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（优秀毕业全套设计）运料四自由度的工业机器人设计

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，有个引入线出口和个引出线出口。大臂大臂长度，具体尺寸如图.所示图.大臂外形小臂小臂长度，具体尺寸如图.所示图.小臂外形.机械手的设计工业机器人的手又称为末端执行器，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。由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，大致可分为以下几类夹钳式取料手吸附式取料手专用操作器及转换器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。手指松开和夹紧工件，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.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.为初步设计的机械手机构简图只画出了半，另外半关于中心线对称。图.机械手机构简图在图.中，为电机输出轴，曲柄连杆滑块和支架构成曲柄滑块机构滑块连杆摇杆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。图.为采用虚拟样机软件来分析所设计的机械手机构的工作状况。图.虚拟样机场景下面更进步计算出所需要的电机力矩。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•，这为电机的挑选提供了定的依据。.驱动方式该机器人共具有四个独立的转动关节，连同末端机械手的运动，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，压力范围为大，压力范围为，最大可达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，电动机般需配置减速装置，除电动机外，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，在定条件下有火灾危险防爆性能好，高于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．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．反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁地起制动，正反转切换．驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小．安全可靠．操作和维护方便．对环境无污染，噪声要小．经济上合理，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额定电压额定转矩.•.•.•.•.•最大转矩.•.•.•额定转速最高转速转子惯量.•.•.•.传动方式由于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般要求有结构紧凑，即具有相同的传动功率和传动比时体积最小，重量最轻传动刚度大，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回差要小，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寿命长价格低。本文所选用的电机都采用了电机和齿轮轮系体化的设计，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齿轮带的平均速度为图.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起两类。在机器人机构中，学要使用制动器的情况如下特殊情况下的瞬间停止和需要采取安全措施停电时，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轴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轴关节的电气制动。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。第章控制系统硬件.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。首先需要选择和硬件平台，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。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，般机器人控制系统的硬件平台可以大致分为两类基于总线由公司年推出的第代位工业开放标准总线的系统和基于总线的系统。近年来，随着机性能的快速发展，可靠性大为提高，价格却大幅度降低，以机为核心的控制系统已广泛被机器人控制领域所接受。基于机控制系统般包括单控制模式，的控制模式，分布式控制器的控制模式，运动控制卡的控制模式，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,内存兆，位数据总线。底板有个插槽，个插槽，带显示器。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机有以下优点•芯片筛选要比般个人计算机严格•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和，其参数如下。主要特点•路单端位模拟量输入•路位模拟量输出•采样速率可编程，最快达•带或中断的•路数字量输出主要特点•路独立输出•位分辨率双缓冲转换器•路数字量输入及路数字量输出•多种电压范围，和电流环。伺服放大器在驱动系统设计过程中，主要是对伺服电机的驱动，本文中利用报废机器人上的电机驱动关节，因此同样选用伺服电机驱动器进行驱动，如图.所示，这是专门针对电机设计的伺服电机放大控制器，具有很强的控制功能和稳定性，电源电压之间，接线端子接伺服电机，直接给电机供电接线端与电源相连，接控制电压，通过数据采集卡输出的模拟电压信号进入这两个接线端来控制电机的转速大小和正反转，接测速计本文中未用，之间是个光耦合器，输入“准备好”信号。在伺服控制器前面，有个旋钮调节器涌来调节电机的五个参数，下边有个开关，用来选择控制器工作状态。图.伺服放大器接线及其调节示意端子板不同的被测信号通过不同的传送路线到采集卡，而采集卡在工控机机箱内，不变直接连接到工业系统中的各种传感器或执行器。端子板的主要作用有两个．端子板是采集卡与每个信号调理电路或驱动装置之间的电器连接部件，给每路输入输出信号提供单独的信号线和地线，使每路通道可单独接通或断开，系统检修和排除故障时不必全部停止运行。．将每路信号经过各自的传送路线到达端子板后，可以根据各路信号和传送路线的特点，在端子板上对各路信号进行简单的调理，如经电阻衰减分流或经过低通滤波后进入采集卡。图.所示为端子板电路图.端子板电路图.所示的电路图中，为防止直流电机产生的噪声影响电路的正常运行，使用了光电耦合器。