四自由度搬运物料工业机器人的设计毕业设计论文(编辑修改稿)

四自由度搬运物料工业机器人的设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

的电机力矩。 图 力矩变化情况 从图 中看到，起始阶段须克服的 弹簧力最大，电机转矩必须大于 550N178。 mm，这四自由度搬运物料工业机器 人的设计 13 为电机的挑选提供了一定的依据。 驱动方式 该机器人一共具有四个独立的转动关节，连同末端机械手的运动，一共需要五个动力源。 机器人常用的驱动方式有液压驱动、气压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 : 表 三种驱动方式的特点对照 内容 驱动方式 液压驱动 气动驱动 电 机 驱动 输出功率 很大，压力范围为50～ 140Pa 大，压力范围为 48～60Pa 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 响应速度 很高 较高 很高 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。 功率 /质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大 结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。 功率 /质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小 伺服电动机易于标准化，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 安全性 防爆性能较好，用液压油作传动介质，在一定条件下有火灾危险 防爆性能好，高于1000kPa(10 个大气压 )时应注意设备的抗压性 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，对环境的防爆性能较差 对环境的影响 液压系统易漏油，对环境有污染 排气时有噪声 无 四自由度搬运物料工业机器 人的设计 14 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、弧焊机器人、装配机器人等 成本 液压元件成本较高 成本低 成本高 维修及使用 方便，但油液对环境温度有一定要求 方便 较复杂 机器人驱动系统各有其优缺点，通常对机器人的驱动系统的要求有： ，单位质量的输出功率要高，效率也要高； ，即要求力矩质量比和力矩转动 惯量比要大，能够进行频繁地起、制动，正、反转切换； ，位移偏差和速度偏差要小； ； ； ，噪声要小； ，尤其要尽量减少占地面积。 基于上述驱动系统的特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。 表 为选定的各个关节电机型号及其相关参数。 表 机器人驱动电机参数 电机参数 腰关节 肩关节 肘关节 腕关节 手爪 型号 MAXON2332 MAXON2332 MAXON2332 MULTIPLEX STELLSERVO MULTIPLEX STELLSERVO 额定电压 18v 18v 18v 6v 6v 额定转矩 Nm Nm Nm Nm Nm 最大转矩 m m m 额定转速 7980rpm 7980rpm 7980rpm 5460rpm 5460rpm 最高转速 9200rpm 9200rpm 9200rpm 四自由度搬运物料工业机器 人的设计 15 转子惯量 cm cm cm 传动方式 由于一般的电机驱动系统输出的力矩较小，需要通过传动机构来增加力矩，提高带负载能力。 对机器人的传动机构的一般要求有： ，即具有相同的传动功率和传动比时体积最小，重量最轻； ，即由驱动器的输出轴到连杆关节的转轴在相同的扭矩时角度变形要小，这样可以提高整机的固有频率，并大大减轻整机的低频振动； 差要小，即由正转到反转时空行程要小，这样可以得到较高的位置控制精度； 、价格低。 本文所选用的电机都采用了电机和齿轮轮系一体化的设计，结构 紧凑，具有很强的带负载能力，但是不能通过电机直接驱动各个连杆的运动。 为减小机构运行过程的冲击和振动，并且不降低控制精度，采用了齿形带传动。 齿形带传动是同步带的一种，用来传递平行轴间的运动或将回转运动转换成直线运动，在本文中主要用于腰关节、肩关节和肘关节的传动。 齿形带传动原理如图 所示。 齿轮带的传动比计算公式为 : (21) 齿轮带的平均速度 av 为 : (22) 2112 zznni 2211 ntzntzv a 四自由度搬运物料工业机器 人的设计 16 图 齿形带传动 制动器 制动器及其作用：制动器是将机械运动部分的能量变为热能释放，从而使运动 的机械速度降低或者停止的装置，它大致可分为机 械制动器和电气制动器 两类。 在机器人机构中，需 要使用制动器的情况如下： ，防止运动部分下滑而破坏其他装置。 机械制动器： 机械制动器有螺旋式自动加载制动器、盘式制动器、闸瓦式制动器和电磁制动器等几种。 其中最典型的是电磁制动器。 在机器人的驱动系统中常使用伺服电动机，伺服电机本身的特性决定了电磁制动器是不可缺少的部件。 从原理上讲，这种制动器就是用弹簧力制动的盘式制动器，只有励磁电流通过线圈时制动器打开，这时制动器不起制动作用，而当电源断开线圈中无励磁电流时，在弹簧力的作用下处于制动状态的常闭方式。 因此这种制动器被称为无励磁动作型电磁制动器。 又因为这种制动器常用于安全制动场合，所以也 称为 安全制动器。 电气制动器 :电动机是将电能转换为 机械能的装置，反之，他也具有将旋转机械能转换为电能的发电功能。 换言之，伺服电机是一种能量转换装置，可将电能转换为机械能，同时也能通过其反过程来达到制动的目的。 但对于直流电机、同步电机和感应电机等各种不同类型的电机，必须分别采用适当的制动电路。 本文中，该机器人实验平台未安装机械制动器，因此机器人的肩关节和肘 关节在停止转动的时候，会因为重力因素而下落。 另外，由于各方面限制，不方便在原有机构上添加机械制动器，所以只能 通过软件来实现肩关节和肘 关节的电气制动。 采用电气制动器，其优点在于：在不增加驱动系统质 量的同时又具有制动功能，这是非常理想的情况，而在机器人上安装机械制动器会使质量有所增加，故应尽量避免。 缺点在于：这种方法不如机械制动器工作可靠，断电的时候将失去制动作用。 四自由度搬运物料工业机器 人的设计 17 第 3 章 控制系统硬件 控制系统模式的选择 构建机器人平台的核心是建立机器人的控制系统。 首先需要选择 硬件平台，控制系统硬件平台对于系统的开放性、实现方式和开发工作量有很大的影响。 一般常用的控制系统硬件平台应满足：硬件系统基于标准总线机构，具有可伸缩性；硬件结构具有必要的实时计算能力；硬件系统模块化，便于添加或更改各种接口、传感器和特 殊计算机等；低成本。 到目前为止，一般机器人控制系统的硬件平台可以大致分为两类：基于 VME 总线（ Versamodel Eurocard 由 Motorola 公司 1981 年推出的第一代 32 位工业开放标准总线 ）的系统和基于 PC 总线的系统。 近年来，随着 PC 机性能的快速发展，可靠性大为提高，价格却大幅度降低，以 PC 机为核心的控制系统已广泛被机器人控制领域所接受。 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，由于 基于采集卡的控制方式灵活，成本低廉，有利于本文设计中的废物利用，在程序和算法上可以自主编制各类算法，适合本课题研究的需要。 因此本文选定 PC+数据采集卡的控制方式。 控制系统的搭建 图 控制系统框图 工控机 在此选用研华工业控制机 ,主频 233MHz,内存 128 兆， 32 位数据总线。 底板有 9 个 ISA插槽， 4 个 PCI 插槽，带 VGA 显示器。 其性能价格比优越，兼容性好，有利于软硬件维护和升级。 与普通个人计算机相比工业控制 PC 机有以下优点：芯片筛选要比一般个人计四自由度搬运物料工业机器 人的设计 18 算机严格；芯片驱动能力较强； 整机内部结构属于工业加强型，具有较强的防震和抗干扰性能；对环境（如温度、湿度、灰尘等）的要求要比一般计算机低得多。 数据采集卡 在本设计中我们主要用到 研华 公司的 PCL812PG 和 PCL726，其参数如下。 PCL812PG 主要特点 ：。