运送铝活塞铸造毛坯件机械手设计和实现 机械制造及其自动化专业

运送铝活塞铸造毛坯件机械手设计摘要 在工业上，自动控制系统有着广泛的应用，如工业自动化机床控制，计算机系统，机器人等。而工业机器人是相对较新的电子设备，它正开始改变现代化工业面貌。实际的机器人由带有腕(或称为手臂)的主机身和机身端部的工具(通常是某些类型的夹持器)组成,同时也包括一个辅助动力系统。本设计为三自由度圆柱坐标型工业机器人，其工作方向为两个直线方向和一个旋转方向。在控制器的作用下，他执行将工件从一条流水线拿到另一条流水线这一简单动作。通过对其整个机械系统和控制系统的设计来实现。关键词 手臂；夹持器；工业机器人目录摘要I第1章 绪论11.1 工业机器人简介11.2 工业机器人的发展2第2章 工业机器人的总体设计32.1 工业机器人的组成及各部分关系概述32.2 工业机器人的设计分析32.2.1 设计要求32.2.2 总体方案拟定42.2.3 工业机器人主要技术性能参数4第3章 工业机器人的机械系统设计63.1 工业机器人的运动系统分析63.1.1 机器人的运动概述63.1.2 机器人的运动过程分析73.2 工业机器人的执行机构设计83.2.1 末端执行机构设计83.2.2 手臂机构的设计123.2.3 腰部和基座设计15第4章 工业机器人的计算机控制系统概述234.1 工业机器人控制系统的特点及对控制功能的基本要求234.2 计算机控制系统的设计方案234.3 硬件电路的组成254.4 电路接口说明25第5章 工业机器人运行时应采取的安全措施285.1 安全要求285.2 实施方法29总结30参考文献31鸣 谢32不要删除行尾的分节符，此行不会被打印目录千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行第1章 绪论1.1 工业机器人简介机器人工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国科技界跟踪国际高科技发展的重要方面。工业机器人的研究、制造和应用水平，是一个国家科技水平和经济实力的象征，正受到许多国家的广泛重视。目前，工业机器人的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。最近联合国国际标准化组织采纳了美国机器人协会给工业机器人下的定义：工业机器人是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件。参考国外的定义，结合我国的习惯用语，对工业机器人作如下定义：工业机器人是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化程度高的自动操作机械。主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸工件或夹具。工业机器人以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运更重的东西，而且定位精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行各种操作。工业机器人是在计算机控制下可编程的自动机器。采用工业机器人是提高产品质量与劳动生产率，实现生产过程自动化，改善劳动条件，减轻劳动强度的一种有效手段。机器人的诞生和发展虽只有30多年的历史，但它已应用到国民经济，民事技术等众多的领域，具有广阔的应用和发展前景，显示出强大的生命力。根据所处的环境和作业需求，工业机器人具有至少一项或多项拟人功能，如抓取功能或移动功能，或两者兼有之，另外还可能程度不等的具有某些环境感知功能（如视觉，力觉，触觉等）。以及语音功能及至逻辑思维，判断决策功能等。从而使其能在要求的环境中代替人进行作业。在工业机器人的诸多功能中，抓取和移动是最主要的功能。这两项功能实现的技术基础是精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动。本次设计就是在这一思维下展开的。根据设计内容和需求确定圆柱坐标型工业机器人，利用锥齿轮传动实现机器人的旋转，利用液压缸实现其移动以及对零件的抓取。在步进电机的控制下，机器达到精确的回转运动。1.2 工业机器人的发展工业机器人的发展，由简单到复杂，由初级到高级逐步完善，它的发展过程可分为三代：第一代工业机器人就是目前工业中大量使用的示教再现型工业机器人，它主要由手部、臂部、驱动系统和控制系统组成。它的控制方式比较简单，应用在线编程，即通过示教存贮信息，工作时读出这些信息，向执行机构发出指令，执行机构按指令再现示教的操作。第二代机器人是带感觉的机器人。它具有寻力觉、触觉、视觉等进行反馈的能力。其控制方式较第一代工业机器人要复杂得多，这种机器人从1980年开始进入了实用阶段，不久即将普及应用。第三代工业机器人即智能机器人。这种机器人除了具有触觉、视觉等功能外，还能够根据人给出的指令认识自身和周围的环境，识别对象的有无及其状态，再根据这一识别自动选择程序进行操作，完成规定的任务。并且能跟踪工作对象的变化，具有适应工作环境的功能。这种机器人还处于研制阶段，尚未大量投入工业应用。第2章 工业机器人的总体设计2.1 工业机器人的组成及各部分关系概述 它主要由机械系统(执行系统、驱动系统)、控制检测系统及智能系统组成。A执行系统：执行系统是工业机器人完成抓取工件，实现各种运动所必需的机械部件，它包括手部、腕部、机身等。（1）手部：机器人为了进行作业而配置的操作机构，又称手爪或抓取机构，它直接抓取工件或夹具。（2）腕部：又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变手部的工作方位。（3）臂部：联接机座和手部的部分，是支承腕部的部件，作用是承受工件的管理管理荷重，改变手部的空间位置，满足机器人的作业空间，将各种载荷传递到机座。（4）机身：机器人的基础部分，起支撑作用，是支撑手臂的部件，其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。B驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的有机械传动、液压传动、气压传动和电传动。C控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。D检测系统：作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求。 2.2 工业机器人的设计分析2.2.1 设计要求通过设计机械手，培养综合运用所学过的基本理论、基本 知识和基本方法分析能力和解决问题的能力。有关数据：设计一机械手、将铝活塞铸造毛坯从模具中取出，并运送到离模具2米远处的铝活塞毛坯箱里。(铝活塞的基本尺寸等技术要求参见顾崇衍编机械制造工艺学P91P100。)零件尺寸：外孔 101.6，高 106。零件材料：铝。2.2.2 总体方案拟定在工业机器人的诸多功能中，抓取和移动是最主要的功能。这两项功能实现的技术基础是精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动。本次设计就是在这一思维下展开的。根据设计内容和需求确定工业机器人工作方式，利用步进电机驱动和锥齿轮传动来实现机器人的旋转运动；利用一个液压缸，使手臂实现上下运动；考虑到本设计中的机器人工作范围不大，故利用液压缸驱动实现手臂的伸缩运动；末端夹持器则采用滑槽杠杆式回转型夹持器，用小型液压缸驱动夹紧。2.2.3 工业机器人主要技术性能参数工业机器人的技术参数是说明其规格和性能的具体指标。主要技术参数有如下：A抓取重量：抓取重量是用来表明机器人负荷能力的技术参数，这是一项主要参数。这项参数与机器人的运动速度有关，一般是指在正常速度下所抓取的重量。B抓取工件的极限尺寸：抓取工件的极限尺寸是用来表明机器人抓取功能的技术参数，它是设计手部的基础。C坐标形式和自由度：说明机器人机身、手部、腕部等共有的自由度数及它们组成的坐标系特征。D运动行程范围：指执行机构直线移动距离或回转角度的范围，即各运动自由度的运动量。根据运动行程范围和坐标形式就可确定机器人的工作范围。E运动速度：是反映机器人性能的重要参数。通常所指的运动速度是机器人的最大运动速度。它与抓取重量、定位精度等参数密切有关，互相影响。目前，国内外机器人的最大直线移动速度为1000mm/s左右，一般为200400mm/s；回转速度最大为180/s，一般为50/s。F定位精度和重复定位精度：定位精度和重复定位精度是衡量机器人工作质量的一项重要指标。 图2-1 机器人外形图G编程方式和存储容量。 本设计中的三自由度圆柱坐标型工业机器人的有关技术参数见表2-1。表2-1技术参数表机械手类型三自由度圆柱坐标型抓取重量2.38Kg自由度3个（1个回转2个移动）机座内部回转运动，回转角0-180，步进电机驱动腰部机构伸缩运动，升降范围400mm，液压缸驱动手臂机构伸缩运动，伸缩范围70mm，液压缸驱动末端执行器液压缸驱动第3章 工业机器人的机械系统设计3.1 工业机器人的运动系统分析3.1.1 机器人的运动概述 工业机器人的运动，可从工业机器人的自由度，工作空间和机械结构类型等三方面来讨论。 如图2-1所示，为工业机器人机构的简图。 图3-1 机构简图A工业机器人的运动自由度 所谓机器人的运动自由度是指确定一个机器人操作位置时所需要的独立运动参数的数目，它是表示机器人动作灵活程度的参数。 本设计的工业机器人具有四转动副和移动副两种运动副，具有手臂伸降，旋转，前后往复三自由度。 B机器人的工作空间和机械结构类型（1）工作空间 工作空间是指机器人正常运行时，手部参考点能在空间活动的最大范围，是机器人的主要技术参数，工作空间图如图2-2。图3-2 工作空间图（2）机械结构类型 圆柱坐标型为本设计所采用方案，这种运动形式是通过一个转动，两个移动，共三个自由度组成的运动系统（代号RPP），工作空间图形为圆柱形。它与直角坐标型比较，在相同的工作条件下，机体占体积小，而运动范围大。3.1.2 机器人的运动过程分析 工业机器人的运动过程中各动作如图3-3和表3-1。图3-3 运动过程表表3-1运动过程机器人开机，处于A点工步一手臂上升工步二，工步七，工步十三旋转至B点工步三手臂伸出工步四, 工步十手臂下降工步五，工步十一夹紧工件工步六手臂收缩工步八，工步十四旋转至C点工步九放松工件工步十二实现运动过程中的各工步是由工业机器人的控制系统和各种检测原件来实现的，这里尤其要强调的是机器人对工件的定位夹紧的准确性，这是本次设计成败之关键所在。3.2 工业机器人的执行机构设计3.2.1 末端执行机构设计 工业机器人的末端执行机构设计是用来抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、准确和牢靠程度都将直接影响到工业机械手的工作性能，它是工业机械手的关键部件之一。一、设计时要注意的问题：A、末端执行机构应有足够的夹紧力，为使手指牢靠的夹紧工件，除考虑夹持工件的重力外，还应考虑工件在传送过程中的动载荷。B、末端执行机构应有一定的开闭范围。其大小不仅与工件的尺寸有关，而且应注意手部接近工件的运动路线及其方位的影响。C、应能保证工件在末端执行机构内准确定位。D、结构尽量紧凑重量轻，以利于腕部和臂部的结构设计。二、总体结构设计采用滑槽杠杆式回转型夹持器，用小型液压缸驱动夹紧，它的结构形式如图3-4。滑槽杠杆式回转型夹持器，当驱动器推动杆2向上运动时，圆柱销3在两杆4的滑槽中移动，迫使与支架1相铰接的两手指（钳爪）产生夹紧动作和夹紧力。当杆2向下运动时，手指松开。图3-4 末端执行器三、液压油缸的选择和夹紧力的校验a) 初选油缸型号 考虑到所要夹持的是比较小的零件，最大工作载荷很小，故初选液压缸型号为Y-HG1-C40/2225LF2HL1Q，它的主要技术参数如表3-2。 表3-2 冶金设备标准液压油技术规格缸径 /mm活塞杆直径 /mm油口直径速度比通径/mm联接螺纹1.46 2 40222810M18x1.5b)夹紧力校验 1）零件的计算 上式中g=9.8G=24（N）2）紧力的计算：要夹持住零件必须满足条件： f为手指与工件的静摩擦系数，工件材料为铝，手指为钢材，查机械零件手册 表2-5 f=0.15，N为作用在零件内壁上压紧力，G为零件重力。所以 式中=80（N）由机械制造装备式（4-56）可知驱动力的计算公式为： 图3-6 滑槽杠杆式回转型夹持器为斜面倾角，为传动机构的效率，这里为平摩擦传动，查机械零件手册表2-2 这里取 0.85b=90.8mm,l=154.53mm。所以取p=150(N)按液压传动与气压传动公式（4-15） 式中 D气缸的内径（m）P工作压力（Pa）,由液压传动与气压传动表9-1负载F/N 50000工作压力p/MPa57表3-3压力表取p=0.5MPa。由液压系统设计可查得：=0.90.95,所以由以上计算可知液压缸能产生的推力F=565N大于夹紧工件所需的推力P=150N。所以该液压缸能够满足要求。四、弹性爪的强度校验 当弹性手工作时，由于夹过程具有弹性，就可以避免易损零件被抓伤，变形和破损。工件与弹簧片间的力：由上节可知F=80N。 则弹簧爪截面上的剪应力为=30MPa，=Q/A= 故弹性爪满足强度要求。3.2.2 手臂机构的设计一、手臂的设计要求A、手臂的结构和尺寸应满足机器人完成作业任务提出的工作空间要求B、根据手臂所受载荷和结构的特点，合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料。C、尽量减小手臂重量和相对其关节回转轴的转动惯量和偏重力矩，以减小驱动装置的负荷；减少运动的动载荷与冲击，提高手臂运动的响应速度。D、要设法减小机械间隙引起的运动误差，提高运动的精确性和运动刚度。采用缓冲和限位装置提高定位精度。 本设计手臂直接联接在底座升降液压缸上，结构简单，装拆方便，尾部设置导向杆，以防止活塞杆转动，确保手臂随机座一起转动。它的结构如下图。 图3-7 手臂结构图 手臂与末端执行器的联结结构如图3-8所示：选用轴向脚架型液压缸，活塞杆末端为外螺纹结构，手臂与末端执行器连同活塞杆一起转动。图3-8 手臂与末端执行器的联结结构图二、伸缩液压油缸的选择 选液压缸型号为Y-HG1-C50/3640LF4HL1Q，它的主要技术参数如表3-4。缸径 /mm活塞杆直径 /mm油口直径速度比通径/mm联接螺纹1.46 2 50283610M18x1.5表3-4 冶金设备标准液压油技术规格三、活塞杆的强度校核末端执行器的重量约为：12Kg。 工件重量为：2.38Kg。由静力平衡方MB=0 R1LAB QLBC=0MA=0 R2LAB QLAC=0求得支反力为： R1=292N R2=628.93N 以A点为坐标原点，得剪力图和弯矩图如下：由3-4表得活塞杆=140MPa, =240MPa.则在B处横截面上的剪应力为：B= R2/A= 安全。在B处的弯应力为：B= MB/A= 安全。图3-9 剪力与弯矩图3.2.3 腰部和基座设计 一、结构设计通过安装在支座上的步进电机和锥齿轮直接驱动转动机座转动，从而实现机器人的旋转运动，通过安装在顶部的液压缸带动横梁转动实现手臂的上下移动。采用了导向杆导向，确保手臂随机座一起转动。它的结构如装配图。二、步进电机的选取工业机器人的旋转和上下移动采用了步进电机驱动，下面就给出各种驱动方式的比较，以作为选取步进电机作为驱动方式的依据。表3-5 各种驱动方式比较比较内 容驱动方式机械传动电机 驱动气压传动液压传动异步电机，直流电机步进或伺服电机输出力矩输出力矩较大输出力可较大输出力矩较小气体压力小，输出力矩小，如需输出力矩较大，结构尺寸过大液体压力高，可以获得较大的输出力控制性能速度可高，速度和加速度均由机构控制，定位精度高，可与主机严格同步控制性能较差，惯性大，步易精确定位控制性能好，可精确定位，但控制系统复杂可高速，气体压缩性大，阻力效果差，冲击较严重，精确定位较困难，低速步易控制油液压缩性小，压力流量均容易控制，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制体积当自由度多时，机构复杂，体积液较大要油减速装置，体积较大体积较小体积较大在输出力相同的条件下体积小维修使用维修使用方便维修使用方便维修使用较复杂维修简单，能在高温，粉尘等恶劣环境种使用，泄漏影响小维修方便，液体对温度变化敏感，油液泄漏易着火应用范围适用于自由度少的专用机械手，高速低速均能适用适用于抓取重量大和速度低的专用机械手可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手中小型专用通用机械手都有中小型专用通用机械手都有，特别时重型机械手多用成本结构简单，成本低，一般工厂可以自己制造成本低成本较高结构简单，能源方便，成本低液压元件成本较高，油路也较复杂续表由上表可知步进电机应用于驱动工业机器人有着许多无可替代的优点，如控制性能好，可精确定位，体积较小可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手等，下面就对步进电机的型号进行选取。初选电机为BF反应式步进电机，型号为：90BF001。它的有关技术参数如下表：表3-6技术参数表电机型号相数步距角（）电压/V最大静转矩/Nm(Kgfcm)最高空载启动频 率/HZ运行频率/HZ转子转动惯量10Kgm分配方式质量/Kg90BF00140.9 803.922000800017.64四相八拍4.5A、传动系统等效转动惯量计算传动系统的转动惯量是一种惯性负载,在电机选用时必须加以考虑。由于传动系统的各传动部件并不都与电机轴同轴线，还存在各传动部件转动惯量向电机轴折算的问题。最后，要计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量，即传动系统等效转动惯量。（1）、电机转子转动惯量的折算由机电综合设计指导表2-18查出=1.764cm2（2）、联轴器转动惯量的折算式中：为圆柱质量（Kg），D为圆柱体直径（cm）,L为圆柱体长度。对于钢材，材料密度为,把数据代入上式得：（3）、手臂转动惯量的折算工作台是移动部件，其移动质量折算到活塞轴上的转动惯量可按下式进行计算：见机电综合设计指导公式（2-6）P8式中，为活塞工作长度（cm）；为工作台质量（kg）。所以：（4）、系统等效转动惯量计算B、验算矩频特性步进电机最大静转矩是指电机的定位转矩，从机电综合设计指导表2-21中查得。步进电机的名义启动转矩与最大静转矩的关系为： 见机电综合设计指导公式（2-29）P32查机电综合设计指导表2-12 P35得0.707。步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。步进电机所需空载启动力矩可按下式计算： 见机电综合设计指导公式（2-30）P32式中：为空载启动力矩（Ncm）；为空载启动时运动部件由静止升速到最大快进速度，折算到电机轴上的加速力矩（Ncm）；为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩（Ncm）； 有关的各项力矩值计算如下：（1）、加速力矩 见机电综合设计指导公式（2-32）和（2-33）P32式中：为传动系统等效转动惯量；为电机最大角加速度；为与运动部件最大快进速度对应的电机最大转速；t为运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间，为运动部件最大快进速度；为初选步进电机的步距角；为脉冲当量。（2）、空载摩擦力矩 见机电综合设计指导公式（2-34）P35式中：为运动部件的总重量；为导轨摩擦系数；齿轮传动降速比；为传动系数总效率，取0.8；为活塞工作长度。C、启动矩频特性校核步进电机启动有突跳启动和升速启动。突跳启动很少使用。升速启动是步进电机从静止状态开始逐渐升速，在零时刻，启动频率为零。在一段时间内，按一定的升速 规律升速。启动结束时，步进电机达到了最高运行速度。查看机电综合设计指导图2-21 P36，从90BF001矩特性图中，可查得：纵向：空载启动力矩对应的允许启动频率。查机电综合设计指导表2-11 P34，步进电机150BF002启动频率,所以所选电机不会丢步。D、运行矩频特性校核步进电机的最高快进运行频率可按下式计算： 见机电综合设计指导公式（2-36）P36式中：为运动部件最大快进速度。算得。快进力矩的计算公式： 见机电综合设计指导公式（2-37）P37式中： 为附加摩擦力矩， 为快进时，折算到电机轴上的摩擦力矩。 算得：查看机电综合设计指导图2-22 P36，从90BF001运行矩频特性图中，可知： 快进力矩对应的允许快进频率；所以,所用的电机都满足快速进给运行矩频特性要求。综上所述，所选用的步进电机90BF001符合要求，可以使用。三、轴承的选取A、环形轴承3作为机座的支承原件，是为机器人研制的专用轴承，具有宽度小、直径大、精度高、刚度大、承载能力高（可承受径向力、轴向力和倾覆力矩）、装置方便等特点价格高。B、止推轴承，型号为30204， 它的有关参数如下：表3-7轴承参数轴承代号 基本设定极限转速 r/min动载荷 Ca/KN静载荷 C0a/KN 脂润滑油润滑 3020428.230.5800010000四、齿轮的选取齿轮的参数如下表所示名称代号小齿轮大齿轮 分度圆直径d80152 齿数z2038 大端模数m4 节锥角27.759o62.241o 锥距R85.882 齿宽b26 齿距p12.56 工作齿高h6.8 齿高h7.552 齿顶高4.5282.272 齿跟高3.0245.28 顶隙c0.725 齿跟角2.017o3.518o 齿顶角3.018o1.515o 顶圆锥角30.777o63.756o 跟圆锥角25.742o58.723o 齿顶圆直径88.014154.116冠顶距73.89137.989大端分度圆弧齿厚s7.5834.977 法向侧隙46齿轮材料为20Cr且经渗碳淬火，接触材料系数：KHC=0.86 弯曲材料系数 KFC=0.97。 第4章 工业机器人的计算机控制系统概述4.1 工业机器人控制系统的特点及对控制功能的基本要求工业机器人具有多个自由度，每个自由度一般包括一个伺服机构，它们必须协调起来，组成一个多变量控制系统。这种多变量的控制系统，一般要用计算机来实现。因此，机器人控制系统也是一个计算机控制系统。控制系统的功能是控制机器人操作机的运动和操作以满足作业的要求。在作业中机器人的工作任务是要求操作机的末端执行器按点位或轨迹运动，并保持设定的姿态。在运动中或在规定的某点位执行作业规定的操作。对工业机器人的控制功能大致有如下的基本要求和特点。A、实现对位姿、速度、加速度等的控制功能 在机器人的各类作业中，运动和控制方式主要有两种。 1）点位控制方式（PTP控制） 这种控制方式考虑到末端执行器在运动过程中只在某些规定的点上进行操作，因此只要求末端执行器在目标点处保证准确的位姿以满足作业质量要求。而对达到目标点的运动轨迹（包括移动的路径和运动的姿态）则不作任何规定，如图4-1 a)图，这种控制方式易于实现，但不易达到较高的定位精度，适用于上下料、搬运、点焊和在电路板上安插元件等只要求在目标点保持末端执行器准确的位姿的作业中。2）连续轨迹控制方式（CP控制） 这种控制方式要求末端执行器严格按规定的轨迹和速度在一定精度要求内运动，以完成作业要求，这种必须保证机器人各关节连续、同步地实现相应的运动。如图4-1b)图，这种连续轨迹运动，可看成是若干密集轨迹曲线。若设定的点足够密，就能用点位控制的方法实现所需精度的连续轨迹运动。B、存储和示教功能 要使机器人具有完成预定作业的功能，须先将要完成的作业示教给机器人，这个操作过程称为示教，将示教内容记录下来，称为存储。使工业机器人按照存储的示教内容进行动作，称为再现。所以工业机器人的动作是通过示教存储再现的过程实现的。C、对外部环境的检测和感觉功能。4.2 计算机控制系统的设计方案控制系统采用二级计算机控制方式，选用IBM-PC，80C51系列CPU。第一级机担负管理，示教编程，控制再现，轨迹正逆运算，机器人语言的编辑和编译，通过串行通讯方式传送给二级机做位置给定。第二级机负责位置伺服控制软件的计算，位置检测等工作，根据插补算出的各关节位置增量做位置给定。一级机与示教盒通讯采用串行RS-232接口，既接收示教盒信息，完成示教动作，又向示教盒发送信息，显示示教情况。还可以连接软驱，CRT终端。二级机接口电路将计算机输出数字量转换成相应的模拟量，驱动伺服控制系统，选用速度单元，伺服电机及光电编码盘等伺服调速系统。图4-1 机器人控制系统框图4.3 硬件电路的组成图4-1是采用MCS-51系列单片机组成的控制系统硬件电路原理图。电路的组成如下：1.主从CPU都采用8031芯片；2.主从CPU各扩展程序存储器27256一片，扩展数据存储器62256一片；3.主CPU扩展可编程串行通信接口芯片8251A一片；可编程多功能接口芯片8155一片；电平转换芯片MAX232一片；4.从CPU扩展可编程多功能接口芯片8155六片；D/A转换器DAC0832六片；运算放大器A741六片；PWM功率放大器六片；光电编码器六片；5.地址锁存器、译码器各两片；6.键盘电路，显示电路；7.光电编码电路，功率放大电路；8.报警电路，暂停、急停电路，复位电路；4.4 电路接口说明A.主计算机(1) CPU采用8031芯片，由于片内无程序存储器，数据存储器也只有128字节，因此，扩展外部程序存储器27256一片(16K)，数据存储器62256一片(16K)。8031的I/O口也不能满足输入输出口的要求，本系统也扩展了一片8155可编程接口芯片。(2) 采用74LS138三八译码器的输出作为片选信号。27256，62256，8251A，8155的片选信号分别接到译码器的。MCS-51系列单片机，64K字节外部RAM是由16根地址线(A0A15)决定的，它由P0口提供低8位，P2口提供高8位。要想扩大RAM空间，可用增加地址线的办法来解决。这里，利用P1口增加地址线。74LS138的输入A、B、C口分别接8031的P1.0、P1.1、P2.7。(3) 由于27256和62256芯片都是32KB，需要15根地址线。其A0A7低8位接74LS373芯片的输出端线，A8A14接8031芯片的P2.0P2.6，74LS373地址锁存器在选通号ALE为高电平时直接传送8031P0口低8位地址，当ALE在高电平变低电平的下降沿时，低8位地址被锁存，此时，P0口可用来向片外传送读写数据。(4) 主机8031要和示教盒通信，因此扩展一片8251A增加一个串行RS-232C接口。8251A的数据线与8031的P0口相接。、对应相连。8251的接74LS138的，C/接74LS373的1Q，。RXRDY和TXRDY经或非门接到8031的，当8251A准备好接收或发送数据时都能向8031申请中断。时钟部分，8251A的CLK接到8031的ALE；TXC和RXC接在一起，由ALE经过一个分频电路后提供时钟。TTL电平与RS-232C电平的转换通过专门的电平转换芯片MAX232。由于不用调制解调器，和接地。(5) 8155的PA0PA7、PB4PB7作为显示器位选信号，显示器的段选信号由8031的P1.2P1.7和P3.4、P3.5发出，两边都接上反相驱动器74LS06。通过软件译码静态显示，12个显示器，每4个分别显示X、Y、Z轴的坐标。8155的PB.0PB.3是键盘扫描输入，采用行列式结构，123键。行线经限流电阻接 +5V电源，按键跨接在行线和列线上。(6) 8155的PC0PC4接控制面板上的按钮开关，设有启动、暂停、急停、示教等操作方式。B.从计算机(1) CPU采用8031芯片，扩展外部程序存储器27256一片(16K)，数据存储器62256一片(16K)。从CPU8031要控制6个关节位置的伺服量，8031的I/O口不能满足输入输出口的要求，本系统扩展了6片8155可编程接口芯片。每一个芯片负责其相应伺服系统的输入输出量。(2) 采用74LS138三八译码器的输出作为片选信号。27256，62256，六片8155的片选信号分别接到译码器的。74LS138的输入A、B、C口分别接8031的P1.0、P1.1、P2.7。(3) 由于27256和62256芯片都是32KB，用74LS373芯片的输出端线1Q8Q及P2口的P2.0P2.6输出地址作为27256、62256的15根地址线，寻址空间各为32K字节。(4) 用8155的I/O输入输出口来控制伺服电机，在计算机系统求出控制量之后，把这个控制数据送出到D/A转换器DAC0832去，把数字量转换成模拟电压，再去控制PWM功率放大器工作。(5) DAC0832的输入数据线接到8155的PA口，DAC0832内部有输入寄存器，所以可以这样直接相连而不必另加锁存器。输入寄存器允许信号ILE固定置于高电平。片选信号和传送控制信号一起接到8155的高位地址，写信号和一起接到8031的端。(6) D/A转换器DAC0832和运算放大器A741组成一个完整的D/A转换电路，它可以把数字转换成模拟电压信号。按照常规的用法，DAC0832以电流开关方式进行D/A转换的。其转换结果以电流形式在、端输出，而、再接一个运算放大器A741的两个输入端，同时运算放大器的输出再接反馈电阻端；这样由一个运算放大器把DAC0832的输出、的信号转换成电压信号输出。其输出的电压去控制PWM功率放大器，就可以使伺服电机以不同的速度实现正转和反转。(7) 光电编码盘是一种可以直接把角度转换成二进制数码的元件，可以产生9位数据。它的分辨率是0.7。当光电编码盘随伺服电机的旋转处于不同位置时，它送出的数据不同；每一个数据和一个角度对应。光电编码盘输出的数据的最高位从8155的输入，而低八位则从PB端口输入。读取光电编码盘的数据时，单片机只需读取I/O口和PB的内容。第5章 工业机器人运行时应采取的安全措施有些国家已经颁布了关于机器人的安全法规和相应的规程,国际标准化协会也有业机器人安全规范(ISO/TC184/SC2/WG3-DP10218)。在工业机器人的生产厂家，有严格的管理规定和详尽的技术保障体系。在机器人应用工程中，要参照有关规程、规范以及工业机器人的说明资料，注意落实安全措施，杜绝发生机器人伤人或其它事故。5.1 安全要求工业机器人能代替人在危险有害的环境作业。但又给人另一种危险，即机器人伤人事故。这是工业机器人安全管理的最为重要的一条原则。此外，除了通用的工业安全规程外，还要注意工业机器人的特殊性，采取相应可靠的对策。 对工业机器人应用工程的安全要求有如下几条：A、必须为工业机器人和周边设备安装安全护栏，以防止人靠近而造成伤害。工业机器人的动作范围不能超越护栏。B、在护栏出入口的门上必须设置插拔式电接点点开关，其插座有导线与控制系统的电路连接。只有拔下开关的插头，才能打开对应的门。这时，工业机器人及周边设备停止运转，并且将工业机器人锁定在示教模式。C、在距操作者的地方设置紧急停止开关。按下此开关，工业机器人和有关的设备立即停止运转。D、在人机结合部设置传感器。当操作者在此处上、下料或装卡工作时，控制系统要有相应的安全对策。E、在生产设备旁边的显著位置用大型指示灯箱表示生产系统的当前状态。如运转、调试、停止等。F、设置工业机器人的作业的作业原点，并在生产系统的操作盘上设置相应的指示灯，使操作者容易判断工业机器人本体的位置状态。G、示教作业时应降低工业机器人的运动速度，并且要另有一人专门监护，一但发现异常应立即停机。H、由经过操作培训的人员进行工业机器人的示教作业。I、制定生产系统及工业机器人的操作规程和安全规程，张贴在护栏上并认真执行。5.2 实施方法在工业机器人应用工程中，不仅要注意对人员的危险性，而且还要考虑包括工业机器人在内的设备的安全性。为此生产厂家在工业机器人及控制系统的软硬件方面应尽可能地增加有关功能，以确保安全。例如，用软极限的功能可设定工业机器人操作机（本体）的实际动作小于标称最大动作范围。当控制点运动到软极限位置时，工业机器人自动停止并报警，不会超越设定的区间。因此，可以将工业机器人本体的动作限制在实际作业的领域内。又如对于弧焊的应用，生产厂家可提供一种带有碰撞传感器的焊枪把持器及焊枪后，示教作业及再现运动时，一但焊枪撞上工件或其他物体时，工业机器人将立即停机。为了确保工业机器人应用工程中的安全，必须实施确保安全要求的具体措施。总结机电一体化毕业设计是我们学完了大学的全部基础课，技术基础课以及专业基础课之后进行的。这是我们对所学课程的一次深入的综合性总复习，也是一次理论联系实际的训练。因此，它在我们三年的大学生活中占有重要的地位。在这次毕业设计中，我有很多收获，首先把我几年来所学的知识做了一次系统的复习，更深一步了解了所学的知识，培养了我综合运用所学知识，独立分析问题和解决问题的能力，也使我学会怎样更好的利用图书馆，网络查找资料和运用资料，还使我学会如何与同学共同讨论问题。这对我以后的工作有很大的帮助,今后我会在工作中不断的学习,努力的提高自己的水平。经过本次设计，我切实体会到作为一个优秀的设计人员的艰难性。在设计过程中，我经常遇到各种各样的问题，有的是知识方面的不足导致的，有的是设计经验方面不足导致的。这些问题有时使得我束手无措，不过在指导老师帮助和自己的努力下，终于使得我顺利完成了设计。虽然我的设计存在很多不足的地方，总的来说，我希望通过这次毕业设计对自己未来将从事的工作进行一次适应性的训练，从中锻炼自己分析问题，解决问题的能力，为将来工作打下良好的基础。参考文献1 顾崇衍机械制造工艺学陕西科技出版社，19962 周伯英工业机械人设计机械工业出版社，19953 龚振帮机械人机械设计电子工业出版社，19954 成大光机械设计图册（5）化学工业出版社，19995 郑堤，唐可洪机电一体化设计基础机械工业出版社，19976 张铁，谢存禧机器人学华南理工大学出版社，20047 冯辛安机械制造装备设计机械工业出版社，19998 沈鸿. 机械工程手册机械工业出版社，19839 吴宗泽，罗圣国. 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