生產(chǎn)線裝配機(jī)器人手臂項目設(shè)計方案

1 生產(chǎn)線裝配機(jī)器人手臂 項目設(shè)計方案 第 1 章 緒論 配機(jī)器人的概念 設(shè)計所指的裝配機(jī)器人是工業(yè)機(jī)器人的一種。所謂工業(yè)機(jī)器人，就是一種具有自動控制操作移動功能，能完成各種作業(yè)的可編程的機(jī)電一體化產(chǎn)品。也可稱為機(jī)器人操作臂、機(jī)器人臂、機(jī)械手等。從外形來看，它和人的手臂相似，是由一系列剛性連桿通過一系列柔性關(guān)節(jié)交替連接而成的開式鏈。這些連桿就像人的骨架，分別類似于胸、上臂和下臂，工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)相當(dāng)于人的肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)，如圖 1示。操作臂的前端裝有末端執(zhí)行器或相應(yīng)的工具。也常稱為手或手抓。手抓是由 兩個或多個手指所組成，手指可以“開”或“合”，實現(xiàn)抓取動作和細(xì)微操作。綜上所述，裝配機(jī)器人就是指應(yīng)用在自動化生產(chǎn)線通過計算機(jī)控制能夠完成所要求的裝配任務(wù)的工業(yè)機(jī)器人。 2 突 1業(yè)機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)圖 業(yè)機(jī)器人的分類 工業(yè)機(jī)器人按發(fā)展歷史的演變順序可分類三類，第一代機(jī)器人、第二代機(jī)器人和第三代機(jī)器人。 第一代機(jī)器人具有示教再現(xiàn)的功能后具有可編程 置，設(shè)有位置、速度、力等內(nèi)部信息的檢測元件（內(nèi)部傳感器）和基于這些傳感器的控制系統(tǒng)的私服機(jī)構(gòu)。現(xiàn)在工業(yè)中應(yīng)用的噴漆、搬運、電焊機(jī)器人，大多屬于第一代機(jī) 器人。 第二代機(jī)器人不僅具有內(nèi)部傳感器，還能利用外部傳感器探測外部環(huán)境和操作對象的有關(guān)信息，來改變行動，進(jìn)行規(guī)劃，適應(yīng)外界的變化和干擾。第二代機(jī)器人的中心技術(shù)是傳感器技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)。 第三代智能機(jī)器人將極大地擴(kuò)展機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域，是當(dāng)前研究的重點。智能機(jī)器人本身能夠認(rèn)識工作環(huán)境、工作對象及其狀態(tài)，他根據(jù)人給予的指令和自身認(rèn)識外界的結(jié)果，獨立地決定工作方式，由操作機(jī)構(gòu)和移動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)，并能適應(yīng)工作環(huán)境的變化。 3 業(yè)機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu) 機(jī)器人整機(jī)，基本上由兩部分組成，一是操作機(jī)，一是控制裝置，操作 機(jī)是機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)，包括： 基座、驅(qū)動器或驅(qū)動單元、手臂、手腕、末端執(zhí)行器、行走機(jī)構(gòu)以及安裝在操作機(jī)上的各種感受裝置等?？刂蒲b置一般包括計算機(jī)控制系統(tǒng)、司服驅(qū)動系統(tǒng)、電源裝置以及與操作者聯(lián)系的裝置等。 驅(qū)動器或驅(qū)動單元是機(jī)器人的動力執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)動力源的類別不同， 可分為電機(jī)驅(qū)動， 液壓驅(qū)動和氣動驅(qū)動三類。電動驅(qū)動在多數(shù)情況下采用直流、交流司服電機(jī)， 也可采用力矩電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等。 手臂和手腕是機(jī)器人操作機(jī)中的基本部件，它由旋轉(zhuǎn)運動和往復(fù)運動的機(jī)構(gòu)組成。其結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的， 但多數(shù)機(jī)器人的手臂和手腕是 由關(guān)節(jié)和桿件構(gòu)成的空間機(jī)構(gòu)， 一般有 310 個自由度組成，工業(yè)機(jī)器人一般有 3 6 個自由度，由于機(jī)器人具有多自由度手臂、手腕的機(jī)構(gòu)， 使操作運動具有通用性和靈活性， 這也是區(qū)別于一般自動機(jī)的特點。 末端執(zhí)行器是機(jī)器人手腕末端機(jī)械接口所連接的直接參與作業(yè)的機(jī)構(gòu)，如夾持器，焊鉗，焊槍，噴槍或其他作業(yè)工具，傳感器等。 裝配是產(chǎn)品生產(chǎn)的后續(xù)工序 , 在制造業(yè)中占有重要地位 , 在人力、物力、財力消耗中占有很大比例 , 作為一項新興的工業(yè)技術(shù) , 機(jī)器人裝配應(yīng)運而生。 1)我國的發(fā)展現(xiàn)狀 經(jīng)過多 年來的研究與開發(fā) , 我國在裝配機(jī)器人方面有了很大的進(jìn)步。目前在裝配機(jī)器人研制方面 , 基本掌握了機(jī)構(gòu)設(shè)計制造技術(shù) , 解決了控制、驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計和配置、軟件設(shè)計和編制等關(guān)鍵技術(shù) , 還掌握了自動化裝配線及其周邊配套設(shè)備的全線自動通信、協(xié)調(diào)控制技術(shù) , 在基礎(chǔ)元器件方面 , 諧波減速器、六軸力傳感器、運動控制器等也有了突破。 我國已研制出精密型裝配和實用型裝配機(jī)器人 ,如廣東吊扇電機(jī)機(jī)器人自動裝配線 , 小型電器機(jī)器人自動裝配線 , 以及自動導(dǎo)引汽車發(fā)動機(jī)裝配線 , 精密機(jī)芯機(jī)器人自動裝配線等機(jī)器人示范應(yīng)用工程。近幾年來 , 大 連賢科機(jī)器人技術(shù)有限公司 !與國內(nèi) 5家高校、科研所合作 , 開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的系列化模塊化直角坐標(biāo)型裝配機(jī)器人 計平臺 ;開發(fā)出兩個系列共 4 種規(guī)格的平面關(guān)節(jié) 4 型裝配機(jī)器人 ; 開發(fā)出兩種類型 3 個系列的直線運動單元以及由此組成的直角坐標(biāo)型裝配機(jī)器人 ; 研制出基于開放式體系結(jié)構(gòu)的機(jī)器人控制器。 賢科 !自主開發(fā)的裝配機(jī)器人已在家電、電子儀表、輕工等行業(yè)得到初步應(yīng)用 ,其質(zhì)量不亞于國外同類產(chǎn)品 , 是國內(nèi)當(dāng)之無愧的最精密的裝配機(jī)器人。 上海交通大學(xué)研制的 精密一號裝配機(jī)器人 !, 是一臺帶有多傳感器和多任務(wù)操作系 統(tǒng)、可離線編程的高速、高精度、四軸 面關(guān)節(jié)式智能精密裝配機(jī)器人。裝配機(jī)器人屬于高、精、尖的機(jī)電一體化產(chǎn)品 , 其自主開發(fā)一直受到國家 863智能機(jī)器人主題專家們的關(guān)注 , 必將取得更大的突破。 2)國外的發(fā)展現(xiàn)狀 美、日、西歐的制造業(yè)中約 40% 的勞動力用于裝配 , 西德電子工業(yè)產(chǎn)品總成本的 50 70% 是裝配。裝配機(jī)器人是高質(zhì)量、高柔性、高效率完成自動裝配的理想手段。所以裝配機(jī)器人得到迅速發(fā)展 , 如美國工業(yè)界 985年占工業(yè)機(jī)器 人總數(shù) 16%猛增到 35%。日本裝配機(jī)器人的增長比任何其他工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的機(jī)器人都快 , 增長速度比歐洲和美國更快。日本裝配機(jī)器人的增長臂人和其他工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的機(jī)器人都快 , 增長速度比歐洲和美國更快。日本機(jī)器人的廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域在裝配工段 , 1985年裝配機(jī)器人已達(dá) 15800臺 , 是焊接機(jī)器人的兩倍 , 成為工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中應(yīng)用最多的機(jī)器人。 1995 年為 33500 臺 , 產(chǎn)值為 2590 3000 億日元 , 到2004 年 , 達(dá)到 55000 臺 , 產(chǎn)值 4200 5100億日元。這個數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他領(lǐng)域機(jī)器人的發(fā)展速 度 , 為世界所矚目。日本作為機(jī)器人王國 , 各產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用的機(jī)器人總數(shù)占世界的 40%。其中裝配機(jī)器人近年來異軍突起 ,發(fā)展迅速。據(jù)日本產(chǎn)業(yè)機(jī)器人協(xié)會統(tǒng)計 , 在 1982 1991年的 10年中 , 日本用于裝配作業(yè)的機(jī)器人臺數(shù)為 177500臺 , 居工程應(yīng)用數(shù)量之首。據(jù)日本產(chǎn)業(yè)機(jī)器人協(xié)會的統(tǒng)計 , 日本裝配機(jī)器人 1980年左右首次達(dá)到最高點。生產(chǎn)臺數(shù)為 2849臺 , 產(chǎn)值 2497億日元 , 以后又呈上升趨勢。目前 , 日本應(yīng)用的裝配機(jī)器人的主要型號有 : 直角坐標(biāo)型、水平多關(guān)節(jié)型、垂直多關(guān)節(jié)型及圓柱坐標(biāo)型等。據(jù)日本產(chǎn)業(yè)機(jī)器人協(xié)會 的預(yù)測 , 在日本制造業(yè) , 裝配機(jī)器人的需求逐年上升。 配機(jī)器人發(fā)展趨勢 目前機(jī)器人領(lǐng)域正在加大科研力度 , 進(jìn)行裝配機(jī)器人共性技術(shù)及關(guān)鍵技術(shù) 5 的研究 , 并朝著智能化和多樣化的方向發(fā)展。主要研究內(nèi)容集中在以下幾個方面 : 1)裝配機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計技術(shù) : 探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料 , 進(jìn)一步提高負(fù)載 /自重比 , 同時機(jī)構(gòu)進(jìn)一步向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。 2)直接驅(qū)動裝配機(jī)器人 : 傳統(tǒng)機(jī)器人都要通過一些減速裝置來達(dá)到降速并提高輸出力矩 , 這些傳動鏈會增加系統(tǒng)功耗、慣量、誤差等 , 并降低系統(tǒng)可靠性 , 為了減 小關(guān)節(jié)慣性 , 實現(xiàn)高速、精密、大負(fù)載及高可靠性。一種趨勢是采用高扭矩低速電機(jī)直接驅(qū)動。 3)機(jī)器人控制技術(shù) : 重點研究開放式 , 模塊化控制系統(tǒng) , 人機(jī)界面更加友好 , 語言、圖形編程界面正在研制之中。機(jī)器人控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化 , 以及基于 程技術(shù)除進(jìn)一步提高在線編程的可操作性之外 , 離線編程的實用化的完善成為研究重點。 4)多傳感器融合技術(shù) : 為進(jìn)一步提高機(jī)器人的智能和適應(yīng)性 , 多種傳感器的使用是其問題解決的關(guān)鍵。其研究熱點在于有效可行的多傳感器融合算法 , 特別是在非線性及 非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問題就是傳感系統(tǒng)的實用化。 5)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)要求更加靈巧 , 控制系統(tǒng)愈來愈小 , 二者正朝著一體化方向發(fā)展。 6)機(jī)器人遙控及監(jiān)控技術(shù) , 機(jī)器人半自主和自主技術(shù) , 多機(jī)器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制 , 通過網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機(jī)器人遙控系統(tǒng) , 在有時延的情況下 , 建立預(yù)先顯示進(jìn)行遙控等。升虛擬機(jī)器人技術(shù) : 基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實以及臨場感技術(shù) , 實現(xiàn)機(jī)器人的虛擬遙操作和人機(jī)交互。 7)智能裝配機(jī)器人 : 裝配機(jī)器人的一個目標(biāo)是實現(xiàn)工作自主 , 因此要利用知識規(guī)劃 , 專家系統(tǒng)等人工智能研究領(lǐng)域成果 , 開發(fā)出智能型自主移動裝配機(jī)器人 ,能在各種裝配工作站工作。 8)并聯(lián)機(jī)器人 : 傳統(tǒng)機(jī)器人采用連桿和關(guān)節(jié)串聯(lián)結(jié)構(gòu) , 而并聯(lián)機(jī)器人具有非累積定位誤差 , 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的分布得到改善、結(jié)構(gòu)緊湊、剛性提高、承載能力增加等優(yōu)點 , 而且其逆位置問題比較直接、奇異位置相對較少 , 所以近些年來倍受重視。 9)協(xié)作裝配機(jī)器人 : 隨著裝配機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大 , 對裝配機(jī)器人也提 6 出一些新要求 , 如多機(jī)器人之間的協(xié)作 , 同一機(jī)器人雙臂的協(xié)作 , 甚至人與機(jī)器人的協(xié)作 , 這對一于重型或精密裝配任務(wù)非常重要 。 10)多智能體 (協(xié)調(diào)控制技術(shù) : 這是目前機(jī)器人研究的一個嶄新領(lǐng)域 , 主要對多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機(jī)理 , 感知與學(xué)習(xí)方法 , 建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進(jìn)行研究 1。 題研究的意義與內(nèi)容 隨著計算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展 , 必將迎來裝配機(jī)器人的飛速發(fā)展。我國機(jī)器人技術(shù)雖起步較晚 , 在國家科技攻關(guān)項目及國家 863計劃的支持下也得到了一定的發(fā)展 , 但與國際先進(jìn)水平還有很大差距 , 目前國際機(jī)器人界都在加大科研力度 ,進(jìn)行機(jī)器人共性技術(shù)及關(guān)鍵技 術(shù)的研究 , 并朝著智能化和多樣化方向發(fā)展。因此 , 發(fā)展我國的裝配機(jī)器人事業(yè)急不可待。我對于本課題的研究，通過對課題的逐步深入和研究，來完成對裝配機(jī)器人的初步設(shè)計，在這基礎(chǔ)上我還想做出一些創(chuàng)新，一方面開發(fā)一下創(chuàng)新思維，一方面在這個領(lǐng)域里做出一點突破，為裝配機(jī)器人事業(yè)出一份力。 這次畢業(yè)設(shè)計對我以后學(xué)習(xí)和工作也有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實意義 ： 1）對設(shè)計方案的思考，還有對設(shè)計中一些關(guān)鍵問題的解決，這些都培養(yǎng)了我自己進(jìn)行綜合分析和提高解決實際問題的能力，從而達(dá)到鞏固、擴(kuò)大、深化所學(xué)知識的目的。 2）在設(shè)計中，查閱相關(guān)資料、 手冊，學(xué)習(xí)這些資料中的知識要點和設(shè)計方法，從而運用到自己的設(shè)計中。這些培養(yǎng)了我調(diào)查研究，熟悉有關(guān)技術(shù)政策，運用國家標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊、圖冊等工具書，進(jìn)行設(shè)計計算、數(shù)據(jù)處理、編寫技術(shù)文件的獨立工作能力。 3）通過指導(dǎo)教師地言傳身教，還有自己對設(shè)計的見解，研究出一套或是多套設(shè)計方案。這樣使自己建立正確的設(shè)計思想；初步掌握解決本專業(yè)工程技術(shù)問題的方法和手段；從而使自己受到一次工程師的基本訓(xùn)練。 本設(shè)計的主要的設(shè)計要求如下： 該 關(guān)節(jié)型 裝配機(jī)器人的設(shè)計，要求機(jī)器人結(jié)構(gòu)本體簡單、輕量、低摩擦和較低的重復(fù)定位精度。對機(jī)器 人的控制采用單片機(jī)的控制系統(tǒng)，利用 成對機(jī)器人的定向、定位以及手抓動作的精確控制。 7 要求機(jī)器人動作迅速、便于控制。 第 2 章 裝配機(jī)器人的總體設(shè)計 本 章對 生產(chǎn)線自動轉(zhuǎn)配機(jī)器人 的工作模式、總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析與設(shè)計。結(jié)合具體的使用過程， 對系統(tǒng)實現(xiàn)的功能和可靠性要求等方面進(jìn)行了簡要介紹。 計目標(biāo)和設(shè)計內(nèi)容 本次設(shè)計的最終目的是在確保零件的安全搬運的情況下，實現(xiàn)軸類零件準(zhǔn)確裝配的機(jī)器人自動化裝配， 從而實現(xiàn)工裝配生產(chǎn)線的全自動化。在本次設(shè) 計中， 需要完成機(jī)器人各部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計和部分之間的準(zhǔn)確連接； 選擇合適的傳動方式和驅(qū)動電機(jī)， 實現(xiàn)準(zhǔn)確的傳動精度和運行的平穩(wěn)性； 設(shè)計合理的末端執(zhí)行器用以完成對零件（如軸、盤等）的加持和裝配；選擇合適的減速器在保證合適傳動比的情況下，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的緊湊。 8 本設(shè)計所要解決的主要問題是：三自由度腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計，腕部的傳動方法的結(jié)構(gòu)設(shè)計；各部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計；在保證結(jié)構(gòu)緊湊的情況下，各部分相互連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計；各個關(guān)節(jié)驅(qū)動的結(jié)構(gòu)設(shè)計和各件的安裝等 。 計方案 動方案的確定 根據(jù)主要的運動參數(shù)選擇運動 形式是結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)。常見機(jī)器人的運動形式有五種：直角坐標(biāo)型 、 圓柱坐標(biāo)型、極坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)型和 ，同一種運動形式為適應(yīng)不同生產(chǎn)工藝的需要，可采用不同的結(jié)構(gòu)。所選用的運動形式，在滿足需要的情況下，應(yīng)使自由度最少 、 結(jié)構(gòu)最簡單。 在以上五種運動形式中，關(guān)節(jié)型機(jī)器人動作靈活，工作空間大，在作業(yè)空間內(nèi)手臂的干涉最小，結(jié)構(gòu)緊湊 ， 占地面積小，關(guān)節(jié)上相對運動部位容易密封防塵，這些特點都符合裝配機(jī)器人的設(shè)計要求，因此 ， 本設(shè)計運動方式確定為關(guān)節(jié)型。 圖 2節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡圖 關(guān)節(jié)機(jī)器人由 2 個肩關(guān)節(jié)和 1 個 肘關(guān)節(jié)進(jìn)行定位，由 2 個或 3 個腕關(guān)節(jié)進(jìn)行定向。其中，一個肩關(guān)節(jié)繞鉛直軸線旋轉(zhuǎn)，另一個肩關(guān)節(jié)實現(xiàn)仰俯。這兩個肩關(guān)節(jié)正交。肘關(guān)節(jié)平行于第二個肩關(guān)節(jié)軸線。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖 2 9 動方式的確定 傳動機(jī)構(gòu)用來把驅(qū)動器的運動傳遞到關(guān)節(jié)和動作部位。機(jī)器人中常用的傳動機(jī)構(gòu)有： 齒輪傳動、螺旋傳動、皮帶及鏈傳動、流體傳動和連桿機(jī)構(gòu)與凸輪傳動。 機(jī)器人中常用的齒輪傳動機(jī)構(gòu)是行星齒輪傳動機(jī)構(gòu)和諧波傳動機(jī)構(gòu)。電動機(jī)是高轉(zhuǎn)速、小力矩的驅(qū)動器， 而機(jī)器人通常卻要求低轉(zhuǎn)速、大力矩， 因此， 常用行星齒輪 機(jī)構(gòu)和諧波傳動機(jī)構(gòu)減速器來完成速度和力矩的變換和調(diào)節(jié)。此外， 由于諧波傳動的結(jié)構(gòu)簡單、體積小，重量輕、傳動精度高、承載能力大、傳動比大， 且具有高阻尼特性。因此， 在本次的設(shè)計中選用諧波傳動。 在手抓的設(shè)計中，為了實現(xiàn)手抓的“開”、“合”，主要的傳動方式有齒輪齒條傳動、平行四桿機(jī)構(gòu)傳動等，齒輪齒條傳動，不僅能實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動向直線運動的轉(zhuǎn)換，而且傳動較為精確，結(jié)構(gòu)緊湊，便于設(shè)計，所以手抓的傳動方式選用齒輪齒條轉(zhuǎn)動。 同步帶傳動是機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計中常用到的傳動方式，同步帶也叫做 同步齒形帶，帶內(nèi)側(cè)的工作面制成齒形，帶輪的輪緣表面也制成相應(yīng)的齒形帶與帶輪是靠齒的嚙合進(jìn)行傳動的。同步帶通常以鋼絲繩作負(fù)載心層，由于鋼絲繩受載后變形極小，仍能保持帶長不變，故帶與帶輪間不會產(chǎn)生相對滑動，傳動比 較 恒定。同步帶薄而輕，可用于高速場合，效率可達(dá) 98%，以上同步帶傳動的優(yōu)點都很適合本設(shè)計的傳動要求 3，能實現(xiàn)關(guān)節(jié) 3 的準(zhǔn)確傳動，因此，在本設(shè)計中還應(yīng)用到同步帶傳動。 動電機(jī)的選擇 驅(qū)動機(jī)器人關(guān)節(jié)運動的電機(jī)有伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)等，其中步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單。制造容易、價格低廉。它的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動 慣量小、動態(tài)響應(yīng)速度快、易于啟停、正反轉(zhuǎn)和無級變速也容易實現(xiàn)。這其中動態(tài)響應(yīng)速度快、易于啟停、容易實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和無級變速的特點和適合本設(shè)計的要求。因此，本設(shè)計選用步 10 進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)放的種類很多，主要按其工作原理可分為反應(yīng)式、永磁式和混合式（永磁感應(yīng)式）步進(jìn)電機(jī)。其中，混合式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上此案有永久磁鋼，可以說是永磁式，但是從定子和轉(zhuǎn)子的導(dǎo)磁體來看，又和反應(yīng)式相似，所以是永磁式和反應(yīng)式相結(jié)合的一種形式，故稱為混合式。該類電機(jī)的特點是輸出轉(zhuǎn)巨大、動態(tài)性能好、步距角小、驅(qū)動電源電流小、功耗低、性價比 較高，綜合了永磁式和反應(yīng)式兩種電機(jī)的特點，當(dāng)繞組斷電時具有自鎖能力，本設(shè)計每個關(guān)節(jié)的動態(tài)轉(zhuǎn)矩較小，運用混合式這一特點就可以實現(xiàn)斷電式的關(guān)節(jié)自鎖，因此，本設(shè)計選用混合式步進(jìn)電機(jī)。 第 3 章 裝配機(jī)器人手臂各部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計 本設(shè)計參數(shù) 1） 結(jié)構(gòu)形式： 關(guān)節(jié)式 2） 自由度數(shù)： 6 3） 驅(qū)動方式： 混合型步進(jìn)電機(jī) 4） 大臂回轉(zhuǎn)角度 ： 20/s 5） 小臂回轉(zhuǎn)角度： 45 6） 手腕回轉(zhuǎn)角度： 180 7） 大臂長度 : 250） 小臂長度 : 250） 最大持重： 0） 環(huán)境溫度 ： 0 500 C 11） 電源： 3 相； 380V/5011 器人各關(guān)節(jié)力和力矩的計算 上一節(jié)列出的設(shè)計參數(shù)中，裝配機(jī)器人的最大持重為 加上手爪的重量和工作中的不確定因素，初步確定機(jī)器人的末端載荷重量為 即載荷 。 這里計算機(jī)器人各關(guān)節(jié)所受的力和力矩時，采用力雅克比矩陣，將廣義操作力矢量通過力雅克比矩陣換算成關(guān)節(jié)力矢量，從而計算出每個關(guān)節(jié)所受的力和力矩。具體過程如下： 本設(shè)計仿照 器人的雅克比建立 過程 5計算出本設(shè)計機(jī)器人的雅克比矩陣，如下： , , ,以此類推。 12 13 當(dāng) ， 時， 已知末端廣義力矢量 式中， n 為末端所受力矩。 設(shè) 為 6關(guān)節(jié)的驅(qū)動力 由公式 得出驅(qū)動力為： 設(shè) 為 6關(guān)節(jié)所受力矩 由上式得出 14 由此，就得出了每個關(guān)節(jié)所受的力和力矩。 器人各關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的設(shè)計 節(jié) 1（腰部）的 結(jié)構(gòu)設(shè)計 腰部的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖 3方的步進(jìn)電機(jī)帶動諧波齒輪 6的波發(fā)生器旋轉(zhuǎn)，通過諧波齒輪傳動來實現(xiàn)減速增距，輸出通過鍵連接和螺栓連接與其他部分連接，實現(xiàn)了關(guān)節(jié) 1的旋轉(zhuǎn)運動。 圖 3節(jié) 1的結(jié)構(gòu)圖 上圖中，步進(jìn)電機(jī)用螺栓固定在電機(jī)底座上，諧波齒輪采用柔輪固定，波發(fā)生器輸入，鋼輪輸出的傳動形式，柔輪同樣固定在電機(jī)底座上，電機(jī)與波發(fā)生器采用鍵連接實現(xiàn)徑向固定，由于電機(jī)輸出軸所受的軸向力較小，所以利用 2個彈性擋圈就可以實現(xiàn)軸向固定。圖中的軸承選用的是深溝球軸承，因為輸出軸基本不受軸向 力。 15 彈簧。具體結(jié)構(gòu)如圖 3示。 圖 3爪的結(jié)構(gòu)圖 手爪中的齒輪的設(shè)計過程如下： 16 齒條所受的力主要是夾持工件是所受的反作用力 工件重力 取摩擦系數(shù) 則 工作載荷 初定齒輪模數(shù) 齒數(shù) 則 設(shè)傳動比 轉(zhuǎn)矩 小齒輪用 40質(zhì)處理，硬度 24186均取為 260齒輪用 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度 22986均取為 240齒傳動。 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算 初步計算小齒輪直徑 小齒輪轉(zhuǎn)矩 80寬系數(shù) 參照表齒輪相對于軸承的位置懸臂布置時，軟齒面接觸，d= 除疲勞極限 =710580步計算的許用接觸應(yīng)力 由公式 39 22d 值 取 5 初步計算小齒輪直徑 d1 85x = 取0步齒寬 b= 取b=1517 校核計算 圓周速度： v= = =s 精度等級 選 8 級精度 初選齒數(shù) z 和模數(shù) m 0；z2=80mm m=d1/0/20=用系數(shù) 載系數(shù) 間載荷分配系數(shù) ， 先求 = =12N = =00N/)=)= = = 由此得 = = =向載荷分配系數(shù) =A+B( ) +C1005 荷系數(shù) K K=18 彈性系數(shù) 89 節(jié)點區(qū)域系數(shù) 觸最小安全系數(shù) 觸壽命系數(shù) 用接觸應(yīng)力 = = =798 = = =845算 =364計算結(jié)果表明，齒輪傳動副接觸疲勞強(qiáng)度比較合適，齒輪尺寸無需調(diào)整。否則，尺寸調(diào)整后還應(yīng)再進(jìn)行驗算。 確定傳動主要尺寸 實 際 分 度 圓 直 徑 d 齒 輪 無 需 圓 整 d1=0mm d2=0心 a a= =195寬 b 0mm；0根彎曲疲勞強(qiáng)度計算 重合度系 =間載荷分配系數(shù) =向載荷分配系 b/h=20/(19 =荷 K K= =形系數(shù) =力修正系數(shù) =曲疲勞極限 =600450曲最小安全系數(shù) =曲壽命系數(shù) 寸系數(shù) 用彎曲應(yīng)力 = = =456 = =456算 20 61 傳動無嚴(yán)重過載，故不做靜強(qiáng)度校核。 綜上可得，所選齒輪傳動副材料尺寸合格。 以上有關(guān)齒輪副校核計算內(nèi)容中所 用公式，圖表等均參照機(jī)械設(shè)計（第四版） 第 4 章 裝配機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 制電路各芯片的選擇 1)單片機(jī) 最常見的 列單片機(jī)，是 司早期的成熟的單片機(jī)產(chǎn)品，應(yīng)用范圍涉及到各行各業(yè) 8，下面是它的引腳圖和在本設(shè)計系統(tǒng)中應(yīng)用到的接線方法。 21 圖 4腳圖 （ 1）主電源引腳 地 常操作時為 +5 伏電源 （ 2）外接晶振引腳 內(nèi)部振 蕩電路反相放大器的輸入端，是外接晶體的一個引腳。當(dāng)采用外部振蕩器時，此引腳接地。 內(nèi)部振蕩電路反相放大器的輸出端。是外接晶體的另一端。當(dāng)采用外部振蕩器時，此引腳接外部振蕩源。 （ 3）控制或與其它電源復(fù)用引腳 ， 和 / 當(dāng)振蕩器運行時，在此引腳上出現(xiàn)兩個機(jī)器周期的高電平（由低到高跳變），將使單片機(jī)復(fù)位 22 在 電期間，此引腳可接上備用電源，由 內(nèi)部提供備用電源，以保持內(nèi)部 的數(shù)據(jù)。 正常操作時為 能（允許地址鎖 存）提供把地址的低字節(jié)鎖存到外部鎖存器， 腳以不變的頻率（振蕩器頻率的 ）周期性地發(fā)出正脈沖信號。因此，它可用作對外輸出的時鐘，或用于定時目的。但要注意，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 沖， 可以驅(qū)動（吸收或輸出電流）八個 路。 對于 單片機(jī)，在 程期間，此引腳接收編程脈沖（ 功能） /內(nèi)部程序存儲器和外部程序存儲器選擇端。當(dāng) /高電平時，訪問內(nèi)部程序存儲器，當(dāng) /低電平時，則訪問外部程序存儲器。 2) 步進(jìn)電機(jī)芯片式驅(qū)動器 選擇 圖 4(1)特性： 雙全橋 動，低導(dǎo)通電阻 最高耐壓 40電流 （峰值） ;多種細(xì)分可選（ 1、 1/2、 1/4、 1/8、 1/16、 1/32、 1/64、1/128） ;自動半流鎖定功能 ;內(nèi)置混合式衰減模式 ;內(nèi)置輸入下拉電阻 內(nèi)置溫度保護(hù)及過流保護(hù) (2)管腳說明 : 表 4腳 表 端子 端子符號 端子說明 1 23 2 反轉(zhuǎn)信號輸入端 3 沖信號輸入端 4 波頻率設(shè)定電容連接端 5 流設(shè)定端 6 7 相 出端 8 相 電流檢測電阻連接端 9 相 出端 10 11 相 出端 12 相 電流檢測電阻連接端 13 相 出端 14 源 接端 15 源 16 分設(shè)置端 17 分設(shè)置端 18 分設(shè)置端 19 機(jī)信號控制端 (3)端子說明： 機(jī)正反轉(zhuǎn)控制 低電平時，電機(jī)正轉(zhuǎn) 機(jī)反轉(zhuǎn)； 使能端 子為低電平時，輸出強(qiáng)制關(guān)斷，為高阻狀態(tài)； 新置為高電平時，恢復(fù)輸出； 流設(shè)定端，調(diào)整此端電壓即可設(shè)定驅(qū)動電流值 100%） = 1/5） *（ 1/ )外接檢測電阻 (例 )阻為 定電流為： (5) = 波頻率由 據(jù)下面的公式設(shè)定。 1 ( 10 10(（例）00波頻率如下。 = 1 / (10010 1010 = 100(（電容值一般選在 100 470間，對應(yīng)的斬波頻率為 1001 當(dāng) 片的輸出電流將自動降為正常工作電流的一半。 (4) 衰和慢衰的比列為 1： 4 。 該 防止對電源或?qū)Φ囟搪穼?dǎo)致 壞的情況，內(nèi)置了短路保護(hù)電路，使輸出置于待機(jī)模式。檢測出輸出短路狀態(tài)時，短路檢出電路動作，關(guān)斷一次輸 24 出。此后，延遲一段時間（ 56后再度輸出，如輸出仍然短路的話，將輸出固定于待機(jī)模式。由輸出短路保護(hù)電路動作而使輸出固定于待機(jī)模式的場合，可給 制電路原理圖的設(shè)計 本設(shè)計對控制系統(tǒng)的要求主要是對步進(jìn)電機(jī)的控制，控制電路主要的控制原理是， 單片機(jī) 接光電隔離器上，為控制系統(tǒng)提供脈沖信號；線如圖所示；由于需要控制的步進(jìn)電機(jī)較多，所以 引腳控制設(shè)置較多 ;具體接線如圖 4示。 圖 4從 出的脈沖信號還需要經(jīng)過光電隔離電路還有功率放大電路才能驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)工作，因此，控制系統(tǒng)中還設(shè)計了光電隔離和功率放大電路 。 25 結(jié)論 畢業(yè)設(shè)計是我們作為學(xué)生在學(xué)習(xí)階段的最后一個環(huán)節(jié)，是對所學(xué)基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識的一種綜合應(yīng)用，是一種綜合的再學(xué)習(xí)、再提高的過程，這一過程對學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和獨立思考及工作能力也是一個 培養(yǎng)，同時畢業(yè)設(shè)計的水平也反映了大學(xué)教育的綜合水平。在大學(xué)的學(xué)習(xí)過程中，畢業(yè)設(shè)計是一個重要的環(huán)節(jié)，是我們步入社會參與實際工作的一次極好的演示， 也是對我們自學(xué)能力和解決問題能力的一次考驗，是學(xué)校生活與社會生活間的過渡。 在完成畢業(yè)設(shè)計的時候，我盡量的把畢業(yè)設(shè)計和實際工作有機(jī)的結(jié)合起來，實踐與理論相結(jié)合。這樣更有利于自己能力的提高。 社會是在不斷的變化、發(fā)展的，眼下社會變革迅速，對人才的要求也越來越高，要用發(fā)展的眼光看問題，要學(xué)會學(xué)習(xí)，學(xué)會創(chuàng)新