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1、工业机器人应用设计工业机器人应用设计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，逐步被企业所认同并使用。工业机器人的技术水平与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，工业机器人要紧承担着焊接、喷涂、搬运与堆垛等重复性同时劳动强度极大的工作，工作方式通常采取示教再现的方式。本文将设计一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、小臂与机械手的结构，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操纵系统，包含数据采
2、集卡与伺服放大器的选择、反馈方式与反馈元件的选择、端子板电路的设计与操纵软件的设计，重点加强操纵软件的可靠性与机器人运行过程的安全性，最终实现的目标包含：关节的伺服操纵与制动问题、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的示教编程与在线修改程序、设置参考点与回参考点。关键词：机器人，示教编程，伺服，制动目录第1章绪论3I .1机器人概述4II 2机器人的历史、现状4III 机器人的进展趋势4第2章机器人实验平台介绍及机械手的设计32.1自由度及关节42.2基座及连杆42.2.1基座72.2.2大臂72.2.3小臂72.3机械手的设计42.4驱动方式42. 5传动方式43. 6制动器4第3章操
3、纵系统硬件43.1操纵系统模式的选择43.2操纵系统的搭建43. 2.1工控机43. 2.2数据采集卡43. 2.3伺服放大器43. 2.4端子板43. 2.5电位器及其标定44. 2.6电源4第4章操纵系统软件44.1预期的功能44.2实现方法44. 2.1实时显示各个关节角及运动范围操纵44. 2.2直流电机的伺服操纵44. 2.3电机的自锁44. 2.4示教编程及在线修改程序45. 2.5设置参考点及回参考点4第5章总结41 .1所完成的工作45 .2设计经验46 .3误差分析47 .4能够继续探索的方向4致谢4参考文献4第1章绪论1.1 机器人概述在现代工业中，生产过程的机械化、自动化
4、已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。“工业机器人”(IndUStrialRobot):多数是指程序可变(编)的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置(国内称作工业机器人或者通用机器人)。机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机器人具有结构简单
5、、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，习惯性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称之专用机器人，而把工业机械人称之通用机器人。简而言之，机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或者按照工作要求以操纵工件进行加工。机器人通常分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，能够根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、经历智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称之操作机(Manipulator)o它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业,后来进展
6、到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。工业中使用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人，要紧附属于自动机床或者自动生产线上，用以解决机床上下料与工件传送。这种机器人在国外通常被称之为MechanicalHand,它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序通常是固定的，因此是专用的。机器人按照结构形式的不一致又可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都使用这种机构形式的机器人。要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类
7、似于指、腕、臂、关节等部分构成的抓取与移动机构一一执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动一传动系统；像大脑那样指挥手动作的操纵系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。通常而言，机器人通常就是由执行机构、驱动一传动系统与操纵系统这三部分构成，如图IT所示。执行机构机器人驱动-传动系统控制系统图1-1机器人的通常构成关于现代智能机器人而言，还具有智能系统，要紧是感受装置、视觉装置与语言识别装置等。目前研究要紧集中在给予机器人“眼睛”，使它能识别物体与躲避障碍物，与机器人的触觉装置。机器人的这些构成部分并不是各自独立的,或者者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功
8、能，机器人的各部分之间必定还存在着相互关联、相互影响与相互制约。它们之间的相互关系如图1-2所示。控制系统(一)智能系统工作对象图1-2机器人各构成部分之间的关系机器人的机械系统要紧由执行机构与驱动一传动系统构成。执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆与关节构成，由驱动一传动系统提供动力，按操纵系统的要求完成工作任务。驱动一传动系统要紧包含驱动机构与传动系统。驱动机构提供机器人各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足机器人各关节力矩与运动所要求的驱动力或者力矩。有的文献则把机器人分为机械系统、驱动系统与操纵系统三大部分。其中的机械系统又叫操作机(Manipulator),相
9、当于本文中的执行机构部分。1.2 机器人的历史、现状机器人首先是从美国开始研制的。1958年美国联合操纵公司研制出第一台机器人。它的结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，操纵系统是示教型的。日本是工业机器人进展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型机器人后，大力从事机器人的研究。目前工业机器人大部分还属于第一代，要紧依靠人工进行操纵；操纵方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向要紧是降低成本与提高精度。第二代机器人正在加紧研制。它设有微型电子计算机操纵系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各类传感器，把感受到的信息进行反馈,使机器人具有感受机
10、能。第三代机器人(机器人)则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机与电视设备保持联系，并逐步进展成为柔性制造系统FMS(FlexibleManufacturingSystem)与柔性制造单元FMC(FlexibleManufacturingCell)中的重要一环。随着工业机器人研究制造与应用领域不断扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国与其他国家学术交流活动开展很多。国际工业机器人会议ISIR决定每年召开一次会议，讨论与研究机器人的进展及应用问题。目前，工业机器人要紧用于装卸、搬运、焊接、铸锻与热处理等方面，不管数量、品种与性能方面还不能满足工业生产进展的需要。使用工业机器人代替人工
11、操作的，要紧是在危险作业(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，进展较快。目前要紧应用于机床、模锻压力机的上下料，与点焊、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，但还不具备传感反饿能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，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进展与社会的进步，针关于上述各个领域的机器人系统的应用与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与更强大的编程环境，习惯不一致的应用场合与多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造(CIM)要求机器人系统能
12、与车间中的其它自动化设备集成在一起。研究人员为了提高机器人系统的性能与智能水平，要求机器人系统具有开放结构与集成各类外部传感器的能力。然而，目前商品化的机器人系统多使用封闭结构的专用操纵器，通常使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，使用专用微处理器，并将操纵算法固化在EPROM中，这种专用系统很难(或者不可能)集成外部硬件与软件。修改封闭系统的代价是非常昂贵的，假如不进行重新设计，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与使用具有开放结构的机器人系统。美国工业机器人技术的进展，大致经历了下列几个阶段：(1) 1963-1967年为试验定型阶段。1
13、9631966年，_万能自动化公司制造的工业机器人供用户做工艺试验。1967年，该公司生产的工业机器人定型为1900型。(2) 1968-1970年为实际应用阶段。这一时期，工业机器人在美国进入应用阶段，比如，美国通用汽车公司1968年订购了68台工业机器人；1969年该公司又自行研制出SAM新工业机器人，并用21构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32条冲压自动线上的448台冲床都用工业机器人传递工件。(3) 1970年至今一直处于推广应用与技术进展阶段。1970T972年，工业机器人处于技术进展阶段。1970年4月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业机器人会议
14、。据当时统计，美国大约200台工业机器人，工作时间共达60万小时以上，与此同时，出现了所谓了高级机器人，比如：森德斯兰德公司（Sundstrand）发明了用小型计算机操纵50台机器人的系统。又如，万能自动公司制成了由25台机器人构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1967,1968年开始以美国的“丫”让加”与1力皿5”型机器人为蓝本开始进行研制的。就日本来说，1967年，日本丰田织机公司引进美国的“Versatran”，川崎重工公司引进“Unimate”,并获得迅速进展。通过引进技术、仿制、改造创新。很快研
15、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。通过大约10年的有用化时期以后，从1980年开始进入广泛的普及时代。我国尽管开始研制工业机器人仅比口本晚5-6年，但是由于种种原因，工业机器人技术的进展比较慢。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进展。13机器人进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一步得到加强，特别当机器人的生产与柔性化制造系统与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下列几个进展趋势：a）提高运动速度与运动精度，减少重量与占用空间，加速机器人功能部件的标准化与模块化，将机器人的各个机械模块、操纵模块、检测模块构成结构不一致的机器人；b）开发各类新型结构用于不一致类型的场合，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与手指；开发各类行走机器人，以习惯不一致的场合；C）研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、与测距传感器等，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。并使用专家系统进行问题求解、动作规划，同时.，越来越多的系统使用微机进行操纵。第2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
