球面SCARA機器人總體及控制系統(tǒng)設計,球面,scara,機器人,總體,整體,控制系統(tǒng),設計 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2011 目 錄 1 前言 .................................................................1 1.1 課題的來源 .........................................................1 1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 ...............................................2 1.3 設計的思路及解決的主要問題 .........................................2 2 球面 SCARA 機器人總體方案設計 .........................................4 2.1 運動方案及主要技術參數(shù)的擬定 .......................................4 2.2 方案擬定 ............................................................5 3 機器人控制的功能、組成和分類 .........................................7 3.1 機器人控制系統(tǒng)的特點 ................................................7 3.2 對機器人控制系統(tǒng)的一般要求 ..........................................7 3.3 機器人控制系統(tǒng)分類 ..................................................8 3.4 機器人的控制方式 ...................................................8 4 球面 SCARA 機器人的控制系統(tǒng) ...........................................9 4.1 控制要求 ...........................................................9 4.2 控制方案的確定 .....................................................9 4.3 器件的工作原理 ......................................................9 4.3.1．步進電機 ........................................................9 4.3.2．步進電機驅(qū)動器 .................................................10 4.3.3．傳感器： .......................................................11 4.3.4．PLC 控制器： ....................................................12 4.4 控制系統(tǒng)硬件和軟件的設計 ..........................................12 4.4.1 控制系統(tǒng)硬件的設計： ............................................12 4.4.2 控制系統(tǒng)軟件的設計 ..............................................12 5 PLC 簡介 .............................................................18 5.1 PLC 的發(fā)展歷程 .....................................................18 5.2 PLC 的構(gòu)成 ........................................................18 5.3 CPU 的構(gòu)成 ........................................................18 5.4 I/O 模塊 ...........................................................19 5.5 電源模塊 ..........................................................19 5.6 PLC 系統(tǒng)的其它設備 .................................................19 5.7 PLC 的通信聯(lián)網(wǎng) .....................................................20 6 結(jié)論 ................................................................21 參考文獻 ..............................................................22 致謝 ..................................................................23 附錄 ..................................................................24 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2011 1 1 前言 1.1 課題的來源 這個課題來源于實驗室，課題符合機械設計制造及其自動化專業(yè)方向教學計劃 及培養(yǎng)目標的要求。 機器人設計這類課題是典型的機電一體化課題，這個課題設計的內(nèi)容包括制定 機器人的總體設計方案以及控制系統(tǒng)的設計。根據(jù)機器人的實際需要的動作要求我 們設計了機器人的總體結(jié)構(gòu)，通過設計使學生能夠掌握如何去應用 PLC 控制一個裝 置。能夠使學生在計算機繪圖、機電系統(tǒng)設計、編制技術文件、正確查閱使用各種 技術資料的能力得到綜合訓練，使學生能夠解決本專業(yè)實際工程問題的能力得到了 提高。本課題的難度適中，綜合性強，已具備許多相關的技術資料，有關軟、硬件 應用的資料也比較多，學生在畢業(yè)設計規(guī)定的時間內(nèi)查閱有關資料，經(jīng)過努力能夠 完成任務。同時可編程序控制器(PLC)作為一種新型的工業(yè)自動化裝置，它已在工 業(yè)控制各個領域內(nèi)得到了廣泛應用，具有體積小、功耗低、壽命長、可靠性高、靈 活通用、易于編程、維修及使用方便等特點。將 PLC 技術應用于球面機器人控制， 使機器人實現(xiàn)應有的動作，回原位，手動操作，自動操作。編程過程中用步進指令 編寫可以簡化程序，而且還避免了過去由于大量使用繼電器帶來的種種缺點，改善 并提高了控制性能，提高了生產(chǎn)效率，更進一步地降低了生產(chǎn)成本。 PLC控制電路相對于過去傳統(tǒng)的繼電器控制電路有如下一些優(yōu)點： (a)從控制方式而言：以往的繼電器控制硬接線，邏輯關系一旦確定，要改變 邏輯或增加功能是非常困難的；而PLC的軟接線，只需改變控制程序就可非常方便 地改變邏輯或者增加一些其他的功能。 (b) 從工作方式而言：以往的繼電器控制并行工作；而PLC采用串行工作的方 式。 (c) 從控制速度上而言：以往的繼電器控制速度慢，更糟的是觸點比較容易抖 動；而PLC是通過半導體來控制，速度很快，無觸點，所以不存在抖動這一說法。 (d) 從定時、記數(shù)而言：以往的繼電器控制定時精度低，容易受環(huán)境的溫度變 化的影響，而且沒有記數(shù)的功能；PLC時鐘脈沖由晶振產(chǎn)生，精度高，定時范圍寬， 可以實現(xiàn)記數(shù)這一功能。 (e) 從可靠、維護而言：以往的繼電器控制觸點太多，會產(chǎn)生機械磨損，不僅 接線多，可靠性、維護性能也非常差；PLC因為沒有觸點，所以它的壽命長，且有 自我診斷功能，可以對這些程序執(zhí)行監(jiān)控功能，還可以現(xiàn)場調(diào)試和維護也比較方便。 因此在工業(yè)控制領域方面，隨著電力電子技術、PLC與變頻技術的發(fā)展，以PLC 控制為控制器的電力控制技術在各類機械設備中越來越受人們的青睞，它將逐漸取 代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)。隨著PLC的廣泛應用和電力控制技術的不斷發(fā)展，可以 利用PLC實現(xiàn)對課題中球面SCARA機器人的自動控制。毋庸置疑這將是今后的發(fā)展方 球面 SCARA 機器人總體及控制系統(tǒng)設計 2 向，而針對這種控制系統(tǒng)的PLC程序的設計就顯得很重要了。 1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 PLC 在工業(yè)自動化領域方面起著非常重要的作用，實際上已經(jīng)有 80%以上的工 業(yè)控制可以采用 PLC 控制來完成。PLC 可用于邏輯順序控制、運動及位置控制、過 程控制、數(shù)據(jù)的處理以及通信聯(lián)網(wǎng)等。PLC 可靠性高、柔性好、編程靈活、開發(fā)周 期短以及可以實現(xiàn)故障自診斷等方面的特點。 直到本世紀 80 年代初機器人才誕生出來，機器人技術經(jīng)歷了一個長期而緩慢 的發(fā)展歷程。90 年代后，微電子技術、計算機技術、網(wǎng)絡技術等快速發(fā)展起來，機 器人技術也得到了飛速發(fā)展。工業(yè)機器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠 性等不斷提高，更令人高興的是機器人的制造成本和價格卻不斷下降。在西方的一 些國家，與機器人下降的價格相反的是，人的勞動力成本正保持著不斷增長的趨勢。 （1） 工業(yè)機器人性能不斷提高(很高的速度、較高的精度、可靠性穩(wěn)定、易 于操作和維修)，并且單機價格正不斷保持下降的趨勢。 （2） 機械結(jié)構(gòu)正向模塊化、可重構(gòu)化的方向去發(fā)展。 例如關節(jié)模塊中的伺 服電機、減速機檢測系統(tǒng)的三位一體化，關節(jié)模塊、連桿模塊可以用重組方式構(gòu)造 機器人整機，國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品生產(chǎn)出來。 （3）工業(yè)機器人控制系統(tǒng)正在向基于計算機的開放型控制器發(fā)展，以便標準 化、網(wǎng)絡化；提高了器件的集成度，控制柜越來越小，采用模塊化結(jié)構(gòu)后大大提高 了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 （4）傳感器在機器人控制中的作用日漸重要起來，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、 加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺傳感器等，而遙控機器 人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模以及決策； 在產(chǎn)品中采用多傳感器融合技術已經(jīng)相當成熟了。 （5） 虛擬制造技術在機器人中的作用已從原來單純的仿真預演發(fā)展為用于過 程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生仿佛自己置身于虛擬作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱 機器人。 （6）當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不再是僅僅追求過去的單純的自治系統(tǒng)， 而是致力于操作者與機器人之間的人機交換控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整 的監(jiān)控、遙控操作系統(tǒng)，使機器人走出實驗室進入使用化這一階段。 （7） 機器人化的機械作業(yè)時代開始興起，一批批工程師正在紛紛探索開拓其 實際應用的領域。 1.3 設計的思路及解決的主要問題 本課題是對球面SCARA機器人總體及控制系統(tǒng)設計，設計分為機器人的總體部 分的設計和控制系統(tǒng)部分的設計。 根據(jù)系統(tǒng)設計總體要求，設計一臺三自由度教學型機器人，用于實踐教學，機 器人能進行三個自由度方向的運動，本課題主要設計該機器人的總體結(jié)構(gòu)和控制系 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2011 3 統(tǒng)，具體內(nèi)容如下： 1、確定總體方案，繪制機器人的機械結(jié)構(gòu)裝配圖； 2、各電機的選擇，各零部件設計計算和選擇，進行機器人大臂、小臂結(jié)構(gòu)設 計，并繪制主要零件圖； 3、控制系統(tǒng)的設計：1）繪制機器人的控制系統(tǒng)接線圖；2）編寫機器人的控 制程序； 球面 SCARA 機器人總體及控制系統(tǒng)設計 4 2 球面 SCARA 機器人總體方案設計 2.1 運動方案及主要技術參數(shù)的擬定 球面 SCARA 機器人的技術參數(shù)如下表 2-1。 表 2-1 球面 SCARA 機器人主要技術參數(shù) 自由度數(shù)：3 個（ ， ，r）1?2 動作范圍 最高空行程速度 最高工進速度 （定位精度） 第一軸 1?360° 120(o)/s 90(o)/s 0.03° 第二軸 2360° 120(o)/s 90(o)/s 0.03° 第三軸 r 100mm 50mm/s 40mm/s 0.015mm 工件最大直徑 φ：200mm 第三軸最大抗力 5N 該機器人是 SCARA 球面機器人，對其進行設計時，不僅要保證規(guī)定的動作范圍、 速度和精度而且更要防止干涉的問題。所以第二軸——小臂的實際動作范圍小于 360o，并且底座電機，真空吸盤的定位方式的安裝要合理、可靠。在這個課題中我 需要完成球面 SCARA 機器人裝配圖和關鍵零件的零件圖以及機器人控制系統(tǒng)的設計。 關于球面 SCARA 機器人簡介： 一般球面機器人的自出度布置如上圖所示，圖 2-1 的 θ 1軸線和 θ 2軸線平行， 頂針不僅要轉(zhuǎn)動還要移動，它的自由度是四個，和圖 2-2 和相比它的頂針不能到達 一個球的軌跡。如圖 2-2 所示大臂和小臂的 θ 1軸線和 θ 2軸線垂直相交，這樣裝 在 r 自由度軸上的頂針可以在球上任一點進行作業(yè)。 該球面 SCARA 機器人工具中心線不僅需要通過球坐標的原點，還要保證制造及 控制精度，這樣頂針才能達到動作要求在球面上任意位置可以精確定位。頂針可以 在球面上任何位置沿半徑方向慢慢接近工件。工件——球需要有一個夾具來夾持， 如果是在下面夾持，則在球系的下方的一塊區(qū)域內(nèi)頂針不能達到，會發(fā)生干涉。為 把這個影響減到最低，我們采用了真空吸盤來定位這個球 [1]。 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2011 5 圖 2-1 SCARA 機器人 圖 2-2 球面 SCARA 機器人 2.2 方案擬定 （1）配置自由度。球面 SCARA 機器人大臂自由度 θ 1和小臂自由度 θ 2的配置 可以有三種形式，如下圖所示： (a) （b） （c） 圖 2-3 球面 SCARA 機器人自由度配置 方案（a）的 θ 2驅(qū)動及臂 2 占據(jù)了球坐標系的中心，不利于工件的安裝。方案 （b）之臂 1 與臂 2 及其驅(qū)動避開了球的原點，便于安裝。方案（c）之 θ 1驅(qū)動工 件轉(zhuǎn)動，機器人臂 2 的運動自由度 θ 2沒有與 θ 1耦合，這種配置自由度方式不好。 綜上分析，可以看出方案（b）是最好的配置自由度的方案。 （2）驅(qū)動方式。驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、氣動、電力驅(qū)動，而目前用得最多的 一類是電力驅(qū)動。在該機器人設計中由于驅(qū)動力矩不大，運動速度較高，定位精度 要求較高的要求，采用步進電機驅(qū)動大小臂和頂針。第一軸自由度 θ 1和第二軸 θ 2均采用步進電機驅(qū)動。步進電機驅(qū)動比較簡單，還能實現(xiàn)比較精確的定位精度。 第三自由度 r 是工件向球面半徑方向的往復移動，采用直線步進電機驅(qū)動。 （3）傳動方式。因為夾持球的真空吸盤是沿 Z 軸安裝的，所以底座電機的軸 線不能與 Z 軸重合，需要采用同步帶作遠距離傳動。小臂電機軸線可與 Y 軸同軸線， 直接用電機傳動，而不要同步帶。考慮到定位精度高的要求，需要在電機 1 和 2 的 球面 SCARA 機器人總體及控制系統(tǒng)設計 6 輸出軸上配置減速裝置。第三軸（r 軸）的驅(qū)動電機軸線與頂針的運動方向平行， 可以采用直線步進電機驅(qū)動 [2]。 綜合考慮，我們選定下面方案：大臂轉(zhuǎn)動采用諧波減速裝置，同時采用同步帶 作遠距離傳動，由步進電機驅(qū)動；小臂轉(zhuǎn)動也采用諧波減速裝置，考慮到小臂上方 有一個盒子，盒子里面放的第三個電機，由于重力的作用會自動掉落，所以可以采 用自鎖步進電機驅(qū)動，這樣在機器人動作過程中小臂不會因重力垂下；頂針的軸向 運動采用直線步進電機驅(qū)動，這樣簡單方便，不需要絲杠之類的工件。這種方案的 傳動鏈非常簡便，結(jié)構(gòu)也比較簡單易行。 此方案具有以下優(yōu)點: a、諧波減速器的選用適合結(jié)構(gòu)特點是減速比大、體積 小、精度高、承載能力大、重量輕、定位安裝方便、效率高，結(jié)構(gòu)比較簡單；用直 線電機驅(qū)動時，不存在中間傳動機構(gòu)的慣量和阻力矩的影響，因而加速和減速時間 短，可實現(xiàn)快速啟動和正反向運行，直線電機由于沒有中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，因而使整個 傳動機構(gòu)得到簡化，提高了精度，減少了振動和噪音。b、因為各傳動元件的定位 比較容易實現(xiàn)，還有一點就是使用了很多標準件，所以它的價格不會太高，成本也 不高。 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2011 7 3 機器人控制的功能、組成和分類 3.1 機器人控制系統(tǒng)的特點 與一般的伺服系統(tǒng)和一般的過程控制系統(tǒng)相比，機器人控制系統(tǒng)有如下一些特 點： 1)機器人的控制與機構(gòu)運動學及動力學密切相關。機器人的狀態(tài)可以在各種坐 標下進行描述，應當根據(jù)需要，選擇不同的參考坐標系，并做適當?shù)淖鴺俗儞Q。經(jīng) 常要求解運動學的正問題和逆問題，除此之外還要考慮慣性力、外力及向心力的影 響。 2)一個簡單的機器人系統(tǒng)至少有3-5個自由度，比較復雜的機器人有十幾個自 由度。每個自由度一般需要包含一個伺服機構(gòu)，它們必須協(xié)調(diào)起來工作，組成一個 多變量的控制系統(tǒng)。 3)把多個伺服系統(tǒng)有機地協(xié)調(diào)起來，使其按照人的要求行動，甚至賦予機器人 一定的“智能”化，這個任務也只能由計算機完成。因此，機器人控制系統(tǒng)是一個 計算機控制系統(tǒng)。同時，計算機軟件擔負的任務很艱巨。目前也可以用三菱FX2N系 列的PLC進行控制。 4)一般情況下描述機器人狀態(tài)和運動的數(shù)學模型是一個非線性模型，隨著狀態(tài) 的不同和外力的變化，它的參數(shù)也隨之變化，各變量之間還存在耦合。因此，采用 閉環(huán)控制可以得到比較高的精度。考慮到本實驗的精度，步進電機就已經(jīng)可以保證， 故不需要引入閉環(huán)控制。 5)機器人的動作往往可以通過不同的方式和路徑來完成，因此存在一個“最優(yōu) 化”的問題。較高級的機器人可以用人工智能的方法，計算機建立龐大的信息庫， 借助信息庫進行控制、決策、管理來操作機器人的動作。根據(jù)傳感器和模式識別的 方法獲得對象及環(huán)境的工況工作情況，按照給定的指標和要求，自動地選擇最佳的 控制規(guī)律 [3 ]。 3.2 對機器人控制系統(tǒng)的一般要求 機器人控制系統(tǒng)是機器人的重要組成部分，用于對操作機的控制，以完成特定 的工作任務，其基本功能如下： 記憶功能：存儲作業(yè)順序、運動路徑、運動方式、運動速度和與生產(chǎn)工藝有關 的信息。 與外圍設備聯(lián)系功能：輸入和輸出接口、通信接口、網(wǎng)絡接口、同步接口。 坐標設置功能：有關節(jié)、絕對、工具、用戶自定義四種坐標系。 人機接口：操作面板，由各種操作按鍵、狀態(tài)指示燈構(gòu)成，只完成基本功能操 作。 傳感器接口：位置檢測、視覺、觸覺、力覺等。 位置伺服功能：機器人多軸聯(lián)動、運動控制、速度和加速度控制、動態(tài)補償?shù)取?球面 SCARA 機器人總體及控制系統(tǒng)設計 8 故障診斷安全保護功能：運行時系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視、故障狀態(tài)下的安全保護和故障 自診斷 [4]。 3.3 機器人控制系統(tǒng)分類 程序控制系統(tǒng)：給每一個自由度施加一定規(guī)律的控制作用，機器人就可實現(xiàn)要 求的空間軌跡。 自適應控制系統(tǒng)：當外界條件變化時，為保證所要求的品質(zhì)或為了隨著經(jīng)驗的 積累而自行改善控制品質(zhì)，其過程是基于操作機的狀態(tài)和伺服誤差的觀察，再調(diào)整 非線性模型的參數(shù)，一直到誤差消失為止。這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)能隨時間和條件 自動改變。 人工智能系統(tǒng)：事先無法編制運動程序，而是要求在運動過程中根據(jù)所獲得的 周圍狀態(tài)信息，實時確定控制作用。 本課題中的球面機器人的控制就屬于第一種控制方案，程序控制系統(tǒng) [5]。 3.4 機器人的控制方式 ① 點位式：很多機器人要求能準確地控制末端執(zhí)行器的工作位置，而路徑卻 無關緊要。一般來說這種方式比較簡單，但是要達到2-3微米的定位精度也是相當 困難的。 ② 軌跡式：在弧焊、噴漆、切割等工作中，要求機器人末端執(zhí)行器按照示教 的軌跡和速度運動。其控制方式類似于控制原理中的跟蹤系統(tǒng)，可稱之為軌跡伺服 控制。 ③ 力（力矩）控制方式：在完成裝配、抓放物體等工作時，除要準確定位之 外，還要求使用適度的力或力矩進行工作，這時就要利用力（力矩）伺服方式。這 種方式的控制原理與位置伺服控制原理基本相同，只不過輸入量和反饋量不是位置 信號，而是力（力矩）信號，因此系統(tǒng)中必須有（力矩）傳感器。 ④ 智能控制方式。采用模糊控制理論和神經(jīng)網(wǎng)絡理論算法設計控制系統(tǒng) [6]。 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2011 9 4 球面 SCARA 機器人的控制系統(tǒng) 4.1 控制要求 機器人手臂動作的控制要求有兩種方式，一種是“正常運行”，另一種是“緊 急停止”。 a) 正常運行。正常運行方式的具體控制要求如下: （1）機器人手臂處于任意狀態(tài)時, 按下啟動按鈕控制系統(tǒng)才能開始工作, 按下復位按鈕機器人手臂進行復位動作，復位完成后復位指示燈會亮。 （2)對機器人手臂的3個電機進行正反轉(zhuǎn)控制, 這樣就可以達到頂針端部在 球形工件表面任意位置定位的目的。在此過程中, 設有感應式光電開關，它對機器 人手臂的運動加以限制或保護。 b) 緊急停止。關掉電源時, 系統(tǒng)便立即停止運動。 4.2 控制方案的確定 驅(qū)動方式一般有液壓驅(qū)動、氣動、電力驅(qū)動。目前電力驅(qū)動用的越來越多，應 用范圍也越廣。因為該機器人的驅(qū)動力矩不大, 運動速度和定位精度要求較高的特 點, 采用步進電機驅(qū)動。 步進電機尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單, 啟動、停止、正反轉(zhuǎn)的改 變可在較少數(shù)脈沖里完成, 具有精確位移、精確定位還沒有累積誤差等特點。第一 軸自由度θ 1和第二軸θ 2均采用步進電機驅(qū)動，第三自由度r是采用直線步進電機驅(qū) 動，使頂針可以沿半徑方向靠近球體 [2]。 4.3 器件的工作原理 4.3.1．步進電機 步進電機驅(qū)動系統(tǒng)主要用于開環(huán)位置控制系統(tǒng)。步進電機的優(yōu)點是控制較容易， 維修也較方便，而且控制為全數(shù)字化。另外體積小，具有較高的起動和運行頻 率，定位精度高，轉(zhuǎn)矩小也是步進電機的顯著特點。缺點：由于開環(huán)控制，所 以精度不高。外形圖 4-1，電氣圖 4-2 如下圖所示： 球面 SCARA 機器人總體及控制系統(tǒng)設計 10 圖 4-1 步進電機外形圖 圖 4-2 二相八拍步進電機電氣圖 4.3.2．步進電機驅(qū)動器 步進電機驅(qū)動器主要由電源輸入部分、信號輸入部分、輸出部分等構(gòu)成。驅(qū)動 器的參數(shù)可以參照下列圖表所示： 表 4-1 電氣規(guī)格 說明 最小值 典型值 最大值 單位 供電電壓 18 24 40 V 均值輸出電流 0.21 1 1.50 A 邏輯輸入電流 6 15 30 mA 步進脈沖響應 頻率 — — 100 kHz 脈沖低電平時 間 5 — 1 μs 表 4-2 電流設定 電流值 SW1 SW2 SW3 0.21A OFF ON ON 0.42A ON OFF ON 0.63A OFF OFF ON 0.84A ON ON OFF 1.05A 0FF ON OFF 1.26A ON OFF OFF 1.50A OFF OFF OFF 表 4-3 細分設定 細分倍數(shù) 步數(shù)/圈（1.8 Ｏ 整 步） SW4 SW5 SW6 1 200 ON ON ON 2 400 OFF ON ON 4 800 ON OFF ON 1600 OFF OFF ON 3200 ON ON OFF 8 6400 OFF ON OFF 16 12800 OFF ON OFF 由外部確 定 動態(tài)改細分/禁止 工作 OFF OFF OFF 表 4-4 接線信號描述 信 號 功 能 PUL 脈沖信號：上升沿有效，每當脈沖由低變高時電機走 一步DIR 方向信號：用于改變電機轉(zhuǎn)向，TTL 平驅(qū)動 OPTO 光耦驅(qū)動電源 ENA 使能信號：禁止或允許驅(qū)動器工作，低電平禁止 GND 直流電源地 +V 直流電源正極，典型值+24V A+ 電機 A 相 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2011 11 A- 電機 A 相 B+ 電機 B 相 B- 電機 B 相 （5）PLC 控制器與步進電機驅(qū)動器連接的工作原理如下圖 4-3-3 所示： 驅(qū)動器電源由面板上電源模塊提供，注意正負極性，驅(qū)動器信號端采用+24V 供電，需加 1.5K 限流電阻（見圖 4-3 中 1.5K 電阻） 。驅(qū)動器輸入端為低電平有效， 在使用不同廠家的 PLC 產(chǎn)品配套此模型使用時，要選擇相應的輸出方式，或者加入 合適的電平轉(zhuǎn)換板進行電平轉(zhuǎn)換。 圖 4-3 步進電機驅(qū)動器工作原理圖 4.3.3．傳感器： (1)接近開關：接近開關有三根連接線（棕色、蘭色、黑色）棕色接電源的正 極、藍色接電源的負極、黑色為輸出信號，當與檔塊接近時輸出電平為低電平， 否則為高電平。與 PLC 之間的接線圖 4-4 如下，當傳感器動作時，輸出端對地接 通。PLC 內(nèi)部光耦與傳感器電源構(gòu)成回路時 PLC 信號輸入才有效。 球面 SCARA 機器人總體及控制系統(tǒng)設計 12 圖 4-4 接近開關與 PLC 的接線 (2)行程開關：當檔塊碰到開關時，常開點閉合。 4.3.4．PLC 控制器： 該機器人采用 FX-2N40MR 晶體管輸出型可編程控制器，可輸出脈沖到步進電機 驅(qū)動器，控制步進電機運行。PLC 的原理介紹可以參見第五章 [8]。 4.4 控制系統(tǒng)硬件和軟件的設計 4.4.1 控制系統(tǒng)硬件的設計： 控制系統(tǒng)由PLC 控制器、3個步進電機驅(qū)動器、3個步進電機、6個感應式接近開 關若干按鈕組成(圖4-5) 。PLC控制系統(tǒng)原理圖見圖4-8所示。 限位開關 1 限位開關 2 限位開關 3 限位開關 4 限位開關 5 現(xiàn)為開關 6 F X 2 N ︱ 40 M R 步進電機驅(qū) 動器 1 步進電機驅(qū) 動器 2 步進電機驅(qū) 動器 3 大臂 小臂 頂針 圖4-5 PLC控制示意圖 步進電機以及步進電機驅(qū)動器，感應式限位開關的原理在上一節(jié)都介紹過了。 根據(jù)控制系統(tǒng)的控制精度選定大臂電機的型號為75BF004。而且大臂電機經(jīng)機械部 分的校核滿足要求，所以可以使用。H0K7/10是小臂的自鎖電機，考慮到自鎖電機 的一些優(yōu)點，以及第三自由度的重力，H0K7/10經(jīng)校核也滿足要求。第三自由度需 要的是直線移動，根據(jù)移動的距離選定43000size17系列的直線步進電機，該電機 的螺桿長大于需要的移動距離，步長小于控制要求的精度，所以這個電機也滿足要 求。 PLC的外部接線圖可以參照以前學過的書中講過的知識連接。并且，根據(jù)FX2N- 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2011 13 40MR的外形圖，連接各端子的電線 [2]。 4.4.2 控制系統(tǒng)軟件的設計 a) PLC的選型: 輸入元件包括電機工作按鈕11個、用于檢測的限位開關6個， 總計17 個； 輸出元件包括控制步進電機運行的接觸器線圈和指示燈共7個。主機 型號為: 三菱FX2N-40MR。主機輸出方式為晶體管輸出, 具有高速運算能力、還可 以進行PID調(diào)節(jié)功能、同時可以輸出兩路脈沖控制兩臺電機的優(yōu)點。具有: 超高的 運算速度, 50%小型化設計, 程序容量為內(nèi)置8K STEP RAM, 最大可擴展模塊進行擴 展。輸入和輸出點數(shù)分別各為24 和16,輸入輸出點數(shù)總數(shù)為40。而且已經(jīng)考慮了以 后的擴展模塊，預留10%～20%的預留量。FX2N型的PLC面板外形如圖4-7所示。 b) I/O點的端子分配: 該球面機器人采用的日本三菱公司的FX2N系列PLC為控 制器, PLC是一種按預先設定的程序進行外部設備控制的自動化裝置。FX2N-40MR的 外觀端子布局圖如下圖4-7所示。表4-5還列出了這次變編寫程序的端子分配。 c) 程序流程圖: 機器人PLC 控制程序編寫所依據(jù)的流程圖4-4-5所示，程序框 架中不僅包含了初始化條件，回原位的程序，還有手動自動的程序，其中回原位程 序和自動程序用SFC步進指令編寫的，簡單方便明了。 d) 部分PLC程序: 機器人初始化PLC程序見下圖4-4-6。由于篇幅只該給出了初 始化的PLC程序，其他的可以詳見程序說明書 [1] [2]。 圖4-6控制系統(tǒng)接線圖 球面 SCARA 機器人總體及控制系統(tǒng)設計 14 輸 入 端 子 輸 入 信 號 燈 輸 出 端 子 輸 出 信 號 燈 編 程 電 纜 運 行 開 關 電 源 指 示 燈 運 行 指 示 燈 電 池 指 示 燈 出 錯 指 示 燈 擴 展 端 口 鋰 電 池 圖4-7FX2N型PLC面板外形 圖4-8 FX2N-40MR端子外形圖 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2011 15 表 4-5 FX2N-40MR I/O 端子分配表 啟動 X0 大臂正轉(zhuǎn) Y0 大臂左限位 X1 大臂反轉(zhuǎn) Y1 大臂右限位 X2 小臂正轉(zhuǎn) Y2 小臂上限位 X3 小臂反轉(zhuǎn) Y3 小臂下限位 X4 頂針前進 Y4 頂針前進限位 X5 頂針后退 Y5 頂針后退限位 X6 大臂制動 Y10 手動 / 自動切換 X7 小臂制動 Y11 大臂正轉(zhuǎn) X10 頂針制動 Y12 大臂反轉(zhuǎn) X11 原位指示 Y13 小臂正轉(zhuǎn) X12 小臂反轉(zhuǎn) X13 頂針前進 X14 頂針后退 X15 停止按鈕 X16 回原位 X17 球面 SCARA 機器人總體及控制系統(tǒng)設計 16 X0 X7 X7 X6X3X1 X17 回原點程序 Y13 CJ P0 手動單步操作程序 CJ P1 自動程序 END 圖4-9 總程序框架圖 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2011 17 圖4-10 初始化程序 球面 SCARA 機器人總體及控制系統(tǒng)設計 18 5 PLC 簡介 在自動化控制領域，PLC 是一種重要的控制設備。目前，世界上有好多廠家生 產(chǎn)品種齊全的 PLC 產(chǎn)品，PLC 廣泛應用在汽車、糧食加工、化學/制藥、金屬/礦山、 紙漿/造紙等行業(yè)。 5.1 PLC的發(fā)展歷程 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關量順序控制，它按照邏輯條件進行順序動作， 并按照邏輯關系進行連鎖保護動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這 些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。 隨著個人計算機（簡稱PC）發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器 的功能特點，可編程序控制器定名為Programmable Logic Controller（PLC） 。 PLC 的定義有許多種。國際電工委員會（IEC）對 PLC 的定義是：可編程控制 器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程 序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算 等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過 程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P設備，都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易 于擴充其功能的原則設計。 上世紀 80 年代至 90 年代中期 PLC 在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機 接口能力和網(wǎng)絡能力得到大幅度提高，PLC 逐漸進入過程控制領域，在某些應用上 取代了在過程控制領域處于統(tǒng)治地位的 DCS 系統(tǒng)。 PLC具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡 單等特點。PLC在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預見的將來，是 無法取代的。 5.2 PLC的構(gòu)成 從結(jié)構(gòu)上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、 I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊 式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照 一定規(guī)則組合配置。PLC采用了典型的計算機結(jié)構(gòu)，主要是由CPU、存儲器、輸入輸 出、電源及其他外圍設備接口等部分構(gòu)成。PLC的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示： 5.3 CPU的構(gòu)成 CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套PLC 至少有一個CPU ，它按PLC 的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入 裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內(nèi)部電路 的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀 取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務產(chǎn)生相應的控制信號，去指揮有關的控制電 路。 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2011 19 CPU主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們的聯(lián)系數(shù)據(jù)、控制及總線構(gòu)成， 圖5-2 PLC基本結(jié)構(gòu)圖 CPU 單元還包括外圍芯片、總線接口及有關電路。內(nèi)存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)， 是 PLC 不可缺少的組成單元。 在使用者看來，不必要詳細分析 CPU 的內(nèi)部電路，但對各部分的工作機制還是 應有足夠的理解。CPU 的控制器控制 CPU 工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指 令。但工作節(jié)奏由震蕩信號控制。運算器用于進行數(shù)字或邏輯運算，在控制器指揮 下工作。寄存器參與運算，并存儲運算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。 CPU 速度和內(nèi)存容量是 PLC 的重要參數(shù)，它們決定著 PLC 的工作速度，IO 數(shù)量 及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。 5.4 I/O 模塊 PLC 與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O 模塊集成了 PLC 的 I/O 電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。 輸入模塊將電信號變換成數(shù)字信號進入 PLC 系統(tǒng)，輸出模塊相反。 開關量是指只有開和關（或 1 和 0）兩種狀態(tài)的信號，模擬量是指連續(xù)變化的 量。常用的 I/O 分類如下： 開關量：按電壓水平分，有 220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電 器隔離和晶體管隔離。 模擬量：按信號類型分，有電流型（4-20mA,0-20mA）、電壓型（0-10V,0- 5V,-10-10V）等，按精度分，有 12bit,14bit,16bit 等。 除了上述通用 IO 外，還有特殊 IO 模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。 按I/O點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管 理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。 5.5 電源模塊 PLC 電源用于為 PLC 各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電 路提供 24V 的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220VAC 或 110VAC），直流 電源（常用的為 24VAC）。 球面 SCARA 機器人總體及控制系統(tǒng)設計 20 5.6 PLC 系統(tǒng)的其它設備 1、編程設備：編程器是 PLC 開發(fā)應用、監(jiān)測運行、檢查維護不可缺少的器件， 用于編程、對系統(tǒng)作一些設定、監(jiān)控 PLC 及 PLC 所控制的系統(tǒng)的工作狀況，但它不 直接參與現(xiàn)場控制運行。小編程器 PLC 一般有手持型編程器，目前一般由計算機 （運行編程軟件）充當編程器。 2、人機界面：最簡單的人機界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏） 式的一體式操作員終端應用越來越廣泛，由計算機（運行組態(tài)軟件）充當人機界面 非常普及。 3、輸入輸出設備：用于永久性地存儲用戶數(shù)據(jù)，如 EPROM、EEPROM 寫入器、 條碼閱讀器，輸入模擬量的電位器，打印機等。 5.7 PLC 的通信聯(lián)網(wǎng) 依靠先進的工業(yè)網(wǎng)絡技術可以迅速有效地收集、傳送生產(chǎn)和管理數(shù)據(jù)。因此， 網(wǎng)絡在自動化系統(tǒng)集成工程中的重要性越來越顯著，甚至有人提出"網(wǎng)絡就是控制 器"的觀點說法。 PLC具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，它使PLC與PLC 之間、PLC與上位計算機以及其他智 能設備之間能夠交換信息，形成一個統(tǒng)一的整體，實現(xiàn)分散集中控制。多數(shù)PLC具 有RS-232接口，還有一些內(nèi)置有支持各自通信協(xié)議的接口。 對于一個自動化工程(特別是中大規(guī)?？刂葡到y(tǒng))來講，選擇網(wǎng)絡非常重要的。 首先，網(wǎng)絡必須是開放的，以方便不同設備的集成及未來系統(tǒng)規(guī)模的擴展；其次， 針對不同網(wǎng)絡層次的傳輸性能要求，選擇網(wǎng)絡的形式，這必須在較深入地了解該網(wǎng) 絡標準的協(xié)議、機制的前提下進行；再次，綜合考慮系統(tǒng)成本、設備兼容性、現(xiàn)場 環(huán)境適用性等具體問題，確定不同層次所使用的網(wǎng)絡標準 [11]。 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2011 21 6 結(jié)論 隨著機器人技術的發(fā)展，機器人應用領域的不斷擴大，對機器人的性能提出了 更高的要求，因此，如何有效地將其他領域（如圖像處理、聲音識別、最優(yōu)控制、 人工智能等）的研究成果應用到機器人控制系統(tǒng)的實時操作中，是一項富有挑戰(zhàn)性 的研究工作．而具有開放式結(jié)構(gòu)的模塊化、標準化機器人控制器的研究無疑對提高 機器人性能和自主能力、推動機器人技術的發(fā)展具有重大意義．機器人控制系統(tǒng)設 計完成后, 整個系統(tǒng)能夠滿足控制要求, 機器人運轉(zhuǎn)平穩(wěn) , 控制動作準確、可靠。 20世紀90年代以來，隨著計算機技術、微電子技術、網(wǎng)絡技術等快速發(fā)展，工業(yè)機 器人技術也得到了飛速發(fā)展?，F(xiàn)在工業(yè)機器人已發(fā)展成為一個龐大的家族，并與數(shù) 控（NC）、可編程控制器（PLC）一起成為工業(yè)自動化的三大技術支柱和基本手段， 廣泛應用于制造業(yè)的各個領域之中。工業(yè)機器人技術從機械本體、控制系統(tǒng)、傳感 系通行統(tǒng)，到可靠性、網(wǎng)絡通信功能的拓展等方面都取得了突破性的進展。 可以預見，在 21 世紀各種先進的機器人系統(tǒng)將會進入人類生產(chǎn)、生活的各個領 域，成為人類良好的助手和親密的伙伴。 球面 SCARA 機器人總體及控制系統(tǒng)設計 22 參考文獻 [1] 吳振彪.機電綜合設計指導[M].北京：中國人民大學出版社，2000． [2] 袁健.球面 SCARA 機器人控制系統(tǒng)的設計[J].機械制造與自動化，2009 ， （1）：160- 161． [3] 蔡自興.機器人學[M].北京：清華大學出版社，2000． [4] 霍偉.機器人動力學與控制[M].北京：高等教育出版社, 2004． [5] 王天然.機器人[M].北京：化學工業(yè)出版社，2002． [6] 孫迪生，王炎.機器人控制技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998． [7] 朱世強，王宣銀.機器人技術及其應用[M].杭州：浙江大學出版社, 2001． [8] 楊昌焜，金廣業(yè).可編程序控制器應用技術[M].北京：中國電力出版社，2003． [9] 張建民.機電一體化系統(tǒng)設計[M].北京：高等教育出版社，2001． [10] 葉偉昌.機械工程及自動化簡明設計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001． [11] 袁任光.可編程序控制器應用技術與實例[M].廣州：華南理工大學出版社，2003． [12] 韓敬禮.機械電氣設計簡明手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1995. 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[16] 王旭,王積森.機械設計課程設計.第 2 版[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008. 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2011 23 致 謝 畢業(yè)意味著一個人在一個階段學習生涯的結(jié)束，而畢業(yè)設計是對我們大學四年 所學知識的一次全面考驗，回顧這場畢業(yè)設計，我覺得他使我獲益良多。 通過這次畢業(yè)設計，是我得到了一次用專業(yè)知識、專業(yè)技能分析和解決問題的 全面鍛煉。不僅學到了更多的理論知識，擴展了知識面，提高了自己的實際操作能 力；而且學會了很多書本以外的實踐知識，尤其對 PLC 仿真軟件的學習使我學會如 何去學習新的知識，學會面對困難和挑戰(zhàn)。這次畢業(yè)設計使我真正體會到理論和實 踐相結(jié)合的重要性。 在此有無數(shù)的感謝！ 首先感謝袁健老師。我的畢業(yè)設計是在袁老師的耐心指導下多次修改后完成的。 在此，我對他的耐心指導和幫助表達我最真誠的謝意，感謝他在這幾個月來所付出 的努力。在這段時間里，我從他身上，不僅學到了許多的專業(yè)知識，更感受到了他 工作中的兢兢業(yè)業(yè)，生活中的平易近人的精神。此外，他的嚴謹治學態(tài)度和忘我的 工作精神值得我去學習。 同時，感謝四年來傳授我知識的老師們，更要感謝我的家人及朋友對我學業(yè)上 的支持和鼓勵，感謝所有關心、幫助過我的人。 還要感謝我的同學。當我在畢業(yè)設計過程中遇到問題和困難時，是他們給我提 出許多意見和建議，使我對整個畢業(yè)設計的思路有了總體的把握，并耐心的幫我解 決了許多實際問題，使我獲益良多。 總之，在以后的學習、工作、生活中我將更加努力，用自己的行動回報社會、 學校、老師及同學。 球面 SCARA 機器人總體及控制系統(tǒng)設計 24 附 錄 序號 圖名 圖號 圖幅 1 機器人裝配圖 JQR-00 A0 2 PLC 控制接線圖 JQR-01 A3 3 頂針移動件 JQR-00—01-02 A3 4 工件支承座 JQR-00-02-01 A3 5 底座 JQR-00—02-02 A2 6 軸承端蓋 JQR-00-02-06 A4 7 底座電機安裝板 JQR-00—02-10 A3 8 諧波減速器輸出軸 JQR-00-02-11 A4 9 從同步帶輪 JQR-00—03-04 A4 10 程序清單 附件一 11 程序設計說明書 附件二 12 PLC 仿真報告 附件三