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附錄
Industrial robot and its system’
components
There are a variety of definitions of the term robot. Depending on the definition used, the number of robot installations worldwide varies widely. Numerous single purpose muchines are used in manufacturing plants that might appear to be robots. These machines ar e hardwired to perform a single function and can not be reprogrammed to perfor m a different function. Such single-purpose machines do not fit the definition for industrial robots that is becoming widely accepted. This definition was developed by the robot Institute of America:
A robot is a reprogrammable muanfactional manipulator designed to move material, parts, tools, or specialized devi ces through variable program motions for the perfommnce of a variety of tasks.
Note that this definition cxmtalns the words reprograrnmable and multifunctional. It is these two characteristics that separate the true industrial robot from the various singl e-purpose machines used in modern manufacturing firms. The term "reprogrammable" implies two things: The robot operates are reding to a written program, and this program can be rewritten to acconlmodatc a variety of manufacturing tasks.
The first articulated arm came about in 1951 and was used by the U.S. Atomic Energy Commission. In 1954, the first programmable robot was designed by George Devol. It was ba sed on two important technologies:
(1) Numerical control (NC) technology.
(2) Remote manipulation technology.
Numerical control technology provided a foam of machine control ideally suited to robots. It allowed for the cont rol of motion by stored programs. These programs contain data points to which the robot sequentially moves, timing signals to initiate action and to stop move ment, and logic statements to allow for decision frmking.
Remote manipulation technology allowed a machine to be more than just another NC machine. It allowed such machines to become robots that can perfoml a variety of manufactuing ta sks in both inaccessible an unsafe environmonts. By mering these two tec hnologies, Devol developed the first industrial robot, an unsophi stieated programmable materials handling machine. commercially produced industrial robot controlled by a minicomputer.
Numerical control and remote manipulation technology prompted the wide scaledevelopment and use of industr ial robots. But major technological developmentsdo not take place simply because of such new capabilities. Something must providethe impetus for taking advantage of these capabilities. In the case of industrialrobot s, the impetus was economies.
The rapid inflation of wages experienced in the 1970s tremendously increased the personnel costs of manufacturing firms. At the same time, foreign competition became a serious problem fo r U. S. manufacturers. Foreign manufacturers who had under taken automation on a wide scale basis, such as those in Japan, began to gain an increasingly large share of the U.S. and world market for manufactured goods, particularly automobiles.
Through a variety of automation techni ques, includicg robots, Japanese manufacturers, beginning in the 1970s, were able to produce better automobiles more cheaply than nonautomated U.S. ma nufacturers. Conseque ntly, in order to survive, U.S. manufacturers were fo rced to consider any technological developments that could help improve productivity.
It became imperative to produce better produets at lower costs in order to be competitive with foreign manufacturers. Other factors such as the need to find better ways of performing danger ous marmfacturing tasks contributed to the development of industrial robots. Ho wever, the principal rationale has always been,and is still, improved productivity.
One of the principal advantages of r obots is that they can be used in settingsthat are dangerous to humans. Welding and parting are examples of applicationswhere rotmts can be dange rous to humans. Even though robots are closely asmciated with safety in the workplace, they can, in themselves, be dangerous.
Robots and robot cells must be carefully designed and configured so that they do not endanger human workers and other machines. Robot work envelops should be accurately calculated and a danger zone surondting the envelop clearly marked off. Red flooring strips and barriers can be used to keep human workers out of a robot’s work envelope.
Even with such precautions it is still a good idea to have an automatic shutdown system in situations where robots are used. Such a system should have the capacity to sense the need for an automatic shutdown of operations. Fault-tolerant computers and redunant systems can be inst alled to ensure proper shutdown of robotics systems to ensure a safe environment.
Industrial robots is the science of designing, building, and applying industrial robots. What ar e robots? In the late 1970s the Robotic Industries Association defined a robot as” a manipulator, designed to move material, parts, tools or specialized devi ces through variable programmed motions for the performance of a variety of tasks". Although this definition does not directly include pick and place arms as robots, teleoperams and remotely controlled devicesare often referred to also as robots. The International Standards Organization(ISO) has a more lengthy definition of an industrial robot:
A machine formed by a mechanism including several degrees of freedom, often having tile appearaon of one or several arms ending in a wrist capable of holding a tool or a workpiece or an inspect ion device. In particular, its control unit must use a memorizing device and .sometimes it can use sensing oradaptation appliances taking into account environment and circumstances. These multipurt pose machines are generally designed to carry out a repetitive function and can be adapted to other functions.
The RIA and ISO definitions both stress the multifunctional and programmable capabilities and, theref ore, exclude special-purpose "hard automation" tools and equipment typi cally found in high volume production. Also excluded are manual remote manipulators, which are extensions of human hands for use in, for example, sterile , hot, or radioactive environments.
In Japan, the Japanese Industrial Robot Associat ion (JIRA) classifies industrial robots by the method of input in formatkm and the method of teaching:
1. Manual Manipulators. Manipulators directly activated by the operator.
2. Fixed-sequence Robot. Robot th at once programmed for a given sequence of operations is not easily changed.
3. Variable-sequence Robot. Robot th at can be programmed for a given sequence of operations and can easily be changed or reprogrammed.
4. Playback Robot. Robot that "memorizes" work sequences taught by a human being who physically leads the device through the intended work pattern; the robot can then create this sequence repetitively from memory.
5. Numerically Controlled (NC) Robot. Robot that operatas from and is controlled by digital data, as in the form of punched tape, cards, or digital switches; operates like a NC machine.
6. Intelligent Robot. Robot that uses sensory perception to evaluate its environment and camke decisions and proceeds to operate accordingly.
The first-generation of robot systems was defined for the various robots with limited computer power. Their main intelligant functions include programming by showing a sequence of manipulation steps by a human operator using a teach box. Without any sensors, these robots require a prearranged and relatively fixed factory environment and, therefore, have limited use.
The second-generation of robot systems was enhanced by the addition of a computer processor. A major step in industrial robotics development was the integration of a computer with the industrial robot mechanism. This has provided real-time calculation of trajectory to smooth the motions of the end effector and integration of mine simple force and proximity sensors to obtain external signals.
The main applications of second generation robots include spot and arc welding, spray painting, and some assembly.
Third-generation robot systems incorporate multiple computer processors and multiple arms that can operate asynchronously to perform .several functions. Distributed hierarchical computer organization is preferred, because it can coordinate motions and interface with external sens ors, other machines, and other robots and can communicate with other computers. These robots can already exhibit intelligent behavior, including knowledge-based control and learning abilities.
Japan ranks as the world's top robot-producing and robot -using country, with more than 40% of the world's industrial robot installations. The reasons for this penetration are sociol ogical-and technological f actors that are unique to Japan:
industrial robots brought productivity and quality gains in Japanese industry, coupled with improvements of the work enviromment. These have perpetuated the social-demand for more robots as well as increased the expectation from this technology.
Current and emerging robot applications in industry can be categorized on the complexity and requirements of th e job. They range from simple, low technology pick-and place operations through medium technology painting, some assembly and welding operations to high technology precision assembly and inspection operations.
工業(yè)機(jī)器人及其系統(tǒng)組成
有許多關(guān)于機(jī)器人這個(gè)術(shù)語的定義。全世界采用不同的定義各地機(jī)器人的數(shù)量就會(huì)發(fā)生很大的變化。在制造工廠中使用的許多單用途機(jī)器可能會(huì)看起來像機(jī)器人。這些機(jī)器是硬連線的，不能通過新編程的方式去完成不同的工作。這種單用途的機(jī)器不能滿足被人們?nèi)找鎻V泛接受的關(guān)于工業(yè)機(jī)器人的定義。這個(gè)定義是由美國機(jī)器人協(xié)會(huì)提出的：
機(jī)器人是一個(gè)易改編程序的多功能操作器，被設(shè)計(jì)涉及應(yīng)用按照預(yù)先編制的、能夠完成多種作業(yè)的運(yùn)動(dòng)程序運(yùn)送材料、零件、工具或者專用設(shè)備。
注意在這個(gè)定義中包含“可以改編程序”和“多功能”這兩個(gè)詞。正是這兩個(gè)詞將真證的機(jī)器人與現(xiàn)代制造工廠中使用的單一用途的機(jī)器區(qū)分開來?！翱梢愿木幊绦颉边@個(gè)術(shù)語意味著兩層含義：機(jī)器人根據(jù)編寫的程序工作，以及可以通過重新編寫程序來適應(yīng)不同種類的制造工作的需要?！岸喙δ堋边@個(gè)詞意味著機(jī)器人能夠通過編程和使用的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成不同的制造上作。圍繞著這兩個(gè)關(guān)鍵特征所撰寫的定義正在變成制造業(yè)的專業(yè)人員所接受的定義。
第一個(gè)帶有活動(dòng)關(guān)節(jié)的于臂于 1951 年被研制出來，由美國原子能委員會(huì)使用。在 1954 年，第一個(gè)可以編程的機(jī)器人由喬治·狄弗設(shè)計(jì)出來。它基于下面兩項(xiàng)重要技術(shù)：
(1)數(shù)字控制(NC)技術(shù)；
(2)遠(yuǎn)程操作技術(shù)。
數(shù)字控制技術(shù)提供一種非常適合于機(jī)器人的機(jī)器控制技術(shù)。它可通過存儲(chǔ)的程序?qū)\(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。這些程序包含機(jī)器人進(jìn)行順序運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)，開始運(yùn)動(dòng)和停止運(yùn)動(dòng)的時(shí)間控制信號(hào)，以及做出決定所需要的邏輯語句。
遠(yuǎn)程操作技術(shù)使得一臺(tái)機(jī)器的性能超出一臺(tái)數(shù)控機(jī)器。它可以使這種機(jī)器能夠在不容易進(jìn)入和不安全的環(huán)境中完成各種制造任務(wù)。通過融合上述兩項(xiàng)技術(shù)，狄弗研制出第一個(gè)機(jī)器人，它是一個(gè)不復(fù)雜的，可以編程的物料運(yùn)送機(jī)器人。
數(shù)字控制技術(shù)和遠(yuǎn)程操作技術(shù)推動(dòng)了大范圍的機(jī)器人研制和應(yīng)用。但是主要的技術(shù)進(jìn)步并不僅僅是由于這些新的應(yīng)用能力而產(chǎn)生的，而是必須由利用這些能力所得到的效益來提供動(dòng)力。就工業(yè)機(jī)器人而古，這個(gè)動(dòng)力是經(jīng)濟(jì)件。
在 20 世紀(jì) 70 年代中，丁資的快速增長大大增加了制造業(yè)的企業(yè)中的人工費(fèi)用。與此同時(shí)，來自國外的競爭成為美國制造業(yè)所面臨的一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。諸如日本等外國的制造廠家在廣泛地應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)之后，其工業(yè)產(chǎn)晶，特別是汽車，在美國和世界市場上占據(jù)了日益增大的份額。 通過采用包括機(jī)器人在內(nèi)的各種自動(dòng)化技術(shù)，從 20 世紀(jì) 70 年代開始，日本的制造廠家能夠比沒有采用自動(dòng)化技術(shù)的美國制造廠家生產(chǎn)更好的和便宜的汽車。隨后，為了生存，美國制造廠家被迫考慮采用任何能夠提高生產(chǎn)率的技術(shù)。
為了與國外制造廠家進(jìn)行競爭，必須以比較低的成術(shù)，生產(chǎn)出更好的產(chǎn)品。其他的因素，諸如尋找能夠更好地完成帶有危險(xiǎn)性的制造工作的方式也促進(jìn)了工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展。但是，主要的理由一直是，而日．現(xiàn)在仍然是提高生產(chǎn)率。
機(jī)器人的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是它們可以在對(duì)于人類來說是危險(xiǎn)的位置上工作。采用機(jī)器人進(jìn)行焊接和切斷工作是比由人工來完成這些工作更安全的例子。盡管機(jī)器人與工作地點(diǎn)的安全密切相關(guān)，它們本身也可能是危險(xiǎn)的。
應(yīng)該仔細(xì)地設(shè)計(jì)和配置機(jī)器人和機(jī)器人單元，使它們不會(huì)傷害人類和其他機(jī)器。應(yīng)該精確地算出機(jī)器人的工作范圍，且在這個(gè)范圍的四周清楚地標(biāo)出危險(xiǎn)區(qū)域?？梢圆捎迷诘孛嫔袭嫵黾t顏色的線和設(shè)置障礙物以阻止工人進(jìn)入機(jī)器人的工作范圍。即使有了這些預(yù)防措施，在使用機(jī)器人的場地中設(shè)置一個(gè)自動(dòng)停止工作的系統(tǒng)仍然不失為一個(gè)好主意。機(jī)器人的這個(gè)系統(tǒng)應(yīng)該具有測出是否有需要自動(dòng)停止工作的要求的能力。為了保證有一個(gè)安全的環(huán)境，應(yīng)當(dāng)安裝容錯(cuò)計(jì)算機(jī)和冗余系統(tǒng)，保證在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候停止機(jī)器人的工作。
工業(yè)機(jī)器人是一門設(shè)計(jì)、建筑、應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人的科學(xué)。什么是機(jī)器人呢？在 20 世紀(jì) 70 年代，機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)把機(jī)器人定義為“設(shè)計(jì)成可通過為實(shí)現(xiàn)各種各樣任務(wù)而編制好的運(yùn)動(dòng)來移動(dòng)材料、零件、工具或特別設(shè)備的操作者”。盡管這種定義沒有直接把抓-放型手臂算作機(jī)器人，但遠(yuǎn)距離操縱裝置和遙控裝置通常被認(rèn)為是機(jī)器人。國際標(biāo)準(zhǔn)組織有一個(gè)更合法的工業(yè)機(jī)器人的定義：
一種含有多層次自由度的機(jī)器，通常用一條或多條手腕的末端來握住一個(gè)工具或一個(gè)部件或檢測裝置。特別地，它的控制單元必須用一個(gè)記憶設(shè)備，考慮到環(huán)境和條件等因素 通?？捎脵z測或適應(yīng)裝置，這些多用途的機(jī)器通常設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)重復(fù)性功能，同時(shí)也可適用于其他功能。機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)和國際標(biāo)準(zhǔn)組織都強(qiáng)調(diào)多功能和程序化的功能。因此，包括特殊用途“硬自動(dòng)化”工具和裝置特別地出現(xiàn)在高檔產(chǎn)品。同時(shí)也包括遠(yuǎn)途手動(dòng)操作者，它們是人類工作在如枯燥無味的、熱的、輻射性的環(huán)境里應(yīng)用的延伸。
在日本，日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)根據(jù)輸入信息和輸入方法的不同把工業(yè)機(jī)器人分為：
1、手動(dòng)操作者直接由操作人操縱。
2、固定順序機(jī)器人這類機(jī)器人一旦被給定某執(zhí)行順序的程序，就不容易改變。
3、可邊順序機(jī)器人可以對(duì)這類機(jī)器人進(jìn)行編程，使其按一定的順序工作，可以很容易地改變這種順序或者重新編程。
4、再現(xiàn)式機(jī)器人這種機(jī)器人的記憶工作順序由人的示教，他通過已定的工作類型親自引導(dǎo)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。這種機(jī)器人可以由記憶重復(fù)實(shí)現(xiàn)這種順序。
5、數(shù)字控制機(jī)器人這種機(jī)器人由數(shù)字化數(shù)據(jù)來操作和控制，這些數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)有針孔帶、記憶卡、或數(shù)字表等形式，像一臺(tái)數(shù)字控制機(jī)器操作。
6、智能機(jī)器人這種機(jī)器人采用感官知覺對(duì)它周圍的環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)和做出決定，并據(jù)此進(jìn)行工作。第一代機(jī)器人系統(tǒng)被定義為許多帶有有限計(jì)算機(jī)能力的機(jī)器人，他們主要的智力功能包括通過由操作人員用一個(gè)示教盒來顯示出一系列的操作步驟的程序。沒有任何傳感器，這些機(jī)器人需要一個(gè)預(yù)先設(shè)計(jì)，直接與工廠相應(yīng)的環(huán)境。因此，其應(yīng)用的場所很有限。
第二代機(jī)器人系統(tǒng)的功能由于增加一個(gè)計(jì)算機(jī)程序而加強(qiáng)。其在工業(yè)機(jī)器人發(fā)展中的關(guān)鍵步驟是將一臺(tái)計(jì)算機(jī)與工業(yè)機(jī)器機(jī)構(gòu)相集合。這樣就提供實(shí)時(shí)的軌跡計(jì)算?？梢允鼓┒俗饔闷鞯倪\(yùn)動(dòng)更為平滑，并且集成了某些簡單的力傳感器和接近式傳感器以獲取外部信號(hào)。第二代機(jī)器人的主要應(yīng)用包括勘測、焊接、噴漆和其它一些的組合。
第三代機(jī)器人系統(tǒng)包括多層次計(jì)算機(jī)程序和多層次手臂，它能自如地實(shí)現(xiàn)多種功能。分配多層次計(jì)算機(jī)組織為首選，因?yàn)樗軈f(xié)調(diào)各種運(yùn)動(dòng)并且可以與外部傳感器、其他機(jī)構(gòu)和其他機(jī)器人相聯(lián)接，并且可以和其他計(jì)算機(jī)相聯(lián)系。這些機(jī)器人可展示智力行為，包括在知識(shí)基礎(chǔ)上的控制和學(xué)習(xí)能力。
日本作為世界頂尖的機(jī)器人制造和使用的國家，擁有高達(dá) 40%以上的世界工業(yè)機(jī)器人裝置。其原因?yàn)檫@種集中是由于日本獨(dú)特的社會(huì)和科技因素：工業(yè)機(jī)器人在日本工業(yè)中帶來了高生產(chǎn)率和高質(zhì)量產(chǎn)品，并與其工業(yè)的環(huán)境的提高相匹配，這些因素使得社對(duì)更多的機(jī)器人的需求被無限期地延續(xù)下去和增加了人們對(duì)這種技術(shù)的期望?，F(xiàn)行的和正在開發(fā)的機(jī)器人在工業(yè)上的應(yīng)用可由其復(fù)雜程度和工作的需求的不同而分類。它們可分為從通過中介技術(shù)圖案簡單的、低技術(shù)抓-放型操作，一些組合和焊接操作到高技術(shù)高精度的組合檢測操作。
安全氣囊擰螺母直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘要
工業(yè)機(jī)器人誕生于 20 世紀(jì) 60 年代，在 20 世紀(jì) 90 年代得到迅速發(fā)展，是最先產(chǎn)業(yè)化的機(jī)器人技術(shù)。它是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍、應(yīng)用十分廣泛的領(lǐng)域。
在我國工業(yè)機(jī)器人的真正使用到現(xiàn)在己經(jīng)接近 20 多年了。已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)、引進(jìn)到自主開發(fā)的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)了我國制造業(yè)、勘探業(yè)、汽車產(chǎn)業(yè)等行業(yè)的發(fā)展。隨著我國工業(yè)社會(huì)的發(fā)展和對(duì)自動(dòng)化水平要求的不斷
提高，工業(yè)機(jī)器人市場的快速增長提供了一個(gè)良好的機(jī)會(huì)。因此加快工業(yè)機(jī)器人的開發(fā)和研究具有重要的意義。
安全氣囊擰螺母直角坐標(biāo)機(jī)器人就是工業(yè)機(jī)器人成員之一。本文介紹工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和未來，重點(diǎn)論述安全氣囊擰螺母直角坐標(biāo)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)直角坐標(biāo)機(jī)器人進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制擰螺母機(jī)械手的位置，氣動(dòng)方法控制機(jī)械手的上下移動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)采用三菱FX 系列可編程控制器；利用專門定位模塊FX—20GM 進(jìn)行位置控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)四個(gè)螺母的精確定位。通過采用AFC1500
系列控制器控制擰緊機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)安全氣囊上的四個(gè)螺母在預(yù)定的扭矩范
圍內(nèi)擰緊，并最終完成工作的過程。
關(guān)鍵詞： 工業(yè)機(jī)器人；安全氣囊；可編程控制器
Airbags screw nut Cartesian coordinate robot structure and control system design
Abstract
Industrial robot was born in the 1960 s, in the 1990 s has been developed quickly, is the first robot technology industrialization. It is a comprehensive computer, cybernetics, organization, information and learn the sensing technology, artificial intelligence, the bionics science and the formation of high technology and new technology, is a very active, applicatio n of contemporary research is very widely.
In our country the industrial robot is r eally used to now have been close to 20 years ，Has the wood realized the test, introduced to independent development of change, promoted our manufacturing, exploration industry, automobile industry and the developm ent of the industry. Along with our country industry the development of the society and to the requirements of the automation level continuously improved, and the rapid growth of industrial robot market provides a good opportunity. So to speed up the development of industrial robots and research has the vital significance.
Airbags screw nut Cartesian coordinate robot is member of industrial robots. This paper introduces the deve lopment of industrial robots history, present situation and future, this pape r focuses on the airbag screw nut right-angle coordinate robot institutions and th e design of control system, through the
servo motor drive Cartesian coordinate robot interpolation motion control twist the position of the manipulator, pneumatic nut method to control the robot move up and down. The control system adopts Mitsubishi FX series programmable controller; Use special positioning m odule FX-20GM for position control, to achieve the four nuts positioning. By the use of the AFC1500 series controller to tighten control of the machine operation to realize the airbag on the four nuts in
Keywords： industrial robot; airbag ; programmable logical controller
目錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 課題背景 1
1.2 工業(yè)機(jī)器人的概念 1
1.3 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷史 2
1.4 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀 2
1.5 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展趨勢 3
1.6 本章小結(jié) 4
第2章 機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選擇 5
2.1 擰螺母機(jī)器人機(jī)構(gòu)本體設(shè)計(jì) 5
2.1.1 總體結(jié)構(gòu)方案擬定 5
2.1.2 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的選擇 7
2.1.3 機(jī)械手的選擇 12
2.1.4 夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 14
2.2 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和檢測裝置元件的選擇 14
2.2.1 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14
2.2.2 檢測元件的選擇 23
2.3 本章小結(jié) 25
第3章 擰緊控制器 26
3.1 概述 26
3.1.1 基本特征 26
3.2.2 基本功能 26
3.2 外觀及接線 27
3.3 常規(guī)操作與監(jiān)視 29
3.3.1 模式切換 29
3.3.2 實(shí)時(shí)顯示模式 29
3.3.3 擰緊結(jié)果顯示模式 29
3.3.4 參數(shù)顯示模式 30
3.3.5 狀態(tài)顯示模式 30
3.4 參數(shù)表 31
3.5 參數(shù)輸入操作 33
3.6 本章小結(jié) 33
第4章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 34
4.1 位置控制單元 FX2N—20GM概述 34
4.2 位置控制單元 FX2N—20GM 安裝和接線 35
4.3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 37
4.4 本章小結(jié) 47
結(jié)論 48
致謝 49
參考文獻(xiàn) 50
附錄 51
- V -
第1章 緒論
1.1 課題背景
生產(chǎn)力在不斷進(jìn)步，推動(dòng)著科技的進(jìn)步與革新，以建立更加合理的生
產(chǎn)關(guān)系。自工業(yè)革命以來，人力勞動(dòng)已經(jīng)逐漸被機(jī)械所取代，而這種變革
為人類社會(huì)創(chuàng)造出巨大的財(cái)富，極大地推動(dòng)了人類社會(huì)的進(jìn)步。時(shí)至今天，機(jī)電一體化，機(jī)械智能化等技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并已經(jīng)成為時(shí)代的主旋律。人類充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)機(jī)械的利用效率，使之為我們創(chuàng)造出愈加巨大的生產(chǎn)力。
工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)是人類在利用機(jī)械進(jìn)行社會(huì)生產(chǎn)史上的一個(gè)里程碑。在發(fā)達(dá)國家中，工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線成套設(shè)備已成為自動(dòng)化裝備的主流及未來的發(fā)展方向。國外汽車行業(yè)、電子電器行業(yè)、工程機(jī)械等行業(yè)已經(jīng)大量使用工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線，以保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效
率，同時(shí)避免了大量的工傷事故。全球諸多國家近半個(gè)世紀(jì)的工業(yè)機(jī)器人的使用實(shí)踐表明，工業(yè)機(jī)器人的普及是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，提高社會(huì)生產(chǎn)效
率，推動(dòng)企業(yè)和社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展的有效手段。我國的工業(yè)機(jī)器人研制起步
較晚，但是有著廣大的市場潛力，有著眾多的人才和資源基礎(chǔ)。近年來國家政策的鼓勵(lì)支持下，我國自主制造出自己的工業(yè)機(jī)器人，并且將工業(yè)機(jī)
器人推廣應(yīng)用到制造與非制造等廣大的行業(yè)中，提高我國勞動(dòng)力成本，提
高我國企業(yè)的生產(chǎn)效率和國際競爭力，從整體上提高我國社會(huì)生產(chǎn)的安全
高效[1]。
1.2 工業(yè)機(jī)器人概念
工業(yè)機(jī)器人由機(jī)械本體、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適用于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)線。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。機(jī)器人并不是在簡單意義上代替工人的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長和機(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非工業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。
1.3 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷史
世界上第一臺(tái)機(jī)器人于1954年誕生于美國，雖然它是一臺(tái)試驗(yàn)的樣
機(jī)，然而它體現(xiàn)了現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用的機(jī)器人的主要特征，20世紀(jì)60年代，機(jī)器人產(chǎn)品問世，代表性的有美國 Unimation 公司的 Unimate 機(jī)器人和美國AMF公司的 Versatran 機(jī)器人，這兩種機(jī)器人被認(rèn)為是世界上的最早的工業(yè)機(jī)器人。
20世紀(jì)70年代，機(jī)器人進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)用化時(shí)代，到80年代，工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入普及時(shí)代，汽車、電子等行業(yè)開始大量使用工業(yè)機(jī)器人，推動(dòng)了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。機(jī)器人的研究和開發(fā)，無論就水平和規(guī)模而言都得到迅速發(fā)展，高性能的機(jī)器人所占比例將不斷增加，1985年前后，F(xiàn)ANUC 和GMF公司先后推出交流伺服驅(qū)動(dòng)的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品，這一時(shí)期各種裝配機(jī)器人的產(chǎn)量增長較快、與機(jī)器人配套使用的裝置和視覺技術(shù)正在迅速發(fā)展。目前，工業(yè)機(jī)器人的開發(fā)和研究領(lǐng)域已經(jīng)成為各國工業(yè)自動(dòng)化的方向。
1.4 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀
機(jī)器人是最典型的機(jī)電一體化數(shù)字化裝備，技術(shù)附加值很高，應(yīng)用范
圍很廣，作為先進(jìn)制造業(yè)的支撐技術(shù)和信息化社會(huì)的新興產(chǎn)業(yè)，將對(duì)未來生產(chǎn)和社會(huì)發(fā)展起越來越重要的作用。
國外專家預(yù)測，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車、計(jì)算機(jī)之后出現(xiàn)的新的大型高
技術(shù)產(chǎn)業(yè)。據(jù)國際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)（IFR）統(tǒng)計(jì)，世界機(jī)器人市場前景看好，從 20 世紀(jì)下半葉起，世界機(jī)器人產(chǎn)業(yè)一直保持著穩(wěn)步增長的良好勢
頭。進(jìn)入90年代，機(jī)器人產(chǎn)品發(fā)展速度加快，年增長率平均在10%左右，2000年增長率上升到15%。正如《21世紀(jì)日本創(chuàng)建機(jī)器人社會(huì)技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略報(bào)告》指出，“機(jī)器人技術(shù)（RT）與信息技術(shù)（IT）一樣，在強(qiáng)化產(chǎn)業(yè)競爭力方面是極為重要的戰(zhàn)略高技術(shù)領(lǐng)域。培育未來機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是支撐 21世紀(jì)日本產(chǎn)業(yè)競爭力的產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略之一，具有非常重要的意義?！弊罱?，韓國也將智能機(jī)器人作為十大戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)之一列入國家發(fā)展規(guī)劃現(xiàn)正在實(shí)施中。
機(jī)器人涉及到機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、人工智能、傳感器、通訊
與網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域，是多種高新技術(shù)發(fā)展成果的綜合集成。因此它
的發(fā)展與上述學(xué)科發(fā)展密切相關(guān)。機(jī)器人在制造業(yè)的應(yīng)用范圍越來越廣闊，其標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的程度也越來越高，功能越來越強(qiáng)，并向著成套技術(shù)和裝備的方向發(fā)展。機(jī)器人應(yīng)用從傳統(tǒng)制造業(yè)向非制造業(yè)轉(zhuǎn)變，向以人為中心的個(gè)人化和微小型方向發(fā)展，并將服務(wù)于人類活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域?？傏厔菔菑莫M義的機(jī)器人概念向廣義的機(jī)器人技術(shù)（RT）概念轉(zhuǎn)移；從工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)向解決工程應(yīng)用方案業(yè)務(wù)的機(jī)器人技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。機(jī)器人技術(shù)（RT）的內(nèi)涵已變?yōu)椤办`活應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)的、具有實(shí)在動(dòng)作功能的智能化系統(tǒng)?！蹦壳?，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)正在向智能機(jī)器和智能系統(tǒng)的方向發(fā)展，其發(fā)展趨勢主要為：結(jié)構(gòu)的模塊化和可重構(gòu)化；控制技術(shù)的開放化、PC 化和網(wǎng)絡(luò)化；伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的數(shù)字化和分散化；多傳感器融合技術(shù)的實(shí)用化；工作環(huán)境設(shè)計(jì)的優(yōu)化和作業(yè)的柔性化以及系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和智能化等方面[2]。
我國的機(jī)器人研究開發(fā)工作始于 20 世紀(jì) 70 年代初，到現(xiàn)在已經(jīng)歷了30 年的歷程。前 10 年處于研究單位自行開展研究工作狀態(tài)，發(fā)展比較緩慢。1985 年后開始列入國家有關(guān)計(jì)劃，發(fā)展比較快。特別是在 “七五”、 “八五”、“九五”機(jī)器人技術(shù)國家攻關(guān)、“863”高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃的重點(diǎn)支持下，我國的機(jī)器人技術(shù)取得了重大發(fā)展。
我國近幾年機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線已經(jīng)不斷出現(xiàn)，并給用戶帶來顯著效益。隨著我國工業(yè)企業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提高，機(jī)器人自動(dòng)化線的市場也會(huì)越來越大，并且逐漸成為自動(dòng)化生產(chǎn)線的主要方式。我國機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線裝備的市場剛剛起步，而國內(nèi)裝備制造業(yè)正處于由傳統(tǒng)裝備向先進(jìn)制造裝備轉(zhuǎn)型的時(shí)期，這就給機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線研究開發(fā)者帶來巨大商機(jī)。據(jù)預(yù)測，目前我國僅汽車行業(yè)、電子和家電行業(yè)、煙草行業(yè)、新電池行業(yè)等，年需求此類自動(dòng)化線就達(dá) 300 多條，產(chǎn)值約為 60 多億元人民幣。
1.5 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展趨勢
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷向智能化方向發(fā)展，機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)
展和深化以及在系統(tǒng)(FMS、CIMS)中的群體應(yīng)用，工業(yè)機(jī)器人也在不斷向智能化方向發(fā)展，以適應(yīng)“敏捷制造”(Agile Manufacturing)，滿足多樣化、個(gè)性化的需要，并適應(yīng)多變的非結(jié)構(gòu)環(huán)境作業(yè)，向非制造領(lǐng)域進(jìn)軍。
（1）感覺功能：感覺功能方功能方面將實(shí)現(xiàn)多傳感器信息的融合，
以檢測多變的外部環(huán)境，做出判斷和決策，其實(shí)質(zhì)類似于人的五官和身體的綜合感覺功能，包括視覺、觸覺、力覺、滑覺、接近覺、壓覺、聽覺、味覺、臭覺、溫覺等。研究包括各類傳感信息的采集及融合處理、傳感器與驅(qū)動(dòng)器一體化技術(shù)、感覺功能繼承模塊等。
（2）控制智能化：由硬線控制走向 NC，離線編程發(fā)展，進(jìn)而發(fā)展到進(jìn)一步應(yīng)用。隨著系統(tǒng)化、集成化生產(chǎn)的發(fā)展，基于 PC 的開放式控制。系統(tǒng)將機(jī)器人控制和車間一級(jí)控制的發(fā)展方向。
（3）移動(dòng)功能的智能化：為解決長距離搬運(yùn)作業(yè)、大作業(yè)對(duì)象、多作業(yè)對(duì)象及極限作業(yè)等問題，需開發(fā)自主移動(dòng)系統(tǒng)(包括滑動(dòng)、滾動(dòng)、行走、爬行、跳躍、飛行等)。
（4）系統(tǒng)應(yīng)用與集成化：支持以人為核心的生產(chǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)中機(jī)器人群體協(xié)調(diào)功能、群智能和多機(jī)通訊協(xié)議，開發(fā)能理解人的意志的 “同事機(jī)器人”。系統(tǒng)中的“同事機(jī)器人”(Cobot)不在興起將成為操作人員不可或缺的伙伴。圍繞著各種機(jī)器人共存的堵多課題，正在興起一門新學(xué)科“軟機(jī)器人學(xué)”。
（5）安全可靠性：由于大量不確定因素的存在，要實(shí)現(xiàn)智能化的安全可靠性，機(jī)器人必須具有對(duì)各種意外情況的應(yīng)變能力，及時(shí)采取預(yù)防措施和安全對(duì)策，包括硬件級(jí)、軟件級(jí)、應(yīng)用級(jí)和人機(jī)系統(tǒng)的自診斷和自修復(fù)故障。
（6）微型化：向微型化發(fā)展，開發(fā)毫米級(jí)機(jī)器人，用于微加工、醫(yī)學(xué)、宇宙和海洋開發(fā)等領(lǐng)域。
（7）多傳感器信息融合與配置技術(shù)：機(jī)器人的傳感器配置和融合技術(shù)在生產(chǎn)過程自動(dòng)控制中的應(yīng)用包括面向工藝過程的多傳感融合和配置技術(shù)；采用智能傳感器的現(xiàn)場總線技術(shù)；面向工藝要求的新型傳感器研制。機(jī)電一體化智能傳感器包括具有感知、自主運(yùn)動(dòng)、自清污(自調(diào)整、自適應(yīng))的機(jī)電一體化傳感器研究；面向工藝要求的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)檢測和清污的自主運(yùn)動(dòng)。
1.6 本章小結(jié)
本章簡單介紹了工業(yè)機(jī)器人的概念、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，對(duì)了解工業(yè)機(jī)器人研發(fā)的意義，為下面機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
第2章 機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選擇
擰緊螺母機(jī)器人是非常典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它是機(jī)械機(jī)構(gòu)、伺服
系統(tǒng)和工控機(jī)(PLC) 等有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物，隨著社會(huì)的發(fā)展，其機(jī)械結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了較大的變化，由原來的大、復(fù)雜、精度低、功能少等正朝著小、精密、功能強(qiáng)大等方向發(fā)展，與傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)相比，其不僅具有較高的定位精度，還具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，即響應(yīng)快、穩(wěn)定性好。
2.1 擰螺母機(jī)器人機(jī)構(gòu)本體設(shè)計(jì)
2.1.1 總體結(jié)構(gòu)方案擬定
首先需要對(duì)安全氣囊( 在本文中，選擇一種類型的安全氣囊作為示例)的結(jié)構(gòu)作簡要說明，四個(gè)螺柱呈正方形排列，正方形邊長為82mm ，四個(gè)
螺柱的螺紋規(guī)格均為M5，要求用四個(gè)同規(guī)格的螺母進(jìn)行擰緊，擰緊扭矩為18N ·m。方案擬定對(duì)四個(gè)螺柱分別進(jìn)行螺母擰緊，即先對(duì)螺柱1 進(jìn)行擰緊，然后返回螺母供應(yīng)處取螺母再進(jìn)行對(duì)2 號(hào)螺柱進(jìn)行擰緊，對(duì)3 號(hào)、4 號(hào)螺柱也是以同樣的方式進(jìn)行擰緊。在設(shè)計(jì)機(jī)械本體的過程中，機(jī)械手的設(shè)計(jì)很重要，擬選擇AFC 系列擰緊機(jī)作為擰緊工具，在擰緊機(jī)的頭部連接上磁性螺母套頭，此性螺母套頭直接接觸螺母，主要是對(duì)螺母進(jìn)行吸附和擰緊，此套頭可以更換，當(dāng)對(duì)不同類型的安全氣囊進(jìn)行螺母擰緊時(shí)，就可以在擰緊機(jī)上連接相配套規(guī)格的套頭，在本例中，也要設(shè)計(jì)出與M5 螺母相配套的套頭，其結(jié)構(gòu)圖見圖2-5，定力矩?cái)Q螺母機(jī)械手在橫向(X) 軸的導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，(X) 軸導(dǎo)軌在縱向(Y) 軸導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，X-Y 兩軸的速度合成了機(jī)械手的速度，機(jī)械手在X-Y 平面內(nèi)的位置就可以通過分別在X、Y 軸的投影確定，即機(jī)械手做直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)來對(duì)螺母進(jìn)行定位，機(jī)械手在X-Y 平面內(nèi)的直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)由伺服電機(jī)通過絲杠來驅(qū)動(dòng)，選用專門的定位模塊通過控制其向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出的脈沖量和脈沖率來保證機(jī)械手的精確定位，當(dāng)機(jī)械手到達(dá)目的位置時(shí)，機(jī)械手的上下運(yùn)動(dòng)通過氣動(dòng)方法實(shí)現(xiàn)，選擇氣缸作為執(zhí)行元件，氣缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)方向由換向電磁閥來控制，速度通過速度控制閥來控制。另外，擬選用氣壓缸作為工件( 安全氣囊)的夾緊裝置。
2.1.1.1 主要參數(shù)設(shè)定
橫向(X 向)工作行程700mm,縱向(Y 向)工作行程600mm；
機(jī)械手最大運(yùn)行速度為0.8m/s；
定位精度為0.001mm。
2.1.1.2 坐標(biāo)系的選擇
擰螺母機(jī)器人設(shè)計(jì)的主要問題是選擇連桿件和運(yùn)動(dòng)副組成的坐標(biāo)形式，最廣泛使用的工業(yè)機(jī)器人坐標(biāo)形勢有：直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球面坐標(biāo)式、關(guān)節(jié)坐標(biāo)式。本系統(tǒng)具有3 個(gè)自由度，既X 軸、Y 軸、Z 軸，其中X、Y 進(jìn)行直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，Z 軸進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，符合直角坐標(biāo)式的特點(diǎn)，故選擇采用直角坐標(biāo)式，另外，直角坐標(biāo)式機(jī)器人還有其他式坐標(biāo)機(jī)器人不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，如下：
（1）結(jié)構(gòu)簡單；
（2）容易編程；
（3）采用直線滾動(dòng)道軌后，速度高，定位精度高；
（4）在X、Y、Z 三個(gè)坐標(biāo)軸方向上的運(yùn)動(dòng)沒有耦合作用，對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對(duì)容易些。
圖 2-1 為擰緊螺母機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)模型圖，其結(jié)構(gòu)形式采用標(biāo)準(zhǔn)的直角坐標(biāo)系式。
不過，和其的坐標(biāo)式機(jī)器人相比，也具有一些缺點(diǎn)，由于直角坐標(biāo)式機(jī)器人必須采用導(dǎo)軌，故帶來一些缺點(diǎn)，例如其道軌面的防護(hù)比較困難不能像轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的軸承那樣密封的很好；導(dǎo)軌的支撐結(jié)構(gòu)增加了機(jī)器人的重量；結(jié)構(gòu)尺寸與有效工作范圍相比顯得龐大，移動(dòng)部件的慣量比較大，增加了驅(qū)動(dòng)裝置的尺寸和能量消耗。
2.1.1.3 驅(qū)動(dòng)方式的選擇
機(jī)械手在X-Y 平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)采用伺服驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件,其上下運(yùn)動(dòng)、螺母供應(yīng)桿的上下運(yùn)動(dòng)和夾緊機(jī)構(gòu)均采用氣壓式執(zhí)行元件。
2.1.2 機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇
2.1.2.1 滾珠絲杠副的選擇
本機(jī)器人的傳動(dòng)方式為絲杠傳動(dòng)，因此，要進(jìn)行對(duì)絲杠進(jìn)行選型。滾珠絲杠副是一種新型的螺旋傳動(dòng)元件，它的產(chǎn)生和發(fā)展只經(jīng)歷了數(shù)十年的歷史，然而它在國內(nèi)外工程技術(shù)界人士中已引起了廣泛的興趣和重視。
當(dāng)今滾珠絲杠副在機(jī)床工業(yè)、汽車工業(yè)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、航空工業(yè)、船舶工業(yè)和兵器工業(yè)等各個(gè)部門皆獲得了日益廣泛的應(yīng)用。在此較短的時(shí)期內(nèi)，它之所以能夠得到如此迅速的發(fā)展和較普遍的應(yīng)用，主要的原因是內(nèi)于滾珠絲杠副具有高效率和高精的特點(diǎn)，并具有優(yōu)越的高速特性和耐磨損性及運(yùn)動(dòng)可逆性等特性；這些特點(diǎn)都是普通絲杠副不可能具備的。總之，它具有許多良好的機(jī)械傳動(dòng)性能。所以，滾珠絲杠副已成為非常有效的、普遍適用的螺旋傳動(dòng)元件。此外它又可以像滾動(dòng)軸承那樣，由專業(yè)廠家組織生產(chǎn)和供應(yīng)，向用戶提供一種新穎的配套元件；廣大用戶司根據(jù)各自的需要方便地進(jìn)行選用和訂購。關(guān)于滾珠絲杠副的產(chǎn)生和發(fā)展以及它的主要特性如下：
（1）以滾動(dòng)代替滑動(dòng)；
（2）極高傳動(dòng)效率；
（3）極高的精度；
（4）軸向間隙為零；
（5）使用壽命長；
（6）精確的同步運(yùn)動(dòng)；
（7）運(yùn)動(dòng)的可逆性；
（8）廣闊的發(fā)展前景。
對(duì)于滾珠絲杠副，其結(jié)構(gòu)上最明顯的特征是：構(gòu)件間的可動(dòng)聯(lián)接通常不是借助于運(yùn)動(dòng)副本身，而是在絲杠和螺母兩構(gòu)件之間利用小間元件(滾珠)來實(shí)現(xiàn)的。滾珠絲杠副與滾動(dòng)軸承相類似，它們都是借助于滾珠來實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的可動(dòng)連接的
由上述工作原理可知，滾珠絲杠副與滑動(dòng)絲杠副比較滾動(dòng)摩擦代替了滑動(dòng)摩擦，因此，具有以下特點(diǎn)
（1）摩擦損失小、傳動(dòng)效率高
由于滾動(dòng)絲杠副的摩擦損失小，其傳動(dòng)效率可達(dá)90~96％，約為滑動(dòng)
螺旋機(jī)構(gòu)效率的2~3倍。
（2）磨損小、壽命長
通常，滾珠絲杠副的主要零件，如絲杠、螺母及滾珠都是經(jīng)過淬硬
的，并有很低的表面粗糙度；而且滾動(dòng)摩擦的磨損很小，因而具有良好的耐磨性，即其精度保持性能好，工作壽命長。
（3）軸向剛度高
由于滾珠絲杠副可以完全地消除傳動(dòng)間隙，而不致影響絲杠運(yùn)動(dòng)的靈
活性，因而可以獲得較高的軸向剛度。通常，可以通過預(yù)緊來提高鈾向剛
度。
（4）摩擦阻力小、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)
由于是滾動(dòng)摩擦，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)相差較小，其摩擦阻力幾乎與速度
無關(guān)，而且靜摩擦力極小，啟動(dòng)力矩與運(yùn)動(dòng)力矩近于相等。因而靈敏高，運(yùn)動(dòng)較平穩(wěn)，啟動(dòng)時(shí)無顏動(dòng)，低速傳動(dòng)時(shí)無爬行現(xiàn)象。
（5）不能自鎖、具有傳動(dòng)的可逆性
在選用滾珠絲杠時(shí)，必須知道實(shí)際的工作條件：即最大的工作載荷
F max、絲杠的工作長度L、絲杠的轉(zhuǎn)速n等。
承載能力的選擇：
計(jì)算作用于絲杠的軸向最大動(dòng)載荷FQ,然后再根據(jù)FQ選擇絲杠副的型號(hào)。
（2-1）
式中L—滾珠絲杠的壽命系數(shù)，本機(jī)器人的壽命為1.5；
—硬度系數(shù)，在本機(jī)器人中，為1.11 ；
—載荷系數(shù)，在本機(jī)器人中，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)時(shí)為1.0；
—最大工作載荷，在本機(jī)器人中，(X) 最大工作載荷為200N；(Y) 向最大工作載荷為3000N 。
以(X) 軸為例：
（1）由表4.2 選擇精度等級(jí)為2 級(jí)。
（2）滾珠絲杠導(dǎo)程的選擇：選用
（3）最大行程：
S = 750mm
（4）平均轉(zhuǎn)速、平均軸向力：
（5）預(yù)壓力：
（6）動(dòng)額定負(fù)荷的計(jì)算：
由表4.8 選取設(shè)計(jì)壽命以公里計(jì)為：
由行走距離轉(zhuǎn)換成小時(shí)：
（2-2）
（7）平均軸向負(fù)荷:
+P = 500+179 = 679N
由小時(shí)轉(zhuǎn)換成回轉(zhuǎn)次數(shù)L ：
動(dòng)額定計(jì)算負(fù)荷C′：
所以，從HIWIN 滾珠絲杠的型號(hào)中，挑選FDW 型式的螺母，其中公稱直徑為25mm ，且珠圈數(shù)是B2設(shè)計(jì)即可符合要求。
滾珠絲杠規(guī)格：25-5B2
導(dǎo)程：5mm
節(jié)圓直徑：25mm
珠圈數(shù)：2.5×2
鋼珠直徑：3.175mm
根徑：23.425mm
屈服負(fù)荷和臨界轉(zhuǎn)速之支撐方式：固定—支撐
所以在擰螺母機(jī)器人系統(tǒng)中，X向選擇的滾珠絲杠為插管埋入式雙螺
母滾珠絲杠副，型號(hào)為LMZD25-10B2，絲杠得導(dǎo)程 Lo = 10mm，絲杠公稱直徑d=25mm ，額定靜載荷為280N；Y向選擇LMZD50-10B2，絲杠導(dǎo)程Lo = 10mm，絲杠公稱直徑d=50mm ，額定靜載荷為3500N。
2.1.2.2 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的選擇
導(dǎo)軌按運(yùn)動(dòng)軌跡劃分可分為直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌和圓周（回轉(zhuǎn)）運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌；按工作時(shí)摩擦特性劃分為滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌；滑動(dòng)導(dǎo)軌又有普通滑動(dòng)導(dǎo)軌、液壓動(dòng)壓導(dǎo)軌、液壓靜壓導(dǎo)軌和卸荷導(dǎo)軌等；滾動(dòng)導(dǎo)軌按流動(dòng)體地不同又分為滾珠導(dǎo)軌、滾珠導(dǎo)軌和滾針導(dǎo)軌等；按導(dǎo)軌的受力情況可分為開示導(dǎo)軌和閉式導(dǎo)軌。
滾動(dòng)導(dǎo)軌是在導(dǎo)軌面之間裝有一定數(shù)量的滾動(dòng)體：滾珠、滾柱和滾針，使兩導(dǎo)軌面之間具有了滾動(dòng)摩擦性質(zhì)，即摩擦系數(shù)小以及動(dòng)、靜摩擦系數(shù)很接近。因此，滾動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)輕便，磨損小，并可避免出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，且定位精度高，但由于滾動(dòng)體的原因，此類導(dǎo)軌的抗震性較差，對(duì)臟物也較敏感。
滾動(dòng)導(dǎo)軌的分類可從下述不同角度進(jìn)行：
按運(yùn)動(dòng)軌跡分直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌、圓周運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌；按滾動(dòng)體形式分滾珠導(dǎo)軌、滾柱導(dǎo)軌和滾針導(dǎo)軌等；按滾動(dòng)體在導(dǎo)軌面間的運(yùn)動(dòng)形式分循環(huán)和非循環(huán)式。循環(huán)導(dǎo)軌是滾動(dòng)體工作時(shí)可在導(dǎo)軌的工作滾道和返回滾道之間循環(huán)。常用的有滾動(dòng)導(dǎo)軌塊和直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副。
直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副配置情況如圖2-3 所示：
圖2-3 直線導(dǎo)軌副
直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的特點(diǎn)：
（1）載荷能力大：剛球與圓弧滾道的接觸比與平面接觸的載荷能力可提高13 倍
（2）剛性強(qiáng)：在制作時(shí)，給定預(yù)加載荷而獲得較高系統(tǒng)剛度，能承受較大的切削力、沖擊與振動(dòng)。
（3）四方向等載荷：全方位上的剛度值一致，具有良好的減振特性。
（4）壽命長：由于是純滾動(dòng)，摩擦因數(shù)為滑動(dòng)導(dǎo)軌的1/50 左右，主機(jī)消耗低，省電節(jié)能，便于機(jī)械小型化。
（5）傳動(dòng)平穩(wěn)可靠：動(dòng)作輕便靈活，定位精度高，微量移動(dòng)靈活準(zhǔn)確。
（6）具有機(jī)構(gòu)自調(diào)整能力：相對(duì)配件加工精度要求可降低，且安裝使用方便。
在擰螺母機(jī)器人系統(tǒng)中，在選擇滾動(dòng)直線導(dǎo)軌時(shí)，采用兩根滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副，每根導(dǎo)軌上有一個(gè)滑塊，在 X 向，機(jī)械手G1=150N，滑座G2=300N。故總負(fù)荷P = G1 + G2=150 + 300 = 450 N。選四方向等載荷型，型號(hào)為HGH35CA1R。
Y向?qū)к壊粌H起到牽引作用，而且還支撐著X 導(dǎo)軌和機(jī)械手，因此在選擇時(shí)，不僅要注意其靜載荷，還要考慮其偏重力矩，防止被卡死。( 偏重力矩即X 向?qū)к壓蜋C(jī)械手的總質(zhì)量對(duì)Y 向?qū)к壍撵o力矩) ，當(dāng)機(jī)械手移動(dòng)到離Y 導(dǎo)軌最遠(yuǎn)時(shí)，其偏重力矩最大，故偏重力矩應(yīng)按懸伸最大行程、最大抓重時(shí)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)靜力學(xué)原理可求出手臂重質(zhì)量的質(zhì)心為之距Y 向?qū)к壍木嚯x，即偏重力矩L。
因?yàn)闄C(jī)械手和X 向?qū)к壻|(zhì)量很小，偏重力矩臂不太長，故選擇型號(hào)為 HGH55CA1R, 其抗偏重扭矩為5.66KNM
2.1.3 機(jī)械手的設(shè)計(jì)
擰螺母機(jī)器人機(jī)械手的核心元件是螺母擰緊機(jī)和磁性螺母套頭，螺母擰緊機(jī)工具型號(hào)為：NFT-201RM1—S.本系統(tǒng)所選用的擰緊機(jī)為日本第一電通公司生產(chǎn)的由AFC1500 系統(tǒng)控制的擰緊機(jī)，該系統(tǒng)是以低成本實(shí)現(xiàn)各種形式螺栓擰緊為目的而開發(fā)的電動(dòng)螺栓擰緊機(jī)。其擰緊工具結(jié)構(gòu)見圖2-4。
圖2-4 擰緊機(jī)機(jī)構(gòu)簡圖
此擰緊機(jī)由四部分組成，分別是：解析器、永磁電機(jī)、齒輪、扭矩轉(zhuǎn)換器的主要特點(diǎn)如下：
（1）扭轉(zhuǎn)精度：全量程扭矩的1/2～全量程扭矩的3%以內(nèi)。
（2）角度表示最小單位：1? 度??；
（3）角度內(nèi)部控制單位：0.1 度；
（4）扭矩轉(zhuǎn)換精度：±1% ；
（5）擰緊放式：扭矩法、角度法；
（6）扭矩、轉(zhuǎn)速 ：最大扭矩為19.6N，最高轉(zhuǎn)速為500r/m ；
在本系統(tǒng)中，磁性螺母套頭連接在擰緊機(jī)上，其作用是吸附著螺母隨
機(jī)械手一起運(yùn)動(dòng)，其機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)見圖2-5。
圖2-5 磁性螺母套頭結(jié)構(gòu)圖
磁性套頭具有磁性，對(duì)螺母具有吸附作用，彈簧蓋是擰在套節(jié)里面，彈簧在彈簧蓋的壓力下頂著磁性套頭，對(duì)磁性套頭起著緩沖和復(fù)位作用。
螺母擰緊機(jī)、磁性套頭、氣缸、彈簧等連接，構(gòu)成了機(jī)械手，如下圖
2-6所示。
圖2-6 機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖
螺母在螺母桿( 圖中未畫出) 的推動(dòng)下向上運(yùn)動(dòng)，等快觸到磁性螺母套頭時(shí)螺母桿停止運(yùn)動(dòng)，而螺母在慣性的作用下繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，在磁性的作用下被吸附在套頭上；氣缸固定在導(dǎo)軌的滑座上，汽缸活塞的上下運(yùn)動(dòng)有電磁閥來控制，本系統(tǒng)選擇三位四通電磁閥，汽缸活塞的推桿帶動(dòng)擰緊機(jī)的上下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)機(jī)械手到達(dá)需要擰緊的螺栓上方后，氣缸活塞推動(dòng)擰緊機(jī)向下運(yùn)動(dòng)，加在擰緊機(jī)兩旁的彈簧能起到緩沖作用，避免擰緊機(jī)因快速向下移動(dòng)時(shí)對(duì)螺栓產(chǎn)生沖擊。同時(shí)，當(dāng)螺母接觸到螺栓的時(shí)候，磁性螺母套頭里的彈簧會(huì)收縮，磁性套頭也會(huì)隨著彈簧收縮，在擰緊的時(shí)候，彈簧會(huì)緊緊頂進(jìn)磁性套頭，使螺母和螺栓緊緊接觸，從而進(jìn)行擰緊動(dòng)作。
2.1.4 夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
利用氣壓缸作為工件的加緊裝置，以壓縮空氣為動(dòng)力源的氣動(dòng)夾具具
有很多的優(yōu)點(diǎn)，第一，空氣可以從大氣中取之不竭，無介質(zhì)費(fèi)用和供應(yīng)上 的困難，管道不易堵塞，亦不存在介質(zhì)變質(zhì)、補(bǔ)充、更換等問題，空氣的粘度很小，一般阻力損失不到郵路阻力損失的四分之一，第二，壓縮空氣的工作壓力較小，因此可降低氣動(dòng)元件的材質(zhì)和制造精度的要求，由于空氣流速快，所以，氣動(dòng)系統(tǒng)具有工作迅速、反映靈敏的特點(diǎn)，可縮短輔助時(shí)間。
單個(gè)汽缸設(shè)計(jì)計(jì)算，按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》選缸筒內(nèi)徑D=80mm ，活塞和壓桿的材料為45 鋼，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》的抗拉強(qiáng)度為560Mpa, 取安全系數(shù)為1.5，得許用應(yīng)力:560/1.5=373Mpa，由此可選區(qū)活塞桿直徑為16mm( 頭部直徑為40mm),活塞直徑D為80mm, 活塞和桿重計(jì)算：
壓縮空氣的工作壓力位P，取6Kgf/cm2,效率系數(shù)η取0.9。 氣缸的夾緊力為
因?yàn)樵诒鞠到y(tǒng)中，對(duì)安全氣囊的夾緊需要的力不是太大，故采用了一個(gè)汽缸進(jìn)行夾緊。
制動(dòng)力矩驗(yàn)算 M = FL
由機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)知L=83mm, 得
2.2 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和檢測裝置元件的選擇
2.2.1 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.2.1.1 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的概述
工業(yè)機(jī)器人一般由機(jī)械機(jī)構(gòu)本體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分組成。擰螺母機(jī)器人屬于工業(yè)機(jī)器人中的一類，自然也是有這三部分組成，本體由導(dǎo)軌、絲杠、機(jī)械手等組成，機(jī)械手以一定速度作定位運(yùn)動(dòng)，分別完成移動(dòng)、升降和擰緊工件等各種動(dòng)作。擰螺母機(jī)器人要完成規(guī)定的動(dòng)作并達(dá)到一定的精度要求，是復(fù)雜而又很難解決的問題，而伺服系統(tǒng)因響應(yīng)速度快、速度精度高、調(diào)速范圍寬、加減速性能好，可以提供靈活、方便、準(zhǔn)確和快速的驅(qū)動(dòng)，目前絕大部分機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)均采用交流伺服控制系統(tǒng)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)和電動(dòng)機(jī)磁性材料的發(fā)展，交流伺服驅(qū)動(dòng)控制也取得了極大的進(jìn)步，伺服系統(tǒng)已進(jìn)入全數(shù)字化和交流
化的時(shí)代。本系統(tǒng)采用松下公司的MINAS A 系列伺服電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器。為了更好地了解擰螺母機(jī)器人的原理，以下是對(duì)伺服系統(tǒng)特點(diǎn)的說明。
擰螺母機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)高精度的位置控制，而實(shí)現(xiàn)精確位置控制的一個(gè)基本條件是需要有高精度的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)脈沖當(dāng)量和進(jìn)給速度都要求太高時(shí)，傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)或直流伺服電機(jī)將面臨一系列問題，且實(shí)現(xiàn)起來難度大，成本較高。為了解決這個(gè)問題，我們選用了伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。從基本結(jié)構(gòu)來看，伺服系統(tǒng)主要由三部分組成：控制器、功率驅(qū)動(dòng)裝置、反饋裝置和電動(dòng)機(jī)?？刂破靼凑諗?shù)控系統(tǒng)的給定值和通過反饋裝置檢測的實(shí)際運(yùn)行值的差，調(diào)節(jié)控制量；功率驅(qū)動(dòng)裝置作為系統(tǒng)的主回路，一方面按控制量的大小將電網(wǎng)中的電能作用到電動(dòng)機(jī)之上，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小，另一方面按電動(dòng)機(jī)的要求把恒壓恒頻的電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)所需的交流電或直流電；電動(dòng)機(jī)則按供電大小拖動(dòng)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)。
該伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)接受控制單元的控制，控制單元為位置控制模塊，即FX2N-20GM ，F(xiàn)X2N-20GM 受到PLC 的控制，同時(shí)，輸出控制指令(脈沖/方向)以控制伺服驅(qū)動(dòng)器，在位置控制方式下，伺服驅(qū)動(dòng)器接收位置控制模塊發(fā)出的位置指令信號(hào)(脈沖／方向)，送入脈沖列形態(tài)，經(jīng)電子齒輪分倍頻后，在偏差可逆計(jì)數(shù)器中與反饋脈沖信號(hào)比較后形成偏差信號(hào)。反饋脈沖是由光電編碼器檢測到電機(jī)實(shí)際所產(chǎn)生的脈沖數(shù)，經(jīng)四倍頻后產(chǎn)生的。位置偏差信號(hào)經(jīng)位置環(huán)的復(fù)合前饋控制器調(diào)節(jié)后，形成速度指令信號(hào)。速度指令信號(hào)與速度反饋信號(hào) 與位置檢測裝置相同 比較后的偏差信號(hào)經(jīng)速度環(huán)比例積分控制器調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流指令信號(hào)，在電流環(huán)中經(jīng)矢量變換后，由SPWM 輸出轉(zhuǎn)矩電流，控制交流伺服電機(jī)的運(yùn)行。位置控制精度由光電編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖數(shù)控制。它分增量式光電編碼器和絕對(duì)式光電編碼器。增量式編碼器構(gòu)造簡單，易于掌握，平均壽命長，分辨率高，實(shí)際應(yīng)用較多。
本系統(tǒng)采用的是增量式光電編碼器。絕對(duì)式光電編碼器按二進(jìn)制編碼輸出，信號(hào)線多，由于精度取決于位數(shù)，所以高分辨率不易得到。但是這種編碼器即使不動(dòng)時(shí)也能輸出絕對(duì)角度信息，圖2-7 為伺服系統(tǒng)和控制器的系統(tǒng)構(gòu)成圖：
圖2-7 伺服系統(tǒng)和控制器的系統(tǒng)構(gòu)成圖
2.2.1.2 伺服驅(qū)動(dòng)器外觀和接線圖
在伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，伺服驅(qū)動(dòng)器要完成較復(fù)雜的控制算法，故電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，其電路可分為主電路、控制電路及顯示設(shè)定等幾部分，三相電源從 L1、L2、L3 三個(gè)輸入端子輸入驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部電路的控制，從 U、V、W 三個(gè)輸出端子輸出，控制交流伺服電機(jī)，控制電源從驅(qū)動(dòng)器的r、t輸入端子輸入，經(jīng)過整流，AC/DC轉(zhuǎn)換后作為控制電路的電源。
松下伺服驅(qū)動(dòng)器的控制電路主要由 CPU 和 ASIC 兩個(gè)部分組成，完成電動(dòng)機(jī)的速度控制、位置控制、電壓/電流等參數(shù)采集、編碼器信號(hào)處理、控制信號(hào)輸出、保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)以及與其他外設(shè)進(jìn)行接口等功能，驅(qū)動(dòng)器的顯示設(shè)定部分作為人機(jī)接口，完成驅(qū)動(dòng)器設(shè)定與操作等功能，松 MINAS A 系列伺服驅(qū)動(dòng)器在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中可以被設(shè)置為具有多種控制方式，可以進(jìn)行速度控制、位置控制機(jī)轉(zhuǎn)矩控制，而且該驅(qū)動(dòng)器還有完善的保護(hù)措施和方便的操作接口。圖2-8 為驅(qū)動(dòng)器外觀圖。
圖2-8 驅(qū)動(dòng)器外觀圖
接線時(shí)需要注意以下問題：
(1)連接電纜到每個(gè)接線端時(shí)，要用有絕緣套壓線端護(hù)以保證絕緣屏蔽。
(2)不安裝外接放電 L 時(shí)，請(qǐng)將(RB2
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