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1、机电控制结课论文题目：六自由度机械手臂的设计中国矿业大学机电控制课程研究小组设计任务书题目：六自由度机械手臂设计组长：蔡翔学号班级姓名组内分工机自11-4班郭方泰机械臂结构设计机自11-3班蔡翔负载计算及电机选择机自11-3班尹纪坤强度校核机自11-3班刘骏富图形绘制机自11-2班李文祥控制卡选择及最终汇总任务下达日期：2014年3月1日课程设计日期:2014年3月1日至2014年5月3日课程设计题目：六自由度机械手臂设计主要内容：六自由度焊接机械手臂的设计，工作半径为1500mm,腕部负载能力5kg焊接机械手系统设计摘要工业机械手最大的应用领域是焊接机械手,它占工业机械手总数的25%左右。由
2、于对许多构件的焊接精度和速度等提出越来越高的要求,一般工人已难以胜任这一工作;此外6自由度焊接机械手还可以减少焊接时的火花及烟雾等对人体造成危害,因而,本课题的提出就有十分重要的意义。为了提高生产效率和产品的焊接质量,满足实际工作需要,本课题设计了用于焊接的关节型机械手。根据机械手的工作要求和结构特点，确定了机械手的外形尺寸和工作空间的总体设计，拟定了机械手各关节的总体传动方案。利用齐次变换矩阵法建立了六自由度关节机械手的正运动学模型，求出机械手末端相对于各自参考坐标系的齐次坐标值，建立了在直角坐标空间内机械手末端执行器的位置和姿态与关节变量值的对应关系。基于几何投影原理推导出相应的逆运动学模
3、型，求出了各个关节的角度值，建立了机械手关节空间与世界空间的映射关系。该机械手具有刚性好，位置精度高、运行平稳的特点，同时，为了解决由平面、弧面、球面等组成的零部件的激光无损检测问题,提高检测的自动化程度和可靠性,提出了基于机械手的激光无损检测系统。关键词: 激光检测 机械手 机电一体化绪论机械手是一种能够进行编程,并在自动控制下执行某种操作或移动作业任务的机械装置。机械手技术综合了机械工程、电子工程、计算机技术、自动控制及人智能等多种科学的最新研究成果,是机电一体化技术的典型代表,是当代科技发展最活跃的领域。机械手的研究、制造和应用正受到越来越多的国家的重视。近十几年来,机械手技术发展非常迅
4、速,各种用途的机械手在各个领域广泛获得应用。本课题为了解决由平面、弧面、球面等组成的零部件的激光无损检测问题,提高检测的自动化程度和可靠性,提出了基于机械手的激光无损检测系统。借助于激光检测技术、机械手技术、数字控制技术、计算机技术等,研制了一种用于激光无损检测的机械手。该机械手由机械系统、控制系统、伺服系统、检测系统等组成,通过PC机控制,能够实现自动控制并实时获取坐标信息,有利于缺陷的定位、定量和定性分析,其结构简单,性能价格比高,不仅能够用于激光无损检测,而且也可以用于其他场合,具有广泛的适应性。正文激光检测机械手主要是针对由平面、弧面、球面等组成的零部件的激光检测而研制的。该机械手主要
5、由机械部分、控制部分、伺服驱动部分、检测部分等组成,其结构框图如下：图1系统关系图为了实现激光检测的自动化,在激光检测机械手的基础上,利用PC机、数字式激光探伤仪等构成自动激光检测硬件系统,利用VC+开发软件系统,实现激光检测的自动化。其工作原理为:首先,机械手夹持探头,使探头轴线与被检测工件表面法线方向平行,且采用直接耦合法;其次,控制系统根据被检测零件的信息,规划扫描路径,发出指令信息给伺服系统,伺服系统驱动机械手带动探头对被检测零件表面进行扫描,与此同时,PC机将通过机械手的检测部分获取探头的位置信息;第三,数字式激光探伤仪获取被检测工件每一点的信息并送入PC机;第四,PC机处理信息,识
6、别缺陷,并存储缺陷信息及其对应的坐标点。1、 机械手的设计激光检测机械手的机械设计应满足以下条件:第一,能够在计算机的控制下带动探头在被检测表面上移动;第二,在检测中保证探头的声束方向与被检测点表面的法线方向重合;第三,计算机能够实时地获取探头的坐标信息。因此,在设计中采用了关节型机械手臂，关节型又称回转坐标型，这种机械手的手臂与人体上肢类似，其前三个关节都是回转关节，这种机械手一般由立柱和大小臂组成，立柱与大臂间形成肩关节，大臂和小臂间形成肘关节，可使大臂作回转运动和使大臂作俯仰摆动，小臂作俯仰摆动。其特点使工作空间范围大，动作灵活，通用性强、能抓取靠进机座的物体。图2六自由度设计2、传动系
7、统的设计为了使机械手臂能够灵活地运动,必须在设计中考虑重量和力矩的问题。本机械手的外型尺寸设计是从小巧灵活的角度考虑,同时为了减轻机械手的重量,在设计时材料选用铝合金。主体的旋转是通过腰关节回转来实现的,在这里采用了一级齿轮传动,安装在底座上的步进电机通过齿轮传动带动立柱绕垂直轴线回转,同时被固定在立柱末端的旋转编码器也跟着一起运动通过它可以随时得到立柱回转的角度,以作为后续处理。在结构上采用向心推力角轴承,是为了承受轴向力。另外针对其余几个关节的具体状况,大臂传动、小臂传动、腕关节传动都采用同步齿型带作为其传动机构,安装在各臂上的步进电机通过同步齿型带将运动传递给另一关节。这样,一方面有利于
8、简化机构,另一方面也满足了负荷要求,同时提高了传动系统的精度,编码器分别安装在各关节轴的末端,随着关节的转动一起转动。另外在结构设计中也从布局方面考虑了机械手的平衡问题。图3机械手内部结构设计3、驱动系统的确定关节型机械手的驱动系统由驱动器和传动机构两部分构成。一般机械手的驱动方式包括以下四种：（1）直流伺服电机：直流伺服电机有很好的调速功能较大的启动力矩，功率大、响应速度快的特点，并且控制技术成熟，安装方便，成本低廉。（2）交流伺服电机：交流伺服电机结构简单，运行可靠性高，维修方便，和步进电机相比价格比较贵。（3）步进电机：可以直接实现数字控制，控制结构简单，价格低廉，通常不需要反馈就能对位
9、置和速度进行控制，但是不能进行误差校核，运动精度较差，负载和冲击过大时会造成“失步”现象。（4）液压驱动马达：液压伺服马达具有较大的功率与体积之比，运动比较平稳，定位精度高，负载能力大。但是，液压伺服马达价格比较高容易出现漏油现象。常见的驱动器有电机和液压、气动驱动装置等。其中电机驱动是常用的驱动方式。电机驱动具有精度高，可靠性好，能以较大的变速度来满足机械手的应用要求。所以在设计过程中选用直流电机作为驱动装置。4、控制系统对机械手各关节的运动进行控制,实质上就是对各步进电机进行控制。控制系统以计算机为核心。此部分由计算机、伺服控制卡、4套步进电机驱动单元和4套步进电机组成。本机械手的控制采用
10、点位控制,根据检测的任务由PC机对机械手进行路轨迹规划,并将其转换成指令信息传给伺服控制卡,由伺服控制卡控制各步进驱动单元完成插补运动,从而带动探头实现目标点的缺陷检测。5、检测系统检测系统的主要任务是确定被检测工件的位置坐标。检测元件主要采用光电编码器。它是一种集光、电、机于一体的高精度位置测量传感器,具有高频响、分辨能力高、承载能力强、力矩小、耗能低、性能可靠、使用寿命长等诸多优点,常被用来测量角度。光电编码器一般分为增量式和绝对式编码器,在本系统中选用增量式光电编码器作为关节角位移的检测元件,其输出为相位相差90b的A,B两相正交脉冲信号,A相或B相的每个脉冲代表被测对象旋转了一定的角度
11、,A相和B相的相位关系则反映了被测对象的旋转方向。为了将编码器的信号传递给PC机,研制了接口电路。6、软件系统软件系统主要实现机械手的位置控制及其检测,其开发工具采用了VISUAL C+6.0,采用面向对象设计方法和模块化的设计思想。控制软件部分在完成激光检测的路径规划的基础上,过接口电路发出控制脉冲,实现对各步进电机的控制,从而实现机械手姿态控制,使其运动到相应的位置。检测软件部分则主要是基于对接口电路得到的编码器信号数据进行采集读取。换算成关节旋转的角度H,然后根据机械手运动学方程计算出目标点的空间位置。结论我国机械手的研究和应用起步较晚，但是随着国内外机械手的快速发展、社会需求的增大和技
12、术的进步，焊接机械手得到了迅速的发展，多品种、少批量生产方式和为提高产品质量及生产效率的生产工艺需求，是推动装焊接机械手发展的直接动力。关节型机械手在轻型、较简单且要求机械手价格较低的焊接作业中大显了身手。本课题正是在这种背景下提出来的，这是一项具有重要意义的课题。开发的激光检测机械手是把机械手机构设计、激光检测技术、计算机测控技术等有机集成的一种新型机械手。该机械手具有结构简单、操作方便、成本低廉等优点,可以部分代替人手操作,减轻劳动强度。基于该机械手构建的激光无损检测系统,不仅能够提高激光检测的自动化程度,提高检测效率和可靠性,而且有利于数据采集处理以及成像,有利于缺陷的定位、定量和定性分
13、析。该机械手不仅适应激光无损检测,而且也可以用于其他无损检测、制造自动化等场合,具有广泛的适应性。参考文献1郑文伟,吴克坚,机械原理,7版.北京:高等教育出版社,1997. 2濮良贵,明刚,机械设计,8版.北京:等教育出版社,20083洪家娣,李明,黄兴元,机械设计指导,南昌:江西高校出版社,20074哈尔滨工业大学理论力学教研室,理论力学,北京:等教育出版社20025机械设计手册新版第3版北京：机械工业出版社、2004 6濮良贵,纪名刚.机械设计.北京:高等教育出版社,2001:22-257伍太宾，胡亚明,直齿锥齿轮轮齿的体积计算,机械,1996,23（1）8邓星钟,朱承高,机电传动控制,3
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