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1、工 业 机 器 人摘 要在当今大规模制造业中，企业为提高生产率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上重要的成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平。目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动程度极大的工作，工作方式一般采取示教在线的方式。本文将设计一台圆柱坐标型的工业机器人，用于给冲压设备运送物料。首先，本文将设计机器人的大臂、小臂、底座和机械手的结构，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
2、器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、以及控制元件的设计，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。目 录摘要1 绪论11.1 工业机器人研究的目的和意义11.2 工业机器人在国内外的发展现状与趋势.1.3 工业机器人的分类1.4 本课题研究的主要内容2 总体方案的确定2.1 结构设计概述2.2 基本设计参数2.3 工作空间的分析2.4 驱动方式2.5 传动方式确定3 搬运机器人的结构设计3.1 驱动和传动系统的总体结构设计3.2 手爪驱动气缸设计计算3
3、.3 进给丝杠的设计计算3.4 驱动电机的选型计算3.5 手臂强度校核4 搬运机器人的控制系统4.1 机器人控制系统分类4.2 控制系统方案分析4.3 机器人的控制系统方案确定4.4 PLC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（）、计算机集成制造系统（）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
4、、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。世纪年代以来，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。 驱动方式的改变世纪年代后期，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
5、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、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。 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
6、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
7、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，基于控制的，进一步的嵌入式控制技术，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
8、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
9、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
10、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。例如：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
11、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，
12、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【transfer robot】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
13、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：.
14、 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。. 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
15、合式机器人。. 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以上。大型机器人负荷，工作空间为立方米。中型机器人负荷为。工作空间为.立方米。小型机器人负荷为，工作空间为.立方米。超小型机器人负荷小于，工作空间为.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27个，简易型的24个自由度，复杂型的57个自由度。自由度数越多，机器人的柔性越大，结构
