工业机器人研究毕业论文

#r指的同论腋刈力为p*选III聊动气虹时川勺出干指杠凹悄n之何的静擦以及气时的活塞打幻星之何的降擦一凶为冋转输处的敗率较低.从工柞的安全和动作的可就性月吃・膚収乎捋的銮动力为N=5P=1l56No由代蛆的输出力讣胖公式tN^-D>xio0.9)4其中：F：气缸的理论输出力(kgOD：气缸的缸径(mm)PtIft压力Ckgf/cm1)气加的效率一I毂为肋坍.则川(19)公氏町衍刘气缸tWkl絵为rD=J钏,I 4x1156ZZ^86mnKV0.85^x10・J0,85x3.14x9.8x0.5x10 .11 ———7 xlO-! 9JIx10*戦据气知的选型表町以选择的气制内袴为63mm°山气初气的选犁T册町选LG系列%缸.上要的技术参数为：气卸内枪63m】m试人行程800mm・V.作圧力范M0.049—0.98MPa.*4压力L47MP&,不需耍給油・31冲行出20mtn・选择FB后法兰盘结构*楓据所选樣的代幻.H计算出¥l0.5创九卜的窘际输出hF址卉满足严指的眈动力的噪求° /I： P="5、佃的爪力下实阪输出h0.85x3J4xl0.85x3J4xl(}(04故此结黒謁足段求3.3进给丝杠的设计当机械手爪抓起工件时，丝杠的负载就由以下几个部分组成：工件、手爪、驱动气缸、手爪与气缸的连接套筒、俯仰电机、减速器、丝杠套杯与 L型支架等组成。它们的重量可以做一下粗估：工件40N,手爪20N,驱动气缸20N,手爪与气缸的连接套筒20N,俯仰电机55N,减速器5N,丝杠套杯与L型支架40N等组成。考虑到实际的影响因素，可以估计出丝杠的真实负载约为F=230N考虑到先前方案分析是提到丝杠要求反向自锁的特点， 先根据其负载情况粗选滑动丝杠的类型为单头梯形丝杠。 大径d仁39mm中径d2=27mmj、径d3=23mm,螺距P=6mm.螺杆材料为45钢，螺母材料为ZCuSn5Pb5Zn5,高度H=600mm.对所选的丝杠进行验算：

(1)鏡杠螺杆的划膺性验笄：冈为工作斥强P=F/(^dJlln)t式子当中・H,=0.5P=0.5x6= >而n=ll/P=600/6=100mm口帶入上式I得：卩二 二0-0063N/m\并H考虑到螺81升降速K<0.04ms,3.14x27x3x100并hL不足连续工作PP-10N/fnm\町见卩〈卩严満足耐陳件翌求。(2)骡纹强度校核：根捌螺昭材料査表’取"35N'nunH^r^-50N/non2v山螺纹剪切强度公式『二」一检验.式子屮：b=0.65P=0.65X6-3.9m6对人bnD4=ri.+2h^d=10m.所以丁二 =0.00327N/m2o1 ” 3J4x40x3.9x100螺纹的嘶应加严誅=曲詈暑而=0,肋NW则满足:P<Pp*r<rp-ab<abft.螺纹的强度足够.CO口锁性验证:囚为是单头螺纹,故导程S二片6血,所以螺纹升角也旦訓吃丄-札也旦訓吃丄-札 3.14x27=4.05\由农面的钢对青铜的摩擦系数f=0.08-0.10,此处可以针对此范阳取到f电口得…切品角T"罟=5菇所以A<p,故可门锁。3*5驱动电机的选型计算3.5.1手爪旋转电机的选型计算根据惯性匹配公式.折算刘伺服电机上的全部负载转动惯常为人・由公式可知：Jl=V)2+V/nF(—)zkg-m2屮：ka)t0)A：并旋转件的转动惯最(如宀a)h:各旋转件的角速&(radis);®：伺服电机的角速度(说/小叫备山线运动件的质M(kg)；v(各直线运动件的速度(m/s)；1)根据旋转机构的特点，可以把T.件看成是一个绕电机轴的轴线旋转的圆柱体模型，转动惯站：J,=1W|r,2=1x4x0,052=0.005kg-\手爪关于电机轴的转动惯最同理得,72=^x2xOJ2=0.01kgW\KlilT爪连接食筒关于电机轴的转动惯竝人#x2xO.22=O.(Mkg-w2o“缸关于电机轴的转动惯肚人二丄x4xO.O52=O.OO5kgw2°2则总转动惯彊为：= + =0,005+0.01+0.04+0,005=0.06kg-m2°并考虑到连杆和减速器的转动惯址,则可扩大使J,=0.07k&m2o乂由折算公式：人二工人(丝)'+工阿(H'kg沖2来计算丿「根据初始的条件：纵=3.1rad/s,⑵所具有的稳泄转速为31()皿d/$°从而叫以确定所用到的谐波减速器的减速比为Z=KX).市机构本身的持点可知：tn：=0rv.=05带入折算公式，则得Jf=0,07=0,07x)Q-4kg-m2P乂310根据0.25<^<1,由此可以从M1NAS系列电机的型号表中选出电机的转动惯量Jlf=0.20X104kgwX由此得总的折算到电机轴上的转功惯量Jr=；r+ =0.20x10"+0.07x10^=0,27xIO"4kg-m2B

+7/+丁玄几肿m2）伺服电机的转矩计算=+7/+丁玄几肿m电机所需转矩可以用快速空徴起动转矩计算式中*人噺—空载起动时折算到电机轴上的加速转矩畧

°一折算到电机轴上的摩擦转矩：坊一由于丝杠预紧引起的附加转矩;人阿—伺服电机输出转矩的最人值；由此乂由公式由此乂由公式具屮•％酹一最人快速移动时伺服电机的转速:『一系统的时间常数；可得到陰』2如nm可得到陰』2如nm打60/2x3.14x5000x0.27^10760x0.02=0.7IN"3摩擦力矩主吏是由轴承的运动所产尖的摩擦力所形成，记匚此处没有涉及到怨杠预紧，所以厂"5XTniM=Zrr=L8^（交流伺服电机A=L8）,A：为电机的过载系数。所以心©唤+7｝莖叭所以心©唤+7｝莖叭川皿即Tr>O.71+U.2L8~=0.5\N-m至此我们川以选出的电机型号为MINAS系列的电机，其额込功率为0.2KWt额定转矩为0.64X,最大静转矩为lt91N-^>7；=0+5l?V*me转子量匹配原则：0,25<^<1可以粗选电机的转动惯量为儿=2.84xK）-4kgm2（带制动器人则总的折算到电机轴上的转动惯最弘J=（1.17+2.84）x］旷二4对1"（「如赤D

2）伺服电机的转矩计算:电机所需耍的转矩可以用快速空我起动转知來计算*由此得到英屮Ta^英屮Ta^60r60x0X)5（取加速度时间为0.05s）0】6g(15x(10062x3.14x0.8x10】6g(15x(10062x3.14x0.8x10=0.0095^-m（此处取阻尼系数/=0.5）此处没有涉及到终杠预紧*所以T=0Nm乂人审二兄?；二1•陆〔交流伺服电机几二L8）所以T=Tan^^Tf<ATrNmf即就是甘"=斗」97丽辺珈皿「 1.H 】居至此所选择的电机的额定功率为1.5KW,额定转矩为4.77N*/?m故人转矩为14*3N"电机惯量为2.84x10^*kg^j-（带制动器人额定转速为3000%叶最尚转速为疔000人十审:量为6.5kg,电机输出轴应径为19mmo3.5.3小臂驱动电机的选型计算I）对小臂的负載进行估算：T件40N,手爪20N*旋转电机垂15N*气缸手爪连接套筒20N,谐波减速器5N.支架40N,纟纟杠25N.减速齿轮5N,丝杠驱动电机65N,箱体30N,小K30N.根据转动惯沽的平行移轴定理J= 十叫对各个部分的转动惯量分别进行分析口£丿工井=-x4xO.I2+4x0+5z=1,02kgm:J手爪=—x2x0.15'+2x0.5:=U.50225kgm:

咒知=|x2xOtO3?+2xO+52=0.5kgn?0.5x0.062+0.5x0.52=(XI26kg•m2连按全曲=|x20.5x0.062+0.5x0.52=(XI26kg•m2J竝連為-2丿庭转电机=^xl.5x(I25:十1.5x(15z=0.422kg-m2*=^x4xO」°+4x0.52=L02kgmz丿时打=—x2.5x0.01152+2.5x0,182=0,081kg-m'/齿轮甘连+=^x0.5x0.062+0.5x0=0.09kgm的转动惯量为7v=16,7xl0-4kgm1（带制动器儿则总的折算到电机轴上的转动惯量为:.lf=（16.7+6.78）xW^=23.48xW4^ 92）小臂伺服电机的转矩计算*电机所需转矩用快速空载起动转矩计算，得T=T^m+fz+T<Tn^Nm.其屮匚喚=如丄="鼻口小灿冥再拱汕厂=369N.慣（加速度时间打呻 60f 60x0.20.2s）«摩擦力炬上要是由轴般的运动所产上的摩擦力所形成，记为耳二&2N“=此处没有涉及到预紧；所^T^ON-m又由=XTr=\XTr（交流伺服电机几=1.8）所以T=T VTN•心即T +Tf=*69+0.2=2kN讪*秤心 f ' f L8 1.8至此所选择的电机的额定功率2KW.额定转矩9.54N •最大转矩为电机惯址为16.7x10^kg-m2（带制动器人额定转速为2000%由「虽岛转速为3000%^，重量为12.5kg,电机输出轴直径为22mmc小怦的谐波减速器的生产厂家是陕西蔡家坡渭河丨具厂主产口农号逸择为XBW-32—107-8,输入转速<3000^/ *输出转幼6N*传动比107.质最为0.5kg65.4大臂驱动电机的选型计算：1)：也汕吨机=12寿血，】叫雌端=。阴，册皿=\0kg,tn^=05kgc小臂驱动电机关于人臂驱功轴的转动愦量/,二+%林‘+附M「二+x12,5xO.0752+12r5x0.32=L16kg-m2□同理可得小怦减速器关于人臂岖动轴的转动惯航：/,=—x0.5x0.032+0.5x032=0.045kq-;?/2亠2小臂负载关于人臂驱动轴的转动惯量：J.=6,67+31.5x032=951kg-m2人臂关节轴的转动惯最：J4=-Xl{)x(h08:={X032kgw2由此可得到总的转动惯量为Jh=L16+0.045+9.51+0.032=10J5^-m2由折算公式；打二工从色尸+》叫宀心卽力可得折算到电机轴上的各O) , Ci)个负朝的转动惯齟为JL=KK75x =5+57xIO-4^■ 根据何服电机208*3的惯量匹配原则：025厶<1，可以粗选电机的转动惯量为JM=21.1x10=Jkfkg-m2(带制动器人则总的折昴到电机轴上的转动惯景为;Jr=(2LI+5J7>xl()-J=26t67xl(}_4^m202)大臂伺服电机的转矩计算:电机所需娶的转矩可以用快速空载起动转矩来计算”由此得到itiiia^+耳+7；<7(1WNitiiia^+耳+7；<7(1WN60z2x334x3000x26.67x10^60x0.5=1.67N•m（加速度时间为0.5s）摩擦力矩主要是由轴承的运动所产生的摩擦力所形成，记7；=0.5N0此处由干没有涉及到预紧、所以T=0Nma乂人疵=>irr=L87r（交流伺服电机Z=L8）所以T=Tan^+Tf 讪，即就是T>+Tf=”W=].21Nm1.81.8至此所选择的屯机的额定功率为3KW,额定转矩14.3N』「最人转矩人臂的谐波减速器选型>JXBW—80-134—120,传动比为134,输入转速<3000^/jn（）输出转矩120Nm质最为10kg,效率为70%—80%.3・6手臂强度校核人小臂上要承受來门臂休门少及臂端部件重駅载荷*即臂体要祇受均匀馥荷和突加载荷.由材料力宁知识知道弯矩蜃人处发上在左端截而处，由重力产生弯矩突加载荷产生的弯矩故左端最大弯矩 M旦+PI2为计算简便将两臂近似看作等截面长方体°则人小臂必须满足弯Illi止应力的强度条*1：矩形截面积； 1^=—6铝合金材料拉压强度|b|砒讦3I0M丹7{?绑材料拉压强度0］和=160M^人小怦胶合过税如卜：(1)大臂强度校核〃小臂电机=12+5kgJ用純連器=0.5kg,m大杵=10&g，处支衆=0.5kg□大臂受力情况q=333%‘P=4407VJ=0.3m,b=0,07m,A=0,09m则=6==0.07x0.09-=945xlQ.m6wqrDi333x0.3" ,.nn_,^vM=-—+Pl= +440x0.3-147Nth22%J4%45“厂］.5如E%、所以人臂满足强度要求口(2)小臂强度校核工件40N,手爪20N.旋转电机重15N,气缸手爪连接套筒20N，谐波减速器5N,支架40N,丝杠25N*减速齿轮5N.丝杠驱动电机65N.箱体30N”小臂30N。小臂受力悄况g=60,P=2^5NJ-OStmn.b二(W5増也、h=

匚空UzoF匚空UzoF6M=^-+P/=60x05+285x0.5=15O7V22%=Mni%z=，%+08xl0-5=3-68MPn-9曲金4搬运机器人的控制系统1机器人控制系统分类1、 程序控制系统：给每一个自由度施加一定规律的控制作用，机器人就可实现要求的空间轨迹。2、 自适应控制系统：当外界条件变化时，为保证所要求的品质或为了随着经验的积累而自行改善控制品质，其过程是基于操作机的状态和伺服误差的观察，再在调整非线性模型参数，一直到误差消失为止。这种系统的结构和参数能随时间和条件自动改变。3、 人工智能系统：事先无法编制运动程序，而是要求在运动过程中根据所获得周围状态信息，实时确定控制作用。4、 机器人控制系统结构机器人控制系统按其控制方式可分为两类：1） 集中控制方式：用一台计算机实现全部控制功能，结构简单，成本低，但实时性差，难以扩展，其构成框图如图所示：2） 主从控制方式：采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能。主计W机CRTft口up记敷郢主计W机CRTft口up记敷郢—載桂鯨一;一二银检何籬单无I 卜图42主从控制方N主CPU实现管理、坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等；从CPU实现所有关节的动作控制。其构成框图如图3所示。主从控制方式系统实时性较好，适用于高精度、高速度控制，但其系统扩展性较差，维修困难。4.2控制系统方案设计4.2.1控制系统方案分析控制系统通常是指在复杂的条件下，将预定的控制目标转变为期望的机械运动。控制系统使被控机械实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制，以及这些被空机械量的精确综合控制。搬运机器人的手部、小臂、大臂的动作都是通过控制系统来控制的，所以控制系统是搬运机器人的重要组成部分，控制系统的设计对于机器人的总体设计而言至关重要。目前，搬运机器人的控制方式大多采用可编程序的点位控制 （PTP）方式，而在各种控制方式中，可编程序控制器（PLC）因其通用性好、编程方便、成本较低、易于设计和维护等优点而被广为使用，它完全可以取代继电器控制柜，而且可以实现比继电器功能强得多的控制功能。4.2.2控制系统特点1、 编程方法简单可编程控制器的梯形图语言程序一般采用顺序控制设计方法。这种编程方法很有规律，容易掌握。对于复杂的控制系统，设计梯形图语言程序和调试程序比设计和调试继电器控制系统所花的时间要少得多。2、 控制系统简单，通用性强尽管现在世界各个生产可编程控制器的厂家和公司，有着多种品牌和种类，但其基本结构和工作原理大致相同。配以各种组件就可以灵活的组成各种规模和不同要求的控制系统。3、 抗干扰能力强可编程控制器采用了一系列硬件和软件的抗干扰能力措施，如滤波、隔离、屏蔽、自诊断器、自恢复等使之具有很浅的抗干扰能力。一般无故障的时间数已经达到数万小时以上，可以应用于有强干扰的工业生产现场。现在可编程控制器已经被公认为最可靠的工业控制设备之一。4、 可靠性高继电接触器控制系统使用了大量的机械触电，连线复杂，各触点在吸合和断开时容易受到电弧的损伤，所以寿命多，工作可靠性差，而可编程控制器以软件代替硬件，许多继电器的触点和繁杂的连线可以用程序来实现，大量开关动作可以用无触电的电子电路来完成，因此寿命长，可靠性大大的提高。5、 体积小、结构紧凑，安装、维护方便；可编程控制器体积小、质量小，便于安装。通常可编程控制器都有自诊断、故障报警、故障显示的功能，便于操作和维修人员检查，可以较容易的通过更换模块插件来迅速排除故障。它的结构紧凑，与硬件连方式简单，接线少，易于维护。机器人的控制系统方案确定本次控制系统采用的方案是PLC+交流伺服系统。交流伺服系统由交流伺服电动机和伺服电动机驱动器组成，它已经成为无刷直流伺服系统的代替品。近年来交流伺服驱动技术有了飞速发展，它不仅能克服了直流伺服电动机在结构上存在的电刷维护困难、造价高、寿命短、应用环境受限制等缺点，同时又发挥了交流伺服电动机坚固耐用、经济可靠及动态响应好等优点。一个伺服驱动系统并不仅仅是驱动器与电动机的组合，而是一个完整复杂的控制系统。完整的交流伺服驱动系统包括：伺服控制器、伺服驱动器、伺服电动机以及至少一个检测元件，所有这些部件都在一个闭环控制系统中运行：驱动器接收控制控制器的指令信息，然后将电流送给电动机，通过电动机转换成扭矩，然后带动负载；检测元件测量负载位置（角度、直线位移）、速度、加速度等参数，输入控制器实现指令信息值与实际位置的值比较，然后通过闭环控制是实际位置值和指令信息值保持一致。4-1交流何服系统控制框图机器人各关节由电机输出动力，通过各种传动方案，带动各关节运动，传感器、编码器将检测记录到得运动不见的运动状况并以开关量形式传递给 l/O,PLC接收到这些信号并经过处理后，发出指令，传递给I/O,系统进入下一道命令执行中。PLC是要对搬运机器人的执行机构进行控制，控制机器人对工件的抓取。对搬运机器人的控制包括PLC通过I/O接口向机器人发出控制指令，以及获取机器人的工作状态信息等内容。PLC接受机器人的各种工作状态信息等内容。 PLC接收机器人的各种工作状态信号、指令及传感系统，包括各指令开关、工件识别传感信号和执行机构的位置信号等，实现PLC对搬运机器人的状态信息的获取。1-3机器人控制癢统祸图在机器人控制系统中，提供了搬运工作模式（运行、示教等）设置。机器人伺服系统开启停止、重启、继续和回零等输入控制端口。通过这些控制端口 PLC可以对焊接机器人进行上述的控制，同时也提供了搬运机器人所处的运行模式。伺服系统的开、停、就绪和急停等状态输出端口通过读取这些端口的状态。 PLC就能获知机器人的搬运基本状态。PLC及运动控制单元的选型针对本次控制系统的方案，选择SYSMA的CS1系列的PLC与之配套的MC单元MC421能够实现四轴的伺服驱动，分别对应本次 SCARA机器人的四个伺服电机的伺服驱动。系统的配置图如图4-4所示：MC的控制面板主要有LED旨示器、单元号设置开关，X/Y轴和Z/U轴连接器、I/O连接器、示教盒连接器、MP（连接器等组成。各个部分的分布如图4-5所示：1、 单元号设置开关单元号的设置确定了CPU单元专用I/O单元区的那些字分给MC单元。CS1-MC421占用50个字。2、 连接器示教宜MCF|l^X^vMM/ 单无示教宜MCF|l^X^vMM/ 单无Tft(JiS屮Ki畀战SVSMAC匚百陕啊PtCKiaiPC

CXMdfhxi

CX■hrnprinnmcrfflru*t«導,.idfll!'A卜林的除时什隈值他人,連时和礙哂输idfll!'A卜林的除时什隈值他人,連时和礙哂输\耳丸氐眼嘩人.总粹输人fjftlt人S牛）符通It岀IHV电欢◎目艸电as6靑觌牺❻'■/r't.-：.辅选择H神书逵LU.逢接胖I V』 掘M违抿加at据番价电池L<? 何厭腿劝器_ir_™口HOMRUhftlH；M-fllb«妈的闵■藤动可LED冷贰祥城兀号谁■开鬓HOMRUhftlH；M-fllb«妈的闵■藤动可LED冷贰祥城兀号谁■开鬓Zl愉上启托io违撰擲CiiwMV4；I吒可L；U£册电苛叫小列.也—....辑邀连建电q图47控制系统配置图急停急停图4弓MC单元拧制血板1） I/O连接器 用于外部输入输出的连接器，包括各轴的限值输入、输入、圆点接近输入、外部输入、常规输入。2） 示教盒连接器 用于连接示教盒。3） MPG连接器 用于MPG（手动脉冲发生器）或同步译码器的连接器

5结论与展望搬运机器人在工业机器人的领域中扮演着非常重要的角色，本次设计的主要目的是围绕实验室的建设，设计与实地环境相符的搬运机器人来实现输送线出货台上的工件到AGV小车上的搬运，从而实现工件的传送和运输这一环节的自动化操作。论文工作总结如下：（1） 根据各种传动方式之间的联系及特点，通过取长补短，主要考虑了结构紧凑简单等原则，确定了机器人的整体设计方案：（2） 各个回转关节的驱动方式均采用电机加减速的方式的传动设计，大臂的回转关节与大臂做成一体，大臂的截面形状采用等强度处理：（3） 在各个关节的结构设计中，充分考虑到附加载荷对电机轴的影响，回转关节轴的载荷通过固定在其两端的轴承把负载的附加载荷传递到轴承上，从而保护了电机和减速器；（4） 在进给机构的设计中，滑动丝杠自锁性可以很好的保护工件不会在断电的情况下落，造成意想不到的事故：由于时间有限，本次设计还存在着一定的不足，还有待进步提高，展望如下：在传动系统的结构设计中，由于考虑到结构的紧凑型和尽量简单的特点，故把小臂驱动电机安装在小臂的回转关节轴上，但这样会造成大臂附加载荷过大，引起一定的不稳定因素，在今后可以尽可能选择质量较小在电机的选择和减速器的选择，或尽量减少电机在悬梁上的结构。在手抓的设计中可以把手爪设计称可以替换的具有通