三自由度直角坐标工业机器人设计论文

三自由度直角坐标机器人-I-沈阳工程学院课程设计设计题目：三自由度微型直角坐标工业机器人模型设计中文摘要直角坐标机器人具有空间上相互垂直的两根或三根直线移动轴，通过直角坐标方向的3个独立自由度确定其手部的空间位置，其动作空间为一长方体。直角坐标机器人结构简单，定位精度高，空间轨迹易于求解；但其动作范围相对较小，设备的空间因数较低，实现相同的动作空间要求时，机体本身的体积较大。大型的直角坐标机器人也称桁架机器人或龙门式机器人是能够实现自动控制的、可重复编程的、多自由度的、运动自由度建成空间直角关系的、多用途的操作机。其工作的行为方式主要是通过完成沿着X、Y、Z轴上的线性运动。近年来随着工业机器人的不断发展，工业机器人不断在工业领域得到广泛的应用，尤其是结构简单的直角坐标机器人，本次设计我主要是对三自由度的直角坐标机器人进行设计，完成一个大概的设计，在设计中我采用了各种光电传感器，还采用了C8051F系列单片机作为本次设计的主控芯片,各种算法的实现就是使用这款芯片实现的。随着直角坐标机器人的应用越来越广泛，直角坐标机器人的设计工作日益显得重要。成功的设计一台直角坐标机器人涉及到很多方面的工作，包括机械结构、动力驱动、伺服控制等等。关键词：三自由度直角坐标机器人单片机硬件软件沈阳工程学院课程设计（论文）-II-目录中文摘要......................................................................................................................................................I目录..................................................................................................................................................................II1设计任务描述...............................................................................................................................................12设计思路.......................................................................................................................................................22.1系统总体结构的设计.....................................................................................................................22.2系统各环节设计..............................................................................................................................23设计方框图..................................................................................................................................................34直角坐标机器人的硬件设计...................................................................................................................44.1单片机最小系统电路设计.............................................................................错误!未定义书签。4.2单片机稳压电源设计......................................................................................错误!未定义书签。4.3直流电机驱动设计........................................................................................错误!未定义书签。4.4步进电机驱动设计.........................................................................................................................64.5机械结构部分..................................................................................................................................74.6传感器选择.......................................................................................................................................85直角坐标机器人的控制设计..................................................................................................................105.1示教再现功能...............................................................................................................................105.2运动控制功能................................................................................................................................106主要元器件介绍........................................................................................................................................117小结..............................................................................................................................................................128致谢..............................................................................................................................................................139.参考文献.....................................................................................................................................................14附录...................................................................................................................................................................15三自由度直角坐标机器人-1-1设计任务描述1.1设计题目：三自由度直角坐标工业机器人设计1.2设计要求1.2.1设计目的：1）了解工业机器人技术的基本知识以及单片机、机械设计、传感器等相关技术。2）初步掌握工业机器人的运动学原理、传动机构、驱动系统及控制系统并应用于工业机器人的设计中。3）通过学习，掌握工业机器人的驱动机构、控制技术，并使机器人能独立执行一定的任务。1.2.2基本要求：1）要求设计一个微型的三自由度的直角坐标工业机器人；2）要求设计机器人的机械机构（示意图），传动机构、控制系统、及必需的内外部传感器的种类和数量布局。3）要有控制系统硬件设计电路。1.2.3发挥部分：自由发挥沈阳工程学院课程设计（论文）-2-2设计思路2.1系统总体结构的设计本次设计的题目是三自由度直角坐标机器人，直角坐标机器人具有空间上相互垂直的两根或三根直线移动轴，通过直角坐标方向的3个独立自由度确定其手部的空间位置，其动作空间为一长方体。直角坐标机器人结构简单，定位精度高，空间轨迹易于求解；但其动作范围相对较小，设备的空间因数较低，实现相同的动作空间要求时，机体本身的体积较大。2.2系统各环节设计直角坐标机器人，它由水平轴(X轴，Y轴)，垂直轴Z轴及驱动电机组成。此外一个完整的机器人系统还需要控制系统和手抓，下面分别予以介绍:直线运动轴也叫直线运动单元，它就是一个独立的运动轴，主要由支撑载体的铝型材或钢型材和被安装在型材内部的直线导轨、运动滑块以及作为带动滑块做高速运动的同步带组成。运动轴的驱动系统直角坐标机器人的传动主要是通过驱动电机的转动带动同步带运动，同步带带动直线导轨上的滑块运动。当驱动轴的最高转速低于60Or/min时通常选用步进电机，否则选用交流伺服电机。直角坐标机器人的控制系统机器人要在一定时间内完成特定的任务，在完成抓取，加速运动，高速运动，减速运动，释放工件等同时，还要与相关的设备通过通讯或I/O口实现一些时序上的协调同步。另外在涂胶应用上，各个运动轴要完成直线和圆弧插补运动。因此其数控系统要按具体应用要求来选定其控制轴数、I/O口数量和软件功能。通常选用数控系统，PLC，工控机加运动控制卡和带轴卡功能及I/O口的驱动电机来做控制系统。直角坐标机器人的末端操作器—手爪系统根据其具体应用情况，其手爪系统可能是气动吸盘、气动夹取手爪、电动夹取手爪、电磁吸取手爪、焊枪、胶枪、专用工具和检测仪器等。在很多场合可以一次抓取多个工件。三自由度直角坐标机器人-3-3设计方框图图3—1主程序方框图接近觉传感器转速传感器传感器信号调理电路A/D转换器计算机人机交互系统机器人控制器PID控制算法距离控制算法电动马达沈阳工程学院课程设计（论文）-4-4直角坐标机器人的硬件设计4.1单片机最小系统电路设计最小系统是指保证系统能正常工作的最基本电路和软件部分，单片机的最小系统电路包括外部晶振电路、电源电路和复位电路，如图4-3所示。（a）外部晶振电路(b)电源电路（c）外部复位电路图4.1单片机最小系统电路时钟基本脉冲是CPU工作的基础。C8051F020单片机的系统时钟信号，由时钟振荡电路或专用时序脉冲信号提供。C8051