石材雕刻机器人设计.doc

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1、本科论文目 录摘 要I绪 论IV1 石材雕刻机器人11.1 石材雕刻机器人的研究目的与意义11.2 石材雕刻机器人的现状11.2.1 国外石材雕刻机器人的现状11.2.2 国内石材雕刻机器人的现状11.3 研究内容22 石材雕刻机器人系统结构设计32.1 石材雕刻机器人构成及工作原理32.1.1 操作机32.1.2 末端执行器32.1.3 传感器系统42.1.4 控制器42.2 石材雕刻机器人主要参数52.3 石材雕刻机器人主要功能63 石材雕刻机器人动力选择83.1 石材雕刻机器人驱动方式83.1.1 液压驱动83.1.2 气动驱动83.1.3 电动驱动93.1.4 最终选定方案93.2 电

2、机133.3 电机的选择144 石材雕刻机器人关节设计164.1 大臂设计164.2 底座设计164.3 圆柱齿轮传动175 石材雕刻机器人轴承和轴的设计215.1 石材雕刻机器人轴承结构形式215.2 轴的设计计算225.2.1 轴材料的选择225.2.2 轴的受力分析225.2.3 轴的强度校核235.2.4 按安全系数校核236 石材雕刻机器人机械系统运动学256.1 运动学256.1.1 石材雕刻机器人运动学方程256.2 运动控制266.2.1 石材雕刻机器人控制的分类266.2.2 位置控制问题277 石材雕刻机器人的三维模型和实物297.1 石材雕刻机器人三维模型297.2 石材

3、雕刻机器人实物31结 论33致 谢34参考文献35本科论文摘 要当今时代，人们的生活水平和审美观念在不断刷新着新的高度。石材雕刻作为一种可以用来装饰城市环境、塑造文化氛围的艺术作品，大量地出现在人们的日常生活中。因此，人们对石雕的需求也越来越高，相对而言对石材雕机器人的需求也越来越大。在当前的社会形势下，石材雕刻技术在雕刻生产中起着越来越重要的作用。石材雕技术水平的高低直接影响到产品的质量。尽管石材雕机器人在中国的应用有一定规模，但远远不能满足中国石材雕产品的整体需求。因此，石材雕机器人的研究和推广势在必行。 本次设计的重点是运用机械原理和机械制造设备的设计方法来设计石材雕刻机器人。本次设计实

4、践是在了解国内外石材雕刻机器人现状的基础上，掌握石材雕刻机器人的内部结构和工作原理。同时，充分理解石材雕刻机器人运动方式和结构组成，以便为后续石材雕刻机器人的设计提供各种相关的数据依据。该石材雕刻机器人具有刚性好、定位精度高、运行稳定等特点。此石材雕刻机器人主要由手部、腕部、臂部和机座等部分组成。该石材雕刻机器人有着较好的适用性和机动性。该石材雕刻机器人由液压驱动，所有自由度均由液压驱动。该设计实现了对石材雕刻机器人一些规定动作的控制，有利于对电路的简化，对资源的节省，对劳动效率的提高，对生产率的提高等。同时，在整体的布局规划中结合了机械基础。关键词：石材雕刻机器人； 雕刻； 机座； 大臂；

5、自由度 AbstractIn todays era, peoples living standards and aesthetic concepts are constantly refreshing new heights.Stone carving, as a kind of art works that can be used to decorate urban environment and create cultural atmosphere, appears in peoples daily life.Therefore, the demand for stone carving

6、is higher and higher, and the demand for stone carving robot is also higher and higher.In the current social situation, stone carving technology plays an increasingly important role in carving production.The level of stone carving technology directly affects the quality of products.Although the appl

7、ication of stone carving robot in China has a certain scale, it is far from meeting the overall demand of Chinese stone carving products.Therefore, the research and promotion of stone carving robot is imperative.This design focuses on the use of mechanical principles and mechanical manufacturing equ

8、ipment design methods to design stone carving robot.This design practice is to master the internal structure and working principle of stone carving robot on the basis of understanding the current situation of stone carving robot at home and abroad.At the same time, fully understand the movement mode

9、 and structure composition of stone carving robot, so as to provide various relevant data basis for the subsequent design of stone carving robot.The robot is characterized by good rigidity, high positioning accuracy and stable operation.This stone carving robot is mainly composed of hand, wrist, arm

10、 and base.The robot has good applicability and mobility.The robot is hydraulically driven and all degrees of freedom are hydraulically driven.The design realizes the control of some specified actions of stone carving robot, which is conducive to the simplification of circuit, the saving of resources

11、, the improvement of labor efficiency, the improvement of productivity and so on. At the same time, it combines the mechanical foundation in the overall layout planning.Keywords:stone carving robot; carving; base; big arm; freedom绪 论在现在的生活中，石材雕刻艺术品被用来装饰城市环境和塑造文化氛围，它已经大量地出现在人们的日常生活中，直接或间接的影响着人们的审美和价值

12、观。人们随着时间的进程，也逐渐得开始从解决温饱问题转移到物质文化生活中。人们对于周围事物的美好程度有了更高层次的期望。现在，用于房屋和公共建筑的室内装饰的彩色石材在市场上已经很普遍，并且今年它开始跟随高端和大规模生产，大约几万平方米，甚至几十万平方米。人们对石材的消费逐渐提高,就需要对石材加工的工具的需求也逐渐提高,这次设计的石材雕刻机器人在石材行业上也是必不可少的工具之一,石材雕刻机器人的出现也对石材行业有很大的帮助。因为石材工业化的推进和发展,石材的产品越来越的多样化，技术和性能的不断提高，所以我此次项目所设计的石材雕刻机器人，将会进一步的改善人们对于生活水平的要求，它将推动石材雕刻方面的

13、进一步发展，它对于未来的发展起到了一定的推进作用。石材雕刻行业也将买进一个更高的阶梯。1 石材雕刻机器人1.1 石材雕刻机器人的研究目的与意义石材雕刻机器人具有人类无法轻松做到的事情。石材雕刻机器人的通用性、灵活性好，可以根据生产的需要来改变模式来进行工作，而且效率还高。由于石材雕刻机器人在工业生产中发挥了以上巨大的作用，世界各国都开始重视石材雕刻机器人的应用和发展。石材雕刻机器人的应用在我国还属于刚刚发展的时期，就有这么多的优点，说明石材雕刻机器人应用前景很广阔。所以，本课题的研究具有较大的现实意义。1.2 石材雕刻机器人的现状1.2.1 国外石材雕刻机器人的现状随着社会的快速发展，机械将逐

14、步取代人，这是近年来机械工业发展的必然结果。在机械工业的发展史上，每一项机械发明都扮演着不同的角色，但那些以前使用过和生产过的机器却有着不可替代的作用。从原始社会到现在，西方就有出现了许多石雕人才，也相应的有着许多著名的石雕作品。随着石雕艺术的需求，西方国家经常使用石雕机器人来完成一些批量雕刻。由此可见，国外对石雕的关注程度也反映了他们对石雕艺术的乐观态度。也可以说，国外对石雕的未来发展寄予厚望。1.2.2 国内石材雕刻机器人的现状我国的石材雕刻的历史也是相当久远的，而比较让我们熟知的有南越王宫的石栏杆，这是现阶段已知最早的栏杆石材雕刻作品。石材雕刻机器人的特点是通过编程可以完成人们赋予的相应

15、任务。在石材机械行业中，石材雕刻机器人以其多功能性和高性价比优势而占据了加工市场的很大一部分。随着市场竞争的激烈，石材雕刻机器人的总趋势是向更具成本效益的方向发展。1.3 研究内容基于现状，我要设计的是石材雕刻机械人。掌握雕刻机器人的基本结构，重点研究雕刻机器人的机座、腰部和大臂的传动结构。通过自己所掌握的知识，熟练的使用SOLIDWORKS等相关软件，并能进一步解决设计中遇到的问题，除明确了雕刻机器人关节的结构设计外，还掌握了一些尺寸、形位公差标注的技巧。2 石材雕刻机器人系统结构设计2.1 石材雕刻机器人构成及工作原理石材雕刻机器人它的基本工作原理是：先通过计算机中已经安装完成的石材雕刻软

16、件，将所有雕刻参数手动进行数据输入，然后再通过计算机把这些数据信息输送到石材雕刻机器人的控制器中。然后，控制器将信息转换为电信号以驱动伺服电机，进而控制石材雕刻机器人进行雕刻。石材雕刻机器人上的雕刻刀被启动，进行转动，然后移动到石材旁边，接着实行各种雕刻操作。从功能的角度来看，石材雕刻机器人可以分为操作机、末端执行器、传感器系统和控制器四个部分。2.1.1 操作机操作机是由机座、手臂和手腕三个部分组成的。操作机的功能是调节腕部，使末端执行器完成工作所要求的一系列动作。（1）机座机座的设计要求有：底座应该采取适当的大小，来保证石材雕刻机器人工作时的稳定性。底座材料选用铝合金，来保证强度和刚度。（

17、2）手臂石材雕刻机器人的臂部具有4个自由度。手臂的设计要求有：刚度和定位精度的需求是比较高的重量应该要尽量轻运动的时候需要平稳（3）手腕手腕的设计要求有：因为手腕在手臂的末端，所以为了减轻手臂的负担，使手部与臂部连接变得紧凑，手腕机构的驱动机构应该安装在手臂的后端。提高手腕动作的准确性。2.1.2 末端执行器石雕机器人的手也叫末端执行器。石材雕刻机器人手部的特点如下：（1）手和手腕之间的连接是可分离的。（2）石雕机器人手是一种特殊的设备。2.1.3 传感器系统石材雕刻机器人对于传感器的要求完全是根据石材雕刻机器人的工作需求。石材雕刻机器人对传感器的规定应该如下：（1）加工时传感器的精度要高，因

18、为他影响这雕刻品的完美程度。（2）工作时稳定性要好，防止出现错误。（3）抵抗外界的干扰能力要强，尽可能避免在工作中出现故障。2.1.4 控制器石材雕刻机器人的控制装置比较简单。它不需要接收来自感觉器官的信息来分析和决策。它的功能是将由空间位移坐标组成的程序和处理操作指令回放到存储器中。此外，更高级的设备还可以执行自适应的基本功能：从现有装配中自动选择另一个程序；找到产品的相应空间点；从一个周期修改到下一个周期。控制系统的方案取决于石材雕刻机器人使用的技术与经济要求。采用点位系统来帮助石材雕刻机器人，在程序的每一步中沿各坐标轴给出必要的位移，并向被控制设备发送指令，完成相应位置的工艺操作。2.2

19、 石材雕刻机器人主要参数 该石材雕刻机器人主要参数如表2.1所示：（本体的动作范围/规格）表2.1 石材雕刻机器人的主要参数项目规格名称石材雕刻机器人构造垂直多关节轴数最大可载能力位置重复精度AC伺服马达驱动系统驱动容量位置数据反馈绝对值编码器动作范围J1J2J3J4J5J6最大速度J1J2J3J4J5J6允许扭矩J4J5J6允许惯性矩J4J5表2.1 石材雕刻机器人的主要参数 （续表）项目规格允许惯性矩J6雕刻机器人动作范围横截面面积周围温度、湿度本体重量第3轴可载能力安装方法地面、侧挂、吊装原点复元不需要本体颜色灰色2.3 石材雕刻机器人主要功能石材雕刻机器人的目的是从中获得良好的经济效益

20、。根据国内外经验，雕刻生产的主要功能概括如下。A提高雕刻生产效率让效率变得高一点，取决于如下几方面的因素：（1）雕刻时刀具的更换次数。（2）雕刻时工件需要移位的次数。（3）可选择的雕刻参数范围。B保持雕刻参数一致及提高雕刻质量稳定性雕刻时参数的稳定一致与雕刻质量的稳定一致有着很密切的联系。石材雕刻机器人的雕刻参数由石材雕刻机器人控制柜控制，因此所有雕刻的切口尺寸都可以满足工艺规定的要求，而手动雕刻经常会雕刻尺寸过大或切口不足的雕刻。C改善劳动安全卫生条件国家对工作环境的要求越来越高。雕刻本身是一种灰尘多、噪音大、飞溅严重和众多有害烟雾的工作，工作环境相对于其他工作较差。石材雕刻机器人能够改善雕

21、刻对人造成伤害问题。D增强生产管理的可预测性由于石材雕刻机器人是一种可以重复编程的自动机械，所以每个工作周期的时间是确定的。所以采用雕刻机器人后，生产计划安排合理，产量易于准确预测 ，没有必要像过去那样在每个月底加班来赶进度。3 石材雕刻机器人动力选择3.1 石材雕刻机器人驱动方式石材雕刻机器人根据动力提供的来源分为液压驱动，气动驱动和电驱动这三种基本驱动。3.1.1 液压驱动液压驱动系统的主要优缺点如下：输出功率：相较而言很大。控制性能：反应非常灵敏，控制的精度较高。结构性能及体积：结构合适。虽然体积相对较小，但是对于液体的密封问题较严重。安全性：会在特定的条件下发生火灾。对环境的影响：因为

22、有漏油的显现产生，所以会造成加工环境的污染。成本：元件的成本费用较高。维修及使用：方便。3.1.2 气动驱动气动驱动系统的主要特点有以下几点：输出功率：大。控制性能：气体具有高压缩性，准确性比较低，并且低速不易控制。很容易被电源电压、频率等的变化而发生不可预料的影响。结构性能及体积：结构适当。密封性问题相对较小。安全性：防爆性能较好。对环境的影响：在使用中经常会有噪声污染。成本：成本较低。维修及使用：方便。3.1.3 电动驱动电动驱动系统的主要特点有以下几点：输出功率：较大。控制性能：控制精度较高，定位也相对准确，响应非常灵敏，但是控制系统是很复杂的。结构性能及体积：结构性能适当。直接驱动比较

23、困难，不存在密封问题。安全性：比较安全，可能会有电火花。对环境的影响：基本没有影响。成本：成本较高。维修及使用：复杂。3.1.4 最终选定方案我对上面给出的三种方案进行评价分析，选择第一种液压驱动系统进行后续的设计。因为液压驱动相对于气动驱动控制机器的精度比较高，反应也比较快速，输出功率相对来说也不低，又可以实现连续的轨迹控制。相对于电动驱动控制系统不那么复杂，输出功率又较大，结构又比较合适，也易于实现直接驱动，对于后续的维修及使用也比较方便。所以在这里我选这使用液压驱动系统来为我的石材雕刻机器人提供动力。各种液压缸的特点及适用场合如表3.1所示：表3.1 液压缸的特点及适用场合名 称特 点适

24、 用 场 合双活塞杆液压缸双向对称双向工作的往复场合单活塞杆液压缸有效工作面积大、双向不对称往返不对称的直线运动，差动连接可实现快进柱塞缸结构简单单向工作，靠重力或其它外力返回摆动缸单叶片式小于360双叶片式小于180小于360的摆动小于180的摆动本设计石材雕刻机器人的大臂和小臂都采用单活塞杆液压缸，来实现往复运动。液压系统的最基本参数就是压力和流量，主要就是根据这两个参数来设计相符合的液压系统和选择对应的液压元件的。压力取决于外部负载，流量取决于执行元件的结构尺寸和运行速度。（1）计算液压缸的总机械载荷液压缸依据机构的作业情况算出所受的总机械载荷为式中，-为外加的载荷，因为水平方无外载荷，

25、故为0；-为活塞上所受的惯性力；-为密封阻力；-为导向装置的摩擦阻力；-为回油被压形成的阻力；的计算式中，-为液压缸所要移动的总重量，取为；-为重力加速度， ；-为速度变化量；-启动或制动时间，一般为0.010.5，取0.2s将各值带入上式，得：=的计算式中，-克服液压缸密封件摩擦阻力所需空载压力，如该液压缸工作压力16，查相关手册取=0.2 ；-为进油工作腔有效面积； 启动时： 565N运动时： 283N的计算机械手部水平方向上有两个导杆，内导杆和外导套之间的摩擦力为式中，-为机械手部的总重量，取为；-为摩擦系数，取；带入数据计算得： =9.8的计算回油背压形成的阻力按下式计算式中，-为回油

26、背压，一般为0.30.5 ，取=0.3 -为有杆腔活塞面积，考虑两边差动比为2；将各值带入上式有，分析液压缸各工作阶段受力情况，作用在活塞上的总机械载荷为（2）液压缸主要参数的确定经过各种细致的分析，也思考了各种方面的因素，初步确定了各部位液压缸的最基本的参数如表3.2所示。表3.2 大臂液压缸参数缸内径壁厚杆直径行程工作压力4010254002臂液压缸主要承受轴向力，同时液压泵也作为臂部机构。它既是关节机构，又是动力元件。如表3.3所示。表3.3 小臂液压缸参数缸内径壁厚杆直径行程工作压力4010251001大臂液压泵选用2个，小臂液压泵选用2个。（3）计算和选取液压元件液压泵的计算确定液压

27、泵的实际作业时的压力式中，-计算工作压力，前以定为； -对于进油路采用调速阀的系统，可估为（0.51.5），这里取为。因此，可以确定液压泵的实际工作压力为确定液压泵的流量式中，-为泄露因数，取1.1；-为机械手工作时最大流量。经计算得 =3.140带入上式得 确定液压泵电机的功率式中，-为最大运动速度下所需的流量，同前，取为3.140；-液压泵实际工作压力，5；-为液压泵总效率，取为0.8；带入数据计算得：=。3.2 电机石材雕刻机器人的电伺服驱动系统由多种电机组成。石雕机器人的主体由机械传动机构直接或间接驱动，实现石雕机器人的各种运动。石材雕刻机器人对关节驱动电机的主要要求是：（1）对于速度

28、方面，要求不能太慢。（2）体积相对要小，重量相对要轻。（3）要相对于其他机械靠得住。3.3 电机的选择设两臂及手腕绕各自重心轴的转动惯量分别为、，根据平行轴定理可得绕第一关节轴的转动惯量为: (3-1)、分别为、。、分别为重心到第一关节轴的距离，其值分别为、，在式（3-1）中、故、可忽略不计。所以绕第一关节轴的转动惯量为： (3-2)同样，手臂和手腕绕第二关节轴的转动惯量也可以得到: 式中：-小臂重心距第二关节轴的水平距离。-腕部重心距第二关节轴的水平距离。设主轴速度为，则旋转开始时的转矩可表示如下 (3-3)式中：-旋转开始的转矩 -角加速度使雕刻机器人主轴从到/s所需时间为:则： 若考虑绕

29、石材雕刻机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，则旋转开始时的启动转矩可假定为。电动机的功率可按下式估算 (3-4)式中：-电动机功率 ； -负载力矩 ； -负载转速 ； -传动装置的效率，初步估算取0.9； 系数为经验数据，取1.4估算后就可选取电机，使其额定功率满足下式 (3-5)选择SAGMAH型伺服电机数据如表3.4所示。表3.4 SAGMAH型伺服电机技术数据功率（W）额定电压（V）额定电流（A）额定转速（r/min）滤磁方式绝缘等级工作制（min）75024046.23000串励B604 石材雕刻机器人关节设计4.1 大臂设计大臂的材料采用铝合金材料，方形结构，臂厚34mm左

30、右。内部结构设计如图4.1所示。图4.1 石材雕刻机器人大臂4.2 底座设计机座和腰部的材料采用铝合金材料，方形结构，臂厚40mm左右。内部结构设计如图4.2所示。图4.2 石材雕刻机器人机座和腰部4.3 圆柱齿轮传动考虑到雕刻机器人腰部传动的传动比比较小，对腰部传动的要求较低，所以我选取了齿轮传动。齿轮精度等级我选用了7级。选取小齿轮的材料为40Cr，热处理后硬度大约为240HBS，选取大齿轮的材料为40Cr，热处理后硬度大约为280HBS。选择小齿轮齿数，则大齿轮齿数。A设计准则先按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。齿面接触疲劳强度条件的设计表达式 (4-1)其中，小齿轮传递

31、的转矩： 试选载荷系数 Kt=1.4选择材料的接触疲劳极根应力为： 应力循环次数N由下列公式计算可得 (4-2)则 接触疲劳寿命系数,接触疲劳安全系数求许用接触应力:将有关值代入（4-1）得：则圆周速度： 齿宽：模数：齿高：由此查得：根据,7级精度，查得： 动载荷系数；直齿轮使用系数；动载荷分布不均匀系数则修正 取标准模数。B计算基本尺寸取 C校核齿根弯曲疲劳强度选择材料的弯曲疲劳极限应力为： 弯曲疲劳寿命系数 取弯曲安全系数求许用弯曲应力:载荷系数：齿形系数， 查应力校正系数： 校核两齿轮的弯曲强度 (4-3) 所以齿轮完全达到要求,如表4.1所示。名称符号公式分度圆直径齿顶高齿根高齿全高齿

32、顶圆直径 齿根圆直径 基圆直径 齿距齿厚齿槽宽中心距顶隙表4.1 齿轮的几何尺寸5 石材雕刻机器人轴承和轴的设计5.1 石材雕刻机器人轴承结构形式石材雕刻机器人用圆锥滚子轴承通常有带密封圈结构形式。其主要由内圈、外圈、保持架、圆锥滚子组成。预计使用寿命为10000小时。下面计算基本额定动载荷：式中，-基本额定动载荷计算值；-当量动载荷；-寿命因数-速度因数-力矩载荷因数-冲击载荷因数-温度因数-基本额定动载荷查机械工程手册得，。代入得：下面计算额定静载荷： 式中： -基本额定静载荷计算值 -当量静载荷 -安全因数 -基本额定静载荷代入得：经过查阅机械设计手册中的表，选择圆锥滚子轴承就可满足需求

33、。5.2 轴的设计计算5.2.1 轴材料的选择选择轴的材料：45号钢经调质处理，其性能为：，。5.2.2 轴的受力分析工作功率为：选。考虑到开键槽，将其轴径增加10%，故其轴的直径为110mm。轴的转速:轴传递的转矩为： 代入得 ： 计算轴的弯矩，按进行弯矩合成。故。5.2.3 轴的强度校核键槽处。键槽处当量弯矩为：强度校核：考虑键槽的影响，查表得： 显然，, 所以就可以知道很安全。5.2.4 按安全系数校核.判断危险截面在键槽处是有应力的集中源，而且弯矩数值较大，所以确定为危险面。.疲劳强度校核（1）键槽处截面上的应力：弯曲应力：扭转应力：弯曲平均应力：扭转平均应力：（2） 材料的疲劳极限：

34、根据，查表得： （3）截面应力集中系数：查表得： （4）表面状态系数及尺寸系数：查表得 （5）分别考虑弯矩或扭矩作用时的安全系数：故安全。6 石材雕刻机器人机械系统运动学6.1 运动学6.1.1 石材雕刻机器人运动学方程将石材雕刻机器人的每个连杆创建一个坐标系，并使用齐次变换描述这些坐标系之间的相对关系，也称为相对姿势。普遍把描述一个连杆坐标系和第二个连杆坐标系间相对关系的齐次变换矩阵叫做A变换矩阵或A矩阵。如果矩阵表示第一个连杆坐标系相对于固定坐标系的齐次变换，则第一连杆坐标系相对于固定坐标系的位姿为 (6-1)式中： 为固定坐标系的齐次矩阵表达式，即 (6-2)如果矩阵表示第二个连杆坐标系

35、相对于第一个连杆坐标系的齐次变换，那么第二个连杆坐标系在固定坐标系中的位姿可用和的乘积来表示，并且应该右乘，即 （6-3） 同理，若矩阵表示第三个连杆坐标系相对于第二个连杆坐标系的齐次变换，则有： (6-4)如此类推，对于六连杆机器恩，有下列矩阵： (6-5) 式（6-5）右边表示了从固定参考系到手部坐标系的每个连杆坐标系之间的变换矩阵的连乘，左边表示这些变换矩阵的乘积，也就是说明手部坐标系相对于固定参考系的位置，可以称式（6-5）为石材雕刻机器人运动学方程。式（6-5）的计算结果是一个如下的（）矩阵： (6-6)式中可以看出，前三列表示了手部的姿态，第四列表示了手部的位置。6.2 运动控制6

36、.2.1 石材雕刻机器人控制的分类石材雕刻机器人的控制结构的选择取决于石材雕刻机器人执行的任务。不同种类的石材雕刻机器人发展了不同的控制综合方法。从来没有人尝试过用统一的控制模式来控制不同类型的石材雕刻机器人。石材雕刻机器人控制的类型是没有近乎一样的标准的，例如：石材雕刻机器人按运动坐标的控制方式可以分为直角坐标空间运动控制和关节空间运动控制；石材雕刻机器人按控制的系统对作业环境变化的适应程度可以简单分为自适应控制系统、程序控制控制系统和人工智能控制系统；石材雕刻机器人根据同时控制的石材雕刻机器人的数量，又可以分为单控系统和群控系统。此外，依据不同的运动的控制方法，石材雕刻机器人的控制又可以大

37、致分为两种：位置控制和力控制。选择后一种分类方法，详细分析了石材雕刻机器人控制的方式。（1）位置控制方式 点位控制：这种类型的控制仅用于控制离散位置上机器人爪或工具的位置和姿势。必须尽可能快地实现相邻点之间的运动而不会出现过冲，但通常不是相邻点之间的运动路径，对于点控制而言，最重要的技术指标是定位精度和执行运动所需的时间。 例如，点控制模式用于组件组装，点切割，运输，印刷电路板的装卸。连续轨迹控制：这种运动控制的特点是连续控制雕刻机器人的爪（或工具）的姿势和轨迹。 通常，需要可控制的速度，平稳的轨迹和平稳的运动。 轨迹控制的技术指标是轨迹的准确性和稳定性，例如，包括用于弧形雕刻，喷漆，切割和其

38、他地方的雕刻机器人控制。（2）力控制方式在雕刻物体的过程中，除了精确定位外，石材雕刻机进入末端机械手与工作物体表面接触时，还需要使用适当的力或力矩来工作。此时应采用力的控制方式。力的控制是位置控制的补充。这种方法的控制原理与位置伺服控制基本相同，只是输入和反馈的不是简单的位置信号，而是力信号。因此，有时它还进行自适应控制。6.2.2 位置控制问题石材雕刻机器人的每个关节通常配备一个位置传感器以测量关节位移，有时会使用速度传感器（如测速电机）来测量关节速度。但是，驱动关节的方法有很多，作为模型，可以始终假设每个关节由一个电机驱动。石雕机器人很少使用开环控制方法，例如步进电机。 在实际应用中，石雕

39、机器人大多使用反馈控制。它利用各个关节传感器反馈得到得一系列信息来计算所需要的扭矩数据，然后发出与之对应的扭矩的指令来实现所需的运动。如图6.2所示。 图6.2 雕刻机器人控制系统方框图图6.2所示表示雕刻机器人本身、控制系统和轨迹规划器之间的关系。石材雕刻机器人从控制系统来接收所有的关节驱动扭矩矢量，并且安装在雕刻机器人关节上的传感器快速测量出关节位置的矢量和关节的速度矢量，然后再将其反馈给控制器，用以反馈控制构成的石材雕刻机器人的闭环控制系统。为了在石材雕刻机器人上完成对于位置的复杂控制，位置检测元件必不可少。检测是进行比较和判断的基础，也是雕刻机器人的操作和控制的基础。7 石材雕刻机器人

40、的三维模型和实物7.1 石材雕刻机器人三维模型根据设计将石材雕刻机器人各个部位的三维零件进行装配。手臂大多采用【同心】和【重合】的配合命令，臂部装配图如图7.1.1所示。图7.1.1 石材雕刻机器人臂部三维模型夹具的三维装配采用【同心】和【距离】的配合命令，夹具的装配图如图7.1.2所示。图7.1.2 石材雕刻机器人夹具三维模型腰部的三维装配采用【同心】和【重合】的配合命令，腰部的三维装配图如图7.1.3所示。图7.1.3 石材雕刻机器人腰部三维模型腰部的半剖图可以清晰明了的看到其中的内部结构，如图7.1.4所示。从图中可以直观的看到电机、齿轮、轴的配合。图7.1.4 石材雕刻机器人腰部三维模

41、型石材雕刻机器人的三维总装配图采用了【同心】，【重合】和【距离】配合命令来完成总装配，如图7.1.5所示。图7.1.5 石材雕刻机器人总装配三维模型7.2 石材雕刻机器人实物石材雕刻机器人的3D打印实物如图7.2.1，7.2.2所示。图7.2.1 石材雕刻机器人3D打印实物1图7.2.2 石材雕刻机器人3D打印实物2结 论在本次毕业设计的过程中，我了解了石材雕刻机器人的基本工作原理，明白了石材雕刻机器人对于石材雕刻品的重要性。本文对石材雕刻机器人进行了结构设计。通过本文的工作，可以得到以下结论：（1）在设计过程中，我设计了三种驱动方案，分别为：液压、气动和电动。其中，气动准确性较低，低速时难控制，设计不合理。电动成本和维修费高，直接驱动困难，不合实际。液压结构合适，易于直接驱动，维修费用低，这种方案可以满足设计要求。（2）通过对石材雕刻机器人分析，对相关部件进行设计，选择了适当的参数，然后绘制零件图，并进行了总体设计，绘制了总体装置图。（3）即使本文对电机功率等计算最大程度接近了最佳值，但计算简化，不够精确，后续研究需进一步完善。通过以上分析经过一个学期的努力，并研究、阅读书籍、查阅雕刻机器人行业标准、草图力学和结构分析，我了解了毕业设计的本质。大学四年来，我学了很多课程，接触面也很广，而本次毕业设计是各学科的综合与实践。无论是机械制图、机械原理