点胶机控制系统设计【毕业论文+开题报告+外文翻译】
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点胶机控制系统设计【毕业论文+开题报告+外文翻译】,点胶机,控制系统,设计,毕业论文,开题报告,外文翻译
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哈尔滨理工大学毕业设计（论文）任务书 学生姓名：王洪旭 学号： 1230120122 学 院：荣成学院 专业：机械电子工程 任务起止时间： 2016 年 2 月 27 日至 2016 年 6 月 25 日 毕业设计（论文）题目： 点胶机控制系统设计 毕业设计工作内容： 1、熟悉课题、调研、收集资料、撰写开题报告 (第 1 ) 2、方案设计 (第 3 ) 3、 控制 、驱动 电路搭建 (第 6 ) 4、 控制程序实现，实机验证 (第 9 ) 5、撰写说明书、翻译资料、准备答辩 (第 14 ) 资料： 1 龚 溎 义机械设计课程设计指导书 M. 北京：高等教育出版社 2 澲 良贵纪明钢 . 机械设计 M. 北京：高等教育出版社 3 李晓坤 ;基于 智能点胶机控制系统设计 , 仪器仪表学报 4 陈曦 , 汤雪松 基于滚珠丝杠的四自由度点胶机器人设计研究 , 制造业自动化 . 指导教师意见： 签名： 年 月 日 系主任意见： 签名： 年 月 日 教务处制表 附录 of is of is of As if a go go to to be of a to to to in to of to to to s to 0 is 050 or so in a we s of In at at V is to up is to at in on to a of 001 a up 001. in in up 002. is a on s is to , is of of 995, 996. is 1997, a is at to in 996 so is of in of of a a of at to go 1. is 2. is 3. 4. i i en 5. 6. Be to 7. 8. 11 9. 5 1 of 1997, be is is up in is of a 7 F as in is of a at F go in is a is 997. as go by at of is on s 050 , is to in so F 80) ), 1 , , to an at to an to is to to at to an of by to to to an in At l2 up a of in 999. 1. 2. 3. up 4. be 5. 6. it of 002 7. 8. of us it to is is It is to of of of of is is to a s It a to a is us to is of .5 of to of on no .5 to of .5 7.5 ,(a is a in to is is is a is is in to is in be be to be to to to go as of of to go s, an a an to is in of of is a Be it as in to 机器人篮球比赛 篮球机器人 科技最先进的比赛项目 机器人 篮球 比赛 ，篮球 运动是一种大家非常喜爱的运动。让机器人去踢 篮球 ，听起来像 天方夜谭 似的。机器人也能去踢 篮球 ? 而且，还是要组成一个队伍，不同的机器人要互相配合？要知道，机器人要参加比赛必须要有自己的眼睛，自己的双腿，自己的大脑，还得有自己的嘴 把自己的想法告诉别人，协同进行比赛。现在的 篮球 机器人还没有做到像我们人一样。据科学家估计，这得再过五十年，即 2050年左右才能做到在一个真的 篮球 场地 上，与我们人的比赛规则一样的条件下进行比赛。到那时可能电视转播的 体育节 目中 机器人 篮球 会占很大的比重。当然，这是猜测，目前 为止，现实中在国际上最具影响力的 机器人 篮球 赛事组织有 器人 篮球 联合会和 球 世界杯 赛。 篮球 机器人现状 现在的 篮球 机器人比赛有两个系列：即 每年都要进行一次比赛。中国最早参加了 东北大学 代表队和哈工大代表队都取得了好成绩。另外中国还参加了 2001年的 华大学代表队获得了世界冠军。另外， 中国人工智能学会 在 2001年成立了机器人 篮球 专业委员会。机器人 篮球 参加了科技申奥 主题活动 ，还将参加 2002 年的 世界杯 篮球 赛 。以上活动说明机器人 篮球 在中国获得良好的发展。 机器人 篮球 赛的主要类型分为半自主型（ 全自主型（ 类人型（ 仿真型（ 种类型。 国际机器人 篮球 联合会的缩写。 器人 篮球 比赛 最早由韩国高等技术研究院 (金钟焕 (授于 1995年提出，并于 1996年在 在的韩国 (办了第一届国际比赛。1997年 6月，第二届微 机器人 篮球 比赛 ( 际机器人 篮球 联盟 (告成立。此后 器人世界杯 比赛 (同时举办 学术会议(供参赛者交流他们在机器人 篮球 研究方面的经验和技术。 从 1996 年在 韩国大田 的 办第一届 赛至今， 经举行了十二届世界杯比赛，足迹遍布亚洲、欧洲、美洲和 大洋洲 ，成为各类国际 机器人竞赛 中最具水平和影响力的赛事之一。除了一年一度的世界杯比赛以外，每年还有许多地区性的 球 比赛。蓬勃发展的机器人 篮球 比赛对机器人 篮球 的研究起到了巨大的推动作用。 球 比赛种类 1. 半自主型机器人 篮球 ： . 全自主型机器人 篮球 ： . 仿真机器人 篮球 ： 4. 超小型半自主机器人机器人 篮球 ： . 超小型全自主机器人 篮球 ： . 类人机器人 篮球 ： . 球 比赛种类 8. 119. 5人组比赛 10. 小型机 器人组标准比赛（每队 11 人） 11. 中型机器人组比赛 12. 关于 1997 年 7 月，国际机器人 篮球 联盟中国分会 (简称 国分会 ) 成立，分会设在哈工大，由洪炳镕教授担任主席。同年中工智能学会下设机器人 篮球 工作委员会，由洪 炳镕教授同时担任主任。此后的十年间，在 后组织了七届全国机器人篮球 锦标赛，有力地推动了国内机器人 篮球 的研究和发展。 第二大系列的机器人 篮球 比赛是 一个国际性组织， 1997 年成立于日本。 机器人 篮球 作为中心研究课题，通过举办机器人 篮球比赛，旨在促进 人工智能 、 机器人技术 及其相关学科的发展。 050年成立一支完全自主的拟人机器人 篮球 队，能够与人类进行一场真正意义上的 篮球 赛。比赛项目主要有：电脑仿真比赛 (型 篮球 机器人赛 ( 一 1 80)、中型自主 篮球 机器人赛 (2000)1、四腿机器人 篮球 赛 拟人机器人 篮球 赛(项目。除了机器人 篮球 比赛， 时还举办机器人抢险赛(机器人初级赛 (机器人抢险赛是研究如何将机器人运用到 实际抢险救援当中，并希望通过举办比赛能够在不同程度上推动人类实际抢险救援工作的发展，比赛项目包括电脑模拟比赛和 机器人竞赛 两大系列。同时， 了普及机器人前沿科技，激发青少年 学习兴趣 ，在 1999年 现在， 1. 模拟组比赛 2. 小型机 器人比 赛 3. 整队小型机器人比赛，每队包括 11 个机器人 4. 中型机器人比赛 5. (由 6. 人形机器人 比赛 (从 2002年开始， 2002年前可能会有演示 ) 7. 遥控机器人比赛 (即将公布 ) 8. 统演示 篮球 机器人比赛虽然刚刚开展几年时间，但是它吸引了越来越多人的关注。因为它以 喜闻乐见 的方式走进了我们的视野，虽然它的体积很小，但是它的意义非常重大。它是综合了计算机技术 ， 自动化技术 ， 机电一体化技术 ， 人工智能技术 ， 模式识别 技术的一门综合技术。 篮球 机器人的 核心技 术 是 人工智能技术 ，它的目地是使机器具有人的智慧。它能使机器具有像人一样的感知环境，向 环境学 习的能力。 人工智能 包括 智能控制 、机器感知、机器情感、 专家系统 、 人工生命 、 神经元 网络和 遗传算法 等等。我们还能想起计算机 “深蓝 ”战胜世界象棋冠军吗？这就是 人工智能 的成就。 现在的 篮球 机器人比赛还远没有达到我们想要达到的地步，现在的比赛完全是一种仿真式的比赛，现在的 篮球 机器人比赛的场地按国际的规定为 地上有中线，有门区，这与我们的实际的比赛没有什么太大的区别。每个 篮球 机器人的车体按国际的规定不超过 （ 微型机器人 比赛）机器人小车负责把红色的高尔夫小球撞进球门。在赛场的上方有一个摄像头，摄像头把得到的信息上传到计算机中。经计算机的特定程序处理，得到场上双方的态势，再经过决策系统的处理，输出相应的数据。经通讯系统发送与接收，控制机器人小车在场上奔跑。 机器人的大脑在哪里？机器人的大脑就是装在一台计算机主机中的决策系统。决策系统根据现场的敌我双方的比赛态势，决定我方机器人处于进攻还是防守。然后 决定机器人的队形和机器人离 篮球 的远近决定是主攻还是助攻、主防还是助防。根据每个机器人的任务决定相应的动作。 相应的 篮球 机器人有自己的眼睛 视觉系 统。 篮球 机器人的 视觉系 统把比赛场地的敌我双 方的态势都反映到计算机中，然后用计算机图像软件进行处理。利用 模式识别 技术，对数字图像 进行 特征提取 等操作，形成自己的计算机内数据的表达，即敌我双方机器人的位置和角度。 现在的 篮球 机器人还没有长自己的嘴巴 ,但是他们却有一个统一的嘴巴。由 上位机 统一发出命令，该命令由机器人车体的通讯系统接收，所以能实现机器人小车的互相协调。 关于 篮球 机器人的双腿： 篮球 机器人的双腿就是机器人的 左右轮。就是车体部分 ,它包括车轮、电机、车架、通讯模块等部分。由通讯模块接收 上位机 传来的命令，来驱动左右轮的速度 ,从而实现达到控制的目 的 开 题 报 告 学生姓名 学 号 专 业 机械电子工程 班 级 指导教师 课题题目及来源： 题目：点胶机控制系统设计 题目来源： 本毕业设计课题来自于点胶机厂家的生产实际，通过设计出点胶机控制系统，从而进行轨迹控制点胶的点胶机器人，代替人工操作。 课题研究的意义和国内外研究现状： 课题研究的意义： 随着生活水平的提高，产品包装的外观越来越受到人们的重视。 纸盒包装因其成本低廉、外观靓丽一直在商品外包装方面占有很大的市场份额。在纸盒包装制作的过程中要交税讲纸盒侧壁与底面粘贴起来，但纸盒包装的形状变化多，切尺寸较大，如图 1 所示，这就给点胶工作带来了很大的苦难。 图 1 纸盒包装 目前主要用的点胶方式有人工点胶和自动点胶机两种：手动点胶，人工使用手动点胶机（图 2）在电子产品上点胶，该工艺方法简单，成本低，但是效率低下且浪费劳动力； 全自动点胶机（图 3），自动点胶机是用气压在设定时间内，把胶液推出。由仪表控制每次注滴时间，确保每次注滴量一样。只要调节好气压、时间和选择适当的针嘴，便可轻易改变每次注滴量。目前市场产品很多，但尺寸均较小。 图 2 手动点胶机 图 3 全自动点胶机 可以看出人工方式在连续成行点胶时难以保证其精度，效率非常低，一般只用于逐个点的点胶。全自动点胶机一般用于电路板或一些小饰件的点胶，所以尺寸较小，且不易控制运行轨迹。 本毕业设计的点胶机控制系统，可以用控制器完成圆形、多边形等各种形状的点胶，且可以适应倒角，空走等要求。系统具有尺寸大，适应性强，成本合理，以流水线方式运行等优点，大大提高了纸盒包装的生产效率和质量，降低企业用工成本 国 内外发展状况： 点胶机的发展源于美国和欧洲，随着日本电子行业对点胶机的大规模需求，日本点胶机厂家发展也非常迅速。中国工业的发展，吸引大批日本企业、台湾企业的进驻，专业的点胶机厂家也涌入中国。美国 本武藏等，还有台湾的自主点胶机，形成三足鼎立。 2005 年后中国民营的点胶机厂家开始兴起。最初是代理为主，配以自主研发的产品，或者是自动化行业厂家涉足点胶机行业，逐渐发展为专门的点胶机厂家。 2012 年底，据不完全统计，国内点胶机专门厂家多达三十多家，如果包含其他非专业自动化或者胶水厂家、国外点胶厂家、经销商， 那么则多达几千家。 虽然目前市场上点胶机器人种类很多，但是针对于纸盒包装的点胶机器人尚属空白，现有点胶机器人不能适应纸盒包装的多样式，大尺寸和流水线操作等要求。本文所设计的点胶流水线机器人具有成本低，控制准确，能完成复杂轨迹点胶，流水线操作等特点。 课题研究的主要内容和方法，研究过程中的主要问题和解决办法： 课题研究的内容： 开发出一台能够进行轨迹控制点胶的点胶机器人，代替人工操作。 装置由机械结构和控制系统组成。具体工作方式是由电机带动传送带把需要进行点胶的电子产品 送到点胶机器人下方，点胶机器人具有三个自由度，只要提前输入所需路径，点胶机器人就能自动进行定位并开始对产品进行点胶。点胶机器人应具有全自动运行、适应性强、运行平稳、成本低等优点。 具体的研究内容包括： 1 设计合理的机械装置，如传送装置、点胶机上的定位装置等，完成产品的运输和点胶； 2 研究针对控制胶枪移动的算法，并将算法转化为 c 语言程序； 3 设计控制和驱动电路，准备利用 片机为控制核心器件，控制步进电机，来完成和驱动相应动作。 课题研究的主要方法： （ 1） 文献调研和资料收集。包括寻求目前较为流行的全自动点 胶机的外形和丝杠结构等，为本文的开展提供一定参考； （ 2） 建立三维模型进行运动学分析等，对结构进行论证，和详细设计。 （ 3） 控制系统设计。以单片机为核心搭建控制系统，结合传感装置，完成对步进电机的操作，从而控制机构运行。 （ 4） 搭建传送装置和点胶机器人系统，样机调试，稳定新实验。 （ 5） 对设计说明书初稿进行相关格式修改，改进控制系统，装置整理。 研究过程中的主要问题和解决的方法： (1) 机构方案设计 若想要实现本文所设计控制系统的效果，首先需要保证机械结构设计的完整性和稳定性 机械设计部分主要完成整个系统的运动框架的搭建和其他关键部件的固定，还有为其他功能件，如限位开关，传输带等。机械部件作为整个系统的基础，又要实现所设计的控制算法可效性，考虑到整个系统所以我设计的机械部分主要包括以下内容： 1. 支撑框架和导向结构设计。导轨选型、安装固定与固定，系统支撑框架设计。 2. 固定结构设计。对步进电机悬挂支撑、传动输出、限位器的安装等。 （ 2）控制系统设计 控制电路： 以单片机为核心搭建控制系统，结合传感装置，完成对步进电机的操作，从而控制机构运行。 控制软件：本文 采用逐点比较插补算法进行直线插补和圆弧插补，并将算法转化为 c 语言程序。能够完成圆形、多边形等各种形状的点胶，且可以适应倒角，空走等要求的控制系统。 装置由机械结构和控制系统组成。具体工作方式是由电机带动传送带把需要进行点胶的电子产品送到点胶机器人下方，点胶机器人具有三个自由度，只要提前输入所需路径，点胶机器人就能自动进行定位并开始对产品进行点胶。点胶机器人应具有全自动运行、适应性强、运行平稳、成本低等优点。 课题研究所需的参考文献： 1 张建民等 M北京：高 等教育出版社 2 F 53 张培铭 作台实验教学型数控仿真系统研制 D北大学 . 4 毛制怒，冯洁，李宪章 片机的 定位驱动系统J 5 唐中燕 的单片机实现 J6 . 009 7 1996 8 . 2009 指导教师审查意见： 课题选择可以使学生充分运用所学知识，符合学生专业发展方向，对于提高学生的基本技能有帮助。该学生前期资料查阅充分，对课题理解较好。研究方法和研究计划基本合理，难度合适，学生能够在预定时间内完成该课题的设计。同意该课题进入下一阶段，同意进行毕业设计。 指导教师签字： 20 年 月 日 指导委员会意见审核意见： 组长签字： 20 年 月 日 哈尔滨理工大学学士学位论文 - I - 点胶机控制系统设计 摘 要 随着生活水平的提高，产品包装的外观越来越受到人们的重视。纸盒包装因其成本低廉、外观靓丽一直在商品外包装方面占有很大的市场份额。人工点胶因其劳动量大、工作效率低、劳动成本高等问题，被机械化自动点胶逐步取代是一个趋势。本文通过调研点胶机厂家生产实际，国内外研究现状及相关文献，确定了以直线三坐标式机器人为机械本体，单片机为控制系统核心的通用型自动点胶机。 本文通过运用机电一体化、机器人技术、机械设计等理论知识，对硬件结构进行选型，为控制系统软件设计提供了基础。点胶机控制系统软件设计 方面，本文针对圆形或带有圆角的方形包装盒的点胶问题，在查阅大量相关文献并搜集多方面资料的情况下，设计了基于逐点比较法的插补方法，实现了基于单片机控制器的直线插补和圆弧插补，从而准确点胶出圆形轨迹和带有倒圆角的方形轨迹。并在此基础上搭配了工业相机，运用点检测算法进行图像处理，有效的解决了纸盒包装在传输带运行过程中出现的位置误差以及在线无夹具点胶，使流水线无人点胶作业成为可能。最后搭建了点胶机实验平台，通过点胶轨迹模拟验证了本文所提出插补算法和图像处理算法的可行性，其点胶精度和运行速度达到了本文设计的基本要求，并取得了比较满意的结果。所设计装置能够代替人工操作，提高工作效率，具备应用于工业生产中的潜力 。 关键词 点胶机器人；单片机；插补原理； 图像处理 哈尔滨理工大学学士学位论文 - of s of a in of of is a In in to to of of By of or of a of a of on by to on to a on an to of no so no 哈尔滨理工大学学士学位论文 - by of in to of of to be in 尔滨理工大学学士学位论文 - 目 录 摘要 . I . 1章 绪论 . 1 题背景 . 1 题研究的目的和意义 . 1 胶机器人发展现状及分类 . 2 胶机器人国内外发展现状 . 2 胶机器人的分类 . 3 题研究的主要内容 . 4 章小结 . 5 第 2章 点胶机控制硬件设计 . 6 胶机系统的基本要求 . 6 构部件的选择 . 6 动方式的选择 . 6 动方式的选择 . 7 向支承部件的选择 . 8 感器选型 . 9 制电路核 心器件选型 . 10 控芯片模块 . 10 储模块 . 12 盘模块及显示模块 . 13 章小结 . 14 第 3章 点胶机控制系统软件设计 . 16 制系统软件整体方案设计 . 16 模块软件设计 . 18 片机芯片控制软件设计 . 18 盘控制软件设计 . 21 示模块软件设计 . 21 2C 通信及 件设计 . 23 动点胶插补算法 . 25 哈尔滨理工大学学士学位论文 - V - 线插补 . 25 弧插补 . 30 像处理及参数提取 . 35 像处理流程方案 设计 . 35 像处理算法设计 . 36 章小结 . 39 第 4章 点胶机实验平台功能测试 . 40 胶机实验平台搭建 . 40 胶机实验平台测试 . 43 章小结 . 44 结论 . 45 致谢 . 46 参考文献 . 47 附录 . 错误 !未定义书签。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 1 - 第 1章 绪论 题背景 随着中国制造 2025 的提出，中国开始迈进制造业强国的步伐，而强大的制造业背后的技术 支撑就是工业机器人。它集成了机械、 计算机、 电子、 传感器、 控制、人工智能等多学科 结合 为 一体的现代化智能装备 1。由于具有可编程、 通用性、可控性等多种 特点，而广泛应用于各个行业 领域 ，主要包括汽车、交通、医药、工程机械、电器、 军工等。在不同的个行业里扮演的角色也各不同，比如点胶、弧焊、搬运、抛光、检测、切割等 2。由此可见， 在制造业的发展中， 工业机器人 起到了不可估量的 作用。 题研究的目的和意义 随着生活水平的提高，产品包装的外观越来越受到人们的重视。纸盒包装因其成本低廉、外观靓丽一直在商品外包装方面占有很大 的市场份额。在纸盒包装制作的过程中要将纸盒侧壁与底面粘贴起来，但纸盒包装的形状变化多，切尺寸较大，如图 1示，这就给点胶工作带来了很大的苦难。 （ a）正六方形 （ b）方形 （ c）圆形 图 1盒包装 目前主要用的点胶方式有人工点胶和自动点胶两种：手动点胶（ 图 1是 由操作者手拿点胶装备对电子产品及包装盒进行点胶 ，该方法 使用简单，成本低，但是 点胶不均匀、 效率低下且浪费 胶水，后期还需要人工清理，从而增加了劳动成本； 全 自动点胶机（图 1 自动点胶是利用自哈尔滨理工大学学士学位论文 - 2 - 动点胶机设备，自动控制胶水的注滴量按预定的轨迹进行点胶 。 优点是点胶均匀，提高了点胶效率， 目前市场产品很多，但尺寸均较小。 图 1动点胶机 图 1自动点胶机 可以看出人工方式在连 续成行点胶时难以保证其精度，效率非常低，一般只用于逐个点的点胶，而且劳动力较大。点胶剂大多对人体身体健康有害。而 全自动点胶机 虽然解决人工点胶的缺点，但是 一般用于电路板或一些小饰件的点胶， 尺寸较小，且不易控制运行轨迹。 本毕业设计的点胶机控制系统， 基于龙门式直角坐标 机械本体， 可以用控制器完成圆形、多边形等各种形状的点胶，且可以适应倒角，空走等要求。系统具有尺寸大，适应性强，成本合理，以流水线方式运行等优点，大大提高了纸盒包装的 生产效率和质量，降低企业用工成本。 胶机器人发展现状及分类 胶机器人国内外发展现状 点胶机 器人主要起 源于美国和欧洲， 近年来 随着日本电子行业 的快速发展，对点胶机的需求量也越来越大，因此也促进 日本点胶机厂家 快速起步发展。 在这个过程中，点胶机器人也由最初的简单机械式点胶机发展到哈尔滨理工大学学士学位论文 - 3 - 现在的点 胶工作站，其在对产品点 胶的质量、 经济效益 及 生产的管理 方面都有了显著的提高。 早在 1978 年， S e a a n t E q u i p m e n t a n d E n g i n e e r i n g 公司 搭建出 一种用于 点 胶的简单机械机构 3。紧接着瑞士的 司、 日本 日 本 株 式 会 社 安 川 电 机 公 司等 ， 都推出了他们的点胶机器人产品，虽然起步较晚，但是 他们的 发展速度 让人惊叹不已 ，短短的几年内就 已经成为了机器人大 国。 现在下一步发展方向是往 低成本、高速化、小型和轻量化发展 4。虽然技术已经相当成熟，但设备价格昂贵、技术路线封锁。 目前国内点胶机发展水平相对于国外差别很大，国内主要对点胶机器人研究的机构有：哈尔滨工业大学机器人研究所、 中国科学院沈阳自动化研究所、 沈 阳 新 松 机 器 人 自 动 化 股 份 有 限 公 司、苏州卓亚德机器人科技有限公司 、常州铭赛机器人科技股份有限公司等，这些公司有的自主研发了较为简单的点胶机控制系统。 中国 的 工业 经济快速 发展， 也 吸引 着 大批 台湾企业、日本企业、美国企业等企业在中国建立分公司 。 也加快了国内公司对点胶机技术的快速研发，提高国内的竞争力。 胶机器人的分类 点胶机器人按其结构可分为以下三 种 5： 1. 直角坐标式点胶机器 如图 1示， 这种点胶机器人 只有 三 个移动关节， 而且每个 关节轴线 都 相互垂直。这种形式的主要特点是结构刚度高 、结构简单易搭建 ；控制简单，点胶空间只需要转化成笛卡尔坐标系的 x 轴、 y 轴和 z 轴 ，定位精度高 。 缺 点是占地面积大，操作灵活性差。 图 1角坐标式点胶 机 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 4 - 2. 胶机器人 如图 1示 ， 胶机器人 具 有 三 个 旋转关节和 一 个移动 关节 ， 其中 移动关节在垂直平面进行上下运动，而 旋转 关节 都绕竖直的轴线进行旋转 ， 因此 只能 在平面内进行 定向和定位 。 优点是结构轻便、响应快 ， 缺点 是 灵活性差。 图 1胶机器人 3. 关节式点胶机器人 如图 1示，关节式点胶机器人的 形状有点类 似人 类 的手臂 ，具有六个自由度，能 以 任意一个方向运动。 优点是占 操作 较 灵活、 地面积小，缺点是 很难 获得高精度运动。 图 1节式点胶机器人 题研究的主要内容 开发出一台能够进行轨迹点胶控制系统的点胶机器人，代替人工操作。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 5 - 该控制系统由硬件和软件组成。具体工作方式是由电机带动传送带把需要进行点胶的电子产品送到点胶机器人下方，点胶机器人具有三个自由度，只要提 前输入所需路径，点胶机器人就能自动进行定位并开始对产品进行点胶，而且还搭配了工业相机和上位机，运用图像处理有效地解决了纸盒包装或者电子产品在传输带运送过程中出现的位置误差以及未知的形状尺寸，能够准确点胶。 点胶机器人应具有全自动运行、适应性强、运行平稳、成本低等优点。 具体的研究内容包括： 1 首先要调研大量的国内外研究状况以及相关的参考文献， 对目前研究状况进行总结 ，最终确定 本课题研究内容为 基于直线三坐标式点胶机控制系统 。 2 设计合理的机械装置 ，如传送装置、 驱动方式 等，完成产品的运输和点胶。 还要 设计 控制和驱动电路， 利用 片机为控制核心器件，控制步进电机，来完成和驱动相应动作 。 3 研究 控制胶枪移动的插补算法， 实现直线插补轨迹和圆弧插补轨迹， 并将算法转化为 c 语言程序。 并利用工业相机和上位机，设计图像处理算法去解决纸盒包装或者电子产品在传输带运送过程中出现的 位置误差以及未知的形状尺寸，能够准确点胶。 4搭建点胶实验平台，验证本文提出的插补算法和图像处理算法 。 章小结 本章主要对课题研究进行了国内外研究及相关文献的分析，阐述了研究本课题的目的及意义，并且对相关的点胶机器人进行分类及总结。 最终确定本课题是 设计并开发 基于直线三坐标式点胶机控制系统。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 6 - 第 2章 点胶机控制硬件设计 胶机系统的 基本要求 设计点胶控制系统的首要任务是 设计 基于机械本体所要完成的动作，因此要 先 确定点胶机器人的结构。本课题针对纸盒包装的生产工序确定龙门式直角坐标机器人 结构 ，再根据完成任务要求所给出 各轴的工件负载、运动行程、速度、加速度，动作周期来选直线运动单元的型号，支承部件、所配驱动电机 、传送带 等。 如下图 2点胶机器人结构简体图。 图 2胶机器人结构简体图 根据包装盒尺寸要求确定 X 轴和 Y 轴的最大行程为 500最大载荷为 10行速度为 100mm/s， 而 Z 轴的行程为 200Z 轴最大的载荷为 1行速度为 50mm/s， 定位精度为 枪装置 固定在 Z 轴上，随着 Z 轴电机的转动做垂直上下运动。包装盒 放在传送带且随着传送带 运行到点胶 平面范围中，触发外信号从而控制三轴的 电机做出相应的动作，将会按照之前输入的尺寸自动对其进行点胶模拟。 构部件 的选择 动方式 的 选择 传动 装置 是将动力 源所提供的动力和功率 传递到执行机构的装置 6,7。哈尔滨理工大学学士学位论文 - 7 - 常用的传动方式 主要 有 丝杠传动、 齿轮齿条传动、带传动和链条传动，其传动 方式 的 特点 如表 2示 8。 表 2动机构特性 传 动 形 式 链 条 传 动 带 传 动 齿 轮 齿 条 传 动 丝 杠 传 动 优 点 平 均 传 动 比 较 准确 、 恒 定 、 环 境适 应 能 力 较 强结 构 简 单 、 传 动平 稳 、 能 缓 冲 ，成 本 低效 率 较 高 、 传动 比 稳 定 、 寿命 长传 动 效 率 高 、传 动 平 稳 、 可靠 性 高缺 点 瞬 时 速 度 不 均匀 、 需 增 设 张 紧和 减 振 装 置外 廓 尺 寸 大 、 轴和 轴 承 受 力 大 、传 动 比 不 恒 定 等制 造 精 度 高 、不 适 宜 远 距 离轴 之 间 传 动成 本 高 、 长 距离 传 送 丝 杠 易变 形效 率 滚 子 链 链 平 型 带 形 带 直 齿 丝 杠 丝 平 均 传 动 比 较 准确 、 恒 定 、 环 境适 应 能 力 较 强金 属 切 削 机 床 、锻 压 机 械 、 输 送机 、 纺 织 机 械 等汽 车 、 起 重 运输 机 械 、 冶 金矿 山 机 械 等金 属 切 削 机床 、 雕 刻 机 等本文所设计的点胶机控制系统是基于直线三坐标式点胶机构而运行，根据 点胶机功能要求和 运行性能指标 ，最终 确定选用 丝杠传动。 根据点胶机所完成的任务，本文 X 轴和 Y 轴选用了型号为 1605 滚珠丝杠螺母机构，该丝杠直径为 16程为 5如图 2a）所示。Z 轴选用了 T 型滑动丝杠螺母机构， 该丝杠直径为 8程为 2图 2b）所示。 经 过实验验证满足了点胶机的性能指标要求。 （ a）滚珠丝杠螺母机构 （ b）滑动丝杠螺母机构 图 2杠传动副 动方式的选择 驱动源 是 点胶系统中 最重要的 部分， 为点胶机提供了动力，使传动系统进行传动，进而驱动点胶装置运动。为了保证点胶机运动的平稳性、安全性以及合理的结构方式等， 对驱动源提出了更高的要求。 通过对点胶 机哈尔滨理工大学学士学位论文 - 8 - 所执行的任务进行 分析 ，本文才能确定最佳的驱动方式。 机器人 最 常见的驱动方式有液压式、 电动式 和 气动式 9。 由于本文所设计的点胶控制系统是基于直线三坐标式机械本体结构， 需要点胶的轨迹是不同的包装盒形状尺寸，意味着设计的程序也相当复杂。因此根据可控性、安全性、可靠性以及成本等多种因素， 最终 确定为电机驱动的步进伺服电机 ， 主要的驱动方式特点 如表 2示 10。 表 2动方式特性 驱 动 方 式 特 点 输 出 力 控 制 性 能 维 修 使 用 结 构 体 积 适 用 范 围 制 造 成 本 液 压 驱 动 压 力高 、 输出 力 大控 制 性 能比 气 压 驱动 好维 修 方 便油 液 泄 露易 着 火同 等 情 况下 ， 体 积比 气 压 小中 、 小 型及 重 型 机器 人零 件 成 本高 ， 油 路复 杂气 压 驱 动 压 力低 、 输出 力 小有 冲 击 ，不 易 精 确定 位维 修 简 单适 应 性 强体 积 较 大 中 、 小 型机 器 人结 果 简单 ， 成 本低电机驱动 异 步 直 流电 动 机 输 出 力较 大 较 差 维 修 使 用方 便 体 积 较 大 速 度 低 大型 机 器 人 成 本 低 步 进 伺 服电 动 机 输 出 力较 大 较 好 ， 控制 复 杂 维 修 使 用复 杂 体 积 小 运 动 复 杂的 机 器 人 成 本 较 高 根据 X、 Y 和 Z 轴的负载及运行功率， X 轴和 Y 轴选用了日本家 号的 57 步进电机， Z 轴选用了欧邦电器公司57号的步进电机。 57 步进电机型号如图 2示。 （ a） 号 （ b） 57号 图 27 步进电机 向支承部件 的选择 导向支承部件 除了起到承载作用，还能够 按 指 定的运动规律和规定 的运动方向作直线或回转方向 6。 该支承部件主要有承导件和运动件两大部哈尔滨理工大学学士学位论文 - 9 - 分组成，因此通常也称为导轨副，简称导轨。本文设计要求 点胶机运行平稳、安全性高、结构合理和运动为直线运动， 因此最终确定导轨类型为滚动轴承导轨。 滚动轴承导轨是由欧标铝型材、光轴、 U 槽型滚轮和滑块组成 ，如图2示。 该导轨不但符合了本文设计要求 ， 而且对温度变化 不敏感和 承载能力较大，缺点是结构工艺性较差、成本较高。 图 2动轴承导轨 感器 选型 传感器是 一种能够将检测到的各种物理信号转换成电信号的器件 11。根据传感器的 输出信号可分为 数字型 、模拟型和 开关型 ，其 中 开关型 也叫作二值型 又可分为接触型和非接触型， 开关型工作原理如图 2示。 图 2关型传感器的工作原理 根据点胶控制系统要求最终确定 开型接近开关传感器，如图2示。该传感器特点 如下： 1 接近开关传感器供电为 5V。 2 待机功耗及工作 时功耗均小于 8 3 响频快，有高强的输出换算能力，且误差率极低。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 10 - 4 寿命长，体积小，安装方便。 5 输出为电平信号，接近开关信号线能直接接单片机的 I/O 口或者晶体管及 逻辑电路接口。 图 2开型 接近开关 该接近开关 传感器 共有 3 条引线，分别是供电线 的 棕色线和兰色线。及信号输出线 的 黑色线。接 近开关的引线定义，棕色线 是接电源的正极，其电压为 5V， 兰色线 是接电源的负极， 黑色线为信号输出线，此线可直接接单片机的 I/O 口。 接近开关在待机时，信号线输出为高电平也就是数字 1，此时单片机的 I/O 口为数字 1。接近开关在检测到金属时输出为低电平也就是数字 0。 能过高低电平的转换信号变化使单片机完成相应动作 ，其接线图如 2示。 图 2近开关接线图 制电路 核心器件选型 控芯片模块 本文点胶机控制任务是需要 操作 人员对主控芯片输入工作 坐标 ， 进而控制各轴电机的运行。在运行过程中不但要读取 操作人员输入 的坐标， 还哈尔滨理工大学学士学位论文 - 11 - 要把各个坐标位置都寄存在存储器中。除此之外还需要有中断功能、 定时器产生波特率 、掉电后中断可唤醒功能等。因此根据以上的要求和成本最终确定选择 D+系列单片机作为主控芯片。 一种 自 带 存的 可编程可檫除只读存储器的低电压 、高性能 的微处理器， 俗称 单片机 12，如图 2示。 图 2片 单片机在工作中要不断的扫描内部程序并执行，在执行任务时都是需要时钟电路进行驱动才能完成任务。如果没有时钟电路， 就无法启动单片机去执行任务。 它是单 片机的心脏。本文采用的时钟电路如图 2示。 图 2钟电路 单片机在工作过程中由于容易受到外界的干扰而造成内部寄存器中的数据产生混乱，从而不能进行 正常工作这也是所谓的死机现象， 因此需要复位功能使程序重新开始运行 ，复位又可分为软件复位和硬件复位，根据本文设计的任务以及工作场合，确定选用硬件复位，其 设计的按键电平复位如图 2示。 该单片 机芯片外部接上时钟电路、复位电路和电源就构成了一个基本应用系统，即 单片机最小系统。 如图 2示。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 12 - 图 2键复位电路 图 2片机最小系 统 储模块 单片机工作中，会把工作人员输入的坐标记录到某个变量中， 这些变量数据存在 ，在掉电后 的数据是无法保留的。 这时再次上电这个变量就 会 自动清零， 就 不能执行原来的任务 。需要重新回零点再次输入坐标点。这样工作效率大大降低，而且原来点胶的包装盒也会浪费掉。因此需要设计出单片机掉电后数据不会丢失的硬件电路，从而上电后继续执行原来的任务。这种实现方式就是通过写入 方式来实现。 E l e c t r i c a l l y E r a s a b l e P r o g r a m m a b l e R e a d O n l y M e m o r 擦写的存储器。具有掉电数据不丢失的特点。哈尔滨理工大学学士学位论文 - 13 - 比如常用的 24C 系列， 93C 系列的器件，这种器件与单片机之间需要采用信协议才能进行通讯 13。根据本文控制系统要求性能，选择了片，如图 2示。 图 2片 盘模块及 显示模块 在对点胶机器人进行操作时，需要 通过 外部矩阵 键盘来 操作 点胶 机的任务 ， 比如任务的启动、停止、 运动轨迹选择 等功能。 当然 也需要提供实时显示 运动 状态、 坐标位置、 所设参数等，所以 点胶机控制系统需要 键盘模块和 显示 模块 。 键盘功能除了要实现 09 数字输入 功能还要实现点胶任务中的直线插补功能、圆弧插补功能、快速点定位功能、 倒圆角功能等。其键盘硬件连接图如 2示。 图 2阵键盘连接图 在点胶控制系统运行中，要时刻知道系统的运行状态以及参数的变化， 以便于参数的修改和工作任务的选择，这就要求控制系统必须有显示哈尔滨理工大学学士学位论文 - 14 - 模块。根据本文设计的控制系统任务要求选择了 示器，它能够同时显示 1 6 2 3 2列 行 即 个 字 符，满足 了 本文设计的使用性能。其模块如图 2示。 图 2块 一般来说 16 条引脚，每个引脚的定义也不同。在控制该模块时，需要对模块 引脚的定义进行详细了解，以方便于单片机控制该模块实时显示控制系统的状态及参数。其引脚定义如表 2示。 表 2脚定义 引 脚 号 符 号 引 脚 说 明 引 脚 号 符 号 引 脚 说 明 1 源 地 9 据 端 口 2 源 正 极 10 据 端 口 3 压 信 号 11 据 端 口 4 令 /数 据 12 据 端 口 5 /写 13 据 端 口 6 E 使 能 14 据 端 口 7 据 端 口 15 A 背 光 正 极 8 据 端 口 16 K 背 光 负 极 基本操作时序可分为以下四种： 1 读状态 输入： R S 0 R W 1 E ， ， 高 脉 冲。输出： 状态字。 2 读数据 输入： R S 1 R W 1 E ， ， 高 脉 冲。输出： 数据。 3 写指令 输入： R S 0 R W 0 E ， ， 高 脉 冲。输出：无。 4 写数据 输入： R S 1 R W 0 E ， ， 高 脉 冲。输出：无。 章小结 点胶机控制系统硬件在整个点胶控制系统中占有重要作用， 为点胶机控制系统运行提供了硬件基础，也是验证本文所设计控制系统 的可行性和哈尔滨理工大学学士学位论文 - 15 - 稳定性。 本章主要对点胶机的传动方式、驱动方式、导向支承部件、传感器、主控芯片模块、存储模块、键盘模块、显示模块等进行选型，为 下一章 控制系统软件设计提供了基础。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 16 - 第 3章 点胶机控制系统软件设计 制系统软件整体方案设计 控制器是点胶机的核心， 主要是来控制点胶机三 个直线 轴之间的相互协调运动。 主要有 快速点定位控制、两轴 之间 的插补运动以及三轴 之间 的联合运动等， 所以对本文所设计的控制器提出 了更高的要求 。 此外， 本文还需要对该 控制器输入 点胶轨迹 的数据 ，因此要求 点胶机 控制器具有 良 好的数据存储能力和 运算 能力。 该 系统的输入 和 输出也是 很要 重要 的一 部分 ，特别是对 传感器检测信号的输入及步进电机的输出 ，这 就 要求 该 控制系统 满足快速性 以及 良好 抵抗外界的干扰 能力 。 为了 满足 这些 要求 ， 除了提高硬件的稳定 性 ，还要有更好的控制算法。上一章主要对硬件进行详细的分析及选型，也是为本章对控制软件设计提供了基础。 本文设计的点胶任务是 操作者 通过矩阵键盘输入需要进行点胶模拟的物品的尺寸，输入的数据可以通过 示屏显示，按 下点胶键，点胶模拟装置即可自动进行点胶轨迹模拟。其 控制系统 如图 3示。 L E D 显 示键 盘 输 入单 片 机键盘显示接口传感器接口处 理 任 务 数 据调 用 任 务 数 据实 时 插 补 程 序存 储 任 务 数 据电 机 接 口接 近 开 关驱 动 器图 3胶机控制系统 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 17 - 当开机时，三坐标机械手将会对模拟点胶针当前所在位置进行检查，若没有处于零点位置就会自动回零，回归到零点位置后，由操作人员通过矩阵键盘对单片机输入尺寸，传送带就会将产品或包装盒精确的传送至模拟点胶针下，之后操作人员再次输入需要点胶模拟的产品或包装盒的尺寸，按下点胶键，单片机即可驱动步进电机进行转动，进而带动滚珠丝杠进行传动，实现对产品或包装盒的点胶轨 迹模拟，当模拟完成后，传送带会将点胶模拟完成的产品或包装盒送至下一加工地点并将下一件需要包装的产品或者包装盒传送至模拟针头下，三坐标机械手将会按照之前输入的尺寸自动对其进行点胶模拟，其点胶模拟工作流程图 3示。 开 始零 点 ？系 统 初 始 化输 入 包 装 盒点 胶 轨 迹确 认 ？点 胶 模 拟胶模拟流程 点胶机控制系统在获得点胶轨迹的数据之后，就需要控制点胶机的各轴按照点胶轨迹进行点胶即可。自动点胶机对控制系统要求主要包括以下内容： 1 整个点胶控制系统应该实现自动点胶机的各轴运动控制。主要包括各个轴之间的插补运 动及运动参数的显示，点胶模块的启动、停止等。 2 整个控制系统应该包括相应的传感器，当开机时点胶机能够自动进行回零动作，提高位置的精确性。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 18 - 3 整个控制系统应能
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