CN108750653B - 一种多轨迹电子凸轮取置机械手的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多轨迹电子凸轮取置机械手及其控制方法，取置机械手包括传动装置和控制系统，传动装置实现机械手的运动，控制系统负责控制转动装置的运动轨迹，机械手的控制方法通过并联伺服电机接收控制系统提供的不同凸轮曲线的脉冲驱动，同时配合并联机械结构来实现取置机械手的控制。通过将凸轮取置机械手中的机械凸轮使用伺服控制系统和伺服控制系统配合丝杠形式的电子凸轮代替，使得机械结构中不存在机械凸轮，克服了难加工，易磨损等机械凸轮的缺点。
Description
技术领域
本发明属于机械技术领域，具体涉及一种多轨迹电子凸轮取置机械手的控制方法。
背景技术
在自动化生产线或物流输送线中，工件抓取和放置等往复动作较为常见，由于凸轮式取置机械手具有结构简单紧凑，动作可靠性高，灵活性强等优点，因此被广泛应用。凸轮式取置机械手装置是以不同机械凸轮作为驱动机构进行机械传动的能够实现预期抓取目标的一种纯机械式机械手装置。
市场上已有的此类装置通常采用设计两组凸轮机构通过同一输出轴根据生产需求配合安装，以此驱动机械手从动件完成不同路径的抓取，放置动作。其中一组凸轮机构控制机械手的升降运动，另一组则控制机械手的转位运动，通过两者的配合实现机械手单独的提升或者转位，以及复合运动。虽然此类凸轮机械手装置可以实现物料的抓取和放置动作，但是，此类装置通过两组机械凸轮进行传动，结构设计中的凸轮机构存在不易加工、易干涉磨损、难维护等不足；同时凸轮机构输出运动轨迹唯一，当机械手运动轨迹需要改变时需要重新按照一定的相位安装凸轮，甚至必须重新设计凸轮且机械手输出动作缺乏柔性。
鉴于以上传统凸轮式取置机械手的缺陷及电子凸轮技术的发展，有必要提出一种多轨迹电子凸轮取置机械手装置及其控制方法以使得凸轮式机械手得到改进和发展。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种多轨迹电子凸轮取置机械手的控制方法，使得凸轮式机械手装置中实体凸轮被代替但凸轮功能可以被实现，以解决凸轮式机械手现有的缺陷和不足。
为达到上述目的，本发明所述一种多轨迹电子凸轮取置机械手包括传动装置，传动装置包括第一电机，第一电机的输出轴与花键轴连接，花键轴外套有旋转件，旋转件一端和主轴一端固定连接，主轴另一端固定有机械手手臂，主轴上固定有球面肩轴，球面肩轴与直动圆柱滚轴啮合，直动圆柱滚轴通过丝杠与第二电机的输出轴连接。
进一步的，还包括控制系统，控制系统包括计算机、运动控制器、伺服驱动器和增量型编码器，计算机与两个运动控制器连接，两个运动控制器分别与两个伺服驱动器连接，两个伺服驱动器分别与两个增量型编码器连接，两个伺服驱动器分别与第一电机和第二电机连接，两个编码器分别与第一电机和第二电机连接。
进一步的，运动控制器输入/输出模块连接口通过信号连接器与伺服驱动器输入/输出端子连接，完成控制命令的传输；伺服驱动器通过编码器连接器与增量型编码器连接，实现与编码器的控制通讯；增量型编码器与电机连接，实现电机的运转状态反馈。
进一步的，第一电机的输出轴通过减速装置与花键轴连接。
进一步的，减速装置为带传动。
进一步的，还包括机架，第一电机和第二电机均固定在机架上。
进一步的，花键轴、旋转件、主轴和球面肩轴外设有保护罩。
一种多轨迹电子凸轮取置机械手的控制方法，包括以下步骤：
步骤1、根据需求规划运动轨迹，将目标运动轨迹根据时间分解为旋转运动和升降运动，同时选择不同的凸轮运动规律；
步骤2、将单独的运动规律与控制完成此运动的电机需要接收的脉冲之间的关系进行换算，计算出不同时刻需要输出的脉冲数，计算公式为：，其中，/>为所需的脉冲数；/>:伺服电机已知分辨率；/>:伺服驱动器电子齿轮比；/>为丝杠螺距；/>为丝杠线数；/>:减速器减速比；/>为不同凸轮运动规律中不同阶段的从动件位移；
步骤3、根据步骤2计算得到的脉冲数，对第一电机和第二电机进行脉冲发射，使第一电机和第二电机动作，通过第一电机带动取置机械手花键轴转动，使取置机械手完成转位动作；通过第二电机和丝杠带动取置机械手直动圆柱滚轴配合球面轴肩直动，取置机械手完成水平/升降动作。
进一步的，步骤3中，通过控制系统控制第一电机和第二电机的动作，控制系统包括计算机、运动控制器、伺服驱动器和增量型编码器，具体包括以下步骤：
步骤3.1、编写第一电机和第二电机不同时刻输出脉冲的程序；
步骤3.2、将编制的程序下载至运动控制器；
步骤3.3、运动控制器输入/输出模块连接口与伺服驱动器输入/输出端子连接，完成控制命令的传输，形成两组曲线脉冲指令；伺服驱动器通过编码器连接器与增量型编码器连接，实现与编码器的控制通讯；伺服驱动器连接PC端，实现软件操作；同时接通主回路电源，控制回路电源；通过电机连接线，将伺服驱动器与伺服电机连接，实现电机的控制；
步骤3.4、设定驱动器的功能参数，包括驱动器位置模式，电子齿轮比，驱动器状态显示以及模拟输出监控；
步骤3.5、运行运动控制器及伺服驱动器，使第一电机和第二电机接收各自的曲线脉冲指令，并根据曲线脉冲指令动作。
进一步的，步骤3.5进行过程中，编码器按照第一电机和第二电机转过的角位移或者直线位移检测电机的当前状态，同时将取置机械手是否达到指定位置的状态信息反馈给运动控制器，运动控制器根据编写的程序，调整电子凸轮曲线的输出。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果，本发明通过将凸轮取置机械手中的机械凸轮使用伺服控制系统和伺服控制系统配合丝杠形式的电子凸轮代替，使得机械结构中不存在机械凸轮，克服了难加工，易磨损等机械凸轮的缺点。
进一步的，机械手的控制方法通过并联伺服电机接收控制系统提供的不同凸轮曲线的脉冲驱动，同时配合并联机械结构来实现取置机械手的控制。当机械手的输出运动轨迹需要改变时，只需要外围控制系统控制伺服电机输出电子凸轮曲线，从动件配合改变运动方式则机械手运动轨迹改变。克服了传统凸轮式机械手中凸轮机构输出运动轨迹唯一，当运动轨迹需要改变时必须重新设计凸轮，且由于凸轮的存在，机械手输出动作缺乏柔性等缺点。从而使机械手的输出具备柔性化，智能化。
进一步的，第一电机的输出轴通过减速装置与花键轴连接，减速装置为带传动，结构简单、传动平稳、能缓冲吸振、且其造价低廉、不需润滑、维护容易。
进一步的，花键轴、旋转件、主轴和球面肩轴外罩有保护罩，对这些部件起保护作用。
附图说明
图1为传动装置结构示意图；
图2为传动装置去除防护罩内部结构示意图；
图3为传动装置去除防护罩、机架、工作台内部结构示意图；
图4为取置机械手工作系统原理图；
图5为取置机械手工作控制方法流程图。
图中：1-机架、2-第一电机、3-传动带、4-花键轴、5-直动圆柱滚轴、6-轴承、7-机械手手臂、8-工作台、9-丝杠传动台、10-支撑台、11-第二电机、12-保护罩、13-球面轴肩、14-大带轮，15-旋转件、16-主轴，17-丝杠。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
实施例1
参照图1，一种多轨迹电子凸轮取置机械手包括传动装置，传动装置包括机架1、第一伺服电机2、传动带3、花键轴4、直动圆柱滚轴5、轴承端盖6、机械手手臂7、工作台8、丝杠传动台9、支撑台10、第二伺服电机11、保护罩12和球面肩轴13。
其中，机架1为整个装置提供支撑，机架1包括底板和固定在底板四个侧面的侧板，所有侧板均与底板垂直，其中，左右两侧的侧板高度相同，前后两个侧板的高度相同，机架1的底板上固定有支撑台10、第一电机2和工作台8，工作台8用于放置需机械手臂7移动的工件，支撑台10上固定有第二电机11，第一电机2和第二电机11均为伺服电机，第一电机2固定在机架1的底板上。
第一电机2的输出轴通过带传动与键轴4连接，具体为: 第一电机2的输出轴与小带轮连接，小带轮和大带轮14外绕设有传动带3，大带轮14与支架1的右侧板通过轴承连接，大带轮14的中心轴与花键轴4固定连接，花键轴4外套有旋转件15，旋转件15一端固定有主轴16，主轴16上固定有球面肩轴13，主轴16伸出机架1的侧壁且与机架1的侧壁通过轴承6连接，主轴末端固定有机械手手臂7。
第二电机11的输出轴与丝杠17连接，丝杠17上固定有丝杠传动台9，丝杠传动台9顶部固定有直动圆柱滚轴5，直动圆柱滚轴5位于球面肩轴13下方，且与球面肩轴13啮合。当花键轴4转动时球面轴肩13实现单独转动。同时可以配合直动圆柱滚轴运动，实现输出轴水平/升降运动。机架1上部罩有保护罩12，将大带轮14、花键轴4、旋转件15、主轴16以及直动圆柱滚轴5罩起来。
第一电机的输出轴上设有花键传动输出轴4，可以实现主轴的单独转动或直动，第一第二电机同时运动的时候可以实现转动与直动的复合。这个轴的功能配合电机时可以实现单独转动或直动）；也可以实现转动与直动复合运动。同时，输出轴上设计有球面轴肩，旋转的同时也可以配合直动圆柱滚轴水平移动。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于，还包括和控制系统，控制系统和传动装置分协同工作，实现自动控制，完成工件的抓取。
控制系统包括计算机中央控制系统(计算机编程软件)，运动控制器，伺服驱动器和增量型编码器。计算机与两个运动控制器连接，两个运动控制器分别与两个伺服驱动器连接，两个伺服驱动器分别与第一电机2和第二电机11连接。
具体的，运动控制器输入/输出模块连接口通过信号连接器与伺服驱动器输入/输出端子连接，完成控制命令的传输；伺服驱动器通过编码器连接器与增量型编码器连接，实现与编码器的控制通讯；编码器与伺服电机为配套式连接，实现电机的运转状态反馈；同时接通主回路电源，控制回路电源。伺服驱动器与伺服电机通过电机连接线连接，实现电机的控制。
伺服驱动器接收运动控制器发送的位置脉冲命令，并把这些指令发送给伺服电机控制电机至目标位置。每个电机上安装有编码器，编码器按照设定伺服电机所需转过的角位移或者直线位移检测电机的当前状态，同时将机械手是否达到指定位置的状态信息反馈给运动控制器，运动控制器根据编写的算法程序，调整电子凸轮曲线的输出。可以根据实际需求，分别控制两个电机单独动作或者同时动作，以满足不同机械手的输出动作。
目前市场上暂时还没有出现将电子凸轮运用到机械手中的此类装置，如果投入实际生产，将进一步提高自动化生产线的效率，降低生产成本，为企业和社会创造更多的社会价值。
参见图5，一种多轨迹柔性电子凸轮取置机械手控制方法如下：
步骤1、机械手末端根据实际的生产需求规划运动轨迹，将目标运动轨迹根据时间分解为旋转运动及升降运动，同时选择不同的凸轮运动规律。
步骤2、将单独的运动规律与控制完成此运动的电机需要接收的脉冲之间的关系进行换算，公式如下：，计算出伺服控制系统各个阶段需要输出的脉冲数。其中，/>为阶段所需的脉冲数；/>:伺服电机已知分辨率；/>:伺服驱动器电子齿轮比；/>为丝杠螺距；/>为丝杠线数；/>:减速器减速比；/>为不同凸轮运动规律中不同阶段的从动件位移，不同的凸轮从动件运动规律/>又与从动件的行程/>以及行程相应的推程转角/回程转角/>，以及凸轮转过的角度/>有关，选用不同的凸轮运动规律，与/>相关的参数/>，/>已知，/>为自变量，通过/>公式计算，即可得出不同阶段电机需要接收的脉冲数。
步骤3、计算出电机运动不同运动阶段所需的不同脉冲数后，操作者通过运动控制器对应的计算机编程软件进行不同阶段输出脉冲的算法程序的编写。
步骤4、通过运动控制器通讯端口使用通讯传输线将计算机编制的程序下载至运动控制器。
步骤5、运动控制器输入/输出模块连接口通过信号连接器与伺服驱动器输入/输出端子连接，完成控制命令的传输；伺服驱动器通过编码器连接器与增量型编码器连接，实现与编码器的控制通讯；编码器与伺服电机为配套式连接，实现电机的运转状态反馈；同时接通主回路电源，控制回路电源。通过电机连接线，将伺服驱动器与伺服电机连接，实现电机的控制。
步骤6、设定驱动器的功能参数，包括驱动器位置模式，电子齿轮比，驱动器状态显示，模拟输出监控，所述的模拟输出监控包括监控电机速度，脉冲命令频率。
步骤7、接通电源，运行运动控制器及伺服驱动器，第一伺服电机1接收一组电子凸轮曲线脉冲指令，开始动作，通过带传动机构带动取置机械手花键轴转动，机械手完成转位动作。第二伺服电机11接收另一组不同的电子凸轮曲线脉冲指令，开始动作，通过丝杠传动台机构带动取置机械手直动圆柱滚轴配合球面轴肩直动，机械手完成水平/升降动作。
步骤8、根据不同的生产要求，分解机械手的运动，选择不同的凸轮运动规律，计算出不同阶段需要的脉冲数，通过计算机编程软件更改控制程序及控制系统硬件的相关设定，输出不同的电子凸轮曲线脉冲数，则可以实现机械手取置动作的多样化。
步骤9、重复上述步骤，完成工件的重复、多样化、柔性化取置。
上述方法能够实现转位、升降及其复合运动的并联驱动控制。
Claims (9)
1.一种多轨迹电子凸轮取置机械手的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据需求规划运动轨迹，将目标运动轨迹根据时间分解为旋转运动和升降运动，同时选择不同的凸轮运动规律；
步骤2、将单独的运动规律与控制完成此运动的电机需要接收的脉冲之间的关系进行换算，计算出不同时刻需要输出的脉冲数，计算公式为：，其中，/>为所需的脉冲数；/>:伺服电机已知分辨率；/>:伺服驱动器电子齿轮比；/>为丝杠螺距；/>为丝杠线数；/>:减速器减速比；/>为不同凸轮运动规律中不同阶段的从动件位移；
步骤3、根据步骤2计算得到的脉冲数，对第一电机（2）和第二电机（11）进行脉冲发射，使第一电机（2）和第二电机（11）动作，通过第一电机（2）带动取置机械手花键轴转动，使取置机械手完成转位动作；通过第二电机（11）和丝杠（17）带动取置机械手直动圆柱滚轴配合球面轴肩直动，取置机械手完成水平/升降动作；
所述多轨迹电子凸轮取置机械手包括传动装置，传动装置包括第一电机（2），第一电机（2）的输出轴与花键轴（4）连接，花键轴（4）外套有旋转件（15），旋转件（15）一端和主轴（16）一端固定连接，主轴（16）另一端固定有机械手手臂（7），主轴（16）上固定有球面肩轴（13），球面肩轴（13）与直动圆柱滚轴（5）啮合，直动圆柱滚轴（5）通过丝杠（17）与第二电机（11）的输出轴连接。
2.根据权利要求1所述的一种多轨迹电子凸轮取置机械手的控制方法，其特征在于，所述多轨迹电子凸轮取置机械手还包括控制系统，控制系统包括计算机、运动控制器、伺服驱动器和增量型编码器，计算机与两个运动控制器连接，两个运动控制器分别与两个伺服驱动器连接，两个伺服驱动器分别与两个增量型编码器连接，两个伺服驱动器分别与第一电机（2）和第二电机（11）连接，两个编码器分别与第一电机（2）和第二电机（11）连接。
3.根据权利要求2所述的一种多轨迹电子凸轮取置机械手的控制方法，其特征在于，运动控制器输入/输出模块连接口通过信号连接器与伺服驱动器输入/输出端子连接，完成控制命令的传输；伺服驱动器通过编码器连接器与增量型编码器连接，实现与编码器的控制通讯；增量型编码器与电机连接，实现电机的运转状态反馈。
4.根据权利要求1所述的一种多轨迹电子凸轮取置机械手的控制方法，其特征在于，第一电机（2）的输出轴通过减速装置与花键轴（4）连接。
5.根据权利要求4所述的一种多轨迹电子凸轮取置机械手的控制方法，其特征在于，减速装置为带传动。
6.根据权利要求1所述的一种多轨迹电子凸轮取置机械手的控制方法，其特征在于，所述多轨迹电子凸轮取置机械手还包括机架（1），第一电机（2）和第二电机（11）均固定在机架（1）上。
7.根据权利要求1所述的一种多轨迹电子凸轮取置机械手的控制方法，其特征在于，花键轴（4）、旋转件（15）、主轴（16）和球面肩轴（13）外设有保护罩（12）。
8.根据权利要求1所述的一种多轨迹电子凸轮取置机械手的控制方法，其特征在于，步骤3中，通过控制系统控制第一电机（2）和第二电机（11）的动作，控制系统包括计算机、运动控制器、伺服驱动器和增量型编码器，具体包括以下步骤：
步骤3.1、编写第一电机（2）和第二电机（11）不同时刻输出脉冲的程序；
步骤3.2、将编制的程序下载至运动控制器；
步骤3.3、运动控制器输入/输出模块连接口与伺服驱动器输入/输出端子连接，完成控制命令的传输，形成两组曲线脉冲指令；伺服驱动器通过编码器连接器与增量型编码器连接，实现与编码器的控制通讯；伺服驱动器连接PC端，实现软件操作；同时接通主回路电源，控制回路电源；通过电机连接线，将伺服驱动器与伺服电机连接，实现电机的控制；
步骤3.4、设定驱动器的功能参数，包括驱动器位置模式，电子齿轮比，驱动器状态显示以及模拟输出监控；
步骤3.5、运行运动控制器及伺服驱动器，使第一电机（2）和第二电机（11）接收各自的曲线脉冲指令，并根据曲线脉冲指令动作。
9.根据权利要求8所述的一种多轨迹电子凸轮取置机械手的控制方法，其特征在于，步骤3.5进行过程中，编码器按照第一电机（2）和第二电机（11）转过的角位移或者直线位移检测电机的当前状态，同时将取置机械手是否达到指定位置的状态信息反馈给运动控制器，运动控制器根据编写的程序，调整电子凸轮曲线的输出。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108750653A (zh) | 2018-11-06 |
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