三自由度圆柱坐标型工业机器人

三自由度圆柱坐标型工业机器人-1-目录目录……………………………………………………………………………………………1中文摘要………………………………………………………………………………………2Abstract………………………………………………………………………………………2第1章绪论……‥…………………………………………………………………………3第2章工业机器人的总体设计……………………………………………………………32.1工业机器人的组成及各部分关系概述……………………………………………32.2工业机器人的设计分析………………………………………………………………42.2.1设计要求…………………………………………………………………………52.2.2总体方案拟定……………………………………………………………………52.2.3工业机器人的主要技术参数…………………………………………………5第3章工业机器人的机械系统设计………………………………………………………63.1工业机器人的运动系统分析………………………………………………………63.1.1机器人的运动概述………………………………………………………………63.1.2机器人的运动过程分析………………………………………………………73.2工业机器人的执行机构设计………………………………………………………83.2.1末端执行机构设计………………………………………………………………83.2.2手臂机构设计…………………………………………………………………113.2.3腰部和基座设计…………………………………………………………………123.3工业机器人的机械传动装置设计‥………………………………………………183.3.1滚珠丝杠的选择…………………………………………………………………183.3.2谐波齿轮的选择…………………………………………………………………193.3.3联轴器的选择…………………………………………………………………20第4章工业机器人的计算机控制系统概述………………………………………………204.1工业机器人控制系统的特点及对控制功能的基本要求‥………………………214.2计算机控制系统的设计方案………………………………………………………224.3硬件电路的组成…………………………………………………………………22第5章工业机器人运行时应采取的安全措施……………………………………………225.1安全要求…………………………………………………………………………225.2实施方法……………………………………………………………………………23鸣谢………………………………………………………………………………………23参考文献…………………………………………………………………………………24三自由度圆柱坐标型工业机器人-2-中文摘要在工业上，自动控制系统有着广泛的应用，如工业自动化机床控制，计算机系统，机器人等。而工业机器人是相对较新的电子设备，它正开始改变现代化工业面貌。本设计为三自由度圆柱坐标型工业机器人，其工作方向为两个直线方向和一个旋转方向。在控制器的作用下，它执行将工件从一条流水线拿到另一条流水线这一简单的动作,本文是对整个设计工作较全面的介绍和总结。关键词：三自由度，圆柱坐标，工业机器人AbstractIndustrially,automaticcontrolsystemsarefoundinnumerousapplications,suchasautomationmachinetoolcontrol,computersystemsandrobotics.Industrialrobotsarerelativelynewelectromechanicaldevicesthatarebeginningtochangetheappearanceofmodernindustry.Thisschemeintroducedacylindricalrobotforthreedegreeoffreedom.Itiscomposedoftwolinearaxesandonerotaryaxiscurrentcontrolonlyallowsthesedevicesmovefromoneassemblylinetootherassemblylineinspace,performrelativelysimpletaskes.Thispaperismorecomprehensiveintroductionandsumming-upfortheforthewholedesignwork.Keywords：threedegreesoffreedom,cylindrical,Industrialrobot三自由度圆柱坐标型工业机器人-3-三自由度圆柱坐标型工业机器人设计第一章绪论机器人工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国科技界跟踪国际高科技发展的重要方面。工业机器人的研究、制造和应用水平，是一个国家科技水平和经济实力的象征，正受到许多国家的广泛重视。目前，工业机器人的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。最近联合国国际标准化组织采纳了美国机器人协会给工业机器人下的定义：工业机器人是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件。参考国外的定义，结合我国的习惯用语，对工业机器人作如下定义：工业机器人是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化程度高的自动操作机械。主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸工件或夹具。工业机器人以刚性高的手臂为级到高级逐步完善，它的发展过程可分为三代：第一代工业机器人就是目前工业中大量使用的示教再现型工业机器人，它主要由手部、臂部、驱动系统和控制系统组成。它的控制方式比较简单，应用在线编程，即通过示教存贮信息，工作时读出这些信息，向执行机构发出指令，执行机构按指令再现示教的操作。第二代机器人是带感觉的机器人。它具有寻力觉、触觉、视觉等进行反馈的能力。其控制方式较第一代工业机器人要复杂得多，这种机器人从1980年开始进入了实用阶段，不久即将普及应用。第三代工业机器人即智能机器人。这种机器人除了具有触觉、视觉等功能外，还能够根据人给出的指令认识自身和周围的环境，识别对象的有无及其状态，再根据这一识别自动选择程序进行操作，完成规定的任务。并且能跟踪工作对象的变化，具有适应工作环境的功能。这种机器人还处于研制阶段，尚未大量投入工业应用。第2章工业机器人的总体设计2.1工业机器人的组成及各部分关系概述三自由度圆柱坐标型工业机器人-4-图2-1工业机器人的组成图它主要由机械系统(执行系统、驱动系统)、控制检测系统及智能系统组成。（1）执行系统：执行系统取机构，它直接抓取工件或夹具。（2）腕部：又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变手部的工作方位。（3）臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的负荷，并把它传递到预定的位置。（4）机身：是支承手臂的部件，其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。A、驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的机械传动、液压传动、气压传动和电传动。B、控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。C、检测系统：作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求。图2-2各部分关系图2.2工业机器人的设计分析2.2.1设计要求综合运用所学知识,搜集有关资料独立完成三自由度圆柱坐标型工业机器人操作机和驱动单元的设计工作。原始数据：自动线上有Ａ，Ｂ两条输送带之间距离为1.5m，需设计工业机器人将一零件从A带送到B带。零件尺寸：内孔￠100，壁厚10，高100。零件材料：45钢。2.2.2总体方案拟定在工业机器人的诸多功能中，抓取和移动是最主要的功能。这两项功能实现的技术基础是精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动。本次设计就是在这一思维下展三自由度圆柱坐标型工业机器人-5-开的。根据设计内容和需求确定圆柱坐标型工业机器人，利用步进电机驱动和谐波齿轮传动来实现机器人的旋转运动；利用另一台步进电机驱动滚珠丝杠旋转，从而使与滚珠丝杠螺母副固连在一起的手臂实现上下运动；考虑到本设计中的机器人工作范围不大，故利用液压缸驱动实现手臂的伸缩运动；末端夹持器则采用内撑连杆杠杆式夹持器，用小型液压缸驱动夹紧。图2-3机器人外形图2.2.3工业机器人主要技术性能参数工业机器人的技术参数是说明其规格和性能的具体指标。主要技术参数有如下：A、抓取重量：抓取重量是用来表明机器人负荷能力的技术参数，这是一项主要参数。这项参数与机器人的运动速度有关，一般是指在正常速度下所抓取的重量。B、抓取工件的极限尺寸：C、抓取工件的极限尺寸是用来表明机器人抓取功能的技术参数，它是设计手部的基础范围：指执行机构直线移动距离或回转角度的范围，即各运动自由度的运动量。根据运动行程范围和坐标形式就可确定机器人的工作范围。D、运动速度：是反映机器人性能的重要参数。通常所指的运动速度是机器人的最大运动速度。它与抓取重量、定位精度等参数密切有关，互相影响。目前，国内外机器人的最大直线移动速度为1000mm/s左右，一般为200～400mm/s；回转速度最大为180º/s，一般为50º/s。E、编程方式和存储容量。本设计中的三自由度圆柱坐标型工业机器人的有关技术参数见表1-1。表1-1机械手类型三自由度圆柱坐标型抓取重量2.69Kg自由度3个（1个回转2个移动）三自由度圆柱坐标型工业机器人-6-机座长120mm，回转运动，回转角180°，步进电机驱动单片机控制腰部机构长680mm，伸缩运动，升降范围450mm，步进电机驱动单片机控制手臂机构长826mm，伸缩运动，伸缩范围50mm，液压缸驱动行程开关控制第3章工业机器人的机械系统设计3.1工业机器人的运动系统分析3.1.1机器人的运动概述工业机器人的运动，可从工业机器人的自由度，工作空间和机械结构类型等三方面来讨论。如图2-1所示，为工业机器人机构的简图。图3-1机构简图a．工业机器人的运是指确定一个机器人操作位置时所需要的独立运动参数的数目，它是表示机器人动作灵活程度的参数。本设计的工业机器人具有四转动副和移动副两种运动副，具有手臂伸降，旋转，前后往复三自由度。b．机器人的工作空间和机械结构类型（1）工作空间工作空间是指机器人正常运行时，手部参考点能在空间活动的最大范围，是机器人的主要技术参数，工作空间图如图3-2。三自由度圆柱坐标型工业机器人-7-图3-2工作空间图（2）机械结构类型圆柱坐标型为本设计所采用方案，这种运动形式是通过一个转动，两个移动，共三个自由度组成的运动系统（代号RPP），工作空间图形为圆柱形。它与直角坐标型比较，在相同的工作条件下，机体占体积小，而运动范围大。3.1.2机器人的运动过程分析工业机器人的运动过程中各动作如图3-3和表3-1。图3-3表3-1机器人开机，处于A位工步一手臂上升工步二，工步七，工步十三旋转至B位工步三手臂伸出工步四,工步十三自由度圆柱坐标型工业机器人-8-手臂下降工步五，工步十一夹紧工件工步六手臂收缩工步八，工步十四旋转至C位工步九放松工件工步十二实现运动过程中的各工步是由工业机器人的控制系统和各种检测原件来实现的，这里尤其要强调的是机器人对工件的定位夹紧的准确性，这是本次设计成败之关键所在。3.2工业机器人的执行机构设计3.2.1末端执行机构设计工业机器人的末端执行机构设计是用来抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、准确和牢靠程度都将直接影响到工业机械手的工作性能，它是工业机械手的关键部件之一。3.2.1.1设计时要注意的问题：a.末端