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1、自由度機械手臂設(shè)計 姓名：蘇文杰 班級：機自4班 學(xué)號：24121901188 序號：24 2015年6月3日 三自由度機械手臂設(shè)計 用途：在當(dāng)今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品 質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過程的自動化程度，工業(yè)機器人作為自動化生產(chǎn) 線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認同并采用。工業(yè)機器人的技術(shù)水平 和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的水平，目前， 工業(yè)機器人主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運以及堆垛等重復(fù)性并且勞動 強度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。 本文將設(shè)計一臺四自由度的工業(yè)機器人，用于給沖壓設(shè)備運送物料。 首先，本文將設(shè)計機器人的底座、大臂、小

2、臂和機械手的結(jié)構(gòu)，然后 選擇合適的傳動方式、驅(qū)動方式，搭建機器人的結(jié)構(gòu)平臺；在此基礎(chǔ) 上，本文將設(shè)計該機器人的控制系統(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、端子板電路的設(shè)計以及控制軟 件的設(shè)計，重點加強控制軟件的可靠性和機器人運行過程的安全性， 最終實現(xiàn)的目標(biāo)包括：關(guān)節(jié)的伺服控制和制動問題、實時監(jiān)測機器人 的各個關(guān)節(jié)的運動情況、機器人的示教編程和在線修改程序、 設(shè)置參 考點和回參考點。 該設(shè)計的目的是為了設(shè)計一臺物料搬運機器人，利用現(xiàn)有已經(jīng)報 廢的焊接機器人，本文的中結(jié)構(gòu)設(shè)計主要偏向于對原有機構(gòu)的改造和 機械手的設(shè)計。 動力源 采用電源 驅(qū)動方式 該機器人一共具

3、有四個獨立的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)， 連同末端機械手的運動，共 需要五個動力源。機器人常用的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、 氣壓驅(qū)動和電 機驅(qū)動三種類型。 機器人驅(qū)動系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點，通常對機器人的驅(qū)動系統(tǒng)的要求有： 1) .驅(qū)動系統(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 要咼； 2) .反應(yīng)速度要快，即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動慣量比要大，能夠 進行頻繁地起、制動，正、反轉(zhuǎn)切換； 3) .驅(qū)動盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要??； 4) .安全可靠； 5) .操作和維護方便； 6) .對環(huán)境無污染，噪聲要?。? 7) .經(jīng)濟上合理，尤其要盡量減少占地面積。 基于上述驅(qū)動系統(tǒng)的特點和機器人驅(qū)動系

4、統(tǒng)的設(shè)計要求， 本文選用直 流伺服電機驅(qū)動的方式對機器人進行驅(qū)動。 傳動方式 由于一般的電機驅(qū)動系統(tǒng)輸出的力矩較小， 需要通過傳動機構(gòu)來增加 力矩，提高帶負載能力。對機器人的傳動機構(gòu)的一般要求有： (1) 結(jié)構(gòu)緊湊，即具有相同的傳動功率和傳動比時體積最小，重量 最輕； (2) 傳動剛度大，即由驅(qū)動器的輸出軸到連桿關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸在相同的 扭矩時角度變形要小，這樣可以提高整機的固有頻率，并大大減輕整 機的低頻振動； （3） 回差要小，即由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)時空行程要小，這樣可以得到較高 的位置控制精度； （4） 壽命長、價格低。 本文所選用的電機都采用了電機和齒輪輪系一體化的設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊 湊，具

5、有很強的帶負載能力，但是不能通過電機直接驅(qū)動各個連桿的 運動。為減小機構(gòu)運行過程的沖擊和振動，并且不降低控制精度，采 用了齒形帶傳動。 齒形帶傳動是同步帶的一種，用來傳遞平行軸間的運動或?qū)⒒剞D(zhuǎn)運動 轉(zhuǎn)換成直線運動，在本文中主要用于腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的傳動。 齒輪帶的傳動比計算公式為 i =門 2 / m z2 齒輪帶的平均速度Va為 va = z t 口 = z2 t n2 制動器 制動器及其作用： 制動器是將機械運動部分的能量變?yōu)闊崮茚尫牛?從而使運動的機械速 度降低或者停止的裝置，它大致可分為機械制動器和電氣制動起兩 類。 在機器人機構(gòu)中，學(xué)要使用制動器的情況如下：

6、 特殊情況下的瞬間停止和需要采取安全措施 停電時，防止運動部分下滑而破壞其他裝置。 機械制動器： 機械制動器有螺旋式自動加載制動器、 盤式制動器、閘瓦式制動 器和電磁制動器等幾種。其中最典型的是電磁制動器。 在機器人的驅(qū)動系統(tǒng)中常使用伺服電動機， 伺服電機本身的特性 決定了電磁制動器是不可缺少的部件。 從原理上講，這種制動器就是 用彈簧力制動的盤式制動器，只有勵磁電流通過線圈時制動器打開， 這時制動器不起制動作用，而當(dāng)電源斷開線圈中無勵磁電流時， 在彈 簧力的作用下處于制動狀態(tài)的常閉方式。因此 這種制動器被稱為無勵磁動作型電磁制動器。 又因為這種制動器常用 于安全制動場合，所以也稱為安全

7、制動器。 電氣制動器 電動機是將電能轉(zhuǎn)換為機械能的裝置， 反之，他也具有將旋轉(zhuǎn)機 械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電功能。換言之，伺服電機是一種能量轉(zhuǎn)換裝置， 可將電能轉(zhuǎn)換為機械能，同時也能通過其反過程來達到制動的目的。 但對于直流電機、同步電機和感應(yīng)電機等各種不同類型的電機， 必須 分別采用適當(dāng)?shù)闹苿与娐贰? 本文中，該機器人實驗平臺未安裝機械制動器，因此機器人的肩 關(guān)節(jié)和軸關(guān)節(jié)在停止轉(zhuǎn)動的時候，會因為重力因素而下落。另外，由 于各方面限制，不方便在原有機構(gòu)上添加機械制動器，所以只能通過 軟件來實現(xiàn)肩關(guān)節(jié)和軸關(guān)節(jié)的電氣制動 采用電氣制動器，其優(yōu)點在于：在不增加驅(qū)動系統(tǒng)質(zhì)量的同時又 具有制動功能，這是非常理想的情況，而在機器人上安裝機械制動器 會使質(zhì)量有所增加，故應(yīng)盡量避免。缺點在于：這種方法不如機械制 動器工作可靠，斷電的時候?qū)⑹ブ苿幼饔谩?