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1、自由度機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 姓名：蘇文杰 班級：機(jī)自4班 學(xué)號：24121901188 序號：24 2015年6月3日 三自由度機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 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(jī)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(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)國家工業(yè)自動化的水平，目前， 工業(yè)機(jī)器人主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運(yùn)以及堆垛等重復(fù)性并且勞動 強(qiáng)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(jì)一臺四自由度的工業(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)器人的底座、大臂、小

2、臂和機(jī)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(jī)器人的結(jié)構(gòu)平臺；在此基礎(chǔ) 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、反饋方式和反饋元件的選擇、端子板電路的設(shè)計(jì)以及控制軟 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)行過程的安全性， 最終實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)包括：關(guān)節(jié)的伺服控制和制動問題、實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)器人 的各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動情況、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)。 該設(shè)計(jì)的目的是為了設(shè)計(jì)一臺物料搬運(yùn)機(jī)器人，利用現(xiàn)有已經(jīng)報(bào) 廢的焊接機(jī)器人，本文的中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要偏向于對原有機(jī)構(gòu)的改造和 機(jī)械手的設(shè)計(jì)。 動力源 采用電源 驅(qū)動方式 該機(jī)器人一共具

3、有四個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)， 連同末端機(jī)械手的運(yùn)動，共 需要五個(gè)動力源。機(jī)器人常用的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、 氣壓驅(qū)動和電 機(jī)驅(qū)動三種類型。 機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，通常對機(jī)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(jìn)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(hù)方便； 6) .對環(huán)境無污染，噪聲要??； 7) .經(jīng)濟(jì)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(diǎn)和機(jī)器人驅(qū)動系

4、統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求， 本文選用直 流伺服電機(jī)驅(qū)動的方式對機(jī)器人進(jìn)行驅(qū)動。 傳動方式 由于一般的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)輸出的力矩較小， 需要通過傳動機(jī)構(gòu)來增加 力矩，提高帶負(fù)載能力。對機(jī)器人的傳動機(jī)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(shí)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(shí)角度變形要小，這樣可以提高整機(jī)的固有頻率，并大大減輕整 機(jī)的低頻振動； （3） 回差要小，即由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)時(shí)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(jià)格低。 本文所選用的電機(jī)都采用了電機(jī)和齒輪輪系一體化的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊 湊，具

5、有很強(qiáng)的帶負(fù)載能力，但是不能通過電機(jī)直接驅(qū)動各個(gè)連桿的 運(yùn)動。為減小機(jī)構(gòu)運(yùn)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(yùn)動或?qū)⒒剞D(zhuǎn)運(yùn)動 轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)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(jì)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(jī)械運(yùn)動部分的能量變?yōu)闊崮茚尫牛?從而使運(yùn)動的機(jī)械速 度降低或者停止的裝置，它大致可分為機(jī)械制動器和電氣制動起兩 類。 在機(jī)器人機(jī)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(shí)，防止運(yùn)動部分下滑而破壞其他裝置。 機(jī)械制動器： 機(jī)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(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)中常使用伺服電動機(jī)， 伺服電機(jī)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(lì)磁電流通過線圈時(shí)制動器打開， 這時(shí)制動器不起制動作用，而當(dāng)電源斷開線圈中無勵(lì)磁電流時(shí)， 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(lì)磁動作型電磁制動器。 又因?yàn)檫@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(jī)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置， 反之，他也具有將旋轉(zhuǎn)機(jī) 械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電功能。換言之，伺服電機(jī)是一種能量轉(zhuǎn)換裝置， 可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，同時(shí)也能通過其反過程來達(dá)到制動的目的。 但對于直流電機(jī)、同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)等各種不同類型的電機(jī)， 必須 分別采用適當(dāng)?shù)闹苿与娐贰? 本文中，該機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺未安裝機(jī)械制動器，因此機(jī)器人的肩 關(guān)節(jié)和軸關(guān)節(jié)在停止轉(zhuǎn)動的時(shí)候，會因?yàn)橹亓σ蛩囟侣?。另外，?于各方面限制，不方便在原有機(jī)構(gòu)上添加機(jī)械制動器，所以只能通過 軟件來實(shí)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(diǎn)在于：在不增加驅(qū)動系統(tǒng)質(zhì)量的同時(shí)又 具有制動功能，這是非常理想的情況，而在機(jī)器人上安裝機(jī)械制動器 會使質(zhì)量有所增加，故應(yīng)盡量避免。缺點(diǎn)在于：這種方法不如機(jī)械制 動器工作可靠，斷電的時(shí)候?qū)⑹ブ苿幼饔谩?