！！垂直多关节型工业机器人设计————总体结构及控制系统设计.doc
垂直多关节型工业机器人设计总体结构及控制系统设计（全套含CAD图纸）
收藏
资源目录
压缩包内文档预览：(预览前20页/共58页)
编号：1024527
类型：共享资源
大小：6.12MB
格式：RAR
上传时间：2017-02-16
上传人：机****料
认证信息
个人认证
高**（实名认证）
河南
IP属地：河南
50
积分
- 关 键 词：
-
垂直
关节
工业
机器人
设计
总体
整体
结构
控制系统
全套
cad
图纸
- 资源描述：
-
- 内容简介：
-
C H A N G C H U N I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y 毕业设计 论文 题目 ： 垂直多关节型工业机器人设计 学生姓名 ： 学院名称 ： 专业名称 ： 班级名称 ： 学 号： 指导教师 ： 教师职称 : 学 历 ： 2013 年 6 月 15 日 I 摘 要 机器人是一种典型的机电一体化产品， 垂直多关节型 机器人是机器人研究领域的热点。 垂直多关节型 机器人需要结合机械、电子、信息论、人工智能、生物学以及计算机等诸多学科知识，同时其 自身的发展也促进了这些学科的发展。 本文对一种使用在 多关节型工业机器人 结构进行设计，并完成总装配图和零件图的绘制。要求对机器人模型进行静力学分析，估算各关节所需转矩和功率，完成电机和减速器的选型。其次从电机和减速器的连接和固定出发，设计关节结构，并对机构中的重要连接件进行强度校核。 关键词： 机械臂 ，结构设计，关节型机器人，结构分析 2 he is a is a is a of is a of a of at of In a in of of of 3 目 录 摘 要 . I . 2 目 录 . 3 第 1 章 绪论 . 6 器人概念 . 6 题研究的背景和意义 . 6 外研究现状 . 7 内机器人的研究 . 8 课题研究内容 . 9 第 2 章 机器人总体设计 . 10 定基本技术参数 . 10 械结构类型的选择 . 10 定负载 . 11 作范围 . 11 作机的驱动系统设计 . 11 制系统选择 . 12 定机器人手臂的配置形式 . 12 器人本体结构设计 . 13 第 3 章 机器人腰部结构设计 . 15 动机的选择 . 15 算传动装置的总传动比和分配各级传动比 . 17 的设计计算 . 17 算各轴转速、转矩和输入功率 . 17 定三根轴的具体尺寸 . 18 定齿轮的参数 . 22 择材料 . 22 4 力角 的选择 . 22 数和模数的选择 . 22 宽系数 d . 23 定齿轮传动的精度 . 23 轮的校核 . 24 体设计 . 27 结 . 28 第 4 章 手腕详细设计说明 . 28 器人驱动方案的 分析和选择 . 28 腕电机的选择 . 29 腕电机的选择 . 29 腕和转腕电机的选择 . 29 动比的确定 . 29 腕总传动比的确定 . 29 腕和摆腕传动比的确定 . 29 动比的分配 . 30 轮的设计 . 30 腕部分齿轮设计 . 30 腕部分齿轮设计 . 36 腕部分齿轮设计 . 37 的设计和校核 . 38 出轴的设计 . 38 动轴的设计 . 39 的强度校核 13 . 40 持器的设计 . 43 体的设计 . 43 第 5 章 单片机电气控制系统设计 . 44 微机数 控系统的设计 . 44 件电路设计 . 44 5 件电路设计 . 45 8031 单片机及其扩展 . 45 031 单片机的简介 . 45 031 单片机的系统扩展 . 46 储器扩展 . 48 I/O 口的扩展 . 50 步进电机驱动电路 . 51 脉冲分配器（环行分配器） . 52 光电隔离电路 . 52 率放大器 . 52 他辅助电路 . 53 总 结 . 55 参考文献 . 56 本科生毕业设计 6 第 1章 绪论 器人概念 机器人 （ 自动执行工作的机器 装置 。它既 可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以 人工智能 技术制定的原则纲领行动。 它的任务是协助或代替人的工作，如工业，建筑业，或是危险的工作。这是一个产品的先进的集成控制理论，机械电子，计算机，材料和仿生。在工业，医学，农业，建筑业甚至军事等领域中均有重要的应用。 本田公司 器人 现在， 国际 上对 机器 人的概念已经逐渐趋近一致。一般来说，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身 动力 和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义： “一种可 编程 和多功能的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统。 ”它能为人类带来许多方便之处。 机器人是近 30 年发展起来的一种典型的、机 电一体化的、独立的自动化生产工具。在制造工业中，应用工业机器人技术是提高生产过程自动化，改善劳动条件，提高产品质量和生产效率的有效手段之一，也是新技术革命的一个重要内容。 题研究的背景和意义 机器人的出现和应用是人类生产和社会进步的需要，是科学技术发展和生产工具进化的必然。机器人一词最早出现于 1920年捷克作家 剧本罗萨姆的万能机器人中，在该剧中，机器人“ 个词的本意是指苦力，是剧作家笔下的一 7 个具有人的外表、特征和功能的机器，是一种人造的劳动力。随着现代科技 的发展，机器人技术已经广泛应用于人类生活领域，研制具有人类外观特征、可模拟人类行走和其他动作的机器人一直是人类的梦想之一。 机器人是一门综合性很强的科学，有着极其广泛的研究和应用领域。机器人技术是综合了计算机技术、信息融合技术、机构学、传感技术、仿生科学以及人工智能等多学科而形成的高新技术，它不仅涉及到线性、非线性、基于多种传感器信息控制以及实时控制技术，而且还包括复杂机电系统的建模、数字仿真技术及混合系统的控制研究等方面的技术。 机器人是机器人技术中的一个重要研究课题，而双足机器人是机器人研究的前奏。步行 技术是人与大多数动物所具有的移动方式，是一种高度自动化的运动，双足步行系统具有非常复杂的动力学特性，对于环境具有很强的适应性，它相对轮式、履带式机器人具有无可比拟的优越性，它可以进入狭窄的作业空间，也可跨越障碍、上下台阶、斜坡及在不平整地面上工作，可以护理老人、康复医学以及在一般家庭的家政服务都可以应用。它适应环境的能力更强，因此具有更加广泛的应用前景。 在机器人的研制中，机器人仿真是机器人研究的一项重要的内容，它涉及机器人机构学、机器人运动学、机器人零件建模、仿真机器人三维实现和机器人的运动控制，是一项综 合性有创新意义和实用价值的研究课题。仿真利用计算机可视化和面向对象的手段，模拟机器人的动态特性，帮助研究人员了解机器人工作空间的形态及极限，提示机构的合理运动方案及有效的控制算法，从而解决在机器人设计、制造以及运行过程中的问题，避免了直接操作实体可能会造成的事故或者不必要的损失。仿真也为机器人本体结构方案设计提供参考依据，并在这台机器上模拟能都实现的功能，使用户直接看到设计效果，及时找出缺点和不足进行改进，避免了大量的物力、人力的浪费 1， 2。 外研究现状 最早系统地研究人类和动物运动原理的是 发明了电影用的独特摄像机，即一组电动式触发照相机，并在 1877年成功地拍摄了许多四足动物和奔跑的连续照片。后来这种采用摄像机的方法又被 本世纪 30年代到50年代，苏联的 就运动作了非常形象化的描述。 真正全面、系统地开展机器人的研究是始于本世纪 60年代迄今，不仅形成了机器本科生毕业设计 8 人一整套较为完善的理论体系，而且在一些国家，如日本、美国和苏联等都已研制成功了能静态或动态的机器人样机。这一部分， 我们主要介绍队 60年代到 1985年这一时期，在机器人领域所取得的最重要进展。 在 60年代和 70年代，对机器人控制理论的研究产生了 3种非常重要的控制方法，即有限状态控制、模型参考控制和算法控制。这 3种控制方法对各种类型的机器人都是适用的。有限状态控制是由南斯拉夫的 961年提出来的 ，模型参考控制是由美国的 975年提出来的，而算法控制则是由南斯拉夫米哈依罗 鲍宾研究所著名的机器人学专家 969年至 1972年问提出来的。这 3种控制方法之间有一 定的内在联系。有限状态控制实质上是一种采样化的模型参考控制，而算法控制则是一种居中的情况 1。 在步态研究方面，苏联的 最优步态 ”， 两种步态不仅适应于而且也适应于多足机器人。其中，自由步态是相对于规则步态而言的。如果地面非常粗糙不平，那么机器人在时，下一步脚应放在什么地方，就不能根据固定的步序来考虑，而是应该象登山运动员那样走一步看一步，通过某一优化准则来确定，这就是所谓的自由步态。 在机器人的稳定性研究方面 ，美国的 倒摆 )，从而可以将的前进运动解释为使振子直立的问题。此外，从减小控制的复杂性考虑， 降阶模型 ”问题进行了研究。 前面我们曾指出 他仅限于导出各关节及整个系统的功率随时间的变化关系，并没有过多地涉及能耗最优这个问题但在他的研究中， 姿态越平滑，类人型系统所消耗的功率就越少。 内机器人的研究 我国已在“七五”计划中把机器人列人国家重点科研规划内容，拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。十几年来，相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人及水下作业、军用和特种机器人。目前，示教再现型机器人技术已基本成熟，并在工厂中推广应用。我国自行生产的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风汽车厂投 9 入运行。 1986年 3月开始的国家 863高科技发展规划已列入研究、开发智能机器人的内容。就目前来看，我们应从生产和应用的角度出发，结合我国 国情，加快生产结构简单、成本低廉的实用型机器人和某些特种机器人。 国内机器人的研究也在 863计划和自然科学基金的支持下持续开展了多年，如国防科技大学、哈尔滨工业大学、北京理工大学、清华大学、上海交通大学、中国科学技术大学等，都先后开始研制机器人样机 4。 课题研究内容 工业机器人系统设计包括机械系统的设计、电力驱动设计、控制系统的设计。本次毕业设计的主要内容是对工业机器人控制系统的设计，该机电控制系统是以 51系列单片机为核心的控制系统 毕业设计（论文）的主要要求 : （ 1）抓重：额定抓取重 量或称额定负荷，为 1要时注明限定运动速度的抓重 )。 （ 2）自由度数目和坐标形式：整机、手臂和手腕等运动共有 6个自由度。 （ 3）定位方式：固定机械挡块、可调机械挡块、行程开关，电位器及其各种位置设定和检测装置；各个自由度所设定的位置数目或位置信息容量 ;点位控制或连续轨迹控制。 （ 4）驱动方式：直流伺服电机。 手臂运动参数：当手臂的运动速度很高时，手臂在起动和制动过程中会产生很大的冲击和振动，这会影响手臂的定位精度。因此，手臂运动速度应根据生产节拍时间的长短、生产过程的平稳性和定位精度等要求来确定。 常 用的最大直线运行速度在 1000m/ 最大回转运行速度一般不超过 120 ， 一般应用的直线速度常在 300200 ， 回转速度在 右。 （ 5）定位精度：位置设定精度及重复定位精度（ ）。 设备总装配图（计算机出图）；设备所有零件图（计算机出图）；手绘图 ；设计图纸数量不少于 3张 纸；设计说明书不少于 文页数不少于 30页；译 文与开题报告不少于 3000字。 本科生毕业设计 10 第 2章 机器人总体设计 定基本技术参数 械结构类型的选择 为实现总体机构在空间的位置提供的 6 个自由度，可以有不同的运动组合，根据本课题可以将其设计成以下五种方案： 这种运动形式是通过一个转动，两个移动，共三个自由度组成的运动系统，工作空间图形为圆柱型。它与直角坐标型比较，在相同的工作空间条件下，机体所占体积小，而运动范围大。 直角坐标型工业机器人，其运动部分由三个相互垂直的直线移动组成，其工作空间图形为长方体。它在各个轴向的 移动距离，可在各坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计算，定位精度高、结构简单，但机体所占空间体积大、灵活性较差。 又称极坐标型，它由两个转动和一个直线移动所组成，即一个回转，一个俯仰和一个伸缩运动组成，其工作空间图形为一个球形，它可以作上下俯仰运动并能够抓取地面上或较低位置的工件，具有结构紧凑、工作空间范围大的特点，但结构复杂。 d. 又称回转坐标型，这种机器人的手臂与人体上肢类似，其前三个关节都是回转关节，这种机器人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。 采用两个回转关节和一个移动关节；两个回转关节控制前后、左右运动，而移动关节则实现上下运动，其工作空间的轨迹图形，它的纵截面为矩形的同转体，纵截面高为移动关节的行程长，两回转关节转角的大小决定回转体横截面的大小、形状。在水平方向有柔顺性，在垂直方向有较大的刚性。它结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合小规格零件的插接装配。 对以上五种方案进行比较：方案一 不能够完全实现本课题所要求的动作；方案二体积大，灵活性差；方案三结构复杂；方案五无法实现本课题的动作。结合本课题综合考虑决定采用方案四：机器人。此方案所占空间少，工作空间范围大，动作灵活，工艺操作精度高。 11 定负载 目前 ,国内外使用的工业机器人中 ,其负载能力的范围很大 ,最小的额定负载在 5最大可达 9000N。负载大小的确定主要是考虑沿机器人各运动方向作用于机械接口处的力和扭矩。其中应包括机器人末端执行器的重量、抓取工件或作业对象的重量和在规定速度和加速度条件下，产生的惯性力矩。本课题的任务 要求是保证手腕部能承受的最大载荷是 1 作范围 工业机器人的工作范围是根据工业机器人作业过程中的操作范围和运动的轨迹来确定的 ,用工作空间来表示的。工作空间的形状和尺寸则影响机器人的机械结构坐标型式、自由度数和操作机各手臂关节轴线间的长度和各关节轴转角的大小及变动范围的选择。 作机的驱动系统设计 机器人本体驱动系统包括驱动器和传动机构，它们常和执行机构联成一体，驱动臂杆和载荷完成指定的运动。通常的机器人驱动方式有以下四种 : 直接实现数字控制，控制结构简单，控制 性能好，而且成本低廉；通 常不需要反馈就能对位置和速度进行控制。但是由于采用开环控制，没有误差校正能力，运动精度较差，负载和冲击震动过大时会造成“失步”现象。 流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动力矩，相对功率大及快速响应等特点，并且控制技术成熟。其安装维修方便，成本低。 流伺服电机结构简单，运行可靠，使用维修方便，与步进电机相比价格要贵一些。随着可关断晶闸管 功率晶闸管 场效应管 冲调宽技术 (计算机控制技术的发 展，使交流伺服电机在调速性能方面可以与直流电机媲美。采用 16 位 2 位 环 (位置、速度、电流 )全数字控制，增量式码盘的反馈可达到很高的精度。三倍过载输出扭矩可以实现很大的启动功率，提供很高的响应速度。 液压伺服马达具有较大的功率 /体积比，运动比较平稳，定位精度较高，负载能力也比较大，能够抓住重负载而不产生滑动，从体积、重量及要求的驱动功率这几项关键技术考虑，不失为一个合适的选择方案。但是，其费用较高，其液压系本科生毕业设计 12 统经常出现漏油现象。为避免本系统也出现同类问题，在可能的前提下，本系统 将尽量避免使用该种驱动方式。 常用的驱动器有电机和液压、气动驱动装置等。其中采用电机驱动是最常用的驱动方式。电极驱动具有精度高，可靠性好，能以较大的变速范围满足机器人应用要求等特点。所以在这次设计中我选择了直流电机作为驱动器。因为它具有体积小、转矩大、输出力矩和电流成比例、伺服性能好、反应快速、功率重量比大，稳定性好等优点。 本课题的机器人将采用直流伺服电动机。因为它具有体积小、转矩大、输出力矩和电流成比例、伺服性能好、反应快速、功率重量比大，稳定性好等优点。 制系统选择 对于焊接机器人这种精 度要求不高的工业机器人，大多采用示教再现编程。示教方式作为一种成熟的技术，易被熟悉工作任务的人员掌握。无论是手把手示教或示教盒示教，都是以在线编程，由示教操作人员操作移动末端执行器和手臂到所需的位置。然后记录（存储）下这些操作和数据。示教过程完成后，即可应用，机器人以再现方式重复进行示教时存于存储器的点位、轨迹和各种操作。再现过程的速度可以与示教时速度不同。 利用示教手柄由人工引导末端执行器经过所要求的轨迹，此时位置传感器就检测出机器人操作机上各关节处的坐标（或转角）值，控制系统的装置记录（储存）下这些数字化的数据信息。再现时，机器人控制系统重复再现示教者示教的轨迹和操作技能。手把手示教也能实现点位控制，所不同的是它只记录各轨迹程序段的两端位置。轨迹运动速度则按各轨迹程序段对应的功能数据输入。 定机器人手臂的配置形式 手臂的配置形式反映了机器人操作机的总体布局。根据任务要求 ,要实现机器人焊接功能 ,则机器人的工作范围要广 ,所以我选择了立柱式的配置方式。其特点是占地面积小 ,工作范围大 ,机器人手臂可绕立柱回转。 13 器人本体结构设计 图 2机器人传 动原理图 图 2整个机器人本体机械传动系统的简图。机械传动系统共有 30 个齿轮， 为了实现在同一平面改变传递方向 90 ,有 10 个齿轮为圆锥齿轮 ,有利于简化系统运动方程式的结构形式。如果采用蜗轮蜗杆结构 ,则必然以空间交叉方式变向 ,就不利于简化系统运动方程式的结构形式。 机器人主要由立柱与基座组成的回转基座以及大臂、小臂、手腕组成。 基座是一个铝制的整体铸件，其上装有关节 1 的驱动电机，在基座内安置了关节 1的回转轴及其轴承、轴承座等。 大臂和小臂的结构形式相似，都由内部铝制的整体铸件骨架与外表面很薄的铝板壳相互胶 接而成。内部铸件既作臂的承力骨架，又作内部齿轮组的轮壳与轴的支承座。 大臂上装有关节 2， 3 的驱动电机，内部装有对应的传动齿轮组。关节 2， 3 都采用了三级齿轮减速，其中第一级采用锥齿轮，以改变传动方向 90。第二、三级均采用圆柱直齿轮进行减速。关节 2 传动的最末一个大齿轮固定在立柱上；关节 3 传动的最末一个大齿轮固定在小臂上。 小臂端部连接具有 3R 手腕，在臂的根部装有关节 4， 5 的驱动电机，在小臂的中部，靠近手腕处，装有关节 6 的驱动电机。关节 4， 5 均采用两级齿轮传动，不同的是关节 4采用两级圆柱直齿轮，而关节 5 采用第一 级圆柱直齿轮，第二级锥齿轮，使传动轴线改变方向 90。关节 6 采用三级齿轮传动，第一级与第二级为锥齿轮，第三级为圆柱直齿本科生毕业设计 14 轮，关节 4， 5， 6 的齿轮组除关节 4 第一级齿轮装在小臂内以外，其余的均装在手腕内部。 所设计的机器人本体结构特点如下： 用作内部齿轮安装壳体与轴的支承座，又兼作承力骨架，传递集中载荷。这样不仅节省材料，减少加工量，又使整体质量减轻。手臂外壁与铸件骨架采用胶接，使连接件减少，工艺简单，减轻了质量。 般在无轴向载荷处，载荷外环采用端面打冲定位的方 法。 c. 采用薄壁轴承与滑动铜衬套，以减少结构尺寸，减轻质量。 d. 有些小尺寸齿轮与轴加工成一体，减少连接件，增加了传递刚度。 e. 大、小臂，手腕部结构密度大，很少有多余空隙。如电机与臂的外壁仅有 腕内部齿轮传动安排亦是紧密无间。这样使总的尺寸减少，质量减少。 f. 工作范围大，适应性广。 了自身立柱所占空间以外，它的工作空间几乎是他的长臂所能达到的全球空间。再加之其手腕轴的活动角度大，因此使它工作时位姿的适应性强。譬如用手腕拧螺钉，手腕关节 4， 6 配合，一次就能转 1112。 g. 由于结构上采用了刚性齿轮传动，调整齿轮间隙机构，弹性万向联轴器，工艺上加工精密，多用整体铸件，使得重复定位精度高。 h. 机器人手臂材料的选择： 机器人手臂的材料应根据手臂的工作状况来选择。根据设计要求，机器人手臂要完成各种运动。因此，对材料的一个要求是作为运动的部件，它应是轻型材料。而另一方面，手臂在运动过程中往往会产生振动，这将大大降低它的运动精度。因此，在选择材料时，需要对质量、刚度、阻尼进行综合考虑，以便有效地提高手臂的动态性能。 机器人手臂材料首先应是结构材料。手臂承受载荷时，不应有变形和断 裂。从力学角度看，即要具有一定的强度。手臂材料应选择高强度材料，如钢、铸铁、合金钢等。机器人手臂是运动的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比较轻。综合而言，应该优先选择强度大而密度小的材料做手臂。其中，非金属材料有尼龙 6、聚乙烯和碳素纤维等；金属材料以轻合金为主。在我们的设计中为减轻机器人本体的重量选用铸铝材料。 15 第 3章 机器人腰部结构设计 通过总体分析后 ,确定了机器人的结构。所设计的腰关节部分采用二级齿轮减速传动。 图 3机器人腰关节驱动器和齿轮传动机构简图 动机的选择 设两臂及手腕绕各自重心轴的转动惯量分别为 据平行轴定理可得绕第一关节轴的转动惯量为 : 2333222221111 （ 3 1m 、2m、30512l、 2l 、3值分别为 3007001500式（ 3 2111 、 2222 、 2333 故1以绕第一关节轴的转动惯量为： 2332222111 （ 3 = 222 = 同理可得小臂及腕部绕第二关节轴的转动惯量 : 2532422 = 22 本科生毕业设计 16 = 248.8 式中： 4l 小臂重心距第二关节轴的水平距离 5l 腕部重心距第二关节轴的水平距离 设主轴速
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
|
2:不支持迅雷下载,请使用浏览器下载
3:不支持QQ浏览器下载,请用其他浏览器
4:下载后的文档和图纸-无水印
5:文档经过压缩，下载后原文更清晰
|
川公网安备: 51019002004831号