四自由度機械手畢業(yè)設(shè)計

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任務書.doc

四自由度機械手畢業(yè)設(shè)計論文說明書.doc

大臂.dwg

小臂.dwg

底座.dwg

手爪.dwg

整體裝配圖.dwg

機械手手臂聯(lián)結(jié)座.dwg

機械手支座.dwg

機械手裝配.dwg

法蘭盤.dwg

腰部結(jié)構(gòu)圖.dwg

 機械手畢業(yè)設(shè)計論文

         目 錄

第1章 緒論……………………………………………………………………  1

1.1 機器人概述……………………………………………………………  2

1.2 機器人的歷史、現(xiàn)狀…………………………………………………  3

1.3 機器人的發(fā)展趨勢……………………………………………………  4

第2章 機械手的設(shè)計………………………………………………………………5

2.1自由度及關(guān)節(jié)…………………………………………………………… 5

2.2 基座及連桿……………………………………………………………  5

2.2.1 基座……………………………………………………………… 7

2.2.2 大臂……………………………………………………………… 8

2.2.3 小臂………………………………………………………………9

2.3 機械手的設(shè)計……………………………………………………………10

2.4 驅(qū)動方式…………………………………………………………………11

2.5 傳動方式…………………………………………………………………12

2.6 制動器……………………………………………………………………12

第3章 控制系統(tǒng)硬件……………………………………………………………13

 3.1 控制系統(tǒng)模式的選擇……………………………………………………14

3.2 控制系統(tǒng)的搭建………………………………………………………15

3.2.1 工控機…………………………………………………………16

3.2.2 數(shù)據(jù)采集卡………………………………………………………16

3.2.3 伺服放大器……………………………………………………17

3.2.4 端子板…………………………………………………………18

3.2.5電位器及其標定…………………………………………………19

3.2.6電源………………………………………………………………20

第4章 控制系統(tǒng)軟件…………………………………………………………21

4.1預期的功能……………………………………………………………22

4.2 實現(xiàn)方法………………………………………………………………23

4.2.1實時顯示各個關(guān)節(jié)角及運動范圍控制 ……………………24

4.2.2直流電機的伺服控制……………………………………………25

4.2.3電機的自鎖………………………………………………………26

4.2.4示教編程及在線修改程序………………………………………27

4.2.5設(shè)置參考點及回參考點…………………………………………27

第5章 總結(jié)………………………………………………………………………29

5.1 所完成的工作………………………………………………………… 30

5.2 設(shè)計經(jīng)驗……………………………………………………………… 31

5.3 誤差分析……………………………………………………………… 32

5.4 可以繼續(xù)探索的方向…………………………………………………33

致 謝………………………………………………………………………………34

參考文獻………………………………………………………………………  35

摘 要

    在當今大規(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)所認同并采用。工業(yè)機器人的技術(shù)水平和應用程度在一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的水平，目前，工業(yè)機器人主要承擔著焊接、噴涂、搬運以及堆垛等重復性并且勞動強度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。

本文將設(shè)計一臺四自由度的工業(yè)機器人，用于給沖壓設(shè)備運送物料。首先，本文將設(shè)計機器人的底座、大臂、小臂和機械手的結(jié)構(gòu)，然后選擇合適的傳動方式、驅(qū)動方式，搭建機器人的結(jié)構(gòu)平臺；在此基礎(chǔ)上，本文將設(shè)計該機器人的控制系統(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)計以及控制軟件的設(shè)計，重點加強控制軟件的可靠性和機器人運行過程的安全性，最終實現(xiàn)的目標包括：關(guān)節(jié)的伺服控制和制動問題、實時監(jiān)測機器人的各個關(guān)節(jié)的運動情況、機器人的示教編程和在線修改程序、設(shè)置參考點和回參考點。

關(guān)鍵詞：機器人，示教編程，伺服，制動

ABSTRACT

the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the  production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the  automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by  enterprises. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way.

In this paper I will design an industrial robot with four DOFs, which is used to  carry material for a punch. First I will design the structure of the base, the big arm, the small arm and the end manipulator of the robot, then choose proper drive method and transmission method, building the mechanical structure of the robot. On this foundation, I will design the control system of the robot, including choosing DAQ card, servo control, feedback method and designing electric circuit of the terminal card and control software. Great attention will be paid on the reliability of the control software and the robot safety during running. The aims to realize finally include: servocontrol and brake of the joint, monitoring the movement of each joint in realtime, playback programming and modifying the program online, setting reference point and returning to reference point.

KEY WORDS: robot, playback, servocontrol, brake

第1章 緒論

1.1 機器人概述

    在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為突出的主題。化工等連續(xù)性生產(chǎn)過程的自動化已基本得到解決。但在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機床是大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法；程控機床、數(shù)控機床、加工中心等自動化機械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，有待于進一步實現(xiàn)機械化。機器人的出現(xiàn)并得到應用，為這些作業(yè)的機械化奠定了良好的基礎(chǔ)。

“工業(yè)機器人”（Industrial Robot）：多數(shù)是指程序可變（編）的獨立的自動抓取、搬運工件、操作工具的裝置（國內(nèi)稱作工業(yè)機器人或通用機器人）。

    機器人是一種具有人體上肢的部分功能，工作程序固定的自動化裝置。機器人具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、維修容易的優(yōu)勢，但功能較少，適應性較差。目前我國常把具有上述特點的機器人稱為專用機器人，而把工業(yè)機械人稱為通用機器人。

簡而言之，機器人就是用機器代替人手，把工件由某個地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進行加工。

    機器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機器人，也即本文所研究的對象。它是一種獨立的、不附屬于某一主機的裝置，可以根據(jù)任務的需要編制程序，以完成各項規(guī)定操作。它是除具備普通機械的物理性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機（Manipulator）。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機器人來進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機器人，主要附屬于自動機床或自動生產(chǎn)線上，用以解決機床上下料和工件傳送。這種機器人在國外通常被稱之為“Mechanical Hand”，它是為主機服務的，由主機驅(qū)動。除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。

機器人按照結(jié)構(gòu)形式的不同又可分為多種類型，其中關(guān)節(jié)型機器人以其結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小，相對工作空間最大，甚至能繞過基座周圍的一些障礙物等這樣一些特點，成為機器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，世界一些著名機器人的本體部分都采用這種機構(gòu)形式的機器人。

要機器人像人一樣拿取東西，最簡單的基本條件是要有一套類似于指、5.2 設(shè)計經(jīng)驗

（1） 底座設(shè)計成長方體不合理

當腰關(guān)節(jié)在不同的位置時，肩關(guān)節(jié)運動的下限不同，不便于編程；最好將底座設(shè)計成圓柱體，并且下面帶有法蘭支撐。

    （2） 最好安裝機械制動裝置

          僅依靠程序來實現(xiàn)制動并不可靠，例如突然掉電，將無法制動。

    （3） 電機上應安裝放電回路

          電機相當于一個線圈，在電機啟動或者停止瞬間，會產(chǎn)生很高的感應電動勢，很可能會對電路中的元器件造成破壞，所以要加上穩(wěn)壓或者續(xù)流元件。

（4） 電位器輸出電壓會在一定范圍內(nèi)會有無規(guī)則的波動

由于電位器材料電阻率分布的不均勻以及電刷滑動時接觸電阻的無規(guī)律變化，會引起所謂的“滑動噪聲”。這導致電位器反饋電壓并不準確。

（5） 關(guān)節(jié)角的方向及電位器的安裝

關(guān)節(jié)角最好符合關(guān)節(jié)角坐標系，并且電位器輸出電壓最好隨關(guān)節(jié)角的增大而增大，這樣便于編程。

5.3 誤差分析

     本文中每個關(guān)節(jié)的角度誤差在±2°左右，由于是開環(huán)機構(gòu)，所以綜合疊加起來，末端誤差可能會較大，并且重復精度不夠。

     下面簡要分析一下誤差的來源：

（1） 工作臺、基座的上下表面平行度誤差，腰關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸的垂直度誤差，以及其它關(guān)節(jié)之間的平行度誤差

（2） 齒輪、軸承的間隙，齒形帶的變形不均勻

（3） 裝配誤差

（4） 各關(guān)節(jié)軸的回轉(zhuǎn)誤差，各連桿的受力變形誤差；

（5） 運行時，機械部分的振動

（6） 電位器的滑動噪聲，以及電源的不穩(wěn)定都會導致反饋電壓的不準確

（7） 用程序?qū)崿F(xiàn)制動不如機械制動裝置反應快

5.4 可以繼續(xù)探索的方向

（1） 對于本文中的示教編程部分，將程序稍作修改，就能實現(xiàn)對示教程序的保存和離線修改，進而也容易實現(xiàn)離線編程。

（2） 可以用Opengl或者ADAMS訂作一個虛擬場景，進而實現(xiàn)虛擬示教編程，這樣會更加安全和方便。當然手工編寫的程序代碼也可以在此虛擬場景中運行，以驗證其合理與否。

（3） 通過虛擬場景和網(wǎng)絡(luò)，也可以進一步實現(xiàn)對機器人的遠程監(jiān)測和控制。

（4） 還可以嘗試在原有實驗平臺上加上視覺反饋。

（5） 控制界面如果用LabView設(shè)計，可能會更方便些。

（6） 通過進一步完善控制方式和控制結(jié)構(gòu)，可以將控制系統(tǒng)的軟件嵌入到嵌入式系統(tǒng)上去。

致 謝

    本次畢業(yè)設(shè)計，是老師考慮到學生日后的研究方向而特意為我安排的。通過這次訓練，提高了自己的動手能力、設(shè)計能力和編程水平，為學生日后順利進入機器人這一深邃的科研領(lǐng)域作下了鋪墊。本次畢業(yè)設(shè)計，學生收獲頗多，這與于老師的悉心指導是分不開的。于老師身體狀況欠佳，且公務繁忙，但是還是經(jīng)常抽時間來視察學生畢業(yè)設(shè)計進度，就畢業(yè)設(shè)計過程中遇到的問題給予耐心指導，敦敦教誨，身體力行，實在令學生欽佩感動不已！特此，學生鄭重向于老師表示感謝！ 另外，學生還要感謝在學生畢業(yè)設(shè)計的過程中給出了許多有益的建議，特此表示感謝！

參考文獻

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