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安全氣囊擰螺母直角坐標機器人結構與控制系統(tǒng)設計
摘要
工業(yè)機器人誕生于 20 世紀 60 年代，在 20 世紀 90 年代得到迅速發(fā)展，是最先產業(yè)化的機器人技術。它是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍、應用十分廣泛的領域。
在我國工業(yè)機器人的真正使用到現(xiàn)在己經接近 20 多年了。已經基本實現(xiàn)了試驗、引進到自主開發(fā)的轉變，促進了我國制造業(yè)、勘探業(yè)、汽車產業(yè)等行業(yè)的發(fā)展。隨著我國工業(yè)社會的發(fā)展和對自動化水平要求的不斷
提高，工業(yè)機器人市場的快速增長提供了一個良好的機會。因此加快工業(yè)機器人的開發(fā)和研究具有重要的意義。
安全氣囊擰螺母直角坐標機器人就是工業(yè)機器人成員之一。本文介紹工業(yè)機器人的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和未來，重點論述安全氣囊擰螺母直角坐標機器人的機構和控制系統(tǒng)的設計，通過采用伺服電機驅動直角坐標機器人進行插補運動控制擰螺母機械手的位置，氣動方法控制機械手的上下移動?？刂葡到y(tǒng)采用三菱FX 系列可編程控制器；利用專門定位模塊FX—20GM 進行位置控制，實現(xiàn)了對四個螺母的精確定位。通過采用AFC1500
系列控制器控制擰緊機的運轉實現(xiàn)安全氣囊上的四個螺母在預定的扭矩范
圍內擰緊，并最終完成工作的過程。
關鍵詞： 工業(yè)機器人；安全氣囊；可編程控制器
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
Keywords： industrial robot; airbag ; programmable logical controller
目錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 課題背景 1
1.2 工業(yè)機器人的概念 1
1.3 工業(yè)機器人的發(fā)展歷史 2
1.4 工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀 2
1.5 工業(yè)機器人發(fā)展趨勢 3
1.6 本章小結 4
第2章 機械系統(tǒng)的設計和選擇 5
2.1 擰螺母機器人機構本體設計 5
2.1.1 總體結構方案擬定 5
2.1.2 直線滾動導軌副的選擇 7
2.1.3 機械手的選擇 12
2.1.4 夾緊機構的設計 14
2.2 伺服驅動系統(tǒng)設計和檢測裝置元件的選擇 14
2.2.1 伺服驅動系統(tǒng)設計 14
2.2.2 檢測元件的選擇 23
2.3 本章小結 25
第3章 擰緊控制器 26
3.1 概述 26
3.1.1 基本特征 26
3.2.2 基本功能 26
3.2 外觀及接線 27
3.3 常規(guī)操作與監(jiān)視 29
3.3.1 模式切換 29
3.3.2 實時顯示模式 29
3.3.3 擰緊結果顯示模式 29
3.3.4 參數(shù)顯示模式 30
3.3.5 狀態(tài)顯示模式 30
3.4 參數(shù)表 31
3.5 參數(shù)輸入操作 33
3.6 本章小結 33
第4章 控制系統(tǒng)設計 34
4.1 位置控制單元 FX2N—20GM概述 34
4.2 位置控制單元 FX2N—20GM 安裝和接線 35
4.3 PLC控制系統(tǒng)設計 37
4.4 本章小結 47
結論 48
致謝 49
參考文獻 50
附錄 51
- V -
第1章 緒論
1.1 課題背景
生產力在不斷進步，推動著科技的進步與革新，以建立更加合理的生
產關系。自工業(yè)革命以來，人力勞動已經逐漸被機械所取代，而這種變革
為人類社會創(chuàng)造出巨大的財富，極大地推動了人類社會的進步。時至今天，機電一體化，機械智能化等技術應運而生并已經成為時代的主旋律。人類充分發(fā)揮主觀能動性，進一步增強對機械的利用效率，使之為我們創(chuàng)造出愈加巨大的生產力。
工業(yè)機器人的出現(xiàn)是人類在利用機械進行社會生產史上的一個里程碑。在發(fā)達國家中，工業(yè)機器人自動化生產線成套設備已成為自動化裝備的主流及未來的發(fā)展方向。國外汽車行業(yè)、電子電器行業(yè)、工程機械等行業(yè)已經大量使用工業(yè)機器人自動化生產線，以保證產品質量，提高生產效
率，同時避免了大量的工傷事故。全球諸多國家近半個世紀的工業(yè)機器人的使用實踐表明，工業(yè)機器人的普及是實現(xiàn)自動化生產，提高社會生產效
率，推動企業(yè)和社會生產力發(fā)展的有效手段。我國的工業(yè)機器人研制起步
較晚，但是有著廣大的市場潛力，有著眾多的人才和資源基礎。近年來國家政策的鼓勵支持下，我國自主制造出自己的工業(yè)機器人，并且將工業(yè)機
器人推廣應用到制造與非制造等廣大的行業(yè)中，提高我國勞動力成本，提
高我國企業(yè)的生產效率和國際競爭力，從整體上提高我國社會生產的安全
高效[1]。
1.2 工業(yè)機器人概念
工業(yè)機器人由機械本體、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作、自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產設備。特別適用于多品種、變批量的柔性生產線。它對穩(wěn)定、提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機器人技術是綜合了計算機、控制機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。機器人并不是在簡單意義上代替工人的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產物，它是工業(yè)以及非工業(yè)界的重要生產和服務性設備，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。
1.3 工業(yè)機器人的發(fā)展歷史
世界上第一臺機器人于1954年誕生于美國，雖然它是一臺試驗的樣
機，然而它體現(xiàn)了現(xiàn)代工業(yè)應用的機器人的主要特征，20世紀60年代，機器人產品問世，代表性的有美國 Unimation 公司的 Unimate 機器人和美國AMF公司的 Versatran 機器人，這兩種機器人被認為是世界上的最早的工業(yè)機器人。
20世紀70年代，機器人進入工業(yè)生產的實用化時代，到80年代，工業(yè)機器人進入普及時代，汽車、電子等行業(yè)開始大量使用工業(yè)機器人，推動了機器人產業(yè)的發(fā)展。機器人的研究和開發(fā)，無論就水平和規(guī)模而言都得到迅速發(fā)展，高性能的機器人所占比例將不斷增加，1985年前后，F(xiàn)ANUC 和GMF公司先后推出交流伺服驅動的工業(yè)機器人產品，這一時期各種裝配機器人的產量增長較快、與機器人配套使用的裝置和視覺技術正在迅速發(fā)展。目前，工業(yè)機器人的開發(fā)和研究領域已經成為各國工業(yè)自動化的方向。
1.4 工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀
機器人是最典型的機電一體化數(shù)字化裝備，技術附加值很高，應用范
圍很廣，作為先進制造業(yè)的支撐技術和信息化社會的新興產業(yè)，將對未來生產和社會發(fā)展起越來越重要的作用。
國外專家預測，機器人產業(yè)是繼汽車、計算機之后出現(xiàn)的新的大型高
技術產業(yè)。據(jù)國際機器人聯(lián)合會（IFR）統(tǒng)計，世界機器人市場前景看好，從 20 世紀下半葉起，世界機器人產業(yè)一直保持著穩(wěn)步增長的良好勢
頭。進入90年代，機器人產品發(fā)展速度加快，年增長率平均在10%左右，2000年增長率上升到15%。正如《21世紀日本創(chuàng)建機器人社會技術發(fā)展戰(zhàn)略報告》指出，“機器人技術（RT）與信息技術（IT）一樣，在強化產業(yè)競爭力方面是極為重要的戰(zhàn)略高技術領域。培育未來機器人產業(yè)是支撐 21世紀日本產業(yè)競爭力的產業(yè)戰(zhàn)略之一，具有非常重要的意義?！弊罱n國也將智能機器人作為十大戰(zhàn)略產業(yè)之一列入國家發(fā)展規(guī)劃現(xiàn)正在實施中。
機器人涉及到機械、電子、控制、計算機、人工智能、傳感器、通訊
與網絡等多個學科和領域，是多種高新技術發(fā)展成果的綜合集成。因此它
的發(fā)展與上述學科發(fā)展密切相關。機器人在制造業(yè)的應用范圍越來越廣闊，其標準化、模塊化、網絡化和智能化的程度也越來越高，功能越來越強，并向著成套技術和裝備的方向發(fā)展。機器人應用從傳統(tǒng)制造業(yè)向非制造業(yè)轉變，向以人為中心的個人化和微小型方向發(fā)展，并將服務于人類活動的各個領域?？傏厔菔菑莫M義的機器人概念向廣義的機器人技術（RT）概念轉移；從工業(yè)機器人產業(yè)向解決工程應用方案業(yè)務的機器人技術產業(yè)發(fā)展。機器人技術（RT）的內涵已變?yōu)椤办`活應用機器人技術的、具有實在動作功能的智能化系統(tǒng)。”目前，工業(yè)機器人技術正在向智能機器和智能系統(tǒng)的方向發(fā)展，其發(fā)展趨勢主要為：結構的模塊化和可重構化；控制技術的開放化、PC 化和網絡化；伺服驅動技術的數(shù)字化和分散化；多傳感器融合技術的實用化；工作環(huán)境設計的優(yōu)化和作業(yè)的柔性化以及系統(tǒng)的網絡化和智能化等方面[2]。
我國的機器人研究開發(fā)工作始于 20 世紀 70 年代初，到現(xiàn)在已經歷了30 年的歷程。前 10 年處于研究單位自行開展研究工作狀態(tài)，發(fā)展比較緩慢。1985 年后開始列入國家有關計劃，發(fā)展比較快。特別是在 “七五”、 “八五”、“九五”機器人技術國家攻關、“863”高技術發(fā)展計劃的重點支持下，我國的機器人技術取得了重大發(fā)展。
我國近幾年機器人自動化生產線已經不斷出現(xiàn)，并給用戶帶來顯著效益。隨著我國工業(yè)企業(yè)自動化水平的不斷提高，機器人自動化線的市場也會越來越大，并且逐漸成為自動化生產線的主要方式。我國機器人自動化生產線裝備的市場剛剛起步，而國內裝備制造業(yè)正處于由傳統(tǒng)裝備向先進制造裝備轉型的時期，這就給機器人自動化生產線研究開發(fā)者帶來巨大商機。據(jù)預測，目前我國僅汽車行業(yè)、電子和家電行業(yè)、煙草行業(yè)、新電池行業(yè)等，年需求此類自動化線就達 300 多條，產值約為 60 多億元人民幣。
1.5 工業(yè)機器人發(fā)展趨勢
隨著計算機技術的不斷向智能化方向發(fā)展，機器人應用領域的不斷擴
展和深化以及在系統(tǒng)(FMS、CIMS)中的群體應用，工業(yè)機器人也在不斷向智能化方向發(fā)展，以適應“敏捷制造”(Agile Manufacturing)，滿足多樣化、個性化的需要，并適應多變的非結構環(huán)境作業(yè)，向非制造領域進軍。
（1）感覺功能：感覺功能方功能方面將實現(xiàn)多傳感器信息的融合，
以檢測多變的外部環(huán)境，做出判斷和決策，其實質類似于人的五官和身體的綜合感覺功能，包括視覺、觸覺、力覺、滑覺、接近覺、壓覺、聽覺、味覺、臭覺、溫覺等。研究包括各類傳感信息的采集及融合處理、傳感器與驅動器一體化技術、感覺功能繼承模塊等。
（2）控制智能化：由硬線控制走向 NC，離線編程發(fā)展，進而發(fā)展到進一步應用。隨著系統(tǒng)化、集成化生產的發(fā)展，基于 PC 的開放式控制。系統(tǒng)將機器人控制和車間一級控制的發(fā)展方向。
（3）移動功能的智能化：為解決長距離搬運作業(yè)、大作業(yè)對象、多作業(yè)對象及極限作業(yè)等問題，需開發(fā)自主移動系統(tǒng)(包括滑動、滾動、行走、爬行、跳躍、飛行等)。
（4）系統(tǒng)應用與集成化：支持以人為核心的生產系統(tǒng)，實現(xiàn)生產系統(tǒng)中機器人群體協(xié)調功能、群智能和多機通訊協(xié)議，開發(fā)能理解人的意志的 “同事機器人”。系統(tǒng)中的“同事機器人”(Cobot)不在興起將成為操作人員不可或缺的伙伴。圍繞著各種機器人共存的堵多課題，正在興起一門新學科“軟機器人學”。
（5）安全可靠性：由于大量不確定因素的存在，要實現(xiàn)智能化的安全可靠性，機器人必須具有對各種意外情況的應變能力，及時采取預防措施和安全對策，包括硬件級、軟件級、應用級和人機系統(tǒng)的自診斷和自修復故障。
（6）微型化：向微型化發(fā)展，開發(fā)毫米級機器人，用于微加工、醫(yī)學、宇宙和海洋開發(fā)等領域。
（7）多傳感器信息融合與配置技術：機器人的傳感器配置和融合技術在生產過程自動控制中的應用包括面向工藝過程的多傳感融合和配置技術；采用智能傳感器的現(xiàn)場總線技術；面向工藝要求的新型傳感器研制。機電一體化智能傳感器包括具有感知、自主運動、自清污(自調整、自適應)的機電一體化傳感器研究；面向工藝要求的運動機構設計、實現(xiàn)檢測和清污的自主運動。
1.6 本章小結
本章簡單介紹了工業(yè)機器人的概念、國內外發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，對了解工業(yè)機器人研發(fā)的意義，為下面機器人的設計提供理論依據(jù)。
第2章 機械系統(tǒng)的設計和選擇
擰緊螺母機器人是非常典型的機電一體化產品，它是機械機構、伺服
系統(tǒng)和工控機(PLC) 等有機結合的產物，隨著社會的發(fā)展，其機械結構與傳統(tǒng)的機械結構已經發(fā)生了較大的變化，由原來的大、復雜、精度低、功能少等正朝著小、精密、功能強大等方向發(fā)展，與傳統(tǒng)的機械系統(tǒng)相比，其不僅具有較高的定位精度，還具有良好的動態(tài)響應特性，即響應快、穩(wěn)定性好。
2.1 擰螺母機器人機構本體設計
2.1.1 總體結構方案擬定
首先需要對安全氣囊( 在本文中，選擇一種類型的安全氣囊作為示例)的結構作簡要說明，四個螺柱呈正方形排列，正方形邊長為82mm ，四個
螺柱的螺紋規(guī)格均為M5，要求用四個同規(guī)格的螺母進行擰緊，擰緊扭矩為18N ·m。方案擬定對四個螺柱分別進行螺母擰緊，即先對螺柱1 進行擰緊，然后返回螺母供應處取螺母再進行對2 號螺柱進行擰緊，對3 號、4 號螺柱也是以同樣的方式進行擰緊。在設計機械本體的過程中，機械手的設計很重要，擬選擇AFC 系列擰緊機作為擰緊工具，在擰緊機的頭部連接上磁性螺母套頭，此性螺母套頭直接接觸螺母，主要是對螺母進行吸附和擰緊，此套頭可以更換，當對不同類型的安全氣囊進行螺母擰緊時，就可以在擰緊機上連接相配套規(guī)格的套頭，在本例中，也要設計出與M5 螺母相配套的套頭，其結構圖見圖2-5，定力矩擰螺母機械手在橫向(X) 軸的導軌上運動，同時，(X) 軸導軌在縱向(Y) 軸導軌運動，X-Y 兩軸的速度合成了機械手的速度，機械手在X-Y 平面內的位置就可以通過分別在X、Y 軸的投影確定，即機械手做直線插補運動來對螺母進行定位，機械手在X-Y 平面內的直線插補運動由伺服電機通過絲杠來驅動，選用專門的定位模塊通過控制其向伺服驅動器發(fā)出的脈沖量和脈沖率來保證機械手的精確定位，當機械手到達目的位置時，機械手的上下運動通過氣動方法實現(xiàn)，選擇氣缸作為執(zhí)行元件，氣缸活塞桿的運動方向由換向電磁閥來控制，速度通過速度控制閥來控制。另外，擬選用氣壓缸作為工件( 安全氣囊)的夾緊裝置。
2.1.1.1 主要參數(shù)設定
橫向(X 向)工作行程700mm,縱向(Y 向)工作行程600mm；
機械手最大運行速度為0.8m/s；
定位精度為0.001mm。
2.1.1.2 坐標系的選擇
擰螺母機器人設計的主要問題是選擇連桿件和運動副組成的坐標形式，最廣泛使用的工業(yè)機器人坐標形勢有：直角坐標式、圓柱坐標式、球面坐標式、關節(jié)坐標式。本系統(tǒng)具有3 個自由度，既X 軸、Y 軸、Z 軸，其中X、Y 進行直線插補運動，Z 軸進行上下運動，符合直角坐標式的特點，故選擇采用直角坐標式，另外，直角坐標式機器人還有其他式坐標機器人不可比擬的優(yōu)點，如下：
（1）結構簡單；
（2）容易編程；
（3）采用直線滾動道軌后，速度高，定位精度高；
（4）在X、Y、Z 三個坐標軸方向上的運動沒有耦合作用，對控制系統(tǒng)設計相對容易些。
圖 2-1 為擰緊螺母機器人本體結構模型圖，其結構形式采用標準的直角坐標系式。
不過，和其的坐標式機器人相比，也具有一些缺點，由于直角坐標式機器人必須采用導軌，故帶來一些缺點，例如其道軌面的防護比較困難不能像轉動關節(jié)的軸承那樣密封的很好；導軌的支撐結構增加了機器人的重量；結構尺寸與有效工作范圍相比顯得龐大，移動部件的慣量比較大，增加了驅動裝置的尺寸和能量消耗。
2.1.1.3 驅動方式的選擇
機械手在X-Y 平面內的運動采用伺服驅動執(zhí)行元件,其上下運動、螺母供應桿的上下運動和夾緊機構均采用氣壓式執(zhí)行元件。
2.1.2 機械傳動部件的選擇
2.1.2.1 滾珠絲杠副的選擇
本機器人的傳動方式為絲杠傳動，因此，要進行對絲杠進行選型。滾珠絲杠副是一種新型的螺旋傳動元件，它的產生和發(fā)展只經歷了數(shù)十年的歷史，然而它在國內外工程技術界人士中已引起了廣泛的興趣和重視。
當今滾珠絲杠副在機床工業(yè)、汽車工業(yè)、自動控制系統(tǒng)、航空工業(yè)、船舶工業(yè)和兵器工業(yè)等各個部門皆獲得了日益廣泛的應用。在此較短的時期內，它之所以能夠得到如此迅速的發(fā)展和較普遍的應用，主要的原因是內于滾珠絲杠副具有高效率和高精的特點，并具有優(yōu)越的高速特性和耐磨損性及運動可逆性等特性；這些特點都是普通絲杠副不可能具備的?？傊?，它具有許多良好的機械傳動性能。所以，滾珠絲杠副已成為非常有效的、普遍適用的螺旋傳動元件。此外它又可以像滾動軸承那樣，由專業(yè)廠家組織生產和供應，向用戶提供一種新穎的配套元件；廣大用戶司根據(jù)各自的需要方便地進行選用和訂購。關于滾珠絲杠副的產生和發(fā)展以及它的主要特性如下：
（1）以滾動代替滑動；
（2）極高傳動效率；
（3）極高的精度；
（4）軸向間隙為零；
（5）使用壽命長；
（6）精確的同步運動；
（7）運動的可逆性；
（8）廣闊的發(fā)展前景。
對于滾珠絲杠副，其結構上最明顯的特征是：構件間的可動聯(lián)接通常不是借助于運動副本身，而是在絲杠和螺母兩構件之間利用小間元件(滾珠)來實現(xiàn)的。滾珠絲杠副與滾動軸承相類似，它們都是借助于滾珠來實現(xiàn)構件的可動連接的
由上述工作原理可知，滾珠絲杠副與滑動絲杠副比較滾動摩擦代替了滑動摩擦，因此，具有以下特點
（1）摩擦損失小、傳動效率高
由于滾動絲杠副的摩擦損失小，其傳動效率可達90~96％，約為滑動
螺旋機構效率的2~3倍。
（2）磨損小、壽命長
通常，滾珠絲杠副的主要零件，如絲杠、螺母及滾珠都是經過淬硬
的，并有很低的表面粗糙度；而且滾動摩擦的磨損很小，因而具有良好的耐磨性，即其精度保持性能好，工作壽命長。
（3）軸向剛度高
由于滾珠絲杠副可以完全地消除傳動間隙，而不致影響絲杠運動的靈
活性，因而可以獲得較高的軸向剛度。通常，可以通過預緊來提高鈾向剛
度。
（4）摩擦阻力小、運動平穩(wěn)
由于是滾動摩擦，動、靜摩擦系數(shù)相差較小，其摩擦阻力幾乎與速度
無關，而且靜摩擦力極小，啟動力矩與運動力矩近于相等。因而靈敏高，運動較平穩(wěn)，啟動時無顏動，低速傳動時無爬行現(xiàn)象。
（5）不能自鎖、具有傳動的可逆性
在選用滾珠絲杠時，必須知道實際的工作條件：即最大的工作載荷
F max、絲杠的工作長度L、絲杠的轉速n等。
承載能力的選擇：
計算作用于絲杠的軸向最大動載荷FQ,然后再根據(jù)FQ選擇絲杠副的型號。
（2-1）
式中L—滾珠絲杠的壽命系數(shù)，本機器人的壽命為1.5；
—硬度系數(shù)，在本機器人中，為1.11 ；
—載荷系數(shù)，在本機器人中，運動平穩(wěn)時為1.0；
—最大工作載荷，在本機器人中，(X) 最大工作載荷為200N；(Y) 向最大工作載荷為3000N 。
以(X) 軸為例：
（1）由表4.2 選擇精度等級為2 級。
（2）滾珠絲杠導程的選擇：選用
（3）最大行程：
S = 750mm
（4）平均轉速、平均軸向力：
（5）預壓力：
（6）動額定負荷的計算：
由表4.8 選取設計壽命以公里計為：
由行走距離轉換成小時：
（2-2）
（7）平均軸向負荷:
+P = 500+179 = 679N
由小時轉換成回轉次數(shù)L ：
動額定計算負荷C′：
所以，從HIWIN 滾珠絲杠的型號中，挑選FDW 型式的螺母，其中公稱直徑為25mm ，且珠圈數(shù)是B2設計即可符合要求。
滾珠絲杠規(guī)格：25-5B2
導程：5mm
節(jié)圓直徑：25mm
珠圈數(shù)：2.5×2
鋼珠直徑：3.175mm
根徑：23.425mm
屈服負荷和臨界轉速之支撐方式：固定—支撐
所以在擰螺母機器人系統(tǒng)中，X向選擇的滾珠絲杠為插管埋入式雙螺
母滾珠絲杠副，型號為LMZD25-10B2，絲杠得導程 Lo = 10mm，絲杠公稱直徑d=25mm ，額定靜載荷為280N；Y向選擇LMZD50-10B2，絲杠導程Lo = 10mm，絲杠公稱直徑d=50mm ，額定靜載荷為3500N。
2.1.2.2 直線滾動導軌副的選擇
導軌按運動軌跡劃分可分為直線運動導軌和圓周（回轉）運動導軌；按工作時摩擦特性劃分為滑動導軌和滾動導軌；滑動導軌又有普通滑動導軌、液壓動壓導軌、液壓靜壓導軌和卸荷導軌等；滾動導軌按流動體地不同又分為滾珠導軌、滾珠導軌和滾針導軌等；按導軌的受力情況可分為開示導軌和閉式導軌。
滾動導軌是在導軌面之間裝有一定數(shù)量的滾動體：滾珠、滾柱和滾針，使兩導軌面之間具有了滾動摩擦性質，即摩擦系數(shù)小以及動、靜摩擦系數(shù)很接近。因此，滾動導軌運動輕便，磨損小，并可避免出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，且定位精度高，但由于滾動體的原因，此類導軌的抗震性較差，對臟物也較敏感。
滾動導軌的分類可從下述不同角度進行：
按運動軌跡分直線運動導軌、圓周運動導軌；按滾動體形式分滾珠導軌、滾柱導軌和滾針導軌等；按滾動體在導軌面間的運動形式分循環(huán)和非循環(huán)式。循環(huán)導軌是滾動體工作時可在導軌的工作滾道和返回滾道之間循環(huán)。常用的有滾動導軌塊和直線滾動導軌副。
直線滾動導軌副配置情況如圖2-3 所示：
圖2-3 直線導軌副
直線滾動導軌的特點：
（1）載荷能力大：剛球與圓弧滾道的接觸比與平面接觸的載荷能力可提高13 倍
（2）剛性強：在制作時，給定預加載荷而獲得較高系統(tǒng)剛度，能承受較大的切削力、沖擊與振動。
（3）四方向等載荷：全方位上的剛度值一致，具有良好的減振特性。
（4）壽命長：由于是純滾動，摩擦因數(shù)為滑動導軌的1/50 左右，主機消耗低，省電節(jié)能，便于機械小型化。
（5）傳動平穩(wěn)可靠：動作輕便靈活，定位精度高，微量移動靈活準確。
（6）具有機構自調整能力：相對配件加工精度要求可降低，且安裝使用方便。
在擰螺母機器人系統(tǒng)中，在選擇滾動直線導軌時，采用兩根滾動直線導軌副，每根導軌上有一個滑塊，在 X 向，機械手G1=150N，滑座G2=300N。故總負荷P = G1 + G2=150 + 300 = 450 N。選四方向等載荷型，型號為HGH35CA1R。
Y向導軌不僅起到牽引作用，而且還支撐著X 導軌和機械手，因此在選擇時，不僅要注意其靜載荷，還要考慮其偏重力矩，防止被卡死。( 偏重力矩即X 向導軌和機械手的總質量對Y 向導軌的靜力矩) ，當機械手移動到離Y 導軌最遠時，其偏重力矩最大，故偏重力矩應按懸伸最大行程、最大抓重時進行計算。根據(jù)靜力學原理可求出手臂重質量的質心為之距Y 向導軌的距離，即偏重力矩L。
因為機械手和X 向導軌質量很小，偏重力矩臂不太長，故選擇型號為 HGH55CA1R, 其抗偏重扭矩為5.66KNM
2.1.3 機械手的設計
擰螺母機器人機械手的核心元件是螺母擰緊機和磁性螺母套頭，螺母擰緊機工具型號為：NFT-201RM1—S.本系統(tǒng)所選用的擰緊機為日本第一電通公司生產的由AFC1500 系統(tǒng)控制的擰緊機，該系統(tǒng)是以低成本實現(xiàn)各種形式螺栓擰緊為目的而開發(fā)的電動螺栓擰緊機。其擰緊工具結構見圖2-4。
圖2-4 擰緊機機構簡圖
此擰緊機由四部分組成，分別是：解析器、永磁電機、齒輪、扭矩轉換器的主要特點如下：
（1）扭轉精度：全量程扭矩的1/2～全量程扭矩的3%以內。
（2）角度表示最小單位：1? 度??；
（3）角度內部控制單位：0.1 度；
（4）扭矩轉換精度：±1% ；
（5）擰緊放式：扭矩法、角度法；
（6）扭矩、轉速 ：最大扭矩為19.6N，最高轉速為500r/m ；
在本系統(tǒng)中，磁性螺母套頭連接在擰緊機上，其作用是吸附著螺母隨
機械手一起運動，其機構結構見圖2-5。
圖2-5 磁性螺母套頭結構圖
磁性套頭具有磁性，對螺母具有吸附作用，彈簧蓋是擰在套節(jié)里面，彈簧在彈簧蓋的壓力下頂著磁性套頭，對磁性套頭起著緩沖和復位作用。
螺母擰緊機、磁性套頭、氣缸、彈簧等連接，構成了機械手，如下圖
2-6所示。
圖2-6 機械手結構示意圖
螺母在螺母桿( 圖中未畫出) 的推動下向上運動，等快觸到磁性螺母套頭時螺母桿停止運動，而螺母在慣性的作用下繼續(xù)運動，在磁性的作用下被吸附在套頭上；氣缸固定在導軌的滑座上，汽缸活塞的上下運動有電磁閥來控制，本系統(tǒng)選擇三位四通電磁閥，汽缸活塞的推桿帶動擰緊機的上下運動，當機械手到達需要擰緊的螺栓上方后，氣缸活塞推動擰緊機向下運動，加在擰緊機兩旁的彈簧能起到緩沖作用，避免擰緊機因快速向下移動時對螺栓產生沖擊。同時，當螺母接觸到螺栓的時候，磁性螺母套頭里的彈簧會收縮，磁性套頭也會隨著彈簧收縮，在擰緊的時候，彈簧會緊緊頂進磁性套頭，使螺母和螺栓緊緊接觸，從而進行擰緊動作。
2.1.4 夾緊機構的設計
利用氣壓缸作為工件的加緊裝置，以壓縮空氣為動力源的氣動夾具具
有很多的優(yōu)點，第一，空氣可以從大氣中取之不竭，無介質費用和供應上 的困難，管道不易堵塞，亦不存在介質變質、補充、更換等問題，空氣的粘度很小，一般阻力損失不到郵路阻力損失的四分之一，第二，壓縮空氣的工作壓力較小，因此可降低氣動元件的材質和制造精度的要求，由于空氣流速快，所以，氣動系統(tǒng)具有工作迅速、反映靈敏的特點，可縮短輔助時間。
單個汽缸設計計算，按《機械設計手冊》選缸筒內徑D=80mm ，活塞和壓桿的材料為45 鋼，查《機械設計手冊》的抗拉強度為560Mpa, 取安全系數(shù)為1.5，得許用應力:560/1.5=373Mpa，由此可選區(qū)活塞桿直徑為16mm( 頭部直徑為40mm),活塞直徑D為80mm, 活塞和桿重計算：
壓縮空氣的工作壓力位P，取6Kgf/cm2,效率系數(shù)η取0.9。 氣缸的夾緊力為
因為在本系統(tǒng)中，對安全氣囊的夾緊需要的力不是太大，故采用了一個汽缸進行夾緊。
制動力矩驗算 M = FL
由機構設計知L=83mm, 得
2.2 伺服驅動系統(tǒng)設計和檢測裝置元件的選擇
2.2.1 伺服驅動系統(tǒng)設計
2.2.1.1 伺服驅動系統(tǒng)的概述
工業(yè)機器人一般由機械機構本體、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分組成。擰螺母機器人屬于工業(yè)機器人中的一類，自然也是有這三部分組成，本體由導軌、絲杠、機械手等組成，機械手以一定速度作定位運動，分別完成移動、升降和擰緊工件等各種動作。擰螺母機器人要完成規(guī)定的動作并達到一定的精度要求，是復雜而又很難解決的問題，而伺服系統(tǒng)因響應速度快、速度精度高、調速范圍寬、加減速性能好，可以提供靈活、方便、準確和快速的驅動，目前絕大部分機器人的關節(jié)運動均采用交流伺服控制系統(tǒng)。隨著技術的進步，計算機技術、電子技術和電動機磁性材料的發(fā)展，交流伺服驅動控制也取得了極大的進步，伺服系統(tǒng)已進入全數(shù)字化和交流
化的時代。本系統(tǒng)采用松下公司的MINAS A 系列伺服電動機及驅動器。為了更好地了解擰螺母機器人的原理，以下是對伺服系統(tǒng)特點的說明。
擰螺母機器人需要實現(xiàn)高精度的位置控制，而實現(xiàn)精確位置控制的一個基本條件是需要有高精度的執(zhí)行機構。當脈沖當量和進給速度都要求太高時，傳統(tǒng)的步進電機或直流伺服電機將面臨一系列問題，且實現(xiàn)起來難度大，成本較高。為了解決這個問題，我們選用了伺服驅動系統(tǒng)。從基本結構來看，伺服系統(tǒng)主要由三部分組成：控制器、功率驅動裝置、反饋裝置和電動機?？刂破靼凑諗?shù)控系統(tǒng)的給定值和通過反饋裝置檢測的實際運行值的差，調節(jié)控制量；功率驅動裝置作為系統(tǒng)的主回路，一方面按控制量的大小將電網中的電能作用到電動機之上，調節(jié)電動機轉矩的大小，另一方面按電動機的要求把恒壓恒頻的電網供電轉換為電動機所需的交流電或直流電；電動機則按供電大小拖動機械運轉。
該伺服驅動系統(tǒng)接受控制單元的控制，控制單元為位置控制模塊，即FX2N-20GM ，F(xiàn)X2N-20GM 受到PLC 的控制，同時，輸出控制指令(脈沖/方向)以控制伺服驅動器，在位置控制方式下，伺服驅動器接收位置控制模塊發(fā)出的位置指令信號(脈沖／方向)，送入脈沖列形態(tài)，經電子齒輪分倍頻后，在偏差可逆計數(shù)器中與反饋脈沖信號比較后形成偏差信號。反饋脈沖是由光電編碼器檢測到電機實際所產生的脈沖數(shù)，經四倍頻后產生的。位置偏差信號經位置環(huán)的復合前饋控制器調節(jié)后，形成速度指令信號。速度指令信號與速度反饋信號 與位置檢測裝置相同 比較后的偏差信號經速度環(huán)比例積分控制器調節(jié)后產生電流指令信號，在電流環(huán)中經矢量變換后，由SPWM 輸出轉矩電流，控制交流伺服電機的運行。位置控制精度由光電編碼器每轉產生的脈沖數(shù)控制。它分增量式光電編碼器和絕對式光電編碼器。增量式編碼器構造簡單，易于掌握，平均壽命長，分辨率高，實際應用較多。
本系統(tǒng)采用的是增量式光電編碼器。絕對式光電編碼器按二進制編碼輸出，信號線多，由于精度取決于位數(shù)，所以高分辨率不易得到。但是這種編碼器即使不動時也能輸出絕對角度信息，圖2-7 為伺服系統(tǒng)和控制器的系統(tǒng)構成圖：
圖2-7 伺服系統(tǒng)和控制器的系統(tǒng)構成圖
2.2.1.2 伺服驅動器外觀和接線圖
在伺服驅動系統(tǒng)中，伺服驅動器要完成較復雜的控制算法，故電路結構較復雜，其電路可分為主電路、控制電路及顯示設定等幾部分，三相電源從 L1、L2、L3 三個輸入端子輸入驅動器，經過驅動器內部電路的控制，從 U、V、W 三個輸出端子輸出，控制交流伺服電機，控制電源從驅動器的r、t輸入端子輸入，經過整流，AC/DC轉換后作為控制電路的電源。
松下伺服驅動器的控制電路主要由 CPU 和 ASIC 兩個部分組成，完成電動機的速度控制、位置控制、電壓/電流等參數(shù)采集、編碼器信號處理、控制信號輸出、保護功能實現(xiàn)以及與其他外設進行接口等功能，驅動器的顯示設定部分作為人機接口，完成驅動器設定與操作等功能，松 MINAS A 系列伺服驅動器在運動控制系統(tǒng)中可以被設置為具有多種控制方式，可以進行速度控制、位置控制機轉矩控制，而且該驅動器還有完善的保護措施和方便的操作接口。圖2-8 為驅動器外觀圖。
圖2-8 驅動器外觀圖
接線時需要注意以下問題：
(1)連接電纜到每個接線端時，要用有絕緣套壓線端護以保證絕緣屏蔽。
(2)不安裝外接放電 L 時，請將(RB2
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