基于sysmac nj控制器的并联机械手控制系统论文.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to fm e c h a n i c a la u t o m a t i o nl e v e l t h ei n d u s t r i a lm a n i p u l a t o r w a su s e dm o r ea n dm o r ew i d e l y t h e p a r a l l e lm a n i p u l a t o rw a san e w k i n do f m a n i p u l a t o r w i t hh i g hp r e c i s i o n l o wi n e r t i a s m a l le r r o ra n ds oo n w h i c hh a daw i d ea p p l i c a t i o n f o r e g r o u n d t h ep a r a l l e lm a n i p u l a t o rc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h en e w p r o d u c ts y s m a c n jc o n t r o l l e rr e l e a s e db yo m r o nw a sd e s i g n e di nt h i sp a p e r t h eo m r o ng 5s e r i e s s e r v od r i v ea n dn ss e r i e st o u c hs c r e e nw e r eu s e d t h ec o n t r o lp r o g r a mw a sd e s i g n e db y t h es o f t w a r e s y s m a cs t u d i o t h em a n i p u l a t o rc o n t r o l l e db yn jc o n t r o l l e rh a db e e n g r e a t l yi m p r o v e di np e r f o r m a n c ea n da c c u r a c yc o m p a r e dw i t ht h em a n i p u l a t o rc o n t r o l l e d b yp l c t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e rw a sa sf o l l o w s f i r s t l y t h ec o n s t i t u t i o na n dp r i n c i p l eo fi n d u s t r i a lm a n i p u l a t o rw e r ei n t r o d u c e d t h e c h a r a c t e r i s t i c so fv a r i o u sm a n i p u l a t o rw e r es u m m a r i e d t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s o fp a r a l l e lm a n i p u l a t o rw e r ea n a l y s i s e di np a r t i c u l a r s e c o n d l y t h ee t h e r c a tc o m m u n c a t i o na n dm o t i o ni n s t r u c t i o n so ft h en jc o n t r o l l e r w e r ei n t r o d u c e d t h ed e s i g no ft h ep a r a l l e l m a n i p u l a t o rc o n t r o ls y s t e mw a sg i v e n t h e e l e c t r i c a ln e t w o r kd i a g r a ma n dt h eh o o k u po ft h ec o n t r o l l e rw e r ed e s i g n e d t h ep o s i t i v e a n dn e g a t i v es o l u t i o na l g o r i t h mo ft h em o t i o nc o n t r o lw e r ed e d u c e di np a r t i c u l a r t h i r d l y t h ec o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ew o r k i n gp r o c e s so ft h e p a r a l l e lm a n i p u l a t o lt h ep r o g r a mm a i n l yi n c l u d e dt h et o u c hp a n e ls c r e e na n dt h em o t i o n c o n t r o lp r o g r a m t h em o t i o nc o n t r o lp r o g r a mi n c l u d e dp o s i t i v ea n dn e g a t i v es o l u t i o n a l g o r i t h m a u t op r o g r a m m a n u a lp r o g r a m t h ef u n c t i o no fl i m i t sa n ds oo n t h ef u n c t i o n o ft h et o u c hp a n e ls c r e e nw a st og e tt h ec o o r d i n a t em a n u a l l y d i s p l a yt h ec o o r d i n a t eo f t h em a n i p u l a t o r r e s e te r r o ra n ds oo n f i n a l l y t h ec o n t r o ls y s t e mw a sd e b u g g e d a f t e rt h et r a je c t o r yo ft h em a n i p u l a t o r g r a b b i n ga n ds t o r i n gt h ei r o nw a ss i m u l a t e db yt h ef u n c t i o no fd a t at r a c e t h es y s t e mw a s d e b u g g e di nt h ep a r a l l e lm a n i p u l a t o ri nt h el a b o r a t o r yt or e p e a tg r a b b i n ga n ds t o r i n gt h e i r o n p r e c i s e l y t h et r a j e c t o r yo ft h em a n i p u l a t o ra n dt h ec u r r e n tc o o r d i n a t e sw e r e r e a l t i m ed i s p l a y e db yt h et o u c hs c r e e nn o r m a l l y t h en e wc o n t r o ls y s t e mo ft h ep a r a l l e lm a n i p u l a t o rw a sd e s i g n e da n dd e b u g g e d s u c c e s s f u l l yi nt h i sp a p e r t h i sr e s e a r c hw o r kh a dc e r t a i nv a l u e k e yw o r d s p a r a l l e lm a n i p u l a t o r n jc o n t r o l l e r e t h e r c a t p o s i t i v ea n dn e g a t i v e s o l u t i o na l g o r i t h m m o t i o nc o n t r o lp r o g r a m 目录 第一章绪论 1 1 1 课题的背景 一1 1 2 国内外研究动态 一1 1 3 工业生产中的主流机械手 3 1 4 课题研究目的和意义 4 1 5 本文主要完成的工作 一4 第二章并联机械手控制系统设计 7 2 1 机械手的组成和工作原理 一7 2 1 1 机械手的工作原理 7 2 1 2 机械手的各部分介绍 7 2 2 并联机械手控制系统的设计方案 8 2 3 n j 运动控制器 9 2 3 1 n j 的指令和任务 1 0 2 3 2e t h e r c a t 10 2 3 3运动控制 11 2 4 并联机械手控制系统设计 15 2 4 1 控制系统结构 1 5 2 4 2 控制要求 16 第三章并联机械手的运动控制原理 1 9 3 1 坐标系的建立和正反解 1 9 3 2 运动轨迹的实现 2 2 第四章并联机械手控制程序设计及调试 2 5 4 1 n j 控制器程序 2 5 4 1 1n j 控制器项目的创建 2 5 4 1 2 正反解算法功能块 3 2 4 1 3 手动程序 3 8 4 1 4 自动程序 一4 5 4 1 53 d 仿真 51 4 1 6 触摸屏机器人显示 极限功能块等其他功能 5 3 4 2 触摸屏程序 5 8 4 3n s 统合模拟与实际调试 6 1 第五章总结分析 6 5 参考文献 6 7 攻读学位期间的研究成果 6 9 致谢 7 1 学位论文独创性声明 7 3 学位论文知识产权权属声明 7 3 第一章绪论 1 1 课题的背景 第一章绪论弟一早殖记 随着机器自动化水平的提高 对一线操作工人的操作技能要求越来越高 同时 对操作工人的安全也造成了一定的威胁 工人对工作内容和工作环境的要求也越来 越高 这对于一些循环往复以及自动化明显的工业环节来说机械手显得尤为重要 工业生产中机械手的投入不仅减少了对人身安全的威胁以及管理方面的投入 还大 大提高了工作效率 1 机械手是在自动化生产过程中发展起来的一种新型设备 能够自动完成指定的 动作并且可以做多轴协调运动 随着电子技术尤其是计算机的普及和应用 生产和 研发机器人已经成为新型的技术走向 这更加促进了机械手的发展 工业机械手是 工业机器人的一个重要旁支 它的特点是可以通过编程完成各种指定的作业任务 在构造和性能上具有人和机器各自的特点 具有很高的智能性 使机械手能够更好 的把机械化与自动化有机结合起来 2 机械手在工业中的大量应用有利于提高材料的运输 零部件的装配以及机器的 操作等自动化程度 借助运动控制器强大的工业处理能力以及组态软件的辅助能力 很容易实现工业的生产自动化 不仅可以提高产品的产量以及质量 而且对保障人 身安全 改善劳动环境 减轻劳动强度 节约材料以及降低成本有着十分重要的意 义 3 1 2 国内外研究动态 当今世界的机器人大国是我们的邻国日本 他既是工业机器人最大的制造国也 是最大的消费国 1 9 9 3 年末全世界的机器人约有6 1 万台 其中日本占6 0 美国 占8 欧洲占1 7 俄罗斯和东欧占1 2 4 但其实美国才是工业机器人的发源地 美国联合控制公司与1 9 5 8 年生产出第一台机械手 拉开了工业机器人发展的序幕 1 9 6 2 年联合公司与普曼公司合并成万能制动公司 专门生产工业机械手 同年美国 机械铸造公司推出一种名为v e r s a t r a n 的可做点位和轨迹控制的机械手 为机械手的 发展奠定了重要的基础 与此同时喷漆 弧焊机器入也相继应用于工业生产当中 1 9 7 8 年美国u n i m a t e 公司和斯坦福大学 麻省理工学院联合研制出一种u n i m a t i o n v i c a r m 型工业机械手 内置电子计算机进行装配作业 5 日本的机器人的发展起步晚于美国 在十九世纪七十年代日本的劳动力出现短 青岛大学硕士学位论文 缺的问题 而且越来越严重 因此机器人在美国的诞生成为日本企业的福音 1 9 6 7 年日本川崎工业公司首先从美国引进机器人及技术 建立生产厂房 并于1 9 6 8 年试 制出第一台日本产u n i m a t e 机器人 6 经过一段时间的发展 日本的机器人产业已经 由汽车制造扩展到其他行业 1 9 8 0 年 政府的大力扶持和劳动力的缓解进一步促进 了机器人的发展 这一年被称为日本的 机器人普及元年 并且在1 9 8 0 年 1 9 9 0 年的时间内日本的机器人发展达到顶峰状态 日本的工业机器人代表企业有 f a n u c 安川 川崎 o t c 松下 他们在机器人行业都起着重要的作用 7 o 日本 下一代机器人发展重点有 低成本技术 高速化技术 小型和轻量化技术 提高可 靠性技术 计算机控制技术 网络化技术 高精度化技术 视觉和触觉等传感器技 术等 8 根据日本政府2 0 0 7 年制定的一份计划 日本2 0 5 0 年工业机器人产业规模将达 到1 4 兆日元 拥有百万工业机器人 按照一个工业机器人等价于1 0 个劳动力的标 准 百万工业机器人相当于千万劳动力 是目前日本劳动力人口的1 5 9 1 德国机器人的总数仅次于美国和日本 其智能机器人的研究和制造在世界上处 于领先地位 德国的k u k ar o b o t e rg m b h 公司是世界上几家顶级工业机器人制造商 之一 1 9 7 3 年k u k a 的第一台工业机器人年产量达到一万台左右 其生产的机器人 广泛应用在仪器 汽车 航天 食品 制药 医学 铸造 塑料等工业 主要用于 材料处理 机床装备 包装 堆垛 焊接 表面休整等领域 美国的机器人供应商有很多 比如a d e p tt e c h n o l o g e a m e r i c a nr o b o t e m e r s o m 瑞典的a b b 公司是世界上最大机器人制造公司之一 该公司在1 9 7 4 年研发了世界 上第一台全电控式工业机器人i r b 6 主要应用于工件的取放和物料搬运 1 9 7 5 年 生产出第一台焊接机器人 a b b 公司制造的工业机器人广泛应用在焊接 装配铸造 密封涂胶 材料处理 包装 喷漆 水切割等领域 意大利的c o m a u 公司从1 9 7 8 年开始研制和生产工业机器人 至今已有3 0 多 年的历史 其机器人产品包括s m a r t 系列多功能机器人和m a s k 系列龙门焊接机器 人 广泛应用于汽车制造 铸造 家具 食品 化工 航天 印刷等领域 我国的机器人发展起步于7 0 年代初期 其发展过程可分为三个阶段 7 0 年代 的萌芽期 8 0 年代的开发期 9 0 年代的实用化期 经过2 0 多年的发展已经初具规 模 目前我国部分机器人的元器件已经研发并且投入使用 例如开发出弧焊 点焊 码垛 冲压 喷漆等工业机器人 国产的机器人已经应用到了各个企业中 并且掌 握机器人技术的人才也不断涌出 部分科研机构已经掌握了机器人的相关资料和技 术 并且某些关键技术己达到或接近世界水平 我国的工业机器人研制虽然起步较 晚 但是存在着巨大的市场潜力 有着众多的人才和资源支持 在十一五纲要中也 第一章绪论 体现出了对发展工业机器人的大力支持 1 3 工业生产中的主流机械手 关于机械手的分类 在国际上尚无统一的标准 若按驱动方式进行分类 机械 手可以分为液压传动机械手 气压传动机械手 电力传动机械手 机械传动机械手 本课题将机械手根据当前工业中比较常见的类型进行分类 主要有以下几种机 械手 1 s c a r a s e l e c t i v ec o m p l i a n c ea s s e m b l yr o b o ta r m 中文译名 选择顺应性装 配机器手臂 是一种圆柱坐标型的特殊类型的工业机器人 也有人叫做水平关节型机 器人 s c a r a 机器人有3 个旋转关节 其轴线相互平行 在平面内进行定位和定向 另一个关节是移动关节 用于完成末端件在垂直于平面的运动 这类机器人的结构 轻便 响应快 比一般关节式机器人快数倍 它最适用于平面定位 垂直方向进行 装配的作业 例如 快速将一件小物件从一条输送带移动到另一条输送带上并排列 好 2 直角坐标机器人 是在工业应用中能够实现自动控制的 可重复编程的 多 功能的 多自由度的 运动自由度间成空间直角关系 多用途的操作机器人 直角坐标机器人的工作行为方式主要是通过完成沿着x y z 轴上的线性运动 此类机器人具有如下特点 1 多自由度运动 每个运动自由度之间的空间夹角为直角 2 自动控制的 可重复编程 所有的运动均按程序运行 3 一般由控制系统 驱动系统 机械系统 操作工具等组成 4 高可靠性 高速度 高精度 5 灵活 多功能 因操作工具的不同功能也不同 6 可用于恶劣的环境 可长期工作 便于操作维修 3 串联式机器人 它是一个开放的运动链 o p e nl o o pk i n e m a t i cc h a i n 其所有的 运动杆件并没有形成一个封闭的结构链 串联式机器人的特点如下 1 工作空问大 2 运动分析较容易 3 可避免驱动轴之问的耦合效应 4 机构各轴必须独立控制 并且需搭配编码器与感测器用来提高机构运动时 的精度 4 并联式机器人 它和传统工业用串联机器人在应用上构成互补关系 它是一 个封闭的运动链 c l o s el o o pk i n e m a t i cc h a i n 也是本课题的研究对象 与串联机器人 青岛大学硕士学位论文 相比具有以下特点 1 不易有动态误差 物累计误差 精度较高 2 1 运动惯性小 3 结构紧凑稳定 输出轴大部分承受轴向压力 机器刚性高 承载能力大 4 为热对称性结构设计 热变形量较小 5 在位置求解上 串联机械正解容易 反解困难 而并联机械正解困难 反 解容易 6 工作空间小 7 驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置 这样运动部分重量轻 速 度高 动能响应好 8 完全对称的 1 4 课题研究目的和意义 随着机械手的应用越来越广泛 对机械手的技术要求也随之不断提高 从企业 的角度看 机械手的普及有众多优点来增强竞争力 1 可以节约人工 减轻工人的工作劳力 用机械手抓取货物 既可以减少人 力支出 排除了因疲劳产生的安全隐患 便于企业管理 又能保证质量 2 提高工作效率 稳定产量 机器在维护良好的情况下可以日夜工作 是人 力不可比的 保证了企业每日的产出量 3 提升品质 回报快 精准的操作是机械手的一大特点 在没有失误并且大 量生产的情况下必然使企业在竞争中立于不败之地 4 绿色环保 节约资源 机械生产不会对环境造成意外的破坏 o m r o n 公司于2 0 1 1 年推出新产品n j 系列的可编程自动化控制器具有强大的 硬件体系和软件体系 结合n s 系列触摸屏控制机械手 使机械手的自动化强度和 精度更上一层 凭借s y s m a cn j 控制器的业界高等级性能 可帮助企业有效缩短生 产时间 因而具有广泛的优越性 本课题用实验室的并联机械手为研究对象 设计程序控制机械手按指定路径抓 取小铁片 1 5 本文主要完成的工作 本课题的研究依托于o m r o n 公司的新产品n j 控制器 以实验室双自由度的 并联机械手为研究对象 分析研究了n j 控制器的运动控制特点 机械手的路径规划 及控制系统等问题 建立数学模型并且编写程序来对小铁片进行抓取 达到在最短 的时间内精确抓取最多的小铁片 使用编程软件s y s m a cs t u d i o 中3 d 仿真功能对路 4 第一章绪论 径规划进行仿真分析 最后使用实际设备进行调试分析 主要工作集中在 介绍了工业机械手的组成和原理 总结了各类机械手的特点 重点分析并联机 械手的优缺点 介绍了n j 控制器的e t h e r c a t 通信和运动控制指令 给出系统的设计方案 设 计了电气网络图和控制器接线图 对正反解算法进行了详细的说明 根据机械手的工作流程设计控制程序 包括运动控制程序和触摸屏程序 运动 程序中有正反解算法 自动运行程序 手动运行程序 极限范围等功能块 触摸屏 的作用有手动获取坐标位置 自动运行 显示机械手坐标 错误复位等 完成系统的总体调试 使用数据跟踪功能仿真出机械手运动轨迹后 在实际设 备上进行调试 系统正常工作时 触摸屏能够实时显示机械手运动轨迹和当前坐标 控制器通过向伺服驱动发出指令控制机械手精确抓取小铁片 最后进行了总结分析 青岛大学硕士学位论文 6 第二章并联机械手控制系统设计 第二章并联机械手控制系统设计 2 1 机械手的组成和工作原理 2 1 1 机械手的工作原理 机械手的系统工作原理如图2 1 所示 图2 1 机械手的系统工作原理图 由图可知机械手主要由控制器 驱动系统 执行机构 位置传感器等部分组成 控制器是整个机械手系统的核心 对整个系统的运行起控制决策作用 它的主要作 用是通过控制程序采用气动或机械传动使执行机构按照相应的要求完成指定的动 作 该动作是有规则 有轨迹以及有一定速度和时间的 并且可以使用组态软件比 如触摸屏对机械手的运动进行监测 执行机构完成机械手的执行动作 目前较为常见的有手抓 夹钳和吸盘等 驱 动模块作为执行机构的驱动源 为机械手运动提供动力来源 位置检测传感器随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统与设定的位置进行 比较 随后通过控制器进行调整 从而使执行机构以一定的精度达到设定的位置 2 1 2机械手的各部分介绍 机械手的控制系统是支配着工业机械手按规定要求运动的系统 目前工业机械 手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位 或机械挡块定位 系统组成 本课题的机械手控制器采用的是o m r o n 生产的n j 控制器 它控制机械手按 编写的程序运动相应的轨迹 完成快速抓取小铁片的动作 本课题还采用n s 触摸 屏对机械手进行监视 显示当前运动的轨迹 坐标速度等 并对抓取的小铁片进行 青岛大学硕二 学位论文 计数 驱动系统是驱动机械手执行机构运动的 它由动力装置 调节装置和辅助装置 组成 常用的驱动系统有液压传动 气压传动 机械传动 执行机构主要由手部 手腕 手臂和立柱等部件组成 有的机械手还增设行走 机构 手部即是与物件接触的部件 根据与物件接触的形式不同可分为夹持式和吸附 式 夹持式手部由手指和传力机构所构成 手指是与物件直接接触的构件 常用的手指运动形式有回转型和平移型 本课 题采用的机械手手部是一块电磁铁 当手部到达小铁片上方时 通过程序使电磁铁 上电来吸取小铁片达到抓取的要求 手腕是连接手部和手臂的部件 齿轮齿条式 丝杠螺母弹簧式和重力式等 手 臂是支撑被抓物件 手部 手腕的重要部件 手臂的作用是带动手指去抓取物件 并按预定要求将其搬运到指定的位置 工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部 件 如油缸 气缸 齿轮齿条机构等 与驱动源 如液压 气压或电机等 相配合 以实现手臂的各种动作 立柱是支撑手臂的部件 机座是机械手的基础部分 机械手执行机构的各部件 和驱动系统均安装于机座上 因此起支撑和连接的作用 位置检测装置也就是传感器 它将执行机构的实际位置实时的传给控制系统 并与设定的位置进行比较 通过控制器进行调整从而使执行机构以一定的精度达到 设定位置 2 2 并联机械手控制系统的设计方案 本课题所选被控对象为两自由度并联机械手 两自由度并联机械手具有平稳 准确 快速等优点 在食品加工 包装 物流等各行业使用非常广泛 因此选用该 装置作为被控对象 选用n j 5 0 1 作为控制器 可以很好地体现n j 的高速高精度特 点 该装置由两个伺服电机安装在静平台上 带动主动臂动作 主动臂连接从动臂 动作 从而控制动平动盘的移动 两自由度机械手如图2 2 所示 第二章并联机械手控制系统设计 小铁片 放置a 点铁片托j 图2 2 两自由度并联机械手 机械动作流程如图2 3 所示 机械的机动性与人体骨骼动作流程类似 动作如 果不流畅的或者有异声时则应该对机构进行检查 在初次建立原点后则不应该手动 调节平衡杆 否则会影响动作准确度 由于机械手可以高速运行 使用时需要注意 安全 图2 3 机械单次动作流程图 设备在出厂时或者移动后 会发现平动盘不是水平位置 这时在控制放置铁片 时会产生位置差异 不能准确放置在目标点 这就需要对机械手进行微调以实现较 好的控制 2 3n j 运动控制器 一般机械手控制系统的控制器大多采用p l c 众所周知 p l c 以高可靠性著称 其硬件芯片的选用相对保守 基于系统可靠性考虑 p l c 并不像计算机那样总是采 用最先进的芯片 而是选用那些经过考验证明为非常成熟 十分可靠的芯片 随着 机器自动化水平的提高 对运动控制的要求越来越高 而p l c 解决复杂的运动控制 任务时 需配置运动控制单元或位置控制单元 c p u 单元要管理和协调这些高功能 单元 由于p l c 采用循环扫描工作方式 受扫描周期时间的限制 c p u 单元与高功 青岛大学硕士学位论文 能单元交换信息时无法达到理想的高速度 而且控制程序编写较为麻烦 有一些精 密 高速 复杂的运动控制尚无法完成 o 本课题的运动控制系统核心是o m r o n 最新的控制器 n j 系列可编程自动化控制器 它从外观上看 是一台普通的p l c 如图2 4 所示 但从内部的硬件结构上看 其配置相当于一台个人计算机 图2 4 丽紊麴可缮稽酾花控制器 运动控制系统是以电动机为对象 以控制器为核心 以电力电子 功率变换装 置 执行元件等为执行机构 在控制理论指导下组成的电气传动控制系统 随着计 算机 电力电子等技术的迅猛发展 运动控制技术作为机电一体化的重要组成部分 得到了迅猛发展 全球各大公司争相推出新产品 新技术 o m r o n 适应时代潮流 推出的n j 控制器也是其中的一种 目前已经在各个行业得到大力的推广 2 3 1 n j 的指令和任务 n j 具有丰富的指令系统 并且遵循全球编程语言标准i e c 6 11 3 1 3 和运动控制 标准p l c o p e n 不在是o m r o n 特有的指令系统 根据功能可分为梯形图指令 s t 指令 顺序输入输出指令等 l i i n j 指令的表示不同于以往o m r o n 生产的p l c 指令 而是使用用功能 f u n 或功能块 f b 表示 两者最明显的不同是功能 f u n 没有名字 但是功能块 f b 必须要有名字 前者的编程内容只能使用简单的逻辑语言 但是功能块的编程内容 除了逻辑语言外还可以有定时器 计数器等功能 功能可从程序 功能块和功能调 用 但是功能块只能从程序和功能块调用 1 2 2 3 2e t h e r c a t e t h e r c a t e t h e m e tc o n t r o la u t o m a t i o nt e c h n o l o g y 是一种基于e t h e m e t 的高性 能工业网络系统 具有更快捷 更高效的通信功能 具有1 0 0 m b p s 超高速通信功能 与e t h e r n e t 有极高的兼容性 1 3 在n j 中有内置的e t h e r c a t 端口 使用c o e 协议通过e t h e r c a t 网络与从站交 换信息 因为n j 中的e t h e r c a t 通信周期与c p u 单元处理周期同步 所以为运动控 制和顺序控制提供了稳定的周期 并且通过设备变量访问数据 这样不用考虑普通 1 0 第二章并联机械手控制系统设计 p l c 访问数据时的地址问题 1 4 n j 的e t h e r c a t 网络配置如图2 5 示 输入端口 耖 输出端口 从站单元 1 妣弹冗 川服邺 l 变频器 图2 5n j 的e t h e r c a t 网络配置 e t h e r c a t 主站的作用是管理整个网络 监测从站并且与之交换数据 它有一个 输出端口 其作用是把e t h e r c a t 的数据传送到其它设备 输出端口连接另一台设备 输入端口才能进行数据交换 如果连接到另一台设备的输出端口则会出现数据交换 错误 1 5 每个e t h e r c a t 从站输出接收到的e t h e r c a t 主站输出的数据 并也可以与之进 行数据交换 最多可以由1 9 2 个从站节点 从站的节点地址在1 1 9 2 之间 每个从 站对应一个节点地址 1 6 2 3 3 运动控制 n j 的c p u 单元内置了一种软件模块 称为运动控制功能模块 m o t i o nc o n t r o l f u n c t i o nm o d u l e 简称m c 功能模块 通过内置在c p u 单元上的e t h e r c a t 端口 m c 功能模块可完成多达6 4 轴的运动控制 用户程序中的运动控制指令完成对 e t h e r c a t 从站的伺服驱动和其他设备的运动控制 1 7 青岛大学硕士学位论文 在运动控制系统中 控制对象称为轴 它可以是实际的伺服驱动或编码器 也 可以是在s y s m a cs t u d i o 中建立的虚拟的伺服驱动或编码器 在下章程序的编写中会 做详细研究 m c 功能模块支持的轴类型如表2 1 所示 表2 1 轴类型 轴类型说明 伺服轴 e t h e 疋a t 从站伺服驱动使用的轴 它们被分配给实际的伺服驱动 个 伺服电机使用一个轴 虚拟伺服轴 虚拟轴只存在于m c 功能模块内 实际的伺服驱动不使用它们 例如 用它们作主轴来进行同步控制 编码器轴 编码器轴使用e t h e r c a t 从站编码器输入终端 编码器轴分配给实际的编 码器输入终端 如果一个编码器输入终端包含两个编码器输入 每个编 码器输入起一个轴的作用 虚拟编码器轴 这些轴用作虚拟编码器操作 在没有实际编码器时 虚拟编码器轴可临 时顶替编码器轴 轴组由多个轴组成 它用来完成比较复杂的动作 例如直线插补或圆弧插补 轴组变量也是在s y s m a cs t u d i o 中设置 最多可以建立3 2 个轴组 每个轴组最多4 个轴 18 在控制系统中的坐标系的建立是利用n j 运动控制中轴组的线性插补 m cm o v e l i n e a r 和圆弧插补 m cm o v e c i r c u l a r 2 d 线性插补m cm o v e l i n e a r 指令梯形图如图2 6 所示 它的功能是完成2 到4 轴 的直线插补 1 9 图2 6m c m o v e l i n e a r 指令的梯形 从图中可以看出需要输入的变量是轴组 位置 速度 加减速度以及b u f f e r m o d e 直线插补即是将插补运动分解为各个轴的运动 图2 7 是从a 点到b 点的两轴直线 插补 图中轴a o 轴a 1 是逻辑轴 不是轴号 一一哪一 耋 晰一 业 雪一 c 砒 一 一 一一酞一一一一 第二章并联机械手控制系统设计 f y 竺一 轴a o 运动 善 二 二斗一 t t 图2 7 直线插补 x m cm o v e c i r c u l a r 2 d 指令的梯形图如图2 8 所示 它的功能使完成两轴的2 d 圆 弧插牢b 1 2 0 1 m cm o v e c i r c u l a r 2 di n s t a n c e m cm o v c c i r c u j a r 2 d a x e s g r d 百p 一a x e s t j r o u e x e c u t e d o n c i r c a x e sb u s c i r c m o d e a c t i v a u x p o i n t c o m m a n d a b o r t e e n d p o i n t e r r o p a t h c h o i c e e r r o r i v e l o c i t y a c c e l e r a t i o n d e c e l e r a t i o n j e r k c o o r d s y s t e m l b u f f e r m o d e t t a n s i t i o n m o d e i m o v e m o d e 图2 8m c m o v e c i r c u l a r 2 d 指令的梯形图 圆弧插补指令是机械手程序中使用次数较多的功能块 需要注意的是路径的选 择和方向的选择 在第四章中会详细说明 路径选择选择中心点的方式进行圆弧插 补 因为往复循环 所以方向抓取的时候是有正方向和负方向的区别 在编写程序 时需要注意 表2 2 所示是插补指令的主要输入变量 卜 一 青岛大学硕士学位论文 表2 2m cm o v e c i r c u l a r 2 d 指令的主要输入变量 缺省 名称含义数据类型取值范围说明 值 c i r c a x e s园弧 a r r a y 0 1 0 3o指定圆弧插补的轴 轴o f0 轴a 0 u i n t l 轴a l 2 轴a 2 3 轴a 3 c i r c m o d e 圆弧 e m cc i r co m c b o r d e ro 指定圆弧插补的方法 插补 m o d el m c c e n t e r0 边界点 模式2 m c r a d i u s1 中心 2 半径 a u x p o i n t辅助 a r r a y 0 1 负数 正数或00指定边界点 中心或半 占 0 f径 单位是命令单位 l r e a l e n d p o i n t 缘占 a r r a y 0 i 1 负数 正数或0 o 指定目标位置 0 f 单位是命令单位 l r e a l p a t h c h o i c e 路径 e m c c i r c 0 m c c w0 指定路径方向 选择p a i h c h o i c el m c c c w0 c w l c c w c o o r d s y s t e m 坐标e m c0 m c a c s0指定坐标系统 系统c o o r d0 轴坐标系统 a c s s y s t e m b u 髋r m o d e b u 肮r e m c 0 m c a b o r t i n g 0 当执行一条以上的运动 模式 b u f f e r 1 一m c b u f f e r e d 指令时 指定操作 选择m o d e 2 m c b l e n d i n g l o w 0 a b o r t i n g 3 m c b l e n d i n g p r e v i o u s l b u f i e r e d 4 m c b l e n d i n g n e x t 2 b l e n dw i t hl o w 5 m c b l e n d i n g h i g h 3 b l e n dw i t hp r e v i o u s 4 b l e n dw i t hn e x t 5 b l e n dw i t hh i g h t r a n s i t i o n m o d 过渡 e m co m e t m n o n e o 指定运动路径 e 卑 模式 t r a n s i t l 0 n1 0 0 过渡禁用 m c t m c o r n e r s u p e r i m p o 1 0 叠加拐弯 m o d es e m o v e m o d e 移动e m cm o v e 0 一m c a b s o l u t e o0 绝对定位 模式 1 一m c r e l a t i v e 1 相对定位 m o d e 对枚举体变量 实际指定时用枚举体的兀素 不用它对应的数值 当轴运行时 可以执行同一条运动控制指令的多个例程 这个功能被定义为 b u f f e rm o d e 缓冲模式 在m c 功能模块中有时称之为指令的m u l t i e x e c u t i o n 多次 执行 z 在实际的应用中使用此功能可以按顺序去多次执行运动控制指令 而无需 停止整个运行 可以为运动控制指令设置b u f f e r m o d e 缓冲模式选择 输入变量 表2 3 列出了6 种缓冲模式 1 4 第二章并联机械手控制系统设计 表2 3 缓冲模式 缓冲模式操作说明 a b o r t i n g 中止 当前指令中止 多次执行的指令被执行 b u f f e r e d 缓冲 当前指令的操作正常结束后 缓冲指令才被执行 b l e n d i n g 混合 当前指令的目标位置达到后 缓冲指令才被执行 该模式 下 当前指令和缓冲指令之间的执行不停止 当前指令达 到目标位置时 可以选择以下的过渡速度 b l e n d i n gl o w l o wv e l o c i t y 过渡速度设置为当前指令和缓冲指令的目标速度中最低的 一个 b l e n d i n g p r e v i o u s p r e v i o u s 当前指令的目标速度用作过渡速度 v e l o c i t y b l e n d i n gn e x t n e x tv e l o c i t y 缓冲指令的目标速度用作过渡速度 b l e n d i n gh i g h h i g hv e l o c i t y 过渡速度设置为当前指令和缓冲指令目标速度中最高的一 个 每一个轴只能有一条多次执行指令被缓冲 作为单轴运行的多轴 不能进行多 轴协调控制指令 轴组指令 的多次执行 同样 不能将单轴控制指令的多次执行 用到处于多轴协调控制下的各个轴 捌 如果违反这些规则 会出现指令错误 2 4 并联机械手控制系统设计 2 4 1 控制系统结构 机械手电气网络结构如图2 9 所示 图2 9 电气网络结构图 系统的控制器采用n j 5 0 1 1 3 0 0 型号机器自动化控制器 使用e t h e r n e t 连接计算 机与触摸屏 e t h e r c a t 来连接伺服驱动 系统采用d e l t a 型号机械手 控制器的接线图如图2 1 0 所示 系统用到3 个输出变量 分别是j 0 1 一c h l o u t 0 0 青岛大学硕士学位论文 表示的左闸 j 0 1c h lo u t 0 1 表示的右闸以及j 0 1c h l i d 2 0 l0 d 2 0 l 00 口 ll d d jj 44 n j 控制器 6 6 1 7 88 99 1 01 0 c o mc o m l 一 o u t 0 2 表示的电磁铁 图2 1 0 控制器接线图 2 4 2 控制要求 本文以实验室的并联机械手为控制对象 使用n j 控制器设计其控制系统 实现小铁片的精确抓取 存放 具体过程如下 初始状态时a 点有1 0 个铁片 b c 两点没有铁片 按下自动运行按钮机 械手把a 点处铁片通过电磁铁吸合越过障碍物放回到b 点 每次吸合一个 a 点铁片吸合完后 先回到原点位置接着再把b 点处的铁片通过电磁铁吸合越过 障碍物放回a 点 每次吸合一个 b 点铁片吸合完后 回到原点然后再把a 点 处的铁片通过电磁铁吸合越过障碍物放到c 点 a 点处的铁片吸合完后回到原 点接着再把c 点的铁片通过电磁铁吸合放回到a 点 c 点处的铁片吸合完后回 到原点一个周期完成 2 3 如图2 1 1 所示 接着重复a 点b 点 b 点到a 点 a 点到c 点 c 点到a 点动作 直到按下停止按钮 机械手停止动作 图2 1 1 工作流程说明示意图 工作流程图如图2 1 2 所示 第二章并联机械手控制系统设计 机械手把a 点处机械手把b 点处机械手把a 点处机械手把c 点处 铁片吸起放回到铁片吸起放回到铁片吸起放回到铁片吸起放回到 l 按下启动按钮 b 点 直到a 点 a 点 直到b 点 c 点 直到a 点 a 点 直到c 点 l 铁片全部移到b 铁片全部移到a铁片全部移到c铁片全部移到a 点点点点 t 图2 1 2 工作流程图 系统的工作流程图中所演示的是系统的自动运行部分 系统的手动运行程序也 非常重要 其作用有返回原点 绝对定位 在机械手允许的活动范围内 输入目标 点的坐标 机械手可以运动到指定位置 手动到达指定的位置 点动到达a b c 三点的位置 通过点动按钮可以实现机械手上下左右点动 等 系统的按钮开关全部是在触摸屏上显示的 在触摸屏上显示机械手的活动范围 如果超出范围触摸屏报警灯亮停止动作 机械手运动的坐标会实时的显示在触摸屏 上 并且触摸屏还可以实时显示机械手的运动轨迹 a b c 三点坐标 铁片厚 度 障碍物高度在n s 程序中可以任意设置 青岛大学硕士学位论文 1 8 第三章并联机械手的运动控制原理 第三章并联机械手的运动控制原理 本章节包括系统坐标系的建立 对正反解算法和运动轨迹的实现进行了详细的 说明 3 1 坐标系的建立和正反解 控制电机旋转只是知道电机旋转了多少角度 角度位置是相对的 却不能知道 机械手平动盘上的电磁铁移动到哪 要想让机械手移动到预计的位置 则需要先建 立一个坐标系 再通过程序里实现算法 最终反应到实际的机械手运动当中 关键 点在于算法 算法便是角度与坐标的转换关系一正反解 在控制系统中的坐标系的建立是利用n j 运动控制中的线性插补 m c圆弧插补 m c m o v e l i n e a r 矛i m o v e c i r c u l a r 2 d 轴组使用m cm o v e l i n e a r 指令做线性插补需要设置终点的坐标 利用这一点可 以来建立系统虚拟的坐标系 在s y s m a cs t u d i o 中建立4 个轴 其中两个是虚轴组成 一个轴组 另外两个是驱动主动臂的实轴 利用n j 指令m cs y n m o v e a b s o l u t e 使 实虚轴的运动同步 也就是实轴跟着虚轴跑 虚轴轴组运动的轨迹由先后顺序可归 纳为 线性插补 圆弧插补 线性插补 圆弧插补 线性插补 如图3 1 所示 图3 1 虚轴运动轨迹 m cs y n m o v e a