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_垂直多关节型工业机器人设计总体结构及控制系统设计.doc
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摘 要
随着计算机技术和完善不断的向智能化方向发展,为了适应不断扩展和深化的机
器人应用领域,工业机器人产业已然成为了一种高新技术产业,对工业上的自动化水
平做了巨大作用,将对未来生产和人类社会的发展起到越来越重要的作用。本文的垂
直型工业机器人将会应用在国内外的发展中,并且带来经济效益。这次关于机器人的
设计是为了抓取 1kg 的筒状物体,通过各个自由度的协调完成相应的动作指令。通过
对工业机器人大臂以及整体的设计,配合齿轮传动,使手臂与手部的动作完美配合,能
够达到所指定动作。在设计中对每一个零件的设计都是至关重要的环节。
关键词:工业机器人 , 配合 , 传动
Abstract
Along with the computer technology and perfect constantly to the intelligent direction,
in order to meet the expanding and deepening of robot applications, industrial robots has
become a kind of new and high technology industries, made a important role in the
industrial automation level, will be for the future production and play an increasingly
important role in the development of human society. In this paper, the vertical industrial
robots will be applied in the development of both at home and abroad, and brings
economic benefits. This time about 1 kg robot is designed to grab tubular object, complete
the corresponding action in coordination with the various degrees of freedom.Through the
industrial machine's arm, and the overall design, gear transmission, the arm and hand
movements perfect cooperation, to reach the specified action. In the design of each part is
vital to design.
Keywords: industrial robot, cooperate, drive
目 录
1 前言.......................................................................................................................................................1
1.1 课题来源及研究意义................................................................................................................1
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/88037792/bg2.jpg)
1.2 国内外机器人发展状况............................................................................................................1
1.2.1 国内现状:.....................................................................................................................1
1.2.2 国外现状:.....................................................................................................................2
1.3 设计任务的内容与要求............................................................................................................3
1.4 设计的主要技术指标和参数....................................................................................................4
2 总体方案设计.......................................................................................................................................5
2.1 机器人工程概述........................................................................................................................5
2.2 工业机器人总体设计中总体方案的论证................................................................................5
2.2.1 确定负载.........................................................................................................................5
2.2.2 驱动方式.........................................................................................................................5
2.2.3 传动系统设计.................................................................................................................6
2.2.4 工作范围.........................................................................................................................6
2.2.5 运动速度.........................................................................................................................6
2.3 机器人机械传动原理................................................................................................................7
3 机械部分的结构设计与计算...............................................................................................................8
3.1 结构设计....................................................................................................................................8
3.2 机械结构部分的计算..............................................................................................................10
3.2.1 大臂的设计计算...........................................................................................................10
3.2.2 手部相关计算...............................................................................................................23
4 机器人电气系统设计.........................................................................................................................24
4.1 电控系统的硬件组成..............................................................................................................24
4.2 主芯片 AT89S51 的功能引脚叙述 ........................................................................................25
4.3 辅助电路及扩展电路..............................................................................................................29
4.4 传感器的确定..........................................................................................................................29
4.4.1 传感器的分析与选择及注意事项...............................................................................30
4.4.2 检测传感器与微机接口...............................................................................................31
4.5 信号的采集保持与预处理......................................................................................................31
4.5.1 采样保持.......................................................................................................................31
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/88037792/bg3.jpg)
4.5.2 采样保持原理...............................................................................................................32
4.5.3 采样/保持器选择及应用..............................................................................................33
4.6 多路模拟开关..........................................................................................................................34
4.7 信号的 A/D 转换.....................................................................................................................34
4.7.1 A/D 转换的基本过程及原理 .......................................................................................35
4.7.2 A/D 转换器的产品及选用 ...........................................................................................35
4.8 信号的 D/A 转换.....................................................................................................................37
4.8.1 D/A 转换器的原理 ......................................................................................................38
4.8.2 D/A 转换器的选用 .......................................................................................................39
4.8.3 DAC0832 的工作方式的选择 .....................................................................................41
5 结束语.................................................................................................................................................42
总 结...................................................................................................................................................43
参考文献...................................................................................................................................................44
谢 辞...................................................................................................................................................45
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/88037792/bg4.jpg)
1 前言
1.1 课题来源及研究意义
垂直多关节型工业机器人,也称关节手臂机器人或关节机械手臂,是当今工业领域中最常
见的工业机器人的形态之一。适合用于诸多工业领域的机械自动化作业,比如自动装配、喷漆、
搬运、焊接等工作。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。机器人应用情况,是一个国
家工业自动化水平的重要标志。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平,可以减轻劳动
强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体
和放射性等恶劣的环境中,它代替人进行正常的工作,意义更为重大。因此,在机械加工、冲
压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广
泛的引用。
课题来源:教师自拟
1.2 国内外机器人发展状况
1.2.1 国内现状:
我国对工业机器人的研究始于 20 世纪 70 年代,通过“七五”的起步,“八五”、“九五”
的科技攻关,已经基本掌握了工业机器人的设计制造技术、控制系统和驱动系统的设计技术和机
器人软件和编程等关键技术。形成了一批具有较强机器人科研实力的公司和院校,如中科院沈阳
自动化研究所、沈阳新松机器人自动化有限公司、清华大学、哈尔滨工业大学、北航等。
我国机器人的研究起步较晚,但从 90 年代开始,情况已经有所好转。早期的“863”计划已
经把机器人技术作为重要的攻关内容,国家科委和国家自然科学基金委员会也都相继资助了一批
有关机器人的研究项目。在高等学校中,也陆续开展了机器人的教学课程和机器人技术的研究工
作。到目前为止,我国在机器人的技术研究方面已经相继取得了一些重要成果,在某些技术领域
已经接近国际前沿水平,比如,我国自行研制的水下机器人,在无缆的情况下可潜到水下 6000
米,而且具有自主功能,这一技术达到了国际先进水平。但是从总体上看,我国在智能机器人方
面的研究可以说还是刚刚起步,机器人传感技术和机器人专用控制系统等方面的研究还比较薄弱。
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/88037792/bg5.jpg)
另外,在机器人的应用方面,我国就显得更为落后,国内自行研制的机器人当中,能真正应用于
生产部门并具有较高可靠性与良好工作性能的并不多。在这方面,北京自动化研究所研制的 PJ
型喷漆机器人可以说是国内值得骄傲的一种机器人,其性能指标已经与国际同类水平相当,而且
在生产线上也经过了长期检验,受到了用户的好评,现已批量生产。
目前,从整体上来说,我国机器人产业还很薄弱,机器人研究仍然任重而道远。我国市场上
机器人总共拥有量近万台,仅占全球总量的 0.56%,其中完全国产机器人行业集中度仅为占 30%,
其余皆为从日本、美国、瑞典、德国、意大利等 20 多个国家引进。究其原因,很大程度在于自
主品牌不够,发展壮大自主品牌及其自动化成套装备产业成为当务之急。
1.2.2 国外现状:
国外在工业机器人方面发展比较早,技术相对比较成熟,其成套的生产设备不仅有较大的生
产能力,而且其质量也是能完全满足用户的要求。目前,国外机器人自动化生产线成套装备已成
为自动化成套装备的主流以及未来自动化生产线的发展方向。
国外汽车行业、电子和电器行业、物流与仓储行业(企业级)等已大量使用机器人自动化生
产线, 从而保证了其产品的质量和生产的高效。典型的如机器人有大型轿车壳体冲压自动化系统
技术和成套装备、大型机器人车体焊装自动化系统技术和成套装备、电子和电器等的机器人柔性
自动化装配及检测成套技术和装备、机器人整车及发动机装配自动化系统技术和成套装备、AG
V物流与仓储自动化成套技术及装备等,这些机器人设备的使用大大推动了这些行业的快速发展,
提升了制造技术的先进性。
当前,国外将机器人自动化生产线成套装备的共性技术作为重点开发内容:
(1)大型自动化生产线的设计开发技术。利用CAX及仿真系统等多种高新技术和设计手段,
快速设计和开发机器人大型自动化生产线,并进行数字化验证。
(2)自动化生产线“数字化制造”技术。虚拟制造技术发展很快,国外几家早期从事仿真
软件的开发公司已经推出可进入实用的所谓“数字化工厂”(DMF)商品化软件。国外企业已
利用这类软件建立起自己的产品制造工艺过程信息化平台,再与本企业的资源管理信息化平台和
车身产品设计信息平台结合,构成支持本企业产品完整制造过程生命周期的信息化平台。自动化
生产线的设计、制造、整定及维护也必须要基于上述信息化平台进行,开展并行工程,实现信息
共享,这是最大限度地压缩自动化生产线投产周期所必须的,另外也有利于实现生产线的柔性和
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