SCARA機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì).pdf

五邑大學(xué)碩士學(xué)位論文I摘要機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛應(yīng)用目前工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)大多采用封閉結(jié)構(gòu)的專用控制器其通用性差生產(chǎn)成本高不易擴(kuò)展和維護(hù)已越來(lái)越不能適應(yīng)現(xiàn)代制造業(yè)柔性化網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)的需求開發(fā)利用現(xiàn)有資源的開放式機(jī)器人控制器以降低機(jī)器人成本使機(jī)器人像個(gè)人計(jì)算機(jī)一樣普及將成為機(jī)器人的一個(gè)重要方向本文基于工控機(jī)單片機(jī)和Windows2000操作系統(tǒng)以SCARA平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人為研究對(duì)象設(shè)計(jì)研制了高性能低成本開放式的控制器并設(shè)計(jì)制作了SCARA機(jī)器人樣機(jī)采用二級(jí)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了SCARA機(jī)器人控制器其中以工控機(jī)作為上位機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面軌跡規(guī)劃運(yùn)動(dòng)控制和狀態(tài)監(jiān)控等功能下位機(jī)采用STC89C51單片機(jī)控制系統(tǒng)通過PCL-731數(shù)字I/O卡與上位機(jī)通訊實(shí)現(xiàn)接收上位機(jī)指令驅(qū)動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)等功能建立了SCARA機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)模型SCARA機(jī)器人由六部分組成包括一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)各關(guān)節(jié)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)基于模塊化設(shè)計(jì)思想采用Pro/ENGINEER和AutoCAD完成了機(jī)器人本體的三維模型設(shè)計(jì)和二維圖設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)圖加工制作了主要機(jī)械部件完成了機(jī)器人本體的裝配和調(diào)試設(shè)計(jì)制作了STC89C51單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路完成了伺服驅(qū)動(dòng)器的主電路配線和機(jī)器人控制器的硬件電路配線采用C+Builder和匯編語(yǔ)言開發(fā)了控制器的上位機(jī)控制系統(tǒng)和下位機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了上位機(jī)與下位機(jī)的通訊協(xié)議和通訊模塊并對(duì)控制器的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)進(jìn)行了綜合調(diào)試完成了SCARA機(jī)器人的工作穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)和連續(xù)運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于工控機(jī)和Windows2000操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開放式SCARA機(jī)器人控制器具有通用性強(qiáng)開放性好操作簡(jiǎn)單易于擴(kuò)展維護(hù)方便等特點(diǎn)基于該控制器利用現(xiàn)有資源設(shè)計(jì)的SCARA機(jī)器人生產(chǎn)成本低功能擴(kuò)展性強(qiáng)具有良好的實(shí)用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景關(guān)鍵詞SCARA機(jī)器人開放式控制器工控機(jī)單片機(jī)I/O卡伺服電機(jī)SCARA機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)IIAbstractRobothasbeenwidelyusedinindustryproduction.Atpresent,mostoftheindustryrobotcontrolsystemsusecloseandspecialcontrollers,whicharelowuniversal,highcost,noteasytobeextendedandmaintained,andcantadapttotherequirementofflexibleandnetworkproductionofmodernmanufacturing.Itwillbeanimportantwayofrobottodevelopopenarchitecturerobotcontrollerbyusingexistingresourcetoreducethecostofrobotandmakerobotpopularizejustlikecomputer.ThepaperstudiesSCARArobot,designsandproducesakindofSCARArobotcontrollerthatisofhighperformance,lowcostandopen-architecturebasedonindustryPC,singlechipandWindows2000.ASCARArobotprototypemachineisdesignedandproduced.Therobotcontrollerisdesignedwiththestructureoftwolevelscomputersystem.Ontheonehand,IndustryPCisusedasmastertoofferhuman-computerinterface,markoutthetrack,controlthemovement,inspectandcontrolthestatus.Ontheotherhand,STC89C51singlechipcontrolsystemisusedasslavetocommunicatewiththemasterbyPCL-731digitalI/Ocard,receivetheinstructionsfrommastercomputeranddrivetherobotjointmoving.ThemodelofmechanicalstructureofSCARArobotisbuilt.SCARArobotisconsistedofsixparts,includesamovingjointandthreerotaryjoints.Allthejointsaredrovebyservomotors.Theauthordesigned3-dimensionmodelsand2-dimensiondrawsofSCARArobotsmanipulatorbyPro/ENGINEERandAutoCADbasedonmodeldesigningthinking.Themainmechanicalpartsofrobotarmsaremachinedandprocessedaccordingtothedraws,andtheassemblinganddebuggingofSCARArobotsmanipulatorhasbeenfinished.TheauthordesignedandproducedhardwarecircuitofSTC89C51singlechipcontrolsystem.Thewiringofservomotordriversmaincircuitandhardwarecircuitoftherobotcontrollerisfinished.TheauthordevelopedmaincomputercontrolsystemandslavecomputercontrolsystemofSCARArobotcontrollerbyC+Builderandcompilinglanguage.Thecommunicationprotocolandmodelsbetweenmainandslavecomputerarealsodesigned.Meanwhile,hardwaresystemandsoftwaresystemofthecontrollerare五邑大學(xué)碩士學(xué)位論文IIIsyntheticallydebugged.TheexperimentofSCARArobotsworkingstability,movingfrompointtopointandmovingcontinuousisfinished.TheresultsoftheexperimentindicatethattherobotcontrollerwithopenarchitecturebasedonindustryPCandWindows2000posestheadvantagesofgoodversatility,goodopenness,operatingsimply,expandingeasilyandmaintainingexpediently.TheSCARArobotdesignedbasedonthiscontrollerbyexistingresourcehaslowcost,powerfulexpansibilityoffunction,goodutilityvalueandwidemarketprospect.KeyWords:SCARARobot,OpenArchitecture,Controller,IndustryComputer,SingleChip,I/OCard,Servomotor五邑大學(xué)碩士學(xué)位論文1第一章緒論1.1工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展及研究現(xiàn)狀機(jī)器人自誕生之日起便顯示出其強(qiáng)大的生命力機(jī)器人首先在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用并給傳統(tǒng)工業(yè)帶來(lái)了質(zhì)的飛躍它不僅提高了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的自動(dòng)化程度提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率而且還推動(dòng)了以資源消耗低環(huán)境污染少為特征的新型工業(yè)的誕生隨著人類在機(jī)械工程電氣工程微電子技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)控制論傳感技術(shù)信息學(xué)聲學(xué)仿生學(xué)及人工智能等學(xué)科領(lǐng)域的飛速發(fā)展機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用也正在向農(nóng)業(yè)林業(yè)畜牧養(yǎng)殖海洋開發(fā)宇宙探索國(guó)防建設(shè)安全救濟(jì)生物醫(yī)學(xué)服務(wù)娛樂等新領(lǐng)域拓展開來(lái)并已取得顯著進(jìn)展機(jī)器人技術(shù)已成為高科技應(yīng)用領(lǐng)域中的重要組成部分1-15機(jī)器人主要有兩大類用于制造環(huán)境下的工業(yè)機(jī)器人和用于非制造環(huán)境下的服務(wù)機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人是一種對(duì)生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)條件具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性的柔性自動(dòng)化裝備它主要用于現(xiàn)代制造業(yè)中代替人們從事繁重重復(fù)單調(diào)環(huán)境惡劣危險(xiǎn)人做不了或做不好的工作從而減輕了人們的勞動(dòng)強(qiáng)度改善了勞動(dòng)環(huán)境并有效地提高了生產(chǎn)的自動(dòng)化程度提高了產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率工業(yè)機(jī)器人是柔性化制造系統(tǒng)FMS自動(dòng)化工廠FA和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS必不可少的自動(dòng)化工具它的發(fā)展和應(yīng)用情況已成為一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志9-151.1.1工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷程1954年美國(guó)的GeorgeDevol設(shè)計(jì)了第一臺(tái)可編程機(jī)器人取名為萬(wàn)能自動(dòng)UniversalAutomation該機(jī)器人自帶存儲(chǔ)器可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的再現(xiàn)運(yùn)動(dòng)1956年Devol和被譽(yù)為工業(yè)機(jī)器人之父的JosephF.EngelBerger成立了Unimation公司開始設(shè)計(jì)生產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人UNIMATE并于1960年研制出第一臺(tái)機(jī)器人樣機(jī)同時(shí)美國(guó)AMFAmericanMachineand