工业机器人毕业设计Word格式.docx
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4.2控制系统方案分析
4.3机器人的控制系统方案确定
4.4PLC及运动控制单元选型
5结论与展望
致谢
1绪论
1.1工业机器人研究的目的和意义
工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。
自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来，机器人技术及其产品发展很快，已成为柔性制造系统（FMS）、自动化工厂（ＦＡ）、计算机集成制造系统（ＣＩＭＳ）的自动化工具。
广泛采用工业机器人、不仅提高产品的质量与数量而且也保障人身安全、改善劳动环境、减轻劳动强度、提高劳动生产率、节约材料消耗以及降低生产成本有着十分重要的意义。
与计算机、网络技术一样，工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。
２０世纪８０年代以来，工业机器人技术逐渐成熟、并很快得到推广，目前已经在工业生产的许多领域得到应用。
在工业机器人逐渐得到推广和普及工程中，下面三个方面的技术进步起着非常重要的作用。
１驱动方式的改变
２０世纪７０年代后期，日本安川电动机公司研制出了第一台全自动的工业机器人而此前的工业机器人基本上采用液压驱动方式。
但与采用液压驱动的机器人相比，采用伺服电动机驱动机器人在响应速度、精度、灵活性等方面都有很大的提高。
因此它逐步代替了采用液压驱动的机器人成为工业机器人驱动方式的主流。
在此过程中，谐波减速器、ＲＶ减速器等高性能减速机构的发展也功不可没。
近年来，交流伺服驱动已经逐渐代替传统的直流伺服驱动方式，直线电动机等新型驱动方式在许多应用领域也有了长足发展。
２信息处理速度的提高
机器人的动作通常是通过机器人的各个环节的驱动电动机的运动而实现的。
为了是机器人完成各种复杂动作，机器人控制器需要进行大量计算并在此基础上向机器人的各个环节的驱动电动机发出必要的控制指令。
随着信息技术的不断发展，CPU的计算能力有了很大的提高，机器人控制器的性能也有了很大提高，高性能机器人控制器甚至可以同时控制２０多个关节。
机器人控制性能的提高，也进一步促进了工业机器人本身性能的提高并扩大了工业机器人的应用范围。
近年来，随着信息技术和网络技术的发展已经出现了多台机器人通过网络共享信息并在此基础上进行协调控制的技术趋势。
1.2工业机器人在国内外的发展现状与趋势
目前，工业机器人有很大一部分应用于制造业的物流搬运中，极大的促进物流自动化，随着生产的发展，搬运机器人的各方面的性能都得到了很大的改善和提高。
气动机械手大量应用到物流搬运机器人领域。
在手爪的机械结构方面根据所应用场合的不同以及对工件夹持的特殊要求，采取了多种形式的机械结构来完成对工件的夹紧和防止工件脱落的锁紧措施。
在针对同样的目标任务，采取多种运动方式相结合的方式来达到预定的目的。
驱动方面采用了一台工业机器人多种驱动方式情况，由液压驱动、气压驱动、步进电机驱动、伺服电机的驱动等等。
越来越多的搬运机器人是采用混合驱动系统的，这样能够更好的发挥各驱动方式的优点，避免缺点并在它的控制精度方面和搬运效率方面有了很大的提高。
在搬运机械手的控制方面出现了多种控制方式。
如、有原始的电控机械手，较先进的基于工控机控制的，基于ＰＣ控制的，进一步的嵌入式ＰＣ控制技术，还采用PLC可编程控制的。
在物料搬运方面，近年来呈现出的趋势就是系统化。
无论是我国还是国外，物料搬运的发展都是由单一设备走向成套设备；
由单机走向系统。
在制造业方面，随着JIT、FMS、CIMS等现代制造技术的发展，对物料的搬运系统也提出了新的要求，其特点是力求减少库存、压缩等待和辅助时间，使多品种、少批量的物料准时到达要求的地点。
这一趋势在机械工业方面得到了很大的应用，其中采用了机器人等先进的物料搬运技术，促进了机械工业的技术进步和生产水平提高。
当代工业机器人技术发展一方面表现在工业机器人应用领域的扩大和机器人的种类增多；
另一方面表现在机器人机械系统的性能的提高和控制系统的智能化。
前者指的是应用领域的横向拓宽，后者是在性能及水平上的纵向提高，又使扩大机器人应用领域的拓宽和性能水平的提高，又使扩大机器人应用领域成为可能。
1工业机器人机械系统性能的提高
进一步提高工业机器人的运动精度。
机器人是一种多关节开链结构，因此机器人手臂的刚度一般都不高，另外由于构件的尺寸误差和传动间隙的存在，以及机器人手臂末端误差的放大作用，是当前机器人的定位与运动还不能达到很高的精度。
度大、精度高的数控机床相比，机器人在工作精度上大为逊色。
因此，至今工业机器人在精密装配及其他精密作业中的应用中仍受到了很大的限制，除了精密作业要求高精度机器人以外，采用离线编程的工业机器人系统也要求该机器人要具有足够高的定位精度和运动精度。
进一步提高机器人工作精度的主要办法：
提高机器人的加工精度与装配精度，采用无障传动的减速机构，采用直接驱动电机，通过标定机器人的。
2误差补偿
通过实验检测对机器人运动误差进行实时修正，提高机器人手的灵活度和避障能力：
当前常用机器人手的灵活度的都不够高，即手臂末端达到某一工作点时，手臂可能采取的姿态是有限的，有时要有很大的灵活度和很强的避障能力。
例如：
当时喷涂机器人喷涂车身内表面时，要求机器人能将车身内表面的各个角落都喷上漆，必须要有高灵活度机器人手才行。
另外，在有限空间及有障碍的复杂环境中作业的机器人。
在核电站工作的机器人也要求其具有高灵活度的机器人手臂。
为了提高工业机器人手臂的灵活度，主要采用具有冗杂自由度的机器人手臂和在机器人手臂机构上采用膨胀胶关节及双向弯曲手臂。
3提高机器人的运动速度和响应频率：
为了提高机器人作业频率以及提高具有感知功能机器人的反应速度就必须提高机器人运动速度和响应频率。
这一点对装配机器人来说尤为重要。
为此一方面可以通过采用高强度材料和轻质材料（如碳纤维复合材料）制造机器人手臂以达到减轻手臂重量和提高手臂动态特性的目的；
另一方面也可以通过采用直接驱动电机或其他高性能驱动电机，从控制和驱动方面提高机器人系统的运动速度与响应频率。
4提高机器人手爪或手腕的操作能力、灵活性与快速反应能力：
为了使机器人能像人一样进行各种复杂作业如装配作业、维修作业及设备操作。
机器人就必须有一个运动灵活和动作灵敏的手腕和手爪。
这一点对装配作业机器人、核工业机器人和在空间上作业的空间机器人来说是特别重要的。
5采用模块化组合式机器人结构：
提高机器人快速维修性能，根据优化设计，制造出多种不同尺寸和规格的手臂和连接器模块，用少量的可组合成多种机器人配置。
这种机器人能进行快速维修，可以实现自动恢复。
所以这种机器人结构最适用于空间机器人、核工业机器人等。
如这种基本结构能推广于一般工业机器人将使工业机器人的成本下降，生产周期及维修周期缩短。
1.3工业搬运机器人的分类
搬运机器人【transferrobot】是可以进行自动化搬运作业的工业机器人。
最早的搬运机器人出现在1960年的美国，Versatran和Unimate两种机器人首次用于搬运作业。
搬运作业是指用一种设备握持工件，是指从一个加工位置移到另一个加工位
置。
搬运机器人可安装同的末端执行器以完成各种不同形状和状态的工件搬运工作，大大减轻了人类繁重的体力劳动。
目前世界上使用的搬运机器人愈10万台，被广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配流水线、码垛搬运、集装箱等的自动搬运。
部分发达国家已制定出人工搬运的最大限度，超过限度的必须由搬运机器人来完成。
机器人自动搬运系统主要由搬运机器人、工件自动识别系统、自动启动装置、自动传输装置组成，适合于工件自动搬运的场合，尤其适合自动化程度较高的流水线等工业场合，提高生产效率和自动化程度。
机器人自动搬运系统可根据用户的要求配备不同的手爪（如机械手爪，真空吸盘，电磁吸盘等），可实现对各种工件的抓取搬运，具有定位准确，工作节拍可调，工作空间大，性能优良，运行平稳可靠，维修方便等特点。
物料搬运机器人的设计：
１.３.１按作业用途分类
如前所述，各类工业机器人的应用范围非常广泛，而且还有一种机器人多种用途的情况。
通常我们依据其具体的作业用途来称呼它，如一条自动生产线上使用了相同结构的数台机器人，有的用于点焊就称为点焊机器人，有的用于搬运工件就称为搬运机器人，以此类推，便有喷漆机器人、涂胶机器人、装配机器人和测量机器人等有的作业具有一定范围，如潜入水下作勘查、采矿和铺４管道的机器人，就统称为水下机器人，类似还有宇航机器人等。
１.３.２按操作机的运动形态分类
按工业机器人操作机运动部件的运动坐标把机器人区分为：
直角坐标式机器人、极坐标式机器人，圆柱坐标式机器人和关节式机器人，另外还有少数复杂的机器。
人是采用以上方式组合的组合式机器人。
１.３.３按机器人的负荷和工作范围分类
按照这种分类方法，工业机器人分为：
超大型机器人——负荷为１０ＫＮ以上。
大型机器人——负荷１－１０ＫＮ，工作空间为１－１０立方米。
中型机器人――负荷为１００－１０００Ｎ。
工作空间为０.１－１立方米。
小型机器人――负荷为１－１００Ｎ，工作空间为０.１立方米。
超小型机器人――负荷小于１Ｎ，工作空间为０.１立方米。
以上所谓机器人的负荷是指在机器人的规定性能条件下，机器人所能搬移的重量中包括了机器人末端执行器的重量。
1.3.4按机器人具有的运动自由度数分类
机器人的自由度数的定义是：
操作机各运动部件独立运动数目之和。
这种运动只有两种形态：
直线运动和旋转运动，其腕端的任何复杂的运动都可由这两种运动来合成。
工业机器人的自由度数。
一般为2—7个，简易型的2—4个自由度，复杂型的5——7个自由度。
自由度数越多，机器人的柔性越大，结构和控制也就越复杂，所以并非越多越好。
（1）确定机器人运动参数及工作行程。
（2）根据工件的负载情况，工作空间以及各个运动的实现形式对搬运机器人进行整体方案的设计：
（1）对搬运机器人的手爪、小臂、大臂的结构设计，绘制各部分的结构草图。
（2）由第二步所给定的条件和第三步的结构特点，选取驱动系统并确定驱动电机的驱动方式和传统方式。
（4）对个结构的质量进行粗估完成对手爪的夹紧气缸、小臂、大臂、丝杠的驱动电机以及腰部、腕部的旋转驱动电机的计算选型。
（5）根据电机的外形尺寸及输出轴轴径以及电机的重量完善结构草图。
（6）通过以确定的结构的质量的分析，验算重要零件的受力情况，绘制装配图。
2总体设计方案的确定
一个机器人系统结构有下列互相作用的部分组成：
机械手、环境、任务。
机械手是由具有传动执行装置的机械。
它有臂、关节和末端执行装置构成，组合为一个互相连接，互相依赖的运动结构。
机械手用于执行指定的作业业务。
工业机器人的末端执行器是安装在腕端的附加装置
机器人的手部可分为夹持式和吸附式两大类。
夹持式是执行手：
夹持方式由外夹式和内撑式之分；
吸附式得分为空气负压式和电磁式两种。
任务是指机器人要完成的工作，机器人的类型是随着工作任务的特点而决定的。
例如SCARH机器人就非常适合平面上的工件的抓取。
环境是指机器人所处的周围环境。
环境不仅由几何条件（可达空间）所决定的而且由环境和它们所包含的每一个事物的全部自然特性所决定的。
根据次机械手的应用场合和实地的应用要求，其主要的设计参数要求如下：
（1）抓取的重物：
2Kg
（2）机械手的自由度数：
4个
（3）运动参数：
大臂升降：
线速度：
0.02m/s
小臂伸缩：
0.02m/s
手腕俯仰：
角速度：
3.14rad/s
腰部旋转：
3.14rad/s
（4）运动行程
300mm
300mm
正负90度
2.3工作空间分析
2.3.1基座及连杆
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”字形实心铸铁作为支撑。
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大臂
大臂长度230mm,具体尺寸如图所示：
3小臂
小臂长度180mm,具体尺寸如图所示：
2.3.2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。
手指松开和加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，其外形如图所示：
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，另一半关于中心线对称）。
在图中，O为电机输出轴，曲柄ＯＡ、连杆ＡＢ、滑块Ｂ和支架结构曲柄滑块机构：
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。
２.３．３驱动方式
该机器人一共具有四个独立的传动关节，连同末端机械手的运动，一共需要五个动力源。
机器人常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。
这三种方法各有所长，各种驱动方式的特点见表２.１：
表２.１三种驱动方式的特点对照
液压驱动：
（1）输出功率
很大，压力范围为50-140Pa，利用液体不可缩性，控制精度较高。
（2）控制性能
输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制
（3）响应速度
很高
（4）结构性能及体积
结构适当，执行结构可标准化、模拟化，以实现直接驱动。
功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大.
（5）安全性
防爆性能好，用液压做传动介质，在一定条件下有火灾危险。
（6）在工业机器人中应用范围
适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机器人、点焊机器人和托运机器人。
（7）成本维修及使用
液压元件成本较高方便，但油液对环境温度有一定要求。
气动驱动：
大，压力范围为48-60Pa，最大可达Pa气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速。
不易控制，难以实现高速、高精度连续轨迹控制。
较高。
结构适当，执行机构可标准化、模拟化，以实现直接驱动。
功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小。
防爆性能好，高于1000kPa（10个大气压）时应注意设备的抗压性。
（6）对环境的影响
排气时有噪声。
（7）在工业机器人中的应用范围
适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制机器人，如冲压器机器人本体的气动平衡及装配机器人气动夹具。
（8）成本维修及使用
成本方便。
电机驱动：
较大控制精度，功率较大，能精确定位，反应灵敏。
可实现高速、高精度连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂。
很高。
伺服电机易于标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除DD电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题。
设备自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境防爆性能较差。
无。
（7）在工业机器人中应用范围
适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机器人，如AC伺服喷涂机器人、点焊机器人、弧焊机器人、装配机器人等。
成本高较复杂。
机器人驱动系统各有优缺点，通常对机器人的驱动系统的要求有：
（1）驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高；
（2）反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁的起、制动，正反转切换；
（3）驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；
（4）安全可靠；
（5）操作和维护方便；
（6）对环境无污染，噪声要小；
（7）经济上合理，尤其要尽量减少占地面积。
基于上述驱动系统的缺点和机器人驱动系统的设计要求，本文选用直流伺服电机驱动的方式对机器人进行驱动。
2.4传动方案的确定
2.41传动方案分析：
<
1>
方案一：
第一、二、自由度均采用伺服电机加减速器的结构形式。
大臂的驱动电机和小臂的回转轴共线。
小臂的传动方案与大臂的传动方案相同，这样虽然结构上较为简单，但对大臂产生了一定的不利影响并且对转矩的计算也会较为麻烦。
第三个自由度即就是升降机结构采用电机步进电机加同步齿形带的传动方案。
同步齿形带具有精度高，结构紧凑，传动比恒定等特点。
但对安装的精度要求较高，负载能力也很有限并且不能实现反向自锁，需要另加断电保护装置。
手抓结构采用较为简单的气动控制直线运动的手爪。
2>
方案二：
第一二自由度均采用交流伺服电机加减速器的驱动模式，故此结构较为简单。
电机和小臂的关节轴是同一方向的。
这是在充分考虑到小臂的驱动电机对大臂所产生的附加弯矩的条件下，对大臂的结构设计特别做了加强处理。
第三个自由度为丝杠螺母的升降运动，采用的传动方式是电机轴经过一级齿轮减速，再驱动滑动丝杠，利用滑动丝杠的大减速比的特点，达到控制上升的速度不至于过快。
同时选择单头的滑动丝杠具有很好的自锁性能，从而在系统突然断电的情况下，不致使此自由度方向上发生运动，从而保证了结构的安全。
第四自由度旋转机构也是采用电机加谐波减速器的结构形式。
手爪采用目前广泛采用的而且技术成熟的连杆导杆式气动机械手，这一机械手的造价低廉、结构简单、针对此处所抓取的工件的特点是不易变形的金属工件，所以对夹紧力的要求不是太高，故采用气动机械手爪完全可以达到设计要求。
方案三：
如图2-4所示，第一自由度采用步进电机加减速装置的传动模式。
大臂与回转关节之间采用谐波减速器传递动力。
小臂的驱动电机考虑到它的重量会对大臂造成较大的附加弯矩则把小臂的驱动电机安装在大臂的回转轴的轴线方向，电机输出轴与小臂的回转轴之间通过同步齿形带相连接，保证了小臂回转的精度。
但这样就使的小臂的传动结构复杂，有多段承受弯矩的轴，并且电机轴也承受了一定的弯矩。
第三个自由度采用滚珠丝杠并配以电机加减速器驱动的传动方案，这是利用了滚珠丝杠的传动精度高，并且是把旋转运动转换为直线运动，而不需要中间环节的转化，结构简单。
但滚珠丝杠必须附加自锁装置以确保能够做到断电保护。
滚珠丝杠的造价高，重量也较重，因此在滚珠丝杠的材料选择方面而要求加工材料要较轻，并且滚珠丝杠需要电机的输出转矩也较大，自身减速比较小。
机器人的手爪部分仍然采用较为常用的气缸配合连杆式气动机械手的结构，其作用与方案一所述的相同。
2.4.2伺服驱动与步进驱动的比较
（1）低频特性不同
步进电机在低速是容易出现低频振动现象，振动频率与负载情况以及与驱动器的性能有关。
当步进电机工作在低频的时候一般还采用阻尼技术来克服低频振动现象。
交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。
（2）矩频特性不同
步进电机的输出力矩随转速的升高而降低，而且在较高的转速时会急剧下降所以其最高的工作转速在300~600r/min。
交流伺服电机为恒力矩输出即使在额定转速以内都能输出额定的转矩，在额定转速以上为恒功率输出。
（3）过载能力不同
不仅电机一般不具有过载能力，交流伺服电机具有较强的过载能力而步进电机因为没有这种过载能力，为了克服启动时较大的惯性力矩，往往要选取具有较大静转矩的电机，而机器人正常工作时又不需要这麽大的转矩，所以便出现了力矩浪费的现象。
（4）运行性能不同
步进电机的控制一般为开环控制，速度过快或负载过大都会出现失转或堵转现象。
交流伺服电机为驱动系统为闭环控制，驱动器可以直接对电动机编码器反馈信号进行采样，在内部构成位置环和速度环，能避免失步或过冲现象。
综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机，所以在一些对位置和速度要求较高的场合，采用交流伺服系统的优势更为明显。
此次的搬运机器人对工件的抓取，对其驱动系统的要求就是要能够较为准确的完成对位置和速度的控制，这样选取交流伺服电机就能够很好的满足这一点。
通过对上面的方案的比较，综合分析后我认为方案二有更多的优势，而且结构合理，能够比较好的完成本次的输送线出货台的物料搬运工作。
故此次方案二作为本次设计的最终设计方案。
（1）底座
如图所示：
电机和谐波减速器通过连轴套筒相连，谐波减速器的输出轴和大臂的回转关节轴直接相连。
外壳材料采用45钢底座的轴承采用角接触轴承，使利用了它既能承受轴向力也能承受一定的径向力的特点。
电机和减速器通过外壳内部的凸台进行安装，这样使得结构简单，加工和安装方便。
里面部件的材料采用铝合金位于底部的电机通过谐波减速器的减速对顶端轴进行驱动，从而带动了大臂回转轴和大臂一起转动，需要注意的是臂回转轴是做成一体的。
（2）传动装置
传动的主要方式是采用交流伺服电机加减速器的传动模式，大臂的轴承选择的是角接触轴承，用此来承受较大的负载产生的弯
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