1502-三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì),自由度,圓柱,坐標(biāo),工業(yè),機(jī)器人,設(shè)計(jì) 三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人- 1 -本設(shè)計(jì)已經(jīng)通過答辯，如果需要圖紙請聯(lián)系 QQ 251133408 另專業(yè)團(tuán)隊(duì)代做畢業(yè)設(shè)計(jì)，質(zhì)量速度有保證。 目　錄目錄 …………………………………………………………………………………………… 1 中文摘要 ……………………………………………………………………………………… 2Abstract ……………………………………………………………………………………… 2第 1 章 緒論 ……‥………………………………………………………………………… 3第 2 章 工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) …………………………………………………………… 32.1 工業(yè)機(jī)器人的組成及各部分關(guān)系概述 …………………………………………… 3 2.2 工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)分析 ……………………………………………………………… 42.2.1 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) ………………………………………………… 5第 3 章 工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) ……………………………………………………… 63.1 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)分析 ……………………………………………………… 63.1.1 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)概述 ……………………………………………………………… 63.1.2 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程分析 ……………………………………………………… 73.2 工業(yè)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) ……………………………………………………… 83.2.1 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) ……………………………………………………………… 83.2.2 手臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) ………………………………………………………………… 113.2.3 腰部和基座設(shè)計(jì) ………………………………………………………………… 123.3 工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì) ‥……………………………………………… 183.3.1 滾珠絲杠的選擇 ………………………………………………………………… 183.3.2 諧波齒輪的選擇 ………………………………………………………………… 193.3.3 聯(lián)軸器的選擇 ………………………………………………………………… 20第 4 章 工業(yè)機(jī)器人的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述 ……………………………………………… 204.1 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及對控制功能的基本要求 ‥……………………… 214.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 ……………………………………………………… 224.3 硬件電路的組成 ………………………………………………………………… 22第 5 章 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行時(shí)應(yīng)采取的安全措施 …………………………………………… 225.1 安全要求 ………………………………………………………………………… 225.2 實(shí)施方法 …………………………………………………………………………… 23鳴謝 ……………………………………………………………………………………… 23參考文獻(xiàn) ………………………………………………………………………………… 24三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人- 2 -中文摘要在工業(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)器人是相對較新的電子設(shè)備，它正開始改變現(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單的動(dòng)作,本文是對整個(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 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 current 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三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人- 3 -三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化，學(xué)號(hào)：2001121622，姓名：劉建軍指導(dǎo)老師：李作全第一章 緒論機(jī)器人工程是近二十多年來迅速發(fā)展起來的綜合學(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 國科技界跟蹤國際高科技發(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，是一個(gè)國家科技水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的象征，正受到許多國家的廣泛重視。目前，工業(yè)機(jī)器人的定義，世界各國尚未統(tǒng)一，分類也不盡相同。最近聯(lián)合國國際標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機(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，可以通過改變動(dòng)作程序，來完成各種工作，主要用于搬運(yùn)材料，傳遞工件。參考國外的定義，結(jié)合我國的習(xí)慣用語，對工業(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，而且定位精度相當(dāng)高，它可以根據(jù)外部來的信號(hào)，自動(dòng)進(jìn)行各種操作。工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，由簡單到復(fù)雜，由初級(jí)到高級(jí)逐步完善，它的發(fā)展過程可分為三代：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單，應(yīng)用在線編程，即通過示教存貯信息，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)器人是帶感覺的機(jī)器人。它具有尋力覺、觸覺、視覺等進(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、視覺等功能外，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)別對象的有無及其狀態(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。三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人- 4 -第 2 章 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)：通過對驅(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、 檢測系統(tǒng)：作用是通過各種檢測裝置、傳感裝置檢測執(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。三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人- 5 -圖 2-2 各部分關(guān)系圖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Ａ，Ｂ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：內(nèi)孔 ￠100，壁厚 10，高 100。零件材料：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，利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和諧波齒輪傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；利用另一臺(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)上下運(yùn)動(dòng)；考慮到本設(shè)計(jì)中的機(jī)器人工作范圍不大，故利用液壓缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮運(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)三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人- 6 -工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)是說明其規(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：抓取重量是用來表明機(jī)器人負(fù)荷能力的技術(shù)參數(shù)，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，國內(nèi)外機(jī)器人的最大直線移動(dòng)速度為 1000mm/s 左右，一般為 200～400mm/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 2.69Kg自由度 3 個(gè)（1 個(gè)回轉(zhuǎn) 2 個(gè)移動(dòng)）機(jī)座 長 120mm，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)角 180°，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 單片機(jī)控制腰部機(jī)構(gòu) 長 680mm，伸縮運(yùn)動(dòng)，升降范圍 450mm，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 單片機(jī)控制手臂機(jī)構(gòu) 長 826mm，伸縮運(yùn)動(dòng)，伸縮范圍 50mm，液壓缸驅(qū)動(dòng) 行程開關(guān)控制末端執(zhí)行器 液壓缸驅(qū)動(dòng) 行程開關(guān)控制第 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)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)類型等三方面來討論。三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人- 7 -如圖 2-1 所示，為工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的簡圖。圖 3-1 機(jī)構(gòu)簡圖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)形式是通過一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，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)過程分析三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人- 8 -工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程中各動(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 C 位 工步九放松工件 工步十二實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過程中的各工步是由工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)和各種檢測原件來實(shí)現(xiàn)的，這里尤其要強(qiáng)調(diào)的是機(jī)器人對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)考慮工件在傳送過程中的動(dòng)載荷。b. 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)有一定的開閉范圍。其大小不僅與工件的尺寸有關(guān)，而且應(yīng)注意手部接近工件的運(yùn)動(dòng)路線及其方位的影響。三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人- 9 -c. 應(yīng)能保證工件在末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)準(zhǔn)確定位。d. 結(jié)構(gòu)盡量緊湊重量輕，以利于腕部和臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。e. 根據(jù)應(yīng)用條件考慮通用性。3.2.1.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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，它的結(jié)構(gòu)形式如圖 2-4。內(nèi)撐連桿杠桿式夾持器采用四連桿機(jī)構(gòu)傳遞撐緊力，即當(dāng)液壓缸 1 工作時(shí)，推動(dòng)推桿 2 向下運(yùn)動(dòng)，使兩鉗爪 3 向外撐開，從而帶動(dòng)彈性爪 4 夾緊工件。該種夾持器多用于內(nèi)孔薄壁零件的夾持。圖 3-4 末端執(zhí)行器3.2.1.3 液壓油缸的選擇和夾緊力的校驗(yàn)a． 初選油缸型號(hào)考慮到所要夾持的是很小的薄壁零件，最大工作載荷很小，故初選液壓缸型號(hào)為Y-HG1-C40/22×25LF2HL1Q，它的主要技術(shù)參數(shù)如表 2-2。表 3-2 冶金設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)液壓油技術(shù)規(guī)格活塞桿直徑 /mm 油口直徑速度比缸 徑/mm1.46 2通徑/mm聯(lián)接螺紋40 22 28 10 M18x1.5b． 夾緊力校驗(yàn)1）零件的計(jì)算三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人- 10 -2239().1460514078.826.4()1VRrhmvGgN????????其中 g 取 9.8. 取 G=27（N）2） 緊力的計(jì)算：要夾持住零件必須滿足條件： Gf?2f 為手指與工件的靜摩擦系數(shù)，工件材料為 45 號(hào)鋼，手指為鋼材，查《機(jī)械零件手冊》 表 2-5 f=0.15，N 為作用在零件內(nèi)壁上壓緊力，G 為零件重力。所以 取 N=100（N）)(9015.27f???由《機(jī)械制造裝備》式 4-60 可知驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算公式為： /()Pbtgc??為斜面傾角， ， 為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率，這里為平摩擦傳動(dòng)，?o3查《機(jī)械零件手冊》表 2-2 這里取 0.85, 92.085??b=77.5mm,c=29mm。取 p=500(N)..4.171052???tg按《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》公式 4-15 mPDF??42D 為汽缸的內(nèi)徑(m)，P 為工作壓力（Pa）,由《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》表 9-1負(fù)載 F/N 50000工作壓力 p/MPa 5～7取 p=0.5MPa。由《液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)》可查得： =0.9～0.95, 所以m?NPDF 569.015.4)0(.346232 ???????由以上計(jì)算可知液壓缸能產(chǎn)生的推力 F=565N 大于夾緊工件所需的推力 P=500N。所以該液壓缸能夠滿足要求。3.2.1.4 彈性爪的強(qiáng)度校驗(yàn) 彈性爪的結(jié)構(gòu)形式如圖 3-7：三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人- 11 -圖 3-7 彈性爪結(jié)構(gòu)圖這種結(jié)構(gòu)是在手爪外側(cè)用螺釘固定彈簧板兩端固定。當(dāng)彈性手工作時(shí)，由于夾緊過程具有彈性，就可以避免易損零件被抓傷，變形和破損。工件與彈簧片間的力：由上節(jié)可知 F=100N。則彈簧爪截面上的剪應(yīng)力為[τ]=30MPa ，τ=Q/A= 故彈性爪滿足強(qiáng)度要求。][5102033??????MPa3.2.2 手臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)3.2.2.1 手臂的設(shè)計(jì)要求a、 手臂的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)滿足機(jī)器人完成作業(yè)任務(wù)提出的工作空間要求b、 根據(jù)手臂所受載荷和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，合理選擇手臂截面形狀和高強(qiáng)度輕質(zhì)材料。c、 盡量減小手臂重量和相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和偏重力矩，以減小驅(qū)動(dòng)裝置的負(fù)荷；減少運(yùn)動(dòng)的動(dòng)載荷與沖擊，提高手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度。d、 要設(shè)法減小機(jī)械間隙引起的運(yùn)動(dòng)誤差，提高運(yùn)動(dòng)的精確性和運(yùn)動(dòng)剛度。采用緩沖和限位裝置提高定位精度。本設(shè)計(jì)中手臂由滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便，還設(shè)計(jì)有兩根導(dǎo)柱導(dǎo)向，以防止手臂在滾珠絲杠上轉(zhuǎn)動(dòng)，確保手臂隨機(jī)座一起轉(zhuǎn)動(dòng)。它的結(jié)構(gòu)如下圖。三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人- 12 -圖 3-8 手臂結(jié)構(gòu)圖選用軸向腳架型液壓缸，活塞桿末端為外螺紋結(jié)構(gòu)，手臂與末端執(zhí)行器連同活塞桿一起轉(zhuǎn)動(dòng)。3.2.2.2 伸縮液壓油缸的選擇選液壓缸型號(hào)為 Y-HG1-C50/28×100LJ1HL1Q，它的主要技術(shù)參數(shù)如表 2-3。表 3-3 冶金設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)液壓油技術(shù)規(guī)格活塞桿直徑 /mm 油口直徑速度比缸 徑/mm1.46 2通徑/mm聯(lián)接螺紋50 28 36 10 M18x1.53.2.2.3 活塞桿的強(qiáng)度校核末端執(zhí)行器的重量為：10.389Kg 。工件重量為：2.64Kg。由靜力平衡方 ΣM B=0 R1·LAB －Q·LBC=0ΣM A=0 R2·LAB － Q·LAC=0求得支反力為： R1=524.88NR2=673.16N以 A 點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，得剪力圖和彎矩圖如下：由[]表得活塞桿[τ]=140MPa, [σ]=240MPa.三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人- 13 -則在 B 處橫截面上的剪應(yīng)力為：τB= R B/A= 安全。][1.)028(46.732??????MPa在 B 處的彎應(yīng)力為：σ B= MB/A= 安全。][4.9)1028(63. ??????a3.2.3 腰部和基座設(shè)計(jì)3.2.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過安裝在支座上的步進(jìn)電機(jī)和諧波齒輪直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)座轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過安裝在頂部的步進(jìn)電機(jī)和聯(lián)軸器帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂的上下移動(dòng)。采用了雙導(dǎo)柱導(dǎo)向，以防止手臂在滾珠絲杠上轉(zhuǎn)動(dòng)，確保手臂隨機(jī)座一起轉(zhuǎn)動(dòng)。支撐梁采用槽鋼，以減輕重量和節(jié)省材料，它的結(jié)構(gòu)如圖 2-10。該種設(shè)計(jì)采用了環(huán)形軸承的機(jī)器人支承結(jié)構(gòu)。它由電動(dòng)機(jī) 2 直接驅(qū)動(dòng)一杯形柔輪諧波減速器。這種諧波減速器只有剛輪 9、柔輪 7 和諧波發(fā)生器 8 三大件，而無單獨(dú)的外殼（這種結(jié)構(gòu)有利于傳動(dòng)系統(tǒng)的小型化、輕型化） 。由柔輪 7 輸出低速的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)與之固聯(lián)的機(jī)座回轉(zhuǎn)殼體 5 實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。齒形皮帶傳動(dòng) 4 和位置傳感器 6 作為機(jī)座用來檢測手臂機(jī)座的角位移。1——支座，2——步進(jìn)電機(jī)，3——諧波齒輪，4——轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)座5——支承工字梁，6——滾珠絲杠，7——導(dǎo)向柱，8——錐環(huán)無鍵聯(lián)軸器圖 3-10 腰部和基座結(jié)構(gòu)圖三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人- 14 -1——支座，2——電機(jī)，3——軸承，4——帶傳動(dòng)，5——?dú)んw6——位置傳感器，7——柔輪，8——波發(fā)生器，9——?jiǎng)傒唸D 3-11 環(huán)形軸承的機(jī)器人機(jī)座3.2.3.2 步進(jìn)電機(jī)的選取工業(yè)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)和上下移動(dòng)采用了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，下面就給出各種驅(qū)動(dòng)方式的比較，以作為選取步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)方式的依據(jù)。表 3-4 各種驅(qū)動(dòng)方式比較驅(qū)動(dòng)方式電機(jī) 驅(qū)動(dòng)比較內(nèi) 容 機(jī)械傳動(dòng)異步電機(jī)，直流電機(jī)步進(jìn)或伺服電機(jī)氣壓傳動(dòng) 液壓傳動(dòng)輸出力矩輸出力矩較大 輸出力可較大輸出力矩較小氣體壓力小，輸出力矩小，如需輸出力矩較大，結(jié)構(gòu)尺寸過大液體壓力高，可以獲得較大的輸出力控制性能速度可高，速度和加速度均由機(jī)構(gòu)控制，定位精度高，可與主機(jī)嚴(yán)格同步控制性能較差，慣性大，步易精確定位控制性能好，可精確定位，但控制系統(tǒng)復(fù)雜可高速，氣體壓縮性大，阻力效果差，沖擊較嚴(yán)重，精確定位較困難，低速步易控制油液壓縮性小，壓力流量均容易控制，可無級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制應(yīng)用范圍適用于自由度少的專用機(jī)械手，高速低速均能適用適用于抓取重量大和速度低的專用機(jī)械手可用于程序復(fù)雜和運(yùn)動(dòng)軌跡要求嚴(yán)格的小型通用機(jī)械手中小型專用通用機(jī)械手都有中小型專用通用機(jī)械手都有，特別時(shí)重型機(jī)械手多用由上表可知步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)器人有著許多無可替代的優(yōu)點(diǎn)，如控制性能好，三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人- 15 -可精確定位，體積較小可用于程序復(fù)雜和運(yùn)動(dòng)軌跡要求嚴(yán)格的小型通用機(jī)械手等，下面就對步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)進(jìn)行選取。初選電機(jī)為 BF 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)為：90BF001。它的有關(guān)技術(shù)參數(shù)如下表：表 3-5電機(jī)型號(hào)相數(shù) 步距角/（°）電壓/V最大靜轉(zhuǎn)矩/N·m(Kgf·cm)最高空載啟動(dòng)頻 率/HZ運(yùn)行頻率/HZ轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量10 Kg·m5?2分配方式質(zhì)量/Kg90BF001 4 0．9 80 3.92 2000 8000 17.64 四相八拍4．5A、傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是一種慣性負(fù)載,在電機(jī)選用時(shí)必須加以考慮。由于傳動(dòng)系統(tǒng)的各傳動(dòng)部件并不都與電機(jī)軸同軸線，還存在各傳動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量向電機(jī)軸折算的問題。最后，要計(jì)算整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，即傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。（1） 、電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 的折算DJ由《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表 2-18 查出 =1.764㎏?cm 2DJ（2） 、聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 的折算L)/(822cmKgMJc?式中： 為圓柱質(zhì)量（Kg） ，D 為圓柱體直徑（cm）,L 為圓柱體長度。c對于鋼材，材料密度為 ,把數(shù)據(jù)代入上式得：)10.733cg???)(9.282mKMJcL??（3） 、滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 的折算S查《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表 4-2 P119，得出 1m 長的滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 0.94㎏?cm2，絲杠長度 L＝420mm，所以滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： =0.94×0.42=0.39㎏?cm 2； SJ（4） 、手臂轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 的折算GJ工作臺(tái)是移動(dòng)部件，其移動(dòng)質(zhì)量折算到滾珠絲杠軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 可按下式進(jìn)行計(jì)算：GJ見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式（2-6）P8MJG20)(??式中， 為絲杠導(dǎo)程（cm） ； 為工作臺(tái)質(zhì)量（kg） 。0L三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人- 16 -所以： 2220 15.714.38)( cmkgMLJG ???????????（5）系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 計(jì)算?J 294.615.390.2764.1ckgJGSLD ???????B、驗(yàn)算矩頻特性步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩 是指電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩，從《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表 2-21maxjM中查得 。步進(jìn)電機(jī)的名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 與最大靜轉(zhuǎn)矩 的關(guān)系為：j???92.3max mqMmaxj見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式（2-29）P32axjq?查《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表 2-12 P35 得 ＝0.707。所以，?mMmq ?????7.29.370.步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)是指電機(jī)在沒有外加工作負(fù)載下的啟動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩可按下式計(jì)算：見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式（2-30）P320MKfaKq?式中： 為空載啟動(dòng)力矩（N?cm） ； 為空載啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件由靜止升速到最大快進(jìn)ka速度，折算到電機(jī)軸上的加速力矩（N?cm） ； 為空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩Kf（N?cm） ； 有關(guān) 的各項(xiàng)力矩值計(jì)算如下：KqM（1）加速力矩見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式（2-32）和（2-33）P32360102maxa 2maxpbKvntnJ????????式中： 為傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 為電機(jī)最大角加速度； 為與運(yùn)動(dòng)部件最大快?J?maxn進(jìn)速度對應(yīng)的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速；t 為運(yùn)動(dòng)部件從靜止啟動(dòng)加速到最大快進(jìn)速度所需的時(shí)間，為運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度； 為初選步進(jìn)電機(jī)的步距角； 為脈沖當(dāng)量。maxvb?p?in/1250360.9.5axa rnpb?????三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人- 17 -cmtnJMKa ???????? ??? 17.402.6154329.1062 2max?（2） 、空載摩擦力矩見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式（2-34）P35iLfGkf??0?式中： 為運(yùn)動(dòng)部件的總重量； 為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)； 齒輪傳動(dòng)降速比； 為傳動(dòng)系數(shù)總f?i?效率，取 ＝0.8； 為滾珠絲杠的基本導(dǎo)程。0LcmMkf ?????5.018.432.971（3） 、附加摩擦力矩見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式（2-35）P35??200???iLFYJ式中： 為滾珠絲杠預(yù)緊力； 為滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，現(xiàn)取 ＝0.96。YJ 0 0???cmM???????428.196.18.432710所以，步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩： cKfaKq ???148.3.50.7.0初選電機(jī)型號(hào)應(yīng)滿足步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩小于步進(jìn)電機(jī)名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式（2-31）P32mq?從上式可知電機(jī)初步滿足要求。C、啟動(dòng)矩頻特性校核步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)有突跳啟動(dòng)和升速啟動(dòng)。突跳啟動(dòng)很少使用。升速啟動(dòng)是步進(jìn)電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)開始逐漸升速，在零時(shí)刻，啟動(dòng)頻率為零。在一段時(shí)間內(nèi)，按一定的升速規(guī)律升速。啟動(dòng)結(jié)束時(shí)，步進(jìn)電機(jī)達(dá)到了最高運(yùn)行速度。查看《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》圖 2-21 P36，從 90BF001 矩特性圖中，可查得：縱向：空載啟動(dòng)力矩 ＝ 對應(yīng)的允許啟動(dòng)頻率 。查《機(jī)KqMcm??148.3 ZyqHf210?電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表 2-11 P34，步進(jìn)電機(jī) 150BF002 啟動(dòng)頻率 ，yqf?所以所選電機(jī)不會(huì)丟步。D、運(yùn)行矩頻特性校核步進(jìn)電機(jī)的最高快進(jìn)運(yùn)行頻率 可按下式計(jì)算：KJf見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式（2-36）P36PKZvf?601max?三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人- 18 -式中： 為運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度。算得 。maxv ZKZHf3.8?快進(jìn)力矩 的計(jì)算公式：KJM見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式（2-37）0fJ??P37式中： 為附加摩擦力矩， 為快進(jìn)時(shí)，折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩。算得：0 Kf。cmMKfJ ????1.978.4205＝＋＝查看《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》圖 2-22 P36，從 90BF001 運(yùn)行矩頻特性圖中，可知：快進(jìn)力矩 ＝ 對應(yīng)的允許快進(jìn)頻率 ；Jcm???.1.978＝ KJyf?所以,所用的電機(jī)都滿足快速進(jìn)給運(yùn)行矩頻特性要求。綜上所述，所選用的步進(jìn)電機(jī) 90BF001 符合要求，可以使用。3.2.3.3 軸承的選取a、環(huán)形軸承 3 作為機(jī)座的支承原件，是為機(jī)器人研制的專用軸承，具有寬度小、直徑大、精度高、剛度大、承載能力高（可承受徑向力、軸向力和傾覆力矩） 、裝置方便等特點(diǎn)價(jià)格高。b、絲杠下部裝有圓錐滾子軸承，型號(hào)為 30204， 它的有關(guān)參數(shù)如下：基本額定 極限轉(zhuǎn)速r/min軸承代號(hào)動(dòng)載荷 Ca/KN靜載荷 C0a/KN脂潤滑 油潤滑30204 28.2 30.5 8000 100003.3 工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械傳動(dòng)裝置的選擇3.3.1 滾珠絲杠的選擇估算：等效載荷 Fm = 1000 N , 絲桿有效行程 420 mm , 等效轉(zhuǎn)速 nm = 1500 r/min , 要求使用壽命 L h = 15000 h 左右，工作溫度低于 100℃，可靠度 95%，精度為 3 級(jí)精度。'A、 計(jì)算載荷Fc = KaRt查 上冊，表 15-21 得= 1.1 ， = 1.0 ， =1.61 ， = 1FaRKtFc = atmF= 1.1 1.0 1.61 1 1000?三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人- 19 -= 1771 N= a'C3c4h'mF1067.Ln?= 347.5= 19559 NB、 選擇滾珠絲桿副的型號(hào)主要尺寸為：按 = 19559N，查《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》表 2-9，選用漢江機(jī)床廠 C1 型滾珠絲杠，a'C系列代號(hào)為 FYC1-4008-2.5。= 40 mm , =8 mm , =4 mm , d = 39mm，滾珠直徑 d0=3.969mm0DnPwD滾道半徑 R= md064.29.3520. ???偏心距 e== R21.5)9(7)( ????絲杠內(nèi)徑 me 76.35)..4201 ???≤27 mm , =24000 N , =1880 N'daCCK螺旋導(dǎo)程角 γ = arctan = arctan = 3o38′0ndP?406?螺桿不長，無需驗(yàn)算穩(wěn)定性。 C、剛度驗(yàn)算按最不利情況考慮，即在螺距(導(dǎo)程) 內(nèi)受軸向力引起的彈性變形與受轉(zhuǎn)矩引起彈性變形方向一致，此時(shí)變形量為最大，計(jì)算公式為：= + S?412nGdPT6?21nEF式中 T1 = · ·tan( γ+ )m0v?= 1000 tan( + )?2'38?''40= 1321 N·mm磨擦系數(shù) f = 0.025, 當(dāng)量磨擦角 = ，v?''剪切彈性模量 G=8.33 N/mm2410所以： = + S?442276.35.86?? 2576.310.8??= 0.0387 μm 三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人- 20 -其中，危險(xiǎn)截面 = 35.76，E = 2.061d每米螺桿長度上的螺矩的彈性變形= = 6.6 /m < ( )p = 15 /ms?30687.??m?s??因?yàn)闈L球絲桿精度要求為 3 級(jí)精度，由表 15-8 查得( )p = 15 /ms所以其剛度滿足要求。D、計(jì)算效率η= = = 0.960 = 96%??vtan?????'''4083tan??3.3.2 諧波齒輪的選擇諧波齒輪的特點(diǎn)，與一般齒輪傳動(dòng)相比，有如下特點(diǎn)：a、 傳動(dòng)比大。一級(jí)諧波齒輪減速比可以在 50～500 之間，在只傳遞運(yùn)動(dòng)的裝置中可達(dá) 1000。采用多級(jí)或復(fù)波式傳動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)比可以更大。b、 這種傳動(dòng)同時(shí)嚙合的齒數(shù)多，可達(dá)總齒數(shù)的 30%～40%。故承載能力大。c、 運(yùn)動(dòng)誤差小，無沖擊，齒的磨損小，傳動(dòng)精度高，傳動(dòng)平穩(wěn)。d、 效率高（減速傳動(dòng)下，一般可達(dá) 0.7～0.9） ，結(jié)構(gòu)簡單，零件少，重量輕。在承載能力和傳動(dòng)比相同的條件下，比一般齒輪減速器的體積和重量約減少1/2～1/3。e、 缺點(diǎn)是起動(dòng)力矩大，柔輪易疲勞損壞，故柔輪的材料和熱處理?xiàng)l件要求高。傳動(dòng)比小于 35 時(shí)不能采用諧波傳動(dòng)。由于諧波減速傳動(dòng)裝置明顯的優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于機(jī)器人和其它機(jī)電一體化機(jī)械設(shè)備中。本設(shè)計(jì)中的諧波齒輪采用帶杯形柔輪的諧波傳動(dòng)組合件。它是由三個(gè)基本構(gòu)件構(gòu)成的，帶凸緣的環(huán)形剛輪，杯形的柔輪和柔性軸承、橢圓盤構(gòu)成的波發(fā)生器。型號(hào) XB1-80-100-2-3/3機(jī)型號(hào) 100，既柔輪的公稱內(nèi)徑為 80mm減速比 100 三大件訂貨精度等級(jí)，最大空回小于 3 分（角）/最大傳動(dòng)誤差小于 3 分（角）3.3.3 聯(lián)軸器的選擇該機(jī)構(gòu)利用錐環(huán)對之間的磨擦實(shí)現(xiàn)與轂之間的無間隙連接傳遞轉(zhuǎn)矩，且可任意調(diào)節(jié)兩面聯(lián)接件之間的角度位置。通過選擇所用錐環(huán)的對數(shù)，可傳遞不同大小的轉(zhuǎn)矩。圖 2-12 所示為采用錐環(huán)（錐環(huán)夾緊環(huán)）無鍵消隙聯(lián)軸器，可使動(dòng)力傳遞沒有反向間隙。螺釘 5 通過壓圈 3 施加軸向力時(shí)，由于錐環(huán)之間的楔緊作用，內(nèi)外環(huán) 2 分別產(chǎn)生徑向彈性變形，消除軸 4 與套筒 1 之間的配合間隙，并產(chǎn)生接觸壓力，通過磨擦傳遞轉(zhuǎn)矩，而且套筒 1 與軸 4之間的角度位置可以任意調(diào)節(jié)。這種聯(lián)軸器定心性好，承載能力高，傳遞功率大、轉(zhuǎn)速高、使用壽命長，具有過載保護(hù)能力，能在受振動(dòng)和沖擊載荷等惡劣環(huán)境下連續(xù)工作，安裝、使用和維護(hù)方三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人- 21 -便，作用于系統(tǒng)中的載荷小、噪聲低。1——套筒，2——內(nèi)外環(huán)，3——壓圈，4——軸，5——螺栓 圖 3-12 消隙聯(lián)軸器第四章 工業(yè)機(jī)器人的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述4.1 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及對控制功能的基本要求工業(yè)機(jī)器人具有多個(gè)自由度，每個(gè)自由度一般包括一個(gè)伺服機(jī)構(gòu)，它們必須協(xié)調(diào)起來，組成一個(gè)多變量控制系統(tǒng)。這種多變量的控制系統(tǒng)，一般要用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。因此，機(jī)器人控制系統(tǒng)也是一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的功能是控制機(jī)器人操作機(jī)的運(yùn)動(dòng)和操作以滿足作業(yè)的要求。在作業(yè)中機(jī)器人的工作任務(wù)是要求操作機(jī)的末端執(zhí)行器按點(diǎn)位或軌跡運(yùn)動(dòng)，并保持設(shè)定的姿態(tài)。在運(yùn)動(dòng)中或在規(guī)定的某點(diǎn)位執(zhí)行作業(yè)規(guī)定的操作。對工業(yè)機(jī)器人的控制功能大致有如下的基本要求和特點(diǎn)。A、實(shí)現(xiàn)對位姿、速度、加速度等的控制功能在機(jī)器人的各類作業(yè)中，運(yùn)動(dòng)和控制方式主要有兩種。1）點(diǎn)位控制方式（PTP 控制） 這種控制方式考慮到末端執(zhí)行器在運(yùn)動(dòng)過程中只在某些規(guī)定的點(diǎn)上進(jìn)行操作，因此只要求末端執(zhí)行器在目標(biāo)點(diǎn)處保證準(zhǔn)確的位姿以滿足作業(yè)質(zhì)量要求。而對達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡（包括移動(dòng)的路徑和運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)）則不作任何規(guī)定，這種控制方式易于實(shí)現(xiàn)，但不易達(dá)到較高的定位精度，適用于上下料、搬運(yùn)、點(diǎn)焊和在電路板上安插元件等只要求在目標(biāo)點(diǎn)保持末端執(zhí)行器準(zhǔn)確的位姿的作業(yè)中。2）連續(xù)軌跡控制方式（CP 控制） 這種控制方式要求末端執(zhí)行器嚴(yán)格按規(guī)定的軌跡和速度在一定精度要求內(nèi)運(yùn)動(dòng)，以完成作業(yè)要求，這種必須保證機(jī)器人各關(guān)節(jié)連續(xù)、同步地實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。這種連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)，可看成是若干密集軌跡曲線。若設(shè)定的點(diǎn)足夠密，就能用點(diǎn)位控制的方法實(shí)現(xiàn)所需精度的連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)。B、存儲(chǔ)和示教功能要使機(jī)器人具有完成預(yù)定作業(yè)的功能，須先將要完成的作業(yè)示教給機(jī)器人，這個(gè)操作過程稱為示教，將示教內(nèi)容記錄下來，稱為存儲(chǔ)。使工業(yè)機(jī)器人按照存儲(chǔ)的示教內(nèi)容進(jìn)行動(dòng)作，稱為再現(xiàn)。所以工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)作是通過示教—存儲(chǔ)—再現(xiàn)的過程實(shí)現(xiàn)的。C、對外部環(huán)境的檢測和感覺功能。4.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人- 22 -控制系統(tǒng)采用二級(jí)計(jì)算機(jī)控制方式，選用 IBM-PC，80C51 系列 CPU。第一級(jí)機(jī)擔(dān)負(fù)管理，示教編程，控制再現(xiàn)，軌跡正逆運(yùn)算，機(jī)器人語言的編輯和編譯，通過串行通訊方式傳送給二級(jí)機(jī)做位置給定。第二級(jí)機(jī)負(fù)責(zé)位置伺服控制軟件的計(jì)算，位置檢測等工作，根據(jù)插補(bǔ)算出的各關(guān)節(jié)位置增量做位置給定。一級(jí)機(jī)與示教盒通訊采用串行 RS-232 接口，既接收示教盒信息，完成示教動(dòng)作，又向示教盒發(fā)送信息，顯示示教情況。還可以連接軟驅(qū)，CRT 終端。二級(jí)機(jī)接口電路將計(jì)算機(jī)輸出數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，驅(qū)動(dòng)伺服控制系統(tǒng)，選用速度單元，伺服電機(jī)及光電編碼盤等伺服調(diào)速系統(tǒng)。4-1 機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖4.3 硬件電路的組成圖 3-1 是采用 MCS-51 系列單片機(jī)組成的控制系統(tǒng)硬件電路原理圖。電路的組成如下：i. 主從 CPU 都采用 8031 芯片；ii. 主從 CPU 各擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器 27256 一片，擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 62256 一片；iii. 主 CPU 擴(kuò)展可編程串行通信接口芯片 8251A 一片；可編程多功能接口芯片 8155 一片；電平轉(zhuǎn)換芯片 MAX232 一片；iv. 從 CPU 擴(kuò)展可編程多功能接口芯片 8155 六片；D/A 轉(zhuǎn)換器 DAC0832 六片；運(yùn)算放大器 μA741 六片；PWM 功率放大器六片；光電編碼器六片；v. 地址鎖存器、譯碼器各兩片；vi. 鍵盤電路，顯示電路；vii. 光電編碼電路，功率放大電路；viii. 報(bào)警電路，暫停、急停電路，復(fù)位電路；第五章 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行時(shí)應(yīng)采取的安全措施有些國家已經(jīng)頒布了關(guān)于機(jī)器人的安全法規(guī)和相應(yīng)的規(guī)程,國際標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)也有業(yè)機(jī)器人安全規(guī)范(ISO/TC184/SC2/WG3-DP10218)。在工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)廠家，有嚴(yán)格三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人- 23 -的管理規(guī)定和詳盡的技術(shù)保障體系。在機(jī)器人應(yīng)用工程中，要參照有關(guān)規(guī)程、規(guī)范以及工業(yè)機(jī)器人的說明資料，注意落實(shí)安全措施，杜絕發(fā)生機(jī)器人傷人或其它事故。5.1 安全要求工業(yè)機(jī)器人能代替人在危險(xiǎn)有害的環(huán)境中作業(yè)。但又給人另一種危險(xiǎn)，即機(jī)器人傷人事故。這是工業(yè)機(jī)器人安全管理的最為重要的一條原則。此外，除了通用的工業(yè)安全規(guī)程外，還要注意工業(yè)機(jī)器人的特殊性，采取相應(yīng)可靠的對策。對工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用工程的安全要求有如下幾條：a、 必須為工業(yè)機(jī)器人和周邊設(shè)備安裝安全護(hù)欄，以防止人靠近而造成傷害。工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)作范圍不能超越護(hù)欄。b、 在護(hù)欄出入口的門上必須設(shè)置插拔式電接點(diǎn)點(diǎn)開關(guān)，其插座有導(dǎo)線與控制系統(tǒng)的電路連接。只有拔下開關(guān)的插頭，才能打開對應(yīng)的門。這時(shí)，工業(yè)機(jī)器人及周邊設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn)，并且將工業(yè)機(jī)器人鎖定在示教模式。c、 在距操作者的地方設(shè)置緊急停止開關(guān)。按下此開關(guān)，工業(yè)機(jī)器人和有關(guān)的設(shè)備立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)。d、 在人機(jī)結(jié)合部設(shè)置傳感器。當(dāng)操作者在此處上、下料或裝卡工作時(shí)，控制系統(tǒng)要有相應(yīng)的安全對策。e、 在生產(chǎn)設(shè)備旁邊的顯著位置用大型指示燈箱表示生產(chǎn)系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)。如運(yùn)轉(zhuǎn)、調(diào)試、停止等。f、 設(shè)置工業(yè)機(jī)器人的作業(yè)的作業(yè)原點(diǎn)，并在生產(chǎn)系統(tǒng)的操作盤上設(shè)置相應(yīng)的指示燈，使操作者容易判斷工業(yè)機(jī)器人本體的位置狀態(tài)。g、 示教作業(yè)時(shí)應(yīng)降低工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，并且要另有一人專門監(jiān)護(hù)，一但發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)立即停機(jī)。5.2 實(shí)施方法在工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用工程中，不僅要注意對人員的危險(xiǎn)性，而且還要考慮包括工業(yè)機(jī)器人在內(nèi)的設(shè)備的安全性。為此生產(chǎn)廠家在工業(yè)機(jī)器人及控制系統(tǒng)的軟硬件方面應(yīng)盡可能地增加有關(guān)功能，以確保安全。例如，用軟極限的功能可設(shè)定工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)（本體）的實(shí)際動(dòng)作小于標(biāo)稱最大動(dòng)作范圍。當(dāng)控制點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到軟極限位置時(shí)，工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)停止并報(bào)警，不會(huì)超越設(shè)定的區(qū)間。因此，可以將工業(yè)機(jī)器人本體的動(dòng)作限制在實(shí)際作業(yè)的領(lǐng)域內(nèi)。又如對于弧焊的應(yīng)用，生產(chǎn)廠家可提供一種帶有碰撞傳感器的焊槍把持器及焊槍后，示教作業(yè)及再現(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，一但焊槍撞上工件或其他物體時(shí)，工業(yè)機(jī)器人將立即停機(jī)。為了確保工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用工程中的安全，必須實(shí)施確保安全要求的具體措施。三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人- 24 -鳴謝在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我有很多收獲，首先把我?guī)啄陙硭鶎W(xué)的知識(shí)做了一次系統(tǒng)的復(fù)習(xí)，更深一步了解了所學(xué)的知識(shí)，培養(yǎng)了我綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，獨(dú)立分析問題和解決問題的能力，也使我學(xué)會(huì)怎樣更好的利用圖書館，網(wǎng)絡(luò)查找資料和運(yùn)用資料，還使我學(xué)會(huì)如何與同學(xué)共同討論問題。這對我以后的工作有很大的幫助,今后我會(huì)在工作中不斷的學(xué)習(xí),努力的提高自己的水平。經(jīng)過本次設(shè)計(jì)，我切實(shí)體會(huì)到作為一個(gè)優(yōu)秀的設(shè)計(jì)人員的艱難性。在設(shè)計(jì)過程中，我經(jīng)常遇到各種各樣的問題，有的是知識(shí)方面的不足導(dǎo)致的，有的是設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)方面不足導(dǎo)致的。這些問題有時(shí)使得我束手無措，不過在指導(dǎo)老師幫助和自己的努力下，終于使得我順利完成了設(shè)計(jì)。雖然我的設(shè)計(jì)存在很多不足的地方，但在這兩個(gè)多月的時(shí)間里，我學(xué)到了很多有用的知識(shí)，也積累了一定的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，這些對于我即將要走向社會(huì)工作崗位，將起到很關(guān)鍵的作用。在此衷心感謝學(xué)校、學(xué)院各位老師 4 年來給我的教育和培養(yǎng)，特別要感謝李作全老師在我的畢業(yè)設(shè)計(jì)期間給予的諸多指導(dǎo)。參考文獻(xiàn)[1] 吳宗澤,羅圣國.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊第二版[M].北京:高等教育出版社 ,1999.[2]廖念釗,莫雨松,李碩根,楊興駿.互換性與技術(shù)測量第四版[M].北京:中國計(jì)量出版社,2000.[3]陳錦昌,劉就女,劉林.計(jì)算機(jī)工程制圖[M].廣州:華南理工大學(xué)出版社 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