四轴码垛机器人设计.pdf

机电一体化机电一体化 项目报告项目报告四轴码垛机器人设计四轴码垛机器人设计成员：成员：机械系统部分机械系统部分Ⅰ机械系统Ⅰ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机器人在码垛箱状物1.1 码垛机器人总体机械结构设计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,并全部由交运动和手腕回转运动,并全部由交流伺服电机驱动流伺服电机驱动1.2 腰部底座的结构设计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。

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（2）满足驱动大惯性力矩负载和快 速运动、精确定位的要求 速运动、精确定位的要求1.4 机器人腕部的结构设计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 化、饮料、药品、啤酒、日化等行业电气部分电气部分崔培崔培Ⅱ电气部分码垛机器人的四个关节的运动是由四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电和型号如下表：中惯量系列（GYG电 机）额定旋转速度机）额定旋转速度 15001500 r/min r/min电机功率电机型号驱动器型号腕关节0.5kwGYG501BC2-T2G-BRYC501B3-VVT2 小臂0.85kwGYG851BC2-T2G-B RYC851B3-VVT2 大臂1.3kwGYG132BC2-T2G-B RYC132B3-VVT2 腰关节1.8kwGYG182BC2-T2G-B RYC182B3-VVT2 AC伺服电机/驱动器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电气控制原理设计电气控制原理设计1) 1) 交流接触器KM1、交流接触器KM1、 KM2、KM3、KM4分KM2、KM3、KM4分 别控制腕关节，小别控制腕关节，小 臂，大臂，腰关节 臂，大臂，腰关节2) 2) 电动机M1、M2、电动机M1、M2、 M3、M4由热继电器M3、M4由热继电器 FR1、FR2、FR3、FR1、FR2、FR3、 FR4实现过载保FR4实现过载保 护3) QF为电源总开关3) QF为电源总开关4) 熔断器FU1、FU2、4) 熔断器FU1、FU2、 FU3、FU4分别实现FU3、FU4分别实现 各负载回路的短路各负载回路的短路 保护。

FU5、FU6分保护FU5、FU6分 别完成交流控制回别完成交流控制回 路和PLC控制回路和PLC控制回 路控制部分张鑫淼张鑫淼控制部分一、控制方案的确定一、控制方案的确定1、操作系统及微控制器的选择、操作系统及微控制器的选择目前广泛使用的有目前广泛使用的有3种操作系统：批处理操种操作系统：批处理操 作系统、作系统、 分时操作系统以及实时操作系统 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 点，因此经分析确定，选用实时嵌入式系统方法实时嵌入式系统方法 设计码垛机器人控制系统 设计码垛机器人控制系统2、控制方式的选择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器人控制方式选择位置闭环伺服控制方式位置闭环伺服控制方式以以保证其操作末端要求的定位精度，其控制系保证其操作末端要求的定位精度，其控制系统结构如图统结构如图1所示。

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2、码垛机器人工作模式? 码垛机器人的工作模式有以下码垛机器人的工作模式有以下5种：种：(1)复位零点模式复位零点模式(2)码垛机器人伸展、重装载锁紧工作模式码垛机器人伸展、重装载锁紧工作模式(3)手动控制模式手动控制模式(4)自动模式自动模式(5)自检模式自检模式3、运动控制系统软件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：码垛机器人运动控制系统软件主要由以下模块组成：(1)系统启动和自检模块系统启动和自检模块(2)码垛机器人展开和重装载锁定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码垛机器人零位寻找模块(4)运动轨迹规划模块运动轨迹规划模块(5)运动学解算模块运动学解算模块(6)通信模块通信模块(7)故障检测与处理模块故障检测与处理模块表表1列出了码垛机器人控制系统在运行过程中可能出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 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：(1)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。

2)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3)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元，根据码垛机器人工作特点和实际需要 设计了设计了5种常用的工作模式基于软件模块种常用的工作模式基于软件模块 化的思想，编辑化的思想，编辑7种工作模块，并为机器人种工作模块，并为机器人 工作中可能出现的故障给出了解决方案，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 统设计提供了值得借鉴的方案传感检测部分传感检测部分—常海霞常海霞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：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，实现了对滑动的检测。

脉冲信号的频率与物体滑动的速度有关特点：1、与现在常用的光电滑觉传感器相比，无 论相对滑动方向如何，球体都会发生滚 动，传感器也都产生信号输出所以这种 结构的传感器所测量的滑动不受滑动方向 的限制，能检测全方位滑动2、减小球体的尺寸和传导面积可以提高检 测灵敏度报告完毕报告完毕谢谢大家谢谢大家。