《机电一体化技术》实验指导书修订0920Word格式文档下载.docx
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机构形态
串联关节型
自由度
6
可搬质量
2kg
动作范围
关节Ⅰ转动
-150°
～+150°
关节Ⅱ转动
-60°
～+60°
关节Ⅲ转动
-50°
～+70°
关节Ⅳ转动
关节Ⅴ转动
-90°
～+90°
关节Ⅵ转动
-180°
～+180°
最大速度
45o/s
30o/s
60o/s
120o/s
本体重量
100kg
安装环境
温度
0～+45℃
湿度
20～80％不结露
振动
0.5G以下
其它
避免易燃、腐蚀性气体、液体
勿溅水、油、粉尘等
勿接近电器噪声源
电源容量
1KVA
四、实验内容与步骤
1、连接好机器人的电源，打开控制柜，合上断路器，关闭控制柜门，开启“电源开关”，机器人控制柜的电源指示灯会点亮；
2、运行RBT-6T/S04S六自由度教学机器人软件“RBT6TS4S.exe”，进入控制主界面，如图1-2；
图1-2机器人控制软件界面
3、点击“限位开关测试”按钮，当机器人的六个关节都不在极限位置时，对机器人的全部限位开关进行测试，提示“限位开关正常”后方可进行下一步操作，如图1-3；
图1-3限位开关测试界面
4、点击主界面“机器人复位”按钮，机器人进行回零运动。
观察机器人的运动，六个关节全部运动完成后，系统会提示您机器人复位完成，机器人处于零点位置；
5、点击“机器人示教”按钮，显示机器人示教对话框，如图1-4。
按下“打开”按钮，在机器人软件安装目录（默认目录C:
\ProgramFiles\RBT-6TS4S教学机器人控制系统），选择示教文件；
图1-4机器人示教对话框
1、搬运操作演示：
在桌面适合的位置放置轴和轴套，打开文件BANYUN.RBT6，数据会在示教点信息列表中显示，按下“识别示教点”按钮，然后按下“再现”按钮，机器人关节实现搬运动作，运动完毕后，按下“复位”按钮，使机器人回到零点位置，关闭机器人示教对话框；
2、点击“机器人复位”按钮，使机器人回到零点位置；
3、关闭RBT-6T/S04S六自由度教学机器人软件“RBT6TS4S.exe”；
4、关闭控制柜上的“电源开关”
5、关闭控制柜内的断路器。
五、注意事项
（1）实验前确保机器人各连接电缆正确连接；
（2）机器人上电后，注意身体的任何部位不要进入机器人运动范围之内；
（3）机器人运动不正常时，要及时按下控制柜的急停开关。
实验1.2机器人机械系统
（1）了解机器人机械系统的组成；
（2）了解机器人机械系统各部分的原理及作用；
（3）掌握机器人单轴运动的方法。
三、实验仪器设备
（4）装有运动控制卡的计算机一台。
RBT-6T/S04S六自由度教学机器人机械系统主要由以下几大部分组成：
原动部件、传动部件、执行部件。
基本机械结构连接方式为原动部件—传动部件—执行部件。
机器人的传动简图如图1-5所示。
图1-5机器人传动简图
Ⅰ关节传动链主要由伺服电机、减速器构成。
Ⅱ关节传动链主要由伺服电机、减速器构成。
Ⅲ关节传动链主要由步进电机、同步带、减速器构成。
Ⅳ关节传动链主要由步进电机、联轴器、减速器构成。
Ⅴ关节传动链主要由步进电机、同步带、减速器构成。
Ⅵ关节传动链主要由步进电机、联轴器、减速器构成。
在机器人末端还有一个气动的夹持器。
本机器人中，原动部件包括步进电机和伺服电机两大类，关节Ⅰ、Ⅱ采用交流伺服电机驱动方式；
关节Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ采用步进电机驱动方式。
本机器人中采用了同步齿型带传动、谐波减速传动等传动方式。
执行部件采用了气动手爪机构，以完成抓取作业。
下面对在RBT-6T/S04S六自由度教学机器人中采用的各传动部件的工作原理及特点作一简要介绍。
1、同步齿型带传动
同步齿型带传动是通过带齿与轮齿的啮合传递运动和动力，如图1-6所示。
与摩擦型带传动相比，同步带传动兼有带传动、链传动和齿轮传动的一些特点。
与一般带传动相比具有以下特点：
（1）传动比准确，同步带传动是啮合传动，工作时无滑动；
（2）传动效率高，可达98%以上，节能效果明显；
（3）不需依靠摩擦传动，预紧张力小，对轴和轴承的作用力小，带轮直径小，所占空间小，重量轻，结构紧凑；
（4）传动平稳，动态特性良好，能吸振，噪音小；
（5）齿型带较薄，允许线速度高，可达50m/s；
（6）使用广泛，传递功率由几瓦至数千瓦，速比可达10左右；
（7）使用保养方便，不需要润滑，耐油、耐磨性和抗老化好，还能在高温、灰尘、水及腐蚀介质等恶劣环境中工作；
（8）安装要求较高，两带轮轴心线平行度要高，中心距要求严格；
（9）带和带轮的制造工艺复杂、成本高。
尽管如此，同步带传动不失为一种十分经济的传动装置，现已广泛用于要求精密定位的各种机械传动中。
图1-6同步齿型带传动结构
2、谐波齿轮传动
谐波齿轮传动由三个基本构件组成：
谐波发生器（简称波发生器）——是由凸轮（通常为椭圆形）及薄壁轴承组成，随着凸轮转动，薄壁轴承的外环作椭圆形变形运动（弹性范围内）。
刚轮——是刚性的内齿轮。
柔轮——是薄壳形元件，具有弹性的外齿轮。
以上三个构件可以任意固定一个，成为减速传动及增速传动；
或者发生器、刚轮主动，柔轮从动，成为差动机构（即转动的代数合成）。
谐波传动工作过程如下图1-7：
当波发生器为主动时，凸轮在柔轮内转动，使长轴附近柔轮及薄壁轴承发生变形（可控的弹性变形），这时柔轮的齿就在变形的过程中进入（啮合）或退出（啮出）刚轮的齿间，在波发生器的长轴处处于完全啮合，而短轴方向的齿就处于完全的脱开状态。
图1-7谐波齿轮传动工作过程
波发生器通常为椭圆形的凸轮，凸轮位于薄壁轴承内。
薄壁轴承装在柔轮内，此时柔轮由原来的圆形而变成椭圆形，椭圆长轴两端的柔轮与其配合的刚轮齿则处于完全啮合状态，即柔轮的外齿与刚轮的内齿沿齿高啮合。
这是啮合区，一般有30%左右的齿处在啮合状态；
椭圆短轴两端的柔轮齿与刚轮齿处于完全脱开状态，简称脱开；
在波发生器长轴和短轴之间的柔轮齿，沿柔轮周长的不同区段内，有的逐渐退出刚轮齿间，处在半脱开状态，称之为啮出；
有的逐渐进入刚轮齿间，处在半啮合状态，称之为啮入。
波发生器在柔轮内转动时，迫使柔轮产生连续的弹性变形，此时波发生器的连续转动，就使柔轮齿的啮入—啮合—啮出—脱开这四种状态循环往复不断地改变各自原来的啮合状态。
这种现象称之为错齿运动，正是这一错齿运动，使减速器可以将输入的高速转动变为输出的低速转动。
对于双波发生器的谐波齿轮传动，当波发生器顺时针转动1/8周时，柔轮齿与刚轮齿就由原来的啮入状态而成啮合状态，而原来脱开状态就成为啮入状态。
同样道理，啮出变为脱开，啮合变为啮出，这样柔轮相对刚轮转动（角位移）了1/4齿；
同理，波发生器再转动1/8周时，重复上述过程，这时柔轮位移一个齿距。
依此类推，波发生器相对刚轮转动一周时，柔轮相对刚轮的位移为两个齿距。
柔轮齿和刚轮齿在节圆处啮合过程就如同两个纯滚动（无滑动）的圆环一样，两者在任何瞬间，在节圆上转过的弧长必须相等。
由于柔轮比刚轮在节圆周长上少了两个齿距，所以柔轮在啮合过程中，就必须相对刚轮转过两个齿距的角位移，这个角位移正是减速器输出轴的转动，从而实现了减速的目的。
波发生器的连续转动，迫使柔轮上的一点不断的改变位置，这时在柔轮的节圆的任一点，随着波发生器角位移的过程，形成一个上下、左右相对称的和谐波，故称之为：
“谐波”。
谐波齿轮传动的特点：
（1）传动比大、单级传动比为70～320。
（2）侧隙小。
由于其啮合原理不同于一般齿轮传动，侧隙很小，甚至可以实现无侧隙传动。
（3）精度高。
同时啮合齿数达到总齿数的20%左右，在相180°
的两个对称方向上同时啮合，因此误差被平均化，从而达到高运动精度。
（4）零件数少、安装方便。
仅有三个基本部件，且输入轴与输出轴为同轴线，因此结构简单，安装方便。
（5）体积小、重量轻。
与一般减速器比较，输出力矩相同时，通常其体积可减小2/3，重量可减小1/2。
（6）承载能力大。
因同时啮合齿数多，柔轮又采用了高疲劳强度的特殊钢材，从而获得了高的承载能力。
（7）效率高。
在齿的啮合部分滑移量极小，摩擦损失少。
即使在高速比情况下，还能维持高的效率。
（8）运转平稳。
周向速度低，又实现了力的平衡，故噪声低、振动小。
（9）可向密闭空间传递运动。
利用其柔性的特点，可向密闭空间传递运动。
这一点是其它任何机械传动无法实现的。
3、齿轮传动：
齿轮传动分类：
齿轮传动特点：
（1）瞬时传动比恒定。
非圆齿轮传动的瞬时传动比又能按需要的变化规律来设计。
（2）传动比范围大，可用于减速或增速。
（3）速度（指节圆圆周速度）和传动功率的范围大，可用于高速（v>
40m/s）、中速和低速（v<
25m/s）的传动；
功率可从小于1W到105kW。
（4）传动效率高，一对高精度的渐开线圆柱齿轮，效率可达99%以上。
（5）结构紧凑，适用于近距离传动。
（6）制造成本较高，某些具有特殊齿形或精度很高的齿轮，因需要专用或高精度的机床、刀具和量仪等，故制造工艺复杂，成本高。
（7）精度不高的齿轮，传动时噪声、振动和冲击大，污染环境。
（8）无过载保护作用。
1、介绍机器人机械系统中原动部分、传动部分以及执行部分的位置及在机器人系统中的工作状况；
2、连接好机器人的电源，打开控制柜，合上断路器，关闭控制柜门，开启“电源开关”，机器人控制柜的电源指示灯会点亮；
3、运行RBT-6T/S04S六自由度教学机器人软件“RBT6TS4S.exe”，进入控制主界面；
4、点击“机器人复位”按钮，机器人进行回零运动，观察机器人运动，六个关节全部运动完成后，机器人处于零点位置；
5、点击“运动测试”按钮，进入运动测试窗口，如图1-8；
图1-8运动测试界面
6、选择“关节Ⅰ”，关节方向选择“正向”，运动方式选择“位置模式变速方式”，轨迹规划选择“梯形”，启动速度及运行速度取默认值，运行距离取50度，点击“启动”按钮，观察机器人第Ⅰ关节运动情况；
7、选择“关节Ⅰ”，关节方向选择“反向”，运动方式选择“速度模式变速方式”，轨迹规划选择“S形”，启动速度及运行速度取默认值，点击“启动”按钮，观察机器人第Ⅰ关节运动情况，然后点击“减速停止”按钮；
8、选择“关节Ⅱ”，关节方向选择“正向”，运动方式选择“位置模式变速方式”，轨迹规划选择“梯形”，启动速度及运行速度取默认值，运行距离取30度，点击“启动”按钮，观察机器人第Ⅱ关节运动情况；
9、选择“关节Ⅱ”，关节方向选择“反向”，运动方式选择“速度模式变速方式”，轨迹规划选择“S形”，启动速度及运行速度取默认值，点击“启动”按钮,观察机器人第Ⅱ关节运动情况，然后点击“减速停止”按钮；
10、选择“关节Ⅲ”，关节方向选择“正向”，运动方式选择“位置模式变速方式”，轨迹规划选择“梯形”，启动速度及运行速度取默认值，运行距离取30度，点击“启动”按钮，观察机器人第Ⅲ关节运动情况；
11、选择“关节Ⅲ”，关节方向选择“反向”，运动方式选择“速度模式变速方式”，轨迹规划选择“S形”，启动速度及运行速度取默认值，点击“启动”按钮观察机器人第Ⅲ关节运动情况，然后点击“减速停止”按钮；
12、选择“关节Ⅳ”，关节方向选择“正向”，运动方式选择“位置模式变速方式”，轨迹规划选择“梯形”，启动速度及运行速度取默认值，运行距离取60度，点击“启动”按钮，观察机器人第Ⅳ关节运动情况；
13、选择“关节Ⅳ”，关节方向选择“反向”，运动方式选择“速度模式变速方式”，轨迹规划选择“S形”，启动速度及运行速度取默认值，点击“启动”按钮观察机器人第Ⅳ关节运动情况，然后点击“减速停止”按钮；
14、选择“关节Ⅴ”，关节方向选择“正向”，运动方式选择“位置模式变速方式”，轨迹规划选择“梯形”，启动速度及运行速度取默认值，运行距离取60度，点击“启动”按钮，观察机器人第Ⅴ关节运动情况；
15、选择“关节Ⅴ”，关节方向选择“反向”，运动方式选择“速度模式变速方式”，轨迹规划选择“S形”，启动速度及运行速度取默认值，点击“启动”按钮观察机器人第Ⅴ关节运动情况，然后点击“减速停止”按钮；
16、选择“关节Ⅵ”，关节方向选择“正向”，运动方式选择“位置模式变速方式”，轨迹规划选择“梯形”，启动速度及运行速度取默认值，运行距离取60度，点击“启动”按钮，观察机器人第Ⅵ关节运动情况；
17、选择“关节Ⅵ”，关节方向选择“反向”，运动方式选择“速度模式变速方式”，轨迹规划选择“S形”，启动速度及运行速度取默认值，点击“启动”按钮观察机器人第Ⅵ关节运动情况；
18、点击“退出”按钮，退出运动测试窗口；
19、点击“机器人复位”按钮，使机器人回到零点位置；
20、关闭RBT-6T/S04S六自由度教学机器人软件“RBT6TS4S.exe”；
21、关闭控制柜上的“电源开关”；
22、关闭控制柜内的断路器。
五、注意事项
实验1.3机器人的搬运装配实验
（1）了解机器人完成搬运作业的过程；
（2）掌握机器人示教作业的方法。
四、实验仪器设备
对装配操作统计的结果表明，其中大多数为抓住零件从上方插人或连接的工作。
水平多关节型机器人就是专门为此而研制的一种成本较低的机器人。
它共有6个自由度：
六个回转关节。
手爪安装在手部前端，相当于人手的功能。
事实上用一种手爪很难适应形状各异的工件，通常按抓取对象的不同需要设计其手爪。
一些机器人上还可配备各种可换手，以增加通用性。
手爪主要有电动手爪和气动手爪两种形式。
气动手爪相对来说比较简单，价格便宜，因而在一些要求不太高的场合用得比较多。
电动手爪造价比较高，主要用在一些特殊场合。
1、试验准备：
（1）将手爪（夹持器）用M5×
8内六角螺钉安装到机器人末端法兰盘上；
将手爪上所带气管插到电磁阀输出口。
连接方法如下图1-9所示。
图1-9机器人手爪连接图
（图中粗线表示以气管相连接，细线表示以导线相连接）
（2）连接好机器人的电源，打开控制柜，合上断路器，关闭控制柜门，开启“电源开关”，机器人的控制柜的电源指示灯会点亮；
（3）运行RBT-6T/S02S六自由度教学机器人软件“RBT6TS3S.exe”，进入控制主界面；
（4）连接气路，打开气泵，点击手爪“张开”、“闭合”按钮，测试手爪气路部分连接状态。
2、完成上位机示教装配实验：
（1）布置实验架
将实验架1、2用M3螺栓固定到实验桌的对应位置。
（2）摆放轴与套
将套放入实验架1对应的孔里，将轴摆放到实验架2对应的孔里。
（3）进行示教
因为本次实验是同时完成搬运及装配两种功能。
所以在示教时需要注意的是，在记录时手爪的张开和闭合一定要单独记录。
（4）整体再现。
3、机器人搬运、装配实验：
当机器人运动到关键点时需要记录示教点，也可以多记录几个示教点来提高程序点位置准确性，但是示教点数不能超过1000。
在完成实验准备工作后，用机器人开始示教程序输入。
（1）利用轴操作方式将机器人运动到与轴比较接近位置（尽量不要做往复的位置调整，以免在再现时位置产生累计偏差）；
（2）比较精确的将手爪移动到轴的正上方；
（3）手爪下降至轴高度一半的位置（下降方法为3轴小幅度缓慢下降）；
（4）关闭手爪；
（5）向上提升手爪一定高度（大约比套稍高）（方法与下降时相反，目的是为了躲开可能存在的障碍物）；
（6）移动轴至支架1的套上方；
（7）缓缓放下轴到预定范围；
（8）松开手爪；
（9）竖直向上方向撤离手爪；
（10）机器人远离工作区域，进行复位。
在完成以上步骤之后，取回轴，放回原处，再现该程序。
整体示教过程如图1-10所示：
图1-13机器人示教路线图
实验二 直角坐标教学机器人综合实验
实验2.1实验系统的认识
（1）了解机电一体化系统的特点、基本组成和应用实例；
（2）掌握实验平台系统的基本操作。
二、机械系统
1、系统构成
二维教学实验平台由X轴工作台与Y轴工作台及附件组成，如图2-1所示。
每轴工作台由电机、底座、上台面、丝杠螺母副、滚动直线导轨副、轴承座、弹性联轴器、固定座、尾座板等构成。
X轴工作台和Y轴工作台成交叉90°
安装。
1、尾座板；
2、上台面；
3、滚动直线导轨副；
4、X轴伺服电机；
5、底板
6、丝杠螺母副；
7、轴承座；
8、固定座；
9、Y轴伺服电机
图2-1二维教学实验平台
2、传动链结构
X轴交流伺服电机→弹性联轴器→丝杠螺母副→滑块（上台面）→负载
Y轴交流伺服电机→弹性联轴器→丝杠螺母副→滑块（上台面）→负载
3、传动原理
滚动螺旋传动（滚珠丝杠），滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。
与传统滑动丝杠相比，它用滚动摩擦代替滑动摩擦，降低了螺旋传动的摩擦，提高了效率，克服了低速运动时的爬行现象。
这一发展的深刻意义如同滚动轴承对滑动轴承所带来得改变一样。
滚动螺旋传动的结构形式很多，其外形图如图2-2，滚动螺旋结构如图2-3所示。
当螺杆或螺母转动时，滚珠依次沿螺纹滚道滚动，借助于返回装置使滚珠不断循环。
滚珠返回装置的结构可分为外循环和内循环两种。
图2-3（a）为外循环式，滚珠在螺母的外表面经导路返回槽中循环。
图2-3（b）为内循环，每一圈螺纹有一反向器，滚珠只在本圈内循环。
外循环加工方便，但径向尺寸大。
1、螺母；
2、丝杠
图2-2滚珠丝杠外形图
图2-3滚动螺旋结构图
4、工作台的技术参数
X轴技术参数：
①行程：
200mm；
②丝杠螺距：
4mm；
③重复定位精度：
0.005mm；
④运动分辩率：
0.002mm；
⑤负载：
30Kg；
⑥最高速度:
100mm/s。
Y轴技术参数：
5、工作台的特点
①采用丝杠螺母副把电机的旋转运动变为直线运动。
②采用循环式直线滚动导轨约束平台面的运动，动静摩擦系数差别小，灵敏度高，启动阻力小，不易出现爬行现象。
③刚性好、抗振性强，能承受较大的冲击和振动。
④运动灵活平稳，能微量准确运动，定位精度高。
⑤结构紧凑，体积小。
⑥工业级的产品设计。
三、电气系统
实验台的电气系统主要由交流伺服电机驱动器、断路器、电源滤波器、交流接触器、开关电源、按钮开关、指示灯等组成，如图2-4所示。
AP1－接口板SE1，SE2－交流伺服驱动器P1－开关电源QF1－断路器
KM1－交流接触器NF1－电源滤波器XT1－端子排
图2-4电气安装板布局图
（1）交流伺服驱动器：
富士RYC101D3-VVT2；
（2）接口板：
用于运动控制卡、伺服驱动器及工作台各种控制信号的连接和处理；
（3）开关电源：
给交流伺服驱动器及限位开关提供控制电源；
（4）断路器：
控制系统的总电源开关，并提供漏电保护；
（5）交流接触器：
用于伺服驱动器接通和切断；
（6）电源滤波器：
线与线，线与地之间的EMI干扰；
（7）端子排：
用来连接其他电源和控制信号
2、实验系统的上电、运行、下电过程
（1）起动计算机及软件；
（2）将启断路器，控制柜面板上电源指示灯（红色）和停止按钮信号灯亮；
（3）按下启动按钮，启动按钮信号灯亮，停止按钮信号灯灭，启动完成；
（4）按下停止按钮，停止按钮信号灯亮，启动按钮信号灯灭，停止完成；
（5）急停开关按下时，整个系统处于停止状态，只有旋转到释放位置，才能再次启动。
四、动作演示
寻零操作
在系
升级会员 