畢業(yè)設計（論文）多功能取料機攜手一體化設計

1、 畢業(yè)論文（設計）題 目： 多功能取料機械手一體化設計 系部名稱： 專業(yè)班級： 學生姓名： 學 號： 指導教師： 教師職稱： 摘 要 在當今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過程的自動化程度，工業(yè)機器人作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認同并采用。工業(yè)機器人的技術水平和應用程度在一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的水平，目前，工業(yè)機器人主要承擔著焊接、噴涂、搬運以及堆垛等重復性并且勞動強度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。本文將設計一臺四自由度的工業(yè)機器人，用于給沖壓設備運送物料。首先，本文將設計機器人的底座、大臂、小臂和機械手的結構，然后選擇合適

2、的傳動方式、驅(qū)動方式，搭建機器人的結構平臺；在此基礎上，本文將設計該機器人的控制系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集卡和伺服放大器的選擇、反饋方式和反饋元件的選擇、端子板電路的選擇設計以及控制軟件的運用，重點加強控制軟件的可靠性和機器人運行過程的安全性，最終實現(xiàn)的目標包括：關節(jié)的伺服控制和制動問題、實時監(jiān)測機器人的各個關節(jié)的運動情況、機器人的示教編程和修改程序、程序的自動運行。關鍵詞：機器人，示教編程，伺服，自動，制動multifunctional material taking integrative design of manipulatorabstractin the modern large-scale

3、 manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. as an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by

4、 enterprises. the technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and

5、 take high work strength, and most of these robots work in playback way.in this paper i will design an industrial robot with four dofs, which is used to carry material for a punch. first i will design the structure of the base, the big arm, the small arm and the end manipulator of the robot, then ch

6、oose proper drive method and transmission method, building the mechanical structure of the robot. on this foundation, i will design the control system of the robot, including choosing daq card, servo control, feedback method and designing electric circuit of the terminal card and control software. g

7、reat attention will be paid on the reliability of the control software and the robot safety during running. the aims to realize finally include: servocontrol and brake of the joint, monitoring the movement of each joint in realtime, playback programming and modifying the program online, setting refe

8、rence point and returning to reference point.keywords: robot playback servocontrol automatic brake目 錄第1章 緒論 11.1 機器人概述 11.2 機器人的歷史、現(xiàn)狀 31.3 機器人的發(fā)展趨勢 5第2章 機器人平臺設計及機械手的設計 62.1自由度及關節(jié) 62.2 基座及連桿 92.2.1 基座 92.2.2 大臂 92.2.3 小臂 102.3 機械手的設計 102.4 驅(qū)動方式 122.5 傳動方式 152.6 制動器 16第3章 機械手控制系統(tǒng)的設計 183.1 控制系統(tǒng)硬件的設計 18

9、3.2 控制系統(tǒng)軟件的設計 21第4章 結論 264.1 所完成的工作 264.2 設計經(jīng)驗 264.3 誤差分析 264.4 可以繼續(xù)探索的方向 27致 謝 28參考文獻 29第1章 緒論1.1 機器人概述 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為突出的主題。化工等連續(xù)性生產(chǎn)過程的自動化已基本得到解決。但在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機床是大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法；程控機床、數(shù)控機床、加工中心等自動化機械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，有待于進一步實現(xiàn)機械化。機器人的出現(xiàn)并得到應用，為這些作業(yè)的機械化奠

10、定了良好的基礎?！肮I(yè)機器人”（industrial robot）：多數(shù)是指程序可變（編）的獨立的自動抓取、搬運工件、操作工具的裝置（國內(nèi)稱作工業(yè)機器人或通用機器人）。 機器人是一種具有人體上肢的部分功能，工作程序固定的自動化裝置。機器人具有結構簡單、成本低廉、維修容易的優(yōu)勢，但功能較少，適應性較差。目前我國常把具有上述特點的機器人稱為專用機器人，而把工業(yè)機械人稱為通用機器人。簡而言之，機器人就是用機器代替人手，把工件由某個地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進行加工。 機器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機器人，也即本文所研究的對象。它是一種獨立的、不附屬于某一主機的

11、裝置，可以根據(jù)任務的需要編制程序，以完成各項規(guī)定操作。它是除具備普通機械的物理性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機（manipulator）。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機器人來進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機器人，主要附屬于自動機床或自動生產(chǎn)線上，用以解決機床上下料和工件傳送。這種機器人在國外通常被稱之為“mechanical hand”，它是為主機服務的，由主機驅(qū)動。除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。機器人按照結構形式的不同又可分為多種類型，其中

12、關節(jié)型機器人以其結構緊湊，所占空間體積小，相對工作空間最大，甚至能繞過基座周圍的一些障礙物等這樣一些特點，成為機器人中使用最多的一種結構形式，世界一些著名機器人的本體部分都采用這種機構形式的機器人。要機器人像人一樣拿取東西，最簡單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關節(jié)等部分組成的抓取和移動機構執(zhí)行機構；像肌肉那樣使手臂運動的驅(qū)動傳動系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了機器人的性能。一般而言，機器人通常就是由執(zhí)行機構、驅(qū)動傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如圖 1-1 所示。圖1-1 機器人的一般組成對于現(xiàn)代智能機器人而言，還具有智能系統(tǒng)，主要是感覺裝置、視覺裝置和語言

13、識別裝置等。目前研究主要集中在賦予機器人“眼睛”，使它能識別物體和躲避障礙物，以及機器人的觸覺裝置。機器人的這些組成部分并不是各自獨立的，或者說并不是簡單的疊加在一起，從而構成一個機器人的。要實現(xiàn)機器人所期望實現(xiàn)的功能，機器人的各部分之間必然還存在著相互關聯(lián)、相互影響和相互制約。它們之間的相互關系如圖1-2 所示。 圖1-2 機器人各組成部分之間的關系機器人的機械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機構和驅(qū)動傳動系統(tǒng)組成。執(zhí)行機構是機器人賴以完成工作任務的實體，通常由連桿和關節(jié)組成，由驅(qū)動傳動系統(tǒng)提供動力，按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務。驅(qū)動傳動系統(tǒng)主要包括驅(qū)動機構和傳動系統(tǒng)。驅(qū)動機構提供機器人各關節(jié)所需要的動力，傳

14、動系統(tǒng)則將驅(qū)動力轉(zhuǎn)換為滿足機器人各關節(jié)力矩和運動所要求的驅(qū)動力或力矩。有的文獻則把機器人分為機械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。其中的機械系統(tǒng)又叫操作機(manipulator)，相當于本文中的執(zhí)行機構部分。1.2 機器人的歷史、現(xiàn)狀 機器人首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機器人。它的結構特點是機體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教型的。 日本是工業(yè)機器人發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進兩種典型機器人后，大力從事機器人的研究。 目前工業(yè)機器人大部分還屬于第一代，主要依靠人工進行控制；控制方式則為開環(huán)式，沒有識別能力；改

15、進的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代機器人正在加緊研制。它設有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息進行反饋，使機器人具有感覺機能。 第三代機器人（機器人）則能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)fms(flexible manufacturing system) 和柔性制造單元fmc(flexible manufacturing cell) 中的重要一環(huán)。 隨著工業(yè)機器人研究制造和應用領域不斷擴大，國際性學術交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術交流活動開展很多。國際工業(yè)機器

16、人會議isir決定每年召開一次會議，討論和研究機器人的發(fā)展及應用問題。 目前，工業(yè)機器人主要用于裝卸、搬運、焊接、鑄鍛和熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面還不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。使用工業(yè)機器人代替人工操作的，主要是在危險作業(yè)（廣義的）、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作業(yè)的環(huán)境。 在國外機械制造業(yè)中，工業(yè)機器人應用較多，發(fā)展較快。目前主要應用于機床、模鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先制訂的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但還不具備傳感反饋能力，不能應付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時，就將引起零部件甚至機器人本身的損壞。 隨著現(xiàn)代化科學技術的飛速發(fā)展和社會的進步，

17、針對于上述各個領域的機器人系統(tǒng)的應用和研究對系統(tǒng)本身也提出越來越多的要求。制造業(yè)要求機器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強大的編程環(huán)境，適應不同的應用場合和多品種、小批量的生產(chǎn)過程。計算機集成制造（cim）要求機器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動化設備集成在一起。研究人員為了提高機器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機器人系統(tǒng)具有開放結構和集成各種外部傳感器的能力。然而，目前商品化的機器人系統(tǒng)多采用封閉結構的專用控制器，一般采用專用計算機作為上層主控計算機，使用專用機器人語言作為離線編程工具，采用專用微處理器，并將控制算法固化在eprom中，這種專用系統(tǒng)很難（或不可能）集成外部硬件和軟件。修改封閉系統(tǒng)的代價是非常

18、昂貴的，如果不進行重新設計，多數(shù)情況下技術上是不可能的。解決這些問題的根本辦法是研究和使用具有開放結構的機器人系統(tǒng)。美國工業(yè)機器人技術的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下幾個階段：（1）1963-1967年為試驗定型階段。1963-1966年，萬能自動化公司制造的工業(yè)機器人供用戶做工藝試驗。1967年，該公司生產(chǎn)的工業(yè)機器人定型為1900型。（2）1968-1970年為實際應用階段。這一時期，工業(yè)機器人在美國進入應用階段，例如，美國通用汽車公司1968年訂購了68臺工業(yè)機器人；1969年該公司又自行研制出sam新工業(yè)機器人，并用21組成電焊小汽車車身的焊接自動線；又如，美國克萊斯勒汽車公司32條沖壓自動線上

19、的448臺沖床都用工業(yè)機器人傳遞工件。（3）1970年至今一直處于推廣應用和技術發(fā)展階段。1970-1972年，工業(yè)機器人處于技術發(fā)展階段。1970年4月美國在伊利斯工學院研究所召開了第一屆全國工業(yè)機器人會議。據(jù)當時統(tǒng)計，美國大約200臺工業(yè)機器人，工作時間共達60萬小時以上，與此同時，出現(xiàn)了所謂了高級機器人，例如：森德斯蘭德公司（sundstrand）發(fā)明了用小型計算機控制50臺機器人的系統(tǒng)。又如，萬能自動公司制成了由25臺機器人組成的汽車車輪生產(chǎn)自動線。麻省理工學院研制了具有有“手眼”系統(tǒng)的高識別能力微型機器人。其他國家，如日本、蘇聯(lián)、西歐，大多是從1967，1968年開始以美國的“ver

20、satran”和“unimate”型機器人為藍本開始進行研制的。就日本來說，1967年，日本豐田織機公司 引進美國的“versatran”,川崎重工公司引進“unimate”，并獲得迅速發(fā)展。通過引進技術、仿制、改造創(chuàng)新。很快研制出國產(chǎn)化機器人，技術水平很快趕上美國并超過其他國家。經(jīng)過大約10年的實用化時期以后，從1980年開始進入廣泛的普及時代。我國雖然開始研制工業(yè)機器人僅比日本晚5-6年，但是由于種種原因，工業(yè)機器人技術的發(fā)展比較慢。目前我國已開始有計劃地從國外引進工業(yè)機器人技術，通過引進、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機器人將會獲得快速的發(fā)展。1.3機器人發(fā)展趨勢 隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術的提高，機器

21、人設計生產(chǎn)能力進一步得到加強，尤其當機器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結合，從而改變目前機械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。 就目前來看，總的來說現(xiàn)代工業(yè)機器人有以下幾個發(fā)展趨勢： a)提高運動速度和運動精度，減少重量和占用空間，加速機器人功能部件的標準化和模塊化，將機器人的各個機械模塊、控制模塊、檢測模塊組成結構不同的機器人。 b)開發(fā)各種新型結構用于不同類型的場合，如開發(fā)微動機構用以保證精度；開發(fā)多關節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機器人，以適應不同的場合。 c)研制各類傳感器及檢測元器件，如，觸覺、視覺、聽覺、味覺、和測距傳感器等，用傳感器獲得工作對象周圍的外界環(huán)境信息

22、、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識別、狀態(tài)檢測。并采用專家系統(tǒng)進行問題求解、動作規(guī)劃，同時，越來越多的系統(tǒng)采用微機進行控制。第2章 實驗平臺設計及機械手的設計該設計的目的是為了設計一臺物料搬運機器人，利用現(xiàn)有已經(jīng)報廢的焊接機器人，本文的中結構設計主要偏向于對原有機構的改造和機械手的設計。在本次設計中，機械人的主要功能是：識別并抓取工件，然后將工件放到指定位置；主要動作包括：夾緊、提升、平行移動、下降、松開，回到原位置。其本體設計如圖2-1 所示。2.1自由度及關節(jié) 圖2-1該機器人具有四個自由度 ，即腰關節(jié)、肩關節(jié)、肘關節(jié)和腕關節(jié)，都為轉(zhuǎn)動關節(jié)；還有一個用于夾持物料的機械手。根據(jù)主要的運動參數(shù)選

23、擇運動形式是結構設計的基礎。常見機器人的運動形式有四種，下面分別論述其特點，然后確定運動形式。2.11.直角坐標型機器人 直角坐標型機器人的結構簡圖如圖1-1所示，它在x,y,z軸上的運動是獨立的，3個關節(jié)都是移動關節(jié)，關節(jié)軸線相互垂直，它主要用于生產(chǎn)設備的上下料，也可用于高精度的裝卸和檢測和作業(yè)。這種形式的主要特點是： (1)在三個直線方向上移動，運動容易想象。 (2)計算比較方便。 (3)由于可以兩端支撐，對于給定的結構長度，其剛性最大。 (4)要求保留較大的移動空間，占用空間較大。 (5)要求有較大的平面安裝區(qū)域。 (6)滑動部件表面的密封較困難，容易被污染。2.12圓柱坐標型機器人圓柱

24、坐標型機器人的結構簡圖如圖1-2所示，r、和x為坐標系的三個坐標，其中r是手臂的徑向長度，是手臂的角位置，x是垂直方向上手臂的位置。這種形式的主要特點是：(1)容易想象和計算。(2)能夠伸入形腔式機器內(nèi)部。(3)空間定位比較直觀。(4)直線驅(qū)動部分難以密封、防塵及防御腐蝕物質(zhì)。(5)手臂端部可以達到的空間受限制，不能到達靠近立柱或地面的空間。2.13.極坐標型機器人 極坐標型機器人又稱為球坐標機器人，其結構圖如圖1-3所示，r，和為坐標系的坐標。其中是繞手臂支撐底座垂直軸的轉(zhuǎn)動角，是手臂在鉛垂面內(nèi)的的擺動角。這種機器人運動所形成的軌跡表面是半球面。其特點是： (1)在中心支架附近的工作范圍較大

25、。 (2)兩個轉(zhuǎn)動驅(qū)動裝置容易密封。 (3)覆蓋工作空間較大。 (4)坐標系較復雜，較難想象和控制。 (5)直線驅(qū)動裝置仍存在密封問題。 (6)存在工作死區(qū)。2.14.多關節(jié)機器人 多關節(jié)機器人結構簡圖如圖1-4所示，它是以其各相鄰運動部件之間的相對角位移作為坐標系的。、和為坐標系的坐標，其中是繞底座鉛垂軸的轉(zhuǎn)角，是過底座的水平線與第一臂之間的夾角，是第二臂相對于第一臂的轉(zhuǎn)角。這種機器人手臂可以達到球形體積內(nèi)絕大部分位置，所能達到區(qū)域的形狀取決于兩個臂的長度比例。其特點是：(1)動作較靈活，工作空間大。(2關節(jié)驅(qū)動處容易密封防塵。(3)工作條件要求低，可在水下等環(huán)境中工作。(4) 適合于電動機

26、驅(qū)動。(5)運動難以想象和控制，計算量較大。(6)不適于液壓驅(qū)動。 圖1-1 直角坐標型 圖1-2 圓柱坐標型 圖1-3 極坐標型 圖1-4 多關節(jié)型 選擇方案的準則：1.滿足設設計要求：機械手能夠旋轉(zhuǎn)一定角度。2.結構簡單，便于計算分析。分析比較以上四種運動形式，確定選用多關節(jié)坐標型機器人。2.2基座及連桿2.2.1 基座基座是整個機器人本體的支撐。為保證機器人運行的穩(wěn)定性，采用兩塊“z”字形實心鑄鐵作支撐?；厦媸墙泳€盒子，所有電機的驅(qū)動信號和反饋信號都從中出入。接線盒子外面，有一個引入線出口和一個引出線出口。2.2.2 大臂大臂長度230mm，具體尺寸如圖2-2所示： 圖2-2 大臂外

27、形2.2.3 小臂小臂長度240mm，具體尺寸如圖2-3所示：圖2.-3小臂外形2.3機械手的設計工業(yè)機器人的手又稱為末端執(zhí)行器，它使機器人直接用于抓取和握緊（吸附）專用工具（如噴槍、扳手、焊具、噴頭等）進行操作的部件。它具有模仿人手動作的功能，并安裝于機器人手臂的前端。由于被握工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)等不同，因此工業(yè)機器人末端操作器是多種多樣的，大致可分為以下幾類：（1） 夾鉗式取料手（2） 吸附式取料手（3） 專用操作器及轉(zhuǎn)換器（4） 仿生多指靈巧手本文設計對象為物料搬運機器人，并不需要復雜的多指人工指，只需要設計能從不同角度抓取工件的鉗形指。手指是直接與工件接觸的部件。手指

28、松開和夾緊工件，是通過手指的張開與閉合來實現(xiàn)的。該設計采用兩個手指，其外形如圖2-4所示圖2-4 機械手手指形狀 傳動機構是向手指傳遞運動和動力，以實現(xiàn)夾緊和松開動作的機構。根據(jù)手指開合的動作特點分為回轉(zhuǎn)型和平移形。本文采用回轉(zhuǎn)型傳動機構。圖2-5為初步設計的機械手機構簡圖（只畫出了一半，另外一半關于中心線對稱）。 圖2-5 機械手機構簡圖 在圖2.4中，o為電機輸出軸，曲柄oa、連桿ab、滑塊b和支架構成曲柄滑塊機構；滑塊b、連桿bc、搖桿ce和支架構成滑塊搖桿機構。通過兩個機構串聯(lián)，使電機最終驅(qū)動de的來回擺動，從而實現(xiàn)手指的開合運動。 圖2.4中的黑線和藍線表示機構運行的兩個極限位置。

29、為便于手指的順利合攏，可以在兩個手指之間設置一個彈簧，這樣還可以提供適當?shù)膴A緊力。 另外，在選用電機的時候，要使電機的功率足以克服彈簧的收縮和張開，并且提供足夠加緊物體的力。 圖2-6為采用虛擬樣機軟件adams來分析所設計的機械手機構的工作狀況。圖2-6 虛擬樣機場景下面更進一步計算出所需要的電機力矩。圖2-7 力矩變化情況從圖2-7中看到，起始階段須克服的彈簧力最大，電機轉(zhuǎn)矩必須大于550nmm，這為電機的挑選提供了一定的依據(jù)。2.4驅(qū)動方式 該機器人一共具有四個獨立的轉(zhuǎn)動關節(jié)，連同末端機械手的運動，一共需要五個動力源。機器人常用的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電機驅(qū)動三種類型。這三種方法

30、各有所長，各種驅(qū)動方式的特點見表2.1：表2.1三種驅(qū)動方式的特點對照內(nèi)容驅(qū)動方式液壓驅(qū)動氣動驅(qū)動電機驅(qū)動輸出功率 很大，壓力范圍為50140pa大，壓力范圍為4860pa，最大可達pa 較大控制性能利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級調(diào)速，反應靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制控制精度高，功率較大，能精確定位，反應靈敏，可實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復雜響應速度 很高較高 很高結構性能及體積結構適當，執(zhí)行機構可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大，體積小，結構緊湊，密封

31、問題較大結構適當，執(zhí)行機構可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大，體積小，結構緊湊，密封問題較小伺服電動機易于標準化，結構性能好，噪聲低，電動機一般需配置減速裝置，除dd電動機外，難以直接驅(qū)動，結構緊湊，無密封問題安全性防爆性能較好，用液壓油作傳動介質(zhì)，在一定條件下有火災危險防爆性能好，高于1000kpa(10個大氣壓)時應注意設備的抗壓性設備自身無爆炸和火災危險，直流有刷電動機換向時有火花，對環(huán)境的防爆性能較差對環(huán)境的影響液壓系統(tǒng)易漏油，對環(huán)境有污染排氣時有噪聲無在工業(yè)機器人中應用范圍適用于重載、低速驅(qū)動，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機器人、點焊機器人和托運機器人適用于中小負載驅(qū)動、精度

32、要求較低的有限點位程序控制機器人，如沖壓機器人本體的氣動平衡及裝配機器人氣動夾具適用于中小負載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機器人，如ac伺服噴涂機器人、點焊機器人、弧焊機器人、裝配機器人等成本液壓元件成本較高成本低成本高維修及使用方便，但油液對環(huán)境溫度有一定要求方便較復雜機器人驅(qū)動系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點，通常對機器人的驅(qū)動系統(tǒng)的要求有：1）驅(qū)動系統(tǒng)的質(zhì)量盡可能要輕，單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率也要高；2）反應速度要快，即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動慣量比要大，能夠進行頻繁地起、制動，正、反轉(zhuǎn)切換；3）驅(qū)動盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要??；4）安全可靠；5）操作和維護方便；6）

33、對環(huán)境無污染，噪聲要??；7）經(jīng)濟上合理，尤其要盡量減少占地面積。基于上述驅(qū)動系統(tǒng)的特點和機器人驅(qū)動系統(tǒng)的設計要求，本文選用直流伺服電機驅(qū)動的方式對機器人進行驅(qū)動。表2.2為選定的各個關節(jié)電機型號及其相關參數(shù)。表2.2機器人驅(qū)動電機參數(shù)電機參數(shù)腰關節(jié)肩關節(jié)肘關節(jié)腕關節(jié)手爪型號maxon2332maxon2332maxon2332multiplexstell-servomultiplexstell-servo額定電壓18v18v18v6v6v額定轉(zhuǎn)矩18.2 nm18.2 nm18.2 nm10.3 nm10.3 nm最大轉(zhuǎn)矩67.4nm67.4nm67.4nm額定轉(zhuǎn)速7980rpm7980rpm

34、7980rpm5460rpm5460rpm最高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子慣量9200rpm18.4gcmcm9200rpm18.4gcmcm9200rpm18.4gcmcm腰關節(jié)手抓為備選電機，控制系統(tǒng)中沒用，用于改進設計。2.5傳動方式由于一般的電機驅(qū)動系統(tǒng)輸出的力矩較小，需要通過傳動機構來增加力矩，提高帶負載能力。對機器人的傳動機構的一般要求有：（1）結構緊湊，即具有相同的傳動功率和傳動比時體積最小，重量最輕；（2）傳動剛度大，即由驅(qū)動器的輸出軸到連桿關節(jié)的轉(zhuǎn)軸在相同的扭矩時角度變形要小，這樣可以提高整機的固有頻率，并大大減輕整機的低頻振動；（3）回差要小，即由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)時空行程要小，這樣可以得到較高的位置

35、控制精度；（4）壽命長、價格低。 本文所選用的電機都采用了電機和齒輪輪系一體化的設計，結構緊湊，具有很強的帶負載能力，但是不能通過電機直接驅(qū)動各個連桿的運動。為減小機構運行過程的沖擊和振動，并且不降低控制精度，采用了齒形帶傳動。齒形帶傳動是同步帶的一種，用來傳遞平行軸間的運動或?qū)⒒剞D(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動，在本文中主要用于腰關節(jié)、肩關節(jié)和肘關節(jié)的傳動。 齒形帶傳動原理如圖2-8所示。齒輪帶的傳動比計算公式為 齒輪帶的平均速度為 圖2-8 齒形帶傳動2.6制動器制動器及其作用：制動器是將機械運動部分的能量變?yōu)闊崮茚尫牛瑥亩惯\動的機械速度降低或者停止的裝置，它大致可分為機械制動器和電氣制動起兩類。在

36、機器人機構中，學要使用制動器的情況如下： 特殊情況下的瞬間停止和需要采取安全措施 停電時，防止運動部分下滑而破壞其他裝置。機械制動器： 機械制動器有螺旋式自動加載制動器、盤式制動器、閘瓦式制動器和電磁制動器等幾種。其中最典型的是電磁制動器。 在機器人的驅(qū)動系統(tǒng)中常使用伺服電動機，伺服電機本身的特性決定了電磁制動器是不可缺少的部件。從原理上講，這種制動器就是用彈簧力制動的盤式制動器，只有勵磁電流通過線圈時制動器打開，這時制動器不起制動作用，而當電源斷開線圈中無勵電流時，在彈簧力的作用下處于制動狀態(tài)的常閉方式。因此這種制動器被稱為無勵磁動型電磁制動器。又因為這種制動器常用于安全制動場合，所以也稱為

37、安全制動器。電氣制動器 電動機是將電能轉(zhuǎn)換為機械能的裝置，反之，他也具有將旋轉(zhuǎn)機械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電功能。換言之，伺服電機是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，可將電能轉(zhuǎn)換為機械能，同時也能通過其反過程來達到制動的目的。但對于直流電機、同步電機和感應電機等各種不同類型的電機，必須分別采用適當?shù)闹苿与娐贰?本文中，該機器人實驗平臺未安裝機械制動器，因此機器人的肩關節(jié)和軸關節(jié)在停止轉(zhuǎn)動的時候，會因為重力因素而下落。另外，由于各方面限制，不方便在原有機構上添加機械制動器，所以只能通過軟件來實現(xiàn)肩關節(jié)和軸關節(jié)的電氣制動。 采用電氣制動器，其優(yōu)點在于：在不增加驅(qū)動系統(tǒng)質(zhì)量的同時又具有制動功能，這是非常理想的情況，而在機器

38、人上安裝機械制動器會使質(zhì)量有所增加，故應盡量避免。缺點在于：這種方法不如機械制動器工作可靠，斷電的時候?qū)⑹ブ苿幼饔谩５?章 機械手控制系統(tǒng)的設計3.1控制系統(tǒng)的硬件設計3.11 plc概況及在機械手中的應用1. 可編程序控制器的應用和發(fā)展概況可編程序控制器（programmable controller），現(xiàn)在一般簡稱為plc（programmable logic controller），它是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術、半導體集成技術、自動控制技術、數(shù)字技術、通 信網(wǎng)絡技發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置。以其顯著的優(yōu)點在冶金、化工、交通、電力等領域獲得了廣泛的應用，成為了現(xiàn)代工業(yè)

39、控制三大支柱之一。在可編程序控制器問世以前，工業(yè)控制領域中是繼電器控制占主導地位。傳統(tǒng)的繼電器控制具有結構簡單、易于掌握、價格便宜等優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)中應用甚廣。但是控制裝置體積大、動作速度較慢、耗電較多、功能少，特別是由于它靠硬件連線構成系統(tǒng)，接線繁雜，當生產(chǎn)工藝或控制對象改變時，原有的接線刻控制盤（柜）就必須隨之改變或更換，通用性和靈活性較差。2.plc的應用概況plc的應用領域非常廣，并在迅速擴大，對于而今的plc幾乎可以說凡是需要控制系統(tǒng)存在的地方就需要plc，尤其近幾年來plc的性價比不斷提高已被廣泛應用在冶金、機械、石油、化工、輕功、電力等各行業(yè)。按plc的控制類型，其應用大致可分為

40、以下幾個方面。1）. 用于邏輯控制這是plc最基本，也是最廣泛的應用方面。用plc取代繼電器控制和順序控制器控制。例如機床的電氣控制、包裝機械的控制、自動電梯控制等。2）. 用于模擬量控制plc通過模擬量i/o模塊，可實現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間轉(zhuǎn)換，并對模擬量控制。3）. 用于機械加工中的數(shù)字控制現(xiàn)代plc具有很強的數(shù)據(jù)處理功能，它可以與機械加工中的數(shù)字控制（nc）及計算機控制（cnc）緊密結合，實現(xiàn)數(shù)字控制。4）. 用于工業(yè)機器人控制5）. 用于多層分布式控制系統(tǒng)高功能的plc具有較強的通信聯(lián)通能力，可實現(xiàn)plc與plc之間、plc與遠程i/o之間、plc與上位機之間的通信。從而形成多層分布式控

41、制系統(tǒng)或工廠自動化網(wǎng)絡。3. plc的特點1）. 可靠性高、抗干擾能力強plc能在惡劣的環(huán)境如電磁干擾、電源電壓波動、機械振動、溫度變化等中可靠地工作，plc的平均無故障間隔時間高，日本三菱公司的f1系列plc平均無故障時間間隔長達30萬h，這是一般微機所不能比擬的。2）. 控制系統(tǒng)構成簡單、通用性強由于plc是采用軟件編程來實現(xiàn)控制功能，對同一控制對象，當控制要求改變需改變控制系統(tǒng)的功能時，不必改變plc的硬件設備，只需相應改變軟件程序。3）. 編程簡單、使用、維護方便4）. 組合方便、功能強、應用范圍廣plc既可用于開關量的控制又可用于模擬量的控制；既可用單片機控制，又可用于組成多級控制系

42、統(tǒng)；既可控制簡單系統(tǒng)，又可控制復雜系統(tǒng)。因此，plc應用范圍很廣。5）. 體積小、重量輕、功耗低plc采用了半導體集成電路，外形尺寸很小，重量輕，同時功耗也很低，空載功耗約1.2kw。5.plc在機械手中的應用機械手通常應用于動作復雜的場合來代替人的反復的操作，從而節(jié)省人的勞動，普通繼電器由于其體積和接口等各方面限制，經(jīng)常被應用于動作簡單的電氣及流水線控制，而plc以其可靠性高、抗干擾能力強;控制系統(tǒng)構成簡單、通用性強;編程簡單、使用、維護方便;組合方便、功能強、應用范圍廣; 體積小、重量輕、功耗低等有點被廣泛應用于類似機械手的控制動作復雜的場合，本設計正是以plc控制為基礎從而實現(xiàn)機械手的各

43、種動。圖3.1 plc硬件接線圖本次設計中選用了西門子 s7-200 系列機 cpu226 型，其輸入、輸出接口將能滿足控制要求。其硬件接線圖如圖 5 所示。為了保護plc輸出繼電器,在電磁鐵的兩端各并聯(lián)一阻容吸收電路,防止在感性負載斷開時產(chǎn)生很高的感應電動勢或浪涌電流對plc輸出點及內(nèi)部電源的沖擊。采用 plc 控制電動機帶動機械手做點對點運動，選用光電脈沖編碼器作為傳感器來反饋信號。在機械手的手腕仰俯電機中，由于是電動機與齒形帶連接減速之后直接帶動，光電編碼器直接安裝于機械手控制上。光電編碼器的輸出直接通過 plc 的高速記數(shù)單元與 plc 進行連接，plc 再通過高速記數(shù)單元將控制信號發(fā)

44、送給電機。3.2.控制系統(tǒng)的軟件設計機器人有手動和自動兩種工作方式。在手動操作方式下,各種動作都是用按鈕控制來實現(xiàn),其控制程序可單獨設計,與自動工作方式控制程序相對獨立。因此總程序設計成兩段獨立的部分：自動操作程序和手動操作程序。手動操作主要用于檢修調(diào)整,通過按鈕對機器人的每一步動作進行單獨控制。例如,當選擇小臂伸/縮運動時,按下啟動按鈕,小臂伸出；按下停止按鈕,小臂縮回。其它動作以此類推。這樣,其控制較簡單,可按照一般繼電器控制系統(tǒng)的邏輯設計法來設計。在正常運行時，機器人處于自動操作方式。光耦合器檢測到工件，機械手臂開始由原點下降，碰到下限位開關后，停止下降并接通夾緊電磁閥夾緊工件，為保證工

45、件可靠加緊在該位置等待5s。夾緊后，手臂上升電磁閥通電開始上升，上升到頂碰到上限位開關，停止上升，改向順時針回轉(zhuǎn) 90，碰到順轉(zhuǎn)限位開關停止回轉(zhuǎn)，改為手臂前伸，前伸碰到前限位開關，停止前伸，改為下降至下限位開關，下降電磁閥斷電，停止下降，同時夾緊電磁閥斷電，機械手將工件松開，放在目標位上，為確?？煽克砷_，在該位置停留5s，然后手臂縮回碰到后限位開關，后電磁閥斷電后改為上升，上升至原點碰到限位開關停止，上升電磁閥斷電。機械手回轉(zhuǎn)到原位，回轉(zhuǎn)電磁閥斷電，停止回轉(zhuǎn)。至此，機械手搬運一個工件的全過程結束。機器人又重復上述動作。這是一個典型的按順序動作的步進控制系統(tǒng),可用plc的步進指令編程。圖 6 機

46、器人自動操作程序圖圖 3.23為機器人的自動操作程序的plc梯形圖。機器人采用 plc 控制技術，其電氣控制系統(tǒng)線路簡單，系統(tǒng)的可靠性高,功能強,整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定、精確,同時還可根據(jù)需要對其進行功能擴展。第4章 結論4.1 所完成的工作（1） 對實驗平臺的改造 本文利用的是報廢的焊接機器人，要改造成送料機器人，不但要對末端執(zhí)行機構進行重新設計，還要重新布線。（2） 設計機械手具體步驟及驅(qū)動電路 機械部分是機械手的骨架和主體是設計的基礎，驅(qū)動控制部分是是其大腦神經(jīng)中樞，（3） 控制軟件程序的設計 軟件是機器人的“大腦思維”，軟件的設計就是將人的意志賦予機器人的“大腦”。4.2 設計經(jīng)驗（1） 底座設計成長方體不合理當腰關節(jié)在不同的位置時，肩關節(jié)運動的下限不同，不便于編程；最好將底座設計成圓柱體，并且下面帶有法蘭支撐。 （2） 最好安裝機械制動裝置 僅依靠程序來實現(xiàn)制動并不可靠，例如突然掉電，將無法制動。 （3） 電機上應安裝放電回路 電機相當于一個線圈，在電機啟動或者停止瞬間，會產(chǎn)生很高的感應電動勢，很可能會對電路中的元器件造成破壞，所以要加上穩(wěn)壓或者續(xù)流元件。4.3 誤差分析 本文中每個關節(jié)的角度誤差在2左右，由于是開環(huán)機構，所