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1、目录目录 目录 1 摘要 2 1 绪论 3 1 1 本文意义及背景 3 1 2 国内外发展现状及趋势 4 2 多关节工业机器人的结构设计 6 2 1 拟定设计方案 6 2 2 腰部关节的设计 7 2 3 手腕详细设计说明 15 2 4 夹持器的设计 24 3 控制系统设计 25 3 1 控制系统硬件设计 25 3 2PLC 的接口定义 26 4 基于 ADMAS 的运动仿真 28 4 1 机器人运动学概述 28 4 2 坐标系的变换 29 4 3 机器人的正逆运动学 33 4 4 在 ADMAS 中建立模型 38 4 5 轨迹规划仿真分析 41 总结 51 参考文献 52 摘要摘要 随着机器人
2、技术的发展 机器人应用领域的不断扩大 工业关节机器人也是工业机器人 的一个重要学科 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 本文简要介绍了关节型机器人机器人的概 念 机器人硬件和软件的组成 机器人各个部件的整体尺寸设计 气动技术的特点 本文对 机器人进行总体方案设计 确定了机器人的坐标形式和自根据度 确定了机器人的技术参数 同时 设计了机器人的夹持式手部结构 设计了机器人的手腕结构 计算出了手腕转动时所 需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩 设计了机器人的手臂结构 设计出了机器人的气动系 统 绘制了机器人气压系统工作原理图 最后
3、完成了本本文设计机器人的三维和二维建模 关键词 工业机器人关节 PLC 1 1 绪论绪论 1 11 1 本文意义及背景本文意义及背景 机器人设计这类本文是典型的机电一体化本文 这个本文设计的内容包括制定机器人的 总体设计方案和控制系统的设计 根据机器人的实际需要的动作要求设计了机器人的总体结 构 经过设计使学生能够掌握如何去应用 PLC 控制一个装置 能够使学生在计算机绘图 机 电系统设计 编制技术文件 正确查阅使用各种技术资料的能力得到综合训练 使学生能够 解决本专业实际工程问题的能力得到了提高 本本文的难度适中 综合性强 已具备许多相 关的技术资料 有关软 硬件应用的资料也比较多 学生在毕
4、业设计规定的时间内查阅有关 资料 经过努力能够完成任务 同时可编程序控制器 PLC 作为一种新型的工业自动化装置 它已在工业控制各个领域内得到了广泛应用 具有体积小 功耗低 寿命长 可靠性高 灵 活通用 易于编程 维修及使用方便等特点 将 PLC 技术应用于球面机器人控制 使机器人 实现应有的动作 回原位 手动操作 自动操作 编程过程中用步进指令编写可以便于程序 而且还避免了过去由于大量使用继电器带来的种种缺点 改善并提高了控制性能 提高了生 产效率 更进一步地降低了生产成本 PLC 控制电路相对于过去传统的继电器控制电路有如下一些特点 a 由控制方式而言 以往的继电器控制硬接线 逻辑关系一旦
5、确定 要改变逻辑或增加 功能是非常困难的 而 PLC 的软接线 只需改变控制程序就可非常方便地改变逻辑或者增加 一些其他的功能 b 由工作方式而言 以往的继电器控制并行工作 而 PLC 使用串行工作的方式 c 由控制速度上而言 以往的继电器控制速度慢 更糟的是触点比较容易抖动 而 PLC 是经过半导体来控制 速度很快 无触点 因此不存在抖动这一说法 d 由定时 记数而言 以往的继电器控制定时精度低 容易受环境的温度变化的影响 而且没有记数的功能 PLC 时钟脉冲根据晶振产生 精度高 定时范围宽 可以实现记数这 一功能 e 由可靠 维护而言 以往的继电器控制触点太多 会产生机械磨损 不仅接线多
6、可 靠性 维护性能也非常差 PLC 因为没有触点 因此它的寿命长 且有自我诊断功能 可以 对这些程序执行监控功能 还可以现场调试和维护也比较方便 因此在工业控制领域方面 随着电力电子技术 PLC 与变频技术的发展 以 PLC 控制为 控制器的电力控制技术在各类机械设备中越来越受人们的青睐 它将逐渐取代传统的继电器 控制系统 随着 PLC 的广泛应用和电力控制技术的不断发展 可以使用 PLC 实现对本文中球 面机器人的自动控制 本本文设计一款球面型机器人总体及控制系统 1 21 2 国内外发展现状及趋势国内外发展现状及趋势 由于 1970 年机电一体化技术的不断发展和广泛应用 使传统意义上的关节
7、机器人的概 念已有很大的发展 工业关节机器人是近代自动控制领域中出现的一项新技术 并已成为现 代机械制造生产系统中的一个重要组成部分 这种新技术发展很快 逐渐成为一门新兴的学 科 关节机器人工程 关节机器人涉及到机械学 力学 自动控制技术 电器液压技术 传感器技术和计算机技术等科学领域 是一门跨学科综合技术 工业关节机器人也是工业机器人的一个重要学科 它的特点是可以经过编程来完成各种 预期的作业 在构造和性能上兼有人和机器各自的特点 特别体现在人的智能和适应性 关 节机器人作业的准确性和环境中完成作业的能力 在国民经济领域有着广泛的发展空间 关节机器人的快速发展是由于它的积极作用正日益为人们所
8、认识 它能部分的代替人工 操作 它能根据生产工艺的要求 遵循一定的程序 位置和时间来完成工件的传送与装卸 它能操作必要的工具进行装配和焊接 因此大大的改善了作业员的劳动条件 提高了劳动生 产率 促进了实现工业生产机械化和自动化的步伐 因而 受到很多国家的重视 投入大量 的人力物力来研究和应用 特别是在高温 高压 噪音 粉尘和带有放射性和污染的场所 应用更为广泛 在我国近几年也有较快的发展 并且取得一定的效果 受到机械工业的重视 关节机器人是一种能自动控制并可重新编程以变动的多功能机器 它有多个自根据度 可以搬运物体以完成在不同环境中的工作 关节机器人的结构形式开始比较简单 专用性比 较强 但随
9、着工业技术的发展 制成了能够独立的根据程序控制实现重复操作 适用范围比 较广的 程序控制通用关节机器人 简称通用关节机器人 由于通用关节机器人能很快的 改变工作程序 适应性较强 因此它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的应用 目前国内机械于主要用于机床加工 铸锻 热处理等方面 数量 品种 性能方面都不能符 合工业生产发展的需要 因此 在国内主要是逐步扩大应用范围 重点发展铸造 热处理方 面的关节机器人 以减轻劳动强度 改善作业条件 在应用专用关节机器人的同时 相应的 发展通用关节机器人 有条件的还要研制示教式关节机器人 计算机控制关节机器人和组合 关节机器人等 同时要提高速度 减少冲击
10、 正确定位 以便更好的发挥关节机器人的作用 此外还应大力研究伺服型 记忆再现型 和具有触觉 视觉等性能的关节机器人 并考虑与 计算机连用 逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元 国外关节机器人在机械制造行业中应用较多 发展也很快 目前主要用于机床 横锻压 力机的上下料 和点焊 喷漆等作业 它可根据事先指定的作业程序来完成规定的操作 国 外关节机器人的发展趋势是大力研制具有某种智能的关节机器人 使它具有一定的传感能力 能反馈外界条件的变化 作相应的变更 如位置发生稍许偏差时 即能更正并自行检测 重 点是研究视觉功能和触觉功能 目前已经取得一定成绩 目前世界高端工业关节机器人均有 高精化 高速化
11、 多轴化 轻量化的发展趋势 定位精度可以符合微米及亚微米级要求 运 行速度可以达到 3M S 量新产品达到 6 轴 负载 2KG 的产品系统总重已突破 100KG 更重要 的是将机器人 柔性制造系统和柔性制造单元相结合 因此根本改变目前机械制造系统的人 工操作状态 同时 随着关节机器人的小型化和微型化 其应用领域将会突破传统的机械领 域 而向着电子信息 生物技术 生命科学及航空航天等高端行业发展 1 工业机器人性能不断提高 很高的速度 较高的精度 可靠性稳定 易于操作和维修 并且单机价格正不断保持降低的趋势 2 机械结构正向模块化 可重构化的方向去发展 例如关节模块中的伺服电机 减速 机检测系
12、统的三位一体化 关节模块 连杆模块可以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生产出来 3 工业机器人控制系统正在向基于计算机的开放型控制器发展 以便标准化 网络化 提高了器件的集成度 控制柜越来越小 使用模块化结构后大大提高了系统的可靠性 易操 作性和可维修性 4 传感器在机器人控制中的作用日渐重要起来 除使用传统的位置 速度 加速度等 传感器外 装配 焊接机器人还应用了视觉 力觉传感器等 而遥控机器人则有使用视觉 声觉 力觉 触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模和决策 在产品中使用多传感器融 合技术已经相当成熟了 5 虚拟制造技术在机器人中的作用已由原来单纯的仿真演变发展
13、为用于过程控制 如 使遥控机器人操作者产生仿佛自己置身于虚拟作业环境中的感觉来操纵机器人 6 现代遥控机器人系统的发展特点不再是仅仅追求过去的单纯的自治系统 而是致力 于操作者与机器人之间的人机交互控制 即遥控加局部自主系统构成完整的监控 遥控操作 系统 使机器人走出实验室进入使用化这一阶段 7 机器人化的机械作业时代开始兴起 一批批工程师正在纷纷探索开拓其实际应用的 领域 2 2 多关节工业机器人的结构设计多关节工业机器人的结构设计 2 12 1 拟定设计方案拟定设计方案 本次设计多关节工业机器人主要技术参数如下 1 关节机器人的行程范围上下为 20 毫米 300 毫米之间 旋转范围为 2
14、关节机器人对零件抓力 5kg 3 关节机器人对零件宽度控制范围为为 20 毫米 60 毫米之间 3 定位精度 1mm 一般平面关节机器人的自出度布置如图所示 1 轴线和 2 轴线平行 顶针不仅要转 动还要移动 它的自根据度是四个 和如图所示 和相比它的顶针不能到达一个球的轨迹 如图所示大臂和小臂的 1 轴线和 2 轴线垂直相交 这样装在 r 自根据度轴上的顶针可以 在球上任一点进行作业 图 2 1 平面关节机器人 驱动方式有液压驱动 气动 电力驱动 而目前用得最多的一类是电力驱动 在该机器 人设计中由于驱动力矩不大 运动速度较高 定位精度要求较高的要求 使用步进电机驱动 大小臂和顶针 第一轴自
15、根据度 1 和第二轴 2 均使用步进电机驱动 步进电机驱动比较 简单 还能实现比较精确的定位精度 第三自由度 r 是工件向球面半径方向的往复移动 使 用电机驱动 根据设计任务要求 拟定设计方案如下 图 2 2 总体结构方案 控制方式初步拟定使用以 PLC 为核心的控制装置 PLC 是一种用于工业的计算机 被大 家称为可编程控制器 PLC 作为新一代的工业控制器 由于具有通用性好 实用性强 硬件 配套齐全 编程简单易学和可靠性高等特点而广泛应用于各行业的自动控制系统中 综上所 述 本本文为大功率自动化控制 选择 PLC 作为控制核心很明显更加符合控制需求 2 22 2 腰部关节的设计腰部关节的设
16、计 经过总体分析后 确定了机器人的结构 所设计的腰关节部分使用二级齿轮减速传动 图 3 1 机器人腰关节驱动器和齿轮传动机构简图 设两臂及手腕绕各自重心轴的转动惯量分别为 JG1 JG2 JG3 根据平行轴定理可得绕 第一关节轴的转动惯量为 2 333 2 222 2 1111 lmJlmJlmJJ GGG 分别为 10kg 5kg 12kg 分别为重心到第一关节轴的距离 其 123 mmm 123 lll 值分别为 300 毫米 700 毫米 1500 毫米 在式 3 1 中 2 111 lmJG 2 222 lmJG 故 可忽略不计 因此绕第一关节轴的转动惯量为 2 333 lmJG 12GG JJ 2G J 2222222 11 12 23 3 100 35 0 712 1 530 25Jmlm lm lkg m 同理可得小臂及腕部绕第二关节轴的转动惯量 22222 22 43 5 5 0 4120 88 48Jm lm lkg m 式中 小臂重心距第二关节轴的水平距离 4 l mm 腕部重心距第二关节轴的水平距离 5 l mm 设主轴速度为 219 s 则有旋转开始时的转矩可表
