本科机电专业毕业设计论文四轴工业机械手结构及控制系统设计

1、 摘 要本毕业设计说明书在综述近年来机器人研究和发展概况的基础上，结合教学实验示范型工业机械手的设计，对机器人技术进行了系统的分析，提出了整体结构的经济型设计方案。采用机电一体化设计思想，充分考虑机、电、软、硬件各自特点进行互补优化，对机械手整体结构、传动系统、驱动装置和控制系统进行了分析和设计。在此基础上，对机械手运动学和动力学进行了分析和设计，得出了关节变量和操作空间在位置、速度以及加速度之间的对应关系。对机械手操作臂进行了动力学分析，为交流伺服电机的选型和结构优化提供了理论依据。在机械手控制系统设计中，提出采用PC工业控制计算机作为主机，选择PCL-839卡作为控制单元，来完成系统功能的初始化、数据运算与处理等功能。通过以上各部分的工作，得出了开放型、经济型、实用化、高可靠性教学型机械手的设计。关键词 机械手；教学实验；计算机控制系统；可编程控制器；交流伺服电AbstractIn this paper, an economic scheme of robot whole mechanical configuration and control system is provided

2、 based on the research and development of robot in recent years and connected with the design of the object holding manipulator.The analysis and design of robot mechanical configuration, transform system, drive department and control system are guided by mechanics idea and the respective characteristic and complement of mechanical, electronics, software and hardware are also taken into account. On the basis of this design, the kinematics is analyzed and the relationship between arthrosis paramet

3、ers and manipulator space in position, speed and acceleration is given. The analysis of the object holding manipulator dynamics and the result will provide theory evidence in step motor selecting and structure optimizing. In the design of the object holding manipulator control system, the PC industrial computer is the main computer of the control system, and the control cell uses PCL-839 to fulfill the system initialization, data operation and dispose, step motor drive.According to the analysis

4、of above parts, opening, economic, practicality and high reliability object holding manipulator design scheme is concluded which will be value to other type of robots mechanical design and control system research.Key words Robot Teaching experiment Computer control system Programmable controller AC servo motor I目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题的来源及课题的目的11.2 课题的研究背景及意义11.3 国内外工业机械手的发展和应用概况11.3.1 工业机械手概述11.3.2 工业机械手的发展和应用21.4 工业机械手系统的基本结构及其分类31.5 工业机械手运动学和动力学的研究发展状况41.6 工业机械手控制系统的研究发展状况51.7 本课题主要研究内容

5、6第2章 四轴工业机械手总体设计方案72.1 引言72.2 机械手任务要求72.3 机械手结构设计72.4 机械手传动系统设计82.5 机械手驱动系统性能分析与方案设计92.6 本章小结10第3章 四轴工业机械手运动学与动力学分析113.1 引言113.2 机械手运动学分析113.2.1 机械手的位姿描述123.2.2 机械手正向运动分析133.2.3 机械手逆向运动分析153.3 机械手末端与关节变量之间速度关系分析163.4 机械手动力学分析173.4.1 机械手基座动力分析183.4.2 机械手上臂动力分析183.4.3 机械手前臂动力分析193.4.4 机械手腕动力分析193.5 本章小结19第4章 四轴工业机械手三维建模与运动仿真214.1 引言214.2 机械手三维建模214.3 机械手运动仿真224.4 本章小结24第5章 四轴工业机械手控制系统分析255.1 硬件平台选择255.2 软件系统265.3 本章小结26第6章 四轴工业机械手控制系统程序设计276.1 机械手运动原理276.2 机械手控制器及接口电路286.2.1 位置检测与输入接口电路296.2.2 PLC

6、输出接口电路306.3 机械手控制软件的设计316.4 本章小结31总 结32致 谢33参考文献34附录1 机器人35附录2 ROBOT38附录3 机械手齿轮设计参数42附录4 机械手谐波齿轮传动说明53附录5 机械手同步带传动说明56第1章 绪论1.1 课题的来源及课题的目的“四轴工业机械手结构及控制系统设计”课题是根据广东省江门市高级技工学校课堂教学演示及实践要求提出的。目的是开发设计一种既能展现当今世界工业机器人技术研究及发展的水平，又能符合课堂教学演示及实际操作要求的教学实验机械手，而且要求该教学实验机械手在实际工业生产中具有一定代表性的新型、低成本的教学型机械手。1.2 课题的研究背景及意义机器人学是一门多学科综合交叉的学科，它涉及仿生学、机构学、控制论、计算机科学、信息和传感技术、人工智能等多种当今世界尖端学科，是集光、机、电、信息自动化等技术于一体的高新技术，是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域。从某种意义讲，机器人的应用情况是一个国家工业自动化水平的重要标志，因此世界各国都很重视机器人的开发、生产及推广应用。随着中国机器人技术的推广应用及经济的飞速发展，新老、大中小型

7、企业为了提高产品生产的半全自动化和柔性化，提高生产效率和产品质量，降低生产成本，正在不断开发引进和改进各种专用型和通用型的机器人、机械手等数控设备。作为为工厂培养中、高级生产技术性人才的高级技工学校，必须结合实际生产需求及现代的技术发展，培养实际生产所需的机器人技术应用型人才，而机器人学是一门多学科交叉的学科，教学不仅要结合现行书本及相关资料，更重要是需要能操作简便、功能完善且价格低廉的机器人供学生直接观看、操作和分析，以巩固所学知识并在此基础上改进并完善，甚至开发更为先进、水平更高、实用性更强、更符合实际生产需求的机器人。传统的工业机器人虽然功能完善，但操作复杂控制器及控制软件对使用者并不透明，使用者难以在这种教学机器人上实现自己的控制算法，因此随着机器人领域的飞速发展，也给教学用机器人研究提出了新的要求。教学用机器人必须同时具备工业机器人的基本功能、良好的开放性及可视性功能的使用界面，而且价格低廉。因此，广东省江门市高级技工学校为了适应现代科技的发展配合教学，在原有基础上研究开发新的教学用机器人实验设备。本课题的开发分为四轴工业机械手结构设计与控制系统设计两部分，本文为教学四轴工业

8、机械手结构设计子课题。1.3 国内外工业机械手的发展和应用概况1.3.1 工业机械手概述工业机器人（又称工业机械手）是机器人学的一个分支。“机器人”一词最早出现于1920年捷克作家Karel Capek 的剧本罗萨姆的万能机器人中。在剧本中作家塑造了一个具有人的外表、特征和功能为人类服务的机器人奴仆“Robota”,但直到上世纪中期才出现真正的机器人。尽管并不像剧本中描述的机器人那样神通广大那样与真人相似能代替人类进行各种工作，但近几十年来，人类在这方面从事的研究和取得的成就使得机器人的发展进入了高速发展的阶段。机器人在生产和生活诸多领域中的应用及其所创造的社会、经济效益，对人类产生了巨大而深远的影响，极大地推动了社会生产力的发展。在现实生活中，机器人并不是在简单意义上代替人工劳动，而是综合人的特长和机器的特长的一种拟人的电子机械装置。这种装置既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力。从某种意义上说，机器人是机器进化过程的产物，是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。机器人的定义随着时代的

9、进步在发生着变化，至今尚无被各方一致接受的统一定义。1984年，国际标准化组织（ISO）通过的工业机器人的定义是：工业机器人是一种可以反复编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的手；或者为了执行不同的任务而具有可改变的和可编程的动作的专门系统。在国家1989年的国际草案中，工业机器人被定义为：一种自动定位控制，可重复编程的多功能的，多自由度的手。机械手被定义为：具有和人手相似的动作功能，可在空间抓取物体或进行其他操作的机械装置。由此可见，工业机器人是一种机电系统，手是它的执行机构，该机构与电子器件密切相关，它的灵活程度和动态特征直接影响到机器人系统的工作质量。1.3.2 工业机械手的发展和应用1954年，美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。1958年，“工业机器人之父”Joseph F.Engel Berger 创建了世界上第一个机器人公司Universal Automation ,并参与设计了第一台球坐标型Unimate机器人，这是一台用于压铸作业的五轴液压驱动机器人，手臂的控制由一台专用计算机完成。1961年，美国AMF公司研发了圆柱坐标型Versatran工业机器人，它主要用于机器之间的物料运输，采用液压驱动，控制方式与数控机床大致相似。1965年，L.G.Roberts将齐次变换矩阵应用于机器人；1969年，V.C.Sheinman及其助手发明斯坦福机器臂；1970年，在美

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