Универсальный электромеханический захват робота манипулятора

1.

Направление подготовки: Мехатроника Робототехника
Профиль: Робототехнические и мехатронные системы автоматизации
Выпускная
квалификационная работа
на тему
«Универсальный
электромеханический захват
робота манипулятора»
Обучающийся: Бедин Илья
Руководитель: Андреева Алена Владимировна

2.

Актуальность,
цель и задачи
Актуальность
• Переход к цифровому
производству требует
гибких концевых устройств
• Узкоспециализированные
захваты увеличивают
простои при смене
номенклатуры
• Электромеханический
привод обеспечивает
точное позиционирование,
контроль усилия, простую
интеграцию
Цель
• Разработать и проверить
универсальный
электромеханический
захват для работы с
объектами разной
геометрии без длительной
переналадки
Задачи
1. Классифицировать ЗУ и
выбрать оптимальную
кинематику
2. Сформулировать технические
требования
3. Разработать механику,
привод, систему управления
4. Создать сменные губки
5. Изготовить прототип и
провести испытания.
6. Дать рекомендации по
промышленному внедрению
2

3.

Классиф икация
захватных устройств
По принципу действия
По кинематике
По типу привода
• Механические ✓
• Параллельные (2 губки) ✓
• Пневматический
• Вакуумные
• Трёхпальцевые
центрирующие
• Гидравлический
• Магнитные
• Электромеханический ✓
• Антропоморфные
• Адгезивные
• Soft-захваты
Для учебно-производственных задач оптимален параллельный
электромеханический захват – баланс точности, управляемости и автономности
3

4. Показатели универсальности

№
Критерий
Физический смысл
Целевой параметр проекта
1
Диапазон размеров
Минимальный и максимальный
габарит объекта
ход губок 0-70 мм, мин. толщина 5
мм
2
Усилие
захвата
Сила сжатия, удерживающая
объект при динамике
регулировка 10-100 Н, точность ±5%
3
Адаптивность к форме
Геометрическая совместимость с
профилем детали
куб, цилиндр, сфера, кольцо
4
Обратная
связь
Информационное обеспечение
замкнутого контура
позиция ±0,2 мм, дискретный сигнал
наличия
Универсальность = способность работать с разными объектами без замены механизма
4

5. Выбор привода

Сравнение электроприводов
• Шаговый двигатель (NEMA 17) – простота, доступность, контроль по току ✓
• Сервопривод – дорого, избыточно для прототипа
• Двигатель постоянного тока + редуктор – компромисс
№
Механизм
Сильная сторона
Ограничение
Выбор для проекта
1
Зубчато-реечный
Быстрый ход
люфт, слабое
удержание
Подходит для скоростных циклов, но
требует компенсации зазора
Трапецеидальный винт
Расчётное
перемещение,
самоторможение
ниже КПД, трение
Наиболее рационален для прототипа с
умеренной скоростью
Шарико-винтовая пара
Высокая точность и
КПД
Стоимость,
чувствительность к
загрязнению
Перспективна для промышленной версии
после проверки кинематики
Силовой выигрыш
Нелинейность усилия и
скорости, износ
шарниров
Уместна для специализированного
зажима, не как базовая схема
2
3
4
Рычажная схема
5

6.

Кинематика
параллельного захвата и
датчики
Параметр
Датчик
Решение в прототипе
Положение губок
Энкодер / Холл
• Один привод – синхронное
встречное движение губок
через двусторонний винт
шаговый отсчёт +
датчик нуля
Наличие объекта
Оптика / концевик
оптический датчик в
зоне контакта
• Центр объекта остаётся на
оси захвата
Усилие захвата
Тензодатчик / ток
оценка по току с
калибровкой
Крайние положения
Микровыключатели
датчик нуля +
программный предел
Состояние привода
Температура
драйвера/ ток
Регистры драйвера
TMC2209 + аварийный
флаг
Кинематическая схема
• Линейные направляющие
разгружают винт от боковых
сил
6

7.

Технические
требования и конструкция
Масса объекта
до 1 кг
Привод
NEMA 17 (шаговый)
Ход губок
5-70 мм
Передача
двусторонний трапецеидальный винт
Усилие захвата
10-100 Н
Направляющие
две линейные направляющие
Точность позиционирования
±0,3 мм
Корпус (прототип)
PETG/ABS + металлические втулки
Время полного хода
до 1,5 с
Губки
сменные накладки
Интерфейс
UART/RS-485, Modbus RTU
Крепление
переходной фланец под манипулятор
7

8.

Система
управления
Архитектура управления
Верхний уровень
контроллер робота
(команды)
Средний уровень
STM32 (конечный
автомат,
Modbus)
Нижний уровень
драйвер TMC2209,
датчики
INIT
HOME
IDLE
MOVE
GRIP
HOLD
RELEASE
FAULT
8

9.

Матрица
сменных губок
№
Тип объекта
Накладка
Материал контакта
1
Куб, корпус
плоская рифленая
алюминий + резина
2
Цилиндр, вал
V-образная 90-120°
алюминий / сталь
3
Сфера
вогнутая
полиуретан
4
Кольцо, втулка
ступенчатая
сталь + эластомер
5
Хрупкое изделие
мягкая широкая
силикон, TPU
9

10.

Изготовление
прототипа
результаты испытаний
Методика
Проверенные формы
FDM-печать корпуса, сборка без двигателя
→ проверка хода → установка привода и
электроники
Стенд: тензодатчик HX711, измеритель
хода, эталонные детали
куб ✓, цилиндр ✓, сфера ✓, кольцо ✓ (при
правильном выборе накладок)
1 ≥ 100 Н → 112 Н
4 ≤ 1,5 с → 1,35 с
2 до 70 мм→ 5-68 мм
5 до 1,2 м/с² → подтверждено
Максимальное усилие
Полезный ход губок
Время полного хода
Динамическое удержание
3 ±0,3 мм → ±0,18 мм
Повторяемость позиции
10

11. Рекомендации по доработке для промышленного применения

Приоритет первым трёх пунктов – высокий (обеспечивают переход от прототипа к промышленному образцу)
1
Заменить полимерный корпус и каретки на
алюминиевый сплав, нагруженные губки – на сталь
→ Рост жёсткости, ресурса и стабильности геометрии
при длительной эксплуатации
2
Установить кожух винта, защиту направляющих,
уплотнения корпуса
→ Стабильность трения в винтовой паре, сохранение
калибровки усилия в запылённой среде
3
Внедрить гальваническую развязку RS-485, защиту питания,
тепловой отвод драйвера
→ Снижение отказов, помехоустойчивость, работа в
длинных линиях связи
4
Добавить опциональный тензодатчик или более точный
энкодер
→ Обеспечение точного силового режима для ответственных
операций
5
Расширить диагностику, вести журнал циклов, создать
профили губок в контроллере
→ Удобство эксплуатации, быстрое переключение между
типами объектов
6
Разработать версии с разным ходом (30-150 мм) и усилием
при единой карте регистров
→ Создание серии устройств для разных задач без
переписывания ПО
11

12.

Заключение
и выводы
1. Разработан и испытан рабочий прототип универсального
электромеханического захвата
2. Обеспечены: ход 68 мм, усилие 112 Н, точность ±0,18 мм,
работа с четырьмя типами геометрии
3. Реализована открытая модульная архитектура: сменные
губки, Modbus RTU, конечный автомат управления
4. Ограничения прототипа: полимерный корпус, косвенная
оценка усилия, нагрев драйвера. Они не фатальны и
устраняются при доработке по рекомендациям
Предложена воспроизводимая мехатронная платформа для
учебных и малых производственных ячеек
12

13.

Направление подготовки: Мехатроника Робототехника
Профиль: Робототехнические и мехатронные системы автоматизации
Выпускная
квалификационная работа
на тему
«Универсальный
электромеханический захват
робота манипулятора»
Обучающийся: Бедин Илья
Руководитель: Андреева Алена Владимировна