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1、摘 要在工业上，自动控制系统有着广泛的应用，如工业自动化机床控制，计算机系统，机器人等。而工业机器人是相对较新的电子设备，它正开始改变现代化工业面貌。本设计为三自由度圆柱坐标型工业机器人，其工作方向为两个直线方向和一个旋转方向。在控制器的作用下，它执行将工件从一条流水线拿到另一条流水线这一简单的动作,本文是对整个设计工作较全面的介绍和总结。关键词：三自由度，圆柱坐标，工业机器人AbstractIndustrially, automatic control systems are found in numerous applications, such as automation machine
2、 tool control, computer systems and robotics. Industrial robots are relatively new electromechanical devices that are beginning to change the appearance of modern industry. This scheme introduced a cylindrical robot for three degree of freedom. It is composed of two linear axes and one rotary axis c
3、urrent control only allows these devices move from one assembly line to other assembly line in space, perform relatively simple taskes. This paper is more comprehensive introduction and summing-up for the for the whole design work.Key words ：three degrees of freedom, cylindrical, Industrial robot目 录
4、1.绪论 - 32.工业机器人的总体设计 - 42.1 工业机器人的组成及各部分关系概述 -42.2 工业机器人的设计分析 -52.2.1 设计要求 - -52.2.2 总体方案拟定 - -52.2.3 工业机器人的主要技术参数 - 72.3控制系统的设计分析 -8 3.工业机器人的机械系统设计 - -113.1 工业机器人的运动系统分析 - 113.1.1 机器人的运动概述 -123.1.2 机器人的运动过程分析 -133.2 工业机器人的执行机构设计 -133.2.1 末端执行机构设计 -133.2.2 手臂机构设计 - 163.2.3 腰部和基座设计 -253.3 工业机器人的机械传动装
5、置设计 -33 3.3.1 联轴器的选择 -333.3.3 滚珠丝杠的选择-334. 工业机器人的计算机控制系统概述 -344.1控制系统的基本组成 - -344.2 计算机控制系统的设计方案 -355. 工业机器人运行时应采取的安全措施 - 45 5.1 安全要求 -45 5.2 实施方法 - 456.总结-46参考文献 - 47鸣谢-481 绪论机器人工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我 国科技界跟踪国际高科技发展的重要方面。工业机器人的研究、制造和应用
6、水平，是一个国家科技水平和经济实力的象征，正受到许多国家的广泛重视。目前，工业机器人的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。最近联合国国际标准化组织采纳了美国机器人协会给工业机器人下的定义：工业机器人是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件。参考国外的定义，结合我国的习惯用语，对工业机器人作如下定义：工业机器人是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化程度高的自动操作机械。主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸工件或夹具。工业机器人以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运更重的东西，
7、而且定位精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行各种操作。工业机器人的发展，由简单到复杂，由初级到高级逐步完善，它的发展过程可分为三代：第一代工业机器人就是目前工业中大量使用的示教再现型工业机器人，它主要由手部、臂部、驱动系统和控制系统组成。它的控制方式比较简单，应用在线编程，即通过示教存贮信息，工作时读出这些信息，向执行机构发出指令，执行机构按指令再现示教的操作。第二代机器人是带感觉的机器人。它具有寻力觉、触觉、视觉等进行反馈的能力。其控制方式较第一代工业机器人要复杂得多，这种机器人从1980年开始进入了实用阶段，不久即将普及应用。第三代工业机器人即智能机器人。这种机器人除了具有触觉、视
8、觉等功能外，还能够根据人给出的指令认识自身和周围的环境，识别对象的有无及其状态，再根据这一识别自动选择程序进行操作，完成规定的任务。并且能跟踪工作对象的变化，具有适应工作环境的功能。这种机器人还处于研制阶段，尚未大量投入工业应用。2 工业机器人的总体设计2.1 工业机器人的组成及各部分关系概述 图2-1 工业机器人的组成图 它主要由机械系统(执行系统、驱动系统)、控制检测系统及智能系统组成。A、 执行系统：执行系统是工业机器人完成抓取工件，实现各种运动所必需的机械部件，它包括手部、腕部、机身等。（1） 手部：又称手爪或抓取机构，它直接抓取工件或夹具。（2） 腕部：又称手腕，是连接手部和臂部的部
9、件，其作用是调整或改变手部的工作方位。（3） 臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的负荷，并把它传递到预定的位置。（4） 机身：是支承手臂的部件，其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。B、 驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的机械传动、液压传动、气压传动和电传动。C、 控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。D、 检测系统：作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求。图2-2 各部分关系图对于现代智能机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉
10、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。2.2工业机器人的设计分析2.2.1 设计要求综合运用所学知识,搜集有关资料独立完成三自由度圆柱坐标型工业机器人操作机和驱动单元的设计工作。原始数据：自动线上有，两条输送带之间距离为1.5m，需设计工业机器人将一零件从A带送到B带。零件尺寸：直径 45mm，高 5
11、0mm零件材料：45钢。2.2.2 总体方案拟定 在工业机器人的诸多功能中，抓取和移动是最主要的功能。这两项功能实现的技术基础是精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动。本次设计就是在这一思维下展开的。根据设计内容和需求确定圆柱坐标型工业机器人，利用大扭矩电机控制旋转运动；利用两台步进电机驱动滚珠丝杠旋转，从而使与滚珠丝杠螺母副固连在一起的手臂实现上下及其前后运动；末端夹持器则采用内撑连杆杠杆式夹持器，用小型液压缸驱动夹紧。图2-3 机器人外形图2.2.3工业机器人主要技术性能参数工业机器人的技术参数是说明其规格和性能的具体指标。主要技术参数有如下：A、 抓取重量：抓取重量是用来表明机器人负荷能
12、力的技术参数，这是一项主要参数。这项参数与机器人的运动速度有关，一般是指在正常速度下所抓取的重量。B、 抓取工件的极限尺寸：抓取工件的极限尺寸是用来表明机器人抓取功能的技术参数，它是设计手部的基础。C、 坐标形式和自由度：说明机器人机身、手部、腕部等共有的自由度数及它们组成的坐标系特征。D、 运动行程范围：指执行机构直线移动距离或回转角度的范围，即各运动自由度的运动量。根据运动行程范围和坐标形式就可确定机器人的工作范围。E、 运动速度：是反映机器人性能的重要参数。通常所指的运动速度是机器人的最大运动速度。它与抓取重量、定位精度等参数密切有关，互相影响。目前，国内外机器人的最大直线移动速度为10
13、00mm/s左右，一般为200400mm/s；回转速度最大为180/s，一般为50/s。F、 定位精度和重复定位精度：定位精度和重复定位精度是衡量机器人工作质量的一项重要指标。G、 编程方式和存储容量。 本设计中的三自由度圆柱坐标型工业机器人的有关技术参数见表1-1。表1-1机械手类型三自由度圆柱坐标型抓取重量2.48Kg自由度3个（1个回转2个移动）机座长120mm，回转运动，回转角90，步进电机驱动 PLC控制腰部机构长680mm，伸缩运动，升降范围350mm，步进电机驱动 PLC控制手臂机构长826mm，伸缩运动，伸缩范围100mm，步进电机驱动 PLC控制末端执行器液压缸驱动 PLC控
14、制2.3控制系统的设计分析 本课题采用PLC对机械手进行控制，初定三菱系列，根据机械手的工作流程编制出PLC程序，并画出流程图。预定工作流程如下图（可能根据实际设计过程改动）以下为初步绘制的流程开始机械手在初始位置启动按钮Y逆时针旋转并螺母副下运动运动到下限位限位?NY夹紧工件N延时1s顺时针旋转并螺母副上运动Y运动到上限位置N螺母副左移动N运动到达左限位Y松开工件N是否松开Y螺母副向右运动N运动到右位限位?Y逆时针旋转并螺母副向下运动N运动到起点N按下停止按钮YY结束第3章 工业机器人的机械系统设计3.1 工业机器人的运动系统分析3.1.1 机器人的运动概述 工业机器人的运动，可从工业机器人
15、的自由度，工作空间和机械结构类型等三方面来讨论。 如图2-1所示，为工业机器人机构的简图。图3-1 机构简图a工业机器人的运动自由度 所谓机器人的运动自由度是指确定一个机器人操作位置时所需要的独立运动参数的数目，它是表示机器人动作灵活程度的参数。 本设计的工业机器人具有四转动副和移动副两种运动副，具有手臂伸降，旋转，前后往复三自由度。 b机器人的工作空间和机械结构类型 （1）工作空间 工作空间是指机器人正常运行时，手部参考点能在空间活动的最大范围，是机器人的主要技术参数，工作空间图如图3-2。 图3-2 工作空间图（2）机械结构类型 圆柱坐标型为本设计所采用方案，这种运动形式是通过一个转动，两
16、个移动，共三个自由度组成的运动系统（代号RPP），工作空间图形为圆柱形。它与直角坐标型比较，在相同的工作条件下，机体占体积小，而运动范围大。3.1.2 机器人的运动过程分析 工业机器人的运动过程中各动作如图3-3和表3-1。 图3-3 表3-1机器人开机，处于A位工步一手臂上升工步二，工步七，工步十三旋转至B位工步三手臂伸出工步四, 工步十手臂下降工步五，工步十一夹紧工件工步六手臂收缩工步八，工步十四旋转至A位工步九放松工件工步十二实现运动过程中的各工步是由工业机器人的控制系统和各种检测原件来实现的，这里尤其要强调的是机器人对工件的定位夹紧的准确性，这是本次设计成败之关键所在。3.2工业机器人
17、的执行机构设计3.2.1 末端执行机构设计 工业机器人的末端执行机构设计是用来抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、准确和牢靠程度都将直接影响到工业机械手的工作性能，它是工业机械手的关键部件之一。3.2.1.1 设计时要注意的问题：a. 末端执行机构应有足够的夹紧力，为使手指牢靠的夹紧工件，除考虑夹持工件的重力外，还应考虑工件在传送过程中的动载荷。b. 末端执行机构应有一定的开闭范围。其大小不仅与工件的尺寸有关，而且应注意手部接近工件的运动路线及其方位的影响。c. 应能保证工件在末端执行机构内准确定位。d. 结构尽量紧凑重量轻，以利于腕部和臂部的结构设计。e. 根据应用条件考虑通用性。3.2.1.2 总体结构设计采用连杆杠杆式夹持器，用小型液压缸驱动夹紧，它的结构形式如图2-4。连杆杠杆式夹持器采用四连杆机构传递撑紧力，即当液压缸1工作时，推动推杆2向上运动，使两钳爪3向内收拢，从而带动弹性爪4夹紧工件。该种夹持器多用于实心圆柱零件的夹持。鸣谢第 - 15 - 页