六自由度工业机器人毕业论文

哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）绪论1.1课题背景及研究的目的和意义轮毂制造业属于劳动密集型的行业，除了繁重的体力工作外，几乎每个工序都存在着对人体有害的污染源和潜在的工伤事故:热加工工序烫灼伤的危险，大量易燃易爆燃料及消耗材料时时刻刻威胁着操作手的安全;铝液除气除渣产生的有毒烟尘，机加工冷却液的有害蒸汽，以及涂装工序液体漆、粉漆、前处理药液等等都会严重影响工人的健康;无处不在的轰鸣及刺耳的噪音会使你情绪坏到极点。[1]针对原有轮毂生产线存在的劳动强度高，生产效率低，粗加工加工尺寸不稳定等问题，通过工业机器人及新的数控加工设备，不仅有效解决了轮毂大小头轴承孔同轴度，大小头螺孔位置度的质量问题，满足用户图纸的要求，而且降低了工人的劳动强度，提高生产效率将近一倍，取得了良好的经济效益。[2]工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。[3]它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。[4]生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平，可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用。在工业领域广泛应用着工业机器人。工业机器人一般指在工厂车间环境中，配合自动化生产的需要，代替人来完成材料或零件的搬运、加工、装配等操作的一种机器人。工业机器人的定义为：“一种自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业。”操作机定义为：“具有和人的手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置。”一个典型的机器人系统由本体、关节伺服驱动系统、计算机控制系统、传感系统、通讯接口等几部分组成。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。轮毂生产线改造设计是一个实际应用课题。通过本设计可以使学生在实际课题设计中对生产加工，机械系统设计，机械手及其控制等知识得到切实的锻炼。1.2国内外在该方向的研究现状及分析在西方发达国家，企业主为了避免这种强体力高危工种所带来的高额人工费用，早已采用了自动化生产线代替部分人工操作进行铝合金轮毂的生产。在亚洲，日、韩企业的自动化生产起步较早，形成了鲜明的地域特色。[1]而在中国大陆，一直没有铝合金轮毂生产厂真正考虑过这个问题，到目前还没有一条像样的轮毂自动化生产线。中国大陆企业之所以不重视这方面的发展，首先是由于近几十年的惯性思维使然。过去几十年缺乏资金和技术，拥有的优势就是众多的廉价劳动力，为了促进经济的发展，充分利用这个优势，无论在社会大环境要求还是在经济指标考量上无疑都是正确的。另外的原因是企业管理者僵化的思维。随着经济的发展和企业规模的不断扩大，有的企业管理者还把思维定位在旧的发展模式上，认为搞自动化生产线硬件投入大，得不偿失，而没有综合考虑自动化生产带来的综合效益。机器人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。机器人技术综合了机械工程、电子工程、计算机技术、自动控制及人工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。机器人的研究、制造和应用正受到越来越多的国家的重视。近十几年来，机器人技术发展非常迅速，各种用途的机器人在各个领域广泛获得应用。我国是从20世纪80年代开始涉足机器人领域的研究和应用的。1986年，我国开展了“七五”机器人攻关计划。1987年，我国的“863”计划将机器人方面的研究列入其中。目前，我国从事机器人的应用开发的主要是高校和有关科研院所。最初我国在机器人技术方面的主要目的是跟踪国际先进的机器人技术，随后，我国在机器人技术及其应用方面取得了很大成就。主要研究成果有：哈尔滨工业大学研制的两足步行机器人，北京自动化研究所1993年研制的喷涂机器人，1995年完成的高压水切割机器人，国家开放实验和研究单位沈阳自动化研究所研制的有缆深潜300m机器人，无缆深潜机器人，遥控移动作业机器人，2000年国防科技大学研制的两足类人机器人，北京航空航天大学研制的三指灵巧手，华理工大学研制的点焊、弧焊机器人，以及各种机器人装配系统等。[3]我国目前拥有机器人4000台左右，主要在工业发达地区应用，而全世界应用机器人数量为83万台，其中主要集中在美国、日本等工业发达国家。在机器人研究方面，我国与发达国家还有一定差距。目前，在国内外各种机器人的研究的现状和大体趋势如下：A．机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机。B．工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。C．机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行决策控制；多传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术。D．关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机器人开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发；E．焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器人产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。其研究的现状，总的来说，大体是两个方向：其一是机器人的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，满足相对具体的任务的工业机器人，主要采用性价比高的模块，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。1.3本文的主要研究内容本文设计和研究了一个六自由度的工业机器人，用于生产线的进送料和装配。首先，本文对生产线布局进行改造设计，提高生产的工作效率，然后，设计机械手及控制系统设计。第2章生产线布局及总体方案的确定2.1生产线布局方案如图2-1所示，采取两车床相临，与加工中心依次排布的布局方式；图2-1生产线布局图2.1.1机械手1.双爪（手指为两个夹持机构）2.机械手的自由度（1）机械手手部两个自由度（回转）（2）手腕一个自由度（两个回转）（3）手臂一个自由度（回转）（4）机身两个自由度（两个回转）2.1.2工作流程1.工序一：由机械手将工件从传送带取下，夹持工件外圆，固定到车床一上、夹紧，进行工序一；2.此时，机械手再次从传送带上取下工件，存放在手上；3.待工序一完成后车床一防护门打开，由机械手的另一只手将工件取下，将存放手上的工件固定车床一，进行工序一；4.之后，将从车床一取下的工件调头撑内孔固定到车床二上，进行工序二；5.重复流程2、3、4；6.将工序二取下的工件固定到加工中心，进行工序三；7.工序三完成，机械手将工件取出反转，重新固定，进行工序四；8.工序四完成后，机械手将成品件从加工中心取出，放到出料传送带上；9重复流程5~8。工作流程图如图2-2所示。图2-2工序流程图2.1.3方案预期达到的目标：方案最大的特点是采用了双爪机构（手指为两个夹持机构），在生产流程中，省去了等待工序一加工完才可夹持下一工件的时间和各个工序之间所需的时间间隙，双抓举手实现了生产线的不间歇生产，节省了时间，提高了效率。2.2总体方案的设计2.2.1机构的选型机构的设计非常重要。我们主要从以下几个方面对其进行研究：(1）可达空间的范围。(2)机构的设计。(3)自由度的选取。具体到本设计，因为设计要求搬运的加工工件的质量达15KG，且长度达500MM，同时考虑到数控机床布局的具体形式及对机械手的具体要求，考虑在满足系统工艺要求的前提下，尽量简化结构，以减小成本、提高可靠度。关节型机器人可分为直角坐标型机器人、圆柱坐标型机器人、球坐标型机器人和开链连杆式机器人。开链连杆式机器人是现在使用最多的一种，其主体结构的三个自由度腰关节、肩关节、肘关节全部采用转动关节，手腕上也采用转动关节来确定末端的姿态，具有优点如下：[6]1.结构紧凑，工作范围大而安装占地小。2.具有很高的可达性。可以使其手部进入像汽车车身这样一个封闭的空间内进行作业，而直角坐标型的机器人就不行。3.因为没有移动关节，所以不需要导轨。转动关节容易密封，由于轴承件是大量生产的标准件，则摩擦小，惯量小，可靠性好。4.所需关节驱动力矩小，能量消耗少。通过对以上这些进行研究，我们拟采用开链杆式关节型机构。机器人本体由机座、腰部、大臂、小臂、手腕、末端执行器和驱动装置组成。共有六个自由度，依次为腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕回转、手腕俯仰、手腕侧摆。2.2.2驱动方式的选择机器人的驱动可分为气压驱动、液压驱动及电动机驱动等多种类型。它们各有优缺点，且适应范围不同。三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气动驱动电机驱动输出功率很大大较大控制性能利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂结构性能及体积结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。密封问题较小结构适当，执行机构可标准化、模拟化，体积小，结构紧凑，密封问题较小结构性能好，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，无密封问题在工业机器人中应用范围适用于重载、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，如冲压机器人本体的气动平衡及装配机器人气动夹具适用于中小负载、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、装配机器人等成本液压元件成本较高成本低成本高基于上述驱动系统的特点，本文选用电机驱动的方式对机器人进行驱动。2.2.3传动方案的选择传动方式的选择是指选择驱动源以及传动装置与关节部件的连接形式和驱动方式。基本的连接形式和驱动方式见图2-3所示。（1）直接连接传动。驱动源或带有机械传动装置直接与关节相连。（2）远距离连接传动。驱动源通过远距离机械传动后与关节相连。a）直接连接传动，间接驱动；b）直接连接传动，直接驱动c）远距离连接传动，间接驱动；d）远距离连接传动，直接驱动图2-3各种传动方案（3）间接驱动。驱动源经一个速比远大于1的机械传动装置与关节相连。（4）直接驱动。驱动源不经过中间环节或经过一个速比等于1的机械传动这样的中间环节与关节相连。如果采用远距离连接，则造成传动链太长，结构比较庞大等，所以采用直接连接传动的方式；又因为采用直接连接，所以电机不能选的太大，为了提高机器人的负载能力，必须采用间接驱动的方式，通过减速机构增大电机的输出力矩。综上所述，本课题采用图2-3中的a)方式，即直接连接传动，间接驱动。2.2.4总体结构方案设计机构选型和传动方式完成后，再进行总体的结构设计，具体情况如下：要求上部的机械臂底盘要大，重心要低，所以，腰部关节的驱动电机直接选择安装在基座上，如图2-4所示。整个结构为空间关节型的，本体由机座、腰部、大臂、小臂、手腕、末端执行器和驱动装置组成。有4个关节，腰关节，肩关节，肘关节，腕关节，共有六个自由度，依次为腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕回转、手腕俯仰、手腕侧摆，均为转动关节，其中腰关节实现机器人本体除基座以外的机构的转动；肩关节带动大臂、小臂、手腕、手爪进行俯仰转动，以满足机器人工作空间上高度的要求；肘关节实现带大臂和小臂之间的转动：大臂、小臂以及手腕均可在允许的范围内运动；腕关节可以实现俯仰以及摆动，可以方便的改变手爪的位姿。图2-4六自由度机械臂简图手爪是机械臂中的比较重要的部件，采用了气动夹持器。气动夹持器在工业中应用较为普遍。另外，由于气体的可压缩性，使气动手爪的抓取运动具有一定的柔顺性，这一点是抓取动作十分需要的。机器人的机身、大小臂等都采用空心薄壁机构，硬铝材料，使得零件的刚性好，而且重量轻。在连接处，采用高强度的螺栓连接，转动关节处，选用了高精度的轴承，使得运转很灵活，磨损小。在现代机器人结构中广泛使用着各种机器人轴承，常用的有环形轴承和交叉滚子轴承。这几种机器人专用轴承具有结构简单紧凑，精度高、刚度大，承载能力强（可承受径向力、轴向力、倾覆力矩）和安装方便等优点。但考虑到这些轴承价格昂贵，而使用普通的球轴承或滚子轴承也能满足结构的需要，所以在该机器人的结构中仍然全部采用球轴承。在电机的布置上，考虑尽量将电机放置在相应的操作臂的前端，这样可以减小扭矩，同时也可以起到重力平衡的作用，但同时尽量避免过长的传动链，以简化结构，减少诱导运动。[11]各部件组成和功能描述如下：（1）底座部件：底座部件包括底座、蜗轮蜗杆，箱体，涡轮轴和步进电机等。步进电机固定在箱体上。（2）腰部回转部件：腰部回转部件包括驱动臂座，摆线针轮减速机和步进电机等。作用是支承大臂部件，并完成腰部回转运动。在腰部支架上固定着驱动大臂俯仰和小臂俯仰的电机。（3）大臂部件:包括大臂和连杆。（4）小臂部件:包括小臂、齿轮箱、传动部件、传动轴等,在小臂前端（靠近大臂的一端）固定驱动手腕三个运动的步进电机。（5）手腕部件：包括手腕壳体、传动齿轮和机械接口等。（6）末端执行器：气动夹持器（两个夹持机构）。整个结构简单紧凑，基本满足设计要求。2.2.5控制方案的设计构建机器人平台的核心是建立机器人的控制系统。到目前为止，基于PC机控制系统一般包括单PC控制模式，PC+PC的控制模式，PC+分布式控制器的控制模式，PC+DSP运动控制卡的控制模式，PC+数据采集卡的控制模式，DSP属于精简指令集计算机，增强型哈佛结构，具有独立的程序存储空间和数据存储空间，运算速度极快(超过20MIPS)，为系统实时性提供了有力保障，也使复杂算法的实现成为可能，特别是面向电机控制应用的DSP，它通过把一个高性能的DSP内核和常用外围设备集成为一个芯片的方法，将DSP的高速运算特性和优化的控制特性结合起来，成为运动控制系统核心芯片的最佳选择。基于DSP控制器的运动控制系统实际上是一个单片系统，因为整个电机控制所需的各种功能都可以用DSP控制器来实现，因此可以大幅度减小系统体积，减少外部器件的个数，增加系统可靠性。因此本文选定PC+DSP运动控制卡的控制方式。2.2.6技术参数列表1.抓重:2.自由度数:6个自由度3.坐标型式:开链连杆式关节型4.最大工作半径:5.手臂最大中心高：6.最大行程:手臂旋转：手臂进-出：手臂上-下：手腕转动：手腕弯曲：手腕扭转：7.最大速度：手臂旋转：手臂进-出：手臂上-下：手腕转动：手腕弯曲：手腕扭转：8.惯性矩：手腕转动：手腕弯曲：手腕扭转：9.重复定位精度:10.最大直线运动速度：11.手指夹持范围:轮毂:12.定位方式:开环步进电机定位13.驱动方式:步进电动机14.控制方式:PC+DSP运动控制卡2.3本章小结本章根据设计要求完成了生产线布局的设计及机械手总体方案的设计。首先考虑到轮毂生产线的效率问题选定了机构的类型和驱动方式，确定了传动方案，考虑机械手的结构合理性确定了机械手各个部件的设计方案以及控制方案，最后确定机械手的技术参数。第3章结构的设计3.1引言本章的工作包括电机的选型，减速器设计，腰部，手臂，手腕，末端执行器的结构设计。3.2电机力矩的计算以及驱动电机的选择目前在机器人的运动控制中较为常用的电机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机。[12]下表3-1为几种电机的比较：表3-1各种电机的比较电机类型优点缺点相对功率应用范围直流电机容易购得型号多功率大太快，需减速器，较贵，控制复杂最强较大型的机器人舵机内部带减速器型号多易于安装负载能力较低，速度可调范围小中等小型机器人步进电机精确的速度控制，型号多适合室内机器人，功率与自重比小，功率小最弱巡线跟踪机器人，室内机器人电动机可以选择步进电机，也可以选择直流伺服电机。使用直流伺服电机能有精度高，额定转速高的优点，但价格较高，而步进电机驱动具有成本低，控制系统简单的优点。所以本设计中6个关节都采用步进电机驱动，开环控制。下面计算电机负载力矩。力矩计算的目的是选取电机，肩部旋转关节、腕部旋转关节只提供旋转的运动力矩，肩部俯仰和肘关节提供在垂直空间运动力矩，而五个关节运动速度较慢，由此可见电机最大驱动力矩在肩部俯仰关节上。以肩部俯仰关节驱动电机选型为例，在设计的过程中，要计算出各关节的驱动力矩，必须知道各关节的重心和质量，在过去常采用估算的方法，误差较大。本文采用solidworks软件建立机构的三维实体模型，利用该软件的计算功能得出各个关节质量及重心位置。具体数值为：肩部俯仰关节、肘部关节、腕部旋转、腕部伸出关节质量分别为8.7kg、10.3kg、20.67kg、25.59kg，重心距关节转动中心分别是500mm、1000mm、1400mm、1800mm,腕部伸出部分质量为35.72kg,重心距离关节转动中心1900mm，电机重5kg，轮毂重15kg.本设计的机械臂在图3-1所示的位置时，大臂的俯仰电机所受负载力矩最大，所以所选电机能满足这种情况就能符合实际的要求。图3-1机械手极限位置由于机械臂的转速较低，所以可不考虑惯性力对转轴的作用，摩擦阻力矩也可以忽略，所以大臂运动所需的力矩r必须要大于负载转矩，即克服整个机械臂，电机，以及抓取的重物的重力矩，表达式为：(3-1)3.3减速器的设计本设计所选的电机不能输出上面算的力矩，为了能够得到更大的输出力矩，还必须要设计一个减速机构。这里，我们采用了减速机，法兰式摆线减速机有如下特点：1.高速比和高效率,单级传动就能达到1：87的减速比，效率在90％以上。2.结构紧凑体积小由于采用了行星传动原理，输入轴输出轴在同一轴心线上，使其机型获得尽可能小的尺寸。3.设计合理，维修方便，容易分解安装，最少零件个数以及简单的润滑。3.4腰部的设计传统多关节机械手的设计中都是把电机固定在关节上以驱动手臂，虽然看上去比较直观，但对一个长且较重的多关节手臂而言，这样一种结构是很难获得应用的，并且由于运动惯性的加大，在运动规划中也势必造成控制器设计的复杂化。考虑将驱动元件位置向下移动到腰关节或者肩关节，这可以消除驱动元件在手臂摆动时所造成的系统惯量的大幅波动，从而有效解决上述问题。将三台驱动电机分别布置在腰关节和肩关节（对称水平布置），这使得手臂重量问题迎刃而解。如图3-2所示为腰部的剖视图.腰部是通过蜗轮蜗杆来传递转矩实现整个机械手的腰部回转，蜗轮和蜗轮轴配合带动驱动臂座回转，从而实现腰部回转。如图3-2是腰部的剖视图.图3-2腰部剖视图3.5手臂的设计3.5.1手臂的设计基本要求手臂的作用是在一定载荷和一定速度下，实现机械手要求空间中的运动，在进行设计时，基本要求有如下：1.刚度高。为了防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状要合理选择。工字形截面弯曲刚度一般比截面大；空心管的弯曲刚度和扭转刚度都比实心轴大得多，所以常用钢管作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢作支撑板。2.导向性好。为防止手臂在直线运动中，沿运动轴线发生相对转动，或设置导向装置，或设计方形，花键等形式的臂杆。3.重量轻。为提高机器人的运动速度，要尽量减小臂部运动部分的重量，以减小整个手臂对回转轴的转动惯量。4.运动平稳定位精度高。3.5.2大臂和小臂常用的臂部结构有：1.手部直线运动机构；机器人手臂的伸缩，横向移动均属于直线运动。实现手臂往复直线运动的机构形式比较多，常用的有活塞油（气）缸，齿轮齿条机构，丝杠螺母机构以及连杆机构等。由于活塞（气）缸的体积小，重量轻，因而在机器人结构中应用的比较多。2.手臂回转运动机构实现机器人手臂回转运动的机构形式是多样的，常用的有叶片式回转缸，齿轮传动机构，链轮传动机构，活塞缸和连杆机构等。机械手臂配置形式基本上反映了它的总体布局。运动要求、操作环境、工作对象的不同，手臂的配置形式也不尽相同。本机械手采用机座式。机座式结构多为工业机器人所采用，机座上可以装上独立的控制装置，便于搬运与安放，机座底部也可以安装行走机构，已扩大其活动范围，它分为手臂配置在机座顶部与手臂配置在腰部上两种形式，本机械手大臂采用回转运动机构和手臂配置在驱动臂座上的形式。电机通过减速机驱动大臂旋转实现大臂俯仰。本设计大臂长度1100mm，如图3-3图3-3大手臂肩关节右侧电机通过减速机，再通过连杆来控制小臂的俯仰，本设计的小臂长度1000mm，如图3-4图3-4小手臂3.5.3连杆本设计是通过连杆机构来控制小臂的俯仰，连杆的结构图如图3-5图3-5连杆结构图3.6手腕部的设计本设计采用三自由度手腕。目前，大多数关节型机器人都采用了三自由度手腕。主要有两类:1.汇交手腕(或称正交手腕)它是α、β、γ的旋转轴线汇交于一点。2.偏置式手腕它是α、β、γ的旋转轴线互相垂直，但不汇交于一点。这两类手腕都是把β、γ运动的减速器安装在手腕上，可简化小臂结构，但却增加了手腕本身的重量和复杂程度。关节配置形式为臂转、腕摆、腕转结构。其传动链分成二部分，一部分在机器人小臂壳内，三个电机的输出通过齿轮传动分别传递到同轴传动的心轴、中间套、外套筒上。另一部分传动链安排在手腕部。（1）臂转运动臂部外套筒与手腕壳体通过端面法兰联结，外套筒直接带动整个手腕旋转完成臂转运动。在外套筒右端还需小手臂旋转法兰和小手臂旋转轴法兰，左端通过前爪固定座与前爪法兰相连。（2）腕摆运动臂部输出的空心轴通过一组锥齿轮组，锥齿轮组安装在前爪法兰上，锥齿轮与前爪法兰相重合，使前爪旋转法兰随锥齿轮转动而上下摆动，实现腕摆动。（3）手转运动如图3-5,臂部心轴通过键联结带动锥齿轮组转动，锥齿轮组再与一组齿轮组合又一组锥齿轮进行传动，最后带动小手腕前端法兰和腕部前端中心轴转动。末端执行器与腕部前端中心轴配合，从而实现手爪的旋转。下图3-5是手腕部的剖视图图3-5手腕部剖视图3.7末端执行器的设计气动夹持器在工业中应用较为普遍。通过法兰盘与夹持器固联，利用腕部和小臂的旋转，以及外部的摆动带动末端夹持器在空间做任意的运功。由于机械手要求2个夹持机构，所以设计成两边对称式的平行开合的气爪，如图3-6。图3-6双夹持机构平行开合气爪3.8本章小结本章根据各种电机的特点选定了步进电机作为驱动源，由于输出的转矩不够有选择了减速机来提高转矩，之后查询资料和手册设计了腰部，手臂，手腕的结构。下面是用solidworks画的总体结构图和轮毂生产线示意图，如图3-7，图3-8图3-7图3-8传动系统的设计及校核4.1腰部蜗轮蜗杆设计及校核4.2腕部传动系统设计及校核4.2.1传动方案4.2.2齿轮的设计及校核齿轮组设计直齿圆锥齿轮的设计4.2.3轴的设计图4-2外套筒结构示意图图4-3中间套结构图4-4手腕部传动中心轴结构图4-5小手腕部中心轴结构画出轴的受力分析简图如图4-6图4-6小手腕部中心轴的受力分析图4-7水平面弯矩图画转矩图图3.8轴的转矩和弯矩图4.3本章小结本章根据蜗轮蜗杆的设计准则设计了腰部蜗轮蜗杆并进行了校核，还设计了腕部的传动系统，整个传动系统有电机，减速机，直齿齿轮，锥齿轮及轴，前爪法兰，前爪旋转法兰，对这些进行了设计和校核。控制系统设计5.1引言机器人控制系统由硬件和软件两部分组成。硬件部分有计算机、控制的对象、数字和模拟输入和输出通道、开关量输入和输出通道、人机接口设备等。软件部分包含了接口驱动程序和测试控制程序等。本章主要研究了机器人控制系统的总体方案，简单介绍了系统的原理，5.2控制系统的设计5.2.1控制系统的类型选择机器人控制系统是机器人的核心和枢纽，直接决定了机器人运动精度和工作效率。机器人控制系统根据CPU提供的命令以及末端传感器传回的信号来控制机器人完成特定的动作，到达特定的位置，从而完成相应的任务。[14]本设计选用PC机+DSP运动控制卡的控制模式。5.2.2控制系统的硬件电路本章研究的机器人控制系统的任务主要是由PC机发送各种控制命令,经PC程序进行译码、预处理等处理后,再通过PCI总线接口芯片PCI9052与CPLD进行通讯，将控制命令送入CPLD，然后CPLD将控制指令转化为脉冲或电压信号输入到DSP中，这些信号（包括脉冲方向输出、脉冲计数、数字量输出信号和输入信号）对步进电机进行驱动，输出频率可调的脉冲串来驱动步进电机，通过改变脉冲串的频率和个数来实现电机速度和位置控制，多轴联动等功能，从而实现机械手在空间中的运动。[15]控制系统硬件图如图5.1所示。电机电机DSPDSP电机电机DSPDSPPCI9052PCPCI9052PC机电机CPLD电机CPLDDSPDSP电机DSP电机DSP电机电机DSPDSP电机电机DSPDSP图5.1控制系统硬件图5.3PCI的接口设计PCI9052提供高性能的接口连接，把各种外部电路和器件通过PCI9052与PCI总线相连，所以可以大幅度的提高数据传输的速率，本地总线传播速率最高可以达到132MB/S的传输速率。对PCI9052编程可实现复用/非复用的8位、16位、32位的本地总线接口。PCI9052还有内部FIFO可以加速本地总线的操作。[17]PCI9052硬件电路接口图如图5-2所示。本系统设计采用最大模式，双口RAM的8根数据线和PCI9052的高8位数据线连接。PCI9052一共拥有四个主要接口：PCI总线接口、串行E2PROM接口、局部总线接口和ISA总线接口，由于在设计不需要使用ISA接口，所以在硬件电路图中省略了ISA总线接口。PCI9052中局部总线接口和ISA总线接口的引脚是可以复用的。PCI9052在整个系统中有着非常关键的作用，它把PCI总线与外围电路所有的局部总线联系在一起，将PCI总线命令（如读写某个寄存、内存、I/O端口）传递到局部总线上，再有局部总线传递给外围控制电路：同时，它还可以接受外围电路传回的反馈信号，并传回PC机，由CPU进行处理。图5-2PCI9052硬件电路接口图5.4DSP的设计5.4.1DSP概述DSP(DigitalSignalProcessor)是指数字信号处理器。DSP芯片是专门设计用在高速数字信号处理的微处理器。TMS320LF2807A是TI公司推出的一款面向数字控制系统，尤其是数字运动控制系统的DSP芯片，由于它除了具有数字信号处理器的一般特点外，片内还增加了经过优化的、专门用于数字控制系统的外设电路，非常适合用来作为步进电机的运动控制器，所以在本设计中，电机运动控制器选用TMS320LF2807A作为DSP芯片。[16]5.4.2DSP硬件电路图5-3为TMS320LF2807A结构图图5.3TMS320LF2807A结构图5.4.3DSP软件图5-4为DSP中断程序流程图图5-4中断程序流程图5.5本章小结本章主要确定了控制系统的方案，采用了PC机+DSP运动控制卡的控制模式。简单介绍了控制系统的原理，包括硬件电路，PCI的接口设计，DSP的设计等。DSP在系统中完成了将模拟信号转化成为方向和脉冲信号的功能，然后通过输出这些方向和脉冲信号来控制相关步进电机的运动。结论本设计对轮毂生产线进行改造设计，主要设计了一个六自由度工业机器人，在设计过程中，搜集资料、向导师请教、与同学讨论，为完成设计奠定了基础。所完成的任务有：在查询了国内外的轮毂生产线的布局的基础上，对生产线布局进行改造，采用两个夹持机构的机械手，提高了效率30%，节约了时间，达到国内先进水平。根据设计要求完成了六自由度工业机器人的总体设计和结构设计。首先，确定了总体的设计方案，选择了合适的传动方式、驱动方式，设计了机器人的腰部、大臂、小臂和腕部的具体结构，并且对机器人的传动结构进行设计。机器人为六自由度关节型机器人，全部采用转动关节，关节处采用电机，减速机，齿轮传动机构，蜗轮蜗杆传动机构来增实现各个自由度，从而实现所需的运动。并在此基础上，确定了机器人的控制方案，并简单介绍了它的控制原理。用SolidWorks绘制出机器人的三维模型和生产线的示意模型，并且制作了机器人运动的简易动画。由于本人水平有限和时间的限制，现阶段对机器人的结构还需进一步完善，控制系统的研究还处于理论阶段，没能做更深入的研究。对今后的研究工作的展望与设想如下：（1）进一步改善结构设计，可以将电机放在机器人里面，不用外置，采用内置，尽量让设计结构更加紧凑，刚性也随之提高。（2）研究控制系统的硬件设计和软件设计，对DSP进行深入设计。可以做运动学仿真，运用Matlab软件和Adams软件对机械手系统进行了运动学仿真，包括手动仿真和轨迹的仿真。可以用Ansys软件进行结构分析。参考文献[1]王巨光.中国铝合金轮毂生产自动化势在必行.哈尔滨：轻合金加工技术，2012，1007-7235（2012）04-0011-03.[2]黄启贤.轮毂生产线工艺技术创新与实践.广西：轻工科技，2014,2095-3518（2014）01-55-01.[3]蔡自兴.21世纪机器人技术的发展趋势.南京：南京化工大学学报，2000，22(4):75-78.[4]张杨林.国内工业机器人市场及发展趋势.大众科技，2006，（6）：191~192.[5]李允文.工业机械手设计.北京：机械工业出版社，1996.[6]Craig,JohnJ.Introductiontorobotics.北京机械工业出版社，2006.[7]三浦宏文.机电一体化实用手册.科学出版社OHM社，2001.[8]闻邦椿.机械设计手册，北京：机械工业出版社，2010.[9]索罗门采夫.工业机器人图册.北京：机械工业出版社，1993.[10]周伯英.工业机器人设计.北京：机械工业出版社，1995.[11]郭洪红贺继林田宏宇席巍.工业机器人技术.西安：西安电子科技大学出版社，2006.[12]熊有伦.机器人技术基础.武汉：华中理工大学出版社，1996.[13]王黎钦.机械设计.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社.2010.[14]张新伟.四自由度机器人控制系统设计.内蒙古：内蒙古工业大学，2010.[15]柳洪义.宋伟刚.机器人技术基础[M].北京：冶金工业出版社，2002.11.[16]TMS320LF2407,TMS320LF2406,TMS320LF2402DSPControllers.TexasInstruments.2000-8.[17]PCIIndustrialComputerManufacturersGroup.CompactPCISpecification.PICMG2.0Revision3.0[S],1999.致谢基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研究与开发基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现变频调速液压电梯单片机控制器的研究基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的