工业机器人毕业设计

工工 业业 机机 器器 人人 摘要 在当今大规模制造业中，企业为提高生产率，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重要的成员，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一定程度上反映了一个国家工业自 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 且劳动程度极大的工作，工作方式一般采取示教在线的方式。 本文将设计一台圆柱坐标型的工业机器人，用于给冲压设备运送物料。首 先，本文将设计机器人的大臂、小臂、底座和机械手的结构，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、以及 控制元件的设计，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。 目录 摘要 1 绪论1 1.1 工业机器人研究的目的和意义1 1.2 工业机器人在国内外的发展现状与趋势 1.3 工业机器人的分类 1.4 本课题研究的主要内容 2 总体方案的确定 2.1 结构设计概述 2.2 基本设计参数 2.3 工作空间的分析 2.4 驱动方式 2.5 传动方式确定 3 搬运机器人的结构设计 3.1 驱动和传动系统的总体结构设计 3.2 手爪驱动气缸设计计算 3.3 进给丝杠的设计计算 3.4 驱动电机的选型计算 3.5 手臂强度校核 4 搬运机器人的控制系统 4.1 机器人控制系统分类 4.2 控制系统方案分析 4.3 机器人的控制系统方案确定 4.4 PLC 及运动控制单元选型 5 结论与展望 致谢 1 绪论 1.1 工业机器人研究的目的和意义 工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术 于一体的现代制造业重要的自动化装备。自从 1962 年美国研制出世界上第一台工 业机器人以来，机器人技术及其产品发展很快，已成为柔性制造系统（FMS）、自 动化工厂（ＦＡ）、计算机集成制造系统（ＣＩＭＳ）的自动化工具。广泛采用工 业机器人、不仅提高产品的质量与数量而且也保障人身安全、改善劳动环境、减轻 劳动强度、提高劳动生产率、节约材料消耗以及降低生产成本有着十分重要的意 义。与计算机、网络技术一样，工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产 和生活方式。 ２０世纪８０年代以来，工业机器人技术逐渐成熟、并很快得到推广，目前 已经在工业生产的许多领域得到应用。在工业机器人逐渐得到推广和普及工程中， 下面三个方面的技术进步起着非常重要的作用。 １ 驱动方式的改变 ２０世纪７０年代后期，日本安川电动机公司研制出了第一台全自动的工业 机器人而此前的工业机器人基本上采用液压驱动方式。但与采用液压驱动的机器人 相比，采用伺服电动机驱动机器人在响应速度、精度、灵活性等方面都有很大的提 高。因此它逐步代替了采用液压驱动的机器人成为工业机器人驱动方式的主流。在 此过程中，谐波减速器、ＲＶ减速器等高性能减速机构的发展也功不可没。近年 来，交流伺服驱动已经逐渐代替传统的直流伺服驱动方式，直线电动机等新型驱动 方式在许多应用领域也有了长足发展。 ２ 信息处理速度的提高 机器人的动作通常是通过机器人的各个环节的驱动电动机的运动而实现的。 为了是机器人完成各种复杂动作，机器人控制器需要进行大量计算并在此基础上向 机器人的各个环节的驱动电动机发出必要的控制指令。随着信息技术的不断发展， CPU 的计算能力有了很大的提高，机器人控制器的性能也有了很大提高，高性能机 器人控制器甚至可以同时控制２０多个关节。机器人控制性能的提高，也进一步促 进了工业机器人本身性能的提高并扩大了工业机器人的应用范围。近年来，随着信 息技术和网络技术的发展已经出现了多台机器人通过网络共享信息并在此基础上进 行协调控制的技术趋势。 1.2 工业机器人在国内外的发展现状与趋势 目前，工业机器人有很大一部分应用于制造业的物流搬运中，极大的促进物 流自动化，随着生产的发展，搬运机器人的各方面的性能都得到了很大的改善和提 高。气动机械手大量应用到物流搬运机器人领域。在手爪的机械结构方面根据所应 用场合的不同以及对工件夹持的特殊要求，采取了多种形式的机械结构来完成对工 件的夹紧和防止工件脱落的锁紧措施。在针对同样的目标任务，采取多种运动方式 相结合的方式来达到预定的目的。驱动方面采用了一台工业机器人多种驱动方式情 况，由液压驱动、气压驱动、步进电机驱动、伺服电机的驱动等等。越来越多的搬 运机器人是采用混合驱动系统的，这样能够更好的发挥各驱动方式的优点，避免缺 点并在它的控制精度方面和搬运效率方面有了很大的提高。在搬运机械手的控制方 面出现了多种控制方式。如、有原始的电控机械手，较先进的基于工控机控制的， 基于ＰＣ控制的，进一步的嵌入式ＰＣ控制技术，还采用 PLC 可编程控制的。 在物料搬运方面，近年来呈现出的趋势就是系统化。无论是我国还是国外， 物料搬运的发展都是由单一设备走向成套设备；由单机走向系统。在制造业方面， 随着 JIT、FMS、CIMS 等现代制造技术的发展，对物料的搬运系统也提出了新的要 求，其特点是力求减少库存、压缩等待和辅助时间，使多品种、少批量的物料准时 到达要求的地点。这一趋势在机械工业方面得到了很大的应用，其中采用了机器人 等先进的物料搬运技术，促进了机械工业的技术进步和生产水平提高。 当代工业机器人技术发展一方面表现在工业机器人应用领域的扩大和机器人 的种类增多；另一方面表现在机器人机械系统的性能的提高和控制系统的智能化。 前者指的是应用领域的横向拓宽，后者是在性能及水平上的纵向提高，又使扩大机 器人应用领域的拓宽和性能水平的提高，又使扩大机器人应用领域成为可能。 1 工业机器人机械系统性能的提高 进一步提高工业机器人的运动精度。机器人是一种多关节开链结构，因此机 器人手臂的刚度一般都不高，另外由于构件的尺寸误差和传动间隙的存在，以及机 器人手臂末端误差的放大作用，是当前机器人的定位与运动还不能达到很高的精 度。度大、精度高的数控机床相比，机器人在工作精度上大为逊色。因此，至今工 业机器人在精密装配及其他精密作业中的应用中仍受到了很大的限制，除了精密作 业要求高精度机器人以外，采用离线编程的工业机器人系统也要求该机器人要具有 足够高的定位精度和运动精度。 进一步提高机器人工作精度的主要办法提高机器人的加工精度与装配精 度，采用无障传动的减速机构，采用直接驱动电机，通过标定机器人的。 2 误差补偿 通过实验检测对机器人运动误差进行实时修正，提高机器人手的灵活度和避 障能力当前常用机器人手的灵活度的都不够高，即手臂末端达到某一工作点时， 手臂可能采取的姿态是有限的，有时要有很大的灵活度和很强的避障能力。例如 当时喷涂机器人喷涂车身内表面时，要求机器人能将车身内表面的各个角落都喷上 漆，必须要有高灵活度机器人手才行。另外，在有限空间及有