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1、摘要在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，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的重要成员， 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，工业机器人主要承当着焊接、喷涂、搬运以与堆垛等重复 性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。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，然后选择适宜的传动方 式、驱动方式，搭建机器人的结构平台；在此根底上，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
2、选择、反响方式和反响元件的选择、端 子板电路的设计以与控制软件的设计，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ABSTRACTen terprises payIn the modern large-scalemanu facturi ng in dustry,more atte ntio n on the automati ondegree of the product ionprocess in order
3、to enhance theproducti onefficie ncy,a ndguara ntee the productquality.As animporta nt part of theautomation production line.in dustrialrobots are gradually approvedand adopted byen terprises.The tech niquelevel and the applicationdegree ofin dustrialrobots reflect the n ati onallevel of the in dust
4、rialautomati onto some exte nt, curre ntly, in dustrial robots mainly un dertake the jopsof weldi ng, spray ing, tran sport ing and stow ing etc. , which are usuallydone repeatedly and take high work strength, and most of theserobots workin playback way.In this paper I will desig n an in dustrialrob
5、ot with fourDOFs, whichis used tocarry material for a pun ch. FirstI will desig n the structure of thebase, the big arm,thesmall arm and the end manipulator of the robot,thenchoose proper drivemethod and transmission method, buildingthemechanical structureof the robot. On this foundation,I will desi
6、gnthecon trol system ofthe robot,in cludi ngchoos ingDAQ card,servocon trol,feedback method and desig ning electric circuit of the termi nalcard and control software. Great attention will be paid on the reliabilityof the con trol software and the robot safety duri ngrunning. The aims torealize fin a
7、lly in clude: servoc on trol and brake of the joi nt,m on itori ngthe movementof each joint in realtime,playback programming and modifyingthe program onlin e,setti ng refere nee point and returni ng to refere neepoint.KEY WORDSObot, playback, servoco ntrol, brake目录第1章绪论 31.1 机器人概述 41.2机器人的历史、现状 41.3
8、机器人的开展趋势 4第2章机器人实验平台介绍与机械手的设计3自由度与关节 42.2 基座与连杆 4基座 7大臂 7小臂 72.3机械手的设计 42.4驱动方式 42.5传动方式 42.6制动器 4第3章控制系统硬件 43.1控制系统模式的选择 43.2控制系统的搭建 4工控机 4数据采集卡 4伺服放大器4端子板 4电位器与其标定 4电源 4第4章控制系统软件 4预期的功能 44.2实现方法 4实时显示各个关节角与运动X围控制4直流电机的伺服控制 4电机的自锁 4示教编程与在线修改程序 4设置参考点与回参考点 4第5章总结 45.1所完成的工作 45.2设计经验 45.3误差分析 45.4可以继
9、续探索的方向 4致谢 4参考文献 4第1章绪论1.1机器人概述在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生 产过程的自动化已根本得到解决。 但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续 的。专用机床是大批量生产自动化的有效方法；程控机床、数控机床、加工中心 等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要方法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。机器 人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的根底。“工业机器人In dustrial Robot ：多数是指程序可变编的独立的 自动抓取、搬运工件、操作工具的装置国内称作工
10、业机器人或通用机器人。机器人是一种具有人体上肢的局部功能，工作程序固定的自动化装置。机器人具 有结构简单、本钱低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国 常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。简而言之，机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作 位置，或按照工作要求以操纵工件进展加工。机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人，也即本文所研究 的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制 程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外， 还具备通用 机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要
11、人工操作的，称为操作机Manipulator。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业， 后来开展到用无线电讯号操作机器人来进展探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一 X畴。第三类是专业机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上， 用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之为 “ Mecha nical Hand,它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序一般是固定的， 因此是专用的。机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型， 其中关节型机器人以其结构 紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物 等这样一些特点，成为机器人中使用
12、最多的一种结构形式， 世界一些著名机器人 的本体局部都采用这种机构形式的机器人。要机器人像人一样拿取东西，最简单的根本条件是要有一套类似于指、腕、 臂、关节等局部组成的抓取和移动机构一一执行机构；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 系统这三局部组成，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，以与机器人的触觉装置。机
13、器人的这些组成局部并不是各自独立的， 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，机器人的各局部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机器人各组成局部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，由驱动一传动系统提供动 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，传动系统如此将驱动力转换为 满足机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。有的文献如此把
14、机器人分 为机械系统、驱动系统和控制系统三大局部。其中的机械系统又叫操作机(Ma nipulator)，相当于本文中的执行机构局部。1.2机器人的历史、现状机器人首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机器 人。它的结构特点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。日本是工业机器人开展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型机器人后，大力从事机器人的研究。目前工业机器人大局部还属于第一代， 主要依靠人工进展控制；控制方式如此为 开环式，没有识别能力；改良的方向主要是降低本钱和提高精度。第二代机器人正在加紧研制。它设有微型电子计
15、算机控制系统， 具有视觉、触觉 能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息进展反响，使 机器人具有感觉机能。第三代机器人机器人如此能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步开展成为柔性制造系统FMS(Flexible Man ufacturi ng System) 和柔性制造单元 FMC(Flexible Ma nu facturi ng Cell) 中的重要一环。随着工业机器人研究制造和应用领域不断扩大，国际性学术交流活动十分活跃， 欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。国际工业机器人会议ISIR决定每年召开一次会议，讨论和研究机器人的开展与应用问题。目前，工业机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面，无论数量、 品种和性能方面还不能满足工业生产开展的需要。使用工业机器人代替人工操作 的，主要是在危险作业广义的、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适 于人工作业的环境。在国外机械制造业中，工业机器人应用较多，开展较快。目前主要应用于机床、 模锻压力机
