毕业设计（论文）-工业搬运机器人设计.doc

大学本科生毕业设计（论文） - I - 第第 1 1 章章 绪绪 论论 .1 1 1.1 现代运动控制技术概述 .1 1.1.1 机电一体化技术的发展概况.1 1.1.2 现代交流伺服运动控制技术.2 1.2 多轴运动控制的发展现状.3 1.2.1 概述 .3 1.2.2多轴运动控制器 .3 1.3 工业搬运机器人发展现状.4 1.3.1 发展史 .4 1.3.2 国内外实例 .5 1.4 课题背景及论文任务 .6 第第 2 2 章章系系统统组组成成 .8 8 2.1 机械部分 .8 2.1.1 自由度 .9 2.1.2 此机械结构的优缺点及可行性 .10 2.2 控制部分 .11 2.2.1 系统总体 .12 2.2.2 控制卡 .13 2.2.3 执行电机 .13 2.2.4 驱动器 .15 2.2.5 控制柜 .17 2.3 传感部分 .19 2.3.1 安全保护 .19 2.3.2 人机交互系统 .20 第第 3 3 章章 P PM MA AC C 2 2 型型控控制制卡卡的的应应用用 .2121 3.1 概述 .21 3.1.1 PMAC 简介及选型 .21 3.1.2 PMAC 应用系统开发流程 .23 大学本科生毕业设计（论文） - II - 3.2 PMAC 2 硬件组成、工作原理及安装.23 3.2.1 硬件组成及工作原理 .23 3.2.2 总线连接 .25 3.2.3 应用方式 .26 3.3 软件设置和定义 .27 3.3.1 建立主机通讯 .27 3.3.2 重要变量的设置 .27 3.3.3 PID 参数设置 .28 3.4 PMAC 2 的功能 .29 3.4.1 执行运动程序 .29 3.4.2 执行 PLC 程序 .30 3.4.3 伺服环更新 .30 3.4.4 换向更新 .30 3.4.5 资源管理 .31 3.4.6 任务优先级 .31 3.5 软件系统 .31 3.5.1 软件总体 .31 3.5.2 命令、变量、程序 .32 3.6 系统编程 .34 3.6.1 堆垛任务分析 .34 3.6.2 建立坐标系 .36 3.6.3 回零运动 .37 3.6.4 箱装货物码放程序设计.38 3.6.5 袋装货物码放程序设计.44 3.6.6 调试运行 .46 第第 4 4 章章人人机机界界面面开开发发 .4848 4.1 界面设计概述 .48 4.1.1 界面的概念 .48 4.1.2 界面设计原则 .48 大学本科生毕业设计（论文） - III - 4.1.3 开发工具 .49 4.2 堆垛界面开发 .49 4.2.1 设计步骤 .49 4.2.2 效果评估 .59 第第 5 5 章章 总总结结与与展展望望 .6060 致致谢谢 .6161 参参考考文文献献 .6262 大学本科生毕业设计（论文） - 1 - 第第 1 1 章章 绪绪 论论 1 1. .1 1 现现代代运运动动控控制制技技术术概概述述 运动控制起源于早期的伺服控制。简单的说，运动控制就是对机械传动装置 的计算机控制，即对机械运动部件的位置、速度等进行性实时的控制管理，使 其按照预期的轨迹和运动参数完成相应的动作。随着计算机技术和微电子技术 的发展，机电一体化技术得到迅速发展 ，运动控制技术作为其关键的组成部分， 也得到了前所未有的大发展，各种运动控制的新技术、新产品层出不穷，使产 品结构和生产系统结构、控制策略等都发生了质的变化。 1 1. .1 1. .1 1 机机电电一一体体化化技技术术的的发发展展概概况况 现代化的生产水平、产品质量和经济效益等各项指标，在很大程度上取决于 生产设备的先进性和电气自动化程度。机电一体化技术是随着科学技术的不断 发展，生产工艺不断提出新的要求而迅速发展的。在控制方法上主要是从手动 到自动；在控制功能上，是从简单到复杂；在操作上是由笨重到轻巧。随着新 的控制理论和新型电器及电子器件的出现，又为电气技术的发展开拓了新的途 径。 传统的电气控制是继电器接触式控制系统，由继电器、接触器、按钮、行程 开关等组成。继电器接触式控制系统的优点是结构简单、维护方便、抗干扰性 强、价格低，因此在 广泛应用在各类机床及和机械设备。目前，我国继电器接 触式控制仍然是机床和其他机械设备最基本的电气控制形式之一。 在实际生产中由于存在大量由开关量控制的简单的程序控制过程，而实际生 产工艺和流程又是经常变化的，因而传统的继电器接触式控制方式不能满足这 种要求，因此曾出现了继电器接触控制和电子技术相结合的装置，叫做顺序控 制器。它能够根据生产需要改变控制程序，但是它体积大，功能也受到一定的 限制。随着大规模集成电路和微处理机技术的发展及应用，上述控制技术也发 生了根本性的变化，在 20 世纪 70 年代计算机存储技术引入顺序控制器，产生 了新型工业控制器 可编程序控制器（ programmable logic controller,PLC） ， 它兼备了计算机控制和继电器控制系统两方面的优点，故目前在世界各国已作 为一种标准化通用装置普遍应用于工业控制。 大学本科生毕业设计（论文） - 2 - 1 1. .1 1. .2 2 现现代代交交流流伺伺服服运运动动控控制制技技术术 交流伺服电机 与步进电机相比具有低频特性好、精度高、过载能力强等特 点又克服了 DC 伺服电动机存在电刷和机械换向器而带来的各种限制，因此在 工厂自动化（ FA）中获得广泛的应用。 随着生产力的不断发展，要求交流运动控制系统向数字化、高精度、高速 度、高性能方向发展。在机电一体化迅速发展的同时，运动控制技术也得到了 空前的发展，国内外各个厂家不断相继推出控制的新技术、新产品。以下是 比较典型的新控制技术 1。 1 全闭环交流伺服驱动技术 在一些定位精度或动态响应要求比较高的机电一体化产品中，交流伺服控制 系统的应用越来越广泛，其中数字交流伺服系统更符合数字化控制的潮流，调 试使用简单，倍受青睐。这种伺服系统的驱动器采用了先进的数字信号处理器 （digital signal processor，DSP） ，可以对电机轴后面的光电编码器进行位置采 样，在驱动器和电机之间构成位置和速度的闭环控制系统，充分发挥了DSP 的高速运算能力，自动完成整个系统增益的调节。 2 直线电机驱动技术 直线电机在机床进给伺服系统中的应用， 近几年来已经在世界机床业得到 重视，并在西欧工业发达地区掀起 “直线电机热 ” 。在机床进给系统中，采用 直线电动机直线驱动与原旋转电机传动的最大区别是取消了电动机到工作台之 间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零，因而这种传动方式又 被称为“零传动” 。 3 可编程计算机控制技术 自 20 世纪 60 年代末美国第一台可编程控制器（ PLC）问世以来， PLC 控 制技术已走过了 30 年的发展历程，尤其是随着近代计算机技术和微电子技术的 发展，它已在软硬件技术方面远远走出了当初的“顺序控制 ”雏形阶段。可 编程控制器（ PCC）就是代表这一发展趋势的新一代可编程控制器。PCC 的 应用程序由许多任务模块构成，给工程项目应用软件的开发带来很大的便利。 因为这样可以 方便的按照控制项目中各部分不同的功能要求，如运动控制、数 据采集、报警、 PID 调节运算、通信控制等，分别编制出控制程序模块，这些 大学本科生毕业设计（论文） - 3 - 模块既独立运行，数据间又保持一定的相互关联。这些独立模块可以在多任务 操作系统的管理下并行运行，共同完成项目中的控制要求。 4 运动控制卡 运动控制卡是一种基于工业PC 机、用于各种运动控制场合（包括位移、 速度、加速度等）的上位控制单元。运动控制卡通常采用专业运动控制芯片 DSP 作为运动控制核心，大多用于控制步进电机或伺服电机。一般的，运动控 制卡与 PC 机构成主从式控制结构： PC 机负责人机交互界面的管理和控制系统 的实时监控等方面的工作（例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、运动轨 迹规划、控制指令的发送、外部信号的监控等等）：控制卡完成运动控制的所 有细节（包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位信号 的检测等 ） 。运动控制卡都配有开放的函数库供用户在DOS 或 Windows 系统 平台下自行开发、构造所需要的运功控制系统。因而这种结构开放的运动控制 卡能够广泛的应用于制造业中设备自动化的各个领域。这种运动控制模式在国 外自动化设备的控制系统中比较流行，运动控制卡也形成了一个独立的专门行 业，具有代表性的产品有美国的PMAC、PARKER、德国的 MOVTEC 等运动 控制卡。 1 1. .2 2 多多轴轴运运动动控控制制的的发发展展现现状状 1 1. .2 2. .1 1 概概述述 随着近年来工业的发展，和对各种机械性能和产品质量要求的逐渐提高，单 单针对一台电机的控制已经不能完成一些复杂轨迹的生成，如机器人的路径规 划，曲线、曲面与空间曲轴的加工等，这就需要人们协调控制多台电机，由此 产生了多电机控制系统，它在电气传动中占有非常重要的位置，已经成为加工 业和机器人领域备受关注的研究课题。 “PC+运动控制器 ”多轴运动控制系统的研究与应用是目前国际工业应用与 学术界的研究热点之一，以PC 机作为主处理平台，运动控制器嵌入PC 机， 将 PC 机的信息处理能力和运动控制器的快速运算能力有机地结合在一起，具有 信息处理能力强，开放程度高、通用性好的特点。 1 1. .2 2. .2 2多多轴轴运运动动控控制制器器 运动控制器是通过对由电机驱动的执行机构进行运动控制，以实现预定运动 大学本科生毕业设计（论文） - 4 - 轨迹目标的装置。可以说，运动控制器在任何伺服电机控制系统中都是必不可 少的。运动控制器的可编程特性使伺服电机控制和生产过程控制变得更加简单 灵活。它以其特有的 灵活性和优异的运动轨迹控制能力使许多生产设备更加 精密化、自动化、智能化。 起初的多轴运动控制器使用单片机和一些分离元件，由于运算速度有限，多 采用各个轴分离控制的方法，控制算法比较简单，精度也比较差。随着电力 电子技术与系统集成技术的不断发展，特别是DSP 的出现，其出色的快速运算 能力使得多轴运动控制系统的实时协调控制成为可能。另外计算机软件硬件 技术的飞速发展也给多轴运动控制提供了开放的开发环境。为了满足多轴控 制系统快速发展的需要，世界许多自动化设备厂商都陆续推出了自己的多轴 运动控制器。在国外，多轴运动控制器产品发展很快，并已经得到了广泛的 应用，但在国内，发展还比较缓慢，只有 极少数的厂家有自己的运动控制器， 多数还是应用国外比较成熟的控制器组建多轴运动控制系统。目前，市场上有 很多公司在制造销售或代理销售多轴运动控制卡系列产品及其配套的控制器、 电机、编码器和检测设备，如 ：美国的 PMAC、Galil、德国 Movtec、台湾 Anrotek、北京泛华，还有三菱电机、 OMRON、富士、东芝等机电公司也在开发 制造同类产品。相比之下，美国的PMAC、Galil 应用比较广泛。 表 1-1 目前市场上流行的运动控制器产品情况 运动控制器代理公司开发商网络地址 KOLLMORGEN天津科尔摩根Kollmorgenwww.kollmorgen.co m PMAC北京元茂兴Della Galil北京中宝伦G 深圳魔信深圳魔信深圳魔信 TRIO北京意美德英国 TRIO PARKER上海施兰东莞美国 PAEKER 1.3 工工业业搬搬运运机机器器人人发发展展现现状状 大学本科生毕业设计（论文） - 5 - 1 1. .3 3. .1 1 发发展展史史 工业搬运机器人 按工作任务 分为上下料机器人、装卸机器人和码垛机器人 等。本论文中提到的搬运机器人指的就是码垛机器手臂。码垛就是按照集成单 元化的思想，将单一的物件，按照一定的模式，一件件的堆码城垛，以便使单 元化的物垛实现物料的搬运、存储、装卸运输等物流活动。20 世纪 80 年代 以前，码垛工作都是由工人完成的。随着大生产规模的扩大，促使码垛自动化， 以加快物流的速度，保护工人的安全和健康，同时也能获得整齐一致的物垛， 减少物料的破损和浪费。 70 年代末日本顺应社会发展的潮流， 将机器人技术 用于码垛过程，从此，作为一门物流自动化的新兴技术机器人码垛技术 的研究开发获得了迅速的发展。我国在80 年代引进的大型石化装置，首次采 用了机器人码垛。随后 90 年代初，我国开始了码垛机的研制开发。 1.3.2 国国内内外外实实例例 日本不二输送机株式会社经过多年的开发研究，于1982 年终于开发出了 码垛机器手臂 FUJI ACE，它的主要特点是：结构简单，可以 设置在狭窄 的空间，操作也非常简单，所以故障率低，容易保养和维修，省能源、省费 用。不二公司自从 1982 年研制出 FUJI ACE 以来，不断地进行产品的完善和 改进，凭着 20 多年码垛机器人的丰富经验和不断创新的精神，不二公司成功开 发出达到 1600 次/时的高速码垛机器人。从而满足了客户日益高速化、高效化 的生产要求。 EC201 是当今世界上能力最高的码垛机器人，荣获2003 年度 日刊工业新闻机械工业设计奖、日本机器人工业会奖等多个奖项。EC201 码垛机器人结构紧凑、能力高，即在狭窄的空间也能运用自如；速度快、承 载能力大，大量应用化工、饮料、食品等高速生产线上。图 1-1 为 EC201 的外形图片。 大学本科生毕业设计（论文） - 6 - 图 1-1 EC201 外形 国内大连佳林设备制造有限公司生产的TJ1200 型高速低位码垛机，码 垛能力为 1200 次/时。具有造价低 、体积小、检测维修方便等优点；同时采用 了彩色触摸屏，汉化的操作系统使操作简单直观；设备的性能和外观质量都达 到了国外同类产品的水平。 清华大学研制的 TH50 空间关节高速码垛机器人， 稳定性好，操作简单灵活，也具有一定代表意义。 1 1. .4 4 课课题题背背景景及及论论文文任任务务 多电机运动的协调控制普遍存在于生产过程中的自动化控制系统中。多电机 之间的协调运行性能的优劣直接影响系统的可靠性和控制精度。因此多轴控制 一直是运动控制领域的重要课题，具有非常重要的现实意义和应用价值。 本毕业设计基于实验室已有的工业搬运机器人，机械运动部分以及控制系统 已经搭建好， 软件控制部分正在开发之中。这个平台是采用PC+PMAC 的方 式，涉及 PC 机、PMAC 控制卡、驱动器、交流伺服电机、通 讯以及各种机械 装置的知识，以这个开放式的平台为对象，我们可以进行多方面的学习和研究， 比如开发上位机控制软件、研究各种通讯方式、研究电机的各种性能指标、熟 悉 PMAC 控制卡的应用、熟悉 PLC 工作过程、研究各种运动控制策略等等。 本论文以搬运机器人为平台，研究了系统的组成及核心部分PMAC 2 型 运动控制卡的特点及使用方法；编写了相关的运动控制程序；设计简单的人机 大学本科生毕业设计（论文） - 7 - 交互界面。 论文的主体部分为 二、三、四章。第二章介绍了工业搬运机器人的组成， 使用环境及发展现状。第三章 介绍了 PMAC2 型控制卡的应用，其中包括电机 的设置、坐标系的建立、各种运动模式的编程实现以及工业搬运机器人不同 码垛方式的软件设计等。第四章 介绍人机交互界面的设计， 主要是对 Visual C+软件的学习和使用。 大学本科生毕业设计（论文） - 8 - 人机交互系统 控制系统 驱动系统 机械系统 机器人环境交互系统 感 知 系 统 第第 2 2 章章 系系统统组组成成 作为一个系统机器人， 一般由三部分、六个子系统组成。如图2-1 所示。 这三部分是机械部分、传感部分、控制部分；六个子系统是驱动系统、机械系 统、感知系统、人机交互系统、机器人 环境交互系统、控制系统等 2。 本章从机械部分、控制部分、传感部分三大部分介绍系统的组成，其中涉及 到控制器、驱动器、执行电机、安保系统、人及交互系统、机械结构等内容。 图 2-1 机器人的基本组成 2 2. .1 1 机机械械部部分分 机械系统 是机电一体化 装置中所有功能要素的机械支撑结构。 它由一系列 的连杆、关节或其他形式的运动副组成。工业机器人的机械结构系统一般由 机身、手臂、末端执行器三大件组成。每一大件都有若干自由度，构成多自由 度的机械系统。 工业机器人机械系统设计是工业机器人设计的重要部分，其他 系统的设计应该有自己独立的要求，但还必须与机械系统相匹配，相辅相成， 组成一个完整的机器人系统。 工业机器人的主体结构设计的主要问题是选择由连杆和运动副组成的坐标形 式。最广泛使用的工业机器人坐标形式有：直角坐标式、圆柱坐标式、球面坐 大学本科生毕业设计（论文） - 9 - 标式（极坐标式）、关节坐标式（包括平面关节式）。此搬运机器人采用圆柱 坐标式，此种结构的优点是：结构紧凑、通用性强；缺点是由于机身结构的缘 故，手臂不能抵达底部，减少了机器人的工作范围。搬运机器人的外形如图 2-2 所示。 图 2-2 搬运机器人外形（未安手爪） 2 2. .1 1. .1 1 自自由由度度 自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不包括手爪（末端执行 器）的开合自由度。在三维空间中描述一个物体的位置和姿态（简称位姿）需 要六个自由度。工业机器人的自由度是根据用途设计的，可能小于也可能大于 六个自由度。 工业搬运机器人是自动生产线上搬运货物的一种自动化装置， 主要完成以下几个动作：旋转、前后移动、升降、夹持货物、放置货物。此 搬运机器人 设计有四个自由度。 分别是底座绕垂直轴的旋转运动，手臂的前后、 上下运动和手爪 的水平旋转运动 ，其中不包括末端手爪的张合。 1底座的旋转 底座绕垂直轴的运动由驱动电机 配合谐波齿轮 得以实现。谐波齿轮减速器 的谐波传动是利用柔性元件可控的弹性变形来传递运动和动力的。其优点是 体积小、精度高，缺点是柔轮寿命有限、不耐冲击，刚性与金属件相比较差。 大学本科生毕业设计（论文） - 10 - 工业搬运机器 人运行环境平稳，要求体积小， 综合考虑 谐波减速器 比较适合 用于搬运机器人底座的减速装置。 底座旋转的范围为 0330。此搬运机器人 采用的谐波齿轮 减速比为 120。 2水平移动 搬运机器 人的主体手臂采用平行四边形连杆机构，此机构优点是水平移动和 升降移动是解耦的，使得在水平和垂直方向的协调运动更为简单。水平移动靠 电机带动 滚珠丝杠 实现。滚珠丝杆将回转运动转化成直线运动。滚珠丝杆的优 点是：（1）由于滚动丝杆副丝杠轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动，所以 能得到很高的运动效率，与 滑动丝杠 相比驱动力矩达到 1/3 以下，更节省能源； （2）无侧隙，精度高； （3）启动力矩小，无爬行现象，可以实现 精确的微 进给；（4）运动效率高，发热小，可以实现高速进给。连杆机构使得终端的 运动相对于 底部导轨运动放大了五倍，即导轨移动1 毫米，手爪移动 5 毫米。 水平滚珠丝杠 行程为 20cm，相对应手爪 行程为 1m。丝杠螺距为 10mm。 3升降运功 手臂的升降运动与水平移动实现方法相同。垂直滚珠丝杠的行程 为 30cm，手爪垂直能移动的距离为1.5m。丝杆螺距为 12mm。 4手爪的旋转 末端执行器姿态保持器与上方小臂通过末端连接轴相连，并通过一个姿态保 持机构使其下表面在工作过程中始终保持水平，末端手爪的旋转靠电机电动齿 轮减速器实现。齿轮减速器的减速比为90。 5手爪张合 末端的执行器是气动手爪， 此种手爪张合速度快，操作简单，适合用于抓 放物体。气泵气压为 0.5MPa。 2 2. .1 1. .2 2 此此机机械械结结构构的的优优缺缺点点及及可可行行性性 此搬运机器人机械部分结构简单，可以设置在狭窄的空间。传统的机械手 臂属圆弧运动，从抓取点到摆放点之间必须设定56 个通过点，操作方法复杂 难解。而此机械原理上的结构属于直线运动，精度高，非常适合于码垛作业。 日本福吉 ACE 吗多机器人就采取此种结构设计，加之其 精湛的自动控 制技术， 到 2002 年，该公司在全世界安装了7000 台以上的此种码垛机器人， 大学本科生毕业设计（论文） - 11 - 在日本的机器手臂市场占有率为76%，属于龙头地位。质量遥遥领先其它结构 的机器手臂。 2 2. .2 2 控控制制部部分分 控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号 支配机器人的执行机构完成规定的运动和功能。假如工业机器人不具备信息反 馈特征，则为开环控制系统；若具备信息反馈特征，则为闭环控制系统。 控制系统根据原理可分为程序控制系统、适应性控制系统和人工智能控制系 统；根据运动的形式可分为点位控制和轨迹控制 3。 按点位方式进行控制的机器人，其运动为空间的点到点之间的直线运动，在 作业过程中只可控制几个特定工作点的位置，不对点与点之间的运动过程进行 控制。在点位控制的机器人中，所能控制点数的多少取决于控制系统的复杂程 度。目前部分工业机器人是点位控制的，此搬运机器人也是采取点位控制的。 按连续轨迹方式控制的机器人，其运动轨迹可以是空间的任意连续的曲线。 机器人在空间的整个运动过程都处于控制之下，能同时控制两个以上的运动轴， 使得手部位置可以沿任意形状的空间曲线运动，而手部的姿态也可以通过腕关 节的运动得以控制，多用于焊接机器人和喷漆机器人。 机器人控制系统是一种典型的多轴实时控制系统。传统的机器人控制系统 基本上是设计者基于自己独立的结构和生产目的开发的，它采用了专业的计算 机、专用的机器人语言、专用操作系统、专用微处理器的封装式体系结构。这 种结构的控制器制造和使用成本高、开发周期长、升级换代困难，而且 无法 将计算机发展的最新成果运用于数控系统中，严重阻碍了数控技术的发展，不 能适应现代制造业提出的新要求。近几年来，出现了以PC 机为基础的具有开 放性、更大柔性的控制器 开放式控制器，以此为核心建造具有开放式的数控系 统。开放式控制系统研究的主 要目的是解决数控系统用户频繁变化的需求与控 制系统专一、框架固定 之间的矛盾，建立一个统一的可重构的系统工具平台， 增强了系统的柔性和适应性，开放式控制系统已成为数控技术发展的主要趋势。 开放式结构的运动控制系统是一种模块化、可重构、可扩充的软硬件系统。其 典型应用是基于 PC 的伺服控制系统。“PC+运动控制器 +伺服电机 ” 结构是 伺服控制系统的发展方向，也是运动控制技术的发展方向。这种系统的基本结 大学本科生毕业设计（论文） - 12 - 构如图 2-3 所示4： 工业 PC运动控制器电机驱动器伺服电机 图 2-3 开放式控制系统基本结构 它能充分利用 PC 机的资源，由第三方软件完成用户应用程序开发，将生成的 程序指令传送给运动控制器，由控制器不断转译产生更新的位置命令（运动曲 线）并通过通信总线下传给驱动器，电机驱动器将控制电流传送给电机，这样 完成命令所需定位。在一个多轴系统中，一个控制器可以控制多个电机或驱动 器。伺服电机是主要的执行部件，完成具体动作。基于PC 的运动控制器是 整个控制系统的核心，它接受来自上位PC 机的应用程序命令，按照设定的运 动模式，完成相应的实时多轴同步协调运动规划，向伺服驱动器发出相应的运 动指令，并直接决定控制速度和精度。 2 2. .2 2. .1 1 系系统统总总体体 开放式机器人系统从概念上应该是以共用平台为基础（如 Windows） ，但 Windows 存在实时性差的缺点，很难保证计算周期在毫秒级的伺服控制周期之 内，为了解决这个问题，就需要使用运算速度很快的PMAC2 控制卡，让 Windows 运算相对慢一些的任务，而让运动控制卡处理速度很快的运动伺服控 制。PMAC2 自带双端口的 RAM，作为 Windows 和 PMAC2 之间的高速缓冲 区，将 IPC 内存中的轨迹数据 下载到 PMAC2，或将位置传感器的信息和伺服 系统的总体状态信息反馈回Windows。此搬运机器人的控制系统设计结构图如 图 2-4 所示。系统采用 IPC 负责整个系统管理、路径规划，下级PMAC2 则 实现对各个伺服电机的伺服控制 5。 大学本科生毕业设计（论文） - 13 - 双端 RAM PMAC 驱动器交流伺服电机 传感器 工业 PC 图 2-4 控制部分总体结构 2 2. .2 2. .2 2 控控制制卡卡 此搬运机器人的采用美国 Delta Tau 公司的 TRBO PMAC2 控制卡。 PMAC 是可编程多轴控制器 (Programmable Multi-Axis Controller)的简称，是美国 Delta Tau 公司生产的功能强大的运动控制器， PMAC 是目前世界上功能最强 的运动控制器之一，是当前开放式数控系统控制器的突出代表。 关于 PMAC2 型控制卡的相关硬件组成和软件开发将在第三章详细说明。 2 2. .2 2. .3 3 执执行行电电机机 此搬运机器人用了四个施耐德永磁同步交流伺服电机。除末端手爪旋转电 机为 220V 供电外，其它三个执行电机均用380V 三相交流电。手爪执行电机 型号为： BSH0552P01A0A。此手爪电机不带保持制动器。相关参数如下： 额定功率： 0.31W 额定转速： 4000n/min 额定转矩： 0.75Nm 通电静止转矩： 0.8Nm 大学本科生毕业设计（论文） - 14 - 额定电流： 1.1A 最大电流： 4.8A 最大限速： 9000n/min 磁极对数： 3 其它三个执行电机的型号为BSH1002P01F0A，带有保持制动器，相关参 数如下： 额定功率： 1.93KW 额定转速： 4000n/min 额定转矩： 4.6Nm 通电静止时转矩： 5.8Nm 额定电流： 3.8A 最大电流： 17.1A 最大限速： 6000n/min 磁极对数： 4 工业伺服系统常用的电机有两种，一种是步进电机，一种是交流伺服电机， 之所以采用交流伺服电机，是因为交流电机与步进电机相比有很多优越性，更 适合完成搬运机器人的任务。两者的比较如下： 1控制精度不同 两相混合式步进电机步距角一般为3.6、1.8，五相混合式步进电机步 距角一般为 0.72、0.36。也有一些高性能的步进电机步距角更小，如北京 和利时电机技术有限公司（原四通电机）生产的一种用于慢走丝机床的步进电 机，其步距角为 0.09。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器 保证。以松下某 品牌电机为例，有标准 2500 线编码器的电机，由于驱动器内 部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360/10000=0.036；而对于带 17 位 编码器的电机而言，驱动器每接收=131072 个脉冲电机转一圈，即其脉冲当 17 2 量为 360/131072=9.89 秒，是步距角为 1.8的步进电机的脉冲当量的 1/655。 2低频特性不同 步进电机在低速时易出现低频振动现象， 振动频率与负载情况和驱动器 性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的 大学本科生毕业设计（论文） - 15 - 工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。 交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服 系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析 机能（FFT） ，可检测出机械的共振点，便于系统调整。 3矩频特性不同 步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所 以其最高工作转速一般在 300600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在 其额定转速（一般为 2000RPM 或 3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额 定转速以上为恒功率输出。 4过载能力不同 步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以施 耐德交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力，其最大转矩为额 定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没 有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的 电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现 象。 5运行性能不同 步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转 的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理 好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器 反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步 或过冲的现象，控制性能更为可靠。 6速度响应性能不同 步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200400 毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以施耐德400W 交流伺服电机为例，从 静止加速到其额定转速 3000RPM 仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场 合。 综合考虑， 选择交流伺服电机作为搬运机器人的执行电机。 2 2. .2 2. .4 4 驱驱动动器器 此搬运机器人的施耐德电机选用LXM05A 驱动器， LXM05A 是一种通用 大学本科生毕业设计（论文） - 16 - 型驱动装置。通常由上级 控制系统来设定、监控给定值。与所选用的 Schneider Electric 伺服电机组合使用，可形成极为紧凑、性能强大的驱动系统。 正面安装有带显示器和操作按键的输入装置（HMI，Human Machine Interface 人机界面） ，可用来进行参数的设置。驱动器外形如图2-5 所示。 图 2-5 驱动器外形 大学本科生毕业设计（论文） - 17 - 图 2-6 信号接线端子 驱动器信号接线端子如图 2-6 所示，整个接线部分分为五个区域。 CN1 为 模拟输入区域，电压范围为 10V；CN2 为电机编码器接线部分； CN3 为驱 动器 24V 系统电源； CN4 为 PC 机分布式操作终端，通过串口连接计算机，可 以进行驱动器参数设置，包括PID 参数的整定。 CN5 为控制信号输入端，在 此系统中连接由 PMAC 引出的脉冲加方向信号。 此搬运机器人除了末端的电机外，其它所有电机都配有保持制动器，就是当 电机没有通电时，电机的抱闸是锁死的，以保持机器手臂的姿态。这些电机在 连接驱动器的时候要注意正确连接抱闸信号，以确保机器人运行的安全性。其 连线图如图 2-7 所示。 图 2-7 配有保持制动器的电机接线 2 2. .2 2. .5 5 控控制制柜柜 电气控制柜就是把所有的电子部件合理的分布安装在一个柜子里，方便系统 的调试、管理与控制。 此搬运机器人电气控制柜内部安装的器件有：工控机、 PMAC2 型控制卡、 ACC8S 转接板、驱动器 ；电路控制部分有断路器、延时 继电器、电磁继电器、接触器。电器柜板面有触摸显示屏、四个控制电机通短 的按钮开关、四个驱动器使能开关、一个急停开关、一个380V 控制开关和一 大学本科生毕业设计（论文） - 18 - 个 220V 控制开关 ；侧后部装有带报警功能的警示灯，用于突发事件的安全警 示。搬运机器人的电气控制柜外形及内部结构图片如图2-8 所示。 图 2-8 电器柜外观 断路器：这里用到的是低压断路器，又称为自动开关，是一种既有手动开关 作用又能自动进行失压、欠压、过载和短路保护的电器。它可用来分配电能， 不频繁地启动电动机 ，对电源线路及电机等实行保护，当它们发生严重的过载 或者短路及欠压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠 压继电器的组合。 接触器：接触器是最常用的一种自动开关，是利用电磁吸力使触电闭合或断 开的电器。它根据外部信号（如按钮或其他电器的触点的闭合或断开）来接通 或断开带有负载的电路，这里接触器受控制柜面板上电机通断电按钮控制。接 大学本科生毕业设计（论文） - 19 - 触器适合频繁操作的远距离控制，也具有失压保护功能。接触器具有控制容量 大、操作频率高、工作可靠、使用寿命长、维修方便和可远距离控制等优点。 在电力拖动和自动控制系统中接触器是应用最广的电器之一。 图 2-9 内部结构 2 2. .3 3 传传感感部部分分 传感部分 包括感知系统和人机交互系统。感知系统由内部传感器模块和外部 传感器模块组成，获取内部和外部环境状态中有意义的信息。在此搬运机器人 中，内部传感器指的是执行电机自带的光电编码器，外部传感器指安保系统中 用到的红外传感器。 人机交互系统指示教盒和触摸屏显示器。 2 2. .3 3. .1 1 安安全全保保护护 1942 年，科学家兼作家 Isaac Asimov 在“Run around”一书中首次提出了 机器人三定律 6 第一， 机器人必须不危害人类，也不允许它眼看人将受害而袖手旁观； 大学本科生毕业设计（论文） - 20 - 第二，机器人必须绝对服从人类，除非这与第一原则矛盾； 第三， 机器人必须保护自身不受伤害，除非这与第一或第二原则矛盾。 作为工业机器人，工作电压高、机器输出功率大、工作环境嘈杂，所以安保 系统的设计尤为重要。 在工业机器人在线运行时，人绝对不能进入其动作空间。 这是工业机器人安全管理最为重要的一条原则。此搬运机器人采用红外传感器 作为外部传感器，在 机器人工作过程中一旦有人进入工作范围内，红外传感器 立即发出错误信号给 PMAC 控制卡，控制卡制动所有电机并发出 警报信号， 以便工作人员检查。 在工业机器人应用工程中，不仅要注意对人员的危险性，而且还要考虑包括 工业机器人在内的设备的安全性。此搬运机器人在软硬件设计上尽可能地增加 有关功能，以确保安全。例如，用软极限的功能可设定搬运机器人操作机的实 际动作小于标称最大动作范围。当控制点运动到软极限限位置时，搬运机器人 自动停止并报警，不会超越设定的区间，可以将搬运机器人本体的动作限制在 实际作业的区域内。安保系统包括软件限位、红外传感等还在开发之中。 2 2. .3 3. .2 2 人人机机交交互互系系统统 人机交互系统是使操作人员参与机器人控制并与机器人进行联系的装置，例 如，计算机的标准终端、指令控制台、信息显示板及危险信号报警器等。归纳 起来人机交互系统可分为两大类：指令给定装置和信息显示装置。此搬运机 器人由于还在研发过程当中，人机交互系统还未完成。但设计由两部分组成： 一部分是示教盒，用于完成搬运机器人的示教功能；另一部分是触摸屏，可以 输入要搬运货物的尺寸、码垛方式等信息，同时也可以显示堆垛情况、危险预 警等状态信息。这一部分在第四章 人机界面开发将详细 介绍7。 大学本科生毕业设计（论文） - 21 - 第第 3 3 章章 P PM MA AC C 2 2 型型控控制制卡卡的的应应用用 3 3. .1 1 概概述述 3 3. .1 1. .1 1 P PM MA AC C 简简介介及及选选型型 1.简介8 PMAC (Programmable MultiAxis Controller)，可编程多轴控制器 , 它是 美国 Delta Tau 公司于 1990 年推出的 PC 机平台上的运动控制器 , 是一个完 全开放的系统。它采用了摩托罗拉公司的高性能数字信号处理器DSPS56002 作为 CPU，它是世界上功能最强大的运动控制器之一 ，具有最大的灵活性 ； 可以同时操纵 18 根轴使之联动 。它不但可以通过串行口或总线与PC 机