机电控制总体设计概述六自由度机械手臂的设计

机电控制总体设计概述六自由度机械手臂的设计机电控制

结

课

论

文

题目:六自由度机械手臂的设计

中国矿业大学机电控制课程研究小组设计任务书

题目:六自由度机械手臂设计

任务下达日期:

课程设计日期:

课程设计题目:六自由度机械手臂

设计主要内容:

六自由度焊接机械手臂的设计，工作半径为1500mm,腕部负载能力5kg

焊接机械手系统设计

摘要

工业机械手最大的应用领域是焊接机械手,它占工业机械手总数的25%左右。由于对许多构件的焊接精度和速度等提出越来越高的要求,一般工人已难以胜任这一工作;此外6自由度焊接机械手还可以减少焊接时的火花及烟雾等对人体造成危害,因而,本课题的提出就有十分重要的意义。

为了提高生产效率和产品的焊接质量,满足实际工作需要,本课题设计了用于焊接的关节型机械手。根据机械手的工作要求和结构特点，确定了机械手的外形尺寸和工作空间的总体设计，拟定了机械手各关节的总体传动方案。利用齐次变换矩阵

法建立了六自由度关节机械手的正运动学模型，求出机械手末端相对于各自参考坐标系的齐次坐标值，建立了在直角坐标空间内机械手末端执行器的位置和姿态与关节变量值的对应关系。基于几何投影原理推导出相应的逆运动学模型，求出了各个关节的角度值，建立了机械手关节空间与世界空间的映射关系。该机械手具有刚性好，位置精度高、运行平稳的特点，同时，为了解决由平面、弧面、球面等组成的零部件的激光无损检测问题,提高检测的自动化程度和可靠性,提出了基于机械手的激光无损检测系统。

关键词: 激光检测机械手机电一体化

绪论

机械手是一种能够进行编程,并在自动控制下执行某种操作或移动作业任务的

机械装置。机械手技术综合了机械工程、电子工程、计算机技术、自动控制及人智能等多种科学的最新研究成果,是机电一体化技术的典型代表,是当代科技发展最活跃的领域。机械手的研究、制造和应用正受到越来越多的国家的重视。近十几年来,机械手技术发展非常迅速,各种用途的机械手在各个领域广泛获得应用。

本课题为了解决由平面、弧面、球面等组成的零部件的激光无损检测问题,提

高检测的自动化程度和可靠性,提出了基于机械手的激光无损检测系统。借助于激光检测技术、机械手技术、数字控制技术、计算机技术等,研制了一种用于激光无损检测的机械手。该机械手由机械系统、控制系统、伺服系统、检测系统等组成,通过PC机控制,能够实现自动控制并实时获取坐标信息,有利于缺陷的定位、定量和定性分析,其结构简单,性能价格比高,不仅能够用于激光无损检测,而且也可以用于其他场合,具有广泛的适应性。

正文

激光检测机械手主要是针对由平面、弧面、球面等组成的零部件的激光检测而研制的。该机械手主要由机械部分、控制部分、伺服驱动部分、检测部分等组成,其结构框图如下:

图1系统关系图

为了实现激光检测的自动化,在激光检测机械手的基础上,利用PC机、数字式激光探伤仪等构成自动激光检测硬件系统,利用VC++开发软件系统,实现激光检测的自动化。其工作原理为:首先,机械手夹持探头,使探头轴线与被检测工件表面法线方向平行,且采用直接耦合法;其次,控制系统根据被检测零件的信息,规划扫描路径,发出指令信息给伺服系统,伺服系统驱动机械手带动探头对被检测零件表面进行扫描,与此同时,PC机将通过机械手的检测部分获取探头的位置信息;第三,数字式激光探伤仪获取被检测工件每一点的信息并送入PC机;第四,PC机处理信息,识别缺陷,并存储缺陷信息及其对应的坐标点。 1、机械手的设计

激光检测机械手的机械设计应满足以下条件:第一,能够在计算机的控制下带动探头在被检测表面上移动;第二,在检测中保证探头的声束方向与被检测点表面的法线方向重合;第三,计算机能够实时地获取探头的坐标信息。因此,在设计中采用了关节型机械手臂，关节型又称回转坐标型，这种机械手的手臂与人体上肢类似，其前三个关节都是回转关节，这种机械手一般由立柱和大小臂组成，立柱与大臂间形成肩关节，大臂和小臂间形成肘关

节，可使大臂作回转运动和使大臂作俯仰摆动，小臂作俯仰摆动。其特点使工作空间范围大，动作灵活，通用性强、能抓取靠进机座的物体。

图2六自由度设计

2、传动系统的设计

为了使机械手臂能够灵活地运动,必须在设计中考虑重量和力矩的问题。本机械手的外型尺寸设计是从小巧灵活的角度考虑,同时为了减轻机械手的重量,在设计时材料选用铝合金。主体的旋转是通过腰关节回转来实现的,在这里采用了一级齿轮传动,安装在底座上的步进电机通过齿轮传动带动立柱绕垂直轴线回转,同时被固定在立柱末端的旋转编码器也跟着一起运动通过它可以随时得到立柱回转的角度,以作为后续处理。在结构上采用向心推力角轴承,是为了承受轴向力。另外针对其余几个关节的具体状况,大臂传动、小臂传动、腕关节传动都采用同步齿型带作为其传动机构,安装在各臂上的步进电机通过同步齿型带将运动传递给另一关节。这样,一方面有利于简化机构,另一方面也满足了负荷要求,同时提高了传动系统的精度,编码器分别安装在各关节轴的末端,随着关节的转动一起转动。

另外在结构设计中也从布局方面考虑了机械手的平衡问题。

图3机械手内部结构设计

3、驱动系统的确定

关节型机械手的驱动系统由驱动器和传动机构两部分构成。一般机械手的驱动方式包括以下四种:

(1)直流伺服电机:直流伺服电机有很好的调速功能较大的启动力矩，功率大、响应速度快的特点，并且控制技术成熟，安装方便，成本低廉。

(2)交流伺服电机:交流伺服电机结构简单，运行可靠性高，维修方便，和步进电机相比价格比较贵。

(3)步进电机:可以直接实现数字控制，控制结构简单，价格低廉，通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制，但是不能进行误差校核，运动精度较差，负载和冲击过大时会造成“失步”现象。

(4)液压驱动马达:液压伺服马达具有较大的功率与体积之比，运动比较平稳，定位精度高，负载能力大。但是，液压伺服马达价格比较高容易出现漏油现象。