机器人示教制动伺服编程毕业论文.doc

机器人示教制动伺服编程毕业论文目 录第1章 绪论 3 1.1 机械手概述 41.2 机械手的发展 41.3 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32.1自由度及关节 42.2 基座及连杆 42.2.1 基座 72.2.2 大臂 72.2.3 小臂 72.3机械手的基本结构42.4 驱动方式42.5 传动方式42.6 制动器4第3章 控制系统软件 43.1预期的功能 43.2 实现方法43.2.1实时显示各个关节角及运动范围控制 43.2.2电机的自锁43.2.3示教编程及在线修改程序43.2.4设置参考点及回参考点4致 谢 4参考文献 4第1章 绪论1.1 机械手概述 机械手是模仿着人手的部分动作，按照给定程序、轨迹和要求能实现自动抓取、搬运的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手叫做“工业机械手”。在实际生产中，应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率，可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产。尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境下，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，在机械加工、冲压、锻、铸、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等领域得到了越来越广泛的应用。 国内外对机器人及机械手所作的定义不尽相同。国际标准化组织(ISO)对机器人的定义:“机器人是一种能自动定位、可控的可编程的多功能操作机。这类操作机具有几个轴，在可编程序操作下，能处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。” 美国国家标准(NBS)对机器人的定义:“一种可编程，并在自动化控制下执行某种特定操作和移动作业任务的机械装置。”日本工业机器人协会对工业机器人的定义:“一种装备有记忆装置和最终执行装置，能够完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。”它又分为以下两种情况来定义:(1)工业机器人:“一种能执行与人的上肢类似动作的多功能机器。”(2)智能机器人:“一种具有感觉和识别能力，并能够控制自身行为的机器。” 机械手可分为专用机械手和通用机械手两大类。专用机械手:它作为整机的附属部分，动作简单，工作对象单一，具有固定(有时可调)程序，使用大批量的自动生产。如自动生产线上的上料机械手，自动换刀机械手，装配焊接机械手等装置。通用机械手:它是一种具有独立的控制系统、程序可变、动作灵活多样的机械手。它适用于可变换生产品种的中小PLC的硬件结构主要分单元式和模块式两种。将PLC的主要部分(包括CPU、 I/O系统、电源等) 体积小，安装方便，全部安装在一个机箱内。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。图1-1 机器人的一般组成对于现代智能机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，以及机器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能，机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如图1-2 所示。 图1-2 机器人各组成部分之间的关系机器人的机械系统主要由执行机构和驱动传动系统组成。执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。驱动传动系统主要包括驱动机构和传动系统。驱动机构提供机器人各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。有的文献则把机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。其中的机械系统又叫操作机(Manipulator)，相当于本文中的执行机构部分。1.2 机械手的发展工业机械手是在第二次世界大战期间发展起来的，始于40年代的美国橡树岭国家实验室的搬运核原料的遥控机械操作手研究，它是一种主从型的控制系统。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的；1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上，又试制成一台数控示教再现型机械手，命名为Unimate(即万能自动)。1962年美国机械铸造公司也实验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运，可作点位和轨迹控制；该机械手的中央立柱可以回转、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，但都是国外工业机械手发展的基础。从60年代后期起，喷漆、弧焊工业机器人相继在生产中开始应用。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制出一种Unimation-Vic-arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于lmm。联邦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；联邦德国Kuka公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制；日本是工业机器人发展最快，应用国家最多的国家，自1969年从美国引进两种典型机械手后，开始大力从事机械手的研究，目前以成为世界上工业机械手(机器人)应用最多的国家之一。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，主要用于机械化、自动化程序较低、繁重单调、有害于健康的辅助性工作。我国工业机械手的研究与开发始于20世纪70年代。1972年我国第一台机械手开发于上海，随之全国各省都开始研制和应用机械手。从第七个五年计划(1986-1990)开始，我国政府将工业机器人的发展列入其中，并且为此项目投入的大量的资金，研究开发并且制造了一系列的工业机器人，有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机器人，大连机床研究所设计制造的氩弧焊机器人，沈阳工业大学设计制造的装卸载机器等等。这些机人的控制器，都是由中国科学院沈阳自动化研究所(SIA)和北京科技大学机器人研究所开发的，同时一系列的机器人关键部件也被开发出来，如机器人专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机，编码器，DC-PWM等等。我国的工业机械手(或第一代机械手)发展主要是逐步扩大其应用范围；在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，研制出示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。可以将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不同的典型机构，组装成各种用途的机械手，即便于设计制造，又便于更换工件，扩大了应用范围。1.3机器人发展趋势 随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。 就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势： a)提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人； b)开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合； c)研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。第2章 实验平台介绍及机械手的设计该设计的目的是为了设计一台物料搬运机器人，利用现有已经报废的焊接机器人，本文的中结构设计主要偏向于对原有机构的改造和机械手的设计。2.1自由度及关节 图1该机器人具有四个自由度 ，即腰关节、肩关节、肘关节和腕关节，都为转动关节；还有一个用于夹持物料的机械手。2.2基座及连杆2.2.1 基座基座是整个机器人本体的支撑。为保证机器人运行的稳定性，采用两块“Z”字形实心铸铁作支撑。基座上面是接线盒子，所有电机的驱动信号和反馈信号都从中出入。接线盒子外面，有一个引入线出口和一个引出线出口。2.2.2 大臂大臂长度230mm，具体尺寸如图2.1所示： 图2.1 大臂外形2.2.3 小臂小臂长度240mm，具体尺寸如图2.2所示： 图2.2 小臂外形2.3机械手的基本结构机械手是一个水平、垂直运动的机械设备，用来将工件由左工作台搬到右工作台。有上升、下降运动，左移、右移运动和夹紧、放松动作和位置控制。简易机械手在各类全自动和半自动生产线上应用得十分广泛，主要用于零部件或成品在固定位置之间的移动，替代人工作业，实现生产自动化。本设计中的机械手采用上下升降加平面转动式结构，机械手的动作由气动缸驱动，气动缸由相应的电磁阀来控制，电磁阀由PLC控制。驱动执行元件完成，能十分方便的嵌入到各类工业生产线中。图3.1为机械手简图,其中 1-竖直气缸，2-执行气爪，3-工件，4-水平气缸，5-旋转轴，6-支架，7-底座。这个机械手具有二个直线运动和一个旋转运动自由度用于将源工作台上的物品搬到其左侧或右侧目的工作台上。机械手的直线动作由气缸驱动，气缸由电磁阀控制，整个机械手在工作中能实现上升/下降、左传/右转、夹紧/放松功能，是目前较为简单的、应用比较广泛的一种机械手。其升降运动通过升降气缸、垂直导柱、滑动导柱、垂直导轨及升降位置微动开关相互配合完成，升降工作行程为01500mm;转动是通过电机驱动轴承、转动工作行程为0180；手爪是通过气缸、弹簧的作用来夹持物品，夹持力是靠调节弹簧的预压缩量来调整。机械手的基本结构由感知部分、控制部分、主机部分和执行部分四个方面组成。采集感知信号及控制信号均由气动缸驱动。主机部分采用了标准型材辅以模块化的装配形式，使得气动机械手能拓展成系列化、标准化的产品。人们根据应用工况的要求，选择相应功能和参数的模块，像积木一样随意的组合，这是一种先进的设计思想，代表气动技术今后的发展方向，也将始终贯穿着机械手的发展及实用性模块化拼装的气动机械手比组合导向装置更具有灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及气管的导向系统装置，使机械手运动自如。由于采用了模块化拼装结构，可组成立柱型气动机械手、门架型气动机械手及滑块型气动机械手，及其它各种类型的机械手。这些模块化机械手组装方便，动作灵活，具有较高的定位精度，但工作空间比较小，主要应用于一般的送料自动线上。气动机械手具有三个自由度，即水平(Z)方向自由度、垂直(Y)方向自由度和旋转自由度，并可以采用多种灵活的控制方案。4125673左右 图2-3 机械手简图图2-3中工件所处位置为原点位置，根据课题设计任务书的要求：机械手初始位置在原点位置，每次循环动作都从原点位置开始，完成上升、下降运动，左移、右移运动和夹紧、放松动作和位置控制，并能实现手动操作和自动操作方式。当机械手在原点位置下启动按钮，系统启动，左传送带运转。当光电开关检测到物品后，左传送带停止运行。根据分析可得出机械手的工作流程图，如图2-3-1所示。工件延时下限上限原位下降夹紧上升右移停止左移上升松开下降下限延时上限左限启动右限 图2-3-1 机械手工作流程图可见，实现要求功能需要如下条件：(1)底座与横梁之间需要旋转盘，旋转盘的驱动由电机来完成，普通电机转速较高，需要考虑安装减速机，在这种频繁启动制动的场合下，选用低速电机会更方便。(2)横梁在普通情况下，长度是固定的，如果工作台不进行调整，横梁长度可永远不变。课题任务也未作横梁要求，但在实际应用中，可能出现工作台距离调整的情况，为增加机械手的通用性，本设计中在横梁上安装了执行气缸，可使用手动按钮调整横梁长度。(3)竖直方向上是频繁上下工作的机构，可选用电机传动的齿轮齿条啮合机构，也可选用执行气缸，后者是新技术更经济、环保、噪音低，也更符合课题要求。(4)抓紧机构也可选用气动执行爪和执行气缸并用组成气动执行模块。 (5)光电开关在控制方面是作为输入量的信号源之一，它可以选择模拟输入和数字输入，根据课题要求和后面PLC的各输入量的情况，选用数字输送式的光电开关更方便简捷。根据以上分析，机械构造方案基本固定。整个机械手一共用到三个气缸，PLC需要控制每个气缸的动作：横梁长气缸的内外调，执行气爪的夹持与放松、竖导杆气缸的升降和各气缸的定位控制上面所述的横梁调整功能是本设计的创新之一，另外两个是工件计数和故障报警。2.3.1 机械手的控制要求机械手的操作方式分为手动操作和自动操作，自动操作又分为单周期操作和连续操作方式。手动操作是指用按钮对机械手的每一步运动单独进行控制；单周期操作指机械手从原点开始，按启动按钮，机械手自动完成1个周期的动作后停止；连续操作指机械手从原点开始，按启动按钮，机械手的动作将自动地、连续不断地周期性循环。在工作中若按停止按钮，机械手将继续完成1个周期的动作后，回到原点自动停止。（1）机械手的自动运行： 下降：当机械手检测到传送带A上有工件时，有原点位置开始下降，下降到位时，碰到下极限开关，机械手停止下降，同时接通加紧电磁阀线圈。 加紧工件：当机械手加紧到位时，压力继电器动合触电闭合，接通上升电磁阀线圈。 上升：当机械手夹紧到位时，机械手开始上升，上升到位时，碰到上极限开关，机械手停止上升，同时接通右移电磁阀线圈。 右移：当机械手上升到位时，机械手开始右移，右移到位时，碰到有极限开关，机械手停止右移，同时接通下降电磁阀线圈。 下降：当机械手右移到位时，机械手重新开始下降，下降到位时，碰到下极限开关，机械手停止下降，同时释放加紧电磁阀线圈。 放松工件：放松动作为时间控制，设为2秒。 上升：工件放松后，机械手开始上升，上升到位时，碰到上极限开关，机械手停止上升，同时接通左移电磁阀线圈。 左移：机械手上升到位后，开始左移，左移到位时，碰到左极限开关，机械手停止左移。 回到原位：机械手左移到位后，回到原点位置，再次自动启动传送带A，当光电开关检测到工件后，又开始新的工作循环周期。机械手的手动运行 （2）手动运行是指机械手的上升、下降、左移、右移及夹紧操作通过对应的手动操作按钮控制，与操作顺序无关。2.4驱动方式 该机器人一共具有四个独立的转动关节，连同末端机械手的运动，一共需要五个动力源。机器人常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。这三种方法各有所长，各种驱动方式的特点见表2.4：表2.4三种驱动方式的特点对照内容驱动方式液压驱动气动驱动电机驱动输出功率 很大，压力范围为50140Pa大，压力范围为4860Pa，最大可达Pa 较大控制性能利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂响应速度 很高较高 很高结构性能及体积结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小伺服电动机易于标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除DD电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题安全性防爆性能较好，用液压油作传动介质，在一定条件下有火灾危险防爆性能好，高于1000kPa(10个大气压)时应注意设备的抗压性设备自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境的防爆性能较差对环境的影响液压系统易漏油，对环境有污染排气时有噪声无在工业机器人中应用范围适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机器人、点焊机器人和托运机器人适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制机器人，如冲压机器人本体的气动平衡及装配机器人气动夹具适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机器人，如AC伺服喷涂机器人、点焊机器人、弧焊机器人、装配机器人等成本液压元件成本较高成本低成本高维修及使用方便，但油液对环境温度有一定要求方便较复杂机器人驱动系统各有其优缺点，通常对机器人的驱动系统的要求有：1）驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高；2）反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁地起、制动，正、反转切换；3）驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；4）安全可靠；5）操作和维护方便；6）对环境无污染，噪声要小；7）经济上合理，尤其要尽量减少占地面积。基于上述驱动系统的特点和机器人驱动系统的设计要求，本文选用直流伺服电机驱动的方式对机器人进行驱动。表2.2为选定的各个关节电机型号及其相关参数。表2.2机器人驱动电机参数电机参数腰关节肩关节肘关节腕关节手爪型号MAXON2332MAXON2332MAXON2332MULTIPLEXSTELL-SERVOMULTIPLEXSTELL-SERVO额定电压18v18v18v6v6v额定转矩18.2 Nm18.2 Nm18.2 Nm10.3 Nm10.3 Nm最大转矩67.4Nm67.4Nm67.4Nm额定转速7980rpm7980rpm7980rpm5460rpm5460rpm最高转速转子惯量9200rpm18.4gcmcm9200rpm18.4gcmcm9200rpm18.4gcmcm2.5传动方式由于一般的电机驱动系统输出的力矩较小，需要通过传动机构来增加力矩，提高带负载能力。对机器人的传动机构的一般要求有：（1）结构紧凑，即具有相同的传动功率和传动比时体积最小，重量最轻；（2）传动刚度大，即由驱动器的输出轴到连杆关节的转轴在相同的扭矩时角度变形要小，这样可以提高整机的固有频率，并大大减轻整机的低频振动；（3）回差要小，即由正转到反转时空行程要小，这样可以得到较高的位置控制精度；（4）寿命长、价格低。 本文所选用的电机都采用了电机和齿轮轮系一体化的设计，结构紧凑，具有很强的带负载能力，但是不能通过电机直接驱动各个连杆的运动。为减小机构运行过程的冲击和振动，并且不降低控制精度，采用了齿形带传动。齿形带传动是同步带的一种，用来传递平行轴间的运动或将回转运动转换成直线运动，在本文中主要用于腰关节、肩关节和肘关节的传动。 齿形带传动原理如图2.5所示。齿轮带的传动比计算公式为 齿轮带的平均速度为 图2.5 齿形带传动2.6制动器制动器及其作用：制动器是将机械运动部分的能量变为热能释放，从而使运动的机械速度降低或者停止的装置，它大致可分为机械制动器和电气制动起两类。在机器人机构中，学要使用制动器的情况如下： 特殊情况下的瞬间停止和需要采取安全措施 停电时，防止运动部分下滑而破坏其他装置。机械制动器： 机械制动器有螺旋式自动加载制动器、盘式制动器、闸瓦式制动器和电磁制动器等几种。其中最典型的是电磁制动器。 在机器人的驱动系统中常使用伺服电动机，伺服电机本身的特性决定了电磁制动器是不可缺少的部件。从原理上讲，这种制动器就是用弹簧力制动的盘式制动器，只有励磁电流通过线圈时制动器打开，这时制动器不起制动作用，而当电源断开线圈中无励磁电流时，在弹簧力的作用下处于制动状态的常闭方式。因此这种制动器被称为无励磁动作型电磁制动器。又因为这种制动器常用于安全制动场合，所以也称为安全制动器。电气制动器 电动机是将电能转换为机械能的装置，反之，他也具有将旋转机械能转换为电能的发电功能。换言之，伺服电机是一种能量转换装置，可将电能转换为机械能，同时也能通过其反过程来达到制动的目的。但对于直流电机、同步电机和感应电机等各种不同类型的电机，必须分别采用适当的制动电路。 本文中，该机器人实验平台未安装机械制动器，因此机器人的肩关节和轴关节在停止转动的时候，会因为重力因素而下落。另外，由于各方面限制，不方便在原有机构上添加机械制动器，所以只能通过软件来实现肩关节和轴关节的电气制动。 采用电气制动器，其优点在于：在不增加驱动系统质量的同时又具有制动功能，这是非常理想的情况，而在机器人上安装机械制动器会使质量有所增加，故应尽量避免。缺点在于：这种方法不如机械制动器工作可靠，断电的时候将失去制动作用。第3章 控制系统软件以上完成了机器人的本体设计，下面将通过设计控制软件，使计算机通过数据采集卡有条不紊地向外部发送指挥信号，最终驱动机器人各个关节的运动，使之按照人的意愿“工作”。3.1预期的功能（1）. 实时显示各个关节角，并且可以防止各个关节的运动角度超出预定的关 节角范围内；（2）. 实现直流电机的伺服控制；（3）. 实现电机的自锁；（4）. 实现示教编程及在线修改程序；（5）. 可以设置参考点，使机器人在空间有一个固定的参考位置，可以回参考点。3.2 实现方法 以模块化程序设计思想为指导，以预期要实现的功能作为各个模块，设计控制软件。 本文采用了Visual C+作为编程工具。3.2.1实时显示各个关节角及运动范围控制 在BOOL CRobotDlg:OnInitDialog()函数中，设置定时器SetTimer(1, gwScanTime, NULL)，然后在void CRobotDlg:OnTimer(UINT nIDEvent)函数中，通过调用bool CRobotDlg:position_now(USHORT ka1_chan)，采样电位器输出电压，通过前面的电位器标定函数，换算出各个关节的角度，并显示出来。在void CRobotDlg:OnChangeAngle?Edit()函数中（?表示1，2，3，4，5），将换算出的角度与该关节预设的运动范围作比较，看其是否在此区间内，否则弹出警告对话框，并且自动停止该关节的运动。3.2.2电机的自锁该机器人关节上未装制动器，所以必须通过软件程序实现关节的自锁，尤其是肩关节和肘关节的自锁。解决思路：大臂和小臂在电机运转时不会由于重力而掉落，在电机停止的时候却会下落，因为电机一旦停止，就失去了驱动力矩，因此若想让大臂和小臂停止在预定位置，应该在此位置给关节电机施加一个电压，让它担负起大臂或小臂，而不让其由于重力而下落。但是，在不同的位置，重力对大臂或小臂的力矩不同，应提供给电机的电压也不同，如何选取电机的电压呢？提供给电机的电压小了，不足以抵抗重力的力矩；提供给电机的电压大了，会使电机转动，使大臂或小臂上升；所以，最好能通过程序来自适应选择这个制动电压，方法有多种，下面是本文的设计过程。程序设计： 在调用在OnT2Button()或OnT3Button()函数时，先给电机一个0电压，使电机失去驱动力矩，同时调用position_now(USHORT ka1_chan)函数获得此刻的关节位置，然后延时一段时间比如0.1s，再给电机一个小电压，形成一个小的制动力矩，通过采样此刻位置看其是否能使关节制动；如果不能，则使该电压值按照一定的步长线性增加，以增大制动力矩；这通过一个while()循环实现，如果采样位置不再减小，则表示大臂或小臂已停止下落，可跳出循环。下图为程序流程图：调用OnT2Button()或OnT3Button()函数使电机电压为0，并采样此时位置，将电位器输出值存放在fVoltage_former中考虑到大臂或小臂上升时的惯性，循环采样一直到采样值fVoltage=fVoltage_former跳出循环，表示大臂或小臂已经制动在自所位置了3.2.3示教编程及在