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四自由度的工業(yè)機(jī)器人
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摘 要
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)。
關(guān)鍵詞：機(jī)器人，示教編程，伺服，制動(dòng)
ABSTRACT
In 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
目 錄
第1章 緒論…………………………………………………………………… 3
1.1 機(jī)器人概述…………………………………………………………… 4
1.2 機(jī)器人的歷史、現(xiàn)狀………………………………………………… 4
1.3 機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)…………………………………………………… 4
第2章 機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹及機(jī)械手的設(shè)計(jì)……………3
2.1自由度及關(guān)節(jié)…………………………………………………………… 4
2.2 基座及連桿…………………………………………………………… 4
2.2.1 基座……………………………………………………………… 7
2.2.2 大臂……………………………………………………………… 7
2.2.3 小臂……………………………………………………………… 7
2.3 機(jī)械手的設(shè)計(jì)……………………………………………………………4
2.4 驅(qū)動(dòng)方式…………………………………………………………………4
2.5 傳動(dòng)方式…………………………………………………………………4
2.6 制動(dòng)器……………………………………………………………………4
第3章 控制系統(tǒng)硬件……………………………………………………………4
3.1 控制系統(tǒng)模式的選擇……………………………………………………4
3.2 控制系統(tǒng)的搭建……………………………………………………… 4
3.2.1 工控機(jī)……………………………………………………………4
3.2.2 數(shù)據(jù)采集卡………………………………………………………4
3.2.3 伺服放大器………………………………………………………4
3.2.4 端子板…………………………………………………………… 4
3.2.5電位器及其標(biāo)定………………………………………………… 4
3.2.6電源……………………………………………………………… 4
第4章 控制系統(tǒng)軟件………………………………………………………… 4
4.1預(yù)期的功能…………………………………………………………… 4
4.2 實(shí)現(xiàn)方法………………………………………………………………4
4.2.1實(shí)時(shí)顯示各個(gè)關(guān)節(jié)角及運(yùn)動(dòng)范圍控制 ………………………4
4.2.2直流電機(jī)的伺服控制………………………………………………4
4.2.3電機(jī)的自鎖…………………………………………………………4
4.2.4示教編程及在線修改程序…………………………………………4
4.2.5設(shè)置參考點(diǎn)及回參考點(diǎn)……………………………………………4
第5章 總結(jié)……………………………………………………………………… 4
5.1 所完成的工作………………………………………………………… 4
5.2 設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)……………………………………………………………… 4
5.3 誤差分析……………………………………………………………… 4
5.4 可以繼續(xù)探索的方向………………………………………………… 4
致 謝……………………………………………………………………………… 4
參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………… 4
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)。
2.1自由度及關(guān)節(jié)
圖1
該機(jī)器人具有四個(gè)自由度 ，即腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)，都為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)；還有一個(gè)用于夾持物料的機(jī)械手。
2.2基座及連桿
2.2.1 基座
基座是整個(gè)機(jī)器人本體的支撐。為保證機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定性，采用兩塊“Z”字形實(shí)心鑄鐵作支撐。
基座上面是接線盒子，所有電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和反饋信號(hào)都從中出入。接線盒子外面，有一個(gè)引入線出口和一個(gè)引出線出口。
2.2.2 大臂
大臂長(zhǎng)度230mm，具體尺寸如圖2.1所示：
圖2.1 大臂外形
2.2.3 小臂
小臂長(zhǎng)度240mm，具體尺寸如圖2.2所示：
圖2.2 小臂外形
2.3機(jī)械手的設(shè)計(jì)
工業(yè)機(jī)器人的手又稱為末端執(zhí)行器，它使機(jī)器人直接用于抓取和握緊（吸附）專用工具（如噴槍、扳手、焊具、噴頭等）進(jìn)行操作的部件。它具有模仿人手動(dòng)作的功能，并安裝于機(jī)器人手臂的前端。由于被握工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)等不同，因此工業(yè)機(jī)器人末端操作器是多種多樣的，大致可分為以下幾類：
（1） 夾鉗式取料手
（2） 吸附式取料手
（3） 專用操作器及轉(zhuǎn)換器
（4） 仿生多指靈巧手
本文設(shè)計(jì)對(duì)象為物料搬運(yùn)機(jī)器人，并不需要復(fù)雜的多指人工指，只需要設(shè)計(jì)能從不同角度抓取工件的鉗形指。
手指是直接與工件接觸的部件。手指松開和夾緊工件，是通過手指的張開與閉合來實(shí)現(xiàn)的。該設(shè)計(jì)采用兩個(gè)手指，其外形如圖2.3所示
圖2.3 機(jī)械手手指形狀
傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是向手指?jìng)鬟f運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)夾緊和松開動(dòng)作的機(jī)構(gòu)。根據(jù)手指開合的動(dòng)作特點(diǎn)分為回轉(zhuǎn)型和平移形。本文采用回轉(zhuǎn)型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。圖2.4為初步設(shè)計(jì)的機(jī)械手機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖（只畫出了一半，另外一半關(guān)于中心線對(duì)稱）。
圖2.4 機(jī)械手機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖
在圖2.4中，O為電機(jī)輸出軸，曲柄OA、連桿AB、滑塊B和支架構(gòu)成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；滑塊B、連桿BC、搖桿CE和支架構(gòu)成滑塊搖桿機(jī)構(gòu)。通過兩個(gè)機(jī)構(gòu)串聯(lián)，使電機(jī)最終驅(qū)動(dòng)DE的來回?cái)[動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)手指的開合運(yùn)動(dòng)。
圖2.4中的黑線和藍(lán)線表示機(jī)構(gòu)運(yùn)行的兩個(gè)極限位置。
為便于手指的順利合攏，可以在兩個(gè)手指之間設(shè)置一個(gè)彈簧，這樣還可以提供適當(dāng)?shù)膴A緊力。
另外，在選用電機(jī)的時(shí)候，要使電機(jī)的功率足以克服彈簧的收縮和張開，并且提供足夠加緊物體的力。
圖2.5為采用虛擬樣機(jī)軟件ADAMS來分析所設(shè)計(jì)的機(jī)械手機(jī)構(gòu)的工作狀況。
圖2.5 虛擬樣機(jī)場(chǎng)景
下面更進(jìn)一步計(jì)算出所需要的電機(jī)力矩。
圖2.6 力矩變化情況
從圖2.6中看到，起始階段須克服的彈簧力最大，電機(jī)轉(zhuǎn)矩必須大于550N ...
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