盘类零件hub专用机器人y轴设计本科大学毕设论文.docx
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盘类零件hub专用机器人y轴设计本科大学毕设论文
本科毕业设计(论文)
盘类零件HUB专用机器人Y轴设计
学院名称:
机械工程学院
专业:
机械设计制造及其自动化
班级:
12机制2W
学号:
12321233
姓名:
贾巧娇
指导教师姓名:
朱巧荣
指导教师职称:
讲师
二〇一六年六月
盘类零件HUB专用机器人Y轴设计
摘要:
本设计说明书简述了机器人的种类及在当代社会的应用趋势。
另外,介绍了关于AMPCI9102的内部结构及应用方法。
设计了一种用于夹取盘类零件的HUB机器人的Y轴。
在设计过程中,应用AMPCI9102数据采集控制卡来实现计算机对盘类零件HUB专用机器人Y轴的运动控制。
研究了如何利用AMPCI9102数据采集控制板对Y轴的方向、速度以及位移量等参数进行控制。
以盘类零件HUB专用机器人为研究对象,研究设计了Y轴的一组电路(包括主电路和控制电路)并对进给机构进行设计。
与此同时,运用VB6.0编制了对Y轴进行调试与实施控制的程序。
而在进给机构的设计过程中,介绍了各零部件的功能和优缺点以及关于驱动电机的选用。
关键词:
HUB机器人;Y轴;AMPCI9102;伺服电机
DesignaboutY-axisofTheDiskTypePartsHUBSpecialRobot
Abstract:
Duringtheperiodofthisdesign,thekindsofrobotsandthetendencyofapplicationaredescribedbriefly.Inaddition,theinnercompositionandthemethodofapplicationaboutAMPCI9102areintroduced.Duringthisperiod,ThedatacollectionandcontrolcardofAMPCI9102isappliedtoachievethegoalthatthemovementofTheDiskTypePartsHUBSpecialRobot’sY-axiscanbecontrolledbythecomputer.ThemethodsonAMPCI9102dataacquisitioncontrolpanelhowtocontrolthedirection,velocityanddisplacementofY-axishavebeenstudied.BasedonTheDiskTypePartsHUBSpecialRobot,theY-axis’sdesignaboutelectriccircuit(includingmaincircuitandcontrolcircuit)andfeedmechanismisresearched.Atthesametime,aseriesofprogramsarewrittentodebugorcontroltheY-axisbythesoftwareofVB6.0.Furthermore,duringtheperiodofdesigningthefeedstructure,eachkindofpartanddrivingmotorareintroducedaboutthefunctionandrelativemerits.
Keywords:
HUBRobot;Y-Axis;AMPCI9102;ServoMotor
引言
伴随着全球机器人技术的迅猛发展和劳动力成本的日益增加,对替代人工操作的机器人进行大规模研发推广成为一种趋势。
完善的机器人装备可以在较短的时间内建立起大规模的无人化工厂。
因而,以工业机器人作为组成部分的自动化加工生产线得到了越来越多的推广。
人们越来越多地运用智能编程技术,通过日常使用的计算机实现对各类机器人的智能控制以达到生产过程中各环节的个性化应用。
HUB机器人系统可以实现一人值守16台机床的现代化生产要求。
这将大大降低劳动力成本,也使机器人替代人类从事各项危险、有害作业成为可能。
而可视化、日益简便化的计算机操作界面更是让机器人控制技术日趋完善进而推动机器人的快速发展。
本次毕业设计正是通过计算机实现对盘类零件HUB专用机器人Y轴的控制。
利用计算机进行VB语言编程来使AMPCI9102数据采集卡控制伺服驱动器,从而实现对盘类零件HUB专用机器人的伺服电机实施控制。
因此,盘类零件HUB专用机器人Y轴设计是机械工程专业本科生顺应时代潮流,对于机电结合的一次设计实践。
该课题的研究实践涉及大学该专业所学,除了可以使设计者巩固机械设计、电工与电子技术、机械制图等所学知识。
此外还可以拓展运用电气控制、程序语言等方面的知识,在整个安装调试的过程中可以培养设计者发现问题、解决问题的实际操作能力以及将理论灵活运用到实践中的创新性思维。
有利于培养设计者独立完成工作的能力,对于今后的发展也大有裨益。
本次主要研究内容有以下几个方面:
1、设计伺服驱动系统的主电路和控制电路,并接线;
2、HUB机器人Y向进给机构装配图及典型零件图设计;
3、编制VB控制软件,调试Y轴驱动系统;
4、参与数控机床改造网站建设;
5、撰写毕业设计说明书,整理全部有关资料文档。
由于设计者的水平有限,经验不足,本说明书难免有不妥和错误之处,敬请审阅者批评指正。
第1章机器人与AMPCI9102
1.1机器人概述
机器人(Robot)是一种既可以运行编制好的程序,也能接受人类指令,还可以根据以人工智能技术基础作为行动准则自动执行工作的机器装置。
其目标是在建筑业、生产业、或是其他危险的工作领域方面协助或取代人类工作。
我国的机器人,基于使用环境的考虑,可以被分为特种类和工业类机器人。
特种机器人包括水下机器人、军用机器人、服务机器人、农业机器人、娱乐机器人、机器人化机器人等,是一种服务于人类、应用在非制造业行业的各种智能化机器人。
而工业机器人则是针对工业领域的多关节机械手或者多轴自由度机器人。
图1-1直角坐标型
工业机器人主要由驱动、主体和控制系统几个模块构成。
大多数工业机器人有3个或者5个自由度,有时也会有6个自由度。
抓取和移动是工业机器人最主要的功能。
而良好的伺服控制驱动系统和精巧的机械结构是这两项功能实现的基础技术。
工业机器人可以被分为以下四种基本结构。
1.直角坐标型(如图1-1所示):
它有三个移动关节,三个移动关节可以作三个方向的独立位移,而不会互相受到干扰。
此种类型的机器人,有较高的定位精度,微机控制较为简便。
其不足是所占空间较大,运动方式不够灵活自如,运动的速率相对来说也比较低。
2.圆柱坐标型(如图1-2所示):
它有一个转动关节和两个移动关节,末端操作器的安装轴线的位置通过(z,r,θ)坐标来表示。
此种型式的机器人,所占的空间范围较小,但其工作空间较大,末端执行机构可获得较高的运动速率。
它的缺点是末端执行机构离Z轴愈远,其执行位置精度越低。
图1-2圆柱坐标型
3.球坐标型(如图1-3所示):
它有一个移动关节和两个转动关节,末端操作器的安装轴线之位置由((θ,ψ,r)坐标来表示。
此型式的机器人,所占据的空间范围同样比较小,工作空间较大。
图1-3球坐标型
4.关节型操作型机器人(如图1-4所示):
肩关节肘关节两个自由度可进行转动,而机身上部则相对于机身下部可实现另一自由度的转动。
腕关节的转动属于末端执行机构的自由度。
该种结构的机器人,所占空间相对较小,而工作区间相对较大,还可以轻松地绕过机身四周的障碍物,是当前普及较多的一种机型。
图1-4关节型操作型
面向工业方面的应用行业主要有机械加工业,汽车业等。
而工业机器人衡量可靠性性能的指标主要有作业范围、负载、精度速度等,这些可以反映其作业能力。
目前,国内研究热点包括各种形式的作业臂、新型驱动、控制方式等。
而盘类零件HUB专用机器人是用来搬运盘类零件的一种专用机器人。
本次设计采用直角坐标式设计完成盘类零件HUB专用机器人Y轴的设计,完成从伺服控制系统到整体结构设计。
1.2数据采集控制板AMPCI9102
AMPCI-9102板卡属于PCI总线通用数据采集控制板,它可以直接安装到具备PCI插槽的个人微机的或者工控机(如图1-5)当中。
它可构成频率测量、脉冲计数、脉冲信号发生器等电路。
另外还具备采集数字量电压信号和模拟量电压信号、监视输入和数字量电压信号输出、模拟量电压信号输出及计数定时系统等功能。
可被选择的双端8路/单端16路的模拟量数据采集输入通道被AMPCI9102提供,此通道具有程控放大功能,它可以直接驱动6路16位计数定时通道(二片82C54)。
它的所有读写操作能力均为16Bit。
该采集板结构如图1-6所示。
图1-5数据采集卡的安装与接线
图1-6AMPCI-9102
1、数字量输入/输出插座J1定义(如图1-7):
·图1-7信号输入/输出插座定义
2、跨接线选择定义:
JP1、JP2:
模拟信号单双端输入选择跳线
a:
单端输入:
JP1的1、2短接,3、4短接,JP2的1、2短接(出厂状态)如图1-8。
图1-8单端输入(出厂状态)
b:
双端输入:
JP1的2、3短接,4、5短接,JP2的2、3短接
图1-9双端输入
在本次设计当中选用单端输入,即默认出厂状态。
第2章控制系统电路设计
2.1电机和驱动器的选用
步进电机是按照固定的角度非连续地、一步一步地旋转的。
它可直接实现数字控制。
在没有超载的情况下,脉冲信号的频率以及脉冲个数决定了它的转速和停止的位置,而不是被负载变化影响。
通过控制脉冲个数可以对角位移量进行控制,但由于它的非连续性,所以不能定位到任意位置,只能是尽可能地接近,且它属于开环控制。
它适用于传动功率不大的关节型机器人。
交流伺服电机在调速性能方面优于步进电机,其精度取决于编码器的精度(线数),而增量式编码盘的反馈可以达到步进电机达不到的精度。
因为它本身具备发出脉冲的功能,因此伺服驱动器就和伺服电机编码器的脉冲之间可以形成呼应,所以属于闭环控制。
而它的响应速度也快得多。
因此,步进电机和伺服电机的区别在于:
1、控制精度不同:
前者的相数和拍数的多少决定了精确度的高低,而后者取决于自带的编码器,精度随着编码器的刻度的增多而增多。
而后者的精度一般优于前者。
2、控制方式不同:
一个是开环控制,一个是闭环控制。
3、低频时表现不同:
在低速时前者需要采用阻尼技术或细分技术将低频下振动的现象克服。
而后者运转一直很平稳,不可能出现振动现象。
因为它具备共振抑制的功能,可以很好地检测出机械的共振点从而利于系统做出调整。
4、矩频特性不同:
交流伺服电机输出方式为恒力矩输出,而步进电机的输出力矩则会随转速升高而下降。
5、过载能力不同:
步进电机一般不具有过载能力,而交流电机具有较强的过载能力。
6、运行可靠度不同:
前者承受载荷过大或者启动时,容易产生堵转或丢步的情况,而停止时又容易出现过冲现象。
而对于交流伺服驱动系统来说,其驱动器可以直接采集电机编码器的反馈信号,其内部可以构成速度环路和位置环路一般不会出现前者会出现的情况,控制性能较步进电机更为可靠。
7、速度响应快慢不同:
从静止达到工作转速,步进电机需要上百毫秒的加速过程。
相反,交流伺服系统的加速性能较步进电机好得多,一般只需要几毫秒,可以应用于要求快速启动或者停止的控制场所。
依据以上逐条的分析比较,在各个性能方面,步进电机都比交流伺服电机显弱,因此在现有实验设备情况下,本次设计采用了日本三菱公司的MR-J3-A伺服放大器,该伺服放大器较之三菱通用伺服MELSERVO-J3系列具有功能更加丰富、性能更优越的优点。
本伺服放大器不仅可以用于普通工业机械和机床的高精度定位以及平滑的速度控制同时还可以用于线控制和张力控制等领域,其应用渠道十分广阔。
另外,本产品具备USB和RS-422串行通信的功能,可以采用带有伺服装置的PC机来对参数进行设定、调试运行、对状态显示的监控以及增益调整等活动。
此伺服放大器可以自动调整伺服的增益。
MR-J3-A伺服电机采用了极高分辨率的绝对位置编码器,因此,它可以实施更为高精度的控制。
伺服放大器在安装好电池后就可保持绝对位置检测功能。
而进行过初始原点的设定后,在开启开关和报警发生时都不用再次进行原点的重设。
由于交流伺服电机在数控机床中被当做执行元件,所以转子速度的变化需要能够很好地反映控制信号,当没有控制信号时转子就不转动,而当它在转动时,假如控制信号突然消失,转子就要随之迅即停止。
其控制模式含速度控制模式、位置控制模式和转矩控制模式三种。
(1)速度控制模式
通过参数设置的内部速度指令或外部模拟速度指令可以对伺服电机的速度和方向进行高精度的平稳控制。
此外,该模式还具有加减速时间常数设定功能可用于速度指令、伺服锁定功能(在停止时)以及速度指令偏置自动调整功能(用于外部模拟量)。
(2)位置控制模式:
该模式具有位置平滑功能,它可以根据机械情况从既有的两种模式中进行选择。
比如当位置指令脉冲急剧变化时,它可以使启动和停止更平稳。
另外该模式还可以使用最大1Mpps的高速脉冲串,,使其对转动方向以及速率两个因素实施命令,进而实现高分辨率的高精度定位。
另外,在该模式下,为了限制转矩,还使用了嵌位电路。
通过外部模拟量输入或参数设置的方式调整可以实现对转矩的限制。
(3)转矩控制模式
伺服电机的输出转矩可以通过内部参数设置的转矩指令或外部模拟量转矩输入指令来控制。
该模式下可以对速度进行限制,此功能可用于张力调控等场所,可以防止无负载时电机速度过高的现象。
伺服放大器接线原理:
根据三菱公司提供的技术资料,连接HF-KP13伺服电机与MR-J3-A伺服驱动器接线原理图与真实接线模块如图2-1。
MR-J3-A伺服驱动器不同的控制模式的控制信号接口CN1有其不同的连接方法,本次设计采用位置控制模式,其信号连接状态如图2-2所示。
图2-1伺服放大器与伺服电机的连接
三种控制模式可以通过CN1接口用外部信号LOP进行相互切换(图2-3)。
当参数PA01为0001H时,可进行位置/速度切换;当参数PA01为0003H时,可进行速度/转矩切换;当参数PA01为0005H时,可进行转矩/位置切换。
本实验装置设置参数PA01为0000H,工作状态采用位置控制模式。
位置控制模式的控制信号有多种指令输入形式,可以通过设定参数PA13指定。
参数默认为0000H,以正逻辑的方式进行正反脉冲串控制;如果采用脉冲和方向(脉冲串+符号)作控制信号,则该参数设置应为0011H(负逻辑)或者0001H(正逻辑)。
本实验控制方式采用正逻辑、脉冲串+符号,因此,设定参数PA13为0001H,见图2-5所示。
脉冲和符号信号通过编程,由数据采集卡发出,数据采集卡与CN1的连接如图1-5右和表2-1所示。
图2-2位置控制模式信号连接
表2-1数据采集卡与CN1的连接
图2-3CN1接口及接线图
此伺服放大器MELSERVO-J3共有7个连接口分别为CN1,CN2,CN2L,CN3,CN4,CN5,CN6接口。
接口见下图2-4。
图2-4伺服驱动器全部接口标示
图2-5指令脉冲输入形式
2.2控制电路接线方式的选用
控制电路接线方式有两种方式可供选择,分别为集电极开路方式和差分驱动方式。
集电极开路,事实上仅仅是一个NPN型三极管,不会输出任一特定电流值或者电压值(即三极管的集电极上什么都不接)。
其取决于三极管基级所连接的集成电路,通过使它的发射极接地,集电极开路而输出。
通过集电极开路的输出装置,能够让‘逻辑门’输出端的直接并联使用。
而差分放大电路可以抑制共模信号并且放大差模信号,通过电路参数的负反馈作用以及对称特性,可以使静态工作点稳定。
根据输入输出方式,差分放大电路被分为四种电路。
按共模负反馈的形式被分为两种类型。
差动脉冲各方面情况都较集电极开路方式好一些。
总的来说,其主要区别是差动方式的频率要高些,接线距离可以远些,抵抗干扰的能力更强一些,对应的定位模块,价格也会偏高一些。
综合考虑差分驱动方式更能满足长期使用的需求。
2.3控制电路图设计
本设计使用AMPCI9102数据采集卡通过J1模块连接伺服驱动器CN1口,同时与变频器相连。
伺服驱动器CN1口的24V接线端与变压器接线端相连。
其余接线与J1模块相连接。
接线图如图2-6。
图2-6CN1口接线方式
以下是位置控制模式下CN1对应接口示意图(图2-7):
图2-7CN1接口标示
以下是CN1部分接口对应功能(表2-2):
表2-2CN1部分接口标示含义
以下是CN1接口对应含义(表2-3):
表2-3接口标示全注
图2-8控制电路接线图
根据以上位置控制模式信号连接图以及CN1接口及接线图设计所需要实现功能的控制电路连接原理图,如图2-8。
2.4主电路接线方式的选择与设计
主电路的连接方式较多,现仅介绍常见的几种:
1、三相五线制电路:
三相五线制的配电方式是由一根零线和三根相线再加上一根接地线组成的。
出于安全性角度考虑,目前很多场所基本上都被要求采用该种配电方式。
A、B、C、N和PE是其对应的五根线。
其中,为了保证用电安全,PE线则被专门用来接到类似器件外壳等方面,作为保护地线使用。
N线和PE线在供电变压器的那一侧被接到一起,但PE线在进入用户端后如果被当作零线来使用的话就可能在实际生活中引发有关电的事故。
零线与PE线的本质区别在于:
PE线仅仅起保护作用,而零线则需要形成回路,。
2、三相四线制电路:
大多数时候,指的是660V或者380V,又或者是220V的低压线路。
在低压配电网中,一般输电线路会使用该电路。
而A,B,C三相指的是三条线路,而另一条N则作为中性线。
在三相系统中,三相平衡时,零线(中性线)不存在电流的,所以才会被称作三相四线制;不论中性线还是保护接地线,在用户侧都需要采用重复接地,以提高安全性。
但是,重复接地只可以在接地点或者接近接地点的地方接到一起,一定不能在任意位置尤其是室内接在一起。
3.三相三线制电路:
一般性而言指的是10KV及以上的高电压线路。
不引出中性线的星型接法与三角形接法为三相三线制,没有中性线。
电力系统高压架空线路一般采用此种方法,三条线路通常是指U,V,W(a,b,c)三相。
三根线有时呈三角形分列,有时是水平分列;对每一相有时是单独的一根线,也有的时候是分裂线。
依靠分裂导线可以降低线路电抗以及电晕损耗,多根线拼在一起作为一个相线时,三相交流发电机向外供电的方式是通过三个绕组的始端引出三根火线。
大部分供电局为了解决回路带来的问题很多时候V相充当回路作用,无电流和电压。
因为三相五线制是最安全的接线方式且也是国家规定的安全用电的接线方式,所以,我们优先选用作为主电路连接方式。
以上三种接线方式参见如图2-9。
图2-9主电路三种主要接线方式
考虑到实验室基本情况我们采用单相三线制的接线方式使用220V交流电压,这种接线方式将安全性作为首要考虑因素,其次是考虑使用情况。
因为实验室设备不宜采用会对学生安全造成隐患的三相电,所以在本次设计中我们使用单相三线制接线方式。
根据伺服驱动器使用说明书对主电路连接方式接线接法(如图2-1)的介绍,本次使用的毕业设计实际接法如图2-10所示。
图2-10主电路接线图
第3章盘类零件HUB专用机器人Y轴传动系统设计
3.1总体传动系统方案确定
机器人传动系统设计要从需求出发考虑诸多要素,比如是为了实用还是为了研发,设计周期需要多久,性能优先还是价格优先。
本次设计的盘类零件HUB机器人Y轴传动系统,显然是从实用的角度考虑,而作为实用的角度性价比也要尽量高,这就要求我们要尽量使用标准件,减少非标件,以达到尽可能减少成本的目的。
而HUB本身的含义就说明要有系统集成的思路,故而可采用模块化设计方式,缩短设计周期。
因为模块化的设计可以很好地处理规格、设计周期以及产品品种之间的需求。
其模块化设计的流程,如图3-1所示。
图3-1模块化设计思路流程
对于专用机器人来说,执行元件的执行位置精度直接受到传动精度的影响。
进给运动不管是连续控制还是点位控制都属于数字控制系统的直接控制对象。
为了达到让运动过程更为可靠,各配合件、连接件之间的摩擦力更小的目的,所以,进给运动的机械结构一般需要有传动系统的精度和刚度好、尽量减小运动惯量,具有适当阻尼、消除系统中的间隙等特点。
盘类零件HUB专用机器人对于抓取重量的要求不大,活动空间要求也较小,所以轴总长一般在1米以内。
在满足强度和刚度的条件下,零部件可尽量选择轻质材料。
而具有定位功能的支承板可采用板筋结构。
另外各零件在空间的合理分布可以减小倾覆力矩。
在本设计中,整体运动只涉及通过伺服电机驱动,将回转运动通过滚珠丝杠传动转化为直线运动。
所以整体结构的选用可被分割为以下几个方面:
(1)工作台进给运动采用滚珠丝杠螺母副结构;
(2)滚珠丝杠支撑方式采用一端固定,一端铰支;
(3)伺服电机与滚珠丝杠间采用联轴器连接;
(4)支承轴承选用一个深沟球轴承和2个并列的角接触球轴承。
3.2丝杠螺母副的选用
伺服电机的转动要借丝杠螺母副转变成为直线运动,其定位精度要在士0.02mm以内,由于滑动丝杠副容易出现爬行现象、精度不高,寿命短,滚珠丝杠副一般用于精密传动,有动态响应快、传动灵活、寿命长、精度保持性好等优点。
所以选用滚珠丝杠副。
其组成和主要尺寸如图3-2所示。
图3-2滚珠丝杠副的组成和主要尺寸关系
1一滚珠丝杠;2一滚珠螺母体;3-滚珠
滚珠丝杠副的特点有:
(1)摩擦损失小,传动效率高,可达0.90-0.96;
(2)丝杠螺母之间预紧后,可以完全消除间隙,提高传动刚度;
(3)摩擦阻力小,几乎与运动速度无关,动静摩擦之差极小,可以使运动保持平稳,在低速时不会产生爬行现象。
滚动形式,磨损较小、寿命较滑动形式长、可以保持良好的精度;
(4)不能实现自锁,运动具有可逆性,因此丝杠以竖立的形式使用时,需要增加制动装置或者抱闸机构。
滚珠丝杠螺母副在结构上,有两种情况:
循环时,滚珠有的时候会和丝杠脱离接触的情况被叫做外循环式,而滚珠始终与丝杠保持接触的形式被称为内循环式。
外循环式由于制造工艺简单,价格较为便宜,因此被广泛应用。
但由于其滚道接缝处没办法制作尽量光滑,所以极易对滚珠滚动的平稳性产生影响,严重时甚至会发生卡珠现象,且外循环式噪声很大。
与此相反,内循环式的滚珠丝杠螺母副的结构紧凑、定位可靠,除此之外,它还不易发生磨损、有良好的刚性、来回的滚珠路径短、滚道堵塞的情况基本不会发生、摩擦损失很小等优点。
其缺点是它的结构复杂因此制造较困难,价格较高,而且不能用于多线螺纹传动。
对比可知,由于本次设计不需要使用多线螺纹传动,所以采用内循环式更符合要求。
而内循环式又分为浮动式和固定式。
根据两者特点分析,本次设计选择固定式。
表3-1内循环方式比较
滚珠丝杠螺母副有多种预紧方法,其方法都是使两个螺母生出轴向位移,旋加预紧力从而将它们之间的间隙消除。
由于垫片调整法刚性好且结构不复杂、可靠性好,此外本次设计不需要在工作中经常性地调整垫片。
所以本次毕业设
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