SCARA机器人拧螺丝工作站设计【含SW三维图纸、说明书】
毕业论文(设计)题目名称:SCARA 机器人拧螺丝工作站设计所在学院:专业(班级): 学生姓名:指导教师:评 阅 人 :院长:SCARA 机器人拧螺丝工作站设计总计:表格:插图:摘要随着社会的工业化水平和工业生产的自动化程度不断提高,工业机器人对工业生产的作用也越来越重要,因而,SCARA 装配机器人的需求也越来越大。在此背景下,本文通过阅读文献,了解了国内外工业机器人技术的发展历程,在此基础上,设计了一种方便实用的 SCARA 平面关节型装配机器人,能够在平面内实现螺丝钉的装配作业。本文主要的研究工作包括如下:选择和确定 SCARA 机器人的传动方案,第一、二、四关节均以步进电机驱动,第三关节以连接谐波减速器的步进电机来带动丝杠螺母运动来实现 Z 轴方向上的竖直运动。完成 SCARA 机器人设计,大臂小臂的连接方式相似,都是以步进电机带动连接轴旋转,连接轴与大臂小臂的相连实现其自由度的旋转,丝杠通过支架固定在小臂上,实现竖直运动,丝杠螺母与滑块相连,末端执行器的步进电机则通过连接件与滑块相连,实现其自由度的旋转运动。通过对 SCARA 机器人工作任务、工作要求、工作环境的分析和性价比以及安装调试等因素的考虑, 对步进电机、谐波减速器、末端执行器、大小臂等结构或零件进行了参数计算、型号选择和通过 SolidWorks 进行三维建模,对 SCARA 机器人进行运动学分析,并以三次多项式为例对其进行了轨迹规划的生成。选择对基于 IPC+运动控制卡的开放式控制系统的硬件构成进行简单分析,并简单分析了 PTP、CP 和力(力矩)控制方式。关键词:SCARA 机器人;轨迹规划;结构设计。IABSTRACTWith the increasing level of industrialization and the degree of automation of industrial production, the role of industrial robots in industrial production is becoming more and more important. Therefore, the demand of SCARA assembly robots is also increasing.In this context, this article by reading the literature, to understand the development of domestic and foreign industrial robot history, development status and trends, on this basis, designed a convenient and practical SCARA plane joint assembly robot, can be implemented in the plane screw Of the assembly operations.The main research work of this paper includes the following: select and determine the SCARA robot transmission program, the first, two, four joint rotation are driven by stepper motor, the third joint to connect Harmonic reducer stepper motor to drive the screw nut movement to achieve vertical movement in the Z-axis direction. Complete the SCARA robot design, arm arm connected in a similar way, are driven by the stepper motor shaft rotation, connecting the shaft and the arm connected to achieve its degree of freedom of rotation, screw through the bracket fixed on the arm , To achieve vertical movement, the screw nut is connected with the slider, the end of the stepper motor through the connector connected with the slider to achieve its freedom of rotation of the movement. Through the SCARA robot work tasks, work requirements, working environment analysis and cost-effective and installation and commissioning considerations and other factors, the stepper motor, harmonic reducer, the end of the actuator, the size of the arm or other components of the parameters of the calculation, And the kinematics analysis of SCARA robot is carried out by three-dimensional modeling through SolidWorks, and the trajectory planning is generated by cubic polynomial as an example. The hardware configuration of the open control system based on IPC + motion control card is selected and the analysis of PTP, CP and force (torque) is analyzed.Key Words:SCARA Robot; Trajectory Planning; Structural DesignII目录摘要IABSTRACTII1 绪论11.1 引言11.2 国内外研究的概况和发展趋势12 SCARA 装配机器人总体设计42.1 传动方案的选择42.2 机器人的基本技术参数53 SCARA 的运动学研究63.1 位姿描述63.2 正运动学分析63.3 逆运动学分析83.4 轨迹规划的生成94 关键零部件设计计算124.1 步进电机的计算和选择124.2 滚珠丝杠的选型设计及计算145 SCARA 装配机器人机械结构设计165.1 大臂机械结构设计165.2 小臂机械结构设计165.3 腕关节机械结构设计175.4 机器人的总体结构设计186 控制系统设计196.1 控制系统的硬件构成196.2 SCARA 机器人的控制方式196.3 SCARA 机器人的控制流程207 结 论22参 考 文 献23附录 1:外文翻译24附录 2:外文原文30ISCARA 机器人拧螺丝工作站设计1 绪论1.1 引言工业产品的装配,广泛使用螺纹连接来紧固。大量的螺纹装配需要人工完成,机械装配操作仍然是高度劳动密集型的。全球工业装配中,近 70%由螺纹连接构成,螺纹连接占据全部装配工作量的三分之一。以家电、家具装配环节为例,螺纹连接所消耗的人力和工时可以达到整个生产线消耗总量的 1/4 到一半以上1。工业机器人根据机械结构和坐标系特点可分为直角坐标型(3P)、圆柱坐标型(R2P)、球坐标型(2R)和关节坐标型(3R)的机器人,关节坐标型机器人的结构类似于人手臂, 其位置和姿态完全由旋转运动实现,而平面关节型机器人,即 SCARA 机器人可看作 关节坐标型机器人的特例。SCARA 机器人结构简单、体积小、重量轻、安装方便、具有很好的通用性,而且动作迅速、定位精度高,此外,SCARA 机器人一般采用步进电机驱动,控制简单,编程方便。SCARA 机器人拧螺丝工作站可代替人工特定的螺丝紧固作业,实现自动化装配;操作简单便利、高速精确;通用性强。体积小,可 配合产线作业,更换产品方便,具有极高的应用价值。1.2 国内外研究的概况和发展趋势1948 年诺伯特维纳在其著作控制论里首次提出自动化工厂的概念,阐述了机器人和控制体系互相结合的发展规律,为机器人的控制理论奠定了基础。20 世纪 50 年代初期,位于美国伊利诺州的阿贡实验室研发了第一代遥控式机械手来操作放射性材料,避免了科学家受到辐射的侵害。同时代的乔治德沃设计研发了一台可以通过程序控制的工业机器人样机,并提出技术方案,随后申请了专利。两年之后随着串联机构在工业领域的广泛使用,其系统误差的长期累积和空间定位精度低等因素促使人们第一次提出了示教再现的编程模式,并运用数控技术和机械臂的结合制造出了第一台工业机器人,它的出现和新的编程理念使得重复定位精度远超绝对定位精度,其意义影响深远。1962 年,美国万能自动化公司研制了一台名为 Unimate 的机器人,它采用极坐标式结构,动作灵活、伸缩自如。而早在 4 年前,恩格尔伯格和乔治德沃尔创立了第 1 家机器人公司 Unimation,恩格尔伯格因而被称为机器人之父。1968 年,日本川崎公司开始学习美国公司先进的机器人制造技术,结合本国机器人产业发展的前景开发出了一系列成本低廉,实用性较好的机器人,为日本的工业和制造业领域发展提供了极大的动力和推动作用,促使日本的工业制成品以物美价廉而畅销全球市场。从 1970 年开始,机器人应用开始在各国工业领域掀起一波又一波- 25 -浪潮。1973 年,ASEA 公司(现在的ABB)推出了世界上第一个微型计算机控制、全部电气化的工业机器人 IRB 一 6,为了满足弧焊的要求,它可以进行连续的路径移动。1978 年,日本教授牧野洋设计出了具有 4 个自由度的可选择柔顺装配机械手(SCARA)。1979 年 Unimafion 公司推出了一系列带有触觉、力觉和视觉的 PUMA 工业机器人, 它的出现把机器人技术带入了智能化的时代,使得机器人技术的发展和时代要求紧密的结合在一起2。20 世纪 80 年代,随着汽车制造业的崛起,工业机器人开始以 20%40%的速率高速发展,机器人技术开始在汽车工业生产中推广普及,这使得整个机器人技术在现代工业生产领域变得越来越重要。1984 年机器人在全球各国的数量从最开始的不足10 万台,稳步上升到 1990 年接近 30 万台,其中带有嗅觉、视觉、触觉的高性能机器人成为了新研发机器人中的主要对象,并且促进了机器视觉技术和传感器检测技术的稳步成长。1985 年美国的两家公司率先开始在工业机器人领域使用交流伺服技术, 使得自动化控制装备性能进一步提升。随着装配机器人在机器人领域所占比重越来越大,提高机器人的质量和效率问题成为了各国机器人研究领域关注的重点。20 世纪末,柔性装配线研发成功,以日本为代表的各国开始广泛发展机器人产业,就此装配机器人开始进入蓬勃发展的阶段。21 世纪以来,机器人在各国开始大范围的投入使用,各国政府都加大了对机器人产业的投资力度。美国政府从 2011 年开始先后投入 7000 万美元发展本国的机器人技术和先进制造技术,并制定了“先进制造业国家战略计划”,力图使美国的制造业重新占领市场高点。韩国在 2014 年提出到 2018 年完成机器人产业的投资翻两倍,机器人公司的数量增加一倍的目标。欧盟则联合其下属的 180 个公司和科研机构一起推出家用机器人研究计划“SPARC”。同年,英国政府也提出机器人战略 RAS2020, 目标是在 2025 年使整个英国机器人产值在 1200 亿美元左右。我国的工业机器人研究始于 1960 年,先后发展了 50 多年,经历了从模仿到自主创新的各个阶段。1972 年,我国立足于开发自己的第一代工业机器人,进入 80 年代后,机器人研究与开发和国家政策有机结合。86 年国家高新技术研究发展计划正式提出,我国在机器人领域取得一系列重大科研成果,并结合国内产业链的实际情况陆续研制出一批工业机器人; 如今以新松为代表的一批国内企业开始推出自己品牌的机器人并逐步在市场推广。时至今日,我国在机器人技术某些领域已接近国际前沿水平,但是在很多方面也面临着不少问题。国产机器人产品较为低端、主要以三轴和四轴机器人为主,主要用于搬运和码垛作业等。而高端制造业的机器人则长期受到国外的品牌的占据。由于机器人的关键制造技术和控制技术等核心问题没有解决使得我国的机器人发展受到制约,加之国内的生产机器人规模较小,使得国产机器人的生存空间受到了挤压。2015 年 3 月国务院正式印发中国制造 2025推动中国制造业特别是高端制造业的发展,其中智能装备和机器人技术作为今后重点支持的方向,这为提升国产机器人的质量和服务做好了铺垫。工业机器人的出现,使自动拧螺丝向工业机械机械手方向发展,螺丝机具有操纵方便、控制精度高、稳定性好、维护方便、人机界面人性化等特点。主要是采用单轴与多轴机器人自动运行及单独动作的运行方式,实现了控制响应的快速性,并对拧紧扭矩及角度进行测控,保证了系统的精度和准确性。螺丝机的结构组成:工业机械手、电动螺丝刀、螺丝自动上料系统和精装夹具等附件。在国外锁螺丝设备早已应用于汽车,电脑,液晶面板,空调,线路板等行业中。1958 年美国联合控制公司研制开发出第一台机械手,1978 年美国 Unimate 公司、斯坦福大学和麻省理工学院联合研制一种 Unimate-Vicarm 型工业机械手,用小型电子计算机控制,进行装配作业,定位误差在1mm 内。如美国试制一台有触觉和视觉的双臂机械手,由于机械手有触觉,所以不要求工件排列的位置很精确。若机械手在拧螺钉遇到阻力时,能将螺钉返回再拧。当前,在国内工厂使用的锁螺丝装置为深圳、东莞一些厂家生产的手持式锁螺丝机和半自动锁螺丝机。虽然手持式锁螺丝机使螺丝输送和锁付一气呵成,提高了生产效率,节省了人力,但是手持式锁螺丝机需要人员重复单调乏味的工作,容易划伤产品外观,造成成本增加。半自动锁螺丝机主要是振盘式的,采用振动盘气动元件作为驱动部件,采用PLC 或MCU、传感器和接近开关联合控制。其工作流程是螺丝由驱动部件振动排列,再由压缩空气高速吹到螺丝刀头处,最后进行锁紧作业。随着自动化工业的发展和生产效率、质量要求的不断提高,在国际上自动化装配技术由人工装配朝着半自动化、全自动化装配的趋势发展,SCARA 机器人拧螺丝工作站也在朝着半自动化和全自动化,便捷化,通用化的方向发展。2 SCARA 装配机器人总体设计SCARA 包括有三个旋转自由度,分别为大臂、小臂和末端执行器,除此之外, 还有一个直线自由度,实现末端执行器在竖直方向上的移动。其结构简图如图 2.1 所示。2.1 传动方案的选择图 2.1 SCARA 机器人的结构简图查询相关文献可知,现有如下两种方案进行筛选: 方案一三个旋转自由度均采用步进电机传动,实现大、小臂、末端执行器的旋转运动, 不光可以保障良好的传动精度和效率,并且振动和噪音都比较低,对机器人本身影响较小。此外,其过载性好,控制要求也相对简单。第三关节自由度的传动选择丝杠螺母,实现机器人竖直运动,虽然其传动精度不高,但是其结构易于安装,并且能够实现第四自由度与其的连接。方案二第一、二关节自由度均采用同步齿形带传动,第三、四关节自由度的传动方案不变。由上可知,两种方案都能满足设计要求,但方案一的传动精度和传动效率更高, 且结构更简单,控制起来更容易;相比较而言,方案二传动精度和传动效率略低,且零件大多更复杂,增加了设计的难度。因此,考虑加工、安装和调试因素,传动方案确定为方案一。所以,机器人的传动方案如下所示:第一关节旋转运动(关节一):步进电机 1大臂第二关节旋转运动(关节二):步进电机 2小臂第三关节的垂直直线运动(关节三):步进电机 3谐波减速器丝杠螺母第四关节旋转运动(关节四):步进电机 4主轴(Z 轴)2.2 机器人的基本技术参数在确定机器人的传动方案之后,应当对其基本技术参数进行限定,如表 2.1 所示, 才能更好的对机器人进行设计。表 2.1 机器人的基本技术参数项目技术参数自由度大臂小臂末端升降末端旋转运动范围120150120mm180最大速度180/s180/s100mm/s270/s几何尺寸250mm300mm定位精度1mm根据如上技术参数,可得机器人的运动范围如图 2.2 所示:图 2.2 机器人的运动范围3 SCARA 的运动学研究SCARA 机器人设计的目的是为了完成给定的装配任务,整个装配过程是运动的过程,所以必须对其的运动学进行研究。机器人运动控制的对象包括连杆,关节,工作工具,对象,工作台和参考基准等3。为了提高装配精度和装配效率,还应当对其进行轨迹规划。3.1 位姿描述为了描述机器人本身的运动,通常将其当作刚体来研究彼此之间的运动关系。对其运动关系的研究包括其位置和姿态,简称为位姿4。3.2 正运动学分析SCARA 平面关节型机器人有四个自由度,建立如图3 一1 所示的D 一H 坐标系, 通过如下坐标系来进行正运动学分析6。图 3.1SCARA 关节坐标系各关节的连杆参数的如表 3.1 所示:表 3.1SCARA 机器人的D 一 H 参数表ai-1ai-1qidi关节变量第一关节0l1q1d1q1第二关节0l2q20q2第三关节18000d3d3第四关节00q40q4其齐次通式为:cqisq ca- sqicq ca0- saai-1- d saA = ii-1ii-1i-1ii-1 (3.1)isq sacq sacad ca0ii-1i0i-10i-1i1i-1 代入各关节连杆参数,得:cosq1 - sin q1 0 l1 cosq1 cosq2 sin q20 l2 cosq2 sinqcosq0 l sin qsin q- cosq 0l sin qA = 1111001 01 A = 2200222 -1 0000 1000 11 0 0 0 cosq4 - sin q4 0 0 0A = 1 0 0 sin qA =4cosq40 0 (3.2)300 1 d3 4001 0 00 0 1 000 1 i通过各变换矩阵i-1T (i = 1,2,., n) 相乘,可得到其正运动学方程:0T =0T 1T 2T 3T = A A A A41 2 3 41 2 3 4cos(q1 + q2 -q4 ) sin(q1 + q2 -q4 )0 l1 cosq1 + l2 cos(q1 + q2 ) sin(q + q -q ) - cos(q + q -q ) 0124l sinq + l sin(q+ q )= 1241111200-1 d1 + d30nxox ax00 1px n= yoy aypy (3.3)zzn o ap zz0 0 0 1 3.3 逆运动学分析正运动学分析结束后,还应当进行逆运动学分析7。设机器人末端执行器位姿矢量矩阵为 , 速度矢量矩阵为 。 nx ox axpx nx ox a xpx n o ap T= yyyy T end = ny o y a yp y (3.4)endn z0oz az0 0p z 1 nz oz00 a z p z 0 1 由上可得,关节变量逆解如下:sinq2 = cosq =1 (r 2 - l 2 - l 2 )1 222l l12q2 = arctg(sinq2 / cosq2 )sinq = 1 (l + lcosq )p - l sinq p 1r 2122y22 xcosq = 1 (l + lcosq )p + l sinq p 1r 2122x22 y sinq1 q1 = arctg cosq 1 cosq4 = ox sin(q1 +q2 )+ oy cos(q1 +q2 )sinq4 = -ox cos(q1 +q2 )+ oy sin(q1 +q2 )4 sinq4 q4 = arctg cosq d3 = d1 - pz其中r 2 = p2 + p2 ,式中sinq = 中正负号对应两组可能解。速度xy(q +q )+ (q +q )q1 =px sin 1(2py cos 12)px sin q1 +q2- py cos(q1 +q2q 2 =px px - py pyl1l2 sinq2d = - pz(o A + o B) + + - xyq 1q 2 BoxAoyq 4 = sinq4 + cosq4式中: A = cos(q1 +q2 )-sin(q1 +q2 ), B = cos(q1 +q2 )+sin(q1 +q2 )3.4 轨迹规划的生成(3.5)轨迹规划,就是根据已知量,求出并生成运动轨迹的过程。现采用关节空间规划方法中的三次多项式规划法,结合设计要求,进行轨迹规划。首先假定机器人某关节的关节值的各参数如表 3.2 所示。表 3.2某关节轴的关节值的参数时刻关节值初始值t0q0目标值tfq f当采用三次多项式函数插值时,每一段轨迹都是同样的形式,所以,在插值过程中,三次多项式如式(3.6)示:q (t) = a + a t + a t 2 + a t3(3.6)0123通过对上式求导,可得相应的速度和加速度为: (t ) = a+ 2a t + 3a t 2q123(3.7)q (t ) = 2a2 +6a3t通过上式,很容易地计算出不同时刻的, 和 ,值得注意的是,上式中 t 是各段分别计算的。因此,对于每一段计算都是从t =0 开始8。当插值的过程采用了抛物线的方式时,则其轨迹的运动方程如下所示:q (t ) = q+ 1 t 2 ;12 q 1 q (t ) = q 1 t,0 t t1(3.8)q(t )= q 1 .q (t ) = q + t + t1 1 (t ) = q 12,;20 t t(3.9)qq 1212q(t ) = 0.q (t ) = q + t + t1 + t + 1 t 2 ;1q 1212 2q 122 (t ) = + t,0 t t(3.10)qq(t )q 12 q 212= q 2 .q (t ) = q + t + t2 2 (t ) = q 23,;20 t t(3.11)qq 2323q(t ) = 0.q (t ) = q+ t + tn-1 (t ) = n-1q (n-1)n 2,;0 t t(3.12)qq (n-1)n(n-1)nq(t ) = 0.q (t ) = q+ t + tn-1 + t + 1 t 2 ;n-1q (n-1)n (n-1)n q n22 (t ) = + t,0 t t(3.13)qq(t )写成一般形式如下:q (n-1)n q nn= q n . q (t ) = q1+ 1q 1 t 22 q (t ) = q 1 t0 t t1 ;(3.14) q (t ) = q 1 . q (t ) = q + t + ti i (t ) = q (i+1)i 20 t t ;(3.15) q q (i+1)ii q (t ) = 0. q (t ) = q+ t + ti-1 + t + 1 t 2i-1q (i-1)i (i-1)i 22 qi (t ) = + t0 t t ;(3.16) q q (i-1)i q ii q (t ) = q i .i=2,3,n。在利用式 3.14、式 3.15 及式 3.16 生成轨迹时,应注意每一段都是从 t = 0 开始, 但是段与段同样是相互关联的连接关系。此外,虽然上面的轨迹生成公式只是某一个关节变量的计算过程,但是此公式对于其他的关节变量的轨迹计算也是同样适用的。4 关键零部件设计计算4.1 步进电机的计算和选择根据设计要求可假定各主要部件的质量:底座15kg,大臂10kg,小臂5kg, 末端执行部分2.5kg。1 12 23 3G2G3大、小臂及末端执行器的各自绕各自重心的转动惯量分别为 , , , 由平行轴定理可知,绕第一关节自由度的转动惯量为:J1 = JG1+ m l 2 + J+ m l 2 + J+ m l 2(4.1)1 12 23 3G2G3其中质量 , , 分别为大、小臂及末端执行器的质量,各关节自由度中心到第一关节自由度中心的水平距离分别为 , , ,假定各长度为 250mm、350mm、500mm,而 JG1 m l 2、J m l 2、J = 2.54,故丝杠稳定11。Fwm(4) 丝杠刚度验算d s丝杠的拉压变形量为= Fm LEA式中:L 为滚珠丝杠在两轴承支撑点间的受力pd 2长度,取 L=120mm;E = 20.6 * MPa;截面积 A = 1 =63.58 , 则4d= Fm L = = 23.41 * mm,sEA丝杠变形很小,可忽略不计,故刚度足够。(5) 传动效率计算h = tgltg (l + f )根据初选滚珠丝杠型号查表得螺旋升角为 433,一般摩擦角= 10,则= 0.96,传动效率比较高12。5 SCARA 装配机器人机械结构设计5.1 大臂机械结构设计大臂的结构设计遵循由下及上的设计原则,底座用来固定机器人,电机安装于底座内部,减少了转动惯量,大臂结构装配图如图 5.1 所示13。大臂的驱动电机电机轴插入到连接轴底部,通过销轴固定,深沟球轴承安装于套筒内,上面的轴承上端有透盖固定,下端有轴肩,下面的轴承上端有轴肩,下端通过连接体顶住轴承外圈;另外套筒通过螺栓与底座顶端相连,从而实现了大臂的旋转运动。图 5.1 大臂装配体5.2 小臂机械结构设计小臂的机械结构如图 5.2 所示,根据模块化的设计原则,故小臂的安装方式与大臂相似,不同的是小臂驱动电机通过套筒固定在大臂上而不是固定在底座上。本结构在装配上也较简易,电机、连接轴可在外部进行安装装配,这样降低了机器人的安装成本,大臂小臂采用了同样的传动原理及结构设计,这样能够简化机器人的本体结构和零部件制造成本。(a) 大臂装配体(b)大臂工程图图 5.2 小臂装配体5.3 腕关节机械结构设计如图 5.3 三四关节结构装配图所示,支撑架固定在小臂上,在支撑架顶部,固定着谐波减速器,电机通过谐波减速器带动丝杠运动,丝杠固定在支撑架上,通过丝杠旋转带动丝杠螺母,实现第三自由度的竖直运动。丝杠螺母与滑块相连,第四关节驱动电机通过连接件与滑块相连,电机通过连接轴带动螺丝刀旋转,实现第四自由度的旋转运动。图 5.3 三四关节装配体5.4 机器人的总体结构设计在确定了机器人的传动方案之后,又完成了各相关零件的参数选择或选型,以及机器人各部件的结构设计之后,机器人的总体结构也就确定了下来,将大臂、小臂和末端执行器装配起来就得到了机器人的总体结构,其结构如图 5.4 所示,大臂、小臂、主轴旋转都由步进电机实现,各动作的实现都由步进电机连接连接轴完成,主轴升降通过固定在小臂上的丝杠螺母来实现。其中,大臂的步进电机通过套筒固定在底座的顶端,底座可以固定在工作台或地面上;小臂的步进电机通过套筒固定在大臂上,螺丝刀的步进电机则通过套筒固定在滑块上。图 5.4 SCARA 机器人装配体6 控制系统设计6.1 控制系统的硬件构成SCARA 机器人的控制系统实际上是一种包括任务规划,动作规划,和伺服控制等的分层控制系统,如图 6.1 所示。首先机器人通过人机接口获得命令,然后机器人对输入的命令进行分析“理解”,其次得到相应的任务要求即为任务规划,动作规划则是机器人根据得到的任务要求进行动作分解;机器人对每个关节的运动轨迹进行设计,即为轨迹规划;实现每个关节按照既定的运动要求进行运动,即是伺服控制。图 6.1 机器人的分层控制图6.2 SCARA 机器人的控制方式6.2.1 点位控制方式这种控制方式的特点是实现点的位置控制,控制时是实现由一个已知点到另一个已知点的运动,而点与点之间的轨迹倒是没有什么要求。6.2.2 连续轨迹控制方式这种控制方式的特点是要求其运动轨迹为给定的曲线,且对位姿和速度同样有要求,以完成作业任务。6.2.3 力(力矩)控制方式在进行装配任务时,除了定位精度的要求之外,还要求对末端执行器施加在对象上的力或力矩进行控制,这时就要利用力(力矩)的控制方式15。6.3 SCARA 机器人的控制流程根据以上控制系统和控制方式的选择,为本机器人设计了如图 6.2 的控制流程: 首先是启动系统,进行系统初始化,然后输入程序,然后机器人的大臂和小臂开始运动,保证末端执行器到达指定位置,然后丝杠螺母开始运动,保证末端执行器在 Z 轴方向上达到指定位置,然后末端执行器开始旋转,旋转结束后,丝杠螺母上升一小段位置,如果装配任务没有完成,则重复之前动作直至完成任务,如果任务完成,则关闭系统。图 6.2 机器人的控制流程图7 结论本文设计了一种 SCARA 平面关节式拧螺丝装配机器人,完成了其本体的设计, 了进行运动学分析,并以三次多项式为例进行了轨迹规划的生成,还对其控制系统的设计进行了简单的讨论。本文研究的主要内容如下所示:(1) 对 SCARA 机器人的传动方案进行了选择和确定,大臂、小臂、末端执行器均以步进电机驱动,实现第一、二、四关节的旋转运动,第三关节以步进电机带动丝杠螺母运动来实现 Z 轴方向上的竖直运动。(2) 完成了 SCARA 机器人的本体设计,其大臂小臂的连接方式相似,都是以步进电机带动连接轴旋转,连接轴与大臂小臂的相连实现其自由度的旋转,不同的是, 大臂的步进电机固定在底座上,而小臂的步进电机固结在大臂上。丝杠固定在小臂上, 末端执行器的步进电机通过连接件与滑块相连。(3) 对 SCARA 机器人进行了运动学分析,并以三次多项式为例对其进行了轨迹规划的生成。(4) 通过对 SCARA 机器人工作任务、工作要求、工作环境的分析和性价比以及安装调试等因素的考虑,对步进电机、谐波减速器、末端执行器、大小臂等结构或零件进行了参数计算、型号选择和通过 SolidWorks 进行三维建模。(5) 简单分析了 PTP、CP 和力(力矩)控制方式和基于 IPC+运动控制卡的开放式控制系统的硬件构成。并对 SCARA 装配机器人的控制流程作了简单设计。参 考 文 献1 桂仲成,吴建东.全球机器人产业现状趋势研究及中国机器人产业发展预测J. 东方电气评论,2014,17(4):4-10.2 杨化书,曲新峰,工业机器人技术应用及发展J.黄河水利职业技术学院学报,2004, 16(7),(2004),42-43 .3 杨成文.平面关节机器人研制及其轨迹规划D.广州:华南理工大学,2012 4郭洪红.工业机器人技术.西安:西安电子科技大学出版社,05:75-80.5程汀.SCARA 机器人的设计及运动、动力学研究D.合肥:合肥工业大学,2008. 6王健强,程汀.SCARA 机器人结构设计及轨迹规划算法J.合肥工业大学学报,2008.7 卢军,郑国穗,马金锋,刘杰.SCARA 机器人结构优化设计与运动分析J.陕西科技大学学报,2014.8 夏添.SCARA 机器人的结构设计与运动控制算法研究D.武汉,湖北工业大学,2016. 9斯克莱特.机械设计实用机构与装备图册M. 北京:机械工业出版社,2015.10濮良贵,纪名刚.机械设计M. 北京:高等教育出版社,2002. 11闻梆椿.机械设计手册M. 北京:机械工业出版社,2010.12帕姆利.机械设计零件与实用装置图册M. 北京:机械工业出版社,2013. 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机器人的惯性矩,质量,等等。这种机器人的机械手需要遵循特定应用程序的控制。因此,机器人的轨迹跟踪需要一个正确的动态模型和机器人的准确位置。然而,每个动态模型都有一定程度的错误。不正确的和错误的动态模型最终会导致位置或轨迹跟踪误差。现在,如何简化机械手动力学建模的研究已经取得了许多研究成果。但是,所有研究人员都是采用复杂的方法来克服传统动力学的建模误差。Mathworks 公司介绍了 SimMechanics 链接的三分之一仿真软件产品。SimMechanics 链接工具从外部应用程序,如计算机辅助设计生成物理模型的 XML 文件(CAD)平台。这些物理模型的 XML 文件可以用仿真软件来生成 SimMechanics 模型代表的机械系统。有关于 SolidWorks 和MATLAB 相结合的好处的研究很少,例如为了避免或简化机器人手
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