上下料机器人选型及结构设计

杨福刚

摘 要：随着社会发展，我国自动化水平呈现显著提高，上下料已不再是以前的人工上下料了，通过机械手上下料十分普遍，本文就是关于机械手的各种分类选型及结构部分设计说明，其中还涉及到丝杆部分中电机的选型及参数设置。

关键词：上下料;机器人;选型;结构

本文就是根据的一个上下料的机台对于工业机器人运用的一个实际案例，通过机器人吸取物料来达到一个上下料的作用，这种应用在当今世界及其普遍。

1工业机器人分类及选型

1.1工业机器人的分类

1按结构形式分类

直角坐标机器人;圆柱坐标机器人;关节机器人;球坐标机器人

2按系统功能分类

专用机器人以固定程序工作机器人，结构简单、无独立控制系统、造价低廉。

通用机器人可完成多种作业，结构复杂，工作范围大，定位精度高，通用性强示教再现式机器人在示教操作后，能按示教的顺序、位置、条件重现示教作业。

智能机器人具有视觉、听觉、触觉功能，通过比较和识别，做出决策和规划，完成预定动作。

3按驱动方式分类

气压传动机器人以压缩空气作为动力源，高速轻载;

液压传动机器人采用液压驱动，负载能力强、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏电力传动机器人交直流伺服电机驱动，结构简单、响应快、精度高

本文选择应用各种品牌的机械手都是属于电力传动机器人。

1.2机器人选型

首先，最重要的源头是评估导入的机器人，是用于怎样的应用场合以及什么样的制程。如果是应用制程需要在人工旁边由机器协同完成，对于通常的人机混合的半自动线，特别是需要经常变换工位或移位移线的情况，以及配合新型力矩感应器的场合，协作型机器人应该是一个很好的选项。如果是寻找一个紧凑型的取放料机器人，你可能想选择一个水平关节型机器人。如果是寻找针对小型物件，快速取放的场合，并联机器人最适合这样的需求。本文设计的是一个紧凑型的取放料机器人因此选用平面关节型机器人。机器人配置的轴数直接关联其自由度。如果是针对一个简单的直来直去的场合，简单的4轴机器人就足以应对。但是，如果应用场景在一个狭小的工作空间，且机器人手臂需要很多的扭曲和转动，6轴或7轴机器人则是最好的选择。本文上下料动作并不复杂且空间足够，因此选用4轴机器人就可以。本文主要针对绝缘片这种物料设计出一款机台，机台中包括对绝缘片起搬运装配作用的机械手，PLC与其通信和触摸屏。

2结构设计

2.1整体工作原理

料盘出料后机械手吸取绝缘片来到下CCD拍照，而流水线这边流过，顶升气缸动作，之后上CCD拍照，然后对料进行装配。

2.2料盘升降机构

升降机构可以实现整个取料位料盘的上下升降，对其设计要求如下：

1运行平稳性要求。如果升降过程中伴有剧烈冲击对料盘及物料都会遭到损坏，因此升降机构需要平稳运行。

2定位精度。对于料盘及物料必须要到达一定高度就需要停止，这样确保其在上料位，这就要求升降机构的定位要精确。

3高柔性。在升降过程中需要升降到一定高度就停止，要求升降机构具有好的柔性。

按照以上要求，有液压缸形式、变频电机形式和伺服电机形式三种形式。

2.2.1传送机构选择

1滚珠丝杆机构2皮带传送机构3齿条齿轮机构

升降传送机构在运行时应具有减震能力、噪声低且传动平稳等特性，根据这些要求和其本身的工作特性，应当选择滚珠丝杆机构，而升降机传输系统应当选择“伺服电机+滚珠丝杆”这种驱动方式能够保证其定位精度。

滚珠丝杆机构

T=9550*P/n

Tb计算方法相同。

Ta=Fa*BP/2 η=25×5/6.28×0.9=22.11

2.3负载转动惯量J计算：

滚珠丝杆转动惯量：

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

计算出电机转动惯量然后求出惯量比

伺服电机选型原则

1连续工作扭矩<伺服电机额定扭矩

2瞬时最大扭矩<伺服电机最大扭矩（加速时）

3负载惯量<3倍电机转子惯量

4连续工作速度<电机额定转速

2.3.1伺服电机额定扭矩计算

T=9550P/n=9550×100/3000=318.3

因为连续工作扭矩为132.7小于伺服电机额定扭矩的，满足条件。

2.3.2步进电机

步进电机是一种将数字脉冲信号转化为角位移的执行机构。也就是说，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角、步距角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的;同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。一般步進电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。

2.3.3伺服电机

伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。

伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。

步进电机与伺服电机的区别：

第一，步进电机和伺服电机的控制方式不同，步进电机是通过控制脉冲的个数控制转动角度的，一个脉冲对应一个步距角，但是没有反馈信号，电机不知道具体走到了什么位置，位置精度不够高。 伺服电机也是通过控制脉冲个数，伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，同时驱动器也会接收到反馈回来的信号，和伺服电机接受的脉冲形成比较，这样系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。

第二，过载能力不同步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以皮尔磁交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额转矩的3倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在某些工作场合就不能用步进电机工作了。

第三， 速度响应性能不同步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转） 需要200 ～ 400ms。交流伺服系统的加速性能较好，以皮尔磁交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000 r/min。仅需几ms，可用于要求快速启停并且位置精度要求较高的控制场台。

通过上述比较，因为本机台对精度要求较高，且需要运行尽可能平稳，因此使用伺服电机是最好的选择。

PLC通过脉冲控制伺服驱动系统进而控制电机，然后电机带动丝杆使料盘上升。

3 结语

机器人运用很多关于工业机器人运用上下料能够提升工作效率的。

参考文献：

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[3]钟华，杨旭卓.夹片机床自动上下料机构控制系统设计[J].现代制造技术与装备，2018（08）：3-4.