（机械电子工程专业论文）超粗线高速绕线机器人的研究.pdf

独创性申明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学 位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。，尽我所知， 除特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我 一同下作的同志对本文所沦述的工作的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一叨相关责任 论文作者签名：盏生涩。睥弓月2 2 日 保护知识产权申明 本人完全r 解西安理工大学有关保护知识产权的规定，即：研究生征 校攻读学位期问所取得的所有研究成果的知识产权属西安理工人学所有。 本人保证：发表或使用与本论文相关的成果时署名单位仍然为西安理工大 学，无论何时何地，未经学校许可，决不转移或扩散与之相关的任何技术 或成果。学校有权保留本人所提交论文的原件或复印件，允许论文被查阅 或借阅；学校呵以公布本论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或 其他手段复制保存本论文。 ( 加密学位论文解密之前后，以上申明同样适用) 论文作者签名：生逛导师签名：o f 年弓月2 2 日 摘要 论文题目： 超粗线高速绕线机器人的研究 学科：扭越鱼王工程 作者：监 导师：蛐职称：蛆 中文摘要 答辩日期：塑! ：5 ：兰 签名：边疆 签名 “乎乒 本文针对电机转子线圈线径粗、折弯困难、空间狭小和需要臼由度多的特点，根 据仿生学和机器人学的原理，设计制造了一种全新的高述绕线机器人。这套设备能够 很好的模仿人的动作。通过优化改进机构利绕线方案，从而能够 r 女r 的实现绕线的动 作，提高生产率和取得良好的经济效益。 根据在绕线中出现的实际问题，需要提高高速绕线机器人的精度，从而提高绕线 机器人的稳定性。在高速绕线机器人系统中，影响绕线精度的关键构件是机械手机构 希i 拨义机构。冈此本文重点运川机器人的机构精度算法，计算机械手的俯苴精度：行 且计算出漆包线的张力，运用a n s y s 软件，仿真拨义机构的变形，进而采取措施， h 好的解决了试验中的问题，使绕线机器人运行更加可靠稳定。 根据绕线机器人的控制要求，本文提出了1 i ： k p c 与p l c 相结合的主从控制方 案，将i 。业p c 强人的数据处理能力g t l p l c 的高町靠性结合往一起，呈h 成高性能的控 制系统并且返州面向对象的c + + b u i l d e r 软件开发了相应的通讯程序，较女f 的完成丁 绕线机器人自动绕线的要求，达到良好的效果。 关键词：绕线机器人，仿生学，机构精度，张力，a n s y s 仿真主从控制 塑! ! ! ! 堕 t i t l e ：r e s e a r c ho n s u p e r t h i c kh i g h s p e e dc o i1i n gr o b o t s p e c i a l t y ：丛! ! ! 垦! ! 鱼! i ! ! a u t h o r ： 墨垒q 堡gy 坠垒旦 s u p e r v i s o r ：堕! 旦型! a b s t r a c t p o s t ：p r o f e s s o r d a t e ；1 鲤：! s i g n a t u r e 衄、 幽 s i g n a t u r e a 础e b e c a u s eo fi t st h i c kt h r e a dd i a m e t e r ，d i f f i c u l tb e n d ，n a r r o ws p a c ea n dt o om a n y f r e e d o m so fm o t o rr o t o rw i n d i n g ，w ed e s i g na n dm a n u f a c t u r ean e wt y p eo fh i g h s p e e d c o i l i n gm a c h i n ea c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fb i o n i c sa n dr o b o t i c s ，a n dt h e no p t i m i z ea n d i m p r o v em e c h a n i s ma n ds c h e m e a tl a s tw ec a l lr e a l i z er o i l i n ga c t i o na n di m p r o v e p r o d u c i t i t ya n da u g m e n te c o n o m i cp r o f i t a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m si nt h ee x p e r i m e n t ，w en e e dt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo fr o l l i n g m a c h i n es oa s t oa d v a n c ei t ss t a b i l i t y i nt h eh i g h s p e e dr o i l i n gr o b o ts y s t e m ，t h e k e y c o m p o n e n t st h a ti n f l u e n c et h ea c c u r a c yo fr o b o ta r em a n i p u l a t o ra n df o r km e c h a n i s m s o t h i sp a p e rl a y se m p h a s i so nt h ea c c u r a c ya r i t h m e t i co fr o b o tm a c h a n i s ma n dc a l c u l a t e si t s l o c a t i o na c c u r a c y o nt h en e x ts t e p ，w ec a l c u l a t ei t st e n s i l ef o r c ea n de m u l a t ei t sf l e x i b i l i t y d i s t o r t i o no ff l e x i b l em e m b e rw i t ht h eh e l po fa n s y ss o f t w a r ea ti a s t ，w es o l v et h e p r o b l e ma n de n h a n c et h es t a b i l i t yo fr o i l i n gm a c h i n e ， m a s t e r - s l a v ec o n t r o lm o d ei s a d o p t e dd e p e n d i n g o n c o i l i n g r o b o tc o n t r o l r e q u i r e m e n t s t h ec o n t r o ls y s t e mt h a tc o m b i n e ss t r o n gd a t ap r o c e s s i n ga b i l i t yo fi n d u s t r i a l p cw i t hh i g h - r e l i a b i l i t yo fp l ch a se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e a n dt h e nt h ec o m m u n i c a t i o n p r o g r a m b e t w e e np ca n dp l ci s d e v e l o p e d i nt h e o b j e c t o r i e n t e dc + + b u i l d e r e n v i r o n m e n t n o wt h ec o i l i n gr o b o th a sa c c o m p l i s h e da u t o m a t i cc o i l i n go f m o t o rr o t o rw i n d i n g ，a n da c h i e v e dh i g hc o i l i n gq u a l i t y k e yw o r d s ： c o i l i n gr o b o t ，b i o n i c s ，m e c h a n i s ma c c u r a c y ，t e n s i l ef o r c e a n s y se m u l a t i o n ，m a s t e r - s l a v ec o n t r o l 绪论 1 绪论 1 - 1 本课题的研究背景 我们为重庆恒达磁性材料有限公司研制的一体化电机转子线圈是一 种集起动、发电为一体的新型电机，它是根据最新专利技术制造生产的 一种高新技术产品。它具有低噪音、高可靠电起动和交流无刷发电两种 功能，较科学地将摩托车的电起动和磁电机有机的结合在一起，大大简 化了摩托车电起动系统的结构，提高了工作可靠性，有着十分广阔的应 用前景。 尽管一体化电机在技术上获得了成功，但实现其转予线圈的自动化 绕制十分困难，目前其生产全部采用原始的手工绕制方式。有关专家甚 至得出该线圈无法实现自动绕制的结论。原因有五：漆包线线质硬， 线径很粗( 一般线圈要求的漆包线直径在0 0 5 m m 0 6 m m 之间，而此种 线圈要求的漆包线线径达到1 o m m ) ，不易产生弯曲变形，如要强制拉弯 的话，所需张力太大，机械结构实现很困难。由于线的硬度高，为了 使绕组中的每匝线排列紧密，所以必须对漆包线旋加很大的张力，但在 大张力状态下，线表面的漆皮容易被划伤，甚至被拉断。由于漆包现 要耐压1 0 0 0 v 以上，线之间必须保证绝对的绝缘，所以在绕线的整个过程 中，漆包线不能有任何一点划伤，这就要求机构的精度很高，否则废品率很 高。存在铁芯轮辐排列紧密，绕线工艺复杂，空问狭小等难点，通过 人手绕线运动分析，需要5 个自山度的运动爿能实现线圈的绕制，用传统 的绕线机构已远远不能实现绕线目的。缺乏相关的资料可借鉴，必须 通过不断实验来得到最佳的绕线方案和机构。因此，在分析研究后，我 们在借鉴和改进前人工作的基础上，提出了折弯式的绕线原理，融入机 器人的概念，运用机器人的设计思想和仿生学的有关原理，模仿人手的 西安理工大学硕士学位论文 绕线动作，设计了一组机构来实现该硬线线圈的绕制。 目前，随着一体化电机应用范围的同渐推广，产量越来越大，与手 工绕制方式效率低，绕制线圈产品质量可靠性差的矛盾同渐突出。且工 人的劳动强度极大。我们在生产现场了解到，在绕线过程中，为了保证 绕组排列紧密，绕线工人需在线上施加很大的力，因此工人的? 动强度 很大，极易引起人体疲劳而无法集中精力，从而造成线圈匝数绕制不准 确以及线圈绕制质量不符合要求等问题，造成产品的废品率、返工率居 高不下。掘现场工作人员介绍，工件的废品率达n 2 0 。由此可看出， 绕线设备的相对滞后已成为制约该线圈产品大范围应用于工业中的瓶 颈。针对这一现状，重庆恒达磁性材料有限公司与我校签订了一体化电 机转子线圈绕线机器人的研制合同，合作开发绕线设备，以填补这项国 内空白。 1 2 本课题研究的目的与意义 一体化电机转子线圈相比其它线圈来浣，具有简化系统结构、可靠 性高等优点，因此应用同渐广泛，而国内没有相应的自动化专用绕线设 备。开发绕制该转子线圈的绕线机器人是十分必要的。本课题研究的目 的是通过研制一种新型绕线机器人，实现该线圈产品的高效自动化绕制。 绕线机器人可以高速的模仿人手的绕线运动，来实现复杂线圈的自动化 绕制。具有柔性好、效率高、绕制产品质量稳定、能实现多自由度运动 的特点，与当前电机转子产品向多元化、复杂化、小批量化发展的趋势 相吻合。目前我国的摩托车行业年产量在1 0 0 0 万台左右，如果按5 0 的 摩托车装有此类电机转子的话，每年的需求量在5 0 0 万件左右，按此计 算每天需5 0 0 人绕制才能完成( 现每人每天产量3 0 件) ，如用绕线机器 人进行绕制，掘初步估计只用l o 台绕线机器人就可完成任务，提高工效 3 0 倍，同时线圈的成本却下降t 6 0 多。因此绕线机器人的研究会大大 促进一体化电机转子绕组在电子工业中的应用，它还会带动其它高效线 圈产品的开发研制进程，因此具有很强的现实和社会意义“1 。 1 3 本课题研究的难点和主要内容 1 3 1 本课题的研究难点 通过以上分析，普通的绕线机根本无法实现体化电机转子线圈的 绕制，必须设计出一种新型的高速绕线机器人。本课题的研究难点主要 在于以下四个方面： 根据工艺要求，一体化电机转子线圈上所绕制的漆包线属于一种超硬 线。由于硬度很高，因此不容易折弯，在线圈骨架定型而产尘永久塑 性变形。 根据合同要求，一体化电机转子线圈的日产量为3 0 0 只，而且单个线 圈上的漆包线匝数多，这就要求绕线的速度非常高，以提高生产率。 因此如何在保证产品质量和生产要求的情况下尽可能的提高绕线速 度便是其中的一个难点。 由于线圈骨架的绕线空间及其有限，漆包线线径粗( 一般在0 7 m m 以 上) ，匝数多，所以必须实行精密排绕。这就要求绕线机器人的机构 精度非常高。其一保证有足够的绕线空间；其二可以防止在绕线的过 程中漆包线在线圈骨架上面划伤绝缘层。 由于电机转子铁芯结构复杂，所以要实现完整的线圈绕制需要的机构 自由度多，经过分析至少需要5 个以上的自山度，加上缺乏相关的资 料可借鉴，因此机构设计困难。 1 3 2 本课题研究的主要内容 本文根据一体化电机转子线圈特有的工艺要求和铁：占结构运用仿 西蚤理工大学硕士学位论文 生学的基本原理，模仿人手的绕线运动，设计出了一种高性能的超粗线 高速绕线机器人。并且在借鉴和改进前人工作的基础上，在论文方面的 主要工作如下： l 、首先在传统绕线机的基础上对一体化电机转子线圈铁芯和绕线工艺进 行分析，从而对我们所要设计的绕线机器人的难点和重点有卟全面的 认识。然后着重解决漆包线径粗、线质硬、绕线空间极其有限的难点， 吸取了机器人的概念，利用仿生学和机器人学的原理，通过分析人手绕 线动作的特点，设计出了超粗线高速绕线机器人。然厉在实验的基础j ：， 通过分析比较确定了最佳的绕线机构和方案。 2 、机构精度是绕线机器人正常可靠运行的重要保障。由于r n 机转予线圈 结构复杂，： 艺要求高，必须提高绕线机器人关键构件的精度才能满足 要求。所以本文从机器人的机构精度理论出发，运用机构精度新算法， 重点分析计算了绕线机械手( 虎牙棒机构) 的位置误差。并且在实际绕线过 程中，观察到线过缝时容易在线圈骨架上蹭掉绝缘层或者过缝动作不稳 定。经过分析是由于线圈骨架缝隙只有2 5 m m ，并且在所设计的机构中不 可避免的存在柔性变形，从而影响了绕线的精度和稳定性。所以从张力 出发，运用柔性体的变形理论，分析其中的拨叉机构在力的作用下的变 形并运用a n s y s 仿真其变形量的大小，从而采取正确的措施鲥决这一问 题。 3 、随着计算机技术的飞速发展，计算机数控技术蓬勃发展了起来，并在 生产生活的各个领域得到了广泛的应用，给人们的生产生活带来了巨大 的变化。这就为绕线机行业开发先进的数控系统提供了极好的便利条件。 在本研究课题中，我们根据绕线机器人的控制要求，建立了山p c 和p l c 相结合的二级控制系统，充分利用p c 机强大的数据处理功能和p l c 控制 方便可靠的优点，并且运用面向对象的高级语言c + + b u i l d e r 编写了相应的 控制软件。 2 绕线机器人机构的设计与分析 2 绕线机器人机构的设计与分析 2 1 前言 机器人是二十世纪出现的新名词，可以广义地把机器人理解为模仿 人动作的机器。人具有脑( 判断与指挥) 、手( 包含臂，作业功能) 、 脚( 包含腿、移动、行走功能) 、眼( 视觉) 、耳( 听觉) 及鼻、舌、 皮肤( 触觉) 。科学家丁f 在不断努力，使研制地机器人能够尽可能地模 仿人的这些功能。随着机器人的发展，其模仿能力i f 在逐步提高。 本课题的设计中，就是通过模仿人手的绕线动作，设计了高速绕线 机器人，并且在实验的基础上确定最佳的绕线方案。 2 2 高速绕线机器人的机构设计 2 2 1 普通绕线机的结构和绕线方案 一般的绕线机主要是对变压器线圈和其它电器的绕组进行绕制。它 主要由绕线机构，排线机构和监控单元3 部分组成。一台步迸电机带动线 圈骨架进行旋转运动，另外一台电机带动滚珠丝杠，推动排线机构进行 直线运动。监控单元主要是对漆包线的匝数以及电机转动速度进行控制。 这种绕线机的特点是机械结构简单，绕线的自由度少( 一般是电机的旋转 运动和丝杠的直线运动两个自由度) ，控制容易实现，缺点是对于结构稍 微复杂的骨架没有办法进行绕制1 3 2 1 。 随着绕线机技术的发展，现在出现了半自动的转子绕线机。其绕线工。 艺方法是将转子铁芯夹持在可转动的夹具与导线模之中。央具由电动机 带动旋转。操作者用手拉住导线，通过绕线模的表面将导线绕入转子铁 西安理工大学硕士学位论文 芯槽内。当需要的匝数绕完以后，央具停止转动，操作者j = 手在铁芯的 换向器端的兴具上钩出一引线头，完成一匝线的绕制，而后将铁：芭= 转过 稽，再继续绕线，这样一槽一槽绕过去，铁芯需要转过3 6 0 “1 。 这种绕线机的缺点是： f 1 )绕线时回转体( 包括央具，导线以及转子铁芯) 转动惯量大， 不平衡，故绕线速度不能提高。 ( 2 )绕线时需用手拉住导线，拉力随时间变化大，引起绕组松紧 变化很大。 ( 3 )转子线圈结构复杂，每槽之间的转换没有实现自动化，不能 自动抽出线头，导致生产效率低。 2 2 2 一体化电机转子的绕制难点分析 对于我们所研制的一体化电机转子铁芯及绕组结构如图2 1 所示 这种转子线圈的结构很复杂。槽与 槽之间的缝隙很小，经测量为 2 5 m m 。每个轮辐的两边并不平 行，而是呈一定的兴角。对于上面 所分析的普通转子，它的轮辐般 是标准的矩形，绕线时般是先在 绕线模上把线绕好，然后再把线送 到骨架上面所以怎样把线方便的 绕在骨架上面也是一个难点。根据 厂家的要求，这种转子上所绕制的 漆包线数量大，槽与槽之间的空间 1 、轮幅a 、b 起动袭蛆c 挂电绕组 嘣2 i 转了绕组结掏 极其有限，并且漆包线线径达到了l m m ，漆包线比较硬，不易产生折弯 变形。针对这些特点，传统的绕线机已经不能满足要求。必须发计出更 2 绕线机器人机构的设计与分析 好的机构加以实现。 2 2 3 绕线机器人的仿生机构设计 为了设计出合理的机构，我们以人手绕线的动作为出发点，利用仿生 学的原理束设计机构。图2 2 为人手绕线运动示意图，沿转予径向看，铁 芯上每个绕组类似于一个矩形。因此，手动绕线时，每绕一匝线，线需 要四次折弯，两次穿过轮辐间的小间隙。绕线时，人的左手拿住转予， 右手拿线，拇指央紧工件的同时起到绕线限位作用，两手配合运动实现 绕线。图2 2 分解了手动绕线的各个动作。图2 - 2 ( a ) 为绕线的初始位置。 qq9 图2 2 人于绕线动作分析 l 】首先右手拿着线向右摆9 0 度线在拇指的l 点自动折弯，于是形成 矩形线圈的l 一2 边，一次折弯，如图2 2 ( b ) 所示。 2 ) 人的右手拉线在2 处靠拇指左边折弯，到达转子极间间隙的正上方， 如图2 2 ( c ) 所示。 3 ) 人左、右手同时动作，将线绕到铁芯上，完成矩形线圈的2 3 边的绕 制，如图2 2 ( d ) 所示。 4 ) 完成上述两条边的绕制后，人的右手已经到达铁芯的反面，接下来， 人左手旋转18 0 度使铁芯绕线面面对操作者，于是上述矩形线圈的绕制完 成一半，工件以及线的相对位罱回到如图2 2 ( a ) ，只是此时工件旋转了 f ” 司 西安理工大学硕士学位论文 18 0 度。 5 ) 以同样的绕线方式，可以绕制矩形线圈的另半匝。当绕完一匝线时， 改变左手拇指夹紧铁芯的径向位置，可改变绕线的折弯位置，从而使线 包在铁芯上形成有规则的排绕。 仔细分析，我们不难发现，对于粗线，如果采用普通的绕线方式， 为了使线幽绕制紧密要求的绕线张力必然很大，这样可j 仪提高了对机 械结构方面的要求，而且容易损伤线表面的绝缘漆皮，从而造成产品废 品率的上升。分析手动绕制粗线的过程，人手绕线时采用了折弯的方式， 利用人手指的压、折、挡等动作，使线在铁芯上发生永久性的折弯塑性 变形，这样不仅降低了对张力的要求，而且使线匝紧密的排列在转予铁 芯上，绕制的线圈形状规则，从而有效地利用了空间，很好的解决了绕 组紧密的问题。 2 2 4 绕线机器人机构的确定 要完整的实现绕线机器人对电机转子线圈的绕制涉及的机构足比较 复杂的，经过分析它必须要5 个以上的自由度才能实现。为此，我们在初 始设计的机构上不断的改进，最终顺利的实现了机构的设计。整个绕线 机器人主要有以下几套机构：主传动回转机构、拨叉机构、转位机构、 进给机构、张力机构( 将在第三章分析其原理) 和栓线机构。下面就分别介 绍这几种机构的设计原理以及各自的在整个绕线过程中的作用。 ( 一) 主传动机构、拨叉机构和进给机构的设计 主传动机构和拨叉机构这两种机构通过两者的协调运动可以实现电 机转子线圈一匝漆包线的绕制。再加上进给机构，就可以实现多匝绕制。 这所有的一切机构设计都是模仿了人手绕线的动作。如图2 3 所示。 在人手折弯绕线过程中，左手拇指兼起排线和折弯限位作用，序手 旋转转子翻转的作用，右手控制线的运动，通过左、右手问的协涮动作， 2 绕线机器人机构的设计与分析 从而达到绕制线圈的目的。因此，手动绕线过程中，两手需要三个自由 度运动，即左手拇指的进给，左手的旋转，以及右手的旋转运动。 1 1 、拨叉2 、虎牙棒3 、工件回转装置 图2 - 3绕线机关键机构 根据上述分析，在绕线机器人设计中分别采用三个运动即三个自由 度( 拨叉的旋转运动，工件轴的旋转运动以及虎牙棒的直线运动进给) 来模仿人左、右手的绕线动作。如图所示，该机器人的工作装置由拨叉、 虎牙棒、工件轴三大部分组成。拨叉主要功能类似于人的右手，控制线 的运动；虎牙棒的作用主要是限制线的运动轨迹，实现线的整齐排列， 类似于人左手拇指的作用，并且虎牙棒的头部是用金属铝经过抛光而加 工成的，以防止挡线时蹭伤漆包线；工件轴控制转予的翻转运动，功能 相当于人的左手。其中虎牙棒除随工件轴同步翻转外，还做进给排线运 动。即每绕完一匝线，虎牙棒在一套组合气缸的推动下后退l m m ( 一匝线 的直径) 。在绕线的过程中，要求漆包线的排列要整齐紧密，保证漆包线 在空间所占的位置最小，在高度方向上的单面总高不能超过6 r a m ，这就 要求绕线的精度非常高，所以我们选用了两台伺服电机来分别控制拨叉 和工件轴的旋转运动。 这套机构的另外一个重要作用便是解决漆包线的折弯问题。在实验 的过程中我们发现漆包线在线圈骨架上的形状如图2 4 所示。其中线圈骨 西安理工大学硕士学位论文 架为带圆弧的矩形状，其圆角半径 为尼。由于漆包线很硬，不容易折 弯，这样就形成了折弯半径r 。由 于r ， r ，漆包线在骨架上面容易 形成盲区，严重的浪费了有限的绕 线空间。 如果漆包线在绕制之前不经过 圈2 - 4 绕线有区 折弯就直接在绕在骨架上面，其在骨架上的折弯半径太大。最仞我们想 通过增大张力来改变折弯半径。但是张力一旦加大，相应的机械整体刚 度必须要足够好，不然引起振动，影响系统的稳定性。所以漆包线在骨 架上绕制之前，必须先折弯，再 定型。我们所设计的虎牙棒就成 功地解决了这一问题。如图2 5 所示。虎牙通过半径为r ，的圆弧 就可以使漆包线形成等半径的 折弯半径。经过测量： r 2 = 3 r a m 则可以得到： 图2 - 5 虎牙机构 r l r2 = r j 【2 1 ) 通过以上方法就可以减小折弯半径，从而节省有限的绕线空间。 ( 二) 转位机构的设计 由于电机转子线圈总共有1 6 个槽每当绕完一个槽转到下一个槽进 行绕制时，就必须进行转位才能实现。最初想通过电机旋转来进行转位， 但考虑到在实际的绕制过程中工件转子不断的进行正反旋转运动，电机 的引线很困难。最终通过两组气缸推动拨轮正反转实现转位动作。拨轮 的设计是通过齿轮啮合原理加以实现的。如图2 6 所示。 2 绕线机器人机构的设计与分析 拨轮上面有3 个齿，每 当要进行转位动作的时候， 中间的一个齿始终保持和 工件轴垂直。当中间齿插入 电机转子线圈的时候，如果 想进行正向转位，那么左齿 在气缸的推动下拨动电机 转子线圈正向转动：反之， 倒2 - 6 拨轮和转于的啮台 如果想进行反向转位，那么右齿在气缸的推动下拨动电机转子线圈反向 转动。并且气缸前进和后退的距离恰好能够保证电机转子线圈转动一个 工位。 因为电机转子线圈的定位要求十分精确，所以拨轮的设计尺寸必须 严格保证。如果拨轮拨动电 机转子线圈的转动角度过大 或者过小，都可能引起定位 的不准确。线圈骨架槽缝隙 是2 5m m 周此我们设计了拨 轮的齿宽为2 r a m 。线圈骨架 每个轮幅的弧长再加上一个 缝隙的弧长经过计算为1 6 5 m m 。相应的拨轮左右齿和中 幽2 7 拨轮结构j 寸 i n 】齿中心之间的弧长也应该为1 6 5 m m 。设计拨轮的直径为5 0 r a m ，那么 拨轮两齿之间的角度0 应为： 0 2 万5 0 3 6 0 0 = 1 6 5 0 = 4 0 0 ( 2 - 2 ) 所以根据计算最终设计的拨轮如图2 7 所示。 ( 三) 栓线机构 由于电机转子线圈所绕制的漆包线分为启动绕组和发电绕组。每种 西安理工大学硕士学位论文 绕组又必须抽出8 个线头。所以必须设计专门的栓线机构来实现绕组的抽 线头动作。为此，我们设计了证面栓线柱和反面栓线柱。如图2 - 8 所示。 倒2 - 8正反面拴线柱 虽然线圈正反面的抽头数量是一样的，但考虑到反面有支撑架的影 响，所以f 反面的栓线柱是不样的。栓线动作是拨叉机构以及主传动 回转机构一起配合运动来实现的，把栓线柱同电机转子线圈通过连接成 为一个整体。由于抽线头的漆包线的长度是有规定的： 正面漆包线长度 =1 0 0 m m 反面漆包线长度 =5 0 m m 所以在实际的绕制过程中，栓线动作是不样的。f 面栓线时一般 是拨叉和主传动轴配合运动，使漆包线通过挂线槽在j 下面栓线柱上缠绕3 圈，这样就可以保证漆包线抽头的长度大于l o o m m ；而反面由于长度减 半，所以绕制动作比较简单，只需要在相应的挂线槽内缠绕一次便可以 达到要求。 2 3 绕线机器人绕线方案的最终确定 在确定了绕线机的机械结构后，就需要进一步确定绕线的方案。由 于电机转子上绕制的漆包线匝数多，并且转子的空间狭小，漆包线的线 径孝h 、线质硬，所以绕制的难度较大。 擅 监 鳢 趱 堂 碰 昼 酉转 弋 燮 鳖 2 绕线机器人机构的设计与分析 2 3 1 绕线的难点 如图2 9 所示，电机转子线圈槽与槽 藩包续，灿 之恻的空间是十分有限的，需要在上底 r 、土ll 一7 7 y 耄悉蒜羔嚣莩戮l 、i 鹜觐l 矩形区域内摆放5 2 匝漆包线。首先来研尸。， 究在这样一个区域内，人工摆线是如何 一 实现的。为了防止漆包线堆积塌陷，所( 一l 、，= = ) 摆放的漆包线不能够成绝对的矩形，只 。、一一一 能实现两个轮幅对称摆放，所以理论上 i 芏i2 - 9 理论拦线1 割 只能摆放6 0 匝漆包线，这样便能够得到电机转子线圈骨架轮幅空间漆包 线的填充系数玎的大小为： r 2 5 2 1 6 0 = o 8 6 6 ( 2 - 3 ) 由上式可看出，绕线空间很紧张，必须充分的利用空阳j j 能保证摆 放下所需的漆包线匝数。这里按照直径是 l m m 的漆包线来进行理论摆放的，但是在实线圈厂卜_ r _ t 际情况下线圈所占的绕线面积比理论值要 k 上 大。一是由于实际的漆包线是需要算上绝缘f 一i 层的厚度，其值为1 ，1 r a m ；二是出于在绕线，l 生l 的实际过程中可能会出现线与线之间重叠。、二) j c 7 的现象，而不是按照理论的情况摆放时，绕图2 1 0 骨架轮辐尺寸 线空间的浪费会更大。所以实际填充系数肯 定比理论填充系数要大。 2 3 2 最初的绕线方案及绕线机构 按照本电机转子线圈的工艺要求，线圈分三段绕制，如图2 i o 所示。 西安理工大学硕士学位论文 经测量线圈铁芯轮辐总长为1 9 r a m ，经理论分析以及在绕线过程中的 经验总结，将线圈铁芯轮辐径向分为三小段。第一段由于侧面空间较小， 所以分配空闯多一些，为g r a m ；第二段 t r a m ；第三段为发电绕组，出 于线径较细，为o ? r a m ，且需绕制的匝数较少，所以分配了3 r a m 。由于 电机转子上绕制的漆包线匝数多，并且转子的空间狭小，线径粗，所以绕制 的难度比较大。 绕线机的丌发是一个摸索的过程。以前尝试过分段任意绕的绕线工 艺。当绕完一个小段后过线到下一个小段中继续绕线，直至绕完整个铁 芯为止。此种绕线方法，要求的机械结构较简单，绕线速度快，效率高。 因此，在线圈产品的绕制中，应用相当广泛。每绕一段时，进给机构停 在某个固定的位置，让漆包线任意的堆砌。其具体的绕线方式以及绕制效 果如图2 1 1 所示。 其中拇指块是个长方体金属铝 块，其作用是在绕线的过程中，当漆包 线要从轮幅缝隙中过线，从电机转子线 圈的一个面到达另一个面的时候挡线。 拇指块的传动是通过一套组合气缸来 实现前进或者后退的。这样设计的机构 是最简单的。但任意绕绕线方案配合这 种机构不能够达到预期绕线效果的。在 绕线的时候，漆包线会在拇指块附近堆 【划2 1 1 任也绕做果目 砌，导致线越积越高，漆包线的摆放是杂乱不堪的。这样的绕割方法就 其机构有三个缺陷： ( 1 ) 漆包线任意交叉重叠，严重浪费极其有限的绕线空问，导致在绕7 r a m 和3 m n l 后面两段漆包线时，就会出现空问越来越有限。 ( 2 ) 出于漆包线总是在拇指块附近堆砌，所以在拇指块前端左右两点会出 现应力集中的现象。当绕完第一段漆包线，拇指块撤离去绕第二个绕 2 绕线机器人机构的设计与分析 组的时候，有可能出现塌线的现象。这又严重得浪费了绕线空间。 f 3 、根据用户的要求，电机转子线圈正反面的漆包线高度必须在6 m m 范围 内，如果采取任意绕的绕线方案，也会出现单面漆包线总高度大于 6 m m 的现象。并且这种绕线方案绕制出来的产品由于漆包线杂乱排 列，外观并不能令人满意。 r 4 1 更重要的是，当在线圈上绕制第二段或者第三段的时候，电机转子线 圈骨架不断的变宽，而拇指块却不能跟随变化，不能起到折弯的作用， 使过线又变得非常困难。 基于上述的分析，任意绕法并不能达到预期的效果，所以我们最终 否定了这种方案。 2 3 3 现在的绕线方案及绕线机构 为了充分利用有限的绕线空问，必须将漆包线一层一层整齐排列， 并且在整个过程中绕线机构的运动应能随着电机转子线圈骨架尺寸的变 化而变化，以便于漆包线折弯。 最后我们吸取了分段任意绕 方案的分段思想，再进行试验确定 了分段排绕的绕线方法，如图2 1 2 所示。所谓分段排绕，就是在绕制 的时候，进给机构沿转子直径方向 从里到外进行绕制，每绕一匝进给 机构退一个漆包线直径的距离，从 漆包线 线圈骨架 幽2 1 2 排绕方皋十意幽 而达到漆包线在转子骨架上排列均匀整齐的目的。排绕最大的优点是能 充分的利用空间，并且漆包线纹路清晰，外观优美，从而大大缓解了有 限的绕线空叫和漆包线匝数多之问的矛盾，使方案设计的可行性变得十 分明确。 西安理工大学硕士学位论丈 确定了绕线的工艺之后 来看，挡线机构必须能够随 着电机转子线圈骨架的尺 寸变化而变化。其次从绕线 的工艺来看每绕完一层漆 包线，挡线机构必须在进给 机构的推动下，向上抬升至 少一个线径的距离，也就是 说，挡线机构具有自动抬升 的功能。 接下来分析挡线机构。从分段任意绕的要求 幽2 i 3捎线目【构 从图2 1 3 可以看出，设计的关键在于直线凸轮。直线凸轮两个斜边 的夹角为3 0 度，其值恰好等于电机转子线圈两个轮幅边的夹角。拉伸弹 簧可以保证当虎牙棒前后运动时始终靠在直线凸轮上面。关节l 可以在 弹簧的作用下上下运动，关节2 是一个转动关节。这种结构既可以使挡 线机构随着电机转子线圈尺寸的变化而变换，实现漆包线的折弯，又可 以使其在关节2 弹簧的作用下上下运动。 至此，我们从仿生学的角度出发，利用机器人的设计原理，最终完 成了高速绕线机器人的机构设计以及绕线方案的确认。绕线机器人的产 品以及整体外观分别如图2 1 4 和图2 1 5 所示： 2 绕线机器人机构的设计与分析 幽2 14 产品外州幽 凹2 - l5 绕线机器人外舭瑚 西安理工大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章对电机转子线圈铁芯的结构特点和绕线工艺进行了全面的分 析，着重解决线径粗、线质硬、不易折弯、绕线空间十分有限等问题， 利用仿生学和机器人学的原理，对人手的绕线运动进行了分析与模仿， 并且在总结和改进前人工作的基础上，通过对其中的机器人机构和绕线 方案不断试验论证，最终设计了一种新型的超粗线高速绕线机器人。 3高速绕线机器人的精度研完 3 高速绕线机器人的精度研究 3 1 前言 随着机器入投术的同益成熟，其在社会中的应用越来越广泛，已经 成为社会发展的前沿推动力量。工业机器人是一种自动化生产装备，它 的发展非常迅速，模仿人的能力越来越强。最初的工! 【k 机器人是一种附 属在自动化机、自动生产线上，代替人传递和装卸工件的机械手：随后 出现了由作业者直接控制的半自动化操作机以及可以自动控制的能实现 多种操作的工业机器人；现在已经出现了具有学习和推理能力的智能机 器人1 9 1 0 组成工业机器人的各种机构向着高速、精密、自动的方向发展， 对机构的运动精度要求也越来越高。对已有的机构进行精度分析，这在 困内外已经有了较深入的研究，但如何通过误差补偿或者合理分配和涮 整机构各尺度参数的公差以保证机构的运动偏差在允许的范围内，仍是 一个亟待解决的问题。在本章中，我们应用机器人机构精度新算法，无 限小线性变换原理和柔性体的变形理论，对高速绕线机器人的机构精度 进行计算和仿真，以便提高绕线机器人的绕线精度和可靠性。 3 2 绕线机器人机械手的精度研究 3 2 1 机器人机构的空问变换 高速绕线机器人的动作是通过各个关节的运动来实现的，而各个关 节可以通过一系列的坐标变换来建立它们之间的关系。如图3 1 所示： 西安理工大学硕士学位论文 假设两个坐标系s ( 0 ，置y , z ，) 和 s 。( p ，x 。r 。z 。) ，对空间任一点p ， 记其在s ，及s 。中的四维坐标向量及 r 一分别为： r = ( x ， ：z ，1 ) 。 l ，= ( x ，+ r + z 。，1 ) 。 则l 弓，：一l 之问存在下列关系式： 一l = f - 1 ，r l 甜3 1 坐标变换 式中z + 定义为坐标系s 相对与坐标系s 一。的运动变换矩阵。 z - l ， 上式t 。，矩阵中 的左上角3 3 矩阵块 表示了坐标系s 相对 与坐标系s 。的旋转， 而r 。，中的第4 列代 表了坐标系s 的原点 d j 在s 。中的坐标值， 如图3 2 所示： 如表3 1 所示，若 设坐标系s 。和s ，之 问只有一种简单运动 ( 沿x ，y ，z 轴的平移 或绕，r ，z 轴的转动) a 1 1a 12 a 2 ld 2 2 a 3 1a 3 2 oo a 1 3a 1 4 盯2 3订2 4 a 3a 3 4 01 则式( 3 1 ) 可写成 幽3 - 2 坐标值 y 一1 ( 3 1 ) ( 3 - 2 ) 3 高速绕线机器人的精度研究 式中t7 一，( j = l 2 ，6 ) 可由表1 确定，r 1 ，7 11 及丁3 分别表示沿 _ ，j ，z 轴的平动，丁4 ，r5 及7 _ 6 分别表示绕x ，y ，z 轴的旋转，每个，中 只含有一个变量毒，手，叫做广义位移( 平移或旋转) ，t 叫l l f 做广义位移 矩阵。 表3 一i 广义位移矩阵 轴xyz _ 一 loo l00o一一 1 oo0 平 r 1 = o10 0 r 2 = 0l 0y o】o0 o010001o 7 13 = 移 00lz o o 0 1o o 01 -_。_ o o ol _ 旋 l000 c 0s 0 0厂c 臼一s o00 0 c 妒一j p 00100 r 。：卜c 口o o i 转 r 4 = r5 = o 0 0 o1 0 o1j 0 s pc 妒0s o 0 c o 0 00010001 矩阵t ，( ，) 中的变量的符号定义如下： ( 1 ) 对平移运动，若坐标系s 沿坐标系s 一的正方向运动则x = 孝l ， y = f2 ，z = f3 定义为正。 ( 2 ) 对旋转坐标，若从置，坐标系的正向来看，s 作逆时针旋转， 妒= 善4 ，= # 5 ，0 = ；6 定义为f 。 ( 3 ) 所有坐标系皆为右旋坐标系。 可以证明，任何具有形式( 3 - 2 ) 的矩阵丁，可以分解成六个确定的 矩阵乘积。因此对于复杂的空间变换，我们可对其进行分解。故一般空 问运动的坐标变换矩阵可表示为： t = t ( x ) 7 1 2 ( y ) 7 1 ( 三) 3 丁( 妒) 4 t ( o ) 5 丁( 占) 6 = 西安理工大学硕士学位论丈 cc 9 c 8 s t 隧审c 0 七c c p s o c q z 出0 + s r p s o o c 西s 目 s 筇加0 + c q x o c 哪蕊e 0 式中s f o = s i n q 7 c o p = c o s t p 。 3 2 2 机器人机构的精度算法 s西x 。s 叩c 西 】7 c dz 01 ( 3 4 ) 设机器人某机构由一个运动构件和一个固定构件组成。若将起始坐标 系s 。建立在固定件上，坐标系s ，建立在运动环节f 上 ( f = 1 , 2 ，h ，叫目标坐标系) ，坐标系s 一与s 阃的变换矩阵为7 ：，则 由式( 3 - 3 ) 可知，目标坐标系s ，中的考察点p 在各坐标系s ，中坐标向量 r 应有如下关系式： 0 一i r 一22 h2 ，】l l ，一 ，11 月r = 瓦。h 一， _ = 7 j ! l = 正2 五j 吩= = i ! 兀3 。r ，吐。，：， = 瓦瓦- h 。= ( n h ) ，j = t 0 ，o | = 1 式1 一，1 。中即为目标坐标系e ，与起始坐标系s o 间的变换矩阵。 对于坐标系s ，s s 。中的任一坐标系s 设由于存在若干种误差， 使得坐标系s 变成了s ，s 的原点在s 中的坐标系为( “，v ，1 4 ，) 7 ，其三个 坐标轴相对s 的三轴分别有偏角口，厨o y ，则点p 在中的坐标向量r 与，4 的关系( 见图3 3 ) 为： r = t 1 ( u ) t2 ( v ) 7 1 ( w ) 3 了1 ( 口) 4 t ( f 1 ) 5 r ( y ) 6 r ( 3 - 6 ) 类似式( 3 - 4 ) 表达形式，考虑到各误差项的数值均较小，战墩 3 高速绕线机器人的精度研究 y 图3 - 3坐标向量之间的关系 c o s o r = c o s , 8 = c o s y 1 ，s i n 口d ，s i n ，s i n y ，。并忽略高阶误 差项，可得： 1 y y 1 - 口口 o0 = ( e + 田1 妒 ( 3 7 ) 口，y 相当于坐标系s 绕本身轴x ，y ，z 的微小转角。 “，v ，w 相当于坐标系s 沿本身轴z ，y ，z 的微小平移量。 因此若各坐标系s 均存在误差矩阵口，使得目标坐标系中的考察点 p 变成了p ，其在各坐标系s 中的坐标向量f 应有如下关系： t 1 = l 。( e + 0 7 ) 巧一：= 一，。一。( + 6 z 。) l f 。= l i “( e + 0 7 , h ) t 。( e + 0 7 ) 0 矗= t o ( e + 喝) 一2 ( e + 占瓦) l 吐。( e + e ，) 将巧的表达式展开，并忽略高阶误差分量，可得： 对= 焉1 五2 正- l ，+ 磊，1 职五3 互吐。+ t o ，i 墨2 弓l j 吗冉1 互- l 。+ + 瓦1 五2 _ l 。峨h ( 3 8 ) r 州l 叫川l u p 哪，o 西安理3 - - 大学硕士学位论文 故位置误差r 0 = 一屹为： a r o = 瓦i 弼1 ! r h 。+ ( 3 - 1 0 ) 1 一，2 - l 。，砑，。+ 。_ l 。十十瓦，正，! 一。c 巧， o = 【( n f - i , j ) e ( 丌，) k j = i f = l i = j + l 上式即为机构精度的通用计算公式。对于平面机构，其变换知 阵和误差矩阵均可用3 3 阶的矩阵来表的，其位置误差的通用计算 式可写成： o = ( 血。，a y 。，o ) 7 = 【( 兀h ，) 盯，( 兀h 川o ( 3 _ 1 1 ) = ij = l ，= i + 1 式中： oy ， = ( “，1 ) ，日= ，ov ，l l0 0 o j 由( 3 - 1 1 ) 式可以看出，若已知误差矩阵日，则可以非常方便的利 用式( 3 - l 】) 求得机构的位置精度。不