【正文】 ??????????????? 4 第 3 章 控制系統(tǒng)硬件 ??????????????????????? 4 控制系統(tǒng)模式的選擇 ???????????????????? 4 控制系統(tǒng)的搭建 ????????????????????? 4 工控機 ??????????????????????? 4 數(shù)據(jù)采集卡 ????????????????????? 4 伺服放大器 ???????? ????????????? 4 端子板 ??????????????????????? 4 電位器及其標定 ??????????????????? 4 電源 ???????????????????????? 4 第 4 章 控制系統(tǒng)軟件 ?????????????????????? 4 預期的功能 ??????????????????????? 4 實現(xiàn)方法 ???????????????????????? 4 實時顯示各個關(guān)節(jié)角及運動范圍控制 ????????? 4 直流電機的伺服控制 ?????????????????? 4 電機的自鎖 ?????????????????????? 4 示教編程及在線修改程序 ???????????????? 4 設(shè)置參考點及回參考點 ????????????????? 4 第 5 章 總結(jié) ??????????????????????????? 4 所完成的工作 ?????????????????????? 4 設(shè)計經(jīng)驗 ???????????????????????? 4 誤差分析 ???????? ???????????????? 4 可以繼續(xù)探索的方向 ??????????????????? 4 致 謝 ?????????????????????????????? 4 參考文獻 ???????????????????????????? 4 第 1 章 緒論 機器人概述 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為突出的主題。 本文將設(shè)計一臺四自由度的工業(yè)機器人，用于給沖壓設(shè)備運送物料。 摘 要 在當今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過程的自動化程度，工業(yè)機器人作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認同并采用。工業(yè)機器人的技術(shù)水平和應用程度在一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的水平，目前，工業(yè)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(xiàn)的方式。首先，本文將設(shè)計機器人的底座、 大臂、小臂和機械手的結(jié)構(gòu)，然后選擇合適的傳動方式、驅(qū)動方式，搭建機器人的結(jié)構(gòu)平臺；在此基礎(chǔ)上，本文將設(shè)計該機器人的控制系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)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(shè)計以及控制軟件的設(shè)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(xiàn)的目標包括：關(guān)節(jié)的伺服控制和制動問題、實時監(jiān)測機器人的各個關(guān)節(jié)的運動情況、機器人的示教編程和在線修改程序、設(shè)置參考點和回參考點?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過程的自動化已基本得到解決。專用機床是大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法；程控 機床、數(shù)控機床、加工中心等自動化機械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法。機器人的出現(xiàn)并得到應用，為這些作業(yè)的機械化奠定了良好的基礎(chǔ)。 機器人是一種具有人體上肢的部分功能，工作程序固定的自動化裝置。目前我國常把具有上述特點的機器人稱為專用機器人，而把工業(yè)機械人稱為通用機器人。 機器人一般分為三類。它是一種獨立的、不附屬于某一主機的裝置，可以根據(jù)任務的需要編制程序，以完成各項規(guī)定操作。第二類是需要人工操作的，稱為操作機（ Manipulator）。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。這種機器人在國外通常被稱之為“ Mechanical Hand”，它是為主機服務的，由主機驅(qū)動。 機器人按照結(jié)構(gòu)形式的不同又可分為多種類型，其中關(guān)節(jié)型機器人以其結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小，相對工作空間最大，甚至能繞過基座周圍的一些障礙物等這樣一些特點，成為 機器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，世界一些著名機器人的本體部分都采用這種機構(gòu)形式的機器人。這些系統(tǒng)的性能就決定了機器人的性能。 執(zhí) 行 機 構(gòu)機器人控 制 系 統(tǒng)驅(qū) 動 傳 動 系 統(tǒng)手 部腕 部臂 部腰 部基 座 部 （ 固 定 或 移 動 ）電 、 液 或 氣 驅(qū) 動 裝 置單 關(guān) 節(jié) 伺 服 控 制 器關(guān) 節(jié) 協(xié) 調(diào) 及 其 它 信 息 交 換計 算 機 圖 11 機器人的一般組成 對于現(xiàn)代智能機器 人而言，還具有智能系統(tǒng)，主要是感覺裝置、視覺裝置和語言識別裝置等。機器人的這些組成部分并不是各自獨立的，或者說并不是簡單的疊加在一起，從而構(gòu)成一個機器人的。它們之間的相互關(guān)系如圖 12 所示。執(zhí)行機構(gòu)是機器人賴以完成工作任務的實體，通常由連桿和關(guān)節(jié)組成，由驅(qū)動－傳動系統(tǒng)提供動力，按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務。驅(qū)動機構(gòu)提供機器人各關(guān)節(jié)所需要的動力，傳動系統(tǒng)則將驅(qū)動力轉(zhuǎn)換為滿足機器人各關(guān)節(jié)力矩和運動所要求的驅(qū)動力或力矩。其中的機械系統(tǒng)又叫操作機(Manipulator)，相當于本文中的執(zhí)行機構(gòu)部分。 1958 年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機器人。 日本是工業(yè)機器人發(fā)展最快、應用最多的國家。 目前工業(yè)機器人大部分還屬于第一代，主要依靠人工進行控制；控制方式則為開環(huán)式，沒有識別能力；改進的方向主要是降低成本和提高精度。它設(shè)有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。 第三代機器人（機器人）則能獨立地完成工作過程中的任務。 隨著工業(yè)機器人研究制造和應用領(lǐng)域不斷擴大，國際性學術(shù)交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術(shù)交流活動開展很多。 目前，工業(yè)機器人主要用于裝卸、搬運、焊接、鑄鍛和熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面還不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。 在國外機械制造業(yè)中，工業(yè)機器人應用較多，發(fā)展較快。如發(fā)生某些偏離時，就將 引起零部件甚至機器人本身的損壞。制造業(yè)要求機器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強大的編程環(huán)境，適應不同的應用場合和多品種、小批量的生產(chǎn)過程。研究人員為了提高機器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機器人系統(tǒng)具有開放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力。修改封閉系統(tǒng)的代價是非常昂貴的，如果不進行重新設(shè)計，多數(shù)情況下技術(shù)上是不可能的。 美國工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下幾個階段： （ 1） 19631967 年為試驗定型階段。 1967 年，該公司生產(chǎn)的工業(yè)機器人定型為 1900型。這一時期，工業(yè)機器人在美國進入應用階段，例如，美國通用汽車公司 1968 年訂購了 68 臺工業(yè)機器人； 1969 年該公司又自行研制出 SAM 新工業(yè)機器人，并用 21 組成電焊小汽車車身的焊接自動線；又如，美國克萊斯勒汽車公司 32 條沖壓自動線上的 448 臺沖床都用工業(yè)機器人傳遞工件。 19701972 年，工業(yè)機器人處于技術(shù)發(fā)展階段。據(jù)當時統(tǒng)計，美國大約 200 臺工 業(yè)機器人，工作時間共達60 萬小時以上，與此同時，出現(xiàn)了所謂了高級機器人，例如：森德斯蘭德公司（ Sundstrand）發(fā)明了用小型計算機控制 50 臺機器人的系統(tǒng)。麻省理工學院研制了具有有“手眼”系統(tǒng)的高識別能力微型機器人。就日本來說， 1967年，日本豐田織機公司 引進美國的“ Versatran” ,川崎重工公 司引進“ Unimate”，并獲得迅速發(fā)展。很快研制出國產(chǎn)化機器人，技術(shù)水平很快趕上美國并超過其他國家。 我國雖然開始研制工業(yè)機器人僅比日本晚 56 年，但是由于種種原因，工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展比較慢。 機器人發(fā)展趨勢 隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機器人設(shè)計生產(chǎn)能力進一步得到加強，尤其當機器人的生產(chǎn)與 柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而改變目前機械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。并采用專家系統(tǒng)進行問題求解、動作規(guī)劃，同時，越來越多的系統(tǒng)采用微機進行控制。 自由度及關(guān)節(jié) 圖 1 該機器人具有四個自由度 ，即腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)，都為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié) ；還有一個用于夾持物料的機械手。為保證機器人運行的穩(wěn)定性，采用兩塊“ Z”字形實心鑄鐵作支撐。接線盒子外面，有一個引入線出口和一個引出線出口。它具有模仿人手動作的功能，并安裝于機器人手臂的前端。 手指是直接與工件接 觸的部件。該設(shè)計采用兩個手指，其外形如圖 所示 圖 機械手手指形狀 傳動機構(gòu)是向手指傳遞運動和動力，以實現(xiàn)夾緊和松開動作的機構(gòu)。本文采用回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu)。 圖 機械手機構(gòu)簡圖 在圖 中， O 為電機輸出 軸，曲柄 OA、連桿 AB、滑塊 B 和支架構(gòu)成曲柄滑塊機構(gòu)；滑塊 B、連桿 BC、搖桿 CE 和支架構(gòu)成滑塊搖桿機構(gòu)。 圖 中的黑線和藍線表示機構(gòu)運行的兩個極限位置。 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 虛擬樣機場景 下面更進一步計算出所需要的電機力矩。 mm，這為電機的挑選提供了一定的依據(jù)。 機器人常用的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電機驅(qū)動三種類型。功率 /質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較大 結(jié)構(gòu)適當，執(zhí)行機構(gòu)可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。 基于上述驅(qū)動系統(tǒng)的特點和機器人驅(qū)動系統(tǒng)的 設(shè)計要求，本文選用直流伺服電機驅(qū)動的方式對機器人進行驅(qū)動。 表 電機參數(shù) 腰關(guān)節(jié) 肩關(guān)節(jié) 肘關(guān)節(jié) 腕關(guān)節(jié) 手爪 型號 MAXON2332 MAXON2332 MAXON2332 MULTIPLEX STELLS