工業(yè)機(jī)器人畢業(yè)設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人摘要在當(dāng)今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)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)線上重要的組員，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應(yīng)了一種國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化的水平。目前，工業(yè)機(jī)器人重要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運(yùn)以及堆垛等反復(fù)性并且勞動(dòng)程度極大的工作，工作方式一般采用示教在線的方式。本文將設(shè)計(jì)一臺(tái)圓柱坐標(biāo)型的工業(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)器人的大臂、小臂、底座和機(jī)械手的構(gòu)造，然后選擇合適的傳動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)方式，搭建機(jī)器人的構(gòu)造平臺(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、以及控制元件的設(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)的目的包括：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)狀況、機(jī)器人的示教編程和在線修改程序、設(shè)置參照點(diǎn)和回參照點(diǎn)。目錄摘要1緒論…………………11.1工業(yè)機(jī)器人研究的目的和意義…………………11.2工業(yè)機(jī)器人在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)實(shí)狀況與趨勢(shì)……..1.3工業(yè)機(jī)器人的分類1.4本課題研究的重要內(nèi)容2總體方案確實(shí)定2.1構(gòu)造設(shè)計(jì)概述2.2基本設(shè)計(jì)參數(shù)2.3工作空間的分析2.4驅(qū)動(dòng)方式2.5傳動(dòng)方式確定3搬運(yùn)機(jī)器人的構(gòu)造設(shè)計(jì)3.1驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)系統(tǒng)的總體構(gòu)造設(shè)計(jì)3.2手爪驅(qū)動(dòng)氣缸設(shè)計(jì)計(jì)算3.3進(jìn)給絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算3.4驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型計(jì)算3.5手臂強(qiáng)度校核4搬運(yùn)機(jī)器人的控制系統(tǒng)4.1機(jī)器人控制系統(tǒng)分類4.2控制系統(tǒng)方案分析4.3機(jī)器人的控制系統(tǒng)方案確定4.4PLC及運(yùn)動(dòng)控制單元選型5結(jié)論與展望道謝1緒論1.1工業(yè)機(jī)器人研究的目的和意義工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動(dòng)化妝備。自從1962年美國(guó)研制出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人以來，機(jī)器人技術(shù)及其產(chǎn)品發(fā)展很快，已成為柔性制造系統(tǒng)（FMS）、自動(dòng)化工廠（ＦＡ）、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（ＣＩＭＳ）的自動(dòng)化工具。廣泛采用工業(yè)機(jī)器人、不僅提高產(chǎn)品的質(zhì)量與數(shù)量并且也保障人身安全、改善勞動(dòng)環(huán)境、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、節(jié)省材料消耗以及減少生產(chǎn)成本有著十分重要的意義。與計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)同樣，工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用正在日益變化著人類的生產(chǎn)和生活方式。２０世紀(jì)８０年代以來，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)逐漸成熟、并很快得到推廣，目前已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)的許多領(lǐng)域得到應(yīng)用。在工業(yè)機(jī)器人逐漸得到推廣和普及工程中，下面三個(gè)方面的技術(shù)進(jìn)步起著非常重要的作用。１驅(qū)動(dòng)方式的變化２０世紀(jì)７０年代后期，日本安川電動(dòng)機(jī)企業(yè)研制出了第一臺(tái)全自動(dòng)的工業(yè)機(jī)器人而此前的工業(yè)機(jī)器人基本上采用液壓驅(qū)動(dòng)方式。但與采用液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人相比，采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人在響應(yīng)速度、精度、靈活性等方面均有很大的提高。因此它逐漸替代了采用液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人成為工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式的主流。在此過程中，諧波減速器、ＲＶ減速器等高性能減速機(jī)構(gòu)的發(fā)展也功不可沒。近年來，交流伺服驅(qū)動(dòng)已經(jīng)逐漸替代老式的直流伺服驅(qū)動(dòng)方式，直線電動(dòng)機(jī)等新型驅(qū)動(dòng)方式在許多應(yīng)用領(lǐng)域也有了長(zhǎng)足發(fā)展。２信息處理速度的提高機(jī)器人的動(dòng)作一般是通過機(jī)器人的各個(gè)環(huán)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的。為了是機(jī)器人完畢多種復(fù)雜動(dòng)作，機(jī)器人控制器需要進(jìn)行大量計(jì)算并在此基礎(chǔ)上向機(jī)器人的各個(gè)環(huán)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)發(fā)出必要的控制指令。伴隨信息技術(shù)的不停發(fā)展，CPU的計(jì)算能力有了很大的提高，機(jī)器人控制器的性能也有了很大提高，高性能機(jī)器人控制器甚至可以同步控制２０多種關(guān)節(jié)。機(jī)器人控制性能的提高，也深入增進(jìn)了工業(yè)機(jī)器人自身性能的提高并擴(kuò)大了工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用范圍。近年來，伴隨信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)出現(xiàn)了多臺(tái)機(jī)器人通過網(wǎng)絡(luò)共享信息并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行協(xié)調(diào)控制的技術(shù)趨勢(shì)。1.2工業(yè)機(jī)器人在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)實(shí)狀況與趨勢(shì)目前，工業(yè)機(jī)器人有很大一部分應(yīng)用于制造業(yè)的物流搬運(yùn)中，極大的增進(jìn)物流自動(dòng)化，伴隨生產(chǎn)的發(fā)展，搬運(yùn)機(jī)器人的各方面的性能都得到了很大的改善和提高。氣動(dòng)機(jī)械手大量應(yīng)用到物流搬運(yùn)機(jī)器人領(lǐng)域。在手爪的機(jī)械構(gòu)造方面根據(jù)所應(yīng)用場(chǎng)所的不一樣以及對(duì)工件夾持的特殊規(guī)定，采用了多種形式的機(jī)械構(gòu)造來完畢對(duì)工件的夾緊和防止工件脫落的鎖緊措施。在針對(duì)同樣的目的任務(wù)，采用多種運(yùn)動(dòng)方式相結(jié)合的方式來到達(dá)預(yù)定的目的。驅(qū)動(dòng)方面采用了一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人多種驅(qū)動(dòng)方式狀況，由液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)等等。越來越多的搬運(yùn)機(jī)器人是采用混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的，這樣可以更好的發(fā)揮各驅(qū)動(dòng)方式的長(zhǎng)處，防止缺陷并在它的控制精度方面和搬運(yùn)效率方面有了很大的提高。在搬運(yùn)機(jī)械手的控制方面出現(xiàn)了多種控制方式。如、有原始的電控機(jī)械手，較先進(jìn)的基于工控機(jī)控制的，基于ＰＣ控制的，深入的嵌入式ＰＣ控制技術(shù)，還采用PLC可編程控制的。在物料搬運(yùn)方面，近年來展現(xiàn)出的趨勢(shì)就是系統(tǒng)化。無論是我國(guó)還是國(guó)外，物料搬運(yùn)的發(fā)展都是由單一設(shè)備走向成套設(shè)備；由單機(jī)走向系統(tǒng)。在制造業(yè)方面，伴隨JIT、FMS、CIMS等現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，對(duì)物料的搬運(yùn)系統(tǒng)也提出了新的規(guī)定，其特點(diǎn)是力爭(zhēng)減少庫(kù)存、壓縮等待和輔助時(shí)間，使多品種、少批量的物料準(zhǔn)時(shí)抵達(dá)規(guī)定的地點(diǎn)。這一趨勢(shì)在機(jī)械工業(yè)方面得到了很大的應(yīng)用，其中采用了機(jī)器人等先進(jìn)的物料搬運(yùn)技術(shù)，增進(jìn)了機(jī)械工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和生產(chǎn)水平提高?，F(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展首先表目前工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大和機(jī)器人的種類增多；另首先表目前機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的性能的提高和控制系統(tǒng)的智能化。前者指的是應(yīng)用領(lǐng)域的橫向拓寬，后者是在性能及水平上的縱向提高，又使擴(kuò)大機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬和性能水平的提高，又使擴(kuò)大機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域成為也許。1工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)性能的提高深入提高工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度。機(jī)器人是一種多關(guān)節(jié)開鏈構(gòu)造，因此機(jī)器人手臂的剛度一般都不高，此外由于構(gòu)件的尺寸誤差和傳動(dòng)間隙的存在，以及機(jī)器人手臂末端誤差的放大作用，是目前機(jī)器人的定位與運(yùn)動(dòng)還不能到達(dá)很高的精度。度大、精度高的數(shù)控機(jī)床相比，機(jī)器人在工作精度上大為遜色。因此，至今工業(yè)機(jī)器人在精密裝配及其他精密作業(yè)中的應(yīng)用中仍受到了很大的限制，除了精密作業(yè)規(guī)定高精度機(jī)器人以外，采用離線編程的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)也規(guī)定該機(jī)器人要具有足夠高的定位精度和運(yùn)動(dòng)精度。深入提高機(jī)器人工作精度的重要措施：提高機(jī)器人的加工精度與裝配精度，采用無障傳動(dòng)的減速機(jī)構(gòu)，采用直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過標(biāo)定機(jī)器人的。2誤差賠償通過試驗(yàn)檢測(cè)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，提高機(jī)器人手的靈活度和避障能力：目前常用機(jī)器人手的靈活度的都不夠高，即手臂末端到達(dá)某一工作點(diǎn)時(shí)，手臂也許采用的姿態(tài)是有限的，有時(shí)要有很大的靈活度和很強(qiáng)的避障能力。例如：當(dāng)時(shí)噴涂機(jī)器人噴涂車身內(nèi)表面時(shí)，規(guī)定機(jī)器人能將車身內(nèi)表面的各個(gè)角落都噴上漆，必須要有高靈活度機(jī)器人手才行。此外，在有限空間及有障礙的復(fù)雜環(huán)境中作業(yè)的機(jī)器人。例如：在核電站工作的機(jī)器人也規(guī)定其具有高靈活度的機(jī)器人手臂。為了提高工業(yè)機(jī)器人手臂的靈活度，重要采用品有冗雜自由度的機(jī)器人手臂和在機(jī)器人手臂機(jī)構(gòu)上采用膨脹膠關(guān)節(jié)及雙向彎曲手臂。3提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和響應(yīng)頻率：為了提高機(jī)器人作業(yè)頻率以及提高具有感知功能機(jī)器人的反應(yīng)速度就必須提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度和響應(yīng)頻率。這一點(diǎn)對(duì)裝配機(jī)器人來說尤為重要。為此首先可以通過采用高強(qiáng)度材料和輕質(zhì)材料（如碳纖維復(fù)合材料）制造機(jī)器人手臂以到達(dá)減輕手臂重量和提高手臂動(dòng)態(tài)特性的目的；另首先也可以通過采用直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)或其他高性能驅(qū)動(dòng)電機(jī)，從控制和驅(qū)動(dòng)方面提高機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度與響應(yīng)頻率。4提高機(jī)器人手爪或手腕的操作能力、靈活性與迅速反應(yīng)能力：為了使機(jī)器人能像人同樣進(jìn)行多種復(fù)雜作業(yè)如裝配作業(yè)、維修作業(yè)及設(shè)備操作。機(jī)器人就必須有一種運(yùn)動(dòng)靈活和動(dòng)作敏捷的手腕和手爪。這一點(diǎn)對(duì)裝配作業(yè)機(jī)器人、核工業(yè)機(jī)器人和在空間上作業(yè)的空間機(jī)器人來說是尤其重要的。5采用模塊化組合式機(jī)器人構(gòu)造：提高機(jī)器人迅速維修性能，根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，制造出多種不一樣尺寸和規(guī)格的手臂和連接器模塊，用少許的可組合成多種機(jī)器人配置。這種機(jī)器人能進(jìn)行迅速維修，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恢復(fù)。因此這種機(jī)器人構(gòu)造最合用于空間機(jī)器人、核工業(yè)機(jī)器人等。如這種基本構(gòu)造能推廣于一般工業(yè)機(jī)器人將使工業(yè)機(jī)器人的成本下降，生產(chǎn)周期及維修周期縮短。1.3工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人的分類搬運(yùn)機(jī)器人【transferrobot】是可以進(jìn)行自動(dòng)化搬運(yùn)作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人。最早的搬運(yùn)機(jī)器人出目前1960年的美國(guó)，Versatran和Unimate兩種機(jī)器人初次用于搬運(yùn)作業(yè)。搬運(yùn)作業(yè)是指用一種設(shè)備握持工件，是指從一種加工位置移到另一種加工位置。搬運(yùn)機(jī)器人可安裝同的末端執(zhí)行器以完畢多種不一樣形狀和狀態(tài)的工件搬運(yùn)工作，大大減輕了人類繁重的體力勞動(dòng)。目前世界上使用的搬運(yùn)機(jī)器人愈10萬臺(tái)，被廣泛應(yīng)用于機(jī)床上下料、沖壓機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)線、自動(dòng)裝配流水線、碼垛搬運(yùn)、集裝箱等的自動(dòng)搬運(yùn)。部分發(fā)達(dá)國(guó)家已制定出人工搬運(yùn)的最大程度，超過程度的必須由搬運(yùn)機(jī)器人來完畢。

機(jī)器人自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)重要由搬運(yùn)機(jī)器人、工件自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)、自動(dòng)啟動(dòng)裝置、自動(dòng)傳播裝置構(gòu)成，適合于工件自動(dòng)搬運(yùn)的場(chǎng)所，尤其適合自動(dòng)化程度較高的流水線等工業(yè)場(chǎng)所，提高生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度。

機(jī)器人自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)可根據(jù)顧客的規(guī)定配置不一樣的手爪（如機(jī)械手爪，真空吸盤，電磁吸盤等），可實(shí)現(xiàn)對(duì)多種工件的抓取搬運(yùn)，具有定位精確，工作節(jié)拍可調(diào)，工作空間大，性能優(yōu)良，運(yùn)行平穩(wěn)可靠，維修以便等特點(diǎn)。物料搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)：１.３.１按作業(yè)用途分類如前所述，各類工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用范圍非常廣泛，并且尚有一種機(jī)器人多種用途的狀況。一般我們根據(jù)其詳細(xì)的作業(yè)用途來稱呼它，如一條自動(dòng)生產(chǎn)線上使用了相似構(gòu)造的數(shù)臺(tái)機(jī)器人，有的用于點(diǎn)焊就稱為點(diǎn)焊機(jī)器人，有的用于搬運(yùn)工件就稱為搬運(yùn)機(jī)器人，以此類推，便有噴漆機(jī)器人、涂膠機(jī)器人、裝配機(jī)器人和測(cè)量機(jī)器人等有的作業(yè)具有一定范圍，如潛入水下作勘查、采礦和鋪４管道的機(jī)器人，就統(tǒng)稱為水下機(jī)器人，類似尚有宇航機(jī)器人等。１.３.２按操作機(jī)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)分類按工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)把機(jī)器人辨別為：直角坐標(biāo)式機(jī)器人、極坐標(biāo)式機(jī)器人，圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人和關(guān)節(jié)式機(jī)器人，此外尚有少數(shù)復(fù)雜的機(jī)器。人是采用以上方式組合的組合式機(jī)器人。１.３.３按機(jī)器人的負(fù)荷和工作范圍分類按照這種分類措施，工業(yè)機(jī)器人分為：超大型機(jī)器人——負(fù)荷為１０ＫＮ以上。大型機(jī)器人——負(fù)荷１－１０ＫＮ，工作空間為１－１０立方米。中型機(jī)器人――負(fù)荷為１００－１０００Ｎ。工作空間為０.１－１立方米。小型機(jī)器人――負(fù)荷為１－１００Ｎ，工作空間為０.１立方米。超小型機(jī)器人――負(fù)荷不不小于１Ｎ，工作空間為０.１立方米。以上所謂機(jī)器人的負(fù)荷是指在機(jī)器人的規(guī)定性能條件下，機(jī)器人所能搬移的重量中包括了機(jī)器人末端執(zhí)行器的重量。1.3.4按機(jī)器人具有的運(yùn)動(dòng)自由度數(shù)分類機(jī)器人的自由度數(shù)的定義是：操作機(jī)各運(yùn)動(dòng)部件獨(dú)立運(yùn)動(dòng)數(shù)目之和。這種運(yùn)動(dòng)只有兩種形態(tài)：直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其腕端的任何復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)都可由這兩種運(yùn)動(dòng)來合成。工業(yè)機(jī)器人的自由度數(shù)。一般為2—7個(gè)，簡(jiǎn)易型的2—4個(gè)自由度，復(fù)雜型的5——7個(gè)自由度。自由度數(shù)越多，機(jī)器人的柔性越大，構(gòu)造和控制也就越復(fù)雜，因此并非越多越好。1.4本課題研究的重要內(nèi)容（1）確定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)及工作行程。（2）根據(jù)工件的負(fù)載狀況，工作空間以及各個(gè)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)形式對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人進(jìn)行整體方案的設(shè)計(jì)：（1）對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人的手爪、小臂、大臂的構(gòu)造設(shè)計(jì)，繪制各部分的構(gòu)造草圖。（2）由第二步所給定的條件和第三步的構(gòu)造特點(diǎn)，選用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)并確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式和老式方式。（4）對(duì)個(gè)構(gòu)造的質(zhì)量進(jìn)行粗估完畢對(duì)手爪的夾緊氣缸、小臂、大臂、絲杠的驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及腰部、腕部的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的計(jì)算選型。（5）根據(jù)電機(jī)的外形尺寸及輸出軸軸徑以及電機(jī)的重量完善構(gòu)造草圖。（6）通過以確定的構(gòu)造的質(zhì)量的分析，驗(yàn)算重要零件的受力狀況，繪制裝配圖。2總體設(shè)計(jì)方案確實(shí)定2.1構(gòu)造設(shè)計(jì)概述一種機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)造有下列互相作用的部分構(gòu)成：機(jī)械手、環(huán)境、任務(wù)。機(jī)械手是由具有傳動(dòng)執(zhí)行裝置的機(jī)械。它有臂、關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行裝置構(gòu)成，組合為一種互相連接，互相依賴的運(yùn)動(dòng)構(gòu)造。機(jī)械手用于執(zhí)行指定的作業(yè)業(yè)務(wù)。工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器是安裝在腕端的附加裝置機(jī)器人的手部可分為夾持式和吸附式兩大類。夾持式是執(zhí)行手：夾持方式由外夾式和內(nèi)撐式之分；吸附式得分為空氣負(fù)壓式和電磁式兩種。任務(wù)是指機(jī)器人要完畢的工作，機(jī)器人的類型是伴隨工作任務(wù)的特點(diǎn)而決定的。例如SCARH機(jī)器人就非常適合平面上的工件的抓取。環(huán)境是指機(jī)器人所處的周圍環(huán)境。環(huán)境不僅由幾何條件（可達(dá)空間）所決定的并且由環(huán)境和它們所包括的每一種事物的所有自然特性所決定的。2.2基本設(shè)計(jì)參數(shù)根據(jù)次機(jī)械手的應(yīng)用場(chǎng)所和實(shí)地的應(yīng)用規(guī)定，其重要的設(shè)計(jì)參數(shù)規(guī)定如下：抓取的重物：2Kg機(jī)械手的自由度數(shù)：4個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)：大臂升降：線速度：0.02m小臂伸縮：線速度：0.02m/s手腕俯仰：角速度：3.14rad/s腰部旋轉(zhuǎn)：角速度：3.14rad/s運(yùn)動(dòng)行程大臂升降：300mm小臂伸縮：300mm腰部旋轉(zhuǎn)：正負(fù)90度手腕俯仰：正負(fù)90度2.3工作空間分析2.3.1基座及連桿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)心鑄鐵作為支撐?；厦媸墙泳€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。接線盒子外面有一種引入線出口和一種引出線出口。2大臂大臂長(zhǎng)度230mm,詳細(xì)尺寸如圖所示3小臂小臂長(zhǎng)度180mm2.3.2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)等不一樣，因此工業(yè)機(jī)器人末端操作器是多種多樣的，大體可分為如下幾類：（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）仿生多指機(jī)靈手本文設(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)能從不一樣角度抓取工件的鉗形指。手指是直接與工件接觸的部件。手指松開和加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，其外形如圖所示：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（只畫出了二分之一，另二分之一有關(guān)中心線對(duì)稱）。在圖中，O為電機(jī)輸出軸，曲柄ＯＡ、連桿ＡＢ、滑塊Ｂ和支架構(gòu)造曲柄滑塊機(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)。圖中的黑線和藍(lán)線表達(dá)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)置一種彈簧，這樣還可以提供合適的夾緊力。此外，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。２.３．３驅(qū)動(dòng)方式該機(jī)器人一共具有四個(gè)獨(dú)立的傳動(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。這三種措施各有所長(zhǎng)，多種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)見表２.１：表２.１三種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)對(duì)照液壓驅(qū)動(dòng)：（1）輸出功率很大，壓力范圍為50-140Pa，運(yùn)用液體不可縮性，控制精度較高。（2）控制性能輸出功率大，可無級(jí)調(diào)速，反應(yīng)敏捷，可實(shí)現(xiàn)持續(xù)軌跡控制（3）響應(yīng)速度很高(4)構(gòu)造性能及體積構(gòu)造合適，執(zhí)行構(gòu)造可原則化、模擬化，以實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，構(gòu)造緊湊，密封問題較大.(5)安全性防爆性能好，用液壓做傳動(dòng)介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危險(xiǎn)。（6）在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用范圍合用于重載、低速驅(qū)動(dòng)，電液伺服系統(tǒng)合用于噴涂機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人和托運(yùn)機(jī)器人。（7）成本維修及使用液壓元件成本較高以便，但油液對(duì)環(huán)境溫度有一定規(guī)定。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)：輸出功率大，壓力范圍為48-60Pa，最大可達(dá)Pa氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速?？刂菩阅懿灰卓刂疲y以實(shí)現(xiàn)高速、高精度持續(xù)軌跡控制。響應(yīng)速度較高。構(gòu)造性能及體積構(gòu)造合適，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可原則化、模擬化，以實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，構(gòu)造緊湊，密封問題較小。安全性防爆性能好，高于1000kPa(10個(gè)大氣壓)時(shí)應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性。對(duì)環(huán)境的影響排氣時(shí)有噪聲。在工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用范圍合用于中小負(fù)載驅(qū)動(dòng)、精度規(guī)定較低的有限點(diǎn)位程序控制機(jī)器人，如沖壓器機(jī)器人本體的氣動(dòng)平衡及裝配機(jī)器人氣動(dòng)夾具。成本維修及使用成本以便。電機(jī)驅(qū)動(dòng)：輸出功率較大控制精度，功率較大，能精確定位，反應(yīng)敏捷?？刂菩阅芸蓪?shí)現(xiàn)高速、高精度持續(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。構(gòu)造性能及體積伺服電機(jī)易于原則化，構(gòu)造性能好，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)，構(gòu)造緊湊，無密封問題。安全性設(shè)備自身無爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)，直流有刷電動(dòng)機(jī)換向時(shí)有火花，對(duì)環(huán)境防爆性能較差。對(duì)環(huán)境的影響無。（7）在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用范圍合用于中小負(fù)載、規(guī)定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。（8）成本維修及使用成本高較復(fù)雜。機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各有優(yōu)缺陷，一般對(duì)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的規(guī)定有：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量盡量要輕，單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率也要高；反應(yīng)速度要快，即規(guī)定力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比要大，可以進(jìn)行頻繁的起、制動(dòng)，正反轉(zhuǎn)切換；驅(qū)動(dòng)盡量靈活，位移偏差和速度偏差要??；安全可靠；操作和維護(hù)以便；對(duì)環(huán)境無污染，噪聲要小；經(jīng)濟(jì)上合理，尤其要盡量減少占地面積。基于上述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的缺陷和機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)定，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)。2.4傳動(dòng)方案確實(shí)定2.41傳動(dòng)方案分析：<1>方案一：第一、二、自由度均采用伺服電機(jī)加減速器的構(gòu)造形式。大臂的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和小臂的回轉(zhuǎn)軸共線。小臂的傳動(dòng)方案與大臂的傳動(dòng)方案相似，這樣雖然構(gòu)造上較為簡(jiǎn)樸，但對(duì)大臂產(chǎn)生了一定的不利影響并且對(duì)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算也會(huì)較為麻煩。第三個(gè)自由度即就是升降機(jī)構(gòu)造采用電機(jī)步進(jìn)電機(jī)加同步齒形帶的傳動(dòng)方案。同步齒形帶具有精度高，構(gòu)造緊湊，傳動(dòng)比恒定等特點(diǎn)。但對(duì)安裝的精度規(guī)定較高，負(fù)載能力也很有限并且不能實(shí)現(xiàn)反向自鎖，需要另加斷電保護(hù)裝置。手抓構(gòu)造采用較為簡(jiǎn)樸的氣動(dòng)控制直線運(yùn)動(dòng)的手爪。<2>方案二：第一二自由度均采用交流伺服電機(jī)加減速器的驅(qū)動(dòng)模式，故此構(gòu)造較為簡(jiǎn)樸。電機(jī)和小臂的關(guān)節(jié)軸是同一方向的。這是在充足考慮到小臂的驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)大臂所產(chǎn)生的附加彎矩的條件下，對(duì)大臂的構(gòu)造設(shè)計(jì)尤其做了加強(qiáng)處理。第三個(gè)自由度為絲杠螺母的升降運(yùn)動(dòng)，采用的傳動(dòng)方式是電機(jī)軸通過一級(jí)齒輪減速，再驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)絲杠，運(yùn)用滑動(dòng)絲杠的大減速比的特點(diǎn)，到達(dá)控制上升的速度不至于過快。同步選擇單頭的滑動(dòng)絲杠具有很好的自鎖性能，從而在系統(tǒng)忽然斷電的狀況下，不致使此自由度方向上發(fā)生運(yùn)動(dòng)，從而保證了構(gòu)造的安全。第四自由度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)也是采用電機(jī)加諧波減速器的構(gòu)造形式。手爪采用目前廣泛采用的并且技術(shù)成熟的連桿導(dǎo)桿式氣動(dòng)機(jī)械手，這一機(jī)械手的造價(jià)低廉、構(gòu)造簡(jiǎn)樸、針對(duì)此處所抓取的工件的特點(diǎn)是不易變形的金屬工件，因此對(duì)夾緊力的規(guī)定不是太高，故采用氣動(dòng)機(jī)械手爪完全可以到達(dá)設(shè)計(jì)規(guī)定。方案三：如圖2-4所示，第一自由度采用步進(jìn)電機(jī)加減速裝置的傳動(dòng)模式。大臂與回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)之間采用諧波減速器傳遞動(dòng)力。小臂的驅(qū)動(dòng)電機(jī)考慮到它的重量會(huì)對(duì)大臂導(dǎo)致較大的附加彎矩則把小臂的驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在大臂的回轉(zhuǎn)軸的軸線方向，電機(jī)輸出軸與小臂的回轉(zhuǎn)軸之間通過同步齒形帶相連接，保證了小臂回轉(zhuǎn)的精度。但這樣就使的小臂的傳動(dòng)構(gòu)造復(fù)雜，有多段承受彎矩的軸，并且電機(jī)軸也承受了一定的彎矩。第三個(gè)自由度采用滾珠絲杠并配以電機(jī)加減速器驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)方案，這是運(yùn)用了滾珠絲杠的傳動(dòng)精度高，并且是把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，而不需要中間環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)化，構(gòu)造簡(jiǎn)樸。但滾珠絲杠必須附加自鎖裝置以保證可以做到斷電保護(hù)。滾珠絲杠的造價(jià)高，重量也較重，因此在滾珠絲杠的材料選擇方面而規(guī)定加工材料要較輕，并且滾珠絲杠需要電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩也較大，自身減速比較小。機(jī)器人的手爪部分仍然采用較為常用的氣缸配合連桿式氣動(dòng)機(jī)械手的構(gòu)造，其作用與方案一所述的相似。2.4.2伺服驅(qū)動(dòng)與步進(jìn)驅(qū)動(dòng)的比較（1）低頻特性不一樣步進(jìn)電機(jī)在低速是輕易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象，振動(dòng)頻率與負(fù)載狀況以及與驅(qū)動(dòng)器的性能有關(guān)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低頻的時(shí)候一般還采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，雖然在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。（2）矩頻特性不一樣步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速的升高而減少，并且在較高的轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降因此其最高的工作轉(zhuǎn)速在300~600r/min。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出雖然在額定轉(zhuǎn)速以內(nèi)都能輸出額定的轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。（3）過載能力不一樣不僅電機(jī)一般不具有過載能力，交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力而步進(jìn)電機(jī)由于沒有這種過載能力，為了克服啟動(dòng)時(shí)較大的慣性力矩，往往要選用品有較大靜轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，而機(jī)器人正常工作時(shí)又不需要這麼大的轉(zhuǎn)矩，因此便出現(xiàn)了力矩?fù)]霍的現(xiàn)象。(4)運(yùn)行性能不一樣步進(jìn)電機(jī)的控制一般為開環(huán)控制，速度過快或負(fù)載過大都會(huì)出現(xiàn)失轉(zhuǎn)或堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。交流伺服電機(jī)為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可以直接對(duì)電動(dòng)機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，在內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，能防止失步或過沖現(xiàn)象。綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)，因此在某些對(duì)位置和速度規(guī)定較高的場(chǎng)所，采用交流伺服系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)更為明顯。本次的搬運(yùn)機(jī)器人對(duì)工件的抓取，對(duì)其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的規(guī)定就是要可以較為精確的完畢對(duì)位置和速度的控制，這樣選用交流伺服電機(jī)就可以很好的滿足這一點(diǎn)。通過對(duì)上面的方案的比較，綜合分析后我認(rèn)為方案二有更多的優(yōu)勢(shì)，并且構(gòu)造合理，可以比很好的完畢本次的輸送線出貨臺(tái)的物料搬運(yùn)工作。故本次方案二作為本次設(shè)計(jì)的最終設(shè)計(jì)方案。3搬運(yùn)機(jī)器人的構(gòu)造設(shè)計(jì)3.1驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)系統(tǒng)的總體構(gòu)造設(shè)計(jì)（1）底座如圖所示：電機(jī)友好波減速器通過連軸套筒相連，諧波減速器的輸出軸和大臂的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸直接相連。外殼材料采用45鋼底座的軸承采用角接觸軸承，使運(yùn)用了它既能承受軸向力也能承受一定的徑向力的特點(diǎn)。電機(jī)和減速器通過外殼內(nèi)部的凸臺(tái)進(jìn)行安裝，這樣使得構(gòu)造簡(jiǎn)樸，加工和安裝以便。里面部件的材料采用鋁合金位于底部的電機(jī)通過諧波減速器的減速對(duì)頂端軸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而帶動(dòng)了大臂回轉(zhuǎn)軸和大臂一起轉(zhuǎn)動(dòng)，需要注意的是臂回轉(zhuǎn)軸是做成一體的。（2）傳動(dòng)裝置傳動(dòng)的重要方式是采用交流伺服電機(jī)加減速器的傳動(dòng)模式，大臂的軸承選擇的是角接觸軸承，用此來承受較大的負(fù)載產(chǎn)生的彎矩，防止了減速器的輸出軸，以及電機(jī)軸承受的附加載荷，從而保護(hù)了減速器和電機(jī)。大臂的長(zhǎng)度盡量做的短某些，這樣會(huì)在整體構(gòu)造簡(jiǎn)樸的狀況下將小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的電機(jī)自身重量和減速器的重量盡量多的通過殼體傳遞到地面，此外對(duì)大臂的設(shè)計(jì)也采用了增長(zhǎng)強(qiáng)度的處理，從而盡量電機(jī)和減速器所產(chǎn)生的附加彎矩對(duì)機(jī)構(gòu)的影響。小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)采用了電機(jī)減速器后直接驅(qū)動(dòng)小臂關(guān)節(jié)軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)小臂的旋轉(zhuǎn)。這里大、小臂的運(yùn)動(dòng)具有獨(dú)立性的特點(diǎn)。（3）升降機(jī)構(gòu)此處機(jī)械手的升降機(jī)構(gòu)是采用電機(jī)加一級(jí)齒輪減速，傳遞動(dòng)力給滑動(dòng)絲杠，運(yùn)用滑動(dòng)絲杠的大的降速比來完畢夾持工件的機(jī)械手上下移動(dòng)，這樣可把電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成絲杠螺母的上下移動(dòng)，并且整體構(gòu)造較為簡(jiǎn)樸。同步考慮滑動(dòng)絲杠的原因也是運(yùn)用了滑動(dòng)絲杠的反向自鎖的特性，從而實(shí)現(xiàn)了斷電保護(hù)。在滑動(dòng)絲杠的外螺母上連接導(dǎo)向桿，這樣可以對(duì)螺母起到導(dǎo)向作用，同步可以減少負(fù)載產(chǎn)生的附加彎矩對(duì)滑動(dòng)絲杠的影響，深入提高了機(jī)械手抓取時(shí)的抓取精度。(4)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)如圖所示，此處的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)重要是運(yùn)用步進(jìn)電機(jī)運(yùn)用鍵連接來驅(qū)動(dòng)機(jī)械手進(jìn)行旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)抓取工件位姿的調(diào)整，這里是考慮到機(jī)械手在抓取工件時(shí)所需要的位姿來進(jìn)行設(shè)計(jì)的，使得機(jī)械手的手爪更以便有效的完畢工件的抓取。3.2氣動(dòng)氣缸設(shè)計(jì)計(jì)算3.3進(jìn)給絲杠的設(shè)計(jì)當(dāng)機(jī)械手爪抓起工件時(shí)，絲杠的負(fù)載就由如下幾種部分構(gòu)成：工件、手爪、驅(qū)動(dòng)氣缸、手爪與氣缸的連接套筒、俯仰電機(jī)、減速器、絲杠套杯與L型支架等構(gòu)成。它們的重量可以做一下粗估：工件40N，手爪20N，驅(qū)動(dòng)氣缸20N，手爪與氣缸的連接套筒20N，俯仰電機(jī)55N，減速器5N,絲杠套杯與L型支架40N等構(gòu)成?？紤]到實(shí)際的影響原因，可以估計(jì)出絲杠的真實(shí)負(fù)載約為F=230N?？紤]到先前方案分析是提到絲杠規(guī)定反向自鎖的特點(diǎn)，先根據(jù)其負(fù)載狀況粗選滑動(dòng)絲杠的類型為單頭梯形絲杠。大徑d1=39mm,中徑d2=27mm,小徑d3=23mm,螺距Ｐ＝６ｍｍ．螺桿材料為４５鋼，螺母材料為ＺＣｕＳｎ５Ｐｂ５Ｚｎ５，高度Ｈ＝６００ｍｍ．對(duì)所選的絲杠進(jìn)行驗(yàn)算：4搬運(yùn)機(jī)器人的控制系統(tǒng)４．1機(jī)器人控制系統(tǒng)分類程序控制系統(tǒng)：給每一種自由度施加一定規(guī)律的控制作用，機(jī)器人就可實(shí)現(xiàn)規(guī)定的空間軌跡。２、自適應(yīng)控制系統(tǒng)：當(dāng)外界條件變化時(shí)，為保證所規(guī)定的品質(zhì)或?yàn)榱税殡S經(jīng)驗(yàn)的積累而自行改善控制品質(zhì)，其過程是基于操作機(jī)的狀態(tài)和伺服誤差的觀測(cè)，再在調(diào)整非線性模型參數(shù)，一直到誤差消失為止。這種系統(tǒng)的構(gòu)造和參數(shù)能隨時(shí)間和條件自動(dòng)變化。３、人工智能系統(tǒng)：事先無法編制運(yùn)動(dòng)程序，而是規(guī)定在運(yùn)動(dòng)過程中根據(jù)所獲得周圍狀態(tài)信息，實(shí)時(shí)確定控制作用。４、機(jī)器人控制系統(tǒng)構(gòu)造機(jī)器人控制系統(tǒng)按其控制方式可分為兩類：１）集中控制方式：用一臺(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)所有控制功能，構(gòu)造簡(jiǎn)樸，成本低，但實(shí)時(shí)性差，難以擴(kuò)展，其構(gòu)成框圖如圖所示：２）主從控制方式：采用主、從兩級(jí)處理器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的所有控制功能。主CPU實(shí)現(xiàn)管理、坐標(biāo)變換、軌跡生成和系統(tǒng)自診斷等；從ＣＰＵ實(shí)現(xiàn)所有關(guān)節(jié)的動(dòng)作控制。其構(gòu)成框圖如圖３所示。主從控制方式系統(tǒng)實(shí)時(shí)性很好，合用于高精度、高速度控制，但其系統(tǒng)擴(kuò)展性較差，維修困難。４．２控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)４．２．１控制系統(tǒng)方案分析控制系統(tǒng)一般是指在復(fù)雜的條件下，將預(yù)定的控制目的轉(zhuǎn)變?yōu)槠谕臋C(jī)械運(yùn)動(dòng)。控制系統(tǒng)使被控機(jī)械實(shí)現(xiàn)精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉(zhuǎn)矩或力的控制，以及這些被空機(jī)械量的精確綜合控制。搬運(yùn)機(jī)器人的手部、小臂、大臂的動(dòng)作都是通過控制系統(tǒng)來控制的，因此控制系統(tǒng)是搬運(yùn)機(jī)器人的重要構(gòu)成部分，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)于機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)而言至關(guān)重要。目前，搬運(yùn)機(jī)器人的控制方式大多采用可編程序的點(diǎn)位控制（ＰＴＰ）方式，而在多種控制方式中，可編程序控制器（ＰＬＣ）因其通用性好、編程以便、成本較低、易于設(shè)計(jì)和維護(hù)等長(zhǎng)處而被廣為使用，它完全可以取代繼電器控制柜，并且可以實(shí)現(xiàn)比繼電器功能強(qiáng)得多的控制功能。４．２．２控制系統(tǒng)特點(diǎn)１、編程措施簡(jiǎn)樸可編程控制器的梯形圖語(yǔ)言程序一般采用次序控制設(shè)計(jì)措施。這種編程措施很有規(guī)律，輕易掌握。對(duì)于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)梯形圖語(yǔ)言程序和調(diào)試程序比設(shè)計(jì)和調(diào)試?yán)^電器控制系統(tǒng)所花的時(shí)間要少得多。２、控制系統(tǒng)簡(jiǎn)樸，通用性強(qiáng)盡管目前世界各個(gè)生產(chǎn)可編程控制器的廠家和企業(yè)，有著多種品牌和種類，但其基本構(gòu)造和工作原理大體相似。配以多種組件就可以靈活的構(gòu)成多種規(guī)模和不一樣規(guī)定的控制系統(tǒng)。３、抗干擾能力強(qiáng)可編程控制器采用了一系列硬件和軟件的抗干擾能力措施，如濾波、隔離、屏蔽、自診斷器、自恢復(fù)等使之具有很淺的抗干擾能力。一般無端障的時(shí)間數(shù)已經(jīng)到達(dá)數(shù)萬小時(shí)以上，可以應(yīng)用于有強(qiáng)干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。目前可編程控制器已經(jīng)被公認(rèn)為最可靠的工業(yè)控制設(shè)備之一。４、可靠性高繼電接觸器控制系統(tǒng)使用了大量的機(jī)械觸電，連線復(fù)雜，各觸點(diǎn)在吸合和斷開時(shí)輕易受到電弧的損傷，因此壽命多，工作可靠性差，而可編程控制器以軟件替代硬件，許多繼電器的觸點(diǎn)和繁雜的連線可以用程序來實(shí)現(xiàn)，大量開關(guān)動(dòng)作可以用無觸電的電子電路來完畢，因此壽命長(zhǎng)，可靠性大大的提高。５、體積小、構(gòu)造緊湊，安裝、維護(hù)以便；可編程控制器體積小、質(zhì)量小，便于安裝。一般可編程控制器均有自診斷、故障報(bào)警、故障顯示的功能，便于操作和維修人員檢查，可以較輕易的通過更換模塊插件來迅速排除故障。它的構(gòu)造緊湊，與硬件連方式簡(jiǎn)樸，接線少，易于維護(hù)。４．３機(jī)器人的控制系統(tǒng)方案確定本次控制系統(tǒng)采用的方案是PLC+交流伺服系統(tǒng)。交流伺服系統(tǒng)由交流伺服電動(dòng)機(jī)和伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成，它已經(jīng)成為無刷直流伺服系統(tǒng)的替代品。近年來交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)有了飛速發(fā)展，它不僅能克服了直流伺服電動(dòng)機(jī)在構(gòu)造上存在的電刷維護(hù)困難、造價(jià)高、壽命短、應(yīng)用環(huán)境受限制等缺陷，同步又發(fā)揮了交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)實(shí)耐用、經(jīng)濟(jì)可靠及動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等長(zhǎng)處。一種伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)并不僅僅是驅(qū)動(dòng)器與電動(dòng)機(jī)的組合，而是一種完整復(fù)雜的控制系統(tǒng)。完整的交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括：伺服控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電動(dòng)機(jī)以及至少一種檢測(cè)元件，所有這些部件都在一種閉環(huán)控制系統(tǒng)中運(yùn)行：驅(qū)動(dòng)器接受控制控制器的指令信息，然后將電流送給電動(dòng)機(jī)，通過電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換成扭矩，然后帶動(dòng)負(fù)載；檢測(cè)元件測(cè)量負(fù)載位置（角度、直線位移）、速度、加速度等參數(shù)，輸入控制器實(shí)現(xiàn)指令信息值與實(shí)際位置的值比較，然后通過閉環(huán)控制是實(shí)際位置值和指令信息值保持一致。機(jī)器人各關(guān)節(jié)由電機(jī)輸出動(dòng)力，通過多種傳動(dòng)方案，帶動(dòng)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，傳感器、編碼器將檢測(cè)記錄到得運(yùn)動(dòng)不見的運(yùn)動(dòng)狀況并以開關(guān)量形式傳遞給I/O,PLC接受到這些信號(hào)并通過處理后，發(fā)出指令，傳遞給I/O,系統(tǒng)進(jìn)入下一道命令執(zhí)行中。PLC是要對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，控制機(jī)器人對(duì)工件的抓取。對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人的控制包括PLC通過I/O接口向機(jī)器人發(fā)出控制指令，以及獲取機(jī)器人的工作狀態(tài)信息等內(nèi)容。PLC接受機(jī)器人的多種工作狀態(tài)信息等內(nèi)容。PLC接受機(jī)器人的多種工作狀態(tài)信號(hào)、指令及傳感系統(tǒng)，包括各指令開關(guān)、工件識(shí)別傳感信號(hào)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置信號(hào)等，實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人的狀態(tài)信息的獲取。在機(jī)器人控制系統(tǒng)中，提供了搬運(yùn)工作模式（運(yùn)行、示教等）設(shè)置。機(jī)器人伺服系統(tǒng)啟動(dòng)停止、重啟、繼續(xù)和回零等輸入控制端口。通過這些控制端口PLC可以對(duì)焊接機(jī)器人進(jìn)行上述的控制，同步也提供了搬運(yùn)機(jī)器人所處的運(yùn)行模式。伺服系統(tǒng)的開、停、就緒和急停等狀態(tài)輸出端口通過讀取這些端口的狀態(tài)。PLC就能獲知機(jī)器人的搬運(yùn)基本狀態(tài)。4.4PLC及運(yùn)動(dòng)控制單元的選型針對(duì)本次控制系統(tǒng)的方案，選擇SYSMAC的CS1系列的PLC，與之配套的MC單元MC421可以實(shí)現(xiàn)四軸的伺服驅(qū)動(dòng)，分別對(duì)應(yīng)本次SCARA機(jī)器人的四個(gè)伺服電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)的配置圖如圖4-4所示：MC的控制面板重要有LED指示器、單元號(hào)設(shè)置開關(guān)，X/Y軸和Z/U軸連接器、I/O連接器、示教盒連接器、MPG連接器等構(gòu)成。各個(gè)部分的分布如圖4-5所示：?jiǎn)卧?hào)設(shè)置開關(guān)單元號(hào)的設(shè)置確定了CPU單元專用I/O單元區(qū)的那些字分給MC單元。CS1-ＭＣ４２１占用５０個(gè)字。２、連接器１）Ｉ／Ｏ連接器用于外部輸入輸出的連接器，包括各軸的限值輸入、急停輸入、圓點(diǎn)靠近輸入、外部輸入、常規(guī)輸入。２）示教盒連接器用于連接示教盒。３）ＭＰＧ連接器用于MPG（手動(dòng)脈沖發(fā)生器）或同步譯碼器的連接器。5結(jié)論與展望搬運(yùn)機(jī)器人在工業(yè)機(jī)器人的領(lǐng)域中飾演著非常重要的角色，本次設(shè)計(jì)的重要目的是圍繞試驗(yàn)室的建設(shè)，設(shè)計(jì)與實(shí)地環(huán)境相符的搬運(yùn)機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)輸送線出貨臺(tái)上的