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(dòng)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(huì)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(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩大部分組成。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)， 使點(diǎn)焊機(jī)完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或

2、復(fù)合運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變點(diǎn)焊機(jī)焊接時(shí)的位置和姿勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由度?？刂茩C(jī)構(gòu)主要是實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊機(jī)的自動(dòng)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

3、，機(jī)構(gòu)部件組合機(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(dòng)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(dòng)，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(dòng)主要是靠絲桿傳動(dòng)和滑塊機(jī)構(gòu)共同工作實(shí)現(xiàn)的。絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)滑塊的前后移動(dòng)，從而使得手臂在豎直方向上做擺動(dòng)，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(dòng)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(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)紅色滑塊移動(dòng)，紅色滑塊與機(jī)械臂連成一體，因此直接可以帶動(dòng)機(jī)械臂前后伸縮。（ 4） 減速箱 。如圖所示，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過幾級(jí)的變速后，才對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的控制。（5）控制部件 。如圖所示，無論是機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)的位移和角度。 同時(shí)，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(tái)的電動(dòng)機(jī)M2 是控制點(diǎn)

5、焊機(jī)升降的電動(dòng)機(jī)M3 是控制點(diǎn)焊機(jī)焊點(diǎn)伸縮的電動(dòng)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(gè)自由度：分別是： xoy 平面上的轉(zhuǎn)動(dòng)：如圖所示，其運(yùn)動(dòng)空間約為180 度。yoz 平面上的轉(zhuǎn)動(dòng)：機(jī)械臂可以上下擺動(dòng)約九十度。y 軸方向的移動(dòng)。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(dòng)形態(tài)和變換控制（ 1）點(diǎn)焊機(jī)底盤結(jié)構(gòu)傳動(dòng)簡(jiǎn)圖如下：工作原理 ：如圖為電動(dòng)機(jī)M1 帶動(dòng)的運(yùn)動(dòng)鏈。 M1 轉(zhuǎn)動(dòng)通過變速箱帶動(dòng)蝸桿，蝸桿帶動(dòng)渦輪。安裝在底盤的大渦輪帶動(dòng)整個(gè)機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)多角度的工作形式?？蓪?shí)現(xiàn) 270 度內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)主機(jī)

6、架工作。旋轉(zhuǎn)的極限位置和這個(gè)方向上的原點(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(dòng)結(jié)構(gòu)傳動(dòng)簡(jiǎn)圖如下：工作原理 ：如圖為電動(dòng)機(jī)M2 帶動(dòng)的運(yùn)動(dòng)鏈。 M2 轉(zhuǎn)動(dòng)通過變速箱、齒輪傳動(dòng)到絲桿。安裝在絲桿上面的滑塊在絲桿的帶動(dòng)下做平移運(yùn)動(dòng)，同時(shí)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(dòng)。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(dòng)簡(jiǎn)圖如下：工作原理 ：如圖為電動(dòng)機(jī)M3 帶動(dòng)的運(yùn)動(dòng)鏈， M3 轉(zhuǎn)動(dòng)通過變速箱帶動(dòng)絲桿，安裝在絲桿上面的滑塊在絲桿的帶動(dòng)下做平移運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)懸臂運(yùn)動(dòng)。可實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂在絲

7、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(dòng)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(dòng)作。機(jī)器人的個(gè)動(dòng)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(jí)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

8、過檢測(cè)各電機(jī)或者燈泡等部件是否正常，正常的話觀察各個(gè)自由度是否全部到位， 并且還可以檢測(cè)傳感器是否正常。 這樣不但利于故障的檢測(cè)，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(gè)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(duì)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(dòng)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(duì)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

9、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(duì)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(duì)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(gè)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(dòng)各電機(jī)旋轉(zhuǎn)到極限位置，通過檢測(cè)限位開關(guān)的信號(hào)就可以確定其是否回到原點(diǎn)。次過程中，也可以對(duì)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(duì)其各部件運(yùn)動(dòng)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(duì)機(jī)器人進(jìn)行各種動(dòng)作的循環(huán)和操作控制。 下面是實(shí)驗(yàn)時(shí)用

10、的一種循環(huán)的過程圖：回原點(diǎn)運(yùn)行到位置運(yùn)行到位置運(yùn)行到位置1，然后點(diǎn)焊2，然后點(diǎn)焊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(dòng)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(duì)各部件各個(gè)方向上的一端有限位開關(guān)，導(dǎo)致另一端無限制而使動(dòng)作超程。模型中，當(dāng)機(jī)器人向原點(diǎn)的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，都有限位開關(guān)限制運(yùn)動(dòng)的極限位置，但是在相反的另一個(gè)方向卻是自由的。這樣的話會(huì)導(dǎo)致如果程序出錯(cuò)而從另一個(gè)方向上一直運(yùn)行，會(huì)出現(xiàn)損壞構(gòu)件的隱患。（ 2）、機(jī)構(gòu)部件過于零碎，

11、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)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(dòng)起來更加順暢。（ 3）、機(jī)械臂的支撐結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)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(dòng)，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(dòng)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(duì)于焊接，需要一定的精度，而模型中的機(jī)械臂比較長(zhǎng)，而且電機(jī)也是與機(jī)械臂連在一起，這必定會(huì)帶來振動(dòng)，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(duì)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。

12、最簡(jiǎn)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。但在工程問題上，設(shè)置一個(gè)限位開關(guān)是不安全的，一旦開關(guān)失靈了必定會(huì)導(dǎo)致很嚴(yán)重的后果，因此，至少會(huì)設(shè)置兩個(gè)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(gè)整體的設(shè)計(jì)為一個(gè)整體，以保證機(jī)械運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(shí)的振動(dòng)問題。電機(jī)直接與機(jī)械臂組成一體，必定會(huì)帶來振動(dòng)的問題，并且在移動(dòng)過程中，由于慣性力

13、的問題，又會(huì)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位置，為實(shí)現(xiàn)其在不同方向上的傳動(dòng)，可以使用錐齒輪傳動(dòng)，以保證各個(gè)方向上穩(wěn)定的傳動(dòng)。3.3、實(shí)訓(xùn)課程的體會(huì)和建議。體會(huì) ：在這次的機(jī)電一體化創(chuàng)新設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，認(rèn)識(shí)到各種設(shè)備模型和增強(qiáng)了動(dòng)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(cuò)誤。如果前面有那么一個(gè)零部件選錯(cuò)了，可能導(dǎo)致后面組裝時(shí)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(gè)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(duì)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)

14、和原理，并對(duì)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，需要我們一一探索研究，結(jié)合實(shí)際提出合理設(shè)計(jì)要求。在這個(gè)項(xiàng)目過程中，基本上是對(duì)以前所學(xué)的專業(yè)知識(shí)的重新復(fù)習(xí)，通過這一次項(xiàng)目設(shè)計(jì)， 對(duì)所學(xué)的知識(shí)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(cuò)。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(cuò)誤，整個(gè)拼裝和調(diào)試過程都是非常順利的。這是一個(gè)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?cè)谕娴倪^程中又學(xué)習(xí)和增加了自己的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)。最后衷心感謝老師在這個(gè)課程設(shè)計(jì)的耐心指導(dǎo)。優(yōu)化和建議：（ 1）首