机电一体化系统设计-西南科技大学网络教育学院ppt课件.ppt

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1、7典型机电一体化系统7.1工业机器人7.1.1概述工业机器人是典型的机电一体化系统，具有控制精度和响应速度要求高、机构复杂等特点，是实现工业自动化、加工自动化必不可少的设备。它可以代替人来完成搬运物品、铆焊、装配等一系列工作，其中HRGP-1A喷漆机器人，是比较典型的工业机器人。HRGP-1A喷漆机器人是在消化、吸收美国4500型机器人的基础上开发研制的新产品，它具有国际80年代末期的水平。该机器人具有下述特点：(1）操作机采用挠性手腕结构，具有三个自由度（左右摆动，上下摆动，回转运动）。（2）作动器采用分离

2、活塞直线运动油缸，减轻了示教力。（3）采用旋转变压器作为反馈元件，提高了伺服系统反馈精度。7.1.2HRGP-1A喷漆机器人的构成、原理及基本参数7.1.2.1构成及工作原理HRGP-1A喷漆机器人由操作机、微型计算控制装置和液压能源三部分构成，操作机采用多关节式。它的机构原理是，由一个直线油缸通过摇杆机构驱动腰部旋转运动。两个直线油缸分别驱动三连杆机构和四连杆机构，实现垂直臂的前后摆动和水平臂的上下俯仰运动，使喷枪达到活动范围内的任意位置。腕部采用挠性手腕结构，分别由两个小型直线油缸驱动，实现手腕左右、上下

3、摆动。腕部的旋转运动油一个摆动油缸驱动，使喷枪实现姿态变化。机器人的驱动采用电液伺服系统，通过安装在作动器上的伺服阀，将电信号转化为液压流量，向作动器提供液压动力。每个作动器内装有旋转变压器作为反馈元件，构成闭环伺服控制，由微型计算机系统控制各自由度的运动，实现操作机的连续轨迹控制。喷漆机器人工作分示教和再现两个过程，所谓示教即操作人员用手操纵操作机的关节和手腕，根据喷漆工件形面进行示教。此时，中央处理器通过旋转变压器将示教过程中测到的参数存入存贮器，即把示教喷漆的空间轨迹记录下来。所谓再现，即由计算机控制机

4、器人运动，中央处理器将示教时记录的空间轨迹信息取出，经过插补运算与采样得到的位置数据进行比较，将其差值调节后输出，控制操作机按示教的轨迹运动。7.1.2.2基本参数操作机的结构为六自由度多关节式，驱动系统为电液伺服驱动，控制采用微型计算机系统控制。示教分为手把手示教和示教盒示教。存贮容量：PTP最大容量为38000点，CP最大容量为128min。最大速度为1.7m/s。位置重复精度为±2.5mm。动作时间采样频率为10Hz、40Hz、50Hz。喷漆机器人外形尺寸及工作范围如图7.1所示。图7.1喷漆机器人外形

5、及工作范围7.1.3HRGP-1A系统的设计喷漆机器人设计内容主要包括确定基本参数、操作机的结构形式、选择驱动系统的种类和运动学的分析。喷漆机器人操作设计中的技术关键有下面几点。（1）腰部回转机构的设计腰部回转角度为93°，采用四连杆机构，它由一个直线油缸、驱动摆杆和连杆组成，使腰部作回转运动。这种机构工作可靠，结构简易。其原理如图7.2所示。图7.2腰部转动机构示意图（2）水平臂和垂直臂平衡系统设计喷漆机器人的水平臂和垂直臂均采用悬臂梁结构，由伺服液压缸提供动力，使水平臂和垂直臂运动并保持一定的姿态。水平臂

6、和垂直臂在重力作用下都有下降的趋势。在工作过程中，由伺服液压缸平衡其重力但在示教中要求伺服液压缸卸荷，由人工操作。此时需要弹簧平衡机构见效操作时的示教力，同时防止液压缸突然卸荷，水平臂和垂直臂发生撞击，损坏机器。因此，仅有液压缸来平衡重力是不行的，必须要有弹簧平衡系统。对平衡系统的设计要求是，机构无论处于何种姿态，平衡力矩等于或稍大于重力矩。平衡机构原理见图7.3。图7.3平衡机构原理图（3）挠性手腕的设计挠性手腕是由三副万向节和两对伞状齿轮啮合组成。揉性手腕部分外径尺寸为Ф110mm，外部装有防尘波纹套。它

7、的运动是由左右两个直线作动器控制，使手腕上下左右各做88°摆动，手腕由摆动液压缸驱动，使它作210°的转动。设计时对十字连轴器、球形齿面的齿、凸齿的形状、齿形分布、齿形的修正均有较高的要求。（4）操作机的材料选择为了提高运动灵敏度、精度及响应速度，水平臂和上支撑座用铝合金制成、其重量轻、惯性小。底座支撑件使用铸铁和钢材，保证具有足够的强度和刚度。7.1.3.2电液伺服驱动的设计驱动系统是直接驱动各部件动作的机构/喷漆机器人工作在易燃、易爆的气氛中，为了防爆，采用电液伺服系统作为驱动系统。机器人具有六个自由度，

8、每个自由度由一套电液伺服系统驱动。机器人运动时，各运动参数产生变化，动力参数也随之变化。电液伺服系统为多输入、多输出变量系统。系统与系统间具有负载效应。根据喷漆工艺要求，操作机必须具有运动速度高、工作稳定、位置重合精度高等能力，以适应复杂形面的喷漆。为此要求各电液伺服系统快速响应特性一致，不受其他系统干扰。系统框图见图7.4所示伺服系统中采用分离活塞式作动器，以使机器人在示教中轻便、灵活，而且示教力