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安博电竞BX2-800 高速并联工业机器人
毕业设计（论文）-六自由度（六轴）关节坐标式打磨机器人设计doc
发布时间：2023-11-24 19:28:12 来源：安博电竞
PAGE 打磨机器人设计 全套图纸加扣 3346389411或3012250582 摘 要 本文主要介绍了工业自动打磨系统和六自由度（六轴）关节坐标式机器人打磨的编程，可应用与当今工业各类小型零件的打磨与抛光，在现实制造加工业中能够获得广泛运用，以达到解放生产工人的目的，具有非常好的开发意义和发展前途。根据自动打磨机器人的结构布局设计和机器人自动打磨编程设计两个方面，本课题可分为打磨机器人整体布局及其机械结构设计、打磨机器人控制管理系统的硬件组成及连接和打磨机器人软件设计三个部分进行设计。首先，整体介绍打磨机器人的设计的具体方案，通过一系列分析比较确定自动打磨系统的具体结构和布局安排。其次，设计加工平台的运动控制管理系统，对控制管理系统的硬件进行设计，对相关的电器件进行选型。最后，以固高控制器为基础实现伺服电机的精确控制及各个相关I/O信号的合理控制；在OtoStudio环境下设计人机交互界面，完成打磨动作智能自动控制。 关 键 词：工业机器人，打磨，控制管理系统，离线编程 THE DESIGN OF THE ROBOT FOR POLISHING Abstract This paper mainly introduces the industrial automatic polishing system and six degree of freedom(six axes) robotic polishing programming, application and industry today of all kinds of small things of polishing, in real manufacturing and processing can be widely used, to liberate the purpose of production workers, have the great means and very good development prospect. According to automatic polishing system design and robot programming design in the two aspects, this paper is divided into the station design,control system planning of hardware and robot programming three parts design and control. First,the overall introduction of the design of the workstation design, through the analysis of the specific arrangements for the workstation,and make it. Secondly, the motion control system about hardware of the design platform is designed, choose the related word of the hadware of the motion control system.Finally, the accurate control of servo motor and the reasonable control of each the related I/O signal to realize,it is based on the googol controller. In the otostudio environment,to develop and design The Human Machine Interface,it to achieve the intelligent control of the polishing working. KEY WORDS: industrial robot, polishing, control system, off-line programming 目 录 前 言 …………………………………………………………………… 1 第1章 打磨机器人整体布局及其机械结构设计 …………………… 3 §1.1 打磨机器人常见结构类型及方案选择 ……………………… 3 §1.1.1 打磨机器人不同的结构类型 ………………………… 3 §1.1.2 不同结构打磨机器人的特点 ………………………… 3 §1.1.3 直角坐标式机器人与关节坐标式对比 ………………… 5 §1.1.4 打磨机器人的结构设计的具体方案确定 ……………………… 6 §1.2 打磨机器人常见布置类型及方案选择 …………………… 6 §1.2.1 打磨机器人不同的布置方案及特点 …………………… 6 §1.2.2 打磨机器人的布置方案确定 ………………………… 8 §1.3 机器人本体结构特点分析 ………………………………… 8 §1.4 打磨头机械结构及其工作原理分析 ……………………… 9 §1.4.1 打磨头机械结构 ……………………………………… 9 §1.4.2 打磨头工作原理 ……………………………………… 10 §1.5 打磨工艺设计 ……………………………………………… 11 §1.5.1 打磨抛光工艺参数 …………………………………… 11 §1.5.2 独立打磨 ……………………………………………… 12 §1.5.3 同步打磨 ……………………………………………… 12 §1.6 电机校核 …………………………………………………… 12 §1.6.1 旋转伺服电机校核 …………………………………… 13 §1.6.2 直线音圈电机校核 …………………………………… 14 第2章 打磨机器人控制管理系统的硬件组成及连接 ………………… 15 §2.1 打磨机器人控制管理系统的基本组成 ………………………… 15 §2.2 固高控制器的简单介绍 …………………………………… 15 第3章 软件及人机界面设计 ……………………………………… 17 §3.1 打磨机器人运动控制程序设计 …………………………… 17 §3.1.1 程序结构 ……………………………………………… 17 §3.1.2 电机动作程序 ………………………………………… 18 §3.1.3 PID控制程序 ………………………………………… 18 §3.1.4 电机状态判断程序 …………………………………… 19 §3.2 打磨机器人运动控制界面设计 …………………………… 19 §3.2.1 运动控制界面 ………………………………………… 20 §3.2.2 抛光控制界面 ………………………………………… 21 结 论 ……………………………………………………………… 24 参考文献 ……………………………………………………………… 25 致 谢 ……………………………………………………………… 26 PAGE 2 前 言 1.设计选题的目的、意义和范围 (1)通过这次的打磨机器人的设计把工人从工业打磨抛光这类高劳动强度、对工人高的伤害性和很差的工作环境的工作性质中解放出来，方便打磨抛光工艺标准的建立。 （2）①有效提高打磨效率，利于工厂的批量化生产； ②通过机器人打磨能有效的降低产品的次品率，保证打磨质量； ③能够降低工人劳动强度，而且通常工业打磨抛光现场环境都很差，避免粉尘和噪音对工人身体健康的伤害； ④对产品改型适应性非常强，能够准确的通过用户需求改变打磨工艺。 （3）①设计打磨工序的执行和行路机构，和相关的机械机构的三维设计； ②熟悉该生产线的相关传感器并做到合理选择； ③以固高控制器为基础实现伺服电机的精确控制及各个相关I/O信号的合理控制； ④在OtoStudio环境下设计人机交互界面，完成打磨动作的智能自动控制。 2. 国内外同类设计（或同类研究）的概况综述及技术展望 工业机器人的发展阶段可分为：示教再现机器人、离线编程机器人和智能机器人。从国际上目前的状况看，打磨机器人核心内容有离线编程和运动规划技术、多机器人协作控制技术和打磨机器人系统仿真技术。 打磨电机选择使用交流伺服电机,因为交流伺服驱动系统的控制方式为闭环控制，电机通过编码器把反馈信息传递给驱动器。在系统内部形成速度环和位置环，实现对电机的速度和位置的精确控制，从而使打磨质量得以保证。 针对打磨应用的自动编程技术能表述为:打磨控制管理系统在编程过程中，能够在一定程度上帮助操作者做成相对独立的、具有实施性的编程任务的技术，其特点是智能化程度高、实用和工作效率高。离线编程技术有很大的实用意义，有利于降低工人编程劳动强度，提高设备智能化，是机器人行业的发展趋势。 多机器人协调控制技术是指在生产实际中，单个机器人有很多的局限性，比如：工作范围有限，工作效率低和理论工作区域内的实际在做的工作区域限制，让单个机器人工作变得困难或效率很低。此时我们用另外一个机器人相配合，能够直接进行复杂的工作，使工作过程的自动化程度更高。然而，多机器人协调控制技术的核心内容是：不同的控制管理系统之间能够实时通讯，并且补偿不同设备间的动作时间差，对生产实际意义很大。 3. 设计（或研究）方法 在设计过程中不仅要对现有的工业打磨机器人的结构、布局和打磨工艺方案进行借鉴吸收，对于它们不同的结构与方案进行比较分析，并通过你自己的实际在做的工作有必要进行选择，而且还要对现有设备做改进，添加上自己的想法。结合实际打磨工作的要求对相应模块进行选型，并进行校核计算，并对相关夹具进行设计。 PAGE 26 第1章 打磨机器人整体布局及其机械结构设计 §1.1打磨工业机器人常用结构类型及方案选择 §1.1.1打磨工业机器人不同的结构类型 工业机器人大致上可以分为以下六类(如图1-1)： 图1-1工业机器人分类 现在市面上成型的打磨工业机器人结构主要有三种：1.直角坐标式机器人（Linear Robot）如图1-2；2.关节坐标式机器人（Articulated Robot）如图1-3；3.并联机器人（Parallet Robot）如图1-4。 §1.1.2 不同结构工业打磨机器人的特点 直角坐标式机器人 直角坐标型机器人结构如图1-2所示，其结构主要是以直线运动轴为主，而且运动轴通常对应直角坐标系中的X轴、Y轴和Z轴，一般X轴和Y轴是指水平面内运动轴，Z轴是指上下运动轴。在实际应用中，Z轴上会带有一个旋转轴或带有一个摆动轴和一个旋转轴。在绝大多数情况下，直角坐标机器人的各个直线运动轴间的夹角为直角。直角坐标型的机械手可以在三个互相垂直的方向上作直线伸缩运动，而且该类机械手各个方向的运动都是独立的，计算和控制也较为方便，但是机器人设备占地面积较大，限于特定的环境下使用。 图1-2直角坐标式打磨工业机器人 图1-3关节坐标式打磨工业机器人 （2）关节坐标式机器人 关节坐标式机器人：形状结构类似手臂结构，也称关节手臂机器人（一般有5～6个运动轴），如右图1-3所示。其特点为: 1) 机器人能做出复杂的位姿动作，对工作内容适应能力强； 2) 末端执行件的最大线m/s，且最大加速度约10m/s2 ； 3) 关节坐标式机器人在工业焊接、装配（拧螺丝等）、检测等工序中应用广泛。 图1-4并联工业打磨机器人 （3）并联机器人 如图1-4所示为并联机器人的一种结构，和串联机器人相比：（1）在结构上：刚度大、结构稳定、运动惯性小等；（2）在位置求解上：串联结构容易根据各轴运动参数计算机器人执行件的位置，但由执行件目的位置反算各轴运动参数很难；然而并联结构正好相反。因此控制管理系统当在线实时计算时有反求计算时，并联机构会更有优势。 §1.1.3 直角坐标式机器人与关节坐标式对比 1.工作空间与承载能力： 1）对直角坐标式机器人来说，模块可拼装，承载能力强；例如：龙门框架式机器人的工作区域是标准的三维立体空间。 2）关节坐标式机器人的工作半径最大约为3m，工作区域内能随意位姿工作。不适合大距离空间工作。一般其承载能力在3～30Kg范围内。 说明：一般来说关节坐标式机器人的工作半径越大、承载能力越强，价格就会很昂贵。而龙门框架式机器人的承载能力较强，结构稳定可以扩展，且价格低很多。 2.工作精度 1）直角坐标式机器人：正常的情况下，其重复定位精度约为0.05mm。传动精度主要根据丝杠螺母副的精度。 2）关节坐标式机器人：正常的情况下，其重复定位精度约为0.05mm。工作精度受负载影响较大，轻载荷小半径范围运动场合下，重复定位精度可达到0.01mm。 3.机械安装及维护 1）直角坐标式机器人大多用丝杠螺母模块构建，给用户的选择余地很大，而且丝杠螺母模块一般已经配套好了电机，电机已经大致调试完成。所以只需要简单的组装就可以把机器人搭建出来，工作量很小。维护简单，维修费用较低。 2）关节坐标式一般都是整机销售，给用户的选择性较小。配套对应的控制管理系统和程序即可工作。所需要的安装空间较小，节约空间。由于内部机构精度要求比较高且复杂，后期维修和维护较难，成本比较高。 §1.1.4 打磨机器人的结构设计的具体方案确定 由以上分析可知：依据工业打磨的实际在做的工作要求，对机器人负载要求很低，对运动精度较高，且考虑到关节坐标机器人良好的运动灵活性以及对打磨工作区域范围限制小，对不同的打磨任务适应能力强，而且其工作速度高，工作效率高，所以本次打磨工业机器人设计选择可编程示教再现式通用六自由度（六轴）的关节坐标机器人。机器人进行编程时,只需要操作机器人运动到目标位置就能够实现编程工作,对操作人员的编程能力有一定的要求很低，方便编程和使用。 §1.2 打磨机器人常见布置类型及方案选择 §1.2.1 工业打磨机器人不同的布置方案及特点 现工业打磨机器人的布置方案有两种：（1）机器人执行末端携带砂轮对工件来加工（可见图1-3）；（2）砂轮单独布置，机器人执行末端携带工件与砂轮配合加工（可见图1-5）。 图 1-5 打磨机器人携带打磨头 方案一：在实际生产中，当机器人执行末端携带砂轮对工件来加工时，一般小型工件可以用夹具固定位置，并可以在配套的精确控制位置的传送带上完成上下料动作；而大型工件能够最终靠配置一个可以精确控制位置的变位机，与机器人相互协调完成整套的打磨动作。该布置方案的特点是：①机器人的负载能力可以只考虑打磨工具的重量，在机器人打磨范围内，工件的重量和大小不受影响,对产品改型换代适应性非常强；②机器人只需要执行打磨动作，工作效率较高；③当机器人配套夹具和工作流水线时，其工作范围受到限制，关节坐标式机器人灵活度高的优势不能得到充分发挥；而配套变位机，能大大的提升整个工艺流程的自动化程度；④设备功能不集中，占地面积较大。 方案二：在实际生产中，当砂轮单独布置，而机器人执行末端携带工件对工件来加工，完成整套打磨动作。该布置方案的特点是：①工作工件的质量范围受到机器人的负载能力的限制，对产品改型换代适应性较差；②机器人不仅需要执行打磨动作，而且还有必要进行上下料动作，工作效率较低；③关节坐标式机器人灵活度高的优势得到充分的发挥，一次加工就可以完成尽可能多的打磨工作内容,机器人的工作上的能力能够获得充分的利用，整个工艺流程的自动化程度提高；④ 设备功能集中，占地面积较小。 §1.2.2 打磨机器人的布置方案确定 由以上分析可知：依据工业打磨的实际在做的工作要求，考虑到对产品改型换代的适应性以及对打磨工艺要求的适应性（对砂轮与工件之间的间隙的测量以及对砂轮磨损的在线补偿），所以我选择方案一为本次工业打磨机器人设计的布置方案。按照我们的创新设计,打磨机重量仅约为3Kg。所以我们应该选择一台最大有效负荷必须大于3Kg的机器人。考虑到在生产实际中,可能会出现冲击、震动等因素的存在,因此就需要考虑留一些安全余量,本次选择了2倍的安全系数,所以最终选择的工业机器人的有效载荷为6Kg，工作半径为80mm。实际生产布置方案见图1-6。 图1-6 打磨机器人布置方案 §1.3 机器人本体结构特点分析 打磨机器人本体的6各轴运动情况分别是：轴1旋转，轴2手臂，轴3手肘，轴4旋转，轴5手腕，轴6旋转。而且每个运动轴结构均为：用伺服电机通过谐波减速器带动关节轴动作。这种结构的特点是：①省略中间传动结构，降低了传动误差，提高运动精确性；②运用谐波减速器减速，既能大大的提升输出扭矩，提高电机的负载能力。所以，采用这种结构有利于保证机器人运动准确，扩大了打磨工艺参数可选择范围。机器人本体参数见表1-1。 表1-1 机器人本体技术参数 基本信息参数 机器人负载 6 Kg 轴数 6轴 安装方法 落地、倾斜或倒置 运动参数 重复定位精度 0.02～0.03mm 重复路径精度 0.07～0.23mm 轴1旋转 ±180° 轴2大臂 ＋150°至－90° 轴3手肘 ＋75°至－180° 轴4旋转 ±400° 轴5手腕 ＋120°至－125° 轴6旋转 ±400° §1.4 打磨头机械结构及其工作原理 §1.4.1 打磨头的机械结构 打磨头（抛光机）具有2个自由度，包含一台IVCL-120-2直线电机（音圈电机）、一台旋转电机（伺服电机），是打磨抛光工艺的执行机构，其中，直线电机驱动砂轮前进或后退，旋转电机驱动砂轮旋转。 图1-7 音圈直线电机结构原理图音圈直线电机属于短行程高频率直线电机(SUPT)。把电能转化为往复直线运动的动能的装置。如图1-7，音圈电机拥有很好的高频响应特性；可以高速地往复直线型运动。多用于短运动行程的闭环伺服控制管理系统。而且控制原理简单，无需换向装置,寿命长。当通电导体穿过磁场的时候，会产生一个垂直于磁场线的力，这个力的大小取决于通过场的导体的长度、磁场及电流的强度。所以音圈直线电机输出的直线 音圈直线电机结构原理图 实际电流成正比关系。当音圈直线电机的实际电流恒定，产生的推力也是一个定值。 打磨机器人上配置的砂轮能够准确的通过实际应用情况更换，以适应不一样的工件加工情况，现以常于金属研磨抛光的纤维尼龙轮为例，对整个机器人进行校核。其主要参数有：外径D1=100mm，内径D2=40mm,厚度d=12mm,许用转速n m=3000r/min，质量m=0.3Kg。 §1.4.2 打磨头的工作原理 当打磨机器人位置示教完以后，系统就会保存示教位置到运动程序中，然后本体就依照运动程序执行动作。因为考虑到砂轮在对工件进行打磨抛光的过程中，砂轮表面会逐渐磨损，如果抛光机的位置不变，则砂轮表面与工件的接触距离增大，而且由于砂轮磨粒的损耗使粗糙度不够而出现抛光精度下降的现象。因此，我们的打磨机器人的系统要针对打磨抛光工艺技术要求对砂轮和工件表面的距离进行实时补偿。在我们这个打磨机器人的控制管理系统采用了以旋转电机的功率作为参考量，通过直线电机来动态调整砂轮与工件之间的相对位置，来保证相对来说比较稳定的抛光量。 抛光模型的受力分析如图1-8所示，直线电机驱动砂轮进退，使其与工件接触，以完成工件的表面打磨抛光（直线抛光过程受力分析 因此，根据力学分析和电机参数即可得出旋转伺服电机的功率： 电机转矩系数： k=T r/Ir （1-1） 转矩： T=k?I （1-2） 角速度： ω=n?2π/60(rad/s) （1-3） 则电机实际功率： P=T?ω=（2π?T r?i?n）/(60?Ir) （1-4） 其中：额定转矩T r（N?m），额定电流Ir（A），当前转速n(rpm)。 如图1-8示，设工件与平面夹角为θ，则直线电机产生的推力F与砂轮在工件表面的正压力F N之间满足： F N=F+Mgcosθ （1-5） 由伺服电机特性可知：在伺服电机的许可承受范围内，当伺服电机承受不同负载时，其能保持转动速度不变。所以，能够最终靠伺服电机反馈得到其工作速度n和电流值i，通过公式1-4计算得到电机运行实际功率Pfb的值。然后得到的电机实际运行功率Pfb再与电机设定功率Pref相比，若PfbPref时，打磨控制管理系统控制直线电机靠近工件，对砂轮与工件之间的间隙进行补偿，增加砂轮与工件间的正压力F N，来提升电机工作负载，伺服电机的电流i变大，由公式1-4可知：电机输出功率P变大；若PfbPref时，打磨控制管理系统控制直线电机远离工件，以此来降低电机工作负载，伺服电机的电流i变小，由公式1-4可知：电机输出功率P变小。来保证打磨伺服电机始终以恒功率的状态进行打磨工作，保证打磨质量。 §1.5 打磨（抛光）工艺设计 §1.5.1 抛光工艺参数 （1）抛光压力 抛光压力是指抛光表面单位面积所承受的压力(Mpa)。抛光时，砂轮和工件之间接触压力应适当。若抛光压力过大，会加快砂轮磨损，使得抛光表面的粗糙度增加，影响抛光质量；反之，若抛光压力过小，会使磨削能力降低，降低工作效率。经查阅有关的资料可得：抛光压力的范围一般在（0.001～0.05）Mpa。而机械抛光时，抛光压力一般为（0.001～0.03）Mpa。经实践证明：当抛光压力在（0.01～0.021）Mpa范围内时，对提高工件表面上的质量效果明显。 (2) 抛光速度 抛光速度是影响抛光表面上的质量和抛光效率的主要的因素。在一定的区间中，抛光速度与抛光效率成正比。如果抛光速度过高的话，会产生较高的热量，甚至可能会烧伤工件表面，加剧砂轮的磨损，进而影响抛光精度。 在选择抛光速度时，应最大限度地考虑加工精度、工件材料、硬度、抛光面积和加工方式等因素，一般抛光速度应在（100～1000）m/min范围内，经实践证明：当抛光速度在（380～550）m/min范围内时，抛光质量较好。由于砂轮直径D1=100mm,由公式1-6可得： V=πD·n (1-6) 砂轮适宜的打磨转速n m=V m/π（D2+（D1-D2）/2） =(380～550)÷3.14÷(40+(100-40)÷2×10-3 )r/min =（1729～2502）r/min §1.5.2 独立抛光 独立抛光指机器人运动与抛光头运动独立进行，两个控制管理系统之间不进行数据交换通信。 独立抛光时，用户需对机器人示教两个位置点，分别为工件抛光的起点p 0、终点p 1，而且机器人在两点之间进行直线示教运动时，抛光机的姿态保持不变。机器人带动抛光头在P0-P1的直线运动过程中，用户可开启或关闭恒功率控制。 §1.5.3 同步抛光 同步抛光指机器人控制管理系统与抛光系统之间有数据（机器人的位置/姿态、抛光机的运作时的状态）通信。抛光系统根据机器人实时的位置和姿态来规划抛光的控制过程。 同步抛光过程中，用户需手动示教多个（≥3）机器人位置点，例如P1为机器人原点，P2、P3分别为工件抛光的起点和终点。P2、P3之间的轨迹表示砂轮与工件接触，直线电机根据设定的参考功率推动砂轮进行恒速抛光；其它的位置点（p 2′、p 3′抛光过渡点）之间的轨迹，抛光头保持旋转电机运动、停止直线 电机校核 我们设计打磨时打磨头极限受力情况，对伺服电机进行校核。由抛光工艺参数分析可知：打磨砂轮最大转速n max=3000r/min，砂轮质量m=0.3Kg，打磨最大压力P max=0.030Mpa。最大打磨面积 S max=π（D12 -D22 ）/4=3.14×(1002 -402 )÷4=6594 mm2 则打磨头对工件的最大轴向压力： F max =S max·P max=6594×0.030 N=197.82 N (1-7) §1.6.1 旋转伺服电机校核 查TS4603N2109E200伺服电机的技术参数可得:额定转矩T n=0.318 N·m,峰值转矩T max=0.92 N·m，额定功率P n=100 W,额定转速n=3000 r/min,峰值转速n max=5000 r/min,转动惯量J m=4.5×10-4 Kg·m2 。 打磨头在打磨过程受到的极限扭矩 T =μF max·r (1-8) 且μ—在尼龙轮在与金属材料抛光时，取值范围是（0.08-0.13） 由公式1-8计算得： T=μF max·（D2+（D1－D2）/2）/2 =0.13×197.82×（40+（100－40）/2）/2×10-3 N·m =0.90 N·m 因为 T maxT,所以伺服电机的扭矩校核合格。 旋转空心圆盘的转动惯量 J=(MD12 -M 0D2 )/8×10-6 (1-9) 其中：M—圆柱体实心质量，M 0—空心圆柱体质量，Kg。 砂轮密度： ρ=4m/π(D12 -D22 )d (1-10) =4×0.3÷3.14÷（1002 -402 ）÷12 Kg/mm3 =3.79×10-9 Kg/mm3 假设砂轮实心时质量： M=ρπD12 d/4 (1-11) =3.79×10-9 ×3.14×1002 ×12÷4 Kg =0.357 Kg 砂轮空心处质量： M 0=ρπD22 d/4 =3.79×10-9 ×3.14×402 ×12÷4 Kg=0.057 Kg 由公式1-8得
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