六自由度焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)

1、濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)- -1 前言1.1 設(shè)計(jì)背景與意義焊接機(jī)器人概述焊接機(jī)器人是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業(yè)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人是一種多用途的、 可重復(fù)編程的自動(dòng)控制操作機(jī)，具有三個(gè)或更多可編程的軸，用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。 為了適應(yīng)不同的用途，工業(yè)機(jī)器人最后一個(gè)軸的機(jī)械接口，通常是一個(gè)連接法蘭， 可接裝不同工具或稱末端執(zhí)行器。焊接機(jī)器人就是在工業(yè)機(jī)器人的末軸法蘭裝接焊鉗或焊（割）槍的，使之能進(jìn)行焊接，切割或熱噴涂。自從世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人UNIMAT于E 1959年在美國誕生以來，機(jī)器人的應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段：示教再現(xiàn)型機(jī)器人、具有感知能力的機(jī)器人、智能型機(jī)器人。焊接機(jī)

2、器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀（ 1）國外研究現(xiàn)狀自從世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人UNIMAT于E 1959年在美國誕生以來，機(jī)器人在工業(yè)發(fā)達(dá)國家得到了迅速發(fā)展。其中日本具有機(jī)器人王國之稱，此外， 世界上還有許多工業(yè)發(fā)達(dá)國家，如美國、前蘇聯(lián)等一些國家的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)也發(fā)展得很快。在亞洲，韓國的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展也很迅速，現(xiàn)排名世界前列?，F(xiàn)在國外的機(jī)器人各個(gè)方面的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀為，在機(jī)械結(jié)構(gòu)上以發(fā)展關(guān)節(jié)型機(jī)器人為主流，在控制系統(tǒng)方面主要是發(fā)展基于PC的開放結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)，在驅(qū)動(dòng)技術(shù)方面主要是發(fā)展AC伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)，此外智能化傳感器技術(shù)的機(jī)器人數(shù)量呈上升趨勢。焊接機(jī)器人技術(shù)正朝著高速、高精度、多功能化方向發(fā)展。（ 2）國內(nèi)研究

3、現(xiàn)狀我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)經(jīng)過三十多年的發(fā)展，現(xiàn)在已掌握了機(jī)器人的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、 控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，開發(fā)出了弧焊、點(diǎn)焊、裝配等機(jī)器人；現(xiàn)階段我國焊接機(jī)器人的應(yīng)用主要集中在汽車、摩托車、工程機(jī)械、鐵路機(jī)車等主要行業(yè)。其中弧焊機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于各大汽車制造廠的自動(dòng)焊裝線上。 但從總體上來看，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程上的應(yīng)用水平和國外相比起來還有一定的差距?，F(xiàn)階段我國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)主題發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)是：根據(jù) 2l 世紀(jì)初， 我國國民經(jīng)濟(jì)對先進(jìn)制造及自動(dòng)化技術(shù)的需求，瞄準(zhǔn)國際前沿高新技術(shù)發(fā)展方向，創(chuàng)新性地進(jìn)行研究和開發(fā)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)、關(guān)鍵技術(shù)，產(chǎn)品技術(shù)和

4、系統(tǒng)技術(shù)。1.1.3 焊接機(jī)器人研究意義提高和穩(wěn)定焊接質(zhì)量，保證其焊縫均一性。改善了勞動(dòng)條件，減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度。提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，提高經(jīng)濟(jì)效益。產(chǎn)品周期明確，容易控制產(chǎn)品產(chǎn)量。縮短產(chǎn)品改型換代的周期，減小相應(yīng)的設(shè)備投資。.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容本設(shè)計(jì)是六自由度焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)，所以需要設(shè)計(jì)六部電機(jī)來驅(qū)動(dòng)。本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括焊接機(jī)器人本體設(shè)計(jì)和和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。1)焊接機(jī)器人本體設(shè)計(jì)焊接機(jī)器人的機(jī)械部分是整個(gè)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)型式的好壞，將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的好壞。所以，機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是非常重要。在本設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)中，主要包括運(yùn)動(dòng)副型式的合理選擇，驅(qū)動(dòng)的最佳速比等。本設(shè)計(jì)還需要設(shè)計(jì)六部電機(jī)的安裝位置、尺寸大小，連桿

5、的設(shè)計(jì)，機(jī)械手等各個(gè)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)。2)焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先選擇合適的控制系統(tǒng)，繪制出控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，然后選擇合適的運(yùn)動(dòng)控制器、驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)型號來搭建控制系統(tǒng)硬件平臺。.3 設(shè)計(jì)方案1)焊接機(jī)器人機(jī)械本體總體布局總體布局就是解決裝置各個(gè)部件間的相對運(yùn)動(dòng)和相對位置，并使機(jī)器人有一個(gè)協(xié)調(diào)完美的造型?？傮w布局要通過聯(lián)系尺寸來體現(xiàn)，聯(lián)系尺寸同時(shí)也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。初步確定的聯(lián)系尺寸是個(gè)部件的設(shè)計(jì)依據(jù)，并通過部件的設(shè)計(jì)，此外還應(yīng)對聯(lián)系尺寸進(jìn)行必要的修改，最后確定總體裝配圖。2)總體方案設(shè)計(jì)總體方案主要包括：系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定、伺服系統(tǒng)的選擇、控制系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定：焊接機(jī)器人按

6、運(yùn)動(dòng)方式已由題目確定好了，選用六軸聯(lián)動(dòng)式關(guān)節(jié)型。伺服系統(tǒng)的選擇：旋轉(zhuǎn)、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)采用交流伺服系統(tǒng)。電動(dòng)機(jī)類型選用交流伺服電機(jī)，交流伺服電機(jī)具備很多十分優(yōu)良的性能，例如低速性能，調(diào)速范圍寬廣、動(dòng)態(tài)特性和效率都很高?？刂葡到y(tǒng)硬件設(shè)計(jì)：根據(jù)系統(tǒng)要求確定系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)圖，選擇電氣元器件的參數(shù)和型號，繪制電氣原理圖。2 焊接機(jī)器人本體設(shè)計(jì)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)目的是為了設(shè)計(jì)一臺六自由度焊接機(jī)器人，在設(shè)計(jì)的過程中參考了機(jī)械工程學(xué)院機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的首鋼motoman 機(jī)器人。本次設(shè)計(jì)參數(shù)的采用也參考了其相關(guān)的參數(shù)。機(jī)器人本體設(shè)計(jì)包括主要基座、大臂、小臂、手腕、機(jī)械手以及各關(guān)節(jié)伺服電機(jī)的安裝位置、尺寸大小，還包括齒輪副

7、的安裝位置、尺寸，階梯軸、平鍵的選擇等設(shè)計(jì)。在進(jìn)行本體設(shè)計(jì)的過程中要考慮到機(jī)器人的工作要求，例如所能達(dá)到的最大工作范圍、運(yùn)動(dòng)精度要求、負(fù)荷能力等。機(jī)器人設(shè)計(jì)參數(shù)焊接機(jī)器人主要的參數(shù)包括控制軸的數(shù)量、負(fù)載能力、重復(fù)精度、最大動(dòng)作范圍、最大速度及功率。其主要設(shè)計(jì)參數(shù)和使用條件如表2.1 所示：焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)參數(shù)表2.1控制軸6負(fù)荷能力6kg重復(fù)精度0.08mm最大動(dòng)作范圍S（本體回轉(zhuǎn)）+170L（ 下臂前后擺動(dòng)）+155-90 U（ 上臂上下擺動(dòng)）+190 -170 R（上臂回轉(zhuǎn)） 180oB（ 手腕上下擺動(dòng)）+225o -45T（手腕回轉(zhuǎn)） 360最大速度9000cm/min線速度1.5m/s周

8、圍條件溫度0-45 濕度20%-80%振動(dòng)4.9m/S 2工作范圍最小387mm最大1378mm功率1.5kw自由度與關(guān)節(jié)該焊接機(jī)器人采用關(guān)節(jié)型的機(jī)器人，具有六個(gè)自由度，即為二個(gè)腰關(guān)節(jié)、一個(gè)肩關(guān)節(jié)、一個(gè)肘關(guān)節(jié)、還有二個(gè)腕關(guān)節(jié)。這些關(guān)節(jié)都為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，在機(jī)器人本體末端還有一個(gè)用于加持物體的機(jī)械手。機(jī)器人本體的整體布局如圖2 所示。 該整體布局圖大致反映了機(jī)器人的外形。2.1 機(jī)器人本體整體布局圖基座的設(shè)計(jì)（ 1）基座是整個(gè)機(jī)器人本體的支持，為了保證機(jī)器人的穩(wěn)定性，基座設(shè)計(jì)如圖2.2所示：圖 2.2 焊接機(jī)器人基座此基座為帶有轉(zhuǎn)盤的基座，由于基座承受壓力，為了充分利用材料的特性，選擇使用鑄鐵材料來制

9、造基座，這樣可以利用鑄鐵材料的吸振性，提高機(jī)器人的振動(dòng)穩(wěn)定性。 轉(zhuǎn)盤上裝有伺服電機(jī)，電機(jī)通過齒輪副傳動(dòng)，帶動(dòng)本體實(shí)線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即 S關(guān)節(jié)，旋轉(zhuǎn)角度+170。在轉(zhuǎn)盤上裝有齒輪副架，實(shí)現(xiàn)齒輪副的合理安裝，這樣設(shè)計(jì)既可以節(jié)約空間，又可以實(shí)現(xiàn)傳到的要求?；线€設(shè)計(jì)有接線盒子，所有的電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號和反饋信號都是從這個(gè)接線盒子中輸入輸出。下臂關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)下臂關(guān)節(jié)即為L 關(guān)節(jié)， 主要是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前后擺動(dòng)，下臂關(guān)節(jié)的擺動(dòng)的幅度為+155-90 ，下臂關(guān)節(jié)電機(jī)的安裝位置和傳動(dòng)方式設(shè)計(jì)如圖 2.3 所示。2.3 下臂關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)如圖所示，伺服電機(jī)安裝在齒輪副架上，齒輪副架通過螺釘連接安裝在機(jī)器人腰關(guān)節(jié)支持連桿上。通過

10、齒輪副傳動(dòng)，把扭矩傳遞到軸上，從而帶動(dòng)下臂實(shí)現(xiàn)前后擺動(dòng)。上臂擺動(dòng)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)上臂擺動(dòng)關(guān)節(jié)即為U 關(guān)節(jié)，主要是為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人上臂的上下擺動(dòng)而設(shè)計(jì)的。上臂關(guān)節(jié)的擺動(dòng)幅度為+190 -170 ，下臂關(guān)節(jié)電機(jī)位置和傳動(dòng)方式設(shè)計(jì)如圖 2.4所示。圖 2.4 上臂關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)如圖所示，伺服電機(jī)安裝在齒輪副架上，齒輪副通過螺釘連接安裝在下臂連桿末端。通過齒輪副傳動(dòng)，把扭矩傳遞到上臂上，從而實(shí)現(xiàn)上臂的上下擺動(dòng)。上臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)上臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)即為R 關(guān)節(jié)，主要是為了實(shí)現(xiàn)上臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而設(shè)計(jì)的，上臂的回轉(zhuǎn)角度為180o。大臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)電機(jī)的安裝位置和傳動(dòng)方式如圖3.5 所示。圖 2.5 上臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)如上圖所示，電機(jī)安裝在

11、上臂末端，電機(jī)軸通過聯(lián)軸器和傳動(dòng)軸連接實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。在傳動(dòng)軸上設(shè)計(jì)有深溝球軸承支撐，在上臂上設(shè)計(jì)有圓錐銷和傳動(dòng)軸連接，并在軸上設(shè)計(jì)出平鍵連接，從而實(shí)現(xiàn)上臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。手腕擺動(dòng)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)機(jī)器人手腕是連接操作機(jī)上臂和末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)，并決定末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的空間位姿。手腕一般有2 3 個(gè)自由度，要求結(jié)構(gòu)要緊湊，質(zhì)量要輕，各運(yùn)動(dòng)軸采用分離傳動(dòng)。本機(jī)器人手腕設(shè)計(jì)成具有二個(gè)自由度，在本設(shè)計(jì)中，通過在上臂上設(shè)計(jì)出電機(jī)支架， 使電機(jī)能夠安裝上臂殼體內(nèi)部，通過同步齒形帶傳動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)一個(gè)腕關(guān)節(jié)的擺動(dòng)。這樣設(shè)計(jì)可以節(jié)約空間，結(jié)構(gòu)十分緊湊，而且能很好的滿足傳動(dòng)的要求。手腕擺如上圖 2.6 所示為手腕關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)電機(jī)的安裝位置及

12、傳動(dòng)方式示意圖。手腕擺動(dòng)關(guān)節(jié)即為B 關(guān)節(jié)，主要是現(xiàn)實(shí)手腕的上下擺動(dòng)，手腕擺動(dòng)的幅度為+225o -45 。電機(jī)安裝在上臂殼體內(nèi)部設(shè)計(jì)出的電機(jī)支架上，通過同步齒形帶來實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。小帶輪安裝在手腕軸上，從而帶動(dòng)手腕的上下擺動(dòng)。下面計(jì)算出同步齒形帶的傳動(dòng)參數(shù)和帶輪的參數(shù)。同步齒形帶傳動(dòng)示意圖如圖2.4 所示：2.7 同步齒形帶傳動(dòng)計(jì)算同步帶尺寸：確定同步齒形帶的計(jì)算功率Pac計(jì)算功率Pac是根據(jù)傳動(dòng)的功率P 和帶的工作條件而確定的：Pac=KA*P( 2.1)，KA為其工況系數(shù)，取其值為1.2； P 為所需傳遞的額度功率，經(jīng)計(jì)算得其值為P=2.5(kw)即：Pac=KA*P=3(kw)選擇同步帶帶型根

13、據(jù)計(jì)算功率Pac 選擇同步帶的帶型，查表選擇較小的節(jié)距，取其值為5.12mm。確定小帶輪節(jié)圓的直徑d1 和小帶輪的齒數(shù)Z1由于其中Z1Zmin， 查表可取Z1=20，d1=PbZ1/ =19.206(mm)( 2.2)所以 d=20.21(mm)確定大齒輪節(jié)圓的直徑d2和大齒輪齒數(shù)Z2由于傳動(dòng)比為3/2，所以Z2=3/2*Z1=30所以d2 =48.50(mm)初步選取中心距a0 并選擇同步帶的基準(zhǔn)長度Ld,帶的齒數(shù)Zb若中心距a0未給定，根據(jù)下式0.7( d1+d2)a0 2(d1+d2)( 2.3)所以可以選擇35 a0 200，選取a0=160mm。2.2.6 手腕回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)手腕回轉(zhuǎn)

14、關(guān)節(jié)即為T 關(guān)節(jié)，主要是實(shí)現(xiàn)手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，T 關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)幅度為360。手腕關(guān)節(jié)的電機(jī)安裝位置及傳動(dòng)設(shè)計(jì)如圖2.8 所示。2.8 手腕回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)如圖所示，手腕回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在上臂上設(shè)計(jì)出的電機(jī)支架上，通過電機(jī)軸帶動(dòng)手腕實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。2.3 機(jī)械手的設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械手又稱為機(jī)器人的末端執(zhí)行器，它是機(jī)器人用于直接抓取和握緊某些專用工具（例如焊具、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。但是，由于被抓取工件形狀、尺寸、材質(zhì)等不同，工業(yè)機(jī)器人末端操作器可分為以下幾類：吸附式機(jī)械手夾鉗式機(jī)械手仿生多指機(jī)械手本設(shè)計(jì)是為了設(shè)計(jì)一臺焊接機(jī)器人，機(jī)械手并不需要完成

15、復(fù)雜的動(dòng)作，只需要機(jī)械手能按要求抓取焊具即可。所以本設(shè)計(jì)選用夾鉗式機(jī)械手，并設(shè)計(jì)成具有兩個(gè)手指的形式，其外形如圖所示。此機(jī)械采用氣動(dòng)傳動(dòng)，通過氣缸的伸縮運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)手指在導(dǎo)軌中同步移動(dòng)來完成機(jī)械手開合運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的夾緊與松開。機(jī)械手的設(shè)計(jì)如圖 2.5 所示：2.5 機(jī)械手3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)選擇機(jī)器人控制系統(tǒng)是一種典型的多軸實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，構(gòu)建機(jī)器人的控制系統(tǒng)，首先需要選擇相應(yīng)的硬件。本設(shè)計(jì)所選用的是固高科技有限公司生產(chǎn)的GE 運(yùn)動(dòng)控制器。固高公司生產(chǎn)的GE 運(yùn)動(dòng)控制器，可以實(shí)現(xiàn)多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)和高速的點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)。其是在以高速數(shù)字信號處理器DSP 為代表的高性能高速未處理器及大規(guī)?？删幊?/p>

16、邏輯器件 FPGA的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的?；赑C的開放式運(yùn)動(dòng)控制器已成為當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用最廣、功能最強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制器，并且在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。運(yùn)動(dòng)控制器主要用于對機(jī)械傳動(dòng)裝置的位置、速度進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制管理，使運(yùn)動(dòng)部件按照預(yù)期的運(yùn)動(dòng)軌跡和規(guī)定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)完成相應(yīng)的動(dòng)作。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖3.1 所示：圖 3.1 控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)開放式結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)充分利用了PC機(jī)的資源，可以利用第三方軟件完成用戶程序開發(fā)，將生成的應(yīng)用程序指令通過總線傳輸給運(yùn)動(dòng)控制器。運(yùn)動(dòng)控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它接受來自上位PC機(jī)得應(yīng)用程序命令，按照設(shè)定的運(yùn)動(dòng)模式，完成相應(yīng)的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，向驅(qū)動(dòng)器發(fā)出相應(yīng)

17、的運(yùn)動(dòng)指令。本設(shè)計(jì)選用固高公司生產(chǎn)的插卡是運(yùn)動(dòng)控制器 GE 系列多軸點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制器來搭建機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件平臺。GE-800-PG-PCIGE 系列多軸點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制器是固高科技插卡是運(yùn)動(dòng)控制器的成員之一，該系列產(chǎn)品基于計(jì)算機(jī)PCI 總線，可同時(shí)控制1-8 個(gè)伺服/步進(jìn)電機(jī)，具有優(yōu)良的點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)規(guī)劃功能，特別適用于高速高精度點(diǎn)位控制要求的設(shè)備，選用該系列運(yùn)動(dòng)控制器可以很好的滿足本設(shè)計(jì)的要求。GE 系列運(yùn)動(dòng)控制器型號及含義：本設(shè)計(jì)選用的運(yùn)動(dòng)控制器型號是GE-800-PG-PCI。GE：系列標(biāo)示代號為GE； 800：可以控制軸數(shù)8 軸；P：運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方式為點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)規(guī)劃；G：工作方式為脈沖輸出；PCI：總

18、線類型為PCI 總線。GE-800-PG-PCI 技術(shù)參數(shù)：運(yùn)動(dòng)控制：運(yùn)動(dòng)控制信號為：每軸輸出差分脈沖，最高頻率：1MHZ；每軸編碼器的反饋通道的四倍頻可達(dá)8MH；運(yùn)動(dòng)控制功能：點(diǎn)位控制，梯形曲線，ZS形曲線模式運(yùn)動(dòng)規(guī)劃；數(shù)字濾波器：PID+速度前饋+加速度前饋。IO 功能：提供16 路同用數(shù)字輸入，16 路通用數(shù)字輸出。電源要求：+24V或 +12V， Icc=2A MAX。運(yùn)動(dòng)控制器與端子板的連接端子板是把若干個(gè)端子集中在一起，排列在一個(gè)平板上的的，這個(gè)板就叫端子板，端子板的作用是方便接線用的。運(yùn)動(dòng)控制器與端子板連接就是通過一條屏蔽電纜連接控制器的CN1 與端子板得CN1，另一條屏蔽電纜連

19、接轉(zhuǎn)接板得CN2與端子板的CN2。圖 3.3 是 GE-800-PG運(yùn)動(dòng)控制器端子板結(jié)構(gòu)圖3.3 GE-800-PG 運(yùn)動(dòng)控制器端子板表 3.1 為端子板接口的定義表表 3.1 端子板接口的定義接口端子功能接口端子功能CN1運(yùn)動(dòng)控制器連接接口CN2運(yùn)動(dòng)控制器連接接口CN4RS232接口CN5（6、 7、 8、 9、 12、 13）控制軸接口CN14通用IO 輸出接口CN15限位信號輸入接口CN16通用IO 輸入接口CN17原點(diǎn)信號輸入接口CN19模擬量輸入接口對于運(yùn)動(dòng)控制器GE-800-PG-PCI的專用輸入包括：驅(qū)動(dòng)器報(bào)警信號、原點(diǎn)信號和限位信號，通過端子板的CN5（CN6、CN7、CN8、

20、CN9、CN10、CN12、CN13） 、CN17、CN15與驅(qū)動(dòng)器及外部開關(guān)相連。CN5的定義見表3.專用輸出包括: 驅(qū)動(dòng)允許，驅(qū)動(dòng)報(bào)警復(fù)位。專用輸出通過端子板CN5、 CN6、 CN7、CN8、 CN9、 CN10、 CN12、 CN13與驅(qū)動(dòng)器連接。CN5對應(yīng)1 軸，CN6對應(yīng)2軸，CN7對應(yīng) 3軸，CN8對應(yīng)4軸，CN9對應(yīng)5軸，CN10對應(yīng)6軸，CN12對應(yīng)7 軸，CN13對應(yīng)8軸，在本設(shè)計(jì)中只需要選擇前六軸即可滿足要求。表 3.2 端子板CN5（ CN6、 CN7、 CN8、 CN9、 CN10、 CN12、 CN13）定義表引腳信號說明引腳信號說明1OGND外部電源地14OVCC

21、+12/24V3ENABLE驅(qū)動(dòng)允許16保留保留4A-編碼器輸入17A+編碼器輸入5B-編碼器輸入18B+編碼器輸入6C-編碼器輸入19C+編碼器輸入8DAC模擬輸出10GND數(shù)字地9DIR+步進(jìn)方向輸出22DIR-步進(jìn)方向輸出11PUL-步進(jìn)脈沖輸出23PUL+步進(jìn)脈沖輸出15RESET驅(qū)動(dòng)報(bào)警復(fù)位2ALM驅(qū)動(dòng)報(bào)警電機(jī)控制系統(tǒng)的基本組成在本設(shè)計(jì)中電機(jī)控制系統(tǒng)的基本組成需要如下硬件元器件：運(yùn)動(dòng)控制器一個(gè)、具有 PCI 接口的主機(jī)一臺、交流伺服電機(jī)6 部、驅(qū)動(dòng)器6 個(gè)、 +12/+24V 直流電源（用于接口板電源）一個(gè)、原點(diǎn)開關(guān)、正/負(fù)限位開關(guān)若干。電機(jī)的選擇本設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)一臺六自由度焊接機(jī)器人，

22、其總共有六個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。加上機(jī)器人末端的執(zhí)行器，一共需要七個(gè)獨(dú)立的原動(dòng)機(jī)。在本設(shè)計(jì)中可以初步選擇用電機(jī)來驅(qū)動(dòng)， 但是在用電機(jī)驅(qū)動(dòng)中存在是選擇使用步進(jìn)電機(jī)、直流伺服、還是交流伺服的問題。由于在本設(shè)計(jì)主要是實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)、擺動(dòng)，而在旋轉(zhuǎn)、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)中通常采用交流伺服系統(tǒng)。所以電動(dòng)機(jī)類型交流伺服電機(jī)，交流伺服電機(jī)具備很多十分優(yōu)良的性能，例如低速性能，調(diào)速范圍寬廣、動(dòng)態(tài)特性和效率都很高。電機(jī)型號的確定標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)的功率是由額定功率來表示。所選電動(dòng)機(jī)的額定功率應(yīng)等于或稍大于工作要求的功率。若功率小于工作要求，則不能保證工作機(jī)正常工作，或使電動(dòng)機(jī)長期過載，發(fā)熱過大而過早損壞。本設(shè)計(jì)選用的日本三洋公司生產(chǎn)的

23、R 系列交流伺服電機(jī)，下面對R 系列電機(jī)的型號做如下說明。以R2AA06040FC 為例：R： 表示 R 系列；2： 表示發(fā)動(dòng)機(jī)分類為中慣性；AA： 表示電動(dòng)機(jī)電壓為220V；06：表示發(fā)蘭角為60mm； 040：表示電動(dòng)機(jī)的規(guī)格輸出為400W； F：表示電動(dòng)機(jī)最高旋轉(zhuǎn)速度為6000r/min； H： 表示最高轉(zhuǎn)速為3000r/min； C： 表示帶保持控制器（ 24V） ；X：表示無保持控制器。2.2是我們所選的電機(jī)的型號及其具體參數(shù)：表 2.2 所選擇的電機(jī)電機(jī) 參數(shù)S 關(guān)節(jié)L 關(guān)節(jié)U 關(guān)節(jié)R 關(guān)節(jié)B 腕關(guān)節(jié)T 關(guān)節(jié)型號R2AAB8100HXR2AAB8100HCR2AA06040FCR2

24、AA04010FXR2AA04010FXR2AA04010FX額定10001000400100100100功率W額定220V電壓最高300030006000600060006000轉(zhuǎn)速rpm伺服驅(qū)動(dòng)器的選擇伺服驅(qū)動(dòng)器是用來控制伺服電機(jī)的一種控制器，是伺服控制系統(tǒng)的一部分。目前主流的伺服驅(qū)動(dòng)器一般都采用DSP作為控制核心，可實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法。伺服驅(qū)動(dòng)器一般可以采用速度、位置和力矩三種控制方式，主要應(yīng)用于高精度的運(yùn)動(dòng)控制場合。選擇驅(qū)動(dòng)器需要根據(jù)伺服電機(jī)的功率、反饋元件來選擇。選擇驅(qū)動(dòng)器時(shí)，需要考慮與伺服電機(jī)的匹配問題，還需考慮控制方式。在本設(shè)計(jì)中選用的是三洋公司生產(chǎn)的伺服驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器型號的

25、確定本設(shè)計(jì)選擇的是三洋公司生產(chǎn)的R 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制器，下面將簡要的介紹伺服驅(qū)動(dòng)器的型號識別方法。本設(shè)計(jì)選用兩種驅(qū)動(dòng)器，分別為RS1A01AA、 RS1A03AA。RS1：表示R系列；A：表示相電壓為AC200； 01：表示驅(qū)動(dòng)器容量為15A； A：表示與驅(qū)動(dòng)器組合的為旋轉(zhuǎn)電機(jī)；A：表示編碼器的接口分類為省配線增量編碼器。03：表示伺服驅(qū)動(dòng)器容量為30A。RS1A01AA、 RS1A03AA 驅(qū)動(dòng)器示意圖如圖3.3所示圖 3.3 驅(qū)動(dòng)器示意圖下面簡要的介紹伺服驅(qū)動(dòng)器各個(gè)端子的定義高電壓電路端子主電源端子：R、 T 單相 AC200-230V控制電源端子：r、 t 單相 AC200-230V伺服馬達(dá)

26、接線端子：U、 V、 W 與伺服電機(jī)聯(lián)接低電壓電路端子CN1:上位裝置輸入輸出信號連接器表 3.1 CN1 端子定義表端子番號信號名稱說明端子番號信號名稱說明3A0A 位置信號輸出4/A0/A 位置信號輸出5B0B 位置信號輸出6/B0/B 位置信號輸出7Z0Z 位置信號輸出8/Z0/Z 位置信號輸出21V-REF速度指令輸入20SG21 共用地26F-PC輸入脈沖指令29/F-PC輸入脈沖指令28R-PC輸入脈沖指令29/R-PC輸入脈沖指令36RES(CONT2)通用輸入37ENABLE通用輸入40ALM(OUT2)通用輸出24OUT-COM通用輸出地25OUT-COM通用輸出地49OUT

27、-PWR通用輸出的電源50CONT-COM通用輸入的電源CN2:編碼器接頭，端子定義如表3.2 所示表 3.2 CN2 端子定義表端子番號信號名稱說明端子番號信號說明1EBAT+蓄電池正極2EBAT-蓄電池負(fù)極13ES+位置數(shù)據(jù)輸出14ES-位置數(shù)據(jù)輸出19+DC5V直流5V電源20GND地3.3 控制系統(tǒng)電路圖為了滿足焊接機(jī)器人對電源的要求首先需要設(shè)計(jì)電源控制電路, 電源控制電路主要包括總電源開關(guān)、驅(qū)動(dòng)器控制電源、驅(qū)動(dòng)器動(dòng)力電源、急?？刂啤⑺欧?dòng)和停止、DC24V電源輸出等。本設(shè)計(jì)控制電路設(shè)計(jì)如圖3.4 所示。DC24V電源輸出等。本設(shè)計(jì)控制電路設(shè)計(jì)如圖3.4 所示。3.4 電源控制圖運(yùn)動(dòng)

28、控制器與驅(qū)動(dòng)器接線圖圖 3.5 為運(yùn)動(dòng)控制器的一個(gè)接口與運(yùn)動(dòng)控制器CN1 的接口示意圖，圖示還示意了驅(qū)動(dòng)器的主電源和控制電源接線圖，其中主控制電源為是從電源控制電路圖中端子L4、 N4 中引入并接驅(qū)動(dòng)器R、 S，控制電源是從電源控制電路圖中端子L、 N 中引入并接驅(qū)動(dòng)器r、 s。3.3.2驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)接線圖3.5 運(yùn)動(dòng)控制器與驅(qū)動(dòng)器接線圖3.6為驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)的接線圖。4結(jié) 論通過查閱關(guān)于機(jī)器人的相關(guān)文獻(xiàn)，以及參考機(jī)械工程學(xué)院機(jī)器人實(shí)驗(yàn)實(shí)首鋼motoman 機(jī)器人實(shí)例，并在老師的指導(dǎo)下完成設(shè)計(jì)方案的論證。在機(jī)器人的本體設(shè)計(jì)的過程中，主要完成了機(jī)器人基座旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)S、下臂上下擺動(dòng)關(guān)節(jié)L、上臂

29、前后擺動(dòng)關(guān)節(jié)U、上臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)R、手腕擺動(dòng)關(guān)節(jié)B、手腕回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)T及機(jī)械手的設(shè)計(jì)。在機(jī)器人基座的設(shè)計(jì)中，基座采用鑄鐵鑄造而成，充分利用鑄鐵的材料特性，改善系統(tǒng)的抗振性。基座上鑄有電機(jī)支架和齒輪副支架，這樣設(shè)計(jì)節(jié)省了空間，結(jié)構(gòu)更為緊湊?；D(zhuǎn)盤在旋轉(zhuǎn)的過程中電機(jī)也是隨旋轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)的。在腕關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)中，腕關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)有二個(gè)自由度，一個(gè)自由度是電機(jī)通過齒輪傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)手腕的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)自由度是通過同步齒形帶來實(shí)現(xiàn)手腕的擺動(dòng)的。這樣設(shè)計(jì)的好處是既能滿足自由度的要求，在結(jié)構(gòu)上也更為緊湊。繪制出了完整的機(jī)器人裝配圖和一部分零件圖。在控制系統(tǒng)中選擇了固高公司生產(chǎn)的GE-800-PG-PCI 運(yùn)動(dòng)控制器作為控制系統(tǒng)

30、的核心部件，其充分利用了DSP 技術(shù)和 FPGA 技術(shù)。其是基于PC 的開放式運(yùn)動(dòng)控制器，可以直接插到PC 機(jī)的 PCI 插槽中，應(yīng)用十分簡單，操作方便，可以充分利用上位機(jī)得資源。此外還選擇了三洋公司生產(chǎn)的驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)來搭建機(jī)器人的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。焊接機(jī)器人在高質(zhì)量、高精度的焊接中發(fā)揮著重要的作用。近年來， 隨著用工成本的提高和先進(jìn)技術(shù)的快速發(fā)展這兩方面矛盾的日益凸顯，焊接機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用極大的推動(dòng)了我國工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展。下面對焊接機(jī)器人發(fā)展做如下展望：（ 1）多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)隨著自動(dòng)化水平的提高，流水現(xiàn)作業(yè)方式的采用，多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)將成為焊接機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)重要研究和發(fā)展方

31、向。（ 2）嵌入式控制技術(shù)近年來，嵌入式控制技術(shù)有了長足的發(fā)展，使得嵌入式的應(yīng)用得到重視。嵌入式之所以得到廣泛的重視和應(yīng)用，是因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)有小型、專用、易攜帶、可靠性高等一系列的特點(diǎn)。所以嵌入式控制系統(tǒng)將是焊接機(jī)器人控制技術(shù)的又一個(gè)重要的研究和發(fā)展方向。參考文獻(xiàn)熊有倫機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)M 武漢：華中科技大學(xué)出版社，1996:1.宋金虎 . 我國焊接機(jī)器人的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀J. 電焊機(jī)，2009， 39( 4)：18-20.黃政艷 . 焊接機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)狀與技術(shù)展望J. 裝備制造技術(shù)，2007,3:46-48.蔡自興機(jī)器人學(xué)M 北京：清華大學(xué)出版社，2000： 1-3.張金娟，王磊，宋 偉 . 我國

32、焊接行業(yè)的現(xiàn)狀及與發(fā)達(dá)國家的差距J. 科技論壇.蔣新松 . 未來機(jī)器人技術(shù)發(fā)展方向的探討J 機(jī)器人,1996 ， 18(5):286-287 陳繼文， 范文利， 李彥鳳等. 教學(xué)型弧焊機(jī)器人設(shè)計(jì)J. 機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2006,19( 1) ：79-80.莫海軍，吳少煒排爆機(jī)器人及相關(guān)技術(shù)J 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2005， 4.金茂箐，曲忠萍，張桂華國外工業(yè)機(jī)器人發(fā)展態(tài)勢分析J 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2001 ， 02許向榮，宋現(xiàn)春，于復(fù)生等. 教學(xué)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)J. 機(jī)電工程技術(shù)，2007,36 ( 9)：54-56.賴維德對我國工業(yè)機(jī)器人的一些看法J 中國機(jī)械工程，1998， 9(6) 徐

33、方 . 工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展J. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2007， 9： 2-4.張楊林國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人市場及發(fā)展趨勢J 大眾科技，2006， 6:191-192.吳振彪 . 工業(yè)機(jī)器人M. 武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002.2:71-72.盧炳恒 . 機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)M 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005:32-37孫恒 . 機(jī)械原理M 北京：高等教育出版社，2006:25-26王海濱 . 四自由度機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的研究D ：哈爾濱: 2006:13-15羅良武 . 工程圖學(xué)及計(jì)算機(jī)繪圖M 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2003:156-161Inocentiu MANIU, Valentin CIUP

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35、243.基于 C8051F 單片機(jī) 直流電動(dòng)機(jī) 反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于 單片機(jī) 的嵌入式Web 服務(wù)器的研究MOTOROLA 單片機(jī) MC68HC （ 8） 05PV8/A 內(nèi)嵌 EEPROM 的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機(jī) 溫度控制系統(tǒng)的研制基于 MCS-51 系列 單片機(jī) 的通用控制模塊的研究基于 單片機(jī) 實(shí)現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR ）調(diào)節(jié)器單片機(jī) 控制的二級倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強(qiáng)型51 系列 單片機(jī) 的 TCP/IP 協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的蓄電池自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)基于32 位嵌入式單片機(jī) 系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機(jī)的作物營養(yǎng)診斷

36、專家系統(tǒng)的研究基于單片機(jī)的交流伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機(jī)的泵管內(nèi)壁硬度測試儀的研制基于單片機(jī)的自動(dòng)找平控制系統(tǒng)研究基于 C8051F040 單片機(jī) 的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機(jī)的液壓動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測儀開發(fā)模糊 Smith 智能控制方法的研究及其單片機(jī) 實(shí)現(xiàn)一種基于單片機(jī) 的軸快流CO ,2激光器的手持控制面板的研制基于雙 單片機(jī) 沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于 CYGNAL 單片機(jī) 的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機(jī)的噴油泵試驗(yàn)臺控制器的研制基于單片機(jī)的軟起動(dòng)器的研究和設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制的高速快走絲電火花線切割機(jī)床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機(jī)的 機(jī) 電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開發(fā)基于 PIC 單片機(jī)

37、的智能手機(jī) 充電器基于單片機(jī)的實(shí)時(shí)內(nèi)核設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機(jī) 系統(tǒng)單片機(jī) 系統(tǒng)軟件構(gòu)件開發(fā)的技術(shù)研究基于單片機(jī)的液體點(diǎn)滴速度自動(dòng)檢測儀的研制基于單片機(jī)系統(tǒng)的多功能溫度測量儀的研制基于PIC 單片機(jī)的電能采集終端的設(shè)計(jì)和應(yīng)用基于單片機(jī)的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線性摩擦焊機(jī)單片機(jī) 控制系統(tǒng)的研制基于單片機(jī)的數(shù)字磁通門傳感器基于單片機(jī)的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究基于單片機(jī)的光纖Bragg 光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究單片機(jī) 控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于 C8051F020 單片機(jī) 的多生理信號檢測儀基于

38、單片機(jī) 的電 機(jī) 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Pico 專用 單片機(jī) 核的可測性設(shè)計(jì)研究基于 MCS-51 單片機(jī) 的熱量計(jì)基于雙 單片機(jī) 的智能遙測微型氣象站MCS-51 單片機(jī) 構(gòu)建 機(jī) 器人的實(shí)踐研究基于單片機(jī)的輪軌力檢測基于單片機(jī)的GPS 定位儀的研究與實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機(jī)系統(tǒng)的 MMC 卡文件系統(tǒng)研制基于單片機(jī)的時(shí)控和計(jì)數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機(jī)和CPLD的粗光柵位移測量系統(tǒng)研究單片機(jī) 控制的后備式方波UPS提升高職學(xué)生單片機(jī) 應(yīng)用能力的探究基于單片機(jī)控制的自動(dòng)低頻減載裝置研究基于單片機(jī)控制的水下焊接電源的研究基于單片機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于 uPSD3234 單片機(jī) 的氚表面污染測量儀的研制基于單片機(jī)的紅外