畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書題目名稱：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)院系名稱：機(jī)電學(xué)院2015年6月引言1.1課題背景隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類社會(huì)對(duì)產(chǎn)品的功能與質(zhì)量的要求越來越高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期越來越短，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，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(FlexibleManufactureSystem)便應(yīng)運(yùn)而生。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)用正受到越來越多的國家的重視。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)行二次開發(fā)編程。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀自70年代柔性自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)中以來，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，系統(tǒng)地開展了機(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，確定以開發(fā)點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人為主。為中國的工業(yè)以及制造業(yè)進(jìn)行了大量的技術(shù)研發(fā)工作，對(duì)提高中國制造業(yè)的生產(chǎn)效率提供了技術(shù)基礎(chǔ)。這是中國機(jī)器人事業(yè)從研制到應(yīng)用邁出的重要一步。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)器人熱潮中國也不例外，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):中國工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)空間巨大，年增長(zhǎng)率超過30%。中國將會(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。由于國內(nèi)機(jī)器人的科研與開發(fā)與國外尚有較大差距，雖然計(jì)劃開發(fā)的機(jī)器人基本上采用的是在國外基本成熟的技術(shù)，但國內(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]。隨著我國門戶的逐漸開放，國內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)將面對(duì)越來越大的競(jìng)爭(zhēng)與沖擊，因此，把握我國工業(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。1.2.2國外研究現(xiàn)狀自柔性制造概念出現(xiàn),各個(gè)制造業(yè)大國便積極研究，在西歐、美國、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]。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，自動(dòng)化成套設(shè)備已是自動(dòng)化裝備的主流及未來的發(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)線已形成一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)[7]。國外汽車行業(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。1.3課題研究?jī)?nèi)容與意義柔性自動(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（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)控專機(jī)等,根據(jù)用戶零件加工需求,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)由碼垛機(jī)進(jìn)行分類入庫。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)。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)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)，通過編寫程序語言，導(dǎo)入運(yùn)動(dòng)控制裝置，然后通過觸發(fā)命令，使機(jī)械手依照程序來做出相應(yīng)的動(dòng)作反應(yīng)。通過以上幾大方面的分析設(shè)計(jì)，六自由度串聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計(jì)便告一段落，通過三維軟件進(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。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，最大程度上降低成本，提高效益，為企業(yè)在競(jìng)爭(zhēng)中贏得時(shí)間。

2總體方案研究2.1柔性制造系統(tǒng)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，小批量或大批量的生產(chǎn)，然后進(jìn)行專用機(jī)床、專用夾具等設(shè)備的計(jì)劃，進(jìn)行批量生產(chǎn)。隨社會(huì)消費(fèi)類型的日益多樣化，需求商品的類型也日益多樣化，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。2.1.1優(yōu)點(diǎn)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；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；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)類零件，可加工尺寸范圍調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)的同類零件。相似的還有盤類、板類等。2.1.2柔性制造系統(tǒng)的組成完整的柔性生產(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。加工系統(tǒng)：柔性制造中的設(shè)備類型不定，由待加工零件所需工序而確定，一般的比如加工中心、數(shù)控車與數(shù)控銑，各類加工機(jī)床等。物料系統(tǒng)：存放零件及加工完成構(gòu)件，立體倉庫等。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。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。2.2方案研究方案設(shè)計(jì)需要針對(duì)用戶待加工零件的要求，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,才能最后確定能滿足用戶需求的整個(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。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)作，到此環(huán)節(jié)的結(jié)束動(dòng)作。2.2.1系統(tǒng)組成模塊化柔性生產(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)控專機(jī)等,根據(jù)用戶零件加工需求,合理配置的一種可重組、模塊化制造系統(tǒng)。經(jīng)過研究分析，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，開放軟件源程序，并配套了圖像化人機(jī)交互界面。圖1柔性生產(chǎn)線流程圖如圖1所示，此套柔性制造系統(tǒng)的柔性加工單元分別為：數(shù)控車床、自動(dòng)化立體倉庫、六自由度串聯(lián)機(jī)械手、并聯(lián)加工中心、CCD視覺檢測(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。當(dāng)生產(chǎn)設(shè)備接受主機(jī)生產(chǎn)命令時(shí)，通過總機(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。經(jīng)由出庫平移臺(tái)，移送到出庫皮帶傳送機(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)過下一個(gè)光電感應(yīng)開關(guān)時(shí)，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)開關(guān)，搬運(yùn)機(jī)器人開始工作。截止此時(shí)，之前的檢測(cè)數(shù)據(jù)開始應(yīng)用。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2時(shí)，搬運(yùn)機(jī)器人會(huì)按照另一套既定程序，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。25431自動(dòng)化立體倉庫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5431圖2柔性生產(chǎn)線布局圖當(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)過另一個(gè)90度轉(zhuǎn)角機(jī)后，觸發(fā)感應(yīng)器，對(duì)加工后的零件進(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)倉庫中取出配合零件，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)入入庫平移臺(tái)，三自由度搬運(yùn)機(jī)械手收到搬運(yùn)指令，搬運(yùn)該裝配體至自動(dòng)化立體成品庫中，至此，一套完整的柔性生產(chǎn)線的工作原理簡(jiǎn)述完畢。2.2.2控制原理柔性生產(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。圖3工作原理圖此套生產(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)。圖4CAN總線控制如圖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。3六自由度機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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。圖5工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)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、末端開放的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。在作業(yè)過程中實(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)構(gòu)的末端是無法支撐的，因而對(duì)工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)要求更為重要。3.1工業(yè)機(jī)器人的基本技術(shù)要求3.1.1工業(yè)機(jī)器人的自由度與工作空間在工業(yè)應(yīng)用中，機(jī)器人被用來作一系列重復(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。比如在汽車制造業(yè)，對(duì)車體內(nèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接工作，由于焊接角度與車身內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，很難通過一條直線到達(dá)指定焊接位置，此時(shí)，多自由度的串聯(lián)機(jī)器人便可以通過靈活的手臂進(jìn)行焊接操作。工業(yè)機(jī)器人末端所能到達(dá)的點(diǎn)的集合，稱為機(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)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)單描述了常見機(jī)器人的工作空間。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。圖6常見機(jī)器人結(jié)構(gòu)形式與工作空間3.1.2機(jī)器人技術(shù)參數(shù)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，來確定機(jī)器人的類型。第二，負(fù)載能力是在選定機(jī)器人種類后，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)的精確能力的大小。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)。在工作過程中，運(yùn)動(dòng)需平穩(wěn)可靠，無燥聲，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。表1機(jī)器人技術(shù)參數(shù)機(jī)構(gòu)形態(tài)串聯(lián)關(guān)節(jié)型自由度6負(fù)載能力10Kg重復(fù)定位精度±0.08mm動(dòng)作范圍關(guān)節(jié)Ⅰ轉(zhuǎn)動(dòng)-150°～+150°關(guān)節(jié)Ⅱ轉(zhuǎn)動(dòng)-150°～-30°關(guān)節(jié)Ⅲ轉(zhuǎn)動(dòng)+50°～-70°關(guān)節(jié)Ⅳ轉(zhuǎn)動(dòng)-150°～+150°關(guān)節(jié)Ⅴ轉(zhuǎn)動(dòng)-90°～+90°關(guān)節(jié)Ⅵ轉(zhuǎn)動(dòng)-180°～+180°最大速度關(guān)節(jié)Ⅰ轉(zhuǎn)動(dòng)60o/S關(guān)節(jié)Ⅱ轉(zhuǎn)動(dòng)60o/S關(guān)節(jié)Ⅲ轉(zhuǎn)動(dòng)60o/S關(guān)節(jié)Ⅳ轉(zhuǎn)動(dòng)60o/S關(guān)節(jié)Ⅴ轉(zhuǎn)動(dòng)60o/S關(guān)節(jié)Ⅵ轉(zhuǎn)動(dòng)60o/S本體重量≤95Kg安裝環(huán)境溫度0～+45oC濕度20～80%不結(jié)露其它避免易燃、腐蝕性氣體、液體勿濺水、油、粉塵等勿接近電器噪聲源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)。考慮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10kg為宜。3.2六自由度機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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)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。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：自由度計(jì)算公式：F=3n-2pl-2ph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)中沒有出現(xiàn)，ph=0，所以可得：F=3×6-2×6=6此機(jī)構(gòu)的自由度符合設(shè)計(jì)要求。圖7六自由度分布六自由度搬運(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。3.2.1一關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)為了能夠保證在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，輸出盤與機(jī)器人二關(guān)節(jié)通過回轉(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。電機(jī)的固定是通過連接螺釘與回轉(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。圖8一關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)圖此外，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。3.2.2二關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)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，傳遞到第三關(guān)節(jié)。所以圖9二關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)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。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。圖10二關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)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)下部底盤開有孔槽，與一關(guān)節(jié)連接盤相連接。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。3.2.3三關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)圖11三關(guān)節(jié)外形與內(nèi)部結(jié)構(gòu)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承受腕部其他關(guān)節(jié)對(duì)其產(chǎn)生的彎矩。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。3.2.4四、五關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)經(jīng)過三關(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)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。圖12四、五關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖首先電機(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，輸出在法蘭盤結(jié)構(gòu)，完成轉(zhuǎn)矩輸出。3.3機(jī)器人大臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化機(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)構(gòu)設(shè)計(jì)在現(xiàn)行的國際標(biāo)準(zhǔn)里并沒有一個(gè)唯一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。國內(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)性沒有理論依據(jù)，讓經(jīng)過鑄造、加工出來的機(jī)械手臂，一方面可能存在手臂材料過于結(jié)實(shí)、使得運(yùn)動(dòng)時(shí)的重量和慣量增加的問題，給機(jī)械手的運(yùn)行帶來負(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)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)開發(fā)周期延長(zhǎng)，開發(fā)成本也相應(yīng)增加。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。圖13機(jī)器人大臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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)械手一端通過螺栓與諧波減速器相連，周圍利用圓柱軸承承載徑向力，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)過程中的受力都在與軸承接觸面和螺栓連接。機(jī)械手另一端要承受整個(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，受力情況與下端類似，軸承接觸面和螺栓連接共同受到向下的力。所以，夾持位置選擇如圖14上圖左側(cè)圓盤螺栓連接處和圓盤外圓面，作為夾具圖14大臂受力圖與靜態(tài)應(yīng)力分布位置。受力方向?yàn)樯蠄D右箭頭，沿右側(cè)圓盤向下分布。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)圓盤與連桿連接位置。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。圖15是大臂優(yōu)化后的應(yīng)力分布圖，可以看出在盤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)。圖15優(yōu)化后大臂應(yīng)力分布圖3.4總體外形與最大動(dòng)作范圍設(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，為接下來的內(nèi)部傳動(dòng)設(shè)計(jì)做基礎(chǔ)。圖16機(jī)器人最大動(dòng)作范圍圖17總體關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)圖一個(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。4傳動(dòng)設(shè)計(jì)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、圖18RV減速器與諧波減速器重量輕、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)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減速器所帶來的經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)比普通單級(jí)減速器大[12]。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型為一關(guān)節(jié)RV減速器，其后關(guān)節(jié)為諧波減速器。4.1減速器結(jié)構(gòu)及工作原理4.1.1RV減速器圖18是RV傳動(dòng)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，它由漸開線行星齒輪傳動(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)。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]。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。圖18RV減速器傳動(dòng)簡(jiǎn)圖第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，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。圖19RV減速器輸入輸出方法在本課題中，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。軸轉(zhuǎn)動(dòng)的情況R=1+Z2/Z1×Z4i=1/RR：速比值Z1：輸入齒輪的齒數(shù)Z2：正齒輪的齒數(shù)Z3：RV齒輪的齒數(shù)Z4：銷根數(shù)i：減速比4.1.2諧波減速器諧波齒輪傳動(dòng)由三個(gè)基本構(gòu)件組成：諧波發(fā)生器（簡(jiǎn)稱波發(fā)生器）——是由凸輪（通常為橢圓形）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]。諧波傳動(dòng)工作過程如下圖所示，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)柔輪的齒就在變形的過程中進(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狀態(tài)。圖20諧波減速器構(gòu)成與原理波發(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。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狀態(tài)，簡(jiǎn)稱脫開；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，處在半脫開狀態(tài)，稱之為嚙出；有的逐漸進(jìn)入剛輪齒間，處在半嚙合狀態(tài)，稱之為嚙入。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—脫開這四種狀態(tài)循環(huán)往復(fù)不斷地改變各自原來的嚙合狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱之為錯(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)。柔輪齒和剛輪齒在節(jié)圓處嚙合過程就如同兩個(gè)純滾動(dòng)（無滑動(dòng)）的圓環(huán)一樣，兩者在任何瞬間，在節(jié)圓上轉(zhuǎn)過的弧長(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，所以柔輪在嚙合過程中，就必須相對(duì)剛輪轉(zhuǎn)過兩個(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。4.2設(shè)計(jì)計(jì)算及減速器選型機(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)。4.2.1尺寸及力矩分析圖21機(jī)器人關(guān)鍵尺寸由任務(wù)書可得知本課題所設(shè)計(jì)的機(jī)械手，其搬運(yùn)任務(wù)為質(zhì)量在10KG以內(nèi)的回轉(zhuǎn)體零件，整體機(jī)器人重量在95KG內(nèi)。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。根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量定義：dJ=x2dm，dm=ρdx=m/l·dx，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J=1/3·ml2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有轉(zhuǎn)矩公式：M=J·βJ=1/3·ml2=1/3×m×（580+350+160+130)2=148kg·m2β=Δw/Δt=5/6s-1所以由公式得：一關(guān)節(jié)最大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量約為M=2500N·m圖22負(fù)載循環(huán)線圖由計(jì)算可得圖22中計(jì)算參數(shù)，T1=2500NmT2=500NmT3=1500NmTem=7000Nmt1=0.2sect2=0.5sect3=0.2sectem=0.05secN1=N3=10r/minN2=20r/minNem=20r/min計(jì)算平均輸出轉(zhuǎn)速：有平均輸出轉(zhuǎn)速，結(jié)合負(fù)載循環(huán)圖，可以為接下來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。4.2.2減速器選型第一關(guān)節(jié)減速器采用RV減速器，依照手冊(cè)與設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選擇RV-E系列主軸承內(nèi)置型減速器。圖23RV-E型減速器型號(hào)標(biāo)記表2RV-160E型號(hào)規(guī)格如圖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)。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。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。計(jì)算減速機(jī)的壽命是否滿足要求規(guī)格值：最后確定規(guī)格：RV-160E-81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。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。表3工況系數(shù)有轉(zhuǎn)矩公式：M=J·βJ=1/3·ml2=1/3×m×（580+350+130)2=246kg·m2β=Δw/Δt=5/6s-1所以由公式得：二關(guān)節(jié)最大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量約為M=205N·m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。XB1型諧波減速器選型見表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，可以滿足二關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速10rpm。表4XB1單級(jí)諧波減速器規(guī)格依照上述方法，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)。4.2.3電機(jī)選型通過RV減速器與諧波減速器手冊(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)種類有兩種，一種伺服電機(jī)一種步進(jìn)電機(jī)。伺服電動(dòng)機(jī)又稱執(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，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無自轉(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。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(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(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)，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。圖24伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)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。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。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)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。重要的，步進(jìn)電機(jī)一般不具有過載能力，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。圖25型號(hào)的選定表5伺服電機(jī)容量根據(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)。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，既要滿足機(jī)械手轉(zhuǎn)速要求，又要考慮到成本，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)。4.3整體裝配經(jīng)過減速器及電機(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。圖26總爆炸圖至此，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發(fā)編程。

5控制原理及二次開發(fā)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。其從理論上來說是根據(jù)連軸器的運(yùn)動(dòng)研究出來的，經(jīng)過數(shù)學(xué)陣列演算出來；從控制上來說，是利用運(yùn)動(dòng)控制器來控制每個(gè)軸的伺服電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。5.1控制原理由主機(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。常見的工業(yè)串聯(lián)機(jī)器人的核心便是控制各個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)控制器，常見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)。圖27PC+運(yùn)動(dòng)控制卡系統(tǒng)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)。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)?？删幊唐骷?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]。運(yùn)動(dòng)控制卡作為控制信號(hào)、處理信號(hào)的一種，國內(nèi)固高運(yùn)動(dòng)控制卡，國際上科爾摩根運(yùn)動(dòng)控制卡。圖27所示兩種常見的運(yùn)動(dòng)控制卡，側(cè)邊有與電腦PC相連的信道傳輸口。圖28運(yùn)動(dòng)控制卡以六自由度機(jī)器人4軸運(yùn)動(dòng)控制卡說明運(yùn)動(dòng)控制卡的主要功能：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、零位尋找、手動(dòng)編碼器四種工作模式；13種原點(diǎn)返回工作方式；手動(dòng)編碼輸入功能：通過手動(dòng)編碼器可以直接控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)；二到四軸直線插補(bǔ)以及任何兩軸之間的圓弧插補(bǔ)；硬件間歇補(bǔ)償功能；軟限位功能；可編程中斷功能。圖29運(yùn)動(dòng)控制卡工作職能運(yùn)動(dòng)控制卡都配有開放的函數(shù)庫供用戶在DOS或Windows系統(tǒng)平臺(tái)下自行開發(fā)、構(gòu)造所需的控制系統(tǒng)。對(duì)于應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制卡的軟件程序，可根據(jù)適配的函數(shù)庫，應(yīng)用基本的編程知識(shí)進(jìn)行軟件的開發(fā)應(yīng)用，這是運(yùn)動(dòng)控制卡控制工業(yè)機(jī)器人的最大優(yōu)勢(shì)。因而這種結(jié)構(gòu)開放的運(yùn)動(dòng)控制卡能夠廣泛地應(yīng)用于制造業(yè)中設(shè)備自動(dòng)化的各個(gè)領(lǐng)域。5.2二次開發(fā)及編程5.2.1開發(fā)編程模式自動(dòng)化工業(yè)機(jī)器人大多數(shù)由程序控制運(yùn)動(dòng)，其編程模式有以下幾種：硬件邏輯結(jié)構(gòu)模式：操縱開關(guān)和啟停按鈕控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。圖30機(jī)器人示教引導(dǎo)或示教模式：如圖29所示，由人工導(dǎo)引機(jī)器人末端執(zhí)行器(安裝于機(jī)器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)末端的夾持器、工具、焊槍、噴槍等),或由人工操作導(dǎo)引機(jī)械模擬裝置,或用示教盒(與控制系統(tǒng)相連接的一種手持裝置,用以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程或使之運(yùn)動(dòng))來使機(jī)器人完成預(yù)期的動(dòng)作。軟件模式即PC編程：軟件編程就是讓計(jì)算機(jī)為解決某個(gè)問題而使用某種程序設(shè)計(jì)語言編寫程序代碼，從而使機(jī)器人完成人們預(yù)想的動(dòng)作。采用離線或在線方式進(jìn)行編程，然后由控制系統(tǒng)執(zhí)行此程序，并控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。5.2.2編程舉例本課題進(jìn)行的二次開發(fā)編程舉例為，基于PC機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡的簡(jiǎn)單控制。應(yīng)用的開發(fā)平臺(tái)需要：帶有PCI插槽的通用計(jì)算機(jī)控制的機(jī)器人、運(yùn)動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)包括標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)控制卡，如PC機(jī)單獨(dú)控制的機(jī)器人、模塊化機(jī)器人伺服電機(jī)測(cè)試平臺(tái)等；設(shè)備自成一體，配有鍵盤顯示器的模塊化機(jī)器人，柔性制造系統(tǒng)中的六自由度搬運(yùn)、加工單元等。表6運(yùn)動(dòng)控制卡開發(fā)包文件名VisualC++VisualBasicMatlabMAC3002SSP4.inf需要*需要*需要*MAC3002SSP4.sys需要*需要*需要*MAC2SSPv102.h需要不需要需要mac2sspv102.lib需要不需要不需要MAC2SSPv102.bas不需要需要不需要mac2sspv102.dll需要需要需要上述所需為開發(fā)程序所必須的硬件設(shè)備，另外所需的開發(fā)必須軟件及文件如表4所示，運(yùn)動(dòng)控制卡開發(fā)包SDK（SoftwareDevelopmentKit，即軟件開發(fā)工具包）。圖中帶*號(hào)為驅(qū)動(dòng)程序安裝時(shí)安裝于系統(tǒng)目錄；其他文件使用時(shí)導(dǎo)入工程中，位于安裝目錄下。所開發(fā)程序基本構(gòu)架原理為由操作人員操作，控制用戶操作界面的信息輸入，編寫控制程序時(shí)調(diào)用運(yùn)動(dòng)函數(shù)動(dòng)態(tài)鏈接庫程序及代碼，生成運(yùn)動(dòng)控制程序，由運(yùn)動(dòng)控制卡驅(qū)動(dòng)程序?qū)胗布O(shè)施，即運(yùn)動(dòng)控制卡，然后通過程序命令通過運(yùn)動(dòng)控制卡輸出命令到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，帶動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。VisualBasic6.0編程舉例在磁盤上新建一個(gè)目錄，如：E:\test\test1;打開VisualBasic6.0；圖31VB窗口設(shè)計(jì)新建一個(gè)工程，如圖30添加按鈕“啟動(dòng)”和“停止”；保存在E:\test\test1目錄下；在安裝目錄下MAC3002SSP4\DLL目錄找到MAC2SSPvXXX.bas文件，拷貝到test目錄下；選擇“Project”—“AddModule”—“Existing”，找到test1目錄下的MAC2SSPvXXX.bas文件，添加到工程中；雙擊窗口控件，在FormLoad事件中添加代碼：圖32代碼編輯DimerrAsLongDimiAsIntegerFori=0To15m_cardarray.v(i)=0Nextierr=ssp22_initialIferr=0ThenMsgbox"初始化失敗，錯(cuò)誤碼:"&err,vbOKOnly,"提示"Elseerr=ssp22_enum_cards(VarPtr(m_cardarray))Iferr=-1ThenMsgBox"尋找卡失敗，錯(cuò)誤碼:"&err，vbOKOnly,“提示”EndifEndif選擇UnLoad事件，在Form_UnLoad事件中添加代碼：ssp22_close雙擊“啟動(dòng)”按鈕，在CB_Start_Click事件中添加代碼：ssp22_start_pt_move0,0,20000,100,3000,1,2雙擊“停止”按鈕，在CB_Stop_Click事件中添加代碼：ssp22_sd_stop0,2上述簡(jiǎn)單編程運(yùn)行，X軸就會(huì)以100脈沖數(shù)/秒的速度啟動(dòng)，經(jīng)過1秒的時(shí)間加速到3000脈沖數(shù)/秒，并最終用2秒的時(shí)間減速到100脈沖數(shù)/秒并停止，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程輸出20000個(gè)脈沖，在運(yùn)動(dòng)中可以按下“停止”按鈕便會(huì)減速停止脈沖輸出。通過程序內(nèi)置語言命令還可以實(shí)現(xiàn)更多對(duì)于機(jī)器的控制。

6結(jié)論本文在對(duì)中原工學(xué)院FMS實(shí)驗(yàn)室及六自由度機(jī)器人做了深入剖析，研究分析了柔性生產(chǎn)線的控制原理，分析設(shè)計(jì)了六自由度串聯(lián)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)外形與傳動(dòng)裝置。運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks進(jìn)行模型設(shè)計(jì)與機(jī)械手大臂受力分析。最后進(jìn)行了機(jī)械手的軟件控制二次開發(fā)編程。通過研究分析，取得的主要進(jìn)展和結(jié)果如下：（1）根據(jù)國內(nèi)外柔性生產(chǎn)制造現(xiàn)狀，普及柔性制造及工業(yè)機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，提高企業(yè)效率加快發(fā)展的必要方法。（2）結(jié)合機(jī)械手技術(shù)要求及其工作空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，確定了六自由度串聯(lián)機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案，并完成了六自由度機(jī)械手六個(gè)關(guān)節(jié)的機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，同時(shí)建造出機(jī)械手的三維造型。（3）基于SimulationgXpress分析向?qū)?，?duì)機(jī)器人最關(guān)鍵的大臂進(jìn)行受力分析，研究其靜態(tài)應(yīng)力分布，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論支撐。（4）通過VisualBasic6.0利用軟件開發(fā)工具包，調(diào)用運(yùn)動(dòng)函數(shù)動(dòng)態(tài)鏈接庫程序及代碼，生成運(yùn)動(dòng)控制程序，進(jìn)行二次開發(fā)編程。本課題由于受各種原因所限，雖然在分析及建模的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了六自由度機(jī)械手的本體結(jié)構(gòu)，但如果進(jìn)行加工制造出合適的、符合技術(shù)要求的機(jī)器人還需要很多具體的工作。在完成整體模型建立后，經(jīng)過對(duì)各關(guān)節(jié)受力分析進(jìn)行減速器的選型，沒有在完成所有機(jī)械手裝配后對(duì)整體性能進(jìn)行測(cè)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方法。利用軟件的應(yīng)力分析，只有對(duì)單個(gè)實(shí)體大臂的應(yīng)力分析功能，對(duì)三維模型的整體分析方法需要進(jìn)一步探討。致謝本論文是在尊敬的導(dǎo)師崔江紅教授的悉心指導(dǎo)之下完成的。最初的論文定題直至最后完成撰寫，每當(dāng)難題出現(xiàn)，都會(huì)有崔老師的身影，為我悉心解答。崔老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕虒W(xué)理念以及忘我的工作熱情成為我科研道路上寶貴的精神財(cái)富，使我在今后學(xué)習(xí)研究以及人生的道路上，都充滿了鉆研的信心與追求夢(mèng)想的動(dòng)力。值此論文完成之際，我懷抱著一顆感恩的心，由衷的向我的導(dǎo)師——敬愛的崔江紅教授表達(dá)最崇高的敬意與感謝。感謝肖慶和、胡敏、朱繼華、安向東、路明老師在論文撰寫過程中給予的無私幫助；感謝王浩巖、夏創(chuàng)新、仝玉軻、梁耀文等課題組成員在研究及設(shè)計(jì)過程中提供的幫助與支持。在這里我還要向所有代課老師、輔導(dǎo)員以及所有幫助過我的人，表示由衷的感謝。最后感謝父母這么多年來默默無聞的支持與奉獻(xiàn)，您們的敦敦教誨成為我求學(xué)路上最寶貴的財(cái)富，您們的恩情我將永遠(yuǎn)銘記于心！

參考文獻(xiàn)[1]AlexandraF.Marques,AntonioC.Alves,JorgeP.Sousa.Anapproachforintegrateddesignofflexibleproductionsystems[J].ProcediaCIRP,2013,(7):586-591[2]王才東,吳建榮,王新杰,陳鹿民.六自由度串連機(jī)器人構(gòu)型設(shè)計(jì)與性能分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究.2013(29):9-14[3]韓建海,吳斌芳,楊萍.工業(yè)機(jī)器人[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2009[4]王文斌,機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004:17-125[5]孫英飛,羅愛華.我國工業(yè)機(jī)器人發(fā)展研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2012(12):2912-2918[6]趙杰.我國工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀與面臨的挑戰(zhàn)[J].航空制造技術(shù),2012(12):26-29[7]李云江.機(jī)器人概論[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011[8]梁一新,劉凱.促進(jìn)我國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化的戰(zhàn)略思考[J].現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì),2013:28-33[9]LiJ,MeerkovSM,ZhangL.Productionsystemsengineering:Problems,solutions,andapplications[J].AnnualReviewsinControl,2010,34(1):73-88[10]機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用編輯部,我國工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)狀與發(fā)展[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2013:1-6[11]Adrian-VasileDuka，NeuralNetworkbasedInverseKinematicsSolutionforTrajectoryTrackingofaRoboticArm[J]．ProcediaTechnology,Volume12,2014,Pages20-27[12]丁斌.新編機(jī)械設(shè)計(jì)知識(shí)百科[M].中國科技文化出版社，2006[13]何衛(wèi)東，劉珂熒，吳鑫輝．機(jī)器人用RV減速器參數(shù)化設(shè)計(jì)[J]．大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2015(36)：47-50[14]王曉偉，郝長(zhǎng)中．基于ADAMS諧波減速器的模態(tài)分析[J]．成組技術(shù)與生產(chǎn)現(xiàn)代化，2014(31)：50-62[15]肖瀟，楊金堂，全芳成，李京，田曉波．伺服電機(jī)的選型原則與計(jì)算[J]．機(jī)床與液壓，2014(42)：44-49[16]樂冠，張文輝．基于運(yùn)動(dòng)控制卡的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．信息通信，2014(4)：87基于C8051F單片機(jī)直流電動(dòng)機(jī)反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機(jī)MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對(duì)良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機(jī)的通用控制模塊的研究基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機(jī)控制的二級(jí)倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強(qiáng)型51系列單片機(jī)的TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的蓄電池自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機(jī)的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機(jī)的交流伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機(jī)的泵管內(nèi)壁硬度測(cè)試儀的研制基于單片機(jī)的自動(dòng)找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機(jī)的液壓動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機(jī)實(shí)現(xiàn)一種基于單片機(jī)的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機(jī)的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機(jī)的噴油泵試驗(yàn)臺(tái)控制器的研制基于單片機(jī)的軟起動(dòng)器的研究和設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制的高速快走絲電火花線切割機(jī)床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機(jī)的機(jī)電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機(jī)的智能手機(jī)充電器基于單片機(jī)的實(shí)時(shí)內(nèi)核設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的煙氣二氧化硫濃度檢測(cè)儀的研制基于微型光譜儀的單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)軟件構(gòu)件開發(fā)的技術(shù)研究