六自由度焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)

1、- -1前言1.1設(shè)計(jì)背景與意義1.1.1焊接機(jī)器人概述焊接機(jī)器人是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業(yè)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人是一種多用途的、可重復(fù)編程的自動(dòng)控制操作機(jī)，具有三個(gè)或更多可編程的軸，用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。為了適應(yīng)不同的用途，工業(yè)機(jī)器人最后一個(gè)軸的機(jī)械接口，通常是一個(gè)連接法蘭，可接裝不同工具或稱末端執(zhí)行器。焊接機(jī)器人就是在工業(yè)機(jī)器人的末軸法蘭裝接焊鉗或焊（割）槍的，使之能進(jìn)行焊接，切割或熱噴涂。自從世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人UNIMATE于1959年在美國誕生以來，機(jī)器人的應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段：示教再現(xiàn)型機(jī)器人、具有感知能力的機(jī)器人、智能型機(jī)器人。1.1.2焊接機(jī)器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀（1）

2、國外研究現(xiàn)狀自從世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人UNIMATE于1959年在美國誕生以來，機(jī)器人在工業(yè)發(fā)達(dá)國家得到了迅速發(fā)展。其中日本具有機(jī)器人王國之稱，此外，世界上還有許多工業(yè)發(fā)達(dá)國家，如美國、前蘇聯(lián)等一些國家的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)也發(fā)展得很快。在亞洲，韓國的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展也很迅速，現(xiàn)排名世界前列?，F(xiàn)在國外的機(jī)器人各個(gè)方面的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀為，在機(jī)械結(jié)構(gòu)上以發(fā)展關(guān)節(jié)型機(jī)器人為主流，在控制系統(tǒng)方面主要是發(fā)展基于PC的開放結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)，在驅(qū)動(dòng)技術(shù)方面主要是發(fā)展AC伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)，此外智能化傳感器技術(shù)的機(jī)器人數(shù)量呈上升趨勢。焊接機(jī)器人技術(shù)正朝著高速、高精度、多功能化方向發(fā)展。（2）國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)經(jīng)過三十

3、多年的發(fā)展，現(xiàn)在已掌握了機(jī)器人的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，開發(fā)出了弧焊、點(diǎn)焊、裝配等機(jī)器人；現(xiàn)階段我國焊接機(jī)器人的應(yīng)用主要集中在汽車、摩托車、工程機(jī)械、鐵路機(jī)車等主要行業(yè)。其中弧焊機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于各大汽車制造廠的自動(dòng)焊裝線上。但從總體上來看，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程上的應(yīng)用水平和國外相比起來還有一定的差距?，F(xiàn)階段我國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)主題發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)是：根據(jù)21世紀(jì)初，我國國民經(jīng)濟(jì)對先進(jìn)制造及自動(dòng)化技術(shù)的需求，瞄準(zhǔn)國際前沿高新技術(shù)發(fā)展方向，創(chuàng)新性地進(jìn)行研究和開發(fā)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)、關(guān)鍵技術(shù)，產(chǎn)品技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)。1.1.3焊接機(jī)器人研究意義(1

4、)提高和穩(wěn)定焊接質(zhì)量，保證其焊縫均一性。(2)改善了勞動(dòng)條件，減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度。提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，提高經(jīng)濟(jì)效益。產(chǎn)品周期明確，容易控制產(chǎn)品產(chǎn)量?？s短產(chǎn)品改型換代的周期，減小相應(yīng)的設(shè)備投資。1.2設(shè)計(jì)內(nèi)容本設(shè)計(jì)是六自由度焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)，所以需要設(shè)計(jì)六部電機(jī)來驅(qū)動(dòng)。本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括焊接機(jī)器人本體設(shè)計(jì)和和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。(1)焊接機(jī)器人本體設(shè)計(jì)焊接機(jī)器人的機(jī)械部分是整個(gè)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)型式的好壞，將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的好壞。所以，機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是非常重要。在本設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)中，主要包括運(yùn)動(dòng)副型式的合理選擇，驅(qū)動(dòng)的最佳速比等。本設(shè)計(jì)還需要設(shè)計(jì)六部電機(jī)的安裝位置、尺寸大小，連桿的設(shè)計(jì)，機(jī)械手等各個(gè)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)

5、。(2)焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先選擇合適的控制系統(tǒng)，繪制出控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，然后選擇合適的運(yùn)動(dòng)控制器、驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)型號(hào)來搭建控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)。1.3設(shè)計(jì)方案(1)焊接機(jī)器人機(jī)械本體總體布局總體布局就是解決裝置各個(gè)部件間的相對運(yùn)動(dòng)和相對位置，并使機(jī)器人有一個(gè)協(xié)調(diào)完美的造型。總體布局要通過聯(lián)系尺寸來體現(xiàn)，聯(lián)系尺寸同時(shí)也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。初步確定的聯(lián)系尺寸是個(gè)部件的設(shè)計(jì)依據(jù)，并通過部件的設(shè)計(jì)，此外還應(yīng)對聯(lián)系尺寸進(jìn)行必要的修改，最后確定總體裝配圖。(2)總體方案設(shè)計(jì)總體方案主要包括：系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定、伺服系統(tǒng)的選擇、控制系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定：焊接機(jī)器人按運(yùn)動(dòng)方式已由題目確定好了

6、，選用六軸聯(lián)動(dòng)式關(guān)節(jié)型。伺服系統(tǒng)的選擇：旋轉(zhuǎn)、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)采用交流伺服系統(tǒng)。電動(dòng)機(jī)類型選用交流伺服電機(jī)，交流伺服電機(jī)具備很多十分優(yōu)良的性能，例如低速性能，調(diào)速范圍寬廣、動(dòng)態(tài)特性和效率都很高。控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)：根據(jù)系統(tǒng)要求確定系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)圖，選擇電氣元器件的參數(shù)和型號(hào)，繪制電氣原理圖。2焊接機(jī)器人本體設(shè)計(jì)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)目的是為了設(shè)計(jì)一臺(tái)六自由度焊接機(jī)器人，在設(shè)計(jì)的過程中參考了機(jī)械工程學(xué)院機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的首鋼motoman機(jī)器人。本次設(shè)計(jì)參數(shù)的采用也參考了其相關(guān)的參數(shù)。機(jī)器人本體設(shè)計(jì)包括主要基座、大臂、小臂、手腕、機(jī)械手以及各關(guān)節(jié)伺服電機(jī)的安裝位置、尺寸大小，還包括齒輪副的安裝位置、尺寸，階梯軸、平

7、鍵的選擇等設(shè)計(jì)。在進(jìn)行本體設(shè)計(jì)的過程中要考慮到機(jī)器人的工作要求，例如所能達(dá)到的最大工作范圍、運(yùn)動(dòng)精度要求、負(fù)荷能力等。2.1機(jī)器人設(shè)計(jì)參數(shù)焊接機(jī)器人主要的參數(shù)包括控制軸的數(shù)量、負(fù)載能力、重復(fù)精度、最大動(dòng)作范圍、最大速度及功率。其主要設(shè)計(jì)參數(shù)和使用條件如表2.1所示：焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)參數(shù)表2.1控制軸6負(fù)荷能力6kg重復(fù)精度0.08mm最大動(dòng)作范圍S（本體回轉(zhuǎn)）+170L（下臂前后擺動(dòng)）+155-90U（上臂上下擺動(dòng)）+190-170R（上臂回轉(zhuǎn)）180B（手腕上下擺動(dòng)）+225-45T（手腕回轉(zhuǎn)）360最大速度9000cm/min線速度1.5m/s周圍條件溫度0-45濕度20%-80%振動(dòng)4.9

8、m/S2工作范圍最小387mm最大1378mm功率1.5kw2.2自由度與關(guān)節(jié)該焊接機(jī)器人采用關(guān)節(jié)型的機(jī)器人，具有六個(gè)自由度，即為二個(gè)腰關(guān)節(jié)、一個(gè)肩關(guān)節(jié)、一個(gè)肘關(guān)節(jié)、還有二個(gè)腕關(guān)節(jié)。這些關(guān)節(jié)都為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，在機(jī)器人本體末端還有一個(gè)用于加持物體的機(jī)械手。機(jī)器人本體的整體布局如圖2所示。該整體布局圖大致反映了機(jī)器人的外形。機(jī)人拒lttA.WAAHK4口?*幷M.圖2.1機(jī)器人本體整體布局圖2.2.1基座的設(shè)計(jì)（1）基座是整個(gè)機(jī)器人本體的支持，為了保證機(jī)器人的穩(wěn)定性，基座設(shè)計(jì)如圖2.2所示：圖2.2焊接機(jī)器人基座此基座為帶有轉(zhuǎn)盤的基座，由于基座承受壓力，為了充分利用材料的特性，選擇使用鑄鐵材料來制造基

9、座，這樣可以利用鑄鐵材料的吸振性，提高機(jī)器人的振動(dòng)穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)盤上裝有伺服電機(jī)，電機(jī)通過齒輪副傳動(dòng)，帶動(dòng)本體實(shí)線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即S關(guān)節(jié),旋轉(zhuǎn)角度+170。在轉(zhuǎn)盤上裝有齒輪副架，實(shí)現(xiàn)齒輪副的合理安裝，這樣設(shè)計(jì)既可以節(jié)約空間，又可以實(shí)現(xiàn)傳到的要求。基座上還設(shè)計(jì)有接線盒子，所有的電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)和反饋信號(hào)都是從這個(gè)接線盒子中輸入輸出。2.2.2下臂關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)下臂關(guān)節(jié)即為L關(guān)節(jié)，主要是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前后擺動(dòng)，下臂關(guān)節(jié)的擺動(dòng)的幅度為+155-90，下臂關(guān)節(jié)電機(jī)的安裝位置和傳動(dòng)方式設(shè)計(jì)如圖2.3所示。圖2.3下臂關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)如圖所示，伺服電機(jī)安裝在齒輪副架上，齒輪副架通過螺釘連接安裝在機(jī)器人腰關(guān)節(jié)支持連桿上。通過齒輪副傳

10、動(dòng)，把扭矩傳遞到軸上，從而帶動(dòng)下臂實(shí)現(xiàn)前后擺動(dòng)。2.2.3上臂擺動(dòng)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)上臂擺動(dòng)關(guān)節(jié)即為U關(guān)節(jié)，主要是為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人上臂的上下擺動(dòng)而設(shè)計(jì)的。上臂關(guān)節(jié)的擺動(dòng)幅度為+190-170，下臂關(guān)節(jié)電機(jī)位置和傳動(dòng)方式設(shè)計(jì)如圖2.4所示。圖2.4上臂關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)如圖所示，伺服電機(jī)安裝在齒輪副架上，齒輪副通過螺釘連接安裝在下臂連桿末端。通過齒輪副傳動(dòng)，把扭矩傳遞到上臂上，從而實(shí)現(xiàn)上臂的上下擺動(dòng)。2.2.4上臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)上臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)即為R關(guān)節(jié)，主要是為了實(shí)現(xiàn)上臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而設(shè)計(jì)的，上臂的回轉(zhuǎn)角度為180。大臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)電機(jī)的安裝位置和傳動(dòng)方式如圖3.5所示。圖2.5上臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)如上圖所示，電機(jī)安裝在上臂末端，

11、電機(jī)軸通過聯(lián)軸器和傳動(dòng)軸連接實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。在傳動(dòng)軸上設(shè)計(jì)有深溝球軸承支撐，在上臂上設(shè)計(jì)有圓錐銷和傳動(dòng)軸連接，并在軸上設(shè)計(jì)出平鍵連接，從而實(shí)現(xiàn)上臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。2.2.5手腕擺動(dòng)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)機(jī)器人手腕是連接操作機(jī)上臂和末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)，并決定末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的空間位姿。手腕一般有23個(gè)自由度，要求結(jié)構(gòu)要緊湊，質(zhì)量要輕，各運(yùn)動(dòng)軸采用分離傳動(dòng)。本機(jī)器人手腕設(shè)計(jì)成具有二個(gè)自由度，在本設(shè)計(jì)中，通過在上臂上設(shè)計(jì)出電機(jī)支架，使電機(jī)能夠安裝上臂殼體內(nèi)部，通過同步齒形帶傳動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)一個(gè)腕關(guān)節(jié)的擺動(dòng)。這樣設(shè)計(jì)可以節(jié)約空間，結(jié)構(gòu)十分緊湊，而且能很好的滿足傳動(dòng)的要求。手腕擺動(dòng)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)如圖2.6所示。圖2.6手腕上下擺動(dòng)關(guān)節(jié)如上圖

12、2.6所示為手腕關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)電機(jī)的安裝位置及傳動(dòng)方式示意圖。手腕擺動(dòng)關(guān)節(jié)即為B關(guān)節(jié)，主要是現(xiàn)實(shí)手腕的上下擺動(dòng)，手腕擺動(dòng)的幅度為+225-45。電機(jī)安裝在上臂殼體內(nèi)部設(shè)計(jì)出的電機(jī)支架上，通過同步齒形帶來實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。小帶輪安裝在手腕軸上，從而帶動(dòng)手腕的上下擺動(dòng)。下面計(jì)算出同步齒形帶的傳動(dòng)參數(shù)和帶輪的參數(shù)。同步齒形帶傳動(dòng)示意圖如圖2.4所示：計(jì)算同步帶尺寸：(1)確定同步齒形帶的計(jì)算功率Pacac計(jì)算功率P是根據(jù)傳動(dòng)的功率P和帶的工作條件而確定的：acP=K*P(2.1)acA(2.1)式中，KA為其工況系數(shù)，取其值為1.2；P為所需傳遞的額度功率，經(jīng)計(jì)算得其值為P=2.5(kw)即：Pac=KA*P=3

13、(kw)(2)選擇同步帶帶型根據(jù)計(jì)算功率Pac選擇同步帶的帶型，查表選擇較小的節(jié)距，取其值為5.12mm。ac(3)確定小帶輪節(jié)圓的直徑d和小帶輪的齒數(shù)Z由于其中Z1Zmin查表可取Z1=20，2.2)1min，1d=PbZ/兀=19.206(mm)所以d=20.21(mm)(4)確定大齒輪節(jié)圓的直徑d2和大齒輪齒數(shù)Z2由于傳動(dòng)比為3/2，所以Z2=3/2*Z1=30所以d2=48.50(mm)(5)初步選取中心距a0并選擇同步帶的基準(zhǔn)長度Ld,帶的齒數(shù)Zb若中心距a0未給定，根據(jù)下式0.7(d+d2)a02(d+d2)(2.3)所以可以選擇35a0200，選取a0=16Omm。2.2.6手腕

14、回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)手腕回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)即為T關(guān)節(jié)，主要是實(shí)現(xiàn)手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，T關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)幅度為土360。手腕關(guān)節(jié)的電機(jī)安裝位置及傳動(dòng)設(shè)計(jì)如圖2.8所示。圖2.8手腕回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)如圖所示，手腕回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在上臂上設(shè)計(jì)出的電機(jī)支架上，通過電機(jī)軸帶動(dòng)手腕實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。2.3機(jī)械手的設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械手又稱為機(jī)器人的末端執(zhí)行器，它是機(jī)器人用于直接抓取和握緊某些專用工具（例如焊具、噴頭等）進(jìn)行操作的部件。它具有模仿人手動(dòng)作的功能，并安裝于機(jī)器人手臂的前端。但是，由于被抓取工件形狀、尺寸、材質(zhì)等不同，工業(yè)機(jī)器人末端操作器可分為以下幾類：（1）吸附式機(jī)械手（2）夾鉗式機(jī)械手（3）仿生多指機(jī)械手本設(shè)計(jì)是為了設(shè)計(jì)一

15、臺(tái)焊接機(jī)器人，機(jī)械手并不需要完成復(fù)雜的動(dòng)作，只需要機(jī)械手能按要求抓取焊具即可。所以本設(shè)計(jì)選用夾鉗式機(jī)械手，并設(shè)計(jì)成具有兩個(gè)手指的形式，其外形如圖所示。此機(jī)械采用氣動(dòng)傳動(dòng)，通過氣缸的伸縮運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)手指在導(dǎo)軌中同步移動(dòng)來完成機(jī)械手開合運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的夾緊與松開。機(jī)械手的設(shè)計(jì)如圖2.5所示：圖2.5機(jī)械手3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1控制系統(tǒng)選擇機(jī)器人控制系統(tǒng)是一種典型的多軸實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，構(gòu)建機(jī)器人的控制系統(tǒng)，首先需要選擇相應(yīng)的硬件。本設(shè)計(jì)所選用的是固高科技有限公司生產(chǎn)的GE運(yùn)動(dòng)控制器。固高公司生產(chǎn)的GE運(yùn)動(dòng)控制器，可以實(shí)現(xiàn)多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)和高速的點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)。其是在以高速數(shù)字信號(hào)處理器DSP為代表的高性能

16、高速未處理器及大規(guī)模可編程邏輯器件FPGA的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。基于PC的開放式運(yùn)動(dòng)控制器已成為當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用最廣、功能最強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制器，并且在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。運(yùn)動(dòng)控制器主要用于對機(jī)械傳動(dòng)裝置的位置、速度進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制管理，使運(yùn)動(dòng)部件按照預(yù)期的運(yùn)動(dòng)軌跡和規(guī)定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)完成相應(yīng)的動(dòng)作。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖3.1所示：圖3.1控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)開放式結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)充分利用了PC機(jī)的資源，可以利用第三方軟件完成用戶程序開發(fā)，將生成的應(yīng)用程序指令通過總線傳輸給運(yùn)動(dòng)控制器。運(yùn)動(dòng)控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它接受來自上位PC機(jī)得應(yīng)用程序命令，按照設(shè)定的運(yùn)動(dòng)模式，完成相應(yīng)的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

17、，向驅(qū)動(dòng)器發(fā)出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)指令。本設(shè)計(jì)選用固高公司生產(chǎn)的插卡是運(yùn)動(dòng)控制器一一GE系列多軸點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制器來搭建機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)。3.1.1GE-800-PG-PCIGE系列多軸點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制器是固高科技插卡是運(yùn)動(dòng)控制器的成員之一，該系列產(chǎn)品基于計(jì)算機(jī)PCI總線，可同時(shí)控制1-8個(gè)伺服/步進(jìn)電機(jī)，具有優(yōu)良的點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)規(guī)劃功能，特別適用于高速高精度點(diǎn)位控制要求的設(shè)備，選用該系列運(yùn)動(dòng)控制器可以很好的滿足本設(shè)計(jì)的要求。GE系列運(yùn)動(dòng)控制器型號(hào)及含義：本設(shè)計(jì)選用的運(yùn)動(dòng)控制器型號(hào)是GE-800-PG-PCI。GE：系列標(biāo)示代號(hào)為GE；800：可以控制軸數(shù)8軸；P：運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方式為點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)規(guī)劃；G：工作方式為脈沖

18、輸出；PCI：總線類型為PCI總線。GE-800-PG-PCI技術(shù)參數(shù)：運(yùn)動(dòng)控制：運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)為：每軸輸出差分脈沖，最高頻率：1MHZ；每軸編碼器的反饋通道的四倍頻可達(dá)8MHZ；運(yùn)動(dòng)控制功能：點(diǎn)位控制，梯形曲線，S形曲線模式運(yùn)動(dòng)規(guī)劃；數(shù)字濾波器：PID+速度前饋+加速度前饋。IO功能：提供16路同用數(shù)字輸入，16路通用數(shù)字輸出。電源要求：+24V或+12V，Icc=2AMAX。運(yùn)動(dòng)控制器與端子板的連接端子板是把若干個(gè)端子集中在一起，排列在一個(gè)平板上的的，這個(gè)板就叫端子板，端子板的作用是方便接線用的。運(yùn)動(dòng)控制器與端子板連接就是通過一條屏蔽電纜連接控制器的CN1與端子板得CN1,另一條屏蔽電纜連接

19、轉(zhuǎn)接板得CN2與端子板的CN2。圖3.3是GE-800-PG運(yùn)動(dòng)控制器端子板結(jié)構(gòu)圖CN2CN15CN17IIIIIIIICN16|丨II衛(wèi)丨11ipi11CN14CM19口CN8口雷矍至亞翌OCN13o座至益翌口CN7陛矍些毎）CN12送毬巡空MAC恥。逼區(qū)遞瑟至JQCN10O12/24VGNE,.麗o雲(yún)宓丁曲心CN5口墜趣翌盤CN9o1圖3.3GE-800-PG運(yùn)動(dòng)控制器端子板表3.1為端子板接口的定義表表3.1端子板接口的定義接口端子功能接口端子功能CN1運(yùn)動(dòng)控制器連接接口CN2運(yùn)動(dòng)控制器連接接口CN4RS232接口CN5（6、7、8、9、12、13）控制軸接口CN14通用10輸出接口CN

20、15限位信號(hào)輸入接口CN16通用I0輸入接口CN17原點(diǎn)信號(hào)輸入接口CN19模擬量輸入接口對于運(yùn)動(dòng)控制器GE-800-PG-PCI的專用輸入包括：驅(qū)動(dòng)器報(bào)警信號(hào)、原點(diǎn)信號(hào)和限位信號(hào)，通過端子板的CN5（CN6、CN7、CN8、CN9、CN10、CN12、CN13）、CN17、CN15與驅(qū)動(dòng)器及外部開關(guān)相連。CN5的定義見表3.專用輸出包括:驅(qū)動(dòng)允許，驅(qū)動(dòng)報(bào)警復(fù)位。專用輸出通過端子板CN5、CN6、CN7、CN8、CN9、CN10、CN12、CN13與驅(qū)動(dòng)器連接。CN5對應(yīng)1軸，CN6對應(yīng)2軸，CN7對應(yīng)3軸，CN8對應(yīng)4軸，CN9對應(yīng)5軸，CN10對應(yīng)6軸，CN12對應(yīng)7軸，CN13對應(yīng)8軸，

21、在本設(shè)計(jì)中只需要選擇前六軸即可滿足要求。表3.2端子板CN5（CN6、CN7、CN8、CN9、CN10、CN12、CN13）定義表引腳信號(hào)說明引腳信號(hào)說明10GND外部電源地14OVCC+12/24V3ENABLE驅(qū)動(dòng)允許16保留保留4A-編碼器輸入17A+編碼器輸入5B-編碼器輸入18B+編碼器輸入6C-編碼器輸入19C+編碼器輸入8DAC模擬輸出10GND數(shù)字地9DIR+步進(jìn)方向輸出22DIR-步進(jìn)方向輸出11PUL-步進(jìn)脈沖輸出23PUL+步進(jìn)脈沖輸出15RESET驅(qū)動(dòng)報(bào)警復(fù)位2ALM驅(qū)動(dòng)報(bào)警3.1.2電機(jī)控制系統(tǒng)的基本組成在本設(shè)計(jì)中電機(jī)控制系統(tǒng)的基本組成需要如下硬件元器件：運(yùn)動(dòng)控制器一

22、個(gè)、具有PCI接口的主機(jī)一臺(tái)、交流伺服電機(jī)6部、驅(qū)動(dòng)器6個(gè)、+12/+24V直流電源（用于接口板電源）一個(gè)、原點(diǎn)開關(guān)、正/負(fù)限位開關(guān)若干。3.2電機(jī)的選擇本設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)一臺(tái)六自由度焊接機(jī)器人，其總共有六個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。加上機(jī)器人末端的執(zhí)行器，一共需要七個(gè)獨(dú)立的原動(dòng)機(jī)。在本設(shè)計(jì)中可以初步選擇用電機(jī)來驅(qū)動(dòng)，但是在用電機(jī)驅(qū)動(dòng)中存在是選擇使用步進(jìn)電機(jī)、直流伺服、還是交流伺服的問題。由于在本設(shè)計(jì)主要是實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)、擺動(dòng)，而在旋轉(zhuǎn)、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)中通常采用交流伺服系統(tǒng)。所以電動(dòng)機(jī)類型交流伺服電機(jī)，交流伺服電機(jī)具備很多十分優(yōu)良的性能，例如低速性能，調(diào)速范圍寬廣、動(dòng)態(tài)特性和效率都很高。3.2.1電機(jī)型號(hào)的確定標(biāo)準(zhǔn)

23、電動(dòng)機(jī)的功率是由額定功率來表示。所選電動(dòng)機(jī)的額定功率應(yīng)等于或稍大于工作要求的功率。若功率小于工作要求，則不能保證工作機(jī)正常工作，或使電動(dòng)機(jī)長期過載，發(fā)熱過大而過早損壞。本設(shè)計(jì)選用的日本三洋公司生產(chǎn)的R系列交流伺服電機(jī)，下面對R系列電機(jī)的型號(hào)做如下說明。以R2AA06040FC為例：R：表示R系列；2：表示發(fā)動(dòng)機(jī)分類為中慣性；AA：表示電動(dòng)機(jī)電壓為220V；06：表示發(fā)蘭角為60mm；040：表示電動(dòng)機(jī)的規(guī)格輸出為400W；F：表示電動(dòng)機(jī)最高旋轉(zhuǎn)速度為6000r/min；H：表示最高轉(zhuǎn)速為3000r/min；C：表示帶保持控制器（24V）；X：表示無保持控制器。下表2.2是我們所選的電機(jī)的型號(hào)及

24、其具體參數(shù)：表2.2所選擇的電機(jī)電機(jī)參數(shù)S關(guān)節(jié)L關(guān)節(jié)U關(guān)節(jié)R關(guān)節(jié)B腕關(guān)節(jié)T關(guān)節(jié)型號(hào)R2AAB8100HXR2AAB8100HCR2AA06040FCR2AA04010FXR2AA04010FXR2AA04010FX額定功率W10001000400100100100額定電壓220V最高轉(zhuǎn)速rpm3000300060006000600060003.3伺服驅(qū)動(dòng)器的選擇伺服驅(qū)動(dòng)器是用來控制伺服電機(jī)的一種控制器，是伺服控制系統(tǒng)的一部分。目前主流的伺服驅(qū)動(dòng)器一般都采用DSP作為控制核心，可實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法。伺服驅(qū)動(dòng)器一般可以采用速度、位置和力矩三種控制方式，主要應(yīng)用于高精度的運(yùn)動(dòng)控制場合。選擇驅(qū)動(dòng)器

25、需要根據(jù)伺服電機(jī)的功率、反饋元件來選擇。選擇驅(qū)動(dòng)器時(shí)，需要考慮與伺服電機(jī)的匹配問題，還需考慮控制方式。在本設(shè)計(jì)中選用的是三洋公司生產(chǎn)的伺服驅(qū)動(dòng)器。3.3.1驅(qū)動(dòng)器型號(hào)的確定本設(shè)計(jì)選擇的是三洋公司生產(chǎn)的R系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制器，下面將簡要的介紹伺服驅(qū)動(dòng)器的型號(hào)識(shí)別方法。本設(shè)計(jì)選用兩種驅(qū)動(dòng)器，分別為RS1A01AA、RS1A03AA。RS1:表示R系列；A：表示相電壓為AC200；01：表示驅(qū)動(dòng)器容量為15A；A：表示與驅(qū)動(dòng)器組合的為旋轉(zhuǎn)電機(jī)；A：表示編碼器的接口分類為省配線增量編碼器。03：表示伺服驅(qū)動(dòng)器容量為30A。RS1A01AA、RS1A03AA驅(qū)動(dòng)器示意圖如圖3.3所示Ti+Tiv旨TT+sg(

26、匚)RS1A03AA玄E-t-l000舉*(因gFnvlssBzsixanon國Alozlozl屋1IslQvl養(yǎng)匸烹+/WOHnf圖3.3驅(qū)動(dòng)器示意圖下面簡要的介紹伺服驅(qū)動(dòng)器各個(gè)端子的定義高電壓電路端子主電源端子：R、T單相AC200-230V控制電源端子：r、t單相AC200-230V伺服馬達(dá)接線端子：U、V、W與伺服電機(jī)聯(lián)接低電壓電路端子CN1:上位裝置輸入輸出信號(hào)連接器表3.1CN1端子定義表端子番號(hào)信號(hào)名稱說明端子番號(hào)信號(hào)名稱說明3A0A位置信號(hào)輸出4/A0/A位置信號(hào)輸出5B0B位置信號(hào)輸出6/B0/B位置信號(hào)輸出7Z0Z位置信號(hào)輸出8/Z0/Z位置信號(hào)輸出21V-REF速度指令輸

27、入20SG21共用地26F-PC輸入脈沖指令29/F-PC輸入脈沖指令28R-PC輸入脈沖指令29/R-PC輸入脈沖指令36RES(CONT2)通用輸入37ENABLE通用輸入40ALM(OUT2)通用輸出24OUT-COM通用輸出地25OUT-COM通用輸出地49OUT-PWR通用輸出的電源50CONT-COM通用輸入的電源CN2:編碼器接頭，端子定義如表3.2所示表3.2CN2端子定義表端子番號(hào)信號(hào)名稱說明端子番號(hào)信號(hào)說明1EBAT+蓄電池正極2EBAT-蓄電池負(fù)極13ES+位置數(shù)據(jù)輸出14ES-位置數(shù)據(jù)輸出19+DC5V直流5V電源20GND地3.3控制系統(tǒng)電路圖為了滿足焊接機(jī)器人對電源

28、的要求首先需要設(shè)計(jì)電源控制電路,電源控制電路主要包括總電源開關(guān)、驅(qū)動(dòng)器控制電源、驅(qū)動(dòng)器動(dòng)力電源、急?？刂?、伺服啟動(dòng)和停止電機(jī)抱閘控制、DC24V電源輸出等。本設(shè)計(jì)控制電路設(shè)計(jì)如圖3.4所示。血2嘰第電稈播頭|芝電*牙羌曲M魁匍電樣*請料力電彳電苣忘卻風(fēng)薦贏電暮總|卜249開興電彳*停擔(dān)絹云詁和停止|豈處M林止Jt朿電湫捋電機(jī)航軸DC細(xì)電卑檜出蟲0必I0-Z由必必J2-MIJ卜肚I+24iv圖3.4電源控制圖3.3.1運(yùn)動(dòng)控制器與驅(qū)動(dòng)器接線圖圖3.5為運(yùn)動(dòng)控制器的一個(gè)接口與運(yùn)動(dòng)控制器CN1的接口示意圖，圖示還示意了驅(qū)動(dòng)器的主電源和控制電源接線圖，其中主控制電源為是從電源控制電路圖中端子L4、N4

29、中引入并接驅(qū)動(dòng)器R、S,控制電源是從電源控制電路圖中端子L、N中引入并接驅(qū)動(dòng)器r、s。圖3.5運(yùn)動(dòng)控制器與驅(qū)動(dòng)器接線圖3.3.2驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)接線圖圖3.6為驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)的接線圖。131LIFL*MiLt圖3.6驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)接線圖4結(jié)論通過查閱關(guān)于機(jī)器人的相關(guān)文獻(xiàn)，以及參考機(jī)械工程學(xué)院機(jī)器人實(shí)驗(yàn)實(shí)首鋼motoman機(jī)器人實(shí)例，并在老師的指導(dǎo)下完成設(shè)計(jì)方案的論證。在機(jī)器人的本體設(shè)計(jì)的過程中，主要完成了機(jī)器人基座旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)S、下臂上下擺動(dòng)關(guān)節(jié)L、上臂前后擺動(dòng)關(guān)節(jié)U、上臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)R、手腕擺動(dòng)關(guān)節(jié)B、手腕回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)T及機(jī)械手的設(shè)計(jì)。在機(jī)器人基座的設(shè)計(jì)中，基座采用鑄鐵鑄造而成，充分利用鑄鐵的材料特性，

30、改善系統(tǒng)的抗振性。基座上鑄有電機(jī)支架和齒輪副支架，這樣設(shè)計(jì)節(jié)省了空間，結(jié)構(gòu)更為緊湊?；D(zhuǎn)盤在旋轉(zhuǎn)的過程中電機(jī)也是隨旋轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)的。在腕關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)中，腕關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)有二個(gè)自由度，一個(gè)自由度是電機(jī)通過齒輪傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)手腕的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)自由度是通過同步齒形帶來實(shí)現(xiàn)手腕的擺動(dòng)的。這樣設(shè)計(jì)的好處是既能滿足自由度的要求，在結(jié)構(gòu)上也更為緊湊。繪制出了完整的機(jī)器人裝配圖和一部分零件圖。在控制系統(tǒng)中選擇了固高公司生產(chǎn)的GE-800-PG-PCI運(yùn)動(dòng)控制器作為控制系統(tǒng)的核心部件，其充分利用了DSP技術(shù)和FPGA技術(shù)。其是基于PC的開放式運(yùn)動(dòng)控制器，可以直接插到PC機(jī)的PCI插槽中，應(yīng)用十分簡單，操作方便，可以充分

31、利用上位機(jī)得資源。此外還選擇了三洋公司生產(chǎn)的驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)來搭建機(jī)器人的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。焊接機(jī)器人在高質(zhì)量、高精度的焊接中發(fā)揮著重要的作用。近年來，隨著用工成本的提高和先進(jìn)技術(shù)的快速發(fā)展這兩方面矛盾的日益凸顯，焊接機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用極大的推動(dòng)了我國工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展。下面對焊接機(jī)器人發(fā)展做如下展望：（1）多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)隨著自動(dòng)化水平的提高，流水現(xiàn)作業(yè)方式的采用，多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)將成為焊接機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)重要研究和發(fā)展方向。（2）嵌入式控制技術(shù)近年來，嵌入式控制技術(shù)有了長足的發(fā)展，使得嵌入式的應(yīng)用得到重視。嵌入式之所以得到廣泛的重視和應(yīng)用，是因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)有小型、專用、易攜帶、可靠性高等一系列