生產(chǎn)線裝配機器人手臂設(shè)計畢業(yè)設(shè)計

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　狀配是產(chǎn)品生產(chǎn)的后續(xù)工序, 在制造業(yè)中占有重要地位, 在人力、物力、財力消耗中占有很大比例，所以為了節(jié)約裝配時間，實現(xiàn)裝配的自動化，裝配機器人應(yīng)運而生。本文介紹了裝配機器人的設(shè)計過程，其中緒論中介紹了設(shè)計的背景和意義，還有簡要的設(shè)計要求，然后根據(jù)設(shè)計要求先進行機器人的總體設(shè)計，接著針對每個部分進行了具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，最后為該機器人

2、設(shè)計了一套單片機控制系統(tǒng)。所設(shè)計的機器人為關(guān)節(jié)型機器人，自由度為六個；應(yīng)用步進電機來驅(qū)動每個關(guān)節(jié)的運動；在減速器設(shè)計中應(yīng)用了結(jié)構(gòu)緊湊的諧波齒輪減速；在傳動過程應(yīng)用了同步帶傳動；機器人的控制系統(tǒng)為基于單片機STC89C52的控制步進電機的控制系統(tǒng)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人；諧波齒輪減速；單片機控制；生產(chǎn)線</p><p><b>　　Abstract</b&

3、gt;</p><p>　　Assembly is a follow-up production processes in the manufacturing sector, which plays an important role in the manufacturing. It takes a large proportion in the consumption of human, material an

4、d financial, so in order to save assembly time, to achieve the automation of the assembly, the assembly robot came into being. This article describes the design process of the assembly robot. There are the background

5、0;and significance of the design in the introduction, which followed by a brief  design req</p><p>　　Keywords : Industrial robots; harmonic gear; microcomputer control; production line</p>&

6、lt;p>　　目錄 </p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1裝配機器人的概念1</p><p>

7、　　1.2工業(yè)機器人的分類1</p><p>　　1.3工業(yè)機器人的基本結(jié)構(gòu)2</p><p>　　1.4裝配機器人發(fā)展現(xiàn)狀2</p><p>　　1.5裝配機器人發(fā)展趨勢4</p><p>　　1.6課題研究的意義與內(nèi)容5</p><p>　　第2章 裝配機器人的總體設(shè)計7</p><

8、p>　　2.1設(shè)計目標和設(shè)計內(nèi)容7</p><p><b>　　2.2設(shè)計方案7</b></p><p>　　2.2.1 運動方案的確定7</p><p>　　2.2.2 傳動方式的確定8</p><p>　　2.2.3 驅(qū)動電機的選擇9</p><p>　　第3章 裝配機器人手

9、臂各部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計10</p><p>　　3.1 基本設(shè)計參數(shù)10</p><p>　　3.2 機器人各關(guān)節(jié)力和力矩的計算10</p><p>　　3.3 機器人各關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的設(shè)計13</p><p>　　3.3.1 關(guān)節(jié)1（腰部）的結(jié)構(gòu)設(shè)計13</p><p>　　3.3.3 關(guān)節(jié)3的結(jié)構(gòu)設(shè)計18<

10、/p><p>　　3.3.4 手腕的結(jié)構(gòu)設(shè)計20</p><p>　　3.3.5 手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計22</p><p>　　第4章 裝配機器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計28</p><p>　　4.1控制電路各芯片的選擇28</p><p>　　4.2控制電路原理圖的設(shè)計31</p><p><

11、b>　　結(jié)論33</b></p><p><b>　　致謝34</b></p><p><b>　　參考文獻35</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1裝配機器人的概念</p><p>

12、;　　設(shè)計所指的裝配機器人是工業(yè)機器人的一種。所謂工業(yè)機器人，就是一種具有自動控制操作移動功能，能完成各種作業(yè)的可編程的機電一體化產(chǎn)品。也可稱為機器人操作臂、機器人臂、機械手等。從外形來看，它和人的手臂相似，是由一系列剛性連桿通過一系列柔性關(guān)節(jié)交替連接而成的開式鏈。這些連桿就像人的骨架，分別類似于胸、上臂和下臂，工業(yè)機器人的關(guān)節(jié)相當于人的肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)，如圖1-1所示。操作臂的前端裝有末端執(zhí)行器或相應(yīng)的工具。也常稱為手或手抓。手

13、抓是由兩個或多個手指所組成，手指可以“開”或“合”，實現(xiàn)抓取動作和細微操作。綜上所述，裝配機器人就是指應(yīng)用在自動化生產(chǎn)線通過計算機控制能夠完成所要求的裝配任務(wù)的工業(yè)機器人。</p><p>　　突1-1 工業(yè)機器人基本結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　1.2工業(yè)機器人的分類</p><p>　　工業(yè)機器人按發(fā)展歷史的演變順序可分類三類，第一代機器人、第二代機器人和第三代機

14、器人。</p><p>　　第一代機器人具有示教再現(xiàn)的功能后具有可編程NC裝置，設(shè)有位置、速度、力等內(nèi)部信息的檢測元件（內(nèi)部傳感器）和基于這些傳感器的控制系統(tǒng)的私服機構(gòu)?，F(xiàn)在工業(yè)中應(yīng)用的噴漆、搬運、電焊機器人，大多屬于第一代機器人。</p><p>　　第二代機器人不僅具有內(nèi)部傳感器，還能利用外部傳感器探測外部環(huán)境和操作對象的有關(guān)信息，來改變行動，進行規(guī)劃，適應(yīng)外界的變化和干擾。第二代機器

15、人的中心技術(shù)是傳感器技術(shù)和微機控制技術(shù)。</p><p>　　第三代智能機器人將極大地擴展機器人的應(yīng)用領(lǐng)域，是當前研究的重點。智能機器人本身能夠認識工作環(huán)境、工作對象及其狀態(tài)，他根據(jù)人給予的指令和自身認識外界的結(jié)果，獨立地決定工作方式，由操作機構(gòu)和移動機構(gòu)實現(xiàn)任務(wù)目標，并能適應(yīng)工作環(huán)境的變化。</p><p>　　1.3工業(yè)機器人的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　機器

16、人整機，基本上由兩部分組成，一是操作機，一是控制裝置，操作機是機器人的本體結(jié)構(gòu)，包括： 基座、驅(qū)動器或驅(qū)動單元、手臂、手腕、末端執(zhí)行器、行走機構(gòu)以及安裝在操作機上的各種感受裝置等?？刂蒲b置一般包括計算機控制系統(tǒng)、司服驅(qū)動系統(tǒng)、電源裝置以及與操作者聯(lián)系的裝置等。</p><p>　　驅(qū)動器或驅(qū)動單元是機器人的動力執(zhí)行機構(gòu)，根據(jù)動力源的類別不同， 可分為電機驅(qū)動， 液壓驅(qū)動和氣動驅(qū)動三類。電動驅(qū)動在多數(shù)情況下采用直流

17、、交流司服電機， 也可采用力矩電機、步進電機等。</p><p>　　手臂和手腕是機器人操作機中的基本部件，它由旋轉(zhuǎn)運動和往復運動的機構(gòu)組成。其結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的， 但多數(shù)機器人的手臂和手腕是由關(guān)節(jié)和桿件構(gòu)成的空間機構(gòu)， 一般有3~10 個自由度組成，工業(yè)機器人一般有3~ 6 個自由度，由于機器人具有多自由度手臂、手腕的機構(gòu)， 使操作運動具有通用性和靈活性， 這也是區(qū)別于一般自動機的特點。</p>

18、<p>　　末端執(zhí)行器是機器人手腕末端機械接口所連接的直接參與作業(yè)的機構(gòu)，如夾持器，焊鉗，焊槍，噴槍或其他作業(yè)工具，傳感器等。</p><p>　　1.4裝配機器人發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　裝配是產(chǎn)品生產(chǎn)的后續(xù)工序, 在制造業(yè)中占有重要地位, 在人力、物力、財力消耗中占有很大比例, 作為一項新興的工業(yè)技術(shù), 機器人裝配應(yīng)運而生。</p><p>&l

19、t;b>　　1)我國的發(fā)展現(xiàn)狀</b></p><p>　　經(jīng)過多年來的研究與開發(fā), 我國在裝配機器人方面有了很大的進步。目前在裝配機器人研制方面, 基本掌握了機構(gòu)設(shè)計制造技術(shù), 解決了控制、驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計和配置、軟件設(shè)計和編制等關(guān)鍵技術(shù), 還掌握了自動化裝配線及其周邊配套設(shè)備的全線自動通信、協(xié)調(diào)控制技術(shù), 在基礎(chǔ)元器件方面, 諧波減速器、六軸力傳感器、運動控制器等也有了突破。</p>

20、<p>　　我國已研制出精密型裝配和實用型裝配機器人,如廣東吊扇電機機器人自動裝配線, 小型電器機器人自動裝配線, 以及自動導引汽車發(fā)動機裝配線, 精密機芯機器人自動裝配線等機器人示范應(yīng)用工程。近幾年來, 大連賢科機器人技術(shù)有限公司!與國內(nèi)5家高校、科研所合作, 開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的系列化模塊化直角坐標型裝配機器人CAD 設(shè)計平臺;開發(fā)出兩個系列共4 種規(guī)格的平面關(guān)節(jié)型裝配機器人; 開發(fā)出兩種類型3 個系列的直線運動單

21、元以及由此組成的直角坐標型裝配機器人; 研制出基于開放式體系結(jié)構(gòu)的機器人控制器。 賢科!自主開發(fā)的裝配機器人已在家電、電子儀表、輕工等行業(yè)得到初步應(yīng)用,其質(zhì)量不亞于國外同類產(chǎn)品, 是國內(nèi)當之無愧的最精密的裝配機器人。</p><p>　　上海交通大學研制的 精密一號裝配機器人!, 是一臺帶有多傳感器和多任務(wù)操作系統(tǒng)、可離線編程的高速、高精度、四軸SCARA 平面關(guān)節(jié)式智能精密裝配機器人。裝配機器人屬于高、精、尖的

22、機電一體化產(chǎn)品, 其自主開發(fā)一直受到國家863智能機器人主題專家們的關(guān)注, 必將取得更大的突破。</p><p><b>　　2)國外的發(fā)展現(xiàn)狀</b></p><p>　　美、日、西歐的制造業(yè)中約40% 的勞動力用于裝配, 西德電子工業(yè)產(chǎn)品總成本的50~ 70% 是裝配。裝配機器人是高質(zhì)量、高柔性、高效率完成自動裝配的理想手段。所以裝配機器人得到迅速發(fā)展, 如美國工

23、業(yè)界Delph i法調(diào)查表明到2000年應(yīng)用于裝配和檢驗的機器人銷售臺數(shù)將從1985年占工業(yè)機器人總數(shù)16%猛增到35%。日本裝配機器人的增長比任何其他工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的機器人都快, 增長速度比歐洲和美國更快。日本裝配機器人的增長臂人和其他工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的機器人都快, 增長速度比歐洲和美國更快。日本機器人的廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域在裝配工段, 1985年裝配機器人已達15800臺, 是焊接機器人的兩倍, 成為工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中應(yīng)用最多的機器人。1995 年

24、為33500 臺, 產(chǎn)值為2590~ 3000 億日元, 到2004 年, 達到55000 臺, 產(chǎn)值4200~ 5100億日元。這個數(shù)值遠遠高于其他領(lǐng)域機器人的發(fā)展速度, 為世界所矚目。日本作為機器人王國, 各產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用的機器人總數(shù)占世界的40%。其中裝配機器人近年來異軍突起,發(fā)展迅速。據(jù)日本產(chǎn)業(yè)機器人協(xié)會統(tǒng)計, 在1982 ~1991年的10年中, 日本用于</p><p>　　1.5裝配機器人發(fā)展趨勢<

25、;/p><p>　　目前機器人領(lǐng)域正在加大科研力度, 進行裝配機器人共性技術(shù)及關(guān)鍵技術(shù)的研究, 并朝著智能化和多樣化的方向發(fā)展。主要研究內(nèi)容集中在以下幾個方面:</p><p>　　1)裝配機器人操作機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計技術(shù): 探索新的高強度輕質(zhì)材料, 進一步提高負載/自重比, 同時機構(gòu)進一步向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。</p><p>　　2)直接驅(qū)動裝配機器人: 傳統(tǒng)機

26、器人都要通過一些減速裝置來達到降速并提高輸出力矩, 這些傳動鏈會增加系統(tǒng)功耗、慣量、誤差等, 并降低系統(tǒng)可靠性, 為了減小關(guān)節(jié)慣性, 實現(xiàn)高速、精密、大負載及高可靠性。一種趨勢是采用高扭矩低速電機直接驅(qū)動。</p><p>　　3)機器人控制技術(shù): 重點研究開放式, 模塊化控制系統(tǒng), 人機界面更加友好, 語言、圖形編程界面正在研制之中。機器人控制器的標準化和網(wǎng)絡(luò)化, 以及基于PC機網(wǎng)絡(luò)式控制器己成為研究熱點。編程

27、技術(shù)除進一步提高在線編程的可操作性之外, 離線編程的實用化的完善成為研究重點。</p><p>　　4)多傳感器融合技術(shù): 為進一步提高機器人的智能和適應(yīng)性, 多種傳感器的使用是其問題解決的關(guān)鍵。其研究熱點在于有效可行的多傳感器融合算法, 特別是在非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問題就是傳感系統(tǒng)的實用化。</p><p>　　5)機器人的結(jié)構(gòu)要求更加靈巧, 控制系

28、統(tǒng)愈來愈小, 二者正朝著一體化方向發(fā)展。</p><p>　　6)機器人遙控及監(jiān)控技術(shù), 機器人半自主和自主技術(shù), 多機器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制, 通過網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機器人遙控系統(tǒng), 在有時延的情況下, 建立預(yù)先顯示進行遙控等。升虛擬機器人技術(shù): 基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實以及臨場感技術(shù), 實現(xiàn)機器人的虛擬遙操作和人機交互。</p><p>　　7)智能裝配機器人: 裝配機器人的

29、一個目標是實現(xiàn)工作自主, 因此要利用知識規(guī)劃, 專家系統(tǒng)等人工智能研究領(lǐng)域成果, 開發(fā)出智能型自主移動裝配機器人,能在各種裝配工作站工作。</p><p>　　8)并聯(lián)機器人: 傳統(tǒng)機器人采用連桿和關(guān)節(jié)串聯(lián)結(jié)構(gòu), 而并聯(lián)機器人具有非累積定位誤差, 執(zhí)行機構(gòu)的分布得到改善、結(jié)構(gòu)緊湊、剛性提高、承載能力增加等優(yōu)點, 而且其逆位置問題比較直接、奇異位置相對較少, 所以近些年來倍受重視。</p><p

30、>　　9)協(xié)作裝配機器人: 隨著裝配機器人應(yīng)用領(lǐng)域的擴大, 對裝配機器人也提出一些新要求, 如多機器人之間的協(xié)作, 同一機器人雙臂的協(xié)作, 甚至人與機器人的協(xié)作, 這對一于重型或精密裝配任務(wù)非常重要。</p><p>　　10)多智能體(multiagent) 協(xié)調(diào)控制技術(shù): 這是目前機器人研究的一個嶄新領(lǐng)域, 主要對多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機理, 感知與學習方法, 建模和規(guī)劃、群體行為控

31、制等方面進行研究[1]。</p><p>　　1.6課題研究的意義與內(nèi)容</p><p>　　隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展, 必將迎來裝配機器人的飛速發(fā)展。我國機器人技術(shù)雖起步較晚, 在國家科技攻關(guān)項目及國家863計劃的支持下也得到了一定的發(fā)展, 但與國際先進水平還有很大差距, 目前國際機器人界都在加大科研力度,進行機器人共性技術(shù)及關(guān)鍵技術(shù)的研究, 并朝著智能化和多樣化

32、方向發(fā)展。因此, 發(fā)展我國的裝配機器人事業(yè)急不可待。我對于本課題的研究，通過對課題的逐步深入和研究，來完成對裝配機器人的初步設(shè)計，在這基礎(chǔ)上我還想做出一些創(chuàng)新，一方面開發(fā)一下創(chuàng)新思維，一方面在這個領(lǐng)域里做出一點突破，為裝配機器人事業(yè)出一份力。</p><p>　　這次畢業(yè)設(shè)計對我以后學習和工作也有深遠的現(xiàn)實意義：</p><p>　　1）對設(shè)計方案的思考，還有對設(shè)計中一些關(guān)鍵問題的解決，這

33、些都培養(yǎng)了我自己進行綜合分析和提高解決實際問題的能力，從而達到鞏固、擴大、深化所學知識的目的。</p><p>　　2）在設(shè)計中，查閱相關(guān)資料、手冊，學習這些資料中的知識要點和設(shè)計方法，從而運用到自己的設(shè)計中。這些培養(yǎng)了我調(diào)查研究，熟悉有關(guān)技術(shù)政策，運用國家標準、規(guī)范、手冊、圖冊等工具書，進行設(shè)計計算、數(shù)據(jù)處理、編寫技術(shù)文件的獨立工作能力。</p><p>　　3）通過指導教師地言傳身教，

34、還有自己對設(shè)計的見解，研究出一套或是多套設(shè)計方案。這樣使自己建立正確的設(shè)計思想；初步掌握解決本專業(yè)工程技術(shù)問題的方法和手段；從而使自己受到一次工程師的基本訓練。</p><p>　　本設(shè)計的主要的設(shè)計要求如下：</p><p>　　該關(guān)節(jié)型裝配機器人的設(shè)計，要求機器人結(jié)構(gòu)本體簡單、輕量、低摩擦和較低的重復定位精度。對機器人的控制采用單片機的控制系統(tǒng)，利用STC89C52單片機組成的控制系統(tǒng)

35、，完成對機器人的定向、定位以及手抓動作的精確控制。要求機器人動作迅速、便于控制。</p><p>　　第2章 裝配機器人的總體設(shè)計</p><p>　　本章對生產(chǎn)線自動轉(zhuǎn)配機器人的工作模式、總體結(jié)構(gòu)進行了分析與設(shè)計。結(jié)合具體的使用過程， 對系統(tǒng)實現(xiàn)的功能和可靠性要求等方面進行了簡要介紹。</p><p>　　2.1設(shè)計目標和設(shè)計內(nèi)容</p><p

36、>　　本次設(shè)計的最終目的是在確保零件的安全搬運的情況下，實現(xiàn)軸類零件準確裝配的機器人自動化裝配， 從而實現(xiàn)工裝配生產(chǎn)線的全自動化。在本次設(shè)計中， 需要完成機器人各部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計和部分之間的準確連接； 選擇合適的傳動方式和驅(qū)動電機， 實現(xiàn)準確的傳動精度和運行的平穩(wěn)性； 設(shè)計合理的末端執(zhí)行器用以完成對零件（如軸、盤等）的加持和裝配；選擇合適的減速器在保證合適傳動比的情況下，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的緊湊。</p><p>　　

37、本設(shè)計所要解決的主要問題是：三自由度腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計，腕部的傳動方法的結(jié)構(gòu)設(shè)計；各部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計；在保證結(jié)構(gòu)緊湊的情況下，各部分相互連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計；各個關(guān)節(jié)驅(qū)動的結(jié)構(gòu)設(shè)計和各件的安裝等。</p><p><b>　　2.2 設(shè)計方案 </b></p><p>　　2.2.1 運動方案的確定</p><p>　　根據(jù)主要的運動參數(shù)選擇運動形式是結(jié)構(gòu)

38、設(shè)計的基礎(chǔ)。常見機器人的運動形式有五種：直角坐標型、圓柱坐標型、極坐標型、關(guān)節(jié)型和SCARA 型，同一種運動形式為適應(yīng)不同生產(chǎn)工藝的需要，可采用不同的結(jié)構(gòu)。所選用的運動形式，在滿足需要的情況下，應(yīng)使自由度最少、結(jié)構(gòu)最簡單。</p><p>　　在以上五種運動形式中，關(guān)節(jié)型機器人動作靈活，工作空間大，在作業(yè)空間內(nèi)手臂的干涉最小，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，關(guān)節(jié)上相對運動部位容易密封防塵，這些特點都符合裝配機器人的設(shè)計要求

39、，因此，本設(shè)計運動方式確定為關(guān)節(jié)型。</p><p>　　圖2-1 關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)簡圖</p><p>　　關(guān)節(jié)機器人由2 個肩關(guān)節(jié)和1個肘關(guān)節(jié)進行定位，由2個或3個腕關(guān)節(jié)進行定向。其中，一個肩關(guān)節(jié)繞鉛直軸線旋轉(zhuǎn)，另一個肩關(guān)節(jié)實現(xiàn)仰俯。這兩個肩關(guān)節(jié)正交。肘關(guān)節(jié)平行于第二個肩關(guān)節(jié)軸線。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-1。</p><p>　　2.2.2 傳動方式的確定</p

40、><p>　　傳動機構(gòu)用來把驅(qū)動器的運動傳遞到關(guān)節(jié)和動作部位。機器人中常用的傳動機構(gòu)有： 齒輪傳動、螺旋傳動、皮帶及鏈傳動、流體傳動和連桿機構(gòu)與凸輪傳動。</p><p><b>　　1.齒輪傳動</b></p><p>　　機器人中常用的齒輪傳動機構(gòu)是行星齒輪傳動機構(gòu)和諧波傳動機構(gòu)。電動機是高轉(zhuǎn)速、小力矩的驅(qū)動器， 而機器人通常卻要求低轉(zhuǎn)速、大力

41、矩， 因此， 常用行星齒輪機構(gòu)和諧波傳動機構(gòu)減速器來完成速度和力矩的變換和調(diào)節(jié)。此外， 由于諧波傳動的結(jié)構(gòu)簡單、體積小，重量輕、傳動精度高、承載能力大、傳動比大， 且具有高阻尼特性。因此， 在本次的設(shè)計中選用諧波傳動。</p><p>　　在手抓的設(shè)計中，為了實現(xiàn)手抓的“開”、“合”，主要的傳動方式有齒輪齒條傳動、平行四桿機構(gòu)傳動等，齒輪齒條傳動，不僅能實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動向直線運動的轉(zhuǎn)換，而且傳動較為精確，結(jié)構(gòu)緊湊，便

42、于設(shè)計，所以手抓的傳動方式選用齒輪齒條轉(zhuǎn)動。</p><p><b>　　2.同步帶傳動</b></p><p>　　同步帶傳動是機電一體化產(chǎn)品設(shè)計中常用到的傳動方式，同步帶也叫做同步齒形帶，帶內(nèi)側(cè)的工作面制成齒形，帶輪的輪緣表面也制成相應(yīng)的齒形帶與帶輪是靠齒的嚙合進行傳動的。同步帶通常以鋼絲繩作負載心層，由于鋼絲繩受載后變形極小，仍能保持帶長不變，故帶與帶輪間不會產(chǎn)

43、生相對滑動，傳動比較恒定。同步帶薄而輕，可用于高速場合，效率可達98%，以上同步帶傳動的優(yōu)點都很適合本設(shè)計的傳動要求[3]，能實現(xiàn)關(guān)節(jié)3的準確傳動，因此，在本設(shè)計中還應(yīng)用到同步帶傳動。</p><p>　　2.2.3 驅(qū)動電機的選擇</p><p>　　驅(qū)動機器人關(guān)節(jié)運動的電機有伺服電機、步進電機和舵機等，其中步進電機結(jié)構(gòu)簡單。制造容易、價格低廉。它的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小、動態(tài)響應(yīng)速度快、易于啟

44、停、正反轉(zhuǎn)和無級變速也容易實現(xiàn)。這其中動態(tài)響應(yīng)速度快、易于啟停、容易實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和無級變速的特點和適合本設(shè)計的要求。因此，本設(shè)計選用步進電機作為驅(qū)動電機。</p><p>　　步進電機放的種類很多，主要按其工作原理可分為反應(yīng)式、永磁式和混合式（永磁感應(yīng)式）步進電機。其中，混合式步進電機的轉(zhuǎn)子上此案有永久磁鋼，可以說是永磁式，但是從定子和轉(zhuǎn)子的導磁體來看，又和反應(yīng)式相似，所以是永磁式和反應(yīng)式相結(jié)合的一種形式，故稱為混

45、合式。該類電機的特點是輸出轉(zhuǎn)巨大、動態(tài)性能好、步距角小、驅(qū)動電源電流小、功耗低、性價比較高，綜合了永磁式和反應(yīng)式兩種電機的特點，當繞組斷電時具有自鎖能力，本設(shè)計每個關(guān)節(jié)的動態(tài)轉(zhuǎn)矩較小，運用混合式這一特點就可以實現(xiàn)斷電式的關(guān)節(jié)自鎖，因此，本設(shè)計選用混合式步進電機。</p><p>　　第3章 裝配機器人手臂各部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　3.1 基本設(shè)計參數(shù)</p>&

46、lt;p>　　1）結(jié)構(gòu)形式： 關(guān)節(jié)式</p><p><b>　　2）自由度數(shù)： 6</b></p><p>　　3）驅(qū)動方式： 混合型步進電機</p><p>　　4）大臂回轉(zhuǎn)角度：≤20°/s</p><p>　　5）小臂回轉(zhuǎn)角度：±45°</p><p>

47、　　6）手腕回轉(zhuǎn)角度：±180°</p><p>　　7）大臂長度: 250mm</p><p>　　8）小臂長度: 250mm</p><p>　　9）最大持重： 0.5Kg</p><p>　　10）環(huán)境溫度：0～ 50C</p><p>　　11）電源：3 相；380V/50Hz</p&

48、gt;<p>　　3.2 機器人各關(guān)節(jié)力和力矩的計算</p><p>　　上一節(jié)列出的設(shè)計參數(shù)中，裝配機器人的最大持重為0.5Kg，在加上手爪的重量和工作中的不確定因素，初步確定機器人的末端載荷重量為</p><p><b>　　即載荷 。</b></p><p>　　這里計算機器人各關(guān)節(jié)所受的力和力矩時，采用力雅克比矩陣，將廣義

49、操作力矢量通過力雅克比矩陣換算成關(guān)節(jié)力矢量，從而計算出每個關(guān)節(jié)所受的力和力矩。具體過程如下：</p><p>　　本設(shè)計仿照PUMA560機器人的雅克比建立過程[5]計算出本設(shè)計機器人的雅克比矩陣，如下：</p><p>　　, , ,以此類推。</p><p><b>　　當 ， 時，</b></p><p>　　已知

50、末端廣義力矢量 </p><p>　　式中，n為末端所受力矩。</p><p>　　設(shè) 為6關(guān)節(jié)的驅(qū)動力</p><p>　　由公式 得出驅(qū)動力為：</p><p>　　設(shè) 為6關(guān)節(jié)所受力矩</p><p><b>　　由上式得出</b></p><p>　

51、　由此，就得出了每個關(guān)節(jié)所受的力和力矩。</p><p>　　3.3 機器人各關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的設(shè)計</p><p>　　3.3.1關(guān)節(jié)1（腰部）的結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　腰部的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3-1所示，下方的步進電機帶動諧波齒輪[6]的波發(fā)生器旋轉(zhuǎn)，通過諧波齒輪傳動來實現(xiàn)減速增距，輸出通過鍵連接和螺栓連接與其他部分連接，實現(xiàn)了關(guān)節(jié)1的旋轉(zhuǎn)運動。</p>

52、<p>　　圖 3-1 關(guān)節(jié)1的結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　上圖中，步進電機用螺栓固定在電機底座上，諧波齒輪采用柔輪固定，波發(fā)生器輸入，鋼輪輸出的傳動形式，柔輪同樣固定在電機底座上，電機與波發(fā)生器采用鍵連接實現(xiàn)徑向固定，由于電機輸出軸所受的軸向力較小，所以利用2個彈性擋圈就可以實現(xiàn)軸向固定。圖中的軸承選用的是深溝球軸承，因為輸出軸基本不受軸向力。</p><p>　　彈簧。具體結(jié)

53、構(gòu)如圖3-8所示。</p><p>　　圖3-8 手爪的結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　手爪中的齒輪的設(shè)計過程如下：</p><p>　　齒條所受的力主要是夾持工件是所受的反作用力 </p><p>　　工件重力 取摩擦系數(shù) </p><p><b>　　則 </b></p>&

54、lt;p><b>　　工作載荷 </b></p><p><b>　　初定齒輪模數(shù) </b></p><p><b>　　齒數(shù) </b></p><p>　　則 設(shè)傳動比 </p><p><b>　　轉(zhuǎn)矩 </b></p>

55、<p>　　小齒輪用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度241HB 286HB，平均取為260HB，大齒輪用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度229HB 286HB，平均取為240HB。直齒傳動。</p><p>　　齒面接觸疲勞強度計算</p><p><b>　　初步計算小齒輪直徑</b></p><p>　　小齒輪轉(zhuǎn)矩T1=180Nmm</p

56、><p>　　齒寬系數(shù) 參照表齒輪相對于軸承的位置懸臂布置時，軟齒面接觸，Ψd=0.3-0.4，取0.35</p><p>　　解除疲勞極限 =710MPa</p><p><b>　　=580MPa</b></p><p>　　初步計算的許用接觸應(yīng)力[ ]

57、 </p><p>　　由公式 [ ]≈0.9 =0.9x710=639MPa</p><p>　　[ ]≈0.9 =0.9x580=522MPa</p><p>　　Ad值 取Ad=85</p><p>　　初步計算小齒輪直徑d1</p><p>　　d1 =

58、85x =7.67mm 取d1=30mm</p><p>　　初步齒寬b=Ψdd1=0.35x30=10.5mm 取b=15mm</p><p><b>　　校核計算</b></p><p>　　圓周速度：v= = =1.57m/s</p>

59、<p>　　精度等級 選8級精度</p><p>　　初選齒數(shù)z和模數(shù)m z1=20；z2=iz1=1x20=180mm</p><p>　　m=d1/z1=30/20=1.5</p><p>　　使用系數(shù)KA KA=1.5

60、</p><p>　　動載系數(shù)Kv Kv=1.1</p><p>　　齒間載荷分配系數(shù) ，先求</p><p>　　Ft= = =12N</p><p>　　= =0.6N/mm 100N/mm</p><p>　　=[1.88-3.2(

61、)]cosβ </p><p>　　=[1.88-3.2( )]=1.61</p><p>　　= = =0.89 </p><p>　　由此得 = = =1.26</p><p>　　齒向載荷分配系數(shù) </p><p>　　=A+B( ) +C·10-3b</p><p

62、>　　1.17+0.16 +0.61 10-3 15</p><p><b>　　2.42</b></p><p>　　載荷系數(shù)K K=KAKv </p><p>　　=1.5x1.1x1.26x2.42=5.49</p><p>　　彈性系數(shù)ZE

63、 ZE=189 </p><p>　　節(jié)點區(qū)域系數(shù)ZH ZH=2.5</p><p>　　接觸最小安全系數(shù)SHmin SHmin=1.05</p><p>　　接觸壽命系數(shù)ZN

64、 ZN=1.2</p><p>　　許用接觸應(yīng)力[ ] [ ]= = =798MPa</p><p>　　[ ]= = =845MPa</p><p>　　驗算 </p><p>　　=189.8x2.5x0.89x </p&

65、gt;<p><b>　　=364MPa </b></p><p>　　計算結(jié)果表明，齒輪傳動副接觸疲勞強度比較合適，齒輪尺寸無需調(diào)整。否則，尺寸調(diào)整后還應(yīng)再進行驗算。</p><p><b>　　確定傳動主要尺寸</b></p><p>　　實際分度圓直徑d 齒輪無需圓整

66、 d1=mz1=2x15=30mm</p><p>　　d2=mz2=1x30=30mm</p><p>　　中心a a= =195mm</p><p>　　齒寬b b1=20mm；b2=20mm&

67、lt;/p><p>　　齒根彎曲疲勞強度計算</p><p>　　重合度系 =0.25+ =0.25+ =0.72</p><p>　　齒間載荷分配系數(shù) =1.4</p><p>　　齒向載荷分配系 b/h=2

68、0/(2.25x2.5)=2.8</p><p><b>　　=1.28</b></p><p>　　載荷K K= =1.5x1.2x1.4x1.28=3.22</p><p>　　齒形系數(shù) =2.46</p>&

69、lt;p><b>　　=2.19</b></p><p>　　應(yīng)力修正系數(shù) =1.65</p><p><b>　　=1.8</b></p><p>　　彎曲疲勞極限 =600MPa</p

70、><p><b>　　=450MPa</b></p><p>　　彎曲最小安全系數(shù) =1.25</p><p>　　彎曲壽命系數(shù)YN YN1=0.95</p><p><b>　　YN2=0.97</

71、b></p><p>　　尺寸系數(shù)YX YX=1.0</p><p>　　許用彎曲應(yīng)力 = </p><p><b>　　= =456MPa</b></p><p><b>

72、　　= </b></p><p><b>　　= =456MPa</b></p><p>　　驗算 </p><p>　　x2.46x1.63x0.676 </p><p><b>　　23.7MPa </b></

73、p><p><b>　　61 </b></p><p><b>　　60.5MPa </b></p><p>　　傳動無嚴重過載，故不做靜強度校核。</p><p>　　綜上可得，所選齒輪傳動副材料尺寸合格。</p><p>　　以上有關(guān)齒輪副校核計算內(nèi)容中所用公式，圖表等均參照

74、《機械設(shè)計》（第四版）</p><p>　　第4章 裝配機器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計</p><p>　　4.1 控制電路各芯片的選擇</p><p>　　1)單片機 STC89C52</p><p>　　STC89C52是最常見的MCS51系列單片機，是Inter公司早期的成熟的單片機產(chǎn)品，應(yīng)用范圍涉及到各行各業(yè)[8]，下面是它的引腳圖和在本設(shè)計

75、系統(tǒng)中應(yīng)用到的接線方法。</p><p>　　圖4-1 STC89C52引腳圖</p><p>　?。?）主電源引腳Vss和Vcc</p><p><b>　?、?Vss接地</b></p><p>　?、?Vcc正常操作時為+5伏電源</p><p>　?。?）外接晶振引腳XTAL1和XTAL2

76、</p><p>　?、?XTAL1為內(nèi)部振蕩電路反相放大器的輸入端，是外接晶體的一個引腳。當采用外部振蕩器時，此引腳接地。 </p><p>　　② XTAL2為內(nèi)部振蕩電路反相放大器的輸出端。是外接晶體的另一端。當采用外部振蕩器時，此引腳接外部振蕩源。</p><p>　?。?）控制或與其它電源復用引腳RST/VPD，ALE/ ，和 /Vpp</p&

77、gt;<p>　?、?RST/VPD 當振蕩器運行時，在此引腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平（由低到高跳變），將使單片機復位</p><p>　　在Vcc掉電期間，此引腳可接上備用電源，由VPD向內(nèi)部提供備用電源，以保持內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)。</p><p>　?、?正常操作時為ALE功能（允許地址鎖存）提供把地址的低字節(jié)鎖存到外部鎖存器，ALE 引腳以不變的頻率（振蕩器頻率的

78、）周期性地發(fā)出正脈沖信號。因此，它可用作對外輸出的時鐘，或用于定時目的。但要注意，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖，ALE 端可以驅(qū)動（吸收或輸出電流）八個LSTTL電路。 對于EPROM型單片機，在EPROM編程期間，此引腳接收編程脈沖（ 功能）</p><p>　?、?/Vpp為內(nèi)部程序存儲器和外部程序存儲器選擇端。當 /Vpp為高電平時，訪問內(nèi)部程序存儲器，當 /Vpp 為低電平時，則訪問

79、外部程序存儲器。</p><p>　　2) THB7128兩相混合式 步進電機芯片式驅(qū)動器選擇 </p><p>　　圖4-2 THB7128管腳圖</p><p>　　(1)特性：雙全橋MOSFET驅(qū)動，低導通電阻Ron＝0.53Ω; 最高耐壓40VDC，大電流3.3 A（峰值） ;多種細分可選（1、1/2、1/4、1/8、1/16、1/32、1/6

80、4、1/128）;自動半流鎖定功能 ;內(nèi)置混合式衰減模式 ;內(nèi)置輸入下拉電阻 內(nèi)置溫度保護及過流保護 </p><p><b>　　(2)管腳說明: </b></p><p>　　表 4-1 THB7128 引腳表</p><p>　　(3)端子說明：CW/CCW:電機正反轉(zhuǎn)控制CW/CCW為低電平時，電機正轉(zhuǎn)CW/CCW為高電平時，電機反

81、轉(zhuǎn)；ENABLE: 使能端ENABLE端子為低電平時，輸出強制關(guān)斷，為高阻狀態(tài)；ENABLE重新置為高電平時，恢復輸出； VREF電流設(shè)定端，調(diào)整此端電壓即可設(shè)定驅(qū)動電流值 Io（100%）=VREF*（1/5）*（1/Rs） Rs為NFA(B)外接檢測電阻 (例)VREF=1.5V、Rs電阻為0.3Ω時，設(shè)定電流為： Iout = (1.5V／5) ／ 0.3Ω = 1.0A 斬波頻率由OSC1端子端子-GND間連接的電容，依據(jù)下

82、面的公式設(shè)定。 Fcp = 1 ／ (Cosc1 / 10×10-6) (Hz) （例）Cosc1=100pF時，斬波頻率如下。 Fcp = 1 / (100×10-12 / 10×10-6) = 100(kHz) （電容值一般選在100PF至470PF之間，對應(yīng)的斬波頻率為100KHz至21KHz） 當CLK輸入低于1.6HZ時，芯片的輸出電流將自動降為正常工作電流的一半。 </p&g

83、t;<p>　　(4) THB7128衰減模式固定為混合式衰減模式，快衰和慢衰的比列為1：4 。 該IC為防止對電源或?qū)Φ囟搪穼е翴C損壞的情況，內(nèi)置了短路保護電路，使輸出置于待機模式。檢測出輸出短路狀態(tài)時，短路檢出電路動作，關(guān)斷一次輸出。此后，延遲一段時間（typ:256uS）之后再度輸出，如輸出仍然短路的話，將輸出固定于待機模式。由輸出短路保護電路動作而使輸出固定于待機模式的場合，可給VCC一個低電平來解除鎖定。

84、</p><p>　　4.2控制電路原理圖的設(shè)計</p><p>　　本設(shè)計對控制系統(tǒng)的要求主要是對步進電機的控制，控制電路主要的控制原理是，單片機STC89C52的 CP口接光電隔離器上，為控制系統(tǒng)提供脈沖信號；THb7128接線如圖所示；由于需要控制的步進電機較多，所以引腳控制設(shè)置較多;具體接線如圖4-3所示。</p><p>　　圖4-3控制系統(tǒng)原理圖<

85、/p><p>　　從STC89C52輸出的脈沖信號還需要經(jīng)過光電隔離電路還有功率放大電路才能驅(qū)動步進電機工作，因此，控制系統(tǒng)中還設(shè)計了光電隔離和功率放大電路。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計是我們作為學生在學習階段的最后一個環(huán)節(jié)，是對所學基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識的一種綜合應(yīng)用，是一種綜合的再學習、再提高的過程，這一

86、過程對學生的學習能力和獨立思考及工作能力也是一個培養(yǎng)，同時畢業(yè)設(shè)計的水平也反映了大學教育的綜合水平。在大學的學習過程中，畢業(yè)設(shè)計是一個重要的環(huán)節(jié)，是我們步入社會參與實際工作的一次極好的演示，也是對我們自學能力和解決問題能力的一次考驗，是學校生活與社會生活間的過渡。在完成畢業(yè)設(shè)計的時候，我盡量的把畢業(yè)設(shè)計和實際工作有機的結(jié)合起來，實踐與理論相結(jié)合。這樣更有利于自己能力的提高。</p><p>　　社會是在不斷的變化

87、、發(fā)展的，眼下社會變革迅速，對人才的要求也越來越高，要用發(fā)展的眼光看問題，要學會學習，學會創(chuàng)新，學會適應(yīng)社會的發(fā)展要求。在走出校園，邁向社會之即，把握今天，才能創(chuàng)造未來，老師的熏陶和教誨，使我懂得了更多處世為人的道理，有了一定的創(chuàng)新精神和鉆研精神。</p><p>　　在三個多月的畢業(yè)設(shè)計過程中，我學到了很多，這里有課本上的知識，還有很多課本上學不到的，這些都將成為我人生的一筆不菲的財富。</p>

88、<p>　　在畢業(yè)設(shè)計過程中，最困難也是最重要的我認為就是所謂的原始設(shè)計，就是設(shè)計靈感產(chǎn)生的階段。在這個階段中，如何讓自己快速地、準確地入題是這一階段的關(guān)鍵問題。我在解決這個問題上就花費很多時間，因為對裝配機器人的了解程度只停留在它的外形上，至于內(nèi)部的機械結(jié)構(gòu)還不知道，在經(jīng)過一個月的原始設(shè)計后，機器人的基本結(jié)構(gòu)就設(shè)計出來了，從此以后，在向下的設(shè)計就順利多了。</p><p>　　任何事情都是一分為二的，

89、在畢業(yè)設(shè)計過程中也暴露出自己專業(yè)基礎(chǔ)的很多不足之處。最突出的一點就是自己對專業(yè)基礎(chǔ)知識掌握的不牢，用到這些知識的時候還得查閱相關(guān)書籍在學習一遍；在者就是對知識綜合運用的技巧的缺乏，對材料了解的不夠透徹，。感覺自己所學習的只是冰山一角，面對稍微復雜的東西還是沒能得心應(yīng)手，再一次體會到學無止境的意義了。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　本次設(shè)

90、計，我要感謝母校——哈工大華德學院，是她的辛勤培育才有了我的今天；感謝汽車工程系，是她給我提供了良好的學習環(huán)境；而且，我要特別地感謝我的指導老師于連志老師，是他的耐心指導和諄諄教誨使我順利地完成了畢業(yè)設(shè)計。</p><p>　　于老師淵博的知識、嚴謹?shù)刂螌W態(tài)度、一絲不茍的工作精神和誠懇的為人，使我受益匪淺。同時，他在學習和生活上給予我的幫助和照顧，使我渡過了一個又一個的難關(guān)，讓我難以忘懷，感激不盡。</p&

91、gt;<p>　　感謝我的家人對我的支持和幫助。</p><p>　　感謝我的同學、朋友以及一切幫助過我的人。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 董欣勝 張傳思. 裝配機器人的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 大連機床集團有限責任公司</p><p>　　[2] 許果，王峻峰

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