機電一體化-慧魚機器人(電焊機)

1、目錄1.機電一體化創(chuàng)新設計項目實驗教學大綱 1.1設計項目實驗的內(nèi)容1.2設計項目實驗的要求 1.3設計項目實驗應完成的工作1.4設計項目實驗進程安排2.慧魚機器人模型 2.1機器人的組成 2.2機器人的工作空間形式 2.3 機器人的機械運動形態(tài)和變換控制 2.4機器人的位移、速度的控制方法 2.5機器人的軌跡規(guī)劃 3.機電一體化系統(tǒng)創(chuàng)新設計分析 3.1 分析慧魚機器人模型的不合理設計 3.2 構思機械設備創(chuàng)新優(yōu)化的設計及思想3.3實訓課程的體會和建議2、慧魚機器人的模型。2.1、機器人的組成：點焊機器人主要由運動機構和控制系統(tǒng)兩大部分組成。運動機構，使點焊機完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復合運

2、動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變點焊機焊接時的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度 ?？刂茩C構主要是實現(xiàn)點焊機的自動化操做。 此次點焊機的組成主要是由慧魚機器人的組合模型零件組成的。主要有以下的零件： 機械零件：連桿、凸輪、齒輪（普通齒輪、錐齒輪、斜齒輪等）、渦輪、蝸桿、螺桿、軸（直軸和曲軸）、聯(lián)軸器、變速器、齒輪箱等； 電氣零件：直流電機、燈泡、電磁氣閥、行程開關、傳感器、可調(diào)直流變壓器、電腦接口板、PLC接口板、紅外線發(fā)射接收裝置等. 機構散件：臂、手、腕、立柱為組合模型必要的零部件，導向件為固定各零部件的方向必要的零件，支承件為支承各零部件的位置，機構部件組合

3、機構的必要零件。 其各類零件由下圖所示齒輪、齒輪軸和齒條 六面體及六面體的拼接 其他六面體及楔形體渦輪與蝸桿 萬向節(jié) 齒輪箱 普通電動機 燈泡 開關 脈沖齒輪主要組成：（1） 底座。直接利用渦輪當支撐件，機架與渦輪連成一體，通過渦輪蝸桿傳動，實現(xiàn)電焊機器人整體的左右旋轉(zhuǎn)功能。如下圖所示：（2） 點焊機器人手臂支架。如圖所示，手臂的上下擺動主要是靠絲桿傳動和滑塊機構共同工作實現(xiàn)的。絲桿的轉(zhuǎn)動帶動滑塊的前后移動，從而使得手臂在豎直方向上做擺動，其支撐形式主要是以穿在手臂支架中心處的支撐桿來支撐和旋轉(zhuǎn)的。只需控制旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速就可以控制手臂擺動的角度。（3） 機械手。如圖所示，機械臂的伸縮也是靠絲桿螺母

4、副來實現(xiàn)的。電機驅(qū)動絲桿轉(zhuǎn)動帶動紅色滑塊移動，紅色滑塊與機械臂連成一體，因此直接可以帶動機械臂前后伸縮。（4） 減速箱。如圖所示，電機轉(zhuǎn)動，經(jīng)過幾級的變速后，才對各個部件進行運動的控制。（5） 控制部件。如圖所示，無論是機構運動的角度還是行程的計算都是通過開關通斷的次數(shù)進行計算的。電機帶動槽輪的旋轉(zhuǎn)，從而使得開關不斷的進行啟停，只需通過一定的算法就可以計算實際運動的位移和角度。同時，該開關也可以作為限位開關來使用，以確定機器的原點和工作的極限位置。機器人整體圖如下圖所示：2.2、機器人的工作空間形式（1） 三維空間自由度的坐標形式如下圖所示：其中：M1是底座旋轉(zhuǎn)臺的電動機 M2是控制點焊機升降

5、的電動機 M3是控制點焊機焊點伸縮的電動機 M4是點焊機焊接點工作燈泡如下圖所示，以機械臂的軸心線作為x軸，則點焊機器人只有三個自由度：分別是： xoy平面上的轉(zhuǎn)動：如圖所示，其運動空間約為180度。 yoz平面上的轉(zhuǎn)動：機械臂可以上下擺動約九十度。y軸方向的移動。機械臂可以沿X軸方向前進或者后退。其行程約為10cm左右。2.3、機器人的機械運動形態(tài)和變換控制（1）點焊機底盤結(jié)構傳動簡圖如下：工作原理： 如圖為電動機M1帶動的運動鏈。M1轉(zhuǎn)動通過變速箱帶動蝸桿，蝸桿帶動渦輪。安裝在底盤的大渦輪帶動整個機器人轉(zhuǎn)動從而實現(xiàn)多角度的工作形式?？蓪崿F(xiàn)270度內(nèi)轉(zhuǎn)動主機架工作。旋轉(zhuǎn)的極限位置和這個方向上

6、的原點都是通過限位開關來實現(xiàn)的。（2）、電焊機手臂上下擺動結(jié)構傳動簡圖如下：工作原理： 如圖為電動機M2帶動的運動鏈。M2轉(zhuǎn)動通過變速箱、齒輪傳動到絲桿。安裝在絲桿上面的滑塊在絲桿的帶動下做平移運動，同時機械臂支架通過套筒與滑塊聯(lián)結(jié)，從而隨著滑塊一起運動。由于杠桿的原理，可讓機械臂在垂直面上上升或下降進行工作。其極限位置和該方向上的原點也是靠限位開關實現(xiàn)的。（3）、點焊機手臂伸縮機構傳動簡圖如下：工作原理： 如圖為電動機M3帶動的運動鏈，M3轉(zhuǎn)動通過變速箱帶動絲桿，安裝在絲桿上面的滑塊在絲桿的帶動下做平移運動，從而帶動懸臂運動?？蓪崿F(xiàn)機械臂在絲桿軸線方向上伸出或縮進進行工作。其極限位置和該方向

7、上的原點也是靠限位開關實現(xiàn)的。2.4、機器人的位移、速度、方向的控制。機器人的動作都是通過連接電腦的一塊智能電路板實現(xiàn)的。電腦通過數(shù)據(jù)線，將程序下載到智能版，再由智能板發(fā)出指令去控制機器人的電機、燈泡等部件，從而完成機器人的各種動作。機器人的個動作的位置、方向均由智能版的程序來控制實施。如電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止，只需在電腦中通過軟件如LLWin或者ROBOPro等軟件里編制相關程序控制便可。當然，如果有能力的話，也可以通過自己開發(fā)的連接庫，再用高級語言編寫程序，調(diào)用相關函數(shù)，同樣也能實現(xiàn)模型的控制。在實驗室提供的軟件中，我們還可以通過檢測各電機或者燈泡等部件是否正常，正常的話觀察各個自由度是否

8、全部到位，并且還可以檢測傳感器是否正常。這樣不但利于故障的檢測，而且還方便程序的調(diào)試和機器人的硬件調(diào)試。通過此方法，我們可以大致確定機器人不同自由度的各個極限的位置，避免電機因為卡死而燒壞或者硬件的損壞。如何對位移和角度進行控制和計算呢？如上圖所示，機器人的路程和角度的計算都是通過計算開關的閉合和開啟的次數(shù)來計算。電機的旋轉(zhuǎn)帶動槽輪的旋轉(zhuǎn)，不斷的使開關閉合和和斷開，再由智能板對其進行計數(shù)，再通過一定的換算比例就可以確定電機轉(zhuǎn)了多少圈，從而確定各部件運行了多少距離和角度。因此，只需要程序中給定一些參數(shù)，就可以直接操縱機器人的位移和角度的位置。2.5、機器人的軌跡規(guī)劃。 在編制機器人的軌跡之前，必

9、須確認各部分機構都正常，各部分都調(diào)試正常后，才對其進行程序的編寫和調(diào)試。由于機器人在運行前的位置不一，所以，程序的開頭必須對其進行復位，即機器人回到它的坐標原點。其原點的確定由各個自由度方向上的極限位置的限位開關來確定，程序只需要驅(qū)動各電機旋轉(zhuǎn)到極限位置，通過檢測限位開關的信號就可以確定其是否回到原點。次過程中，也可以對機器人的極限位置進行調(diào)整，以適應之后程序的要求。確定好原點后，就可以對其各部件運動的路程和角度進行計算。通過一定的算法編寫程序，再將程序下載到智能板中，就對機器人進行各種動作的循環(huán)和操作控制。下面是實驗時用的一種循環(huán)的過程圖：回原點運行到位置1，然后點焊運行到位置2，然后點焊運

10、行到位置3，然后點焊通過反復實驗和調(diào)整后，基本上機器人能很好的完成上述的循環(huán)，再通過修改參數(shù)，就可以實現(xiàn)機器人不同位置和不同動作的控制。 3、機電一體化系統(tǒng)創(chuàng)新設計分析3.1、分析德普施機器人和慧魚機器人模型的不合理設計。不合理設計：（1）、機器人模型中，只對各部件各個方向上的一端有限位開關，導致另一端無限制而使動作超程。 模型中，當機器人向原點的方向運動時，都有限位開關限制運動的極限位置，但是在相反的另一個方向卻是自由的。這樣的話會導致如果程序出錯而從另一個方向上一直運行，會出現(xiàn)損壞構件的隱患。（2）、機構部件過于零碎，導致強度不夠和摩擦力增大，易出現(xiàn)電機卡死現(xiàn)象。 有些連桿或者框架的結(jié)構應

11、該設計成為一體，那樣可以保持比較好的精度和使機構運動起來更加順暢。（3）、機械臂的支撐結(jié)構和驅(qū)動形式設計不合理。如圖所示，連接絲桿的螺母副結(jié)構不固定，導致左右擺動，甚至使得機械臂的撥叉脫離，使得功能失效，應改進這傳動結(jié)構和支撐形式。（4）、如下圖所示，由于此機器人是焊接機器人，對于焊接，需要一定的精度，而模型中的機械臂比較長，而且電機也是與機械臂連在一起，這必定會帶來振動，從而影響焊接精度和質(zhì)量。3.2、構思機械設備的創(chuàng)新優(yōu)化的設計以及設想。針對上述的不合理的問題，可以進行如下的改進和優(yōu)化。（1）、極限位置的限定問題。 最簡單的方法就是在另一側(cè)也設計相應的限位開關來限制另一端的極限位置。但在工

12、程問題上，設置一個限位開關是不安全的，一旦開關失靈了必定會導致很嚴重的后果，因此，至少會設置兩個限位開關。（2）、模型設計不合理的問題。 盡可能的將可以為一個整體的設計為一個整體，以保證機械運動的順暢性。無關緊要的可以再細分為其他小零件。（3）、機械臂支架傳動結(jié)構設計不合理的問題。 帶有與絲桿配合的螺母的滑塊由于自由度限制得不夠，導致左右搖擺，可以在其下方設置一條導軌，以限制在軸向旋轉(zhuǎn)的自由度，并且能夠起到支撐的作用。（4）、焊接時的振動問題。 電機直接與機械臂組成一體，必定會帶來振動的問題，并且在移動過程中，由于慣性力的問題，又會影響定位精度。因此，電機的位置應該最好設置在底座或者靠近底座的

13、位置，為實現(xiàn)其在不同方向上的傳動，可以使用錐齒輪傳動，以保證各個方向上穩(wěn)定的傳動。3.3、實訓課程的體會和建議。體會：在這次的機電一體化創(chuàng)新設計項目中，認識到各種設備模型和增強了動手實踐能力。模型建造過程，需要百分百的耐心和細心，不能有任何錯誤。如果前面有那么一個零部件選錯了，可能導致后面組裝時組裝不下，要拆前面組裝好的部件，得不償失。所以我們一開始先把零件逐個分開，再按照說明書的步驟逐步逐步地組裝。雖然這只是模型，但其實就是現(xiàn)實設備的縮小話，對于研究其機械結(jié)構和功能原理是非常直觀和方便的。通過模型去想象真實設備的結(jié)構和原理，并對其進行優(yōu)化和設計。模型當中存在著不少設計不合理性，需要我們一一探

14、索研究，結(jié)合實際提出合理設計要求。在這個項目過程中，基本上是對以前所學的專業(yè)知識的重新復習，通過這一次項目設計，對所學的知識有了更深的理解，把學到的東西真正運用到實際中去。實驗中，也增強了我們的團隊意思的。由于模型中，細小的零件非常多，非常容易出錯。因此，合理的分工和團隊的合作顯得尤為重要。在組裝過程中，組員們都非常的認真組裝，期間并無出現(xiàn)什么大錯誤，整個拼裝和調(diào)試過程都是非常順利的。這是一個非常有趣而且能在玩中學到東西的實驗，學校應該多弄些這樣的實驗來啟發(fā)學生的發(fā)散性思維。這樣的實驗激起我們的興趣，讓我們在玩的過程中又學習和增加了自己的專業(yè)基礎知識。最后衷心感謝老師在這個課程設計的耐心指導。優(yōu)化和建議：（1）