工業(yè)機(jī)器人畢業(yè)設(shè)計(jì)(共35頁)

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1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上 工 業(yè) 機(jī) 器 人 摘 要 在當(dāng)今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過程的自動(dòng)化程度，工業(yè)機(jī)器人作為自動(dòng)化生產(chǎn)線上重要的成員，逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并采用。工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化的水平。目前，工業(yè)機(jī)器人主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運(yùn)以及堆垛等重復(fù)性并且勞動(dòng)程度極大的工作，工作方式一般采取示教在線的方式。 本文將設(shè)計(jì)一臺(tái)圓柱坐標(biāo)型的工業(yè)機(jī)器人，用于給沖壓設(shè)備運(yùn)送物料。首先，本文將設(shè)計(jì)機(jī)器人的大臂、小臂、底座和機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，然后選擇合適的傳動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)方式，

2、搭建機(jī)器人的結(jié)構(gòu)平臺(tái)：在此基礎(chǔ)上，本文將設(shè)計(jì)該機(jī)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、以及控制元件的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)加強(qiáng)控制軟件的可靠性和機(jī)器人運(yùn)行過程的安全性，最終實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)包括：關(guān)節(jié)的伺服控制和制動(dòng)問題、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況、機(jī)器人的示教編程和在線修改程序、設(shè)置參考點(diǎn)和回參考點(diǎn)。 目 錄 摘要 1 緒

3、論…………………………………………………………………1 1.1 工業(yè)機(jī)器人研究的目的和意義…………………………………1 1.2 工業(yè)機(jī)器人在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)…………………….. 1.3 工業(yè)機(jī)器人的分類 1.4 本課題研究的主要內(nèi)容 2 總體方案的確定 2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述 2.2 基本設(shè)計(jì)參數(shù) 2.3 工作空間的分析 2.4 驅(qū)動(dòng)方式 2.5 傳動(dòng)方式確定 3 搬運(yùn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.2 手爪驅(qū)動(dòng)氣缸設(shè)計(jì)計(jì)算 3.3 進(jìn)給絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算 3.4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型計(jì)算 3.5 手臂強(qiáng)度校核 4 搬運(yùn)機(jī)器人的控制系統(tǒng)

4、 4.1 機(jī)器人控制系統(tǒng)分類 4.2 控制系統(tǒng)方案分析 4.3 機(jī)器人的控制系統(tǒng)方案確定 4.4 PLC及運(yùn)動(dòng)控制單元選型 5 結(jié)論與展望 致謝 1 緒論 1.1 工業(yè)機(jī)器人研究的目的和意義 工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動(dòng)化裝備。自從1962年美國研制出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人以來，機(jī)器人技術(shù)及其產(chǎn)品發(fā)展很快，已成為柔性制造系統(tǒng)（FMS）、自動(dòng)化工廠（ＦＡ）、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（ＣＩＭＳ）的自動(dòng)化工具。廣泛采用工業(yè)機(jī)器人、不僅提高產(chǎn)品的質(zhì)量與數(shù)

5、量而且也保障人身安全、改善勞動(dòng)環(huán)境、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、節(jié)約材料消耗以及降低生產(chǎn)成本有著十分重要的意義。與計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一樣，工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用正在日益改變著人類的生產(chǎn)和生活方式。 ２０世紀(jì)８０年代以來，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)逐漸成熟、并很快得到推廣，目前已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)的許多領(lǐng)域得到應(yīng)用。在工業(yè)機(jī)器人逐漸得到推廣和普及工程中，下面三個(gè)方面的技術(shù)進(jìn)步起著非常重要的作用。 １ 驅(qū)動(dòng)方式的改變 ２０世紀(jì)７０年代后期，日本安川電動(dòng)機(jī)公司研制出了第一臺(tái)全自動(dòng)的工業(yè)機(jī)器人而此前的工業(yè)機(jī)器人基本上采用液壓驅(qū)動(dòng)方式。但與采用液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人相比，采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人在響應(yīng)速度、精度、靈活性等方

6、面都有很大的提高。因此它逐步代替了采用液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人成為工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式的主流。在此過程中，諧波減速器、ＲＶ減速器等高性能減速機(jī)構(gòu)的發(fā)展也功不可沒。近年來，交流伺服驅(qū)動(dòng)已經(jīng)逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流伺服驅(qū)動(dòng)方式，直線電動(dòng)機(jī)等新型驅(qū)動(dòng)方式在許多應(yīng)用領(lǐng)域也有了長(zhǎng)足發(fā)展。 ２ 信息處理速度的提高 機(jī)器人的動(dòng)作通常是通過機(jī)器人的各個(gè)環(huán)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的。為了是機(jī)器人完成各種復(fù)雜動(dòng)作，機(jī)器人控制器需要進(jìn)行大量計(jì)算并在此基礎(chǔ)上向機(jī)器人的各個(gè)環(huán)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)發(fā)出必要的控制指令。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，CPU的計(jì)算能力有了很大的提高，機(jī)器人控制器的性能也有了很大提高，高性能機(jī)器人控制器甚至可以同時(shí)控

7、制２０多個(gè)關(guān)節(jié)。機(jī)器人控制性能的提高，也進(jìn)一步促進(jìn)了工業(yè)機(jī)器人本身性能的提高并擴(kuò)大了工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用范圍。近年來，隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)出現(xiàn)了多臺(tái)機(jī)器人通過網(wǎng)絡(luò)共享信息并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行協(xié)調(diào)控制的技術(shù)趨勢(shì)。 1.2 工業(yè)機(jī)器人在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì) 目前，工業(yè)機(jī)器人有很大一部分應(yīng)用于制造業(yè)的物流搬運(yùn)中，極大的促進(jìn)物流自動(dòng)化，隨著生產(chǎn)的發(fā)展，搬運(yùn)機(jī)器人的各方面的性能都得到了很大的改善和提高。氣動(dòng)機(jī)械手大量應(yīng)用到物流搬運(yùn)機(jī)器人領(lǐng)域。在手爪的機(jī)械結(jié)構(gòu)方面根據(jù)所應(yīng)用場(chǎng)合的不同以及對(duì)工件夾持的特殊要求，采取了多種形式的機(jī)械結(jié)構(gòu)來完成對(duì)工件的夾緊和防止工件脫落的鎖緊措施。在針對(duì)同樣的目標(biāo)任務(wù)

8、，采取多種運(yùn)動(dòng)方式相結(jié)合的方式來達(dá)到預(yù)定的目的。驅(qū)動(dòng)方面采用了一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人多種驅(qū)動(dòng)方式情況，由液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)等等。越來越多的搬運(yùn)機(jī)器人是采用混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的，這樣能夠更好的發(fā)揮各驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)，避免缺點(diǎn)并在它的控制精度方面和搬運(yùn)效率方面有了很大的提高。在搬運(yùn)機(jī)械手的控制方面出現(xiàn)了多種控制方式。如、有原始的電控機(jī)械手，較先進(jìn)的基于工控機(jī)控制的，基于ＰＣ控制的，進(jìn)一步的嵌入式ＰＣ控制技術(shù)，還采用PLC可編程控制的。 在物料搬運(yùn)方面，近年來呈現(xiàn)出的趨勢(shì)就是系統(tǒng)化。無論是我國還是國外，物料搬運(yùn)的發(fā)展都是由單一設(shè)備走向成套設(shè)備；由單機(jī)走向系統(tǒng)。在制造業(yè)方面，隨著JIT

9、、FMS、CIMS等現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，對(duì)物料的搬運(yùn)系統(tǒng)也提出了新的要求，其特點(diǎn)是力求減少庫存、壓縮等待和輔助時(shí)間，使多品種、少批量的物料準(zhǔn)時(shí)到達(dá)要求的地點(diǎn)。這一趨勢(shì)在機(jī)械工業(yè)方面得到了很大的應(yīng)用，其中采用了機(jī)器人等先進(jìn)的物料搬運(yùn)技術(shù)，促進(jìn)了機(jī)械工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和生產(chǎn)水平提高。 當(dāng)代工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展一方面表現(xiàn)在工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大和機(jī)器人的種類增多；另一方面表現(xiàn)在機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的性能的提高和控制系統(tǒng)的智能化。前者指的是應(yīng)用領(lǐng)域的橫向拓寬，后者是在性能及水平上的縱向提高，又使擴(kuò)大機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬和性能水平的提高，又使擴(kuò)大機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域成為可能。 1 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)性能的提高

10、 進(jìn)一步提高工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度。機(jī)器人是一種多關(guān)節(jié)開鏈結(jié)構(gòu)，因此機(jī)器人手臂的剛度一般都不高，另外由于構(gòu)件的尺寸誤差和傳動(dòng)間隙的存在，以及機(jī)器人手臂末端誤差的放大作用，是當(dāng)前機(jī)器人的定位與運(yùn)動(dòng)還不能達(dá)到很高的精度。度大、精度高的數(shù)控機(jī)床相比，機(jī)器人在工作精度上大為遜色。因此，至今工業(yè)機(jī)器人在精密裝配及其他精密作業(yè)中的應(yīng)用中仍受到了很大的限制，除了精密作業(yè)要求高精度機(jī)器人以外，采用離線編程的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)也要求該機(jī)器人要具有足夠高的定位精度和運(yùn)動(dòng)精度。 進(jìn)一步提高機(jī)器人工作精度的主要辦法：提高機(jī)器人的加工精度與裝配精度，采用無障傳動(dòng)的減速機(jī)構(gòu)，采用直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過標(biāo)定機(jī)器人的。 2

11、 誤差補(bǔ)償 通過實(shí)驗(yàn)檢測(cè)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，提高機(jī)器人手的靈活度和避障能力：當(dāng)前常用機(jī)器人手的靈活度的都不夠高，即手臂末端達(dá)到某一工作點(diǎn)時(shí)，手臂可能采取的姿態(tài)是有限的，有時(shí)要有很大的靈活度和很強(qiáng)的避障能力。例如：當(dāng)時(shí)噴涂機(jī)器人噴涂車身內(nèi)表面時(shí)，要求機(jī)器人能將車身內(nèi)表面的各個(gè)角落都噴上漆，必須要有高靈活度機(jī)器人手才行。另外，在有限空間及有障礙的復(fù)雜環(huán)境中作業(yè)的機(jī)器人。例如：在核電站工作的機(jī)器人也要求其具有高靈活度的機(jī)器人手臂。為了提高工業(yè)機(jī)器人手臂的靈活度，主要采用具有冗雜自由度的機(jī)器人手臂和在機(jī)器人手臂機(jī)構(gòu)上采用膨脹膠關(guān)節(jié)及雙向彎曲手臂。 3 提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和響應(yīng)頻率：

12、為了提高機(jī)器人作業(yè)頻率以及提高具有感知功能機(jī)器人的反應(yīng)速度就必須提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度和響應(yīng)頻率。這一點(diǎn)對(duì)裝配機(jī)器人來說尤為重要。為此一方面可以通過采用高強(qiáng)度材料和輕質(zhì)材料（如碳纖維復(fù)合材料）制造機(jī)器人手臂以達(dá)到減輕手臂重量和提高手臂動(dòng)態(tài)特性的目的；另一方面也可以通過采用直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)或其他高性能驅(qū)動(dòng)電機(jī)，從控制和驅(qū)動(dòng)方面提高機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度與響應(yīng)頻率。 4 提高機(jī)器人手爪或手腕的操作能力、靈活性與快速反應(yīng)能力： 為了使機(jī)器人能像人一樣進(jìn)行各種復(fù)雜作業(yè)如裝配作業(yè)、維修作業(yè)及設(shè)備操作。機(jī)器人就必須有一個(gè)運(yùn)動(dòng)靈活和動(dòng)作靈敏的手腕和手爪。這一點(diǎn)對(duì)裝配作業(yè)機(jī)器人、核工業(yè)機(jī)器人和在空間上作業(yè)的空間機(jī)器

13、人來說是特別重要的。 5 采用模塊化組合式機(jī)器人結(jié)構(gòu)： 提高機(jī)器人快速維修性能，根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，制造出多種不同尺寸和規(guī)格的手臂和連接器模塊，用少量的可組合成多種機(jī)器人配置。這種機(jī)器人能進(jìn)行快速維修，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恢復(fù)。所以這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)最適用于空間機(jī)器人、核工業(yè)機(jī)器人等。如這種基本結(jié)構(gòu)能推廣于一般工業(yè)機(jī)器人將使工業(yè)機(jī)器人的成本下降，生產(chǎn)周期及維修周期縮短。 1.3 工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人的分類 搬運(yùn)機(jī)器人【transfer robot】是可以進(jìn)行自動(dòng)化搬運(yùn)作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人。最早的搬運(yùn)機(jī)器人出現(xiàn)在1960年的美國，Versatran和Unimate兩種機(jī)器人首次用于搬運(yùn)作業(yè)。搬運(yùn)作業(yè)是指用一

14、種設(shè)備握持工件，是指從一個(gè)加工位置移到另一個(gè)加工位置。搬運(yùn)機(jī)器人可安裝同的末端執(zhí)行器以完成各種不同形狀和狀態(tài)的工件搬運(yùn)工作，大大減輕了人類繁重的體力勞動(dòng)。目前世界上使用的搬運(yùn)機(jī)器人愈10萬臺(tái)，被廣泛應(yīng)用于機(jī)床上下料、沖壓機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)線、自動(dòng)裝配流水線、碼垛搬運(yùn)、集裝箱等的自動(dòng)搬運(yùn)。部分發(fā)達(dá)國家已制定出人工搬運(yùn)的最大限度，超過限度的必須由搬運(yùn)機(jī)器人來完成。   機(jī)器人自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)主要由搬運(yùn)機(jī)器人、工件自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)、自動(dòng)啟動(dòng)裝置、自動(dòng)傳輸裝置組成，適合于工件自動(dòng)搬運(yùn)的場(chǎng)合，尤其適合自動(dòng)化程度較高的流水線等工業(yè)場(chǎng)合，提高生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度。   機(jī)器人自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)可根

15、據(jù)用戶的要求配備不同的手爪（如機(jī)械手爪，真空吸盤，電磁吸盤等），可實(shí)現(xiàn)對(duì)各種工件的抓取搬運(yùn)，具有定位準(zhǔn)確，工作節(jié)拍可調(diào)，工作空間大，性能優(yōu)良，運(yùn)行平穩(wěn)可靠，維修方便等特點(diǎn)。 物料搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)： １.３.１ 按作業(yè)用途分類 如前所述，各類工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用范圍非常廣泛，而且還有一種機(jī)器人多種用途的情況。通常我們依據(jù)其具體的作業(yè)用途來稱呼它，如一條自動(dòng)生產(chǎn)線上使用了相同結(jié)構(gòu)的數(shù)臺(tái)機(jī)器人，有的用于點(diǎn)焊就稱為點(diǎn)焊機(jī)器人，有的用于搬運(yùn)工件就稱為搬運(yùn)機(jī)器人，以此類推，便有噴漆機(jī)器人、涂膠機(jī)器人、裝配機(jī)器人和測(cè)量機(jī)器人等有的作業(yè)具有一定范圍，如潛入水下作勘查、采礦和鋪４管道的機(jī)器人，就統(tǒng)稱為水下

16、機(jī)器人，類似還有宇航機(jī)器人等。 １.３.２ 按操作機(jī)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)分類 按工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)把機(jī)器人區(qū)分為：直角坐標(biāo)式機(jī)器人、極坐標(biāo)式機(jī)器人，圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人和關(guān)節(jié)式機(jī)器人，另外還有少數(shù)復(fù)雜的機(jī)器。人是采用以上方式組合的組合式機(jī)器人。 １.３.３ 按機(jī)器人的負(fù)荷和工作范圍分類 按照這種分類方法，工業(yè)機(jī)器人分為： 超大型機(jī)器人——負(fù)荷為１０ＫＮ以上。 大型機(jī)器人——負(fù)荷１－１０ＫＮ，工作空間為１－１０立方米。 中型機(jī)器人――負(fù)荷為１００－１０００Ｎ。工作空間為０.１－１立方米。 小型機(jī)器人――負(fù)荷為１－１００Ｎ，工作空間為０.１立方米。 超小型機(jī)器人――負(fù)荷小于１Ｎ

17、，工作空間為０.１立方米。 以上所謂機(jī)器人的負(fù)荷是指在機(jī)器人的規(guī)定性能條件下，機(jī)器人所能搬移的重量中包括了機(jī)器人末端執(zhí)行器的重量。 1.3.4 按機(jī)器人具有的運(yùn)動(dòng)自由度數(shù)分類 機(jī)器人的自由度數(shù)的定義是：操作機(jī)各運(yùn)動(dòng)部件獨(dú)立運(yùn)動(dòng)數(shù)目之和。 這種運(yùn)動(dòng)只有兩種形態(tài)：直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其腕端的任何復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)都可由這兩種運(yùn)動(dòng)來合成。工業(yè)機(jī)器人的自由度數(shù)。一般為2—7個(gè)，簡(jiǎn)易型的2—4個(gè)自由度，復(fù)雜型的5——7個(gè)自由度。自由度數(shù)越多，機(jī)器人的柔性越大，結(jié)構(gòu)和控制也就越復(fù)雜，所以并非越多越好。 1.4 本課題研究的主要內(nèi)容 （1）確定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)及工作行程。 （2）根據(jù)工件的負(fù)載情況，工作

18、空間以及各個(gè)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)形式對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人進(jìn)行整體方案的設(shè)計(jì)： （1）對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人的手爪、小臂、大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，繪制各部分的結(jié)構(gòu)草圖。 （2）由第二步所給定的條件和第三步的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)并確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式和傳統(tǒng)方式。 （4）對(duì)個(gè)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量進(jìn)行粗估完成對(duì)手爪的夾緊氣缸、小臂、大臂、絲杠的驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及腰部、腕部的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的計(jì)算選型。 （5）根據(jù)電機(jī)的外形尺寸及輸出軸軸徑以及電機(jī)的重量完善結(jié)構(gòu)草圖。 （6）通過以確定的結(jié)構(gòu)的質(zhì)量的分析，驗(yàn)算重要零件的受力情況，繪制裝配圖。 2 總體設(shè)計(jì)方案的確定 2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述 一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有下列互相作用的部分組成：

19、機(jī)械手、環(huán)境、任務(wù)。 機(jī)械手是由具有傳動(dòng)執(zhí)行裝置的機(jī)械。它有臂、關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行裝置構(gòu)成，組合為一個(gè)互相連接，互相依賴的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)。機(jī)械手用于執(zhí)行指定的作業(yè)業(yè)務(wù)。工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器是安裝在腕端的附加裝置 機(jī)器人的手部可分為夾持式和吸附式兩大類。夾持式是執(zhí)行手：夾持方式由外夾式和內(nèi)撐式之分；吸附式得分為空氣負(fù)壓式和電磁式兩種。 任務(wù)是指機(jī)器人要完成的工作，機(jī)器人的類型是隨著工作任務(wù)的特點(diǎn)而決定的。例如SCARH機(jī)器人就非常適合平面上的工件的抓取。 環(huán)境是指機(jī)器人所處的周圍環(huán)境。環(huán)境不僅由幾何條件（可達(dá)空間）所決定的而且由環(huán)境和它們所包含的每一個(gè)事物的全部自然特性所決定的

20、。 2.2 基本設(shè)計(jì)參數(shù) 根據(jù)次機(jī)械手的應(yīng)用場(chǎng)合和實(shí)地的應(yīng)用要求，其主要的設(shè)計(jì)參數(shù)要求如下： （1） 抓取的重物：2Kg （2） 機(jī)械手的自由度數(shù)：4個(gè) （3） 運(yùn)動(dòng)參數(shù)： 大臂升降：線速度：0.02m/s 小臂伸縮：線速度：0.02 m/s 手腕俯仰：角速度：3.14rad/s 腰部旋轉(zhuǎn)：角速度：3.14 rad/s （4） 運(yùn)動(dòng)行程 大臂升降：300mm 小臂伸縮：300 mm 腰部旋轉(zhuǎn)：正負(fù)90度 手腕俯仰：正負(fù)90度 2.3 工作空間分析 2.3.1基座及連桿 1 基座 基座是整個(gè)機(jī)器人本體的支撐，為保證機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定性，采用兩塊“Z”字

21、形實(shí)心鑄鐵作為支撐。 基座上面是接線盒子，所有電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和反饋信號(hào)都從中出入。接線盒子外面有一個(gè)引入線出口和一個(gè)引出線出口。 2 大臂 大臂長(zhǎng)度230mm,具體尺寸如圖所示： 3 小臂 小臂長(zhǎng)度180mm,具體尺寸如圖所示： 2.3.2 機(jī)械手的設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)器人的手又稱為末端執(zhí)行器，它使機(jī)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(jìn)行操作的部件。它具有模仿人手動(dòng)作的功能，并安裝于機(jī)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

22、業(yè)機(jī)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(shè)計(jì)對(duì)象為物料搬運(yùn)機(jī)器人，并不需要復(fù)雜的多指人工指，只需要設(shè)計(jì)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。手指松開和加緊工件是通過手指的張開與閉合來實(shí)現(xiàn)的。該設(shè)計(jì)采用兩個(gè)手指，其外形如圖所示： 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是向手指?jìng)鬟f運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)夾緊和松開動(dòng)作的機(jī)構(gòu)。根據(jù)手指開合的動(dòng)作特點(diǎn)分為回轉(zhuǎn)型和平移形。本文采用回轉(zhuǎn)型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。圖2.4為初步設(shè)計(jì)的機(jī)械手機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖（只畫出了一半，另一半關(guān)于中心線對(duì)稱）。 在

23、圖中，O為電機(jī)輸出軸，曲柄ＯＡ、連桿ＡＢ、滑塊Ｂ和支架結(jié)構(gòu)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)：滑塊Ｂ、連桿ＢＣ、搖桿ＣＥ和支架構(gòu)成滑塊搖桿機(jī)構(gòu)。通過兩個(gè)機(jī)構(gòu)串聯(lián)，使電機(jī)最終驅(qū)動(dòng)ＤＥ的來回?cái)[動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)手指的開合運(yùn)動(dòng)。 圖中的黑線和藍(lán)線表示機(jī)構(gòu)運(yùn)行的兩個(gè)極限位置。 為便于手指的順利合攏，可以在兩個(gè)手指之間設(shè)置一個(gè)彈簧，這樣還可以提供適當(dāng)?shù)膴A緊力。 另外，在選用電機(jī)的時(shí)候，要使電機(jī)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。 ２.３．３ 驅(qū)動(dòng)方式 該機(jī)器人一共具有四個(gè)獨(dú)立的傳動(dòng)關(guān)節(jié)，連同末端機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，一共需要五個(gè)動(dòng)力源。 機(jī)器人常用的驅(qū)動(dòng)方式有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)三種類型。這三種方

24、法各有所長(zhǎng)，各種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)見表２.１： 表２.１三種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)對(duì)照　 液壓驅(qū)動(dòng)： （1）輸出功率 很大，壓力范圍為50-140Pa，利用液體不可縮性，控制精度較高。 （2）控制性能 輸出功率大，可無級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 （3）響應(yīng)速度 很高 (4)結(jié)構(gòu)性能及體積 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行結(jié)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，以實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較大. (5)安全性 防爆性能好，用液壓做傳動(dòng)介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危險(xiǎn)。 （6）在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用范圍 適用于重載、低速驅(qū)動(dòng)，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機(jī)

25、器人、點(diǎn)焊機(jī)器人和托運(yùn)機(jī)器人。 （7）成本維修及使用 液壓元件成本較高方便，但油液對(duì)環(huán)境溫度有一定要求。 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)： （1） 輸出功率 大，壓力范圍為48-60Pa，最大可達(dá)Pa氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速。 （2） 控制性能 不易控制，難以實(shí)現(xiàn)高速、高精度連續(xù)軌跡控制。 （3） 響應(yīng)速度 較高。 （4） 結(jié)構(gòu)性能及體積 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，以實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較小。 （5） 安全性 防爆性能好，高于1000kPa(10個(gè)大氣壓)時(shí)應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性。 （6） 對(duì)環(huán)境的影響 排氣時(shí)有噪聲。 （7）

26、在工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用范圍 適用于中小負(fù)載驅(qū)動(dòng)、精度要求較低的有限點(diǎn)位程序控制機(jī)器人，如沖壓器機(jī)器人本體的氣動(dòng)平衡及裝配機(jī)器人氣動(dòng)夾具。 （8） 成本維修及使用 成本方便。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)： （1） 輸出功率 較大控制精度，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏。 （2） 控制性能 可實(shí)現(xiàn)高速、高精度連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜。 （3） 響應(yīng)速度 很高。 （4） 結(jié)構(gòu)性能及體積 伺服電機(jī)易于標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動(dòng)機(jī)一般需配置減速裝置，除DD電動(dòng)機(jī)外，難以直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊，無密封問題。 （5） 安全性 設(shè)備自身無爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)，直流有刷電動(dòng)機(jī)換向時(shí)有火花，對(duì)環(huán)

27、境防爆性能較差。 （6） 對(duì)環(huán)境的影響 無。 （7）在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用范圍 適用于中小負(fù)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(jī)器人，如AC伺服噴涂機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、裝配機(jī)器人等。 （8）成本維修及使用 成本高較復(fù)雜。 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)，通常對(duì)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求有： （1） 驅(qū)動(dòng)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(yīng)速度要快，即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比要大，能夠進(jìn)行頻繁的起、制動(dòng)，正反轉(zhuǎn)切換； （3） 驅(qū)動(dòng)盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要小； （4） 安全可靠； （5） 操作和維護(hù)

28、方便； （6） 對(duì)環(huán)境無污染，噪聲要小； （7） 經(jīng)濟(jì)上合理，尤其要盡量減少占地面積。 基于上述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)和機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，本文選用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式對(duì)機(jī)器人進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 2.4 傳動(dòng)方案的確定 2.41 傳動(dòng)方案分析： <1> 方案一： 第一、二、自由度均采用伺服電機(jī)加減速器的結(jié)構(gòu)形式。大臂的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和小臂的回轉(zhuǎn)軸共線。小臂的傳動(dòng)方案與大臂的傳動(dòng)方案相同，這樣雖然結(jié)構(gòu)上較為簡(jiǎn)單，但對(duì)大臂產(chǎn)生了一定的不利影響并且對(duì)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算也會(huì)較為麻煩。第三個(gè)自由度即就是升降機(jī)結(jié)

29、構(gòu)采用電機(jī)步進(jìn)電機(jī)加同步齒形帶的傳動(dòng)方案。同步齒形帶具有精度高，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)比恒定等特點(diǎn)。但對(duì)安裝的精度要求較高，負(fù)載能力也很有限并且不能實(shí)現(xiàn)反向自鎖，需要另加斷電保護(hù)裝置。手抓結(jié)構(gòu)采用較為簡(jiǎn)單的氣動(dòng)控制直線運(yùn)動(dòng)的手爪。 <2>方案二： 第一 二自由度均采用交流伺服電機(jī)加減速器的驅(qū)動(dòng)模式，故此結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。電機(jī)和小臂的關(guān)節(jié)軸是同一方向的。這是在充分考慮到小臂的驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)大臂所產(chǎn)生的附加彎矩的條件下，對(duì)大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特別做了加強(qiáng)處理。第三個(gè)自由度為絲杠螺母的升降運(yùn)動(dòng)，采用的傳動(dòng)方式是電機(jī)軸經(jīng)過一級(jí)齒輪減速，再驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)絲杠，利用滑動(dòng)絲杠的大減速比的特點(diǎn)，達(dá)到控制上

30、升的速度不至于過快。同時(shí)選擇單頭的滑動(dòng)絲杠具有很好的自鎖性能，從而在系統(tǒng)突然斷電的情況下，不致使此自由度方向上發(fā)生運(yùn)動(dòng)，從而保證了結(jié)構(gòu)的安全。第四自由度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)也是采用電機(jī)加諧波減速器的結(jié)構(gòu)形式。手爪采用目前廣泛采用的而且技術(shù)成熟的連桿導(dǎo)桿式氣動(dòng)機(jī)械手，這一機(jī)械手的造價(jià)低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、針對(duì)此處所抓取的工件的特點(diǎn)是不易變形的金屬工件，所以對(duì)夾緊力的要求不是太高，故采用氣動(dòng)機(jī)械手爪完全可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 方案三： 如圖2-4所示，第一自由度采用步進(jìn)電機(jī)加減速裝置的傳動(dòng)模式。大臂與回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)之間采用諧波減速器傳遞動(dòng)力。小臂的驅(qū)動(dòng)電機(jī)考慮到它的重量會(huì)對(duì)大臂造成較大的附加彎矩則把小臂的驅(qū)動(dòng)

31、電機(jī)安裝在大臂的回轉(zhuǎn)軸的軸線方向，電機(jī)輸出軸與小臂的回轉(zhuǎn)軸之間通過同步齒形帶相連接，保證了小臂回轉(zhuǎn)的精度。但這樣就使的小臂的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有多段承受彎矩的軸，并且電機(jī)軸也承受了一定的彎矩。第三個(gè)自由度采用滾珠絲杠并配以電機(jī)加減速器驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)方案，這是利用了滾珠絲杠的傳動(dòng)精度高，并且是把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，而不需要中間環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但滾珠絲杠必須附加自鎖裝置以確保能夠做到斷電保護(hù)。滾珠絲杠的造價(jià)高，重量也較重，因此在滾珠絲杠的材料選擇方面而要求加工材料要較輕，并且滾珠絲杠需要電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩也較大，自身減速比較小。機(jī)器人的手爪部分仍然采用較為常用的氣缸配合連桿式氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，其作用

32、與方案一所述的相同。 2.4.2 伺服驅(qū)動(dòng)與步進(jìn)驅(qū)動(dòng)的比較 （1）低頻特性不同 步進(jìn)電機(jī)在低速是容易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象，振動(dòng)頻率與負(fù)載情況以及與驅(qū)動(dòng)器的性能有關(guān)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低頻的時(shí)候一般還采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。 （2）矩頻特性不同 步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速的升高而降低，而且在較高的轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降所以其最高的工作轉(zhuǎn)速在300~600r/min。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出即使在額定轉(zhuǎn)速以內(nèi)都能輸出額定的轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。 （3）過載能力不同 不僅電機(jī)一般不具有過載能力，交流伺服電機(jī)

33、具有較強(qiáng)的過載能力而步進(jìn)電機(jī)因?yàn)闆]有這種過載能力，為了克服啟動(dòng)時(shí)較大的慣性力矩，往往要選取具有較大靜轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，而機(jī)器人正常工作時(shí)又不需要這麼大的轉(zhuǎn)矩，所以便出現(xiàn)了力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。 (4)運(yùn)行性能不同 步進(jìn)電機(jī)的控制一般為開環(huán)控制，速度過快或負(fù)載過大都會(huì)出現(xiàn)失轉(zhuǎn)或堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。交流伺服電機(jī)為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可以直接對(duì)電動(dòng)機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，在內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，能避免失步或過沖現(xiàn)象。 綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)，所以在一些對(duì)位置和速度要求較高的場(chǎng)合，采用交流伺服系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)更為明顯。此次的搬運(yùn)機(jī)器人對(duì)工件的抓取，對(duì)其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求就是要能夠較為

34、準(zhǔn)確的完成對(duì)位置和速度的控制，這樣選取交流伺服電機(jī)就能夠很好的滿足這一點(diǎn)。 通過對(duì)上面的方案的比較，綜合分析后我認(rèn)為方案二有更多的優(yōu)勢(shì)，而且結(jié)構(gòu)合理，能夠比較好的完成本次的輸送線出貨臺(tái)的物料搬運(yùn)工作。 故此次方案二作為本次設(shè)計(jì)的最終設(shè)計(jì)方案。 3 搬運(yùn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （1） 底座 如圖所示：電機(jī)和諧波減速器通過連軸套筒相連，諧波減速器的輸出軸和大臂的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸直接相連。外殼材料采用45鋼底座的軸承采用角接觸軸承，使利用了它既能承受軸向力也能承受一定的徑向力的特點(diǎn)。電機(jī)和減速器通過外殼內(nèi)部的凸臺(tái)進(jìn)行安裝，這樣使得結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工和安裝

35、方便。里面部件的材料采用鋁合金位于底部的電機(jī)通過諧波減速器的減速對(duì)頂端軸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而帶動(dòng)了大臂回轉(zhuǎn)軸和大臂一起轉(zhuǎn)動(dòng)，需要注意的是臂回轉(zhuǎn)軸是做成一體的。 （2）傳動(dòng)裝置 傳動(dòng)的主要方式是采用交流伺服電機(jī)加減速器的傳動(dòng)模式，大臂的軸承選擇的是角接觸軸承，用此來承受較大的負(fù)載產(chǎn)生的彎矩，避免了減速器的輸出軸，以及電機(jī)軸承受的附加載荷，從而保護(hù)了減速器和電機(jī)。大臂的長(zhǎng)度盡可能做的短一些，這樣會(huì)在整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的情況下將小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的電機(jī)自身重量和減速器的重量盡可能多的通過殼體傳遞到地面，另外對(duì)大臂的設(shè)計(jì)也采用了增加強(qiáng)度的處理，從而盡可能電機(jī)和減速器所產(chǎn)生的附加彎矩對(duì)機(jī)構(gòu)的影響。小臂回

36、轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)采用了電機(jī)減速器后直接驅(qū)動(dòng)小臂關(guān)節(jié)軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)小臂的旋轉(zhuǎn)。這里大、小臂的運(yùn)動(dòng)具有獨(dú)立性的特點(diǎn)。 （3）升降機(jī)構(gòu) 此處機(jī)械手的升降機(jī)構(gòu)是采用電機(jī)加一級(jí)齒輪減速，傳遞動(dòng)力給滑動(dòng)絲杠，利用滑動(dòng)絲杠的大的降速比來完成夾持工件的機(jī)械手上下移動(dòng)，這樣可把電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成絲杠螺母的上下移動(dòng)，并且整體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。同時(shí)考慮滑動(dòng)絲杠的原因也是利用了滑動(dòng)絲杠的反向自鎖的特性，從而實(shí)現(xiàn)了斷電保護(hù)。在滑動(dòng)絲杠的外螺母上連接導(dǎo)向桿，這樣可以對(duì)螺母起到導(dǎo)向作用，同時(shí)可以減少負(fù)載產(chǎn)生的附加彎矩對(duì)滑動(dòng)絲杠的影響，進(jìn)一步提高了機(jī)械手抓取時(shí)的抓取精度。 (4) 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 如圖所示，此處的

37、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要是利用步進(jìn)電機(jī)利用鍵連接來驅(qū)動(dòng)機(jī)械手進(jìn)行旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)抓取工件位姿的調(diào)整，這里是考慮到機(jī)械手在抓取工件時(shí)所需要的位姿來進(jìn)行設(shè)計(jì)的，使得機(jī)械手的手爪更方便有效的完成工件的抓取。 3.2氣動(dòng)氣缸設(shè)計(jì)計(jì)算 3.3 進(jìn)給絲杠的設(shè)計(jì) 當(dāng)機(jī)械手爪抓起工件時(shí)，絲杠的負(fù)載就由以下幾個(gè)部分組成：工件、手爪、驅(qū)動(dòng)氣缸、手爪與氣缸的連接套筒、俯仰電機(jī)、減速器、絲杠套杯與L型支架等組成。 它們

38、的重量可以做一下粗估：工件40N，手爪20N，驅(qū)動(dòng)氣缸20N，手爪與氣缸的連接套筒20N，俯仰電機(jī)55N，減速器5N,絲杠套杯與L型支架40N等組成。考慮到實(shí)際的影響因素，可以估計(jì)出絲杠的真實(shí)負(fù)載約為F=230N。 考慮到先前方案分析是提到絲杠要求反向自鎖的特點(diǎn)，先根據(jù)其負(fù)載情況粗選滑動(dòng)絲杠的類型為單頭梯形絲杠。大徑d1=39mm,中徑d2=27mm,小徑d3=23mm,螺距Ｐ＝６ｍｍ．螺桿材料為４５鋼，螺母材料為ＺＣｕＳｎ５Ｐｂ５Ｚｎ５，高度Ｈ＝６００ｍｍ． 對(duì)所選的絲杠進(jìn)行驗(yàn)算： 　　 · 4 搬

39、運(yùn)機(jī)器人的控制系統(tǒng) ４．1 機(jī)器人控制系統(tǒng)分類 1、 程序控制系統(tǒng)：給每一個(gè)自由度施加一定規(guī)律的控制作用，機(jī)器人就可實(shí)現(xiàn)要求的空間軌跡。 ２、自適應(yīng)控制系統(tǒng)：當(dāng)外界條件變化時(shí)，為保證所要求的品質(zhì)或?yàn)榱穗S著經(jīng)驗(yàn)的積累而自行改善控制品質(zhì)，其過程是基于操作機(jī)的狀態(tài)和伺服誤差的觀察，再在調(diào)整非線性模型參數(shù)，一直到誤差消失為止。這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)能隨時(shí)間和條件自動(dòng)改變。 ３、人工智能系統(tǒng)：事先無法編制運(yùn)動(dòng)程序，而是要求在運(yùn)動(dòng)過程中根據(jù)所獲得周圍狀態(tài)信息，實(shí)時(shí)確定控制作用。 ４、機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 機(jī)器人控制系統(tǒng)按其控制方式可分為兩類： １）集中控制方式：用一臺(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)全部控制功能，結(jié)構(gòu)

40、簡(jiǎn)單，成本低，但實(shí)時(shí)性差，難以擴(kuò)展，其構(gòu)成框圖如圖所示： ２）主從控制方式：采用主、從兩級(jí)處理器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全部控制功能。 · 主CPU實(shí)現(xiàn)管理、坐標(biāo)變換、軌跡生成和系統(tǒng)自診斷等；從ＣＰＵ實(shí)現(xiàn)所有關(guān)節(jié)的動(dòng)作控制。其構(gòu)成框圖如圖３所示。主從控制方式系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較好，適用于高精度、高速度控制，但其系統(tǒng)擴(kuò)展性較差，維修困難。 ４．２ 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) ４．２．１ 控制系統(tǒng)方案分析 控制系統(tǒng)通常是指在復(fù)雜的條件下，將預(yù)定的控制目標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)槠谕臋C(jī)械運(yùn)動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)使被控機(jī)械實(shí)現(xiàn)精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉(zhuǎn)矩或力的控制，以及這些被空機(jī)械量的精確綜合控制。 搬運(yùn)機(jī)器人的手部、

41、小臂、大臂的動(dòng)作都是通過控制系統(tǒng)來控制的，所以控制系統(tǒng)是搬運(yùn)機(jī)器人的重要組成部分，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)于機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)而言至關(guān)重要。目前，搬運(yùn)機(jī)器人的控制方式大多采用可編程序的點(diǎn)位控制（ＰＴＰ）方式，而在各種控制方式中，可編程序控制器（ＰＬＣ）因其通用性好、編程方便、成本較低、易于設(shè)計(jì)和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)而被廣為使用，它完全可以取代繼電器控制柜，而且可以實(shí)現(xiàn)比繼電器功能強(qiáng)得多的控制功能。 ４．２．２ 控制系統(tǒng)特點(diǎn) １、編程方法簡(jiǎn)單 可編程控制器的梯形圖語言程序一般采用順序控制設(shè)計(jì)方法。這種編程方法很有規(guī)律，容易掌握。對(duì)于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)梯形圖語言程序和調(diào)試程序比設(shè)計(jì)和調(diào)試?yán)^電器控制系統(tǒng)所花的

42、時(shí)間要少得多。 ２、控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng) 盡管現(xiàn)在世界各個(gè)生產(chǎn)可編程控制器的廠家和公司，有著多種品牌和種類，但其基本結(jié)構(gòu)和工作原理大致相同。配以各種組件就可以靈活的組成各種規(guī)模和不同要求的控制系統(tǒng)。 ３、抗干擾能力強(qiáng) 可編程控制器采用了一系列硬件和軟件的抗干擾能力措施，如濾波、隔離、屏蔽、自診斷器、自恢復(fù)等使之具有很淺的抗干擾能力。一般無故障的時(shí)間數(shù)已經(jīng)達(dá)到數(shù)萬小時(shí)以上，可以應(yīng)用于有強(qiáng)干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)?，F(xiàn)在可編程控制器已經(jīng)被公認(rèn)為最可靠的工業(yè)控制設(shè)備之一。 ４、可靠性高 繼電接觸器控制系統(tǒng)使用了大量的機(jī)械觸電，連線復(fù)雜，各觸點(diǎn)在吸合和斷開時(shí)容易受到電弧的損傷，所以壽命多，

43、工作可靠性差，而可編程控制器以軟件代替硬件，許多繼電器的觸點(diǎn)和繁雜的連線可以用程序來實(shí)現(xiàn)，大量開關(guān)動(dòng)作可以用無觸電的電子電路來完成，因此壽命長(zhǎng)，可靠性大大的提高。 ５、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，安裝、維護(hù)方便； 可編程控制器體積小、質(zhì)量小，便于安裝。通?？删幊炭刂破鞫加凶栽\斷、故障報(bào)警、故障顯示的功能，便于操作和維修人員檢查，可以較容易的通過更換模塊插件來迅速排除故障。它的結(jié)構(gòu)緊湊，與硬件連方式簡(jiǎn)單，接線少，易于維護(hù)。 ４．３ 機(jī)器人的控制系統(tǒng)方案確定 本次控制系統(tǒng)采用的方案是PLC+交流伺服系統(tǒng)。 交流伺服系統(tǒng)由交流伺服電動(dòng)機(jī)和伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成，它已經(jīng)成為無刷直流伺服系統(tǒng)的

44、代替品。近年來交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)有了飛速發(fā)展，它不僅能克服了直流伺服電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上存在的電刷維護(hù)困難、造價(jià)高、壽命短、應(yīng)用環(huán)境受限制等缺點(diǎn)，同時(shí)又發(fā)揮了交流伺服電動(dòng)機(jī)堅(jiān)固耐用、經(jīng)濟(jì)可靠及動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)。 一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)并不僅僅是驅(qū)動(dòng)器與電動(dòng)機(jī)的組合，而是一個(gè)完整復(fù)雜的控制系統(tǒng)。完整的交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括：伺服控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電動(dòng)機(jī)以及至少一個(gè)檢測(cè)元件，所有這些部件都在一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)中運(yùn)行：驅(qū)動(dòng)器接收控制控制器的指令信息，然后將電流送給電動(dòng)機(jī)，通過電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換成扭矩，然后帶動(dòng)負(fù)載；檢測(cè)元件測(cè)量負(fù)載位置（角度、直線位移）、速度、加速度等參數(shù)，輸入控制器實(shí)現(xiàn)指令信息值與實(shí)際位置的

45、值比較，然后通過閉環(huán)控制是實(shí)際位置值和指令信息值保持一致。 機(jī)器人各關(guān)節(jié)由電機(jī)輸出動(dòng)力，通過各種傳動(dòng)方案，帶動(dòng)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，傳感器、編碼器將檢測(cè)記錄到得運(yùn)動(dòng)不見的運(yùn)動(dòng)狀況并以開關(guān)量形式傳遞給I/O,PLC接收到這些信號(hào)并經(jīng)過處理后，發(fā)出指令，傳遞給I/O,系統(tǒng)進(jìn)入下一道命令執(zhí)行中。 PLC是要對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，控制機(jī)器人對(duì)工件的抓取。對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人的控制包括PLC通過I/O接口向機(jī)器人發(fā)出控制指令，以及獲取機(jī)器人的工作狀態(tài)信息等內(nèi)容。PLC接受機(jī)器人的各種工作狀態(tài)信息等內(nèi)容。PLC接收機(jī)器人的各種工作狀態(tài)信號(hào)、指令及傳感系統(tǒng)，包括各指令開關(guān)、工件識(shí)別傳感信號(hào)和執(zhí)行

46、機(jī)構(gòu)的位置信號(hào)等，實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人的狀態(tài)信息的獲取。 在機(jī)器人控制系統(tǒng)中，提供了搬運(yùn)工作模式（運(yùn)行、示教等）設(shè)置。機(jī)器人伺服系統(tǒng)開啟停止、重啟、繼續(xù)和回零等輸入控制端口。通過這些控制端口PLC可以對(duì)焊接機(jī)器人進(jìn)行上述的控制，同時(shí)也提供了搬運(yùn)機(jī)器人所處的運(yùn)行模式。伺服系統(tǒng)的開、停、就緒和急停等狀態(tài)輸出端口通過讀取這些端口的狀態(tài)。PLC就能獲知機(jī)器人的搬運(yùn)基本狀態(tài)。 4.4 PLC及運(yùn)動(dòng)控制單元的選型 針對(duì)本次控制系統(tǒng)的方案，選擇SYSMAC的CS1系列的PLC，與之配套的MC單元MC421能夠?qū)崿F(xiàn)四軸的伺服驅(qū)動(dòng)，分別對(duì)應(yīng)本次SCARA 機(jī)器人的四個(gè)伺服電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)

47、的配置圖如圖4-4所示： MC的控制面板主要有LED指示器、單元號(hào)設(shè)置開關(guān)，X/Y軸和Z/U軸連接器、I/O連接器、示教盒連接器、MPG連接器等組成。各個(gè)部分的分布如圖4-5所示： 1、 單元號(hào)設(shè)置開關(guān) 單元號(hào)的設(shè)置確定了CPU單元專用I/O單元區(qū)的那些字分給MC單元。CS1-ＭＣ４２１占用５０個(gè)字。 ２、連接器 １）Ｉ／Ｏ連接器　　用于外部輸入輸出的連接器，包括各軸的限值輸入、急停輸入、圓點(diǎn)接近輸入、外部輸入、常規(guī)輸入。 ２）示教盒連接器　　用于連接示教盒。 ３）ＭＰＧ連接器　　用于MPG（手動(dòng)脈沖發(fā)生器）或同步譯碼器的連接器。 5 結(jié)論與展望 搬運(yùn)機(jī)器人在工

48、業(yè)機(jī)器人的領(lǐng)域中扮演著非常重要的角色，本次設(shè)計(jì)的主要目的是圍繞實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，設(shè)計(jì)與實(shí)地環(huán)境相符的搬運(yùn)機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)輸送線出貨臺(tái)上的工件到AGV小車上的搬運(yùn)，從而實(shí)現(xiàn)工件的傳送和運(yùn)輸這一環(huán)節(jié)的自動(dòng)化操作。論文工作總結(jié)如下： （1） 根據(jù)各種傳動(dòng)方式之間的聯(lián)系及特點(diǎn)，通過取長(zhǎng)補(bǔ)短，主要考慮了結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單等原則，確定了機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)方案： （2） 各個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)方式均采用電機(jī)加減速的方式的傳動(dòng)設(shè)計(jì)，大臂的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與大臂做成一體，大臂的截面形狀采用等強(qiáng)度處理： （3） 在各個(gè)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，充分考慮到附加載荷對(duì)電機(jī)軸的影響，回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸的載荷通過固定在其兩端的軸承把負(fù)載的附加載荷傳遞到軸承上

49、，從而保護(hù)了電機(jī)和減速器； （4） 在進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，滑動(dòng)絲杠自鎖性可以很好的保護(hù)工件不會(huì)在斷電的情況下落，造成意想不到的事故： 由于時(shí)間有限，本次設(shè)計(jì)還存在著一定的不足，還有待進(jìn)步提高，展望如下： 在傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于考慮到結(jié)構(gòu)的緊湊型和盡量簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，故把小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在小臂的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸上，但這樣會(huì)造成大臂附加載荷過大，引起一定的不穩(wěn)定因素，在今后可以盡可能選擇質(zhì)量較小在電機(jī)的選擇和減速器的選擇，或盡量減少電機(jī)在懸梁上的結(jié)構(gòu)。 在手抓的設(shè)計(jì)中可以把手爪設(shè)計(jì)稱可以替換的具有通用性的手爪，這樣可以在搬運(yùn)不同類型的工件時(shí)只需要更換機(jī)械手的手指，從而拓展了機(jī)器人的應(yīng)

50、用范圍。 致 謝 經(jīng)過一個(gè)月的學(xué)習(xí)，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲。作為以為專科的畢業(yè)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，由于經(jīng)驗(yàn)缺乏，難免有許多考慮不周全的地方，很多時(shí)候會(huì)走一些彎路，如果沒有老師的指導(dǎo)，以及一起設(shè)計(jì)的同學(xué)們的幫助，想要完成這個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)是不容易的。他們使我在設(shè)計(jì)的過程中不僅學(xué)到了很多知識(shí)，還明白了團(tuán)隊(duì)精神，我們?cè)O(shè)計(jì)組的各位老師和同學(xué)們就是一個(gè)團(tuán)隊(duì)。 在這里首先要感謝我的指導(dǎo)老師李燕老師，老師平日里工作繁多，但在本次設(shè)計(jì)中無論從選題、開題還是從外出實(shí)習(xí)到查閱資料，設(shè)計(jì)草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細(xì)設(shè)計(jì)及制圖等過程中都給予了我悉心指導(dǎo)。她不僅治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)而且為人師表，教給我們的不僅是書本上的

51、知識(shí)，還有為人處世的積極態(tài)度，這些寶貴知識(shí)將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作，再次表示衷心感謝。感謝你們?cè)诖舜碎g對(duì)我的關(guān)懷和幫助，這份幫助使我在這段日子里可以專心于設(shè)計(jì)，使我真正體會(huì)到師生之間的友誼，這種感覺是那嘛的美好，再次感謝老師的鼓勵(lì)和幫助。 其次要感謝和我一起做畢業(yè)設(shè)計(jì)的各位同學(xué)，和曾經(jīng)在各個(gè)方面給與過我?guī)椭幕锇閭?。在大學(xué)生活即將結(jié)束的最后的日子里，我們?cè)僖淮悟?yàn)證了團(tuán)結(jié)就是力量這句真理，把一個(gè)龐大的，從來沒有上手的課題，圓滿的完成了。正是因?yàn)橛辛四銈兊膸椭?，才讓我不僅學(xué)到了本次課題所涉及的新知識(shí)，更讓我得到了知識(shí)以外的東西，就是團(tuán)結(jié)和友誼。雖然畢業(yè)在即，我們各自心中通過這次實(shí)習(xí)更加增進(jìn)

52、了友誼，心中更加多了一份不舍，使我們更加珍惜這段晚來的友誼。 在老師和同學(xué)們的幫助下，我的專業(yè)知識(shí)得到了進(jìn)一步的提高，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中我也體會(huì)到了堅(jiān)持的重要性，對(duì)待任何困難都要有堅(jiān)持不懈的心理和斗志，才能在學(xué)習(xí)的過程中取得更多的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。 知識(shí)是人類進(jìn)步的階梯，而傳授知識(shí)的各位老師則是我們登上階梯的領(lǐng)路人，沒有各位老師的辛勤教育，便不會(huì)有我們今天的累累果實(shí)。在這里，我要感謝那些曾經(jīng)孜孜不倦傳授我們知識(shí)的各位恩師，衷心祝愿你們桃李滿天下。 最后還要感謝我的母?！嵵葺p工業(yè)學(xué)院輕工職業(yè)學(xué)院三年來對(duì)我的培養(yǎng)。她使我從一個(gè)懵懂的女孩轉(zhuǎn)變成為一個(gè)有理想，有抱負(fù)的青年。她教給我的不僅是進(jìn)入社會(huì)后生存的本領(lǐng)，更重要的是艱苦樸實(shí)，求實(shí)進(jìn)取的精神力量，遇到困難不懈不妥，多一份堅(jiān)持少一份浮躁，這將鼓勵(lì)我在人生的道路上不斷前進(jìn)。 專心---專注---專業(yè)