工業(yè)機(jī)器人設(shè)計流程.doc

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工業(yè)機(jī)器人設(shè)計流程 對于工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計與大多數(shù)機(jī)械設(shè)計過程相同；首先要知道為什么要設(shè)計機(jī)器人？機(jī)器人能實現(xiàn)哪些功能？活動空間（有效工作范圍）有多大？了解基本的要求后，接下來的工作就好作了。5 V3 S9 P Y1 ]$ c( e1 S2 m$ ? 首先是根據(jù)基本要求確定機(jī)器人的種類，是行走的提升（舉升）機(jī)械臂、還是三軸的坐標(biāo)機(jī)器人、還是六軸的機(jī)器人等。選定了機(jī)器人的種類也就確定了控制方式，也就有了在有限的空間內(nèi)進(jìn)行設(shè)計的指導(dǎo)方向。) ]+ ?1 ~1 E; L& V 接下來的要做的就是設(shè)計任務(wù)的確定。這是一個相對復(fù)雜的過程，在實現(xiàn)這一復(fù)雜過程的第一步是將設(shè)計要求明確的規(guī)定下來；第二步是按照設(shè)計要求制作機(jī)械傳動簡圖，分析簡圖，制定動作流程表（圖），初步確定傳動功率、控制流程和方式；第三步是明確設(shè)計內(nèi)容，設(shè)計步驟、攻克點、設(shè)計計算書、草圖繪制，材料、加工工藝、控制程序、電路圖繪制；第四步是綜合審核各方面的內(nèi)容，確認(rèn)生產(chǎn)。/ F& w, B1 R: f! A 下面我將以六軸工業(yè)機(jī)器人作為設(shè)計對象來闡明這一設(shè)計過程。 在介紹機(jī)器人設(shè)計之前我先說一下機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域可以說是非常廣泛的，在自動化生產(chǎn)線上的就有很多例子，如垛碼機(jī)器人、包裝機(jī)器人、轉(zhuǎn)線機(jī)器人；在焊接方面也有很例子，如汽車生產(chǎn)線上的焊接機(jī)器人等等；現(xiàn)在機(jī)器人的發(fā)展是非常的迅速，機(jī)器人的應(yīng)用也在民用企業(yè)的各個行業(yè)得以延伸。機(jī)器人的設(shè)計人才需求也越來越大。 " w! r: B/ J9 r: b9 C六軸機(jī)器人的應(yīng)用范籌不同，設(shè)計形式也各不相同。現(xiàn)在世界上生產(chǎn)機(jī)器人的公司也很多，結(jié)構(gòu)各有特色。在中國應(yīng)用最多的如：ABB、Panasonic、FANUK、莫托曼等國外進(jìn)口的機(jī)器人。 $ m% }7 T6 a6 g9 F2 p即然機(jī)器人的應(yīng)用那么廣泛，在我國卻沒有知名的生產(chǎn)公司。對于作為中國機(jī)械工程技術(shù)人員來說是一個值得思考的問題！有關(guān)機(jī)器人技術(shù)方面探討太少了？從業(yè)人員還不能成群體？雖然在很多地方可以看到機(jī)器的論術(shù)，可是卻沒有真正形成普及的東西。 $ L* r) A/ I; N$ m) Y6 _& L即然是要說設(shè)計，那我就從頭一點一點的說起。力求講的通俗簡明一些，講得不對的地方還請各位指正！ $ y) L5 y9 h0 X- L6 z六軸機(jī)器人是多關(guān)節(jié)、多自由度的機(jī)器人，動作多，變化靈活；是一種柔性技術(shù)較高的工業(yè)機(jī)器人，應(yīng)用面也最廣泛。那么怎樣去從頭開始的設(shè)計它呢？工作范圍又怎樣去確定？動作怎樣去編排呢？位姿怎樣去控制呢？各部位的關(guān)節(jié)又是有怎么樣的要求呢？等等。。。。。。讓我們帶著眾多的疑問慢慢的往下走吧！4 y8 m0 `: _# e \4 M9 fK5 ]# E7 E 首先我們設(shè)定：機(jī)器人是六軸多自由度的機(jī)器人，手爪夾持二氧氣體保護(hù)焊標(biāo)準(zhǔn)焊槍；完成點焊、連續(xù)焊等不同要求的焊接部件，工藝要求、工藝路線變化快的自動生線上。最大伸長量：1700mm；轉(zhuǎn)動270度；底座與地平線水平固定；全電機(jī)驅(qū)動。 7 T8 @ L4 q$ Y+ f好了，有了這樣的基本要求我們就可以做初步的方案的思考了。- i{8 r# U h 首先是全電機(jī)驅(qū)動的，那么我們在考慮方案的時候就不要去考慮液壓和氣壓的各種結(jié)構(gòu)了，也就是傳動機(jī)構(gòu)只能用齒輪齒條、連桿機(jī)構(gòu)等機(jī)械機(jī)構(gòu)了。 w7 p* J4 O: p) N) l/ x2 J 機(jī)器人是用于焊接方面的，那么我們就去考察有人工行為下的各種焊接手法和方法。這里就有一個很復(fù)雜的東西在里面，那就是焊接工藝；即然焊藝定不下來，我們就給它區(qū)分一下，在常用焊接里有單點點焊、連續(xù)斷點點焊、連續(xù)平縫焊接、填角焊接、立縫焊接、仰焊、環(huán)縫焊等等。。。。。。 / o7 g2 w& H" o) PM. M L搞清了各種焊方法，也就明白了要實現(xiàn)這些復(fù)雜的動作就要有一套可行的控制方式才行；在機(jī)械沒有完全設(shè)計出來之前可以不做太多的控制方案思考，有一個大概的輪廓概念就行了，待機(jī)械結(jié)構(gòu)做完，各方面的驅(qū)動功率確定下來之后再做詳細(xì)的程序。% R7 @4 v2 B1 u, ~* d) y3 B; n 焊槍是用常用的標(biāo)準(zhǔn)的焊槍，也就是說焊槍是隨時可以更換下來的，也就要求我們要做到對焊槍的夾持部分進(jìn)行快速鎖定與松開。) b! s" m7 V6 ]; s# X 焊槍在焊接過程中要進(jìn)行各種焊接姿態(tài)調(diào)整，那么機(jī)械手腕就要很靈活，在各個方位角度上都可調(diào)節(jié)。 有了上面的基本要求和設(shè)定條件，方案推理也有了條理，接下來我們就把設(shè)計要求明確下來，設(shè)計方向就不會有太大的偏離了。 - D& O7 \9 O5 u7 t h+ G" o7 b設(shè)計任務(wù), d) I8 r+ Q) I$ ` 設(shè)計要求 機(jī)器人適用于焊接領(lǐng)域，可以完成各種焊接動作；為了機(jī)器人能適應(yīng)各種焊接工藝，在線調(diào)整工藝快速，編制控制程序時采用柔性控制程序，自適應(yīng)在線、離線示教程序；焊縫、焊池、焊道成像跟蹤，自動調(diào)節(jié)焊機(jī)的各項參數(shù)。 $ `7 `* u" `M* t4 I+ H機(jī)器人采用全伺服驅(qū)動，地面固定安裝。六軸控制，各關(guān)節(jié)運動靈活，按工藝描述表設(shè)計各軸動作范圍，盡量使機(jī)構(gòu)緊湊，整體外形美觀。$ j3 o4 b# ]* A+ L8 W# o% k 工藝描述 六軸動作順序 動作范圍 速度范圍 定位精度 驅(qū)動功率 電器元件 y( N! ]- Q# l 1軸（回旋） 360度 0.75Kw 6 f( k: t o7 n2 D9 B 2軸（大臂俯仰） 160度 1.5KwX2臺 7 _ P) l& L1 @3 l/ x9 X) Q 3軸（前臂俯仰） 210度 0.5Kw 4 ft, F5 V2 r: p# Y% ~+ ?) k 4軸（小臂旋轉(zhuǎn)） 270度 0.35Kw 9 w/ t5 U& P) a* k9 }. |% R M 5軸（手腕俯仰） 150度 300Kw ! X! Z3 _$ U8 I7 Gi 6軸（手腕旋轉(zhuǎn)） 360度 200w / ]- m5 j$ {X# f+ A設(shè)計內(nèi)容 機(jī)械設(shè)計：根據(jù)設(shè)計要求及工藝描述設(shè)計各關(guān)節(jié)的機(jī)械機(jī)構(gòu)，確定各部件的材料和加工工藝；制作計算書，驗算機(jī)械強(qiáng)度、驅(qū)動功率和給出最大抓（舉）重量，各運動路徑的慣量計算，位姿的控制計算。驗算機(jī)器人各關(guān)鍵部件使用壽命。結(jié)合控制程序及電路制作機(jī)器人維修保養(yǎng)說明書。 ; n1 u5 W5 H/ E3 ~4 N 程序控制設(shè)計：根據(jù)設(shè)計要求與機(jī)械工程師最后制定的工藝路線設(shè)計控制流程；結(jié)合機(jī)械結(jié)構(gòu)與驅(qū)動、信號反饋方式，設(shè)計機(jī)器人運動程序；程序要具有自適應(yīng)功能，自動定點跟蹤，對焊機(jī)電流、電壓實時監(jiān)測，并自動調(diào)節(jié)；焊道、焊池用成像監(jiān)測判別技術(shù)。設(shè)計電路圖% ?! j! w( w2 { & y& c6 e+ }: S4 D# T3 G" G有了這樣一個文件，我們就好設(shè)計了；那么我們首先就要做的是：繪制機(jī)器人動運簡圖，規(guī)劃機(jī)器人運動軌跡，做好這些我們就可以進(jìn)行機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計，同時可以考慮程序的線路圖了。% K/ z0 S$ A2 ^5 w# d) v! L6 }& u 先做一個簡圖，來研究一下運動規(guī)跡 當(dāng)我們把機(jī)械運動簡圖畫好后，一般的情況下是先對簡圖進(jìn)行分析；雖然簡圖不能全部反映機(jī)械結(jié)構(gòu)的組成，但是它卻表現(xiàn)出了要設(shè)計的物體的總體輪廓。4 J) N! A* X. q: x% N 那么對于我們這個機(jī)器人的簡圖，我們從哪里著手分析才合理呢？ * M GH0 Q6 _; L/ U% z/ {首先，我們看一下設(shè)計任務(wù)書的內(nèi)容。從任務(wù)書中知道，六個軸中有三個軸是做旋轉(zhuǎn)運動的，其余作擺角運動。- ?7 dB8 C. Y0 q/ {, z: T 結(jié)合任務(wù)書，我們看一下簡圖，是不是第1軸、第4軸和第六軸是做轉(zhuǎn)動的，也就是說我們要檢查一下我們所畫的簡圖是不是與任務(wù)書中的要求相符合，符合了也就代表我們的設(shè)計思路與要求（客戶要求）相同，可以進(jìn)行下一步工作，如果不同，就得重新畫簡圖。 . a; x o! L, d, `% m$ {2 W$ n從簡圖知道，機(jī)器人的手臂伸縮范圍較大；如果把手臂全部伸直，而且我們假設(shè)地把它們看成同一鋼體，這樣就形成一端固定的懸臂梁。 . l1 Z" Z2 Q/ k+ L# i應(yīng)用力學(xué)知識體系中的有關(guān)梁的分析我們知道，要搞清懸臂梁的變形量，首先要知道梁的重量和截面慣量。% \: g" p Zq8 }3 C. M 由簡圖知道，由于有多個關(guān)節(jié)連接，要知道截面形狀和慣量不太容易，只有把所有的機(jī)構(gòu)都設(shè)計完成后才會知道想求的參數(shù)。5 ^3 c0 _$ i! t, h5 r 由簡圖看出，第二軸擔(dān)負(fù)著手臂的上下運動，而且手臂又比較長，在運動的過程中必然存在著慣性沖量，也就是說，當(dāng)大臂的運動速度很慢時，慣性就很??；如果速度加快，慣性就加大，這個慣性沖量是與速度有著線性關(guān)系；怎樣保持一定的速度，又不讓慣性隨著變化呢？大家都知道，增加阻尼，可有效消除這種關(guān)系。這樣，大家就可以理解簡圖上兩個彈簧的用意了。3 H: o( a! l% k7 W2 J 即然是這樣，那我們就從手腕開始設(shè)計。也說是大家所說的從上到下的設(shè)計方法。 設(shè)計手腕要考慮哪些問題呢？可以知道的是有一把焊槍，焊槍的重量不是很重，同時要有夾持焊槍的手爪。也就是說手腕在轉(zhuǎn)動時的負(fù)載是不大的，選擇驅(qū)動功率不大的元件就行了。8 |$ u9 B% ], qz( d 要讓手腕在360度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，而且后面緊跟著又有一個上下擺動的關(guān)節(jié)；手腕又是在機(jī)器人手臂的最前端，當(dāng)然總體質(zhì)量不能太重。用什么樣的機(jī)構(gòu)最好呢？下面我們考慮幾個方案： - r( Y5 z" \/ z( T; m+ j* V$ A1． 如簡圖所示，采用行星齒輪傳動。電機(jī)驅(qū)動太陽輪，行星輪繞太陽輪轉(zhuǎn)動，內(nèi)齒輪經(jīng)行星輪減速與太陽輪反向運動，電機(jī)與太陽輪同軸安裝。% t: j; u) g0 R 2． 多級齒輪減速傳，電機(jī)安裝于手腕一側(cè)。 8 |6 c, p& I2 S* v2 F, r3． 擺線針輪減速傳動，電機(jī)與偏心軸同軸安裝。 " ]4 M& N& R8 |8 F, S# [; a9 i2 a `4． 蝸輪蝸桿減速傳動，電機(jī)有兩種安裝方式；一種與輸出軸成90度安裝，另一種與輸出軸同軸線反向錯位安裝。0 o6 L% Y7 _+ t8 I 如上所述，還有很多種方式方法，到底選哪一種最好呢？這樣我們就要做比較了。從上面的方案里看，第2種方法是不行的；第4種方法如果采用，手腕的結(jié)構(gòu)就會很大，不利于機(jī)器人在運動時做精密定位。這樣我們?nèi)コ藘煞N方法，我們再比較一下第1種和第3種方法；; f2 D+ B+ ~5 _ 行星齒輪傳動，傳動比大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，齒輪副配合有間隙，不能自鎖。如果采用就得提高齒輪精度，由于是精密傳動，齒輪材料也不能按常規(guī)齒輪選用材料，加工工藝相對常規(guī)齒輪相復(fù)雜的多。 0 oP; y7 g7 P @ 擺線針輪傳動，傳動比大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動間隙小，可以自鎖。如果采用，手腕的尺寸不會太小，并且零件加工困難，精度不易保證。1 D! K5 T( e* ~) {3 B8 x) ^ 比較各方面后，決定采用行星齒輪傳動機(jī)械結(jié)構(gòu)。行星齒輪在傳動的過程中有裝配間隙和機(jī)械磨損所造成的間隙；要消除這些機(jī)械間隙首先就要讓齒輪副的配合間隙要小，齒輪材料經(jīng)熱處理后表面要耐磨，因此行星齒輪副的設(shè)計計算不能按常規(guī)行星齒輪的設(shè)計方法去計算。機(jī)器人的手腕是很靈活的關(guān)節(jié)，而且是要做正反兩個方向的回轉(zhuǎn)。怎么樣安裝電機(jī)是一個問題；行星齒輪傳動機(jī)構(gòu)與手腕俯仰關(guān)節(jié)連接是一個問題。& q* V. E+ {, r2 r# ?! R 還有，手腕的運動速可能是非等速的；怎么樣去控制電機(jī)？又怎么樣去采集反饋信號？發(fā)出的控制信號到執(zhí)行單元的過程中有沒外部干擾？它來自哪里？! Y! ~# O- `8 Y5 x7 h; ~* W 再有，就是手腕在運動過程中的精度；手腕在空間做相對運動，怎樣去實現(xiàn)運動精度？影響運動精度的因素有哪些？" o* w0 b3 @% P- G: b! `; R1 q. z 在設(shè)計手腕這前一定要搞清楚影響手腕的各方面的因素及內(nèi)容，問題得到解答后再真正開始手腕的設(shè)計。 下面給出伺服電機(jī)的的技術(shù)參數(shù)： 8 p) y! X" S, y9 }5 w型號： MSMD04ZS1V + z1 e8 c" n0 I2 \) k額定輸出功率：400W 3 ^ A0 b W: A) A& L: t 額定轉(zhuǎn)矩：1.3 N.m 最大轉(zhuǎn)矩：3.8 N.m 6 u" p( [1 w" bl- N1 m額定轉(zhuǎn)速/最高轉(zhuǎn)速：3000/5000 rpm 0 U# o) F; |8 a# I3 l o 電機(jī)慣量（有制動器）：1.710-4Kg.m2 - }k; _- s/ A; t0 a7 g7 v1 S變壓器容量：0.9 KVA 7 `$ g0 _* ]/ K; x0 b6 [編碼器：17位（分辨率：131072）. 7線制增量式/絕對式. 9 |h% o# g+ O. q: H/ XU適配驅(qū)動器型號：MBDDT2210 - S) }& L% d5 m; |$ g 位置控制接線圖:: N1 Q5 d2 E! B2 v. o( V# ]& ^& V* r 2009-4-6 11:25:35 上傳 下載附件 (108.31 KB) . q! P^* t. M& W6 a 17位增量式/絕對式編碼器接線圖: Z1 O. } H/ i/ Pg$ F 。