圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)(共26頁)

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1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上 第一章 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)重要的自動化裝備。自從1962年美國研制出世界上第一臺工業(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) 、自動化工廠( FA) 、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)的自動化工具。廣泛采用工業(yè)機(jī)器人,不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與數(shù)量,而且保障人身安全、改善勞動環(huán)境、減輕勞動強(qiáng)度、提高勞動生產(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。和計(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

2、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的過程中，下面三個方面的技術(shù)進(jìn)步起著非常重要的作用。 1. 驅(qū)動方式的改變 20世紀(jì)70年代后期，日本安川電動機(jī)公司研制開發(fā)出了第一臺全電動的工業(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)動方式。與采用液壓驅(qū)動的機(jī)器人相比，采用伺服電動機(jī)驅(qū)動的機(jī)器人在響應(yīng)速度、精度、靈活性等方面都有很大提高，因此，也逐步代替了采用液壓驅(qū)動的機(jī)器人，成為工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動方式的主流。在此過程中，諧波減速器、R V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

3、流伺服驅(qū)動已經(jīng)逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流伺服驅(qū)動方式，直線電動機(jī)等新型驅(qū)動方式在許多應(yīng)用領(lǐng)域也有了長足發(fā)展。 2. 信息處理速度的提高 機(jī)器人的動作通常是通過機(jī)器人各個關(guān)節(jié)的驅(qū)動電動機(jī)的運(yùn)動而實(shí)現(xiàn)的。為了使機(jī)器人完成各種復(fù)雜動作，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)器人的各個關(guān)節(jié)的驅(qū)動電動機(jī)發(fā)出必要的控制指令。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，C P U的計(jì)算能力有了很大提高，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控制20多個關(guān)節(jié)。機(jī)器人控制器性能的提高也進(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

4、臺機(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。 3. 傳感器技術(shù)的發(fā)展 機(jī)器人技術(shù)發(fā)展初期，工業(yè)機(jī)器人只具備檢測自身位置、角度和速度的內(nèi)部傳感器。近年來，隨著信息處理技術(shù)和傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，觸覺、力覺、視覺等外部傳感器已經(jīng)在工業(yè)機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。各種新型傳感器的使用不但提高了工業(yè)機(jī)器人的智能程度，也進(jìn)一步拓寬了工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用范圍。 1.2工業(yè)機(jī)器人在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 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。氣動機(jī)械手大量的應(yīng)用到物流搬運(yùn)機(jī)器人領(lǐng)域。在手爪

5、的機(jī)械結(jié)構(gòu)方面根據(jù)所應(yīng)用場合的不同以及對工件夾持的特殊要求，采取了多種形式的機(jī)械結(jié)構(gòu)來完成對工件的夾緊和防止工件脫落的鎖緊措施。在針對同樣的目標(biāo)任務(wù)，采取多種運(yùn)動方式相結(jié)合的方式來達(dá)到預(yù)定的目的。驅(qū)動方面采用了一臺工業(yè)機(jī)器人多種驅(qū)動方式的情況，有液壓驅(qū)動，氣壓驅(qū)動，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，伺服電機(jī)驅(qū)動等等。愈來愈多的搬運(yùn)機(jī)器人是采用混合驅(qū)動系統(tǒng)的，這樣能夠更好的發(fā)揮各驅(qū)動方式的優(yōu)點(diǎn)，避免缺點(diǎn)。并且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：由原始的電控的機(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)，還有采用PLC可編程控

6、制的。 在物料搬運(yùn)方面近年來呈現(xiàn)出的趨勢就是系統(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, FMS, CIMS等現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，對物料搬運(yùn)系統(tǒng)也提出了新的要求。其特點(diǎn)是力求減少庫存、壓縮等待和輔助時間，使多品種、少批量的物料準(zhǔn)時到達(dá)要求的地點(diǎn)。這一趨勢在機(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)城的擴(kuò)大和機(jī)器人種類的增多。另一方面表現(xiàn)在機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)性能的提高和控制系統(tǒng)的智能化。前者是指應(yīng)用領(lǐng)域的橫

7、向拓寬，后者是在性能及水平上的縱向提高。機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)城的拓寬和性能水平的提高二者相輔相承、相互促進(jìn)。應(yīng)用領(lǐng)城的擴(kuò)大對機(jī)器人不斷提出斷的要求，推動機(jī)器人技術(shù)水平的提高.反過來，機(jī)器人性能與智能水乎的提高，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。 進(jìn)一步提高業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動精度。機(jī)器人是一種多關(guān)節(jié)開鏈?zhǔn)浇Y(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間隙的存在，以及機(jī)器人手臂末端誤差的放大作用，使當(dāng)前機(jī)器人的定位與運(yùn)動還不能達(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它精密作業(yè)中的應(yīng)用仍

8、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)動精度。 進(jìn)一步提高機(jī)器人工作精度的主要辦法是：提高機(jī)器人的加工精度與裝配精度，采用無隙傳動的減速機(jī)構(gòu)，采用直接驅(qū)動電機(jī)，通過標(biāo)定進(jìn)行機(jī)器人的 2．誤差補(bǔ)償，通過實(shí)時檢側(cè)對機(jī)器人運(yùn)動誤差進(jìn)行實(shí)時修正。提高機(jī)器人手的靈活度和避障能力:當(dāng)前常用的機(jī)器人手肴的靈活度的都不夠高，即手臂末端達(dá)到某一工作點(diǎn)時。手臂可能采取的姿態(tài)是有限的，有時要有很大的靈活度和很強(qiáng)的避障能力.例如。當(dāng)用噴涂機(jī)器人噴涂車身內(nèi)表面時，要求機(jī)器人能將車身內(nèi)表面的各個角落都噴上漆，必須要有高靈活度機(jī)器人手有才

9、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。為了提工業(yè)機(jī)器人手臂的靈活度，主要是采用具有冗余自由度的機(jī)器人手臂和在機(jī)器人手臂機(jī)構(gòu)上采用膨鉸關(guān)節(jié)及可雙向彎曲的手臂。 3．提高機(jī)器人的運(yùn)動速度和響應(yīng)頻率：為了提高機(jī)器人作業(yè)效率，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)動速度和響應(yīng)頻率，這一點(diǎn)，對裝配機(jī)器人來說尤為重要。為此，一方面可以通過采用高強(qiáng)度材料或輕質(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態(tài)特性的目的，另一方面，也可以通過采用直接驅(qū)動電機(jī)或其它高性能驅(qū)動電機(jī)，從控制和驅(qū)動方

10、面提高機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動速度與響應(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)器人就必須有一個運(yùn)動靈活和動作靈敏的手腕和手爪。這一點(diǎn)對裝配作業(yè)機(jī)器人、核工業(yè)機(jī)器人和在空間站上作業(yè)的空間機(jī)器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。用少量的模塊可組合成多種機(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)自動修復(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。如這種積木結(jié)構(gòu)能推廣用于一般工業(yè)機(jī)器人，將

11、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)機(jī)器人的分類 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，如一條自動生產(chǎn)線上使用了相同結(jié)構(gòu)的數(shù)臺機(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(密封)膠機(jī)器人、裝配機(jī)器人和測量機(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)稱為水下機(jī)器人，類似的還有宇航機(jī)器人等。 1.3.2按操作機(jī)的運(yùn)動形態(tài)分類 按工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)運(yùn)動部件的運(yùn)動坐標(biāo)把機(jī)器

12、人區(qū)分為:直角坐標(biāo)式機(jī)器人，極(球)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—10m以上。 　中型機(jī)器人—負(fù)荷為100--1000N。工作空間為0.1－1 m 　小型機(jī)器人—負(fù)荷為l--100N，工作空間為0.1 m。 　　超小型機(jī)器人—負(fù)荷小于1N ,工作空間為0.1 m。 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，

13、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)動部件獨(dú)立運(yùn)動的數(shù)目之和。這種運(yùn)動只有兩種形態(tài):直線運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，其腕端的任何復(fù)雜的運(yùn)動都可由這兩種運(yùn)動來合成。工業(yè)機(jī)器人的自由度數(shù)。一般為2－7個，簡易型的2—4個自由度，復(fù)雜型的5－7個自由度。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)動參數(shù)及工作行程。 （2）根據(jù)工件的負(fù)載情況，工作空

14、間以及各個運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)形式對搬運(yùn)機(jī)器人進(jìn)行整體方案的設(shè)計(jì)； （3）對搬運(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； （4）由第2步所給定的條件和第3步的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取驅(qū)動系統(tǒng)并確定驅(qū)動電機(jī)的驅(qū)動方式和傳動方式； （5）對各結(jié)構(gòu)的質(zhì)量進(jìn)行粗估，完成對手爪的夾緊氣缸，小臂、大臂絲杠的驅(qū)動電機(jī)，以及腰部、腕部的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(jī)的計(jì)算選型；

15、 （6）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。 （7）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，繪制最終裝配圖。 第二章 總體設(shè)計(jì)方案確定 2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述 一個機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由下列互相作用的部分組成：機(jī)械手、環(huán)境、任務(wù)。 機(jī)械手是由具有傳動執(zhí)行裝置的機(jī)械，它由臂，關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行裝置構(gòu)成，組合為一個互相連接，互相依賴的運(yùn)動機(jī)構(gòu)。機(jī)械手用于執(zhí)行指定的作業(yè)任務(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。

16、 機(jī)器人的手部可分為夾持式和吸附式兩大類。夾持式的是指型手，夾持方式有外夾式和內(nèi)撐式之分，吸附式的分為空氣負(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：SCARA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，而且由環(huán)境和它所包含的每一個事物的全部自然特性所決定。 2.2基本設(shè)計(jì)參數(shù) 根據(jù)次機(jī)械手的應(yīng)用場合和實(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； （3）運(yùn)動參數(shù)： 大臂升降：

17、 線速度：； 小臂伸縮： 線速度： ； 手腕俯仰： 角速度：； 腰部旋轉(zhuǎn)： 角速度：； （4）運(yùn)動行程： 大臂升降：300mm 小臂伸縮:300mm 腰部旋轉(zhuǎn): 手腕俯仰: 2.3工作空間分析 2.4傳動方案的確定： 2.4.1傳動方案分析 <1>方案1： 圖2-2 傳動方案一 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)動電機(jī)和大臂的回轉(zhuǎn)軸共線。小臂的傳動方案與大臂的傳動方案相同，這樣雖然結(jié)構(gòu)上較為簡單，但對大臂產(chǎn)生了一定的附加彎矩，對工件的抓取精度

18、產(chǎn)生了一定的不利影響，并且對轉(zhuǎn)矩的計(jì)算也會較為麻煩。第三個自由度，即就是升降機(jī)構(gòu)采用電機(jī)步進(jìn)電機(jī)加同步齒形帶的傳動方案。同步齒形帶具有傳動精度高，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動比恒定等特點(diǎn)。但對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。手爪的結(jié)構(gòu)采用較為簡單的氣動控制直線運(yùn)動的手爪。 <2>方案二： 圖 2-3 傳動方案二 第一、二自由度均采用交流伺服電機(jī)加減速器的驅(qū)動模式，故此結(jié)構(gòu)可以較為簡單。電機(jī)軸和小臂的關(guān)節(jié)軸是同一方向的。這是在充分考慮到小臂的驅(qū)動電機(jī)對大臂所產(chǎn)生的附加彎矩的條件下，對大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特別做了加強(qiáng)處

19、理。第三個自由度為絲杠螺母的升降運(yùn)動，采用的傳動方式是電機(jī)軸經(jīng)過一級齒輪減速，再驅(qū)動滑動絲杠，利用滑動絲杠的大減速比的特點(diǎn)，達(dá)到控制上升的速度不至于過快。同時，選擇單頭的滑動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，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)桿式氣動機(jī)械手，這一機(jī)械手的造價低廉，結(jié)構(gòu)簡單，針對此處所抓取的工件的特點(diǎn)是不易變形的金屬工件，所以對夾緊力的要求不是太高，故采用氣動機(jī)械手爪完全可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 <3>方案三：

20、 圖2-4 傳動方案三 如圖2-4所示，第一自由度采用步進(jìn)電機(jī)加減速裝置的傳動模式。大臂與回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)之間采用諧波減速器傳遞動力。小臂的驅(qū)動電機(jī)考慮到它的重量會對大臂造成較大的附加彎矩，則把小臂的驅(qū)動電機(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。但這樣就使得小臂的傳動機(jī)構(gòu)很復(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。第三個自由度采用滾珠絲杠并配以電機(jī)加減速器驅(qū)動的傳動方案，這是利用了滾珠絲杠的傳動精度高，并且是把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動，而不需要中間環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)化，結(jié)構(gòu)簡單。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)

21、。滾珠絲杠的造價較高，重量也較重，因此在滾珠絲杠的材料選擇方面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，自身的減速比較小。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機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，其作用與方案一所述的相同。 2.4.2 伺服驅(qū)動與步進(jìn)驅(qū)動的比較 1）低頻特性不同 歨進(jìn)電機(jī)在低速時容易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象，振動的頻率與負(fù)載情況以及與驅(qū)動器的性能有關(guān)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速的時候一般還應(yīng)采取阻尼技術(shù)來克服低頻振動現(xiàn)象。交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。 2）矩頻特性不同 不進(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)速時會急劇下降所以其最高

22、的工作轉(zhuǎn)速在。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)具有較強(qiáng)的過載能力比進(jìn)電機(jī)因?yàn)闆]有這種過載能力，為了克服啟動時較大的慣性力矩，往往要選取具有較大靜轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，而機(jī)器人正常工作時又不需要這么大的轉(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)載過大都會出現(xiàn)失轉(zhuǎn)或堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。交流伺服電機(jī)為驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可以直接對電動機(jī)編碼器反饋信號進(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

23、多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電動機(jī)，所以在一些對位置和速度要求較高的場合，采用交流伺服系統(tǒng)的優(yōu)勢更為明顯。此次的搬運(yùn)機(jī)器人隊(duì)工件的抓取，對其驅(qū)動系統(tǒng)的要求就是要能夠較為準(zhǔn)確的完成對位置和速度的控制，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，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。 第三章　搬運(yùn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1驅(qū)動和傳動系統(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

24、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。外殼的材料采用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里的特點(diǎn)。電機(jī)和減速器通過外殼內(nèi)部的凸臺進(jìn)行安裝，這樣使得結(jié)構(gòu)簡單，加工和安裝方便。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頂端軸進(jìn)行驅(qū)動，從而帶動了大臂回轉(zhuǎn)軸和大臂一起轉(zhuǎn)動，需要注意的是臂回轉(zhuǎn)軸是做成一體的。 圖 3-1 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案圖 （2）傳動裝置 傳動的主要方式是采用交流伺服電機(jī)加減速器的傳動模式，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

25、了減速器的輸出軸，以及電機(jī)軸承受附加載荷，從而保護(hù)了減速器和電機(jī)。大臂的長度盡可能的做的短一些，這樣會在整體結(jié)構(gòu)簡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極可能多得通過殼體傳遞到地面，另外對大臂的設(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)生的附加彎矩對機(jī)構(gòu)的影響。小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)采用了電機(jī)減速后直接驅(qū)動小臂關(guān)節(jié)軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動小臂旋轉(zhuǎn)，這里大、小臂的運(yùn)動具有獨(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)加一級齒輪減速，傳遞動力給滑動絲杠，利用滑動絲杠的大的降速比來完成夾持工件的機(jī)械手上下移動，這樣可以把電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化成絲杠螺母的上下移動，并且整體結(jié)

26、構(gòu)較為簡單。同時考慮滑動絲杠的原因也是利用了滑動絲杠的反向自鎖的特性，從而實(shí)現(xiàn)了斷電保護(hù)。在滑動絲杠的外螺母上連接導(dǎo)向桿，這樣可以對螺母起到導(dǎo)向的作用，同時可以減少負(fù)載產(chǎn)生的附加彎矩對滑動絲杠的影響，進(jìn)一步挺高了機(jī)械手抓取時的抓取精度。 （4）旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 如圖所示，此處的旋轉(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氣動手爪的選型計(jì)算 機(jī)械手爪受力分析：（如圖3-3） P：機(jī)械夾持器軸向施加的作用力； e：夾持器活塞中心至手指支點(diǎn)的

27、距離； R：支點(diǎn)銷軸的半徑； ：中間連桿對手指的壓力角； ：摩擦角； ：構(gòu)件間的摩擦系數(shù)； 4.

28、1機(jī)器人控制系統(tǒng)分類 1.程序控制系統(tǒng)：給每一個自由度施加一定規(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，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，再調(diào)整非線性模型的參數(shù)，一直到誤差消失為止。這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)能隨時間和條件自動改變。 3.人工智能系統(tǒng)：事先無法編制運(yùn)動程序，而是要求在運(yùn)動過程中根據(jù)所獲得的周圍狀態(tài)信息，實(shí)時確定控制作用。 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：用一臺計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)全部控制功能，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但實(shí)時性差，難以

29、擴(kuò)展，其構(gòu)成框圖如圖所示。 圖4-1集中控制方式 2）主從控制方式：采用主、從兩級處理器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全部控制功能。 圖4-2 主從控制方式 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)時性較好，適于高精度、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?？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

30、、轉(zhuǎn)矩或力的控制，以及這些被控機(jī)械量的精確綜合控制。 搬運(yùn)機(jī)器人的手部、小臂、大臂的動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。對于復(fù)雜

31、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)所花的時間要少得多。 2．控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，通用性強(qiáng) 盡管現(xiàn)在世界各個生產(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干擾能力措施，如濾波、隔離、屏蔽、自診斷、自恢復(fù)等，使之具有很淺的抗干擾能力。一般無故障的時間數(shù)已經(jīng)達(dá)到數(shù)萬小時以上，可以應(yīng)用于有強(qiáng)干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場?，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

32、的機(jī)械觸電，連線復(fù)雜，各觸點(diǎn)在吸合和斷開時容易受到電弧的損傷，所以壽命多，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)，大量的開關(guān)動作可以用無觸電的電子電路來完成，因此壽命長，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出故障。它的結(jié)構(gòu)精湊，與硬件連方式簡單，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

33、服電動機(jī)和伺服電動機(jī)驅(qū)動器組成，它已經(jīng)成為無刷直流伺服系統(tǒng)的代替品。近年來交流伺服驅(qū)動技術(shù)有了飛速的發(fā)展，它不僅能克服了直流伺服電動機(jī)在結(jié)構(gòu)上存在的電刷維護(hù)困難、造價高、壽命短、應(yīng)用環(huán)境受限制等缺點(diǎn)，同時又發(fā)揮了交流伺服電動機(jī)堅(jiān)固耐用、經(jīng)濟(jì)可靠及動態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)。 一個伺服驅(qū)動系統(tǒng)并不僅僅是驅(qū)動器與電動機(jī)的組合，而是一個完整復(fù)雜的控制系統(tǒng)。完整的交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)包括：伺服控制器、伺服驅(qū)動器、伺服電動機(jī)以及至少一個檢測元件，所有這些部件都在一個閉環(huán)控制系統(tǒng)中運(yùn)行：驅(qū)動器接受控制控制器的指令信息，然后將電流送給電動機(jī)，通過電動機(jī)轉(zhuǎn)換成扭矩，然后帶動負(fù)載；檢測元件測量負(fù)載的位置（角度、直線位移）、

34、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)際位置值的比較，然后通過閉環(huán)控制使實(shí)際位置值和指令信息值保持一致。 4-1 交流伺服系統(tǒng)控制框圖 機(jī)器人各關(guān)節(jié)由電機(jī)輸出動力，通過各種傳動方案，帶動各關(guān)節(jié)運(yùn)動，傳感器、編碼器將檢測記錄到的運(yùn)動部件的運(yùn)動狀況并以開關(guān)量形式傳遞給I/O，PLC接收到這些信號并經(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)器人對工件的抓取。對搬運(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接收機(jī)器人的各種工作狀態(tài)信 號、指令及傳感系統(tǒng)，

35、包括各指令開關(guān)、工件識別傳感信號和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的 4-3 機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖 位置信號等，實(shí)現(xiàn)PLC對搬運(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可以對焊接機(jī)器人進(jìn)行上述的控制,同時也提供了搬運(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)動控制單元的選型 針對本次控制系統(tǒng)的方案，選擇SYSMAC的CS1系列的PLC

36、，與之配套的MC單元為MC421，此處注意到MC421能夠?qū)崿F(xiàn)四軸的伺服驅(qū)動，分別對應(yīng)本次SCARA機(jī)器人的四個伺服電機(jī)的伺服驅(qū)動。系統(tǒng)的配置圖如4-4所示： MC的控制面板主要有LED指示器、單元號設(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。各個部分的分布如圖4-5所示。 1、 單元號設(shè)置開關(guān) 單元號的設(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占用了50個字。 2、 連接器 圖4-4 控制系統(tǒng)配置圖 圖4-5 MC單元

37、控制面板 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（手動脈沖發(fā)生器）或同步譯碼器的連接器。 第五章 結(jié)論與展望 搬運(yùn)機(jī)器人在工業(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)的自動化操作。論文工作總結(jié)如下： （1）根據(jù)各種傳動方式

38、之間的聯(lián)系及特點(diǎn)，通過取長補(bǔ)短，主要考慮了結(jié)構(gòu)緊湊簡單等原則，確定了機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)方案； （2）各個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式均采用電機(jī)加減速器的方式的傳動設(shè)計(jì)，大臂的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和大臂做成一體，大臂的截面形狀采用等強(qiáng)度處理； （3）在各個關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，充分考慮到附加載荷對電機(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，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，滑動絲杠自鎖性可以很好的保護(hù)工件不會在斷電的情況下落，造成意想不到的事故； 由于時間有限，本次設(shè)計(jì)還存在一定的不足，還有待進(jìn)一步提高，展望如下： 在傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于考慮到結(jié)構(gòu)的緊

39、湊型和盡量簡單的特點(diǎn)，故把小臂驅(qū)動電機(jī)安裝在小臂的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸上，但這樣會造成大臂附加載荷過大，引起一定的不穩(wěn)定因素，在今后的中可以盡可能選擇質(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)在懸臂梁上的結(jié)構(gòu)。 在手爪的設(shè)計(jì)中可以把手爪設(shè)計(jì)成可以替換的具有通用性的手爪，這樣可以在搬運(yùn)不同類型的工件時只需要更換機(jī)械手的手指，從而拓展了機(jī)器人的應(yīng)用范圍。 致 謝 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠使順利完成，離不開指導(dǎo)老師和各位同學(xué)的支持和幫助。 首先要感謝的是指導(dǎo)我本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的謝敬老師。非常感謝謝老師在這將近三個月來的悉心指導(dǎo)，和對我在畢業(yè)設(shè)計(jì)中所遇到的問題的無私幫助。在整個的畢業(yè)設(shè)計(jì)

40、中，謝敬老師能夠盡職盡責(zé)，設(shè)身處地的為我們考慮。在設(shè)計(jì)中，謝老師積極的引導(dǎo)我們，鼓勵我們充分發(fā)揮自己在設(shè)計(jì)方面的設(shè)計(jì)思想，在此基礎(chǔ)上給出許多很有建設(shè)性的意見，來幫助我們完善自己的設(shè)計(jì)思想，這對我們設(shè)計(jì)水平的提高有非常大的幫助。 其次是要感謝和我同組的同學(xué)：肖峰、李恒、王春艷三位同學(xué)，在我的畢業(yè)設(shè)計(jì)停滯不前時，是他們給我鼓勵的聲音和非常中肯的意見，我遇到困難時總能得到他們的幫助，這對我畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成也是非常重要的。 最后要感謝的是我的社友在這段時間對我畢業(yè)設(shè)計(jì)的大力支持。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠順利完成離不開他們在生活上對我的關(guān)心。 在此向在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中給與我?guī)椭乃腥吮硎局孕牡母兄x！

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