2014高校设计大赛 培训教材(zhj)

“Omron杯”Sysmac自动化控制应用设计大赛培训教材,发表单位: 欧姆龙自动化(中国)有限公司 发表人: 张浩俊,2,目录,一、主流工业机器人介绍,二、机器人运动学原理介绍,三、 Demo机结构介绍,四、电气组成介绍,五、比赛要求介绍,六、控制原理介绍,3,1.SCARA（水平机器人）,2.直交机器人,一.主流工业机器人介绍,3.串联式机器人,4.并联式机器人,当前工控界比较常见的主流机器人有以下几种：,4,1.SCARA（水平机器人） SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm，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。SCARA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.直交机器人 直角坐标机器人概念：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。他能够搬运物体、操作工具，以完成各种作业。 直角坐标机器人的特点：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， 灵活，多功能，因操作工具的不同功能也不同。5， 高可靠性、高速度、高精度。6， 可用于恶劣的环境，可长期工作，便于操作维修。,一.主流工业机器人介绍,5,3. 串联式机器人 串联式机構是一個開放的運動鏈（open loop kinematic chain），其所有的運動桿件並沒有形成一個封閉的結構鏈，串聯式機構特點包括：1. 工作空間大。2. 運動分析較容易。3. 可避免驅動軸之間的耦合效應。4. 機構各軸必須獨立控制，並且需搭配編碼器與感測器用來提高機構運動時的精準度。,4. 并联式机器人 並聯機器人和傳統工業用串聯機器人在應用上構成互補關係，它是一個封閉的運動鏈（close loop kinematic chain），和串聯機器人相比較，並聯機器人具有以下特點：1. 不易有動態誤差，無累積誤差，精度較高。2. 運動慣性小。3. 結構緊湊穩定，輸出軸大部份承受軸向應力，機器剛性高，承載能力大。4. 為熱對稱性結構設計，熱變形量較小。5. 在位置求解上，串聯機構正解容易，反解困難，而並聯機構正解困難，反解容易。6. 工作空間較小。7. 驅動裝置可置於定平台上或接近定平台的位置，這樣運動部分重量輕，速度高，動態響應好。8. 完全對稱的並聯機構具有較好的各向同性。根據這些特點，並聯機器人在需要高剛度、高精度、大荷重、工作空間精簡的領域內得到了廣泛應用。,主流工业机器人介绍,6,机器人运动控制以运动学正解和运动学反解为基础。 所谓运动学正解就是：知道机器人每根轴的旋转角度，推算出机器人的空间姿态以及工作端的空间位置。 以串联式机器人为例： 已知每个手臂的长度、角度，则能逐个计算出每个手臂前端的空间位置，直至末端的空间位置。(见下图),1,2,3,4,(X1,Y1),(X2,Y2),(X3,Y3),(X4,Y4),二.机器人运动学原理介绍,X,Y,已知：1、2、3、4 ; L1、L2、L3、L4求解：(X4,Y4),L1,L2,L3,L4,7,所谓运动学反解就是：知道机器人的末端位置，反过来推算每根轴的旋转角度以2轴并联机器人为例：,机器人运动学原理介绍,1,(X,Y),2,Lb,Lt,已知: Lt、Lb (X,Y)求解：1、2,X,Y,8,2轴并联机器人的正解：副手臂的运动范围为圆，求2个圆的交集,1,(X,Y),2,机器人运动学原理介绍,X,Y,1,2,根据 1、2 ; Lt、Lb 计算出 1、2 的圆方程联立这两个圆方程，计算出(X,Y),Lt,Lb,9,思维扩展： Delta机器人的正解 求3个球面的交集,机器人运动学原理介绍,三. Demo机结构介绍,组成：此次比赛由二个2自由度并联机械手、视觉传感器、小球和一个桌面组成。如下图：,1、射门机械手 2、小球3、桌面4、守门机械手 5、视觉传感器6、视觉光源,1,2,3,4,10,5,6,三. Demo机结构介绍,组成：此次比赛用的2自由度并联机械手简介：涉及设备较多，而且每台做工有差异，在进行实际动作之前需要进行一些结构上的调整，以保证后续的动作能够准确、快速的实现。以下是实物图以及主要组成介绍：,1、主动臂 2、从动臂（长平衡杆） 3、平动盘 4、减速机（减速比1:33）（背面为伺服电机） 5、平衡杆（短）,1,2,3,4,5,11,三. Demo机结构介绍,组成：小球，如下图示：,注意：在使用时将钢珠面接触台面，钢珠可用来减小摩擦力。,小球正面,小球反面,钢珠,Demo机结构介绍-流程射门篇,进攻要求： 1、如图在机械手活动范围内，可以向任意方向，以小于3000mm/s速度；小于150000mm/s2加减速度；小于1500000mm/s3JERK值推射目标球。 2、在射门线上已标注坐标，球放在射门线的任意位置作为射门起始位置，并手动设置目标位置，使球向目标位置自动进攻（可反弹进攻也可直接进攻）。进攻目的： 使球躲过机械手阻拦，并接触底线,13,Demo机结构介绍-流程守门篇,守门要求：1.视觉实时拍摄场地，获取目标球位置坐标，并且通过网络把坐标实时发送给PLC。2.在PLC中编写算法，实时预判目标球的运动轨迹，并计算出机械手的拦截位置。3.在机械手活动范围内（X：-230至230；Y:-292.35到-440）可以向任意方向，以小于3000mm/s速度；小于150000mm/s2加减速度；小于1500000mm/s3JERK值拦截目标球。4、因反射后可能存在旋转现象，反射角不等于入射角，需通过上机实验，设置反射的偏移值。守门目的：拦截目标球，使其不接触到底线。,14,Demo机结构介绍-机械调整,机械手调整：设备在 出厂时或者移动后，会发现平动盘不是水平位置会产生位置偏差，这就需要对机械手进行微调以实现较好的控制。调试方式如下：,以右臂为例;断开抱闸，松开伺服锁，先检查a处联轴器的松紧度，拧紧螺丝，防止机械手在高速动作时震动。平动盘如果不水平，则调整机械手。 松开b处螺丝，调整大平衡杆长度，松开c处螺丝，放松小平衡杆，调整d处螺丝，看到右臂高度变化，从而调整平动盘的水平度。反复调整，直到平动盘保持水平。,a,b,c,d,15,大平衡杆,小平衡杆,Demo机结构介绍-机械调整,桌面、机械手高度及水平度调整1、桌面高度调整：将A螺丝旋松，旋转B调节桌面高度使之与机械手底面C距离半个球的高度，若桌面调节到底，但桌面高度与机械手底面依然有一个球的高度差，则调节机械手D螺丝，将机械手底面下降使之与桌面高度差半个球的距离。,16,A,B,C,D,D,Demo机结构介绍-机械调整,桌面、机械手高度及水平度调整2、桌面水平度调整：将水平尺放在桌面中间、二侧分别查看水平度。若没有水平尺，则用尺测量桌面4个角离地高度，使4处高度相同。,17,四、电气组成介绍,在开始调试前需要知道设备的电气组成，以便控制与维修。电气组成介绍包括三方面：,2、控制回路,3、HMI控制,1、网络构成,18,电气组成介绍-网络结构,网络结构图,NJ301-1100,R880-KN04H-ECT-Z *2,NS8-TV01,R88M-K40030H-S2-Z *2,PC（For monitor and control),19,FH-1050 *1,电气控制介绍-控制回路,控制回路图：,NJ301-1100,伺服驱动,NS8-TV01,伺服电机,中间继电器,抱闸,抱闸,急停,总开关,20,21,电气控制介绍-HMI控制,在比赛与调试时，所有比赛方的软件操作都在HMI触摸屏上进行。比赛进行时不得修改与监控程序。所以，触摸屏上必须包括所有的动作与参数设置控件。射门与守门触摸屏都应该包括的控件与功能参考如下：,抱闸：用于松开电机抱闸的控件按钮。,伺服锁定：用于伺服锁定的控件按钮。,设置原点：用于设置伺服初始原点的控件按钮。,清错：用于清除所有报警错误（可包括数据初始化）按钮。,22,电气控制介绍-HMI控制,射门与守门触摸屏都应该包括的控件与功能参考如下：,点动：用于控制机械手点动的控件按钮。另外需包含上、下、左、右位置极限显示。,点动速度：用于设置点动速度的控件按键输入。点动加减速度：用于设置点动加减速度的控件按键输入。点动JERK值：用于设置点动JERK值的控件按键输入。,机械手角度位置：用于设置机械手角度位置的控件按键输入。虚轴实际位置：用于显示虚轴实际位置坐标显示的控件。,回原点：用于机械手回到原点的控件按钮。,23,电气控制介绍-HMI控制,射门程序应该包括额外的控件与功能参考如下：,开始位置：球在球门线上的坐标位置。目标位置：球飞行的目标位置。,射门按键：点击后机械手执行射门动作。,射门助跑距离：机械手从准备位置到机械手将球打出的距离。,24,电气控制介绍-HMI控制,守门程序应该包括额外的控件与功能参考如下：,球半径设置：球的半径。守门偏移量设置：如遇旋转球，球偏移量设置。,守门按键：点击后机械手执行守门动作。,以上功能仅做参考，具体制作时，应该在比赛要求下尽量制作完整的控制功能。,25,五、比赛要求介绍-初赛,26,比赛要求介绍-初赛,注：如果无全部满足，以满足项目多少进行评定,27,比赛要求介绍-初赛,注：如果无全部满足，以满足项目多少进行评定,注：初赛时会将提交的程序直接导入守门样机中，进行防守测试。,28,比赛要求介绍-决赛,决赛时评审标准如右表所示。包括4大块：PPT工程演示、工程答辩、实操调试、其他。,29,六、控制原理介绍,有几个关键点与难点需要解说：,3、定义原点,4、定义返回,1、目标点移动的实现,2、运动轨迹的实现,5、与FH视觉传感器连接程序示例,6、射门与守门实机经验详解,30,控制原理介绍-正反解,控制电机转动只是知道电机旋转了多少角度，角度位置只是相对的，却不能知道机械手平动盘移动到哪。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，再通过在程序里实现一些算法，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-正反解。,31,控制原理介绍-正反解,反解：机器人的末端（平动盘中心点）坐标位置，反过来推算每根轴的旋转角度实际机械手转为数学模型如下图：,1,(X,Y),2,Lb,Lt,已知: 机械结构尺寸 左主臂长Lt 左从臂长Lb 轴间距L1 平动盘长度L2 末端中心坐标(X,Y)求解：左电机角度1 右电机角度2可以通过数学方法解出1、 2。例如列举方程式求解等等，得到相应解的算式。最后在程序里建立相应的变量，编写相应梯形图或者ST语言程序实现这个反解算式。这样，对相应变量输入预计坐标后，就能实时得到电机应该旋转的角度了。,X,Y,Lt,Lb,L1,L2,32,控制原理介绍-正反解,正解：每根轴的旋转角度推算机器人的末端（平动盘中心点）坐标位置， 副手臂的运动范围为圆，求2个圆的交集实际机械手转为数学模型如下图：,1,2,根据 1、2 ; Lt、Lb ；L1、L2 ，计算出 1、2 的圆方程再平移这2个圆直到交于平动盘的中心点，得出新的方程式。联立这两个方程，计算出(X,Y)程序里根据解的算式编写相应的算法。这样就可以由电机角度得出坐标位置了。（例如开机时可以从绝对编码器记录的电机角度算出末端的坐标，知道当前坐标可以做其他事情了，回原点、极限等）,1,(X,Y),2,Lb,Lt,X,Y,Lt,Lb,L2,L1,控制原理介绍-运动轨迹的实现,前面已经介绍怎么进行电机角度与末端坐标的关系转换。那么知道了末端坐标，怎么实现预设的运动轨迹呢？这时，我们需要理解Sysmac Studio软件的一些用法与基本控制思想。需要掌握的知识如下：,坐标应用思路相应的指令预设轨迹示教,控制原理介绍-运动轨迹的实现,坐标应用思路,以下是编程时由预设目标位置坐标到控制电机实际旋转角度的大致应用思路：,实、虚轴上电MC_Power,实、虚轴建立原点 MC_Home,实、虚轴运动同步MC_SynMoveAbsolute,虚轴轴组运动（直线、圆弧插补等）,启动保持反解 算式,启动保持正解 算式,实轴电机同步虚轴运动,得到实轴角度位置,注：虚轴运动位置用的是用户自己建立的X-Y坐标系坐标。,机器人处于机械原点位置,监控机器人实际位置，重新上电后获取机器人当前位置,控制原理介绍-运动轨迹的实现,相应的指令,在坐标应用思路里提到了用于实、虚轴运动同步的MC_SynMoveAbsolute指令。这个指令的作用是控制实轴旋转到实轴的目标角度。实轴的目标角度则是由反推算式计算出来的。为什么建议用MC_SynMoveAbsolute指令而不是MC_Move指令呢？MC_Move指令本身带有位置、速度等输入变量，执行与被扫描时间大于1个系统扫描周期。MC_SynMoveAbsolute指令的执行时间则是1个系统扫描周期，只需一直往里面扔目标角度位置，就能够实时地实现实轴的位置与虚轴同步。例如：虚轴进行直线、圆弧插补、凸轮的同时，实轴也实时同步旋转相应角度，以实现机械手的直线、圆弧插补、凸轮运动。,虚轴直线、圆弧插补、凸轮,反推算式+MC_SynMoveAbsolute,实轴（电机）直线、圆弧插补、凸轮,机械手直线、圆弧插补、凸轮,控制原理介绍-运动轨迹的实现,相应的指令,接下来我们详细了解一下MC_SynMoveAbsolute这个指令。,由指令说明可以看出，这个功能块作用是周期性的输出指定目标位置到目标轴，。输入参数Axis就是目标轴，在示例里就与虚轴同步的实轴。,控制原理介绍-运动轨迹的实现,相应的指令,输入变量定义如下：,输入变量Axis就是目标轴，在示例里就是与虚轴同步的实轴。 输入变量Position就是目标位置，在示例里就是同步虚轴的反解位置。 输入变量Direction就是目标轴的方向。,控制原理介绍-运动轨迹的实现,相应的指令,输入变量定义如下：,输出变量主要是功能块执行产生的一些状态监控，例如执行中、错误等等，可以用这些状态作其它程序里的控制条件。,控制原理介绍-运动轨迹的实现,相应的指令,MC_SynMoveAbsolute指令时序图：,输出变量Position的输入到次功能块里后，CPU会在下一个扫描周期让伺服驱动驱动电机到达指定位置。,控制原理介绍-运动轨迹的实现,相应的指令,MC_SynMoveAbsolute指令应用：,此指令一般放在主固定周期任务里，这样实现的效果是最好的,最快可达0.5ms。如果，是放在等级稍微低的任务里，例如优先级16任务，最低周期是1ms，由此指令的执行原理可知，它的执行间隔时间会相应加长为1ms。,41,控制原理介绍-定义原点,定义机械人原点：主手臂呈水平状态（蓝线应处水平状态），所以在建立原点时需要进行原点预置。程序里采用的是MC_Home指令，设备调整上则需要在松开抱闸后手动放置机械手到水平位置。步骤如下：,o1,o2,1、调整机械手松开2个电机抱闸，手动