畢業(yè)論文--柔性自動(dòng)生產(chǎn)線總體方案研究及大六自由度機(jī)械手結(jié)構(gòu)、電控設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)</b></p><p>　　題目名稱(chēng)： 柔性自動(dòng)生產(chǎn)線總體方案研究及 </p><p>　　大六自由度機(jī)械手結(jié)構(gòu)、電控設(shè)計(jì) </p><p>　　院系名稱(chēng)： 機(jī)電學(xué)院 </p><p><b>

2、;　　2015年6月</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著制造業(yè)的發(fā)展，公眾對(duì)產(chǎn)品的功能與質(zhì)量的要求越來(lái)越高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期越來(lái)越短，傳統(tǒng)的大批量生產(chǎn)方式已經(jīng)不能滿(mǎn)足需求。為了同時(shí)提高制造工業(yè)的柔性和生產(chǎn)效率，柔性自動(dòng)化系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacture System)便應(yīng)運(yùn)而生。<

3、;/p><p>　　本課題在對(duì)中工實(shí)驗(yàn)室FMS及六自由度機(jī)器人研究分析的基礎(chǔ)上，對(duì)其中六自由度串聯(lián)機(jī)械手進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及其程序控制進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)編程。運(yùn)用了SolidWorks三維造型軟件，對(duì)六自由度機(jī)器人進(jìn)行建模以及整體分析。通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行受力分析進(jìn)而完成各個(gè)關(guān)節(jié)的減速器及電機(jī)的選型，完成機(jī)器人的關(guān)節(jié)間傳動(dòng)設(shè)計(jì)、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并利用軟件對(duì)機(jī)器人大臂進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，對(duì)大臂設(shè)計(jì)及制造工藝問(wèn)題具有指導(dǎo)意義。

4、通過(guò)軟件建模及優(yōu)化方案，極大地豐富了工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)方式、降低了設(shè)計(jì)研發(fā)成本。</p><p>　　關(guān)鍵字：柔性生產(chǎn)線，F(xiàn)MS，SolidWorks，六自由度串聯(lián)機(jī)械手</p><p>　　Overall scheme research of flexible automatic production line and the structure of large six DOF Mani

5、pulator and electronic control design</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　As the development of manufacturing industry, public product function and quality of the increasingly high dem

6、and, product updates replacement cycle becoming shorter and shorter, the traditional mass production mode has been unable to meet the demand. In order to improve the flexibility and production efficiency of manufacturing

7、 industry, FMS (Manufacture System Flexible) is the historic moment.</p><p>　　This topic in the analysis of the laboratory work in FMS and six degree of freedom robot research based, the six degree of freedo

8、m series manipulator structure analysis design, transmission design and program control to carry on the secondary development of programming. Using the SolidWorks 3D modeling software, the six degree of freedom robot is

9、modeled and the overall analysis. By analyzing the stress and then complete each joint of deceleration device and the motor selection, and complete the</p><p>　　Keywords：Flexible production line FMS SolidW

10、orks Six DOF serial manipulator</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 引言1</b></p><p>　　1.1 課題背景1</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1</p><p>　

11、　1.2.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3 課題研究?jī)?nèi)容與意義3</p><p>　　2 總體方案研究4</p><p>　　2.1 柔性制造系統(tǒng)4</p><p>　　2.1.1 優(yōu)點(diǎn)4</p><p>　　

12、2.1.2 柔性制造系統(tǒng)的組成4</p><p>　　2.2 方案研究4</p><p>　　2.2.1 系統(tǒng)組成5</p><p>　　2.2.2 控制原理7</p><p>　　3 六自由度機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)8</p><p>　　3.1 工業(yè)機(jī)器人的基本技術(shù)要求8</p>&

13、lt;p>　　3.1.1 工業(yè)機(jī)器人的自由度與工作空間8</p><p>　　3.1.2 機(jī)器人技術(shù)參數(shù)9</p><p>　　3.2 六自由度機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)10</p><p>　　3.2.1 一關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)11</p><p>　　3.2.2 二關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)12</p><p>　　3.2.3

14、三關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)13</p><p>　　3.2.4 四、五關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)14</p><p>　　3.3 機(jī)器人大臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化14</p><p>　　3.4 總體外形與最大動(dòng)作范圍17</p><p>　　4 傳動(dòng)設(shè)計(jì)19</p><p>　　4.1 減速器結(jié)構(gòu)及工作原理19</p><

15、p>　　4.1.1 RV減速器19</p><p>　　4.1.2 諧波減速器21</p><p>　　4.2 設(shè)計(jì)計(jì)算及減速器選型22</p><p>　　4.2.1 尺寸及力矩分析22</p><p>　　4.2.2 減速器選型23</p><p>　　4.2.3 電機(jī)選型26<

16、/p><p>　　4.3 整體裝配29</p><p>　　5 控制原理及二次開(kāi)發(fā)30</p><p>　　5.1 控制原理30</p><p>　　5.2 二次開(kāi)發(fā)及編程32</p><p>　　5.2.1 開(kāi)發(fā)編程模式32</p><p>　　5.2.2 編程舉例32&l

17、t;/p><p><b>　　致 謝37</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)38</b></p><p><b>　　1 引言</b></p><p><b>　　1.1 課題背景</b></p><p>　　隨著科

18、學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類(lèi)社會(huì)對(duì)產(chǎn)品的功能與質(zhì)量的要求越來(lái)越高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期越來(lái)越短，產(chǎn)品的復(fù)雜程度也隨之增高，傳統(tǒng)的大批量生產(chǎn)方式受到了挑戰(zhàn)。這種挑戰(zhàn)不僅對(duì)中小企業(yè)形成了威脅，而且也困擾著國(guó)有大中型企業(yè)。因?yàn)?，在大批量生產(chǎn)方式中，柔性和生產(chǎn)率是相互矛盾的。眾所周知，只有品種單一、批量大、設(shè)備專(zhuān)用、工藝穩(wěn)定、效率高，才能構(gòu)成規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益；反之，多品種、小批量生產(chǎn)，設(shè)備的專(zhuān)用性低，在加工形式相似的情況下，頻繁的調(diào)整工夾具，工藝穩(wěn)定難度增大，

19、生產(chǎn)效率勢(shì)必受到影響。為了同時(shí)提高制造工業(yè)的柔性和生產(chǎn)效率，使之在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低產(chǎn)品成本[1]，最終使中小批量生產(chǎn)能與大批量生產(chǎn)抗衡，柔性自動(dòng)化系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacture System)便應(yīng)運(yùn)而生。</p><p>　　柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線技術(shù)綜合了機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制及人工智能等多種科學(xué)的研究成果，是機(jī)電一體化技術(shù)的典型代表以及科技發(fā)展最活

20、躍的領(lǐng)域。其中近幾年關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展研究——搬運(yùn)機(jī)器人的研究、制造和應(yīng)用正受到越來(lái)越多的國(guó)家的重視。我的課題為柔性自動(dòng)生產(chǎn)線總體方案研究及大六自由度機(jī)械手結(jié)構(gòu)、電控設(shè)計(jì)。針對(duì)中工柔性生產(chǎn)線實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)其整體方案合理性的分析，確定生產(chǎn)線的主要參數(shù)，分析單元時(shí)間及動(dòng)作合理性，四人合作設(shè)計(jì)柔性線。并對(duì)其中六自由度串聯(lián)機(jī)械手進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及其程序控制進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)編程。</p><p>　　1.2

21、 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀</p><p>　　自70年代柔性自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)中以來(lái)，其發(fā)展程度已由一臺(tái)數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用，逐漸發(fā)展到柔性制造單元、加工中心、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)和柔性生產(chǎn)線。其中工業(yè)生產(chǎn)中必要的搬運(yùn)環(huán)節(jié)，已經(jīng)開(kāi)始使用機(jī)器人代替，以減少勞動(dòng)力。直至80年代末到90年代，國(guó)家863計(jì)劃把柔性生產(chǎn)與機(jī)器人設(shè)計(jì)，列為自動(dòng)化領(lǐng)域的重要研究課題，

22、系統(tǒng)地開(kāi)展了機(jī)器人基礎(chǔ)科學(xué)、關(guān)鍵技術(shù)與機(jī)器人元部件、先進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)集成技術(shù)的研究及機(jī)器人在自動(dòng)化工程上的應(yīng)用[2]。在工業(yè)機(jī)器人選型方面，確定以開(kāi)發(fā)點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人為主。為中國(guó)的工業(yè)以及制造業(yè)進(jìn)行了大量的技術(shù)研發(fā)工作，對(duì)提高中國(guó)制造業(yè)的生產(chǎn)效率提供了技術(shù)基礎(chǔ)。這是中國(guó)機(jī)器人事業(yè)從研制到應(yīng)用邁出的重要一步。</p><p>　　目前，工業(yè)機(jī)器人正呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，世界各地紛紛掀起使用工業(yè)機(jī)器

23、人熱潮中國(guó)也不例外，工業(yè)機(jī)器人的市場(chǎng)需求量日益增加[3]。2014中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展高峰會(huì)議在張家港舉行。工業(yè)和信息化部副司長(zhǎng)王衛(wèi)明透露，預(yù)計(jì)中國(guó)到2016年或成為全球最大的機(jī)器人市場(chǎng)。據(jù)IFR統(tǒng)計(jì):中國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)空間巨大，年增長(zhǎng)率超過(guò)30%。中國(guó)將會(huì)在近幾年成為全球工業(yè)機(jī)器人需求量最大的市場(chǎng)，為我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展提供了良好的機(jī)遇和巨大的發(fā)展空間[4]。但是，無(wú)論從工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量上還是技術(shù)上，我們都是比較落后的。由于國(guó)內(nèi)機(jī)器人的

24、科研與開(kāi)發(fā)與國(guó)外尚有較大差距，雖然計(jì)劃開(kāi)發(fā)的機(jī)器人基本上采用的是在國(guó)外基本成熟的技術(shù)，但國(guó)內(nèi)各單位對(duì)這些技術(shù)的了解有相當(dāng)部分還停留在文獻(xiàn)上或局部技術(shù)[5]。</p><p>　　隨著我國(guó)門(mén)戶(hù)的逐漸開(kāi)放，國(guó)內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)將面對(duì)越來(lái)越大的競(jìng)爭(zhēng)與沖擊，因此，把握我國(guó)工業(yè)機(jī)器人研究的相關(guān)進(jìn)展十分重要，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的研究更是重中之重。</p><p>　　1.2.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀</p&

25、gt;<p>　　自柔性制造概念出現(xiàn),各個(gè)制造業(yè)大國(guó)便積極研究，在西歐、美國(guó)、日本柔性生產(chǎn)線更是受到普遍重視，柔性生產(chǎn)中的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)更是炙手可熱。當(dāng)前世界主流的工業(yè)機(jī)器人以四、五、六自由度串聯(lián)型和并聯(lián)型機(jī)器人為主。在工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)中，許多關(guān)鍵問(wèn)題都使得六自由度機(jī)器人不易實(shí)現(xiàn)。六自由度串聯(lián)工業(yè)機(jī)器人各關(guān)節(jié)主體零件大多采用復(fù)雜形狀大鑄件構(gòu)成，其余零件小而多，一體式的主體零件增強(qiáng)了部件乃至整機(jī)的剛度，并且以鑄造成形的制造工

26、藝優(yōu)化了工件的質(zhì)量與重心。但不規(guī)則形狀增加了精加工時(shí)定位裝夾的麻煩。另外，相連兩軸的電機(jī)往往安裝于同一軸部的主體零件上，使得各零部件的裝配、維修變得不方便，且整個(gè)機(jī)器人可重構(gòu)性降低[6]。</p><p>　　在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，自動(dòng)化成套設(shè)備已是自動(dòng)化裝備的主流及未來(lái)的發(fā)展方向?，F(xiàn)階段以機(jī)器人為核心的自動(dòng)化生產(chǎn)線適應(yīng)了現(xiàn)代制造業(yè)多品種、少批量的柔性生產(chǎn)發(fā)展方向，具有廣闊的市場(chǎng)發(fā)展前景和強(qiáng)勁生命力，機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線

27、已形成一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)[7]。國(guó)外汽車(chē)行業(yè)、電子行業(yè)與工程機(jī)械等重復(fù)性高的行業(yè)，工業(yè)機(jī)器人構(gòu)成的自動(dòng)化生產(chǎn)線的普及率很高，既提高了效率與質(zhì)量，同時(shí)保證了生產(chǎn)力的安全。全球制造業(yè)大國(guó)的柔性生產(chǎn)線使用實(shí)踐體現(xiàn)出，工業(yè)機(jī)器人的普及是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，提高企業(yè)效率和加快發(fā)展的必要方法。</p><p>　　1.3 課題研究?jī)?nèi)容與意義</p><p>　　柔性自動(dòng)生產(chǎn)線總體方案研究，對(duì)現(xiàn)有模塊化柔性生產(chǎn)線

28、（MFTL——是用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化的模塊, 組成功能各異的加工中心、數(shù)控專(zhuān)機(jī)等, 根據(jù)用戶(hù)零件加工需求, 合理配置的一種可重組、模塊化制造系統(tǒng)）進(jìn)行控制分析，了解生產(chǎn)線如何運(yùn)行，各個(gè)模塊的功能及相互間的作用。通過(guò)了解分析，得出此套模塊化柔性生產(chǎn)線的控制流程圖，從零件出庫(kù)經(jīng)由傳送帶，到達(dá)每個(gè)檢測(cè)模塊進(jìn)行形狀、材質(zhì)的檢測(cè)，后經(jīng)傳送帶再輸送至加工模塊，按照加工程序進(jìn)行自動(dòng)化的數(shù)控加工，完成后送至檢測(cè)模塊，進(jìn)行加工后零件的合格檢測(cè)，最后經(jīng)

29、由碼垛機(jī)進(jìn)行分類(lèi)入庫(kù)。對(duì)其中的搬運(yùn)機(jī)器人，即六自由度串聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行重點(diǎn)分析與研究，以進(jìn)行下一步的課題，機(jī)器人的具體設(shè)計(jì)。</p><p>　　對(duì)于六自由度串聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計(jì)，應(yīng)包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳動(dòng)分析設(shè)計(jì)和控制分析設(shè)計(jì)。機(jī)器人構(gòu)型設(shè)計(jì)時(shí)，一般應(yīng)避免設(shè)計(jì)的機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)奇異性，以防止無(wú)效的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)增加到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中[8]。機(jī)器人六自由度的分配方式最為重要，即從底座一直到頂端機(jī)械手，給予每部分一個(gè)方向的自由度，以完成所需動(dòng)

30、作。對(duì)于六自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析較為復(fù)雜，因此對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究是很有必要的[9]。傳動(dòng)分析是串聯(lián)機(jī)器人設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，體積也比較小在保證質(zhì)量的情況下，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)潔，并利用RV減速器原理[10]，為每段機(jī)械臂添加動(dòng)力裝置，并驅(qū)動(dòng)串聯(lián)機(jī)械手的動(dòng)作，合理且高效的安排動(dòng)力及傳動(dòng)的設(shè)計(jì)位置?？刂圃O(shè)計(jì)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過(guò)編寫(xiě)程序語(yǔ)言，導(dǎo)入運(yùn)動(dòng)控制裝置，然后通過(guò)觸發(fā)命令，使機(jī)械手依照程序來(lái)做出相應(yīng)的動(dòng)作反應(yīng)。通過(guò)以上幾大方面的分析設(shè)計(jì)，六自由度

31、串聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計(jì)便告一段落，通過(guò)三維軟件進(jìn)行實(shí)體建模動(dòng)作模擬，建立各個(gè)零部件的裝配及關(guān)鍵部件的裝配爆炸圖，從而確定設(shè)計(jì)的合理性與可行性。</p><p>　　本文以中原工學(xué)院柔性制造實(shí)驗(yàn)室和三維建模軟件相結(jié)合，對(duì)模塊化柔性生產(chǎn)線進(jìn)行研究，進(jìn)行機(jī)械手臂的三維建模，利用軟件對(duì)其進(jìn)行構(gòu)型分析與傳動(dòng)設(shè)計(jì)。旨在對(duì)六自由度機(jī)械手的研究基礎(chǔ)上，以此作為平臺(tái)，有可能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率，縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，最大程度上降

32、低成本，提高效益，為企業(yè)在競(jìng)爭(zhēng)中贏得時(shí)間。</p><p><b>　　2 總體方案研究</b></p><p>　　2.1 柔性制造系統(tǒng)</p><p>　　柔性制造系統(tǒng)是由統(tǒng)一的信息控制系統(tǒng)、物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)和一組數(shù)字控制加工設(shè)備組成，能適應(yīng)加工對(duì)象變換的自動(dòng)化機(jī)械制造系統(tǒng)，英文縮寫(xiě)為FMS。通常的加工制造業(yè)，根據(jù)需求進(jìn)行生產(chǎn)綱領(lǐng)的定制，小

33、批量或大批量的生產(chǎn)，然后進(jìn)行專(zhuān)用機(jī)床、專(zhuān)用夾具等設(shè)備的計(jì)劃，進(jìn)行批量生產(chǎn)。隨社會(huì)消費(fèi)類(lèi)型的日益多樣化，需求商品的類(lèi)型也日益多樣化，多品種的生產(chǎn)已經(jīng)成為現(xiàn)今企業(yè)的生存之本。柔性制造系統(tǒng)的出現(xiàn)，便是對(duì)現(xiàn)今多樣化需求的最佳解決方案。在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代，制造業(yè)也應(yīng)當(dāng)緊跟時(shí)代步伐，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)的控制、加工，不僅可以改善工人的工作環(huán)境，又降低了企業(yè)的制造成本。</p><p><b>　　2.1.1

34、 優(yōu)點(diǎn)</b></p><p>　　系統(tǒng)中設(shè)備利用率高，一組機(jī)床編入柔性制造系統(tǒng)后，產(chǎn)量比這組機(jī)床分散單機(jī)作業(yè)時(shí)的產(chǎn)量提高數(shù)倍；</p><p>　　在制品數(shù)量下降，采用柔性自動(dòng)化系統(tǒng)可使在制品減少80%左右；生產(chǎn)能力相對(duì)穩(wěn)定，相比人工裝配，柔性線的定位性更強(qiáng)；運(yùn)行靈活；</p><p>　　產(chǎn)品應(yīng)變能力強(qiáng)，可加工一系列的相似產(chǎn)品，例如加工回轉(zhuǎn)類(lèi)零件，可

35、加工尺寸范圍調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)的同類(lèi)零件。相似的還有盤(pán)類(lèi)、板類(lèi)等。</p><p>　　2.1.2 柔性制造系統(tǒng)的組成</p><p>　　完整的柔性生產(chǎn)線，需要以下幾方面的必要組成部分，以完成制造系統(tǒng)所需的柔性。</p><p>　　加工系統(tǒng)：柔性制造中的設(shè)備類(lèi)型不定，由待加工零件所需工序而確定，一般的比如加工中心、數(shù)控車(chē)與數(shù)控銑，各類(lèi)加工機(jī)床等。</

36、p><p>　　物料系統(tǒng)：存放零件及加工完成構(gòu)件，立體倉(cāng)庫(kù)等。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：用以控制各個(gè)模塊的啟動(dòng)，收到傳感器信號(hào)進(jìn)行指定的動(dòng)作。</p><p>　　系統(tǒng)軟件：整合一整套柔性生產(chǎn)線的全套信號(hào)，使柔性線成為整體。</p><p><b>　　2.2 方案研究</b></p><p>　　方案設(shè)計(jì)需要針對(duì)用戶(hù)待加工零件的要

37、求，確定加工裝備技術(shù)參數(shù)和功能要求, 結(jié)合使用現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況, 才能最后確定能滿(mǎn)足用戶(hù)需求的整個(gè)生產(chǎn)線設(shè)計(jì)方案。模塊化柔性生產(chǎn)線加工設(shè)備的模塊化結(jié)構(gòu), 可使設(shè)計(jì)和制造任務(wù)得到合理劃分, 由于采用標(biāo)準(zhǔn)化的模塊接口, 減少了任務(wù)之間的耦合, 因而便于并行工程的組織和實(shí)施。</p><p>　　以中原工學(xué)院柔性生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室為研究對(duì)象，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行研究學(xué)習(xí)。對(duì)生產(chǎn)線每個(gè)環(huán)節(jié)的作用及動(dòng)作原理進(jìn)行討論研究，從每個(gè)環(huán)節(jié)的觸發(fā)動(dòng)

38、作，到此環(huán)節(jié)的結(jié)束動(dòng)作。</p><p>　　2.2.1 系統(tǒng)組成</p><p>　　模塊化柔性生產(chǎn)線(MFTL)是用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化的模塊, 組成功能各異的加工中心、數(shù)控專(zhuān)機(jī)等, 根據(jù)用戶(hù)零件加工需求, 合理配置的一種可重組、模塊化制造系統(tǒng)。</p><p>　　經(jīng)過(guò)研究分析，得出生產(chǎn)線流程圖。圖1包括自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)、數(shù)控加工系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制

39、系統(tǒng)等部分。各個(gè)設(shè)備可以獨(dú)立運(yùn)行和調(diào)試，開(kāi)放軟件源程序，并配套了圖像化人機(jī)交互界面。</p><p>　　圖 1 柔性生產(chǎn)線流程圖</p><p>　　如圖1所示，此套柔性制造系統(tǒng)的柔性加工單元分別為：數(shù)控車(chē)床、自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)、六自由度串聯(lián)機(jī)械手、并聯(lián)加工中心、CCD視覺(jué)檢測(cè)、材質(zhì)與孔深檢測(cè)、裝配機(jī)器人、噴涂單元、皮帶輸送機(jī)九個(gè)單元組成。</p><p>　　當(dāng)生產(chǎn)

40、設(shè)備接受主機(jī)生產(chǎn)命令時(shí)，通過(guò)總機(jī)向子模塊發(fā)送動(dòng)作指令。由自動(dòng)化立體原料庫(kù)的零件位置，反饋到計(jì)算機(jī)中，為三自由度搬運(yùn)機(jī)械手提供運(yùn)動(dòng)參數(shù)，使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到指定位置，搬運(yùn)零件至傳送裝置，完成一套搬運(yùn)動(dòng)作。</p><p>　　經(jīng)由出庫(kù)平移臺(tái)，移送到出庫(kù)皮帶傳送機(jī)，在皮帶床送機(jī)的中間位置，觸發(fā)光電感應(yīng)開(kāi)關(guān)，使材質(zhì)檢測(cè)裝置啟動(dòng)，以完成對(duì)零件材質(zhì)的檢測(cè)。材質(zhì)檢測(cè)完成，檔桿回縮，使零件繼續(xù)沿傳送帶行進(jìn)。經(jīng)過(guò)下一個(gè)光電感應(yīng)開(kāi)關(guān)時(shí)，

41、觸發(fā)的是CCD形狀檢測(cè)傳感器，用以判斷零件的形狀與顏色，對(duì)后續(xù)工序提供數(shù)據(jù)資料。檢測(cè)完畢進(jìn)入90度轉(zhuǎn)角機(jī)，使零件繼續(xù)沿生產(chǎn)線行進(jìn)，到達(dá)搬運(yùn)機(jī)器人的工作點(diǎn)，觸發(fā)感應(yīng)開(kāi)關(guān)，搬運(yùn)機(jī)器人開(kāi)始工作。截止此時(shí)，之前的檢測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)始應(yīng)用。</p><p>　　當(dāng)此零件為非回轉(zhuǎn)體零件時(shí)，搬運(yùn)機(jī)器人將會(huì)依照既定程序，使零件搬運(yùn)至數(shù)控車(chē)床，進(jìn)行機(jī)械加工，變?yōu)榛剞D(zhuǎn)體零件；而當(dāng)此零件已經(jīng)為符合形狀檢測(cè)的零件時(shí)，搬運(yùn)機(jī)器人會(huì)按照另一套既定程

42、序，搬運(yùn)至六自由度并聯(lián)機(jī)器人的工作位置，進(jìn)行鉆孔加工操作。</p><p>　　自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù) 2.控制模塊 3.加工中心 4.傳送帶 5.六自由度搬運(yùn)機(jī)器人</p><p>　　圖 2 柔性生產(chǎn)線布局圖</p><p>　　當(dāng)加工操作完成時(shí)，搬運(yùn)機(jī)器人將會(huì)執(zhí)行另一套程序使加工好的零件從新搬運(yùn)到生產(chǎn)線上，繼續(xù)沿著生產(chǎn)線走。在經(jīng)過(guò)另一個(gè)90度轉(zhuǎn)角機(jī)后，觸發(fā)感應(yīng)器，對(duì)加

43、工后的零件進(jìn)行孔深檢測(cè)操作，檢測(cè)在上一工序中的鉆孔深度是否符合要求，并進(jìn)行記錄，為后續(xù)的工序提供數(shù)據(jù)。檢測(cè)完成后，氣動(dòng)檔桿回位，零件繼續(xù)行前移動(dòng)，到達(dá)噴涂單元，利用色彩識(shí)別單元的數(shù)據(jù)，對(duì)此零件進(jìn)行噴涂操作。沿生產(chǎn)線到達(dá)分揀裝配機(jī)器人處，在孔深檢測(cè)中不合格的零件將會(huì)被小六串機(jī)器人移至廢料處，合格的零件，機(jī)械手將會(huì)從自動(dòng)化旋轉(zhuǎn)倉(cāng)庫(kù)中取出配合零件，對(duì)生產(chǎn)線上的零件進(jìn)行裝配動(dòng)作，完成裝配后，該裝配體進(jìn)入入庫(kù)平移臺(tái)，三自由度搬運(yùn)機(jī)械手收到搬運(yùn)指令

44、，搬運(yùn)該裝配體至自動(dòng)化立體成品庫(kù)中，至此，一套完整的柔性生產(chǎn)線的工作原理簡(jiǎn)述完畢。</p><p>　　2.2.2 控制原理</p><p>　　柔性生產(chǎn)線基于CAN總線，進(jìn)行對(duì)各個(gè)分模塊進(jìn)行控制。總線控制是一種現(xiàn)今應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)的串行通信網(wǎng)絡(luò)，早在70年代末為解決汽車(chē)中眾多的控制器與測(cè)量?jī)x間的數(shù)據(jù)分析而產(chǎn)生的通信協(xié)議。</p><p><b>　　圖

45、3 工作原理圖</b></p><p>　　此套生產(chǎn)新的各個(gè)模塊工作原理如圖3所示，傳送帶進(jìn)行運(yùn)輸動(dòng)作，兩條相鄰傳送帶連接后組成生產(chǎn)線。每條傳送帶都安裝有控制模塊，當(dāng)工件經(jīng)由運(yùn)輸帶觸發(fā)駛?cè)雮鞲衅?，該模塊便對(duì)工件進(jìn)行制定操作。其本工位的控制器只接受駛?cè)牒凸の粋鞲衅餍盘?hào)，駛出傳感器的信號(hào)則輸入相鄰運(yùn)輸帶的控制單元，為下一傳送帶的動(dòng)作發(fā)出信號(hào)。</p><p>　　圖 4 CAN總線

46、控制</p><p>　　如圖4所示，每條輸送鏈間的信號(hào)傳遞由控制器控制，而每個(gè)模塊的控制器又經(jīng)過(guò)CAN總線到中央控制單元。中央控制單元控制與監(jiān)視生產(chǎn)線的每個(gè)動(dòng)作與加工指令。利用CAN總線的集成性完成模塊化生產(chǎn)線的控制，各個(gè)模塊既可以獨(dú)立作業(yè)又可以聯(lián)合作業(yè)，使得柔性生產(chǎn)線的組合多樣化，為柔性生產(chǎn)提供便利。</p><p>　　3 六自由度機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><

47、p>　　工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用是機(jī)電一體化的典型代表，利用末端結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作。工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)由軟件、控制處理器、傳感器、驅(qū)動(dòng)裝置以及機(jī)器人本體組成。系統(tǒng)圖如圖5所示。其工作空間由機(jī)器人技術(shù)參數(shù)范圍決定。</p><p>　　圖 5 工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)</p><p>　　關(guān)節(jié)型串聯(lián)機(jī)器人其原理可簡(jiǎn)述為各個(gè)連桿首尾相接、末端開(kāi)放的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。在作業(yè)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)其要求任務(wù)的坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)，大多數(shù)時(shí)間這個(gè)鏈?zhǔn)浇Y(jié)

48、構(gòu)的末端是無(wú)法支撐的，因而對(duì)工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)要求更為重要。</p><p>　　3.1 工業(yè)機(jī)器人的基本技術(shù)要求</p><p>　　3.1.1 工業(yè)機(jī)器人的自由度與工作空間</p><p>　　在工業(yè)應(yīng)用中，機(jī)器人被用來(lái)作一系列重復(fù)性高，同時(shí)要求精度的作業(yè)。在工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，手臂端部執(zhí)行裝置能否到達(dá)指定位置，是衡量一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人好壞的標(biāo)準(zhǔn)。而到達(dá)指定位置

49、的路徑，便是對(duì)工業(yè)機(jī)器人自由度提出要求的決定性因素。比如在汽車(chē)制造業(yè)，對(duì)車(chē)體內(nèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接工作，由于焊接角度與車(chē)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，很難通過(guò)一條直線到達(dá)指定焊接位置，此時(shí)，多自由度的串聯(lián)機(jī)器人便可以通過(guò)靈活的手臂進(jìn)行焊接操作。</p><p>　　工業(yè)機(jī)器人末端所能到達(dá)的點(diǎn)的集合，稱(chēng)為機(jī)器人的工作空間，工作空間的大小根據(jù)所設(shè)計(jì)機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)大小決定。常見(jiàn)的工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式有以下五種：直角坐標(biāo)型機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)

50、型機(jī)器人、球坐標(biāo)型機(jī)器人、關(guān)節(jié)型機(jī)器人和并聯(lián)型機(jī)器人。圖6簡(jiǎn)單描述了常見(jiàn)機(jī)器人的工作空間。</p><p>　　工作空間表示了機(jī)械手能夠達(dá)到的位置，但同時(shí)應(yīng)避免機(jī)械手自身關(guān)節(jié)的干涉或奇異性，更重要的是避免工作時(shí)機(jī)械臂與環(huán)境障礙物的不必要的接觸。所以，機(jī)器人工作前必須研究其工作環(huán)境。</p><p>　　圖 6 常見(jiàn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)形式與工作空間</p><p>　　3.1

51、.2 機(jī)器人技術(shù)參數(shù)</p><p>　　現(xiàn)今工業(yè)機(jī)器人的各種性能指標(biāo)，應(yīng)用以下四點(diǎn)來(lái)衡量：第一，運(yùn)動(dòng)范圍是選擇機(jī)器人的第一參考要素，根據(jù)需要工作的長(zhǎng)度、廣度以及最大距離，來(lái)確定機(jī)器人的類(lèi)型。第二，負(fù)載能力是在選定機(jī)器人種類(lèi)后，進(jìn)行系列選型，能達(dá)到的最大載荷。第三，精度的要求不一而論，比如醫(yī)療機(jī)器人與卸貨機(jī)器人，所需精度必然不同，根據(jù)具體任務(wù)確定。最后，重復(fù)精度，當(dāng)機(jī)器人完成一系列動(dòng)作指令后，再次達(dá)到同一點(diǎn)的精

52、確能力的大小。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)六自由度串聯(lián)機(jī)器人采用串聯(lián)關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，擁有六個(gè)活動(dòng)自由度，按工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)，速度快、柔性好；每個(gè)關(guān)節(jié)按照模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單、緊湊，需完全滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)任務(wù)要求；機(jī)器人本體采用超硬鋁材料，手爪夾持工件最大直徑在75CM內(nèi)。在工作過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)需平穩(wěn)可靠，無(wú)燥聲，運(yùn)行精度高。根據(jù)需要進(jìn)行機(jī)器人技術(shù)參數(shù)擬定。</p><p>　　表 1 機(jī)器人技術(shù)參數(shù)&l

53、t;/p><p>　　初擬定六自由度搬運(yùn)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)，以實(shí)際情況而定。每個(gè)關(guān)節(jié)的最大轉(zhuǎn)速以60°/s為準(zhǔn)?？紤]抓取工件的最大力矩，以及實(shí)驗(yàn)室中工件模型重量，設(shè)計(jì)中所抓取工件以不超過(guò)10kg為宜。</p><p>　　3.2 六自由度機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　根據(jù)初擬定六自由度搬運(yùn)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)，六個(gè)自由度從下往上依次命名，一關(guān)節(jié)為在XOY基準(zhǔn)

54、面上的轉(zhuǎn)動(dòng)，字母表示為JT1。二關(guān)節(jié)為繞X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，表示為JT2。三關(guān)節(jié)依然為繞Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，表示為JT3。四關(guān)節(jié)為繞Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，表示為JT4。五關(guān)節(jié)為繞X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，表示為JT5。六關(guān)節(jié)為繞X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，表示為JT6自由度坐標(biāo)系擬定如圖7所示。</p><p>　　根據(jù)初擬定的自由度分布，得出此工業(yè)機(jī)器人的自由度計(jì)算：</p><p>　　自由度計(jì)算公式：F= 3n - 2pl - 2ph&l

55、t;/p><p>　　公式中各個(gè)字母的意義：活動(dòng)構(gòu)件的數(shù)目n，低副的數(shù)目pl，高副的數(shù)目ph</p><p>　　活動(dòng)構(gòu)件共計(jì)6個(gè)n=6，轉(zhuǎn)動(dòng)副共計(jì)6個(gè)pl=6，復(fù)合鉸鏈，局部自由度和虛約束在本次設(shè)計(jì)中沒(méi)有出現(xiàn)，ph=0，所以可得：</p><p>　　F= 3×6 - 2×6=6 此機(jī)構(gòu)的自由度符合設(shè)計(jì)要求。 </p><p&

56、gt;　　圖 7 六自由度分布</p><p>　　六自由度搬運(yùn)機(jī)器人由于關(guān)節(jié)大小限制，實(shí)現(xiàn)空間內(nèi)的六自由度移動(dòng)，所以每個(gè)關(guān)節(jié)所占空間大小必須盡量縮小，同時(shí)也應(yīng)考慮驅(qū)動(dòng)機(jī)器人動(dòng)作所需動(dòng)力源及配套傳動(dòng)裝置的體積大小，一般工業(yè)用六自由度機(jī)器人都是由伺服電機(jī)與減速器進(jìn)行直連，完成驅(qū)動(dòng)與輸出。</p><p>　　3.2.1 一關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)</p><p>　　為了能夠保證在

57、占用最小體積的前提下，產(chǎn)生較大的傳遞扭矩和傳遞精度，一關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)形式采用交流伺服電機(jī)與擺線針式減速器直連如圖8，也可以選用近幾年主流的機(jī)器人用RV減速器進(jìn)行減速輸出。并且，在減速器與電機(jī)之間添加一個(gè)齒輪軸，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的回轉(zhuǎn)，與擺線針式減速器的功能相近的RV減速器同樣能夠承受較大的軸向載荷、徑向載荷以及傾覆力矩，將RV減速機(jī)的針齒殼機(jī)架固定于底座上，輸出盤(pán)與機(jī)器人二關(guān)節(jié)通過(guò)回轉(zhuǎn)支架連接，減少了中間的傳動(dòng)關(guān)節(jié)，在一定程度上保證了傳動(dòng)精度。&

58、lt;/p><p>　　電機(jī)的固定是通過(guò)連接螺釘與回轉(zhuǎn)支架相連，此種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與以往的傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)不同，使得減速器的輸入端與輸出端在同一側(cè)，一般設(shè)計(jì)中往往把電機(jī)的固定端與不動(dòng)構(gòu)件相連接，這樣做的好處是減少傳動(dòng)慣量，同時(shí)，這種方法讓機(jī)器人的軸向尺寸增加了一個(gè)電機(jī)的尺寸，與工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)要求相悖。且傳動(dòng)可靠性低，零部件繁多，精度上不容易控制。</p><p>　　圖 8 一關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)圖</

59、p><p>　　此外，為了使得安裝方便同時(shí)減少結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，電機(jī)不再單獨(dú)設(shè)計(jì)外殼。機(jī)器人的每個(gè)關(guān)節(jié)都有轉(zhuǎn)動(dòng)范圍，傳感器的設(shè)置必不可少。若超出機(jī)器人的轉(zhuǎn)角極限值，機(jī)器人電源線、控制線將被拉斷，甚至威脅人的生命，因此在每個(gè)關(guān)節(jié)的極限位置需設(shè)置定位塊。</p><p>　　3.2.2 二關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)</p><p>　　二關(guān)節(jié)主要完成JT2沿Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，輸出轉(zhuǎn)矩，傳遞到第

60、三關(guān)節(jié)。所以</p><p><b>　　圖 9 二關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　二關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)除了要與一關(guān)節(jié)相連接，接收轉(zhuǎn)矩，并且要輸出轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)三關(guān)節(jié)移動(dòng)。設(shè)計(jì)構(gòu)型如圖9所示。</p><p>　　二關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置同樣是交流伺服電機(jī)，不同的是利用諧波減速器進(jìn)行減速與增大轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　圖 10 二關(guān)節(jié)結(jié)

61、構(gòu)</p><p>　　圖10所示在二關(guān)節(jié)構(gòu)件中，電機(jī)與諧波減速器鋼輪同樣固定于構(gòu)件本體，諧波柔輪與外側(cè)機(jī)器人大臂通過(guò)螺栓連接，傳遞轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)上部關(guān)節(jié)的移動(dòng)。二關(guān)節(jié)下部底盤(pán)開(kāi)有孔槽，與一關(guān)節(jié)連接盤(pán)相連接。其中，電機(jī)軸與諧波減速器連接，依靠于波發(fā)生器配套軸套互相以鍵相連，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩傳遞。</p><p>　　3.2.3 三關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)</p><p>　　圖 11 三關(guān)節(jié)

62、外形與內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　三關(guān)節(jié)輸出的轉(zhuǎn)矩有兩個(gè)，一種是繞大臂上端的Y軸轉(zhuǎn)矩，另一個(gè)是繞X軸的輸出連接轉(zhuǎn)矩。圖11可以明顯看出與大臂相連的為諧波減速器柔輪，其連接方式與二關(guān)節(jié)電機(jī)減速器直連原理相同。諧波波減速器體積較小，傳動(dòng)精度較高，傳遞扭矩大，被廣泛的應(yīng)用于機(jī)器人活動(dòng)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)中。但是諧波減速器剛性較差，柔輪為彈性件，不能承受較大的徑向載荷和軸向載荷。所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中使用圓柱滾子軸承來(lái)承受腕部其他關(guān)節(jié)對(duì)

63、其產(chǎn)生的彎矩。</p><p>　　在上部電機(jī)輸出于同步帶輪，利用同步帶進(jìn)行轉(zhuǎn)矩傳遞，此設(shè)計(jì)可以縮短軸向設(shè)計(jì)尺寸，使得三關(guān)節(jié)的整體尺寸不至于在單一方向尺寸過(guò)長(zhǎng)，以影響機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)，某些特殊位置的動(dòng)作路徑。</p><p>　　3.2.4 四、五關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)</p><p>　　經(jīng)過(guò)三關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩輸出可以看出，整個(gè)三關(guān)節(jié)以后的部分，全部重量與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的啟動(dòng)、停止轉(zhuǎn)

64、矩全部會(huì)對(duì)大臂的連接處產(chǎn)生極大的扭矩。所以，為了使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的扭矩最小化，而又能夠?qū)崿F(xiàn)六關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，四關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)甄選，采用輕型XL系列同步帶傳動(dòng)，這樣便可以保證精確地傳動(dòng)比和減輕末端關(guān)節(jié)的重量。</p><p>　　圖 12 四、五關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　首先電機(jī)固定在電機(jī)板上，電機(jī)軸與同步帶輪相連接，通過(guò)同步帶傳遞轉(zhuǎn)矩，另一同步帶輪連接諧波軸，諧波減速器輸出端

65、直接與五關(guān)節(jié)相連。五關(guān)節(jié)為整個(gè)機(jī)械手構(gòu)件中體積最小，零件最少的關(guān)節(jié)，輸入由置于四關(guān)節(jié)中的步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)同步帶傳遞與左側(cè)軸，又經(jīng)一對(duì)直齒圓錐齒輪，使繞Y軸轉(zhuǎn)矩變?yōu)槔@X軸轉(zhuǎn)矩，再經(jīng)諧波軸傳遞于五關(guān)節(jié)內(nèi)減速器，輸出在法蘭盤(pán)結(jié)構(gòu)，完成轉(zhuǎn)矩輸出。</p><p>　　3.3 機(jī)器人大臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化</p><p>　　機(jī)械手臂是機(jī)器人的一個(gè)重要組成部分，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)中承擔(dān)很重要的角色。但是機(jī)械手臂的結(jié)

66、構(gòu)設(shè)計(jì)在現(xiàn)行的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)里并沒(méi)有一個(gè)唯一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)、生產(chǎn)尚處于行業(yè)初期，還沒(méi)有形成商品化、系列化。機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)處于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段，大多采用相似設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)的合理性、科學(xué)性沒(méi)有理論依據(jù)，讓經(jīng)過(guò)鑄造、加工出來(lái)的機(jī)械手臂，一方面可能存在手臂材料過(guò)于結(jié)實(shí)、使得運(yùn)動(dòng)時(shí)的重量和慣量增加的問(wèn)題，給機(jī)械手的運(yùn)行帶來(lái)負(fù)面影響，另一方面，局部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度可能又不夠，影響整體剛度，并有可能在使用中提前損壞[11]。為了驗(yàn)證機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)設(shè)

67、計(jì)的合理性，就必須生產(chǎn)樣機(jī)，再做大量強(qiáng)度試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，然后再對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，之后才能小批生產(chǎn)形成商品，這樣使整個(gè)開(kāi)發(fā)周期延長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)成本也相應(yīng)增加。</p><p>　　本課題結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks進(jìn)行機(jī)器人大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)應(yīng)用軟件集成的SimulationgXpress分析向?qū)Чδ?，?duì)設(shè)計(jì)的機(jī)器人大臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的優(yōu)化。</p><p>　　圖 13 機(jī)器人大臂

68、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　三維建模如圖13所示，完成連接二、三關(guān)節(jié)的大臂設(shè)計(jì)。然后，運(yùn)行軟件集成的SimulationgXpress分析向?qū)?，首先需要為大臂受力添加夾持部位。機(jī)械手一端通過(guò)螺栓與諧波減速器相連，周?chē)脠A柱軸承承載徑向力，波發(fā)生器再與交流伺服電機(jī)相連，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)。所以，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受力都在與軸承接觸面和螺栓連接。</p><p>　　機(jī)械手另一端要承受整

69、個(gè)三關(guān)節(jié)以上和拿取重物、往復(fù)運(yùn)動(dòng)的受力。在選取受力分析位置時(shí)，應(yīng)選取受力最大的一個(gè)位置，也就是水平位置對(duì)大臂進(jìn)行受力分析，</p><p>　　受力情況與下端類(lèi)似，軸承接觸面和螺栓連接共同受到向下的力。</p><p>　　所以，夾持位置選擇如圖14上圖左側(cè)圓盤(pán)螺栓連接處和圓盤(pán)外圓面，作為夾具</p><p>　　圖 14 大臂受力圖與靜態(tài)應(yīng)力分布</p>

70、;<p>　　位置。受力方向?yàn)樯蠄D右箭頭，沿右側(cè)圓盤(pán)向下分布。給定大臂材料，為鋁合金鑄件系列。然后運(yùn)行模擬，可以得到靜態(tài)應(yīng)力分布圖，如圖14下，圖中所示應(yīng)力較為集中的部位為左側(cè)圓盤(pán)與連桿連接位置。</p><p>　　因此可以考慮優(yōu)化的方案為，根據(jù)諧波減速器的型號(hào)，相應(yīng)增加連接螺栓個(gè)數(shù)以分擔(dān)受力；鑄造時(shí)在大臂形體結(jié)合處盤(pán)與連桿處增加緩沖設(shè)計(jì)以減少應(yīng)力集中；在一些受力比較輕的地方減少材料以減輕整個(gè)大臂

71、的質(zhì)量，從而可以降低伺服電機(jī)功率增加經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。</p><p>　　圖15是大臂優(yōu)化后的應(yīng)力分布圖，可以看出在盤(pán)與連桿處增加了后筋設(shè)計(jì)，極大減小了應(yīng)力集中的問(wèn)題；并且在手臂不受力的中間部位掏出肋板槽，極大減輕了模型的重量，使得整體的重量得以降低，為驅(qū)動(dòng)裝置的選型降低成本。在最基本受力分析后就可以根據(jù)機(jī)器人任務(wù)的實(shí)際需要增加其它輔助部件，結(jié)合控制部件等優(yōu)化外形，形成機(jī)器人大臂的最終設(shè)計(jì)。</p>

72、<p>　　圖 15 優(yōu)化后大臂應(yīng)力分布圖</p><p>　　3.4 總體外形與最大動(dòng)作范圍</p><p>　　設(shè)計(jì)完畢六自由度搬運(yùn)機(jī)器人的六個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，畫(huà)出六關(guān)節(jié)裝配后的整體外形圖，與最大范圍示意圖，為接下來(lái)的內(nèi)部傳動(dòng)設(shè)計(jì)做基礎(chǔ)。</p><p>　　圖 16 機(jī)器人最大動(dòng)作范圍</p><p>　　圖 17 總體關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)

73、圖</p><p>　　一個(gè)典型的機(jī)器人系統(tǒng)由本體、關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、通訊接口等幾部分組成。多自由度串聯(lián)機(jī)器人具有4～6個(gè)自由度，其中2～3個(gè)自由度決定了末端執(zhí)行器在空間的位置，其余2～3個(gè)自由度決定了末端執(zhí)行器在空間的姿態(tài)。完成六自由度機(jī)械手的總體關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)后，便是對(duì)機(jī)器人內(nèi)部構(gòu)件傳動(dòng)部件進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。通過(guò)每個(gè)關(guān)節(jié)不同的最大扭矩，進(jìn)行減速器與電機(jī)的選型。</p><p

74、><b>　　4 傳動(dòng)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　隨著加工制造業(yè)加工精度的提高，一系列精度高、傳動(dòng)平穩(wěn)、減速比大的減速器隨之出現(xiàn)，其中，RV減速器不僅保留了傳統(tǒng)擺線針輪行星傳動(dòng)所具有的體積小、</p><p>　　圖 18 RV減速器與諧波減速器</p><p>　　重量輕、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，而且采用兩級(jí)減速機(jī)構(gòu)，使得處于低速級(jí)

75、的擺線針輪行星傳動(dòng)更加平穩(wěn)。諧波減速裝置體積小、重量輕、傳動(dòng)比大，是機(jī)器人設(shè)計(jì)優(yōu)先選擇的減速裝置。在工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用范圍，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看RV減速器所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)比普通單級(jí)減速器大[12]。</p><p>　　一般情況下，工業(yè)串聯(lián)機(jī)器人的Ⅰ～Ⅳ關(guān)節(jié)都是電機(jī)直連RV減速器，剩余關(guān)節(jié)都是電機(jī)通過(guò)同步帶輪連接諧波減速器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。在市場(chǎng)上教學(xué)類(lèi)串聯(lián)機(jī)器人雖然可用蝸輪蝸桿或者行星減速器，但相對(duì)占用空間大，速度低，只在低端產(chǎn)品中

76、使用。本課題所設(shè)計(jì)的六自由度搬運(yùn)機(jī)器人所采用的減速器類(lèi)型為一關(guān)節(jié)RV減速器，其后關(guān)節(jié)為諧波減速器。</p><p>　　4.1 減速器結(jié)構(gòu)及工作原理</p><p>　　4.1.1 RV減速器</p><p>　　圖18是RV傳動(dòng)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，它由漸開(kāi)線行星齒輪傳動(dòng)和擺線針輪行星傳動(dòng)兩部分組成，漸開(kāi)線行星齒輪與曲柄軸連為一體，作為RV減速器的第一級(jí)傳動(dòng)。</

77、p><p>　　如圖18所示，減速器第一減速部為擺線針輪行星傳動(dòng)，第二減速部為行星齒輪傳動(dòng)。RV減速器其主軸承機(jī)構(gòu)內(nèi)置，安裝有徑向止推滾珠軸承，因此能夠支撐外部負(fù)荷，力矩剛性、允許力矩大[13]。</p><p>　　在機(jī)器人一關(guān)節(jié)，使用RV-E型減速機(jī)。第1減速部，正齒輪減速機(jī)構(gòu)，輸入軸的旋轉(zhuǎn)從輸入齒輪傳遞到正齒輪，按齒數(shù)比進(jìn)行減速。</p><p>　　圖 18 R

78、V減速器傳動(dòng)簡(jiǎn)圖</p><p>　　第2減速部，差動(dòng)齒輪減速機(jī)構(gòu)。正齒輪與曲柄軸相連接，變?yōu)榈?減速部的輸入。在曲柄軸的偏心部分，通過(guò)滾動(dòng)軸承安裝RV齒輪。另外，在外殼內(nèi)側(cè)僅比RV齒輪的齒數(shù)多1個(gè)的銷(xiāo)，以同等齒距排列。如果固定外殼轉(zhuǎn)動(dòng)正齒輪，則RV齒輪由于曲柄軸的偏心運(yùn)動(dòng)也進(jìn)行偏心運(yùn)動(dòng)。此時(shí)如果曲柄軸轉(zhuǎn)動(dòng)1周，則RV齒輪就會(huì)沿與曲柄軸相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)1個(gè)齒。這個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)被輸出到第2減速部的軸。</p>

79、<p>　　圖 19 RV減速器輸入輸出方法</p><p>　　在本課題中，應(yīng)用在一關(guān)節(jié)的RV減速器，其輸入輸出方式為外殼固定的第一種減速方式。第1 減速部與第2 減速部相加得到的減速比i 因使用方法而異，可以根據(jù)下列公式所示的速比值算出。</p><p>　　軸轉(zhuǎn)動(dòng)的情況　R = 1 + Z2/Z1×Z4 </p><p><b>

80、;　　i = 1/R</b></p><p>　　R：速比值 Z1：輸入齒輪的齒數(shù) Z2：正齒輪的齒數(shù)</p><p>　　Z3：RV齒輪的齒數(shù) Z4：銷(xiāo)根數(shù) i：減速比</p><p>　　4.1.2 諧波減速器</p><p>　　諧波齒輪傳動(dòng)由三個(gè)基本構(gòu)件組成：諧波發(fā)生器（簡(jiǎn)稱(chēng)波發(fā)生器）——是由凸輪（通常為橢圓形）

81、及薄壁軸承組成，隨著凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，薄壁軸承的外環(huán)作橢圓形變形運(yùn)動(dòng)（彈性范圍內(nèi)）；剛輪——是剛性的內(nèi)齒輪；柔輪——是薄殼形元件，具有彈性的外齒輪。以上三個(gè)構(gòu)件可以任意固定一個(gè)，成為減速傳動(dòng)及增速傳動(dòng)；或者發(fā)生器、剛輪主動(dòng)，柔輪從動(dòng)，成為差動(dòng)機(jī)構(gòu)（即轉(zhuǎn)動(dòng)的代數(shù)合成）[14]。</p><p>　　諧波傳動(dòng)工作過(guò)程如下圖所示，當(dāng)波發(fā)生器為主動(dòng)時(shí)，凸輪在柔輪內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，使長(zhǎng)軸附近柔輪及薄壁軸承發(fā)生變形（可控的彈性變形），這時(shí)柔輪

82、的齒就在變形的過(guò)程中進(jìn)入（嚙合）或退出（嚙出）剛輪的齒間，在波發(fā)生器的長(zhǎng)軸處處于完全嚙合，而短軸方向的齒就處于完全的脫開(kāi)狀態(tài)。</p><p>　　圖 20 諧波減速器構(gòu)成與原理</p><p>　　波發(fā)生器通常為橢圓形的凸輪，凸輪位于薄壁軸承內(nèi)。薄壁軸承裝在柔輪內(nèi)，此時(shí)柔輪由原來(lái)的圓形而變成橢圓形，橢圓長(zhǎng)軸兩端的柔輪與之配合的剛輪齒則處于完全嚙合狀態(tài)，即柔輪的外齒與剛輪的內(nèi)齒沿齒高嚙合。

83、這是嚙合區(qū)，一般有30%左右的齒處在嚙合狀態(tài)；橢圓短軸兩端的柔輪齒與剛輪齒處于完全脫開(kāi)狀態(tài)，簡(jiǎn)稱(chēng)脫開(kāi)；在波發(fā)生器長(zhǎng)軸和短軸之間的柔輪齒，沿柔輪周長(zhǎng)的不同區(qū)段內(nèi)，有的逐漸退出剛輪齒間，處在半脫開(kāi)狀態(tài)，稱(chēng)之為嚙出；有的逐漸進(jìn)入剛輪齒間，處在半嚙合狀態(tài)，稱(chēng)之為嚙入。</p><p>　　波發(fā)生器在柔輪內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，迫使柔輪產(chǎn)生連續(xù)的彈性變形，此時(shí)波發(fā)生器的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，就使柔輪齒的嚙入—嚙合—嚙出—脫開(kāi)這四種狀態(tài)循環(huán)往復(fù)不斷地

84、改變各自原來(lái)的嚙合狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱(chēng)之為錯(cuò)齒運(yùn)動(dòng)，正是這一錯(cuò)齒運(yùn)動(dòng)，使減速器可以將輸入的高速轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)檩敵龅牡退俎D(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　柔輪齒和剛輪齒在節(jié)圓處嚙合過(guò)程就如同兩個(gè)純滾動(dòng)（無(wú)滑動(dòng)）的圓環(huán)一樣，兩者在任何瞬間，在節(jié)圓上轉(zhuǎn)過(guò)的弧長(zhǎng)必須相等。由于柔輪比剛輪在節(jié)圓周長(zhǎng)上少了兩個(gè)齒距，所以柔輪在嚙合過(guò)程中，就必須相對(duì)剛輪轉(zhuǎn)過(guò)兩個(gè)齒距的角位移，這個(gè)角位移正是減速器輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了減速的目的。</p&

85、gt;<p>　　4.2 設(shè)計(jì)計(jì)算及減速器選型</p><p>　　機(jī)器人關(guān)鍵部件的選型，需經(jīng)由各個(gè)關(guān)節(jié)的技術(shù)要求，進(jìn)行受力分析，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)減速器及電機(jī)手冊(cè)，進(jìn)行能夠滿(mǎn)足運(yùn)行需求的最適合配件進(jìn)行定型號(hào)，及最終的裝配圖圖紙的設(shè)計(jì)。</p><p>　　4.2.1 尺寸及力矩分析</p><p>　　圖 21 機(jī)器人關(guān)鍵尺寸</p><

86、;p>　　由任務(wù)書(shū)可得知本課題所設(shè)計(jì)的機(jī)械手，其搬運(yùn)任務(wù)為質(zhì)量在10KG以?xún)?nèi)的回轉(zhuǎn)體零件，整體機(jī)器人重量在95KG內(nèi)。</p><p>　　首先計(jì)算出使一關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的最大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，之后再進(jìn)行一關(guān)節(jié)RV減速器的配型。機(jī)器人一關(guān)節(jié)所需最大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為機(jī)器人大臂轉(zhuǎn)到水平位置，末端執(zhí)行裝置在最遠(yuǎn)位置時(shí)，加上工件重量，整個(gè)機(jī)械手位于最大伸長(zhǎng)量。</p><p>　　根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量定義：dJ =

87、x2 dm ， dm = ρ dx= m/l·dx ，</p><p>　　轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： J=1/3·ml2</p><p>　　質(zhì)量為m ，長(zhǎng)度為l，到一點(diǎn)距離x，材料密度ρ ，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J</p><p>　　有轉(zhuǎn)矩公式：M = J·β</p><p>　　J=1/3·ml2 =1/3×m&

88、#215;（580+350+160+130)2 =148kg·m2</p><p>　　β = Δw / Δt =5/6 s-1</p><p>　　所以由公式得：一關(guān)節(jié)最大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量約為M=2500N·m</p><p>　　圖 22 負(fù)載循環(huán)線圖</p><p>　　由計(jì)算可得圖22中計(jì)算參數(shù)，</p>&

89、lt;p>　　T1= 2500Nm 　T2 = 500Nm T3 = 1500Nm 　Tem = 7000Nm</p><p>　　t1 = 0.2sec t2 = 0.5sec t3 = 0.2sec tem = 0.05sec</p><p>　　N1 = N3 = 10r/min　N2 = 20r/min Nem = 20r/min</p&g

90、t;<p><b>　　計(jì)算平均輸出轉(zhuǎn)速：</b></p><p>　　有平均輸出轉(zhuǎn)速，結(jié)合負(fù)載循環(huán)圖，可以為接下來(lái)的減速器選型提供所必需的數(shù)據(jù)。根據(jù)一關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩計(jì)算，依次類(lèi)比計(jì)算二關(guān)節(jié)、三關(guān)節(jié)所需力矩大小。進(jìn)行減速器選型。</p><p>　　4.2.2 減速器選型</p><p>　　第一關(guān)節(jié)減速器采用RV減速器，依照手冊(cè)與設(shè)

91、計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選擇RV-E系列主軸承內(nèi)置型減速器。</p><p>　　圖 23 RV-E型減速器型號(hào)標(biāo)記</p><p>　　表 2 RV-160E型號(hào)規(guī)格</p><p>　　如圖23所示，確定型號(hào)所必需的數(shù)據(jù)有額定輸出轉(zhuǎn)矩及速比值。根據(jù)關(guān)節(jié)一的負(fù)載特性，可計(jì)算出額定轉(zhuǎn)速，根據(jù)圖24匹配能夠允許的轉(zhuǎn)矩，暫時(shí)選定邊框號(hào)。</p><p>　　

92、輸出轉(zhuǎn)速機(jī)器人參數(shù)最高為20r/min < 45r/min減速器最高輸出轉(zhuǎn)速。有時(shí)由于緊急停止或外部的沖擊，可能會(huì)給減速機(jī)施加較大的轉(zhuǎn)矩。所以，在選擇時(shí)應(yīng)注意，額定圖中所顯示的值表示的是此時(shí)的瞬時(shí)最大允許轉(zhuǎn)矩值。</p><p>　　RV-E型減速機(jī)的壽命受曲軸中使用的滾動(dòng)軸承的壽命的限制。減速機(jī)各種型號(hào)，都按額定轉(zhuǎn)矩、額定輸出轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，壽命時(shí)間按如下設(shè)定。</p><p>　　計(jì)

93、算減速機(jī)的壽命是否滿(mǎn)足要求規(guī)格值：</p><p>　　最后確定規(guī)格：RV-160E-81</p><p>　　第二關(guān)節(jié)選用諧波減速器進(jìn)行降速與增大力矩。首先要先確定產(chǎn)品系列。由于要減小關(guān)節(jié)大小，選用的產(chǎn)品系列定為XB1單級(jí)諧波傳動(dòng)減速器組件。</p><p>　　然后計(jì)算出輸出轉(zhuǎn)矩，根據(jù)負(fù)載情況確定工況系數(shù)后選擇機(jī)型大小。工況系數(shù)如下圖所示。</p>

94、<p><b>　　表 3 工況系數(shù)</b></p><p>　　有轉(zhuǎn)矩公式：M = J·β</p><p>　　J=1/3·ml2 =1/3×m×（580+350+130)2 =246kg·m2</p><p>　　β = Δw / Δt =5/6 s-1</p>&

95、lt;p>　　所以由公式得：二關(guān)節(jié)最大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量約為M=205N·m</p><p>　　求出二關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)扭矩后，可以進(jìn)行二關(guān)節(jié)的減速器及伺服電機(jī)選型，對(duì)諧波減速器選型的步奏如下。</p><p>　　XB1型諧波減速器選型見(jiàn)表3所示，根據(jù)輸出扭矩進(jìn)行減速器機(jī)型的選擇。由表中數(shù)據(jù)所示，XB1機(jī)型100的減速器。按照常規(guī)伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速1500rpm，輸出轉(zhuǎn)速選擇15，可以滿(mǎn)

96、足二關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速10rpm。</p><p>　　表 4 XB1單級(jí)諧波減速器規(guī)格</p><p>　　依照上述方法，以此計(jì)算三關(guān)節(jié)、四關(guān)節(jié)及以后關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)扭矩，進(jìn)行減速器的選型計(jì)算。最后減速器型號(hào)選定依次：XB1單級(jí)諧波減速器機(jī)型80，四關(guān)節(jié)機(jī)型選擇50號(hào)。</p><p>　　4.2.3 電機(jī)選型</p><p>　　通過(guò)RV減速器與諧波

97、減速器手冊(cè)，機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)的減速器裝置選擇完畢。與之相配的伺服電機(jī)選型就較之輕松。本課題中所設(shè)計(jì)的各個(gè)關(guān)節(jié)中，應(yīng)用的電機(jī)種類(lèi)有兩種，一種伺服電機(jī)一種步進(jìn)電機(jī)。</p><p>　　伺服電動(dòng)機(jī)又稱(chēng)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類(lèi)，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降，伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是

98、永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制的U/V/W三相電形成電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服電機(jī)的使用成本較高，其精度決定于編碼器的精度。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱(chēng)為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行

99、的。可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒(méi)有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開(kāi)環(huán)控制。</p><p>　　圖 24 伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)</p><p>　　應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)與伺服電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)各不相同。兩種電機(jī)都廣泛的應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。

100、但其兩者的控制精度是有不同的，以松下全數(shù)字系列交流伺服電機(jī)為例，其脈沖當(dāng)量為360°/10000=0.036°。對(duì)于一個(gè)普通的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量可謂極小。</p><p>　　除了控制精度上有所差別，在兩種電機(jī)的低頻特性上還有不同。步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。振動(dòng)頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動(dòng)器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動(dòng)頻率為電機(jī)空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)于機(jī)

101、器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時(shí)，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來(lái)克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象，比如在電機(jī)上加阻尼器，或驅(qū)動(dòng)器上采用細(xì)分技術(shù)等。交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能（FFT），可檢測(cè)出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。另外，步進(jìn)電機(jī)在較高轉(zhuǎn)速時(shí)其輸出力矩會(huì)急劇下降，而相對(duì)的，交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，在額定轉(zhuǎn)速內(nèi)以額定轉(zhuǎn)矩輸出。</

102、p><p>　　重要的，步進(jìn)電機(jī)一般不具有過(guò)載能力，而交流伺服電機(jī)可以，這樣大致上確定了六自由度搬運(yùn)機(jī)器人的負(fù)載型關(guān)節(jié)的電機(jī)選擇。在運(yùn)行性能上，步進(jìn)電機(jī)的開(kāi)環(huán)控制有時(shí)會(huì)出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象[15]。交流伺服可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，控制性能可靠。</p><p>　　圖 25 型號(hào)的選定</p><p>　　表 5 伺服電機(jī)容量</p><p

103、>　　根據(jù)電機(jī)容量，對(duì)應(yīng)表3進(jìn)行電機(jī)型號(hào)選擇，一關(guān)節(jié)電機(jī)容量選擇4.4，型號(hào)選擇為SGMGH1500r/min的伺服電機(jī)。最后根據(jù)圖25確定型號(hào)為SGMGH-44A2C61交流伺服電機(jī)。</p><p>　　SGMGH-12A2B61為選定關(guān)節(jié)的小型伺服電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的選型與伺服電機(jī)一致，通過(guò)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速選擇最終輸出轉(zhuǎn)速為10r/min。機(jī)械手四五關(guān)節(jié)承載轉(zhuǎn)矩很小，在電機(jī)選擇上，既要滿(mǎn)足機(jī)械手轉(zhuǎn)速要求，又要

104、考慮到成本，所以，在機(jī)器人四、五關(guān)節(jié)，所選用電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)。</p><p><b>　　4.3 整體裝配</b></p><p>　　經(jīng)過(guò)減速器及電機(jī)選型，各個(gè)關(guān)節(jié)傳動(dòng)關(guān)系確定。通過(guò)三維建模軟件進(jìn)行總體建模，裝配后制作出爆炸圖如圖26所示。</p><p><b>　　圖 26 總爆炸圖</b></p>

105、<p>　　至此，六自由度串聯(lián)機(jī)械手的設(shè)計(jì)全部完成，之后便是對(duì)機(jī)械手的控制原理分析及二次開(kāi)發(fā)編程。</p><p>　　5 控制原理及二次開(kāi)發(fā)</p><p>　　六自由度串聯(lián)機(jī)械手其靈活的功能性，較強(qiáng)的適應(yīng)性，隨著世界工業(yè)的發(fā)展逐漸走入人們的生產(chǎn)活動(dòng)中。六自由度串聯(lián)機(jī)器人，多用于重復(fù)軌跡運(yùn)動(dòng)，結(jié)合不同功能的末端手爪，可以實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)、噴涂等特定動(dòng)作。其從理論上來(lái)說(shuō)是根據(jù)連軸器的運(yùn)

106、動(dòng)研究出來(lái)的， 經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)陣列演算出來(lái)；從控制上來(lái)說(shuō)，是利用運(yùn)動(dòng)控制器來(lái)控制每個(gè)軸的伺服電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。</p><p><b>　　5.1 控制原理</b></p><p>　　由主機(jī)發(fā)出程序指令，經(jīng)運(yùn)動(dòng)控制卡處理，傳出控制信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，再經(jīng)由外部傳感器回饋動(dòng)作信號(hào)，運(yùn)動(dòng)控制卡再處理反饋信號(hào)，以判斷機(jī)器人的動(dòng)作是否完成。常見(jiàn)的工業(yè)串聯(lián)機(jī)器人的核心便是控制各個(gè)

107、關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)控制器，常見(jiàn)的例如六自由度串聯(lián)機(jī)器人中的運(yùn)動(dòng)控制卡：MAC-3002SSP4(PCI總線、四軸、伺服卡)、MAC-3002SSP2(PCI總線、二軸、伺服卡)。</p><p>　　圖 27 PC+運(yùn)動(dòng)控制卡系統(tǒng)</p><p>　　工業(yè)用六自由度串聯(lián)機(jī)械手通常采用運(yùn)動(dòng)控制卡的控制系統(tǒng)，如圖26為簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)控制卡與電腦控制系統(tǒng)。</p><p>

108、;　　運(yùn)動(dòng)控制卡是一種基于PC機(jī)及工業(yè)PC機(jī)、用于各種運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)合（包括位移、速度、加速度等）的上位控制單元。運(yùn)動(dòng)控制卡是基于PC總線，利用高性能微處理器（如DSP）及大規(guī)模可編程器件實(shí)現(xiàn)多個(gè)伺服電機(jī)的多軸協(xié)調(diào)控制的一種高性能的步進(jìn)/伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制裝置[16]。</p><p>　　運(yùn)動(dòng)控制卡作為控制信號(hào)、處理信號(hào)的一種，國(guó)內(nèi)固高運(yùn)動(dòng)控制卡，國(guó)際上科爾摩根運(yùn)動(dòng)控制卡。圖27所示兩種常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)控制卡，側(cè)邊有與電腦

109、PC相連的信道傳輸口。</p><p><b>　　圖 28運(yùn)動(dòng)控制卡</b></p><p>　　以六自由度機(jī)器人4軸運(yùn)動(dòng)控制卡說(shuō)明運(yùn)動(dòng)控制卡的主要功能：</p><p>　　1-4軸獨(dú)立或聯(lián)動(dòng)控制；最高輸出脈沖6.4MHz，可以控制脈沖輸入型伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)；梯形或S形曲線自動(dòng)加/減速功能，手動(dòng)減速點(diǎn)設(shè)置功能；定位控制、連續(xù)運(yùn)動(dòng)速度控制、