单臂机器人-冲压机械手及嵌入式机器人控制系统设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 摘 要 传统的工业机器人控制系统绝大多数是基于 术开 发 ，但是，随着嵌入式处理器性能的提高，这些领域的应用将会逐渐被嵌入式系统所取 代 。 本文基于 构的嵌入式处理器 现 对冲压机器人 的控制，并同时 完成 冲压 机器人 机械本体的构造 。设计出具有较高自动化程度和动态性能的单臂冲压机器人系统。 本设计创新点在于： （ 1） 将 32 位嵌入式处理器 嵌入式实时操作系统C/入到单臂冲压机器人 的控制当中，取代了传统的 制系统，提高了系统 的快速响应能力且大大降低了成本。 （ 2） 利用 电数据保持的特性，开发出简易的 示教控制系统，提高了冲压机器人的环境适应能力。 本设计 充分贯彻了结构化、模块化的设计思路。 首先 根据冲压机器人的设计要求确定出系统的总体方案，即，机械本体加嵌入式系统控制。然后， 通过初步分析， 将机械本体划分为五大功能组件，即， 机械臂组件、升降滑块组件、升降支撑组件、 回转支撑组件 和底部框架组件 ， 而后， 通过建立 体 模型确定 出 机械本体的 具体 设计 方案 ， 并对设计尺寸进行初步的确定和产品 选型。 接下来 ， 对控制系统进行了设计， 控制系统被总体划分为软、硬件两大设计部 分。 硬件设计部分 被 进一步 细分 为电源 电路、通信电路、控制器电路三大 模块；软件设计部分 则 被细分 为 摸屏控制程序、复位程序、五路脉冲输出、示教程序 等 五大模块 。 最后，在 完成模块化划分的基础上 ，根据已有知识和现有产品 对该 单臂冲压机器人 项目 进行 详细设计和 选型 。 关键词 ：嵌入式； 单臂冲压机械人 ； 示教系统；自动化 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 C of in be by is on of at a of is s (1) 2 C/of C, s (2) s a a s to to of is on s to of by a is to of of is of of is on 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 目 录 1 绪论 . 1 . 1 业机器人的国内外 研究现状 . 1 内研究现状 . 1 外研究现状 . 2 计完成的工作和创新点 . 3 入式控制系统 . 4 在的问题及后续设计展望 . 6 文总体结构 . 6 2 总体方案设计 . 7 统总体简介 . 7 械本体各部分设计方案及功能介绍 . 8 械臂组件 . 8 转支承组件 . 8 降支撑组件 . 9 降滑块组件 . 9 部框架组件 . 10 制系统设计方案 . 10 入式系统硬件 . 10 入式系统软件 . 10 章小结 . 11 3 关键部位的选型与校核 . 12 转支撑组件部分 . 12 机 其减速机的选型与校核 . 12 力球轴承静载荷校核 . 15 钉校核 . 16 轴器键校核 . 17 械臂组件部分 . 18 杠 1 选型与计算 . 18 机 型与校核 . 20 降支撑组件部分 . 22 杠 2 的选型与计算 . 22 降滑块组件部分 . 23 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 机 其减速机的选型与校核 . 23 轮校核 . 25 章小结 . 27 4 控制系统设计 . 28 入式硬件系统方案 . 28 源电路 . 28 制器电路 . 28 信电路 . 32 入式软件系统方案 . 33 作系统 . 33 摸屏控制程序 . 35 位程序 . 35 路脉冲输出 . 36 教程序 . 36 5 结论与展望 . 36 参考文献 . 38 附录 1 程序流程图 . 39 附录 2 主程序 . 41 附录 3 控制器原理图 . 45 翻译 . 46 英文原文 . 46 中文翻译 . 59 8. 参考文献 . 69 致 谢 . 70 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 绪论 景及意义 冲压机器人是冲压自动化设备不可缺少的重要组成部分，其高效安全工作对生产和生活都有着非常重要的意义。目前，随着机械设备高速化和重载化的发展趋势，对机器人的工作平稳性能和安全性能提出了越来越高的要求 。 国外的机器人技术已相当成熟，六轴机 器人被广泛应用于自动化上下料系统。近年来，器人公司为长安铃木 、吉利和长城等国内汽车公司提供了冲压自动化系统，制定了冲压自动化生产线技术方案，应用了其研制的 6660、 600 等机器人并配以旋转七轴与柔性 先进的技术。 相对于其他国家，我国的工业机器人发展 起步 较晚，直 到 2007 年 才首次由济南二机床集团有限公司将国际上广泛应用的六轴机器人应用于大型冲压自动化生产线 中 1。 到目前为止， 我国的机器人上下料技术的研究与国际先进水平 仍然 有较为明显的差距 ，因此对机器人上 下料技术的研究，尤其是对大型柔性重载机器人冲压自动化生产线上下料技术的研究具有 非常 重要的实际意义。以汽车和摩托车生产为主的一批制造企业联合哈尔滨工业大学、沈阳自动化研究所等单位，对高速重载电焊及搬运机器人的核心关键技术进行了研究和实施，然而对于冲压机器人领域的相关研究和应用并未深入，尤其针对高速重载冲压机器人的关键技术尚未从根本上解决。 因此，对高速重载冲压机器人的关键技术研究具有非常重要的实际意义。 业 机器人的国内外研究现状 内研究现状 我国 从 20 世纪 70 年代 起开始了关于工业机器人 的研究 ,经过几代人 的 不懈 努力 ， 现已 基本掌握了工业机器人的设计制造技术、控制系统和驱动系统的设计技术和机器人软件和编程等关键技术。 在机器人领域，成长起一批具有较强 科研实力的公司和 科研 院校，如中科院沈阳自动化研究所、沈阳新松机器人自动化有限公司、 哈尔滨工业大学、 清华大学、国防科技大学、 北京航空航天大学、 南京航空航天大学、东南大学 等 2。国防科技大学 针对机械臂 模块化 的发展需求 ,设计提出了一种基于 构的模块化机器人拟人手臂，利用 构在机器人手臂中能够同时传递运动、动力和连接两相邻模块的特点 ,能够有效拓展机械臂的工作空间 ,增强其运动灵活性；清华大学以斯坦福机械手臂为研究对象，将多模型自适应控制应用在机 器人手臂控制中，对被控对象建立离散时间模型，并建立自适应控制器并在斯坦福大学的基础上有所改进，在 斯坦福 大学的 机械手自适应控制 算法当中，参数破坏经常会导致总体系统的稳定性下降 ， 清华大学为 被控对象模型建立多个模型， 通过这种方式实现对被控对象 参数不确定性 的有效覆盖 ， 这种构建多模型自适应控制器的方法，将 局部化 技术 引用进来 ，可 在保证多模型自适应精度的同时 减少计算时间；哈尔滨工业大学 在 七自由度仿人手臂双臂 一体机器人协调运动学研究 中做出了突出成绩 。由于双买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 臂协调和单臂运动是相关且并行的，所以，提出用对单臂运动学逆解进行修正的方法来得到双臂协调运动学逆解。通过对双臂上任意臂杆避碰的分析，提出了相碰检验条件及避碰附加作业模型，并利用冗余自由度和 阵的零空间分解得到了双臂避碰附加作业闻解，最后用此逆解修正单臂运动 ；东南大学对于机器人操作手运动能力指数的应用，分析 了机器人操作手速度空间理论，以操作手运动能力指数为性态指标，对操作手进行了运动学分析与规划；南京航空航天大学作了空间柔性双臂机器人的动力学建模及 控制的研究，基于假设模态法、拉格朗日方程和系统动量守恒，推导了自由浮动空间柔性双臂机器人协调操作刚性负载闭链系统的动力学模型，并利用位置一力混合控制算法对该动力学模型实现了轨迹跟踪控制，最后进行了动力学控制仿真 。 外研究现状 由于机器人冲压自动化生产线的特点很好地适应了当今汽车行业车身更新换代速度快的要求，在世界范围内被广泛应用。各大机器人公司抓住了这一重大商机，纷纷研发出了适用于冲压自动化生产线的冲压机器人 3。比如： 司的 列机器人，图 器人，该机器人最大工作范围达 3500荷 120加负荷 50司研制的冲压机器人 660，该机器人工作范围为 3100载能力达 130 图 运机器人 中国的 工业机器人设计、生产 水平 与世界其他先进 国 家 比较起来 仍然有较大差距 ， 随着传统的功能型工业机器人越来越成熟，各国科学家正逐渐将 具有完全自主能力的、拟人化的智能机器人 做为下一步的研究重点 。特别是对于机器人手臂的研究，是现阶段研究的热点。德国 司研制的重负载工业机器人在极 端的铸造环境中可以安全有效、精确的移动极为沉重的物件，并保持一定的速度；德国 司生产的巷道支护设备002、 8 ，均有部分设计模块与工业机器人相关，特别买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 是类机器人手臂的设计应用相当广泛。因为现今工业机器人智能化越来越高，所以机器人的设计不断向模块化发展，设计制造分工合作显得越来越重要。 近几十年，工业机器人控制系统的发展经历了开环控制、闭环位置控制、自适应控制等阶段 4下一代的控制系统要求更快的实时响应来应对不可预知的人类参与以及突发性安全问题。 现在，闭环硬件系统主要由微处理器进行控制，例如 制器 6等。 应用上，虽然现在绝大多数的工业机器人控制系统依然是基于 术开发 7，但是，随着嵌入式处理器性能的提高，这些领域的应用将会逐渐被嵌入式系统所取代。例如，随着 理器的迅速发展，很多原先运行在 和其他专用硬件设备上的实时软件已被移植到 理器上。 制器也正在被嵌入式系统所取代 8因为这样可以减少硬件成本和增加系统的可靠性 计 完成的工作 和创新点 完成的工作： 表 成工作清单 机械部分 控制部分 1、图纸：总装图 转支承组件 械臂组件 降支撑组件 降滑块组件 轴 缩臂滑块 齿轮 计 、图纸： 电气原理图 制器原理图 计 、硬件部分： 电源电路、通信电路选型 控制器电路设计 3、软件部分： 作系统移植、 触摸屏控制程序、复位程序、五路脉冲输出、示教程序编写 2、其他：三维实体总装图 三维动画 本设计创新点在于： （ 1）将 32 位嵌入式处理器 嵌入式实时操作系统 C/入到单臂冲压机器人的控制当中，取代了传统的 制系统，提高了系统的快速响应能力且大大降低了成本。 （ 2）利用 电数据保持的特性，开发出简易的示教控制系统，提高了冲压机器人的环境适应能力。 械本体 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 主要划分为：底部框架组件设计、回转支 承组件设计、升降支撑组件设计、机械臂组件设计、升降滑块组件设计等五 个部分。 底部框架组件设计： 包括脚轮托架和底部框架 的设计。 设计过程主要包括底部框架组件的外型设计，材料选型以及计算校核等。 回转支承组件设计： 包括电机托板、定位立柱、支撑板、支撑套、上下端盖、芯轴以及非标垫圈的设计。 设计过程主要包括回转支承组件的外型设计，材料选型以及计算校核 等。 升降支撑组件设计： 包括侧板、定位板、限位柱、盖板、电机过渡支 撑、 紧固套、非标垫圈的设计。 设计过程主要包括升降支撑组件的外型设计，材料选型以及计算校核等。 机械臂组件设计： 包括 压块、伸缩臂滑块、限位托架、法兰座、前后端支撑板、轴承支座、固定侧板、轴承端盖、丝杠支撑端定位板、丝杠固定端定位板、电机支撑板、同步带芯轴、手指转接盘、非标垫圈的设计。 设计过程主要包括机械臂组件的外型设计，材料选型以及计算校核等。 升降滑块组件设计： 包括升降滑块、滑块后端盖、齿轮紧固套、滑块轴承止动环、滑块前端盖、非标齿轮、齿轮限位 套 、滑块轴、非标垫圈的设计。 设计过程主要包括升降滑块组件的外型设计，材料选型以及计算校核等。 电机选型设计： 根据负载情况选择合适的伺服电机。一共有五个，包括回转电机、升降电机、机械臂伸缩电机、吸盘转动电机、机械臂回转电机。 入式控制系统 主要划分为硬件系统设计和软件系统设计两部分： 嵌入式实时控制系统硬件研发 ,包括电源电路、控制器电路、 通信电路： 表 统硬件电路划分及其功能简介 电路名称 功能 简介 电源电路 负责将市电（ 220V）转化为稳定的 压为控制器供电 ,该部分电路包括：变压器电路，桥式整流电路、集成稳压电路。 控制器电路 整个系统的核心，主要包括 片、晶振、电源输入、管脚输出、复位电路等部分。 通信电路 提供单片机与触摸屏交互的接口，主要由 块组成。 嵌入式实时控制系统软件研发 ， 采用嵌入式操作 系统 C/块化设计方法，提高买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 系统的实时性和扩展性，分为五个模块： 作系统、触摸屏控制程序、复位程序、5 路脉冲输出、示教功能。 表 统硬件电路划分及其功能简介 软件模 块名称 功能简介 研究重点 作系统 负责任务调度。 操作系统在 境下的移植。 触摸屏控制程序 通过触摸屏进行参数的设定，完成示教功能。 该部分主要包括为触摸屏底层驱动和应用层调用程序的编写。 复位程序 控制机械手回到原点。 当位置传感器检测到机械手指定位置信息时将触发控制器外部中断，然后，由中断程序进行复位。 五路脉冲输出 伺服电机采用位置控制，控制器通过向伺服驱动器发送 5 路脉冲来分别控制 5个伺服电机。 向伺服驱动器发送 5 路脉冲 示教功能 使机器具有一定的记忆性 ，达到示教功能 将设置好的参数，存入到 内的，下次运行时自动装载 本设计 创新点主要体现在以下几个方面： （ 1）综合采用 32 位嵌入式处理器的主控单元和 C/块化编程思想，提高了冲压机器人的快速响应能力且大大降低了成本。 （ 2）利用 电数据不易失的特性，将设置好的运行参数保存在 部 样在下次启动时即可直接运行设置好的参数，从而避免了重复设置，实现示教功能。从而大大提高了冲压机器人的环境适应能力。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 在的问题及后续设计展望 存在问题及 后续展望从机械本体和控制系统两方面展开叙述： 本设计借鉴许多已有设备的连接、传动以及功能实现方式，将他们结合在一起，难免会出现配合上的问题。再设计计算得过程中，由于设计结构的不对称性，在建立力学模型寻找中心时会出现不精确的情况，使计算显得略微粗糙。 机械本体的设计采用过多的非标件导致制造成本过高，图纸工作量太大。另外由于缺乏经验，机械上有很多地方可以精简改进，比如 升降滑块组件由于对空间考虑不够导致在实际安装电机时比较麻烦。 控制系统 的设计虽然主体功能均能够实现，但是，触摸屏界面设计较为单一，操作上不够智能化 ；代码不够精简，有些地方存在重复代码导致运行效率下降。 文总体结构 本设计将分为六 个章节进行讨论。 第一章 分析了 冲压机器人的发展现状并 简单介绍了本文设计的设计思路、主要内容以及 研究意义。 第二章 对整体设计方案及各部分功能以及设计的思路进行了介绍。 第三章 对 机械本体的各 关键部位进行了的选型与必要的校核 。 第四 章 主要从硬件 设计和软件系统设计两方面对冲压 机器人 的控制系统进行了详细的介绍。 第五 章 总结了本文主要研究的内容及解决的问题，并提出存在的不足。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 总体方案设计 机 械 本 体 设 计回转支承组件设计升降支承组件设计底部框架组件设计升降滑块组件设计控 制 系 统 设 计机械臂组件设计电机选型设计相 互 协 调总 体 设 计 方 案触摸屏程序复位程序u C /O S _I I 操作系统5 路脉冲输出示教功能硬 件 系 统 设 计 软 件 系 统 设 计控制器电路通信电路电源电路图 体设计方案 该 设计 总体设计方案如图 示，将整体分块解决，对于该单臂机械手 系统，将其分成 两 个模块。首先对 机械本体进行设计，然后对其控制 系统 进行 设计，最后 进行联合调试 。 统总体简介 针对该 单臂 机器人 想要实现的功能， 对该设备进行了 维 建模，如图 示，模型 由 底部框架组件、回转支承组件、升降支撑组件、机械臂组件、升降滑块 5 部分组成。各部分协调配合工作，实现单臂机械手在两个冲压工位之间的工件搬运 功能 。 工作过程： 启动运行 ，机械手回到初始位置，然后 按照设定程序，先从一号工位吸取工件， 然后， 机身回转至二号工位，吸盘放下工件，进行冲压，再次吸取工件，然后将工件放在成品处，循环进行下一次动作。 期间，通过触摸屏可以实时控制各电机，实现行程和速度的调节，并将相应参数存入片内 下次运行时直可接运行上次设置好的参数，实现示教功能。 当按下复位键时，机械手向右转动，碰到 行程开关时 停止。 当按下 暂停键时，系统保留当前运行参数并停止，再次按下暂停键，系统继续运行。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 图 维模型 图中： 1升降支撑组件 ， 2机械臂组件 ， 3底部框架组件 ， 4回转支撑组件 ， 5升降滑块组件 。 械本体 各部分 设计方案及 功能介绍 械臂组件 机械臂组件三维模型如图 示，该部分主要由丝杠组件、手指转接盘、侧板组成，其功能是实现机器臂沿某一方向的伸出运动，本质上是一个丝杠传动的直线运动装置，伸出功能的实现是靠丝杠连接的的伺服电机实现的。 图 械臂组件 转支承组件 回转支撑组件 三维模型如图 示 ，该部分主要由 电机托板、定位立柱、支撑板、支撑套、上下端盖、芯轴 组成，其功能是实现整个机器 人手臂沿 某一方向的回转运动，回转功能的实现是靠回转支撑组件下的伺服电机 实现的 12354买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 图 转支撑组件 降支撑组件 升降支撑组件 三维模型如图 示， 该部分功能是将机械臂及升降滑块组件实现整体升降运动 ， 其功能是靠图 部电机带动滚珠丝杠 实现的， 升降滑块组件 通过两限位柱上的直线轴承以及丝杠组件固定。 图 降支撑组件 降滑块组件 升降滑块组件三维模型如图 示，该部分功能是将升降支撑组件及升降滑块组件连接在一起并通过电机时机械臂组件实现轴向转动，其功 能是一级齿轮实现的，升降滑块组件通过两限位柱上的直线轴承以及丝杠组件固定。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 图 降滑块组件 部框架组件 底部框架组件 三维模型如图 示，该部分 用于固定回转支撑组件和升降支撑组件，控制部分也将被安装在这里，由铝型材、角钢、 T 型螺栓、法兰螺母、脚轮托架、脚轮直接搭建而成。 图 部框架组件 制系统 设计方案 入式系统硬件 使用电子设计自动化软件 行原理图绘制 并生成 。 电源电路和通信 电路通过外购满足 。 入式系统软件 C/作系统 ： 将 植到 件平台， 需要修改： 个文件 。 触摸屏控制： 采用广州星翼电子科技有限公司开发的 块。买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 通过软件模拟 成触摸屏与 信息交互。 复位功能： 采用 O 口外部中断实现， 共只有 112 个去 振占用的 2 个 下的每个 可以作为外部中断的中断输入 口。 当机械手到达指定位置时，位置传感器触发 定管脚，引发外部中断，程序立即跳转到中断处理程序控制输出管脚输出指定数量的脉冲以实现复位功能。 5 路脉冲输出： 采用定时器中断触发 翻转实现。 示教 功能： 将触摸屏调节好的参数直接存入到 内 ，当系统再次运行时，直接调用 存储的参数 ， 实现示教 功能 。 章小结 本章主要介绍了该 单臂机械手 系统的总体设计方案，将整个系统分 为机械本体和控制系统两个大 模块， 并 依次对每个系统的设计方案及功能进行了的介绍，但 每一模块之间的连接关 系及连接方式有的没有具体介绍，在下文中将会做 出详细讲解。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 关键 部位 的选型与校核 转支撑组件部分 机 其减速机的选型与校核 计算依据 伺服电机应用技术颜嘉男编著 10 计算电机负载的转动惯量 使用 维实体设计 2013 计算各组件相对于电机轴 的转动惯量，具体方法如下： a、进入 体设计界面，将局部坐标 y 轴与电机轴重合。 b、依次选中各零件，在其 属性参数 中设置零件的密度或直接键入质 量数值。 c、完成前两步之后，依次选中各组件，单击 工具 物性计算 惯性矩 使用局部坐标系统 计算 ，即可求得该组件相对于电机轴的转动惯量 得到结果如下： 机械臂组件 （包含最大搬运质量 3 升降支撑组件 22 48991J k g m m升降滑块组件 23 113988J k g m m回转芯轴 24 1987J kg m m回转部联轴器 25 8 3 1 k g m m将所得转动惯量之和折算到电机轴上得电机负载转动惯量： n 减速机减速比，预选定为 50 减速机相对于电机轴的转动惯量， 预定为 300 电机轴负载转矩 ， 预选电机 号 由伺服电机应用技术 169 页说明知： 一般情况下