基于步進(jìn)電機(jī)的三自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)與控制設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、摘 要在工業(yè)上，自動(dòng)控制系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用，如工業(yè)自動(dòng)化機(jī)床控制，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，機(jī)器人等。而工業(yè)機(jī)器人是相對(duì)較新的電子設(shè)備，它正開(kāi)始改變現(xiàn)代化工業(yè)面貌。本設(shè)計(jì)為三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，其工作方向?yàn)閮蓚€(gè)直線方向和一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向。在控制器的作用下，它執(zhí)行將工件從一條流水線拿到另一條流水線這一簡(jiǎn)單的動(dòng)作,本文是對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)工作較全面的介紹和總結(jié)。關(guān)鍵詞：三自由度，圓柱坐標(biāo)，工業(yè)機(jī)器人AbstractIndustrially, automatic control systems are found in numerous applications, such as automation machine

2、 tool control, computer systems and robotics. Industrial robots are relatively new electromechanical devices that are beginning to change the appearance of modern industry. This scheme introduced a cylindrical robot for three degree of freedom. It is composed of two linear axes and one rotary axis c

3、urrent control only allows these devices move from one assembly line to other assembly line in space, perform relatively simple taskes. This paper is more comprehensive introduction and summing-up for the for the whole design work.Key words ：three degrees of freedom, cylindrical, Industrial robot目 錄

4、1.緒論 - 32.工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) - 42.1 工業(yè)機(jī)器人的組成及各部分關(guān)系概述 -42.2 工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)分析 -52.2.1 設(shè)計(jì)要求 - -52.2.2 總體方案擬定 - -52.2.3 工業(yè)機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù) - 72.3控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析 -8 3.工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) - -113.1 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)分析 - 113.1.1 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)概述 -123.1.2 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析 -133.2 工業(yè)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) -133.2.1 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) -133.2.2 手臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) - 163.2.3 腰部和基座設(shè)計(jì) -253.3 工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械傳動(dòng)裝

5、置設(shè)計(jì) -333.3.1 聯(lián)軸器的選擇 -333.3.3 滾珠絲杠的選擇-334. 工業(yè)機(jī)器人的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述 -344.1控制系統(tǒng)的基本組成 - -344.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 -355. 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行時(shí)應(yīng)采取的安全措施 - 455.1 安全要求 -455.2 實(shí)施方法 - 456.總結(jié)-46參考文獻(xiàn) - 47鳴謝-481 緒論機(jī)器人工程是近二十多年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的綜合學(xué)科。它集中了機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī)工程、自動(dòng)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(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一，也是我 國(guó)科技界跟蹤國(guó)際高科技發(fā)展的重要方面。工業(yè)機(jī)器人的研究、制造和應(yīng)用水平，

6、是一個(gè)國(guó)家科技水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的象征，正受到許多國(guó)家的廣泛重視。目前，工業(yè)機(jī)器人的定義，世界各國(guó)尚未統(tǒng)一，分類也不盡相同。最近聯(lián)合國(guó)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)給工業(yè)機(jī)器人下的定義：工業(yè)機(jī)器人是一種可重復(fù)編程的多功能操作裝置，可以通過(guò)改變動(dòng)作程序，來(lái)完成各種工作，主要用于搬運(yùn)材料，傳遞工件。參考國(guó)外的定義，結(jié)合我國(guó)的習(xí)慣用語(yǔ)，對(duì)工業(yè)機(jī)器人作如下定義：工業(yè)機(jī)器人是一種機(jī)體獨(dú)立，動(dòng)作自由度較多，程序可靈活變更，能任意定位，自動(dòng)化程度高的自動(dòng)操作機(jī)械。主要用于加工自動(dòng)線和柔性制造系統(tǒng)中傳遞和裝卸工件或夾具。工業(yè)機(jī)器人以剛性高的手臂為主體，與人相比，可以有更快的運(yùn)動(dòng)速度，可以搬運(yùn)更重的東西，而且定

7、位精度相當(dāng)高，它可以根據(jù)外部來(lái)的信號(hào)，自動(dòng)進(jìn)行各種操作。工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由初級(jí)到高級(jí)逐步完善，它的發(fā)展過(guò)程可分為三代：第一代工業(yè)機(jī)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(jī)器人，它主要由手部、臂部、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。它的控制方式比較簡(jiǎn)單，應(yīng)用在線編程，即通過(guò)示教存貯信息，工作時(shí)讀出這些信息，向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按指令再現(xiàn)示教的操作。第二代機(jī)器人是帶感覺(jué)的機(jī)器人。它具有尋力覺(jué)、觸覺(jué)、視覺(jué)等進(jìn)行反饋的能力。其控制方式較第一代工業(yè)機(jī)器人要復(fù)雜得多，這種機(jī)器人從1980年開(kāi)始進(jìn)入了實(shí)用階段，不久即將普及應(yīng)用。第三代工業(yè)機(jī)器人即智能機(jī)器人。這種機(jī)器人除了具有觸覺(jué)、視覺(jué)等功

8、能外，還能夠根據(jù)人給出的指令認(rèn)識(shí)自身和周圍的環(huán)境，識(shí)別對(duì)象的有無(wú)及其狀態(tài)，再根據(jù)這一識(shí)別自動(dòng)選擇程序進(jìn)行操作，完成規(guī)定的任務(wù)。并且能跟蹤工作對(duì)象的變化，具有適應(yīng)工作環(huán)境的功能。這種機(jī)器人還處于研制階段，尚未大量投入工業(yè)應(yīng)用。2 工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)2.1 工業(yè)機(jī)器人的組成及各部分關(guān)系概述圖2-1 工業(yè)機(jī)器人的組成圖它主要由機(jī)械系統(tǒng)(執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制檢測(cè)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(jī)器人完成抓取工件，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)所必需的機(jī)械部件，它包括手部、腕部、機(jī)身等。（1） 手部：又稱手爪或抓取機(jī)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

9、調(diào)整或改變手部的工作方位。（3） 臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的負(fù)荷，并把它傳遞到預(yù)定的位置。（4） 機(jī)身：是支承手臂的部件，其作用是帶動(dòng)臂部自轉(zhuǎn)、升降或俯仰運(yùn)動(dòng)。B、 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動(dòng)力，并驅(qū)動(dòng)其動(dòng)力的裝置。常用的機(jī)械傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)和電傳動(dòng)。C、 控制系統(tǒng)：通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作，當(dāng)發(fā)生錯(cuò)誤或故障時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。D、 檢測(cè)系統(tǒng)：作用是通過(guò)各種檢測(cè)裝置、傳感裝置檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定進(jìn)行比較，以保證運(yùn)動(dòng)符合要求。圖2-2 各部分關(guān)系圖對(duì)于現(xiàn)代智能機(jī)器人而言，還具有智能系統(tǒng)，主要是感覺(jué)裝置、視覺(jué)裝

10、置和語(yǔ)言識(shí)別裝置等。目前研究主要集中在賦予機(jī)器人“眼睛”，使它能識(shí)別物體和躲避障礙物，以及機(jī)器人的觸覺(jué)裝置。機(jī)器人的這些組成部分并不是各自獨(dú)立的，或者說(shuō)并不是簡(jiǎn)單的疊加在一起，從而構(gòu)成一個(gè)機(jī)器人的。要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人所期望實(shí)現(xiàn)的功能，機(jī)器人的各部分之間必然還存在著相互關(guān)聯(lián)、相互影響和相互制約。它們之間的相互關(guān)系如圖1-2 所示。2.2工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)分析2.2.1 設(shè)計(jì)要求綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí),搜集有關(guān)資料獨(dú)立完成三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)和驅(qū)動(dòng)單元的設(shè)計(jì)工作。原始數(shù)據(jù)：自動(dòng)線上有，兩條輸送帶之間距離為1.5m，需設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人將一零件從A帶送到B帶。零件尺寸：直徑 45mm，高 50mm零件材

11、料：45鋼。2.2.2 總體方案擬定 在工業(yè)機(jī)器人的諸多功能中，抓取和移動(dòng)是最主要的功能。這兩項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)是精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和良好的伺服控制驅(qū)動(dòng)。本次設(shè)計(jì)就是在這一思維下展開(kāi)的。根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容和需求確定圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，利用大扭矩電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；利用兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，從而使與滾珠絲杠螺母副固連在一起的手臂實(shí)現(xiàn)上下及其前后運(yùn)動(dòng)；末端夾持器則采用內(nèi)撐連桿杠桿式夾持器，用小型液壓缸驅(qū)動(dòng)夾緊。圖2-3 機(jī)器人外形圖2.2.3工業(yè)機(jī)器人主要技術(shù)性能參數(shù)工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)是說(shuō)明其規(guī)格和性能的具體指標(biāo)。主要技術(shù)參數(shù)有如下：A、 抓取重量：抓取重量是用來(lái)表明機(jī)器人負(fù)荷能力的技術(shù)參數(shù)

12、，這是一項(xiàng)主要參數(shù)。這項(xiàng)參數(shù)與機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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(lái)表明機(jī)器人抓取功能的技術(shù)參數(shù)，它是設(shè)計(jì)手部的基礎(chǔ)。C、 坐標(biāo)形式和自由度：說(shuō)明機(jī)器人機(jī)身、手部、腕部等共有的自由度數(shù)及它們組成的坐標(biāo)系特征。D、 運(yùn)動(dòng)行程范圍：指執(zhí)行機(jī)構(gòu)直線移動(dòng)距離或回轉(zhuǎn)角度的范圍，即各運(yùn)動(dòng)自由度的運(yùn)動(dòng)量。根據(jù)運(yùn)動(dòng)行程范圍和坐標(biāo)形式就可確定機(jī)器人的工作范圍。E、 運(yùn)動(dòng)速度：是反映機(jī)器人性能的重要參數(shù)。通常所指的運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)器人的最大運(yùn)動(dòng)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(guó)內(nèi)外機(jī)器人的最大直線移動(dòng)速度為1000mm/s

13、左右，一般為200400mm/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(jī)器人工作質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。G、 編程方式和存儲(chǔ)容量。本設(shè)計(jì)中的三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人的有關(guān)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1-1。表1-1機(jī)械手類型三自由度圓柱坐標(biāo)型抓取重量2.48Kg自由度3個(gè)（1個(gè)回轉(zhuǎn)2個(gè)移動(dòng)）機(jī)座長(zhǎng)120mm，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)角90°，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) PLC控制腰部機(jī)構(gòu)長(zhǎng)680mm，伸縮運(yùn)動(dòng)，升降范圍350mm，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) PLC控制手臂機(jī)構(gòu)長(zhǎng)826mm，伸縮運(yùn)動(dòng)，伸縮范圍100mm，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) PLC控制末端執(zhí)行

14、器液壓缸驅(qū)動(dòng) PLC控制2.3控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析本課題采用PLC對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制，初定三菱系列，根據(jù)機(jī)械手的工作流程編制出PLC程序，并畫(huà)出流程圖。預(yù)定工作流程如下圖（可能根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程改動(dòng)）以下為初步繪制的流程開(kāi)始機(jī)械手在初始位置啟動(dòng)按鈕Y逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)并螺母副下運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)到下限位限位?NY夾緊工件N延時(shí)1s順時(shí)針旋轉(zhuǎn)并螺母副上運(yùn)動(dòng)Y運(yùn)動(dòng)到上限位置N螺母副左移動(dòng)N運(yùn)動(dòng)到達(dá)左限位Y松開(kāi)工件N是否松開(kāi)Y螺母副向右運(yùn)動(dòng)N運(yùn)動(dòng)到右位限位?Y逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)并螺母副向下運(yùn)動(dòng)N運(yùn)動(dòng)到起點(diǎn)N按下停止按鈕YY結(jié)束第3章 工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)分析3.1.1 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)概述工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)

15、動(dòng)，可從工業(yè)機(jī)器人的自由度，工作空間和機(jī)械結(jié)構(gòu)類型等三方面來(lái)討論。如圖2-1所示，為工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)圖。圖3-1 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖a工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)自由度所謂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)自由度是指確定一個(gè)機(jī)器人操作位置時(shí)所需要的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)目，它是表示機(jī)器人動(dòng)作靈活程度的參數(shù)。本設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人具有四轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副兩種運(yùn)動(dòng)副，具有手臂伸降，旋轉(zhuǎn)，前后往復(fù)三自由度。b機(jī)器人的工作空間和機(jī)械結(jié)構(gòu)類型（1）工作空間 工作空間是指機(jī)器人正常運(yùn)行時(shí)，手部參考點(diǎn)能在空間活動(dòng)的最大范圍，是機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)，工作空間圖如圖3-2。圖3-2 工作空間圖（2）機(jī)械結(jié)構(gòu)類型圓柱坐標(biāo)型為本設(shè)計(jì)所采用方案，這種運(yùn)動(dòng)形式是通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)

16、，兩個(gè)移動(dòng)，共三個(gè)自由度組成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)（代號(hào)RPP），工作空間圖形為圓柱形。它與直角坐標(biāo)型比較，在相同的工作條件下，機(jī)體占體積小，而運(yùn)動(dòng)范圍大。3.1.2 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各動(dòng)作如圖3-3和表3-1。圖3-3 表3-1機(jī)器人開(kāi)機(jī)，處于A位工步一手臂上升工步二，工步七，工步十三旋轉(zhuǎn)至B位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A位工步九放松工件工步十二實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的各工步是由工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)和各種檢測(cè)原件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這里尤其要強(qiáng)調(diào)的是機(jī)器人對(duì)工件的定位夾緊的準(zhǔn)確性，這是本次設(shè)計(jì)成敗之關(guān)鍵所在。3.2工業(yè)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)3.2.1 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是用來(lái)抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、準(zhǔn)確和牢靠程度都將直接影響到工業(yè)機(jī)械手的工作性能，它是工業(yè)機(jī)械手的關(guān)鍵部件之一。3.2.1.1 設(shè)計(jì)時(shí)要注意的問(wèn)題：a. 末端執(zhí)行機(jī)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