一种Delta型并联机器人设计实习报告.docx
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一种Delta型并联机器人设计实习报告
毕业实习报告
学院：
机械工程学院
专业：
机械设计制造及其自动化
班级：
机自XXX班
学号：
学生姓名：
XXXXXX
指导教师：
XXXXXX
2015年5月25日
一、实习目的及意义
本次实习在毕业设计过程中进行，目的是为了更加进一步的了解Delta型并联机器人，以便对本次设计有更多的了解，帮助解决设计遇到的一些方案、结构设计上的一些问题。
本次实习的意义是对并联机构有了足够的认识，了解到了当前Delta型并联机器人技术的发展状况，机器人的应用领域及其给工业上带来的益处。
通过这些了解使我对机器人技术更加痴迷，愿意研究该型机器人的一些相关技术使该技术更加成熟能够更广泛应用于生产实践当中。
二、实习时间和地点
因为本次实习条件的限制，本地区内无Delta型并联机器人实物可供实习，故本次实习的地点可选择为网上调研的形式，一方面通过大量查阅相关机器人公司的产品简介和说明书了解机器人的研究状况；另外，通过观看Delta型并联机器人的工作视频，深入了解其工作原理。
最终选择了以下十家公司的产品进行了解。
本次实习时间不限定，具体的时间从3月初至四月月底。
实习进度随设计进度而定。
三、实习内容
3.1Delta型并联机器人简介
Delta型并联机器人在1985年诞生在瑞士的洛桑联邦理工学院，是由R.clavel提出的，因其基座平台和运动平台都呈现三角形形状而得名。
当时工业生产中迫切需要一种小型机器人，用于实现对轻小物件的快速抓取和放置。
直到1999年，ABB开始推广自己的Delta型并联机器人——FlexPicker。
近些年来，日本Fanuc公司亦在推广其Delta高速并联机器人——M-3iA。
Delta机器人是一种高速、轻载的并联机器人，通常具有3~4个自由度，可以实现工作空间的XYZ方向的平移以及绕Z轴的旋转运动。
该机器人具有重量轻、体积小、运动速度快、定位精确、成本低、效率高等特点，加之配置视觉后能够智能识别、检测物体的优势，主要应用于食品、药品和电子产品等快速分拣、抓取、装配等。
3.2并联机器人公司及产品
（1）?
发那科公司
发那科于2009年推出其第一代并联机器人M-1iA，被誉为“发那科拳头机器人1号”，其自重只有12kg到20kg，虽然负载只有0.5kg到1kg，但重复定位精度能达到0.02mm到0.03mm，而且1分钟能完成200个25-200-25（mm）的搬送动作，紧凑、灵活、高速、轻巧的优异性能使其能满足3C电子装配要求。
随后的2010年和2013年，发那科又推出了M-3iA和M-2iA，将最大负载提高到了12kg，采用完全密封的构造以达到防尘防水性能，并且提供符合食品卫生要求的材料和润滑油，使其能够应用到食品生产中。
另外，发那科并联机器人都内置自己的视觉，使得系统运行的兼容性和稳定性更好，调试也更容易、快捷。
在中国市场上，发那科并联机器人凭借其强大的技术服务团队和市场开拓能力已经运用到食品、药品、化妆品、3C电子等行业，其中M-3iA和M-2iA在乳制品和医药生产线上应用较多，而M-1iA主要在3C电子行业发挥较多用途。
（2）?
爱德普
爱德普是美国最大的工业机器人企业之一，从2009年开始推出4轴结构的并联机器人Quattro系列，是针对高速包装和物料输送的需求而特别设计的。
目前，爱德普Quattro并联机器人是唯一获得美国农业协会（USDA）认证的可用于肉类及家禽类处理的并联机器人。
Quattro系列有5种型号，重复定位精度多为0.1mm，最大负载6kg等，负载1kg时每分钟能完成25/305/25mm动作160多个，负载6kg时每分钟能完成25/305/25mm动作130多个。
在同类国际品牌中，爱德普并联机器人运行速度是公认最快的。
在中国并联机器人市场上，爱德普Quattro是最早一批的开拓者。
2010年爱德普的Quattro并联机器人成功应用于利乐枕装箱生产线上，为并联机器人在乳制品行业的推广树立了榜样。
另外，爱德普并联机器人无旋转时最大负载可达15kg，并能保持较快的速度，是竞争对手无法比拟的，这点使其在我国民用炸药搬运领域占有绝对市场份额。
（3）?
ABB
作为全球最早实现并联机器人产业化的领军者，ABB早在1998年就发布了专门用于拾料和包装行业的三角式机器人FlexPicker，经过完善形成了目前的FlexPicker家族，即IRB360系列并联机器人。
IRB360系列现包括负载为1kg、3kg、6kg和8kg以及横向活动范围为800mm、1130mm和1600mm等几个型号，重复定位精度都在0.1mm。
其中，负载3kg的IRB360-3做25/305/25（mm）标准动作时能达到每分钟140多次，负载8kg的IRB360-8做90/400/90（mm）标准动作时能达到每分钟65次。
另外，IRB360易于清洁和消毒的不锈钢设计，使其非常适合应用在肉类和奶制品生产线上。
虽然其并联机器人在全球专利权于2012年到期，但并不代表ABB并联机器人因此而失去了优势。
因为过去15年中，FlexPicker在拾料和包装方面一直处于领先地位，不仅是在欧洲，在中国也是如此。
接下来，ABB的FlexPicker在快速增长的中国市场上仍将领跑于同类产品，虽然单台裸机售价高达30万元。
（4）?
新松
新松公司自主研发的SRBD系列Delta机器人共7个型号，机械本体结构分碳纤维、铝合金和不锈钢三种系列，全系列机器人均可选配视觉及旋转功能。
其中SRBD1600并联机器人，最大负载可达15kg，并且拾放节拍达到每分钟170次，达到国际领先水平。
新松首次公开亮相并联机器人是在2013年5月底的广州国际食品加工、包装机械及配套器材展上。
其实在此之前，其就已经完成了多个食品生产企业的交钥匙工程。
截至目前，凭借强大的研发、生产、系统集成与工程应用团队，新松公司的并联机器人产品得到了食品加工行业用户的一致好评，产品先后投入到冷饮装箱生产线、饼干装箱生产线、海鲜食品处理机包装系统、面包生产线、人造钻石生产线等。
与施耐德联手打造出的既适用于中国市场又符合世界标准的并联机器人，或许将是国产机器人在食品生产领域的高端市场上与国外同类产品PK的开始，国内食品出口企业在新建或升级生产线时不再局限于国外并联机器人。
（5）?
华盛控
深圳华盛控从2011年向市场推出其首款并联机器人，目前其并联机器人已经有3款了。
重复定位精度都为0.2mm，工作行程从600mm-1200mm，最大负载为1kg到2kg，满负载时每分钟能实际完成100次标准动作（25/305/25mm）。
目前，华盛控并联机器人凭借其性价比优势，在各种分拣定位工作中非常有竞争力，已经广泛用在食品、药品等行业的分拣、包装生产线上。
在经过了3年的市场检验后，华盛控并联机器人销量开始翻倍增长。
（6）?
泰勃
德国TreiBoost（泰勃）虽然没有亲自来中国，但其并联机器人经由上海的中国合作伙伴已经在中国市场上耕耘3年多了，而且每年都会参加上海的机器人展。
泰勃并联机器人有2轴和4轴两种。
4轴并联机器人重复定位精度都为0.1mm，最大有效负载多为1kg，满负载时每分钟能完成约60个标准动作（25/305/25mm）。
2轴并联机器人重复定位精度为0.1mm，最大有效负载达30kg，负载25kg时每分钟能完成约20次200/500/300mm动作。
国内组装的负载3kg的泰勃并联机器人单台裸机售价15万元，在同类国际品牌中具有很强的性价比优势。
目前泰勃机器人在食品、包装、建材行业已经积累了很多成熟案例，如国内知名的乳品、方便面、巧克力、冷冻产品、纸巾等企业的生产线都有泰勃并联机器人的身影。
（7）?
广州数控
广州数控从2011年开始推出自主研发的并联机器人C3-1100，目前其并联机器人已经有3个型号C3-1100、C4-800和C4-1000，最大负载都为3kg，重复定位精度0.1mm，负载1Kg时每分钟能完成150多次标准动作（25/305/25mm）。
单台裸机售价在18万左右，目标市场是电子、轻功、食品以及医药行业的高速分拣、包装工作。
目前广州数控并联机器人在医药、包装等行业积累了丰富经验，能够为多个行业客户提供交钥匙工程。
为了让用户不仅省心而且用得放心，广州数控对其并联机器人稳定性方面作出承诺，负载1kg无故障运行50000小时。
图3.1广州数控图3.2BR-2-Delta-R400
（8）博美德
深圳博美德于2012年推出其首款并联机器人，目前其并联机器人主要有R400和R800两款。
R400最大负载1kg，重复定位精度0.1mm，满负载时每分钟能完成200多个25/400/25mm动作，自重只有34kg。
R800最大负载2kg，重复定位精度0.5mm，满负载时每分钟能完成80个25/400/25mm动作。
博美德并联机器人设计采用了CANOPEN、ETHERCAT通信技术，通过总线控制各个轴的运动，并且具有安全防范和故障保护机制等功能。
凭借其超高的性价比和贴心的集成服务，博美德并联机器人在食品、印刷、电子等行业已经积累了成熟经验。
（9）翼菲
济南翼菲自动化是国内专门研究生产并联机器人的企业，从2013年正式推出讯翼牌并联机器人以来，目前讯翼家族一共有三个型号：
迅翼-360，迅翼-1100和迅翼-1700，重复定位精度都为0.1mm，实际有效负载最大可以达到5kg，在负载3kg情况下每分钟能完成120个标准动作（25-305-25mm）。
其中迅翼-1700是目前市场上工作直径最大的并联机器人。
迅翼机器人结构都采用模块化设计，自主研发的视觉系统与机器本体无缝集成，安装调试非常简便快捷，并且方便后期维护和生产线调整。
自进入市场以来，迅翼机器人已经在药品、食品、乳制品、电子等行业积累了十多个成熟案例，产品稳定性接受了市场检验，实际工作表现能够与国际巨头同类产品相媲美。
2014年翼菲自动化成立了深圳分公司，以开拓华南市场。
（10）川崎重工
川崎重工的拣货机器人picKstar家族目前只有YF03N和YS02N两个成员。
YF03N于2011年8月推出，自重145kg，重复定位精度0.1mm，最大负载3kg，满载时每分钟能够完成130个标准动作（25/305/25mm），只负载1kg时每分钟能完成220次标准动作。
YS02N于2012年底推出，最大负载2kg，满载时每分钟能完成160个标准动作，不仅将重复定位精度提升为0.04mm，并且将自身重量减轻到了60kg。
在设计上，不仅能够使用一般酸碱溶剂冲洗，而且所采用的润滑油也达到食品级要求，因此非常适合用于食品、药品的生产，当然在电器、电子、食品、化妆品等生产线上也有应用。
川崎并联机器人登陆中国市场的时间与日本市场同步，目标为食品和药品生产线。
目前YS02N和YF03N裸机单台售价都在30万元左右。
3-1YS002N的规格参数
YS002N的规格
应用
装配,物料搬运
类型
并行链路类型
最大负载（kg）
2
自由度（轴）
标准
4
选项
-
运动范围（mm）
?
600×H200
循环时间*1（负载）
0.3s（0.5kg）0.36s（2kg）
位置重复性*2（mm）
±0.04
角度定位精度（°）
±0.1
质量（kg）
60
机身颜色
孟塞尔10GY9/1当量
安装
悬挂
环境条件
环境温度（°C）
0-40
相对湿度（%）
35-85（无结露）
电源要量*3（kVA）
3.0
保护等级
标准
IP65
选项
-
控制柜
型号面向北美
E97
型号面向欧洲
E91
型号面向日本&亚洲
E94
?
1:
动作方式（上升25mm，水平运动305mm，下降25mm的往复运动）
?
2:
以ISO9283为基准。
?
3:
因负载重量及动作方式而不同。
图3.3川崎YS002N机器人图3.4ABBRB360
3.3Delta型并联机器人工作原理
以上公司的产品具有相似的硬件结构和相同工作原理，以川崎YS002N型Delta并联机器人为例，如图3.3所示，该机器人具有4个自由度，主要由静平台、动平台、3根主动杆、3组平行四边形从动支链和动平台末端旋转执行器组成。
从上图可以看出，静平台的3组驱动单元通过3条相同的运动链分别与运动平台的3条边铰接。
每条运动链中有1个由4个虎克铰与杆件组成的平行四边形闭环，此闭环再与1个带转动关节的驱动臂相串联，驱动臂的一端固定在静平台上，在电动机的驱动下做一定角度的摆动，经过机械传动控制动平台的远动。
这3条运动链决定了运动平台的运动特性，运动平台不能绕任何轴线旋转，但可以在直角坐标空间沿X、Y、Z三个方向平移运动，到达机械结构运动空间范围内任意坐标点，末端旋转执行器安装于动平台下，执行器可实现360度旋转。
加入视觉模块时，其工作原理如下图所示。
视觉控制器起核心作用，一方面采集CCD相机反馈的信息，一方面将处理的信号传输到机器人控制器上，使其到达指定位置。
图3.5Delta型并联机器人工作原理图
3.4Delta型并联机器人组成
完整Delta机器人的系统主要包括硬件机构，驱动控制系统，视觉识别系统和软件控制系统组成。
而有的机器人本身不自带视觉系统，需另外装载该模块。
现对完整系统各部分分别做介绍：
Delta型并联机器人结构包括动平台，静平台，主动臂和从动臂四大主要部分组成。
静平台一般设计成圆筒形状，内装有电机，驱动器和一些连接线路。
主动臂采用三独立驱动臂设计，简化了设计。
主动臂在电机的驱动下转动，而转角和转速通过上位机控制。
连接关节考虑到关节的活动性和可靠性大多选择了球铰链作为连接件，同时附加弹簧钩保证了球副连接的紧密性。
动平台在三运动链的并联控制下运动。
关节样式具体如图3.6，图3.7所示：
3.6主动臂与从动臂关节
3.7从动臂与动平台
常用的电机的控制方式有单片机、PLC、DSP、计算机+控制卡等，单片机、DSP控制程序编写比较复杂，开发者需掌握大量的编程知识和电路知识，需对单片机和DSP芯片有较好的掌握。
对简单的编程开发时间适中，但对于复杂程序的编写则开发难度较大，周期较长。
相比前两者，PLC具有适应环境能较强，编程难度适中，适合于简单运动的控制。
计算机+控制卡的控制方式具有开放、柔性的特点。
大部分Delta型机器人选择涌动控制卡作为控制核心，也有少部分公司选择PLC作为该型机器人的控制核心。
不同的控制器选择，对控制的效果不一样。
一般考虑加入视觉系统的机器人都会选择NI运动控制卡作为控制核心，利用NI公司提供丰富的软件和硬件的组合，提高了产品的开发速度，增加产品的功能增加效益。
现以一款Delta型并联机器人的控制硬件系统做介绍：
图3.8控制硬件图
一般硬件驱动控制系统是由PC机连接基于PCI总线的数字式伺服电机运动控制卡，再通过运动控制卡连接三个交流伺服马达的驱动器，运动控制卡将控制指令转换为相应的脉冲信号，然后由驱动器输出信号控制三个主动杆马达；每个伺服马达后面都装有增量式旋转编码器，实时测出三个马达的转动位置，传回控制系统，形成闭环。
相比于部分串联机器人的开环控制系统，该闭环控制系统通过旋转编码器测出马达转动角度，通过PID参数调节，可以更准确控制各轴的转动角度，实现精确定位。
如图所示，该系统选择了PCI-7358运动控制卡和PCI-1426图像采集卡，运动控制卡连接驱动器到伺服电机。
图像采集卡连接CCD相机。
所有的信号由运动控制卡收集反馈给PC机，信号经PC机处理后发送到下位机，完成整个控制反馈过程。
视觉识别系统使用非接触式光学传感器自动获取和解释某真实场景的图像，以达到获取信息和控制机器及生产流程的目的。
系统首先抓取一幅质量较好的图像，提取物体的特征，然后在具体应用所采集的图像中，搜索具有相似特征的区域，进行图像配比，以一个相似度的阈值来判定物体是否存在。
过程中使用如图像分割（阈值分割，边缘分割）和特征提取（灰度特征，区域特征，轮廓特征）等技术。
其具体执行过程为，当物品进入摄像机视野时，由触发信号驱动摄像机动作，摄取当前流水线的快照并送入上位机。
根据当前的分拣策略，上位机在摄像机拍摄的快照中捕捉感兴趣物体的特征，如果找到具有对应特征的物体，则根据相应的算法对图像进行解码，确定出物体的空间位置坐标，然后将该物体的位置坐标信息送入Delta系统的控制器，控制器根据接收的目的坐标地址，形成位置指令代码，传送到系统内部的速度规划模组，模组根据控制要求进行直线或非线性快速运动的路径规划，然后将规划的路径按中断时间来确定每个周期的U、V、W三个马达的转动量，各转动量送给相应的马达驱动器，驱动控制马达转动，马达转动轴端经过机构传动，可以成功控制运动平台的末端到达指定位置后抓取物体。
至此，一个完整的控制流程结束。
图3.9视觉识别工作图
软件系统根据硬件搭配来选择，若选择PLC则通过编写梯形图程序来写。
若选择运动控制卡可选择VC或者VB程序语言来编写。
对于Delta型并联机器人来说因为其控制复杂，计算量比较大，另程序编写复杂，一般采用labview图形化的编程语言来编写应用程序。
选择labview作为编程软件的另一好处是，能够选用NI公司丰富的插件，简化编程周期和编程难度。
还可选用NI动控制卡，该运动控制卡的选用可提供丰富的库函数，不用再编程和调用复杂的可函数。
NIlabviewmotionassistant可将提供众多的控制模式，还能导出多种语言类型，满足不同用户的需求。
具体软件控制界面如下：
图3.10控制程序界面
（1）状态监视窗，显示系统的运行状态及末端执行期的当前位置；
（2）图像监视窗，该窗口实时显示相机视野信息；
（3）处理后图像窗口，该窗口显示的是经过一系列图像处理程序后的图像；
（4）图像灰度直方图，相机所采集图像的灰度直方图，用于进行图像分割的阈
值选择；
（5）阈值门限，该控件用于设置图像分割的阈值，需要根据直方图来设置；
（6）目标信息，此处表示的是经过图像处理后的目标信息；
（7）机械手速度，用于设置机械手的运行速度，用最大加速度来度量；
（8）传送带速度，用于设置传送带的最大速度。
实习体会与总结
Delta机器人是并联机器人的一个典型代表，在不少领域有潜在的用途，从本文的初步分析可见，Delta机构具有高精度和高刚度，执行器末端具有快速性和灵活性，更重要的是系统具有较强的柔性设计，经简单修改即可适应不同的流水线作业。
综上所述，Delta机器人作为机器人行业中的佼佼者，具有很高的研究价值和解决中国实际的现实价值。
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