六自由度機械臂設(shè)計--八一你懂的

1、電子信息工程電子信息工程機械電子學機械電子學研究報告研究報告六自由度機器臂的機電傳動與控制系統(tǒng)設(shè)計學生姓名：學生姓名： 學生學號：學生學號： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 所在學院：所在學院： 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 中國大慶 2014 年 12 月信息技術(shù)學院信息技術(shù)學院課課 程程 設(shè)設(shè) 計計 任任 務(wù)務(wù) 書書 信息工程學 院 電子信息工程 專業(yè)級，學號 姓名 一、課程設(shè)計課題：六自由度機器臂的機電傳動與控制系統(tǒng)設(shè)計二、課程設(shè)計工作日自 2014 年 12 月 8 日至 2014 年 12 月 19 日三、課程設(shè)計進行地點： 信息館 321 四、程設(shè)計任務(wù)要求： (詳細內(nèi)容見課程設(shè)計文檔)1.課題來源

2、:教室下發(fā)。2.目的意義:培養(yǎng)學生文獻查閱、系統(tǒng)設(shè)計、機電傳動與控制系統(tǒng)設(shè)計的能力，對機械電子學課程的深入了解，通過機械臂的設(shè)計。3.基本要求:設(shè)計六自由度機器臂。機械臂是一種典型的工業(yè)機器人，在自動搬運、裝配、焊接、噴涂等工業(yè)現(xiàn)場中有廣泛的應(yīng)用。該設(shè)計可以采用六關(guān)節(jié)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，各個關(guān)節(jié)以“絕對編碼器電機+精密諧波減速器”為傳動。在小臂處留有安裝攝像頭、氣動工具等外部設(shè)備的接口，并提供備用電氣接口，方便用戶進行功能擴展。在機器臂的控制器可以采用 PLC、單片機和工業(yè)微型計算機，結(jié)合六自由度實現(xiàn)機械臂的運動控制，要求性能可靠，高速高精度。課程設(shè)計評審表課程設(shè)計評審表指導(dǎo)教師評語：成績： 簽字： 日

3、期： 目錄目錄 1 設(shè)計任務(wù)要求.11.1 題目.11.2 設(shè)計要求.11.3 規(guī)定.11.4 完成時間.12 焊接機械手系統(tǒng)設(shè)計.13 緒論.24 正文.24.1 機械手的設(shè)計.34.2 傳動系統(tǒng)的設(shè)計.44.3 驅(qū)動系統(tǒng)的確定.54.4 控制系統(tǒng).54.5 檢測系統(tǒng).54.6 軟件系統(tǒng).55 結(jié)論.66 致謝.67 參考文獻.7- 0 -1 設(shè)計任務(wù)要求1.1 題目六自由度機器臂的機電傳動與控制系統(tǒng)1.2 設(shè)計要求 設(shè)計六自由度機器臂。機械臂是一種典型的工業(yè)機器人，在自動搬運、裝配、焊接、噴涂等工業(yè)現(xiàn)場中有廣泛的應(yīng)用。該設(shè)計可以采用六關(guān)節(jié)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，各個關(guān)節(jié)以“絕對編碼器電機+精密諧波減速器

4、”為傳動。在小臂處留有安裝攝像頭、氣動工具等外部設(shè)備的接口，并提供備用電氣接口，方便用戶進行功能擴展。在機器臂的控制器可以采用 PLC、單片機和工業(yè)微型計算機，結(jié)合六自由度實現(xiàn)機械臂的運動控制，要求性能可靠，高速高精度。1.3 規(guī)定 系統(tǒng)設(shè)計的體系結(jié)構(gòu)圖、工作原理圖、機械傳動示意圖可以采用微軟Microsoft Office Visio 2003、protel、MatLab 等。按單元詳細說明六自由度傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設(shè)計思路和工作原理，完成控制系統(tǒng)的整體電路圖，并按照單元電路詳細說明。 總結(jié)設(shè)計過程和設(shè)計體會。 1.4 完成時間2 周2 焊接機械手系統(tǒng)設(shè)計摘要工業(yè)機械手最大的應(yīng)用領(lǐng)域是焊接

5、機械手，它占工業(yè)機械手總數(shù)的 25%左右。由于對許多構(gòu)件的焊接精度和速度等提出越來越高的要求，一般工人已難以勝任這一工作；此外 6 自由度焊接機械手還可以減少焊接是的火花及煙霧等對人體的危害，因而，本課題的提出有十分重要的意義。- 1 -為了提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的焊接質(zhì)量，滿足實際工作需要，本課題設(shè)計了用于焊接的關(guān)節(jié)型機械手，根據(jù)機械手的工作需要和結(jié)構(gòu)特點，確定了機械手的外形尺寸和工作空間的總體設(shè)計，擬定了機械手各關(guān)節(jié)的總體設(shè)計傳動方案。利用齊次變換矩陣法簡歷了六度自由度關(guān)節(jié)機械手的正運動學模型，求出機械手末端相對于各自參考坐標系的齊次坐標值，尖刺了在直角坐標空間內(nèi)機械手末端執(zhí)行的位置和姿態(tài)與關(guān)

6、節(jié)變量值的對應(yīng)關(guān)系?；趲缀瓮队霸硗茖?dǎo)出相應(yīng)的逆運動學模型，求出了各關(guān)節(jié)的角度值，建立了機械手關(guān)節(jié)空間與世界空間的映射關(guān)系、改機械手具有剛性好。位置精確高、位置平穩(wěn)的特點，同時，為了解決由平面、弧面、球面等組成的零部件的激光無損檢測問題，提高檢測的自動化程度的可靠性，提出了基于機械手的激光無損檢測系統(tǒng)。3 緒論機械手是一種能夠進行編程，并在自動控制下執(zhí)行某種操作或移動作業(yè)任務(wù)的機械裝置。機械手技術(shù)綜合了機械工程、電子工程、計算機技術(shù)、自動控制及人智能等多種科學的最新研究成果，是機電一體化技術(shù)的典型代表，是當代科學發(fā)展最活躍的領(lǐng)域。機械手的研究、制造和應(yīng)用正受到越來越多的國家的重視。近十幾年來

7、，機械手技術(shù)發(fā)展非常迅速，各種用途的機械手在各個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。本課題為了解決由平面、弧面、球面等組成的零部件的激光無損檢測問題，提高檢測的自動化程度的可靠性，提出了基于機械手的激光無損檢測系統(tǒng)。借助于激光檢測技術(shù)，機械手技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)、計算機技術(shù)等，研制了一種用于激光無損檢測的機械手。該機械手有機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)等組成，通過 PC 機控制，能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制冰實時獲取坐標信息，有利于缺陷的定位、定量和定性分析，其結(jié)構(gòu)簡單，性價比高，不僅能夠用于激光無損檢測，而且也可以用于其它場合，魚油廣泛的要適應(yīng)性。4 正文激光檢測機械手主要是針對由平面、弧面、球面等組成的零部件的激光檢

8、測而研制的。該機械手主要由機械部分、控制部分、伺服驅(qū)動部分、檢測部分等組成，其結(jié)構(gòu)框圖如下：- 2 -圖 1 系統(tǒng)關(guān)系圖為了實現(xiàn)激光檢測的自動化，在激光檢測機械手的基礎(chǔ)上，利用 PC 機、數(shù)字式激光探傷儀等構(gòu)成自動激光檢測硬件系統(tǒng)，利用 VC+開發(fā)軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)吸光檢測的自動化。其工作原理為：首先，機械手夾持探頭，使探頭軸線與被檢測工件表面法線方法平行，且采用直接耦合法：其次，控制系統(tǒng)根據(jù)被檢測零件的信息，規(guī)劃掃描路徑，發(fā)出指令信息給伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)驅(qū)動機械手帶動探頭對被檢測零件表面進行掃描，與此同時，OC機將通過機械手的檢測部分獲取探頭的位置信息；第三，數(shù)字式激光探傷儀獲取被檢測工件每一點

9、的信息并送入 PC 機；第四，PC 機處理信息，識別缺陷。并儲存信息及其對應(yīng)的坐標點。 4.1、機械手的設(shè)計激光檢測機械手的機械設(shè)計應(yīng)滿足一下條件：第一，能夠在計算機的控制下帶動探頭在被檢測表面上移動；第二，在檢測中保證探頭的聲束方向與被檢測點表面的法線方向重合；第三，計算機能夠?qū)崟r的獲取探頭的坐標信息。因此，在設(shè)計中采用了關(guān)節(jié)機械手臂，關(guān)節(jié)型又稱回轉(zhuǎn)坐標型，這種機械手的手臂與人體上肢類似，去前三個關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機械手一般有立柱和大小臂組成，立柱與大臂形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可是大臂做回轉(zhuǎn)運動和是大臂作俯仰擺動，小臂做俯仰擺動。其特點使工作空間范圍大，動作靈活，通用性強、能

10、抓取靠近機座的物體。PC 機檢測系統(tǒng)控制系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)機械系統(tǒng)- 3 -圖 2 六自由度設(shè)計 4.2、傳動系統(tǒng)設(shè)計為了使機械手臂能夠靈活的運動，必須在設(shè)計中考慮重量和力矩的問題。本機械手的外形尺寸設(shè)計是從小靈活的角度考慮，同時為了減輕機械手的重量，在設(shè)計時材料選用鋁合金。主體的旋轉(zhuǎn)式通過腰關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)來實現(xiàn)的，在這里采用了一級齒輪傳動，安裝在底座上的步進電機通過齒輪傳動帶動立柱回轉(zhuǎn)的角度，以作為后續(xù)處理。在結(jié)構(gòu)上采用向心推力角軸承，是為了承受軸向力。另外針對其余幾個關(guān)節(jié)的具體狀況，大臂傳動、小臂傳動、腕關(guān)節(jié)傳動都采用同步齒型帶作為其傳動機構(gòu)，安裝在個臂上的步進電機通過同步齒形帶將運動傳遞給另一關(guān)節(jié)。

11、這樣，一方面有利于簡化機構(gòu)，另一方面也滿足了負荷要求，同時提高了傳動系統(tǒng)的精度，編碼器分別安裝在個關(guān)節(jié)軸的末端，隨著關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動一起轉(zhuǎn)動、另外在結(jié)構(gòu)設(shè)計中也從布局方面考慮了機械手的平衡問題。- 4 -圖 3 機械手內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計 4.3、驅(qū)動系統(tǒng)的確定 關(guān)節(jié)型機械手的驅(qū)動系統(tǒng)由驅(qū)動器和傳動機械兩部分構(gòu)成。一般機械手的驅(qū)動方法包括以下四種：（1）直流伺服電機：直流伺服電機有很好的調(diào)速功能較大的啟動力矩，功率大、響應(yīng)速度快的特點，并且控制技術(shù)成熟，安裝方便，成本低廉。（2）交流伺服電機：交流伺服電機結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠性高，維修方便和步進電機相比價格比較貴。（3）步進電機：可以直接實現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)

12、簡單，價格低廉，通常不需要反饋就能對位置和速度進行控制，但是不能進行誤差校核，運動精度較差，負載和沖擊過大時會造成“失步”現(xiàn)象。（4）液壓驅(qū)動馬達：液壓伺服馬達其具有較大的功率與體積之比，運動比較平穩(wěn)，定位精度高，負載能力大、但是液壓伺服馬達價格比較高容易出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。常見的驅(qū)動器有電機和液壓、氣動驅(qū)動裝置等。其中電機驅(qū)動是常用的驅(qū)動方式。電機驅(qū)動具有精確高，可靠性好，能比較大的變速度來滿足機械手的應(yīng)用要求。所以在設(shè)計過程中選用直流電機作為驅(qū)動裝置。4.4、控制系統(tǒng)對機械手各關(guān)節(jié)運動進行控制，實質(zhì)上就是對各步進電機進行控制?？刂葡到y(tǒng)以計算機為核心，此部分由計算機、伺服控制卡、4 套步進電機驅(qū)動

13、單元和 4 套步進電機組成。本機械手的控制采用點計算機、根據(jù)檢測的任務(wù)由 PC 機對機械手進行路軌跡規(guī)劃，并將其轉(zhuǎn)換成指令信息傳給伺服控制卡，由伺服控制卡控制各步進驅(qū)動單元完插補運動，從而帶動探頭實現(xiàn)目標點的缺陷檢測。- 5 -4.5,、檢測系統(tǒng)檢測系統(tǒng)的主要任務(wù)是確定被檢測工件的位置坐標。檢測元件主要采用光電編碼器。他是一種集光、電、機于一體的高精度位置測量傳感器，具有高頻響、分辨能力高、承載能力強、力矩小、耗能低、性能可靠、使用壽命長等諸多優(yōu)點，常被用來測量角度。光電編碼器一般分為增量式和絕對式編碼器，在本系統(tǒng)中選用增量式光電編碼器作為關(guān)節(jié)角位移的檢測元件，其輸出為相位相差 90b 的 A

14、,B 兩相正交脈沖信號，A 相或 B 相的每個脈沖代表被檢測對象旋轉(zhuǎn)了一定的角度，A 相和 B 相的相位關(guān)系則反映了被測對象的旋轉(zhuǎn)方向。為了將編碼器的信號傳遞給 PC 機，研制了接口電路。 4.6、元件系統(tǒng)元件系統(tǒng)主要實現(xiàn)機械手的位置控制機器檢測，其開發(fā)工具采用了 VISUAL C+6.0，采用面向?qū)ο笤O(shè)計方法和模塊化的設(shè)計思想。控制元件部分在完成激光檢測的路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)上，過接口電路發(fā)出控制脈沖，實現(xiàn)對各步進電機的控制，從而實現(xiàn)機械手姿態(tài)控制，使其運動到相應(yīng)的位置。檢測軟件部分則主要是基于對接口電路得到的編碼器信號數(shù)據(jù)進行采用讀取。換算成關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的角度 H，然后根據(jù)機械手運動學方程計算出目標

15、點的空間位置。5 結(jié)論我國機械手的研究和應(yīng)用起步較晚，但是隨著國內(nèi)外機械手的快速發(fā)展、社會需求的增大和技術(shù)的進步，焊接機械手得到了迅速的發(fā)展，多品種、少批量生產(chǎn)方式和為提高潘品質(zhì)量及生產(chǎn)效率的生產(chǎn)工藝需求，是推動裝焊接機械手發(fā)展的直接動力。關(guān)節(jié)型機械手在輕型、較簡單且要求機械手介個較低的焊接作業(yè)中大顯身手。本課題正式在這種背景下提出來的，這是一項具有重要意義的課題。開發(fā)的激光檢測機械手是吧機械手機構(gòu)設(shè)計、激光檢測技術(shù)、計算機測控技術(shù)等有機集成的一種新型機械手。該機械手具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、成本低廉等優(yōu)點，可以部分代替人手操作，減輕勞動強度。基于該機械手構(gòu)建的激光無損檢測系統(tǒng)，不僅能夠提高激光

16、檢測的自動化程度，提高檢測效率和可靠性，而且有利于數(shù)據(jù)采集處理以及成像，有利于缺陷的定位、定量和定性分析。該機械手不僅適應(yīng)激光無損檢測，而且也可以用于其它無損檢測、制造自動化等場合，具有廣泛的適應(yīng)性。6 致謝感謝這篇論文所涉及到的各位學者。本文引用了數(shù)位學者的研究文獻，如果沒有各位學者的研究成果的幫助和啟發(fā)，我將很難完成本篇論文的寫作。感謝我的同學和朋友，在我寫論文的過程中給予我了很多你問素材，還在論文的撰寫和排版燈過程中提供熱情的幫助。- 6 - 由于我的學術(shù)水平有限，所寫論文難免有不足之處，懇請各位老師和學友批評和指正！7 參考文獻【1】鄭偉文，吳克堅，機械原理，7 版.北京：高等教育出版社，1997.【2】濮良貴，明剛，機械設(shè)計，8 版.北京：高等級教育出版社，2008.【3】洪家姼，李明，黃興遠，機械設(shè)計指導(dǎo)，南昌：江西高校出版社，2007【4】哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室，理論力學，北京：高等教育出版社，2002【5】機械設(shè)計手冊新版第 3 版，北京：機械工業(yè)出版社，2004【6】濮良貴，紀明剛，機械