汽车安全气囊自动拧螺母装置设计

哈尔滨理工大学学士学位论文 - I - 安全气囊拧螺母直角坐标机器人结构与控制系统安全气囊拧螺母直角坐标机器人结构与控制系统 设计设计 摘要摘要 工业机器人诞生于 20 世纪 60 年代，在 20 世纪 90 年代得到迅速发 展，是最先产业化的机器人技术。它是综合了计算机、控制论、机构学、 信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代 研究十分活跃、应用十分广泛的领域。 在我国工业机器人的真正使用到现在己经接近 20 多年了。已经基本实 现了试验、引进到自主开发的转变，促进了我国制造业、勘探业、汽车产 业等行业的发展。随着我国工业社会的发展和对自动化水平要求的不断 提高，工业机器人市场的快速增长提供了一个良好的机会。因此加快工业 机器人的开发和研究具有重要的意义。 安全气囊拧螺母直角坐标机器人就是工业机器人成员之一。本文介绍工 业机器人的发展历史、现状和未来，重点论述安全气囊拧螺母直角坐标机 器人的机构和控制系统的设计，通过采用伺服电机驱动直角坐标机器人进 行插补运动控制拧螺母机械手的位置，气动方法控制机械手的上下移动。 控制系统采用三菱 FX 系列可编程控制器；利用专门定位模块 FX20GM 进行位置控制，实现了对四个螺母的精确定位。通过采用 AFC1500 系列控制器控制拧紧机的运转实现安全气囊上的四个螺母在预定的扭矩范 围内拧紧，并最终完成工作的过程。 关键词：关键词：工业机器人；安全气囊；可编程控制器工业机器人；安全气囊；可编程控制器 哈尔滨理工大学学士学位论文 - II - Airbags screw nut Cartesian coordinate robot structure and control system design Abstract Industrial robot was born in the 1960 s, in the 1990 s has been developed quickly, is the first robot technology industrialization. It is a comprehensive computer, cybernetics, organization, information and learn the sensing technology, artificial intelligence, the bionics science and the formation of high technology and new technology, is a very active, applicatio n of contemporary research is very widely. In our country the industrial robot is r eally used to now have been close to 20 years ，Has the wood realized the test, introduced to independent development of change, promoted our manufacturing, exploration industry, automobile industry and the developm ent of the industry. Along with our country industry the development of the society and to the requirements of the automation level continuously improved, and the rapid growth of industrial robot market provides a good opportunity. So to speed up the development of industrial robots and research has the vital significance. Airbags screw nut Cartesian coordinate robot is member of industrial robots. This paper introduces the deve lopment of industrial robots history, present situation and future, this pape r focuses on the airbag screw nut right- angle coordinate robot institutions and th e design of control system, through the servo motor drive Cartesian coordinate robot interpolation motion control twist the position of the manipulator, pneumatic nut method to control the robot move up and down. The control system adopts Mitsubishi FX series programmable controller; Use special positioning m odule FX-20GM for position control, to achieve the four nuts positioning. By the use of the AFC1500 series controller to tighten control of the machine operation to realize the airbag on the four nuts in 哈尔滨理工大学学士学位论文 - III - Keywords：industrial robot; airbag ; programmable logical controller 不要删除行尾的分节符，此行不会被打印 哈尔滨理工大学学士学位论文 - IV - 目录目录 摘要.I Abstract .II 第 1 章 绪论.1 1.1 课题背景 .1 1.2 工业机器人的概念 .1 1.3 工业机器人的发展历史 .2 1.4 工业机器人发展现状 .2 1.5 工业机器人发展趋势 .3 1.6 本章小结 .4 第 2 章 机械系统的设计和选择.5 2.1 拧螺母机器人机构本体设计 .5 2.1.1 总体结构方案拟定 .5 2.1.2 直线滚动导轨副的选择.7 2.1.3 机械手的选择. 12 2.1.4 夹紧机构的设计.14 2.2 伺服驱动系统设计和检测装置元件的选择 .14 2.2.1 伺服驱动系统设计 .14 2.2.2 检测元件的选择.23 2.3 本章小结 .25 第 3 章 拧紧控制器.26 3.1 概述 .26 3.1.1 基本特征 .26 3.2.2 基本功能 .26 3.2 外观及接线 .27 3.3 常规操作与监视 .29 3.3.1 模式切换.29 3.3.2 实时显示模式 .29 3.3.3 拧紧结果显示模式 .29 3.3.4 参数显示模式.30 3.3.5 状态显示模式.30 3.4 参数表 .31 3.5 参数输入操作 .33 3.6 本章小结 .33 哈尔滨理工大学学士学位论文 - V - 第 4 章 控制系统设计.34 4.1 位置控制单元 FX2N20GM 概述.34 4.2 位置控制单元 FX2N20GM 安装和接线 .35 4.3 PLC 控制系统设计.37 4.4 本章小结 .47 结论.48 致谢.49 参考文献.50 附录.51 千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域” ，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行 后加一空行 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 1 - 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.1 课题背景课题背景 生产力在不断进步，推动着科技的进步与革新，以建立更加合理的生 产关系。自工业革命以来，人力劳动已经逐渐被机械所取代，而这种变革 为人类社会创造出巨大的财富，极大地推动了人类社会的进步。时至今天， 机电一体化，机械智能化等技术应运而生并已经成为时代的主旋律。人类 充分发挥主观能动性，进一步增强对机械的利用效率，使之为我们创造出 愈加巨大的生产力。 工业机器人的出现是人类在利用机械进行社会生产史上的一个里程碑。 在发达国家中，工业机器人自动化生产线成套设备已成为自动化装备的主 流及未来的发展方向。国外汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业已 经大量使用工业机器人自动化生产线，以保证产品质量，提高生产效 率，同时避免了大量的工伤事故。全球诸多国家近半个世纪的工业机器人 的使用实践表明，工业机器人的普及是实现自动化生产，提高社会生产效 率，推动企业和社会生产力发展的有效手段。我国的工业机器人研制起步 较晚，但是有着广大的市场潜力，有着众多的人才和资源基础。近年来国 家政策的鼓励支持下，我国自主制造出自己的工业机器人，并且将工业机 器人推广应用到制造与非制造等广大的行业中，提高我国劳动力成本，提 高我国企业的生产效率和国际竞争力，从整体上提高我国社会生产的安全 高效1。 1.2 工业机器人概念工业机器人概念 工业机器人由机械本体、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成， 是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的 机电一体化自动化生产设备。特别适用于多品种、变批量的柔性生产线。 它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更 新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制机构学、 信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新术，是当代研 究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自 动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替工人的劳动，而是 综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状 态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、 抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 2 - 业以及非工业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺 少的自动化设备。 1.3 工业机器人的发展历史工业机器人的发展历史 世界上第一台机器人于 1954 年诞生于美国，虽然它是一台试验的样 机，然而它体现了现代工业应用的机器人的主要特征，20 世纪 60 年代， 机器人产品问世，代表性的有美国 Unimation 公司的 Unimate 机器人 和美国 AMF 公司的 Versatran 机器人，这两种机器人被认为是世界上的 最早的工业机器人。 20 世纪 70 年代，机器人进入工业生产的实用化时代，到 80 年代，工 业机器人进入普及时代，汽车、电子等行业开始大量使用工业机器人，推 动了机器人产业的发展。机器人的研究和开发，无论就水平和规模而言都 得到迅速发展，高性能的机器人所占比例将不断增加，1985 年前后， FANUC 和 GMF 公司先后推出交流伺服驱动的工业机器人产品，这一时 期各种装配机器人的产量增长较快、与机器人配套使用的装置和视觉技术 正在迅速发展。目前，工业机器人的开发和研究领域已经成为各国工业自 动化的方向。 1.4 工业机器人发展现状工业机器人发展现状 机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范 围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来 生产和社会发展起越来越重要的作用。 国外专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的新的大型高 技术产业。据国际机器人联合会（IFR）统计，世界机器人市场前景看好， 从 20 世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势 头。进入 90 年代，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在 10%左右， 2000 年增长率上升到 15%。正如21 世纪日本创建机器人社会技术发展战 略报告指出，“机器人技术（RT）与信息技术（IT）一样，在强化产业 竞争力方面是极为重要的战略高技术领域。培育未来机器人产业是支撑 21 世纪日本产业竞争力的产业战略之一，具有非常重要的意义。”最近， 韩国也将智能机器人作为十大战略产业之一列入国家发展规划现正在实施 中。 机器人涉及到机械、电子、控制、计算机、人工智能、传感器、通讯 与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成。因此它 的发展与上述学科发展密切相关。机器人在制造业的应用范围越来越 广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高，功能越来 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 3 - 越强，并向着成套技术和装备的方向发展。机器人应用从传统制造业向非 制造业转变，向以人为中心的个人化和微小型方向发展，并将服务于人类 活动的各个领域。总趋势是从狭义的机器人概念向广义的机器人技术 （RT）概念转移；从工业机器人产业向解决工程应用方案业务的机器人技 术产业发展。机器人技术（RT）的内涵已变为“灵活应用机器人技术的、 具有实在动作功能的智能化系统。”目前，工业机器人技术正在向智能机 器和智能系统的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化； 控制技术的开放化、PC 化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化； 多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系 统的网络化和智能化等方面2。 我国的机器人研究开发工作始于 20 世纪 70 年代初，到现在已经历 了 30 年的历程。前 10 年处于研究单位自行开展研究工作状态，发展比 较缓慢。1985 年后开始列入国家有关计划，发展比较快。特别是在 “七 五”、 “八五”、“九五”机器人技术国家攻关、“863”高技术发展计 划的重点支持下，我国的机器人技术取得了重大发展。 我国近几年机器人自动化生产线已经不断出现，并给用户带来显著效 益。随着我国工业企业自动化水平的不断提高，机器人自动化线的市场也 会越来越大，并且逐渐成为自动化生产线的主要方式。我国机器人自动化 生产线装备的市场刚刚起步，而国内装备制造业正处于由传统装备向先进 制造装备转型的时期，这就给机器人自动化生产线研究开发者带来巨大商 机。据预测，目前我国仅汽车行业、电子和家电行业、烟草行业、新电池 行业等，年需求此类自动化线就达 300 多条，产值约为 60 多亿元人民 币。 1.5 工业机器人发展趋势工业机器人发展趋势 随着计算机技术的不断向智能化方向发展，机器人应用领域的不断扩 展和深化以及在系统(FMS、CIMS)中的群体应用，工业机器人也在不断向 智能化方向发展，以适应“敏捷制造”(Agile Manufacturing)，满足多样化、 个性化的需要，并适应多变的非结构环境作业，向非制造领域进军。 （1）感觉功能：感觉功能方功能方面将实现多传感器信息的融合， 以检测多变的外部环境，做出判断和决策，其实质类似于人的五官和身 体的综合感觉功能，包括视觉、触觉、力觉、滑觉、接近觉、压觉、听觉、 味觉、臭觉、温觉等。研究包括各类传感信息的采集及融合处理、传感器 与驱动器一体化技术、感觉功能继承模块等。 （2）控制智能化：由硬线控制走向 NC，离线编程发展，进而发展到进 一步应用。随着系统化、集成化生产的发展，基于 PC 的开放式控制。系 统将机器人控制和车间一级控制的发展方向。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 4 - （3）移动功能的智能化：为解决长距离搬运作业、大作业对象、多作 业对象及极限作业等问题，需开发自主移动系统(包括滑动、滚动、行走、 爬行、跳跃、飞行等)。 （4）系统应用与集成化：支持以人为核心的生产系统，实现生产系统 中机器人群体协调功能、群智能和多机通讯协议，开发能理解人的意志的 “同事机器人”。系统中的“同事机器人”(Cobot)不在兴起将成为操作 人员不可或缺的伙伴。围绕着各种机器人共存的堵多课题，正在兴起一门 新学科“软机器人学”。 （5）安全可靠性：由于大量不确定因素的存在，要实现智能化的安全 可靠性，机器人必须具有对各种意外情况的应变能力，及时采取预防措施 和安全对策，包括硬件级、软件级、应用级和人机系统的自诊断和自修复 故障。 （6）微型化：向微型化发展，开发毫米级机器人，用于微加工、医学、 宇宙和海洋开发等领域。 （7）多传感器信息融合与配置技术：机器人的传感器配置和融合技术 在生产过程自动控制中的应用包括面向工艺过程的多传感融合和配置技术； 采用智能传感器的现场总线技术；面向工艺要求的新型传感器研制。机电 一体化智能传感器包括具有感知、自主运动、自清污(自调整、自适应)的 机电一体化传感器研究；面向工艺要求的运动机构设计、实现检测和清污 的自主运动。 1.6 本章小结本章小结 本章简单介绍了工业机器人的概念、国内外发展现状和发展趋势，对 了解工业机器人研发的意义，为下面机器人的设计提供理论依据。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 5 - 第第 2 章章 机械系统的设计和选择机械系统的设计和选择 拧紧螺母机器人是非常典型的机电一体化产品，它是机械机构、伺服 系统和工控机(PLC) 等有机结合的产物，随着社会的发展，其机械结构与 传统的机械结构已经发生了较大的变化，由原来的大、复杂、精度低、功 能少等正朝着小、精密、功能强大等方向发展，与传统的机械系统相比， 其不仅具有较高的定位精度，还具有良好的动态响应特性，即响应快、稳 定性好。 2.1 拧螺母机器人机构本体设计拧螺母机器人机构本体设计 2.1.1 总体结构方案拟定总体结构方案拟定 首先需要对安全气囊( 在本文中，选择一种类型的安全气囊作为示例)的 结构作简要说明，四个螺柱呈正方形排列，正方形边长为 82mm ，四个 螺柱的螺纹规格均为 M5，要求用四个同规格的螺母进行拧紧，拧紧扭矩为 18N m。方案拟定对四个螺柱分别进行螺母拧紧，即先对螺柱 1 进行拧 紧，然后返回螺母供应处取螺母再进行对 2 号螺柱进行拧紧，对 3 号、 4 号螺柱也是以同样的方式进行拧紧。在设计机械本体的过程中，机械 手的设计很重要，拟选择 AFC 系列拧紧机作为拧紧工具，在拧紧机的头部 连接上磁性螺母套头，此性螺母套头直接接触螺母，主要是对螺母进行吸 附和拧紧，此套头可以更换，当对不同类型的安全气囊进行螺母拧紧时， 就可以在拧紧机上连接相配套规格的套头，在本例中，也要设计出与 M5 螺母相配套的套头，其结构图见图 2-5，定力矩拧螺母机械手在横向(X) 轴的导轨上运动，同时，(X) 轴导轨在纵向(Y) 轴导轨运动，X-Y 两轴的 速度合成了机械手的速度，机械手在 X-Y 平面内的位置就可以通过分别在 X、Y 轴的投影确定，即机械手做直线插补运动来对螺母进行定位，机械 手在 X-Y 平面内的直线插补运动由伺服电机通过丝杠来驱动，选用专门的 定位模块通过控制其向伺服驱动器发出的脉冲量和脉冲率来保证机械手的 精确定位，当机械手到达目的位置时，机械手的上下运动通过气动方法实 现，选择气缸作为执行元件，气缸活塞杆的运动方向由换向电磁阀来控制， 速度通过速度控制阀来控制。另外，拟选用气压缸作为工件( 安全气囊) 的夹紧装置。 2.1.1.1 主要参数设定主要参数设定 横向(X 向)工作行程 700mm,纵向(Y 向)工作行程 600mm； 机械手最大运行速度为 0.8m/s； 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 6 - 定位精度为 0.001mm。 2.1.1.2 坐标系的选择坐标系的选择 拧螺母机器人设计的主要问题是选择连杆件和运动副组成的坐标形式， 最广泛使用的工业机器人坐标形势有：直角坐标式、圆柱坐标式、球面坐 标式、关节坐标式。本系统具有 3 个自由度，既 X 轴、Y 轴、Z 轴，其 中 X、Y 进行直线插补运动，Z 轴进行上下运动，符合直角坐标式的特点， 故选择采用直角坐标式，另外，直角坐标式机器人还有其他式坐标机器人 不可比拟的优点，如下： （1）结构简单； （2）容易编程； （3）采用直线滚动道轨后，速度高，定位精度高； （4）在 X、Y、Z 三个坐标轴方向上的运动没有耦合作用，对控制系统 设计相对容易些。 图 2-1 为拧紧螺母机器人本体结构模型图，其结构形式采用标准的 直角坐标系式。 不过，和其的坐标式机器人相比，也具有一些缺点，由于直角坐标式 机器人必须采用导轨，故带来一些缺点，例如其道轨面的防护比较困难不 能像转动关节的轴承那样密封的很好；导轨的支撑结构增加了机器人的重 量；结构尺寸与有效工作范围相比显得庞大，移动部件的惯量比较大，增 加了驱动装置的尺寸和能量消耗。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 7 - 2.1.1.3 驱动方式的选择驱动方式的选择 机械手在 X-Y 平面内的运动采用伺服驱动执行元件,其上下运动、螺 母供应杆的上下运动和夹紧机构均采用气压式执行元件。 2.1.2 机械传动部件的选择机械传动部件的选择 2.1.2.1 滚珠丝杠副的选择滚珠丝杠副的选择 本机器人的传动方式为丝杠传动，因此，要进行对丝杠进行选型。滚 珠丝杠副是一种新型的螺旋传动元件，它的产生和发展只经历了数十年的 历史，然而它在国内外工程技术界人士中已引起了广泛的兴趣和重视。 当今滚珠丝杠副在机床工业、汽车工业、自动控制系统、航空工业、 船舶工业和兵器工业等各个部门皆获得了日益广泛的应用。在此较短的时 期内，它之所以能够得到如此迅速的发展和较普遍的应用，主要的原因是 内于滚珠丝杠副具有高效率和高精的特点，并具有优越的高速特性和耐磨 损性及运动可逆性等特性；这些特点都是普通丝杠副不可能具备的。总之， 它具有许多良好的机械传动性能。所以，滚珠丝杠副已成为非常有效的、 普遍适用的螺旋传动元件。此外它又可以像滚动轴承那样，由专业厂家组 织生产和供应，向用户提供一种新颖的配套元件；广大用户司根据各自的 需要方便地进行选用和订购。关于滚珠丝杠副的产生和发展以及它的主要 特性如下： （1）以滚动代替滑动； （2）极高传动效率； （3）极高的精度； （4）轴向间隙为零； （5）使用寿命长； （6）精确的同步运动； （7）运动的可逆性； （8）广阔的发展前景。 对于滚珠丝杠副，其结构上最明显的特征是：构件间的可动联接通常不 是借助于运动副本身，而是在丝杠和螺母两构件之间利用小间元件(滚珠) 来实现的。滚珠丝杠副与滚动轴承相类似，它们都是借助于滚珠来实现构 件的可动连接的 由上述工作原理可知，滚珠丝杠副与滑动丝杠副比较滚动摩擦代替了 滑动摩擦，因此，具有以下特点 （1）摩擦损失小、传动效率高 由于滚动丝杠副的摩擦损失小，其传动效率可达 9096，约为滑动 螺旋机构效率的 23 倍。 （2）磨损小、寿命长 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 8 - 通常，滚珠丝杠副的主要零件，如丝杠、螺母及滚珠都是经过淬硬 的，并有很低的表面粗糙度；而且滚动摩擦的磨损很小，因而具有良好的 耐磨性，即其精度保持性能好，工作寿命长。 （3）轴向刚度高 由于滚珠丝杠副可以完全地消除传动间隙，而不致影响丝杠运动的灵 活性，因而可以获得较高的轴向刚度。通常，可以通过预紧来提高铀向刚 度。 （4）摩擦阻力小、运动平稳 由于是滚动摩擦，动、静摩擦系数相差较小，其摩擦阻力几乎与速度 无关，而且静摩擦力极小，启动力矩与运动力矩近于相等。因而灵敏高， 运动较平稳，启动时无颜动，低速传动时无爬行现象。 （5）不能自锁、具有传动的可逆性 在选用滚珠丝杠时，必须知道实际的工作条件：即最大的工作载荷 F max、丝杠的工作长度 L、丝杠的转速 n 等。 承载能力的选择： 计算作用于丝杠的轴向最大动载荷 FQ,然后再根据 FQ 选择丝杠副的型 号。 （2-1） 式中 L滚珠丝杠的寿命系数，本机器人的寿命为 1.5； 硬度系数，在本机器人中，为 1.11 ； 载荷系数，在本机器人中，运动平稳时为 1.0； 最大工作载荷，在本机器人中，(X) 最大工作载荷为 200N；(Y) 向最大工作载荷为 3000N 。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 9 - 以(X) 轴为例： （1）由表 4.2 选择精度等级为 2 级。 （2）滚珠丝杠导程的选择：选用 （3）最大行程： S = 750mm （4）平均转速、平均轴向力： （5）预压力： （6）动额定负荷的计算： 由表 4.8 选取设计寿命以公里计为： 由行走距离转换成小时： （2-2） （7）平均轴向负荷: +P = 500+179 = 679N 由小时转换成回转次数 L ： 动额定计算负荷 C： 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 10 - 所以，从 HIWIN 滚珠丝杠的型号中，挑选 FDW 型式的螺母，其中公 称直径为 25mm ，且珠圈数是 B2 设计即可符合要求。 滚珠丝杠规格：25-5B2 导程：5mm 节圆直径：25mm 珠圈数：2.52 钢珠直径：3.175mm 根径：23.425mm 屈服负荷和临界转速之支撑方式：固定支撑 所以在拧螺母机器人系统中，X 向选择的滚珠丝杠为插管埋入式双螺 母滚珠丝杠副，型号为 LMZD25-10B2，丝杠得导程 Lo = 10mm，丝杠 公称直径 d=25mm ，额定静载荷为 280N；Y 向选择 LMZD50-10B2，丝杠导 程 Lo = 10mm，丝杠公称直径 d=50mm ，额定静载荷为 3500N。 2.1.2.2 直线滚动导轨副的选择直线滚动导轨副的选择 导轨按运动轨迹划分可分为直线运动导轨和圆周（回转）运动导轨； 按工作时摩擦特性划分为滑动导轨和滚动导轨；滑动导轨又有普通滑动导 轨、液压动压导轨、液压静压导轨和卸荷导轨等；滚动导轨按流动体地不 同又分为滚珠导轨、滚珠导轨和滚针导轨等；按导轨的受力情况可分为开 示导轨和闭式导轨。 滚动导轨是在导轨面之间装有一定数量的滚动体：滚珠、滚柱和滚针， 使两导轨面之间具有了滚动摩擦性质，即摩擦系数小以及动、静摩擦系数 很接近。因此，滚动导轨运动轻便，磨损小，并可避免出现爬行现象，且 定位精度高，但由于滚动体的原因，此类导轨的抗震性较差，对脏物也较 敏感。 滚动导轨的分类可从下述不同角度进行： 按运动轨迹分直线运动导轨、圆周运动导轨；按滚动体形式分滚珠导 轨、滚柱导轨和滚针导轨等；按滚动体在导轨面间的运动形式分循环和非 循环式。循环导轨是滚动体工作时可在导轨的工作滚道和返回滚道之间循 环。常用的有滚动导轨块和直线滚动导轨副。 直线滚动导轨副配置情况如图 2-3 所示： 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 11 - 图 2-3 直线导轨副 直线滚动导轨的特点： （1）载荷能力大：刚球与圆弧滚道的接触比与平面接触的载荷能力可 提高 13 倍 （2）刚性强：在制作时，给定预加载荷而获得较高系统刚度，能承受 较大的切削力、冲击与振动。 （3）四方向等载荷：全方位上的刚度值一致，具有良好的减振特性。 （4）寿命长：由于是纯滚动，摩擦因数为滑动导轨的 1/50 左右，主机 消耗低，省电节能，便于机械小型化。 （5）传动平稳可靠：动作轻便灵活，定位精度高，微量移动灵活准确。 （6）具有机构自调整能力：相对配件加工精度要求可降低，且安装使 用方便。 在拧螺母机器人系统中，在选择滚动直线导轨时，采用两根滚动直线 导轨副，每根导轨上有一个滑块，在 X 向，机械手 G1=150N，滑座 G2=300N。故总负荷 P = G1 + G2=150 + 300 = 450 N。选四方向等载荷型， 型号为 HGH35CA1R。 Y 向导轨不仅起到牵引作用，而且还支撑着 X 导轨和机械手，因此 在选择时，不仅要注意其静载荷，还要考虑其偏重力矩，防止被卡死。( 偏重力矩即 X 向导轨和机械手的总质量对 Y 向导轨的静力矩) ，当机 械手移动到离 Y 导轨最远时，其偏重力矩最大，故偏重力矩应按悬伸最大 行程、最大抓重时进行计算。根据静力学原理可求出手臂重质量的质心为 之距 Y 向导轨的距离，即偏重力矩 L。 因为机械手和 X 向导轨质量很小，偏重力矩臂不太长，故选择型号 为 HGH55CA1R, 其抗偏重扭矩为 5.66KNM 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 12 - 2.1.3 机械手的设计机械手的设计 拧螺母机器人机械手的核心元件是螺母拧紧机和磁性螺母套头，螺母 拧紧机工具型号为：NFT-201RM1S.本系统所选用的拧紧机为日本第一 电通公司生产的由 AFC1500 系统控制的拧紧机，该系统是以低成本实现 各种形式螺栓拧紧为目的而开发的电动螺栓拧紧机。其拧紧工具结构见图 2-4。 图 2-4 拧紧机机构简图 此拧紧机由四部分组成，分别是：解析器、永磁电机、齿轮、扭矩转 换器的主要特点如下： （1）扭转精度：全量程扭矩的 1/2全量程扭矩的 3%以内。 （2）角度表示最小单位：1 度 ； （3）角度内部控制单位：0.1 度； （4）扭矩转换精度：1% ； （5）拧紧放式：扭矩法、角度法； （6）扭矩、转速 ：最大扭矩为 19.6N，最高转速为 500r/m ； 在本系统中，磁性螺母套头连接在拧紧机上，其作用是吸附着螺母随 机械手一起运动，其机构结构见图 2-5。 图 2-5 磁性螺母套头结构图 磁性套头具有磁性，对螺母具有吸附作用，弹簧盖是拧在套节里面， 弹簧在弹簧盖的压力下顶着磁性套头，对磁性套头起着缓冲和复位作用。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 13 - 螺母拧紧机、磁性套头、气缸、弹簧等连接，构成了机械手，如下图 2-6 所示。 图 2-6 机械手结构示意图 螺母在螺母杆( 图中未画出) 的推动下向上运动，等快触到磁性螺母 套头时螺母杆停止运动，而螺母在惯性的作用下继续运动，在磁性的作用 下被吸附在套头上；气缸固定在导轨的滑座上，汽缸活塞的上下运动有电 磁阀来控制，本系统选择三位四通电磁阀，汽缸活塞的推杆带动拧紧机的 上下运动，当机械手到达需要拧紧的螺栓上方后，气缸活塞推动拧紧机向 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 14 - 下运动，加在拧紧机两旁的弹簧能起到缓冲作用，避免拧紧机因快速向下 移动时对螺栓产生冲击。同时，当螺母接触到螺栓的时候，磁性螺母套头 里的弹簧会收缩，磁性套头也会随着弹簧收缩，在拧紧的时候，弹簧会紧 紧顶进磁性套头，使螺母和螺栓紧紧接触，从而进行拧紧动作。 2.1.4 夹紧机构的设计夹紧机构的设计 利用气压缸作为工件的加紧装置，以压缩空气为动力源的气动夹具具 有很多的优点，第一，空气可以从大气中取之不竭，无介质费用和供应上 的困难，管道不易堵塞，亦不存在介质变质、补充、更换等问题，空气的 粘度很小，一般阻力损失不到邮路阻力损失的四分之一，第二，压缩空气 的工作压力较小，因此可降低气动元件的材质和制造精度的要求，由于空 气流速快，所以，气动系统具有工作迅速、反映灵敏的特点，可缩短辅助 时间。 单个汽缸设计计算，按机械设计手册选缸筒内径 D=80mm ，活塞 和压杆的材料为 45 钢，查机械设计手册的抗拉强度为 560Mpa, 取 安全系数为 1.5，得许用应力:560/1.5=373Mpa，由此可选区活塞杆直径为 16mm( 头部直径为 40mm),活塞直径 D 为 80mm, 活塞和杆重计算： 压缩空气的工作压力位 P，取 6Kgf/cm,效率系数 取 0.9。 气缸的 夹紧力为 因为在本系统中，对安全气囊的夹紧需要的力不是太大，故采用了一 个汽缸进行夹紧。 制动力矩验算 M = FL 由机构设计知 L=83mm, 得 2.2 伺服驱动系统设计和检测装置元件的选择伺服驱动系统设计和检测装置元件的选择 2.2.1 伺服驱动系统设计伺服驱动系统设计 2.2.1.1 伺服驱动系统的概述伺服驱动系统的概述 工业机器人一般由机械机构本体、驱动系统和控制系统三部分组成。 拧螺母机器人属于工业机器人中的一类，自然也是有这三部分组成，本体 由导轨、丝杠、机械手等组成，机械手以一定速度作定位运动，分别完成 移动、升降和拧紧工件等各种动作。拧螺母机器人要完成规定的动作并达 到一定的精度要求，是复杂而又很难解决的问题，而伺服系统因响应速度 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 15 - 快、速度精度高、调速范围宽、加减速性能好，可以提供灵活、方便、准 确和快速的驱动，目前绝大部分机器人的关节运动均采用交流伺服控制系 统。随着技术的进步，计算机技术、电子技术和电动机磁性材料的发展， 交流伺服驱动控制也取得了极大的进步，伺服系统已进入全数字化和交流 化的时代。本系统采用松下公司的 MINAS A 系列伺服电动机及驱动器。为 了更好地了解拧螺母机器人的原理，以下是对伺服系统特点的说明。 拧螺母机器人需要实现高精度的位置控制，而实现精确位置控制的一 个基本条件是需要有高精度的执行机构。当脉冲当量和进给速度都要求太 高时，传统的步进电机或直流伺服电机将面临一系列问题，且实现起来难 度大，成本较高。为了解决这个问题，我们选用了伺服驱动系统。从基本 结构来看，伺服系统主要由三部分组成：控制器、功率驱动装置、反馈装 置和电动机。控制器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运 行值的差，调节控制量；功率驱动装置作为系统的主回路，一方面按控制 量的大小将电网中的电能作用到电动机之上，调节电动机转矩的大小，另 一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电动机所需的交流电 或直流电；电动机则按供电大小拖动机械运转。 该伺服驱动系统接受控制单元的控制，控制单元为位置控制模块，即 FX2N-20GM ，FX2N-20GM 受到 PLC 的控制，同时，输出控制指令(脉冲/ 方向)以控制伺服驱动器，在位置控制方式下，伺服驱动器接收位置控制 模块发出的位置指令信号(脉冲方向)，送入脉冲列形态，经电子齿轮分 倍频后，在偏差可逆计数器中与反馈脉冲信号比较后形成偏差信号。反馈 脉冲是由光电编码器检测到电机实际所产生的脉冲数，经四倍频后产生的。 位置偏差信号经位置环的复合前馈控制器调节后，形成速度指令信号。速 度指令信号与速度反馈信号 与位置检测装置相同 比较后的偏差信号经 速度环比例积分控制器调节后产生电流指令信号，在电流环中经矢量变换 后，由 SPWM 输出转矩电流，控制交流伺服电机的运行。位置控制精度由 光电编码器每转产生的脉冲数控制。它分增量式光电编码器和绝对式光电 编码器。增量式编码器构造简单，易于掌握，平均寿命长，分辨率高，实 际应用较多。 本系统采用的是增量式光电编码器。绝对式光电编码器按二进制编码 输出，信号线多，由于精度取决于位数，所以高分辨率不易得到。但是这 种编码器即使不动时也能输出绝对角度信息，图 2-7 为伺服系统和控制 器的系统构成图： 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 16 - 图 2-7 伺服系统和控制器的系统构成图 2.2.1.2 伺服驱动器外观和接线图伺服驱动器外观和接线图 在伺服驱动系统中，伺服驱动器要完成较复杂的控制算法，故电路结 构较复杂，其电路可分为主电路、控制电路及显示设定等几部分，三相电 源从 L1、L2、L3 三个输入端子输入驱动器，经过驱动器内部电路的控制， 从 U、V、W 三个输出端子输出，控制交流伺服电机，控制电源从驱动器 的 r、t 输入端子输入，经过整流，AC/DC 转换后作为控制电路的电源。 松下伺服驱动器的控制电路主要由 CPU 和 ASIC 两个部分组成，完 成电动机的速度控制、位置控制、电压/电流等参数采集、编码器信号处 理、控制信号输出、保护功能实现以及与其他外设进行接口等功能，驱动 器的显示设定部分作为人机接口，完成驱动器设定与操作等功能，松 MINAS A 系列伺服驱动器在运动控制系统中可以被设置为具有多种控制方 式，可以进行速度控制、位置控制机转矩控制，而且该驱动器还有完善的 保护措施和方便的操作接口。图 2-8 为驱动器外观图。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 17 - 图 2-8 驱动器外观图 接线时需要注意以下问题： (1)连接电缆到每个接线端时，要用有绝缘套压线端护以保证绝缘屏蔽。 (2)不安装外接放电 L 时，请将(RB2 B1) 和(RB3 B2) 端护短接来。 (3)如果驱动器山于发生再生放电电阻过载(Err18) 而跳问，请务必再 外接一个放电电阻。此时，请拆除(RB2 B1) 和 RB3 ( B2)之间的连接线， 再在 RB1 (P)和 RB2 ( B1)之间接入电阻。 (4)通常情况，A4 系列 A 型、B 型驱动器山于已指定需要外接电阻， 而不需要将 RB2 和 RB3 端护短接起来。 (5)生再生放电电阻过载(Err18) 报警，请在 RB1 和 RB2 之间接入电阻。 (6)使用外接放电时，请 i1 设置参数 Pr6C 的值( 设成 0 以外之值) 。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 18 - 图 2-9 伺服驱动器和电机接线图 (7)电源电压请务必按照驱动器铭牌上的指示。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 19 - (8)主电源接线端(L1, L2, L3) 和电机接线端(U, V, W) 不要混淆。电 机接线端(U, V,W) 不可以接地或短路。 (9)主电源接线端子(L1 、L2、L3)和电机接线端子(U、V、W)不要混淆。 (10) 禁止触摸电源接线端子 X1 、X2 和接线端子排，因为有高电压。 否则可能会导致触电事故。 (11) 安装了一个断路器( 最大电流 20A)时，750W( 或更高功率) 最大 可输入 240V、5000A(有效值) 。 (12) 交流伺服电机的旋转方向不可以像感应电机一样通过交换三相相 序来改变。 (13) 必须确保伺服驱动器上的电机连接端子(U、V、W)与其连接电缆的 色标( 或航空插头的脚号) 一致。 (14) 电机的接地端子和驱动器的接地端子以及噪声滤波器的接地端子 必须保证可靠的连接到同一个接地点上。机身也必须要接地。请确保铝线 和铜线不接触，以免金属腐蚀。 (15) 为了避免噪声，请给电磁接触器、继电器、电机电磁制动器安装 一个浪涌吸收器。 (16) 确保安装一个非熔断断路器(NFB) ，紧急情况下可以用来切断驱 动器侧的电源输入。 2.2.1.3 位置控制模式信号接线图和控制信号详解位置控制模式信号接线图和控制信号详解 图 2-10 为位置控制模式信号接线图。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 20 - 图 2-10 位置控制模式信号接线图 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 21 - 通用输入信号及功能为表 2-1： 表 2-1 控制信号详解 信号记号引脚 号码 功 能 COM +7 连接到外置直流电源（1224V）的正极 电源请采用 1224 控制信号控制 信号 电源 COM 41 连接到外置直流电源（1224V）的负极 电源的容量取决于 I/O 信号的组合应用， 建议不小于 0.5A 伺服 机能 SRV-ON 29 此信号与 COM-短接，即进入伺服使能 状态 ，此信号与 COM-短接，请再输入指令 脉冲。如果与 COM-的连接断开，则伺服系 统进入不能使能状态。 伺服不使能状态时动态制动器的动作与 偏差计数器清零的动作可用参数 Pr69 选择。 Pr02 值 C-MODE 与 COM-开路（选 择第 1 控制模 式） C-MODE 与 COM-短路 （选择第 2 控 制模式） 3 位置控制速度控制 4 位置控制转矩控制 控制模 式切换 C-MODE 32 5 位置控制转矩控制 续表 2-1 控制信号详解 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 22 - CW 行程 限位 CWL8 这个引脚可以用来输入 CW（顺时针）方 向的行程限位信号 偏差 技术器 清零 CL30 可用来将偏差计数器和全闭环偏差计数 器的内容清零（CL 信号） 此引脚与 COM- 信 号短接，即可把内容清零。可用 Pr4E （计 数器清零输入方式）选择清零方式。 指令 脉冲 禁止 输入 INH33 可用来禁止指令脉冲的输入（INH 信号） 这个引脚一旦与 COM-信号断路，位置指令 脉冲的输入即被屏蔽。 可用参数 Pr43 （指 令脉冲禁止输入无效设置）选择将此信号屏 蔽。 报警 清除 A-CLR31 此信号与 COM- 的连接保持闭合 120ms 以上，就可以将报警状态清除掉。报警清除 的同时，偏差计数器的内容也会被清零。 某些报警状态无法用此信号清除 2.2.1.4 伺服驱动器的选择伺服驱动器的选择 在上一节中，我们已经对丝杠作了选择，选择的 X 向滚珠丝杠为插 管迈入式双螺母滚珠丝杠，丝杠得导程为 L0=10mm,丝杠公称直径为 d=25mm ，工作负载质量为 m=30Kg，机械手质量 m=15kg，工作台的速度为 V=0.4m/s,最大加速度 a=1m/s2 ，工作台遇导轨之间的摩擦因数为 0.1， 传动比 I=1 ，故初步计算交流伺服电机的参数。 外负载力( 摩擦负载) 惯性负载力 （1）折算到电动机轴上的负载力矩为： 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 23 - （2）折算到电动机轴上的转动惯量： （3）电动机转速： （4）电动机功率计算 因为重力负载在任何速度下都是相同的，属于在峰值力矩下，以峰值 转速不断驱动的负载，则电动机的计算为： （2-3） 由于丝杠螺母机构的传动效率高，传动效率按 =0.95 计算，则： （5）电机的选择 最终将选用松下公司的 MSMD022A 交流伺服电机，它的主要参数为 P 额 =200W。额定转速为 n=3000r/min，供电电压为 200V。 （6）选取驱动器 选用松下公司的 MADDT1207 系列驱动器，其电压为 200V，输出功率 为 0.5KVA。 同理，对 Y 向电机的选择也是如此，在此就不再一一介绍，以下是对 Y 向电机和伺服驱动器的选型：选用松下公司的电机为 MSMD042A，其中主 要参数，P 额=400W, 额定转速为 n=3000r/min，供电电压为 200V，选用松 下驱动器型号为 MBDDT2210 ，其电压为 200V，输出功率为 0.9KVA。 2.2.2 检测元件的选择检测元件的选择 在运动控制系统中，必须使用检测元件来检测位置、速度等参数，在 半闭环控制系统中，检测元件安装在电动机轴的非负载侧，通过检测电动 机轴的转角来检验反映运动部件的运动参数。本系统选择的是增量式光电 编码器。下面简要介绍一下它的原理： 增量式光电编码器的特点是每产生一个输出脉冲信号就对应一个增量 位移角，即能产生与轴角位移量等值得电脉冲。这种编码器的作用是提供 一种对连续轴角位移量离散化或增量化以及角位移化( 角速度) 的传感方 法。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 24 - 光电编码器由以下四个基本部分组成：光源、转盘、折光板以及光敏 元件组成 。转动圆盘上刻有均匀的透光缝隙，相邻两个透光隙缝之间代 表一个增量周期。折光板上由于转盘相应的透光缝隙，用来通过后阻挡光 源与位于折光板后面的光敏元件之间的光线，通常折光板上所克制的两条 缝隙是输出信号的角度相差 90 ，即所谓两路输出信号正交。同时，在 增量式光电编码其中还有用作参考零位的标志脉冲后只是脉冲(Z 相) 圆 盘每转动一周，只发出一个标志脉冲。因此，在转动圆盘和遮光板相同半 径的对应位置上刻有一道透光缝隙，标志脉冲通常与数据通道有着特定的 关系，用来指示机械位置或对累计量清零。 下面，就使用增量式光电编码器应该谅解的几个基本问题进行说明： （1）增量式光电编码戚德的分辨率 光电编码器的分辨能力是以电动机轴转动一周编码其所产生的输出信 号的基本周期数，也就是 P/r 表示的，并一次定义编码器的分辨率。因此， 光盘上的槽或窗口数目就等于编码器的分辨率，在工业电气传动中，根据 不同的应用对象，可选择分辨率为 500 5000p/r 的增量式光电编码 器。 （2）增量式光电编码器的精度 通常，精度用角度、角分或角秒来表示。编码器的精度与光栅缝隙的 加工质量、转盘的机械旋转情况等制造精度因素有关，也与安装技术有关。 （3）编码器内输出信号的处理在大多数的情况下，直接从编码器光电 元件获取的信号电平较低，波形也不规则，还不能适应与控制、信息处理 和远距离传输的要求。所以，在编码器梅还必须将此信号放大于整形、经 过处理的输出信号一般为尽是正弦波或矩形波。由于矩形波输出信号容易 进行数字处理，所以这种输出信号在运动控制系统中应用十分广泛。将编 码器输出的信号进行硬件和软件处理，就可以对运动控制系统的各种参数 进行测量。 位置检测：以运动机械的某一设定点为原点，机械运动过程中带动光 电编码器的输入轴旋转，从而在编码器的输出端产生脉冲系列，其脉冲的 个数与机械运动的路程成正比。由此，对光电编码器输出的脉冲进行记数 就可以计算出运动机械到设定远点的距离。在拧螺母机器人系统中，要对 机械手的位置进行检测，即检测机械手在 X、Y 轴的位置精度，由于编码 器和伺服电机相联在一起，即编码其直接检测电动机的转角，来间接检测 机械手的位移量，所以，伺服电机和编码器组成了半闭环系统，原理如图 2-11 。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 25 - 图 2-11 测量原理图 设编码器的每转脉冲数为 f ，则传感器的每个脉冲对应的机械手的 位 移为： （2-4） 则 实际选用的编码器的脉冲数应大于计算值，参照样本，选 f = 217= 131072 的 17 位增量式光电编码器既可满足要求。理论测量精度为： 故此类编码器可以满足要求。 同样，对 Y 向编码器进行校核，此类型编码器可以满足系统的要求， 故 Y 向编码器也是选择 17 位增量式光电编码器。 2.3 本章小结本章小结 本章主要介绍了安全气囊拧紧螺母机器人本体结构的设计过程，包括 机械手的设计、直线滚动导轨和滚珠丝杠副的选型、伺服驱动系统和检测 元件的原理介绍等内容，使我们对拧紧螺母机器人系统由了一个初步的认 识，为下章控制系统的设计打下了基础。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 26 - 第第 3 章章 拧紧控制器拧紧控制器 AFC1500 是日本第一电通的拧紧控制器，在拧螺母机器人系统中是机 械手的重要元件，为了更好的掌握拧螺母机器人的拧紧原理，下面就该控 制器的概况、接线定义、参数说明、操作步骤等进行简要说明。 3.1 概述概述 3.1.1 基本特征基本特征 AFC1500 使用 32 位 RISC CPU，并用 FLASH RAM 做存储介质属于扭 矩控制型扳手。扭矩精度：1%，扭矩传感器：0.5%。有两类： SAN-12 60W ，标准电流 1A，峰值 10A 。使用电机：NFT-201RM1-S 为 19.6N.m，NFT-401RM1-S 为 39.2N.m。 SAN-40200W，标准电流 3.1A ，峰值 39A 。使用电机：NFT-132RM3-S 为 127.4N.m ，NFT-202RM3-S 为 196N.m，NFT-302RM3-S 为 94Nm 。 3.1.2 基本功能基本功能 （1）控制方式： 扭矩控制角度监视单拧紧步。 扭矩控制角度监视双拧紧步。 （2）自检功能： 由 PLC 控制“Self Check”信号，在启动循环前设置给定为“高”时， 将进行扭矩传感器自检。否则自检失效。 （3）合格/ 异常显示： 发生异常或不合格时，拧紧停止，输出对应报警开关信号，并在面板 显示故障代码。一般无须认为复位，直接进行下一循环即可。 （4）轴旁路功能： 可以通过 PLC 或者拨前面板 RUN/BYPASS(运行/ 旁路)开关来使扳手处 于旁路状态。此时各轴同步失效，前面板 Bypass 灯闪烁。 （5）工具类型检测： 驱动放大器中使用 EEPROM 存储数据，而且这些数据也被存储到轴控制 单元中。当送电、传输数据到控制单元、循环启动时，将进行自动比较， 如果发现工具类型不一致，将给出“Tool Type error(工具类型错误) ” 报警。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 27 - 3.2 外观及接线外观及接线 3.2.1 外观外观 该系统由拧紧控制器和轴驱动器组成。一个系统必须有一个控制器模 块，但可以有多个驱动器模块。一个驱动模块驱动一把拧紧枪。 图 3-1 为 AFC1500 的拧紧外观图：右 1 为控制器，右 2 为轴驱动器。 图 3-1 AFC1500 拧紧外观图 3.2.2 接线说明接线说明 系统有如下接线： （1）电源线：控制器右下角，220VAC。 （2）RS422 通讯电缆：图中上部的白色电缆。用于控制器和驱动器之 间的通讯，以交换控制信号和拧紧数据。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 28 - （3）PLC 线：左下角电缆。用于和 PLC 交换控制信号，包括启动、停 止、复位、反转、旁路、同步、自检、工件选择、数据选择等。 （4）电机线：驱动器右侧下 1、下 2 两个插头。 （5）角度反馈线：右上角电缆，实际传感器为旋转变压器。 （6）T/D 电缆：左侧下 2 电缆。 3.2.3 PLCPLC 信号说明信号说明 轴 I/O 信号： （1）STOP( 停止) ：输入/ 常闭。拧紧操作终止。 （2）RESET(复位) ：输入/ 常开。用一个 30-100ms 脉冲复位到初始化 条件。 （3）REVERSE( 反向) ：输入/ 常开。有效时主轴反转(CCW) 。 （4）START(启动) ：输入/ 常开。用一个 30-100ms 脉冲启动拧紧循环。 （5）BYPASS(旁路) ：输入/ 常开。旁路轴单元。 （6）SYNC COM(同步公共端) ：同步信号公共端。 （7）SYNC COM(同步公共端) ：同步信号公共端。 （8）SYNC( 同步) ：输入/ 输出。同步信号，5VDCTTL 电平。 （9）WORK SELECT3(工件选择 3) ：即编码位 3，输入/ 常开。这组信 号用二进制码选择 16 组不同的预置值。编码 0000-1111(0：OFF/1：ON) 分别对应参数组 1-16 。 （10）IN COMMON(输入公共端) ：输入信号公共端，连接到+12-+24VDC 。 （11）SELF CHECK DISABLE( 自检失效) ：输入/ 常开。自检功能失效。 （12）BANK SELECT1(波段选择 1) ：输入/ 常开。这组数据用二进制码 来选择数据 DATA0-7 的波段。 （13）BANK SELECT0(波段选择 0) ：输入/ 常开。这组数据用二进制码 来选择数据 DATA0-7 的波段。 （14）WORK SELECT0(工件选择 0) ：即编码位 0，输入/ 常开。这组信 号用二进制码选择 16 组不同的预置值。编码 0000-1111(0：OFF/1：ON) 分别对应参数组 1-16 。 （15）WORK SELECT1(工件选择 1) ：即编码位 1，同上。 （16）WORK SELECT2(工件选择 2) ：即编码位 2，同上。 （17）OUT COMMON(输出公共端) ：输出信号公共端，连接到 0V。 （18）OUT DATA7(输出数据 7) ：选自四个不同数据波段的波段数据， 数据包含了轴状态信息。 （19）OUT DATA6(输出数据 6) ：同上。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 29 - （20）OUT DATA5(输出数据 5) ：同上。 （21）OUT DATA4(输出数据 4) ：同上。 （22）OUT DATA3(输出数据 3) ：同上。 （23 ）OUT DATA2(输出数据 2) ：同上。 （24 ）OUT DATA1(输出数据 1) ：同上。 3.3 常规操作与监视常规操作与监视 3.3.1 模式切换模式切换 用 MODE 键，显示模式可以在实时显示、拧紧结果显示、参数显示之间 切换。此时，D-NO 行依次显示_1 、01 、1，以区别显示模式。显示器 共上下两行。第一行为数据 DATA，第二行左侧为参数 PRAM ，右侧为数据 号 D-NO。如图 3-2 所示： 图 3-2 MODE 键 3.3.2 实时显示模式实时显示模式 详细内容可以用上下箭头滚动显示。 D-NO 显示数据号。 0：当前扭矩显示。 1：线电压显示。 2：上一工件峰值扭矩显示。 3：实时角度显示。 3.3.3 拧紧结果显示模式拧紧结果显示模式 详细内容可以用上下箭头滚动显示。 -0 ：峰值扭矩。 -1 ：最终角度。 -2 ：第一扭矩斜率。 -3 ：最终扭矩斜率。 -4 ：第一步拧紧时间。 -5 ：最后一步拧紧时间 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 30 - -6 ：拧紧循环时间。 -7 ：拧紧模式号码。 =0：拧紧方法号码。 =1：拧紧步序号。 =2：监视(不用) 。 =3：自检。ON：有效。OFF ：失效。 =4：拆除标志。ON：拆除。OFF ：不拆除。 =5：拧紧停止原因： 0：复位、反转、无数据后停止。 1：异常。 2：旁路。 3：急停。 4：拧紧合格。 5：拧紧不合格。 0：第一扭矩斜率扭矩增量。 1：第二扭矩斜率扭矩增量。 2：第一步最终扭矩。 3：第一步峰值扭矩。 4：最终扭矩。 5：峰值扭矩角度。 3.3.4 参数显示模式参数显示模式 详细内容可以用上下箭头滚动显示。在参数显示下，显示第一行为数 据，第二行为数据两位号 D-NO。注意每个数据号又可能有 0-16 号参数。 具体参数内容见第四、五部分。 3.3.5 状态显示模式状态显示模式 当发生异常或停止时，状态显示可以给出具体状态。 （1） 停止时，显示：STOP。如图 3-3。 图 3-3 停止状态显示 （2）异常时，数据（DATA）行显示 Abn，参数（PRAM ）区显示报 警代 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 31 - 码（下图为 A3），数据号（D-NO）区显示维修代码（下图为 0）显示如下 图 3-4。 图 3- 4 异常状态显示 3.4 参数表参数表 3.4.1 拧紧控制和判断拧紧控制和判断 （1）拧紧模式：单步、双步。 （2）标定扭矩：即工具标定设定。 （3）扭矩下限：最终拧紧扭矩的判断下限。 （4）扭矩上限：最终拧紧扭矩的判断上限。 （5）标准扭矩：目标扭矩。 图 3-5 为拧紧控制图。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 32 - （6）第一步扭矩：第一斜率标定终点。 （7）缓冲扭矩：角度测量的扭矩起点。 （8）阈值扭矩：第一扭矩斜率标定的起点。 （9）交叉扭矩：第二扭矩斜率标定的起点。 （10）角度下限：最终拧紧角度判断的角度下限。 （11）角度上限：最终拧紧角度判断的角度上限。 （12）第一步扭矩斜率上限：第一步扭矩斜率判断上限。 （13）第一步扭矩斜率下限：第一步扭矩斜率判断下限。 （14）第二步扭矩斜率上限：第二步扭矩斜率判断上限。 （15）第二步扭矩斜率下限：第二步扭矩斜率判断下限。 （16）第一时间极限：第一步拧紧时间极限。 （17）最终时间极限：最后一步拧紧时间极限。 3.4.2 时间和速度时间和速度 图 3-6 为拧紧过程的时间与速度关系图。 图 3-6 时间与速度关系图。 （1）自由运行转数：自由运行的输出轴转数。 （2）自由运行速度：自由运行操作的工具速度。 （3）初始时间：初始速度加速时间。 （4）初始速度：初始操作输出工具速度。 （5）低速速度：时间超时，没有达到变速扭矩时，使用此速度旋 转。 （6）变速扭矩：变低速保护的扭矩。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 33 - （7）带扭矩速度：最终真正带上扭矩后的速度。 3.4.3 拧紧结果拧紧结果 拧紧后，可以得到如下结果数据： （1）峰值扭矩：拧紧期间传感器的最大扭矩。 （2）最终角度：缓冲扭矩和最终扭矩的间隔角度。 （3）最终扭矩：最终拧紧点的扭矩。 （4）第一扭矩斜率。 （5）第二扭矩斜率。 （6）第一时间：从起点到变速扭矩的时间。 （7）最终时间：变速扭矩到最终拧紧点的时间。 3.5 参数输入操作参数输入操作 操作过程如下： （1）把对应轴控制器的 RUN/BYPASS 开关拨到 BYPASS 侧，系统进入 参数编辑模式。 （2）用 MODE 键切换数据号及参数号数位位置。16 个参数分别对应 16 个程序，我们一般使用各数据号的参数 1。 （3）用上下箭头增减数据号、参数号，第一行显示具体参数值。 （4）选定要修改的参数后，用 SET 把光标切换到第一行参数值显示。 （5）用 MODE 键选择参数数位。 （6）用上下箭头增减数据。 （7）SET 确认。 （8）把 RUN/BYPASS 开关拨回 RUN 侧。 （9）依次按 MODE 键恢复拧紧结果显示。 在参数显示下，显示第一行为数据，第二行为两位数据号 D-NO( 右)及 两位参数号( 左) 。 3.6 本章小结本章小结 本章主要介绍了 AFC1500 控制器的特点，就其功能、安装、参数的 设置、操作等进行了简要的说明，使我们对此控制器有一个初步的认识， 使我们能够对其进行简单的接线、操作、利用，此系统是拧紧螺母机器人 的一个重要组成部分，了解此系统有助于我们更好的进行拧螺母机器人控 制系统的设计。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 34 - 第第 4 章章 控制系统设计控制系统设计 可编程控制器作为技术成熟的控制器，以其高可靠性、控制功能强、 体积小、程序可在线修改、易于与计算机接口、能对开关量、模拟量进行 综合控制等优异的性能，在工业控制领域了广泛的应用，成为现代工业的 支柱产品。随着运动控制技术在工业生产过程中越来越广泛的应用，运动 控制器在运动控制技术方面也在不断的发展与完善，使得可编程控制器也 越来越广泛地应用到位置控制和运动控制领域，各大可编程序控制器厂都 推出各自的位置控制产品，其中，松下公司专门推出了各种系列的位置控 制单元用于定位控制，如 FX2N10GM、FX2N20GM、FX2N1PG 等模块就 是专门用于位置控制的单元。 本章主要介绍松下公司的 FX2N20GM 位置控制单元的基本原理和使 用方法，对于我们这些初学者来说，应该从以下几个方面来了解位置控制 单元的特点： （1）了解位置控制单元的类型和工作原理。 （2）了解位置控制单元的主要功能和技术指标。 （3）了解位置控制单元的硬件配置，与外围设备的接线设计等。 （4）掌握位置控制单元的使用步骤和使用方法。 4.1 位置控制单元位置控制单元 FX2N20GM 概述概述 FX2N20GM 是一个能独立进行 2 轴定位控制的脉冲序列输出单元， 它使得伺服电机通过驱动单元来进行定位控制。 FX2N20GM 单元内含 CPU ，是一个相对独立的控制器，是在可编程 控制器主 CPU 控制下的一个区有独立处理能力的功能单元。FX2N20GM 单元接受可编程控制器的指令并向电动机驱动器输出脉冲序列完成所要求 的定位控制。FX2N20GM 对来自 CPU 单元的指令可在 2ms 内做出响应。 可见，位置控制单元的控制响应速度是比较快的。 FX2N20GM 可输出最高频率为 200K 波特率( 采用插补功能时为 100K 波特率) 的脉冲序列。在同时进行 2 轴运行时，可进行线性插补和 圆弧插补，并可连续执行 30 条指令，其主机上有 8 点输入、8 点输出， I/O 总点数可扩展到 48 点。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 35 - 4.2 位置控制单元位置控制单元 FX2N20GM 安装和接线安装和接线 4.2.1 FX2NFX2N20GM20GM 安装安装 这样我们就先开始进行 FX2N20GM 初步的分析和了解。 如前所述， FX2N20GM 单元式 FX2N 系列可编程序控制器的一种殊功能单元，它 按照设置的单元号来分配内部资源，与其安装位置没有系 FX2N20GM 可 安装在 CPU 机架得导轨上，如下图 4-1。 图 4-1 FX2N20GM 安装图 连接 FX2N20GM 到 PLC 的主单元 FX2N20GM 被看作 PLC 的专用 单元。从离 PLC 最近的算起，专用单元编号 0 到 7 被自动地分配到所 连接的专用单元上。( 此专用单元编号在 FROM/TO 指令中使用。 4.2.2 I/OI/O 连接器连接器 连接器在位置控制单元的前面板上设置了连接器，连接器的数量和位置 控制单元的型号有关，它用于单元与现场设备之间的信号连接，在下面将 对 I/O 连接器进行介绍。外部接线图的结构如图 4-2。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 36 - 4-2 外部接线图 连接器信号详解如下表 4-1： 表 4-1 连接器信号详解 FX2N20GM 连接 器 针脚号 缩写 功 能 1(Y) 11(X) START 自动操作开始 在自动模式的准备状态(当脉冲没输入时)下,当 START 信号从 ON 变为 OFF 时,开始命令被是指且运 行开始.此信号被停止命令 m00 或 m02 复位 2(Y) 12(X) STOP 停止输入 当停止信号从 OFF 变为 ON 时，停止命令被设置 且操作停止；STOP,FWD 和 RVS 信号。停止操作。根 据参数 23 的设置（0 到 7）不同而不同 3(Y) 13(X) ZRN 机械回零开始输入（手动） 当 ZRN 信号从 OFF 变为 ON 时，回零命令被设 置，机器开始回到零点；当回零结束或发出停止命令 是，ZRN 信号被复位 4(Y) 14(X) FWD 正向旋转输入（手动） 当 FWD 信号变为 ON 时，定位单元发出一个最小 命令单元的前向脉冲。当 FWD 信号保持 ON 状态 0.1 秒以上，定位单元发出持续的前向脉冲。 CON2 5(Y) 15(X) RVS 反向旋转输入（手动） 当 RVS 信号变为 ON 时，定位单元发出一个最小 命令单元的反向脉冲。当 FWD 信号保持 ON 状态 0.1 秒以上，定位单元发出持续的反向脉冲。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 37 - 6(Y) 16(X) DOG DOG（近点信号）输入 6(Y) 16(X) DOG DOG（近点信号）输入 7(Y) 17(X) LSF 正向旋转行程结束 9(Y) 19(X) CON1 9(Y) 19(X) COM1 公共端子 4.3 PLC 控制系统设计控制系统设计 4.3.1 机器人工作过程机器人工作过程 拧螺母机器人机械手结构示意图如图 4-3 所示： 图 4-3 机械手结构示意图 机械手初始时处于 0 点，系统启动时，检测到有工件放在夹紧机构上， 延时一秒后，夹紧机构开始夹紧，等到工件被夹紧后，螺母供应杆开始向 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 38 - 上运动，推着螺母向上快速移动，螺母供应杆碰到接近开关，马上停止运 动，开始向下运动，螺母在惯性作用下继续运动，因机械手的螺母套头具 有磁性作用，将螺母吸附在套头上，螺母杆下降碰到下降的接近开关后， 机械手开始作直线插补运动，运动到 A 点( 安全气囊上的四个螺柱，代 号分别为：1 ，2 ，3 ，4 。A 为 1 号的正上方) ，机械手开始做下 降运动，碰到行程开关下限，机械手下降停止，开始拧紧，拧紧合格后， 机械手开始做快速上升运动，碰到行程开关上限，停止运动，返回到 A 点，开始做反向快速直线插补运动，回到 0 点，同样过程，进而拧紧 4 号、2 号、3 号螺栓。在这四次拧紧过程中，除了每次直线插补的脉冲 量和脉冲率的设置稍微不同，其他的步骤均相同。 其工作过程如图 4- 4 ： 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 39 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 40 - 图 4-4 自动工作流程 取机器人的原位为每次工作的初始位置,工作完成后又返回到这个初 始位置。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 41 - 4.3.2 机器人控制方式机器人控制方式 拧螺母机器人要求手动、自动两种工作方式，手动工作方式的操作面 板如图 4-5： 图 4-5 操作面板 工作方式选择开关分两档与两种方式相对应，上升、下降、左移、右 移、前移、后移、放松、夹紧几个步骤一目了然，下面就操作面板上标明 的工作方式说明如下： 手动方式是指利用各自的按钮时各个负载单独接通或断开。 自动方式：在原位按动启动按钮，连续反复运行。 面板上的电源开关(18) 与 PLC 运行无关，这个按钮是用来接通或断开 PLC 外部的电源。 自动工作的流程如上图 4-4，在图中原位为工作的初始状态。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 42 - 4.3.3 控制系统的构成和控制系统的构成和 PLCPLC 的选型的选型 控制系统由 FX2N 系列 PLC 本体、位置控制模块、AFC1500 构成，在 此系统中，PLC 和位置模块共同控制着机械手的直线插补运动，具体过程 是：CPU 通过位置控制模块向伺服驱动器发出控制命令，伺服驱动器直接 控制电机，编码器的反馈信号回到驱动器中，形成半闭环控制，伺服电机 通过丝杠螺母副带动机械手在 X-Y 平面内进行插补运动，所以就需要两 个伺服驱动器，分别控制两个电机，同时位置控制要进行 2 轴的控制， 使机械手进行直线插补运动。 FX2N-20GM 发给伺服驱动器的信号主要是脉冲输出和伺服使能，而 伺服驱动器返给位控模块 FX2N-20GM 的信号是零脉冲输入、回零接近开 关；PLC 本体向伺服驱动器发出的信号主要是伺服 ON、输入禁止、报警复 位等信号，返给 PLC 本体的信号为：位置到达、伺服准备好和伺服故障报 警。所以 X 向和 Y 向驱动器共需要 6 个输入端子，6 各输出端子。 PLC 对于 AFC1500 系统的控制，主要是向其发送拧紧开始、拧紧停止、 复位、反转、设定参数等信号，而返回给 PLC 的信号是拧紧合格、拧紧不 合格、异常、准备好、忙等信号，故需要 5 个输入端子，8 个输出端子。 对于螺母杆的上升、下降，夹紧机构的夹紧、放松的控制，机械手的 上升、下降，可以通过对换向电磁阀的通电、断电来控制气缸的运行，继 而控制螺母杆、夹紧机构和机械手。在选择电磁阀的过程中，对螺母杆、 机械手的换向选择三位四通电磁阀，夹紧机构选用二位二通电磁阀；而返 给 PLC 本体的信号为螺母杆上升接近开关、螺母杆下降接近开关、夹紧、 放松、机械手上升接近开关、机械手下降接近开关等信号。故需要 6 个输 入点，5 个输出端子。 在系统启动后，必须先检测到安全气囊已经放到加紧机构上，系统才 能开始工作，故在加紧机构的下方安置了光电开关，当安全气囊挡住光线 时，光电开关就检测到有安全气囊，故需要一个输入点。 驱动器和拧紧机电源的控制，因为没有特殊要求，故利用自动开关开 控制，因此可不占用可编程控制器的输出点。 上面的手动工作方式共需要 17 输入端子，因为手动和自动公用以上 输出端子。所以在这里就不额外需要。 经过分析，该系统由 35 个输入量，23 各输出量。 根据输入输出的 性质和数量，选用 FX2N-80MR 主机加 FX-20GM 的配置，共有 40 点输入， 40 点输出，可满足系统的输入、输出信号的要求。余下的点可以作为备 用。拧螺母机器人控制系统的组成图如图 4-6。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 43 - 图 4-6 PLC 的系统构成 输入输出信号即 PLC 地址编号如下表 4-2： 表 4-2 输入信号及 PLC 地址信号 输入信号 输入端子 功能 SB1 X00 启动 SB2 X01 正常停车 SB3 X02 急停 SB16 X03 复位 S X04 手动/ 自动 SB4 X05 夹紧 SB5 X06 放松 SB6 X07 机械手左移 SB7 X10 机械手右移 SB8 X11 机械手前移 SB9 X12 机械手后移 SB10 X13 机械手上升 SB11 X14 机械手下降 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 44 - SB12 X15 螺母杆上升 SB13 X16 螺母杆下降 SB14 X17 拧紧机正转 SB15 X20 拧紧机反转 MS01 X21 夹紧传感器 MS02 X22 放松传感器 MS03 X23 拧紧机上升限位 MS04 X24 拧紧机下降限位 MS05 X25 螺母杆上升限位 MS06 X26 螺母杆下降限位 MS07 X27 拧紧机原位 MS08 X30 工件检测传感器 NG X32 不合格 OK X33 合格 ALM X34 异常警报 READY X35 准备好 BUSY X36 忙 COIN+(X) X40 位置到达(X) ALM(X) X41 伺服报警(X) SRDY(X) X42 伺服准备好(X) COIN+(Y) X43 位置到达(Y) ALM(Y) X44 伺服报警(Y) SRDY(Y) X45 伺服准备好(Y) 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 45 - 输入信号及 PLC 地址信号为下表 4-3： 表 4-3 输出信号及 PLC 地址信号 输出信号 输出端子功能 L1 Y00 原点信号灯 L2 Y01 自动开始信号灯 L3 Y02 自动停止信号灯 K Y03 报警 YA1Y04 夹紧 YA2 Y06 机械手上升 YA3Y07 机械手下降 YA4 Y10 螺母杆上升 YA5Y11 螺母杆下降 SRV-ON(X) Y14 伺服 ON(X) A-CLR(X)Y15 报警复位(X) INH(X) Y16 输入禁止(X) SRV-ON(Y)Y20 伺服 ON(Y) A-CLR(Y) Y21 报警复位(Y) INH(Y) Y22 输入禁止(Y) STOP Y24 拧紧停止 RESETY25 复位 REV Y26 反转 STARTY27 拧紧开始 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 46 - SELECT0 Y30 设定参数 0 SELECT1 Y31 设定参数 1 SELECT2 Y32 设定参数 2 SELECT3Y33 设定参数 3 根据上表 4-2、表 4-3 画出 PLC 连接图，见 PLC 本体输入输出图。 4.3.4 机器人控制程序设计机器人控制程序设计 根据控制要求基本逻辑指令和应用指令进行编程。下面就其中控制伺服电 机程序进行简要说明。FX2N-20G 对伺服电机的控制是通过将数据和命令自 写入 FX2N 的缓冲寄存器中(BFM) 数据传送主要是用 FX 系列 PLC 的功能 指令“TO” 和“FROM”，因此，将程序写入 FX2N-20GM 中并不需要专用 和设备，只需要 FX2N 系列编程器即可。 程序编码如下： O0 Cod01(LIN) x100 y150 f500 ； 移动至(x1，y1)=(100 ，150) M04； 发 M 码 04 ，由 M04 启动紧螺母工序，并等待 M 码关信号 Cod01(LIN) x0 y0 f500 ； 若有 M 码关信号，启动回原点程序，程 序机械原点，电气原点和取螺母位置为一个相同的位置。 M03； 发 M 码 03 ，有 M03 启动取螺母动作，并等待 M 码关信号 Cod01(LIN) x150 y100 f500 ；以下同上 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 47 - M04； Cod01(LIN) x0 y0 f500 ； M03； Cod01(LIN) x150 y150 f500 ； M04； Cod01(LIN) x0 y0 f500 ； M03； Cod01(LIN) x100 y100 f500 ； M04； Cod01(LIN) x0 y0 f500 ； M02； 总定位结束 M 码 4.4 本章小结本章小结 本章是这次设计的重点，主要介绍了安全气囊拧紧螺母机器人控制 系统，简要介绍了位置控制模块 FX2N-20GM 的特点，重点介绍了 PLC 系 统的构成、控制方式、控制程序的设计。 千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。“结论”以前的所有正文 内容都要编写在此行之前。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 48 - 结论结论 本次毕业设计是对我大学四年来所学知识的一次大检验，也是对我所 学专业的综合性应用。使我能够在毕业前将理论与实践更加融会贯通，并 且学到了书本上没有提及的知识点，加深了我对理论知识的理解，扩展了 我工业机器人的认识，强化了实际生产中的感性认识。以下是我对本次毕 业设计的一些浅见： 安全气囊拧紧螺母机器人是典型的机电一体化产品，通过这次对其 进行整体设计，加深了我对机电一体化系统的认识，掌握了基本的机电一 体化系统的设计步骤及基本方法。真正理解和机电一体化系统不是简单的 机械和电子信息技术的结合，还包括光学、气压、液压以及仪器仪表等的 一体化。本次设计主要是对拧螺母机器人的机械本体和控制系统的设计。 在机械本体的设计中，通过查找相关产品 Robostar，借鉴最新直角坐 标机器人的设计理念，在零件设计、选用以及整体装配过程中查阅了相关 资料，增强了自身搜索有效信息的能力。使用了 AutoCAD 绘制了机械本体 的装配图和零件图，更加熟悉和使用计算机。 控制系统是机电一体化产品活的灵魂，指挥和控制机械本体的工作。 工业现场使用的机器人必须具备高可靠性、高精度和高稳定性。PLC 是技 术成熟并广泛使用与工业现场的工控机。本设计使用了 FX2N-80MR 主机、 FX2N-20GM 位置控制模块、和 ACF1500 拧紧控制器组成伺服控制系统。 尽管在设计的过程当中由于本人水平有限，部分内容还有待加强。但是经 过这次设计使我在基本理论的综合运用以及正确解决实际问题方面得到一 次较好的锻炼，提高了我独立思考问题、解决问题以及创新设计的能力， 缩短了我与工厂技术人员的距离，为我以后从事工程技术工作奠定了一个 良好的基础。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 49 - 致谢致谢 此次毕业设计是在我的导师时献江老师的认真指导和悉心帮助下进行 的。在历经一学期的设计过程中，启发我的思想，引导我的设计思路，一 直热心的辅导。从选题到开题报告，从机械结构到控制系统的设计，从写 作提纲到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，严格把关，循循善诱。在 此表示诚挚的感谢！ 四年来，机械学院的老师们谦逊待人、治学严谨的作风深深的感染了 我，对工作认真负责的态度给我树立了做人的榜样，他们不仅教会了我的 专业知识，而且教会我如何学习，如何踏实做人。正是由于他们，我才能 顺利完成本科学业，在各方面取得显著的进步，在此向他们表示我由衷的 谢意！ 感谢一起度过本科生活的大学同学们，四年来我们一起学习、生活、 讨论。由于你们的鼓励和理解、帮助和支持，我才能克服一个个学业上和 生活上的难题。感谢各位可敬的师长，可爱的学长给我的无言的帮助。最 后还要感谢培养我长大的含辛茹苦的父母。谢谢你们！ 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 50 - 参考文献参考文献 1谢红. 数控机床机器人机械系统设计指导. 同济大学出版社，2004 ：31 42 2张建民.机电一体化系统设计.第二版.高等教育出版社.2001：518 3王鸿钰.步进电机控制技术入门.同济大学出版社，1990 ：912 4汪凯. 机械设计标准应用手册. 第二版. 机械工业出版社，1997 ：128 140 5张海根,高安邦.机电传动控制.高等教育出版社.2001：20 27 6周德繁.刘延俊.液压与气压传动.高等教育出版社，1997 ：215266 7董玉红，邵俊鹏.数控技术.高等教育出版社，2003 ：139152 8李竣，张俊儒. 电机控制集成电路的原理和应用. 冶金工业出版社， 1995 ：21 32 9程光仁，施祖康，张超鹏. 滚珠螺旋传动设计基础. 机械工业出版 社 1987 ：718 10汪小澄，袁立宏，张世荣等. 可编程序控制器运动控制技术. 机械工 业出版社，2006 ：15 29 11三菱公司.FX 系列特殊功能模块用户手册.2000：50 75 12刘艳梅, 陈振等. 三菱 PLC 基础与系统设计. 机械工业出版社， 2009 ：50 63 13王廷有等.可编程控制器原理及应用.国防工业出版社，2005 ：90 180 14三菱公司.FX2N-10GM 和 FX2N-20GM 硬件编程手册.2000 ：50 150 15Rotor Fault Detection in Induction Machines ：Methods and Techniques - State-of-the-Art . 2001.810 16Mitsubishi, Electric. Hardware Manual FX-2N Series Programmable Controllers.2000:1012 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 51 - 附录附录 Industrial robot and its system components There are a variety of definitions of the term robot. Depending on the definition used, the number of robot installations worldwide varies widely. Numerous single purpose muchines are used in manufacturing plants that might appear to be robots. These machines ar e hardwired to perform a single function and can not be reprogrammed to perfor m a different function. Such single- purpose machines do not fit the definition for industrial robots that is becoming widely accepted. This definition was developed by the robot Institute of America: A robot is a reprogrammable muanfactional manipulator designed to move material, parts, tools, or specialized devi ces through variable program motions for the perfommnce of a variety of tasks. Note that this definition cxmtalns the words reprograrnmable and multifunctional. It is these two characteristics that separate the true industrial robot from the various singl e-purpose machines used in modern manufacturing firms. The term reprogrammable implies two things: The robot operates are reding to a written program, and this program can be rewritten to acconlmodatc a variety of manufacturing tasks. The first articulated arm came about in 1951 and was used by the U.S. Atomic Energy Commission. In 1954, the first programmable robot was designed by George Devol. It was ba sed on two important technologies: (1) Numerical control (NC) technology. (2) Remote manipulation technology. Numerical control technology provided a foam of machine control ideally suited to robots. It allowed for the cont rol of motion by stored programs. These 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 52 - programs contain data points to which the robot sequentially moves, timing signals to initiate action and to stop move ment, and logic statements to allow for decision frmking. Remote manipulation technology allowed a machine to be more than just another NC machine. It allowed such machines to become robots that can perfoml a variety of manufactuing ta sks in both inaccessible an unsafe environmonts. By mering these two tec hnologies, Devol developed the first industrial robot, an unsophi stieated programmable materials handling machine. commercially produced industrial robot controlled by a minicomputer. Numerical control and remote manipulation technology prompted the wide scaledevelopment and use of industr ial robots. But major technological developmentsdo not take place simply because of such new capabilities. Something must providethe impetus for taking advantage of these capabilities. In the case of industrialrobot s, the impetus was economies. The rapid inflation of wages experienced in the 1970s tremendously increased the personnel costs of manufacturing firms. At the same time, foreign competition became a serious problem fo r U. S. manufacturers. Foreign manufacturers who had under taken automation on a wide scale basis, such as those in Japan, began to gain an increasingly large share of the U.S. and world market for manufactured goods, particularly automobiles. Through a variety of automation techni ques, includicg robots, Japanese manufacturers, beginning in the 1970s, were able to produce better automobiles more cheaply than nonautomated U.S. ma nufacturers. Conseque ntly, in order to survive, U.S. manufacturers were fo rced to consider any technological developments that could help improve productivity. It became imperative to produce better produets at lower costs in order to be competitive with foreign manufacturers. Other factors such as the need to find better ways of performing danger ous marmfacturing tasks contributed to the development of industrial robots. Ho wever, the principal rationale has 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 53 - always been,and is still, improved productivity. One of the principal advantages of r obots is that they can be used in settingsthat are dangerous to humans. Welding and parting are examples of applicationswhere rotmts can be dange rous to humans. Even though robots are closely asmciated with safety in the workplace, they can, in themselves, be dangerous. Robots and robot cells must be carefully designed and configured so that they do not endanger human workers and other machines. Robot work envelops should be accurately calculated and a danger zone surondting the envelop clearly marked off. Red flooring strips and barriers can be used to keep human workers out of a robots work envelope. Even with such precautions it is still a good idea to have an automatic shutdown system in situations where robots are used. Such a system should have the capacity to sense the need for an automatic shutdown of operations. Fault- tolerant computers and redunant systems can be inst alled to ensure proper shutdown of robotics systems to ensure a safe environment. Industrial robots is the science of designing, building, and applying industrial robots. What ar e robots? In the late 1970s the Robotic Industries Association defined a robot as” a manipulator, designed to move material, parts, tools or specialized devi ces through variable programmed motions for the performance of a variety of tasks. Although this definition does not directly include pick and place arms as robots, teleoperams and remotely controlled devicesare often referred to also as robots. The International Standards Organization(ISO) has a more lengthy definition of an industrial robot: A machine formed by a mechanism including several degrees of freedom, often having tile appearaon of one or several arms ending in a wrist capable of holding a tool or a workpiece or an inspect ion device. In particular, its control unit must use a memorizing device and .sometimes it can use sensing oradaptation appliances taking into account environment and circumstances. 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 54 - These multipurt pose machines are generally designed to carry out a repetitive function and can be adapted to other functions. The RIA and ISO definitions both stress the multifunctional and programmable capabilities and, theref ore, exclude special-purpose hard automation tools and equipment typi cally found in high volume production. Also excluded are manual remote manipulators, which are extensions of human hands for use in, for example, sterile , hot, or radioactive environments. In Japan, the Japanese Industrial Robot Associat ion (JIRA) classifies industrial robots by the method of input in formatkm and the method of teaching: 1. Manual Manipulators. Manipulators directly activated by the operator. 2. Fixed-sequence Robot. Robot th at once programmed for a given sequence of operations is not easily changed. 3. Variable-sequence Robot. Robot th at can be programmed for a given sequence of operations and can easily be changed or reprogrammed. 4. Playback Robot. Robot that memorizes work sequences taught by a human being who physically leads the device through the intended work pattern; the robot can then create this sequence repetitively from memory. 5. Numerically Controlled (NC) Robot. Robot that operatas from and is controlled by digital data, as in the form of punched tape, cards, or digital switches; operates like a NC machine. 6. Intelligent Robot. Robot that uses sensory perception to evaluate its environment and camke decisions and proceeds to operate accordingly. The first-generation of robot systems was defined for the various robots with limited computer power. Their main intelligant functions include programming by showing a sequence of manipulation steps by a human operator using a teach box. Without any sensors, these robots require a prearranged and relatively fixed factory environment and, therefore, have limited use. The second-generation of robot systems was enhanced by the addition of a 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 55 - computer processor. A major step in industrial robotics development was the integration of a computer with the industrial robot mechanism. This has provided real-time calculation of trajectory to smooth the motions of the end effector and integration of mine simple force and proximity sensors to obtain external signals. The main applications of second generation robots include spot and arc welding, spray painting, and some assembly. Third-generation robot systems incorporate multiple computer processors and multiple arms that can operate asynchronously to perform .several functions. Distributed hierarchical computer organization is preferred, because it can coordinate motions and interface with external sens ors, other machines, and other robots and can communicate with other computers. These robots can already exhibit intelligent behavior, including knowledge-based control and learning abilities. Japan ranks as the worlds top robot-producing and robot -using country, with more than 40% of the worlds industrial robot installations. The reasons for this penetration are sociol ogical-and technological f actors that are unique to Japan: industrial robots brought productivity and quality gains in Japanese industry, coupled with improvements of the work enviromment. These have perpetuated the social-demand for more robots as well as increased the expectation from this technology. Current and emerging robot applications in industry can be categorized on the complexity and requirements of th e job. They range from simple, low technology pick-and place operations through medium technology painting, some assembly and welding operations to high technology precision assembly and inspection operations. 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 56 - 工业机器人及其系统组成工业机器人及其系统组成 有许多关于机器人这个术语的定义。全世界采用不同的定义各地机器 人的数量就会发生很大的变化。在制造工厂中使用的许多单用途机器可能 会看起来像机器人。这些机器是硬连线的，不能通过新编程的方式去完成 不同的工作。这种单用途的机器不能满足被人们日益广泛接受的关于工业 机器人的定义。这个定义是由美国机器人协会提出的： 机器人是一个易改编程序的多功能操作器，被设计涉及应用按照预先 编制的、能够完成多种作业的运动程序运送材料、零件、工具或者专用设 备。 注意在这个定义中包含“可以改编程序”和“多功能”这两个词。正 是这两个词将真证的机器人与现代制造工厂中使用的单一用途的机器区分 开来。“可以改编程序”这个术语意味着两层含义：机器人根据编写的程 序工作，以及可以通过重新编写程序来适应不同种类的制造工作的需要。 “多功能”这个词意味着机器人能够通过编程和使用的末端执行机构，完 成不同的制造上作。围绕着这两个关键特征所撰写的定义正在变成制造业 的专业人员所接受的定义。 第一个带有活动关节的于臂于 1951 年被研制出来，由美国原子能委 员会使用。在 1954 年，第一个可以编程的机器人由乔治狄弗设计出来。 它基于下面两项重要技术： (1)数字控制(NC)技术； (2)远程操作技术。 数字控制技术提供一种非常适合于机器人的机器控制技术。它可通过 存储的程序对运动进行控制。这些程序包含机器人进行顺序运动的数据， 开始运动和停止运动的时间控制信号，以及做出决定所需要的逻辑语句。 远程操作技术使得一台机器的性能超出一台数控机器。它可以使这种 机器能够在不容易进入和不安全的环境中完成各种制造任务。通过融合上 述两项技术，狄弗研制出第一个机器人，它是一个不复杂的，可以编程的 物料运送机器人。 数字控制技术和远程操作技术推动了大范围的机器人研制和应用。但 是主要的技术进步并不仅仅是由于这些新的应用能力而产生的，而是必须 由利用这些能力所得到的效益来提供动力。就工业机器人而古，这个动力 是经济件。 在 20 世纪 70 年代中，丁资的快速增长大大增加了制造业的企业中 的人工费用。与此同时，来自国外的竞争成为美国制造业所面临的一个严 峻的考验。诸如日本等外国的制造厂家在广泛地应用自动化技术之后，其 工业产晶，特别是汽车，在美国和世界市场上占据了日益增大的份额。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 57 - 通过采用包括机器人在内的各种自动化技术，从 20 世纪 70 年代开始， 日本的制造厂家能够比没有采用自动化技术的美国制造厂家生产更好的和 便宜的汽车。随后，为了生存，美国制造厂家被迫考虑采用任何能够提高 生产率的技术。 为了与国外制造厂家进行竞争，必须以比较低的成术，生产出更好的 产品。其他的因素，诸如寻找能够更好地完成带有危险性的制造工作的方 式也促进了工业机器人的发展。但是，主要的理由一直是，而日现在仍 然是提高生产率。 机器人的一个主要优点是它们可以在对于人类来说是危险的位置上工 作。采用机器人进行焊接和切断工作是比由人工来完成这些工作更安全的 例子。尽管机器人与工作地点的安全密切相关，它们本身也可能是危险的。 应该仔细地设计和配置机器人和机器人单元，使它们不会伤害人类和 其他机器。应该精确地算出机器人的工作范围，且在这个范围的四周清楚 地标出危险区域。可以采用在地面上画出红颜色的线和设置障碍物以阻止 工人进入机器人的工作范围。即使有了这些预防措施，在使用机器人的场 地中设置一个自动停止工作的系统仍然不失为一个好主意。机器人的这个 系统应该具有测出是否有需要自动停止工作的要求的能力。为了保证有一 个安全的环境，应当安装容错计算机和冗余系统，保证在适当的时候停止 机器人的工作。 工业机器人是一门设计、建筑、应用工业机器人的科学。什么是机器 人呢？在 20 世纪 70 年代，机器人工业协会把机器人定义为“设计成可 通过为实现各种各样任务而编制好的运动来移动材料、零件、工具或特别 设备的操作者”。尽管这种定义没有直接把抓-放型手臂算作机器人，但 远距离操纵装置和遥控装置通常被认为是机器人。国际标准组织有一个更 合法的工业机器人的定义： 一种含有多层次自由度的机器，通常用一条或多条手腕的末端来握住 一个工具或一个部件或检测装置。特别地，它的控制单元必须用一个记忆 设备，考虑到环境和条件等因素 通常可用检测或适应装置，这些多用途 的机器通常设计为实现重复性功能，同时也可适用于其他功能。机器人工 业协会和国际标准组织都强调多功能和程序化的功能。因此，包括特殊用 途“硬自动化”工具和装置特别地出现在高档产品。同时也包括远途手动 操作者，它们是人类工作在如枯燥无味的、热的、辐射性的环境里应用的 延伸。 在日本，日本工业机器人协会根据输入信息和输入方法的不同把工业 机器人分为： 1、手动操作者直接由操作人操纵。 2、固定顺序机器人这类机器人一旦被给定某执行顺序的程序，就不 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 58 - 容易改变。 3、可边顺序机器人可以对这类机器人进行编程，使其按一定的顺序 工作，可以很容易地改变这种顺序或者重新编程。 4、再现式机器人这种机器人的记忆工作顺序由人的示教，他通过已 定的工作类型亲自引导设备来实现。这种机器人可以由记忆重复实现这种 顺序。 5、数字控制机器人这种机器人由数字化数据来操作和控制，这些数 字数据有针孔带、记忆卡、或数字表等形式，像一台数字控制机器操作。 6、智能机器人这种机器人采用感官知觉对它周围的环境进行评价和 做出决定，并据此进行工作。第一代机器人系统被定义为许多带有有限计 算机能力的机器人，他们主要的智力功能包括通过由操作人员用一个示教 盒来显示出一系列的操作步骤的程序。没有任何传感器，这些机器人需要 一个预先设计，直接与工厂相应的环境。因此，其应用的场所很有限。 第二代机器人系统的功能由于增加一个计算机程序而加强。其在工业 机器人发展中的关键步骤是将一台计算机与工业机器机构相集合。这样就 提供实时的轨迹计算。可以使末端作用器的运动更为平滑，并且集成了某 些简单的力传感器和接近式传感器以获取外部信号。第二代机器人的主要 应用包括勘测、焊接、喷漆和其它一些的组合。 第三代机器人系统包括多层次计算机程序和多层次手臂，它能自如地 实现多种功能。分配多层次计算机组织为首选，因为它能协调各种运动并 且可以与外部传感器、其他机构和其他机器人相联接，并且可以和其他计 算机相联系。这些机器人可展示智力行为，包括在知识基础上的控制和学 习能力。 日本作为世界顶尖的机器人制造和使用的国家，拥有高达 40%以上的 世界工业机器人装置。其原因为这种集中是由于日本独特的社会和科技因 素：工业机器人在日本工业中带来了高生产率和高质量产品，并与其工业 的环境的提高相匹配，这些因素使得社对更多的机器人的需求被无限期地 延续下去和增加了人们对这种技术的期望。现行的和正在开发的机器人在 工业上的应用可由其复杂程度和工作的需求的不同而分类。它们可分为从 通过中介技术图案简单的、低技术抓-放型操作，一些组合和焊接操作到 高技术高精度的组合检测操作。