第6章 機器人和數(shù)控實例

機器人和數(shù)控技術(shù)機電一體化系統(tǒng)實例主要內(nèi)容一、新型柔索并聯(lián)機器人系統(tǒng)研發(fā)二、數(shù)控機床開發(fā)實例一種新型柔索并聯(lián)機器人系統(tǒng)研究與開發(fā)

(1)3臺步進電機驅(qū)動3條柔索；(2)一臺力矩電機控制操作桿的壓力，繼而保證三條柔索的拉力在一定范圍內(nèi)。抽象的機構(gòu)簡圖(1)、三個移動副a、b、c的延長線匯交于一點P，各自與桿軸PQ為虎克副連接；(2)、三個移動副分別連于一個轉(zhuǎn)動副再連至固定平臺上的三個虎克副；(3)、Q處通過虎克副-移動副穿過平臺；(4)、A，B，C位于正三角形的三個頂點，Q在三角形中點。虎克餃虎克鉸也稱萬向鉸，允許兩構(gòu)件有兩個相對轉(zhuǎn)動的自由度，相當于軸線相交的兩個轉(zhuǎn)動副球面副球面副允許兩構(gòu)件具有3個獨立的相對轉(zhuǎn)動，可以繞x，y，z轉(zhuǎn)動虎克-移動副3個構(gòu)件，3個自由度自由度計算空間機構(gòu)的自由度KutzbachGrubler公式：其中，n為總構(gòu)件數(shù)，g為運動副數(shù)，為各運動副自由度數(shù)。

自由度計算(1)總構(gòu)件數(shù)為n=12；(2)P點有三個虎克副，a，b，c處各有三個移動副，三個轉(zhuǎn)動副，Q出有一個虎克副一個移動副，A，B，C處各有一個虎克副。g=3+3+3+1+1+3=14；(3)P點3個虎克副各有2個自由度，a，b，c處轉(zhuǎn)動、移動副各有一個自由度，Q處虎克副有2個自由度，移動副1個自由度，A，B,C處虎克副各有2個自由度自由度分析結(jié)論（1）該類機構(gòu)具有3個自由度；（2）操作桿PR的位置由3個參數(shù)確定，PR的位姿由約束確定。（3）新型并聯(lián)機器人姿態(tài)變量與位置變量之間是耦聯(lián)的柔索驅(qū)動的特點和優(yōu)點(1)一條柔索代替了a、b、c處的移動副和轉(zhuǎn)動副，使構(gòu)件數(shù)顯著減少；(2)取消了P除的3個虎克副；(3)必須在R處對桿PR施加力，使柔索拉力適中；(4)方便起見，將桿倒置。分析坐標系計算坐標系分析坐標系和基礎(chǔ)坐標系之間轉(zhuǎn)換

基礎(chǔ)坐標系是經(jīng)過分析坐標系繞z軸順時針旋轉(zhuǎn)120度，然后繞x軸逆時針旋轉(zhuǎn)180度，后平移得到的。最終可獲得分析坐標系到基礎(chǔ)坐標系之間的轉(zhuǎn)會關(guān)系為其中：運動學分析

機器人運動學是研究機器人個關(guān)節(jié)和手爪之間位置、姿態(tài)的對應關(guān)系的。不考慮產(chǎn)生運動的力和力矩。一類是給定機器人各關(guān)節(jié)角度，要求手爪的位姿，稱為正問題。 另一類是已知手爪的位姿求機器人對應于這個位置的各關(guān)節(jié)角。成為逆問題。位置分析建立坐標系如圖P點坐標為（x，y，z）PR桿長為PR桿與0x，oy，oz夾角為運動學逆解為運動學正解為其中：位姿與位置的耦合關(guān)系速度關(guān)系

定義驅(qū)動廣義坐標和計算坐標

求導得其中：分析發(fā)現(xiàn)，速度關(guān)系是線性的，僅與機構(gòu)的運動學尺寸（鉸鏈方向、位置及移動副方向、位置）及原動件的驅(qū)動長度有關(guān)，而與原動件的運動無關(guān)正逆速度分析算例

要求：模型機器人樣機操作桿P點在計算空間內(nèi)從坐標點(-50–50100)以速度矢量勻速運動至坐標點(-50200100)，三根柔索a、b、c驅(qū)動速度在各實時位置的速度大小

加速度關(guān)系分析將速度關(guān)系再求一次導其中：得到：兩式聯(lián)系了關(guān)節(jié)和手爪之間的加速度關(guān)系對于軌跡規(guī)劃非常有用正逆算例

要求：操作桿P點在計算空間從坐標(-50–50100)運動至坐標(-50100100)。要求在(-50–50100)至(-500100)段以恒定加速度，從靜止勻加速運動；再以恒定速度勻速運動至(-5050100)；之后再以恒定加速度勻減速運動至終點(-50100100)，在終點時速度為零

通過運動學正、逆問題解算出結(jié)果各柔索位置曲線各柔索速度曲線通過運動學正、逆問題解算出結(jié)果各柔索加速度曲線力學分析

力學分析包括動力學和靜力學分析，動力學是在運動學的基礎(chǔ)上，考慮作用力對運動物體的影響算例

要求：樣機操作桿工作點（安置筆頭）在基礎(chǔ)坐標系內(nèi)緩慢勻速地從（0–500）點沿直線移動至（0500）點，完成畫線操作。假設(shè)筆尖受恒定、沿-Z軸方向的恒定反力0.5牛頓。 為使筆尖保持恒力a，b，c的力拉曲線工作空間分析

機器人的工作空間是機器人操作機的工作區(qū)域，可定義為操作機上某一給定參考點在空間中可以到達的點的集合。它是衡量機器人性能的一個重要指標，直接反映了機器人的技術(shù)性能。模型樣機使用卷揚機驅(qū)動，其l=100mm，平臺中部配置的虎克-移動副轉(zhuǎn)角范圍，移動副行程0-230mm。注意：柔索只能承受拉力，不能承受壓力為保證一定的精度，各柔索必須在一定的最小拉力之上。

為模型樣機在保證各柔索有一定的最小張力要求N、N、N，工作端承受0.5N恒定垂直操作反力（完成寫字、畫圖工作）的可靠工作空間仿真。

oXZ平面投影oYZ平面投影oXY平面投影oXYZ空間軌跡規(guī)劃

所謂軌跡是指是指機械手在運動過程中的位置、速度、加速度。 所謂路線是指操作機所跟蹤的空間曲線，它與時間無關(guān)。軌跡和路線的區(qū)別僅在于是否引入時間變量。機器人拋物線-直線-拋物線軌跡規(guī)劃

為保證機器人運動狀態(tài)的平穩(wěn),其各運動自由度可以具有拋物線-直線-拋物線(LSPB)軌跡規(guī)劃運動兩段拋物線軌跡規(guī)劃

當運動距離不夠長，不允許加速到最高速度時

多軸同步運動第i軸以極限加速度Ai加速到比它的極限速度低的速度；同時第2軸以小于其極限加速度的加速度加速到它的最大速度Vj。然后，兩軸以常速度運動，直到它們同時減速到零。

機器人插補運算1.直線插補其中，n為空間直線等分段數(shù)。不同于數(shù)控系統(tǒng)的插補！相對更簡單2.圓弧插補

略系統(tǒng)構(gòu)成及驅(qū)動控制1.三臺步進電機是用從老式5寸軟盤驅(qū)動器上拆卸下來的經(jīng)改裝后使用，為日本制PXB43-01A型步進電機；2.力矩電機（用錄音機電機改裝代替）用來完成張緊細繩索的驅(qū)動接口卡接口卡1.兩路8位數(shù)字信號輸出鎖存

2.數(shù)字信號驅(qū)動輸出為16位，最大可同時帶動14路30V，500mA（使用ULN2003x2）、2路7V，300mA(使用75452）的開關(guān)量負載。其中，用12位驅(qū)動步進電機，剩余的4位開關(guān)量輸出通道用于驅(qū)動繼電器等開關(guān)器件，控制機械本體的上電、末端工具的工作狀態(tài)。2.一路8位數(shù)/模（D/A）(使用DAC0832及NEC4558運放）轉(zhuǎn)換及數(shù)字信號驅(qū)動電路和模擬信號比例放大，功率驅(qū)動電路，用來用來完成對張緊繩索的力矩電機控制；接口標志變量位分配

1.高四位開關(guān)量狀態(tài)控制位系統(tǒng)總閘；柔索張緊電機的上電；兩個末端工具的開；閉工作狀態(tài)。2.三臺電機的時序狀態(tài)

Motor*可能值為0001、0010、0100、10003.各種動作級指令最終都是對接口標志變量進行處理，再傳送至接口電路驅(qū)動外設(shè)。步進電機的控制和驅(qū)動一臺步進電機驅(qū)動電路原理ULN2003反向驅(qū)動器數(shù)據(jù)鎖存器ULN20037路達林頓功率驅(qū)動芯片；每路輸出最大50V，500mA.步進電機驅(qū)動原理（2）張緊柔索力矩電機控制

而通過力學模型實時解算，實時控制力矩電機的電流，以此控制張緊柔索的張力，使得在機器人運動過程中，三根驅(qū)動柔索所受張力始終保持在一個合適的范圍內(nèi)ISA總線引腳定義A1-A31及B1-B31的62線插槽即為8位插卡插槽，它與PC/XT

8位總線完全兼容C1-C18和D1-D18為AT總線增加的36線插槽，它和62線插槽一起供16位插卡使用。

1.最早的PC總線是IBM公司于1981年推出的基于8位機PC/XT的總線，稱為PC總線；2.1984年IBM公司推出了16位PC機PC/AT，其總線稱為AT總線；3.為了能夠合理地開發(fā)外插接口卡，由Intel公司，IEEE和EISA集團聯(lián)合開發(fā)了與IBM/AT原裝機總線意義相近的ISA總線，即8/16位的“工業(yè)標準結(jié)構(gòu)”(ISA-Industry

StandardArchitecture)總線。1.8位ISA擴展I/O插槽由62個引腳組成，用于8位的插卡2.8/16位的擴展插槽除了具有一個8位62線的連接器外，還有一個附加的36線連接器，這種擴展I/O插槽既可支持8位的插卡，也可支持16位插卡ISA總線的主要性能指標如下：ISA總線的主要性能指標如下：

·I/O地址空間0100H-03FFH·24位地址線可直接尋址的內(nèi)存容量為16MB·8/16位數(shù)據(jù)線·62+36引腳·最大位寬16位(bit)·最高時鐘頻率8MHz·最大穩(wěn)態(tài)傳輸率16MB/s·中斷功能·DMA通道功能·開放式總線結(jié)構(gòu)，允許多個CPU共享系統(tǒng)資源

接口板功能塊圖機器人語言

機器人語言根據(jù)作業(yè)描述水平的高低，通常分為三級：（1）動作級； 由使手爪從一個位置到另一個位置的一系列命令組成。動作級語言每一個命令（指令）對應于一個動作，命令比較容易，易于編程。（2）對象級； 它是描述操作物體間關(guān)系使機器人動作的語言，即是以描述操作物體之間的關(guān)系為中心的語言（3）任務級。 任務級機器人編程系統(tǒng)必須有能力自動地完成許多規(guī)劃的任務。例如，當發(fā)出“抓住螺栓”的指令時，任務級語言系統(tǒng)能規(guī)劃出一條運動的路徑，并做到與周圍任何一個障礙物不發(fā)生碰撞，然后自動地在螺栓上選擇一個很好的抓著點，并且抓住它。

作者開發(fā)了一套解釋性執(zhí)行語言，屬于動作級機器人語言。

靠操作者簡單地從計算機鍵盤輸入操作指令或命令文件(.rob)。該機器人語言系統(tǒng)作解釋性執(zhí)行，識別指令類型、數(shù)據(jù)，進行解算處理，控制接口卡、驅(qū)動器，驅(qū)動控制機器人模型實現(xiàn)命令指定的操作。該機器人樣機操作語言系統(tǒng)中指令集主要包括：循環(huán)控制指令（FORn…NEXT，用于簡化機器人操作中的重復性工作的程序編制，其中n為指定循環(huán)次數(shù)）；直線移動類指令(MOVEFROMATOB，控制機器人操作桿工作點從當前位置經(jīng)A點到達B點；MOVETOA,從當前位置到達A點；MOVE@A，從當前位置到達相對當前位置坐標為A的位置，這里@A是借鑒AutoCAD

中的坐標表示)；作空間圓弧移動指令(ARCABC,A、B、C為給定空間圓弧上三點，控制機器人操作桿工作點從當前位置移至A點，以解算出的圓弧路徑經(jīng)B點到達C點)；顯示當前位置指令(GET)；速度設(shè)置指令(SPEEDn)；末端執(zhí)行器操作指令(SNAPONn、SNAPOFFn，n指第n個末端執(zhí)行器)；延時待機指令(WAITn，n為延時時間，以秒為單位)；結(jié)束退出指令(END)。

例程1MOVEFROM0010TO-20200MOVEto20200MOVE@0-400MOVEfrom-20-200TO-20200END例程2FOR3ARC-100001001000ARC10000-100-1000NEXTEND

機器人模型樣機寫字結(jié)果

數(shù)控機床開發(fā)實例概況

數(shù)控軟片裁片機是專為航空航天系統(tǒng)開發(fā)的用于對火箭發(fā)動機絕熱軟片進行切邊倒坡口操作的專用數(shù)控設(shè)備。該設(shè)備為一5軸3聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)，共用伺服電機6臺（X軸由兩臺伺服電機同步驅(qū)動），步進電機一臺，三相交流電機二臺。不需模具，不需定位，自動編程，使用十分方便。該設(shè)備由三部分組成：機械本體、控制箱和操作臺。機械結(jié)構(gòu)該機床具有典型的門型結(jié)構(gòu)，由床身、龍門架、刀架、回轉(zhuǎn)工作臺等組成；除了三個直角坐標外，還具有兩個回轉(zhuǎn)坐標，即回轉(zhuǎn)工作臺的轉(zhuǎn)動和刀桿的擺動。根據(jù)負載的不同，X軸、Y軸、Z軸采用滾珠絲杠直接與電機相連后傳遞動力；B軸、C軸與電機之間用減速器減速后相連。龍門架X方向的運動，由兩臺分別安裝在龍門架兩側(cè)的電機雙邊驅(qū)動。電器組成1.本機床的傳動系統(tǒng)共有6臺電機，選用交流伺服電機，配合增量式光電編碼器作為電機輸出的角度測量元件，組成半閉環(huán)的控制系統(tǒng)。2.主軸電機的工作速度應該在300到350轉(zhuǎn)之間，采用步進電機作為主軸電機。3.真空系統(tǒng)使用了一臺旋片式的真空泵，真空泵由一臺普通三相異步電動機帶動。4.傳動系統(tǒng)的正、負極限位置安裝有行程開關(guān)，供電電壓是直流24V?？刂葡到y(tǒng)組成及特性可編程多軸控制器(ProgrammableMulti-AxisController)

1.控制器 多軸運動控制卡，PMAC2-PC：可以控制8個軸的同步運動；實現(xiàn)空間直線、圓弧的插補，均勻非有理三次樣條曲線和非均勻非有理三次樣條曲線的插補等；通過ISA總線與PC機相連，用戶可以開發(fā)自己的應用程序。1.目前計算機數(shù)控（CNC）技術(shù)正朝著從封閉式數(shù)控系統(tǒng)向開放式數(shù)控系統(tǒng)的方向發(fā)展。2.開放式數(shù)控系統(tǒng)較封閉式數(shù)控系統(tǒng)具有軟、硬件可互換性、可移植性、可擴展性和互操作性等幾方面的優(yōu)點

3.開放式數(shù)控技術(shù)可分為兩類： （1）是基于PC機的數(shù)控技術(shù)，這種數(shù)控系統(tǒng)利用PC機的主板、CPU、內(nèi)存等硬件作為數(shù)控系統(tǒng)的硬件，在此基礎(chǔ)上編寫控制軟件； （2）NC嵌入PC的數(shù)控技術(shù)，這種數(shù)控系統(tǒng)利用NC作為運動控制，插補、位置控制等工作，同時利用PC機豐富的軟硬件資源和強大的功能負責系統(tǒng)的管理、顯示、模擬加工、網(wǎng)絡通信等工作伺服驅(qū)動器主電路配線200V交流供電機使用驅(qū)動器電源來自編碼器的反饋來自上機的控制指令送至上位機的反饋信號警報輸出控制軟件數(shù)控裁片機的軟件為用戶提供了操作與監(jiān)控的功能，其中主要包括：自動編程、程序下載、代碼圖形復原、實時位置顯示、手動控制、精確運動、狀態(tài)顯示、警報顯示等模塊?？刂栖浖Y(jié)構(gòu)應用程序主要模塊實現(xiàn)方法1.手動控制

實現(xiàn)方法： 應用程序調(diào)用dll函數(shù)，PmacGetResponseA，向運動控制卡發(fā)送在線指令，如：

#1j+，#1j/#2j/等。

應用程序主要模塊實現(xiàn)方法2.程序管理

實現(xiàn)方法：文件管理由VB實現(xiàn)，下載程序，執(zhí)行程序是通過VB調(diào)用dll函數(shù)PmacDownloadA和發(fā)送在線指令實現(xiàn)的。3.自動編程模塊DXF文件的識別DXF(DrawingeXchangeFile)是由AUTODESK公司制定的圖形交換文件，用于AutoCad與其他公司的CAD軟件之間進行數(shù)據(jù)交換，或者是利用高級語言提取DXF文件圖形信息，進行分析處理一個DXF文件包括6個段：標題段、類別段、表段、塊段、實體段、對象段。在每段的開始和結(jié)束處有起始段標記和段中止標記，文件結(jié)尾有文件結(jié)束標志EOF

名稱標記意義起始段標記0SECTION表示一個段的開始。每一個段前均應用。標題段2HEADER包含圖的通用信息。如AutoCad數(shù)據(jù)庫的版本號,系統(tǒng)變量、參數(shù)包含的變量名和它的值。類別段2CLASSED包含應用和定義的類。表段2TABLES包含定義如塊、標注、層的風格、坐標、視窗配置,文本字體等的符號表。塊段2BLOCKS包含圖中塊的名稱、位置比例等信息。實體段2ENTITIS包含各種實體如線、圓、弧等的位置、粗細、顏色等的信息。對象段2OBJECTS包含對象的定義和相關(guān)信息。段終止標記2ENDSEC表示一個段的結(jié)束。文件結(jié)束標記2EOF表示整個DXF結(jié)束。每一個段前均應有。DXF文件實例內(nèi)容說明……省略標題段，類別段等0段標志代碼SECTION段開始標志2段名代碼