三自由度机械手臂设计说明书

SHANDONGＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ课程设计说明书三自由度机械手臂设计学院：农业工程与食品科学学院专业：农业机械化及其自动化学生姓名：赵国0911034036学生姓名：李继飞0911034030学生姓名：程小岩0912034039指导教师：程卫东2013年1月机电系统设计课程设计（农业机械化及其自动化）-2-摘要在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。本文将设计一台四自由度的工业机器人，用于给冲压设备运送物料。首先，本文将设计机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台；在此基础上，本文将设计该机器人的控制系统，包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、端子板电路的设计以及控制软件的设计，重点加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性，最终实现的目标包括：关节的伺服控制和制动问题、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。机电系统设计课程设计（农业机械化及其自动化）-3-目录第1章绪论…………………………………………………………………………51.1机器人概述………………………………………………………………5第2章机器人实验平台介绍及机械手的设计……………………………………62.1自由度及关节……………………………………………………………62.2基座及连杆………………………………………………………………62.2.1基座………………………………………………………………62.2.2机械臂……………………………………………………………62.3机械手的设计……………………………………………………………62.4驱动方式…………………………………………………………………82.5传动方式…………………………………………………………………92.6制动器……………………………………………………………………10第3章控制系统硬件………………………………………………………………113.1控制系统模式的选择……………………………………………………113.2控制系统的搭建………………………………………………………113.2.1工控机……………………………………………………………123.2.2数据采集卡………………………………………………………123.2.3伺服放大器………………………………………………………133.2.4端子板……………………………………………………………143.2.5电位器及其标定…………………………………………………153.2.6电源………………………………………………………………16第4章控制系统软件………………………………………………………………164.1预期的功能………………………………………………………………164.2实现方法…………………………………………………………………164.2.1实时显示各个关节角及运动范围控制…………………………164.2.2直流电机的伺服控制……………………………………………164.2.3电机的自锁………………………………………………………164.2.4示教编程及在线修改程序……………………………………17第5章总结………………………………………………………………………18机电系统设计课程设计（农业机械化及其自动化）-4-5.1所完成的工作…………………………………………………………185.2设计经验………………………………………………………………18参考文献…………………………………………………………………………20机电系统设计课程设计（农业机械化及其自动化）-5-第1章绪论1.1机器人概述在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。“工业机器人”（IndustrialRobot）：多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机器人或通用机器人）。机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。简而言之，机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机（Manipulator）。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之为“MechanicalHand”，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构形式的机器人。机电系统设计课程设计（农业机械化及其自动化）-6-第2章实验平台介绍及机械手的设计该设计的目的是为了设计一台物料搬运机器人，利用现有已经报废的焊接机器人，本文的中结构设计主要偏向于对原有机构的改造和机械手的设计。2.1自由度及关节该机器人具有三个自由度，即腰关节、肩关节、肘关节，都为转动关节；还有一个用于夹持物料的机械手。2.2基座及连杆2.2.1基座基座是整个机器人本体的支撑。为保证机器人运行的稳定性，采用两块“Z”字形实心铸铁作支撑。基座上面是接线盒子，所有电机的驱动信号和反馈信号都从中出入。接线盒子外面，有一个引入线出口和一个引出线出口。2.2.2机械臂大臂长度230mm小臂长度240mm2.3机械手的设计工业机器人的手又称为末端执行器，它使机器人直接用于抓取和握紧（吸附）专用机电系统设计课程设计（农业机械化及其自动化）-7-工具（如喷枪、扳手、焊具、喷头等）进行操作的部件。它具有模仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂的前端。由于被握工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态等不同，因此工业机器人末端操作器是多种多样的，大致可分为以下几类：（1）夹钳式取料手（2）吸附式取料手（3）专用操作器及转换器（4）仿生多指灵巧手本文设计对象为物料搬运机器人，并不需要复杂的多指人工指，只需要设计能从不同角度抓取工件的钳形指。手指是直接与工件接触的部件。手指松开和夹紧工件，是通过手指的张开与闭合来实现的。该设计采用两个手指，其外形如图2.3所示图2.1机械手手指形状传动机构是向手指传递运动和动力，以实现夹紧和松开动作的机构。根据手指开合的动作特点分为回转型和平移形。本文采用回转型传动机构。图2.4为初步设计的机械手机构简图（只画出了一半，另外一半关于中心线对称）。图2.2机械手机构简图机电系统设计课程设计（农业机械化及其自动化）-8-在图2.4中，O为电机输出轴，曲柄OA、连杆AB、滑块B和支架构成曲柄滑块机构；滑块B、连杆BC、摇杆CE和支架构成滑块摇杆机构。通过两个机构串联，使电机最终驱动DE的来回摆动，从而实现手指的开合运动。图2.4中的黑线和蓝线表示机构运行的两个极限位置。为便于手指的顺利合拢，可以在两个手指之间设置一个弹簧，这样还可以提供适当的夹紧力。另外，在选用电机的时候，要使电机的功率足以克服弹簧的收缩和张开，并且提供足够加紧物体的力。2.4驱动方式该机器人一共具有四个独立的转动关节，连同末端机械手的运动，一共需要五个动力源。机器人常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。机器人驱动系统各有其优缺点，通常对机器人的驱动系统的要求有：1）．驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高；2）．反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁地起、制动，正、反转切换；3）．驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；4）．安全可靠；5）．操作和维护方便；6）．对环境无污染，噪声要小；7）．经济上合理，尤其要尽量减少占地面积。基于上述驱动系统的特点和机器人驱动系统的设计要求，本文选用直流伺服电机驱动的方式对机器人进行驱动。表2.2为选定的各个关节电机型号及其相关参数。表2.1机器人驱动电机参数电机参数腰关节肩关节肘关节腕关节手爪型号MAXON2332MAXON2332MAXON2332MULTIPLEXSTELL-MULTIPLEXSTELL-机电系统设计课程设计（农业机械化及其自动化）-9-SERVOSERVO额定电压18v18v18v6v6v额定转矩18.2N·m18.2N·m18.2N·m10.3N·m10.3N·m最大转矩67.4N·m67.4N·m67.4N·m额定转速7980rpm7980rpm7980rpm5460rpm5460rpm最高转速转子惯量9200rpm18.4gcm·cm9200rpm18.4gcm·cm9200rpm18.4gcm·cm2.5传动方式由于一般的电机驱动系统输出的力矩较小，需要通过传动机构来增加力矩，提高带负载能力。对机器人的传动机构的一般要求有：（1）结构紧凑，即具有相同的传动功率和传动比时体积最小，重量最轻；（2）传动刚度大，即由驱动器的输出轴到连杆关节的转轴在相同的扭矩时角度变形要小，这样可以提高整机的固有频率，并大大减轻整机的低频振动；（3）回差要小，即由正转到反转时空行程要小，这样可以得到较高的位置控制精度；（4）寿命长、价格低。本文所选用的电机都采用了电机和齿轮轮系一体化的设计，结构紧凑，具有很强的带负载能力，但是不能通过电机直接驱动各个连杆的运动。为减小机构运行过程的冲击和振动，并且不降低控制精度，采用了齿形带传动。齿形带传动是同步带的一种，用来传递平行轴间的运动或将回转运动转换成直线运动，在本文中主要用于腰关节、肩关节和肘关节的传动。齿形带传动原理如图2.7所示。齿轮带的传动比计算公式为机电系统设计课程设计（农业机械化及其自动化）-10-2112zznni齿轮带的平均速度av为2211ntzntzva2.6制动器制动器及其作用：制动器是将机械运动部分的能量变为热能释放，从而使运动的机械速度降低或者停止的装置，它大致可分为机械制动器和电气制动起两类。在机器人机构中，学要使用制动器的情况如下：①特殊情况下的瞬间停止和需要采取安全措施②停电时，防止运动部分下滑而破坏其他装置。机械制动器：机械制动器有螺旋式自动加载制动器、盘式制动器、闸瓦式制动器和电磁制动器等几种。其中最典型的是电磁制动器。在机器人的驱动系统中常使用伺服电动机，伺服电机本身的特性决定了电磁制动器是不可缺少的部件。从原理上讲，这种制动器就是用弹簧力制动的盘式制动器，只有励磁电流通过线圈时制动器打开，这时制动器不起制动作用，而当电源断开线圈中无励磁电流时