運送鋁活塞毛坯件機械手設(shè)計

/運送鋁活塞鑄造毛坯件機械手設(shè)計摘要在工業(yè)上，自動控制系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用,如工業(yè)自動化機床控制，計算機系統(tǒng),機器人等。而工業(yè)機器人是相對較新的電子設(shè)備,它正開始改變現(xiàn)代化工業(yè)面貌。實際的機器人由帶有腕（或稱為手臂）的主機身和機身端部的工具（通常是某些類型的夾持器)組成，同時也包括一個輔助動力系統(tǒng)。本設(shè)計為三自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人，其工作方向為兩個直線方向和一個旋轉(zhuǎn)方向。在控制器的作用下，他執(zhí)行將工件從一條流水線拿到另一條流水線這一簡單動作.通過對其整個機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設(shè)計來實現(xiàn)。關(guān)鍵詞手臂;夾持器;工業(yè)機器人目錄TOC＼o"１－3＂＼h\z\uＨＹPERLIＮK\l＂＿Tｏc32８３768２1”摘要?PAＧEＲEF_Ｔｏc328376８21\ｈＩＨYＰERLINＫ\ｌ＂_Toｃ32837６８2２”第1章緒論 PAＧＥRＥF_Toc３28376822\h1HＹPERLＩNK\l＂＿Toc32８37682３”1．1工業(yè)機器人簡介?ＰAGEREF_Ｔｏc３２8376823\ｈ1HYＰEＲLINK2。2工業(yè)機器人的設(shè)計分析?８376827＼h３ＨYＰＥRＬINＫ＼l"_Tｏc3２8376８２８"2.2．1設(shè)計要求 PAGEREF＿Ｔｏc3２８3７6828＼ｈ3HYPERＬINK\ｌ＂_Ｔoｃ3２837６829"2.2．2總體方案擬定?PAＧＥRＥF_Toc3283７68２9\h4_Toc32837683２”３。1工業(yè)機器人的運動系統(tǒng)分析 PAGEＲEF_Toc３2８376832＼h6HＹＰERＬＩNK3.1．2機器人的運動過程分析?PAＧERＥＦ_Toc32837６8３4\h７HYＰEＲLINK\l”_Ｔoｃ３28376８３5＂3.2工業(yè)機器人的執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計?PＡＧEＲEF_Toc3２83７6835\h8HＹＰERLINK\ｌ＂＿Toc3２8３76８36＂3。２。1末端執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計 ＰＡGEREF_Ｔoc32８３76836\h８HYPＥRLＩNK\ｌ”_Toc３283７6８37"3．2。2手臂機構(gòu)的設(shè)計 ＰAGEREF_Toc3２8３7683７\h１2ＨYPERLIＮK第4章工業(yè)機器人的計算機控制系統(tǒng)概述?PAＧEＲEF＿Tｏc328376８39\h23HYPERＬINK\ｌ"_Toｃ3２8376８4０”4.1工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的特點及對控制功能的基本要求?ＰAＧEＲEF＿Ｔoｃ32837684０\h2３HYPEＲLＩＮK\l”_Ｔoc328３7６84１”4．2計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計方案?PAＧEREF_Toc３２８376841\h23HYPEＲLINＫ\l”_Toc328376842”４．3硬件電路的組成 ＰＡＧＥRＥＦ＿Toc328３７6842＼ｈ25ＨYPＥRLINK\l"＿Toc３283７684３＂4.４電路接口說明 ＰAGEREＦ_Toc32８376843\h25ＨYPＥRLINK總結(jié) PAGEREＦ_Tｏc3283768４7\h3０ＨYＰEＲLIＮK\l＂＿Toc3２837684８"參考文獻?ＰAＧEREF_Ｔoc328376848\h3１ＨYPＥRLINK\l”_Ｔｏc3２83768４9”鳴謝?ＰＡGＥＲEF＿Toｃ328３7６8４9\ｈ32緒論工業(yè)機器人簡介機器人工程是近二十多年來迅速發(fā)展起來的綜合學(xué)科。它集中了機械工程、電子工程、計算機工程、自動控制工程以及人工智能等多種學(xué)科的最新研究成果,是當代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一，也是我國科技界跟蹤國際高科技發(fā)展的重要方面。工業(yè)機器人的研究、制造和應(yīng)用水平,是一個國家科技水平和經(jīng)濟實力的象征，正受到許多國家的廣泛重視.目前,工業(yè)機器人的定義，世界各國尚未統(tǒng)一，分類也不盡相同。最近聯(lián)合國國際標準化組織采納了美國機器人協(xié)會給工業(yè)機器人下的定義：工業(yè)機器人是一種可重復(fù)編程的多功能操作裝置,可以通過改變動作程序，來完成各種工作,主要用于搬運材料，傳遞工件。參考國外的定義,結(jié)合我國的習(xí)慣用語，對工業(yè)機器人作如下定義:工業(yè)機器人是一種機體獨立，動作自由度較多，程序可靈活變更,能任意定位，自動化程度高的自動操作機械。主要用于加工自動線和柔性制造系統(tǒng)中傳遞和裝卸工件或夾具。工業(yè)機器人以剛性高的手臂為主體,與人相比，可以有更快的運動速度,可以搬運更重的東西，而且定位精度相當高,它可以根據(jù)外部來的信號，自動進行各種操作.工業(yè)機器人是在計算機控制下可編程的自動機器.采用工業(yè)機器人是提高產(chǎn)品質(zhì)量與勞動生產(chǎn)率,實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化，改善勞動條件,減輕勞動強度的一種有效手段。機器人的誕生和發(fā)展雖只有３0多年的歷史，但它已應(yīng)用到國民經(jīng)濟，民事技術(shù)等眾多的領(lǐng)域,具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景，顯示出強大的生命力.根據(jù)所處的環(huán)境和作業(yè)需求，工業(yè)機器人具有至少一項或多項擬人功能，如抓取功能或移動功能,或兩者兼有之，另外還可能程度不等的具有某些環(huán)境感知功能（如視覺，力覺，觸覺等）。以及語音功能及至邏輯思維,判斷決策功能等。從而使其能在要求的環(huán)境中代替人進行作業(yè)。在工業(yè)機器人的諸多功能中,抓取和移動是最主要的功能。這兩項功能實現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)是精巧的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和良好的伺服控制驅(qū)動。本次設(shè)計就是在這一思維下展開的.根據(jù)設(shè)計內(nèi)容和需求確定圓柱坐標型工業(yè)機器人,利用錐齒輪傳動實現(xiàn)機器人的旋轉(zhuǎn)，利用液壓缸實現(xiàn)其移動以及對零件的抓取。在步進電機的控制下，機器達到精確的回轉(zhuǎn)運動。工業(yè)機器人的發(fā)展工業(yè)機器人的發(fā)展,由簡單到復(fù)雜,由初級到高級逐步完善，它的發(fā)展過程可分為三代:第一代工業(yè)機器人就是目前工業(yè)中大量使用的示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人,它主要由手部、臂部、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。它的控制方式比較簡單,應(yīng)用在線編程,即通過示教存貯信息，工作時讀出這些信息，向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，執(zhí)行機構(gòu)按指令再現(xiàn)示教的操作。第二代機器人是帶感覺的機器人.它具有尋力覺、觸覺、視覺等進行反饋的能力。其控制方式較第一代工業(yè)機器人要復(fù)雜得多，這種機器人從1980年開始進入了實用階段，不久即將普及應(yīng)用.第三代工業(yè)機器人即智能機器人。這種機器人除了具有觸覺、視覺等功能外，還能夠根據(jù)人給出的指令認識自身和周圍的環(huán)境,識別對象的有無及其狀態(tài)，再根據(jù)這一識別自動選擇程序進行操作，完成規(guī)定的任務(wù).并且能跟蹤工作對象的變化，具有適應(yīng)工作環(huán)境的功能。這種機器人還處于研制階段,尚未大量投入工業(yè)應(yīng)用。工業(yè)機器人的總體設(shè)計工業(yè)機器人的組成及各部分關(guān)系概述它主要由機械系統(tǒng)（執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng))、控制檢測系統(tǒng)及智能系統(tǒng)組成.A執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機器人完成抓取工件,實現(xiàn)各種運動所必需的機械部件，它包括手部、腕部、機身等。(1）手部：機器人為了進行作業(yè)而配置的操作機構(gòu)，又稱手爪或抓取機構(gòu)，它直接抓取工件或夾具。（２）腕部：又稱手腕，是連接手部和臂部的部件，其作用是調(diào)整或改變手部的工作方位.(３）臂部：聯(lián)接機座和手部的部分，是支承腕部的部件,作用是承受工件的管理管理荷重，改變手部的空間位置，滿足機器人的作業(yè)空間,將各種載荷傳遞到機座。（4）機身：機器人的基礎(chǔ)部分，起支撐作用，是支撐手臂的部件，其作用是帶動臂部自轉(zhuǎn)、升降或俯仰運動.B驅(qū)動系統(tǒng):為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力，并驅(qū)動其動力的裝置。常用的有機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電傳動。C控制系統(tǒng)：通過對驅(qū)動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進行工作,當發(fā)生錯誤或故障時發(fā)出報警信號。D檢測系統(tǒng):作用是通過各種檢測裝置、傳感裝置檢測執(zhí)行機構(gòu)的運動情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng),與設(shè)定進行比較，以保證運動符合要求。工業(yè)機器人的設(shè)計分析設(shè)計要求通過設(shè)計機械手,培養(yǎng)綜合運用所學(xué)過的基本理論、基本知識和基本方法分析能力和解決問題的能力。有關(guān)數(shù)據(jù)：設(shè)計一機械手、將鋁活塞鑄造毛坯從模具中取出，并運送到離模具2米遠處的鋁活塞毛坯箱里。（鋁活塞的基本尺寸等技術(shù)要求參見顧崇衍編《機械制造工藝學(xué)》Ｐ91~P１00。）零件尺寸：外孔φ１0１。6，高106。零件材料:鋁.總體方案擬定在工業(yè)機器人的諸多功能中，抓取和移動是最主要的功能。這兩項功能實現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)是精巧的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和良好的伺服控制驅(qū)動。本次設(shè)計就是在這一思維下展開的。根據(jù)設(shè)計內(nèi)容和需求確定工業(yè)機器人工作方式,利用步進電機驅(qū)動和錐齒輪傳動來實現(xiàn)機器人的旋轉(zhuǎn)運動；利用一個液壓缸,使手臂實現(xiàn)上下運動；考慮到本設(shè)計中的機器人工作范圍不大，故利用液壓缸驅(qū)動實現(xiàn)手臂的伸縮運動；末端夾持器則采用滑槽杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器,用小型液壓缸驅(qū)動夾緊。工業(yè)機器人主要技術(shù)性能參數(shù)工業(yè)機器人的技術(shù)參數(shù)是說明其規(guī)格和性能的具體指標。主要技術(shù)參數(shù)有如下:A抓取重量：抓取重量是用來表明機器人負荷能力的技術(shù)參數(shù),這是一項主要參數(shù)。這項參數(shù)與機器人的運動速度有關(guān),一般是指在正常速度下所抓取的重量。Ｂ抓取工件的極限尺寸：抓取工件的極限尺寸是用來表明機器人抓取功能的技術(shù)參數(shù)，它是設(shè)計手部的基礎(chǔ)。C坐標形式和自由度：說明機器人機身、手部、腕部等共有的自由度數(shù)及它們組成的坐標系特征。D運動行程范圍：指執(zhí)行機構(gòu)直線移動距離或回轉(zhuǎn)角度的范圍，即各運動自由度的運動量。根據(jù)運動行程范圍和坐標形式就可確定機器人的工作范圍.Ｅ運動速度:是反映機器人性能的重要參數(shù)。通常所指的運動速度是機器人的最大運動速度。它與抓取重量、定位精度等參數(shù)密切有關(guān)，互相影響。目前，國內(nèi)外機器人的最大直線移動速度為1００0ｍm/ｓ左右，一般為200～40０mｍ/s；回轉(zhuǎn)速度最大為180o／ｓ,一般為5０o/s。F定位精度和重復(fù)定位精度：定位精度和重復(fù)定位精度是衡量機器人工作質(zhì)量的一項重要指標。圖2—1機器人外形圖G編程方式和存儲容量。本設(shè)計中的三自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人的有關(guān)技術(shù)參數(shù)見表2—1.表2—1技術(shù)參數(shù)表機械手類型三自由度圓柱坐標型抓取重量2．38Kｇ自由度３個（1個回轉(zhuǎn)２個移動)機座內(nèi)部回轉(zhuǎn)運動,回轉(zhuǎn)角0°-－１8０°,步進電機驅(qū)動腰部機構(gòu)伸縮運動,升降范圍400mｍ,液壓缸驅(qū)動手臂機構(gòu)伸縮運動，伸縮范圍70mm，液壓缸驅(qū)動末端執(zhí)行器液壓缸驅(qū)動工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)設(shè)計工業(yè)機器人的運動系統(tǒng)分析機器人的運動概述工業(yè)機器人的運動，可從工業(yè)機器人的自由度，工作空間和機械結(jié)構(gòu)類型等三方面來討論。如圖2-1所示，為工業(yè)機器人機構(gòu)的簡圖。圖3—1機構(gòu)簡圖Ａ工業(yè)機器人的運動自由度所謂機器人的運動自由度是指確定一個機器人操作位置時所需要的獨立運動參數(shù)的數(shù)目，它是表示機器人動作靈活程度的參數(shù).本設(shè)計的工業(yè)機器人具有四轉(zhuǎn)動副和移動副兩種運動副,具有手臂伸降,旋轉(zhuǎn)，前后往復(fù)三自由度.B機器人的工作空間和機械結(jié)構(gòu)類型（１）工作空間工作空間是指機器人正常運行時,手部參考點能在空間活動的最大范圍,是機器人的主要技術(shù)參數(shù)，工作空間圖如圖2-2。圖3—2工作空間圖(2）機械結(jié)構(gòu)類型圓柱坐標型為本設(shè)計所采用方案，這種運動形式是通過一個轉(zhuǎn)動，兩個移動，共三個自由度組成的運動系統(tǒng)（代號RPＰ）,工作空間圖形為圓柱形。它與直角坐標型比較，在相同的工作條件下,機體占體積小，而運動范圍大。機器人的運動過程分析工業(yè)機器人的運動過程中各動作如圖3—3和表3-1.圖３－3運動過程表表3－1運動過程機器人開機，處于A點工步一手臂上升工步二，工步七,工步十三旋轉(zhuǎn)至Ｂ點工步三手臂伸出工步四,工步十手臂下降工步五,工步十一夾緊工件工步六手臂收縮工步八，工步十四旋轉(zhuǎn)至C點工步九放松工件工步十二實現(xiàn)運動過程中的各工步是由工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)和各種檢測原件來實現(xiàn)的,這里尤其要強調(diào)的是機器人對工件的定位夾緊的準確性，這是本次設(shè)計成敗之關(guān)鍵所在.工業(yè)機器人的執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計末端執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計工業(yè)機器人的末端執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計是用來抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、準確和牢靠程度都將直接影響到工業(yè)機械手的工作性能,它是工業(yè)機械手的關(guān)鍵部件之一.一、設(shè)計時要注意的問題：A、末端執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)有足夠的夾緊力，為使手指牢靠的夾緊工件,除考慮夾持工件的重力外，還應(yīng)考慮工件在傳送過程中的動載荷。Ｂ、末端執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)有一定的開閉范圍。其大小不僅與工件的尺寸有關(guān)，而且應(yīng)注意手部接近工件的運動路線及其方位的影響。Ｃ、應(yīng)能保證工件在末端執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)準確定位。D、結(jié)構(gòu)盡量緊湊重量輕,以利于腕部和臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計.二、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計采用滑槽杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器，用小型液壓缸驅(qū)動夾緊，它的結(jié)構(gòu)形式如圖3－4.滑槽杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器，當驅(qū)動器推動桿2向上運動時,圓柱銷３在兩桿4的滑槽中移動,迫使與支架1相鉸接的兩手指（鉗爪）產(chǎn)生夾緊動作和夾緊力.當桿2向下運動時,手指松開.圖3－4末端執(zhí)行器三、液壓油缸的選擇和夾緊力的校驗初選油缸型號考慮到所要夾持的是比較小的零件，最大工作載荷很小，故初選液壓缸型號為Y-ＨG1-C4０/２2×25LF2HL1Q,它的主要技術(shù)參數(shù)如表３－2。表3-２冶金設(shè)備標準液壓油技術(shù)規(guī)格缸徑/mｍ活塞桿直徑/mｍ油口直徑速度比通徑／ｍm聯(lián)接螺紋1。462４0２22８１0M18ｘ1。5b）夾緊力校驗1）零件的計算上式中g(shù)=9．8G＝24（N)２)緊力的計算：要夾持住零件必須滿足條件：f為手指與工件的靜摩擦系數(shù)，工件材料為鋁，手指為鋼材,查《機械零件手冊》表2－５f=0.1５，N為作用在零件內(nèi)壁上壓緊力,G為零件重力。所以式中=８０（N)由《機械制造裝備》式（4-56）可知驅(qū)動力的計算公式為： 圖3—6滑槽杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器為斜面傾角，，為傳動機構(gòu)的效率,這里為平摩擦傳動，查《機械零件手冊》表2-2這里取0。８５b=９0。8mm,l=1５４．53ｍm.所以取p=１50(N）按《液壓傳動與氣壓傳動》公式（4—15）式中D—氣缸的內(nèi)徑(m)P—工作壓力（Ｐa)，由《液壓傳動與氣壓傳動》表［9-1]負載F／N〈500０5000～1０００0１000０~200002０000~3００003０000~5００00>5０000工作壓力p/MPa＜０.8～11．5～22。5～33～4４～5>5～7表3－3壓力表取ｐ＝0．5MPa。由《液壓系統(tǒng)設(shè)計》可查得：=0。９～0。95，所以由以上計算可知液壓缸能產(chǎn)生的推力F=565N大于夾緊工件所需的推力Ｐ=１５0Ｎ。所以該液壓缸能夠滿足要求.四、彈性爪的強度校驗當彈性手工作時，由于夾過程具有彈性,就可以避免易損零件被抓傷，變形和破損。工件與彈簧片間的力:由上節(jié)可知F=8０N.則彈簧爪截面上的剪應(yīng)力為[τ］=30MPa,τ=Q/Ａ=故彈性爪滿足強度要求。手臂機構(gòu)的設(shè)計一、手臂的設(shè)計要求A、手臂的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)滿足機器人完成作業(yè)任務(wù)提出的工作空間要求Ｂ、根據(jù)手臂所受載荷和結(jié)構(gòu)的特點,合理選擇手臂截面形狀和高強度輕質(zhì)材料。C、盡量減小手臂重量和相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量和偏重力矩,以減小驅(qū)動裝置的負荷；減少運動的動載荷與沖擊，提高手臂運動的響應(yīng)速度。D、要設(shè)法減小機械間隙引起的運動誤差，提高運動的精確性和運動剛度。采用緩沖和限位裝置提高定位精度.本設(shè)計手臂直接聯(lián)接在底座升降液壓缸上,結(jié)構(gòu)簡單,裝拆方便，尾部設(shè)置導(dǎo)向桿,以防止活塞桿轉(zhuǎn)動,確保手臂隨機座一起轉(zhuǎn)動。它的結(jié)構(gòu)如下圖。圖3—7手臂結(jié)構(gòu)圖手臂與末端執(zhí)行器的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)如圖３—8所示:選用軸向腳架型液壓缸,活塞桿末端為外螺紋結(jié)構(gòu),手臂與末端執(zhí)行器連同活塞桿一起轉(zhuǎn)動。圖3—８手臂與末端執(zhí)行器的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)圖二、伸縮液壓油缸的選擇選液壓缸型號為Ｙ—ＨＧ1-Ｃ50/36×4０ＬF4HＬ1Q，它的主要技術(shù)參數(shù)如表3-4。缸徑/mm活塞桿直徑/mm油口直徑速度比通徑／mm聯(lián)接螺紋1．46２50２836１0M１８x1。5表3—4冶金設(shè)備標準液壓油技術(shù)規(guī)格三、活塞桿的強度校核末端執(zhí)行器的重量約為:12Ｋg。工件重量為：2。38Ｋg。由靜力平衡方ΣMB＝0R1·LＡB-Q·ＬBC=０ΣMA=０R２·LAB-Q·ＬAC＝0求得支反力為：R1=292NR2=６28.９3N以Ａ點為坐標原點，得剪力圖和彎矩圖如下:由[3－4]表得活塞桿[τ］=140ＭPa,［σ］＝２40MＰa。則在B處橫截面上的剪應(yīng)力為:τB=Ｒ２／Ａ=安全。在B處的彎應(yīng)力為：σＢ＝MB/A=安全。圖3－9剪力與彎矩圖腰部和基座設(shè)計一、結(jié)構(gòu)設(shè)計通過安裝在支座上的步進電機和錐齒輪直接驅(qū)動轉(zhuǎn)動機座轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)機器人的旋轉(zhuǎn)運動，通過安裝在頂部的液壓缸帶動橫梁轉(zhuǎn)動實現(xiàn)手臂的上下移動。采用了導(dǎo)向桿導(dǎo)向，確保手臂隨機座一起轉(zhuǎn)動.它的結(jié)構(gòu)如裝配圖。二、步進電機的選取工業(yè)機器人的旋轉(zhuǎn)和上下移動采用了步進電機驅(qū)動，下面就給出各種驅(qū)動方式的比較,以作為選取步進電機作為驅(qū)動方式的依據(jù)。表３-5各種驅(qū)動方式比較比較內(nèi)容驅(qū)動方式機械傳動電機驅(qū)動氣壓傳動液壓傳動異步電機，直流電機步進或伺服電機輸出力矩輸出力矩較大輸出力可較大輸出力矩較小氣體壓力小，輸出力矩小,如需輸出力矩較大，結(jié)構(gòu)尺寸過大液體壓力高，可以獲得較大的輸出力控制性能速度可高，速度和加速度均由機構(gòu)控制，定位精度高，可與主機嚴格同步控制性能較差，慣性大，步易精確定位控制性能好，可精確定位,但控制系統(tǒng)復(fù)雜可高速,氣體壓縮性大,阻力效果差，沖擊較嚴重，精確定位較困難，低速步易控制油液壓縮性小，壓力流量均容易控制,可無級調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制體積當自由度多時,機構(gòu)復(fù)雜，體積液較大要油減速裝置，體積較大體積較小體積較大在輸出力相同的條件下體積小維修使用維修使用方便維修使用方便維修使用較復(fù)雜維修簡單,能在高溫，粉塵等惡劣環(huán)境種使用，泄漏影響小維修方便,液體對溫度變化敏感,油液泄漏易著火應(yīng)用范圍適用于自由度少的專用機械手，高速低速均能適用適用于抓取重量大和速度低的專用機械手可用于程序復(fù)雜和運動軌跡要求嚴格的小型通用機械手中小型專用通用機械手都有中小型專用通用機械手都有，特別時重型機械手多用成本結(jié)構(gòu)簡單，成本低,一般工廠可以自己制造成本低成本較高結(jié)構(gòu)簡單，能源方便，成本低液壓元件成本較高，油路也較復(fù)雜續(xù)表由上表可知步進電機應(yīng)用于驅(qū)動工業(yè)機器人有著許多無可替代的優(yōu)點,如控制性能好，可精確定位，體積較小可用于程序復(fù)雜和運動軌跡要求嚴格的小型通用機械手等，下面就對步進電機的型號進行選取。初選電機為BＦ反應(yīng)式步進電機,型號為：９0ＢF０01。它的有關(guān)技術(shù)參數(shù)如下表:表３—6技術(shù)參數(shù)表電機型號相數(shù)步距角（°）電壓/V最大靜轉(zhuǎn)矩/N·m(Kｇf·cm）最高空載啟動頻率/HZ運行頻率／HZ轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量１0Ｋｇ·m分配方式質(zhì)量/Ｋg90ＢF00140.98０３.9２２０00800017．64四相八拍４。5Ａ、傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計算傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量是一種慣性負載,在電機選用時必須加以考慮。由于傳動系統(tǒng)的各傳動部件并不都與電機軸同軸線,還存在各傳動部件轉(zhuǎn)動慣量向電機軸折算的問題。最后,要計算整個傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，即傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量。(1）、電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量的折算由《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》表２-１8查出=１。764㎏?ｃm2（2）、聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動慣量的折算式中:為圓柱質(zhì)量(Ｋｇ）,D為圓柱體直徑（cｍ）,L為圓柱體長度。對于鋼材,材料密度為，把數(shù)據(jù)代入上式得:(3）、手臂轉(zhuǎn)動慣量的折算工作臺是移動部件，其移動質(zhì)量折算到活塞軸上的轉(zhuǎn)動慣量可按下式進行計算：見《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》公式(2－6)P８式中,為活塞工作長度（cｍ）；為工作臺質(zhì)量（kｇ）.所以:（4)、系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計算B、驗算矩頻特性步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩是指電機的定位轉(zhuǎn)矩，從《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》表2－２1中查得.步進電機的名義啟動轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為:見《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》公式（2—２９）P32查《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》表2-12P35得＝0。707.步進電機空載啟動是指電機在沒有外加工作負載下的啟動。步進電機所需空載啟動力矩可按下式計算：見《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》公式(2—30）Ｐ32式中:為空載啟動力矩（Ｎ?cｍ)；為空載啟動時運動部件由靜止升速到最大快進速度,折算到電機軸上的加速力矩(N?ｃm)；為空載時折算到電機軸上的摩擦力矩（N?cｍ);有關(guān)的各項力矩值計算如下:（1）、加速力矩見《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》公式（2-32)和（2－３3)P３２式中:為傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量；為電機最大角加速度;為與運動部件最大快進速度對應(yīng)的電機最大轉(zhuǎn)速;t為運動部件從靜止啟動加速到最大快進速度所需的時間，為運動部件最大快進速度；為初選步進電機的步距角；為脈沖當量.（2)、空載摩擦力矩見《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》公式（2-34）P３5式中：為運動部件的總重量;為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；齒輪傳動降速比;為傳動系數(shù)總效率,取=0．8；為活塞工作長度。C、啟動矩頻特性校核步進電機啟動有突跳啟動和升速啟動。突跳啟動很少使用。升速啟動是步進電機從靜止狀態(tài)開始逐漸升速,在零時刻，啟動頻率為零。在一段時間內(nèi),按一定的升速規(guī)律升速。啟動結(jié)束時，步進電機達到了最高運行速度。查看《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》圖［2－21］P36，從90BF001矩特性圖中，可查得：縱向：空載啟動力矩=對應(yīng)的允許啟動頻率。查《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》表2-11P34，步進電機15０BＦ002啟動頻率，所以所選電機不會丟步.D、運行矩頻特性校核步進電機的最高快進運行頻率可按下式計算：見《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》公式（2－36）P3６式中:為運動部件最大快進速度。算得?？爝M力矩的計算公式：見《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》公式(2—37）Ｐ３7式中：為附加摩擦力矩,為快進時，折算到電機軸上的摩擦力矩。算得:查看《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》圖2—22Ｐ36，從9０BF001運行矩頻特性圖中，可知:快進力矩=對應(yīng)的允許快進頻率；所以,所用的電機都滿足快速進給運行矩頻特性要求.綜上所述,所選用的步進電機90BF001符合要求,可以使用。三、軸承的選取Ａ、環(huán)形軸承3作為機座的支承原件，是為機器人研制的專用軸承,具有寬度小、直徑大、精度高、剛度大、承載能力高(可承受徑向力、軸向力和傾覆力矩）、裝置方便等特點價格高。Ｂ、止推軸承，型號為３０2０４，，它的有關(guān)參數(shù)如下：表３-７軸承參數(shù)軸承代號基本設(shè)定極限轉(zhuǎn)速ｒ/miｎ動載荷Ca/KN靜載荷C0ａ/KN脂潤滑油潤滑３0２0428。230.58０0０１000０四、齒輪的選取齒輪的參數(shù)如下表所示名稱代號小齒輪大齒輪分度圓直徑ｄ８0１52齒數(shù)ｚ2０38大端模數(shù)m4節(jié)錐角２7．759o６2。2４１o錐距R８５．882齒寬b26齒距p12。５6工作齒高h’6。8齒高h7．552齒頂高4.52８2.27２齒跟高3。0２４５。２8頂隙ｃ0.725齒跟角2。017o3．51８ｏ齒頂角3．01８o1．515o頂圓錐角30.777ｏ6３。７5６o跟圓錐角2５。742o58．7２３o齒頂圓直徑88．0１4１５４.116冠頂距７3。８9137．989大端分度圓弧齒厚ｓ7.５834。９77法向側(cè)隙46齒輪材料為２0Cr且經(jīng)滲碳淬火,接觸材料系數(shù)：KHＣ=０．８６彎曲材料系數(shù)KFC=0．９7.工業(yè)機器人的計算機控制系統(tǒng)概述工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的特點及對控制功能的基本要求工業(yè)機器人具有多個自由度，每個自由度一般包括一個伺服機構(gòu),它們必須協(xié)調(diào)起來，組成一個多變量控制系統(tǒng)。這種多變量的控制系統(tǒng)，一般要用計算機來實現(xiàn).因此,機器人控制系統(tǒng)也是一個計算機控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)的功能是控制機器人操作機的運動和操作以滿足作業(yè)的要求。在作業(yè)中機器人的工作任務(wù)是要求操作機的末端執(zhí)行器按點位或軌跡運動,并保持設(shè)定的姿態(tài)。在運動中或在規(guī)定的某點位執(zhí)行作業(yè)規(guī)定的操作。對工業(yè)機器人的控制功能大致有如下的基本要求和特點。A、實現(xiàn)對位姿、速度、加速度等的控制功能在機器人的各類作業(yè)中，運動和控制方式主要有兩種。１）點位控制方式（ＰTP控制）這種控制方式考慮到末端執(zhí)行器在運動過程中只在某些規(guī)定的點上進行操作，因此只要求末端執(zhí)行器在目標點處保證準確的位姿以滿足作業(yè)質(zhì)量要求.而對達到目標點的運動軌跡(包括移動的路徑和運動的姿態(tài)）則不作任何規(guī)定，如圖4-1ａ）圖，這種控制方式易于實現(xiàn)，但不易達到較高的定位精度，適用于上下料、搬運、點焊和在電路板上安插元件等只要求在目標點保持末端執(zhí)行器準確的位姿的作業(yè)中.2)連續(xù)軌跡控制方式（CＰ控制)這種控制方式要求末端執(zhí)行器嚴格按規(guī)定的軌跡和速度在一定精度要求內(nèi)運動,以完成作業(yè)要求,這種必須保證機器人各關(guān)節(jié)連續(xù)、同步地實現(xiàn)相應(yīng)的運動。如圖4-１b)圖，這種連續(xù)軌跡運動，可看成是若干密集軌跡曲線。若設(shè)定的點足夠密，就能用點位控制的方法實現(xiàn)所需精度的連續(xù)軌跡運動。B、存儲和示教功能要使機器人具有完成預(yù)定作業(yè)的功能，須先將要完成的作業(yè)示教給機器人，這個操作過程稱為示教，將示教內(nèi)容記錄下來，稱為存儲。使工業(yè)機器人按照存儲的示教內(nèi)容進行動作，稱為再現(xiàn).所以工業(yè)機器人的動作是通過示教—存儲—再現(xiàn)的過程實現(xiàn)的。C、對外部環(huán)境的檢測和感覺功能。計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計方案控制系統(tǒng)采用二級計算機控制方式,選用IBM－PC，80C5１系列CPU.第一級機擔(dān)負管理,示教編程，控制再現(xiàn)，軌跡正逆運算，機器人語言的編輯和編譯,通過串行通訊方式傳送給二級機做位置給定。第二級機負責(zé)位置伺服控制軟件的計算，位置檢測等工作，根據(jù)插補算出的各關(guān)節(jié)位置增量做位置給定。一級機與示教盒通訊采用串行ＲＳ—23２接口，既接收示教盒信息,完成示教動作，又向示教盒發(fā)送信息，顯示示教情況。還可以連接軟驅(qū)，ＣＲT終端。二級機接口電路將計算機輸出數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，驅(qū)動伺服控制系統(tǒng)，選用速度單元，伺服電機及光電編碼盤等伺服調(diào)速系統(tǒng).圖4-1機器人控制系統(tǒng)框圖硬件電路的組成圖4—1是采用ＭCS－５1系列單片機組成的控制系統(tǒng)硬件電路原理圖。電路的組成如下：1。主從CPU都采用8０３1芯片;２.主從CPＵ各擴展程序存儲器２7256一片，擴展數(shù)據(jù)存儲器６2256一片；３。主CPU擴展可編程串行通信接口芯片825１Ａ一片；可編程多功能接口芯片8１55一片；電平轉(zhuǎn)換芯片MAＸ2３2一片;4．從ＣＰU擴展可編程多功能接口芯片81５5六片;Ｄ/Ａ轉(zhuǎn)換器ＤAC０８32六片；運算放大器μA７41六片；ＰＷM功率放大器六片；光電編碼器六片；5。地址鎖存器、譯碼器各兩片；6.鍵盤電路,顯示電路；7.光電編碼電路，功率放大電路；8。報警電路，暫停、急停電路,復(fù)位電路；電路接口說明Ａ。主計算機(1）CＰU采用80３1芯片，由于片內(nèi)無程序存儲器,數(shù)據(jù)存儲器也只有１28字節(jié)，因此，擴展外部程序存儲器2725６一片(16Ｋ），數(shù)據(jù)存儲器6２2５6一片（１6K)。8０３1的Ｉ/O口也不能滿足輸入輸出口的要求,本系統(tǒng)也擴展了一片8155可編程接口芯片.（２)采用７4ＬS1３8三八譯碼器的輸出作為片選信號。27256,62２56，825１A，8１5５的片選信號分別接到譯碼器的～。ＭCS-51系列單片機,64Ｋ字節(jié)外部RAM是由16根地址線(A0~A１5)決定的，它由Ｐ０口提供低8位，Ｐ2口提供高8位。要想擴大RＡM空間,可用增加地址線的辦法來解決。這里,利用P1口增加地址線.74LS１3８的輸入A、Ｂ、C口分別接803１的P１．0、P1。1、Ｐ２．7.（3)由于27２56和62256芯片都是32KＢ，需要15根地址線.其A0～A7低8位接74LS373芯片的輸出端線，A8～A14接8031芯片的P2．０～P２.６,7４ＬS373地址鎖存器在選通號ALE為高電平時直接傳送80３1P０口低8位地址，當ALE在高電平變低電平的下降沿時，低8位地址被鎖存，此時，P0口可用來向片外傳送讀寫數(shù)據(jù)。（４)主機803１要和示教盒通信，因此擴展一片8251Ａ增加一個串行RS-２32C接口。8251A的數(shù)據(jù)線與80３１的Ｐ０口相接。、對應(yīng)相連.8２51的接７4LS１3８的，C/接７４LＳ３73的1Q，。RXRDＹ和TXRDY經(jīng)或非門接到8031的，當82５1A準備好接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時都能向8０31申請中斷.時鐘部分,8251Ａ的CLK接到8031的ＡLE；TXＣ和RXC接在一起,由ALE經(jīng)過一個分頻電路后提供時鐘。TＴＬ電平與ＲS-232C電平的轉(zhuǎn)換通過專門的電平轉(zhuǎn)換芯片ＭAX232.由于不用調(diào)制解調(diào)器，和接地。(5)815５的PA0～PＡ７、PB4~PB7作為顯示器位選信號,顯示器的段選信號由803１的P1．2～Ｐ1。７和P3．4、P3。5發(fā)出,兩邊都接上反相驅(qū)動器７4LS06。通過軟件譯碼靜態(tài)顯示,12個顯示器,每4個分別顯示X、Y、Z軸的坐標。８155的ＰB。0～PB.３是鍵盤掃描輸入，采用行列式結(jié)構(gòu),１2３鍵.行線經(jīng)限流電阻接+5V電源，按鍵跨接在行線和列線上.（６）8１55的PC0～PC4接控制面板上的按鈕開關(guān)，設(shè)有啟動、暫停、急停、示教等操作方式.Ｂ.從計算機（１)ＣＰU采用8031芯片，擴展外部程序存儲器27256一片（１６K），數(shù)據(jù)存儲器6225６一片（１6Ｋ)。從CPU８03１要控制6個關(guān)節(jié)位置的伺服量，８０31的I／O口不能滿足輸入輸出口的要求，本系統(tǒng)擴展了6片8155可編程接口芯片。每一個芯片負責(zé)其相應(yīng)伺服系統(tǒng)的輸入輸出量.(2）采用74LS13８三八譯碼器的輸出作為片選信號。27２5６,622５6,六片815５的片選信號分別接到譯碼器的~。７4LＳ１３8的輸入A、Ｂ、C口分別接8０31的P1．0、Ｐ1。１、Ｐ2.7。（３)由于２７2５6和62256芯片都是3２KB,用74ＬS３73芯片的輸出端線1Ｑ～8Q及Ｐ２口的P2．0～P２。６輸出地址作為２7256、62256的１5根地址線，尋址空間各為３2Ｋ字節(jié)。（4）用8155的I/O輸入輸出口來控制伺服電機,在計算機系統(tǒng)求出控制量之后,把這個控制數(shù)據(jù)送出到D/A轉(zhuǎn)換器ＤAC0８32去,把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬電壓,再去控制PＷM功率放大器工作。（5）DAC0832的輸入數(shù)據(jù)線～接到８155的PＡ口，DAC08３2內(nèi)部有輸入寄存器，所以可以這樣直接相連而不必另加鎖存器。輸入寄存器允許信號ILE固定置于高電平。片選信號和傳送控制信號一起接到８15５的高位地址，寫信號和一起接到８0３1的端。（6)D/A轉(zhuǎn)換器ＤＡＣ08３2和運算放大器μA7４1組成一個完整的Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換電路，它可以把數(shù)字轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號。按照常規(guī)的用法，DＡＣ083２以電流開關(guān)方式進行Ｄ/A轉(zhuǎn)換的。其轉(zhuǎn)換結(jié)果以電流形式在、端輸出,而、再接一個運算放大器μA741的兩個輸入端，同時運算放大器的輸出再接反饋電阻端；這樣由一個運算放大器把ＤＡC083２的輸出、的信號轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出。其輸出的電壓去控制PWM功率放大器，就可以使伺服電機以不同的速度實現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。（7)光電編碼盤是一種可以直接把角度轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)碼的元件,可以產(chǎn)生9位數(shù)據(jù)。它的分辨率是0.7o。當光電編碼盤隨伺服電機的旋轉(zhuǎn)處于不同位置時，它送出的數(shù)據(jù)不同;每一個數(shù)據(jù)和一個角度對應(yīng)。光電編碼盤輸出的數(shù)據(jù)的最高位從815５的輸入，而低八位則從PＢ端口輸入。讀取光電編碼盤的數(shù)據(jù)時，單片機只需讀?。?Ｏ口和PＢ的內(nèi)容。工業(yè)機器人運行時應(yīng)采取的安全措施有些國家已經(jīng)頒布了關(guān)于機器人的安全法規(guī)和相應(yīng)的規(guī)程,國際標準化協(xié)會也有業(yè)機器人安全規(guī)范（ＩSO/TC184/SC2/WG3—DＰ1021８）。在工業(yè)機器人的生產(chǎn)廠家，有嚴格的管理規(guī)定和詳盡的技術(shù)保障體系。在機器人應(yīng)用工程中，要參照有關(guān)規(guī)程、規(guī)范以及工業(yè)機器人的說明資料，注意落實安全措施,杜絕發(fā)生機器人傷人或其它事故。安全要求工業(yè)機器人能代替人在危險有害的環(huán)境作業(yè)。但又給人另一種危險,即機器人傷人事故。這是工業(yè)機器人安全管理的最為重要的一條原則。此外，除了通用的工業(yè)安全規(guī)程外，還要注意工業(yè)機器人的特殊性，采取相應(yīng)可靠的對策.對工業(yè)機器人應(yīng)用工程的安全要求有如下幾條:A、必須為工業(yè)機器人和周邊設(shè)備安裝安全護欄，以防止人靠近而造成傷害。工業(yè)機器人的動作范圍不能超越護欄。B、在護欄出入口的門上必須設(shè)置插拔式電接點點開關(guān)，其插座有導(dǎo)線與控制系統(tǒng)的電路連接。只有拔下開關(guān)的插頭，才能打開對應(yīng)的門。這時，工業(yè)機器人及周邊設(shè)備停止運轉(zhuǎn)，并且將工業(yè)機器人鎖定在示教模式。C、在距操作者的地方設(shè)置緊急停止開關(guān).按下此開關(guān)，工