西华大学机器人创新设计实验报告(工业机械手模拟仿真)(新)

实验报告

（理工类）

课程名称: 机器人创新实验

课程代码: 6003199 学院(直属系): 机械学院机械设计制造系

年级/专业/班: 2010级机制3班

学生姓名: 学号: 实验总成绩: 任课教师: 李炜

开课学院: 机械工程与自动化学院

实验中心名称: 机械工程基础实验中心

一、设计题目

工业机器人设计及仿真分析

二、成员分工：（5分）

三、设计方案：（整个系统工作原理和设计）（20分）

1、功能分析

工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。

本次我们小组所设计的工业机器人主要用来完成以下任务：

（1）、完成工业生产上主要焊接任务；

（2）、能够在上产中完成油漆、染料等喷涂工作；

（3）、完成加工工件的夹持、送料与转位任务；

（5）、对复杂的曲线曲面类零件加工；（机械手式数控加工机床，如英国DELCAM公司所提供的风力发电机叶片加工方案，起辅助软体为powermill，本身为DELCAM公司出品）

2、总体方案设计

按机械手手臂的不同形式及组合情况其活动范围也是不同的，基本上可以分为四种运动形式：直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式、关节坐标式。根据以上工作要求可选择关节标式，具体设计成多关节机械手臂。其优点为：

（1）悬挂式机械手占地面积小，能有效的利用空间；本次采用5自由度关节手臂，工作头可以在最大运动尺寸范围内任何位置、任何方向实现定位，灵活度极高，可以非常方便的完成五轴加工、焊接和喷涂任务。

（2）多关节式的机械手对刚性联结的自动生产线非常实用，可以在各工位间传递工件。（3）悬挂式机械手结构简单，相应于其它多轴加工机床大大降低了成本。

3、动力及动力传递系统

该机械手的主要动力源为380V或220V交流电源，动力机选用标准步进电机，详见动力机参数附件；机械手各主要运动部件的运动由电机带动完成，运动独立互不影响。通过控制系统对其合成。

4、控制系统设计

该机械手臂要求能完成不同场合不同类型的加工，所以采用数字化程序控制系统，以PLC辅助编程实现，要求能够接受并完成用户所定义的程序。更换加工类型只需要跟换必要的部件（工作头）和用户控制程序即可。

数字化程序控制系统组成：

(1)数据输入装置：将指令信息和各种应用数据输入数控系统的必要装置。它可以CNC键盘(一

般输入操作)，数控系统配备的硬盘及存储卡、个人计算机等等。

(2)数控系统：是数控机床的中枢，它将接到的全部功能指令进行解码、运算，然后有序地发

出各种需要的运动指令和各种机床功能的控制指令，直至运动和功能结束。

(3)可编程逻辑控制器：是机床各项功能的逻辑控制中心。它将来自CNC的各种运动及功能指

令进行逻辑排序，使它们能够准确地、协调有序地安全运行；同时将来自机床的各种信息及工作状态传送给CNC，使CNC能及时准确地发出进一步的控制指令，如此实现对整个机床的控制。PLC多集成于数控系统中，这主要是指控制软件的集成化，而PLC硬件则在规模较大的系统中往往采取分布式结构。PLC与CNC的集成是采取软件接口实现的，一般系统都是将二者间各种通信信息分别指定其固定的存放地址，由系统对所有地址的信息状态

进行实时监控，根据各接口信号的现时状态加以分析判断，据此作出进一步的控制命令，完成对运动或功能的控制。

(4)工作台驱动系统：接受来自CNC的驱动指令，经速度与转矩(功率)调节输出驱动信号驱主

电动机转动，同时接受速度反馈实施速度闭环控制。它还通过PLC将主轴的各种现实工作状态通告CNC用以完成对主轴的各项功能控制。

(5)进给伺服系统：接受来自CNC对每个运动坐标轴分别提供的速度指令，经速度与电流(转矩)

调节输出驱动信号驱动伺服电机转动，实现机床坐标轴运动，同时接受速度反馈信号实施速度闭环控制。它也通过PLC与CNC通信，通报现时工作状态并接受CNC的控制。

(6)机床电器部分：包括所有的电动机、电磁阀、制动器、各种开关等。它们是实现机床各种

动作的执行者.

(7)速度测量：通常由集装于主轴和进给电动机中的测速机来完成。它将电动机实际转速匹配成电压值送回伺服驱动系统作为速度反馈信号，与指令速度电压值相比较，从而实现速度的精确控制。

(8)位置测量：现代机床多采用光栅尺和数字脉冲编码器作为位置测量元件。它们对机床坐标轴在运行中的实际位置进行直接或间接的测量，将测量值反馈到CNC并与指令位移相比较直至坐标轴到达指令位置，从而实现对位置的精确控制。

机床电气控制系统的由：数控系统，电源模块, 伺服驱动器，伺服电机，伺服主轴驱动器（或变频器），伺服主轴电机（或变频主轴电机）, PLC 输入输出模块, 强电柜的机床电器元器件，各种电动机、电磁阀，机床操作面板等组成。

四、实验步骤：（图文说明设计过程中关键步骤）（30分）

1、建立机械手臂模型

图1、底座模型图2 旋转台