基于步进电机的三自由度机械手设计与控制设计说明.doc

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基于步进电机的三自由度机械手设计与控制-14-

摘要

在工业上，自动控制系统有着广泛的应用，如工业自动化机床控制，计算机系统，机器人等。

而工业机器人是相对较新的电子设备，它正开始改变现代化工业面貌。

本设计为三自由度圆柱坐标型工业机器人，其工作方向为两个直线方向和一个旋转方向。

在控制器的作用下，它执行将工件从一条流水线拿到另一条流水线这一简单的动作,本文是对整个设计工作较全面的介绍和总结。

关键词：

三自由度，圆柱坐标，工业机器人

Abstract

Industrially,automaticcontrolsystemsarefoundinnumerousapplications,suchasautomationmachinetoolcontrol,computersystemsandrobotics.Industrialrobotsarerelativelynewelectromechanicaldevicesthatarebeginningtochangetheappearanceofmodernindustry.Thisschemeintroducedacylindricalrobotforthreedegreeoffreedom.Itiscomposedoftwolinearaxesandonerotaryaxiscurrentcontrolonlyallowsthesedevicesmovefromoneassemblylinetootherassemblylineinspace,performrelativelysimpletaskes.Thispaperismorecomprehensiveintroductionandsumming-upfortheforthewholedesignwork.

Keywords：

threedegreesoffreedom,cylindrical,Industrialrobot

目录

1.绪论------------------------------------------------------------------------------------------------3

2.工业机器人的总体设计---------------------------------------------------------------------4

2.1工业机器人的组成及各部分关系概述--------------------------------------------4

2.2工业机器人的设计分析------------------------------------------------------------------5

2.2.1设计要求---------------------------------------------------------------------------5

2.2.2总体方案拟定----------------------------------------------------------------------5

2.2.3工业机器人的主要技术参数--------------------------------------------------7

2.3控制系统的设计分析-------------------------------------------------------------------8

3.工业机器人的机械系统设计-----------------------------------------------------------11

3.1工业机器人的运动系统分析----------------------------------------------------------11

3.1.1机器人的运动概述--------------------------------------------------------------------12

3.1.2机器人的运动过程分析-------------------------------------------------------------13

3.2工业机器人的执行机构设计---------------------------------------------------------------13

3.2.1末端执行机构设计-------------------------------------------------------------------13

3.2.2手臂机构设计------------------------------------------------------------------------16

3.2.3腰部和基座设计-------------------------------------------------------------------------25

3.3工业机器人的机械传动装置设计---------------------------------------------------33

3.3.1联轴器的选择------------------------------------------------------------------------33

3.3.3滚珠丝杠的选择--------------------------------------------------------------------------33

4.工业机器人的计算机控制系统概述----------------------------------------------34

4.1控制系统的基本组成-----------------------------------------------------------------------34

4.2计算机控制系统的设计方案-------------------------------------------------------------35

5.工业机器人运行时应采取的安全措施------------------------------------------45

5.1安全要求--------------------------------------------------------------------------------45

5.2实施方法-------------------------------------------------------------------------------------45

6.总结-----------------------------------------------------------------------------------------------------46

参考文献 --------------------------------------------------------------------------------------------47

鸣谢---------------------------------------------------------------------------------------------------------48

1绪论

机器人工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科。

它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国科技界跟踪国际高科技发展的重要方面。

工业机器人的研究、制造和应用水平，是一个国家科技水平和经济实力的象征，正受到许多国家的广泛重视。

目前，工业机器人的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。

最近联合国国际标准化组织采纳了美国机器人协会给工业机器人下的定义：

工业机器人是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件。

参考国外的定义，结合我国的习惯用语，对工业机器人作如下定义：

工业机器人是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化程度高的自动操作机械。

主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸工件或夹具。

工业机器人以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运更重的东西，而且定位精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行各种操作。

工业机器人的发展，由简单到复杂，由初级到高级逐步完善，它的发展过程可分为三代：

第一代工业机器人就是目前工业中大量使用的示教再现型工业机器人，它主要由手部、臂部、驱动系统和控制系统组成。

它的控制方式比较简单，应用在线编程，即通过示教存贮信息，工作时读出这些信息，向执行机构发出指令，执行机构按指令再现示教的操作。

第二代机器人是带感觉的机器人。

它具有寻力觉、触觉、视觉等进行反馈的能力。

其控制方式较第一代工业机器人要复杂得多，这种机器人从1980年开始进入了实用阶段，不久即将普及应用。

第三代工业机器人即智能机器人。

这种机器人除了具有触觉、视觉等功能外，还能够根据人给出的指令认识自身和周围的环境，识别对象的有无及其状态，再根据这一识别自动选择程序进行操作，完成规定的任务。

并且能跟踪工作对象的变化，具有适应工作环境的功能。

这种机器人还处于研制阶段，尚未大量投入工业应用。

2工业机器人的总体设计

2.1工业机器人的组成及各部分关系概述

图2-1工业机器人的组成图

它主要由机械系统（执行系统、驱动系统）、控制检测系统及智能系统组成。

A、执行系统：

执行系统是工业机器人完成抓取工件，实现各种运动所必需

的机械部件，它包括手部、腕部、机身等。

（1）手部：

又称手爪或抓取机构，它直接抓取工件或夹具。

（2）腕部：

又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变手部的工作方位。

（3）臂部：

是支承腕部的部件，作用是承受工件的负荷，并把它传递到预定的位置。

（4）机身：

是支承手臂的部件，其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。

B、驱动系统：

为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。

常用的

机械传动、液压传动、气压传动和电传动。

C、控制系统：

通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。

D、检测系统：

作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求。

图2-2各部分关系图

对于现代智能机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。

目前研究主要集中在赋予机器人“眼