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1、自由度機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 姓名：蘇文杰 班級(jí)：機(jī)自4班 學(xué)號(hào)：24121901188 序號(hào)：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(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(guó)家工業(yè)自動(dòng)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(dòng) 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(tái)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(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(guò)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(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)。 該設(shè)計(jì)的目的是為了設(shè)計(jì)一臺(tái)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(duì)原有機(jī)構(gòu)的改造和 機(jī)械手的設(shè)計(jì)。 動(dòng)力源 采用電源 驅(qū)動(dòng)方式 該機(jī)器人一共具

3、有四個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)， 連同末端機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，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)三種類型。 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，通常對(duì)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求有： 1) .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 要咼； 2) .反應(yīng)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)行頻繁地起、制動(dòng)，正、反轉(zhuǎn)切換； 3) .驅(qū)動(dòng)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(duì)環(huán)境無(wú)污染，噪聲要小； 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(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)和機(jī)器人驅(qū)動(dòng)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(dòng)的方式對(duì)機(jī)器人進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 傳動(dòng)方式 由于一般的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出的力矩較小， 需要通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)增加 力矩，提高帶負(fù)載能力。對(duì)機(jī)器人的傳動(dòng)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(dòng)功率和傳動(dòng)比時(shí)體積最小，重量 最輕； (2) 傳動(dòng)剛度大，即由驅(qū)動(dòng)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(dòng)； （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(zhǎng)、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(guò)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)各個(gè)連桿的 運(yùn)動(dòng)。為減小機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程的沖擊和振動(dòng)，并且不降低控制精度，采 用了齒形帶傳動(dòng)。 齒形帶傳動(dòng)是同步帶的一種，用來(lái)傳遞平行軸間的運(yùn)動(dòng)或?qū)⒒剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，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(dòng)。 齒輪帶的傳動(dòng)比計(jì)算公式為 i =門(mén) 2 / m z2 齒輪帶的平均速度Va為 va = z t 口 = z2 t n2 制動(dòng)器 制動(dòng)器及其作用： 制動(dòng)器是將機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分的能量變?yōu)闊崮茚尫牛?從而使運(yùn)動(dòng)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(dòng)器和電氣制動(dòng)起兩 類。 在機(jī)器人機(jī)構(gòu)中，學(xué)要使用制動(dòng)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(dòng)部分下滑而破壞其他裝置。 機(jī)械制動(dòng)器： 機(jī)械制動(dòng)器有螺旋式自動(dòng)加載制動(dòng)器、 盤(pán)式制動(dòng)器、閘瓦式制動(dòng) 器和電磁制動(dòng)器等幾種。其中最典型的是電磁制動(dòng)器。 在機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中常使用伺服電動(dòng)機(jī)， 伺服電機(jī)本身的特性 決定了電磁制動(dòng)器是不可缺少的部件。 從原理上講，這種制動(dòng)器就是 用彈簧力制動(dòng)的盤(pán)式制動(dòng)器，只有勵(lì)磁電流通過(guò)線圈時(shí)制動(dòng)器打開(kāi)， 這時(shí)制動(dòng)器不起制動(dòng)作用，而當(dāng)電源斷開(kāi)線圈中無(wú)勵(lì)磁電流時(shí)， 在彈 簧力的作用下處于制動(dòng)狀態(tài)的常閉方式。因此 這種制動(dòng)器被稱為無(wú)勵(lì)磁動(dòng)作型電磁制動(dòng)器。 又因?yàn)檫@種制動(dòng)器常用 于安全制動(dòng)場(chǎng)合，所以也稱為安全

7、制動(dòng)器。 電氣制動(dòng)器 電動(dòng)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(guò)其反過(guò)程來(lái)達(dá)到制動(dòng)的目的。 但對(duì)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?dòng)電路。 本文中，該機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)未安裝機(jī)械制動(dòng)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(dòng)的時(shí)候，會(huì)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(dòng)器，所以只能通過(guò) 軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)和軸關(guān)節(jié)的電氣制動(dòng) 采用電氣制動(dòng)器，其優(yōu)點(diǎn)在于：在不增加驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量的同時(shí)又 具有制動(dòng)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(dòng)器 會(huì)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(dòng)器工作可靠，斷電的時(shí)候?qū)⑹ブ苿?dòng)作用。