喷漆机械手设计

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1、1摘要喷漆机械手设计 专业：机械电子工程 学号：20100310060314 学生姓名：贺永翔 指导老师：罗智中摘要工业机械手是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上建有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。本文设计的为工业常见的五自由度机械手，灵巧空间为以底座为基准的半球形区域。机械结构部分使用Pro/Engineer三维软件进行设计，以期获得部分零件的质心与转动惯量参数，然后根据获得的参数选择步进电机型号。电路控制部分采用51系列单片机作为控制中枢，L

2、298芯片作为电机驱动器。软件部分使用C语言编程，采用PWM技术进行脉宽调速。因为步进电机的特性，本文所设计的喷漆机械手采用的控制系统为开环控制系统。关键词：喷漆机械手 自动喷漆 机器人 工业机器人1ABSTRACTSpraying manipulator designABSTRACTThe spraying operation is a harmful dangerous jobs which is the most suitable for manipulator. In order to improve the appearance quality and work efficiency

3、 of our products,and ensure the quality of coating and appearance effect, it is necessary to develop automatic spraying equipment suitable for Chinas national conditions。But spraying equipment has special requirements for its control system,so we must first develop low cost automatic spraying manipu

4、lator control system.The painting manipulator is designed to meet the painting process at the same time, as far as possible to reduce the difficulty of operation, so that each painter can use manipulator after simple teaching.There are five degrees of freedom in the manipulator, all of which are rot

5、ational joints. Among them, three joint make manipulator going any position, the nozzle can reached the semi circular of smart space, the other two joint make nozzle turning around, nozzle can extend different spraying parts of the surface, in order to meet the spraying process.Key words：Spraying ma

6、nipulator operation difficulty painting process4目录目录摘要1ABSTRACT2第一章 绪论11.1喷漆机械手简介11.2研究意义11.3 研究现状11.4主要工作及流程3第二章 机械结构设计42.1 方案功能设计与分析42.2 关节部分设计62.2.1 位置自由度关节设计62.2.2 姿态自由度关节设计62.3 机械手三维模拟图7第三章 动力学分析-103.1 Pro/Engineer简介103.2 步进电机选型103.2.1 腕部及末端部分选型103.2.2 小臂部分电机选型113.2.3 大臂部分电机选型123.3 运动学方程分析12第四章

7、 控制电路164.1 控制硬件设计164.1.1 89C51芯片简介164.1.2 L298步进电机驱动器简介174.1.3 电路设计思路174.1.4 电路原理图184.2 控制软件设计184.2.1 第一种方案184.2.2 第二种方案18第五章 设计小结24参考文献25附录A 外文翻译原文26附录B 外文翻译译文3448贺永翔：喷漆机械手设计第1章 绪论1.1喷漆机械手简介机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备

8、普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。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，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件输送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。1.2研究意义对于多数金属而言，长期暴露在空气条件下会发生氧化，继而丧失金属原本性能，所以对于此类金属进行喷漆处理是相当重要的。传统的人工刷漆工作效率低

9、，重复刷漆过分单调，且由于油漆本身具有毒性，人体长期接触会影响身体健康。为解决上述问题，喷漆机械手应运而生。但是目前我国喷漆行业喷漆机械手尚未普及，因此，该产品在我国有较好的发展前景，喷漆机械手由喷枪、小回转臂、小臂、大臂、底座组成，它的主要功能是配合PWM控制系统完成产品表面的喷漆工作。本课题所设计的喷漆机械手适合目前我国喷漆声场的要求，能够达到喷涂质量好、工作性能稳定等目的。1.3 研究现状70年代中期，美国、R本等国已经开始应用液压式喷漆机器人f4”。但是由于液压式喷漆机器人存在某些缺点，如维修保养困难，噪声大，启动时适应性差，动力消耗大，位置重复精度低，成本高等，皆限制了它的广泛应用。

10、而电动喷漆机器人与液压式喷漆机器人相比较，具有很多优点：（1）不需要液压能源设备，结构简单，制造费用低；（2）维修时间和成本可大幅度降低，因为液压式喷漆机器人的6070故障起因于液压机构；（3）位置重复精度大大提高，液压式喷漆机器人位置重复精度一般为2毫米，而电动式机器人位置重复精度可提高到o5毫米；（4）动力消耗减少l314；（5）安装空问只占液压式喷漆机器人的23；（6）起动速度快，噪声小。由于电动喷漆机器人具有以上优点，故大大改善了喷漆机器人的喷涂性能。然而需要指出的是，喷漆机器人所喷出的漆雾和溶剂挥发都会形成可燃易爆气体，所以设计和使用喷漆机器人时必须考虑防爆要求。安装在喷漆现场的机器

11、人本体上的电气装置和元件必须符合工业防爆规范的要求148】，否则若电机运行时产生火花，就会有发生爆炸的危险，因此防爆问题将直接影响电动喷漆机器人的应用前景。 目前国外应用的电动喷漆机器人主要采用以下防爆结构H6】：（1）内压防爆结构：把电火花发生源一电机和位置检测器放八干净、充满新鲜空气(或其它不易燃气体)的容器内，使电机和位置检测器与具有可燃性的稀释剂挥发空气隔离丌来，咀此达到防爆目的。其结构必须配备通气管道、内压容器。（2）耐压防爆结构：指电机和位置检测器外壁做成足能承受内部爆炸所产生的压力，即使电机和内部检测器内发生爆炸，也不至影响其它结构。（3）本质防爆结构：从设备内在结构考虑，如采用

12、无刷交流伺服电机和无接触开关等，使电动式机器人的各种装置不存在火花源。随着防爆问题的有效解决，电动式喷漆机器人已经逐渐取代了液压式喷漆机器人。美国GMF公司首先研制了GMFP一100六轴关节型电动伺服驱动喷漆机器人，所有轴都是用高级小型交流伺服电机来驱动，无刷运转。该机器人具有工作范围大、连续轨迹示教盒示教、喷涂方便以及喷涂使用菜单驱动软件包等特点。F1本安川电机研究所开发了MotomanL5G轻小型防爆电机喷漆机器人，该机器人各轴均采用了附有绝对编码器的交流伺服制动电机，并配有控制器。系统整体具有防爆性能，各仪器均符合防爆规格，如交流伺服电机为耐爆结构，编码器为耐压防爆结构，示教盒为本质防爆

13、结构。这些电动喷漆机器人的开发推动了喷漆机器人的快速发展。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关和863计划，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人。从1983年丌始研制喷漆机器人，由于电动喷漆机器人的驱动器一交流伺服电机还未实现国产化，尚依靠进口，因此主要开发液压式喷漆机器人。其常用结构形式如图I一3所示。本体由四个部分组成。其中垂直手臂安装在机座的一个可绕中心垂直轴转动的圆盘上，同时自身还可以绕。轴前后摆动

14、，水平手臂装在垂直手臂上并绕D轴上下摆动。手腕可模拟人的手腕作上下左右摆动。1985年北京机械工业自动化研究所首先研制成功了PJ1型喷漆机器人。此后哈尔滨工业大学和北京实验厂等单位成功的开发了第一台装有挠性手腕的喷漆机器人HRGP，l。HRGP1喷漆机器人主要用于对汽车喷漆，其操作现场稚置大致如图14所示。整套机器人喷漆系统包括本体(带有可拆卸的示教手)、电控柜(含电脑)、示教盒、油源和喷漆装置(含气源、漆罐、喷枪等)。1.4主要工作及流程（1） 相关外文文献翻译；（2） 使用Pro/Engineer对机械手建模；（3） 根据零件质量对电机进行选型，建立运动微分方程，并使用CAD绘制机械手装配

15、图（A1）；（4） 使用Proteus绘制控制电路图，使用keil软件设计控制程序；第二章 机械结构设计2.1 方案功能设计与分析机械手的手臂是执行机构中的主要运动部件，它用来支承腕关节和末端执行器，并使它们能在空间运动。为了使手部能达到工作空间的任意位置，手臂一般至少有三个自由度，少数专用的工业机器人手臂自由度少于三个。手臂的结构形式有多种，常用的构型如下图。图3.1 三自由度机械手构型手腕的构型也是有多种形式。三自由度的手腕通常有以下四种形式：BBR型、BRR型、RBR型、RRR型。如图3.3所示：图3.2 四种三自由度手腕构型 B表示弯曲结构，表明组成腕关节的相邻运动构件的轴线在工作过程

16、中相互间角度有变化。R表示转动结构，表明组成腕关节的相邻运动构件的轴线在工作过程中相互间角度不变。BBR结构由于采用了两个弯头结构尺寸增加了，而RBR与前者相比结构紧凑。由于机械手的运动轨迹都要求机械手端面平行于某一固定工件平面，而且本系的末端执行器为喷口，即最后一旋转关节任意旋转对其姿态都没有影响，这样用喷口可以使机械手的姿态满足要求，且机械结构更加简单，减轻了重量。综合考虑后确定该机器人具有五个自由度，其中手臂三个自由度确定机械手的位置，后两个自由度确定喷口的姿态，最其结构形式如图3.4所示，3D效果图如图3.5所示：图3.3 喷漆机械手机构简图综上所述，该五自由度机械手由机座、腰部、大臂

17、、小臂、手腕、末端执行器和驱动装置组成。共有五个自由度，依次为腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕回转、喷嘴俯仰。2.2 关节部分设计2.2.1 位置自由度关节设计为了机械手工作灵活与反应迅速的要求，必须使得机械手的关节尽量结构简单轻巧。除了腰部关节不发生位置变化，其他关节均会因为机械手位姿不同而改变位置，所以关节的固定显得尤为重要。图2.4 关节连接处1号零件为电动机，2号和3号为腰部和大臂，其中步进电机跟2号腰部螺栓连接。4号为花键，4号花键与3号大臂固连，5号原件为类似瓶盖的螺母，它的作用是将3号大臂与2号腰部压紧，并固定4号花键。2.2.2 姿态自由度关节设计图 3.5 手腕连接处1号零

18、件为电动机，2号为小臂，其中1号电机与2号小臂固连，3号零件为手腕与电机轴固连，电机轴带动3号零件转动。图 2.6手腕内部结构1号为电动机，2号零件为齿轮，3号零件为齿轮与喷嘴组合零件，动力从电动机开始，借由涡轮蜗杆传动改变传动方向，再由齿轮传动使得喷嘴能够在120度的夹角内转动。2.3 机械手三维模拟图图2.7 喷漆机械手3D效果图将做好的三维效果图生成爆炸视图，如下：图2.8 喷漆机械手3D爆炸图根据所绘制的三维效果图先生成工程图，将生成的工程图导入CAD2007，经过剖面及修改，最终生成喷漆机械手装配图，如下图所示：图2.9 装配图主视图与左视图图2.10 装配图俯视图第三章 动力学分析

19、3.1 Pro/Engineer简介随着PC机3D设计软件在产品设计中的推广应用，机械产品的设计和开发向着3D化方向发展。采用3D设计软件，如SolidWorks，Pro/E，UG 等进行产品开发设计的主要优点在于，能够实时地评价零部件的结构工艺性、可装配性和可制造性等，推动了机械产品创新设计的进步。特别是基于三维设计技术的三维样机和仿真技术的发展，为机械产品创新设计的自动化提供了一种理想的技术支撑平台。计算机处理图形图像的不断提高以及Windows操作系统的长足发展，三维CAD软件在逐步由工作站环境向计算机化Windows平台方向发展，尤其是最近几年，三维 CAD软件在计算机平台和Windo

20、ws 环境下得到了很大的进步。Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。Pro/E的基

21、于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。3.2 步进电机选型3.2.1 腕部及末端部分选型由于腕部与末端部分电机轴轴线均经过质心，所以该部位电机选型应取决于电机尺寸，即电机尺寸不能大于腕部或末端尺寸。图3.1 步进电机型号结果：腕部及末端关节选用42BYGH425型电机。3.2.2 小臂部分电机选型图3.2 小臂质心参数用PROE质心分析功能，将空间直角坐标Z轴定义在电机轴所在轴线上，X轴与Y轴

22、方向如左图所示。右图为小臂关节驱动所有零件的质心参数，其中齿轮材料采用45钢，密度为7.8g/cm3，电机质量为0.34kg，其余喷嘴材料采用塑料密度1.2g/cm3，其余部分材料使用铝合金，密度为2.5g/cm3。由分析结果可得小臂总质量m=6.78kg质心坐标（x y z）=(1.93 0.818 0.20)如图所示，由于机械手位姿，Z轴方向的质量不会影响电机轴的转动，即步进电机转矩只需大于X轴与Y轴最大重力矩。M=14.212N*M图3.3 步进电机型号结果：小臂关节选用110BYG250B型电机。3.2.3 大臂部分电机选型图3.4 大臂质心参数3.3 运动学方程分析SCORBOT-E

23、R 4u机器人机械结构参数，采用D-H方法建立机器人坐标系，如图5.7所示。图3.8 机器人连杆模型根据机器人坐标系，列出其位姿矩阵，。 （3-1） 计算得到各位姿矩阵结果如下： （3-2） 采用解析法计算相应的运动学正逆解。其中，,运动学正解：根据，求解：。 （3-3） (3-4)运动学逆解：已知，运用解析法根据，逆求解，。求解： 即： (3-5)化简后有： （3-6）求解： （3-7）化简后得到： (3-8) (3-9)求解： （3-10）化简后令得到： （3-11）求解： （3-12）对上式化简后有：得到 （3-13）求解： （3-14）对上式化简后有：得到 (3-15)上面求解的，在其

24、角度允许范围，与实际角度可能存在着 的偏差，在程序中视实际情况取舍；而在范围内存在着两个可行解，其取舍需要根据实际的工作空间环境来定。第4章 控制电路4.1 控制硬件设计4.1.1 89C51芯片简介89C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用ATMEL公司可靠的CMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了CMOS的高速和高密度技术及CMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于89C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。89C52内置8

25、位中央处理单元、512字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。此外，89C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。89C52有PDIP(40pin)和PLCC(44pin)两种封装形式。89C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用ATMEL公司可靠的CMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于

26、标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了CMOS的高速和高密度技术及CMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于89C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。89C52内置8位中央处理单元、512字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。此外，89C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉

27、电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。89C52有PDIP(40pin)和PLCC(44pin)两种封装形式。4.1.2 L298步进电机驱动器简介L297是意大利SGS半导体公司生产的步进电机专用控制器，它能产生4相控制信号，可用于计算机控制的两相双极和四相单相步进电机，能够用单四拍、双四拍、四相八拍方式控制步进电机。芯片内的PWM斩波器电路可开关模式下调节进电机绕组中的电机绕组中的电流。该集成电路采用了SGS公司的模拟/数字兼的I2L技术，使用5V的电源电压，全部信号的连接都与TFL/CMOS或集电极开的晶体管兼容。喷漆机械手采用开环控制系统，该系统由控制电路直接

28、驱动电机，由于不存在反馈调节，所以在电路系统中，只有开关量的输入，和脉冲波的输出。电路原理图如下所示。所有步进电机均为两相电机。4.1.3 电路设计思路喷漆机械手的电路控制部分采用C51系列单片机系列作为控制枢纽，本文中采用的单片机为INTEL公司MCS-51系列单片机中的89C52。其中P0全部、P1全部以及P2的四个I/O均用于控制四项步进电机，即P007，P107，P214。由于喷漆机械手为开环控制，运作过程中需要初始位置一致，所以在剩余的12个I/O口中分配五个I/O口连接初始位置传感器，以便初始化。另外喷漆过程中有调速的需要，分配两个I/O口给调速快关，一个加速一个减速，这两个开关直

29、接控制PWM波的占空比。在控制过程中常常需要中断当前工作去执行下一个工作，这里再设置两个中断开关INT0跟INT1，两个I/O口。另外，考虑到喷漆机械手有可能需要人工控制它的位姿，此操作放在中断中进行，此时12个I/O除了中断源P32跟P33，其余10个用于直接控制电机正反转。因为89C52不能直接提供工作电流，所以需要步进电机驱动器。步进电机驱动器的选择一般跟步进电机工作电流有关，这里由于步进电机工作相电压只需3.12伏特，则使用常用的L298芯片驱动即可。4.1.4 电路原理图图4.1 电路原理图4.2 控制软件设计4.2.1 第一种方案先在计算机上模拟出零件喷漆外表面，然后通过PROE或

30、者其它仿真软件生成G代码，再将生成好的G代码编译成电机控制程序，适用USB接口直连计算机与单片机，达成实时交流，让单片机作为补助控制端对机械手进行控制。此方案适用于移动路径大，运动轨迹复杂的工作。4.2.2 第二种方案第一种方案操作复杂，运算量大，且耗费时间成本过高（需要对零件建模，还需要编译G代码）。本文自主设计了一种操作简便，且不需编译G代码的程序。程序借鉴了摄影机的原理，即一次性记录喷漆机械手走过的路程，在接下来的工作中反复播放这一路程。程序部分思路如下：单片机接通电源，接通单片机中断0，此时剩余的10个I/O 口均用于直接控制电机正反转，此时需要人工操作步进电机。每按下一次驱动电机的开

31、关，软件内部全局变量array增长1，将此时正在工作的电机号信息记录给全局变量selectarray，将正反转信息记录给全局变量turnarray，同时启动电机工作子程序run(selectarray,turnarray) ，然后启动延时函数turnpwm()，这里的延时函数通过改变全局变量PWM来改变延迟时间。程序如下：#include #define Aa=1;b=0;c=0;d=0;#define Ba=0;b=1;c=0;d=0;#define Ca=0;b=0;c=1;d=0;#define Da=0;b=0;c=0;d=1;#define uchar unsigned ch#def

32、ine uint unsigned intuchar PWM=0;int array;uint select1000;/考虑到单片机存储量有限，设置1000步uint turn1000;void turnpwm();void control();void run(uint a uint b);Void main()EA=1;IXO=1;ITO=1;For(i=0;i1000;i+)control();if(i=1000&P24=1)run(0,0);Turnpwm();if(i=1000&P25=1)run(1,0);Turnpwm();if(i=1000&P26=1)run(2,0);Tur

33、npwm();if(i=1000&P27=1)run(3,0);Turnpwm();if(i=1000&P30=1)run(4,0);Turnpwm();If(i=1000&P24=1&P25=1&P26=1&P27=1&P30=1)i=0;If(P34=0)PWM+;Turnpwm();If(P35=0)PWM-;Turnpwm();While(1);Void turnpwm() /占空比调节子函数 for(i=0;i100-PWM;i+)Control(); /控制子函数For(i=1;iarray;i+)Run(selecti;turani);Void input() interrupt

34、 0 /中断子函数If(P24=0)Array+;selectarray=0;turnarray=0;Run(selectarray,turnarray);Turnpwm();If(P25=0)Array+;selectarray=0;turnarray=1;Run(selectarray,turnarray);Turnpwm();If(P26=0)Array+;selectarray=1;turnarray=0;Run(selectarray,turnarray);Turnpwm();If(P27=0)Array+;selectarray=1;turnarray=1;Run(selectar

35、ray,turnarray);Turnpwm();If(P30=0)Array+;selectarray=2;turnarray=0;Run(selectarray,turnarray);Turnpwm();If(P31=0)Array+;selectarray=2;turnarray=1;Run(selectarray,turnarray);Turnpwm();If(P34=0)Array+;selectarray=3;turnarray=0;Run(selectarray,turnarray);Turnpwm();If(P35=0)Array+;selectarray=3;turnarra

36、y=1;Run(selectarray,turnarray);Turnpwm();If(P36=0)Array+;selectarray=4;turnarray=0;Run(selectarray,turnarray);Turnpwm();If(P37=0)Array+;selectarray=4;turnarray=1;Run(selectarray,turnarray);Turnpwm();Run(uint x,uint y )Swith(x)Case 0:sbit a=P00;sbit b=P01;sbit c=P02;sbit d=P03;Case 1:sbit a=P04;sbit

37、b=P05;sbit c=P06;sbit d=P07;Case 2:sbit a=P10;sbit b=P11;sbit c=P12;sbit d=P13;Case 3:sbit a=P14;sbit b=P15;sbit c=P16;sbit d=P17;Case 4:sbit a=P20;sbit b=P21;sbit c=P22;sbit d=P23;If(y)A;turn();B;turn();C;turn();D;turn();ElseD;turn();C;turn();B;turn();A;turn();第五章 设计小结经过一个学期的设计，体会到理论和实际相结合。为了设计机械手的

38、机械结构，在网上查阅了许多机械手的资料，但是资料中的机械手都不满足自己的设计要求，于是反复修改机械手的机械结构。为了实现机械手灵活与结构紧凑的特性，在PROE上反复仿真画图，期间整整重新设计了三次，最后才敲定了自己满意的造型。关于机械手电路部分的设计，其实一开始打算用软件的方式来设定机械手的运动轨迹，但是这么做一方面控制系统部分变得复杂，另一方面也增加了操作难度。后来联想到录像机的功能，先是人工操作机械手的运作，然后像录像机一样将电机的运动状态记录在软件里，以后每一次直接读取软件中的程序，就能满足轨迹要求。这次设计给我的感触颇多，也许是学生时代的最后一次设计，难免在结束的时候有一些感伤。但是这

39、也是我众多设计中学到东西最多的一次，感谢学校能给我们这次机会。参考文献【1】蓝朴森，黄善钧，罗绍维。喷漆机器人。涂料T业，1990(2)：24-29【2】金茂青，曲忠萍，张桂华。国外工业机器人发展态势分析。机器人技术与应用，2001，2(2)68【3】刘淑良，赵言止，高学山。喷砂、喷漆、测量用磁吸附爬壁机器人。高技术通讯，2000，10（9)：86-88【4】吴军，张大卫，杨志永，黄田。深孔管壁喷涂机械手的鲁棒跟踪控制方法。天津大学学报，2003，36(4)【5】吴军，张大卫，杨志永。狭长管壁自动喷漆机械手结构设计及控制方法。天津大学学报，2003，62（2）【6】金茂青，曲忠萍，张桂华。国外

40、工业机器人发展态势分析。机器人技术与应用，2001，2(2)68【7】申铁龙。机器人鲁棒控制基础。北京：清华大学出版社【8】陈美英。国外电动喷漆机器人发展概况。机器人情报，1993，(6)：3-6【9】蔡自兴。机器人学。北京：清华大学出版社，2000【10】OrtegaR，Loria A，KellyRA Semi-globally Stable Output Feedback PID Regulator for Robot ManipulatorsIEEETransAutomatControl，1995，40(2)：14321436附录A 外文翻译原文附录B 外文翻译译文机械传动控制R 惠利，

41、D 米切尔 和ME 机械制造工程系，匹兹堡大学摘要：机械传动，例如武器，由带有惯性盘的长轴，发动机，传动装置，控制平台和负载等等组成。分析过程被用于系统（可以自由控制输入转矩的系统）建模，这个系统有两个输出，一个是电机转角，另一个是负载力的位移。程序大致描述被比例控制的震荡模型系统。性能增强使用无源网络（只有电阻电容电感组成的电路），这样可以增加设计灵活性。计算开环和闭环系统。这种可以应用于输入量跟输出量个数不等的简单方法有待讨论。关键词：力，传动，机械力，模型，规定。符号A2（s）拉普拉斯阻抗变换矩阵方程式1电机转角c1,c2 阻尼系数2负载转角C(s)补偿函数C阻尼系数矩阵 D单位阶越函数

42、g1,g2反馈控制函数g11(s)转换矩阵的部分h1,h2测量结果J1电机转动惯量J2负载转动惯量J惯量矩阵k轴扭转刚度k补偿函数常量K刚度系数矩阵p(s)补偿函数分子q(s)补偿函数分母r(s)特定点方程s拉普拉斯变换变量t时间函数的拉普拉斯变换T1，T2力矩（N*M），补偿函数常数 D(s)闭环函数变换函数矩阵行列式1998年11月18日被授予理学硕士并与1999年3月18日正式毕业。*相似的作者：匹兹堡大学机械制造工程系，西约克郡的BD7 I DP，美国1介绍机械控制包括轴，齿轮机构，负载和离合器等.这些被广泛运用于工程系统里。在远程控制中，比如飞行控制（比如实例【1】），比如船舶控制和

43、稳定性，引自Bar-Itzhack和Birbanescu-Biran2。在自动变速机械中，精确控制尤为重要。同样的，在武器系统跟军火系统中，液压跟电力控制被广泛使用，引自Chaiet al . 3 and Huang et al . 4 。在增量计算中有许多系统进程申请，引自Rao 5 , Steidel 6 and Whalley et al。在这些准备下，系统方程式同时使用微分方程跟代数表达式，初始零状态，导入阻抗方程。系统方程式要实现这些运算会组成一个带有二次方程式的矩阵。联轴器会影响刚度矩阵以至于系统元件在稳定情况下的产生相互作用。因为快速扩大的模型空间，当考虑运行系统时，分析和控制的

44、困难会上升。常常这里有不同长度直径的轴，齿轮，电机，联轴器，刹车圆片和负载。球，止推，各种各样的轴承会被使用。当有数个输入输出，定量，惯性力，阻尼加入时，系统的复杂性会急剧升高。为了跟广泛的代表性，模型通常会有输出量大于输入量的情况，导致非方形矩阵，引自Whalley and Mitchell 8 andLourtie 9 .甚至当预紧力被安全无视的时候，当它被考虑时，导纳模型的复杂性在传动系统中也变的有意义。然而在变形阻抗模型中保留了一个二次方程的矩阵并且相对比较容易解决。从二次阻抗模型矩阵形式变化到有理函数导纳形式，模型的膨胀会发生在矩阵倒置时。基于此的推论，一个拥有m个输入m个输出2次的

45、阻抗表达式在转换为导纳表达式时会残生2m次的分母和2m-2次的分子。显然，对于输入跟输出的数量，会很大程度影响函数的复杂性。所以，在使用阻抗形式的时候，要尽可能谨慎的提高精度和计算量。2驱动部分驱动模型的结果在Fig.la里。模型使用这个前提使用电压电枢驱动。这种方法得出的结果会对电压的变化进行快速的反应。所以当电压变化可以给系统提供相同变量的时候，电机线圈的影响可以被忽略。另外驱动力矩的大小也会跟电流变化成比例关系。（a）图展示了武器系统的设置，（b）图展示了与之相同的简化示意图。驱动的首要目的驱动轴，齿轮，刹车片，发动机，联轴器，滚动和滑动轴承。负载和抹茶里的关系如图b所示，参照一系列连杆

46、机构。和输入转矩一样，传动装置的刹车力矩可以视为负载力矩。系统参数如下所示，J1=J2=100 kg m2,k=100.0 N m/radc1=10.0 N m s/rad c2=100 N m s/rad3 控制系统分析在这个驱动系统模型中，将会是一个开环情况。阻抗跟导纳函数同时被列出。基本方程为 （1）在这个矩阵中，拉普拉斯变换初始零状态，方程变为 （2） （3）在方程（3），这个方程的图解在图2.将驱动部分2中的参数带入方程2和方程3 （4）这个函数的图表为： （5）可以通过方程5计算时间域。这个特征可以从图3a跟b展示。开环函数的奇异点为：极点：s=0，-0.6107，-0.2446+

47、1.3196i零点：s=-0.5+0.9660i,-0.05+0.9987i一个策略会被使用以至于三个极点的实数部分在-0.6107和-0.2446衰退的慢一些。奇异点的影响会在图3a和b中展示。负载和电枢力矩在开环情况中不接受顺变衰退和超过极限。出于这个考虑三个极点都是非常麻烦的所以要有一种适合的方式去解决它。这个系统在没有过载的情况下必须在六秒内稳定下来，所以出于精密性考虑时间缩放也是有必要的。4 反馈控制分析第一个模型使用的是方程（2），在控制分析3中有唯一一个二次阻抗方程。第二个实现通过方程3有一个变换形式或者导纳形式。从阻抗形式到导纳形式的转换是会增加复杂度。出于这个考虑，二次阻抗矩

48、阵模型形成了一个有理数函数，二次分子，四次分母。结果，为了避免复杂性，尽量直接使用阻抗形式。比例项控制和增长型系统将被使用。反馈形式如下： （6）使得闭环方程也被建立出来。在这个系统中有两个输入。闭环方程置换，在方程（2），方程（6）。他们是：因此 (7)在方程（7）里 （8）和 （9）方程（9）中，q (s) =s + 和 p (s) =s +。结果 （10）并且，通过变换方程（10） （11）方程（11）中因为q (s) =s + ，当反馈被考虑时。 （12）结果，方程（12）的倒置 (13)在方程（13）中，引自Whalley（10）是 （14）并且带入方程（14）可得（15）5 控制设

49、计通过方程（15）有理函数项可以被很容易的创造，变成（16）这里当方程（16）被推导成 （17）如果“特别”零点在s=-1.1+-1.4i,那么从极点到零点这段方程（15）的映射，忽略方程的增长项，闭环情况下影响一般在极点左侧，这样会提升反馈的速度。通过这个“特别”零点，方程（17）变为 （18）如果 （19）会有一个解方程（19）解得 （20）如果在方程（20）中，因此 （21）解得n=1.3525or -0.4225 （22）方程（21）成立。比例系数k是任意取的，所以当g1=1,g2=1.3525，方程（18）变为 （23）变形得 (24)满足被给与的条件。这个系统是比例增长矩阵，形成了

50、方程（22）和（24）， （25）否则，方程（22），n=-0.4225,设g1=1和g2=-0.4225,在方程（18）中，解得 （26）方程（26）定义域（h1,h2）=(2.333,3.156) （27）（g1,g2）=(1,=0.4225) （28）所以 （29）6调节控制器使用控制设计5中的增长型控制器，使得方程 （30）从方程（22）和（24），或者，从方程（27）和（28）。以至于方程（30）变成 （31）结果，极点到零点映射 （32）给闭环函数的决定点设定一个值。图4表示函数的奇异点在没有补偿的情况，缓慢极点在s=-0.2446+-1.31961i将会在点的右边呈现增长形式。图

51、5将奇异点防止在s=-1.3,-13的结果。如果现在，最好的组你在高频率的闭环极点中，展示与图5，方程式为： （33）这是一个更合适的根轨迹图。当 ,闭环函数模型的方程（33）变为 （34）关于开环极点在-0.6107的地方达到最低点，在s=-0.2446+-1.3196i达到最大值。综上所述，对于网络衰退的补偿也包括了。高负载也跟里和高增益有关。7 闭环函数转换矩阵闭环函数可以很容易的从方程（13）得出。出于这个需要，现在被建立，它是矩阵构成的伴随矩阵中的一个量。结果： （35）正如方程（31）所示，方程的决定点与方程（25）或者方程（29）相同。闭环函数的分子函数是不懂的。为了取代板块2中

52、所给出的驱动参数，和控制器方程（25），闭环函数转换矩阵变为 （36）方程（36）的解是产生与方程（34）根轨迹中。如果控制器方程（29）规定的那样 （37）和 （38）带入方程（35），加上所有剩下的参数， （39）通过比较方程（36）跟（39），它们的分母是完全一样的。也就是说，然而，本质的变化体现在分子上。值得注意的是，当使用控制器（37）和（38）时，一个右极限零点出现在 2（s）中，这不是预料之中的。8 开环和闭环报告开环函数对于节点在输入上的响应，放在图3a和b。响应是震荡曲线，超过12秒才接近静止。通过这个系统刹车单元可以提供一个减速力矩，与T1相等或者相反。然而，刹车单元是一个

53、纯虚数反反应，而且负力矩不能由抹茶里产生。因此，刹车系统的反应力矩会比马达驱动力矩小或者相等。在闭环情况下，然而，反馈信号的极性可能会颠倒马达和刹车力矩方向。显然这种情况应该避免除非使用了马达发电机。如果现在闭环函数被使用，正如方程（6）给出的，变换转换为功能函数，见图6。对应与输入量r(s)的变化，输出量的变换见于图7，可以由转换功能矩阵或者图表仿真求得。作为这些瞬态变量，一个马达发电机和加速用刹车被引入，去解决方程（37）和（38）自从输出开始变为没有最小值的相位时的情况。没有去使用减速刹车正是太好了。控制器1，方程（25）给出的，提供了一种相反的情况，驱动马达转矩总是大于或者等于刹车转矩

54、。同时稳定时的输出现在是正数，见于图8。此外， 转速会抵达7200转，最大转速，正如根轨迹图5所示，提供了一个正常的情况和过阻尼响应，在没有超过极限负载情况下。这里也有大量的衰退。1和2在四秒后变为初值的百分之一，在开环情况下会在15秒后变为初值的百分之一。军火系统有着高力矩和快速响应要求，对于高转换力矩的浪费。因为要快速瞄准和迅速追踪。结果，使用高压液压系统对于控制的增益很大。如果通过电力控制，最好使用固态或者涡轮放大器，引自Taylor 11,Garnell and East 12 and Lander 13. 9结论在这种驱动控制设计下，多输出量系统是主要目的。使用了奇异点影响，能够避免

55、复杂的情况，作为第一道程序。系统中只有比例控制和输出反馈。清晰明确的根轨迹图很好的展示了驱动过程。此外，传统的相位发展延迟网络被引用了。附加的奇异点，提供了网格目的，使得远程控制变为可能。闭环系统没有“特殊”零点。然而，闭环系统的分子和分母都由比例控制器产生。这种情况可以是几个闭环控制器产生相同的分母但是不同的分母。在特殊情况下，远程负载被考虑在内。有马达输入和减速输入两个输入量。开环系统有着超长的响应时间，这一点不适合武器系统。这个研究是为了获得最少三倍的减少，在没有过载和负脉冲信号的时候，这个可以使用与飞弹系统。为了实现这一目标，可是使得开环函数极点无限接近坐标轴的左侧。这样产生的两个控制器中有一个因为在目标定义域中没有最小值而不于采纳。首选控制器，结合了相位超前网络，其根轨迹图有令人满意的阻尼和自然的频率特征。增益调节是的在阻尼角度接近45度时，=7200，提高了系统的阻尼容量。这种情况下没有超调量置位点并且，输出量会在四秒内衰退值初值的百分之一，这一点很是和特殊场合。48