六自由度機(jī)械臂設(shè)計(jì)--八一你懂的

1、電子信息工程電子信息工程機(jī)械電子學(xué)機(jī)械電子學(xué)研究報(bào)告研究報(bào)告六自由度機(jī)器臂的機(jī)電傳動(dòng)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號(hào)：學(xué)生學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 所在學(xué)院：所在學(xué)院： 專業(yè)班級(jí)：專業(yè)班級(jí)： 中國(guó)大慶 2014 年 12 月信息技術(shù)學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院課課 程程 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 任任 務(wù)務(wù) 書(shū)書(shū) 信息工程學(xué) 院 電子信息工程 專業(yè)級(jí)，學(xué)號(hào) 姓名 一、課程設(shè)計(jì)課題：六自由度機(jī)器臂的機(jī)電傳動(dòng)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)二、課程設(shè)計(jì)工作日自 2014 年 12 月 8 日至 2014 年 12 月 19 日三、課程設(shè)計(jì)進(jìn)行地點(diǎn)： 信息館 321 四、程設(shè)計(jì)任務(wù)要求： (詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)課程設(shè)計(jì)文檔)1.課題來(lái)源

2、:教室下發(fā)。2.目的意義:培養(yǎng)學(xué)生文獻(xiàn)查閱、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)電傳動(dòng)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力，對(duì)機(jī)械電子學(xué)課程的深入了解，通過(guò)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)。3.基本要求:設(shè)計(jì)六自由度機(jī)器臂。機(jī)械臂是一種典型的工業(yè)機(jī)器人，在自動(dòng)搬運(yùn)、裝配、焊接、噴涂等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中有廣泛的應(yīng)用。該設(shè)計(jì)可以采用六關(guān)節(jié)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，各個(gè)關(guān)節(jié)以“絕對(duì)編碼器電機(jī)+精密諧波減速器”為傳動(dòng)。在小臂處留有安裝攝像頭、氣動(dòng)工具等外部設(shè)備的接口，并提供備用電氣接口，方便用戶進(jìn)行功能擴(kuò)展。在機(jī)器臂的控制器可以采用 PLC、單片機(jī)和工業(yè)微型計(jì)算機(jī)，結(jié)合六自由度實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制，要求性能可靠，高速高精度。課程設(shè)計(jì)評(píng)審表課程設(shè)計(jì)評(píng)審表指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)：成績(jī)： 簽字： 日

3、期： 目錄目錄 1 設(shè)計(jì)任務(wù)要求.11.1 題目.11.2 設(shè)計(jì)要求.11.3 規(guī)定.11.4 完成時(shí)間.12 焊接機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì).13 緒論.24 正文.24.1 機(jī)械手的設(shè)計(jì).34.2 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì).44.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的確定.54.4 控制系統(tǒng).54.5 檢測(cè)系統(tǒng).54.6 軟件系統(tǒng).55 結(jié)論.66 致謝.67 參考文獻(xiàn).7- 0 -1 設(shè)計(jì)任務(wù)要求1.1 題目六自由度機(jī)器臂的機(jī)電傳動(dòng)與控制系統(tǒng)1.2 設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)六自由度機(jī)器臂。機(jī)械臂是一種典型的工業(yè)機(jī)器人，在自動(dòng)搬運(yùn)、裝配、焊接、噴涂等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中有廣泛的應(yīng)用。該設(shè)計(jì)可以采用六關(guān)節(jié)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，各個(gè)關(guān)節(jié)以“絕對(duì)編碼器電機(jī)+精密諧波減速器

4、”為傳動(dòng)。在小臂處留有安裝攝像頭、氣動(dòng)工具等外部設(shè)備的接口，并提供備用電氣接口，方便用戶進(jìn)行功能擴(kuò)展。在機(jī)器臂的控制器可以采用 PLC、單片機(jī)和工業(yè)微型計(jì)算機(jī)，結(jié)合六自由度實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制，要求性能可靠，高速高精度。1.3 規(guī)定 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)圖、工作原理圖、機(jī)械傳動(dòng)示意圖可以采用微軟Microsoft Office Visio 2003、protel、MatLab 等。按單元詳細(xì)說(shuō)明六自由度傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和工作原理，完成控制系統(tǒng)的整體電路圖，并按照單元電路詳細(xì)說(shuō)明。 總結(jié)設(shè)計(jì)過(guò)程和設(shè)計(jì)體會(huì)。 1.4 完成時(shí)間2 周2 焊接機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要工業(yè)機(jī)械手最大的應(yīng)用領(lǐng)域是焊接

5、機(jī)械手，它占工業(yè)機(jī)械手總數(shù)的 25%左右。由于對(duì)許多構(gòu)件的焊接精度和速度等提出越來(lái)越高的要求，一般工人已難以勝任這一工作；此外 6 自由度焊接機(jī)械手還可以減少焊接是的火花及煙霧等對(duì)人體的危害，因而，本課題的提出有十分重要的意義。- 1 -為了提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的焊接質(zhì)量，滿足實(shí)際工作需要，本課題設(shè)計(jì)了用于焊接的關(guān)節(jié)型機(jī)械手，根據(jù)機(jī)械手的工作需要和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定了機(jī)械手的外形尺寸和工作空間的總體設(shè)計(jì)，擬定了機(jī)械手各關(guān)節(jié)的總體設(shè)計(jì)傳動(dòng)方案。利用齊次變換矩陣法簡(jiǎn)歷了六度自由度關(guān)節(jié)機(jī)械手的正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，求出機(jī)械手末端相對(duì)于各自參考坐標(biāo)系的齊次坐標(biāo)值，尖刺了在直角坐標(biāo)空間內(nèi)機(jī)械手末端執(zhí)行的位置和姿態(tài)與關(guān)

6、節(jié)變量值的對(duì)應(yīng)關(guān)系?；趲缀瓮队霸硗茖?dǎo)出相應(yīng)的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，求出了各關(guān)節(jié)的角度值，建立了機(jī)械手關(guān)節(jié)空間與世界空間的映射關(guān)系、改機(jī)械手具有剛性好。位置精確高、位置平穩(wěn)的特點(diǎn)，同時(shí)，為了解決由平面、弧面、球面等組成的零部件的激光無(wú)損檢測(cè)問(wèn)題，提高檢測(cè)的自動(dòng)化程度的可靠性，提出了基于機(jī)械手的激光無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)。3 緒論機(jī)械手是一種能夠進(jìn)行編程，并在自動(dòng)控制下執(zhí)行某種操作或移動(dòng)作業(yè)任務(wù)的機(jī)械裝置。機(jī)械手技術(shù)綜合了機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制及人智能等多種科學(xué)的最新研究成果，是機(jī)電一體化技術(shù)的典型代表，是當(dāng)代科學(xué)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域。機(jī)械手的研究、制造和應(yīng)用正受到越來(lái)越多的國(guó)家的重視。近十幾年來(lái)

7、，機(jī)械手技術(shù)發(fā)展非常迅速，各種用途的機(jī)械手在各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。本課題為了解決由平面、弧面、球面等組成的零部件的激光無(wú)損檢測(cè)問(wèn)題，提高檢測(cè)的自動(dòng)化程度的可靠性，提出了基于機(jī)械手的激光無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)。借助于激光檢測(cè)技術(shù)，機(jī)械手技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等，研制了一種用于激光無(wú)損檢測(cè)的機(jī)械手。該機(jī)械手有機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)等組成，通過(guò) PC 機(jī)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制冰實(shí)時(shí)獲取坐標(biāo)信息，有利于缺陷的定位、定量和定性分析，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性價(jià)比高，不僅能夠用于激光無(wú)損檢測(cè)，而且也可以用于其它場(chǎng)合，魚(yú)油廣泛的要適應(yīng)性。4 正文激光檢測(cè)機(jī)械手主要是針對(duì)由平面、弧面、球面等組成的零部件的激光檢

8、測(cè)而研制的。該機(jī)械手主要由機(jī)械部分、控制部分、伺服驅(qū)動(dòng)部分、檢測(cè)部分等組成，其結(jié)構(gòu)框圖如下：- 2 -圖 1 系統(tǒng)關(guān)系圖為了實(shí)現(xiàn)激光檢測(cè)的自動(dòng)化，在激光檢測(cè)機(jī)械手的基礎(chǔ)上，利用 PC 機(jī)、數(shù)字式激光探傷儀等構(gòu)成自動(dòng)激光檢測(cè)硬件系統(tǒng)，利用 VC+開(kāi)發(fā)軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)吸光檢測(cè)的自動(dòng)化。其工作原理為：首先，機(jī)械手夾持探頭，使探頭軸線與被檢測(cè)工件表面法線方法平行，且采用直接耦合法：其次，控制系統(tǒng)根據(jù)被檢測(cè)零件的信息，規(guī)劃掃描路徑，發(fā)出指令信息給伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手帶動(dòng)探頭對(duì)被檢測(cè)零件表面進(jìn)行掃描，與此同時(shí)，OC機(jī)將通過(guò)機(jī)械手的檢測(cè)部分獲取探頭的位置信息；第三，數(shù)字式激光探傷儀獲取被檢測(cè)工件每一點(diǎn)

9、的信息并送入 PC 機(jī)；第四，PC 機(jī)處理信息，識(shí)別缺陷。并儲(chǔ)存信息及其對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)。 4.1、機(jī)械手的設(shè)計(jì)激光檢測(cè)機(jī)械手的機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)滿足一下條件：第一，能夠在計(jì)算機(jī)的控制下帶動(dòng)探頭在被檢測(cè)表面上移動(dòng)；第二，在檢測(cè)中保證探頭的聲束方向與被檢測(cè)點(diǎn)表面的法線方向重合；第三，計(jì)算機(jī)能夠?qū)崟r(shí)的獲取探頭的坐標(biāo)信息。因此，在設(shè)計(jì)中采用了關(guān)節(jié)機(jī)械手臂，關(guān)節(jié)型又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型，這種機(jī)械手的手臂與人體上肢類似，去前三個(gè)關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機(jī)械手一般有立柱和大小臂組成，立柱與大臂形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可是大臂做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和是大臂作俯仰擺動(dòng)，小臂做俯仰擺動(dòng)。其特點(diǎn)使工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，通用性強(qiáng)、能

10、抓取靠近機(jī)座的物體。PC 機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)- 3 -圖 2 六自由度設(shè)計(jì) 4.2、傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為了使機(jī)械手臂能夠靈活的運(yùn)動(dòng)，必須在設(shè)計(jì)中考慮重量和力矩的問(wèn)題。本機(jī)械手的外形尺寸設(shè)計(jì)是從小靈活的角度考慮，同時(shí)為了減輕機(jī)械手的重量，在設(shè)計(jì)時(shí)材料選用鋁合金。主體的旋轉(zhuǎn)式通過(guò)腰關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在這里采用了一級(jí)齒輪傳動(dòng)，安裝在底座上的步進(jìn)電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)立柱回轉(zhuǎn)的角度，以作為后續(xù)處理。在結(jié)構(gòu)上采用向心推力角軸承，是為了承受軸向力。另外針對(duì)其余幾個(gè)關(guān)節(jié)的具體狀況，大臂傳動(dòng)、小臂傳動(dòng)、腕關(guān)節(jié)傳動(dòng)都采用同步齒型帶作為其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，安裝在個(gè)臂上的步進(jìn)電機(jī)通過(guò)同步齒形帶將運(yùn)動(dòng)傳遞給另一關(guān)節(jié)。

11、這樣，一方面有利于簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)，另一方面也滿足了負(fù)荷要求，同時(shí)提高了傳動(dòng)系統(tǒng)的精度，編碼器分別安裝在個(gè)關(guān)節(jié)軸的末端，隨著關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)一起轉(zhuǎn)動(dòng)、另外在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也從布局方面考慮了機(jī)械手的平衡問(wèn)題。- 4 -圖 3 機(jī)械手內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.3、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的確定 關(guān)節(jié)型機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)機(jī)械兩部分構(gòu)成。一般機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方法包括以下四種：（1）直流伺服電機(jī)：直流伺服電機(jī)有很好的調(diào)速功能較大的啟動(dòng)力矩，功率大、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，并且控制技術(shù)成熟，安裝方便，成本低廉。（2）交流伺服電機(jī)：交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠性高，維修方便和步進(jìn)電機(jī)相比價(jià)格比較貴。（3）步進(jìn)電機(jī)：可以直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)

12、簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，通常不需要反饋就能對(duì)位置和速度進(jìn)行控制，但是不能進(jìn)行誤差校核，運(yùn)動(dòng)精度較差，負(fù)載和沖擊過(guò)大時(shí)會(huì)造成“失步”現(xiàn)象。（4）液壓驅(qū)動(dòng)馬達(dá)：液壓伺服馬達(dá)其具有較大的功率與體積之比，運(yùn)動(dòng)比較平穩(wěn)，定位精度高，負(fù)載能力大、但是液壓伺服馬達(dá)價(jià)格比較高容易出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)器有電機(jī)和液壓、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置等。其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)是常用的驅(qū)動(dòng)方式。電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有精確高，可靠性好，能比較大的變速度來(lái)滿足機(jī)械手的應(yīng)用要求。所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中選用直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置。4.4、控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)械手各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，實(shí)質(zhì)上就是對(duì)各步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制?？刂葡到y(tǒng)以計(jì)算機(jī)為核心，此部分由計(jì)算機(jī)、伺服控制卡、4 套步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

13、單元和 4 套步進(jìn)電機(jī)組成。本機(jī)械手的控制采用點(diǎn)計(jì)算機(jī)、根據(jù)檢測(cè)的任務(wù)由 PC 機(jī)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行路軌跡規(guī)劃，并將其轉(zhuǎn)換成指令信息傳給伺服控制卡，由伺服控制卡控制各步進(jìn)驅(qū)動(dòng)單元完插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)探頭實(shí)現(xiàn)目標(biāo)點(diǎn)的缺陷檢測(cè)。- 5 -4.5,、檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)的主要任務(wù)是確定被檢測(cè)工件的位置坐標(biāo)。檢測(cè)元件主要采用光電編碼器。他是一種集光、電、機(jī)于一體的高精度位置測(cè)量傳感器，具有高頻響、分辨能力高、承載能力強(qiáng)、力矩小、耗能低、性能可靠、使用壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，常被用來(lái)測(cè)量角度。光電編碼器一般分為增量式和絕對(duì)式編碼器，在本系統(tǒng)中選用增量式光電編碼器作為關(guān)節(jié)角位移的檢測(cè)元件，其輸出為相位相差 90b 的 A

14、,B 兩相正交脈沖信號(hào)，A 相或 B 相的每個(gè)脈沖代表被檢測(cè)對(duì)象旋轉(zhuǎn)了一定的角度，A 相和 B 相的相位關(guān)系則反映了被測(cè)對(duì)象的旋轉(zhuǎn)方向。為了將編碼器的信號(hào)傳遞給 PC 機(jī)，研制了接口電路。 4.6、元件系統(tǒng)元件系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的位置控制機(jī)器檢測(cè)，其開(kāi)發(fā)工具采用了 VISUAL C+6.0，采用面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)方法和模塊化的設(shè)計(jì)思想?？刂圃糠衷谕瓿杉す鈾z測(cè)的路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)上，過(guò)接口電路發(fā)出控制脈沖，實(shí)現(xiàn)對(duì)各步進(jìn)電機(jī)的控制，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手姿態(tài)控制，使其運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)的位置。檢測(cè)軟件部分則主要是基于對(duì)接口電路得到的編碼器信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行采用讀取。換算成關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的角度 H，然后根據(jù)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)方程計(jì)算出目標(biāo)

15、點(diǎn)的空間位置。5 結(jié)論我國(guó)機(jī)械手的研究和應(yīng)用起步較晚，但是隨著國(guó)內(nèi)外機(jī)械手的快速發(fā)展、社會(huì)需求的增大和技術(shù)的進(jìn)步，焊接機(jī)械手得到了迅速的發(fā)展，多品種、少批量生產(chǎn)方式和為提高潘品質(zhì)量及生產(chǎn)效率的生產(chǎn)工藝需求，是推動(dòng)裝焊接機(jī)械手發(fā)展的直接動(dòng)力。關(guān)節(jié)型機(jī)械手在輕型、較簡(jiǎn)單且要求機(jī)械手介個(gè)較低的焊接作業(yè)中大顯身手。本課題正式在這種背景下提出來(lái)的，這是一項(xiàng)具有重要意義的課題。開(kāi)發(fā)的激光檢測(cè)機(jī)械手是吧機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、激光檢測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)等有機(jī)集成的一種新型機(jī)械手。該機(jī)械手具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，可以部分代替人手操作，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度?；谠摍C(jī)械手構(gòu)建的激光無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)，不僅能夠提高激光

16、檢測(cè)的自動(dòng)化程度，提高檢測(cè)效率和可靠性，而且有利于數(shù)據(jù)采集處理以及成像，有利于缺陷的定位、定量和定性分析。該機(jī)械手不僅適應(yīng)激光無(wú)損檢測(cè)，而且也可以用于其它無(wú)損檢測(cè)、制造自動(dòng)化等場(chǎng)合，具有廣泛的適應(yīng)性。6 致謝感謝這篇論文所涉及到的各位學(xué)者。本文引用了數(shù)位學(xué)者的研究文獻(xiàn)，如果沒(méi)有各位學(xué)者的研究成果的幫助和啟發(fā)，我將很難完成本篇論文的寫(xiě)作。感謝我的同學(xué)和朋友，在我寫(xiě)論文的過(guò)程中給予我了很多你問(wèn)素材，還在論文的撰寫(xiě)和排版燈過(guò)程中提供熱情的幫助。- 6 - 由于我的學(xué)術(shù)水平有限，所寫(xiě)論文難免有不足之處，懇請(qǐng)各位老師和學(xué)友批評(píng)和指正！7 參考文獻(xiàn)【1】鄭偉文，吳克堅(jiān)，機(jī)械原理，7 版.北京：高等教育出版社，1997.【2】濮良貴，明剛，機(jī)械設(shè)計(jì)，8 版.北京：高等級(jí)教育出版社，2008.【3】洪家?jiàn)福蠲?，黃興遠(yuǎn)，機(jī)械設(shè)計(jì)指導(dǎo)，南昌：江西高校出版社，2007【4】哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室，理論力學(xué)，北京：高等教育出版社，2002【5】機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)新版第 3 版，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004【6】濮良貴，紀(jì)明剛，機(jī)械