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四自由度的工業機器人
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- 四自由度的工業機器人
摘 要
在當今大規模制造業中，企業為提高生產效率，保障產品質量，普遍重視生產過程的自動化程度，工業機器人作為自動化生產線上的重要成員，逐漸被企業所認同并采用。工業機器人的技術水平和應用程度在一定程度上反映了一個國家工業自動化的水平，目前，工業機器人主要承擔著焊接、噴涂、搬運以及堆垛等重復性并且勞動強度極大的工作，工作方式一般采取示教再現的方式。
本文將設計一臺四自由度的工業機器人，用于給沖壓設備運送物料。首先，本文將設計機器人的底座、大臂、小臂和機械手的結構，然后選擇合適的傳動方式、驅動方式，搭建機器人的結構平臺；在此基礎上，本文將設計該機器人的控制系統，包括數據采集卡和伺服放大器的選擇、反饋方式和反饋元件的選擇、端子板電路的設計以及控制軟件的設計，重點加強控制軟件的可靠性和機器人運行過程的安全性，最終實現的目標包括：關節的伺服控制和制動問題、實時監測機器人的各個關節的運動情況、機器人的示教編程和在線修改程序、設置參考點和回參考點。
關鍵詞：機器人，示教編程，伺服，制動
ABSTRACT
In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way.
In this paper I will design an industrial robot with four DOFs, which is used to carry material for a punch. First I will design the structure of the base, the big arm, the small arm and the end manipulator of the robot, then choose proper drive method and transmission method, building the mechanical structure of the robot. On this foundation, I will design the control system of the robot, including choosing DAQ card, servo control, feedback method and designing electric circuit of the terminal card and control software. Great attention will be paid on the reliability of the control software and the robot safety during running. The aims to realize finally include: servocontrol and brake of the joint, monitoring the movement of each joint in realtime, playback programming and modifying the program online, setting reference point and returning to reference point.
KEY WORDS: robot, playback, servocontrol, brake
目 錄
第1章 緒論…………………………………………………………………… 3
1.1 機器人概述…………………………………………………………… 4
1.2 機器人的歷史、現狀………………………………………………… 4
1.3 機器人的發展趨勢…………………………………………………… 4
第2章 機器人實驗平臺介紹及機械手的設計……………3
2.1自由度及關節…………………………………………………………… 4
2.2 基座及連桿…………………………………………………………… 4
2.2.1 基座……………………………………………………………… 7
2.2.2 大臂……………………………………………………………… 7
2.2.3 小臂……………………………………………………………… 7
2.3 機械手的設計……………………………………………………………4
2.4 驅動方式…………………………………………………………………4
2.5 傳動方式…………………………………………………………………4
2.6 制動器……………………………………………………………………4
第3章 控制系統硬件……………………………………………………………4
3.1 控制系統模式的選擇……………………………………………………4
3.2 控制系統的搭建……………………………………………………… 4
3.2.1 工控機……………………………………………………………4
3.2.2 數據采集卡………………………………………………………4
3.2.3 伺服放大器………………………………………………………4
3.2.4 端子板…………………………………………………………… 4
3.2.5電位器及其標定………………………………………………… 4
3.2.6電源……………………………………………………………… 4
第4章 控制系統軟件………………………………………………………… 4
4.1預期的功能…………………………………………………………… 4
4.2 實現方法………………………………………………………………4
4.2.1實時顯示各個關節角及運動范圍控制 ………………………4
4.2.2直流電機的伺服控制………………………………………………4
4.2.3電機的自鎖…………………………………………………………4
4.2.4示教編程及在線修改程序…………………………………………4
4.2.5設置參考點及回參考點……………………………………………4
第5章 總結……………………………………………………………………… 4
5.1 所完成的工作………………………………………………………… 4
5.2 設計經驗……………………………………………………………… 4
5.3 誤差分析……………………………………………………………… 4
5.4 可以繼續探索的方向………………………………………………… 4
致 謝……………………………………………………………………………… 4
參考文獻………………………………………………………………………… 4
該設計的目的是為了設計一臺物料搬運機器人，利用現有已經報廢的焊接機器人，本文的中結構設計主要偏向于對原有機構的改造和機械手的設計。
2.1自由度及關節
圖1
該機器人具有四個自由度 ，即腰關節、肩關節、肘關節和腕關節，都為轉動關節；還有一個用于夾持物料的機械手。
2.2基座及連桿
2.2.1 基座
基座是整個機器人本體的支撐。為保證機器人運行的穩定性，采用兩塊“Z”字形實心鑄鐵作支撐。
基座上面是接線盒子，所有電機的驅動信號和反饋信號都從中出入。接線盒子外面，有一個引入線出口和一個引出線出口。
2.2.2 大臂
大臂長度230mm，具體尺寸如圖2.1所示：
圖2.1 大臂外形
2.2.3 小臂
小臂長度240mm，具體尺寸如圖2.2所示：
圖2.2 小臂外形
2.3機械手的設計
工業機器人的手又稱為末端執行器，它使機器人直接用于抓取和握緊（吸附）專用工具（如噴槍、扳手、焊具、噴頭等）進行操作的部件。它具有模仿人手動作的功能，并安裝于機器人手臂的前端。由于被握工件的形狀、尺寸、重量、材質及表面狀態等不同，因此工業機器人末端操作器是多種多樣的，大致可分為以下幾類：
（1） 夾鉗式取料手
（2） 吸附式取料手
（3） 專用操作器及轉換器
（4） 仿生多指靈巧手
本文設計對象為物料搬運機器人，并不需要復雜的多指人工指，只需要設計能從不同角度抓取工件的鉗形指。
手指是直接與工件接觸的部件。手指松開和夾緊工件，是通過手指的張開與閉合來實現的。該設計采用兩個手指，其外形如圖2.3所示
圖2.3 機械手手指形狀
傳動機構是向手指傳遞運動和動力，以實現夾緊和松開動作的機構。根據手指開合的動作特點分為回轉型和平移形。本文采用回轉型傳動機構。圖2.4為初步設計的機械手機構簡圖（只畫出了一半，另外一半關于中心線對稱）。
圖2.4 機械手機構簡圖
在圖2.4中，O為電機輸出軸，曲柄OA、連桿AB、滑塊B和支架構成曲柄滑塊機構；滑塊B、連桿BC、搖桿CE和支架構成滑塊搖桿機構。通過兩個機構串聯，使電機最終驅動DE的來回擺動，從而實現手指的開合運動。
圖2.4中的黑線和藍線表示機構運行的兩個極限位置。
為便于手指的順利合攏，可以在兩個手指之間設置一個彈簧，這樣還可以提供適當的夾緊力。
另外，在選用電機的時候，要使電機的功率足以克服彈簧的收縮和張開，并且提供足夠加緊物體的力。
圖2.5為采用虛擬樣機軟件ADAMS來分析所設計的機械手機構的工作狀況。
圖2.5 虛擬樣機場景
下面更進一步計算出所需要的電機力矩。
圖2.6 力矩變化情況
從圖2.6中看到，起始階段須克服的彈簧力最大，電機轉矩必須大于550N ...
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