1、I本科毕业论文（20 届）基于 MATLAB 软件的仓储机械手传动控制系统数字仿真所在学院专业班级 机械电子工程学生姓名指导教师完成日期II目 录1 绪 论 .11.1 前言 .11.2 机械手的发展历史 .11.3 机械手的发展趋势 .41.4 选题背景及课题意义 .42 机械手介绍 .62.1 机械手组成及其工作原理 .72.1.1 执行机构 .72.1.2 驱动机构 .82.1.3 控制机构 .92.2 机械手运动学分析 .93 机械手控制系统设计 .163.1 系统各环节建模 .163.1.1 变频器环节 .163.1.2 交流异步电动机环节 .173.1.3 速度检测环节 .183.
2、1.4 转速到角位移转换环节 .183.1.5 位置反馈检测环节 .183.1.6 PI 调节器 .184 利用 MATLAB 仿真 .204.1 软件介绍 .204.2 变频器参数 .214.3 交流异步电动机参数 .214.4 速度环节的仿真 .224.5 位移环节的仿真 .23结 论 .25参考文献 .26致 谢 .2711 绪论1.1 前言机械手是一种能模仿人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备，它也是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可以通过编程来完
3、成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能性和适应性。机械手作业的准确性和在很多环境恶劣中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：(1)它能部分的代替人工操作,实现机械化作业；(2)它能按照生产工艺的要求，遵循一定的指令，按照指定的路径完成工件的传送和装卸；(3)它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，机械手的应用备受很多国家的重视，使其投入大量的人力物力来研究和应用，尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射
4、性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的重视。随着机械手在制造业中应用越来越广泛，人们对其工作的精度要求也越来越高，这就需要机械手有很稳定的控制系统。为了实际机械手控制系统的设计方便，我们利用 MATLAB 软件进行仿真模拟。仿真技术利用系统模型对实际或设想的系统进行试验研究，其应用已经扩大为产品研制的全过程，包括方案论证、设计分析、生产制造等各个阶段。MATLAB 是一种可视化的具有强大矩阵计算能力的编程语言，在工业研究、产品开发、数值分析和科学计算等工程及科学方面的教学与研究中是一个十分有效的工具。1.2 机械手的发展历史现代工业机械手
5、起源于 20 世纪 50 年代初，是基于示教再现和主从控制方式、2能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。(1)国外机械手的发展历史1954 年，被称为“机器人之父”的美国科学家 Georgedevol 取得了附有重放记忆装置的第一台机械手的专利权，该设备能执行从一点到另一点的受控运动，这被认为是“机器人时代”的开始。1962 年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手，是一种叫 Versatran 机械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，
6、但都是国外工业机械手发展的基础。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产工业机械手。1970 年，机器人学界早期的改革家之一，victor schenman 在斯坦福大学演示了一种计算机控制的机械手，这就是非常著名的斯坦福机械手。德国机器制造业是从 1970 年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。德国 KnKa 公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。日本国也在
7、1967 年开始进口机器人，当时日本经济大发展，许多企业一齐开始了对机器人的开发，日本梨山大学研制成功了 SCARA水平关节结构机器人。自 1969 年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道，1979 年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达 50 多个。1976 年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。1979 年日本机械手的产值达 443 亿日元，产量为 14535 台。其中固定程序和可变程序约占一半，达 222 亿日元，是 1978 年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为 67 亿日元，比 1978 年增长 50%。智能机械手约为 17 亿日元，为 19
8、78 年的 6 倍。截止 1979 年，机械手累计产量达 56900 台。在数量上已占世界首位，约占 70%，并以每年 50%60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。美国生产的 PUMA（美洲虎）型装配机器人有小型（200） 、中型（500）和大型（700）三种。它有六个自由度，各轴均由直流伺服电机驱动，采用齿轮减速机构。控制装置采用 LSI11/2 型微机，串行接口在微机与终端、外部存储器、示教盒之间3建立通讯，并行接口与机器人本体控制回路相连。PUMA 适用于点位式、连续轨迹式工件方向控制等多种控制方式，重复定位精度为0.05mm，动作速度可达 1.5m/s,具有视
9、觉、触觉、力觉等传感器，可以协同控制。机构具有顺应性，可以吸收装配中的水平误差和倾角误差。第三代机械手则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统 FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。近年来，机械手和以机械手为核心的自动化设备在工业发达国家，尤其在日本，有了广泛的应用。由机械手与其它设备组成的生产线极大的提高了企业的劳动生产率，提高和稳定了产品质量，大大缩短了产品更新换代的周期。这些应用在很大程度是哪个激发了人们对机械手的研究和开发
10、，它的技术也因此取得了长足的进步。80 年代，人们为了让机器人技术向各行各业扩展、应用，于是有了用于社会服务。海洋开发、地下采矿、救灾抢险等领域的机器人。应用这些领域的机器人，绝大多数都是由机械手和与之对应的安装平台组成的。由于人类活动领域的不断扩大，人们对非织造业用机械手的研究空前活跃起来。这些行业与制造业相比，其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性，因而对机械手的要求更高，需要机械手具有对外感知能力以及局部的自主规划能力等。目前，机械手技术发达的国家都在竞相开发地下机械手、医用机械手、建筑用机械手和军用机械手，并已经取得了一些卓有成效的结果。随着工业机械手研究制造和应用的扩大，国际性学术
11、交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。(2)国内机械手的发展历史我国机器人技术研究起步于70年代初期，经过30多年的发展，大致经历了三个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。我国于1972年开始了研制自己的工业机器人和水下攻关计划，并取得了一定的成绩。进入八十年代后，我国机器人技术的开发与研究在政府的重视与支持下，1986年国家高技术研究发展计划(863计划)开始实施，先后研制了水下机器人、机器人压路机、农林业机器人、微操作机器人等。从跟踪世界先进水平机器人技术角度出发，经过几年努力研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。90 年代
12、初期起，我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、4弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地。国产机器人走向实用化阶段。例如：在蔡鹤皋院士主持下，哈尔滨工业大学和沈阳自动化所设计制造 HT-100A 点焊机器人；1998 年 2 月第一台上线应用于解放牌卡车的后风窗点焊，1998 年 5 月第二台上线应用于红旗轿车焊接线上。哈尔滨工业大学机器人研究所研制的便携式机器人，可实现六自由度弧焊机器人的全部功能，同时可作为通用机器人完成其它工作，可在任意位置安装。沈阳新松公司为嘉陵集团摩托车车身生产线设计制造的
13、6公斤轻型弧焊机器人。1.3 机械手的发展趋势机械手是集机械、电子、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合，它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展。因此，机械手的主要发展方向如下：(1)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；(2)机械手控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构：大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性；(3)机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机械手还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机械手则采用视觉、声觉、力觉
14、、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；(4)虚拟现实技术在机械手中的作用从仿真、预演向用于过程控制发展，如遥控机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机械手。机械手的出现不是孤立的，它是许多科学技术发展的结晶，是社会生产力发展到一定阶段的必然要求。当然，与机械手相关的技术还有很多，并且随着科学技术的发展，各种技术相互融合的趋势将越来越明显，机械手技术的广阔发展前景也将越来越光明。1.4 选题背景及课题意义机器人技术是一门最近三十多年间发展起来的科学技术，随着机器人的普及与5应用领域的不断扩大，对机器人的性能要求（如实时控制、动作精度、可靠性等）也不断提高。因此，为了能快速
15、对机器人进行运动学分析，实现机器人机构和控制器的优化设计以及规划出优化的机器人运动轨迹，研究机器人的虚拟仿真是一个重要的手段。机器人仿真是机器人研究的一项很重要的内容，它涉及机器人机构学、机器人运动学、机器人零件建模、仿真机器人三维实现和机器人运动控制等，是一项具有创新意义和实用价值的研究课题。仿真利用计算机可视化和面向对象的手段，模拟机器人的动态特性，帮助研究人员了解机器人工作空间的形态及极限，揭示机构的合理的运动方案和控制算法，从而解决在机器人设计、制造和运行过程中的问题，避免了直接操作实体可能造成的事故和不必要的损失。虽然目前机械手不如人手灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、抓举重量比人
16、手大的特点。因此，在机械工业中，机械手有以下几个意义：(1)可以提高生产过程中的自动化程度，应用机械手有利于提高材料的传送、工件的装卸等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐；(2)可以改善劳动条件，避免人身事故在高温、高压、有灰尘、噪音及工作空间狭窄等场合中发生，而且应用机械手可以部分或全部代替人手安全的完成作业，大大提高劳动生产率，避免由于疲劳或疏忽造成的事故；(3)应用机械手代替人手进行工作可以减少人力，便于有节奏的生产，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的进行工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，目前在自动化机床和综
17、合加工自动生产线上都设有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行生产。62 机械手介绍机械手以使用范围、运动坐标形式、驱动方式以及臂力大小四个方面的分类分别为：(1)按使用范围分类:专用机械手：一般只有固定的程序，而无单独的控制系统。它从属于某种机器或生产线用以自动传送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料机械手” 、 “曲拐自动车床机械手” 、 “油泵凸轮轴自动线机械手”等等。这种机械手结构较简单，成本较低，适用于动作比较简单的大批量生产的场合。 通用机械手：指具有可变程序和单独驱动的控制系统，不从属于某种机器，而且能自动完成传送物件或操作某些工其的机械装置。通用机械手按其
18、定位和控制方式的不同，可分为简易型和伺服型两种。简易型只是点位控制，故属于程序控制类型，伺服型可以是点位控制，也可以是连续轨迹控制，一般属于数字控制类型。 (2)按运动坐标型式分类:直角坐标式机械手：臂部可以沿直角坐标轴 X、Y、Z 三个方向移动，亦即臂部可以前后伸缩(定为沿 X 方向的移动)、左右移动(定为沿 Y 方向的移动)和上下升降(定为沿 Z 方向的移动)； 圆柱坐标式机械手：手臂可以沿直角坐标轴的 X 和 Z 方向移动，又可绕 Z 轴转动(定为绕 Z 轴转动)，亦即臂部可以前后伸缩、上下升降和左右转动； 球坐标式机械手：臂部可以沿直角坐标轴 X 方向移动，还可以绕 Y 轴和 Z 轴转
19、动，亦即手臂可以前后伸缩(沿 X 方向移动)、上下摆动(定为绕 Y 轴摆动)和左右转动(仍定为绕 Z 轴转动)； 多关节式机械手：这种机械手的臂部可分为小臂和大臂。其小臂和大臂的连接(肘部)以及大臂和机体的连接(肩部)均为关节(铰链)式连接，亦即小臂对大臂可绕肘部上下摆动，大臂可绕肩部摆动多角，手臂还可以左右转动。(3)按驱动方式分类： 液压驱动机械手：以压力油进行驱动；气压驱动机械手：以压缩空气进行驱动；电力驱动机械手：直接用电动机进行驱动； 7机械驱动机械手：它是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传递给机械手的一种驱动方式。(4)按机械手的臂力大小分类： 微型机械手：臂力小于 1
20、；小型机械手：臂力为 110；中型机械手：臂力为 1030；大型机械手：臂力大于 30。本设计中的机械手选用通用机械手，它控制起来比较灵活。2.1 机械手组成及其工作原理机械手主要由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。根据搬运机械手的作业特点，机械手模型如图 2.1 所示。立柱起到支撑及导向的作用，通过固定其上的丝图 2.1 机械手模型1.丝杠，2.摇臂，3.丝母，4.手爪，5.立柱，6.机座杠 1( )与螺母配合实现上下移动功能，摇臂 2( )与立柱铰接，能大范围地转动，1l 2l另外手爪部 4( )能实现微转动，调节手爪的位置，通过手爪的开合抓取和放开物料。4l2.1.1 执行机构8执
21、行机构是机械手完成抓取工件，实现各种运动所需的机械部件，它包括手部、腕部、臂部等结构。(1)手部：机器人为了进行作业而配置的操作机构，又称为手爪或抓取机构，它直接抓取工件。它一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单） 。手部多为两指（也有多指） ；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。传力机构形式较多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。(2)腕部：又称为手腕，是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，
22、适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于 2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭矩。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。(3) 臂部：连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荷重，改变手部的空间位置，满足机器人的作业空间，将各种荷重传递到机座。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。2.1.2 驱动机构驱动机构是工业机械手的重要组成部分，工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同，工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类，在四种驱动方式当中，液压与气压跟机械和电力相比，具有以下优点： (1)空间布局安装不受严格的空间限制，能构成其它方法难以组成的复杂驱动系
