„„„„„„„„„„„„„„„ 传动方式„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 制动器„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 第章控制系统硬件„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 控制系统模式的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 控制系统的搭建„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 工控机„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 数据采集卡„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 伺服放大器„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 端子板„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 电位器及其标定„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 电源„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 第章控制系统软件„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 预期的功能„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 实现方法„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 时显示各个关节角及运动范围控制„„„„„„„„„ 直流电机的伺服控制„„„„„„„„„„„„„„„„ 电机的自锁„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 示教编程及在线修改程序„„„„„„„„„„„„„„ 设置参考点及回参考点„„„„„„„„„„„„„„„ 第章总结„„„形 小臂 小臂长度，具体尺寸如图所示 图小臂外形 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 摘要 在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，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的重要成员，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定程度上反映了个国家 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 重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式般采取示教再现的方式。 本文将设计台四自由度的工业机器人，用于给冲压设备运送物料。首先， 本文将设计机器人的底座大臂小臂和机械手的结构，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端 子板电路的设计以及控制软件的设计，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。 关键词机器人，示教编程，伺服，制动 , , , 目录 第章绪论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 机器人概述„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 机器人的历史现状„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 机器人的发展趋势„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 第章机器人实验平台介绍及机械手的设计„„„„„„„„„„„„ 自由度及关节„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 基座及连杆„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 基座„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ , , , , , 中的重要环。 随着工业机器人研究制造和应用领域不断扩大，国际性学术交流活动十分活 跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。国际工业机器人会议决 定每年召开次会议，讨论和研究机器人的发展及应用问题。 目前，工业机器人主要用于装卸搬运焊接铸锻和热处理等方面，无论 数量品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。使用工业机器人代替人 工操作的，主要是在危险作业广义的多粉尘高温噪声工作空间狭小 等不适于人工作业的环境。 在国外机械制造业中，工业机器人应用较多，发展较快。目前主要应用于机 床模锻压力机的上下料，以及点焊喷漆等作业，它可按照事先制订的作业程 序完成规定的操作，但还不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生 些偏离时，就将引起零部件甚至机器人本身的损坏。 随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的机器 人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统 具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种小批量的 生产过程。计算机集成制造要求机器人系统能和车间中的其它自动化设 备集成在起。研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平，要求机器人系 统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。然而，目前商品化的机器人系统 多采用封闭结构的专用控制器，般采用专用计算机作为上层主控计算机，使用 专用机器人语言作为离线编程工具，采用专用微处理器，并将控制算法固化在 中，这种专用系统很难或不可能集成外部硬件和软件。修改封闭系统 的代价是非常昂贵的，如果不进行重新设计，多数情况下技术上是不可能的。解 决这些问题的根本办法是研究和使用具有开放结构的机器人系统。 美国工业机器人技比较慢。目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人技 术，通过引进仿制改造创新，工业机器人将会获得快速的发展。 机器人发展趋势 随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进步得到加强，尤其当 机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造 的人工操作状态，提高了生产效率。 就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势 提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的 标准化和模块化，将机器人的各个机械模块控制模块检测模块组成结构不同 的机器人 开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度 开发多关节多自由度的手臂和手指开发各类行走机器人，以适应不同的场 合 研制各类传感器及检测元器件，如，触觉视觉听觉味觉和测距传 感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息位置信息状态信息以完 成模式识别状态检测。并采用专家系统进行问题求解动作规划，同时，越来 越多的系统采用微机进行控制。 第章实验平台介绍及机械手的设计 该设计的目的是为了设计台物料搬运机器人，利用现有已经报废的焊接机 器人，本文的中结构设计主要偏向于对原有机构的改造和机械手的设计。 自由度及关节 机器人具有四个自由度，即腰关节肩关节肘关节和腕关节，都为转动 关节还有个用于夹持物料的机械手。 基座及连杆 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 字形实心铸铁作支撑。 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，有个引入线出口和个引出线出口。 大臂 大臂长度，具体尺寸如图所示 图大臂外术的发展，大致经历了以下几个阶段 年为试验定型阶段。年，万能自动化公司制造的 工业机器人供用户做工艺试验。年，该公司生产的工业机器人定型为 型。 年为实际应用阶段。这时期，工业机器人在美国进入应用 阶段，例如，美国通用汽车公司年订购了台工业机器人年该公 司又自行研制出新工业机器人，并用组成电焊小汽车车身的焊接自动线 又如，美国克莱斯勒汽车公司条冲压自动线上的台冲床都用工业机器 人传递工件。 年至今直处于推广应用和技术发展阶段。年，工业机 器人处于技术发展阶段。年月美国在伊利斯工学院研究所召开了第届 全国工业机器人会议。据当时统计，美国大约台工业机器人，工作时间共达 万小时以上，与此同时，出现了所谓了高级机器人，例如森德斯兰德公司 发明了用小型计算机控制台机器人的系统。又如，万能自动 公司制成了由台机器人组成的汽车车轮生产自动线。麻省理工学院研制了具 有有手眼系统的高识别能力微型机器人。 其他国家，如日本苏联西欧，大多是从，年开始以美国的 和型机器人为蓝本开始进行研制的。就日本来说， 年，日本丰田织机公司引进美国的,川崎重工公司引进， 并获得迅速发展。通过引进技术仿制改造创新。很快研制出国产化机器人， 技术水平很快赶上美国并超过其他国家。经过大约年的实用化时期以后，从 年开始进入广泛的普及时代。 我国虽然开始研制工业机器人仅比日本晚年，但是由于种种原因，工业 机器人技术的发展„„„„„ 直流电机的伺服控制„„„„„„„„„„„„„„„„ 电机的自锁„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 示教编程及在线修改程序„„„„„„„„„„„„„„ 设置参考点及回参考点„„„„„„„„„„„„„„„ 第章总结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 所完成的工作„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 设计经验„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 误差分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 可以继续探索的方向„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 致谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„