上下料機(jī)器人選型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

楊福剛

摘 要：隨著社會(huì)發(fā)展，我國(guó)自動(dòng)化水平呈現(xiàn)顯著提高，上下料已不再是以前的人工上下料了，通過(guò)機(jī)械手上下料十分普遍，本文就是關(guān)于機(jī)械手的各種分類選型及結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)說(shuō)明，其中還涉及到絲桿部分中電機(jī)的選型及參數(shù)設(shè)置。

關(guān)鍵詞：上下料;機(jī)器人;選型;結(jié)構(gòu)

本文就是根據(jù)的一個(gè)上下料的機(jī)臺(tái)對(duì)于工業(yè)機(jī)器人運(yùn)用的一個(gè)實(shí)際案例，通過(guò)機(jī)器人吸取物料來(lái)達(dá)到一個(gè)上下料的作用，這種應(yīng)用在當(dāng)今世界及其普遍。

1工業(yè)機(jī)器人分類及選型

1.1工業(yè)機(jī)器人的分類

1按結(jié)構(gòu)形式分類

直角坐標(biāo)機(jī)器人;圓柱坐標(biāo)機(jī)器人;關(guān)節(jié)機(jī)器人;球坐標(biāo)機(jī)器人

2按系統(tǒng)功能分類

專用機(jī)器人以固定程序工作機(jī)器人，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)獨(dú)立控制系統(tǒng)、造價(jià)低廉。

通用機(jī)器人可完成多種作業(yè)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作范圍大，定位精度高，通用性強(qiáng)示教再現(xiàn)式機(jī)器人在示教操作后，能按示教的順序、位置、條件重現(xiàn)示教作業(yè)。

智能機(jī)器人具有視覺(jué)、聽覺(jué)、觸覺(jué)功能，通過(guò)比較和識(shí)別，做出決策和規(guī)劃，完成預(yù)定動(dòng)作。

3按驅(qū)動(dòng)方式分類

氣壓傳動(dòng)機(jī)器人以壓縮空氣作為動(dòng)力源，高速輕載;

液壓傳動(dòng)機(jī)器人采用液壓驅(qū)動(dòng)，負(fù)載能力強(qiáng)、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏電力傳動(dòng)機(jī)器人交直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)快、精度高

本文選擇應(yīng)用各種品牌的機(jī)械手都是屬于電力傳動(dòng)機(jī)器人。

1.2機(jī)器人選型

首先，最重要的源頭是評(píng)估導(dǎo)入的機(jī)器人，是用于怎樣的應(yīng)用場(chǎng)合以及什么樣的制程。如果是應(yīng)用制程需要在人工旁邊由機(jī)器協(xié)同完成，對(duì)于通常的人機(jī)混合的半自動(dòng)線，特別是需要經(jīng)常變換工位或移位移線的情況，以及配合新型力矩感應(yīng)器的場(chǎng)合，協(xié)作型機(jī)器人應(yīng)該是一個(gè)很好的選項(xiàng)。如果是尋找一個(gè)緊湊型的取放料機(jī)器人，你可能想選擇一個(gè)水平關(guān)節(jié)型機(jī)器人。如果是尋找針對(duì)小型物件，快速取放的場(chǎng)合，并聯(lián)機(jī)器人最適合這樣的需求。本文設(shè)計(jì)的是一個(gè)緊湊型的取放料機(jī)器人因此選用平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人。機(jī)器人配置的軸數(shù)直接關(guān)聯(lián)其自由度。如果是針對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單的直來(lái)直去的場(chǎng)合，簡(jiǎn)單的4軸機(jī)器人就足以應(yīng)對(duì)。但是，如果應(yīng)用場(chǎng)景在一個(gè)狹小的工作空間，且機(jī)器人手臂需要很多的扭曲和轉(zhuǎn)動(dòng)，6軸或7軸機(jī)器人則是最好的選擇。本文上下料動(dòng)作并不復(fù)雜且空間足夠，因此選用4軸機(jī)器人就可以。本文主要針對(duì)絕緣片這種物料設(shè)計(jì)出一款機(jī)臺(tái)，機(jī)臺(tái)中包括對(duì)絕緣片起搬運(yùn)裝配作用的機(jī)械手，PLC與其通信和觸摸屏。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1整體工作原理

料盤出料后機(jī)械手吸取絕緣片來(lái)到下CCD拍照，而流水線這邊流過(guò)，頂升氣缸動(dòng)作，之后上CCD拍照，然后對(duì)料進(jìn)行裝配。

2.2料盤升降機(jī)構(gòu)

升降機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)取料位料盤的上下升降，對(duì)其設(shè)計(jì)要求如下：

1運(yùn)行平穩(wěn)性要求。如果升降過(guò)程中伴有劇烈沖擊對(duì)料盤及物料都會(huì)遭到損壞，因此升降機(jī)構(gòu)需要平穩(wěn)運(yùn)行。

2定位精度。對(duì)于料盤及物料必須要到達(dá)一定高度就需要停止，這樣確保其在上料位，這就要求升降機(jī)構(gòu)的定位要精確。

3高柔性。在升降過(guò)程中需要升降到一定高度就停止，要求升降機(jī)構(gòu)具有好的柔性。

按照以上要求，有液壓缸形式、變頻電機(jī)形式和伺服電機(jī)形式三種形式。

2.2.1傳送機(jī)構(gòu)選擇

1滾珠絲桿機(jī)構(gòu)2皮帶傳送機(jī)構(gòu)3齒條齒輪機(jī)構(gòu)

升降傳送機(jī)構(gòu)在運(yùn)行時(shí)應(yīng)具有減震能力、噪聲低且傳動(dòng)平穩(wěn)等特性，根據(jù)這些要求和其本身的工作特性，應(yīng)當(dāng)選擇滾珠絲桿機(jī)構(gòu)，而升降機(jī)傳輸系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)選擇“伺服電機(jī)+滾珠絲桿”這種驅(qū)動(dòng)方式能夠保證其定位精度。

滾珠絲桿機(jī)構(gòu)

T=9550*P/n

Tb計(jì)算方法相同。

Ta=Fa*BP/2 η=25×5/6.28×0.9=22.11

2.3負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J計(jì)算：

滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

J=（v/2 n）2.（w/g）=（1200/6.28 3000）2=0.004

計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量然后求出慣量比

伺服電機(jī)選型原則

1連續(xù)工作扭矩<伺服電機(jī)額定扭矩

2瞬時(shí)最大扭矩<伺服電機(jī)最大扭矩（加速時(shí)）

3負(fù)載慣量<3倍電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量

4連續(xù)工作速度<電機(jī)額定轉(zhuǎn)速

2.3.1伺服電機(jī)額定扭矩計(jì)算

T=9550P/n=9550×100/3000=318.3

因?yàn)檫B續(xù)工作扭矩為132.7小于伺服電機(jī)額定扭矩的，滿足條件。

2.3.2步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是一種將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。也就是說(shuō)，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（即步進(jìn)角、步距角）。您可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)您可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。

2.3.3伺服電機(jī)

伺服電機(jī)是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。

伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制，并能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。

步進(jìn)電機(jī)與伺服電機(jī)的區(qū)別：

第一，步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的控制方式不同，步進(jìn)電機(jī)是通過(guò)控制脈沖的個(gè)數(shù)控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度的，一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)一個(gè)步距角，但是沒(méi)有反饋信號(hào)，電機(jī)不知道具體走到了什么位置，位置精度不夠高。 伺服電機(jī)也是通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)，伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖，同時(shí)驅(qū)動(dòng)器也會(huì)接收到反饋回來(lái)的信號(hào)，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成比較，這樣系統(tǒng)就會(huì)知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時(shí)又收了多少脈沖回來(lái)，就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位，可以達(dá)到0.001mm。

第二，過(guò)載能力不同步進(jìn)電機(jī)一般不具有過(guò)載能力。交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過(guò)載能力。以皮爾磁交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過(guò)載和轉(zhuǎn)矩過(guò)載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額轉(zhuǎn)矩的3倍，可用于克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。步進(jìn)電機(jī)因?yàn)闆](méi)有這種過(guò)載能力，在某些工作場(chǎng)合就不能用步進(jìn)電機(jī)工作了。

第三， 速度響應(yīng)性能不同步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)） 需要200 ～ 400ms。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以皮爾磁交流伺服電機(jī)為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000 r/min。僅需幾ms，可用于要求快速啟停并且位置精度要求較高的控制場(chǎng)臺(tái)。

通過(guò)上述比較，因?yàn)楸緳C(jī)臺(tái)對(duì)精度要求較高，且需要運(yùn)行盡可能平穩(wěn)，因此使用伺服電機(jī)是最好的選擇。

PLC通過(guò)脈沖控制伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)而控制電機(jī)，然后電機(jī)帶動(dòng)絲桿使料盤上升。

3 結(jié)語(yǔ)

機(jī)器人運(yùn)用很多關(guān)于工業(yè)機(jī)器人運(yùn)用上下料能夠提升工作效率的。

參考文獻(xiàn)：

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