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四自由度的工业机器人
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- 四自由度的工业机器人
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。
关键词：机器人，示教编程，伺服，制动
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 录
第1章 绪论…………………………………………………………………… 3
1.1 机器人概述…………………………………………………………… 4
1.2 机器人的历史、现状………………………………………………… 4
1.3 机器人的发展趋势…………………………………………………… 4
第2章 机器人实验平台介绍及机械手的设计……………3
2.1自由度及关节…………………………………………………………… 4
2.2 基座及连杆…………………………………………………………… 4
2.2.1 基座……………………………………………………………… 7
2.2.2 大臂……………………………………………………………… 7
2.2.3 小臂……………………………………………………………… 7
2.3 机械手的设计……………………………………………………………4
2.4 驱动方式…………………………………………………………………4
2.5 传动方式…………………………………………………………………4
2.6 制动器……………………………………………………………………4
第3章 控制系统硬件……………………………………………………………4
3.1 控制系统模式的选择……………………………………………………4
3.2 控制系统的搭建……………………………………………………… 4
3.2.1 工控机……………………………………………………………4
3.2.2 数据采集卡………………………………………………………4
3.2.3 伺服放大器………………………………………………………4
3.2.4 端子板…………………………………………………………… 4
3.2.5电位器及其标定………………………………………………… 4
3.2.6电源……………………………………………………………… 4
第4章 控制系统软件………………………………………………………… 4
4.1预期的功能…………………………………………………………… 4
4.2 实现方法………………………………………………………………4
4.2.1实时显示各个关节角及运动范围控制 ………………………4
4.2.2直流电机的伺服控制………………………………………………4
4.2.3电机的自锁…………………………………………………………4
4.2.4示教编程及在线修改程序…………………………………………4
4.2.5设置参考点及回参考点……………………………………………4
第5章 总结……………………………………………………………………… 4
5.1 所完成的工作………………………………………………………… 4
5.2 设计经验……………………………………………………………… 4
5.3 误差分析……………………………………………………………… 4
5.4 可以继续探索的方向………………………………………………… 4
致 谢……………………………………………………………………………… 4
参考文献………………………………………………………………………… 4
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
图1
该机器人具有四个自由度 ，即腰关节、肩关节、肘关节和腕关节，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 大臂
大臂长度230mm，具体尺寸如图2.1所示：
图2.1 大臂外形
2.2.3 小臂
小臂长度240mm，具体尺寸如图2.2所示：
图2.2 小臂外形
2.3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2.3 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2.4 机械手机构简图
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。
图2.5为采用虚拟样机软件ADAMS来分析所设计的机械手机构的工作状况。
图2.5 虚拟样机场景
下面更进一步计算出所需要的电机力矩。
图2.6 力矩变化情况
从图2.6中看到，起始阶段须克服的弹簧力最大，电机转矩必须大于550N ...
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