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1、中北大学2010届毕业设计说明书1 绪论1.1 工业机器人简介早在20世纪初，随着机床、汽车等制造业的发展就出现了机械手。1913年美国福特汽车工业公司安装了第一条汽车零件加工自动线，为了解决自动线、自动机的上下料与工件的传送，采用了专用机械手代替人工上下料及传送工件。可见专用机械手就是作为自动机、自动线的附属装置出现的。“工业机器人”这种自动化装置出现的比较晚。但是自从世界上第一台工业机器人问世之后，不同功能的机器人也相继出现并且活跃在不同的领域，从天上到地下，从工业拓广到 农业、林、牧、渔，甚至进入寻常百姓家。机器人的种类之多，应用之广，影响之深，是我们始料未及的。本课题所指的工业机器人，
2、或称机器人操作臂、机器人臂、机械手等。从外形来看，它和人的手臂相似，是由一系列刚性连杆通过一系列柔性关节交替连接而成的开式链。这些连杆就像人的骨架，分别类似于胸，上臂和下臂，工业机器人的关节相当于人的肩关节、肘关节和腕关节。操作臂的前端装有末端执行器或相应的工具，也常称为手或手爪。手爪是由两个或多个手指所组成，手指可以“开”与“合”，实现抓去动作和细微操作。手臂的动作幅度一般较大，通常实现宏观操作。工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有 36个运动自由度，其中腕部通常有13个运动自由度；驱动系
3、统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；圆柱坐标型工业机器人示意图控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。由于工业机器人具有一定的通用性和适应性，能适应多品种中、小批量的生产，70年代起，常与数字控制机床结合在一起，成为柔性制造单元或柔性制造系统的组成部分。在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上，以及在原子能工业等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不
4、知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已经受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如：（1） 机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普编。（2） 在装配作业中应用广泛，在电子行业中它用来装配印制电路板， 在机械行业中它可以用来组装零件。（3） 可在劳动条件差，单调重复易疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。（4） 可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品级有还、及有害物的搬运等。（5） 宇宙及海洋的开发。（6） 军事工程及生物医学方面的研究和试验。1.2 世界机器人的发展国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：1. 工业机器人性能不断提高（高速
5、度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的103万美元降至97年的65万美元。2机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。3工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。4机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声
6、觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。5虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。6当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。7机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应
7、用的领域。1.3 我国工业机器人的发展有人认为，应用机器人只是为了节省劳动力，而我国劳动力资源丰富，发展机器人不一定符合我国国情。这是一种误解。在我国，社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处。它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益，而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人
8、；其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，
9、对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模化设计，积极推进产业化进程。我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，
10、以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。1.4 设计任务通过计算机PLC编程控制电机，使机械手按照预定的工作条件，完成旋转、俯仰动作，完成理论方案的设计。运用 AutoCAD软件绘制装配图、部件图、零件图，编制PLC梯形图。（1）机械手以机械臂计，总臂长度小于500mm，大臂长度小于350mm、小臂长度小于250mm。（2）机械手的驱动采用步进电动机，电机功率小于100w，其电源应为安全电源。（3）使用三菱公司的PLC软件进行编程，对机械手进行控制。2 机械手结构方案与机电结构方案的设计2.1 机械手的结构方案在制定机械手结构的方案中，必须要设定机械手的主要技术指标包括：（1）可搬重量；（2）
11、最终合成速度的最大值；（3）工作空间，其球体半径；（4）重复定位精度；（5）机械手本体重量。根据机械手的技术指标和总体方案进行设计。本课题要求采用五自由度关节型机械，其总体机械结构如图2-1所示，它有旋转台、大臂、肘、小臂，手腕装置组成，是一个具有五种动作的关节型机械手，并能够模拟接近于人手臂的动作。机械手的坐标可以采用简单的关节型坐标，因此对它的五种动作需要作一些规定：（1）机械手的旋转角度。由上向下看，相对旋转台的基准线，顺时针为正，逆时针为负，可在360度范围内旋转；（2）大臂的旋转是相对于水平线，由水平位置向下旋转为正，向上为负，在正负90度范围内旋转；（3）肘也是相对于水平线，由水平
12、位置向下旋转为正，向上为负，在正负90度范围内旋转；（4）小臂相对于肘的轴线旋转，顺时针为正，逆时针为负，可在360度范围内旋转；（5）手腕相对于水平线，由水平位置向下旋转为正，向上为负，在正负90度范围内旋转。对于所设计的机械手有五轴需要动作，其动作的方式可以单独运行，也可以组合或同时进行。单独运行即旋转台先旋转，而后大臂、肘分别进行俯仰，然后小臂进行旋转，到位后，手腕进行运动；也可以采用确定空间位置的关节和确定手腕姿态的运动轴，同时进行控制。可以根据需要由控制装置来选择控制方法。机械手的执行采用步进电机，选择开环控制。由于有五个自由度，所以共需要五台步进电机。机械手的工作原理：机械手的运动
13、由腰部传动、上臂传动、前臂传动、肘部传动和腕部传动这五部分组成。腰部通过谐波减速器直接传动。安装在底座上的步进电机的输出，通过高速轴传给波发生器，柔轮带动底板使腰部绕回转360度。上臂定在腰部的底板上，安装在腰部上的步进电机通过齿轮传动带动上臂进行左右摆动，运动，并且随腰部一起转动。肘部固定在上臂末端轴上，其驱动电机固定在大臂上通过锥齿轮传动带动小臂转动。小臂固定在肘部的末端，通过一对锥齿轮实现其上下摆动，其步进电机固定在肘部。腕部传动驱动电机固定在小臂的末端，通过同步齿形带传动带动手上下摆动。各个电机输出轴上安装有光电编码器，进行位置检测，并将位置信号反馈到控制器输入端，构成伺服电机驱动回路
14、的闭环反馈控制。具体装配图，如图2-2所示。图2-2 机械手装配图2.2 机械手机电结构方案的设计2.2.1机械传动系统为了能使机械手的臂转动，所需要的最大转矩是当臂呈水平状态（图2-3）。机械传动系统的各部分尺寸，按机械手工作空间的要求为准。各部分重量的分配，原则上是在机械手传动结构和电机安放位置允许的条件下，离第一关节越远的部分。按其重量越轻越好、重心越靠近关节越好这两个原则来分配各部分的重量。这些重量要求越小越好，因此在结构设计上要考虑增加刚度。对于旋转台（即肩）的旋转是使机械手整体旋转，故电机要安装在机械手的基座上。大、小臂都有一定的俯仰角度，这种机构图形的变化必然引起机械手在运动中部
15、分重心位置的改变，必须考虑其重力负荷的平衡。因此，驱动大、小臂的电机均安装在肩上，起着平衡臂的重量，也使电机的重心靠近第一关节。机械手所进行的最终工作是反映在其手部末端即手腕的运动上，这种运动的实现是通过传动链来获得的。手部端点的重复定位精度是机械手设计中一个十分重要的指标，它的实现主要依靠机械传动链的精度和伺服系统的精度这两个方面的因素。对于传动系统，传动链越短，越直接，精度自然越高，但实际上还必须有中间环节的传动谐波减速齿轮具有可以实现大的减速比、结构紧凑、自身重量轻的特点，这对于机器人的结构设计是十分重要的，因为减速装置重量的增加将严重地影响机器人的动力学特性。因此，在机械手模型传动设计
16、中均采用齿轮传动进行速度的传递，即根据需要选择合适的传动比。2.2.2电机的选择和设计机器人电动伺服驱动系统是利用各种电动机产生的力矩和力，直接或间接地驱动机器人本体以获得机器人的各种运动的执行机构。对工业机器人关节驱动的电动机，要求有最大功率质量比和扭矩惯量比、高起动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。特别是像机器人末端执行器（手爪）应采用体积、质量尽可能小的电动机，尤其是要求快速响应时，伺服电动机必须具有较高的可靠性和稳定性，并且具有较大的短时过载能力。这是伺服电动机在工业机器人中应用的先决条件。目前，由于高起动转矩、大转矩、低惯量的交、直流伺服电动机在工业机器人中得到广泛应用，一般负载1000N（相当100kgf）以下的工业机器人大多采用电伺服驱动系统。所采用的关节驱动电动机主要是AC伺服电动机，步进电动机
