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1、中北大學2010屆畢業(yè)設計說明書1 緒論1.1 工業(yè)機器人簡介早在20世紀初，隨著機床、汽車等制造業(yè)的發(fā)展就出現(xiàn)了機械手。1913年美國福特汽車工業(yè)公司安裝了第一條汽車零件加工自動線，為了解決自動線、自動機的上下料與工件的傳送，采用了專用機械手代替人工上下料及傳送工件?？梢妼Ｓ脵C械手就是作為自動機、自動線的附屬裝置出現(xiàn)的?！肮I(yè)機器人”這種自動化裝置出現(xiàn)的比較晚。但是自從世界上第一臺工業(yè)機器人問世之后，不同功能的機器人也相繼出現(xiàn)并且活躍在不同的領域，從天上到地下，從工業(yè)拓廣到 農(nóng)業(yè)、林、牧、漁，甚至進入尋常百姓家。機器人的種類之多，應用之廣，影響之深，是我們始料未及的。本課題所指的工業(yè)機器人，

2、或稱機器人操作臂、機器人臂、機械手等。從外形來看，它和人的手臂相似，是由一系列剛性連桿通過一系列柔性關節(jié)交替連接而成的開式鏈。這些連桿就像人的骨架，分別類似于胸，上臂和下臂，工業(yè)機器人的關節(jié)相當于人的肩關節(jié)、肘關節(jié)和腕關節(jié)。操作臂的前端裝有末端執(zhí)行器或相應的工具，也常稱為手或手爪。手爪是由兩個或多個手指所組成，手指可以“開”與“合”，實現(xiàn)抓去動作和細微操作。手臂的動作幅度一般較大，通常實現(xiàn)宏觀操作。工業(yè)機器人由主體、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個基本部分組成。主體即機座和執(zhí)行機構，包括臂部、腕部和手部，有的機器人還有行走機構。大多數(shù)工業(yè)機器人有 36個運動自由度，其中腕部通常有13個運動自由度；驅動系

3、統(tǒng)包括動力裝置和傳動機構，用以使執(zhí)行機構產(chǎn)生相應的動作；圓柱坐標型工業(yè)機器人示意圖控制系統(tǒng)是按照輸入的程序對驅動系統(tǒng)和執(zhí)行機構發(fā)出指令信號，并進行控制。由于工業(yè)機器人具有一定的通用性和適應性，能適應多品種中、小批量的生產(chǎn)，70年代起，常與數(shù)字控制機床結合在一起，成為柔性制造單元或柔性制造系統(tǒng)的組成部分。在工業(yè)生產(chǎn)中能代替人做某些單調(diào)、頻繁和重復的長時間作業(yè)，或是危險、惡劣環(huán)境下的作業(yè)，例如在沖壓、壓力鑄造、熱處理、焊接、涂裝、塑料制品成形、機械加工和簡單裝配等工序上，以及在原子能工業(yè)等部門中，完成對人體有害物料的搬運或工藝操作。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動、不

4、知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量比人手大等特點，因此，機械手已經(jīng)受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用，例如：（1） 機床加工工件的裝卸，特別是在自動化車床、組合機床上使用較為普編。（2） 在裝配作業(yè)中應用廣泛，在電子行業(yè)中它用來裝配印制電路板， 在機械行業(yè)中它可以用來組裝零件。（3） 可在勞動條件差，單調(diào)重復易疲勞的工作環(huán)境工作，以代替人的勞動。（4） 可在危險場合下工作，如軍工品的裝卸、危險品級有還、及有害物的搬運等。（5） 宇宙及海洋的開發(fā)。（6） 軍事工程及生物醫(yī)學方面的研究和試驗。1.2 世界機器人的發(fā)展國外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢：1. 工業(yè)機器人性能不斷提高（高速

5、度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的103萬美元降至97年的65萬美元。2機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。3工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。4機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲

6、覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應用。5虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。6當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。7機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應

7、用的領域。1.3 我國工業(yè)機器人的發(fā)展有人認為，應用機器人只是為了節(jié)省勞動力，而我國勞動力資源豐富，發(fā)展機器人不一定符合我國國情。這是一種誤解。在我國，社會主義制度的優(yōu)越性決定了機器人能夠充分發(fā)揮其長處。它不僅能為我國的經(jīng)濟建設帶來高度的生產(chǎn)力和巨大的經(jīng)濟效益，而且將為我國的宇宙開發(fā)、海洋開發(fā)、核能利用等新興領域的發(fā)展做出卓越的貢獻。我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前已基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產(chǎn)了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人

8、；其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人已應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術與國外比有差距；在應用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當前我國的機器人生產(chǎn)都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關鍵技術，

9、對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模化設計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000米水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種；在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產(chǎn)品，

10、以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。1.4 設計任務通過計算機PLC編程控制電機，使機械手按照預定的工作條件，完成旋轉、俯仰動作，完成理論方案的設計。運用 AutoCAD軟件繪制裝配圖、部件圖、零件圖，編制PLC梯形圖。（1）機械手以機械臂計，總臂長度小于500mm，大臂長度小于350mm、小臂長度小于250mm。（2）機械手的驅動采用步進電動機，電機功率小于100w，其電源應為安全電源。（3）使用三菱公司的PLC軟件進行編程，對機械手進行控制。2 機械手結構方案與機電結構方案的設計2.1 機械手的結構方案在制定機械手結構的方案中，必須要設定機械手的主要技術指標包括：（1）可搬重量；（2）

11、最終合成速度的最大值；（3）工作空間，其球體半徑；（4）重復定位精度；（5）機械手本體重量。根據(jù)機械手的技術指標和總體方案進行設計。本課題要求采用五自由度關節(jié)型機械，其總體機械結構如圖2-1所示，它有旋轉臺、大臂、肘、小臂，手腕裝置組成，是一個具有五種動作的關節(jié)型機械手，并能夠模擬接近于人手臂的動作。機械手的坐標可以采用簡單的關節(jié)型坐標，因此對它的五種動作需要作一些規(guī)定：（1）機械手的旋轉角度。由上向下看，相對旋轉臺的基準線，順時針為正，逆時針為負，可在360度范圍內(nèi)旋轉；（2）大臂的旋轉是相對于水平線，由水平位置向下旋轉為正，向上為負，在正負90度范圍內(nèi)旋轉；（3）肘也是相對于水平線，由水平

12、位置向下旋轉為正，向上為負，在正負90度范圍內(nèi)旋轉；（4）小臂相對于肘的軸線旋轉，順時針為正，逆時針為負，可在360度范圍內(nèi)旋轉；（5）手腕相對于水平線，由水平位置向下旋轉為正，向上為負，在正負90度范圍內(nèi)旋轉。對于所設計的機械手有五軸需要動作，其動作的方式可以單獨運行，也可以組合或同時進行。單獨運行即旋轉臺先旋轉，而后大臂、肘分別進行俯仰，然后小臂進行旋轉，到位后，手腕進行運動；也可以采用確定空間位置的關節(jié)和確定手腕姿態(tài)的運動軸，同時進行控制?？梢愿鶕?jù)需要由控制裝置來選擇控制方法。機械手的執(zhí)行采用步進電機，選擇開環(huán)控制。由于有五個自由度，所以共需要五臺步進電機。機械手的工作原理：機械手的運動

13、由腰部傳動、上臂傳動、前臂傳動、肘部傳動和腕部傳動這五部分組成。腰部通過諧波減速器直接傳動。安裝在底座上的步進電機的輸出，通過高速軸傳給波發(fā)生器，柔輪帶動底板使腰部繞回轉360度。上臂定在腰部的底板上，安裝在腰部上的步進電機通過齒輪傳動帶動上臂進行左右擺動，運動，并且隨腰部一起轉動。肘部固定在上臂末端軸上，其驅動電機固定在大臂上通過錐齒輪傳動帶動小臂轉動。小臂固定在肘部的末端，通過一對錐齒輪實現(xiàn)其上下擺動，其步進電機固定在肘部。腕部傳動驅動電機固定在小臂的末端，通過同步齒形帶傳動帶動手上下擺動。各個電機輸出軸上安裝有光電編碼器，進行位置檢測，并將位置信號反饋到控制器輸入端，構成伺服電機驅動回路

14、的閉環(huán)反饋控制。具體裝配圖，如圖2-2所示。圖2-2 機械手裝配圖2.2 機械手機電結構方案的設計2.2.1機械傳動系統(tǒng)為了能使機械手的臂轉動，所需要的最大轉矩是當臂呈水平狀態(tài)（圖2-3）。機械傳動系統(tǒng)的各部分尺寸，按機械手工作空間的要求為準。各部分重量的分配，原則上是在機械手傳動結構和電機安放位置允許的條件下，離第一關節(jié)越遠的部分。按其重量越輕越好、重心越靠近關節(jié)越好這兩個原則來分配各部分的重量。這些重量要求越小越好，因此在結構設計上要考慮增加剛度。對于旋轉臺（即肩）的旋轉是使機械手整體旋轉，故電機要安裝在機械手的基座上。大、小臂都有一定的俯仰角度，這種機構圖形的變化必然引起機械手在運動中部

15、分重心位置的改變，必須考慮其重力負荷的平衡。因此，驅動大、小臂的電機均安裝在肩上，起著平衡臂的重量，也使電機的重心靠近第一關節(jié)。機械手所進行的最終工作是反映在其手部末端即手腕的運動上，這種運動的實現(xiàn)是通過傳動鏈來獲得的。手部端點的重復定位精度是機械手設計中一個十分重要的指標，它的實現(xiàn)主要依靠機械傳動鏈的精度和伺服系統(tǒng)的精度這兩個方面的因素。對于傳動系統(tǒng)，傳動鏈越短，越直接，精度自然越高，但實際上還必須有中間環(huán)節(jié)的傳動諧波減速齒輪具有可以實現(xiàn)大的減速比、結構緊湊、自身重量輕的特點，這對于機器人的結構設計是十分重要的，因為減速裝置重量的增加將嚴重地影響機器人的動力學特性。因此，在機械手模型傳動設計

16、中均采用齒輪傳動進行速度的傳遞，即根據(jù)需要選擇合適的傳動比。2.2.2電機的選擇和設計機器人電動伺服驅動系統(tǒng)是利用各種電動機產(chǎn)生的力矩和力，直接或間接地驅動機器人本體以獲得機器人的各種運動的執(zhí)行機構。對工業(yè)機器人關節(jié)驅動的電動機，要求有最大功率質量比和扭矩慣量比、高起動轉矩、低慣量和較寬廣且平滑的調(diào)速范圍。特別是像機器人末端執(zhí)行器（手爪）應采用體積、質量盡可能小的電動機，尤其是要求快速響應時，伺服電動機必須具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，并且具有較大的短時過載能力。這是伺服電動機在工業(yè)機器人中應用的先決條件。目前，由于高起動轉矩、大轉矩、低慣量的交、直流伺服電動機在工業(yè)機器人中得到廣泛應用，一般負載

17、1000N（相當100kgf）以下的工業(yè)機器人大多采用電伺服驅動系統(tǒng)。所采用的關節(jié)驅動電動機主要是AC伺服電動機，步進電動機和DC伺服電動機。其中，交流伺服電動機、直流伺服電動機、直接驅動電動均采用位置閉環(huán)控制，一般應用于高精度、高速度的機器人驅動系統(tǒng)中。步進電動機驅動系統(tǒng)多適用于對精度、速度要求不高的小型簡易機器人開環(huán)系統(tǒng)中。交流伺服電動機由于采用電子換向，無換向火花，在易燃易爆環(huán)境中得到了廣泛的使用。機器人關節(jié)驅動電動機的功率范圍一般為0.110kW。工業(yè)機器人驅動系統(tǒng)中所采用的電動機，大致可細分為以下幾種：（1）交流伺服電動機 包括同步型交流伺服電動機及反應式步進電動機等。 （2）直流伺

18、服電動機 包括小慣量永磁直流伺服電動機、印制繞組直流伺服電動機、大慣量永磁直流伺服電動機、空心杯電樞直流伺服電動機。 （3）步進電動機 包括永磁感應步進電動機。速度傳感器多采用測速發(fā)電機和旋轉變壓器；位置傳感器多用光電碼盤和旋轉變壓器。近年來，國外機器人制造廠家已經(jīng)在使用一種集光電碼盤及旋轉變壓器功能為一體的混合式光電位置傳感器，伺服電動機可與位置及速度檢測器、制動器、減速機構組成伺服電動機驅動單元。機器人驅動系統(tǒng)要求傳動系統(tǒng)間隙小、剛度大、輸出扭矩高以及減速比大，常用的減速機構有： 1）RV減速機構； 2）諧波減速機械； 3）擺線針輪減速機構； 4）行星齒輪減速機械； 5）無側隙減速機構；

19、6）蝸輪減速機構； 7）滾珠絲杠機構； 8）金屬帶齒形減速機構； 9）球減速機構。工業(yè)機器人電動機驅動原理如圖2-4所示。工業(yè)機器人電動伺服系統(tǒng)的一般結構為三個閉環(huán)控制，即電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。目前國外許多電動機生產(chǎn)廠家均開發(fā)出與交流伺服電動機相適配的產(chǎn)品用戶根據(jù)自己所需功能側重不同而選擇不同的伺服控制方式，一般情況下，交流伺服驅動器，可通過對其內(nèi)部功能參數(shù)進行人工設定而實現(xiàn)以下功能：1） 位置控制方式； 2） 速度控制方式；3） 轉矩控制方式；4） 位置、速度混合方式；5） 位置、轉矩混合方式；6） 速度、轉矩混合方式；7） 轉矩限制；8）位置偏差過大報警；9）速度PID參數(shù)設置；10）速

20、度及加速度前饋參數(shù)設置；11）零漂補償參數(shù)設置；12）加減速時間設置等。幾種電機驅動器1直流伺服電動機驅動器 直流伺服電動機驅動器多采用脈寬調(diào)制（PWM）伺服驅動器，通過改變脈沖寬度來改變加在電動機電樞兩端的平均電壓，從而改變電動機的轉速。 PWM伺服驅動器具有調(diào)速范圍寬、低速特性好、響應快、效率高、過載能力強等特點，在工業(yè)機器人中常作為直流伺服電動機驅動器。2同步式交流伺服電動機驅動器 同直流伺服電動機驅動系統(tǒng)相比，同步式交流伺服電動機驅動器具有轉矩轉動慣量比高、無電刷及換向火花等優(yōu)點，在工業(yè)機器人中得到廣泛應用。同步式交流伺服電動機驅動器通常采用電流型脈寬調(diào)制（PWM）相逆變器和具有電流環(huán)

21、為內(nèi)環(huán)、速度環(huán)為外環(huán)的多閉環(huán)控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)對三相永磁同步伺服電動機的電流控制。根據(jù)其工作原理、驅動電流波形和控制方式的不同，它又可分為兩種伺服系統(tǒng)： 1）矩形波電流驅動的永磁交流伺服系統(tǒng)。 2）正弦波電流驅動的永磁交流伺服系統(tǒng)。 采用矩形波電流驅動的永磁交流伺服電動機稱為無刷直流伺服電動機，采用正弦波電流驅動的永磁交流伺服電動機稱為無刷交流伺服電動機。3步進電動機驅動器 步進電動機是將電脈沖信號變換為相應的角位移或直線位移的元件，它的角位移和線位移量與脈沖數(shù)成正比。轉速或線速度與脈沖頻率成正比。在負載能力的范圍內(nèi)，這些關系不因電源電壓、負載大小、環(huán)境條件的波動而變化，誤差不長期積累，步進電動

22、機驅動系統(tǒng)可以在較寬的范圍內(nèi)，通過改變脈沖頻率來調(diào)速，實現(xiàn)快速起動、正反轉制動。作為一種開環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，在小型機器人中得到較廣泛的應用。但由于其存在過載能力差、調(diào)速范圍相對較小、低速運動有脈動、不平衡等缺點，一般只應用于小型或簡易型機器人中。4直接驅動 所謂直接驅動（DD）系統(tǒng)，就是電動機與其所驅動的負載直接耦合在一起，中間不存在任何減速機構。 同傳統(tǒng)的電動機伺服驅動相比， DD驅動減少了減速機構，從而減少了系統(tǒng)傳動過程中減速機構所產(chǎn)生的間隙和松動，極大地提高了機器人的精度，同時也減少了由于減速機構的摩擦及傳送轉矩脈動所造成的機器人控制精度降低。而DD驅動由于具有上述優(yōu)點，所以機械剛性好，可

23、以高速高精度動作，且具有部件少、結構簡單、容易維修、可靠性高等特點，在高精度、高速工業(yè)機器人應用中越來越引起人們的重視。 作為DD驅動技術的關鍵環(huán)節(jié)是DD電動機及其驅動器。它應具有以下特性： 1）輸出轉矩大：為傳統(tǒng)驅動方式中伺服電動機輸出轉矩的50100倍。 2）轉矩脈動?。?DD電動機的轉矩脈動可抑制在輸出轉矩的510以內(nèi)。 3）效率：與采用合理阻抗匹配的電動機（傳統(tǒng)驅動方式下）相比， DD電動機是在功率轉換較差的使用條件下工作的。因此，負載越大，越傾向于選用較大的電動機。 目前，DD電動機主要分為變磁阻型和變磁阻混合型，有以下兩種結構型式： l）雙定子結構變磁阻型DD電動機； 2）中央定子

24、型結構的變磁阻混合型DD電動機。5特種驅動器 1）壓電驅動器。眾所周知，利用壓電元件的電或電致伸縮現(xiàn)象已制造出應變式加速度傳感器和超聲波傳感器，壓電驅動器利用電場能把幾微米到幾百微米的位移控制在高于微米級大的力，所以壓電驅動器一般用于特殊用途的微型機器人系統(tǒng)中。 2）超聲波電動機。6. 電機的選擇本課題中需要五臺電動機，根據(jù)上述電動機因考慮其指標、模型的重量、尺寸等因素，選擇了一臺Kinco86系列步進電機、四臺Kinco57系列三相步進電動機（其中兩臺技術參數(shù)為3S57Q-04042,另兩臺技術參數(shù)為3S57Q-04056），分別驅動臂旋轉以及大、小臂俯仰、旋轉和手腕的俯仰活動它們的主要參數(shù)

25、如下表:型 號技術參數(shù)電機慣量(kg.cm )保持扭距(Nm)電機長度（mm）最大負載（N）Kinco86系 列2S86Q-051801.44.580220Kinco57系 列3S57Q-040420.10.54275Kinco57系 列3S57Q-040560.31.056563 有關機械手的計算3.1設計分析手臂運動由提升重物的豎直運動與帶動重物旋轉的水平回轉運動組成。手臂自重相對于重物來說. 對手臂強度計算的影響較小，可不作考慮，因此，設計時僅考慮重物的作用。手臂受力如圖3-1 所示。3.1.1抗拉強度條件如圖3-1所示，手臂N點處受到最大拉應力是，由彎矩M產(chǎn)生的拉應力與向心力F產(chǎn)生的應

26、力組成。其中=，式中，W為抗彎截面系數(shù)，僅與截面形狀、尺寸有關。對于外徑D內(nèi)徑為 d的圓環(huán)截面有：W=1-() （1）M=GL （2） =A為手臂橫截面積（m）,A=()-()=(2DT-T) （3）F=mL （4） 根據(jù)抗拉強度條件有：=+ （5）將式(1)、(2)、(3)、(4)及已知數(shù)據(jù)代入(5),取g=10m/s（下同），計算整理得：120D-970D+34D-6.4LD03.1.2抗剪強度條件手臂N點處所受的剪應力最大。因圓環(huán)截面壁厚T遠小于外徑d，故最大剪應力為:=2據(jù)抗剪強度條件有：=2 （6）將已知數(shù)據(jù)代入式（6），計算整理得：D0.2(cm)3.1.3 剛度條件如圖3-1所示

27、，受力分析得,M點處撓度最大。據(jù)剛度條件:= （7）式中， E為材料的彈性模量（GPa）；I為截面慣性矩（cm）,I= （8）將式（8 ）及已知數(shù)據(jù)代入式（7），計算整理得： 30D +18D-0.64L03.1.4結構尺寸限制D2TL10(cm)3.2機械手的位置控制3.2.1 機械手幾何模型設計了一種五自由度機械手用于小型工業(yè)。該機械手的主要任務是，在給定點抓取柱狀物，從一個位置送至另一位置。該機械手幾何模型如圖3-2所示。其中，l為肩關節(jié)偏航自由度， 2為肩關節(jié)俯仰自由度，3為肘關節(jié)偏航自由度為， 4為腕關節(jié)偏航自由度，5為腕關節(jié)俯仰自由度。l、l分別為機械手上、下臂的長度，l為腕關節(jié)中

28、心到抓手中心的距離。3.2.2機械手運動學模型1 運動學方程假定機械手伸直狀態(tài)下所處位置為停止位置，根據(jù)D-H方法建立各坐標系，如圖3-1所示；相應的各連桿及關節(jié)的參數(shù)如表（一）。表（一）連 桿/（）adcossin136000102180l0-103180l0-10436000105180l0-10將參數(shù)代入D-H齊次變換矩陣得：T= （1）T= （2）T= （3）T= （4）T= （5）式中，T( i=1，2，5)為機械手兩相鄰連桿間第i個桿坐標系相對于第i一1個桿坐標系的齊次變換矩陣。將式(1)(5)相乘可得末端抓手坐標系Oxyz相對于參考坐標系Oxyz的齊次變換矩陣為:T= TTTTT

29、= （6） 式中： （7） （8） （9） （10） （11）式(6)即機械手的運動學方程。R=為旋轉變換矩陣,p=(p p p) 為平移變換矩陣。當已知各關節(jié)變量的值時，可根據(jù)式(6)求出當前的末端抓手的位置和姿態(tài)。2 逆運動學問題在實際控制中，規(guī)定末端抓手的運動軌跡，并從中得到每一時刻末端抓手在基座坐標系中的位置表達式，即已知的是式(6)，要反求出相應時刻各關節(jié)變量的表達式。根據(jù)式(1)(5)求出相應的逆矩陣T(i=1，2，5)，依次左乘末端抓手的位置矩陣T ，得到方程組(12)： （12）聯(lián)立運動學方程(1)(6)和方程組(12)可以求出各關節(jié)變量 (i=1，2，5)的解析解，這一組解具

30、有不唯一性，根據(jù)關節(jié)的作業(yè)要求、防止碰撞障礙物、防止受到機械約束等實際情況，可以得到各關節(jié)變量(i=1，2，5)的一組范圍: （13）在約束(13)的限制下可以得到逆運動學問題的一組唯一解。3 微分關系 在機械手的運動控制中，速度控制是必不可少的，所以有必要求出機械手各關節(jié)速度與末端抓手速度的關系。通常的方法是先求出機械手的雅可比矩陣J,再求出逆雅可比矩陣J，即可解出機械手各關節(jié)速度的解析式。設機械手關節(jié)速度向量為： （14）式中 (i：1，2，5)為關節(jié)變量的角速度，同時設末端抓手在基座坐標系中的廣義速度向量為：= （15） 式中, ，分別為線速度和角速度分向量，用雅可比矩陣將式(14)，(

31、15)聯(lián)系起來即為機械手各關節(jié)角速度的解析式： （16）因所討論的機械手只有5個自由度，對應的雅可比矩陣不是方陣，所以相應的逆雅可比矩陣是一個廣義逆矩陣：J （17）式(17)的求取比較繁瑣，而且在工作空間的某些位置上，JJ變?yōu)槠娈愱?，無法求逆。所以，采用對逆運動學解直接進行微分的方法來得到關于的解析式。對于三角函數(shù)表達式，可以導出：(1) sin和cos的表達式時，有：d=cosd(sin)-sind(cos) (18) (2) 當已知tan= 時，有:d= (19) 在求解逆運動學方程解的過程中，不難得到各關節(jié)變量的三角函數(shù)表達式，再利用式(18)、(19)可以迅速求得關于的解析式。3.3

32、機械手的部分零件的設計及校核對機械手的主要零件進行設計和校核，由于本課題中涉及的零件較多，計算時就以諧波減速器和大臂中的零件為例。其它部分的零件計算類似方法可以算出。3.3.1 諧波減速器的設計【25】1、結構型式的選擇 根據(jù)設計要求：傳動比大、結構緊湊、承載能力大和傳動效率高。按照表23-1選?。簞傒哹固定、波發(fā)生器H輸入和柔輪g輸出的單級雙波傳動的結構型式，其傳動簡圖如表23-1中的圖1所示。2、確定柔輪和剛輪的齒數(shù) 按照傳動比公式（23-9） 即可得柔輪的齒數(shù)zg為 剛輪齒數(shù)zb為 3、選取柔輪和剛輪的材料 根據(jù)對柔輪的強度和抗疲勞性的要求，由表26-3中選取柔輪的材料為30CrMnSi

33、A合金鋼（），剛輪的材料為45號剛（）。4、初步確定嚙合模數(shù)m按照設計公式（26-3）計算嚙合模數(shù)m，即 已知zg=200和T2=800Nm;根據(jù)諧波傳動的工作情況、載荷性質和傳動要求，以及所選用的材料，現(xiàn)選?。狠d荷系數(shù)K=1.35，許用比壓pp=60N/mm2, 和ch=1.5代入上式可得其嚙合模數(shù)m為0.644mm現(xiàn)取模數(shù)m=0.8mm,符合表25-2中的標準值。5、選取柔輪和剛輪的結構型式和計算其幾何參數(shù) 按照該諧波齒輪減速起的使用要求：結構簡單、安裝方便、運動精度高和效率高等。選取分體式筒形柔輪（見圖29-2）、環(huán)形內(nèi)齒剛輪（圖24-12（a）和凸輪式波發(fā)生器（圖24-20），且選取該

34、凸輪輪廓線形狀為標準橢圓（圖24-21）。柔輪的幾何參數(shù)：柔輪分度圓直徑 dg=mzg=0.8x200=160mm柔輪齒圈厚度 現(xiàn)取柔輪壁厚=2mm。柔輪殼體厚度 柔輪齒寬度 柔輪輪轂凸緣長度 柔輪長度 柔輪筒底凸緣直徑 柔輪輪齒過度圓角半徑 剛輪幾何參數(shù)： 剛輪分度圓直徑 剛輪齒圈壁厚 取剛輪外圓直徑 6、計算諧波傳動的嚙合參數(shù)和幾何尺寸 采用 25-3中所介紹的方法和公式（25-13）(25-23),計算其嚙合參數(shù)和幾何尺寸如下：徑向變形系數(shù) 式中 jmax最大間隙，jmax=jT+j0 因為，最大扭矩i=100和m=0.8mm。則得所以，即有其徑向變形系數(shù)為 則得柔輪的最大徑向變形量w0

35、為 柔輪的變位系數(shù) 剛輪的變位系數(shù) 0 柔輪的嚙入深度系數(shù) 即得柔輪的嚙入深度hn為 因嚙入深度系數(shù)，則可滿足傳遞動力的要求。柔輪齒根圓直徑dfg=dg-2m(ha*+c*-xg)選?。汉停ㄒ蚰?shù)m1mm）,則得 柔輪內(nèi)圓直徑 柔輪中性圓直徑 柔輪齒頂圓直徑 由圖25-2查得：，代入上式得且應驗算下列條件 即 剛輪齒頂圓直徑 剛輪齒根圓直徑 按25-3中的公式（25-22a）和（25-22b）可得 制造中心距 插齒刀齒頂圓直徑則得 mm 再按公式（25-23）檢驗徑向間隙 即 上述驗算結果表明：柔輪與剛輪不會產(chǎn)生齒頂干涉。7、選取波發(fā)生器的結構型式和計算其幾何尺寸 根據(jù)該諧波機構的傳動性能要求

36、：傳動精度高、承載能力大、傳動效率高和輸入轉速較高以及制造精確等，現(xiàn)選用凸輪式波發(fā)生器。該波發(fā)生器的凸輪輪廓系選取標準橢圓的。其凸輪輪廓線方程為公式（24-31） 式中 從長軸開始的轉角； a凸輪橢圓的長半軸 柔性軸承的最大總徑向間隙，=0.066mm；柔性軸承內(nèi)徑d=120mm; b凸輪橢圓的短半軸 8、計算柔性軸承的幾何參數(shù)和壽命根據(jù)柔輪內(nèi)徑dr=159.65mm,按表24-1可得其柔性軸承的幾何參數(shù)為軸承外徑 D=160mm軸承內(nèi)徑 d=120mm徑向間隙 =0.0200.046mm鋼球直徑 d=14.228mm鋼球數(shù)目 z=21軸承寬度 B=24mm按照24-3中的有關公式，可得軸承外

37、圈滾道直徑 軸承內(nèi)圈滾道直徑 軸承內(nèi)、外圈厚度 9、柔輪的疲勞強度驗算 按公式（26-21）驗算柔輪的疲勞強度，即 式中 現(xiàn)選?。赫龖Ψ垂剑?6-26）計算，即 選取系數(shù)和柔輪材料的彈性模量,則得 平均應力 剪切應力幅和平均剪切應力幅為 式中，剪切應力按公式（26-27）計算，即 選取Cr=0.478,且有柔輪的計算長度為 則得 由扭矩產(chǎn)生的剪切應力按公式（26-28）計算 選取系數(shù)Kpr=1.6,且知：Tg=800Nm，則得 所以 已知：柔輪材料的玩去疲勞極限為和剪切疲勞極限為，則可得 和 所以 可見，柔輪滿足疲勞強度條件。再按公式（26-29）計算柔輪的承載能力，即式中 TgTg=8

38、00Nm柔輪的額定扭矩。10、諧波齒輪機構的傳動效率計算按表27-1中的公式（3）計算其傳動效率，即 先計算損失系數(shù) 按公式（27-25）計算系數(shù) 取 。已知：，即得 則得損失系數(shù)為 所以，該諧波機構的效率為 可見，該諧波齒輪減速器的傳動效率較高，滿足設計要求。諧波減速器的裝配圖如圖3-3. 圖3-3 諧波減速器裝配圖3.3.2 軸上的鍵校核1、與聯(lián)軸器配合的的鍵：與聯(lián)軸器配合的軸的尺寸為10mm，材料為45號鋼，其上有開有2 6的普通平鍵A 型的鍵槽。工作時由此鍵傳遞轉矩，對其進行強度校核：=式中， 鍵連接時工作表面的擠壓應力，MPa；T轉矩，N m m；d 軸的直徑，mm；l鍵的接觸長度，

39、mm;K鍵與輪轂的接觸高度，mm；許用擠壓應力，MPa。帶入數(shù)據(jù)計算得：=33.333MPa200MPa，故滿足設計要求。2、與齒輪1 配合的鍵：與齒輪配合的普通平鍵鍵的尺寸為39。對其校核=8.23MPa200MPa，故滿足設計要求。3.3.3大臂中齒輪的設計機構中的齒輪是開式齒輪，設計過程如下：（1）選擇材料和熱處理方式：為了使機構的機構緊湊，齒輪的傳動比為1：1.26，小齒輪的材料選用40Cr，大齒輪選用45，表面調(diào)質處理，硬度HBS217-255。 得 630MPa。（2）許用應力計算：=式中， 許用彎曲應力； 齒輪材料的彎曲疲勞強度基本值； Y 抗彎強度計算的壽命系數(shù)；Y相對齒根圓角

40、敏感系數(shù)；Y相對表面狀況系數(shù)；Y 抗彎強度計算的尺寸系數(shù)；S F min 彎曲強度最小安全系查圖表計算各參數(shù)值： 630MPa，Y 2.5， Y 1，Y 0.9，Y X 1.0， S F min 1.25。計算得：=1134MPa（3）計算齒輪上的作用力：分度圓上的圓周力為：F=F= Ftan=111.11tan20=40.44N（4）按彎曲疲勞強度計算：m12.6式中，m齒輪模數(shù)；K載荷系數(shù)；T1 齒輪傳遞的額定轉矩；Y 復合齒形系數(shù)；齒寬系數(shù)；z齒數(shù)；許用彎曲應力。查圖表計算各參數(shù)值，K=1.4，T180N m g ,Y FS 3.73，10， z 19，1134MPa，計算得：m12.6

41、=12.6考慮傳動形式為開式，應增大齒輪得模數(shù)，標準化后選擇齒輪的模數(shù)為m=2 精度為6級。（5）計算彎曲應力：=式中， 計算彎曲應力；F t 分度圓上圓周力；b齒寬；m模數(shù)；K使用系數(shù)；K 動載荷系數(shù)；K齒向載荷分布系數(shù)；K齒間載荷分布系數(shù)；Y 復合齒形系數(shù)；Y 抗彎強度計算的重合度與螺旋角系數(shù)。查圖表計算各參數(shù)值： F t 111.11N，b=11，m=2, K=1, K 1.05， K1.394，K1.1， Y 3.73，Y0.75。帶入公式計算得：= =22.75MPa,符合設計的要求。（6）計算齒輪的主要幾何尺寸： d=mz=219=38.00mmd= d+2m=38+22=42.0

42、0mmd=d-2.5m=38-2.52=33.00mma=1/2( d+d)=1/2(38+48)=43小齒輪的零件圖如3-4所示 圖3-4 小齒輪零件圖大齒輪的設計計算與上同，符合設計要求。3.3.4 軸的設計此軸是大臂中重要的零件，其上布置有主動齒輪和支撐的軸承。其結構尺寸要滿足彎曲和扭轉的要求。a)軸的材料選45鋼，調(diào)質處理硬度HBS217-255。其機械性能查表，得，=650MPa，360 MPa，270 MPa， 155 MPa，許用疲勞應力 190MPa。b)、軸上力的計算：齒輪上的徑向力、圓周力為：F=F= Ftan=111.11tan20=40.44NN1 = N 2=36.7

43、5N ，阻力矩2 M 1 =M2 = 0.5N m，重力N 3 =20 N m，主動力矩M 0 =1N m。計算作用于軸水平=面上的力，由力學知識可得：R=53.90NR=57.21N計算作用于軸的豎直面上的力，由力學知識可得：R=6.98NR=N計算彎矩， M=36.7526.8-2013.4-40.4413=0.187NmM=2013.4+40.4413.8-36.7526.8=0.160Nm齒輪處：M=36.7513.8-36.7513-200.4=0.021Nm計算扭矩：T=T=T=0.5Nm計算當量彎矩，M=A 點處：M(A)=0.354Nm齒輪作用集中處： M(F)=0.301Nm

44、B 點處：M(B)= =0.340Nmc)、軸的尺寸計算：按許用彎曲應力計算軸頸：d=10=2.650mm考慮軸的結構及軸上零件的定位，取軸頸為 dmin =10mmd)、校核軸的強度：齒輪作用處的當量彎矩最大，對其進行強度校核：=4.328MPa S ，故該軸截面是安全得的。軸的零圖如3-4所示：圖3-4 軸的零件圖3.3.5 軸上的軸承的選取及校核由設計計算可得兩處支撐力不大，有一定的軸向力，因此選擇深溝球軸承，型號為6002，采用ZL-1 通用鋰基潤滑脂潤滑。其基本額定動載荷 C r 5.58KN，基本額定靜載荷C0r2.85KN。預期使用壽命L h 10000h。對軸承受力分析計算：F

45、=F=因B軸承的徑向力較大，故只需對B軸承進行校合因其所受的軸向力相對徑向力很小，故只需考慮徑向力對軸承的影響。軸承的當量動載荷：P=XF+XF=157.52=57.52N壽命計算：L=式中， L 10h基本額定壽命；C基本額定動載荷；P當量動載荷；f t 溫度系數(shù)；n轉速；壽命指數(shù)。帶入數(shù)據(jù)計算，得：L=15976h大于10000h，滿足設計要求。額定靜載荷校核計算：C式中， C 額定靜載荷；S 安全系數(shù)； P 當量動載荷。C=2.85kN, 滿足設計要求。其它軸承照此計算符合要求。4 機械手的plc控制4.1 PLC控制系統(tǒng)設計的基本原則與步驟 4.1.1 PLC控制系統(tǒng)設計的基本原則 在

46、設計PLC控制系統(tǒng)時，應遵循以下基本原則： n 最大限度地滿足控制要求 充分發(fā)揮PLC功能，最大限度地滿足被控對象的控制要求，是設計中最重要的一條原則。設計人員要深入現(xiàn)場進行調(diào)查研究，收集資料。同時要注意和現(xiàn)場工程管理和技術人員及操作人員緊密配合，共同解決重點問題和疑難問題。n 保證系統(tǒng)的安全可靠 保證PLC控制系統(tǒng)能夠長期安全、可靠、穩(wěn)定運行，是設計控制系統(tǒng)的重要原則。n 力求簡單、經(jīng)濟、使用與維修方便 在滿足控制要求的前提下，一方面要注意不斷地擴大工程的效益，另一方面也要注意不斷地降低工程的成本。不宜盲目追求自動化和高指標。n 適應發(fā)展的需要 適當考慮到今后控制系統(tǒng)發(fā)展和完善的需要。4.1

47、.2 PLC控制系統(tǒng)設計的步驟 1）分析被控對象并提出控制要求 詳細分析被控對象的工藝過程及工作特點，了解被控對象機、電、液之間的配合，提出被控對象對PLC控制系統(tǒng)的控制要求，確定控制方案，擬定設計任務書。2）確定輸入輸出設備 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，確定系統(tǒng)所需的全部輸入設備（如：按紐、位置開關、轉換開關及各種傳感器等）和輸出設備（如：接觸器、電磁閥、信號指示燈及其它執(zhí)行器等），從而確定與PLC有關的輸入/輸出設備，以確定PLC的I/O點數(shù)。3）選擇PLC PLC選擇包括對PLC的機型、容量、I/O模塊、電源等的選擇4）分配I/O點并設計PLC外圍硬件線路分配I/O點：畫出PLC的I/O點與輸入

48、/輸出設備的連接圖或對應關系表。PLC外圍硬件線路：畫出系統(tǒng)其它部分的電氣線路圖，包括主電路和未進入PLC的控制電路等。由PLC的I/O連接圖和PLC外圍電氣線路圖組成系統(tǒng)的電氣原理圖。到此為止系統(tǒng)的硬件電氣線路已經(jīng)確定。5）程序設計程序設計：1.控制程序；2.初始化程序；3.檢測、故障診斷和顯示等程序；4.保護和連鎖程序。模擬調(diào)試：根據(jù)產(chǎn)生現(xiàn)場信號的方式不同，模擬調(diào)試有硬件模擬法和軟件模擬法兩種形式。6）硬件實施設計控制柜和操作臺等部分的電器布置圖及安裝接線圖；設計系統(tǒng)各部分之。間的電氣互連圖；根據(jù)施工圖紙進行現(xiàn)場接線，并進行詳細檢查；由于程序設計與硬件實施可同時進行，因此PLC控制系統(tǒng)的設

49、計周期可大大縮短7）聯(lián)機調(diào)試聯(lián)機調(diào)試是將通過模擬調(diào)試的程序進一步進行在線統(tǒng)調(diào)。聯(lián)機調(diào)試過程應循序漸進，從PLC只連接輸入設備、再連接輸出設備、再接上實際負載等逐步進行調(diào)試。如不符合要求，則對硬件和程序作調(diào)整。通常只需修改部份程序即可。全部調(diào)試完畢后，交付試運行。經(jīng)過一段時間運行，如果工作正常、程序不需要修改，應將程序固化到EPROM中，以防程序丟失。8）整理和編寫技術文件技術文件包括設計說明書、硬件原理圖、安裝接線圖、電氣元件明細表、PLC程序以及使用說明書等。本課題選用FX系列。FX系列是日本三菱公司后期的產(chǎn)品。三菱公司的可編程控制器分為F、F1、F2、FX2、FX0、FX0N、FX2C、F

50、X1N和FX q2N幾個系列。其系統(tǒng)配置靈活多便，它具有各種點數(shù)及各種輸出類型（繼電器、晶體管、晶閘管）的擴展單元及擴展模塊，要與基本單元自由混合配置，使系統(tǒng)有極高的靈活程度。FX的應用領域包括：通用機械、汽車制造、立體倉庫、機床與工具、過程控制、控制與裝置儀表、紡織機械、包裝機械、控制設備制造、專用機械 。 多種級別(功能逐步升級)的CPU，種類齊全的通用功能的模板，使用戶能根據(jù)需要組合成不同的專用系統(tǒng)。當控制系統(tǒng)規(guī)模擴大或變得更加復雜時，不必投入很多費用。FX可編程控制器采用模塊化設計，性能范圍寬廣的不同模板可靈活組合，擴展十分方便。任何時候只要適當?shù)脑黾右恍┠０澹隳苁瓜到y(tǒng)升級和充分滿足

51、本課題的需要。 4.2 機械手的基本參數(shù)機器人是一種最先進的數(shù)控系統(tǒng), 是實現(xiàn)柔性自動化中最典型的機電一體化裝置。機器人主要由控制箱和機械手兩大部分組成, 通過對控制器進行編程控制, 由光電閉環(huán)伺服回路引導機械手末端手爪, 可以實現(xiàn)手爪對體的抓取和釋放。該機器人是關節(jié)型的機器人, 結構簡單, 且全部采用開放式結構。機械手具有5個自由度, 皆由步進電動機驅動。我們采用新的控制器( PLC) , 同時編制控制程序, 從而實現(xiàn)起功能。由5個電機控制的機械手,如圖4-1所示，可使手爪在其工作范圍內(nèi)運動到達任意位置。手爪位置矢量r0 可由機械手的各臂的長度和各關節(jié)的角度計算出來。被抓取的物體的位置矢量r

52、2 可以表示為:r2 = r0 (1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6) + r1 (x ,y ,z , l)其中;n ( n = 1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6) 為第n 個關節(jié)的角;x ,y ,z 為手爪的方位坐標; l 為手爪到目標位置的距離。原始數(shù)據(jù)：S軸360度回轉，L軸左右擺動，U軸上下擺動，R軸回轉，B軸上下擺動。技術要求：1）總臂長度小于500mm 2）電機功率小于100w 3）L軸小于350mm 4）R軸小于250mm系統(tǒng)工作時, 各光電編碼器輸出一系列與電動機轉動角度信號相對應的脈沖信號, 經(jīng)過轉換電路將序列脈沖電壓信號轉換為PLC可以接收的開關信號, 在PLC 內(nèi)部經(jīng)過計數(shù)

53、器計數(shù)后得到每一個電機實際的轉角信號, 運行PLC控制程序, 獲得所需輸出, 再通過外電路由PLC 的輸出信號來控制電動機正反轉的啟動及停止, 以實現(xiàn)規(guī)定的機械手的動作。4.3 機械手的控制器根據(jù)機器人機械手控制的特點, 我們采用了日本三菱公司生產(chǎn)的可編程序控制器作為機器人的控制器, 這種控制器具有40個輸入點、40個輸出點。滿足機械手5個步進電機位置測量及控制的要求。系統(tǒng)控制的電路如圖4-2 所示。包括4 部分: 光電編碼器、輸入接口電路、PLC、輸出接口電路。位置檢測與輸入接口電路位置反饋信號是通過光電編碼器而得到, 每個步進電機輸出軸上都裝有光電編碼器, 通過它實現(xiàn)光電脈沖轉換及對電機的

54、轉角和轉速進行檢測, 光電編碼器主要是由控制電路板、紅外光電耦合器及遮光盤組成, 紅外光電耦合器為塑封雙列直插式結構, 固定于槽形框內(nèi), 遮光盤固定在電機轉軸上, 遮光盤為5孔均勻圓周分布的金屬盤。光電編碼器原理電路圖如圖4-2 所示。其中, R3 用于調(diào)節(jié)發(fā)光二極管的工作電流,以保證發(fā)光二極管發(fā)出的紅外光具有足夠的強度。R1、R2 用于調(diào)節(jié)A、B 相的光敏接收管的工作電流,以確保光耦合器件正常工作。當總線通電時, 光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)出不可見紅外線光, 通過旋轉的遮光盤的通孔而被光敏器件接收, 光敏器件兩端由截止變?yōu)閷? 兩端電壓發(fā)生相應變化, 從A、B 輸出脈沖信號。光電碼盤旋轉一周產(chǎn)生6 個相位差為30。的A、B 兩相6 個脈沖。正、反向測速A、B 兩相脈沖波形如圖4-3 所示。從A、B 輸出的脈沖信號為電平信號, 不能直接連接到PLC 的輸入端。還要經(jīng)過轉換電路將電平信號轉換成開關信號, 再送入PLC 輸入端。圖2 中IC、R4、T1 就是為此而設計的計數(shù)接口電路。IC 是一個異或門, 將兩路脈沖