工 业 机 器 人
摘 要
在当今大规模制造业中，企业为提高生产率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上重要的成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平。目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动程度极大的工作，工作方式一般采取示教在线的方式。矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。 本文将设计一台圆柱坐标型的工业机器人，用于给冲压设备运送物料。首先，本文将设计机器人的大臂、小臂、底座和机械手的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台：在此基础上，本文将设计该机器人的控制系统，包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、以及控制元件的设计，重点加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性，最终实现的目标包括：关节的伺服控制和制动问题、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。聞創沟燴鐺險爱氇谴净。
目 录
摘要
1 绪论…………………………………………………………………1 1.1 工业机器人研究的目的和意义…………………………………1
1.2 工业机器人在国内外的发展现状与趋势…………………….. 1.3 工业机器人的分类 1.4 本课题研究的主要内容 2 总体方案的确定 2.1 结构设计概述 2.2 基本设计参数 2.3 工作空间的分析 2.4 驱动方式 2.5 传动方式确定 3 搬运机器人的结构设计
3.1 驱动和传动系统的总体结构设计 3.2 手爪驱动气缸设计计算 3.3 进给丝杠的设计计算
3.4 驱动电机的选型计算 3.5 手臂强度校核 4 搬运机器人的控制系统 4.1 机器人控制系统分类 4.2 控制系统方案分析 4.3 机器人的控制系统方案确定 4.4 PLC及运动控制单元选型 5 结论与展望 致谢
1 绪论
1.1 工业机器人研究的目的和意义
工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来，机器人技术及其产品发展很快，已成为柔性制造系统（FMS）、自动化工厂（ＦＡ）、计算机集成制造系统（ＣＩＭＳ）的自动化工具。广泛采用工业机器人、不仅提高产品的质量与数量而且也保障人身安全、改善劳动环境、减轻劳动强度、提高劳动生产率、节约材料消耗以及降低生产成本有着十分重要的意义。与计算机、网络技术一样，
工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。 ２０世纪８０年代以来，工业机器人技术逐渐成熟、并很快得到推广，目前已经在工业生产的许多领域得到应用。在工业机器人逐渐得到推广和普及工程中，下面三个方面的技术进步起着非常重要的作用。酽锕极額閉镇桧猪訣锥。 １ 驱动方式的改变
２０世纪７０年代后期，日本安川电动机公司研制出了第一台全自动的工业机器人而此前的工业机器人基本上采用液压驱动方式。但与采用液压驱动的机器人相比，采用伺服电动机驱动机器人在响应速度、精度、灵活性等方面都有很大的提高。因此它逐步代替了采用液压驱动的机器人成为工业机器人驱动方式的主流。在此过程中，谐波减速器、ＲＶ减速器等高性能减速机构的发展也功不可没。近年来，交流伺服驱动已经逐渐代替传统的直流伺服驱动方式，直线电动机等新型驱动方式在许多应用领域也有了长足发展。彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。 ２ 信息处理速度的提高
机器人的动作通常是通过机器人的各个环节的驱动电动机的运动而实现的。为了是机器人完成各种复杂动作，机器人控制器需要进行大量计算并在此基础上向机器人的各个环节的驱动电动机发出必要的控制指令。随着信息技术的不断发展，CPU的计算能力有了很大的提高，机器人控制器的性能也有了很大提高，高性能机器人控制器甚至可以同时控制２０多个关节。机器人控制性能的提高，也进一步促进了工业机器人本身性能的提高并扩大了工业机器人的应用范围。近年来，随着信息技术和网络技术的发展已经出现了多台机器人通过网络共享信息并在此基础上进行协调控制的技术趋势。謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。 1.2 工业机器人在国内外的发展现状与趋势
目前，工业机器人有很大一部分应用于制造业的物流搬运中，极大的促进物流自动化，随着生产的发展，搬运机器人的各方面的性能都得到了很大的改善和提高。气动机械手大量应用到物流搬运机器人领域。在手爪的机械结构方面根据所应用场合的不同以及对工件夹持的特殊要求，采取了多种形式的机械结构来完成对工件的夹紧和防止工件脱落的锁紧措施。在针对同样的目标任务，采取多种运动方式相结合的方式来达到预定的目的。驱动方面采用了一台工业机器人多种驱动方式情况，由液压驱动、气压驱动、步进电机驱动、伺服电机的驱动等等。越来越多的搬运机器人是采用混合驱动系统的，这样能够更好的发挥各驱动方式的优点，避免缺点并在它的控制精度方面和搬运效率方面有了很大的提高。在搬运机械手的控制方面出现了多种控制方式。如、有原始的电控机械手，较先进的基于工控机控制的，基于ＰＣ控制的，进一步的嵌入式ＰＣ控制技术，还采用PLC可编程控制的。厦礴恳蹒骈時盡继價骚。 在物料搬运方面，近年来呈现出的趋势就是系统化。无论是我国还是国外，物料搬运的发展都是由单一设备走向成套设备；由单机走向系统。在制造业方面，随着JIT、FMS、CIMS等现代制造技术的发展，对物料的搬运系统也提出了新的要求，其特点是力求减少库存、压缩等待和辅助时间，使多品种、少批量的物料准时到达要求的地点。这一趋势在机械工业方面得到了很大的应用，其中采用了机器人等先进的物料搬运技术，促进了机械工业的技术进步和生产水平提高。茕桢广鳓鯡选块网羈泪。 当代工业机器人技术发展一方面表现在工业机器人应用领域的扩大和机器人的种类增多；另一方面表现在机器人机械系统的性能的提高和控制系统的智能化。前者指的是应用领域的横向拓宽，后者是在性能及水平上的纵向提高，又使扩大机器人应用领域的拓宽和性能水平的提高，又使扩大机器人应用领域成为可能。鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。 1 工业机器人机械系统性能的提高
进一步提高工业机器人的运动精度。机器人是一种多关节开链结构，因此机器人手臂的刚度一般都不高，另外由于构件的尺寸误差和传动间隙的存在，以及机器人手臂末端误差的放大作用，是当前机器人的定位与运动还不能达到很高的精度。度大、精度高的数控机床相比，机器人在工作精度上大为逊色。因此，至今工业机器人在精密装配及其他精密作业中的应用中仍受到了很大的限制，除了精密作业要求高精度机器人以外，采用离线编程的工业机器人系统也要求该机器人要具有足够高的定位精度和运动精度。籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。 进一步提高机器人工作精度的主要办法：提高机器人的加工精度与装配精度，采用无障传动的减速机构，采用直接驱动电机，通过标定机器人的。預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。 2 误差补偿
通过实验检测对机器人运动误差进行实时修正，提高机器人手的灵活度和避障能力：当前常用机器人手的灵活度的都不够高，即手臂末端达到某一工作点时，手臂可能采取的姿态是有限的，有时要有很大的灵活度和很强的避障能力。例如：当时喷涂机器人喷涂车身内表面时，要求机器人能将车身内表面的各个角落都喷
上漆，必须要有高灵活度机器人手才行。另外，在有限空间及有障碍的复杂环境中作业的机器人。例如：在核电站工作的机器人也要求其具有高灵活度的机器人手臂。为了提高工业机器人手臂的灵活度，主要采用具有冗杂自由度的机器人手臂和在机器人手臂机构上采用膨胀胶关节及双向弯曲手臂。渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。 3 提高机器人的运动速度和响应频率：
为了提高机器人作业频率以及提高具有感知功能机器人的反应速度就必须提高机器人运动速度和响应频率。这一点对装配机器人来说尤为重要。为此一方面可以通过采用高强度材料和轻质材料（如碳纤维复合材料）制造机器人手臂以达到减轻手臂重量和提高手臂动态特性的目的；另一方面也可以通过采用直接驱动电机或其他高性能驱动电机，从控制和驱动方面提高机器人系统的运动速度与响应频率。铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。 4 提高机器人手爪或手腕的操作能力、灵活性与快速反应能力：
为了使机器人能像人一样进行各种复杂作业如装配作业、维修作业及设备操作。机器人就必须有一个运动灵活和动作灵敏的手腕和手爪。这一点对装配作业机器人、核工业机器人和在空间上作业的空间机器人来说是特别重要的。擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。 5 采用模块化组合式机器人结构：
提高机器人快速维修性能，根据优化设计，制造出多种不同尺寸和规格的手
臂和连接器模块，用少量的可组合成多种机器人配置。这种机器人能进行快速维修，可以实现自动恢复。所以这种机器人结构最适用于空间机器人、核工业机器人等。如这种基本结构能推广于一般工业机器人将使工业机器人的成本下降，生产周期及维修周期缩短。贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。 1.3 工业搬运机器人的分类
搬运机器人【transfer robot】是可以进行自动化搬运作业的工业机器人。最早的搬运机器人出现在1960年的美国，Versatran和Unimate两种机器人首次用于搬运作业。搬运作业是指用一种设备握持工件，是指从一个加工位置移
到另一个加工位置。搬运机器人可安装同的末端执行器以完成各种不同形状和状态的工件搬运工作，大大减轻了人类繁重的体力劳动。目前世界上使用的搬运机器人愈10万台，被广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配
流水线、码垛搬运、集装箱等的自动搬运。部分发达国家已制定出人工搬运的最大限度，超过限度的必须由搬运机器人来完成。坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。 机器人自动搬运系统主要由搬运机器人、工件自动识别系统、自动启动装置、自动传输装置组成，适合于工件自动搬运的场合，尤其适合自动化程度较高
的流水线等工业场合，提高生产效率和自动化程度。蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。 机器人自动搬运系统可根据用户的要求配备不同的手爪（如机械手爪，真空吸盘，电磁吸盘等），可实现对各种工件的抓取搬运，具有定位准确，工作节拍可调，工作空间大，性能优良，运行平稳可靠，维修方便等特点。買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。 物料搬运机器人的设计：
１.３.１ 按作业用途分类
如前所述，各类工业机器人的应用范围非常广泛，而且还有一种机器人多种用途的情况。通常我们依据其具体的作业用途来称呼它，如一条自动生产线上使用了相同结构的数台机器人，有的用于点焊就称为点焊机器人，有的用于搬运工件就称为搬运机器人，以此类推，便有喷漆机器人、涂胶机器人、装配机器人和测量机器人等有的作业具有一定范围，如潜入水下作勘查、采矿和铺４管道的机器人，就统称为水下机器人，类似还有宇航机器人等。綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。 １.３.２ 按操作机的运动形态分类
按工业机器人操作机运动部件的运动坐标把机器人区分为：直角坐标式机器人、极坐标式机器人，圆柱坐标式机器人和关节式机器人，另外还有少数复杂的机器。人是采用以上方式组合的组合式机器人。驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。 １.３.３ 按机器人的负荷和工作范围分类
按照这种分类方法，工业机器人分为： 超大型机器人——负荷为１０ＫＮ以上。
大型机器人——负荷１－１０ＫＮ，工作空间为１－１０立方米。
中型机器人――负荷为１００－１０００Ｎ。工作空间为０.１－１立方米。 小型机器人――负荷为１－１００Ｎ，工作空间为０.１立方米。 超小型机器人――负荷小于１Ｎ，工作空间为０.１立方米。
以上所谓机器人的负荷是指在机器人的规定性能条件下，机器人所能搬移的重量中包括了机器人末端执行器的重量。猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。 1.3.4 按机器人具有的运动自由度数分类
机器人的自由度数的定义是：操作机各运动部件独立运动数目之和。 这种运动只有两种形态：直线运动和旋转运动，其腕端的任何复杂的运动都可由这两种运动来合成。工业机器人的自由度数。一般为2—7个，简易型的2—4
个自由度，复杂型的5——7个自由度。自由度数越多，机器人的柔性越大，结构和控制也就越复杂，所以并非越多越好。锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。 1.4 本课题研究的主要内容
（1）确定机器人运动参数及工作行程。
（2）根据工件的负载情况，工作空间以及各个运动的实现形式对搬运机器人进行整体方案的设计：
（1）对搬运机器人的手爪、小臂、大臂的结构设计，绘制各部分的结构草图。 （2）由第二步所给定的条件和第三步的结构特点，选取驱动系统并确定驱动电机的驱动方式和传统方式。
（4）对个结构的质量进行粗估完成对手爪的夹紧气缸、小臂、大臂、丝杠的驱动电机以及腰部、腕部的旋转驱动电机的计算选型。構氽頑黉碩饨荠龈话骛。 （5）根据电机的外形尺寸及输出轴轴径以及电机的重量完善结构草图。
（6）通过以确定的结构的质量的分析，验算重要零件的受力情况，绘制装配图。
2 总体设计方案的确定
2.1 结构设计概述
一个机器人系统结构有下列互相作用的部分组成：机械手、环境、任务。 机械手是由具有传动执行装置的机械。它有臂、关节和末端执行装置构成，组合为一个互相连接，互相依赖的运动结构。机械手用于执行指定的作业业务。工业机器人的末端执行器是安装在腕端的附加装置輒峄陽檉簖疖網儂號泶。 机器人的手部可分为夹持式和吸附式两大类。夹持式是执行手：夹持方式由外夹式和内撑式之分；吸附式得分为空气负压式和电磁式两种。尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。 任务是指机器人要完成的工作，机器人的类型是随着工作任务的特点而决定的。例如SCARH机器人就非常适合平面上的工件的抓取。识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。 环境是指机器人所处的周围环境。环境不仅由几何条件（可达空间）所决定的而且由环境和它们所包含的每一个事物的全部自然特性所决定的。凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。 2.2 基本设计参数
根据次机械手的应用场合和实地的应用要求，其主要的设计参数要求如下：
（1） 抓取的重物：2Kg
（2） 机械手的自由度数：4个 （3） 运动参数：
大臂升降：线速度：0.02m/s 小臂伸缩：线速度：0.02 m/s 手腕俯仰：角速度：3.14rad/s 腰部旋转：角速度：3.14 rad/s （4） 运动行程 大臂升降：300mm
小臂伸缩：300 mm 腰部旋转：正负90度 手腕俯仰：正负90度
2.3 工作空间分析
2.3.1基座及连杆
1 基座
基座是整个机器人本体的支撑，为保证机器人运行的稳定性，采用两块“Z”字形实心铸铁作为支撑。
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。接线盒子外面有一个引入线出口和一个引出线出口。恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。 2 大臂
大臂长度230mm,具体尺寸如图所示：
3 小臂
小臂长度180mm,具体尺寸如图所示：
2.3.2 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：鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。 （1）夹钳式取料手 （2）吸附式取料手
（3）专用操作器及转换器 （4）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。手指松开和加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：硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。
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2.4为初步设计的机械手机构简图（只画出了一半，另一半关于中心线对称）。阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。
在图中，O为电机输出轴，曲柄ＯＡ、连杆ＡＢ、滑块Ｂ和支架结构曲柄滑
块机构：滑块Ｂ、连杆ＢＣ、摇杆ＣＥ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ＤＥ的来回摆动，从而实现手指的开合运动。氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。 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一个弹簧，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。
２.３．３ 驱动方式
该机器人一共具有四个独立的传动关节，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２.１：釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。 表２.１三种驱动方式的特点对照 液压驱动： （1）输出功率
很大，压力范围为50-140Pa，利用液体不可缩性，控制精度较高。 （2）控制性能
输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制 （3）响应速度 很高
(4)结构性能及体积
结构适当，执行结构可标准化、模拟化，以实现直接驱动。功率/质量
比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大.
(5)安全性
防爆性能好，用液压做传动介质，在一定条件下有火灾危险。
（6）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。
（7）成本维修及使用
液压元件成本较高方便，但油液对环境温度有一定要求。 气动驱动： （1） 输出功率 大，压力范围为48-60Pa，最大可达Pa气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速。
（2） 控制性能
不易控制，难以实现高速、高精度连续轨迹控制。 （3） 响应速度 较高。
（4） 结构性能及体积
结构适当，执行机构可标准化、模拟化，以实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小。 （5） 安全性
防爆性能好，高于1000kPa(10个大气压)时应注意设备的抗压性。 （6） 对环境的影响 排气时有噪声。
（7） 在工业机器人中的应用范围
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，如冲压器机器人本体的气动平衡及装配机器人气动夹具。怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。 （8） 成本维修及使用 成本方便。 电机驱动：
（1） 输出功率
较大控制精度，功率较大，能精确定位，反应灵敏。 （2） 控制性能
可实现高速、高精度连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂。 （3） 响应速度 很高。
（4） 结构性能及体积
伺服电机易于标准化，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。谚辞調担鈧谄动禪泻類。 （5） 安全性
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，对环境防爆性能较差。
（6） 对环境的影响
无。
（7）在工业机器人中应用范围
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。嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。 （8）成本维修及使用 成本高较复杂。
机器人驱动系统各有优缺点，通常对机器人的驱动系统的要求有： （1） 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； （2） 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
频繁的起、制动，正反转切换；
（3） 驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小； （4） 安全可靠；
（5） 操作和维护方便；
（6） 对环境无污染，噪声要小；
（7） 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缺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。
2.4 传动方案的确定
2.41 传动方案分析：
<1> 方案一：
第一、二、自由度均采用伺服电机加减速器的结构形式。大臂的驱动电机和小臂的回转轴共线。小臂的传动方案与大臂的传动方案相同，这样虽然结构上较为简单，但对大臂产生了一定的不利影响并且对转矩的计算也会较为麻烦。第三个自由度即就是升降机结构采用电机步进电机加同步齿形带的传动方案。同步齿形带具有精度高，结构紧凑，传动比恒定等特点。但对安装的精度要求较高，负载能力也很有限并且不能实现反向自锁，需要另加断电保护装置。手抓结构采用
较为简单的气动控制直线运动的手爪。熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。 <2>方案二：
第一 二自由度均采用交流伺服电机加减速器的驱动模式，故此结构较为简单。电机和小臂的关节轴是同一方向的。这是在充分考虑到小臂的驱动电机对大臂所产生的附加弯矩的条件下，对大臂的结构设计特别做了加强处理。第三个自由度为丝杠螺母的升降运动，采用的传动方式是电机轴经过一级齿轮减速，再驱动滑动丝杠，利用滑动丝杠的大减速比的特点，达到控制上升的速度不至于过快。同时选择单头的滑动丝杠具有很好的自锁性能，从而在系统突然断电的情况下，不致使此自由度方向上发生运动，从而保证了结构的安全。第四自由度旋转机构也是采用电机加谐波减速器的结构形式。手爪采用目前广泛采用的而且技术成熟的连杆导杆式气动机械手，这一机械手的造价低廉、结构简单、针对此处所抓取的工件的特点是不易变形的金属工件，所以对夹紧力的要求不是太高，故采用气动机械手爪完全可以达到设计要求。鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。 方案三：
如图2-4所示，第一自由度采用步进电机加减速装置的传动模式。大臂与
回转关节之间采用谐波减速器传递动力。小臂的驱动电机考虑到它的重量会对大臂造成较大的附加弯矩则把小臂的驱动电机安装在大臂的回转轴的轴线方向，电机输出轴与小臂的回转轴之间通过同步齿形带相连接，保证了小臂回转的精度。但这样就使的小臂的传动结构复杂，有多段承受弯矩的轴，并且电机轴也承受了一定的弯矩。第三个自由度采用滚珠丝杠并配以电机加减速器驱动的传动方案，这是利用了滚珠丝杠的传动精度高，并且是把旋转运动转换为直线运动，而不需要中间环节的转化，结构简单。但滚珠丝杠必须附加自锁装置以确保能够做到断电保护。滚珠丝杠的造价高，重量也较重，因此在滚珠丝杠的材料选择方面而要求加工材料要较轻，并且滚珠丝杠需要电机的输出转矩也较大，自身减速比较小。机器人的手爪部分仍然采用较为常用的气缸配合连杆式气动机械手的结构，其作用与方案一所述的相同。纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。 2.4.2 伺服驱动与步进驱动的比较
（1）低频特性不同
步进电机在低速是容易出现低频振动现象，振动频率与负载情况以及与驱动器的性能有关。当步进电机工作在低频的时候一般还采用阻尼技术来克服低频振动现象。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。 （2）矩频特性不同
步进电机的输出力矩随转速的升高而降低，而且在较高的转速时会急剧下降所以其最高的工作转速在300~600r/min。交流伺服电机为恒力矩输出即使在额定转速以内都能输出额定的转矩，在额定转速以上为恒功率输出。濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。 （3）过载能力不同
不仅电机一般不具有过载能力，交流伺服电机具有较强的过载能力而步进电机因为没有这种过载能力，为了克服启动时较大的惯性力矩，往往要选取具有较大静转矩的电机，而机器人正常工作时又不需要这麽大的转矩，所以便出现了力矩浪费的现象。銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。 (4)运行性能不同
步进电机的控制一般为开环控制，速度过快或负载过大都会出现失转或堵转现象。交流伺服电机为驱动系统为闭环控制，驱动器可以直接对电动机编码器反馈信号进行采样，在内部构成位置环和速度环，能避免失步或过冲现象。挤貼綬电麥结鈺贖哓类。 综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机，所以在一些对位置和速度要求较高的场合，采用交流伺服系统的优势更为明显。此次的搬运机器人对工件的抓取，对其驱动系统的要求就是要能够较为准确的完成对位置和速度的控制，这样选取交流伺服电机就能够很好的满足这一点。赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。 通过对上面的方案的比较，综合分析后我认为方案二有更多的优势，而且结构合理，能够比较好的完成本次的输送线出货台的物料搬运工作。塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。 故此次方案二作为本次设计的最终设计方案。
3 搬运机器人的结构设计
3.1 驱动和传动系统的总体结构设计
（1） 底座
如图所示：电机和谐波减速器通过连轴套筒相连，谐波减速器的输出轴和大臂的回转关节轴直接相连。外壳材料采用45钢底座的轴承采用角接触轴承，使利用了它既能承受轴向力也能承受一定的径向力的特点。电机和减速器通过外壳内部的凸台进行安装，这样使得结构简单，加工和安装方便。里面部件的材料采用铝合金位于底部的电机通过谐波减速器的减速对顶端轴进行驱动，从而带动了大臂回转轴和大臂一起转动，需要注意的是臂回转轴是做成一体的。裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。
（2）传动装置
传动的主要方式是采用交流伺服电机加减速器的传动模式，大臂的轴承选择的是角接触轴承，用此来承受较大的负载产生的弯矩，避免了减速器的输出轴，以及电机轴承受的附加载荷，从而保护了减速器和电机。大臂的长度尽可能做的短一些，这样会在整体结构简单的情况下将小臂回转关节的电机自身重量和减速器的重量尽可能多的通过壳体传递到地面，另外对大臂的设计也采用了增加强度的处理，从而尽可能电机和减速器所产生的附加弯矩对机构的影响。小臂回转关节采用了电机减速器后直接驱动小臂关节轴旋转，从而带动小臂的旋转。这里大、小臂的运动具有独立性的特点。仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。 （3）升降机构
此处机械手的升降机构是采用电机加一级齿轮减速，传递动力给滑动丝杠，利用滑动丝杠的大的降速比来完成夹持工件的机械手上下移动，这样可把电机输出的转动转化成丝杠螺母的上下移动，并且整体结构较为简单。同时考虑滑动丝杠的原因也是利用了滑动丝杠的反向自锁的特性，从而实现了断电保护。在滑动丝杠的外螺母上连接导向杆，这样可以对螺母起到导向作用，同时可以减少负载产生的附加弯矩对滑动丝杠的影响，进一步提高了机械手抓取时的抓取精度。绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。 (4) 旋转机构
如图所示，此处的旋转机构主要是利用步进电机利用键连接来驱动机械手进行旋转来实现抓取工件位姿的调整，这里是考虑到机械手在抓取工件时所需要的位姿来进行设计的，使得机械手的手爪更方便有效的完成工件的抓取。骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。
3.2气动气缸设计计算
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。瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。 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。鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。 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d1=39mm,中径d2=27mm,小径d3=23mm,螺距Ｐ＝６ｍｍ．螺杆材料为４５钢，螺母材料为ＺＣｕＳｎ５Ｐｂ５Ｚｎ５，高度Ｈ＝６００ｍｍ．栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。 对所选的丝杠进行验算：
4 搬运机器人的控制系统
４．1 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。辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。 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。峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。 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：詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。 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。则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。 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。胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。 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。鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。 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。稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。 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。陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。 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。沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。 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。钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。 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。懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。 ４．３ 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。謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。 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。呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。
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I/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。 莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。 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。麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。
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。納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。 4.4 PLC及运动控制单元的选型
针对本次控制系统的方案，选择SYSMAC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：風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。 MC的控制面板主要有LED指示器、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、MPG连接器等组成。各个部分的分布如图4-5所示：灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。 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
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、急停输入、圆点接近输入、外部输入、常规输入。铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。 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：攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。 （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：趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。 （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：
夹覡闾辁駁档驀迁锬減。 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；视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。 （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。偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。 在手抓的设计中可以把手爪设计称可以替换的具有通用性的手爪，这样可以在搬运不同类型的工件时只需要更换机械手的手指，从而拓展了机器人的应用范围。
（3） 緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。 致 谢
经过一个月的学习，本次毕业设计已经接近尾声。作为以为专科的毕业生的毕业设计，由于经验缺乏，难免有许多考虑不周全的地方，很多时候会走一些弯路，如果没有老师的指导，以及一起设计的同学们的帮助，想要完成这个毕业设计是不容易的。他们使我在设计的过程中不仅学到了很多知识，还明白了团队精神，我们设计组的各位老师和同学们就是一个团队。騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。 在这里首先要感谢我的指导老师李燕老师，老师平日里工作繁多，但在本次设计中无论从选题、开题还是从外出实习到查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计及制图等过程中都给予了我悉心指导。她不仅治学严谨而且为人师表，教给我们的不仅是书本上的知识，还有为人处世的积极态度，这些宝贵知识将积极影响我今后的学习和工作，再次表示衷心感谢。感谢你们在此此间对我的关怀和帮助，这份帮助使我在这段日子里可以专心于设计，使我真正体会到师生之间的友谊，这种感觉是那嘛的美好，再次感谢老师的鼓励和帮助。
疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。 其次要感谢和我一起做毕业设计的各位同学，和曾经在各个方面给与过我帮
助的伙伴们。在大学生活即将结束的最后的日子里，我们再一次验证了团结就是力量这句真理，把一个庞大的，从来没有上手的课题，圆满的完成了。正是因为有了你们的帮助，才让我不仅学到了本次课题所涉及的新知识，更让我得到了知识以外的东西，就是团结和友谊。虽然毕业在即，我们各自心中通过这次实习更加增进了友谊，心中更加多了一份不舍，使我们更加珍惜这段晚来的友谊。镞锊过润启婭澗骆讕瀘。 在老师和同学们的帮助下，我的专业知识得到了进一步的提高，在整个设计过程中我也体会到了坚持的重要性，对待任何困难都要有坚持不懈的心理和斗志，才能在学习的过程中取得更多的知识和经验。榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。 知识是人类进步的阶梯，而传授知识的各位老师则是我们登上阶梯的领路人，没有各位老师的辛勤教育，便不会有我们今天的累累果实。在这里，我要感谢那些曾经孜孜不倦传授我们知识的各位恩师，衷心祝愿你们桃李满天下。邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。 最后还要感谢我的母校——郑州轻工业学院轻工职业学院三年来对我的培养。她使我从一个懵懂的女孩转变成为一个有理想，有抱负的青年。她教给我的不仅是进入社会后生存的本领，更重要的是艰苦朴实，求实进取的精神力量，遇到困难不懈不妥，多一份坚持少一份浮躁，这将鼓励我在人生的道路上不断前进。
嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。
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