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工业机械手毕业设计论文
摘要
随着微电子技术、传感器技术、控制技术和机械制造工艺水平的飞速发展，机器人的应用领域逐步从汽车拓展到其它领域。
在各种类型的机器人中，模拟人体手臂而构成的关节型机器人，具有结构紧凑、所占空间小、运动空间大等优点，是应用最为广泛的机器人之一。
尤其由柔性关节组成的柔性仿生机器人在服务机器人及康复机器人领域中的应用和需求越来越突出。
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
Withthedevelopmentofmicroelectronictechnology,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
第1章绪论……………………………………………………………………3
1.1机械手概述……………………………………………………………4
1.2机械手的发展…………………………………………………………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机械手的基本结构……………………………………………………4
2.4驱动方式…………………………………………………………………4
2.5传动方式…………………………………………………………………4
2.6制动器……………………………………………………………………4
第3章控制系统软件…………………………………………………………4
3.1预期的功能……………………………………………………………4
3.2实现方法………………………………………………………………4
3.2.1实时显示各个关节角及运动范围控制………………………4
3.2.2电机的自锁…………………………………………………………4
3.2.3示教编程及在线修改程序…………………………………………4
3.2.4设置参考点及回参考点……………………………………………4
致谢………………………………………………………………………………4
参考文献…………………………………………………………………………4
第1章绪论
1.1机械手概述
机械手是模仿着人手的部分动作，按照给定程序、轨迹和要求能实现自动抓取、搬运的自动机械装置。
在工业生产中应用的机械手叫做“工业机械手”。
在实际生产中，应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率，可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产。
尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境下，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。
随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，在机械加工、冲压、锻、铸、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等领域得到了越来越广泛的应用。
国内外对机器人及机械手所作的定义不尽相同。
国际标准化组织（ISO）对机器人的定义:
“机器人是一种能自动定位、可控的可编程的多功能操作机。
这类操作机具有几个轴，在可编程序操作下，能处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。
”
美国国家标准（NBS）对机器人的定义:
“一种可编程，并在自动化控制下执行某种特定操作和移动作业任务的机械装置。
”日本工业机器人协会对工业机器人的定义:
“一种装备有记忆装置和最终执行装置，能够完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。
”它又分为以下两种情况来定义:
（1）工业机器人:
“一种能执行与人的上肢类似动作的多功能机器。
”
（2）智能机器人:
“一种具有感觉和识别能力，并能够控制自身行为的机器。
”
机械手可分为专用机械手和通用机械手两大类。
专用机械手:
它作为整机的附属部分，动作简单，工作对象单一，具有固定（有时可调）程序，使用大批量的自动生产。
如自动生产线上的上料机械手，自动换刀机械手，装配焊接机械手等装置。
通用机械手:
它是一种具有独立的控制系统、程序可变、动作灵活多样的机械手。
它适用于可变换生产品种的中小PLC的硬件结构主要分单元式和模块式两种。
将PLC的主要部分（包括CPU、I/O系统、电源等）体积小，安装方便，全部安装在一个机箱内。
要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构——执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动－传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。
这些系统的性能就决定了机器人的性能。
一般而言，机器人通常就是由执行机构、驱动－传动系统和控制系统这三部分组成，如图1-1所示。
图1-1机器人的一般组成
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“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，以及机器人的触觉装置。
机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机器人的。
要实现机器人所期望实现的功能，机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。
它们之间的相互关系如图1-2所示。
图1-2机器人各组成部分之间的关系
机器人的机械系统主要由执行机构和驱动－传动系统组成。
执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动－传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。
驱动－传动系统主要包括驱动机构和传动系统。
驱动机构提供机器人各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。
有的文献则把机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。
其中的机械系统又叫操作机（Manipulator），相当于本文中的执行机构部分。
1.2机械手的发展
工业机械手是在第二次世界大战期间发展起来的，始于40年代的美国橡树岭国家实验室的搬运核原料的遥控机械操作手研究，它是一种主从型的控制系统。
1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。
它的结构是：
机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的；1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上，又试制成一台数控示教再现型机械手，命名为Unimate（即万能自动）。
1962年美国机械铸造公司也实验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运，可作点位和轨迹控制；该机械手的中央立柱可以回转、升降、伸缩，采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。
虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。
从60年代后期起，喷漆、弧焊工业机器人相继在生产中开始应用。
1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制出一种Unimation-Vic-arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于±lmm。
联邦德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业；联邦德国Kuka公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制；日本是工业机器人发展最快，应用国家最多的国家，自1969年从美国引进两种典型机械手后，开始大力从事机械手的研究，目前以成为世界上工业机械手（机器人）应用最多的国家之一。
前苏联自六十年代开始发展应用机械手，主要用于机械化、自动化程序较低、繁重单调、有害于健康的辅助性工作。
我国工业机械手的研究与开发始于20世纪70年代。
1972年我国第一台机械手开发于上海，随之全国各省都开始研制和应用机械手。
从第七个五年计划（1986-1990）开始，我国政府将工业机器人的发展列入其中，并且为此项目投入的大量的资金，研究开发并且制造了一系列的工业机器人，有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机器人，大连机床研究所设计制造的氩弧焊机器人，沈阳工业大学设计制造的装卸载机器等等。
这些机人的控制器，都是由中国科学院沈阳自动化研究所（SIA）和北京科技大学机器人研究所开发的，同时一系列的机器人关键部件也被开发出来，如机器人专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机，编码器，DC--PWM等等。
我国的工业机械手（或第一代机械手）发展主要是逐步扩大其应用范围；在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，研制出示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。
可以将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不同的典型机构，组装成各种用途的机械手，即便于设计制造，又便于更换工件，扩大了应用范围。
1.3机器人发展趋势
随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。
就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势：
a）提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人；
b）开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合；
c）研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。
并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。
第2章实验平台介绍及机械手的设计
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机械手的基本结构
机械手是一个水平、垂直运动的机械设备，用来将工件由左工作台搬到右工作台。
有上升、下降运动，左移、右移运动和夹紧、放松动作和位置控制。
简易机械手在各类全自动和半自动生产线上应用得十分广泛，主要用于零部件或成品在固定位置之间的移动，替代人工作业，实现生产自动化。
本设计中的机械手采用上下升降加平面转动式结构，机械手的动作由气动缸驱动，气动缸由相应的电磁阀来控制，电磁阀由PLC控制。
驱动执行元件完成，能十分方便的嵌入到各类工业生产线中。
图3.1为机械手简图,其中1-竖直气缸，2-执行气爪，3-工件，4-水平气缸，5-旋转轴，6-支架，7-底座。
这个机械手具有二个直线运动和一个旋转运动自由度用于将源工作台上的物品搬到其左侧或右侧目的工作台上。
机械手的直线动作由气缸驱动，气缸由电磁阀控制，整个机械手在工作中能实现上升/下降、左传/右转、夹紧/放松功能，是目前较为简单的、应用比较广泛的一种机械手。
其升降运动通过升降气缸、垂直导柱、滑动导柱、垂直导轨及升降位置微动开关相互配合完成，升降工作行程为0~1500mm;转动是通过电机驱动轴承、转动工作行程为0~180°；手爪是通过气缸、弹簧的作用来夹持物品，夹持力是靠调节弹簧的预压缩量来调整。
机械手的基本结构由感知部分、控制部分、主机部分和执行部分四个方面组成。
采集感知信号及控制信号均由气动缸驱动。
主机部分采用了标准型材辅以模块化的装配形式，使得气动机械手能拓展成系列化、标准化的产品。
人们根据应用工况的要求，选择相应功能和参数的模块，像积木一样随意的组合，这是一种先进的设计思想，代表气动技术今后的发展方向，也将始终贯穿着机械手的发展及实用性模块化拼装的气动机械手比组合导向装置更具有灵活的安装体系。
它集成电接口和带电缆及气管的导向系统装置，使机械手运动自如。
由于采用了模块化拼装结构，可组成立柱型气动机械手、门架型气动机械手及滑块型气动机械手，及其它各种类型的机械手。
这些模块化机械手组装方便，动作灵活，具有较高的定位精度，但工作空间比较小，主要应用于一般的送料自动线上。
气动机械手具有三个自由度，即水平（Z）方向自由度、垂直（Y）方向自由度和旋转自由度，并可以采用多种灵活的控制方案。
图2-3机械手简图
图2-3中工件所处位置为原点位置，根据课题设计任务书的要求：
机械手初始位置在原点位置，每次循环动作都从原点位置开始，完成上升、下降运动，左移、右移运动和夹紧、放松动作和位置控制，并能实现手动操作和自动操作方式。
当机械手在原点位置下启动按钮，系统启动，左传送带运转。
当光电开关检测到物品后，左传送带停止运行。
根据分析可得出机械手的工作流程图，如图2-3-1所示。
图2-3-1机械手工作流程图
可见，实现要求功能需要如下条件：
（1）底座与横梁之间需要旋转盘，旋转盘的驱动由电机来完成，普通电机转速较高，需要考虑安装减速机，在这种频繁启动制动的场合下，选用低速电机会更方便。
（2）横梁在普通情况下，长度是固定的，如果工作台不进行调整，横梁长度可永远不变。
课题任务也未作横梁要求，但在实际应用中，可能出现工作台距离调整的情况，为增加机械手的通用性，本设计中在横梁上安装了执行气缸，可使用手动按钮调整横梁长度。
（3）竖直方向上是频繁上下工作的机构，可选用电机传动的齿轮齿条啮合机构，也可选用执行气缸，后者是新技术更经济、环保、噪音低，也更符合课题要求。
（4）抓紧机构也可选用气动执行爪和执行气缸并用组成气动执行模块。
（5）光电开关在控制方面是作为输入量的信号源之一，它可以选择模拟输入和数字输入，根据课题要求和后面PLC的各输入量的情况，选用数字输送式的光电开关更方便简捷。
根据以上分析，机械构造方案基本固定。
整个机械手一共用到三个气缸，PLC需要控制每个气缸的动作：
横梁长气缸的内外调，执行气爪的夹持与放松、竖导杆气缸的升降和各气缸的定位控制上面所述的横梁调整功能是本设计的创新之一，另外两个是工件计数和故障报警。
2.3.1机械手的控制要求
机械手的操作方式分为手动操作和自动操作，自动操作又分为单周期操作和连续操作方式。
手动操作是指用按钮对机械手的每一步运动单独进行控制；单周期操作指机械手从原点开始，按启动按钮，机械手自动完成1个周期的动作后停止；连续操作指机械手从原点开始，按启动按钮，机械手的动作将自动地、连续不断地周期性循环。
在工作中若按停止按钮，机械手将继续完成1个周期的动作后，回到原点自动停止。
（1）机械手的自动运行：
①下降：
当机械手检测到传送带A上有工件时，有原点位置开始下降，下降到位时，碰到下极限开关，机械手停止下降，同时接通加紧电磁阀线圈。
②加紧工件：
当机械手加紧到位时，压力继电器动合触电闭合，接通上升电磁阀线圈。
③上升：
当机械手夹紧到位时，机械手开始上升，上升到位时，碰到上极限开关，机械手停止上升，同时接通右移电磁阀线圈。
④右移：
当机械手上升到位时，机械手开始右移，右移到位时，碰到有极限开关，机械手停止右移，同时接通下降电磁阀线圈。
⑤下降：
当机械手右移到位时，机械手重新开始下降，下降到位时，碰到下极限开关，机械手停止下降，同时释放加紧电磁阀线圈。
⑥放松工件：
放松动作为时间控制，设为2秒。
⑦上升：
工件放松后，机械手开始上升，上升到位时，碰到上极限开关，机械手停止上升，同时接通左移电磁阀线圈。
⑧左移：
机械手上升到位后，开始左移，左移到位时，碰到左极限开关，机械手停止左移。
⑨回到原位：
机械手左移到位后，回到原点位置，再次自动启动传送带A，当光电开关检测到工件后，又开始新的工作循环周期。
机械手的手动运行
（2）手动运行是指机械手的上升、下降、左移、右移及夹紧操作通过对应的手动操作按钮控制，与操作顺序无关。
2.4驱动方式
该机器人一共具有四个独立的转动关节，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2.4：
表2.4三种驱动方式的特点对照
内容
驱动方式
液压驱动
气动驱动
电机驱动
输出功率
很大，压力范围为50～140Pa
大，压力范围为48～60Pa，最大可达Pa
较大
控制性能
利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制
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、高精度的连续轨迹控制
控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂
响应速度
很高
较高
很高
结构性能及体积
结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。
功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大
结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。
功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小
伺服电动机易于标准化，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
安全性
防爆性能较好，用液压油作传动介质，在一定条件下有火灾危险
防爆性能好，高于1000kPa（10个大气压）时应注意设备的抗压性
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，对环境的防爆性能较差
对环境的影响
液压系统易漏油，对环境有污染
排气时有噪声
无
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
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，如冲压机器人本体的气动平衡及装配机器人气动夹具
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
液压元件成本较高
成本低
成本高
维修及使用
方便，但油液对环境温度有一定要求
方便
较复杂
机器人驱动系统各有其优缺点，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，能够进行频繁地起、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特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。
表2.2为选定的各个关节电机型号及其相关参数。
表2.2机器人驱动电机参数
电机参数
腰关节
肩关节
肘关节
腕关节
手爪
型号
MAXON2332
MAXON2332
MAXON2332
MULTIPLEX
STELL-SERVO
MULTI
升级会员 