機(jī)械手-運(yùn)送鋁活塞鑄造毛坯機(jī)械手設(shè)計(jì),機(jī)械手,運(yùn)送,活塞,鑄造,鍛造,毛坯,設(shè)計(jì) 湛江海洋大學(xué) 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）書 設(shè)計(jì)題目：運(yùn)送鋁活塞鑄造毛坯機(jī)械手設(shè)計(jì) 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 2001級(jí)6班 學(xué)生姓名： 王強(qiáng) 指導(dǎo)教師： 李作全 職稱 設(shè)計(jì)起訖日期：3．24～6.3 設(shè)計(jì)地點(diǎn)： 湛江海洋大學(xué) 2005 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等） 通過設(shè)計(jì)機(jī)械手，培養(yǎng)綜合運(yùn)用所學(xué)過的基本理論、基本知識(shí)和基本方法分析能力和解決問題的能力。 有關(guān)數(shù)據(jù)：設(shè)計(jì)一機(jī)械手、將鋁活塞鑄造毛坯從模具中取出，并運(yùn)送到離模具2米遠(yuǎn)處的鋁活塞毛坯箱里。(鋁活塞的基本尺寸等技術(shù)要求參見顧崇衍編《機(jī)械制造工藝學(xué)》P91～P100。) 要求：設(shè)計(jì)方案和計(jì)算準(zhǔn)確，敘述清楚，圖紙符合制圖規(guī)范，翻譯一篇有關(guān)的外文資料。 要求完成的圖紙內(nèi)容及要求 1.機(jī)械手機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 2.工作空間投影圖 3.機(jī)械手傳動(dòng)原理圖 4.裝配圖 5.零件圖 要完成的實(shí)習(xí)內(nèi)容及要求： 1.到本校機(jī)械實(shí)驗(yàn)室組裝各類機(jī)械手模型。 2.學(xué)習(xí)工業(yè)機(jī)械人設(shè)計(jì)方面知識(shí) 其他要提交的設(shè)計(jì)資料： 設(shè)計(jì)參考資料： 1.顧崇衍．《機(jī)械制造工藝學(xué)》．陜西科技出版社，1996 2.周伯英．《工業(yè)機(jī)械人設(shè)計(jì)》．機(jī)械工業(yè)出版社，1995 3.龔振幫．《機(jī)械人機(jī)械設(shè)計(jì)》．電子工業(yè)出版社，1995 4.成大光．《機(jī)械設(shè)計(jì)圖冊(cè)》（5）．化學(xué)工業(yè)出版社，1999 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)度計(jì)劃 設(shè)計(jì)起訖時(shí)間 工作內(nèi)容 備注 3．24～4．25 4．26～5．3 5．4～5．17 5．18～5．24 5．25～6．1 實(shí)習(xí)，擬訂設(shè)計(jì)方案 機(jī)械手傳動(dòng)原理圖 機(jī)械手裝配圖 零件圖 寫說明書 目錄 中文摘要 ……………………………………………………………………………………… 1 Abstract ……………………………………………………………………………………… 1 第1章 緒論………………………………………………………………………………… 2 1.1工業(yè)機(jī)器人簡(jiǎn)介…………………………………………………………………………… 2 1.2工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展………………………………………………………………………… 2 第2章 工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)……………………………………………………………… 3 2.1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…………………………………………………………………… 3 2.2.1設(shè)計(jì)要求……………………………………………………………………………… 3 2.2.2總體方案擬定………………………………………………………………………… 3 2.2.3工業(yè)機(jī)器人主要技術(shù)性能參數(shù)……………………………………………………… 4 第3章 工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)……………………………………………………… 5 3.1工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)分析…………………………………………………………… 5 3.1.1 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)概述………………………………………………………………… 5 3.1.2 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程分析…………………………………………………………… 6 3.2工業(yè)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)…………………………………………………………… 7 3.2.1 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)………………………………………………………………… 7 3.2.1.1 設(shè)計(jì)時(shí)要注意的問題：……………………………………………………… 7 3.2.1.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)……………………………………………………………… 7 3.2.1.3 液壓油缸的選擇和夾緊力的校驗(yàn)………………………………………… 8 3.2.1.4 彈性爪的強(qiáng)度校驗(yàn)…………………………………………………………… 10 3.2.2 手臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)………………………………………………………………… 10 3.2.2.1 手臂的設(shè)計(jì)要求…………………………………………………………… 10 3.2.2.2 伸縮液壓油缸的選擇……………………………………………………… 11 3.2.2.3 活塞桿的強(qiáng)度校核………………………………………………………… 11 3.2.3 腰部和基座設(shè)計(jì)………………………………………………………………… 13 3.2.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)…………………………………………………………………… 13 3.2.3.2 步進(jìn)電機(jī)的選取…………………………………………………………… 13 3.2.3.3 軸承的選取………………………………………………………………… 16 3.2.3.4 齒輪的選取………………………………………………………………… 17 第4章 工業(yè)機(jī)器人的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述……………………………………………… 18 4.1 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及對(duì)控制功能的基本要求……………………………… 18 4.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案…………………………………………………………… 18 4.3 硬件電路的組成………………………………………………………………………… 19 4.4 電路接口說明…………………………………………………………………………… 19 第5章 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行時(shí)應(yīng)采取的安全措施……………………………………………… 21 5.1 安全要求………………………………………………………………………………… 21 5.2實(shí)施方法………………………………………………………………………………… 21 總 結(jié)……………………………………………………………………………………… 22 鳴 謝……………………………………………………………………………………… 23 參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………… 24 運(yùn)送鋁活塞鑄造毛坯機(jī)械手設(shè)計(jì) 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(duì)較新的電子設(shè)備，它正開始改變現(xiàn)代化工業(yè)面貌。實(shí)際的機(jī)器人由帶有腕(或稱為手臂)的主機(jī)身和機(jī)身端部的工具(通常是某些類型的夾持器)組成,同時(shí)也包括一個(gè)輔助動(dòng)力系統(tǒng)。本文是對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)工作較全面的介紹和總結(jié)。 關(guān)鍵詞：手臂；夾持器；工業(yè)機(jī)器人 Abstract Industrially, 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. A physical robot is normally composed of a main frame (or arm) with a wrist and some tooling (usually some type of gripper) at the end of the frame. An auxiliary power system may also be include with the robot. This paper is more comprehensive introduction and summing-up for the for the whole design work.. Key words ：arm ；gripper ；Industrial robot 運(yùn)送鋁活塞鑄造毛坯機(jī)械手設(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)：2001121626，姓名：王強(qiáng) 指導(dǎo)老師：李作全 第一章 緒論 1.1 工業(yè)機(jī)器人簡(jiǎn)介 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(guó)科技界跟蹤國(guó)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(guó)家科技水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的象征，正受到許多國(guó)家的廣泛重視。 目前，工業(yè)機(jī)器人的定義，世界各國(guó)尚未統(tǒng)一，分類也不盡相同。最近聯(lián)合國(guó)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國(guó)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(guó)外的定義，結(jié)合我國(guó)的習(xí)慣用語，對(duì)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)器人是在計(jì)算機(jī)控制下可編程的自動(dòng)機(jī)器。采用工業(yè)機(jī)器人是提高產(chǎn)品質(zhì)量與勞動(dòng)生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化，改善勞動(dòng)條件，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度的一種有效手段。機(jī)器人的誕生和發(fā)展雖只有30多年的歷史，但它已應(yīng)用到國(guó)民經(jīng)濟(jì)，民事技術(shù)等眾多的領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景，顯示出強(qiáng)大的生命力。 根據(jù)所處的環(huán)境和作業(yè)需求，工業(yè)機(jī)器人具有至少一項(xiàng)或多項(xiàng)擬人功能，如抓取功能或移動(dòng)功能，或兩者兼有之，另外還可能程度不等的具有某些環(huán)境感知功能（如視覺，力覺，觸覺等）。以及語音功能及至邏輯思維，判斷決策功能等。從而使其能在要求的環(huán)境中代替人進(jìn)行作業(yè)。 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，利用錐齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)，利用液壓缸實(shí)現(xiàn)其移動(dòng)以及對(duì)零件的抓取。在步進(jìn)電機(jī)的控制下，機(jī)器達(dá)到精確的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 1.2 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，由簡(jiǎn)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(jiǎn)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(duì)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(duì)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。 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 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(cè)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：機(jī)器人為了進(jìn)行作業(yè)而配置的操作機(jī)構(gòu)，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：聯(lián)接機(jī)座和手部的部分，是支承腕部的部件，作用是承受工件的管理管理荷重，改變手部的空間位置，滿足機(jī)器人的作業(yè)空間，將各種載荷傳遞到機(jī)座。 （4） 機(jī)身：機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，起支撐作用，是支撐手臂的部件，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。常用的有 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(duì)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(cè)系統(tǒng)：作用是通過各種檢測(cè)裝置、傳感裝置檢測(cè)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。 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 通過設(shè)計(jì)機(jī)械手，培養(yǎng)綜合運(yùn)用所學(xué)過的基本理論、基本知識(shí)和基本方法分析能力和解決問題的能力。 有關(guān)數(shù)據(jù)：設(shè)計(jì)一機(jī)械手、將鋁活塞鑄造毛坯從模具中取出，并運(yùn)送到離模具2米遠(yuǎn)處的鋁活塞毛坯箱里。(鋁活塞的基本尺寸等技術(shù)要求參見顧崇衍編《機(jī)械制造工藝學(xué)》P91～P100。) 零件尺寸：外孔 ￠101.6，高 106。 零件材料：鋁。 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)容和需求確定工業(yè)機(jī)器人工作方式，利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和錐齒輪傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；利用一個(gè)液壓缸，使手臂實(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)；末端夾持器則采用滑槽杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器，用小型液壓缸驅(qū)動(dòng)夾緊。 圖2-1 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) 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(guó)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2-1。 表2-1 機(jī)械手類型 三自由度圓柱坐標(biāo)型 抓取重量 2.38Kg 自由度 3個(gè)（1個(gè)回轉(zhuǎn)2個(gè)移動(dòng)） 機(jī)座內(nèi)部 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)角0°--180°，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 腰部機(jī)構(gòu) 伸縮運(yùn)動(dòng)，升降范圍400mm，液壓缸驅(qū)動(dòng) 手臂機(jī)構(gòu) 伸縮運(yùn)動(dòng)，伸縮范圍70mm，液壓缸驅(qū)動(dòng) 末端執(zhí)行器 液壓缸驅(qū)動(dòng) 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。 如圖2-1所示，為工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)圖。 圖3-1 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)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2-2。 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 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點(diǎn) 工步一 手臂上升 工步二，工步七，工步十三 旋轉(zhuǎn)至B點(diǎn) 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點(diǎn) 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(cè)原件來實(shí)現(xiàn)的，這里尤其要強(qiáng)調(diào)的是機(jī)器人對(duì)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。 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)。 3.2.1.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 采用滑槽杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器，用小型液壓缸驅(qū)動(dòng)夾緊，它的結(jié)構(gòu)形式如圖2-4。滑槽杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器推動(dòng)桿2向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，圓柱銷3在兩桿4的滑槽中移動(dòng)，迫使與支架1相鉸接的兩手指（鉗爪）產(chǎn)生夾緊動(dòng)作和夾緊力。當(dāng)桿2向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，手指松開。 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比較小的零件，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 缸 徑 /mm 活塞桿直徑 /mm 油口直徑 速度比 通徑 /mm 聯(lián)接螺紋 1.46 2 40 22 28 10 M18x1.5 b． 夾緊力校驗(yàn) 1）零件的計(jì)算 圖3-5 零件實(shí)體圖 其中g(shù)取9.8 取G=24（N） 2） 緊力的計(jì)算： 要夾持住零件必須滿足條件： f為手指與工件的靜摩擦系數(shù)，工件材料為鋁，手指為鋼材，查《機(jī)械零件手冊(cè)》 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=80（N） 由《機(jī)械制造裝備》式4-56可知驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算公式為： 圖3-6 滑槽杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器 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)， 查《機(jī)械零件手冊(cè)》表2-2 這里取 0.85 b=90.8mm,l=154.53mm。 所以 取p=150(N) 按《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》公式 4-15 D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 表3-3 負(fù)載F/N <5000 5000～10000 10000～20000 20000～30000 30000～50000 >50000 工作壓力p/MPa <0.8～1 1.5～2 2.5～3 3～4 4～5 >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 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=150N。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) 當(dāng)彈性手工作時(shí)，由于夾過程具有彈性，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=80N。 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。 3.2.2 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(duì)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)手臂直接聯(lián)接在底座升降液壓缸上，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝拆方便，尾部設(shè)置導(dǎo)向桿，以防止活塞桿轉(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。 圖3-7 手臂結(jié)構(gòu)圖 手臂與末端執(zhí)行器的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)如圖3-8所示： 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)。 圖3-8 3.2.2.2 伸縮液壓油缸的選擇 選液壓缸型號(hào)為Y-HG1-C50/36×40LF4HL1Q，它的主要技術(shù)參數(shù)如表2-3。 表3-4 冶金設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)液壓油技術(shù)規(guī)格 缸 徑 /mm 活塞桿直徑 /mm 油口直徑 速度比 通徑 /mm 聯(lián)接螺紋 1.46 2 50 28 36 10 M18x1.5 3.2.2.3 活塞桿的強(qiáng)度校核 末端執(zhí)行器的重量約為：12Kg。 工件重量為：2.38Kg。 由靜力平衡方ΣMB=0 R1·LAB －Q·LBC=0 ΣMA=0 R2·LAB － Q·LAC=0 求得支反力為： R1=292N R2=628.93N 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. 則在B處橫截面上的剪應(yīng)力為： τB= R2/A= 安全。 在B處的彎應(yīng)力為： σB= MB/A= 安全。 3.2.3 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)和錐齒輪直接驅(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)，通過安裝在頂部的液壓缸帶動(dòng)橫梁轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂的上下移動(dòng)。采用了導(dǎo)向桿導(dǎo)向，確保手臂隨機(jī)座一起轉(zhuǎn)動(dòng)。它的結(jié)構(gòu)如裝配圖。 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3-5 各種驅(qū)動(dòng)方式比較 比較內(nèi) 容 驅(qū)動(dòng)方式 機(jī)械傳動(dòng) 電機(jī) 驅(qū)動(dòng) 氣壓傳動(dòng) 液壓傳動(dòng) 異步電機(jī)，直流電機(jī) 步進(jìn)或伺服電機(jī) 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 體積 當(dāng)自由度多時(shí)，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，體積液較大 要油減速裝置，體積較大 體積較小 體積較大 在輸出力相同的條件下體積小 維修使用 維修使用方便 維修使用方便 維修使用較復(fù)雜 維修簡(jiǎn)單，能在高溫，粉塵等惡劣環(huán)境種使用，泄漏影響小 維修方便，液體對(duì)溫度變化敏感，油液泄漏易著火 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 成本 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，一般工廠可以自己制造 成本低 成本較高 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能源方便，成本低 液壓元件成本較高，油路也較復(fù)雜 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，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(duì)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3-6 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 10Kg·m 分配方式 質(zhì)量 /Kg 90BF001 4 0．9 80 3.92 2000 8000 17.64 四相八拍 4．5 A、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 由《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表2-18查出=1.764㎏?cm2 （2）、聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算 式中：為圓柱質(zhì)量（Kg），D為圓柱體直徑（cm）,L為圓柱體長(zhǎng)度。 對(duì)于鋼材，材料密度為,把數(shù)據(jù)代入上式得： （3）、手臂轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算 工作臺(tái)是移動(dòng)部件，其移動(dòng)質(zhì)量折算到活塞軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可按下式進(jìn)行計(jì)算： 見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式（2-6）P8 式中，為活塞工作長(zhǎng)度（cm）；為工作臺(tái)質(zhì)量（kg）。 所以： （4）系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 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2-21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： 見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式（2-29）P32 查《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表2-12 P35得＝0.707。所以， 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）P32 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)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（N?cm）； 有關(guān)的各項(xiàng)力矩值計(jì)算如下： （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）P32 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)部件最大快進(jìn)速度對(duì)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。 （2）、空載摩擦力矩 見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式（2-34）P35 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)總效率，?。?.8；為活塞工作長(zhǎng)度。 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(duì)應(yīng)的允許啟動(dòng)頻率。查《機(jī)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,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： 見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式（2-36）P36 式中：為運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度。算得。 快進(jìn)力矩的計(jì)算公式： 見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式（2-37）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： 。 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(duì)應(yīng)的允許快進(jìn)頻率； 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、止推軸承，型號(hào)為30204，， 它的有關(guān)參數(shù)如下： 表3-7 軸承代號(hào) 基本額定 極限轉(zhuǎn)速 r/min 動(dòng)載荷 Ca/KN 靜載荷 C0a/KN 脂潤(rùn)滑 油潤(rùn)滑 30204， 28.2 30.5 8000 10000 3.2.3.4 齒輪的選取 齒輪的參數(shù)如下表所示 表3-8 名稱 代號(hào) 小齒輪 大齒輪 分度圓直徑 d 80 152 齒數(shù) z 20 38 大端模數(shù) m 4 節(jié)錐角 27.759o 62.241o 錐距 R 85.882 齒寬 b 26 齒距 p 12.56 工作齒高 h’ 6.8 齒高 h 7.552 齒頂高 4.528 2.272 齒跟高 3.024 5.28 頂隙 c 0.725 齒跟角 2.017o 3.518o 齒頂角 3.018o 1.515o 頂圓錐角 30.777o 63.756o 跟圓錐角 25.742o 58.723o 齒頂圓直徑 88.014 154.116 冠頂距 73.891 37.989 大端分度圓弧齒厚 s 7.583 4.977 法向側(cè)隙 46 齒輪材料為20Cr且經(jīng)滲碳淬火，接觸材料系數(shù)：KHC=0.86 彎曲材料系數(shù) KFC=0.97。 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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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，如圖4-1 a)圖，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)。如圖4-1b)圖，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(duì)外部環(huán)境的檢測(cè)和感覺功能。 4.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 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(cè)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； 4.4 電路接口說明 A.主計(jì)算機(jī) (1) CPU采用8031芯片，由于片內(nèi)無程序存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器也只有128字節(jié)，因此，擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器27256一片(16K)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器62256一片(16K)。8031的I/O口也不能滿足輸入輸出口的要求，本系統(tǒng)也擴(kuò)展了一片8155可編程接口芯片。 (2) 采用74LS138三八譯碼器的輸出作為片選信號(hào)。27256，62256，8251A，8155的片選信號(hào)分別接到譯碼器的～。MCS-51系列單片機(jī)，64K字節(jié)外部RAM是由16根地址線(A0～A15)決定的，它由P0口提供低8位，P2口提供高8位。要想擴(kuò)大RAM空間，可用增加地址線的辦法來解決。這里，利用P1口增加地址線。74LS138的輸入A、B、C口分別接8031的P1.0、P1.1、P2.7。 (3) 由于27256和62256芯片都是32KB，需要15根地址線。其A0～A7低8位接74LS373芯片的輸出端線，A8～A14接8031芯片的P2.0～P2.6，74LS373地址鎖存器在選通號(hào)ALE為高電平時(shí)直接傳送8031P0口低8位地址，當(dāng)ALE在高電平變低電平的下降沿時(shí)，低8位地址被鎖存，此時(shí)，P0口可用來向片外傳送讀寫數(shù)據(jù)。 (4) 主機(jī)8031要和示教盒通信，因此擴(kuò)展一片8251A增加一個(gè)串行RS-232C接口。8251A的數(shù)據(jù)線與8031的P0口相接。、對(duì)應(yīng)相連。8251的接74LS138的，接74LS373的1Q，。RXRDY和TXRDY經(jīng)或非門接到8031的，當(dāng)8251A準(zhǔn)備好接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)都能向8031申請(qǐng)中斷。時(shí)鐘部分，8251A的CLK接到8031的ALE；TXC和RXC接在一起，由ALE經(jīng)過一個(gè)分頻電路后提供時(shí)鐘。TTL電平與RS-232C電平的轉(zhuǎn)換通過專門的電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232。由于不用調(diào)制解調(diào)器，和接地。 (5) 8155的PA0～PA7、PB4～PB7作為顯示器位選信號(hào)，顯示器的段選信號(hào)由8031的P1.2～P1.7和P3.4、P3.5發(fā)出，兩邊都接上反相驅(qū)動(dòng)器74LS06。通過軟件譯碼靜態(tài)顯示，12個(gè)顯示器，每4個(gè)分別顯示X、Y、Z軸的坐標(biāo)。8155的PB.0～PB.3是鍵盤掃描輸入，采用行列式結(jié)構(gòu)，123鍵。行線經(jīng)限流電阻接 +5V電源，按鍵跨接在行線和列線上。 (6) 8155的PC0～PC4接控制面板上的按鈕開關(guān)，設(shè)有啟動(dòng)、暫停、急停、示教等操作方式。 B.從計(jì)算機(jī) (1) CPU采用8031芯片，擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器27256一片(16K)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器62256一片(16K)。從CPU8031要控制6個(gè)關(guān)節(jié)位置的伺服量，8031的I/O口不能滿足輸入輸出口的要求，本系統(tǒng)擴(kuò)展了6片8155可編程接口芯片。每一個(gè)芯片負(fù)責(zé)其相應(yīng)伺服系統(tǒng)的輸入輸出量。 (2) 采用74LS138三八譯碼器的輸出作為片選信號(hào)。27256，62256，六片8155的片選信號(hào)分別接到譯碼器的～。74LS138的輸入A、B、C口分別接8031的P1.0、P1.1、P2.7。 (3) 由于27256和62256芯片都是32KB，用74LS373芯片的輸出端線1Q～8Q及P2口的P2.0～P2.6輸出地址作為27256、62256的15根地址線，尋址空間各為32K字節(jié)。 (4) 用8155的I/O輸入輸出口來控制伺服電機(jī)，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)求出控制量之后，把這個(gè)控制數(shù)據(jù)送出到D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832去，把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬電壓，再去控制PWM功率放大器工作。 (5) DAC0832的輸入數(shù)據(jù)線～接到8155的PA口，DAC0832內(nèi)部有輸入寄存器，所以可以這樣直接相連而不必另加鎖存器。輸入寄存器允許信號(hào)ILE固定置于高電平。片選信號(hào)和傳送控制信號(hào)一起接到8155的高位地址，寫信號(hào)和一起接到8031的端。 (6) D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832和運(yùn)算放大器μA741組成一個(gè)完整的D/A轉(zhuǎn)換電路，它可以把數(shù)字轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)。按照常規(guī)的用法，DAC0832以電流開關(guān)方式進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換的。其轉(zhuǎn)換結(jié)果以電流形式在、端輸出，而、再接一個(gè)運(yùn)算放大器μA741的兩個(gè)輸入端，同時(shí)運(yùn)算放大器的輸出再接反饋電阻端；這樣由一個(gè)運(yùn)算放大器把DAC0832的輸出、的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出。其輸出的電壓去控制PWM功率放大器，就可以使伺服電機(jī)以不同的速度實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。 (7) 光電編碼盤是一種可以直接把角度轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)碼的元件，可以產(chǎn)生9位數(shù)據(jù)。它的分辨率是0.7o。當(dāng)光電編碼盤隨伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)處于不同位置時(shí)，它送出的數(shù)據(jù)不同；每一個(gè)數(shù)據(jù)和一個(gè)角度對(duì)應(yīng)。光電編碼盤輸出的數(shù)據(jù)的最高位從8155的輸入，而低八位則從PB端口輸入。讀取光電編碼盤的數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)只需讀取I/O口和PB的內(nèi)容。 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(guó)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(guó)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(duì)策。 對(duì)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(duì)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(duì)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)。 h、 由經(jīng)過操作培訓(xùn)的人員進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人的示教作業(yè)。 i、 制定生產(chǎn)系統(tǒng)及工業(yè)機(jī)器人的操作規(guī)程和安全規(guī)程，張貼在護(hù)欄上并認(rèn)真執(zhí)行。 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(duì)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(duì)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。 總 結(jié) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化畢業(yè)設(shè)計(jì)是我們學(xué)完了大學(xué)的全部基礎(chǔ)課，技術(shù)基礎(chǔ)課以及專業(yè)基礎(chǔ)課之后進(jìn)行的。這是我們對(duì)所學(xué)課程的一次深入的綜合性總復(fù)習(xí)，也是一次理論聯(lián)系實(shí)際的訓(xùn)練。因此，它在我們四年的大學(xué)生活中占有重要的地位。 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(duì)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，總的來說，我希望通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)自己未來將從事的工作進(jìn)行一次適應(yīng)性的訓(xùn)練，從中鍛煉自己分析問題，解決問題的能力，為將來工作打下良好的基礎(chǔ)。 鳴 謝 在此衷心感謝學(xué)校、學(xué)院各位老師四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, 悉心指導(dǎo)和不嗇賜教，他于百忙中不忘記我提出的問題進(jìn)行耐心的解答與指導(dǎo)，并提出寶貴的意見。在此表示衷心的感謝！ 主要參考文獻(xiàn) 1.顧崇衍．《機(jī)械制造工藝學(xué)》．陜西科技出版社，1996 2.周伯英．《工業(yè)機(jī)械人設(shè)計(jì)》．機(jī)械工業(yè)出版社，1995 3.龔振幫．《機(jī)械人機(jī)械設(shè)計(jì)》．電子工業(yè)出版社，1995 4.成大光．《機(jī)械設(shè)計(jì)圖冊(cè)》（5）．化學(xué)工業(yè)出版社，1999 5鄭堤、唐可洪．《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》．機(jī)械工業(yè)出版社，1997 6.張鐵、謝存禧．《機(jī)器人學(xué)》．華南理工大學(xué)出版社，2004 7.馮辛安．《機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)》．機(jī)械工業(yè)出版社，1999 8.沈鴻. 《機(jī)械工程手冊(cè)》．機(jī)械工業(yè)出版社，1983 9. 吳宗澤,羅圣國(guó). 《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)第二版》．高等教育出版社，1999 10. 廖念釗,莫雨松等. 《互換性與技術(shù)測(cè)量第四版》．中國(guó)計(jì)量出版社，2000 11. 陳錦昌,劉就女,劉林. 《計(jì)算機(jī)工程制圖》．華南理工大學(xué)出版社，1999 12. 濮良貴，紀(jì)名剛. 《機(jī)械設(shè)計(jì)》．高等教育出版社,1995 13. 何立民. 《單片機(jī)高級(jí)教程:應(yīng)用與設(shè)計(jì)》．北京航空航天大學(xué)出版社，2000 14. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室. 《理論力學(xué)》．高等教育出版社，1997 15. 余達(dá)太,馬香峰. 《工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用工程》．冶金工業(yè)出版社，2001。 - 24 -