工業(yè)機(jī)械手畢業(yè)設(shè)計(jì)-論文概況

摘要隨著微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制技術(shù)和機(jī)械制造工藝水平的飛速發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域逐步從汽車拓展到其它領(lǐng)域。在各種類型的機(jī)器人中，模擬人體手臂而構(gòu)成的關(guān)節(jié)型機(jī)器人，具有結(jié)構(gòu)緊湊、所占空間小、運(yùn)動(dòng)空間大等優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用最為廣泛的機(jī)器人之一。尤其由柔性關(guān)節(jié)組成的柔性仿生機(jī)器人在服務(wù)機(jī)器人及康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域中的應(yīng)用和需求越來(lái)越突出。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(guò)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(wèn)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)ABSTRACTWiththedevelopmentofmicroelectronictechnology,sensortechnology,therapiddevelopmentofcontroltechnologyandmachinerymanufacturingtechnologylevel,theapplicationofrobotsgraduallyexpandedfromcarstootherfields.Inalltypesofrobots,thearticulatedrobotarmsimulationhumanform,hastheadvantagesofcompactstructure,smalloccupiedspace,largemovingspace,isoneofthemostwidelyusedrobots.Especiallyflexiblebiomimeticrobotcomposedofflexiblejointinthefieldofservicerobotandrehabilitationrobotapplicationanddemandmoreandmoreprominent.InthispaperIwilldesignanindustrialrobotwithfourDOFs,whichisusedto

carrymaterialforapunch.FirstIwilldesignthestructureofthebase,thebigarm,thesmallarmandtheendmanipulatoroftherobot,thenchooseproperdrivemethodandtransmissionmethod,buildingthemechanicalstructureoftherobot.Onthisfoundation,Iwilldesignthecontrolsystemoftherobot,includingchoosingDAQcard,servocontrol,feedbackmethodanddesigningelectriccircuitoftheterminalcardandcontrolsoftware.Greatattentionwillbepaidonthereliabilityofthecontrolsoftwareandtherobotsafetyduringrunning.Theaimstorealizefinallyinclude:servocontrolandbrakeofthejoint,monitoringthemovementofeachjointinrealtime,playbackprogrammingandmodifyingtheprogramonline,settingreferencepointandreturningtoreferencepoint.KEYWORDS:robot,playback,servocontrol,brake目錄第1章緒論……………………31.1機(jī)械手概述……………41.2機(jī)械手的發(fā)展…………41.3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)……………32.1自由度及關(guān)節(jié)……………42.2基座及連桿……………42.2.1基座………………72.2.2大臂………………72.2.3小臂………………72.3機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)……………………42.4驅(qū)動(dòng)方式…………………42.5傳動(dòng)方式…………………42.6制動(dòng)器……………………4第3章控制系統(tǒng)軟件…………43.1預(yù)期的功能……………43.2實(shí)現(xiàn)方法………………43.2.1實(shí)時(shí)顯示各個(gè)關(guān)節(jié)角及運(yùn)動(dòng)圍控制………3.2.2電機(jī)的自鎖3.2.3示教編程及在線修改程序3.2.4設(shè)置參考點(diǎn)及回參考點(diǎn)致………………4參考文獻(xiàn)…………4第1章緒論1.1機(jī)械手概述機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按照給定程序、軌跡和要求能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手叫做“工業(yè)機(jī)械手”。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率，可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境下，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，在機(jī)械加工、沖壓、鍛、鑄、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。國(guó)外對(duì)機(jī)器人及機(jī)械手所作的定義不盡相同。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)對(duì)機(jī)器人的定義:“機(jī)器人是一種能自動(dòng)定位、可控的可編程的多功能操作機(jī)。這類操作機(jī)具有幾個(gè)軸，在可編程序操作下，能處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行各種任務(wù)?！泵绹?guó)標(biāo)準(zhǔn)(NBS)對(duì)機(jī)器人的定義:“一種可編程，并在自動(dòng)化控制下執(zhí)行某種特定操作和移動(dòng)作業(yè)任務(wù)的機(jī)械裝置?！比毡竟I(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的定義:“一種裝備有記憶裝置和最終執(zhí)行裝置，能夠完成各種移動(dòng)來(lái)代替人類勞動(dòng)的通用機(jī)器?！彼址譃橐韵聝煞N情況來(lái)定義:(1)工業(yè)機(jī)器人:“一種能執(zhí)行與人的上肢類似動(dòng)作的多功能機(jī)器。”(2)智能機(jī)器人:“一種具有感覺(jué)和識(shí)別能力，并能夠控制自身行為的機(jī)器。”機(jī)械手可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩大類。專用機(jī)械手:它作為整機(jī)的附屬部分，動(dòng)作簡(jiǎn)單，工作對(duì)象單一，具有固定(有時(shí)可調(diào))程序，使用大批量的自動(dòng)生產(chǎn)。如自動(dòng)生產(chǎn)線上的上料機(jī)械手，自動(dòng)換刀機(jī)械手，裝配焊接機(jī)械手等裝置。通用機(jī)械手:它是一種具有獨(dú)立的控制系統(tǒng)、程序可變、動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械手。它適用于可變換生產(chǎn)品種的中小PLC的硬件結(jié)構(gòu)主要分單元式和模塊式兩種。將PLC的主要部分(包括CPU、I/O系統(tǒng)、電源等)體積小，安裝方便，全部安裝在一個(gè)機(jī)箱。要機(jī)器人像人一樣拿取東西，最簡(jiǎn)單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關(guān)節(jié)等部分組成的抓取和移動(dòng)機(jī)構(gòu)——執(zhí)行機(jī)構(gòu)；像肌肉那樣使手臂運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動(dòng)作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了機(jī)器人的性能。一般而言，機(jī)器人通常就是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如圖1-1所示。圖1-1機(jī)器人的一般組成對(duì)于現(xiàn)代智能機(jī)器人而言，還具有智能系統(tǒng)，主要是感覺(jué)裝置、視覺(jué)裝置和語(yǔ)言識(shí)別裝置等。目前研究主要集中在賦予機(jī)器人“眼睛”，使它能識(shí)別物體和躲避障礙物，以及機(jī)器人的觸覺(jué)裝置。機(jī)器人的這些組成部分并不是各自獨(dú)立的，或者說(shuō)并不是簡(jiǎn)單的疊加在一起，從而構(gòu)成一個(gè)機(jī)器人的。要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人所期望實(shí)現(xiàn)的功能，機(jī)器人的各部分之間必然還存在著相互關(guān)聯(lián)、相互影響和相互制約。它們之間的相互關(guān)系如圖1-2所示。圖1-2機(jī)器人各組成部分之間的關(guān)系機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人賴以完成工作任務(wù)的實(shí)體，通常由連桿和關(guān)節(jié)組成，由驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務(wù)。驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供機(jī)器人各關(guān)節(jié)所需要的動(dòng)力，傳動(dòng)系統(tǒng)則將驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)換為滿足機(jī)器人各關(guān)節(jié)力矩和運(yùn)動(dòng)所要求的驅(qū)動(dòng)力或力矩。有的文獻(xiàn)則把機(jī)器人分為機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。其中的機(jī)械系統(tǒng)又叫操作機(jī)(Manipulator)，相當(dāng)于本文中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分。1.2機(jī)械手的發(fā)展工業(yè)機(jī)械手是在第二次世界大戰(zhàn)期間發(fā)展起來(lái)的，始于40年代的美國(guó)橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室的搬運(yùn)核原料的遙控機(jī)械操作手研究，它是一種主從型的控制系統(tǒng)。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的；1962年，美國(guó)聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上，又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手，命名為Unimate(即萬(wàn)能自動(dòng))。1962年美國(guó)機(jī)械鑄造公司也實(shí)驗(yàn)成功一種叫Versatran機(jī)械手，原意是靈活搬運(yùn)，可作點(diǎn)位和軌跡控制；該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮，采用液壓驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國(guó)外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。從60年代后期起，噴漆、弧焊工業(yè)機(jī)器人相繼在生產(chǎn)中開(kāi)始應(yīng)用。1978年美國(guó)Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制出一種Unimation-Vic-arm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于±lmm。聯(lián)邦德國(guó)機(jī)器制造業(yè)是從1970年開(kāi)始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)；聯(lián)邦德國(guó)Kuka公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制；日本是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展最快，應(yīng)用最多的，自1969年從美國(guó)引進(jìn)兩種典型機(jī)械手后，開(kāi)始大力從事機(jī)械手的研究，目前以成為世界上工業(yè)機(jī)械手(機(jī)器人)應(yīng)用最多的之一。前聯(lián)自六十年代開(kāi)始發(fā)展應(yīng)用機(jī)械手，主要用于機(jī)械化、自動(dòng)化程序較低、繁重單調(diào)、有害于健康的輔助性工作。我國(guó)工業(yè)機(jī)械手的研究與開(kāi)發(fā)始于20世紀(jì)70年代。1972年我國(guó)第一臺(tái)機(jī)械手開(kāi)發(fā)于，隨之全國(guó)各省都開(kāi)始研制和應(yīng)用機(jī)械手。從第七個(gè)五年計(jì)劃(1986-1990)開(kāi)始，我國(guó)政府將工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展列入其中，并且為此項(xiàng)目投入的大量的資金，研究開(kāi)發(fā)并且制造了一系列的工業(yè)機(jī)器人，有由機(jī)械自動(dòng)化研究所設(shè)計(jì)制造的噴涂機(jī)器人，機(jī)床研究所和機(jī)床研究所合作設(shè)計(jì)制造的點(diǎn)焊機(jī)器人，機(jī)床研究所設(shè)計(jì)制造的氬弧焊機(jī)器人，工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)制造的裝卸載機(jī)器等等。這些機(jī)人的控制器，都是由中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所(SIA)和科技大學(xué)機(jī)器人研究所開(kāi)發(fā)的，同時(shí)一系列的機(jī)器人關(guān)鍵部件也被開(kāi)發(fā)出來(lái)，如機(jī)器人專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機(jī)，編碼器，DC--PWM等等。我國(guó)的工業(yè)機(jī)械手(或第一代機(jī)械手)發(fā)展主要是逐步擴(kuò)大其應(yīng)用圍；在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)地發(fā)展通用機(jī)械手，研制出示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合式機(jī)械手等?？梢詫C(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不同的典型機(jī)構(gòu)，組裝成各種用途的機(jī)械手，即便于設(shè)計(jì)制造，又便于更換工件，擴(kuò)大了應(yīng)用圍。1.3機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機(jī)器人設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力進(jìn)一步得到加強(qiáng)，尤其當(dāng)機(jī)器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而改變目前機(jī)械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。就目前來(lái)看，總的來(lái)說(shuō)現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：a)提高運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)精度，減少重量和占用空間，加速機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，將機(jī)器人的各個(gè)機(jī)械模塊、控制模塊、檢測(cè)模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機(jī)器人；b)開(kāi)發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類型的場(chǎng)合，如開(kāi)發(fā)微動(dòng)機(jī)構(gòu)用以保證精度；開(kāi)發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指；開(kāi)發(fā)各類行走機(jī)器人，以適應(yīng)不同的場(chǎng)合；c)研制各類傳感器及檢測(cè)元器件，如，觸覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、和測(cè)距傳感器等，用傳感器獲得工作對(duì)象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識(shí)別、狀態(tài)檢測(cè)。并采用專家系統(tǒng)進(jìn)行問(wèn)題求解、動(dòng)作規(guī)劃，同時(shí)，越來(lái)越多的系統(tǒng)采用微機(jī)進(jìn)行控制。第2章實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹及機(jī)械手的設(shè)計(jì)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)械手的基本結(jié)構(gòu)機(jī)械手是一個(gè)水平、垂直運(yùn)動(dòng)的機(jī)械設(shè)備，用來(lái)將工件由左工作臺(tái)搬到右工作臺(tái)。有上升、下降運(yùn)動(dòng)，左移、右移運(yùn)動(dòng)和夾緊、放松動(dòng)作和位置控制。簡(jiǎn)易機(jī)械手在各類全自動(dòng)和半自動(dòng)生產(chǎn)線上應(yīng)用得十分廣泛，主要用于零部件或成品在固定位置之間的移動(dòng)，替代人工作業(yè)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手采用上下升降加平面轉(zhuǎn)動(dòng)式結(jié)構(gòu)，機(jī)械手的動(dòng)作由氣動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)，氣動(dòng)缸由相應(yīng)的電磁閥來(lái)控制，電磁閥由PLC控制。驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件完成，能十分方便的嵌入到各類工業(yè)生產(chǎn)線中。圖3.1為機(jī)械手簡(jiǎn)圖,其中1-豎直氣缸，2-執(zhí)行氣爪，3-工件，4-水平氣缸，5-旋轉(zhuǎn)軸，6-支架，7-底座。這個(gè)機(jī)械手具有二個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)自由度用于將源工作臺(tái)上的物品搬到其左側(cè)或右側(cè)目的工作臺(tái)上。機(jī)械手的直線動(dòng)作由氣缸驅(qū)動(dòng)，氣缸由電磁閥控制，整個(gè)機(jī)械手在工作中能實(shí)現(xiàn)上升/下降、左傳/右轉(zhuǎn)、夾緊/放松功能，是目前較為簡(jiǎn)單的、應(yīng)用比較廣泛的一種機(jī)械手。其升降運(yùn)動(dòng)通過(guò)升降氣缸、垂直導(dǎo)柱、滑動(dòng)導(dǎo)柱、垂直導(dǎo)軌及升降位置微動(dòng)開(kāi)關(guān)相互配合完成，升降工作行程為0~1500mm;轉(zhuǎn)動(dòng)是通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸承、轉(zhuǎn)動(dòng)工作行程為0~°；機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)由感知部分、控制部分、主機(jī)部分和執(zhí)行部分四個(gè)方面組成。采集感知信號(hào)及控制信號(hào)均由氣動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)。主機(jī)部分采用了標(biāo)準(zhǔn)型材輔以模塊化的裝配形式，使得氣動(dòng)機(jī)械手能拓展成系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品。人們根據(jù)應(yīng)用工況的要求，選擇相應(yīng)功能和參數(shù)的模塊，像積木一樣隨意的組合，這是一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想，代表氣動(dòng)技術(shù)今后的發(fā)展方向，也將始終貫穿著機(jī)械手的發(fā)展及實(shí)用性模塊化拼裝的氣動(dòng)機(jī)械手比組合導(dǎo)向裝置更具有靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及氣管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置，使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)自如。由于采用了模塊化拼裝結(jié)構(gòu)，可組成立柱型氣動(dòng)機(jī)械手、門架型氣動(dòng)機(jī)械手及滑塊型氣動(dòng)機(jī)械手，及其它各種類型的機(jī)械手。這些模塊化機(jī)械手組裝方便，動(dòng)作靈活，具有較高的定位精度，但工作空間比較小，主要應(yīng)用于一般的送料自動(dòng)線上。氣動(dòng)機(jī)械手具有三個(gè)自由度，即水平(Z)方向自由度、垂直(Y)方向自由度和旋轉(zhuǎn)自由度，并可以采用多種靈活的控制方案。414125673左右圖2-3機(jī)械手簡(jiǎn)圖圖2-3中工件所處位置為原點(diǎn)位置，根據(jù)課題設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求：機(jī)械手初始位置在原點(diǎn)位置，每次循環(huán)動(dòng)作都從原點(diǎn)位置開(kāi)始，完成上升、下降運(yùn)動(dòng)，左移、右移運(yùn)動(dòng)和夾緊、放松動(dòng)作和位置控制，并能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作和自動(dòng)操作方式。當(dāng)機(jī)械手在原點(diǎn)位置下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)啟動(dòng)，左傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到物品后，左傳送帶停止運(yùn)行。根據(jù)分析可得出機(jī)械手的工作流程圖，如圖2-3-1所示。工件延時(shí)下限上限工件延時(shí)下限上限原位原位下降夾緊上升右移停止左移上升松開(kāi)下降下限延時(shí)上限左限啟動(dòng)右限圖2-3-1機(jī)械手工作流程圖可見(jiàn)，實(shí)現(xiàn)要求功能需要如下條件：(1)底座與橫梁之間需要旋轉(zhuǎn)盤，旋轉(zhuǎn)盤的驅(qū)動(dòng)由電機(jī)來(lái)完成，普通電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，需要考慮安裝減速機(jī)，在這種頻繁啟動(dòng)制動(dòng)的場(chǎng)合下，選用低速電機(jī)會(huì)更方便。(2)橫梁在普通情況下，長(zhǎng)度是固定的，如果工作臺(tái)不進(jìn)行調(diào)整，橫梁長(zhǎng)度可永遠(yuǎn)不變。課題任務(wù)也未作橫梁要求，但在實(shí)際應(yīng)用中，可能出現(xiàn)工作臺(tái)距離調(diào)整的情況，為增加機(jī)械手的通用性，本設(shè)計(jì)中在橫梁上安裝了執(zhí)行氣缸，可使用手動(dòng)按鈕調(diào)整橫梁長(zhǎng)度。(3)豎直方向上是頻繁上下工作的機(jī)構(gòu)，可選用電機(jī)傳動(dòng)的齒輪齒條嚙合機(jī)構(gòu)，也可選用執(zhí)行氣缸，后者是新技術(shù)更經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、噪音低，也更符合課題要求。(4)抓緊機(jī)構(gòu)也可選用氣動(dòng)執(zhí)行爪和執(zhí)行氣缸并用組成氣動(dòng)執(zhí)行模塊。(5)光電開(kāi)關(guān)在控制方面是作為輸入量的信號(hào)源之一，它可以選擇模擬輸入和數(shù)字輸入，根據(jù)課題要求和后面PLC的各輸入量的情況，選用數(shù)字輸送式的光電開(kāi)關(guān)更方便簡(jiǎn)捷。根據(jù)以上分析，機(jī)械構(gòu)造方案基本固定。整個(gè)機(jī)械手一共用到三個(gè)氣缸，PLC需要控制每個(gè)氣缸的動(dòng)作：橫梁長(zhǎng)氣缸的外調(diào)，執(zhí)行氣爪的夾持與放松、豎導(dǎo)桿氣缸的升降和各氣缸的定位控制上面所述的橫梁調(diào)整功能是本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之一，另外兩個(gè)是工件計(jì)數(shù)和故障報(bào)警。2.3.1機(jī)械手的控制要求機(jī)械手的操作方式分為手動(dòng)操作和自動(dòng)操作，自動(dòng)操作又分為單周期操作和連續(xù)操作方式。手動(dòng)操作是指用按鈕對(duì)機(jī)械手的每一步運(yùn)動(dòng)單獨(dú)進(jìn)行控制；單周期操作指機(jī)械手從原點(diǎn)開(kāi)始，按啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手自動(dòng)完成1個(gè)周期的動(dòng)作后停止；連續(xù)操作指機(jī)械手從原點(diǎn)開(kāi)始，按啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手的動(dòng)作將自動(dòng)地、連續(xù)不斷地周期性循環(huán)。在工作中若按停止按鈕，機(jī)械手將繼續(xù)完成1個(gè)周期的動(dòng)作后，回到原點(diǎn)自動(dòng)停止。（1）機(jī)械手的自動(dòng)運(yùn)行：①下降：當(dāng)機(jī)械手檢測(cè)到傳送帶A上有工件時(shí)，有原點(diǎn)位置開(kāi)始下降，下降到位時(shí)，碰到下極限開(kāi)關(guān)，機(jī)械手停止下降，同時(shí)接通加緊電磁閥線圈。②加緊工件：當(dāng)機(jī)械手加緊到位時(shí)，壓力繼電器動(dòng)合觸電閉合，接通上升電磁閥線圈。③上升：當(dāng)機(jī)械手夾緊到位時(shí)，機(jī)械手開(kāi)始上升，上升到位時(shí)，碰到上極限開(kāi)關(guān)，機(jī)械手停止上升，同時(shí)接通右移電磁閥線圈。④右移：當(dāng)機(jī)械手上升到位時(shí)，機(jī)械手開(kāi)始右移，右移到位時(shí)，碰到有極限開(kāi)關(guān)，機(jī)械手停止右移，同時(shí)接通下降電磁閥線圈。⑤下降：當(dāng)機(jī)械手右移到位時(shí)，機(jī)械手重新開(kāi)始下降，下降到位時(shí)，碰到下極限開(kāi)關(guān)，機(jī)械手停止下降，同時(shí)釋放加緊電磁閥線圈。⑥放松工件：放松動(dòng)作為時(shí)間控制，設(shè)為2秒。⑦上升：工件放松后，機(jī)械手開(kāi)始上升，上升到位時(shí)，碰到上極限開(kāi)關(guān)，機(jī)械手停止上升，同時(shí)接通左移電磁閥線圈。⑧左移：機(jī)械手上升到位后，開(kāi)始左移，左移到位時(shí)，碰到左極限開(kāi)關(guān)，機(jī)械手停止左移。⑨回到原位：機(jī)械手左移到位后，回到原點(diǎn)位置，再次自動(dòng)啟動(dòng)傳送帶A，當(dāng)光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到工件后，又開(kāi)始新的工作循環(huán)周期。機(jī)械手的手動(dòng)運(yùn)行（2）手動(dòng)運(yùn)行是指機(jī)械手的上升、下降、左移、右移及夾緊操作通過(guò)對(duì)應(yīng)的手動(dòng)操作按鈕控制，與操作順序無(wú)關(guān)。2.4驅(qū)動(dòng)方式該機(jī)器人一共具有四個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，連同末端機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，一共需要五個(gè)動(dòng)力源。機(jī)器人常用的驅(qū)動(dòng)方式有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)三種類型。這三種方法各有所長(zhǎng)，各種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)見(jiàn)表2.4：表2.4三種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)對(duì)照容驅(qū)動(dòng)方式液壓驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出功率

很大，壓力圍為50～140Pa大，壓力圍為48～60Pa，最大可達(dá)Pa

較大控制性能利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無(wú)級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜響應(yīng)速度

很高較高

很高結(jié)構(gòu)性能及體積結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問(wèn)題較大結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問(wèn)題較小伺服電動(dòng)機(jī)易于標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動(dòng)機(jī)一般需配置減速裝置，除DD電動(dòng)機(jī)外，難以直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)密封問(wèn)題安全性防爆性能較好，用液壓油作傳動(dòng)介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危險(xiǎn)防爆性能好，高于1000kPa(10個(gè)大氣壓)時(shí)應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性設(shè)備自身無(wú)爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)，直流有刷電動(dòng)機(jī)換向時(shí)有火花，對(duì)環(huán)境的防爆性能較差對(duì)環(huán)境的影響液壓系統(tǒng)易漏油，對(duì)環(huán)境有污染排氣時(shí)有噪聲無(wú)在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用圍適用于重載、低速驅(qū)動(dòng)，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人和托運(yùn)機(jī)器人適用于中小負(fù)載驅(qū)動(dòng)、精度要求較低的有限點(diǎn)位程序控制機(jī)器人，如沖壓機(jī)器人本體的氣動(dòng)平衡及裝配機(jī)器人氣動(dòng)夾具適用于中小負(fù)載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機(jī)器人，如AC伺服噴涂機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、裝配機(jī)器人等成本液壓元件成本較高成本低成本高維修及使用方便，但油液對(duì)環(huán)境溫度有一定要求方便較復(fù)雜機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，通常對(duì)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求有：1）．驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量盡可能要輕，單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率也要高；2）．反應(yīng)速度要快，即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比要大，能夠進(jìn)行頻繁地起、制動(dòng)，正、反轉(zhuǎn)切換；3）．驅(qū)動(dòng)盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要?。?）．安全可靠；5）．操作和維護(hù)方便；6）．對(duì)環(huán)境無(wú)污染，噪聲要??；7）．經(jīng)濟(jì)上合理，尤其要盡量減少占地面積?；谏鲜鲵?qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)和機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，本文選用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式對(duì)機(jī)器人進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。表2.2為選定的各個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)型號(hào)及其相關(guān)參數(shù)。表2.2機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)電機(jī)參數(shù)腰關(guān)節(jié)肩關(guān)節(jié)肘關(guān)節(jié)腕關(guān)節(jié)手爪型號(hào)MAXON2332MAXON2332MAXON2332MULTIPLEXSTELL-SERVOMULTIPLEXSTELL-SERVO額定電壓18v18v18v6v6v額定轉(zhuǎn)矩18.2N·m18.2N·m18.2N·m10.3N·m10.3N·m最大轉(zhuǎn)矩67.4N·m67.4N·m67.4N·m額定轉(zhuǎn)速7980rpm7980rpm7980rpm5460rpm5460rpm最高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子慣量9200rpm18.4gcm·cm9200rpm18.4gcm·cm9200rpm18.4gcm·cm2.5傳動(dòng)方式由于一般的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出的力矩較小，需要通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)增加力矩，提高帶負(fù)載能力。對(duì)機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的一般要求有：（1）結(jié)構(gòu)緊湊，即具有相同的傳動(dòng)功率和傳動(dòng)比時(shí)體積最小，重量最輕；（2）傳動(dòng)剛度大，即由驅(qū)動(dòng)器的輸出軸到連桿關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸在相同的扭矩時(shí)角度變形要小，這樣可以提高整機(jī)的固有頻率，并大大減輕整機(jī)的低頻振動(dòng)；（3）回差要小，即由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)時(shí)空行程要小，這樣可以得到較高的位置控制精度；（4）壽命長(zhǎng)、價(jià)格低。本文所選用的電機(jī)都采用了電機(jī)和齒輪輪系一體化的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，具有很強(qiáng)的帶負(fù)載能力，但是不能通過(guò)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)各個(gè)連桿的運(yùn)動(dòng)。為減小機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程的沖擊和振動(dòng)，并且不降低控制精度，采用了齒形帶傳動(dòng)。齒形帶傳動(dòng)是同步帶的一種，用來(lái)傳遞平行軸間的運(yùn)動(dòng)或?qū)⒒剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，在本文中主要用于腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的傳動(dòng)。齒形帶傳動(dòng)原理如圖2.5所示。齒輪帶的傳動(dòng)比計(jì)算公式為齒輪帶的平均速度為 圖2.5齒形帶傳動(dòng)2.6制動(dòng)器制動(dòng)器及其作用：制動(dòng)器是將機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分的能量變?yōu)闊崮茚尫?，從而使運(yùn)動(dòng)的機(jī)械速度降低或者停止的裝置，它大致可分為機(jī)械制動(dòng)器和電氣制動(dòng)起兩類。在機(jī)器人機(jī)構(gòu)中，學(xué)要使用制動(dòng)器的情況如下：特殊情況下的瞬間停止和需要采取安全措施停電時(shí)，防止運(yùn)動(dòng)部分下滑而破壞其他裝置。機(jī)械制動(dòng)器：機(jī)械制動(dòng)器有螺旋式自動(dòng)加載制動(dòng)器、盤式制動(dòng)器、閘瓦式制動(dòng)器和電磁制動(dòng)器等幾種。其中最典型的是電磁制動(dòng)器。在機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中常使用伺服電動(dòng)機(jī)，伺服電機(jī)本身的特性決定了電磁制動(dòng)器是不可缺少的部件。從原理上講，這種制動(dòng)器就是用彈簧力制動(dòng)的盤式制動(dòng)器，只有勵(lì)磁電流通過(guò)線圈時(shí)制動(dòng)器打開(kāi)，這時(shí)制動(dòng)器不起制動(dòng)作用，而當(dāng)電源斷開(kāi)線圈中無(wú)勵(lì)磁電流時(shí)，在彈簧力的作用下處于制動(dòng)狀態(tài)的常閉方式。因此這種制動(dòng)器被稱為無(wú)勵(lì)磁動(dòng)作型電磁制動(dòng)器。又因?yàn)檫@種制動(dòng)器常用于安全制動(dòng)場(chǎng)合，所以也稱為安全制動(dòng)器。電氣制動(dòng)器電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，反之，他也具有將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電功能。換言之，伺服電機(jī)是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，同時(shí)也能通過(guò)其反過(guò)程來(lái)達(dá)到制動(dòng)的目的。但對(duì)于直流電機(jī)、同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)等各種不同類型的電機(jī)，必須分別采用適當(dāng)?shù)闹苿?dòng)電路。本文中，該機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)未安裝機(jī)械制動(dòng)器，因此機(jī)器人的肩關(guān)節(jié)和軸關(guān)節(jié)在停止轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，會(huì)因?yàn)橹亓σ蛩囟侣?。另外，由于各方面限制，不方便在原有機(jī)構(gòu)上添加機(jī)械制動(dòng)器，所以只能通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)和軸關(guān)節(jié)的電氣制動(dòng)。采用電氣制動(dòng)器，其優(yōu)點(diǎn)在于：在不增加驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量的同時(shí)又具有制動(dòng)功能，這是非常理想的情況，而在機(jī)器人上安裝機(jī)械制動(dòng)器會(huì)使質(zhì)量有所增加，故應(yīng)盡量避免。缺點(diǎn)在于：這種方法不如機(jī)械制動(dòng)器工作可靠，斷電的時(shí)候?qū)⑹ブ苿?dòng)作用。第3章控制系統(tǒng)軟件以上完成了機(jī)器人的本體設(shè)計(jì)，下面將通過(guò)設(shè)計(jì)控制軟件，使計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡有條不紊地向外部發(fā)送指揮信號(hào)，最終驅(qū)動(dòng)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，使之按照人的意愿“工作”。3.1預(yù)期的功能（1）.實(shí)時(shí)顯示各個(gè)關(guān)節(jié)角，并且可以防止各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度超出預(yù)定的關(guān)節(jié)角圍；（2）.實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的伺服控制；（3）.實(shí)現(xiàn)電機(jī)的自鎖；（4）.實(shí)現(xiàn)示教編程及在線修改程序；（5）.可以設(shè)置參考點(diǎn)，使機(jī)器人在空間有一個(gè)固定的參考位置，可以回參考點(diǎn)。3.2實(shí)現(xiàn)方法以模塊化程序設(shè)計(jì)思想為指導(dǎo)，以預(yù)期要實(shí)現(xiàn)的功能作為各個(gè)模塊，設(shè)計(jì)控制軟件。本文采用了VisualC++作為編程工具。3.2.1在BOOLCRobotDlg::OnInitDialog()函數(shù)中，設(shè)置定時(shí)器SetTimer(1,gwScanTime,NULL)，然后在voidCRobotDlg::OnTimer(UINTnIDEvent)函數(shù)中，通過(guò)調(diào)用boolCRobotDlg::position_now(USHORTka1_chan)，采樣電位器輸出電壓，通過(guò)前面的電位器標(biāo)定函數(shù)，換算出各個(gè)關(guān)節(jié)的角度，并顯示出來(lái)。在voidCRobotDlg::OnChangeAngle?Edit()函數(shù)中（?表示1，2，3，4，5），將換算出的角度與該關(guān)節(jié)預(yù)設(shè)的運(yùn)動(dòng)圍作比較，看其是否在此區(qū)間，否則彈出警告對(duì)話框，并且自動(dòng)停止該關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。3.2.2該機(jī)器人關(guān)節(jié)上未裝制動(dòng)器，所以必須通過(guò)軟件程序?qū)崿F(xiàn)關(guān)節(jié)的自鎖，尤其是肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的自鎖。解決思路：大臂和小臂在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不會(huì)由于重力而掉落，在電機(jī)停止的時(shí)候卻會(huì)下落，因?yàn)殡姍C(jī)一旦停止，就失去了驅(qū)動(dòng)力矩，因此若想讓大臂和小臂停止在預(yù)定位置，應(yīng)該在此位置給關(guān)節(jié)電機(jī)施加一個(gè)電壓，讓它擔(dān)負(fù)起大臂或小臂，而不讓其由于重力而下落。但是，在不同的位置，重力對(duì)大臂或小臂的力矩不同，應(yīng)提供給電機(jī)的電壓也不同，如何選取電機(jī)的電壓呢？提供給電機(jī)的電壓小了，不足以抵抗重力的力矩；提供給電機(jī)的電壓大了，會(huì)使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使大臂或小臂上升；所以，最好能通過(guò)程序來(lái)自適應(yīng)選擇這個(gè)制動(dòng)電壓，方法有多種，下面是本文的設(shè)計(jì)過(guò)程。程序設(shè)計(jì)：在調(diào)用在OnT2Button()或OnT3Button()函數(shù)時(shí)，先給電機(jī)一個(gè)0電壓，使電機(jī)失去驅(qū)動(dòng)力矩，同時(shí)調(diào)用position_now(USHORTka1_chan)函數(shù)獲得此刻的關(guān)節(jié)位置，然后延時(shí)一段時(shí)間比如0.1s，再給電機(jī)一個(gè)小電壓，形成一個(gè)小的制動(dòng)力矩，通過(guò)采樣此刻位置看其是否能使關(guān)節(jié)制動(dòng)；如果不能，則使該電壓值按照一定的步長(zhǎng)線性增加，以增大制動(dòng)力矩；這通過(guò)一個(gè)while()循環(huán)實(shí)現(xiàn)，如果采樣位置不再減小，則表示大臂或小臂已停止下落，可跳出循環(huán)。下圖為程序流程圖：調(diào)用調(diào)用OnT2Button()或OnT3Button()函數(shù)使電機(jī)電壓為0，并