西安交通大学本科生毕业设计（论文）
摘 要
在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生
产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业
所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家
工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等
重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。
本文将设计一台四自由度的工业机器人，用于给冲压设备运送物料。首先，
本文将设计机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构，然后选择合适的传动方
式、驱动方式，搭建机器人的结构平台；在此基础上，本文将设计该机器人的控
制系统，包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、端
子板电路的设计以及控制软件的设计，重点加强控制软件的可靠性和机器人运行
过程的安全性，最终实现的目标包括：关节的伺服控制和制动问题、实时监测机
器人的各个关节的运动情况、机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和
回参考点。
关键词：机器人，示教编程，伺服，制动
西安交通大学本科生毕业设计（论文）
ABSTRACT
In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more
attention on the automation degree of the production process in order to enhance the
production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the
automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by
enterprises. The technique level and the application degree of industrial robots reflect
the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial
robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. ,
which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these
robots work in playback way.
In this paper I will design an industrial robot with four DOFs, which is used to
carry material for a punch. First I will design the structure of the base, the big arm, the
small arm and the end manipulator of the robot, then choose proper drive method and
transmission method, building the mechanical structure of the robot. On this
foundation, I will design the control system of the robot, including choosing DAQ
card, servo control, feedback method and designing electric circuit of the terminal
card and control software. Great attention will be paid on the reliability of the control
software and the robot safety during running. The aims to realize finally include:
servocontrol and brake of the joint, monitoring the movement of each joint in realtime,
playback programming and modifying the program online, setting reference point and
returning to reference point.
KEY WORDS: robot, playback, servocontrol, brake
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目 录
第 1 章 绪论…………………………………………………………………… 3
1.1 机器人概述…………………………………………………………… 4
1.2 机器人的历史、现状………………………………………………… 4
1.3 机器人的发展趋势…………………………………………………… 4
第 2 章 机器人实验平台介绍及机械手的设计……………3
2.1 自由度及关节…………………………………………………………… 4
2.2 基座及连杆…………………………………………………………… 4
2.2.1 基座……………………………………………………………… 7
2.2.2 大臂……………………………………………………………… 7
2.2.3 小臂……………………………………………………………… 7
2.3 机械手的设计……………………………………………………………4
2.4 驱动方式…………………………………………………………………4
2.5 传动方式…………………………………………………………………4
2.6 制动器……………………………………………………………………4
第 3 章 控制系统硬件……………………………………………………………4
3.1 控制系统模式的选择……………………………………………………4
3.2 控制系统的搭建……………………………………………………… 4
3.2.1 工控机……………………………………………………………4
3.2.2 数据采集卡………………………………………………………4
3.2.3 伺服放大器………………………………………………………4
3.2.4 端子板…………………………………………………………… 4
3.2.5 电位器及其标定………………………………………………… 4
3.2.6 电源……………………………………………………………… 4
第 4 章 控制系统软件………………………………………………………… 4
4.1 预期的功能…………………………………………………………… 4
4.2 实现方法………………………………………………………………4
4.2.1 实时显示各个关节角及运动范围控制 ………………………4
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4.2.2 直流电机的伺服控制………………………………………………4
4.2.3 电机的自锁…………………………………………………………4
4.2.4 示教编程及在线修改程序…………………………………………4
4.2.5 设置参考点及回参考点……………………………………………4
第 5 章 总结……………………………………………………………………… 4
5.1 所完成的工作………………………………………………………… 4
5.2 设计经验……………………………………………………………… 4
5.3 误差分析……………………………………………………………… 4
5.4 可以继续探索的方向………………………………………………… 4
致 谢……………………………………………………………………………… 4
参考文献………………………………………………………………………… 4
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第 1 章 绪论
1.1 机器人概述
在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续
性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不
连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工
中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削
加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。
机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。
“工业机器人”（Industrial Robot）：多数是指程序可变（编）的独立的自
动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机器人或通用机器人）。
机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机器
人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前
我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器
人。
简而言之，机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作
位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。
机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人，也即本文所
研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要
编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备
通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机
（Manipulator）。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，
后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作
机也属于这一范畴。第三类是专业机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，
用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之为“Mechanical
Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序一般是固定的，
因此是专用的。
机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构
紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物
等这样一些特点，成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人
的本体部分都采用这种机构形式的机器人。
要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、
臂、关节等部分组成的抓取和移动机构——执行机构；像肌肉那样使手臂运动的
驱动－传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了
机器人的性能。一般而言，机器人通常就是由执行机构、驱动－传动系统和控制
系统这三部分组成，如图 1-1 所示。
