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1、自由度機(jī)械手臂設(shè)計姓名：蘇文杰班級：機(jī)自4班學(xué)號：24121901188序號：242015年6月3日三自由度機(jī)械手臂設(shè)計用途：在當(dāng)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(jī)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(rèn)同并采用。工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)水平 和應(yīng)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(jī)器人主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運(yùn)以及堆垛等重復(fù)性并且勞動 強(qiáng)度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。 本文將設(shè)計一臺四自由度的工業(yè)機(jī)器人，用于給沖壓設(shè)備運(yùn)送物料。 首先，本文將設(shè)計機(jī)器人的底座、大臂、小臂和機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，然后
2、選擇合適的傳動方式、驅(qū)動方式，搭建機(jī)器人的結(jié)構(gòu)平臺；在此基礎(chǔ) 上，本文將設(shè)計該機(jī)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(diǎn)加強(qiáng)控制軟件的可靠性和機(jī)器人運(yùn)行過程的安全性， 最終實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)包括：關(guān)節(jié)的伺服控制和制動問題、實(shí)時監(jiān)測機(jī)器人 的各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動情況、機(jī)器人的示教編程和在線修改程序、 設(shè)置參 考點(diǎn)和回參考點(diǎn)。該設(shè)計的目的是為了設(shè)計一臺物料搬運(yùn)機(jī)器人，利用現(xiàn)有已經(jīng)報 廢的焊接機(jī)器人，本文的中結(jié)構(gòu)設(shè)計主要偏向于對原有機(jī)構(gòu)的改造和 機(jī)械手的設(shè)計。動力源 采用電源驅(qū)動方式 該機(jī)器人一共具有四個獨(dú)立的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)， 連同末端機(jī)械
3、手的運(yùn)動，共 需要五個動力源。機(jī)器人常用的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、 氣壓驅(qū)動和電 機(jī)驅(qū)動三種類型。機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，通常對機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)的要求有：1) .驅(qū)動系統(tǒng)的質(zhì)量盡可能要輕，單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率也 要咼；2) .反應(yīng)速度要快，即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動慣量比要大，能夠 進(jìn)行頻繁地起、制動，正、反轉(zhuǎn)切換；3) .驅(qū)動盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要?。?) .安全可靠；5) .操作和維護(hù)方便；6) .對環(huán)境無污染，噪聲要小；7) .經(jīng)濟(jì)上合理，尤其要盡量減少占地面積?；谏鲜鲵?qū)動系統(tǒng)的特點(diǎn)和機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計要求， 本文選用直 流伺服電機(jī)驅(qū)動的方式對機(jī)器人進(jìn)行驅(qū)動。傳動方
4、式由于一般的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)輸出的力矩較小， 需要通過傳動機(jī)構(gòu)來增加 力矩，提高帶負(fù)載能力。對機(jī)器人的傳動機(jī)構(gòu)的一般要求有：(1) 結(jié)構(gòu)緊湊，即具有相同的傳動功率和傳動比時體積最小，重量 最輕；(2) 傳動剛度大，即由驅(qū)動器的輸出軸到連桿關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸在相同的 扭矩時角度變形要小，這樣可以提高整機(jī)的固有頻率，并大大減輕整 機(jī)的低頻振動；（3）回差要小，即由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)時空行程要小，這樣可以得到較高 的位置控制精度；（4）壽命長、價格低。本文所選用的電機(jī)都采用了電機(jī)和齒輪輪系一體化的設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊 湊，具有很強(qiáng)的帶負(fù)載能力，但是不能通過電機(jī)直接驅(qū)動各個連桿的 運(yùn)動。為減小機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程的沖擊和振動，并且不降低
5、控制精度，采 用了齒形帶傳動。齒形帶傳動是同步帶的一種，用來傳遞平行軸間的運(yùn)動或?qū)⒒剞D(zhuǎn)運(yùn)動 轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動，在本文中主要用于腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的傳動。齒輪帶的傳動比計算公式為i =門 2/m z2齒輪帶的平均速度Va為va = z t 口 = z2 t n2制動器制動器及其作用：制動器是將機(jī)械運(yùn)動部分的能量變?yōu)闊崮茚尫牛?從而使運(yùn)動的機(jī)械速 度降低或者停止的裝置，它大致可分為機(jī)械制動器和電氣制動起兩 類。在機(jī)器人機(jī)構(gòu)中，學(xué)要使用制動器的情況如下：特殊情況下的瞬間停止和需要采取安全措施 停電時，防止運(yùn)動部分下滑而破壞其他裝置。 機(jī)械制動器：機(jī)械制動器有螺旋式自動加載制動器、 盤式制動器、閘瓦
6、式制動 器和電磁制動器等幾種。其中最典型的是電磁制動器。在機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)中常使用伺服電動機(jī)， 伺服電機(jī)本身的特性 決定了電磁制動器是不可缺少的部件。 從原理上講，這種制動器就是 用彈簧力制動的盤式制動器，只有勵磁電流通過線圈時制動器打開， 這時制動器不起制動作用，而當(dāng)電源斷開線圈中無勵磁電流時， 在彈 簧力的作用下處于制動狀態(tài)的常閉方式。因此 這種制動器被稱為無勵磁動作型電磁制動器。 又因?yàn)檫@種制動器常用 于安全制動場合，所以也稱為安全制動器。電氣制動器電動機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置， 反之，他也具有將旋轉(zhuǎn)機(jī) 械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電功能。換言之，伺服電機(jī)是一種能量轉(zhuǎn)換裝置， 可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，同時也能通過其反過程來達(dá)到制動的目的。 但對于直流電機(jī)、同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)等各種不同類型的電機(jī)， 必須 分別采用適當(dāng)?shù)闹苿与娐?。本文中，該機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺未安裝機(jī)械制動器，因此機(jī)器人的肩 關(guān)節(jié)和軸關(guān)節(jié)在停止轉(zhuǎn)動的時候，會因?yàn)橹亓σ蛩囟侣?。另外，?于各方面限制，不方便在原有機(jī)構(gòu)上添加機(jī)械制動器，所以只能通過軟件來實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)和軸關(guān)節(jié)的電氣制動采用電氣制動器，其優(yōu)點(diǎn)在于：在不增加驅(qū)動系統(tǒng)質(zhì)量的同時又 具有制動功能，這是非常理想的情況，而在機(jī)器人上安裝機(jī)械制動器 會使質(zhì)量有所增加，故應(yīng)盡量避免。缺點(diǎn)在于：這種方法不如機(jī)械制 動器工作可靠，斷電的時候?qū)⑹ブ苿幼饔谩?/p>
三自由度機(jī)械臂設(shè)計
