水平多关节型工业机器人设计—机身与大臂结构及控制系统设计

摘 要 工业机器人没有明确界线，它包罗多门学科，涉及多方领域，包含有机械学、控制理论学和仿生学等。而水平多关节型工业机器人的研发更是行业内热点，它囊括机构学、控制理论和技术、计算机、传感技术、人工智能、仿生学等。工业机器人的应用情况，象征着一个国家的工业自动化程度。 本设计要求对机器人的总体结构中机身与大臂部分与控制系统进行设计，完成装配图和零件图的绘制。对机器人本体的各个零件进行受力分析，对各个关节需要转矩和功率进行初步的计算，选择满足要求的电动机作为动力装置。其次考虑电动机与传动装置连接，选取合适传动方式，并对传动中的零件进行计算校核。控制系统部分选用MCS-51单片机控制，按照预设的指令完成相应的动作。关键词机身；大臂；控制系统Abstract There is no clear boundary between industrial robots. It covers many disciplines and involves many fields, including mechanics, control theory and bionics. Each joint are required to be preliminary calculated, and the motor that meets the requirements is selected as the power device. Secondly, consider the connection between the motor and the transmission device, select the appropriate transmission mode, and calculate and check the parts in the transmission. The control system part is controlled by MCS-51 single-chip microcomputer, and the corresponding action is completed according to the preset instruction.Keywords：Keywords：Fuselage；Boom ；Control Systems目 录1. 前 言11.1 课题来源及研究意义11.2 国内、外发展状况11.2.1 国内发展状况11.2.2 国外发展状况21.3 设计任务的主要内容与要求31.3.1 设计内容31.3.2 设计要求31.4 设计的主要技术指标和参数32. 工业机器人工程概述42.1 工业机器人应具备的系统功能42.2 工业机器设计中总体方案的论证42.2.1 确定负载42.2.2 驱动方式42.2.3 传动系统设计42.2.4 工作范围42.2.5 运动速度52.3 机器人机械传动原理53. 机械部分的结构设计与计算63.1 机身部分结构设计63.2 大臂的结构设计63.3 机械部分设计计算73.3.1 选择电动机73.3.2 步进电机的控制123.4 同步带部分传动设计计算123.4.1 一级同步带传动计算123.4.2 二级同步带传动计算153.5 轴系零件的设计173.6 滚珠丝杠的设计计算173.6.1 求计算载荷173.6.2 计算额定动载荷183.6.3 选择滚珠丝杠副183.6.4 稳定性验算183.6.5 刚度验算193.6.6 效率计算203.6.7 滚珠丝杠的精度标准214. 电气系统设计214.1 工业机器人的计算机控制系统214.2 控制系统硬件电路设计214.2.1 确定硬件电路总体方案214.2.2 MCS-51单片机硬件结构的特点224.3 MCS-51单片机的引脚描述及片外总线结构234.3.1 单片机型号的选择234.3.2 程序存储器扩展电路254.3.3 静态数据存储器扩展264.4 8155可编程并行I/O扩展接口284.4.1 8155芯片介绍284.4.2 8031单片机和8155接口294.5 由8155构成的键盘、显示器接口电路30总 结35参考文献36致 谢37 1. 前言1.1 课题来源及研究意义 我的主题是水平多关节工业机器人设计机身与大臂结构及控制系统设计。课题来源是教师自拟。 水平多关节工业机器人用于许多工业领域的机械自动化操作，例如自动装配，搬运和电镀。工业机器人由机器人臂，单片机，伺服控制器和检测单元组成。 适用于各种类型和批次的柔性制造生产。 在工业中应用工业机器人可以提高生产制造的自动化能力，能减轻工作人员的劳动强度、保证产品的质量合格、实现稳定安全制造生产， 同时也可以促进产品进行换代更新； 特别是在高温，高压或易燃易爆物品的恶劣环境中，它可以代替人体完成所需的工作。 因此，机器人广泛用于工业制造，例如机械加工，冲压和轻工业。 它就像人的手部一样，能够实现多个自由度的运动，即能够被手动控制进行工作，还可以根据预定流程通过可编程控制器执行智能工业活动。 水平多关节工业机器人，其以结构划分，常活跃于生产制造、教学演示中。 它是工业机器人的形态之一，它本身对于空间的占有率很小，有利于在有限的工作空间里进行工业活动。 能够用来帮助或代替人类的在一些特殊场合进行工作，如制造业、航空航天，或是如排爆检测等具有危险性的工作。 这是现代工业技术的一种重要体现。 1通过这项研究，我可以对水平多关节机器人有一个深刻的理解和理解，并系统地结合理论知识和实践环节。提高我的实践能力，为顺利工作打下坚实的基础。 1.2 国内、外发展状况1.2.1 国内发展状况 近几年来，国产工业机器人的研究已经不仅仅只局限于以独立的机器人本体设计为主，还包括了对于工业机器人与数控机床集成应用的发展。在以往的工业生产活动中，许多岗位的操作往往依靠的是人，但以人为主的操作中或多或少都存在着各种不稳定性，例如，在高强度的工作下，人体超载工作存在安全隐患；单纯依靠人为操作，产品的质量的品质难以提高，因此与机床协作的水平多关节型工业机器人的引入越来越多，两个五年计划的推进，我国在数控操作方面的相关产业的发展独树一帜。比如数控机床方面，它的发展随着政策的颁发，从举步维艰到的生产量由产业化的量产到中高端档次的定位生产。这预示着这个产业的整体水平基本具备国际竞争力。从三轴三联动，过渡到四轴联动加工，再到如今的五轴联动，可以看出，我国的数控系统技术都在逐渐进步，相关研发人员掌控的控制技术在不断革新。除此之外，具备诸如小线段插补、动态误差补偿之类的数控机床都在源源不断的研发生产并投入使用中。为了匹配机床，相关技术人员也为此研发了相适配的驱动装置。这样一带一的研发形式，使得技术在不断革新，也由此工业机器人产业链随之诞生。这样不仅推进一系列的产业的发展速度，也使得工业机器人的研发更为紧要。随着工业4.0及中国制造2025等政策的落实，中国工业机器人产业的发展势头一路高歌猛进。在销售份额上，中国工业机器人的销售份额从最开始的市场占有率低，到现在占据份额比例达至30%。可见，这样可以使中国的工业机器人的在研究方面的资金变得越来越多，让工业机器人的技术变得越来越好。在一些非常重要的地方变得越来越棒，比如说在控制器，减速器，传感器等这些方面有比较大的进步，既能带动市场经济的发展，还能使得中国工业机器人在各个领域缩小与发达国家的距离，甚至持平、赶超。如今，我国各个高校都开设了与机器人有关的学科，配合国家推行的人才发展政策，在人才培育和教学资源上都具有相当的优势，还包括相关研发机构与各大高校的人才培养计划。除此之外，还有一系列工业机器人创新活动等，由此相信水平多关节型工业机器人的研发具有重大意义。1.2.2 国外发展情况在国外，他们在机器人的很多方面都有着非常厉害的技术，比如说在一些比较重要的方面都非常不错，如一些材料的接头的地方，他的装配工艺的方面，还有一些软件的基本算法以及一些减速器等这些元件。自1954年戴维尔首次引入工业机器人概念以来，工业机器人不断发展。综上所述，工业机器人的发展历史是三代：这个机械手的操作简单，能对它下达预设指令，让它能够按照预设的坐标点进行移动，并能在之后，将运动坐标存储起来，动作执行过程中，能够发现，伺服系统驱使着机械手再现原坐标点。这能让机械手完成一些简单的工作。这个这个现象代表着机械手，已经具备了示教再现功能，也因为这个原因它象征着现代工业机器人的诞生。这也就是水平多关节型工业机器人的前身。 例如美国，德国等的机械工业发达的国家在工业机器人的研究比较早，科研技术也相对更为成熟，不仅具有生产能力大的成套的生产设备，而且可以按照用户要求对产品质量进行把控。这些工业机器人设备的使用大大加快了相关行业的快速发展脚步，同时也提高了制造技术的水平。1.3 设计任务的主要内容与要求1.3.1 设计内容 这次课题的的内容主要在于一些水平多关机工业机器人的设计，主要体现在机身机械结构和臂架结构设计与控制系统设计两个方面。为了满足机电一体化专业人员的要求，主要内容是工业机器人控制系统的设计。工业机器人的控制系统主要是以单片机为核心的控制系统，用微机单片机控制工业机器人有着独有的优势。因此，工业机器人由单片微机控制。1.3.2 设计要求（1）制定总体规划，机械结构和控制方法的有机结合。（2）根据给定的技术参数，合理设计机械部件的结构，并进行与设计有关的设计计算。（3）水平多关节机器人的装配图和电气原理图的设计和绘制。1.4 设计的主要技术指标和参数（1）要求： 关节式机器人、四个自由度（2）参数： 结构形式：水平多关节式 最大持重：1.0kg 运动范围：大臂180°、小臂70°、手腕300°、垂直距离100mm 驱动方式：电机驱动 尺寸：540x485x630 控制方式：用单片机控制（3）工作量：（1）A0图合计约3.5张。（2）设计规范（不少于15，000字）。（3）外文材料的翻译不低于原字3000。 2. 工业机器人工程概述2.1 工业机器人应具备的系统功能 从系统的功能特性来看，复杂的机器可以看作是一个系统，它以一定的方式由多个子系统有机地联系在一起，具有不可分割的特性。如果您拆卸系统，您将失去一些整体的特定功能。因此，在设计更复杂的内部机器时，它应具有以下特征3：（1）目的性 即：每个机构零件系统都应该有正确的目的