上下料機器人設計

1、上下料機器人設計摘要：主要介紹基于plc和機械結(jié)構(gòu)的針對于自動化機床和工業(yè)梁用的機械人。簡述了工業(yè)機械人的現(xiàn)狀的發(fā)展現(xiàn)狀及前景，及其主要的發(fā)展方向和用途。發(fā)達國家的使用經(jīng)驗表明：使用工業(yè)機器人可以降低廢品率和產(chǎn)品成本，提高了機床的利用率，降低了工人誤操作帶來的殘次零件風險等，其帶來的一系列效益也是十分明顯的，例如減少人工用量、減少機床損耗、加快技術(shù)創(chuàng)新速度、提高企業(yè)競爭力等關鍵詞：機床上下料，自動化，plc，工業(yè)機器人機器人的自平衡控制系統(tǒng)機器人的自平衡系統(tǒng)在各行各業(yè)具有廣泛的應用，而輪式移動自平衡機器人由于具有結(jié)構(gòu)簡單、可控性強、成本低等優(yōu)點，成為移動式機器人研究的一個主要方向。自平衡機器人

2、采用水平布置的兩輪結(jié)構(gòu)，本身是一個不穩(wěn)定體。也就是說，自平衡機器人在靜止狀態(tài)下，不能保持平衡，車體總是要向前或向后傾倒；而在運動狀態(tài)下，可以通過一定的控制策略使它達到動態(tài)平衡一 。由于自平衡系統(tǒng)具有內(nèi)在不穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)靈活性，國內(nèi)外機器人愛好者設計了多種結(jié)構(gòu)、外觀各異的自平衡機器人，嘗試采用各種控制策略使其達到自平衡控制。通常這類機器人采用姿態(tài)傳感器檢測機器人車體的傾倒角度和傾倒角速度，根據(jù)當前機器人姿態(tài)控制伺服電機驅(qū)動電壓的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，從而使機器人保持平衡。該方式制作的自平衡機器人雖然控制性能良好，但成本高，不適合廣泛推廣。本文設計的機器人嘗試采用紅外測距傳感器測量車體與地面的距離，通過計算獲

3、取機器人的姿態(tài)信息，進而實現(xiàn)機器人的自平衡 。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自平衡機器人系統(tǒng)主要由機械行走裝置、控制系統(tǒng)和傳感器3部分組成，機械行走裝置主要由車體平臺、電機驅(qū)動器、直流無刷電機、齒輪減速機構(gòu)和車輪組成。機器人采用48 V電池供電，通過DC-DC模塊轉(zhuǎn)換為5 V和24 V 電壓。其中，5 V提供給控制系統(tǒng)和傳感器，24 V提供給電機驅(qū)動器?？刂葡到y(tǒng)以ATmegal28單片機為主控制芯片，通過SJA1000擴展CAN總線與電機驅(qū)動器通信。紅外測距傳感器的輸出是與距離成正比的模擬電壓值，輸入到單片機的AD采樣端口進行處理從而得到距離信息。機器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。圖2 機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖姿態(tài)信息獲取

4、機器人的姿態(tài)信息包括傾倒的圖3所示，機器人左右兩側(cè)水平位置各安裝有1個紅外測距傳感器，可以測量與地面之間的距離d 和d 。當機器人在豎直狀態(tài)時，左右傳感器距離差為零。當機器人傾倒時，距離差與傾倒角度 成函數(shù)關系如下： 圖3 傳感器設置位置簡圖sin 0一(d2一d1)D其中，D為傳感器之問的距離。機器人在豎直動態(tài)控制時傾倒角度范圍較小，此時sin0-0，即可由傳感器的距離信息得到機器人的傾倒角度。角速度可以通過 對時間求導獲得。選用的紅外測距傳感器為Sharp公司的GP2D1 2，輸出為0424 V的模擬信號，對應的測量距離為1O80 cm。在同一溫度下，傳感器的輸出與測量結(jié)果呈良好的線性關系

5、，可以滿足自平衡機器人的要求。3 控制系統(tǒng)設計31 機器人平衡控制原理當車體偏離平衡位置(豎直位置)向前傾斜時，傳感器采集信息并傳送到單片機進行計算和判斷，車輪隨之作出響應向前運動，將車體向平衡位置調(diào)整；同樣當車體向后傾斜時，車輪將向后運動。這樣機器人一直處在傾斜判斷、運動調(diào)整的動態(tài)過程中，使車體始終保持在平衡位置附近，達到一種動態(tài)平衡。32 控制系統(tǒng)硬件設計控制系統(tǒng)主芯片選用Atmel公司基于RISC結(jié)構(gòu)的8位單片機ATmegal28。它采用低功耗CMOS工藝；具有豐富的片上資源，包括4個定時器、4 KB的數(shù)據(jù)SRAM、l28 KB的程序Flash、可外擴至64 KB的E PROM 和8個1

6、O位ADC通道；擁有UART、SPI、I。C、JTAG接口，方便外部擴展和傳感器的接入一 。321 傳感信息輸入電路傳感器信號通過放大器引入，通過設置反饋電阻(R1和R2)和輸出端電阻(R3和R4)的阻值可以使輸入的電壓值在要求的范圍內(nèi)。具體硬件電路如圖4所示。322 擴展CAN通信電路單片機與電機控制器采用CAN e2,線通信，CAN接口采用Philips公司的CAN 物理層和鏈路層接口芯片SJA1000和PCA82C250。單片機直接控制SJA1000的ADOAD7、ALE、INT引腳。SJA1000工作在Intel模式下，MODE腳接高電平，片選腳CS接地，始終處于選通狀態(tài)。擴展CAN通

7、信電路如圖5所示。單片機對SJA1000的操作主要是對寄存器的操作：一方面，對SJA1000的模式寄存器、命令寄存器、狀態(tài)寄存器、中斷寄存器、中斷允許寄存器、總線定時寄存器、輸出控制寄存器、時鐘分頻計數(shù)器進行設置和檢測；另一方面，對收發(fā)緩沖區(qū)進行讀寫，從而和CAN設備交換數(shù)據(jù)。圖5 擴展CAN通信電路 控制系統(tǒng)軟件設計自平衡機器人的控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)以下功能：傳感器信息處理和機器人姿態(tài)信息計算，電機控制PID算法實現(xiàn)和CAN 口的數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)控制流程如圖6所示。系統(tǒng)上電后從主函數(shù)開始執(zhí)行。主函數(shù)負責初始化控制器的io 口、CAN 口、控制周期定時器、AD轉(zhuǎn)換器、各個中斷接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)模塊等

8、。初始化完畢，控制周期定時器時間到后，傳感器信息輸入到AD轉(zhuǎn)換器中進行轉(zhuǎn)換，計算機器人的傾倒角度和傾倒角速度；然后調(diào)用PID自平衡機器人的控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)以下功能：傳感器信息處理和機器人姿態(tài)信息計算，電機控制PID算法實現(xiàn)和CAN 口的數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)控制流程如圖6所示。系統(tǒng)上電后從主函數(shù)開始執(zhí)行。主函數(shù)負責初始化控制器的io 口、CAN 口、控制周期定時器、AD轉(zhuǎn)換器、各個中斷接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)模塊等。初始化完畢，控制周期定時器時間到后，傳感器信息輸入到AD轉(zhuǎn)換器中進行轉(zhuǎn)換，計算機器人的傾倒角度和傾倒角速度；然后調(diào)用PID算法計算電機控制數(shù)據(jù)，并通過CAN 口輸出給電機驅(qū)動器。速度PID控制算

9、法機器人采用經(jīng)典的PID算法進行平衡控制?？刂葡到y(tǒng)采用典型的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)和前饋控制方法。速度環(huán)路設計有利于提高電機輸出速度精度。前饋控制主要是為了補償電機轉(zhuǎn)軸與車輪轉(zhuǎn)動軸以及傳動系統(tǒng)的間隙誤差，這些誤差是穩(wěn)定的、可以測量的。當電機在正反轉(zhuǎn)變換時，控制系統(tǒng)可以檢測到變換方向，經(jīng)過位置誤差環(huán)節(jié)調(diào)整后把確定的偏差補償量疊加到驅(qū)動主函數(shù)系統(tǒng)初始化CANH控制信號輸出到電機驅(qū)動器器輸出端。這樣電機轉(zhuǎn)動的角度在 圖6 系統(tǒng)控制流程原理基礎上增加了補償量，機械誤差得以修正。采用PID控制算法公式如下：“(忌)一 (忌一1)+ A“(是)Au(k)一KPP(愚)一e(k一1)+K1P( )+KdP(尼)一2

10、8(矗一1)+e(k一2)其中，“(憊)為當前調(diào)節(jié)器輸出量；“( 一1)為上一次調(diào)節(jié)器輸出量；Au(k)為當前控制增量； (愚)為當前控制誤差量；為比例系數(shù)；KI為積分系數(shù)；K 為微分系數(shù)。PID控制算法流程如圖7所示。圖中，e為調(diào)試過程中設定的誤差值。實 驗利用該控制方法，對原理樣機進行了多次實驗。實驗中，在機器人正上方水平位置安裝陀螺儀，以采集機器人的傾倒角度數(shù)據(jù)。實際測量角度信息隨時間變化的曲線如圖8所示。通過測得數(shù)據(jù)分析可以看到，機器人大致可以穩(wěn)定在0。附近，最大偏差為±2。 圖8 機器人角度變化曲線基于plc的控制系統(tǒng)的設計數(shù)控機床上、下料機器人是油缸自動生產(chǎn)線上的專用機器

11、人, 其要完成卸料和裝料動作, 并且要與數(shù)控機床、料架協(xié)調(diào), 實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。機器人為六自由度的關節(jié)式結(jié)構(gòu), 由液壓驅(qū)動, 運行平穩(wěn), 工作力矩大。通過限位開關、壓力繼電器采集信號, 再由PLC 控制液壓系統(tǒng)的電磁換向閥, 來控制機器人的動作和位置。由于可編程控制器具有抗干擾能力強、可靠性高、易于使用和維護等特點, 所以, 以PLC 為核心的這套控制系統(tǒng)運行非常穩(wěn)定。1 控制系統(tǒng)的硬件設計機器人的操作控制面板如圖1 所示。油泵電機的啟/ 停及外部負載電源的通/ 斷由總啟動按鈕和急停按鈕控制, 手動調(diào)整或自動運行兩種操作方式由轉(zhuǎn)換開關(SA1) 選擇。選擇自動方式時, 按下啟動按鈕, 機器人自動

12、運行一個周期后停下; 選擇手動方式時, 用轉(zhuǎn)換開關(SA2)選擇相應運動形式, 由啟動( 正向) / 停止( 反向) 按鈕分別控制其兩個方向的運動。機器人電氣系統(tǒng)采用限位開關(SQ1SQ8)作為位置檢測信號, 從而實現(xiàn)準確定位。為了保證抓取工件時, 手指達到足夠的夾緊力后才可運動,在夾緊油缸的液壓回路中安裝一壓力繼電器(SQ9), 作為壓力檢測信號。要保證機器人能準確地從料架上取到工件, 須有一料架位置正確檢測開關(SQ10)和有無工件檢測開關(SQ11)。系統(tǒng)的輸出信號分別接各油缸的電磁換向閥電磁鐵及原點指示燈。由于機器人為純開關量邏輯控制, 所需I/O 點數(shù)為21/12, 各I/O 設備名

13、稱及相應功能。系統(tǒng)的PLC 選用三菱公司生產(chǎn)的FXON40MR, 系統(tǒng)硬件接線圖如圖2 所示。為了保護PLC 輸出繼電器, 在電磁鐵的兩端各并聯(lián)一阻容吸收電路, 防止在感性負載斷開時產(chǎn)生很高的感應電動勢或浪涌電流對PLC 輸出點及內(nèi)部電源的沖擊。 機器人的開關設計機器人有手動和自動兩種工作方式, 由萬能轉(zhuǎn)換開關SA1 選擇。在手動操作方式下, 各種動作都是用按鈕控制來實現(xiàn), 其控制程序可單獨設計, 與自動工作方式控制程序相對獨立。因此總程序設計成兩段獨立的部分: 自動操作程序和手動操作程序。當選擇手動操作方式時, 輸入點X015 接通, 其常閉X016 常閉觸點閉合, 則跳過自動程序段。若選擇

14、自動操作方式, 則跳過手動程序, 執(zhí)行自動程序段。手動操作系統(tǒng)的設計手動操作主要用于檢修調(diào)整, 通過按鈕對機器人的每一步動作進行單獨控制。例如, 當選擇小臂伸/ 縮運動時, 按下啟動按鈕, 小臂伸出; 按下停止按鈕, 小臂縮回。其它動作以此類推。這樣, 其控制較簡單, 可按照一般繼電器控制系統(tǒng)的邏輯設計法來設計。為了安全起見, 程序中需要設置聯(lián)鎖保護。例如, 只有大臂豎立時小臂才能上/ 下擺動, 因此小臂上/ 下擺動用大臂上限條件作為聯(lián)鎖保護。還有小臂處于上限位時, 才允許大臂上/下擺動; 小臂伸出時料架不能轉(zhuǎn)位。另外, 由于大、小臂和手腕、手指的運動都采用雙線圈三位電磁閥控制, 兩個線圈不能

15、同時通電, 因此在其電路中設置互鎖環(huán)節(jié)。自動操作程序設計在正常運行時, 機器人處于自動操作方式。數(shù)控機床在加工零件時, 機器人大臂豎立、小臂伸出并處于水平、手腕橫移向右、手指松開, 即處于原始位置, 原點指示燈亮。加工完畢后, 按一下啟動按鈕SB1, 機器人動作順序為: 原始位置( 大臂豎立、小臂水平且縮回、手腕橫移向右、手指松開) 手指夾緊( 抓住卡盤上的工件) 手腕橫移向左( 從卡盤上卸下工件) 小臂上擺大臂下擺手指松開( 將工件放在料架上) 小臂縮回料架轉(zhuǎn)位小臂伸出手指夾緊( 抓住待加工的工件) 大臂上擺( 從料架上取走工件) 小臂下擺手腕橫移向右( 把工件裝到卡盤上) 手指松開( 原位

16、) 。機器人完成一個自動循環(huán)后處于原始位置, 然后數(shù)控機床開始加工。待加工完畢, 再按啟動按鈕, 機器人又重復上述動作。這是一個典型的按順序動作的步進控制系統(tǒng), 可用PLC 的步進指令編程。圖3 為機器人的自動操作程序的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。3 此系統(tǒng)的設計特點用可編程控制器設計的機器人電氣控制系統(tǒng), 線路簡單,系統(tǒng)的可靠性高, 功能強, 整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定、精確, 同時還可根據(jù)需要對其進行功能擴展。典型機器人的自用度極其結(jié)構(gòu)特點并聯(lián)機器人以其承載能力大、剛度大、精度高和適于在線控制等串聯(lián)機器人無法企及的優(yōu)點成為機器人學研究的熱點早期國內(nèi)外對并聯(lián)機器人的研究主要集中在6自由度和3自由度并聯(lián)機器人，但是在相

17、當多的場合，如飛行模擬器和并聯(lián)機床等等，需要的是多于3自由度而又不必用到復雜的6自由度，因此，4自由度并聯(lián)機器人的研究有著廣泛的應用前景目前，4自由度并聯(lián)機器人基本上采用的是非對稱結(jié)構(gòu)，非對稱結(jié)構(gòu)會導致非對稱的工作空間，從而使設計制造和任務規(guī)劃的復雜性增加Fang和Tsai提出了多種結(jié)構(gòu)對稱的4自由度并聯(lián)機器人機構(gòu)，這些機構(gòu)都是過約束的，采用傳統(tǒng)的機構(gòu)學理論不能夠正確計算這些機構(gòu)的自由度數(shù)目及性質(zhì)應用螺旋理論分析了多自由度并聯(lián)機器人機構(gòu)，所提出的方法不但能夠正確分析機構(gòu)的自由度數(shù)目，而且還可以確定各自由度的性質(zhì)，即各自由度所對應的運動特性，并為這種機構(gòu)的進一步分析研究和應用提供了理論基礎1 4

18、一RRCR并聯(lián)機器人機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點新型的4一RRCR是由4個結(jié)構(gòu)相同的支鏈分別連接動平臺和固定平臺而組成的，每條支鏈由3個轉(zhuǎn)動副R和1個圓柱副C所組成，并按RRCR的順序自固定平臺到動平臺依次串聯(lián)而成，如圖1所示圖1中，代表第i條支鏈的第J個運動副軸線的方向矢量，它們在空間方位上滿足s 平行s s 。位于同一平面上，sll和s3l平行，s2l和s4l平行，s Si4和s 5在機構(gòu)的運動過程中始終相交于0點，其中s3和s4分別表示圓柱副C的轉(zhuǎn)動副軸線的方向矢量和移動副軸線的方向矢量，s3和s4都與s 。垂直相交11 基于螺旋理論的機構(gòu)自由度分析螺旋$=(s；s0)由兩個矢量對偶組成，也可用PlU

19、cker坐標表示為$=(L，M ，N；P，Q，R)，(L，M ，N)和(P，Q，R)分別代表了矢量s和矢量s0這里，s代表空間一個矢量，稱為對偶矢量原部；s0=s0+hs表示了該矢量在空間的位置，其中s0= s0×s稱為對偶矢量的對偶部，是由原點至該空間矢量任一點的矢徑，h=s·s0(s·s)稱為螺旋的節(jié)距，是原點不變量當h=0時，螺旋退化為線矢量，當h=OO時，螺旋退化為自由矢量，也稱為偶量，其在空間只有方向而，并聯(lián)機器人沒有位置的概念機構(gòu)的所有運動副都可以用移動副和轉(zhuǎn)動副單獨表示或者組合而成，而移動副和轉(zhuǎn)動副則可分別用移動速度偶量和角速度線矢量來表示當兩螺旋$

20、和$ 滿足$ 。$ =0時，則稱$r為$的反螺旋，同樣$r亦為$ 的反螺旋，它們是互逆的其中“?！北硎緝蓚€螺旋作互易積對于運動螺旋來說，它的反螺旋為力螺旋，代表著該螺旋所受到的力約束對于一個空間 階螺旋系$ (k=1 ， 6， 個螺旋均線性無關)，對應有6一 階的反螺旋系$ (m=16一 )$ 和$ 之間應滿足$ 。$ =0 (1)當給定一個螺旋系以后，通過式(1)可求解出對應的反螺旋系當該反螺旋系代表著機器人運動平臺的約束力螺旋系時，動平臺的自由度數(shù)目為F = 6一C (2)式中，C代表約束力螺旋系的秩4一RRCR總共有4條結(jié)構(gòu)相同的支鏈，每條支鏈由5個運動副組成為研究方便，支鏈的運動螺旋系

21、用矩陣Ti=$ 表示與支鏈i的運動螺旋系對應的反螺旋為約束力螺旋，用$ 表示因此，運動平臺受到的約束力螺旋系用矩陣W =$ l$r2$r3$l4表示通過建立各支鏈的 ，可由式(1)求得對應的$ 進而得到w計算C=Rank(W)，由式(2)便可得到動平臺的F機器人運動螺旋系的建立建立如圖1所示的坐標系，其中坐標原點ol在$ll的軸線上， 軸和Y軸在基平面上， 軸與sll位于同一直線方向上，O點坐標為(z，Y， )，矢量，代表矢量OO首先建立支鏈1各運動副所組成的運動螺旋系$tj=(sl ；，l ×sl )這里，(LIj，Ml ，NIj)和 (PIj，Ql ，RlJ)分別表示運動螺旋系$

22、lj的軸線方向矢量和軸線線矩矢量；$11過原點，因此rll：0；s12與sl3垂直相交，因此兩矢量的點積為零；$13和s15均過0點，因此rl3=rl5=r同理可以建立其余3個支鏈的運動螺旋系如下：支鏈2($2j ) $21=(0，1，0；0，0，R21)；$22=(0，1，0；P22，0，R22)；$23=(L23，0，N23；yN23，zL23，一 23)；$24：(0，0，0；P24，0，R24)；$25=(L25，M25，N25； 25一zM25，zL25一xN25，xM25一 25)支鏈3($3j) $31=(1，0，0；0，0，R31)；$32=(1，0，0；0，Q32，R32)；

23、$33：(0，M33，N33；sN33，xN33)；$34=(0，0，0；0，Q34，R34)；$35=(L35，M3s，N35；yN35-zm35，zL35一xN35， 5一止35)支鏈4($4j) $41=(0，1，0；0，0，R41)；$42=(0，1，0；P42，0，R42)；$43=(L43，0，N43；SN43，-xN43+43，-43)；$44：(0，0，0；P44，0，R44)；$45=(L45，M45，N45；yN45-45， 45一xN4545)13 4一RRCR并聯(lián)機器人反螺旋系的建立給定一個螺旋系，其反螺旋都可以由式(1)計算得到根據(jù)所建立支鏈的 ，由式(1)便可得到對

24、應的$ 令$ =(s ；s )=(s r ×s +h ri$ )=(L M N ；P Q R )取支鏈1的T1，將其坐標代人式(1)中，得可以看出，式(8)的系數(shù)矩陣為組成支鏈1的運動螺旋系坐標組合，該系數(shù)矩陣的秩為5，從而可知支鏈1的運動螺旋系之間是彼此線性無關的因此，由線性代數(shù)的理論可知，式(8)解出的基礎解系為，任一個都可以表示為$ 】：t$ ，(t=1，2，3)同理，分別代入支鏈2、支鏈3、支鏈4的運動螺旋系坐標，可以得到4個支鏈的力螺旋基礎解系：$b= (1，0，0；0，2，一 )，$b2=(0，1，0；一2，0， )，$b3=(1，0，0；0，2，一 )，$b4=(0，1

25、，0；一2，0，z)對上述力螺旋進行分析，可以得出以下結(jié)論：(1)所有的力螺旋的軸線矢量與所選坐標參數(shù)無關，軸線矢量的第3項代表螺旋軸線與 軸的方向余弦，因為都為0，即均與2軸垂直，都平行于 平面；(2)因為s 與 的點積均為0，故所有的力螺旋均為線矢量，因此h =0；(3)因為所有力螺旋均滿足r× f=s0 故均過點O(z，y，2)；(4)反螺旋系W 的C=2，這也可以從螺旋理論得到，因為對于任意平面匯交的線矢量，其最大線性無關數(shù)為2因此，根據(jù)式(2)，可以得到動平臺的運動自由度數(shù)目為414 動平臺自由度性質(zhì)分析自由度的性質(zhì)，即該自由度的種類(如轉(zhuǎn)動自由度、移動自由度等等)及其進一

26、步的描述(如轉(zhuǎn)動自由度的轉(zhuǎn)軸描述、移動自由度的移動軸描述等等)如前所述，互為反螺旋的兩個螺旋分別代表物體的運動螺旋和力螺旋，則互易積就是力螺旋對運動螺旋所作的功互易積為零，則力螺旋對運動螺旋作的功為零，此力螺旋必為物體的約束反力因此，反螺旋反映了物體被約束的運動和物體為約束所允許的運動，這樣，通過對反螺旋的分析就可以知道運動平臺的哪些運動為約束所允許，哪些運動受到約束(1)平動自由度的分析從上面對動平臺的力螺旋分析可知，動平臺上所受到的4個力螺旋、$r2、$r3和$ 在同一個與靜平臺平行的平面上，并且相交于O點對于動平臺沿2軸的移動，因為與xy平面正交，即力螺旋與沿2軸移動的運動螺旋是相互垂直

27、的，做功為零，因此這個方向的移動是為力螺旋約束所允許的而沿平行xy平面的平動均可以分解為沿相互正交的力螺旋$rl，$r2方向，此時力螺旋對這類移動做功不為零，這些運動都將被力螺旋所約束掉，即動平臺沒有沿平行xy平面的平動自由度(2)轉(zhuǎn)動自由度的分析 因為螺旋之間線性相關與否與坐標系的選擇無關n，因此移動坐標系到如圖2所示的坐標系此時$ 1=(S r1；s Ul )=(1，0，0；0，0，0)，$r2=(sr2；so2)=(0，1，0；0，0，0)假設空間任一線矢量$ ：(Sz；r ×S )=(L ，M ，N ，P ，Q。，R )為動平臺的某一個轉(zhuǎn)動軸的線矢量，且該轉(zhuǎn)動是為力螺旋約束所

28、允許的動平臺繞軸線$ 轉(zhuǎn)動時，動平臺上過原點沿s 1和sr2直線方向上所有點的任何位移被約束，即對于$ ，如果r ×S -$rl0或者r ×S ·St20，那么這個轉(zhuǎn)動是被約束的因此，對于空間任一能夠為力螺旋約束所允許的轉(zhuǎn)動軸線$ ，必將滿足r ×S ·S r1=0， r ×Sz·Sr2：0 (9)同時，由于$ 為線矢量，故有s： r：×s：=L：P：+M：Qz+N：R：=0，代人各自的坐標計算可得P =0， Q =0， N R =0 (10)機器人的機械結(jié)構(gòu)設計機器人的工作任務要求工作任務要求該機器人在同一平面內(nèi)

29、的三個矩形區(qū)域內(nèi)(如圖l所示)的任意位置可拿起和放下物體。標準物體為 OII衄，高100mm的圓柱體，在平面上立式放置，材料為45鋼。機器人的結(jié)構(gòu)型式任務要求該機器人在 個固定平面的三個區(qū)域內(nèi)拿起和放置物體，所以，可采用水平關節(jié)式機器人。有大、小兩個臂，腰和肘此，這兩個自由度要隨時控制。為了方便，采用自身帶有減速器的伺服電機驅(qū)動；而手爪夾蘩松開和上下移動這兩個自由度，則可由開關量控翹，采用氣缸驅(qū)動?？紤]到三個可達區(qū)域具有一定的對稱性并且三個區(qū)域的尺寸相同。故將對稱中心0點作為腰轉(zhuǎn)中心。因此，可初步確定該機器人的結(jié)構(gòu)型式，如圖2所示。臂長的確定大臂和小臂的長度L1 和L2 是兩個關鍵尺寸。合理的

30、取值會降低機器人的轉(zhuǎn)動慣量從而提高機器人的回轉(zhuǎn)速度，節(jié)約能量消耗，又使機器人外形美觀、勻稱。臂長的確定，可以采用優(yōu)化設計方法。確定優(yōu)化目標(如能量消耗最小、回轉(zhuǎn)角之和最小等)后，以臂長L1 和L2 為設計變量，再確定并建立約束函數(shù)，就可以采用合適的優(yōu)化設計方法進行優(yōu)化設計。在目標函數(shù)取得最小值的同時，得到設計變量I和 的最優(yōu)化值。關于該機器人臂長的優(yōu)化設計，本文作者有另文敘述，在此不再贅述。本文采用的則是一種比較實際的方法，即先由經(jīng)驗和任務要求選取合理尺寸，再進行驗證，如果三個區(qū)域的任意位置都可到達，就取定該尺寸；不滿足則進行適當修改，再進行驗證 這實際上是一種經(jīng)驗設計法。經(jīng)驗設計法最大優(yōu)點最

31、選取的尺寸往疰比較切合實際，不至于有太大的偏離。某一可達區(qū)域的角點A是最遠點OA=兩個臂都不能短于500mm2=250mm即1060mm> ，k >250ram。另外當機器人末端達到最遠點時機器人的肘關節(jié)應基本上處在180角，為了保證有一定的回旋余地，可比l8 略小，即L十 OA=IWoOrm-n。從節(jié)約能耗方面考慮，應使大臂短于小臂，而從任務要求來看，兩臂長度應比較接近才合理，故初步取定L ：500ram，L2=600rrma。經(jīng)過編制計算機程序并上機驗證，結(jié)果證明該長度值能保證機器人末端達到三個區(qū)域的任意位置。手爪的結(jié)構(gòu)形式及關鍵尺寸計算為使手爪的結(jié)構(gòu)簡單實用，又能獲得較大的夾

32、持力，因而采用了如圖3所示的雙支點結(jié)構(gòu)形式。兩半手爪的回轉(zhuǎn)中心的距離與被夾持物體的回轉(zhuǎn)直徑相等。從結(jié)構(gòu)上顯然可以看出，當 O0 o2=90時，氣缸的力傳遞最好，此時在手爪上獲得最大的轉(zhuǎn)矩M=F·I1：M ·L2。l2的長度要盡可能短，為給被夾物體留出足夠的空間和滿足回轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)尺寸要求，取 =7Onmi，I1=40mmI3的取值主要受0角的限制，當0角接近90時R從N轉(zhuǎn)化面來的力量最大，此時b為25rm'n。但這是極限值，考慮到實際結(jié)構(gòu)，取I3=30nnn被夾物體的質(zhì)量m=4 x x100x 7、81000=153kg、B=mtetg43arc*in2550=831

33、3。取摩擦系數(shù)f=O1假設手爪夾持物體后，向上移動的最大加速度mn =5r s2，則可以列出如下公式。rm(G+m )2Nr·f最后，將各有關值代人計算出得46.79n該機器人及手爪在結(jié)構(gòu)上主要有以下特點：腰部回轉(zhuǎn)電機及減速器采用了倒置的形式，減小了其在鉛垂方向的高度，又合理利用了腰部下面的空問；大臂及小臂值得注意的是，我們似乎在這里看到把摹同控制器處理帶有微分環(huán)節(jié)的系統(tǒng)，而該環(huán)節(jié)具有超前相位特性；實際上，由。z<0，He(s)仍是一個滯后環(huán)節(jié)，這可以l田它的Bode圖看出而出現(xiàn)s和s2的項只是數(shù)學上的近似結(jié)果主要用來研究采樣頻率附近及采樣頻率以下的系統(tǒng)特性。4 整單周控瓤丘克

34、變換器將控制器環(huán)節(jié)加入丘克電路的小信號流圖，便能得到完整的單周控制丘克變換器的小信號模型(圉6)。通過類似的模型，可以艇釋系統(tǒng)的諧渡現(xiàn)象見3，而且，使高頻段理論更加接近實驗結(jié)果。圖7是對應的頻率響應。可以看出，單周控制的丘克電路具有很好的穩(wěn)定性能。) 的截面都采用了倒u字形的結(jié)構(gòu)，在下面又增加了一個較薄的蓋板便于維護，又減輕了臂部的重量； 手爪與小臂末端的連接采用了上凸的蓋板形式。整個手爪可以從下面取出和裝入，便于手爪的快速更換； 換上不同的手爪后，可以完成其它的工作任務，因此，該機器人具有一定的通用性 碼垛機器人分布式控制結(jié)構(gòu)微型計算機需要完成各種運算，如軌跡控制的插補運算、坐標變換和伺服系

35、統(tǒng)中補償量的計算等。這里包括了矩陣、三角函數(shù)等大量的實時計算，通常需在515ms內(nèi)完成，要在一臺微型計算機上實現(xiàn)是困難的。除了在算法、軟件編制上注意采取減少運算時間的措施外，在控制方式上，將計算分散于多臺微處理器上進行。因此在結(jié)構(gòu)上采用分布式結(jié)構(gòu)的兩級微型計算機控制系統(tǒng)，如圖1所示第一級為主控計算機(1 主CPU)它負責系統(tǒng)的監(jiān)控和作業(yè)管理。主要完成系統(tǒng)控制操作臺與示教盒控制，顯示服務，坐標轉(zhuǎn)換，提前點計算插補計算，自動加減速計算，系統(tǒng)自診斷，IO控制，機器人語言編譯等任務。l 主CPU 根據(jù)操作者的命令和動作程序語句的要求進行軌跡規(guī)劃、插補運算及坐標變換，計算出各軸電機的位置設定值序列。同時

36、它還要接收并根據(jù)下一級的反饋信號和外傳感器的信號判斷任務的執(zhí)行情況和環(huán)境狀態(tài)，然后向下一級各關節(jié)位置伺服系統(tǒng)傳送一次與設定點相應的位置更新值，實現(xiàn)對各關節(jié)運動的協(xié)調(diào)和控制作用第二級為伺服控制計算機及交流伺服驅(qū)動裝置，主要負責機器人運動控制。各從計算機根據(jù)主控計算機送來的各關節(jié)位置指令，進行關節(jié)插補，得到新的關節(jié)量。同時，不斷地讀取各軸編碼器的脈沖量，計算機器人的現(xiàn)行位置。并用軟件方法與給定位置進行比較，對偏差進行PID調(diào)節(jié)。伺服控制計算機實現(xiàn)對各關節(jié)的數(shù)字位置伺服控制，其輸出經(jīng)DA變換后，作為交流伺服驅(qū)動裝置的速度設定值控制機器人本體運行。兩級計算機的通訊，由程序控制兩級計算機之間的并行口，實

37、現(xiàn)兩級間的通訊。各從計算機用中斷方式向主控計算機報告各關節(jié)當前位置，主控計算機用查詢方式判明各關節(jié)是否完成要求的位置伺服值，然后再向各從計算機送出各關節(jié)新位置的設定數(shù)據(jù)及其它數(shù)據(jù)。碼垛機器人控制器功能機器人在運動的時候，有許多外來干擾作用在機器人的各個關節(jié)處，例如由離心力、哥式力、重力等帶來的干擾力矩和干擾力。另外，圍繞關節(jié)軸的慣性力矩的大小也隨時間而變化。由于存在這些外來干擾，如果還是采用固定模式的和缺乏抗干擾能力的伺服控制系統(tǒng)的話，那么機器人系統(tǒng)就很難產(chǎn)生高速和高精度的動態(tài)響應。為了適應時刻變化的對象，必須使伺服系統(tǒng)的動作具有某種柔性，這種柔性是通過計算機程序來實現(xiàn)的，故稱為軟伺服(sof

38、tware servo)。軟伺服的基本原理是采用反饋控制和采樣控制方式。在某一時刻，采集機器人的位置與速度等信息，然后對這些信息進行運算處理，在下一時刻輸出運算處理結(jié)果。碼垛機器人系統(tǒng)的功能框圖如圖2所示，其中虛線框內(nèi)的內(nèi)容表示機器人控制器應具備的功能。 軟伺服的實現(xiàn)方法作業(yè)點示教通過示教盒對機器人的位置進行示教。它把示教的整個動作序列和軌跡點位置數(shù)據(jù)存人存儲器，并以程序形式記憶下來。工作時執(zhí)行上與機器人控制器以串行通信方式進行信息交互。軌跡生成為了生成機器人的運動軌跡，在軌跡生成這一部分中求出在某一時刻，安裝在機器人各關節(jié)處電機的旋轉(zhuǎn)角度、速度和加速度等目標值。碼垛機器人運動軌跡的生成原理如

39、圖3所示。在圖中把計算方法分成為軌跡計算法1和軌跡計算法2_2。a軌跡計算法1。圖3中的輸入q (位置、速度、時間)是對作業(yè)點示教中用機器人語言描述的機器人動作進行解釋的結(jié)果，包括用作業(yè)環(huán)境直角坐標(絕對坐標系)表示的目標位置，和向目標位置靠近的理想速度，以及接近目標的跟蹤類型(CP型或PTP型)等。把輸入q 從絕對坐標系變換為機器人本身的坐標系(基座坐標系)的各分量X ，y ，Z ，接著求出用基座坐標系表示的隨時間變化的軌跡。即根據(jù)機器人語言形式給出的指令速度以及當前位置到目標位置的距離，求出每一時刻的控制量，形成圖2中所示的時間序列數(shù)據(jù)。b軌跡計算法2。這一部分主要進行各種數(shù)據(jù)的變換。在加

40、速和減速時的速度變化曲線的基礎上，把每一個采樣時間7 時刻機器人的位置設定值、速度和加速度的時間序列數(shù)據(jù)變換為安裝在機器人各關節(jié)處電機的旋轉(zhuǎn)角。旋轉(zhuǎn)角速度和旋轉(zhuǎn)角加速度，即進行坐標的逆變換，求逆運動學反解。一般來說，機器人的機械系統(tǒng)存在2O50Hz的固有振動頻率(= )，為了避免與機器人的機械系統(tǒng)產(chǎn)生共振，采樣時問問隔Tn <Tm10，這樣應在15ms范圍之內(nèi)。但是，在必須考慮硬件成本的前提下，在15ms的時間內(nèi)，完成浮點運算的坐標逆變換和伺服處理是不大可能的。所以還需要利用插補運算方法，進行配合來解決與運算速度之間存在的矛盾。即對采樣時問間隔Ts的相鄰兩點之間的軌跡再進行一次分割，把這

41、相鄰兩點之間的軌跡分成若干個點，然后用軌跡計算法2求每一個點的目標值，使得機器人的運動在這兩點之間是平滑的，從而使機器人以適當?shù)乃俣群图铀俣妊刂交奈恢们€軌跡進行移動。上述的運算都是用浮點運算法在各從CPU 中進行的。伺服控制把軌跡生成部分輸出的控制量作為指令值，再把這個指令值與位置等傳感器送來的信號由各從CPU進行比較，用比較后的指令值，控制各伺服電機轉(zhuǎn)動，其中應用了軟伺服。在軟伺服中，對位置與速度的控制是同時進行的。伺服控制部分接受通過插補運算得到的各種目標值，遵循一定的原則，形成控制電機的電流指令值。在這個過程中必須對當前的各個關節(jié)轉(zhuǎn)動的角度值和角速度值進行檢測。用軟件方法對設定的目

42、標值和從碼盤采集的當前位置反饋信號進行比較，對偏差進行PID調(diào)節(jié)，得到的控制量經(jīng)DA轉(zhuǎn)換和初級放大后，作為各關節(jié)交流伺服驅(qū)動裝置的速度設定，再將速度設定值與速度反饋值比較，送至速度調(diào)節(jié)器，同樣將得到的控制量送到電流環(huán)。角度值可用編碼器等位置傳感器進行檢測。角速度值用安裝在機器人各個關節(jié)電機上的測速發(fā)電機等速度傳感器進行檢測，也可通過對位置傳感器檢測到的信號進行微分運算求出角速度值。伺服控制部分的各種運算在15ms的采樣時問問隔內(nèi)完成，仍是有困難的，故還需進行插補運算來配合，然后對各個關節(jié)進行控制。34 電流控制電流控制方塊接受從伺服系統(tǒng)來的電流指令，對實際流過電機的電流值進行檢測和監(jiān)控流經(jīng)電機

43、的電流大小，保證電機按照來自伺服控制部分的電流指令值進行旋轉(zhuǎn)運動，檢測和監(jiān)控一般都采用模擬方式。碼垛機器人的四個關節(jié)都是使用交流伺服電動機驅(qū)動，其交流伺服驅(qū)動裝置有模擬量的速度調(diào)節(jié)器、帶有脈寬調(diào)制(PWM)控制的電流調(diào)節(jié)器構(gòu)成反饋控制的內(nèi)環(huán)數(shù)字位置調(diào)節(jié)器為外環(huán)組成，如圖4虛線框內(nèi)部分。碼垛機器人每次作業(yè)前先要整體回零，以校準各關節(jié)的零位，作為軌跡規(guī)劃及控制的基準。針對碼垛機器人的回零特點及通訊方式，伺服控制又分零位、位置和終點伺服3種。零位伺服：碼垛機器人的回零動作是串行的。當某關節(jié)回零完畢而其它關節(jié)尚未回零、或都已回零完畢而等待主控計算機傳送位置設定值時，則運行零位伺服程序；位置伺服：位置伺

44、服計算機接受主控計算機傳來的位置設定值后，則運行位置伺服程序。對每一點位置的設定值，伺服3個采樣周期，每個伺服有4個點向主控汁算機報告一次當前位置。當一次傳送的所有設定值都伺服完時，向主控計算機報告并轉(zhuǎn)去執(zhí)行終點伺服程序；終點伺服是當前位置伺服完成最后一點的伺服計算后，將這一點的設定值保存起來，并以這個值進行隨后的伺服動作。碼垛機器人采用工業(yè)控制計算機作為主控計算機，伺服系統(tǒng)采用8952單片機。實現(xiàn)了PID控制算法，接收、處理多種信號，形成所需的控制指令，達到由主控計算機協(xié)調(diào)各關節(jié)的運動，準確地跟蹤軌跡規(guī)劃所給定的空間軌跡，使速度完全可控，避免出現(xiàn)死區(qū)。本控制系統(tǒng)的控制算法正確、可行。多傳感器

45、上下料機器人的控制系統(tǒng)設計在現(xiàn)代化生產(chǎn)線上的多傳感器空瓶檢測機器人，負責對進行灌裝前的空瓶質(zhì)量進行檢測。由于是在線檢測，對檢測速度有很高的要求，需要控制多個不同的傳感器，所以對控制系統(tǒng)性能提出了很高的要求。根據(jù)以上分析，本文提出了一種由工控機進行上層監(jiān)控和通訊，PLC進行底層控制的控制系統(tǒng)來完成多傳感器檢測機器人的控制任務。1 控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1。檢測機器人的運行狀態(tài)分為調(diào)試狀態(tài)和正常工作狀態(tài)。檢測機器人處于正常工作狀態(tài)時，控制系統(tǒng)的工作流程為PLC通過光電傳感器和編碼器獲取檢測對象的精確位置，當檢測對象到達檢測位時，通知圖像采集系統(tǒng)啟動CCD攝像機對其進行拍攝。將拍攝的圖

46、像數(shù)據(jù)傳輸給專門的信息處理系統(tǒng)去處理。得出空瓶質(zhì)量是否合格的結(jié)果后通知PLC。PLc再控制擊出器在不合格產(chǎn)品到達擊出位置時將其擊出。在調(diào)試運行狀態(tài)時，系統(tǒng)能在主控計算機的監(jiān)督下，按要求分別對各個光電傳感器，圖像采集子系統(tǒng)，擊出器等進行靜態(tài)的調(diào)試，以使各個設備能處于系統(tǒng)需要的正常狀態(tài)。至于檢測機器人的傳送系統(tǒng)則由變頻器控制，具體啟動，停止等控制以及速度的設定由工控機管理。傳動系統(tǒng)的控制多傳感器檢測機器人的傳動系統(tǒng)由交流電機驅(qū)動，使用變頻器來控制。由于在一般情況下檢測機器人的傳動系統(tǒng)是以恒定速度運行，而且因為使用了光電傳感器和編碼器來檢測對象位置，與傳動系統(tǒng)的運行速度無關，所以無需復雜的控制策略，

47、主要是由工控機按要求啟動和停止變頻器，并相應調(diào)整變頻器頻率，從而控制傳動系統(tǒng)運行速度即可。變頻器可以選用西門子MICROMASTER 420，該系列變頻器運行可靠、功能完善，易于安裝和調(diào)試，既可適用于簡單的電動機控制也可用于更高級的電動機控制系統(tǒng)。而且該系列變頻器具有串行接口，可以通過485總線與PC機進行通訊。因為工控機上的串行接口是232模式的，所以工控機為了和變頻器通訊，需要使用一個232轉(zhuǎn)485的轉(zhuǎn)接器。在通訊時，兩者間采用的是半雙工模式。MICROMASTER 420變頻器的通訊協(xié)議是USS協(xié)議。協(xié)議中的報文結(jié)構(gòu)如下：其中ST×區(qū)內(nèi)容為02hex，代表一條信息的開始；LGE

48、區(qū)為一個字節(jié)，內(nèi)容表示信息的長度；ADR區(qū)是一個字節(jié)，表示變頻器的地址；BCC 區(qū)內(nèi)容是校驗和，采用異或方式，長度為一個字節(jié)。報文中的數(shù)據(jù)區(qū)分為兩個部分，即PKW 區(qū)(參數(shù)識別ID一數(shù)值區(qū))和PZD區(qū)(過程數(shù)據(jù)區(qū))。PKW區(qū)用于對變頻器參數(shù)的處理，本文沒有涉及到這方面的操作，所以不再詳細討論。下面主要介紹PZD區(qū)的使用。PZD區(qū)一般為兩個字長，分為主站到變頻器和變頻器應答主站兩種。其中主站到變頻器的任務報文第一個字是變頻器控制字STVv，第二個字是主設定值HSW。其中s1、字各位的含義如表1所示。HSW 字是主頻率設定值，用來設定變頻器主頻率。根據(jù)參數(shù)P20o9的設置，可以采用兩種不同的方式。

49、當P20o9=0時，數(shù)值用16進制方式發(fā)送，并規(guī)格化為P2000設定的頻率，即實際輸出頻率=(HSW )xP2OoO中額定頻率16384。而當P2009=1時數(shù)值是以絕對十進制數(shù)的形式發(fā)送。從變頻器到主站的應答報文也是兩個字，分別為變頻器的狀態(tài)字ZSW 和變頻器參數(shù)實際值HlW。當變頻器接收到主站的任務報文后，會將變頻器的狀態(tài)經(jīng)由應答報文告知主站。在實際進行通訊前，需要先設定好變頻器的幾個參數(shù)。設定參數(shù)P00o3=2或3，以便訪問第二級或第三級參數(shù)；設定參數(shù)P2010， 使變頻器的波特率與主機波特率相同； 設定參數(shù)P2011，規(guī)定變頻器的通訊地址；設定參數(shù)P0700和P1Oo0，使主站能夠通過

50、USS協(xié)議控制變頻器及發(fā)送主設定值給變頻器。在工控機上可以使用MicrosoE的ActiveX控件MSComm 來編寫串口通訊程序。MSComm控件功能強大，但使用起來確并不復雜。MSComm封裝了2O多個與通訊有關的屬性，其中比較常用的有如下幾個：CommPort屬性：設置并返回通信端口號；Seings屬性：以字符串的形式設置并返回波特率、奇偶校驗、數(shù)據(jù)位、停止位；PolOpen屬性：設置并返回通信端El的狀態(tài)，也可以打開和關閉端El；Input屬性：返回并刪除接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)流；Output屬性：向傳輸緩沖區(qū)寫一個數(shù)據(jù)串；CommEvent屬性：用于反映通訊中出現(xiàn)的事件或錯誤的類型。同時M

51、SComm控件還有一個事件OnComm，當通訊中出現(xiàn)事件或錯誤時會觸發(fā)該事件。利用以上的屬性和事件，可以很方便地編寫出根據(jù)USS協(xié)議與變頻器通訊，從而控制變頻器運行的程序來。3 PLc的底層控制在系統(tǒng)中PLC主要負責底層控制，它通過lO 口與光電傳感器，編碼器，擊出器，圖像采集子系統(tǒng)等相連，通過圖像采集子系統(tǒng)控制CCD攝像機的拍攝以及直接控制擊出器的動作。同時PLC通過485總線與工控機連接，接收工控機傳來的控制信息和系統(tǒng)參數(shù)等。在檢測機器人運行過程中，PLC負責準確地通知圖像采集子系統(tǒng)啟動CCD攝像機，抓拍處于拍攝位置的空瓶。為了達到這一目的，需要使用光電傳感器來檢測空瓶的位置。在系統(tǒng)中使用

52、了反射式光電傳感器，這種光電傳感器在沒有接收到從反光板反射回來的光束時，就會輸出觸發(fā)信號。將光電傳感器安裝到CCD攝像機拍攝位置旁，安裝高度為瓶頸高度，把輸出接到PLC 的lO輸人El上。當沒有空瓶經(jīng)過時，光電傳感器可以接收到反射光束，沒有輸出信號，而當有空瓶經(jīng)過時，瓶頸擋住了光束，光電傳感器無法接收到返回的光束，于是輸出觸發(fā)信號。PLC從輸人El接收到此信號后，即可判定空瓶已到達拍攝位置，從lO輸出El輸出啟動信號給CCD攝像機，攝像機及時進行拍攝，獲取被檢空瓶的圖像。在專門的信息處理模塊對獲取的圖像信息進行分析處理后，得出空瓶質(zhì)量是否合格的結(jié)論。如果不合格，主控的工控機就會通過485總線發(fā)

53、出控制命令，要求PLc控制擊出器擊出該空瓶。PLC在接到擊出命令后，需要標定不合格空瓶，并追蹤其位置，當不合格空瓶到達擊出器所在位置時控制擊器動作，擊出空瓶。在空瓶檢測機器人中使用一個編碼器與驅(qū)動傳送帶的電機相連，當電機轉(zhuǎn)動時，編碼器相應發(fā)出脈沖。計算脈沖的數(shù)目，即可知道傳送帶運動的距離。這樣一來，如果能測出不合格空瓶要運動多長距離才到達擊出位置就能準確擊出空瓶?？梢栽谑孪劝丫幋a器的脈沖輸出與PLC的IO輸入El相連。然后在傳送帶上放一空瓶，讓其依次經(jīng)過檢測位置和擊出位置，PLC使用計數(shù)器記下此過程中脈沖的數(shù)目，這一數(shù)值d即對應著檢測位置和擊出位置之間的距離。PLC控制擊出器的程序流程圖如圖2

54、。其中使用多個計數(shù)器是考慮到：在不合格空瓶從檢測位置移動到擊出位置這段時間中，有可能又檢測出其他不合格空瓶。計數(shù)器的數(shù)量應為從檢測位置到擊出位置間最多可能存在的空瓶數(shù)。其中距離計數(shù)器的計數(shù)值D為事先測好的值d減去移動半個瓶身時編碼器輸出的脈沖數(shù)d。而窗口計數(shù)器的計數(shù)值K則為移動整個瓶身時編碼器輸出的脈沖數(shù)。這樣做是因為空瓶在傳送帶運動過程中，可能在傳送帶上發(fā)生一些相對位移，導致實際移動的距離和傳送帶移動的距離并不相同。當在窗口計數(shù)器計數(shù)過程中，有空瓶經(jīng)過擊出器旁的光電傳感器，光電傳感器發(fā)出觸發(fā)信號時，PLC就可以認為不合格空瓶已達到擊出位置，發(fā)出擊出器動作命令其他機器人的基本設計 型材上下料機

55、器人主體結(jié)構(gòu)的設計原理根據(jù)型材加工設備加工范圍和技術(shù)特征，型材上下料機器人應滿足下述主要技術(shù)指標： 操作型鋼范圍：球扁鋼、扁鋼、等邊角鋼、不等邊角鋼、T型鋼； 操作型鋼最大長度：12m； 操作型鋼線形：直線、曲線 活動工作空間X×Y×Z(長×寬×高)：60m X 6m × (07 2)m ； 搬運最大尺寸的型鋼計算重量：約600kg(以12m 長T 型材為例：上10mm×400mm20mm × 125mm)： 定位精度；±lmm。上述技術(shù)指標具有如下所述的幾個技術(shù)特征： 機器人工作的三維空間大，運動距離長，跨度大；

56、 搬運物體質(zhì)重、型長； 加工型材的機械加工面為一平面，機械手可平面定位，但非直線； 定位精度要求不高。綜合上述特征，作者在最廣泛使用的工業(yè)機器人的幾種坐標系(直角坐標系、圓柱坐標系、球面坐標系、關節(jié)坐標系)中，選用直角坐標系作為構(gòu)造型材上下料機器人主體結(jié)構(gòu)的理論依據(jù)。其優(yōu)點為： 結(jié)構(gòu)簡單； 編程容易； 若采用直線滾動導軌，速度高、定位精度高； 在X、y和Z三個坐標軸方向上的運動沒有耦合作用，較容易控制； 活動范圍大。直角坐標系機器人至少有三個自由度。為了搬運曲線型材，其機械手的手指定位需增加一個繞Z軸旋轉(zhuǎn)的自由度，因而設計為四個自由度?？紤]到型材彎曲機、切割機和焊接機自動上下料機器人(見圖1，

57、圖2，圖3)操作的對象是重型超長型材，為使型材搬運在立體空間平穩(wěn)地平移，運行軌跡光順平滑，使型材在長度方向的各個質(zhì)點均受到電磁力的約束，避免產(chǎn)生振蕩，故其設計應由下述部分組成： 雙固定導軌1(本例設為X軸，長為60m，見圖1)； 多門架(本例設為四門架：2A，2B，2C，2D，見圖1)，跨度為6m，跨度方向設為y軸； 行走傳動機構(gòu)7(由于定位精度要求不高，采用齒輪齒條傳動，見圖2)； 提升機械手：3A，3B，3C，3D，見圖1(本例提升高度設為6m，提升方向設為z軸)； 具有光學視覺定位功能的電腦裝置8，見圖2。圖1 型材上下料機器人的俯視圖型材上下料機器人搬運的有效面積接近船體車間行車的工作

58、區(qū)域，所以它能很好地利用車間的空間。它可根據(jù)操作對象的長短確定采用多至四門架(一主動2A，三從動2B，2C，2D)，少到一門架(一主動2A)。門架與門架由左右側(cè)推拉杠4A1，4A2，4B1，4B2)聯(lián)動，門架與推拉杠連接靠電磁離合器(5A，5B，5C)離合，因而它們之間相對間距可調(diào)。掛在每個門架上的提升機械手3可隨門架橫梁2在直角坐標系里作三維運動，機械手三個手指(12，15，13)中每個手指的末端連接一電磁鐵吸附塊(11，10，14)，第一手指12與第三手指13可繞Z軸旋轉(zhuǎn)，滿足型材彎曲機9加工成型后的曲線零件6搬運要求。具有光學視覺(8)定位功能的電腦裝置，可根據(jù)型材自動搬運、裝配、進料工藝文件轉(zhuǎn)換的輸入輸出定位指令來進行離線處理。在線根據(jù)鼠標點擊操作臺顯示器上的車間