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1、精選優(yōu)質文檔-----傾情為你奉上 第一章 緒論 1.1工業(yè)機器人研究的目的和意義 工業(yè)機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術于一體的現代制造業(yè)重要的自動化裝備。自從1962年美國研制出世界上第一臺工業(yè)機器人以來,機器人技術及其產品發(fā)展很快,已成為柔性制造系統(tǒng)( FMS) 、自動化工廠( FA) 、計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)的自動化工具。廣泛采用工業(yè)機器人,不僅可提高產品的質量與數量,而且保障人身安全、改善勞動環(huán)境、減輕勞動強度、提高勞動生產率、節(jié)約材料消耗以及降低生產成本有著十分重要的意義。和計算機、網絡技術一樣,工業(yè)機器人的廣泛應用正在日益改變著人類

2、的生產和生活方式。 20世紀80年代以來，工業(yè)機器人技術逐漸成熟，并很快得到推廣，目前已經在工業(yè)生產的許多領域得到應用。在工業(yè)機器人逐漸得到推廣和普及的過程中，下面三個方面的技術進步起著非常重要的作用。 1. 驅動方式的改變 20世紀70年代后期，日本安川電動機公司研制開發(fā)出了第一臺全電動的工業(yè)機器人，而此前的工業(yè)機器人基本上采用液壓驅動方式。與采用液壓驅動的機器人相比，采用伺服電動機驅動的機器人在響應速度、精度、靈活性等方面都有很大提高，因此，也逐步代替了采用液壓驅動的機器人，成為工業(yè)機器人驅動方式的主流。在此過程中，諧波減速器、R V減速器等高性能減速機構的發(fā)展也功不可沒。近年來，交

3、流伺服驅動已經逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流伺服驅動方式，直線電動機等新型驅動方式在許多應用領域也有了長足發(fā)展。 2. 信息處理速度的提高 機器人的動作通常是通過機器人各個關節(jié)的驅動電動機的運動而實現的。為了使機器人完成各種復雜動作，機器人控制器需要進行大量計算，并在此基礎上向機器人的各個關節(jié)的驅動電動機發(fā)出必要的控制指令。隨著信息技術的不斷發(fā)展，C P U的計算能力有了很大提高，機器人控制器的性能也有了很大提高，高性能機器人控制器甚至可以同時控制20多個關節(jié)。機器人控制器性能的提高也進一步促進了工業(yè)機器人本身性能的提高，并擴大了工業(yè)機器人的應用范圍。近年來，隨著信息技術和網絡技術的發(fā)展，已經出現了多

4、臺機器人通過網絡共享信息，并在此基礎上進行協(xié)調控制的技術趨勢。 3. 傳感器技術的發(fā)展 機器人技術發(fā)展初期，工業(yè)機器人只具備檢測自身位置、角度和速度的內部傳感器。近年來，隨著信息處理技術和傳感器技術的迅速發(fā)展，觸覺、力覺、視覺等外部傳感器已經在工業(yè)機器人中得到廣泛應用。各種新型傳感器的使用不但提高了工業(yè)機器人的智能程度，也進一步拓寬了工業(yè)機器人的應用范圍。 1.2工業(yè)機器人在國內外的發(fā)展現狀與趨勢 目前，工業(yè)機器人有很大一部分應用于制造業(yè)的物流搬運中。極大的促進物流自動化，隨著生產的發(fā)展，搬運機器人的各方面的性能都得到了很大的改善和提高。氣動機械手大量的應用到物流搬運機器人領域。在手爪

5、的機械結構方面根據所應用場合的不同以及對工件夾持的特殊要求，采取了多種形式的機械結構來完成對工件的夾緊和防止工件脫落的鎖緊措施。在針對同樣的目標任務，采取多種運動方式相結合的方式來達到預定的目的。驅動方面采用了一臺工業(yè)機器人多種驅動方式的情況，有液壓驅動，氣壓驅動，步進電機驅動，伺服電機驅動等等。愈來愈多的搬運機器人是采用混合驅動系統(tǒng)的，這樣能夠更好的發(fā)揮各驅動方式的優(yōu)點，避免缺點。并且在它的控制精度方面和搬運效率方面有了很大的提高。在搬運機械手的控制方面，出現了多種控制方式。如：由原始的電控的機械手，較先進的基于工控機控制的，基于PC控制的，進一步的嵌入式PC控制技術，還有采用PLC可編程控

6、制的。 在物料搬運方面近年來呈現出的趨勢就是系統(tǒng)化。無論是我國還是國外，物料搬運的發(fā)展都是由單一設備走向成套設備，由單機走向系統(tǒng)。在制造業(yè)方面，隨著JIT, FMS, CIMS等現代制造技術的發(fā)展，對物料搬運系統(tǒng)也提出了新的要求。其特點是力求減少庫存、壓縮等待和輔助時間，使多品種、少批量的物料準時到達要求的地點。這一趨勢在機械工業(yè)方面得到了很大的應用。其中采用了機器人等先進的物料搬運技術，促進了機械工業(yè)的技術進步和生產水平提高。 當代工業(yè)機器人技術發(fā)展一方面表現在工業(yè)機器人應用領城的擴大和機器人種類的增多。另一方面表現在機器人機械系統(tǒng)性能的提高和控制系統(tǒng)的智能化。前者是指應用領域的橫

7、向拓寬，后者是在性能及水平上的縱向提高。機器人應用領城的拓寬和性能水平的提高二者相輔相承、相互促進。應用領城的擴大對機器人不斷提出斷的要求，推動機器人技術水平的提高.反過來，機器人性能與智能水乎的提高，又使擴大機器人應用領域成為可能。 1．工業(yè)機器人機械系統(tǒng)性能的提高。 進一步提高業(yè)機器人的運動精度。機器人是一種多關節(jié)開鏈式結構，因此，機器人手臂的剛度一般都不高。另外由于構件的尺寸誤差和傳動間隙的存在，以及機器人手臂末端誤差的放大作用，使當前機器人的定位與運動還不能達到很高的精度。度大.精度高的數控機床相比，機器人在工作精度上大為遜色。因此，至今工業(yè)機器人在精密裝配及其它精密作業(yè)中的應用仍

8、受到了很大的限制。除了精密作業(yè)要求高精度機器人以外.采用離線編程的工業(yè)機器人系統(tǒng)也要求該機器人要具有足夠高的定位精度和運動精度。 進一步提高機器人工作精度的主要辦法是：提高機器人的加工精度與裝配精度，采用無隙傳動的減速機構，采用直接驅動電機，通過標定進行機器人的 2．誤差補償，通過實時檢側對機器人運動誤差進行實時修正。提高機器人手的靈活度和避障能力:當前常用的機器人手肴的靈活度的都不夠高，即手臂末端達到某一工作點時。手臂可能采取的姿態(tài)是有限的，有時要有很大的靈活度和很強的避障能力.例如。當用噴涂機器人噴涂車身內表面時，要求機器人能將車身內表面的各個角落都噴上漆，必須要有高靈活度機器人手有才

9、行。另外，在有限空間及有障礙的復雜環(huán)境中作業(yè)的機器人，例如在核電站工作的機器人，也要求其具有高靈活度的機器人手臂。為了提工業(yè)機器人手臂的靈活度，主要是采用具有冗余自由度的機器人手臂和在機器人手臂機構上采用膨鉸關節(jié)及可雙向彎曲的手臂。 3．提高機器人的運動速度和響應頻率：為了提高機器人作業(yè)效率，以及提高具有感知功能機器人的反應速度，就必須提高機器人運動速度和響應頻率，這一點，對裝配機器人來說尤為重要。為此，一方面可以通過采用高強度材料或輕質材料(如碳纖維復合材料)制造機器人手臂，以達到減輕手臂重量和提高手臂動態(tài)特性的目的，另一方面，也可以通過采用直接驅動電機或其它高性能驅動電機，從控制和驅動方

10、面提高機器人系統(tǒng)的運動速度與響應頻率。 4．提高機器人手爪或手腕的操作能力、靈活性與快速反應能力:為了使機器人能像人一樣進行各種復雜作業(yè)，如裝配作業(yè)、維修作業(yè)及設備操作，機器人就必須有一個運動靈活和動作靈敏的手腕和手爪。這一點對裝配作業(yè)機器人、核工業(yè)機器人和在空間站上作業(yè)的空間機器人來說是特別重要的。 5．采用模塊化組合式機器人結構，提高機器人快速維修性能:根據優(yōu)化設計，制造出多種不同尺寸和規(guī)格的手臂和連接器模塊。用少量的模塊可組合成多種機器人配置。這種機器人能進行快速維修，可以實現自動修復。所以，這種機器人結構最適用于空間機器人、核工業(yè)機器人等。如這種積木結構能推廣用于一般工業(yè)機器人，將

11、使工業(yè)機器人的成本下降、生產周期及維修周期縮短。 1.3工業(yè)機器人的分類 1.3.1按作業(yè)用途分類 如前所述，各類工業(yè)機器人的應用范圍非常廣泛，而且還有一種機器人多種用途的情況。通常我們依據其具體的作業(yè)用途來稱呼它，如一條自動生產線上使用了相同結構的數臺機器人，有的用于點焊就稱為點焊機器人，有的用于搬運工件就稱為搬運機器人，以此類推，便有噴漆機器人、涂(密封)膠機器人、裝配機器人和測量機器人等有的作業(yè)具有一定范圍，如潛入水下作勘查、采礦和鋪4管道的機器人，就統(tǒng)稱為水下機器人，類似的還有宇航機器人等。 1.3.2按操作機的運動形態(tài)分類 按工業(yè)機器人操作機運動部件的運動坐標把機器

12、人區(qū)分為:直角坐標式機器人，極(球)坐標式機器人，圓柱坐標式機器人和關節(jié)式機器人，另外還有少數復雜的機器。人是采用以上方式組合的組合式機器人。 1.3.3按機器人的負荷和工作范圍分類 　按照這種分類方法，工業(yè)機器人分為: 　超大型機器人—負荷為10KN以上。 　大型機器人—負荷1--10KN，工作空間為1—10m以上。 　中型機器人—負荷為100--1000N。工作空間為0.1－1 m 　小型機器人—負荷為l--100N，工作空間為0.1 m。 　　超小型機器人—負荷小于1N ,工作空間為0.1 m。 以上所謂機器人的“負荷”是指在機器人的規(guī)定性能條件下，

13、機器人所能搬移的重量中包括了機器人末端執(zhí)行器的重量。 1.3.4按機器人具有的運動自由度數分類 機器人的自由度數的定義是:操作機各運動部件獨立運動的數目之和。這種運動只有兩種形態(tài):直線運動和旋轉運動，其腕端的任何復雜的運動都可由這兩種運動來合成。工業(yè)機器人的自由度數。一般為2－7個，簡易型的2—4個自由度，復雜型的5－7個自由度。自由度數越多，機器人的“柔性”越大，結構和控制也就越復雜，所以并非越多越好。 1.4本課題研究的主要內容 （1）確定機器人運動參數及工作行程。 （2）根據工件的負載情況，工作空

14、間以及各個運動的實現形式對搬運機器人進行整體方案的設計； （3）對搬運機器人的手爪，，小臂，大臂，的結構設計，繪制各部分的結構草圖； （4）由第2步所給定的條件和第3步的結構特點，選取驅動系統(tǒng)并確定驅動電機的驅動方式和傳動方式； （5）對各結構的質量進行粗估，完成對手爪的夾緊氣缸，小臂、大臂絲杠的驅動電機，以及腰部、腕部的旋轉驅動電機的計算選型；

15、 （6）根據電機的外形尺寸及輸出軸軸徑，以及電機的重量完善結構草圖。 （7）通過以確定的結構的質量的分析，驗算重要零件的受力情況，繪制最終裝配圖。 第二章 總體設計方案確定 2.1結構設計概述 一個機器人系統(tǒng)結構由下列互相作用的部分組成：機械手、環(huán)境、任務。 機械手是由具有傳動執(zhí)行裝置的機械，它由臂，關節(jié)和末端執(zhí)行裝置構成，組合為一個互相連接，互相依賴的運動機構。機械手用于執(zhí)行指定的作業(yè)任務。工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器是安裝在腕端的附加裝置。

16、 機器人的手部可分為夾持式和吸附式兩大類。夾持式的是指型手，夾持方式有外夾式和內撐式之分，吸附式的分為空氣負壓式和電磁式兩種， 任務是指機器人要完成的工作。機器人的類型是隨著工作任務的特點而決定的。例如：SCARA機器人就非常適合平面上的工件的抓取。 環(huán)境是指機器人所處的周圍環(huán)境。環(huán)境不僅由幾何條件(可達空間)所決定，而且由環(huán)境和它所包含的每一個事物的全部自然特性所決定。 2.2基本設計參數 根據次機械手的應用場合和實地的應用要求，其主要的設計參數要求如下： （1）抓取的重物：2kg； （2）機械手的自由度數：4個； （3）運動參數： 大臂升降：

17、 線速度：； 小臂伸縮： 線速度： ； 手腕俯仰： 角速度：； 腰部旋轉： 角速度：； （4）運動行程： 大臂升降：300mm 小臂伸縮:300mm 腰部旋轉: 手腕俯仰: 2.3工作空間分析 2.4傳動方案的確定： 2.4.1傳動方案分析 <1>方案1： 圖2-2 傳動方案一 第一、二、自由度均采用伺服電機加減速器的結構形式。大臂的驅動電機和大臂的回轉軸共線。小臂的傳動方案與大臂的傳動方案相同，這樣雖然結構上較為簡單，但對大臂產生了一定的附加彎矩，對工件的抓取精度

18、產生了一定的不利影響，并且對轉矩的計算也會較為麻煩。第三個自由度，即就是升降機構采用電機步進電機加同步齒形帶的傳動方案。同步齒形帶具有傳動精度高，結構緊湊，傳動比恒定等特點。但對安裝的精度要求較高，負載能力也很有限，并且不能實現反向自鎖，需要另加斷電保護裝置。手爪的結構采用較為簡單的氣動控制直線運動的手爪。 <2>方案二： 圖 2-3 傳動方案二 第一、二自由度均采用交流伺服電機加減速器的驅動模式，故此結構可以較為簡單。電機軸和小臂的關節(jié)軸是同一方向的。這是在充分考慮到小臂的驅動電機對大臂所產生的附加彎矩的條件下，對大臂的結構設計特別做了加強處

19、理。第三個自由度為絲杠螺母的升降運動，采用的傳動方式是電機軸經過一級齒輪減速，再驅動滑動絲杠，利用滑動絲杠的大減速比的特點，達到控制上升的速度不至于過快。同時，選擇單頭的滑動絲杠具有很好的自鎖性能，從而在系統(tǒng)突然斷電的情況下，不致使此自由度方向上發(fā)生運動，從而保證了結構的安全。第四自由度旋轉機構也是采用電機加諧波減速器的結構形式。手爪采用目前廣泛采用的，而且技術成熟的連桿導桿式氣動機械手，這一機械手的造價低廉，結構簡單，針對此處所抓取的工件的特點是不易變形的金屬工件，所以對夾緊力的要求不是太高，故采用氣動機械手爪完全可以達到設計要求。 <3>方案三：

20、 圖2-4 傳動方案三 如圖2-4所示，第一自由度采用步進電機加減速裝置的傳動模式。大臂與回轉關節(jié)之間采用諧波減速器傳遞動力。小臂的驅動電機考慮到它的重量會對大臂造成較大的附加彎矩，則把小臂的驅動電機安裝在大臂的回轉軸的軸線方向，電機輸出軸與小臂的回轉軸之間通過同步齒形帶相連接，保證了小臂回轉的精度。但這樣就使得小臂的傳動機構很復雜，有多段承受彎矩的軸，并且電機軸也承受了一定的彎矩。第三個自由度采用滾珠絲杠并配以電機加減速器驅動的傳動方案，這是利用了滾珠絲杠的傳動精度高，并且是把旋轉運動轉換為直線運動，而不需要中間環(huán)節(jié)的轉化，結構簡單。但滾珠絲杠必須附加自鎖裝置以確保能夠做到斷電保護

21、。滾珠絲杠的造價較高，重量也較重，因此在滾珠絲杠的材料選擇方面要求加工材料要較輕。并且滾珠絲杠需要電機的輸出轉矩也較大，自身的減速比較小。機器人的手爪部分仍然采用較為常用的氣缸配合連桿式氣動機械手的結構，其作用與方案一所述的相同。 2.4.2 伺服驅動與步進驅動的比較 1）低頻特性不同 歨進電機在低速時容易出現低頻振動現象，振動的頻率與負載情況以及與驅動器的性能有關。當步進電機工作在低速的時候一般還應采取阻尼技術來克服低頻振動現象。交流伺服電機運轉非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現振動現象。 2）矩頻特性不同 不進電機的輸出力矩隨轉速的升高而降低，而且在較高的轉速時會急劇下降所以其最高

22、的工作轉速在。交流伺服電機為恒力矩輸出即使在額定轉速以內都能輸出額定的轉矩，在額定轉速以上為恒功率輸出。 3）過載能力不同 不僅電機一般不具有過載能力，交流伺服電機具有較強的過載能力比進電機因為沒有這種過載能力，為了克服啟動時較大的慣性力矩，往往要選取具有較大靜轉矩的電機，而機器人正常工作時又不需要這么大的轉矩，所以便出現了力矩浪費的現象。 4）運行性能不同 步進電機的控制一般為開環(huán)控制，速度過快或負載過大都會出現失轉或堵轉現象。交流伺服電機為驅動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅動器可以直接對電動機編碼器反饋信號進行采樣，在內部構成位置環(huán)和速度環(huán)，能避免失步或過沖現象。 綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許

23、多性能方面都優(yōu)于步進電動機，所以在一些對位置和速度要求較高的場合，采用交流伺服系統(tǒng)的優(yōu)勢更為明顯。此次的搬運機器人隊工件的抓取，對其驅動系統(tǒng)的要求就是要能夠較為準確的完成對位置和速度的控制，這樣選取交流伺服電機就能夠很好的滿足這一點。 通過對上面的方案的比較，綜合分析后我認為方案二有更多的優(yōu)勢，而且結構合理，能夠比較好的完成本次的輸送線出貨臺的物料搬運工作。故此次方案二作為本次設計的最終設計方案。 第三章　搬運機器人的結構設計 3.1驅動和傳動系統(tǒng)的總體結構設計 （1）底座 如圖所示：電機和諧波減速器通過

24、連軸套筒相連，諧波減速器的輸出軸和大臂的回轉關節(jié)軸直接相連。外殼的材料采用45鋼底座的軸承采用角接觸軸承，使利用了它既能承受軸向力也能承受一定的徑向里的特點。電機和減速器通過外殼內部的凸臺進行安裝，這樣使得結構簡單，加工和安裝方便。里面部件的材料采用鋁合金,位于底部的電機通過諧波減速器的減速對頂端軸進行驅動，從而帶動了大臂回轉軸和大臂一起轉動，需要注意的是臂回轉軸是做成一體的。 圖 3-1 機器人的結構設計方案圖 （2）傳動裝置 傳動的主要方式是采用交流伺服電機加減速器的傳動模式，大臂的軸承選擇的是角接觸軸承，用此來承受較大的負載產生的彎矩，避免

25、了減速器的輸出軸，以及電機軸承受附加載荷，從而保護了減速器和電機。大臂的長度盡可能的做的短一些，這樣會在整體結構簡單的情況下將小臂回轉關節(jié)的電機自身重量和減速器的重量極可能多得通過殼體傳遞到地面，另外對大臂的設計也采用了增加強度的處理，從而盡可能電機和減速器所產生的附加彎矩對機構的影響。小臂回轉關節(jié)采用了電機減速后直接驅動小臂關節(jié)軸旋轉，從而帶動小臂旋轉，這里大、小臂的運動具有獨立性的特點。 （3）升降機構 此處機械手的升降機構是采用電機加一級齒輪減速，傳遞動力給滑動絲杠，利用滑動絲杠的大的降速比來完成夾持工件的機械手上下移動，這樣可以把電機輸出的轉動轉化成絲杠螺母的上下移動，并且整體結

26、構較為簡單。同時考慮滑動絲杠的原因也是利用了滑動絲杠的反向自鎖的特性，從而實現了斷電保護。在滑動絲杠的外螺母上連接導向桿，這樣可以對螺母起到導向的作用，同時可以減少負載產生的附加彎矩對滑動絲杠的影響，進一步挺高了機械手抓取時的抓取精度。 （4）旋轉機構 如圖所示，此處的旋轉機構主要是利用步進電機利用鍵連接來驅動機械手進行旋轉來實現抓取工件位姿的調整，這里是考慮到機械手在抓取工件時所需要的位姿來進行設計的，使得機械手的手爪更方便有效的完成工件的抓取。 3.2氣動手爪的選型計算 機械手爪受力分析：（如圖3-3） P：機械夾持器軸向施加的作用力； e：夾持器活塞中心至手指支點的

27、距離； R：支點銷軸的半徑； ：中間連桿對手指的壓力角； ：摩擦角； ：構件間的摩擦系數； 4.

28、1機器人控制系統(tǒng)分類 1.程序控制系統(tǒng)：給每一個自由度施加一定規(guī)律的控制作用，機器人就可實現要求的空間軌跡。 2.自適應控制系統(tǒng)：當外界條件變化時，為保證所要求的品質或為了隨著經驗的積累而自行改善控制品質，其過程是基于操作機的狀態(tài)和伺服誤差的觀察，再調整非線性模型的參數，一直到誤差消失為止。這種系統(tǒng)的結構和參數能隨時間和條件自動改變。 3.人工智能系統(tǒng)：事先無法編制運動程序，而是要求在運動過程中根據所獲得的周圍狀態(tài)信息，實時確定控制作用。 4．機器人控制系統(tǒng)結構 機器人控制系統(tǒng)按其控制方式可分為兩類： 1）集中控制方式：用一臺計算機實現全部控制功能，結構簡單，成本低，但實時性差，難以

29、擴展，其構成框圖如圖所示。 圖4-1集中控制方式 2）主從控制方式：采用主、從兩級處理器實現系統(tǒng)的全部控制功能。 圖4-2 主從控制方式 主CPU實現管理、坐標變換、軌跡生成和系統(tǒng)自診斷等；從CPU實現所有關節(jié)的動作控制。其構成框圖如圖3所示。主從控制方式系統(tǒng)實時性較好，適于高精度、高速度控制，但其系統(tǒng)擴展性較差，維修困難。 4.2控制系統(tǒng)方案設計 4.2.1控制系統(tǒng)方案分析 控制系統(tǒng)通常是指在復雜的條件下，將預定的控制目標轉變?yōu)槠谕臋C械運動?？刂葡到y(tǒng)使被控機械實現精確的位置控制、速度控制、加速度控制

30、、轉矩或力的控制，以及這些被控機械量的精確綜合控制。 搬運機器人的手部、小臂、大臂的動作都是通過控制系統(tǒng)來控制的，所以控制系統(tǒng)是搬運機器人的重要組成部分，控制系統(tǒng)的設計對于機器人的總體設計而言至關重要。目前，搬運機器人的控制方式大多采用可編程序的點位控制(PTP)方式，而在各種控制方式中，可編程序控制器(PLC)因其通用性好、編程方便、成本較低、易于設計和維護等優(yōu)點而被廣為使用，它完全可以取代繼電器控制柜，而且可以實現比繼電器功能強得多的控制功能。 4.2.2控制系統(tǒng)特點 1. 編程方法簡單 可編程控制器的梯形圖語言程序一般采用順序控制設計方法。這種編程方法很有規(guī)律，容易掌握。對于復雜

31、的控制系統(tǒng)，設計梯形圖語言程序和調試程序比設計和調試繼電器控制系統(tǒng)所花的時間要少得多。 2．控制系統(tǒng)結構簡單，通用性強 盡管現在世界各個生產可編程控制器的廠家和公司，有著多種品牌和種類，但其基本結構和工作原理大致相同。配以各種組件就可以靈活的組成各種規(guī)模和不同要求的控制系統(tǒng)。 3．抗干擾能力強 可編程控制器采用了一系列硬件和軟件的抗干擾干擾能力措施，如濾波、隔離、屏蔽、自診斷、自恢復等，使之具有很淺的抗干擾能力。一般無故障的時間數已經達到數萬小時以上，可以應用于有強干擾的工業(yè)生產現場?，F在可編程控制器已經被公認為最可靠的工業(yè)控制設備之一。 4．可靠性高 繼電接觸器控制系統(tǒng)使用了大量

32、的機械觸電，連線復雜，各觸點在吸合和斷開時容易受到電弧的損傷，所以壽命多，工作可靠性差。而可編程控制器以軟件代替硬件，許多繼電器的觸點和繁雜的連線可以用程序來實現，大量的開關動作可以用無觸電的電子電路來完成，因此壽命長，可靠性大大的提高。 5．體積小、結構緊湊，安裝、維護方便 可編程控制器體積小、質量小，便于安裝。通?？删幊炭刂破鞫加凶栽\斷、故障報警、故障顯示的功能，便于操作和維修人員檢查，可以較容易的通過更換模塊插件來迅速排出故障。它的結構精湊，與硬件連方式簡單，接線少，易于維護。 4.3機器人的控制系統(tǒng)方案確定 本次控制系統(tǒng)采用的方案是PLC+交流伺服系統(tǒng)。 交流伺服系統(tǒng)由交流伺

33、服電動機和伺服電動機驅動器組成，它已經成為無刷直流伺服系統(tǒng)的代替品。近年來交流伺服驅動技術有了飛速的發(fā)展，它不僅能克服了直流伺服電動機在結構上存在的電刷維護困難、造價高、壽命短、應用環(huán)境受限制等缺點，同時又發(fā)揮了交流伺服電動機堅固耐用、經濟可靠及動態(tài)響應好等優(yōu)點。 一個伺服驅動系統(tǒng)并不僅僅是驅動器與電動機的組合，而是一個完整復雜的控制系統(tǒng)。完整的交流伺服驅動系統(tǒng)包括：伺服控制器、伺服驅動器、伺服電動機以及至少一個檢測元件，所有這些部件都在一個閉環(huán)控制系統(tǒng)中運行：驅動器接受控制控制器的指令信息，然后將電流送給電動機，通過電動機轉換成扭矩，然后帶動負載；檢測元件測量負載的位置（角度、直線位移）、

34、速度、加速度等參數，輸入控制器實現指令信息值與實際位置值的比較，然后通過閉環(huán)控制使實際位置值和指令信息值保持一致。 4-1 交流伺服系統(tǒng)控制框圖 機器人各關節(jié)由電機輸出動力，通過各種傳動方案，帶動各關節(jié)運動，傳感器、編碼器將檢測記錄到的運動部件的運動狀況并以開關量形式傳遞給I/O，PLC接收到這些信號并經過處理后，發(fā)出指令，傳遞給I/O，系統(tǒng)進入下一道命令執(zhí)行中。 PLC是要對搬運機器人的執(zhí)行機構進行控制，控制機器人對工件的抓取。對搬運機器人的控制包括PLC通過I/O接口向機器人發(fā)出控制指令，以及獲取機器人的工作狀態(tài)信息等內容。PLC接收機器人的各種工作狀態(tài)信 號、指令及傳感系統(tǒng)，

35、包括各指令開關、工件識別傳感信號和執(zhí)行機構的 4-3 機器人控制系統(tǒng)框圖 位置信號等，實現PLC對搬運機器人的狀態(tài)信息的獲取。 在機器人控制系統(tǒng)中，提供了搬運工作模式(運行、示教等)設置。機器人伺服系統(tǒng)開啟停止、重啟、繼續(xù)和回零等輸入控制端口。通過這些控制端口PLC可以對焊接機器人進行上述的控制,同時也提供了搬運機器人所處的運行模式。伺服系統(tǒng)的開、停、就緒和急停等狀態(tài)輸出端口通過讀取這些端口的狀態(tài)。PLC就能獲知機器人的搬運基本狀態(tài)。 4.4 PLC及運動控制單元的選型 針對本次控制系統(tǒng)的方案，選擇SYSMAC的CS1系列的PLC

36、，與之配套的MC單元為MC421，此處注意到MC421能夠實現四軸的伺服驅動，分別對應本次SCARA機器人的四個伺服電機的伺服驅動。系統(tǒng)的配置圖如4-4所示： MC的控制面板主要有LED指示器、單元號設置開關，X/Y軸和Z/U軸連接器、I/O連接器、示教盒連接器、MPG連接器等組成。各個部分的分布如圖4-5所示。 1、 單元號設置開關 單元號的設置確定了CPU單元專用I/O單元區(qū)的那些字分給MC單元。CS1-MC421占用了50個字。 2、 連接器 圖4-4 控制系統(tǒng)配置圖 圖4-5 MC單元

37、控制面板 1) I/O連接器 用于外部輸入輸出的連接器，包括各軸的限值輸入、急停輸入、圓點接近輸入、外部輸入、常規(guī)輸入。 2）示教盒連接器 用于連接示教盒。 3) MPG連接器 用于MPG（手動脈沖發(fā)生器）或同步譯碼器的連接器。 第五章 結論與展望 搬運機器人在工業(yè)機器人的領域中扮演著非常重要的角色，本次設計的主要目的是圍繞實驗室的建設，設計與實地環(huán)境相符的搬運機器人來實現輸送線出貨臺上的工件到AGV小車上的搬運，從而實現工件的傳送和運輸這一環(huán)節(jié)的自動化操作。論文工作總結如下： （1）根據各種傳動方式

38、之間的聯系及特點，通過取長補短，主要考慮了結構緊湊簡單等原則，確定了機器人的整體設計方案； （2）各個回轉關節(jié)的驅動方式均采用電機加減速器的方式的傳動設計，大臂的回轉關節(jié)和大臂做成一體，大臂的截面形狀采用等強度處理； （3）在各個關節(jié)的結構設計中，充分考慮到附加載荷對電機軸的影響，回轉關節(jié)軸的載荷通過固定在其兩端的軸承把負載的附加載荷傳遞到軸承上，從而保護了電機和減速器； （4）在進給機構的設計中，滑動絲杠自鎖性可以很好的保護工件不會在斷電的情況下落，造成意想不到的事故； 由于時間有限，本次設計還存在一定的不足，還有待進一步提高，展望如下： 在傳動系統(tǒng)的結構設計中，由于考慮到結構的緊

39、湊型和盡量簡單的特點，故把小臂驅動電機安裝在小臂的回轉關節(jié)軸上，但這樣會造成大臂附加載荷過大，引起一定的不穩(wěn)定因素，在今后的中可以盡可能選擇質量較小在電機的選擇和減速器的選擇，或盡量減少電機在懸臂梁上的結構。 在手爪的設計中可以把手爪設計成可以替換的具有通用性的手爪，這樣可以在搬運不同類型的工件時只需要更換機械手的手指，從而拓展了機器人的應用范圍。 致 謝 本次畢業(yè)設計能夠使順利完成，離不開指導老師和各位同學的支持和幫助。 首先要感謝的是指導我本次畢業(yè)設計的謝敬老師。非常感謝謝老師在這將近三個月來的悉心指導，和對我在畢業(yè)設計中所遇到的問題的無私幫助。在整個的畢業(yè)設計

40、中，謝敬老師能夠盡職盡責，設身處地的為我們考慮。在設計中，謝老師積極的引導我們，鼓勵我們充分發(fā)揮自己在設計方面的設計思想，在此基礎上給出許多很有建設性的意見，來幫助我們完善自己的設計思想，這對我們設計水平的提高有非常大的幫助。 其次是要感謝和我同組的同學：肖峰、李恒、王春艷三位同學，在我的畢業(yè)設計停滯不前時，是他們給我鼓勵的聲音和非常中肯的意見，我遇到困難時總能得到他們的幫助，這對我畢業(yè)設計的完成也是非常重要的。 最后要感謝的是我的社友在這段時間對我畢業(yè)設計的大力支持。這次畢業(yè)設計能夠順利完成離不開他們在生活上對我的關心。 在此向在這次畢業(yè)設計中給與我?guī)椭乃腥吮硎局孕牡母兄x！

41、 參考文獻 [1] 杜祥瑛，工業(yè)機器人及其應用[M]，機械工業(yè)出版社，2004。 [2]許果，王峻峰，何松齡，一種基于SCARA機器人機械結構設計[J]，機械工程師2005年第4期。 [3] 馬光，申桂英，工業(yè)機器人的現狀及發(fā)展趨勢[J]，組合機床與自動加工技術，2004年第4期。 [4] 吳振彪，工業(yè)機器人[M]，華中科技大學出版社，2002。 [5] 孫兵，趙武，施永輝，物料搬運機械手的研制[J]，南通紡織職業(yè)技術學院學報，2005年第8期。 [6] 龍立新，工業(yè)機械手的設計分析[J]，焊工之友1999年6月第3期。 [7]

42、蔡自興，21世紀機器人技術的發(fā)展趨勢[J]，南京化工大學學報，2000年7月第4期第22卷。 [8] 賴維德，工業(yè)機器人知識講座之工業(yè)機器人手部[J]，機械部北京機械工業(yè)自動化研究所。 [9] 蔣新松，未來機器人技術發(fā)展方向探討[J]，中國科學院沈陽自動化研究所。 [10] 賴維德，工業(yè)機器人知識講座之工業(yè)機器人組成和分類[J]，機械部北京機械工業(yè)研究所。 [11] 虞和謙，我國物料搬運機械設備的現狀及展望[J]，機電信息，2005年第6期。 [12] 金茂菁，曲忠萍，張桂華，國外工業(yè)機器人發(fā)展態(tài)勢分析[J]，北京機械工業(yè)自動化所。 [13] Jan Swevers, Birgit

43、 Naumer, Stefan Pieters, et al.，[J]， / Heidelberg [14] Vicente Mata, Francesc Benimeli, Nidal Farhat, et al.，[J]，101 – 119 [15]Roman Kamnik, Drago Matko, Tadej Bajd，[J]，153 - 163 [16]汪小澄，袁立宏，張世榮，可編程序控制器運動控制技術[M]，機械工業(yè)出版社，2006。 [17]謝紅，數控機床機器人機械系統(tǒng)設計指導[M]，同濟大學出版社，2004。 [18] 歐元賢,劉旺玉, 用PLC實現對焊接機器人的控制[J], 機械與電子2004年第12期 [19] 王玉松，孫毅剛，基于工控機的關節(jié)型機器人控制系統(tǒng)實現[J]，中國民航學院學報，2003年8月第21卷第4期 [20]朱仕學，陳偉，謝永宏，基于PLC的工業(yè)機器人關節(jié)直流伺服系統(tǒng)，深圳職業(yè)技術學院學報，2003年第1期 專心---專注---專業(yè)