多自由度机械手的控制新版专业系统设计毕业论文.doc
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1、成都工业学院成教院毕 业 设 计(论 文)论文题目: 多自由度机械手控制系统设计教 学 点: 重庆科创职业学院指引教师: 张建平 职 称: 讲师 学生姓名: 任龙 学 号:547497专 业: 机电一体化工程成都工业学院成教院制二一三年十二月二十五日成都工业学院成教院毕业设计(论文)任务书题目: 多自由度机械手设计任务与规定:此处要填写时间: 11月 28 日 至 年 4 月 17 日 共 20 周教 学 点: 重庆科创职业学院学生姓名: 任龙 学 号: 547497专业: 机电一体化工程指引单位或教研室: 重庆科创职业学院指引教师: 张建平 职 称:讲师成都工业学院成教院制毕业设计(论文)进
2、度筹划表日 期工 作 内 容执 行 情 况指引教师签 字.11.28-.12.20查找资料,选题.12.22-.1.31完毕论文草稿.2.1-.3.15完毕论文二稿写作.3.16-.4.5完毕论文终稿及格式修改.4.6-.4.20定稿,打印论文,做好评阅准备.4.21-.4.25论文评阅教师对进度筹划实行状况总评 签名 年 月 日 毕 业 设 计(论 文)教 学 点:重庆科创职业学院学生姓名: 任龙 学 号:547497专 业:机电一体化工程成都工业学院成教院制二一四年四月十日成都工业学院成教院毕业设计(论文)成绩考核表题 目: 多自由度机械手控制系统设计教 学 点: 重庆科创职业学院学生姓名
3、: 任龙 学号:547497专业: 机电一体化工程指引教师:张建平 职称: 讲师 所在单位: 指引教师意见: 签字: 年 月 日 评审意见: 评阅人: 年 月 日 答辩意见:答辩小组组长签名: 年 月 日毕业设计(论文)成绩1设计阐明书(论文报告) 分总分:(级别: )2答辩 分3平时成绩 分学校意见:年 月 日1 学生毕业设计(论文)正本存教学点。2 本表一式两份,一份存入学生档案,一份学校存档。3 此表须用钢笔填写。目 录摘要11 概况及现状分析21.2 机器人历史、现状31.3机器人发展趋势52 机械手设计52.1自由度及关节62.2基座及连杆62.2.1 基座62.2.2 大臂62.2
4、.3 小臂72.3.1机器人手部设计72.3传动方式83 驱动源选取与设计计算113.1 重要技术参数拟定113.2 各关节电机选取计算123.2.1 大臂旋转电机选取123.2.2 小臂旋转电机选取133.2.3 腰部旋转电机选取144 手部构造设计155各机械部件设计选取与校核185.1 轴设计与校核185.1.1 大臂旋转轴设计185.1.2 大臂轴强度校核185.2 轴承寿命校核216 控制系统设计236.1 单片机最小系统236.1.1 8051单片机简介246.2.2 复位电路256.1.3 振荡电路256.2 串行接口电路256.3 传感器266.3.1 传感器选型266.3.2
5、 硬件电路设计276.4 电动机控制276.4.1 L298N电机驱动芯片简介286.4.2 硬件电路图28结 论29参 考 文 献29ABSTRACT.31附件32多自由度机械手设计摘要:在当今大规模制造业中,公司为提高生产效率,保障产品质量,普遍注重生产过程自动化限度,工业机器人作为自动化生产线上重要成员,逐渐被公司所认同并采用。工业机器人技术水平和应用限度在一定限度上反映了一种国家工业自动化水平,当前,工业机器人重要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大工作,工作方式普通采用示教再现方式。本文将设计一台四自由度工业机器人,用于给冲压设备运送物料。一方面,本文将设计机器人底
6、座、大臂、小臂和机械手构造,然后选取适当传动方式、驱动方式,搭建机器人构造平台;在此基本上,本文将设计该机器人控制系统,涉及数据采集卡和伺服放大器选取、反馈方式和反馈元件选取、端子板电路设计以及控制软件设计,重点加强控制软件可靠性和机器人运营过程安全性。核心词:机器人,控制,伺服,制动1 概况及现状分析1.1机器人概述在当代工业中,生产过程机械化、自动化已成为突出主题。化工等持续性生产过程自动化已基本得到解决。但在机械工业中,加工、装配等生产是不持续。专用机床是大批量生产自动化有效办法;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重要办法。但除切削加工自身外,尚有
7、大量装卸、搬运、装配等作业,有待于进一步实现机械化。机器人浮现并得到应用,为这些作业机械化奠定了良好基本。“工业机器人”(Industrial Robot):多数是指程序可变(编)独立自动抓取、搬运工件、操作工具装置(国内称作工业机器人或通用机器人)。 机器人是一种具备人体上肢某些功能,工作程序固定自动化装置。机器人具备构造简朴、成本低廉、维修容易优势,但功能较少,适应性较差。当前国内常把具备上述特点机器人称为专用机器人,而把工业机械人称为通用机器人。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工作位置,或按照工作规定以操纵工件进行加工。 机器人普通分为三类。第一类是不需要人工
8、操作通用机器人,也即本文所研究对象。它是一种独立、不附属于某一主机装置,可以依照任务需要编制程序,以完毕各项规定操作。它是除具备普通机械物理性能之外,还具备通用机械、记忆智能三元机械。第二类是需要人工操作,称为操作机(Manipulator)。它来源于原子、军事工业,先是通过操作机来完毕特定作业,日后发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。工业中采用锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人,重要附属于自动机床或自动生产线上,用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外普通被称之为“Mechanical Hand”,它是为主机服务,由主机驱动。除少数外,工作程序普通是固定,因而是专用
9、。机器人按照构造形式不同又可分为各种类型,其中关节型机器人以其构造紧凑,所占空间体积小,相对工作空间最大,甚至能绕过基座周边某些障碍物等这样某些特点,成为机器人中使用最多一种构造形式,世界某些知名机器人本体某些都采用这种机构形式机器人。要机器人像人同样拿取东西,最简朴基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等某些构成抓取和移动机构执行机构;像肌肉那样使手臂运动驱动传动系统;像大脑那样指挥手动作控制系统。这些系统性能就决定了机器人性能。普通而言,机器人普通就是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三某些构成,如图 1-1 所示。图1-1 机器人普通构成对于当代智能机器人而言,还具备智能系统,重要是
10、感觉装置、视觉装置和语言辨认装置等。当前研究重要集中在赋予机器人“眼睛”,使它能辨认物体和躲避障碍物,以及机器人触觉装置。机器人这些构成某些并不是各自独立,或者说并不是简朴叠加在一起,从而构成一种机器人。要实现机器人所盼望实现功能,机器人各某些之间必然还存在着互有关联、互相影响和互相制约。它们之间互有关系如图1-2 所示。 图1-2 机器人各构成某些之间关系机器人机械系统重要由执行机构和驱动传动系统构成。执行机构是机器人赖以完毕工作任务实体,普通由连杆和关节构成,由驱动传动系统提供动力,按控制系统规定完毕工作任务。驱动传动系统重要涉及驱动机构和传动系统。驱动机构提供机器人各关节所需要动力,传动
11、系统则将驱动力转换为满足机器人各关节力矩和运动所规定驱动力或力矩。有文献则把机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三大某些。其中机械系统又叫操作机(Manipulator),相称于本文中执行机构某些。1.2 机器人历史、现状 机器人一方面是从美国开始研制。1958年美国联合控制公司研制出第一台机器人。它构造特点是机体上安装一回转长臂,端部装有电磁铁工件抓放机构,控制系统是示教型。 日本是工业机器人发展最快、应用最多国家。自1969年从美国引进两种典型机器人后,大力从事机器人研究。 当前工业机器人大某些还属于第一代,重要依托人工进行控制;控制方式则为开环式,没有辨认能力;改进方向重要是减少成本和
12、提高精度。 第二代机器人正在加快研制。它设有微型电子计算机控制系统,具备视觉、触觉能力,甚至听、想能力。研究安装各种传感器,把感觉到信息进行反馈,使机器人具备感觉机能。 第三代机器人(机器人)则能独立地完毕工作过程中任务。它与电子计算机和电视设备保持联系,并逐渐发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中重要一环。 随着工业机器人研究制造和应用领域不断扩大,国际性学术交流活动十分活跃,欧美各国和其她国家学术交流活动开展诸多。国际工业机器人会议ISIR决定每年召开一次会
13、议,讨论和研究机器人发展及应用问题。 当前,工业机器人重要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热解决等方面,无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展需要。使用工业机器人代替人工操作,重要是在危险作业(广义)、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业环境。 在国外机械制造业中,工业机器人应用较多,发展较快。当前重要应用于机床、模锻压力机上下料,以及点焊、喷漆等作业,它可按照事先制定作业程序完毕规定操作,但还不具备传感反馈能力,不能应付外界变化。如发生某些偏离时,就将引起零部件甚至机器人自身损坏。 随着当代化科学技术飞速发展和社会进步,针对于上述各个领域机器人系统应用和研究对系统自身也提出越
14、来越多规定。制造业规定机器人系统具备更大柔性和更强大编程环境,适应不同应用场合和多品种、小批量生产过程。计算机集成制造(CIM)规定机器人系统能和车间中其他自动化设备集成在一起。研究人员为了提高机器人系统性能和智能水平,规定机器人系统具备开放构造和集成各种外部传感器能力。然而,当前商品化机器人系统多采用封闭构造专用控制器,普通采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,采用专用微解决器,并将控制算法固化在EPROM中,这种专用系统很难(或不也许)集成外部硬件和软件。修改封闭系统代价是非常昂贵,如果不进行重新设计,多数状况下技术上是不也许。解决这些问题主线办法是研究和使
15、用品有开放构造机器人系统。美国工业机器人技术发展,大体经历了如下几种阶段:(1)1963-1967年为实验定型阶段。1963-1966年, 万能自动化公司制造工业机器人供顾客做工艺实验。1967年,该公司生产工业机器人定型为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,例如,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448台冲床都用工业机器人传递工件。(3)1970年至今始终处在推广应用和技术发展阶段。1970
16、-1972年,工业机器人处在技术发展阶段。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。据当时记录,美国大概200台工业机器人,工作时间共达60万小时以上,与此同步,浮现了所谓了高档机器人,例如:森德斯兰德公司(Sundstrand)创造了用小型计算机控制50台机器人系统。又如,万能自动公司制成了由25台机器人构成汽车车轮生产自动线。麻省理工学院研制了具备有“手眼”系统高辨认能力微型机器人。其她国家,如日本、苏联、西欧,大多是从1967,1968年开始以美国“Versatran”和“Unimate”型机器人为蓝本开始进行研制。就日本来说,1967年,日本丰田织机公司 引
17、进美国“Versatran”,川崎重工公司引进“Unimate”,并获得迅速发展。通过引进技术、仿制、改造创新。不久研制出国产化机器人,技术水平不久赶上美国并超过其她国家。通过大概实用化时期后来,从1980年开始进入广泛普及时代。国内虽然开始研制工业机器人仅比日本晚5-6年,但是由于种种因素,工业机器人技术发展比较慢。当前国内已开始有筹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迅速发展。1.3机器人发展趋势 随着当代化生产技术提高,机器人设计生产能力进一步得到加强,特别当机器人生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合,从而变化当前机械制造人工操作状态,提高了生
18、产效率。 就当前来看,总来说当代工业机器人有如下几种发展趋势: a)提高运动速度和运动精度,减少重量和占用空间,加速机器人功能部件原则化和模块化,将机器人各个机械模块、控制模块、检测模块构成构造不同机器人; b)开发各种新型构造用于不同类型场合,如开发微动机构用以保证精度;开发多关节多自由度手臂和手指;开发各类行走机器人,以适应不同场合; c)研制各类传感器及检测元器件,如,触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等,用传感器获得工作对象周边外界环境信息、位置信息、状态信息以完毕模式辨认、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划,同步,越来越多系统采用微机进行控制。2 机械手设计该设计目是为
19、了设计一台物料搬运机器人,运用既有已经报废焊接机器人,本文中构造设计重要偏向于对原有机构改造和机械手设计。2.1自由度及关节 图2-1 机械手该机器人具备四个自由度 ,即腰关节、肩关节、肘关节和腕关节,都为转动关节;尚有一种用于夹持物料机械手。2.2基座及连杆2.2.1 基座基座是整个机器人本体支撑。为保证机器人运营稳定性,采用两块“Z”字形实心铸铁作支撑。基座上面是接线盒子,所有电机驱动信号和反馈信号都从中出入。接线盒子外面,有一种引入线出口和一种引出线出口。2.2.2 大臂大臂长度230mm,详细尺寸如图2-2所示:图2-2大臂外形2.2.3 小臂小臂长度240mm,详细尺寸如图2-3所示
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