件比如轴承也要校核。校核不成功就反过来再重新设计。当然，论文正文就只把最后校核成功地阐述出来。一般设计都是从末端执行器开始设计，最后设计底座，但是装配的时候都是从下面往上装配，否则会出现三维软件力模型动不了的情况，到时候仿真也不好弄。3.1传动方案设计(Transmission scheme design)在设计传动方案之前先要确定机械臂各个关节的驱动方式的选择，考虑到远距离传动会产生额外的间隙，大大影响机器人的精度，而且降低传动效率增加能量消耗，更重要的是，这会使机械臂整体结构庞大，让传动系统占据机器人其它子系统的空间，所以选择所有的电机都采用直接连接传动，这样结构会比较紧凑，而且选取的电机不算重，电机随机械臂一起转动产生的惯量与扭矩整体而言可以忽略。而在直接驱动和间接驱动的选择上，考虑到如果选取直接驱动的方式，首先载荷变化、耦合转矩及非线性转矩对驱动控制影响显著，控制系统设计难度大；而且对位置和速度的传感元件的要求高，传动精度为带减速装置（速比K）间接驱动的K倍以上。电机开发难度大、成本高，需要开发转矩/体积比、转矩/重量比小的小型实用电机。但是直接驱动所带来的优点，比如电机响应快，调速范围宽，机械传动精度高对于本设计的焊缝质量检测机器人是用不上的。而采用间接传动，一方面可以把对电机精度的要求分摊到减速器上，而且也可以减速增扭，这样在大臂和底座处就可以用功率更小的电机。所以整体都采用间接传动。3.1.1第1自由度传动方案设计图3-1第1自由度传动简图Fig. 3-1 Transmission diagram of the first degree of freedom第一个自由度为机械臂底座带动整个机械臂的旋转，采用蜗轮蜗杆减速的方式，电机将动力和扭矩传递给蜗杆轴，而蜗杆和涡轮垂直布置，蜗杆就带动竖直布置的涡轮旋转，涡轮就会带动整个涡轮轴系以及与涡轮轴通过螺栓连接的大臂座以及整个机械臂旋转，如此实现机器人的第一个自由度。之所以选择选择涡轮蜗杆的减速方式，是因为考虑到蜗轮蜗杆机构经常用来传递两交错轴之间的运动和动力。而且蜗轮蜗杆传动除了传动比大、结构紧凑、传动平稳无噪音、具有自锁性等优点外，在本设计中蜗轮蜗杆传动还可以代替减速器实现减速的功能。3.1.2第2自由度传动方案设计图3-2第2自由度传动简图Figure 3-2 Second degree of freedom transmission diagram第二个自由度是实现大臂和底座之间的俯仰，通过大臂座将电机、减速器以及大臂的安装孔同心放置，减速器和大臂之间设计了一个安装法兰，通过平键将减速器和大臂连接在一起，这样减速器输出轴转动就可以带动大臂转动。由于已经使用了减速器，就没有再设计齿轮减速等，这样的结构也很简洁明了，使得结构紧凑。3.1.3第3自由度传动方案设计图3-3第3自由度传动简图Figure 3-3 Third degree of freedom transmission diagram第三个自由度是实现大臂和小臂的俯仰，其中电机和减速器是通过电机安装架埋在大臂里面的，电机带动锥齿轮旋转，通过垂直布置的一对锥齿轮将动力和运动传递到水平放置的传动半轴上，半轴和大臂是通过螺栓连接的，这样就可以实现大臂和小臂之间的相对转动。3.1.4第4、5关节传动方案设计图3-4第4、5自由度传动简图Figure 3-4 transmission diagram of the 4th and 5th degrees of freedom第四自由度为小臂的旋转，第五自由度为手腕和小臂之间的俯仰。如图3-4所示，J4从动齿轮和J5从动齿轮是放在两根同心的空心轴上的，J4电机驱动J4主动齿轮转动，带动J4从动齿轮转动，从而使小臂外轴转动，即小臂转动。同理，J5电机则通过齿轮啮合驱动J5从动轮，带动小臂内轴转动，而小臂内轴前端有一对锥齿轮，锥齿轮都是在手腕的后半部分箱体中，手腕后半部分是和小臂固定住的，所以J4可以认为是小臂的转动也可以认为是手腕的转动。而图上锥齿轮的那根竖直的轴，它末端和手腕前半部分是用螺栓连接的，这样锥齿轮啮合传动，就实现了手腕前半部分和后半部分的相对转动，而前半部分又是和小臂固定的，所以相当于实现了手腕和小臂的俯仰。3.2机器人各自由度机构设计(The design of robots freedom mechanism)选择用solidworks画出机器人的三维模型，因为sw比较简单，而且功能也比较齐全。在完成三维模型后，可从三维生成工程图，虽然转出来问题很多，但起码给了一个大的框架，往里完善细节就可以，降低了图纸绘画所需的周期。因此，本次设计采用solidworks对焊缝质量检测机器人的主体结构设计，我是把整体拆分成主要的五个部分，即底座、大臂、小臂、手腕以及末端执行器，然后把五部分合在一起完成设计。3.2.1底座设计如图3-5所示，底座实现机械臂整体的转动，由底盘、涡轮箱、电机、蜗杆轴、轴承、蜗杆安装法兰、涡轮轴、一对密封圈、上下法兰端盖、一对轴承套筒、涡轮组成。其中，蜗杆轴一端开孔，利用键槽和电机输出轴连接，另一端依靠轴承的支撑确定蜗杆轴和涡轮箱的相对位置。轴承由蜗杆轴的轴肩与法兰的箱体凹槽实现轴向定位。至于涡轮轴，涡轮由键实现周向定位，由轴肩和套筒实现轴向定位，上轴承由上法兰凹槽和轴肩进行轴向定位，下轴承由下法兰凹槽和套筒实现轴向定位。涡轮轴就由上下两个法兰以及一对轴承实现与涡轮箱的相对位置的确定。上下都安装了密封圈，防止灰尘等进入。图3-5底座爆炸视图Figure 3-5 Base explosion view其中，底座是用来支撑机器人所有部件的，空间上处在工业机器人的最下面，是通过地脚螺栓固定在地面上的，不移动，只起到承受整个机器人重量的作用。所以不管是最下面的底座还是涡轮箱，都会受到很大的力，同时这个底座的设计不算在转动惯量里面，不影响机器人总体强度刚度，也不影响机器人的轻量化设计，所以就不用比较贵的铝合金，采用高强度的45钢，加工方式就用铸造和焊接。底座和涡轮箱的壁厚设置的大了一点，避免校核不过。图3-6底座安装图Figure 3-6 Base installation drawing3.2.2 大臂设计如图3-7所示，大臂可以分为上半部分和下半部分，其中，上半部分实现小臂和大臂之间的相对转动，由小臂座、轴芯、轴承、一对锥齿轮、轴端挡圈、阶梯轴、电机、减速器以及电机安装支架组成。轴承由小臂座箱体以及轴肩作为轴向定位，锥齿轮由轴肩以及轴端挡圈作为轴向定位，键作为周向定位。小臂座和轴芯与阶梯轴都是通过螺栓固定的。电机和减速器竖直放置，通过电机安装支架与大臂外壳固定在一起。至于大臂的下半部分实现大臂和底座的相对转动，主要由电机、电机安装法兰、减速器、减速器连接法兰、大臂座、单个轴承以及轴心组成。其中减速器安装法兰用来连接减速器和大臂，中间通过平键连接。由于轴向零件的相对距离是固定的，所以不用考虑轴向定位，都是互相卡住的。另一端简单的用一个轴芯和一个轴承保证整体可以旋转。轴承一端由大臂座一端由轴心的轴肩作为轴向定位。图3-7大臂爆炸图Figure 3-7 Boom exploded view of big arm第二自由度关节，即腰部关节，可以算是机器人负载比较大的关节，通过螺栓将大臂座和底座的蜗杆轴连接起来，实现大臂与底座的安装，它的安装稳定性直接影响末端执行器的精度。为了减轻大臂质量的同时还能保持一定的强度与刚度，主体结构采用铝合金，这样也可以减缓底座的压力。大臂主体结构采用抽壳处理，壁厚为10mm，由于机器人整体负载比较小，所以大臂外壳没有设计加强筋版。需要说明的是，由于考虑到承重，大臂下半部分的尺寸是远大于上半部分的，但是这么设计也并不是很突兀。图3-8大臂结构原理图Figure 3-8 Structural schematic diagram of boom而大臂座，也和大臂主体结构是类似的，所以材料也使用铝合金，而且大臂为了便于电机和减速器的安装，还在上半部分开了一个比较大的孔，将电机、减速器以及电机支架用螺栓固定在一起后再和大臂外壳固定住。3.2.3小臂设计小臂的结构较为复杂，由两根同心的轴通过轴承的支撑确定相对位置。并且在小臂前端放置锥齿轮，从而将小臂内轴的动力通过小臂手腕之间垂直布置的一对锥齿轮传递到手腕，实现手腕和小臂的相对转动。小臂的后端有两对圆柱直齿齿轮，都是通过电机带动连接轴和轴上的主动齿轮，把动力传递到小臂轴末端的从动齿轮上，带动小臂的内外轴转动。轴末端是放在齿轮箱里的，齿轮箱和小臂相对位置的固定是依靠一对轴承，一个套筒以及一个法兰完成的，通过轴承卡住小臂和外面的法兰，而法兰又是通过螺栓与齿轮箱连接在一起，这样轴就不回晃动。而且我在法兰前还放了一个法兰，端部安装了密封圈，保证灰尘不会进入齿轮箱内部。图3-9 小臂爆炸图Figure 3-9 Boom exploded view of small arm下图为小臂内外轴的配合示意图，轴承内圈套在内轴外径上，轴承外圈塞进小臂外轴的内径上。以图中左边的轴承为例，左上角由小臂和手腕之间的固定件作轴向固定，右上角由小臂外轴的轴肩定位，这样就确定了小臂内轴和外轴的相对位置。图3-10小臂两根同心圆管爆炸图Figure 3-10 Exploded view of two concentric tubes of small arm私以为总体设计也是比较巧妙的，将电机放在小臂的最后端，这样电机就充当了配重块的作用。而且轴都是比较细，小臂的外轴还是空心的，材料依然是铝合金，轻量化设计的同时保证整体的强度刚度。一般而言，为了实现手腕多自由度，采取空心轴嵌套的形式还是比较普遍的，当然也有其他的形式，但是我觉得这样设计不仅简单直观而且比较经济，如果用同步带或者液压辅助装置就比较昂贵。3.2.4手腕设计手腕主要是末端执行器法兰、前半部分外壳与后半部分外壳组成的。其中，J5的转轴是通过螺栓和手腕前半部分连接在一起，这样一对锥齿轮的啮合传动可以带动J5转轴的转动，从而使得手腕前半部分和后半部分能够实现相对转动。关于J5转轴，两端通过一对轴承的支撑使得转轴和手腕后半部分的空间上的相对位置是固定的，以图上的左边那个轴承为例，由左上角箱体和右下角由轴肩作为轴向固定。轴上的锥齿轮由键槽作为周向固定，由左边的套筒和右边的轴肩对轴上的锥齿轮进行周向固定。图3-11腕部爆炸图 Figure 3-11 Wrist exploded view由于J5转轴末端是锥齿轮，需要轴向定位，所以用了止动垫片加圆螺母的轴端定位方式，止动垫片和圆螺母是有大约10mm的厚度，考虑到在腕部轴上的锥齿轮还需要开键槽，所以这一对锥齿轮总体尺寸是比较大的，看上去手腕就比小臂大了很多，但是也没办法。而且，为了手腕轴和手腕前半部分的可靠连接，必须保证手腕轴比较粗，所以从整体结构的角度分析，锥齿轮无法做的很小。随之而来的，手腕后半部分设计的比较厚实，如果前部部分比较薄，仅仅只是为了安装一个法兰和末端执行器就不协调，所以将手腕前半部分的长度也增长了，为了减少重量，将增长的部分抽壳处理，壁厚为10mm。关于手腕的材料，也是使用铝合金，保证强度刚度的同时遵循轻量化设计原则。手腕轴采取空心处理，也是出于减轻重量的考虑。3.2.5末端执行器设计由于本设计的焊缝质量检测机器人需要检测平面的焊缝和弧面的焊缝，所以需要夹住两个相控阵探头，相应的也会对夹具进行对应的调整末端执行器（夹具）是由一根全螺纹的轴，带有滑槽的夹具框架，两块可以拼在一起靠螺栓连接的压块，以及一个平面相控阵探头和一个弧面相控阵探头组成的。其中，螺杆的下端有一圈凸台，可以卡在两块压块掏出的槽之间，实现螺杆和压块的相对位置固定。而两个压块端部都有类似“耳朵”的小凸块，可以卡在夹具框架的滑槽里移动。而且这个滑槽在端部是有一个缩小的过程的，方便把两个左右对称的压块给卡到滑槽里面去。图3-12末端执行器爆炸图Figure 3-12 Exploded view of end actuator这个夹具的设计也是参考了现有夹具后改进的，由于参考的夹具是3d打印制造出来的，所以基本上是一体化的，通过不同的材料打印，就可以很轻松的实现每个零件的分离。但是我处于强度刚度的考虑，还是采用了铝合金。而且，由于是金属钢材，为了能够使压块在没有到达最终位置时不产生窜动，所以只能把压块分成两部分，利用转轴末端一个凸台限制压块的位置。图3-13末端执行器实物参考图Figure 2-1 Physical reference drawing of end actuator最后将各个部分都拼到一起后，机器人的装配体如下图所示：图3-14焊缝质量检测机器人整体视图 Figure 3-14 Overall view of weld quality inspection robot3.3电机与减速器的选择(Selection of motor and reducer)出于经济性的考虑，本设计的机器人一共五个自由度中只有两个自由度，即大臂与小臂的俯仰和底座和大臂的俯仰使用精密减速器，底座旋转用蜗轮蜗杆，小臂旋转和手腕翻转都是用齿轮减速。一般而言，工业机器人由于需要执行重复性高的精密操作，所以使用减速器来减速增扭是很有必要的，而且在负载很大的情况下，不使用减速器而是去一味地增大电机的功率是不划算的。具体到本设计，由于采用的是关节式的机器人，机器人关节减速器就要求具有结构紧凑、功率大和易于控制等特点。所以实际生产中大量应用在关节型机器人上的减速器主要有两类：RV减速器和谐波减速器。谐波减速器主要由柔轮、钢轮、波发生器组成。波发生器根据形状的不同可以分为滚轮式、凸轮式和偏心盘式等。一般将波发生器设为主动，随着波发生器的旋转，迫使柔轮产生弹性变形，变成椭圆形。由于柔轮和钢轮齿数不同，柔轮变成椭圆形之后的长边的齿可以和钢轮啮合，其他部分都够不到钢轮。即，发生器长轴方向，刚轮和柔轮的齿完全啮合；发生器短轴方向，刚轮和柔轮齿完全脱开。而介于长轴和短轴之间的齿，有的将要和钢轮啮合，称为啮入；有的逐渐退出与钢轮的啮合，称为啮出。发生器连续转动，啮入、啮合、啮出、脱开四种情况交替变化，称为错齿运动。这样就使得柔轮向着与波发生器旋转相反的方向运动，波发生器旋转一周，柔轮转过一个齿，这样就实现了大传动比。图3-15谐波减速器Figure 3-25 Harmonic Reducer综合考虑所有的驱动方式，最终在液压气压电机中选择电机驱动，主要就是考虑到电机驱动具有精度高、控制方法灵活、响应速度快、成本低、效率高等优点。而在电机也有很多分类，机器人中用的比较多的就是伺服电机和步进电机。步进电机比较便宜，给一个脉冲就转一个角度，控制非常简单，但是高速运动会有振动与噪声，而且不能对位置有精确的控制。交流伺服电机电机结构简单，控制平滑，基本无震荡，位置控制精度高。所以为了保障机器人运动的准确性，选择交流伺服电机作为驱动元件。图3-16交流伺服电机Figure 3-16 AC servo motor初选完所有的驱动器和减速方式之后，就要进行具体的计算，算出机器人极限情况下需要的转矩，然后就可以综合得出每个自由度减速器的减速比以及所选择电机的具体型号。Solidworks有质量评估功能，在三维软件里选择每个零件的材料，就可以得出对应的质量，然后在装配体里面可以设置回转轴线，这样就可以得出质心的位置以及每个部件的转动惯量，再通过转动惯量的平移公式就可以把前面的转动惯量叠加到后面去。具体过程如下图所示。在选用电机时，要综合考虑所选电机与实际需要的功率、转矩、转动惯量等是否匹配13。由于一共有五根轴，而且计算过程基本重复，所以在这边只作必要的说明，不作具体计算。首先就是要考虑机械臂那根轴在什么情况下受到的转矩和惯量是最大的，比如j5，它是末端执行器和手腕的前半部分绕着手腕后半部的转轴旋转。转动惯量包含两部分，一是整体绕中心的转动惯量，即对中程度越高这部分就越小，另一部分就是转动部分绕转轴的转动惯量。而启动转矩则和整体尺寸与起动加速度有关。J5如下所示图3-17 J5最危险情况Figure 3-17 J5 most dangerous situation然后考虑J4部分，这部分是小臂自身的旋转，由于小臂在设计时是高度对称的，所以最后得出的转动惯量和转矩都比较小。需要注意的是，在计算时，由于齿轮箱和电机等是不转动的，所以这些的质量就不算。图3-18 J4最危险情况Figure 3-18 J4 most dangerous situationJ3部分是小臂和大臂的俯仰，由于小臂大部分的重量集中在后半部分，而且在大臂与小臂的回转中心前后都有质量（电机起到配重块的作用），所以此处的转动惯量依然不大。图3-19 J3最危险情况Figure 3-19 J3 most dangerous situation然后在考虑J2，这是要实现大臂和小臂之间的俯仰，最危险的位置是大臂小臂等都竖起来，图中是将图片横过来了。此处的转动惯量算出来还是比较大的。图3-20 J2最危险情况Figure 3-20 J2 most dangerous situation最后考虑J1，即涡轮轴带动整体的旋转，最危险的位置，即质心离转动轴线最远的位置为大臂小臂是水平放置的，而且与涡轮轴垂直。如下图所示。图3-21 J1最危险情况Figure 3-21 J1most dangerous situation具体的计算计算公式如下所示131）转动惯量计算 设机械臂第 j 个臂杆绕自身中心轴的转动惯量为JGj。根据平行轴定理，可得绕第i 个关节转动轴转动惯量Ji 为：Ji=j=15JGj+mjlj2其中，mj为第 j 个臂杆质量，lj 为第 j 个臂杆重心到转动轴 i 的距离。通过上式可以得到各个臂杆关节处的转动惯量如表 2.3 所示。2）转矩计算 根据设计要求，第i 个关节从初始转速0到转速达到1，所需时间为t ，所以关节i最大转矩为：Ti=Ji*1-0t可计算得到各个关节最大转矩大小，如表 2.3所示。3）电机转速与功率 计算出转矩之后对于关节i 的负载额定功率Pi（kW）为：Pi=Ti*n9550其中，n（r/min）为关节额定转动速度。根据上式可以完成各个关节电机的功率验证工作，所选电机的额定输出功率 P 必须大于等于关节 i 的负载额定功率Pi，即P Pi 。由于还要考虑重力矩和摩擦力矩的影响，设置系数为2，留够足够的余量，防止机械臂出问题。经过计算和校核之后，各个关节的主要参数和选择的电机及减速器的减速比如下所示表3-1各自由度参数与所选电机Table 3-1 Parameters of degrees of freedom and selected motor质量 kg转动惯量 kg/m2转矩 n/m 电机型号减速器传动比J9A6 MSMD100W4J416.50.421.76A6 MSMD100W4.8J327.36.8335.49A6 MSMJ200W120J292.337.36219.2A6MSMJ400W144J1103.238.87221.23A6MSMJ1500W40但是，由于计算时只考虑到机械臂最危险的情况，综合实际情况考虑后，将部分电机的功率调小。则选取的伺服电机如下所示。表3-2所选伺服电机参数表Table 3-5 Selected Servo Motor Parameters Table关节伺服电机型号额定转矩N/m最大转矩N/m额定转速r/min质量/Kg功率/W制动器旋转编码器J1松下A6 MHMF750W2.396.3230001.70400有20位增量式编码器J2松下A6MHMF400W1.303.801.70400J3松下A6M200W0.641.911.3200J4松下A6MHMF100W0.320.950.68100J5松下A6 MHMF100W0.320.950.68100表3-3所选谐波减速器参数Table 3-6 Selected harmonic reducer parameters关节减速器型号额定转矩N/m瞬间允许最大转矩Nm起停允许最大转矩Nm减速比允许平均输入转速r/min质量/KgJ3LCS-20-80-C-3212170801.38而J2选择的时rv减速器，两级传动，每一级传动比都是12，所以减速比为144。3.4 传动齿轮和涡轮的设计与校核(Design and check of transmission gear and turbine)3.4.1齿轮的设计与校核 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数由于齿轮传动一共有两对，只取一对详细说明。根据传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动，压力角取为=20，初选螺旋角=14，精度等级为7级，传动比定为4。选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS。选小齿轮齿数Z1=20，则大齿轮齿数Z2=Z1i=204=80。按齿面接触疲劳强度设计1.由式 d1t32KHtTdu+1uZHZEZZH2 可以计算得出小齿轮的直径。 (1)确定具体参数 a.试选kHt=1.3，初选压力角为20度，螺旋角为14度 b.计算小齿轮传递的扭矩:T=9.55106Pn=9.551060.23000=636.67Nmm c.由教材的图表选取齿宽系数d=1，区域系数ZH=2.46，弹性影响系数ZE=189.8MPa。d.计算接触疲劳强度用重合度系数Z。 a1=arccosz1cosz1+2han*=arccos20cos2020+21=31.32a2=arccosz2cosz2+2han*=arccos80cos2080+21=23.54=z1tana1-tan+z2tanat2-tan2=20tan31.32-tan20+80tan23.54-tan202=1.691Z=4-3=4-1.6913=0.877 e.计算接触疲劳许用应力H 查得小齿轮和大齿轮的接触疲劳极限分别为Hlim1=600Mpa，Hlim2=550Mpa计算应力循环次数： NL1=60njLh=6030001330010=1.62109NL2=NL1u=1.6210940/18=7.29108查取接触疲劳系数KHN1=0.95，KHN2=0.99 取失效概率为1%，安全系数S=1，得H1=Hlim1KHN1SH=6000.951=570MPaH2=Hlim2KHN2SH=5500.991=545MPa 取H1和H2中较小者作为该齿轮副的接触疲劳许用应力，即H=545MPa (2)试算小齿轮分度圆直径d1t32KHtTdu+1uZHZEZH2=321.3636.6714+142.46189.80.9375942=10.302mm 2.调整小齿轮分度圆直径 (1)计算实际载荷系数前的数据准备。 a.圆周速度v=d1tn601000=10.3023000601000=1.618m/s b.齿宽bb=dd1t=110.302=10.302mm (2)计算实际载荷系数KH a.查得使用系数KA=1.25 b.根据v=1.618m/s、7级精度，查得动载系数Kv=1.03 c.齿轮的圆周力。Ft=2Td1=2636.6710.302=123.6NKAFt/b=1.25123.6/10.302=15.0N/mm0.68，Pr=0.41Fr+0.87Fa 轴承基本额定动载荷Cr=11.2kN，额定静载荷C0r=7.05kN，轴承采用正装。 要求寿命为Lh=8000h。 由前面的计算已知轴水平和垂直面的支反力，则可以计算得到合成支反力：Fr1=Fv12+FH12=1212+5102=524NFr2=FV22+FH22=4652+12202=1306NFd1=0.68Fr1=0.68524=356NFd2=0.68Fr2=0.681306=888N 由前面计算可知轴向力Fae=-136N 由计算可知，轴承2被“压紧”，轴承1被“放松”。Fa1=Fd1=356NFa2=Fd1-Fae=492NFa1Fr1=0.68Fa2Fr2=0.48 查表得X1=1，Y1=0，X2=1，Y2=0 查表可知ft=1，fp=1.2Pr1=X1Fr1+Y1Fa1=1524+0356=524NPr2=X2Fr2+Y2Fa2=11306+0492=1306N 取两轴承当量动载荷较大值带入轴承寿命计算公式Lh=10660nftCrfpPr3=202772h38400h 由此可知该轴承的工作寿命足够。3.7螺栓强度校核(Bolt strength check)使用螺栓性能等级为4.6，公称抗拉强度B=400MPa，屈服强度s=240MPa。工业机器人整体结构中螺栓主要承受剪切应力，剪切应力的来源有两部分，一部分是支撑工业机器人构件自身的重量，另一部分是承受工业机器人启动和停止时产生的惯性力矩。螺纹连接件需用剪切应力=sSr其中Sr为螺纹连接安全系数，查机械设计表5-10得Sr=4，代入计算得螺钉的需用剪切应力为： =sSr=2404=60MPa总体上来说，螺钉都是用来作简单的固定的，基本受不到太大的力。受力最大的地方就是J2处连接减速器法兰和大臂之间的螺栓，一共是8个M840的六角头螺栓。螺栓中心到J2转轴中心的距离为50mm，受到的转矩即为J2转矩，T2=219.2 Nm计算剪切应力的计算公式：=F4d2其中，为螺栓所受切应力，为螺栓许用切应力，F为螺栓所受的切切力，d为螺钉的直径。代入公式： F=T18r=219.280.05=548N=F4d2=54840.0082=10.9MPa60MPa所以J2轴螺钉能满足使用要求。3.8键的强度校核(Strength check of key)普通平键连接的强度条件为：p=4000Thldp式中，T为传递的转矩，l为键的工作长度，d为轴的直径，p为许用挤压应力平键的材料选用Q235，承受轻微冲击，则许用应力为120MPa。还是对J2处的减速器法兰与大臂之间的平键校核，尺寸为10850进行校核，将数据代入以上公式得： p=4000T2hld=4000219.285038=57.68MPa120Mpa满足键的使用要求。4传送机构与固定机构的机械设计4 Mechanical design of transmission mechanism and fixed mechanism4.1传送机构的设计(Design of transmission mechanism)传送机构选择为传送带，首先考虑到由于检测和上下料时，需要中止传送带的运动，也就是说传送机构需要频繁启停，就不能使用链传动的方式。而传送对于工件的位置有一定的精度要求，所以综合考虑后选择齿形带。齿形带传动由于是靠啮合原理传动的，带和带轮之间不发生相对滑动，可以严格地保证传动比。最多可以传动几百千瓦的功率，传动效率也很高。首先，粗略地估算所需要的转矩，被检测工件一个几十公斤，按照承载500kg计算，所受重力为五千牛，若皮带的摩擦系数为0.5，则摩擦力为2500N，设计传送带首位两端的滚筒为40mm则摩擦转矩为T=FL=25000.2=500N.m假定传送带运动速度为一米每秒，则滚筒的角速度为5rad/s (1)电机功率估算P=TW=5005=2.5KW(2)确定计算功率假设电机每天运转16h，查得工况系数为1.7，则计算功率为Pca=PKa=2.51.7=4.25kw(3) 选用H型同步带，则其节距Pb=12.700mm，基准带宽19.1mm(075型)(4)选取主动齿轮齿数为41(5)小带轮节圆直径为d1=Z1Pb/=165.82mm(6)大带轮直径由于设置了专门的减速器，所以大带轮齿数为29，节距为12.7mm。(7)中心距07d1+d2a2d1+d2所以范围在232mm到662mm之间，取为600mm(8)同步带带长L=2a+2d1+d2=1720.67mm(9)啮合齿数为一半，即20(10)带的额定功率查得，H型带的基准宽度bs0=76.2mm,许用工作拉力Ta=2100.85N,带单位长度的质量m=0.448kg/mm带的基准额定功率P0=（Ta-mv）v/1000=42.1kw(11)带宽为81.88mm(12)作用在轴上的力1.98KN。需要说明的是，传送带的承载能力与同步带无关，与托辊的数量与尺寸等密切相关。下图为传送带参考图。图中用的是链传动，改为同步带传动基本就是本设计使用的传送装置。图4-1 传送装置示意图Figure 4-1 Conveyor schematic所以对电机选型为交流伺服电机，型号为SM130-150-15，功率2.3kw，扭矩为15N.m。所以还需要选择行星器，第一级和第二级减速比均为20，总的减速比为400，满足整体需求，具体安装如上图所示。4.2固定机构的设计(Design of fixed mechanism)所谓固定机构，就是要实现传送带上的工件被检测时不能有较大的运动，简单地设计为滚珠丝杠的结构，即通过滚珠丝杠的上下运动，工作台施加给工件一个向下的力，增大工件与传送带的摩擦，从而防止机械臂的末端执行器直接推开工件。虽然机械臂是有力矩传感器的，而且在靠近工件时的速度会放缓，但是仍然需要设计固定机构，通过机械部分来减轻控制部分的负担。滚珠丝杠搭载的固定装置质量不超过50kg，最大行程为700mm，选取丝杠两端为固定支撑，两个角接触球轴承背对背安装。由于需要使固定装置按压工件。丝杠最大速度为1000r/min，固定装置最大移速为10m/min，因此导程为10mm。根据计算，滚珠丝杠副选型为FFZD型内循环浮动反向器双螺母垫片预紧滚珠丝杠副，丝杠螺纹部分长度为930mm，支撑距离设为1000mm。临界转速校核nc=9900f22d2Lc2=99004.7320.02341=852r/min符合要求。这部分只作简略说明，即丝杠上安装有两个光电开关，当工件到达指定位置后滚珠丝杠下移，由于工作台的按压装置外层包有弹性材料，比如橡胶。这里的设计是考虑到工件存在公差，在滚珠丝杠精度很高的情况下，如果工件较厚，滚珠丝杠的工作台就会顶在工件上，对滚珠丝杠很大的负载。所以最外层包了一层柔性材料，在能够传递压力的同时，保护滚珠丝杠。5控制部分设计5控制部分设计5 Control part design5.1PLC型号的选择(Selection of PLC model)本质上来说，要控制焊缝质量检测机器人在空间中按照预定的轨迹运动，就是要对电机的编码器控制，只要能够对电机运转时间和运转速度实现精确控制，就可以控制每根转轴转过的角度，从而实现机器人的运动。当然，由于是串联机器人，而且不可避免地，机器人会有诱导运动，所以需要一个强大地控制没模块来实现对机器人地精准控制。本机器人采用PLC 1200作为总控制器，S7-1200型PLC适用四种CPU，其中CPU 1215C型工作存储器100KB，数字量14DI/10DQ，模拟量2AI/2AQ，最多可以拓展8个通讯模块，6个高速脉冲计数器，足够满足机器人的需要，因此CPU类型选择1215C型。图5-1 西门子PLC 1200示意图Figure5-1 Siemens PLC 1200 schematic5.2机器人控制柜的选择(Selection of robot control cabinet)图5-2 ABB IRC5 Compact 控制柜Figure 5-2 ABB IRC5 Compact Control Cabinet由于在毕业实习时使用过发那科的机器人，它没有直接的中断指令，也就是说，如果我要实现当红外传感器感应到传送机构上面的物体已经到了指定的位置然后我机械臂就要带着探头去检测，检测完复位这个功能，只能通过不断查询的方法，当传感器分配的一个端口从0变成1了去执行预设的命令，而abb的控制器可能只要写一两行指令。所以我用abb的控制模块。查询得知IRC5控制柜，也就是abb的第五代机器人控制器。这个控制精度就很高，它可以保证在任何速度下都运行程序，实现末端执行器在空间中轨迹的精确控制。控制柜可以读取示教器内存储程序，并且也可以通过面板与其他设备链接、通讯14-16。使用时，需要用电缆将IRC5与机器人的伺服驱动器连接，从而控制电机的运行状态，同时也可以得到电机的状态反馈。 至于西门子PLC与ABB的通讯连接，首先在编程软件也就是博图中将ABB的GSD文件进行设备的组态，然后设置地址连接，分配端口，最后在插入输入输出点。在之后就是一些调试工作。控制柜的IO接口有4部分，有一个8位数字量输入，两个8位数字量输出，还有一个八位输入用来接0V和24V的电源。实际连接输入时数字量接口第9根线输入0V电压。5.3机器人控制部分的原理(Principle of robot control part)PLC 1200与IRC5控制柜通过串口相互通讯，控制时向控制柜发出一个8位的控制字节，控制柜读取到控制数据后执行控制柜内预先编好的对应程序，实现PLC 1200对工业机器人的控制18-20。PLC 1200同时接收来自控制柜一个4位数的反馈数据，得知当前程序是否已完成，从而要不要调用下一个程序程序。简单说明一下plc和控制柜的连接与端口分配。I0.0-I0.4 接收控制柜当前程序是否运行完毕的信号Q0.0-Q0.7 输出对控制柜内程序的调用信号下图为PLC 1200与IRC5控制连接图5-3控制柜与PLC的连接示意图Figure 5-3 Connection diagram of control cabinet and PLC这里要对上述接线再次作出解释，plc的输出接控制柜的输入这个不难理解，就是plc控制控制模块，然后控制模块控制五个电机，程序是放在控制模块里的，plc决定什么时候调用这些程序。然后控制模块得要对plc有一个反馈，告诉plc当前程序是不是已经执行完成了，完成之后plc才可以下达下一个指令。所以控制器有四个输出口接了plc的输入。Plc的m、n都是接地的，以下为编写程序中控制字节对应的命令表5-1控制柜接受命令对照表Table 5-1 Control cabinet receiving command comparison table控制命令复位暂停继续曲面焊缝检测平面焊缝检测停止十进制表示246161840表5-2 控制柜反馈信息对照表Table 5-2 Control cabinet feedback information comparison table状态字节完成未完成十进制表示12图5-4 机器人部分程序流程图Figure 5-4 Program Flow Chart of PLC5.4固定装置与传送装置控制说明(Control instructions for fixtures and conveyors)在上述的机器人控制中，还需要加入力矩传感器。因为机器人末端执行器并不是在空间中随意运动的，被检测件是刚体。由于被检测件存在公差，传送带的启停也存在误差，不能保证机械臂每一次执行检测命令都可以完美实行检测。很有可能工件没有到达指定位置，那么探头会对着空气检测，也有可能工件超出了预定位置，那么探头强行要到达指定位置会损伤探头。所以要在手腕和末端执行器之间加入力矩传感器，检测探头与工件的接触情况，当力矩到达一定值之后，就把机器人的位置默认为开始检测的位置，然后就可以重新规划预设轨迹，开始执行检测命令。专业地来讲，这就是位置力混合控制，也就是说，机器人在空间运动的轨迹还要受到环境的制约。然后就要说一下整体的控制，由于plc是有拓展模块的，所以拓展出两个模块，一个负责传送机构电机的启停，另一个负责固定机构，即滚珠丝杠的控制。这些都是需要传感器的辅助，准确的来说就是光电开关。现在先按照理想化的情况对整体进行说明，传送机构部分只有一个光电开关，按照传送带的运行方向为前，那么它就安置在检测机器人的前面，当传送带运动时，上面有工件，光电开关检测到工件到了预定的位置，然后给plc指令，让plc控制传送机构停止， 并且在延时几秒后给IRC5发出指令，控制机器人执行预定的检测指令。机器人测完全部焊缝以后，再通过IRC5控制柜给plc一个反馈信号，plc控制传送机构继续运动。图5-5传送带plc控制图Figure 5-5 PLC control diagram of conveyor belt而固定机构，即滚珠丝杠，有两个光电开关，也可以把滚珠丝杠简单的理解为两层的电梯。当传送带停止，要检测工件了，为了防止检测过程中机械臂对工件施加了过大的力导致工件窜动，需要单方向的滚珠丝杠带动柔性的按压器对工件施加一个正压力，使得工件水平方向摩擦增大更加稳定。这两个光电开关用限位开关也可以，但是机械结构有利有弊，限位开关是不太可靠的，人为就可以把它掰开，从而失效，所以采用光电开关。当工件到达，滚珠丝杠就向下运动，触发下面那个光电开关就停止，由于和工件接触的时柔性的材料，所以理论上对滚珠丝杠的反作用力不大，又正好可以有效固定工件。检测完之后，滚珠丝杠上移，触发到上面的光电开关，光电开关给plc发出指令，控制电机停转，丝杠停止运动，等待下一次命令。图5-6 滚珠丝杠plc控制 Figure 5-6 PLC control of ball screw然后对拓展模块的输入输出做出分配I0.0-I0.3 接收三个光电开关的状态Q0.0-Q0.3 控制传送带伺服电机和滚珠丝杠的伺服电机。下图为滚珠丝杠控制流程图图5-7 滚珠丝杠流程图 Figure 5-7 Ball screw flow chart图5-8 传送部分流程图 Figure 5-7 Ball screw flow chart6 机器人简易仿真6机器人简易仿真6 System Debugging and ProgrammingRoboDK是一种常用的机器人离线仿真软件，它最大的特点是操作极其简单。很多种机器人品牌的离线仿真都可以用RoboDK实现。RoboDK离线仿真软件拥有多个功能，包括将工作站导入软件，将机器人导入软件，在软件里面加入参考坐标系，在软件里加入机器人目标点以及在里面编辑机器人运行所需的程序。并且可支持Python进行编程、生成相应品牌机器人的离线程序、进行机器人碰撞检测、对机器人运动学建模等功能，可以让使用者迅速掌握机器人的基础操作、仿真、编程等知识。图6-1 robodk仿真界面Figure 6-1 Robodk simulation interface然后简单说明具体步骤。首先要导入末端执行器和被检测件。一般来说要先在solidworks的装配体里面把坐标先设置好，这样导入进robkdk的时候就不是默认的原点坐标，后续会比较方便。然后再导入机器人，注意要把所有的sw文件保存成step格式。然后设置坐标系，一般将所有的坐标系都设在同一个树下面，便于操作。然后作具体的编程，简单处理，直接使用软件自带的三个指令，即Move L、Move J和Move C。也就是直线运动、关节转动和弧线运动。操作也很简单，就是通过设置起始点和目标点完成对