圆柱坐标型的工业机器人设计

1、工业机器人 在当今大规模制造业中，企业为提高生产率，保障产品质量，普遍重视生产 过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上重要的成员，逐渐被企业所 认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工 业自动化的水平。H前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重 复性并且劳动程度极大的工作，工作方式一般采取示教在线的方式。 本文将设计一台圆柱坐标型的工业机器人，用于给冲压设备运送物料。首先, 本文将设计机器人的大臂、小臂、底座和机械手的结构，然后选择合适的传动方 式、驱动方式，搭建机器人的结构平台：在此基础上，本文将设计该机器人的控 制系统，包括数据釆集卡和伺服

2、放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、以 及控制元件的设计，重点加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性，最 终实现的LI标包括：关节的伺服控制和制动问题、实时监测机器人的各个关节的 运动情况、机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。 摘要 1绪论1 1.1工业机器人研究的目的和意义1 1.2工业机器人在国内外的发展现状与趋势 1.3工业机器人的分类 1.4本课题研究的主要内容 2总体方案的确定 2. 1结构设计概述 2. 2基本设计参数 2.3工作空间的分析 2. 4驱动方式 2. 5传动方式确定 3搬运机器人的结构设计 3. 1驱动和传动系统的总体结构设计 3. 2手爪

3、驱动气缸设计计算 3.3进给丝杠的设计计算 3. 4驱动电机的选型计算 3. 5手臂强度校核 4搬运机器人的控制系统 4.1机器人控制系统分类 4. 2控制系统方案分析 4. 3机器人的控制系统方案确定 4. 4 PLC及运动控制单元选型 5结论与展望 致谢 运动方式相结合的方式来达到预定的L1的。驱动方面采用了一台工业机器人多种 驱动方式情况，山液压驱动、气圧驱动、步进电机驱动、伺服电机的驱动等等。 越来越多的搬运机器人是采用混合驱动系统的，这样能够更好的发挥各驱动方式 的优点，避免缺点并在它的控制精度方面和搬运效率方面有了很大的提高。在搬 运机械手的控制方面岀现了多种控制方式。如、有原始的

4、电控机械手，较先进的 基于工控机控制的，基于pc控制的，进一步的嵌入式pc控制技术，还采用 PLC可编程控制的。 在物料搬运方面，近年来呈现出的趋势就是系统化。无论是我国还是国外， 物料搬运的发展都是山单一设备走向成套设备：山单机走向系统。在制造业方面, 随着JIT、FMS、CIMS等现代制造技术的发展，对物料的搬运系统也提出了新的 要求，其特点是力求减少库存、压缩等待和辅助时间，使多品种、少批量的物料 准时到达要求的地点。这一趋势在机械工业方面得到了很大的应用，其中采用了 机器人等先进的物料搬运技术，促进了机械工业的技术进步和生产水平提高。 当代工业机器人技术发展一方面表现在工业机器人应用领

5、域的扩大和机器 人的种类增多；另一方面表现在机器人机械系统的性能的提高和控制系统的智能 化。前者指的是应用领域的横向拓宽，后者是在性能及水平上的纵向提高，乂使 扩大机器人应用领域的拓宽和性能水平的提高，乂使扩大机器人应用领域成为可 能。 1工业机器人机械系统性能的提高 进一步提高工业机器人的运动精度。机器人是一种多关节开链结构，因此机 器人手臂的刚度一般都不高，另外由于构件的尺寸误差和传动间隙的存在，以及 机器人手臂末端误差的放大作用，是当前机器人的定位与运动还不能达到很高的 精度。度大、精度高的数控机床相比，机器人在工作精度上大为逊色。因此，至 今工业机器人在精密装配及其他精密作业中的应用中

6、仍受到了很大的限制，除了 精密作业要求高精度机器人以外，采用离线编程的工业机器人系统也要求该机器 人要具有足够高的定位精度和运动精度。 进一步提高机器人工作精度的主要办法：提高机器人的加工精度与装配精度, 采用无障传动的减速机构，采用直接驱动电机，通过标定机器人的。 2误差补偿 通过实验检测对机器人运动误差进行实时修正，提高机器人手的灵活度和避 障能力：当前常用机器人手的灵活度的都不够高，即手臂末端达到某一工作点时, 手臂可能采取的姿态是有限的，有时要有很大的灵活度和很強的避障能力。例如: 当时喷涂机器人喷涂车身内表面时，要求机器人能将车身内表面的各个角落都喷 上漆，必须要有高灵活度机器人手才

7、行。另外，在有限空间及有障碍的复杂环境 中作业的机器人。例如：在核电站工作的机器人也要求其具有高灵活度的机器人 手臂。为了提高工业机器人手臂的灵活度，主要采用具有冗杂自山度的机器人手 臂和在机器人手臂机构上采用膨胀胶关节及双向弯曲手臂。 3提高机器人的运动速度和响应频率： 为了提高机器人作业频率以及提高具有感知功能机器人的反应速度就必须提 高机器人运动速度和响应频率。这一点对装配机器人来说尤为重要。为此一方面 可以通过采用高强度材料和轻质材料（如碳纤维复合材料）制造机器人手臂以达到减轻手臂重量和提高手臂动态特性的U的；另一方面也可以通过釆用直接驱动 电机或其他高性能驱动电机，从控制和驱动方面提

8、高机器人系统的运动速度与响 应频率。 4提高机器人手爪或手腕的操作能力、灵活 性与快速反应能力： 为了使机器人能像人一样进行各种复杂作业如 装配作业、维修作业及设备操作。机器人就必须有 一个运动灵活和动作灵敬的手腕和手爪。这一点对 装配作业机器人、核工业机器人和在空间上作业的 空间机器人来说是特别重要的。 5采用模块化组合式机器人结构： 提高机器人快速维修性能，根据优化设计，制造出多种不同尺寸和规格的手 臂和连接器模块，用少量的可组合成多种机器人配置。这种机器人能进行快速维 修，可以实现自动恢复。所以这种机器人结构最适用于空间机器人、核工业机器 人等。如这种基本结构能推广于一般工业机器人将使工

9、业机器人的成本下降，生 产周期及维修周期缩短。 1.3工业搬运机器人的分类 搬运机器人【transfer robot】是可以进行自动化搬运 作业的-业机器人。最早的搬运机器人出现在1960年的美 国，Versatran和Unimate两种机器人首次用于搬运作业。 搬运作业是指用一种设备握持工件，是指从一个加工位置移 到另一个加工位置。搬运机器人可安装同的末端执行器以完 成各种不同形状和状态的工件搬运工作，大大减轻了人类繁 重的体力劳动。口询世界上使用的搬运机器人愈10万台， 被广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配 流水线、码垛搬运、集装箱等的自动搬运。部分发达国家已制定出人工搬

10、运的最大限度，超过限度的必须由搬运机器人来完成。 机器人自动搬运系统主要山搬运机器人、工件自动识别系统、自动启动装 置、自动传输装置组成，适合于工件自动搬运的场合，尤其适合自动化程度较高 的流水线等工业场合，提高生产效率和自动化程度。 机器人自动搬运系统可根据用户的要求配备不同的手爪 （如机械手爪，真空吸盘，电磁吸盘等），可实现对各种工 件的抓取搬运，具有定位准确，工作节拍可调，工作空间大, 性能优良，运行平稳可靠，维修方便等特点。 物料搬运机器人的设计： 1.3. 1按作业用途分类 如前所述，各类工业机器人的应用范围非常广泛，而且还有一种机器人多种 用途的情况。通常我们依据其具体的作业用途来

11、称呼它，如一条自动生产线上使 用了相同结构的数台机器人，有的用于点焊就称为点焊机器人，有的用于搬运工 件就称为搬运机器人，以此类推，便有喷漆机器人、涂胶机器人、装配机器人和 测量机器人等有的作业具有一定范圉，如潜入水下作勘查.采矿和铺4管道的机 器人，就统称为水下机器人，类似还有宇航机器人等。 1.3. 2按操作机的运动形态分类 按工业机器人操作机运动部件的运动坐标把机器人区分为：直角坐标式机器 人、极坐标式机器人，圆柱坐标式机器人和关节式机器人，另外还有少数复杂的 机器。人是采用以上方式组合的组合式机器人。 1.3. 3按机器人的负荷和工作范围分类 按照这种分类方法，工业机器人分为： 超大型

12、机器人一一负荷为1OKN以上。 大型机器人一一负荷1 1 0 K N，工作空间为1 10立方米。 中型机器人一一负荷为1 0 0 1 0 0 0 N。工作空间为01 1立方米。 小型机器人一一负荷为1 1 0 0 N,工作空间为01立方米。 超小型机器人一一负荷小于1 N,工作空间为0. 1立方米。 以上所谓机器人的负荷是指在机器人的规定性能条件下，机器人所能搬移的 重量中包括了机器人末端执行器的重量。 1.3.4按机器人具有的运动自由度数分类 机器人的自由度数的定义是：操作机各运动部件独立运动数目之和。 这种运动只有两种形态：直线运动和旋转运动，其腕端的任何复杂的运动都可山 这两种运动来合成

13、。工业机器人的自由度数。一般为2-7个，简易型的2-4 个自山度，复杂型的57个自山度。自山度数越多，机器人的柔性越大，结 构和控制也就越复杂，所以并非越多越好。 1.4本课题研究的主要内容 （1）确定机器人运动参数及工作行程。 （2）根据工件的负载情况，工作空间以及各个运动的实现形式对搬运机器人进 行整体方案的设计： （1）对搬运机器人的手爪、小臂、大臂的结构设计，绘制各部分的结构草图。 （2）III第二步所给定的条件和第三步的结构特点，选取驱动系统并确定驱动电 机的驱动方式和传统方式。 （4）对个结构的质量进行粗估完成对手爪的夹紧气缸、小臂.大臂.丝杠的驱 动电机以及腰部、腕部的旋转驱动电

14、机的计算选型。 （5）根据电机的外形尺寸及输出轴轴径以及电机的重量完善结构草图。 （6）通过以确定的结构的质量的分析，验算重要零件的受力情况，绘制装配图。 2总体设计方案的确定 2. 1结构设计概述 一个机器人系统结构有下列互相作用的部分组成：机械手、环境、任务。 机械手是山具有传动执行装置的机械。它有臂、关节和 末端执行装置构成，组合为一个互相连接，互相依赖的运动 结构。机械手用于执行指定的作业业务。工业机器人的末端 执行器是安装在腕端的附加装置 机器人的手部可分为夹持式和吸附式两大类。夹持式是执 行手：夹持方式山外夹式和内撑式之分；吸附式得分为空气 负压式和电磁式两种。 任务是抬机器人要完

15、成的工作，机器人的类型是随着工作 任务的特点而决定的。例如SCARH机器人就非常适合平面上 的工件的抓取。 环境是指机器人所处的周圉环境。环境不仅山儿何条件（可达空间）所决定的 而且山环境和它们所包含的每一个事物的全部自然特性所决定的。 2. 2基本设计参数 根据次机械手的应用场合和实地的应用要求，其主要的设计参数要求如下: （1）抓取的重物：2Kg （2）机械手的自由度数：4个 （3）运动参数： 大臂升降：线速度：0. 02m/s 小臂伸缩：线速度：0. 02 m/s 手腕俯仰：角速度：3. 14rad/s 腰部旋转：角速度：3. 14 rad/s （4）运动行程 大臂升降：300mm 小臂

16、伸缩：300 mm 腰部旋转：正负90度 手腕俯仰：正负90度 2. 3工作空间分析 2. 3. 1基座及连杆 1基座 基座是整个机器人本体的支撑，为保证机器人运行的稳定性，釆用两块 字形实心铸铁作为支撑。 基座上面是接线盒子，所有电机的驱动信号和反馈信号都从中出入。接线盒 子外面有一个引入线出口和一个引出线出口。 2大臂 大臂长度230mm,具体尺寸如图所示: 图2大肾外形 3小臂 小臂长度180mm,具体尺寸如图所示: 056 55 陛. fdo 图2.2小臂外形 2. 3. 2机械手的设计 工业机器人的手乂称为末端执行器，它使机器人直接用于抓取和握紧（吸 附）专用工具（如喷枪、扳手、焊具

17、、喷头等）进行操作的部件。它具有模仿人 手动作的功能，并安装于机器人手臂的前端。山于被握工件的形状、尺寸、重量、 材质及表面状态等不同，因此工业机器人末端操作器是多种多样的，大致可分为 以下儿类： （1）夹钳式取料手 （2）吸附式取料手 （3）专用操作器及转换器 （4）仿生多指灵巧手 本文设计对象为物料搬运机器人，并不需要复杂的多指人工指，只需要设计能从 不同角度抓取工件的钳形指。 手指是直接与工件接触的部件。手指松开和加紧工件是通过手指的张开与闭 合来实现的。该设计采用两个手指，其外形如图所示： 图2.3机械手手指形状 传动机构是向手指传递运动和动力，以实现夹紧和松开动作的机构。根据手 指开

18、合的动作特点分为回转型和平移形。本文采用回转型传动机构。图24为初 图2.4机械于机构简图 在图中，0为电机输出轴，曲柄0A、连杆AB、滑块B和支架结构曲柄滑 块机构：滑块B、连杆EC、摇杆CE和支架构成滑块摇杆机构。通过两个机构 串联，使电机最终驱动DE的来回摆动，从而实现手指的开合运动。 图中的黑线和蓝线表示机构运行的两个极限位置。 为便于手指的顺利合拢，可以在两个手指之间设置一个弹簧，这样还可以提供适 当的夹紧力。 另外，在选用电机的时候，要使电机的功率足以克服弹簧的收缩和张开，并 且提供足够加紧物体的力。 2. 33驱动方式 该机器人一共具有四个独立的传动关节，连同末端机械手的运动，一

19、共需要 五个动力源。 机器人常用的驱动方式有液压驱动、气圧驱动和电机驱动三种类型。这三种 方法各有所长，各种驱动方式的特点见表2. 1： 表2 . 1三种驱动方式的特点对照 液压驱动： （1）输出功率 很大，压力范围为50-140Pa,利用液体不可缩性，控制精度较高。 （2）控制性能 输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制 （3）响应速度 很高 （4）结构性能及体积 结构适当，执行结构可标准化、模拟化，以实现直接驱动。功率/质量 比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大. （5）安全性 防爆性能好，用液压做传动介质，在一定条件下有火灾危险。 （6）在工业机器人中应用范围 适用于重载、

20、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机器人、点焊机器人和托 运机器人。 （7）成本维修及使用 液压元件成本较高方便，但油液对环境温度有一定要求。 气动驱动： （1）输出功率 大，压力范围为48-60Pa,最大可达Pa气体压缩性大，精度低，阻尼效果差, 低速。 （2）控制性能 不易控制，难以实现高速、高精度连续轨迹控制。 （3）响应速度 较高。 （4）结构性能及体积 结构适当，执行机构可标准化、模拟化，以实现直接驱动。功率/质量比大, 体积小，结构紧凑，密封问题较小。 （5）安全性 防爆性能好，高于lOOOkPadO个大气压）时应注意设备的抗压性。 （6）对环境的影响 排气时有噪声。 （7）在工业机

21、器人中的应用范圉 适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制机器人，如冲压器 机器人本体的气动平衡及装配机器人气动夹具。 （8）成本维修及使用 成本方便。 电机驱动： （1）输出功率 较大控制精度，功率较大，能精确定位，反应灵敏。 （2）控制性能 可实现高速、高精度连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂。 （3）响应速度 很咼。 （4）结构性能及体积 伺服电机易于标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置， 除DD电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题。 （5）安全性 设备自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境防爆性 能较差。 （6）对环境的影响 无。

22、 （7）在工业机器人中应用范围 适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高 的机器人，如AC伺服喷涂机器人、点焊机器人、弧焊机器人、装配机器人 等。 （8）成本维修及使用 成本高较复杂。 机器人驱动系统各有优缺点，通常对机器人的驱动系统的要求有： （1）驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高; （2）反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行 频繁的起、制动，正反转切换； （3）驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小； （4）安全可靠； （5）操作和维护方便； （6）对环境无污染，噪声要小； （7）经济上合理，尤其要尽量减少占地面

23、积。 基于上述驱动系统的缺点和机器人驱动系统的设计要求，本文选用直流 伺服电机驱动的方式对机器人进行驱动。 2. 4传动方案的确定 2.41传动方案分析： 方案一: 1尢普勒I 2腿器3大普回转轴氏皆5诚趟帚刖、皆电机T 小臂8同涉吿形带9导向杆1Q升降辭11手爪 H 2-Z传动方案一 第一、二、自山度均釆用伺服电机加减速器的结构形式。大臂的驱动电机和 小臂的回转轴共线。小臂的传动方案与大臂的传动方案相同，这样虽然结构上较 为简单，但对大臂产生了一定的不利影响并且对转矩的计算也会较为麻烦。第三 个自山度即就是升降机结构采用电机步进电机加同步齿形带的传动方案。同步齿 形带具有精度高，结构紧凑，传

24、动比恒定等特点。但对安装的精度要求较高，负 载能力也很有限并且不能实现反向自锁，需要另加断电保护装置。手抓结构采用 较为简单的气动控制直线运动的手爪。 阿2-3 传动方案二 第一二自山度均釆用交流伺服电机加减速器的驱动模式，故此结构较为 简单。电机和小臂的关节轴是同一方向的。这是在充分考虑到小臂的驱动电机 对大臂所产生的附加弯矩的条件下，对大臂的结构设计特别做了加强处理。笫 三个自山度为丝杠螺母的升降运动，采用的传动方式是电机轴经过一级齿轮减 速，再驱动滑动丝杠，利用滑动丝杠的大减速比的特点，达到控制上升的速度 不至于过快。同时选择单头的滑动丝杠具有很好的自锁性能，从而在系统突然 断电的情况下

25、，不致使此自山度方向上发生运动，从而保证了结构的安全。第 四自山度旋转机构也是采用电机加谐波减速器的结构形式。手爪采用U前广泛 采用的而且技术成熟的连杆导杆式气动机械手，这一机械手的造价低廉、结构 简单、针对此处所抓取的工件的特点是不易变形的金属工件，所以对夹紧力的 要求不是太高，故釆用气动机械手爪完全可以达到设计要求。 方案三： 1大臂电机2减速器3大臂回转轴4电机5减速器6同步齿形带 7大臂8小臂关节固定机构9带轮10小臂11电机12减速器 13滚珠丝杠14气缸15手爪 图2-4 传动方案三 如图2-4所示，第一自山度釆用步进电机加减速装置的传动模式。大臂与 回转关节之间釆用谐波减速器传递

26、动力。小臂的驱动电机考虑到它的重量会对 大臂造成较大的附加弯矩则把小臂的驱动电机安装在大臂的回转轴的轴线方 向，电机输出轴与小臂的回转轴之间通过同步齿形带相连接，保证了小臂回转 的精度。但这样就使的小臂的传动结构复杂，有多段承受弯矩的轴，并且电机 轴也承受了一定的弯矩。第三个自山度采用滚珠丝杠并配以电机加减速器驱动 的传动方案，这是利用了滚珠丝杠的传动精度高，并且是把旋转运动转换为直 线运动，而不需要中间环节的转化，结构简单。但滚珠丝杠必须附加自锁装置 以确保能够做到断电保护。滚珠丝杠的造价高，重量也较重，因此在滚珠丝杠 的材料选择方面而要求加工材料要较轻，并且滚珠丝杠需要电机的输岀转矩也 较

27、大，自身减速比较小。机器人的手爪部分仍然采用较为常用的气缸配合连杆 式气动机械手的结构，其作用与方案一所述的相同。 2. 4. 2伺服驱动与步进驱动的比较 （1）低频特性不同 步进电机在低速是容易出现低频振动现象，振动频率与负载情况以及与 驱动器的性能有关。当步进电机工作在低频的时候一般还采用阻尼技术来克服 低频振动现象。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现 象。 （2）矩频特性不同 步进电机的输出力矩随转速的升高而降低，而且在较高的转速时会急剧 下降所以其最高的工作转速在300600r/mino交流伺服电机为恒力矩输出即 使在额定转速以内都能输出额定的转矩，在额定转速以上为

28、恒功率输出。 （3）过载能力不同 不仅电机一般不具有过载能力，交流伺服电机具有较强的过载能力而步进电 机因为没有这种过载能力，为了克服启动时较大的惯性力矩，往往要选取具有较 大静转矩的电机，而机器人正常工作时乂不需要这麽大的转矩，所以便出现了力 矩浪费的现象。 （4）运行性能不同 步进电机的控制一般为开环控制，速度过快或负载过大都会出现失转或堵转 现象。交流伺服电机为驱动系统为闭环控制，驱动器可以直接对电动机编码器反 馈信号进行采样，在内部构成位置环和速度环，能避免失步或过冲现象。 综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机，所以在一些对位 置和速度要求较高的场合，采用交流伺服系统的优

29、势更为明显。此次的搬运机器 人对工件的抓取，对其驱动系统的要求就是要能够较为准确的完成对位置和速度 的控制，这样选取交流伺服电机就能够很好的满足这一点。 通过对上面的方案的比较，综合分析后我认为方案二有更多的优势，而且结 构合理，能够比较好的完成本次的输送线出货台的物料搬运工作。 故此次方案二作为本次设计的最终设计方案。 3搬运机器人的结构设计 3. 1驱动和传动系统的总体结构设计 （1）底座 如图所示：电机和谐波减速器通过连轴套筒相连，谐波减速器的输出轴和 大臂的回转关节轴直接相连。外壳材料采用45钢底座的轴承采用角接触轴承， 使利用了它既能承受轴向力也能承受一定的径向力的特点。电机和减速器

30、通过外 壳内部的凸台进行安装，这样使得结构简单，加工和安装方便。里面部件的材料 采用铝合金位于底部的电机通过谐波减速器的减速对顶端轴进行驱动，从而带动 了大臂回转轴和大臂一起转动，需要注意的是臂回转轴是做成一体的。 14 6 17 5 4 19 I0 1112 20 3 2 1电机2 M3电机固定4球速第5 M 6大确制78力圏睥郭9魅畧10 电机1112 M 13也机14删M5 电机1617 L硼定台18僦19杯 2021治融铉 图3-1机器人的结构设计方案图 (2) 传动装置 传动的主要方式是采用交流伺服电机加减速器的传动模式，大臂的轴承选 择的是角接触轴承,用此来承受较大的负载产生的弯矩

31、，避免了减速器的输出轴, 以及电机轴承受的附加载荷，从而保护了减速器和电机。大臂的长度尽可能做的 短一些，这样会在整体结构简单的情况下将小臂回转关节的电机自身重量和减速 器的重量尽可能多的通过壳体传递到地面，巧外对大臂的设计也采用了增加强度 的处理，从而尽可能电机和减速器所产生的附加弯矩对机构的影响。小臂回转关 节采用了电机减速器后直接驱动小臂关节轴旋转，从而带动小臂的旋转。这里大、 小臂的运动具有独立性的特点。 (3) 升降机构 此处机械手的升降机构是采用电机加一级齿轮减速，传递动力给滑动丝杠, 利用滑动丝杠的大的降速比来完成夹持工件的机械手上下移动，这样可把电机输 出的转动转化成丝杠螺母的

32、上下移动，并且整体结构较为简单。同时考虑滑动丝 杠的原因也是利用了滑动丝杠的反向自锁的特性，从而实现了断电保护。在滑动 丝杠的外螺母上连接导向杆，这样可以对螺母起到导向作用，同时可以减少负载 产生的附加弯矩对滑动丝杠的影响，进一步提高了机械手抓取时的抓取精度。 (4) 旋转机构 如图所示，此处的旋转机构主要是利用步进电机利用键连接来驱动机械手 进行旋转来实现抓取工件位姿的调整，这里是考虑到机械手在抓取丄件时所需要 的位姿来进行设讣的，使得机械手的手爪更方便有效的完成丄件的抓取。 机械手爪受力分析,(如图3-3) P：机械夹持器轴向施加的作用力; e；夹持器活塞中心至手指支点的距离, R：支点销

33、轴的半径： %：中间连杆対手指的床力允I； 2：摩擦角; 构件间的摩擦系数; 处度条件=卩 尺寸条件；a e ； a e -I ； 如图3-2所示，设力P的方向与中间连杆 之间的夹角为0,作用在中间连杆上的分 力为F, P/2=Fcos “ sin 0(3.1) 图3-2则作用在连赶I：的分力F可以用下面 的式子來表示：F= -x1 2 cos + “sin P (3.2) 设屮间连杆与手指之间的夹角，即压力角 图3-2手爪结构为0,手指支点的反力为R，手指支点轴的 半径为G连接销与于指支点的距离为I o -T指支点到指尖的距离为则根 据绕手指支点的力矩平衡关系町得到下式： IQ-l Fcos

34、i/z-l /siny/ + r/? = 0 (3.3) 其屮R可根据下式求得：R = J尸+ Q2+2F0cosp (3.4) 则将(3.2) (3.3)代入(3.4)中可得如下式子: 0 二 I P(cos肖+ “sinp) _(33) 2/(cos0 +“sin) / 宙于罕很小，可以忽略。设手指与手部中心线夹角为 折算到电机轴上的摩擦转矩； 兀一由于丝杠预紧引起的附加转矩； Gax 伺服电机输出转矩的最人值； 由此乂由公式 Sax 2勿max人 60/ 其屮， Hlnax 最人快速移动时伺服电机的转速； /一系统的时间常数； 可得到匚心 2 勿g Jr 2x3.14x 5000 xO.

35、27xlO 1 M1KT =0.71 /?/ d “皿 60r60 x0.02 摩擦力矩主要是由轴承的运动所产生的摩擦力所形成,记0. 2Nw。 此处没有涉及到丝杠预紧，所以T = 07V-m 乂7二卩 i刃；（交流伺服电机几= 1”），A：为电机的过载系数。 r 尸尸 所以八几+耳屮，甲甘=普“.5山5。 至此我们对以选出的电机也号为MINAS系列的电机，其额定功率为 0. 2KW,额定转矩为0.64N,最人静转矩为1.912加7；二051.7。转子 kg也2 （带制动器）。则总的折算到电机轴上的转动惯量为:Jz=（ 1.17-1-2.84） 量匹配原则: 0 257J 1可以粗选电机的转动

36、惯杲为儿二2.8 4 x 10 xl0-4 = 4.01xl0-4-/n2o 2）伺服电机的转矩计算: 电机所需要的转矩可以用快速空载起动转矩来计算,由此得到 7=Lnm +巧乜纹叭N。 氏屮 Tan = 2勿喰人=2x-14x 50()0 x4.()l xl(厂彳9N .w 60/ 60 x0.05 （取加速度 时问为0.05s）o FS 2切 160 x0.5x0,006 2x3.14x0.8x10 = O.OO95N 加 （此处取阻尼系数f = 0.5 ） 此处没有涉及到丝杠预紧，所以7；=（）N加 又几ax =巧=1.眄（交流伺服电机2=1.8）所以T=Tannx T, /；加， 即就

37、是T叱J 4-l-（）-（W5=2.33-Ar/o 1.8 1.8 至此所选择的屯机的额定功率为1.5KW,额定转矩为4.77Nm,最大 转矩为14.3 N,电机惯最为2.84XW4 kg-zw 2 （带制动器）,额定转速 为3000人巾，最高转速为5000久讯，重量为6.5kg,电机输出轴肖径为 19m m o 3. 5. 3小臂驱动电机的选型计算 1）对小骨的负载进行估算：工件40N,手爪20N,旋转电机重15N, 气缸于爪连接套简20 N谐波减速器5N,支架40 N,丝杠25 N,减速齿 轮5N,丝杠驱动电机65 N,箱体30 N,小愕30N。根据转动惯量的平行 移轴定理J =（!加,十

38、“门,对各个部分的转动惯量分别进行分析。 i 2 丿川=-x4x0.12+4x0.52 =1.02kgm2 2 J 沁=*x2x0.152+2x0.52 = 0.50225kg m2 / 谊=-x 2xO.O3: +2xO5i =0.5kgm： 2 人饭皿=x2x(0.092 -0.062)+2x0.52 =().5kg-m2 / 畑為=x 0.5 x 0.062 + 0.5 x 0.52 =0.126kg m2 2 厶讯讪=x 1.5x0.25 十 1.5 x 0.5 = 0.422kg-m2 2 J氐=|x4x().l2 4-4x(),52 = 1.02kg m2 =|x2.5x0.011

39、52 + 2.5x0.182 =0.081kg-nr 厶，应血出=*x0.5x0.062 4-O.5xO.182 = 0.09kg m2 的转动惯量为几= 16.7x10 kg.W2 （带制动器）。则总的折算到电机轴上 的转动惯量为:/, = C 16.7+6.78） xl04=23.48xl0-4 m 2）小臂伺服电机的转矩计算: 电机所需转矩用快速空裁起动转矩计算，得T = Tamay +7 T,Tni3XN-m。 其中7_ 壬J匕4吗沁3.695 （加速度时问 60/ 60 x0.2 0.2s ） 摩擦力矩主要是山轴承的运动所产生的摩擦力所形成，记为rf=0.2N-mo 此处没有涉及到预

40、紧，所以TTNm 又由Gax = = 1.87,(交流伺服电机2 = 1.8) 所以 T 二Tg+TjN”，即= 1.0 3.69 + 0.2 = 26N 仙 1.8 至此所逸择的电机的额定功率为2KW,额定转矩9.54N “最人转矩为28.5 N-/7Z,电机惯蜃为16.7X10-4 kgw 2 （带制动器），额定转速为2000in ,最高转速为3000%山,重景为12.5kg,电机输出轴百径为22mm。 小臂的谐波减速器的生产厂家杲陕西蔡家坡渭河工具厂生产。型号选择 为XBW321078。输入转速3000,输出转矩6Nf ,传动比 为107。质量为0.5kg = 3. 5.4大臂驱动电机的

41、选型计算： 1）： 仃、背电ui = 12.5kg ,加禺碍=0.5怨，匕臀=10灶，加文架=0.5鏡。 小臂驱动电机关于人臂驱动轴的转动惯虽 x 12.5 x 0.075 2 +12.5x0.32 =1.16kg / 同理可得小臂减速器关于大臂驱动轴的转动惯星： /2 =1x0-5x0.03 0.5x0 =0.045kg-. 小臂负载关于人臂驱动轴旳转动惯量： 厶二 6.67+31.5x0.32 =9.51 kg-m 2 大臂关节轴的转动惯量： 人二 |xlOxO.O82=O.O32kg-w 2 由此可得到总的转动惯量为打=1.16+0.045+9.51+0.032 = 10.75焙伽$ 由

42、折算公式：J,=工厶（色尸十（比fkg-d可得折算到电机轴上的各 A 3 i 3 个负载的转动惯量为厶=10.75x（47）2 =5.57x107如亦，根据伺服屯机 208.3 的惯量匹配原则：0.25 么v 1，可以粗选电机的转动惯量为儿=21.1xl0-4 J M kg加2 （带制动器）。则总的折算到电机轴上的转动惯量为:/. =（21.1+5.57） xlO-4 = 26.67xlO-4fe 加 2）大臂伺服电机的转矩计算: 电机所需要的转矩可以用快速空载起动转矩來计算，由此得到 其屮 = 2叫丿=2x3.14x3000 x26.67x1()7 = j 6?N.m(加速度时间为 6(60

43、 x0.5 0.5s) 摩擦力矩丄要是由轴祇的运动所产生的摩擦力所形成，记Tf=0.5N W。 此处由于没有涉及到预紧，所以T=0Ng 又几=i枫(交流伺服电机1 = 1.8)所以T = TanmTf Tm lf =国址= 1.215。 1.8 1.8 至此所选择的电机的额定功率为3KW额定转矩l4.3Nm,最人转矩 丿、臂的谐波减速器选型7V XBW8()13412(),传动比为134.输入转 速兰3000%讪。输出转矩120N /zz,质量为10kg,效率为70%80%, 3. 6手臂强度校核 人小臂主要承受来|臂体|身及臂端部件重量载荷，即臂体耍承受均 匀较荷和突加载荷。 由材料力学知识

44、知道弯矩最人处发生在左端截血处， 由重力产生弯矩M严必 2 突加载荷产生的弯矩M2 = Pl 故左端最人弯矩 必+円 2 为计算简便将两臂近似看作等截面长方休。则人小臂必须满足弯曲止 应力的強度条件： 矩形截面机肥弋 铝合金材料拉压强度b軽“310MPa Q235材料拉乐强度【广160MPa 人小臂胶合过程如下： (1)人臂强度校核 仃、的电机 rnm 器=05kg 加大雷i焙，龙架=5畑。 大臂受力情况 = 333 % , P = 440N ,/ = 0.3加,b = 0.07加，h = 0.09观则 bh2 T 0.07x0.092 6 = 9.45x105w3 财耳+吩+叫0247小 i

45、ua =147/ /9.45X105 =156财兀5 0如 所以人臂满足强度要求。 (2)小臂强度校核T件40N,手爪20 N,旋转电机重15 N,气缸手爪连 接套简20 N，谐波减速器5N,支架40N,丝杠25 N,减速齿轮5 N,丝 杠驱动电机65 N,箱体30 N,小臂30 N, 小臂受力情况 q = 0% , p = 285Ar, I = 0.5/nm ,b = 0.05劝，h = 0.07mm bh2 _ 0.05x0.072 _ 6 = 4.08xI05w3 M 工+ 吩呼+ 285x0.5“05 niax = 15A.O8xI0-5 = Q铝合金 4搬运机器人的控制系统 41机器

46、人控制系统分类 1、程序控制系统：给每一个自山度施加一定规律的控制作用，机器人就可实现 要求的空间轨迹。 2、自适应控制系统：当外界条件变化时，为保证所要求的品质或为了随着经验 的积累而自行改善控制品质，其过程是基于操作机的状态和伺服误差的观察，再 在调整非线性模型参数，一直到误差消失为止。这种系统的结构和参数能随时间 和条件自动改变。 3、人工智能系统：事先无法编制运动程序，而是要求在运动过程中根据所获得 周圉状态信息，实时确定控制作用。 4、机器人控制系统结构 机器人控制系统按其控制方式可分为两类： 1）集中控制方式：用一台计算机实现全部控制功能，结构简单，成本低，但实 时性差，难以扩展，

47、其构成框图如图所示： 2 ）主从控制方式：采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能。 床壮1 I採作仔卜 a 主 计 机 冲 机 发 口 公 用 内 存 计 A D D A 1 1 1 一级控制 _（1 二瞬制！ w專元 11 1 1 i 1： 图4 2主从控制方式 主CPU实现管理、坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等；从CPU实现所有 关节的动作控制。其构成框图如图3所示。主从控制方式系统实时性较好，适用 于高精度、高速度控制，但其系统扩展性较差，维修困难。 42控制系统方案设计 4. 2. 1控制系统方案分析 控制系统通常是指在复杂的条件下，将预定的控制U标转变为期望的机械运 动。控制系统

48、使被控机械实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或 力的控制，以及这些被空机械量的精确综合控制。 搬运机器人的手部、小臂、大臂的动作都是通过控制系统来控制的，所以控 制系统是搬运机器人的重要组成部分，控制系统的设计对于机器人的总体设计而 言至关重要。LI前，搬运机器人的控制方式大多采用可编程序的点位控制（PT P）方式，而在各种控制方式中，可编程序控制器（P L C ）因其通用性好、编 程方便、成本较低、易于设汁和维护等优点而被广为使用，它完全可以取代继电 器控制柜，而且可以实现比继电器功能强得多的控制功能。 422控制系统特点 1、编程方法简单 可编程控制器的梯形图语言程序一般采用顺

49、序控制设计方法。这种编程方 法很有规律，容易掌握。对于复朵的控制系统，设计梯形图语言程序和调试程序 比设计和调试继电器控制系统所花的时间要少得多。 2、控制系统简单，通用性强 尽管现在世界各个生产可编程控制器的厂家和公司，有着多种品牌和种类, 但其基本结构和工作原理大致相同。配以各种组件就可以灵活的组成各种规模和 不同要求的控制系统。 3、抗干扰能力强 可编程控制器釆用了一系列硬件和软件的抗干扰能力措施，如滤波、隔离、 屏蔽、自诊断器、自恢复等使之具有很浅的抗干扰能力。一般无故障的时间数已 经达到数万小时以上，可以应用于有强干扰的工业生产现场。现在可编程控制器 已经被公认为最可黑的工业控制设备

50、之一。 4、可靠性高 继电接触器控制系统使用了大量的机械触电，连线复杂，各触点在吸合和 断开时容易受到电弧的损伤，所以寿命多，工作可靠性差，而可编程控制器以软 件代替硬件，许多继电器的触点和繁杂的连线可以用程序来实现，大量开关动作 可以用无触电的电子电路来完成，因此寿命长，可靠性大大的提高。 5、体积小、结构紧凑，安装、维护方便； 可编程控制器体积小、质量小，便于安装。通常可编程控制器都有自诊断、 故障报警、故障显示的功能，便于操作和维修人员检查，可以较容易的通过更换 模块插件来迅速排除故障。它的结构紧凑，与硕件连方式简单，接线少，易于维 护。 4. 3机器人的控制系统方案确定 本次控制系统采

51、用的方案是PLC+交流伺服系统。 交流伺服系统山交流伺服电动机和伺服电动机驱动器组成，它已经成为无刷 直流伺服系统的代替品。近年来交流伺服驱动技术有了飞速发展，它不仅能克服 了直流伺服电动机在结构上存在的电刷维护困难、造价高、寿命短、应用环境受 限制等缺点，同时乂发挥了交流伺服电动机坚固耐用、经济可靠及动态响应好等 优点。 一个伺服驱动系统并不仅仅是驱动器与电动机的组合，而是一个完整复杂的 控制系统。完整的交流伺服驱动系统包括：伺服控制器.伺服驱动器、伺服电动 机以及至少一个检测元件，所有这些部件都在一个闭环控制系统中运行：驱动器 接收控制控制器的指令信息，然后将电流送给电动机，通过电动机转换

52、成扭矩， 然后带动负载；检测元件测量负载位置（角度、直线位移）、速度、加速度等参 数，输入控制器实现指令信息值与实际位置的值比较，然后通过闭环控制是实际 位置值和抬令信息值保持一致。 4-1交流伺服系统控制框图 机器人各关节由电机输出动力，通过各种传动方案，带动各关节运动，传感 器、编码器将检测记录到得运动不见的运动状况并以开关量形式传递给I/O, PLC 接收到这些信号并经过处理后，发出指令，传递给I/O,系统进入下一道命令执 行中。 PLC是要对搬运机器人的执行机构进行控制，控制机器人对工件的抓取。对 搬运机器人的控制包括PLC通过I/O接口向机器人发出控制指令，以及获取机器 人的工作状态

53、信息等内容。PLC接受机器人的各种工作状态信息等内容。PLC接 收机器人的各种工作状态信号、指令及传感系统，包括各指令开关、工件识别传 感信号和执行机构的位置信号等，实现PLC对搬运机器人的状态信息的获取。 4一3机器人控制系统框图 在机器人控制系统中，提供了搬运工作模式（运行、示教等）设置。机器人 伺服系统开启停止、重启、继续和回零等输入控制端口。通过这些控制端口 PLC 可以对焊接机器人进行上述的控制，同时也提供了搬运机器人所处的运行模式。 伺服系统的开、停、就绪和急停等状态输出端口通过读取这些端口的状态。PLC 就能获知机器人的搬运基本状态。 4. 4 PLC及运动控制单元的选型 针对本

54、次控制系统的方案，选择SYSMAC的CS1系列的PLC,与之配套的MC 单元MC421能够实现四轴的伺服驱动，分别对应本次SCARA机器人的四个伺服 电机的伺服驱动。系统的配置图如图4-4所示： MC的控制面板主要有LED指示器、单元号设置开关，X/Y轴和Z/U轴连接器、I/O 连接器、示教盒连接器、MPG连接器等组成。各个部分的分布如图4-5所示： 1、单元号设置开关 单元号的设置确定了 CPU单元专用I/O单元区的那些字分给MC单元。CS1- MC 4 2 1占用5 0个字。 2、连接器 m r试樂： 就试示教. SYSMAC CSI駅列 PLC KS 2321 PC CX Mcxicn CX-Programmer Z.U连按馮 厂驱动还接电境 数撇备份电池 ?懸蜜；ffig 阴用4个轴的顺时 *1删514人逆时针 限他输人同点近個 筍人念停购人 詳通输入Sf） 裔通输出S个） 2TV电擦 1|UPG mpg通血I 林神