機(jī)電一體化-慧魚機(jī)器人(電焊機(jī))

1、目錄1.機(jī)電一體化創(chuàng)新設(shè)計(jì)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱 1.1設(shè)計(jì)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容1.2設(shè)計(jì)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)的要求 1.3設(shè)計(jì)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)應(yīng)完成的工作1.4設(shè)計(jì)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)進(jìn)程安排2.慧魚機(jī)器人模型 2.1機(jī)器人的組成 2.2機(jī)器人的工作空間形式 2.3 機(jī)器人的機(jī)械運(yùn)動形態(tài)和變換控制 2.4機(jī)器人的位移、速度的控制方法 2.5機(jī)器人的軌跡規(guī)劃 3.機(jī)電一體化系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)分析 3.1 分析慧魚機(jī)器人模型的不合理設(shè)計(jì) 3.2 構(gòu)思機(jī)械設(shè)備創(chuàng)新優(yōu)化的設(shè)計(jì)及思想3.3實(shí)訓(xùn)課程的體會和建議2、慧魚機(jī)器人的模型。2.1、機(jī)器人的組成：點(diǎn)焊機(jī)器人主要由運(yùn)動機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩大部分組成。運(yùn)動機(jī)構(gòu)，使點(diǎn)焊機(jī)完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)合運(yùn)

2、動來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動作，改變點(diǎn)焊機(jī)焊接時的位置和姿勢。運(yùn)動機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動方式，稱為機(jī)械手的自由度 。控制機(jī)構(gòu)主要是實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊機(jī)的自動化操做。 此次點(diǎn)焊機(jī)的組成主要是由慧魚機(jī)器人的組合模型零件組成的。主要有以下的零件： 機(jī)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(jī)、燈泡、電磁氣閥、行程開關(guān)、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(jī)構(gòu)散件：臂、手、腕、立柱為組合模型必要的零部件，導(dǎo)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(jī)構(gòu)部件組合

3、機(jī)構(gòu)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(jī) 燈泡 開關(guān) 脈沖齒輪主要組成：（1） 底座。直接利用渦輪當(dāng)支撐件，機(jī)架與渦輪連成一體，通過渦輪蝸桿傳動，實(shí)現(xiàn)電焊機(jī)器人整體的左右旋轉(zhuǎn)功能。如下圖所示：（2） 點(diǎn)焊機(jī)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(jī)構(gòu)共同工作實(shí)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(jī)械手。如圖所示，機(jī)械臂的伸縮也是靠絲桿螺母

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

5、的電動機(jī) M3是控制點(diǎn)焊機(jī)焊點(diǎn)伸縮的電動機(jī) M4是點(diǎn)焊機(jī)焊接點(diǎn)工作燈泡如下圖所示，以機(jī)械臂的軸心線作為x軸，則點(diǎn)焊機(jī)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(yùn)動空間約為180度。 yoz平面上的轉(zhuǎn)動：機(jī)械臂可以上下擺動約九十度。y軸方向的移動。機(jī)械臂可以沿X軸方向前進(jìn)或者后退。其行程約為10cm左右。2.3、機(jī)器人的機(jī)械運(yùn)動形態(tài)和變換控制（1）點(diǎn)焊機(jī)底盤結(jié)構(gòu)傳動簡圖如下：工作原理： 如圖為電動機(jī)M1帶動的運(yùn)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(jī)器人轉(zhuǎn)動從而實(shí)現(xiàn)多角度的工作形式。可實(shí)現(xiàn)270度內(nèi)轉(zhuǎn)動主機(jī)架工作。旋轉(zhuǎn)的極限位置和這個方向上

6、的原點(diǎn)都是通過限位開關(guān)來實(shí)現(xiàn)的。（2）、電焊機(jī)手臂上下擺動結(jié)構(gòu)傳動簡圖如下：工作原理： 如圖為電動機(jī)M2帶動的運(yùn)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(yùn)動，同時機(jī)械臂支架通過套筒與滑塊聯(lián)結(jié)，從而隨著滑塊一起運(yùn)動。由于杠桿的原理，可讓機(jī)械臂在垂直面上上升或下降進(jìn)行工作。其極限位置和該方向上的原點(diǎn)也是靠限位開關(guān)實(shí)現(xiàn)的。（3）、點(diǎn)焊機(jī)手臂伸縮機(jī)構(gòu)傳動簡圖如下：工作原理： 如圖為電動機(jī)M3帶動的運(yùn)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(yùn)動，從而帶動懸臂運(yùn)動?？蓪?shí)現(xiàn)機(jī)械臂在絲桿軸線方向上伸出或縮進(jìn)進(jìn)行工作。其極限位置和該方向

7、上的原點(diǎn)也是靠限位開關(guān)實(shí)現(xiàn)的。2.4、機(jī)器人的位移、速度、方向的控制。機(jī)器人的動作都是通過連接電腦的一塊智能電路板實(shí)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(jī)器人的電機(jī)、燈泡等部件，從而完成機(jī)器人的各種動作。機(jī)器人的個動作的位置、方向均由智能版的程序來控制實(shí)施。如電機(jī)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(guān)程序控制便可。當(dāng)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(guān)函數(shù)，同樣也能實(shí)現(xiàn)模型的控制。在實(shí)驗(yàn)室提供的軟件中，我們還可以通過檢測各電機(jī)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(jī)器人的硬件調(diào)試。通過此方法，我們可以大致確定機(jī)器人不同自由度的各個極限的位置，避免電機(jī)因?yàn)榭ㄋ蓝鵁龎幕蛘哂布膿p壞。如何對位移和角度進(jìn)行控制和計(jì)算呢？如上圖所示，機(jī)器人的路程和角度的計(jì)算都是通過計(jì)算開關(guān)的閉合和開啟的次數(shù)來計(jì)算。電機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動槽輪的旋轉(zhuǎn)，不斷的使開關(guān)閉合和和斷開，再由智能板對其進(jìn)行計(jì)數(shù)，再通過一定的換算比例就可以確定電機(jī)轉(zhuǎn)了多少圈，從而確定各部件運(yùn)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(jī)器人的位移和角度的位置。2.5、機(jī)器人的軌跡規(guī)劃。 在編制機(jī)器人的軌跡之前，必

9、須確認(rèn)各部分機(jī)構(gòu)都正常，各部分都調(diào)試正常后，才對其進(jìn)行程序的編寫和調(diào)試。由于機(jī)器人在運(yùn)行前的位置不一，所以，程序的開頭必須對其進(jìn)行復(fù)位，即機(jī)器人回到它的坐標(biāo)原點(diǎn)。其原點(diǎn)的確定由各個自由度方向上的極限位置的限位開關(guān)來確定，程序只需要驅(qū)動各電機(jī)旋轉(zhuǎn)到極限位置，通過檢測限位開關(guān)的信號就可以確定其是否回到原點(diǎn)。次過程中，也可以對機(jī)器人的極限位置進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)之后程序的要求。確定好原點(diǎn)后，就可以對其各部件運(yùn)動的路程和角度進(jìn)行計(jì)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(jī)器人進(jìn)行各種動作的循環(huán)和操作控制。下面是實(shí)驗(yàn)時用的一種循環(huán)的過程圖：回原點(diǎn)運(yùn)行到位置1，然后點(diǎn)焊運(yùn)行到位置2，然后點(diǎn)焊運(yùn)

10、行到位置3，然后點(diǎn)焊通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)和調(diào)整后，基本上機(jī)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(shí)現(xiàn)機(jī)器人不同位置和不同動作的控制。 3、機(jī)電一體化系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)分析3.1、分析德普施機(jī)器人和慧魚機(jī)器人模型的不合理設(shè)計(jì)。不合理設(shè)計(jì)：（1）、機(jī)器人模型中，只對各部件各個方向上的一端有限位開關(guān)，導(dǎo)致另一端無限制而使動作超程。 模型中，當(dāng)機(jī)器人向原點(diǎn)的方向運(yùn)動時，都有限位開關(guān)限制運(yùn)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(dǎo)致如果程序出錯而從另一個方向上一直運(yùn)行，會出現(xiàn)損壞構(gòu)件的隱患。（2）、機(jī)構(gòu)部件過于零碎，導(dǎo)致強(qiáng)度不夠和摩擦力增大，易出現(xiàn)電機(jī)卡死現(xiàn)象。 有些連桿或者框架的結(jié)構(gòu)應(yīng)

11、該設(shè)計(jì)成為一體，那樣可以保持比較好的精度和使機(jī)構(gòu)運(yùn)動起來更加順暢。（3）、機(jī)械臂的支撐結(jié)構(gòu)和驅(qū)動形式設(shè)計(jì)不合理。如圖所示，連接絲桿的螺母副結(jié)構(gòu)不固定，導(dǎo)致左右擺動，甚至使得機(jī)械臂的撥叉脫離，使得功能失效，應(yīng)改進(jìn)這傳動結(jié)構(gòu)和支撐形式。（4）、如下圖所示，由于此機(jī)器人是焊接機(jī)器人，對于焊接，需要一定的精度，而模型中的機(jī)械臂比較長，而且電機(jī)也是與機(jī)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(gòu)思機(jī)械設(shè)備的創(chuàng)新優(yōu)化的設(shè)計(jì)以及設(shè)想。針對上述的不合理的問題，可以進(jìn)行如下的改進(jìn)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(shè)計(jì)相應(yīng)的限位開關(guān)來限制另一端的極限位置。但在工

12、程問題上，設(shè)置一個限位開關(guān)是不安全的，一旦開關(guān)失靈了必定會導(dǎo)致很嚴(yán)重的后果，因此，至少會設(shè)置兩個限位開關(guān)。（2）、模型設(shè)計(jì)不合理的問題。 盡可能的將可以為一個整體的設(shè)計(jì)為一個整體，以保證機(jī)械運(yùn)動的順暢性。無關(guān)緊要的可以再細(xì)分為其他小零件。（3）、機(jī)械臂支架傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dǎo)致左右搖擺，可以在其下方設(shè)置一條導(dǎo)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(jī)直接與機(jī)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(jī)的位置應(yīng)該最好設(shè)置在底座或者靠近底座的

13、位置，為實(shí)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(shí)訓(xùn)課程的體會和建議。體會：在這次的機(jī)電一體化創(chuàng)新設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，認(rèn)識到各種設(shè)備模型和增強(qiáng)了動手實(shí)踐能力。模型建造過程，需要百分百的耐心和細(xì)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(dǎo)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(shí)就是現(xiàn)實(shí)設(shè)備的縮小話，對于研究其機(jī)械結(jié)構(gòu)和功能原理是非常直觀和方便的。通過模型去想象真實(shí)設(shè)備的結(jié)構(gòu)和原理，并對其進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計(jì)。模型當(dāng)中存在著不少設(shè)計(jì)不合理性，需要我們一一探

14、索研究，結(jié)合實(shí)際提出合理設(shè)計(jì)要求。在這個項(xiàng)目過程中，基本上是對以前所學(xué)的專業(yè)知識的重新復(fù)習(xí)，通過這一次項(xiàng)目設(shè)計(jì)，對所學(xué)的知識有了更深的理解，把學(xué)到的東西真正運(yùn)用到實(shí)際中去。實(shí)驗(yàn)中，也增強(qiáng)了我們的團(tuán)隊(duì)意思的。由于模型中，細(xì)小的零件非常多，非常容易出錯。因此，合理的分工和團(tuán)隊(duì)的合作顯得尤為重要。在組裝過程中，組員們都非常的認(rèn)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(xué)到東西的實(shí)驗(yàn)，學(xué)校應(yīng)該多弄些這樣的實(shí)驗(yàn)來啟發(fā)學(xué)生的發(fā)散性思維。這樣的實(shí)驗(yàn)激起我們的興趣，讓我們在玩的過程中又學(xué)習(xí)和增加了自己的專業(yè)基礎(chǔ)知識。最后衷心感謝老師在這個課程設(shè)計(jì)的耐心指導(dǎo)。優(yōu)化和建議：（1）