工業(yè)機(jī)器人畢業(yè)設(shè)計(jì)

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(guò)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(guó)家工業(yè)自動(dòng)化的水平。目前，工業(yè)機(jī)器人主要承當(dāng)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)，然后選擇適宜的傳動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)方式，搭建機(jī)器人的結(jié)構(gòu)平臺(tái)：在此根底上，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、反響方式和反響元件的選擇、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(guò)程的平安性，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(wèn)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緒論…………………11.1工業(yè)機(jī)器人研究的目的和意義…………………11.2工業(yè)機(jī)器人在國(guó)內(nèi)外的開(kāi)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)……..1.3工業(yè)機(jī)器人的分類(lèi)1.4本課題研究的主要內(nèi)容2總體方案確實(shí)定2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述2.2根本設(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)4.1機(jī)器人控制系統(tǒng)分類(lèi)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4.4PLC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(guó)研制出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人以來(lái)，機(jī)器人技術(shù)及其產(chǎn)品開(kāi)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)量而且也保障人身平安、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)本錢(qián)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(lèi)的生產(chǎn)和生活方式。２０世紀(jì)８０年代以來(lái)，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)器人根本上采用液壓驅(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(guò)程中，諧波減速器、ＲＶ減速器等高性能減速機(jī)構(gòu)的開(kāi)展也功不可沒(méi)。近年來(lái)，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)足開(kāi)展。２信息處理速度的提高機(jī)器人的動(dòng)作通常是通過(guò)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)算并在此根底上向機(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)的不斷開(kāi)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(lái)，隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的開(kāi)展已經(jīng)出現(xiàn)了多臺(tái)機(jī)器人通過(guò)網(wǎng)絡(luò)共享信息并在此根底上進(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(guó)內(nèi)外的開(kāi)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)目前，工業(yè)機(jī)器人有很大一局部應(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)的開(kāi)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(lái)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)，采取多種運(yùn)動(dòng)方式相結(jié)合的方式來(lái)到達(dá)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(lái)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)，防止缺點(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(lái)呈現(xiàn)出的趨勢(shì)就是系統(tǒng)化。無(wú)論是我國(guó)還是國(guó)外，物料搬運(yùn)的開(kāi)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)的開(kāi)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(kù)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)開(kāi)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(lèi)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(kāi)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)還不能到達(dá)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方法：提高機(jī)器人的加工精度與裝配精度，采用無(wú)障傳動(dòng)的減速機(jī)構(gòu)，采用直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)標(biāo)定機(jī)器人的。2誤差補(bǔ)償通過(guò)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，即手臂末端到達(dá)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(chē)身內(nèi)外表時(shí)，要求機(jī)器人能將車(chē)身內(nèi)外表的各個(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：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)器人的反響速度就必須提高機(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(lái)說(shuō)尤為重要。為此一方面可以通過(guò)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)器人手臂以到達(dá)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(guò)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、靈活性與快速反響能力：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)器人來(lái)說(shuō)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。如這種根本結(jié)構(gòu)能推廣于一般工業(yè)機(jī)器人將使工業(yè)機(jī)器人的本錢(qián)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(lèi)搬運(yùn)機(jī)器人【transferrobot】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(guó)，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(lèi)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(wàn)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)。局部興旺國(guó)家已制定出人工搬運(yùn)的最大限度，超過(guò)限度的必須由搬運(yùn)機(jī)器人來(lái)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)可根據(jù)用戶(hù)的要求配備不同的手爪〔如機(jī)械手爪，真空吸盤(pán)，電磁吸盤(pán)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(lèi)如前所述，各類(lèi)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(lái)稱(chēng)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(chēng)為點(diǎn)焊機(jī)器人，有的用于搬運(yùn)工件就稱(chēng)為搬運(yùn)機(jī)器人，以此類(lèi)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(chēng)為水下機(jī)器人，類(lèi)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(lèi)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(lèi)按照這種分類(lèi)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，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。按機(jī)器人具有的運(yùn)動(dòng)自由度數(shù)分類(lèi)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(lái)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?！?〕根據(jù)工件的負(fù)載情況，工作空間以及各個(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)，繪制各局部的結(jié)構(gòu)草圖?！?〕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?！?〕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?！?〕通過(guò)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)方案確實(shí)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)有以下互相作用的局部組成：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(lài)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(lèi)。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(lèi)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?chē)h(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。2.2根本設(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：抓取的重物：2Kg機(jī)械手的自由度數(shù)：4個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)：大臂升降：線速度：0.02m小臂伸縮：線速度：0.02m/s手腕俯仰：角速度：3.14rad/s腰部旋轉(zhuǎn)：角速度：3.14rad/s運(yùn)動(dòng)行程大臂升降：300mm小臂伸縮：300mm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)和反響信號(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,具體尺寸如下圖3小臂小臂長(zhǎng)度180mm機(jī)械手的設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人的手又稱(chēng)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(zhuān)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)及外表狀態(tài)等不同，因此工業(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(lèi)：〔1〕夾鉗式取料手〔2〕吸附式取料手〔3〕專(zhuān)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(kāi)和加緊工件是通過(guò)手指的張開(kāi)與閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該設(shè)計(jì)采用兩個(gè)手指，其外形如下圖：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(kāi)動(dòng)作的機(jī)構(gòu)。根據(jù)手指開(kāi)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)械構(gòu)簡(jiǎn)圖〔只畫(huà)出了一半，另一半關(guān)于中心線對(duì)稱(chēng)〕。在圖中，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(guò)兩個(gè)機(jī)構(gòu)串聯(lián)，使電機(jī)最終驅(qū)動(dòng)ＤＥ的來(lái)回?cái)[動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)手指的開(kāi)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(kāi)，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(lèi)型。這三種方法各有所長(zhǎng)，各種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)見(jiàn)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?！?〕控制性能輸出功率大，可無(wú)級(jí)調(diào)速，反響靈敏，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(wèn)題較大.(5)平安性防爆性能好，用液壓做傳動(dòng)介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危險(xiǎn)?！?〕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)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人和托運(yùn)機(jī)器人?！?〕本錢(qián)維修及使用液壓元件本錢(qián)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)：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。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。響應(yīng)速度較高。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(wèn)題較小。平安性防爆性能好，高于1000kPa(10個(gè)大氣壓)時(shí)應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性。對(duì)環(huán)境的影響排氣時(shí)有噪聲。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。本錢(qián)維修及使用本錢(qián)方便。電機(jī)驅(qū)動(dòng)：輸出功率較大控制精度，功率較大，能精確定位，反響靈敏。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。響應(yīng)速度很高。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(wú)密封問(wèn)題。平安性設(shè)備自身無(wú)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)境防爆性能較差。對(duì)環(huán)境的影響無(wú)。〔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?！?〕本錢(qián)維修及使用本錢(qián)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：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；反響速度要快，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；驅(qū)動(dòng)盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要?。黄桨部煽?；操作和維護(hù)方便；對(duì)環(huán)境無(wú)污染，噪聲要小；經(jīng)濟(jì)上合理，尤其要盡量減少占地面積?；谏鲜鲵?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)方案確實(shí)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)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(guò)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)，到達(dá)控制上升的速度不至于過(guò)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)的平安。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)械手爪完全可以到達(dá)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那么把小臂的驅(qū)動(dòng)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(guò)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，自身減速比擬小。機(jī)器人的手爪局部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)，其作用與方案一所述的相同。伺服驅(qū)動(dòng)與步進(jìn)驅(qū)動(dòng)的比擬〔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(lái)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?！?〕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?xún)?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(guò)載能力不同不僅電機(jī)一般不具有過(guò)載能力，交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過(guò)載能力而步進(jìn)電機(jī)因?yàn)闆](méi)有這種過(guò)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(kāi)環(huán)控制，速度過(guò)快或負(fù)載過(guò)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)編碼器反響信號(hào)進(jìn)行采樣，在內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，能防止失步或過(guò)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(mǎn)足這一點(diǎn)。通過(guò)對(duì)上面的方案的比擬，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，能夠比擬好的完本錢(qián)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〕底座如下圖：電機(jī)和諧波減速器通過(guò)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(guò)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，加工和安裝方便。里面部件的材料采用鋁合金位于底部的電機(jī)通過(guò)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?！?〕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(lái)承受較大的負(fù)載產(chǎn)生的彎矩，防止了減速器的輸出軸，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(guò)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(lái)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)如下圖，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(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手進(jìn)行旋轉(zhuǎn)來(lái)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(lái)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)局部組成：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(lèi)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(lèi)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(guò)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(wú)法編制運(yùn)動(dòng)程序，而是要求在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中根據(jù)所獲得周?chē)鸂顟B(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(lèi)：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)簡(jiǎn)單，本錢(qián)低，但實(shí)時(shí)性差，難以擴(kuò)展，其構(gòu)成框圖如下圖：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)。控制系統(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、小臂、大臂的動(dòng)作都是通過(guò)控制系統(tǒng)來(lái)控制的，所以控制系統(tǒng)是搬運(yùn)機(jī)器人的重要組成局部，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、本錢(qián)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(yǔ)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(yǔ)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(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(lèi)，但其根本結(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(wú)故障的時(shí)間數(shù)已經(jīng)到達(dá)數(shù)萬(wàn)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(kāi)時(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)，大量開(kāi)關(guān)動(dòng)作可以用無(wú)觸電的電子電路來(lái)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。通常可編程控制器都有自診斷、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(guò)更換模塊插件來(lái)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(wú)刷直流伺服系統(tǒng)的代替品。近年來(lái)交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)有了飛速開(kāi)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)鞏固耐用、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(guò)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)際位置的值比擬，然后通過(guò)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(guò)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(jiàn)的運(yùn)動(dòng)狀況并以開(kāi)關(guān)量形式傳遞給I/O,PLC接收到這些信號(hào)并經(jīng)過(guò)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(guò)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(kāi)關(guān)、工件識(shí)別傳感信號(hào)和執(zhí)行機(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(kāi)啟停止、重啟、繼續(xù)和回零等輸入控制端口。通過(guò)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(kāi)、停、就緒和急停等狀態(tài)輸出端口通過(guò)讀取這些端口的狀態(tài)。PLC就能獲知機(jī)器人的搬運(yùn)根本狀態(tài)。4.4PLC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)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(kāi)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)局部的分布如圖4-5所示：?jiǎn)卧?hào)設(shè)置開(kāi)關(guān)單元號(hào)的設(shè)置確定了CPU單元專(zhuān)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(lái)實(shí)現(xiàn)輸送線出貨臺(tái)上的工件到AGV小車(chē)上的搬運(yùn)，