六自由度機器人控制系統(tǒng)

濟南大學畢業(yè)設計PAGE22-1前言1.1焊接機器人的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀現(xiàn)代機器人的研究始于20世紀中期，其技術背景是計算機和自動化的發(fā)展，以及原子能的開發(fā)利用。美國原子能委員會下屬的阿爾貢研究所為解決可代替人進行放射性物質(zhì)的處理問題，在1947年研制了遙控式機械手臂；1948年又相繼開發(fā)了電氣驅(qū)動式的主從機械手臂，從而解決了對放射性物質(zhì)的進行遠距離操作的問題。1954年，美國科學家戴沃爾最先提出工業(yè)機器人的概念，并申請了新的專利。其主要特點是借助伺服技術來控制機器人的關節(jié)，并利用人手對機械手臂進行動作示教，機械手臂能實現(xiàn)人物動作的記錄和再現(xiàn)。這就是示教再現(xiàn)機械臂，現(xiàn)在所用的機械手臂差不多都采用這種控制方式。伴隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，為了提高生產(chǎn)效率，穩(wěn)定和提高產(chǎn)品的質(zhì)量，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化，改善工人勞動條件，已經(jīng)大大改進了機械手臂的性能，并大量應用于實際生產(chǎn)中，尤其是在高壓、高溫、多粉塵、高噪音和重度污染的場合。焊接機器人的誕生可以追溯到上世紀70年代，是由日本發(fā)那科（FANUC）公司生產(chǎn)的小型機器人改進的，受限于當時的技術手段以及高昂的造價，使得當時的焊接機器人不能得到很好的應用。機械手臂是一種工業(yè)機器人，它由控制器、操作機、檢測傳感裝置和伺服驅(qū)動系統(tǒng)組成，是一種可以自動控制、仿人手操作、可以重復編程、可以在三維空間進行各種動作的自動化生產(chǎn)設備。機械手臂首先是在汽車制造工業(yè)中使用的，它一般可進行焊接、上下料、噴漆以及搬運。它可代替人們進行從事繁重、單調(diào)的重復勞動作業(yè)，并且能夠大大改善勞動生產(chǎn)率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量[1]。到了90年代初，隨著計算機技術、微電子技術、網(wǎng)絡技術等的快速發(fā)展，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，而機器人的制造成本和價格卻不斷下降。在西方國家，由于勞動力成本的提高為企業(yè)帶來了不小的壓力，而機器人價格指數(shù)的降低又恰巧為其進一步推廣應用帶來了契機，采用機器人的利潤顯然要比采用人工所帶來的利大，使得焊機機器人得到了推廣，同時技術的進步也使得焊機機器人技術得到很大提高。進入新世紀之后，由于各國對焊接機器人的不斷重視，使得焊接機器人技術取得了很大的進步。同時由于其焊機精度及更低的生產(chǎn)成本，也使得它得到了越來越多的應用。目前，焊接機器人主要用于裝卸、搬運、焊接、鑄鍛以及熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面都還不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展需要。在一些特殊的行業(yè)，使用它來代替人工操作的，主要是在危險作業(yè)、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間小等的不適于人工作業(yè)的環(huán)境。1.2焊接機器人發(fā)展趨勢近些年來，國際機器人界都在加大科研力度，隨著機械工程、電子工程、自動控制工程以及人工智能等長足的進步，焊接機器人技術也得到了長足的發(fā)展.不斷向智能化和多樣化方向發(fā)展是未來一段時間的總體發(fā)展趨勢。具體而言，表現(xiàn)在如下幾個方面:1）機器人操作機結(jié)構(gòu)通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設計等現(xiàn)代設計方法的運用，實現(xiàn)機器人操作機構(gòu)的優(yōu)化設計.探索新的高強度輕質(zhì)材料，進一步提高負載/自重比。機器人結(jié)構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展機器人的結(jié)構(gòu)更加靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，二者正朝著一體化方向發(fā)展。采用并聯(lián)機構(gòu)，利用機器人技術，實現(xiàn)高精度測量及加工，這是機器人技術向數(shù)控技術的拓展，為將來實現(xiàn)機器人和數(shù)控技術一體化奠定了基礎。2）機器人控制系統(tǒng)重點研究開放式，模塊化控制系統(tǒng)。向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)人機界面更加友好，語言、圖形編程界面正在研制之中。3）虛擬機器人技術虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已重仿真、預演領域發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人?；诙鄠鞲衅?、多媒體和虛擬現(xiàn)實以及臨場感技術，實現(xiàn)機器人的虛擬遙控操作和人機交互。4）機器人傳感技術機器人中的傳感器作用日益重要，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激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器，并實現(xiàn)了焊縫自動跟蹤和自動化生產(chǎn)線上物體的自動定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應性。5）機器人性能價格比機器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機價格卻不斷地下降。由于微電子技術的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應用，使機器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。1.3焊接機器人簡介焊接機器人是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業(yè)機器人。焊接機器人主要包括機器人和焊接設備兩部分。焊接機器人由機器人本體和控制柜組成。而焊接裝備，以弧焊及點焊為例，則由焊接電源，（包括其控制系統(tǒng)）、送絲機（弧焊）、焊槍（鉗）等部分組成。對于智能機器人還應有傳感系統(tǒng)，如激光或攝像傳感器及其控制裝置等。世界各國生產(chǎn)的焊接用機器人基本上都屬關節(jié)機器人，絕大部分有6個軸。其中，1、2、3軸可將末端工具送到不同的空間位置，而4、5、6軸解決工具姿態(tài)的不同要求。1）機器人的機械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機構(gòu)和驅(qū)動－傳動系統(tǒng)組成。執(zhí)行機構(gòu)是機器人賴以完成工作任務的實體，通常由連桿和關節(jié)組成，由驅(qū)動－傳動系統(tǒng)提供動力，按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務。驅(qū)動－傳動系統(tǒng)主要包括驅(qū)動機構(gòu)和傳動系統(tǒng)。驅(qū)動機構(gòu)提供機器人各關節(jié)所需要的動力，傳動系統(tǒng)則將驅(qū)動力轉(zhuǎn)換為滿足機器人各關節(jié)力矩和運動所要求的驅(qū)動力或力矩。焊接機器人手臂是一種仿人式的機械。其模仿人類的手臂，而要實現(xiàn)像人手一樣的功能來就要借助類似于指、腕、臂、關節(jié)等部分組成的抓取和移動機構(gòu)——執(zhí)行機構(gòu)，而提供動力的肌肉就由驅(qū)動－傳動系統(tǒng)來代替[2]。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1.1所示：機器人機器人執(zhí)行機驅(qū)動-傳動機控制系統(tǒng)機器人各關節(jié)電、液或氣驅(qū)動裝置關節(jié)協(xié)調(diào)及其它信息單關節(jié)伺服驅(qū)動圖1.1焊接機器人結(jié)構(gòu)框圖2）與通常的過程自動控制系統(tǒng)類似，焊接過程自動控制系統(tǒng)一般為閉環(huán)反饋系統(tǒng)。它可分為被控對象、比較器、控制器以及執(zhí)行機構(gòu)四部分。為了實現(xiàn)焊接機器人對空間焊縫的自動實時跟蹤和焊接參數(shù)的實時控制，設計的是以DSP為主控制器的焊縫實時跟蹤和控制的交互式控制系統(tǒng)。DSP作為系統(tǒng)的核心控制器產(chǎn)生控制信號，驅(qū)動步進電機動作，同時利用DSP的數(shù)字通訊功能與PC進行通訊，從而實現(xiàn)對焊縫的實時跟蹤和控制。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1.2：比較器比較器控制器執(zhí)行機構(gòu)被控對象焊接過程檢測系統(tǒng)焊接過程圖1.2控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2焊接機器人機械部分設計本次的設計是參考機械學院二樓機器人實驗室中的Motoman機器人而設計的。它的一些參數(shù)也是對實驗室中機器人的觀察、測量而得到的。2.1焊接機器人設計本次設計的機器人具有六個自由度，它們分別是腰關節(jié)的移動和轉(zhuǎn)動、大臂的擺動、小臂的擺動和腕部的轉(zhuǎn)動（兩個自由度），都為關節(jié)連接，除了這些結(jié)構(gòu)外，還必須有導軌以及一個用于夾持焊槍的機械手。2.1.1導軌的設計焊接機器人的底座并不只是固定不動的，它可以利用導軌在一定的范圍內(nèi)移動，根據(jù)實際情況，此次設計的導軌可以在水平方向上移動，以增加它的工作范圍，方便焊接工作的完成。導軌的結(jié)構(gòu)簡如圖2.1所示：圖2.1導軌的結(jié)構(gòu)簡圖.導軌選用的是滾動導軌，其結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便且具有較小的摩擦系數(shù)，選擇合適的滾珠絲杠螺母副用來帶動導軌運動，最后再選擇適當?shù)碾姍C。絲杠螺母副的選擇：計算最大動載荷CC=fwF(2.1)L=60*n*T/106(2.2)n=100*vs/L0(2.3)上式中，L0——滾珠絲杠的導程，初步選為6mm；vs——最大負載下的速度，這里選其為vs=0.6m/min；T——使用壽命，可按其為24000h；fw——運轉(zhuǎn)系數(shù)，取值為fw=1.2~1.5；L——使用壽命，以106轉(zhuǎn)為1個單位；n=100*vs/L0=50（r/min）L=60*n*T/106=72C=fwF=4776.3（N）查閱機電課程設計指導書可看出，選擇WD4506外循環(huán)墊片調(diào)整預緊的雙螺母滾珠絲杠副可滿足要求，選定等級為3級。絲杠電機的選擇：首先來選擇齒輪傳動比：取其值為i=0.8，取z1=32，z2=40。計算傳動系統(tǒng)折合到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量為J=JM+J1+(Z1/Z2)2[(J2+JS)+W/g（L0/2）2](2.4)在式中，JM—電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量；J1,J2—齒輪Z1,Z2的轉(zhuǎn)動慣量；—滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量；初選伺服電機為PAC12,其轉(zhuǎn)動慣量為10.7kg*cmJZI=0.78*10-3*d14*L1=2.71(kg*cm2)(2.5)JZ2=0.78*10-3*d24*L2=6.42(kg*cm2)(2.6)JS=0.78*10-3*d4*LS=35.837(kg*cm2)(2.7)代入上式：=JM+J1+(Z1/Z2)2[(J2+JS)+W/g(L0/2)2]=39.374(kg*)考慮電機與傳動系統(tǒng)款兩相匹配問題。Jm/J=0.273(2.8)基本滿足設計要求。2.1.2基座的設計圖2.2基座示意圖基座主要起著支撐整個機械人的作用，要有足夠的強度和剛度，一般用鑄鐵或鑄鋼制造，設計合適的基座能夠減少機器人在運動中的產(chǎn)生的震動，避免因震動而使焊接出現(xiàn)誤差。除此之外，基座還必須能夠旋轉(zhuǎn)，以保證機器人具有較大的工作空間，較好的完成焊接工作，這里選用帶有滾珠的軸承來支撐，其比一般的結(jié)構(gòu)具有較大的支撐力和較高的穩(wěn)定性。大臂小臂腕部所有質(zhì)量為80kg，最大回轉(zhuǎn)半徑。則轉(zhuǎn)動慣量：執(zhí)行器回轉(zhuǎn)從~，需要時間。加速度：回轉(zhuǎn)驅(qū)動力矩：2）確定電機的額定功率?？梢园聪率酱_定：力矩：2.1.3機器人腕部的設計腕部用來連接操作機手臂和末端執(zhí)行器，并決定末端執(zhí)行器在空間里的姿態(tài)。腕部一般應有2～3個自由度，結(jié)構(gòu)要緊湊，質(zhì)量較小，各運動軸采用分離傳動。焊接機械手的腕部運動一般可以分為上、下運動以及轉(zhuǎn)動，上下運動可由電機帶動帶輪來控制，轉(zhuǎn)動可以由電機帶動鍵連接來實現(xiàn)其轉(zhuǎn)動[4]。腕部結(jié)構(gòu)形式的設計要根據(jù)機器人的運動形式、末端執(zhí)行器的重量、運動精度以及完成動作的自由度要求等來決定的。因此設計腕部是應該考慮以下幾點要求的：（1）腕部的結(jié)構(gòu)和尺寸應該滿足機器人的空間要求；（2）所選結(jié)構(gòu)要緊湊，盡量減輕重量以減少手臂部分的載荷；（3）根據(jù)腕部的承受載荷和結(jié)構(gòu)的特點，合理選用材料；（4）要求運動速度高，慣性小。下面為齒帶輪的傳動示意圖：圖2.3傳動帶示意圖計算同步帶：（1）總體參數(shù)：有所選電機特性可知：輸出功率0.2kW，錐齒輪效率0.98（2）設計計算：1.設計功率2.選定帶寬和節(jié)距L型帶，節(jié)距9.585mm，基準寬度25.4mm3.小帶輪齒數(shù)4.小帶輪節(jié)圓直徑5.大帶輪齒數(shù)6.大帶輪節(jié)圓直徑7.帶速8.初定軸間距故取9.帶長及其齒數(shù)由文獻[2]表14.1-51選取標準節(jié)線長，10.實際軸間距11.帶寬12.作用在軸上的力2.1.4機械抓手在本設計中具有很大的作用，現(xiàn)在在抓具市場中倍受青睞的機械抓手主要有：多工位機械抓手；手自動更換器，轉(zhuǎn)塔多爪手[5]。機器人的作用要靠末端部件才能落實．然而末端部件不可能做得象人手那樣通用和靈巧．因此，為了使機器人具有柔性必須準備若干套應付不同作業(yè)和不同對象的手。在本次設計中所采用的機械抓手不需要太多的功能，因此并沒有設計的過于復雜，主要是用來抓取和握緊（吸附）專用工具（如噴槍、扳手、焊具、噴頭等），來進行相應的操作。它具有模仿人手動作的功能，安裝于機器人手臂的前端。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2.4所示：圖2.4機械抓手結(jié)構(gòu)見圖抓手手指是與焊槍進行直接接觸的部件，通過電機的轉(zhuǎn)動帶動連桿的運動來實現(xiàn)機器人機械抓手的松開和夾緊。2.2選擇驅(qū)動方式本次設計的是六自由度機器人，它一共具有六個獨立的轉(zhuǎn)動關節(jié)。機器人常用驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動以及電機驅(qū)動。這三種驅(qū)動方式各有各的特點，可以根據(jù)實際情況選擇合適的驅(qū)動方式。下面對此三種驅(qū)動方式的特點進行比較，再根據(jù)具體情況選擇適合此次設計的驅(qū)動方式。如下表2.1所示：表2.1各種驅(qū)動方式性能、參數(shù)對比比較項目驅(qū)動方式液壓驅(qū)動氣壓驅(qū)動電機驅(qū)動輸出功率其輸出功率很大，壓力范圍一般可為50~140Pa輸出功率較大，壓力范圍一般為48~60Pa較大響應速度很高較高很高控制性能是利用液壓的不可壓縮性，其控制精度高，可輸出很大的功率，可以進行無級變速，其反應靈敏，可以實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制其氣體壓縮性大，但是精度低，阻尼效果也不是很好，低速時很難控制，不適合高速、高精度的連續(xù)軌跡控制其控制精度高，輸出功率比較大，定位精度較高，反應靈敏，可實現(xiàn)高速、告警的的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，但控制形同復雜結(jié)構(gòu)性能及其所占體積其機構(gòu)適宜，執(zhí)行機構(gòu)可以標準化、模擬化，比較容易實現(xiàn)直接驅(qū)動。其功率/質(zhì)量比較大，體積小，并且結(jié)構(gòu)緊湊，但是密封問題較大氣結(jié)構(gòu)適當，執(zhí)行機構(gòu)可以標準化、模擬化，榮易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大，體積叫小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題確是較小其伺服電動機易于標準化，噪聲低，結(jié)構(gòu)性能好，電機一般應配置減速裝置，除DD電動機外，很難直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)比較緊湊，沒有密封問題對環(huán)境的影響期存在漏油風險，對環(huán)境可能污染排氣噪聲比較嚴重無安全性它是以液壓油作為傳動介質(zhì)，一定條件下有可能引發(fā)火災，防爆性能較好，其自身壓強不能過大，當其壓強超高10個標準大氣壓是，應注意設備的抗壓性，防爆性能好，直流電動機換向時可能產(chǎn)生電火花，對周圍環(huán)境的防爆性能較差，設備本身無爆炸和火災危險，成本成本較高成本低成本高維修及使用維修方便，但油液對環(huán)境有一定的要求比較方便相對來說比較復雜在工業(yè)機器人中應用范圍比較適用于重載、低速驅(qū)動，適用于噴涂機器人、托運機器人和點焊機器人一般用于中小負載驅(qū)動、精度要求較低的控制機器人，比如沖壓機器人的氣動平衡；裝配機器人的氣動夾具可用于中小負載、但要求具有較高的軌跡控制精度和位置控制精度的機器人，如點焊機器人、AC伺服噴涂機器人、裝配機器人以及弧焊機器人等由上表可以得出，各種驅(qū)動方式都有它們自己的特點，對本次機器人的伺服驅(qū)動系統(tǒng)的要求如下：(a)驅(qū)動系統(tǒng)的質(zhì)量應該盡可能的輕，這樣才能使輸出的功率高，才能實現(xiàn)比較高的生產(chǎn)效率；(b)其反應速度要快，力矩轉(zhuǎn)動慣量比和力矩質(zhì)量比要大，使焊接機器人能進行頻繁地正、反轉(zhuǎn)切換，以及起、制動等；(c)安全性必讀得到切實的保障，這是任何產(chǎn)品設計使用時所必須遵守的原則；(d)驅(qū)動也要選擇比較靈活的，靈活的驅(qū)動方式可以減小速度偏差和位移偏差；(e)要盡可能減小對周圍的環(huán)境污染，還有就是噪聲要小，成本不易過高；(f)應該遵循操作和維護都要方便的原則；2.3鍵的校核圖2.7鍵示意圖在平鍵連接時，它的實效主要是由于工作面被壓潰而導致，除非是當嚴重過載時，一般來說是不會出現(xiàn)鍵的斷裂。所以，一般我們只需按其工作面上的擠壓應力進行強度的計算。而對導向平鍵聯(lián)接來說，其主要是由過度磨損引起的失效，一般按照工作面上的壓力進行強度校核計算。假定鍵上的載荷分布均勻，平鍵連接的強度為p=2T*103/kld[p]（2.22）k—鍵與輪轂鍵槽接觸的高度，k為0.5h,這里的h為鍵高度；T—傳遞的轉(zhuǎn)矩，其單位為N*m；d—軸直徑；l—鍵工作長度；[p]—最弱材料的許用應力，其單位為MPa我們選擇肩部一個鍵8*7*50舉例計算p=2T*103/kld[p]=53.25MPa100MPa（2.23）所以可以驗證其成立，同理驗證其他。2.4軸的校核選擇材料為45鋼重物經(jīng)估計約為80kg，設計軸的寬為45cm,軸的長度為壓力均勻分布長度100cmq=80*9.8/1=784N(2.24)由于載荷及支撐反力幾乎對稱，故兩端支撐反力為：Fa=Fb=2.17/2=1.085(2.25)由于截面左側(cè)的外力只有Fa，且Fa在截面上引起剪力為正，故C上剪力為Fc=Fa=1.085KN。彎矩為(2.26)彎曲強度條件為：δmax=Mmax/W≤[δ]=91.33Mpa<100Mpa(2.27)故可以根據(jù)軸的尺寸選擇來選擇軸承。3控制系統(tǒng)3.1控制系統(tǒng)的選擇機器人控制系統(tǒng)是其控制和信息處理的主體,它設計性能的好壞直接決定了機器人系統(tǒng)的整體能力。在先前的機器人中,尤其是工業(yè)機器人，它們所采用的控制系統(tǒng)一般是設計者根據(jù)機器人本身的結(jié)構(gòu)開發(fā)的,其采用了專用計算機、專用操作系統(tǒng)、專用機器人語言、專用微處理器,這種封閉式的結(jié)構(gòu)限制了當時機器人的靈活性和可擴展性。伴隨著科技的不斷發(fā)展,現(xiàn)代化生產(chǎn)和對機器人研究的深入，人們對機器人控制器開放性的要求越來越迫切.現(xiàn)代化高精尖制造業(yè)要求工業(yè)機器人具有更強大的編程環(huán)境和更大的柔性,為了提高機器人智能水平和系統(tǒng)性能,就要求機器人控制器具有集成各種外部傳感器的能力和開放結(jié)構(gòu)[6]。要建立控制系統(tǒng)，首先需要選擇硬件平臺，控制系統(tǒng)硬件平臺對于系統(tǒng)的開放性、實現(xiàn)方式和工作量有很顯著的影響。封閉式的結(jié)構(gòu)具有特定的使用環(huán)境、特定的功能,不方便對系統(tǒng)進行改進和擴展，其軟件的獨立性也很差。它的邏輯結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)太過于依賴硬件。所以，開放式機器人控制系統(tǒng)是現(xiàn)代機器人研究的重要方向。常用的控制系統(tǒng)應滿足：硬件結(jié)構(gòu)具有實時計算能力；硬件系統(tǒng)基于標準總線機構(gòu)，具有可伸縮性；硬件系統(tǒng)實現(xiàn)模塊化，方便更改傳感器、各種接口和特殊計算機等；還有就是降低成本。3.2控制系統(tǒng)的搭建控制系統(tǒng)是機器人伺服控制系統(tǒng)的核心,它能夠完成對各個軸與電機的變頻器整流控制、運動控制、人機界面、系統(tǒng)保護和保持與上位機之間通信等功能。其中DSP是整個控制系統(tǒng)的核心部件,它能夠?qū)崿F(xiàn)六軸伺服電機的控制算法和伺服系統(tǒng)的保護以及整流器的控制等。因此，我們可以確定此次設計的焊接機器人控制系統(tǒng)的為基于DSP的微機控制的焊接機器人的控制結(jié)構(gòu)。它由計算機控制系統(tǒng)、DSP控制系統(tǒng)、驅(qū)動裝置、手動控制系統(tǒng)、反饋裝置等組成。首先是計算機控制系統(tǒng)。它通過USB接口與DSP控制系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，同時對還能進行實時的控制與監(jiān)視，系統(tǒng)能夠根據(jù)給定電機的相關參數(shù)以及對反饋信號信號的處理，進而達到對系統(tǒng)進行控制的目的。RAM為DSP的存儲結(jié)構(gòu)，它能掉電失憶，即我們通常所說的易揮發(fā)性。它能夠縮短加工時DSP讀入讀出數(shù)據(jù)和程序所用的時間，并將寫入的數(shù)據(jù)進行先期處理，然后處理好的數(shù)據(jù)輸入到隨機的存儲器中，供系統(tǒng)使用。位置開關能夠發(fā)出信號，這是我們判斷系統(tǒng)進行運動和停止時的依據(jù)。而手控系統(tǒng)是對自動控制的補充，主要用來進行一些比較簡單的控制和加工過程[7]。光電編碼器是數(shù)字伺服控制系統(tǒng)必不可少的反饋電機運動信息所需的器件。我們把光電編碼器固定在電機軸的一個轉(zhuǎn)盤上,轉(zhuǎn)盤上面刻有均勻細縫,轉(zhuǎn)盤的一邊是光電轉(zhuǎn)換器件,另一邊是光源。電機轉(zhuǎn)動時轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動,于是光源就可以透過細縫照到光電轉(zhuǎn)換器上,并使之產(chǎn)生一定頻率的電壓脈沖,而控制器就可以根據(jù)這些脈沖的寬度和頻率獲得電機的轉(zhuǎn)速和位置。焊接機器人上有六個轉(zhuǎn)動關節(jié),一次我們需要在每個關節(jié)都安裝一個伺服電機進行單獨的驅(qū)動。一次我們需要安裝6個光電編碼器才能達到我們設計所需的要求。DSP要處理計算機和處理器之間的通信問題，同時還要對電機的運行狀態(tài)進行監(jiān)控。這些就要求DSP具有良好的豐富的外部空間、運算功能以及中斷資源的能力。根據(jù)以上這些情況，我們決定選擇的DSP型號為TMS320LF2407[8]。3.2.1DSP芯片本系統(tǒng)所使用的DSP芯片是TI公司C2000系列中的TMS320-LF2407。它是專門為基于控制應用而設計的。此系列的DSP芯片將具有豐富的微控制器外設功能以及高性能的DSP內(nèi)核集成于單片中，使它成為傳統(tǒng)的高成本的單片設計和微處理器單元理想的替代產(chǎn)品。它具有20MIPS到40MIPS的指令運算能力，這使得TMS320-LF2407控制器能提供比傳統(tǒng)的為空氣更高的性能以及性價比。LF2407作為TMS320F24X系列的產(chǎn)品，具有用于高速信號處理和數(shù)字控制功能所必需的結(jié)構(gòu)，同時還具有單片電機控制所必需的外設功能。它具有改進的哈佛結(jié)構(gòu)，可以通過外部總線分別訪問數(shù)據(jù)、程序、輸入/輸出三個獨立的空間[9]。生產(chǎn)該型號芯片的是TI公司。美國TI公司是世界上專門從事DSP器件設計和制造的大廠商之一,其DSP產(chǎn)品特別適用于通信、控制和消費類電子產(chǎn)品。其中C2000系列具有獨特的技術先進性,被交流變頻產(chǎn)品普遍采用,而TMS320LF2407是該系列中功能最強大的一款。它的電機控制主要由其EV(Event-Manager,事件管理器)完成。3.2.2硬件工作原理我們要求焊接機器人能準確的執(zhí)行主機的指令并迅速的將其執(zhí)行，同時還應該能夠較好的完成運動、停止等的動作，這些動作的完成質(zhì)量和它相應的控制系統(tǒng)的先進性是密切相關的，它是以CPU為核心，同時由時鐘單元、電源單元等組成。3.2.3P電機是由PWM驅(qū)動電路來控制的。我們所用的TMS320LF240產(chǎn)生的PWM，其有效值為3.3V，不符合電機的額定電壓。因此，我們需要用PAC伺服放大器驅(qū)動電機，也就是要把DSP芯片產(chǎn)生的4路PWM，先通過通過PAC伺服放大器放大電壓之后，來驅(qū)動伺服電機運轉(zhuǎn)。伺服放大器同樣可以用來接收光電編碼器的信號，再通過伺服放大器把信號傳給DSP系統(tǒng)，然后DSP控制系統(tǒng)會針對傳入的信號，發(fā)處相對應的處理信號，這些信號可以用來調(diào)節(jié)電機運動狀態(tài)[10]。3.2.4這次設計采用的是北京PAC公司生產(chǎn)的與PAC伺服放大器相適合的伺服電機，它自帶著光電編碼器，可以輸出兩路脈沖序列。同時TMS320LF2407擁有兩個正交編碼電路，這樣就讓我們可以測出電機的轉(zhuǎn)速而無需外另外再增加測試電路，這樣就可以極大的減少總體電路所需要的空間，這就在一定程度上提高了電路的穩(wěn)定性。3.2.5CANCAN數(shù)據(jù)通信單元主要用來實現(xiàn)DSP與上位機之間的通信。為了能夠?qū)崿F(xiàn)機器人的快速靈活,我們要求DSP與上位機的通信速度盡可能得快。在TMS320-LF2407提供的三種串行總線中,SCI相對于SPI而言,雖然使用的線少一半,但速度相比而言也要慢很多,在40MHz的CPU時鐘下,SCI的通信波特率最高只能到1875Kbps,而SPI在30MHz下最高就能達到7.5Mbps。但是CAN總線能夠進行遠距離的通信,速度較之SPI差不多,所以我們在此選擇CAN總線[12]。其CAN總線如圖3.3所示：圖3.3CAN總線與計算機通信的方式一般有四種:RS-232異步串口、并口、PCI總線和USB總線。并口與PCI總線連線過多且與SPI連接轉(zhuǎn)換很困難,而USB總線雖然速度能滿足要求,而且也能較方便地與SPI總線實現(xiàn)連接轉(zhuǎn)換，但是其成本偏高。而RS-232雖然速度比較低，但是與CAN連接轉(zhuǎn)換最方便。所以與上位機的通信選用了RS-232[13]。RS-232是美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)制定的串行總線的物理接口標準之一，這一標準規(guī)定了在串行通信中，從屬模塊和主控制模板之間的物理連接線路的電氣、機械、過程特性和功能，兩端都必須遵循這一共同的約定。由于串行通訊方式具有成本低、使用線路少的特點，它特別適用于遠程傳輸，從而避免了多條線路特性的不一致，因而被廣泛采用。目前通信工業(yè)與PC機中應用最廣泛的一種串行接口就是RS-232。其示意圖如人如3.4所示：圖3.4RS-232電路示意圖3.2.6CPLDCPLD單元是偶一片CPLD芯片和若干中等規(guī)模的邏輯芯片共同組成的。其作用是用來實現(xiàn)驅(qū)動的接收與轉(zhuǎn)換、手動按鍵信號、數(shù)碼顯示，還有就是輔助DSP與外存間的通信。這里選用的CPLD是CYPRESS公司Ultra37000系列中的CY37064VP100。它具有64個I/O引腳,64個宏單元,工作頻率最高可達143MHz,可以進行比較復雜的組合邏輯與實時運算,可以滿足我們的設計要求[14]。為了保障系統(tǒng)安全，同時也是為了調(diào)試方便,每片TMS320-LF2407都能產(chǎn)生一些表示當前運行狀態(tài)的信號,再用4個獨立I/O接口把這些信號發(fā)送CY37064V,它再經(jīng)過片內(nèi)的邏輯轉(zhuǎn)換,之后驅(qū)動數(shù)碼管就可以顯示出每片TMS320-LF2407的狀態(tài)信息了。這樣,我們可以在系統(tǒng)調(diào)試或運行時,就能直接通過肉眼干差系統(tǒng)當前的運動狀態(tài)了,這樣就方便我們對危險情況做出及時的處理了。在系統(tǒng)運行或是調(diào)試的時候,有時需要我們?nèi)耸种苯痈深A系統(tǒng)的運行,這是要求我們在控制基板配備手動輸入按鍵,按鍵的信號由CPLD通過邏輯轉(zhuǎn)換進行處理后,被輸入到51單片機內(nèi)核的USB邏輯轉(zhuǎn)換芯片里,在此芯片中經(jīng)過一些處理后可以控制相應的DSP做處對應的操作[15]。3.2.7（1）顯示電路為了在系統(tǒng)調(diào)試時，能夠進行直觀的觀察與操作，我們選用液晶顯示模塊。如圖3.5所示：圖3.5顯示模塊電路作為顯示電路，它的結(jié)構(gòu)簡單，簡單的結(jié)構(gòu)減少了它出現(xiàn)故障的幾率，同時簡單的結(jié)構(gòu)也使得它的維護非常的方便，更是降低了成本。直觀的界面更是方便了使用人員對整機的狀況有更加詳細的了解（2）JTAG電路為了便于對系統(tǒng)的升級與調(diào)試，我們在設計電路的時候需要預留出JTAG調(diào)試接口，以對DSP進行升級與調(diào)試。圖3.6JTAG電路JTAG作為調(diào)試接口，能迅速的將接受到的信息發(fā)送到輸出端口，非常方便用戶了解DSP輸出的信息，這樣就非常的方便用戶根據(jù)JTAG輸出的信息了解整機的情況，方便對DSP的生機與調(diào)試。2）擴展電路擴展電路的主要作用就是為了方便系統(tǒng)以后的升級工作，這樣方便外圍電路的擴展，便于以后為電路部分添加元件。這樣能夠保持系統(tǒng)的先進性，能夠引入先進的控制方式，以提高焊接機器人生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量擴展接口的作用是接行程開關等[16]。此電路接口可以支持多種的外設，非常的方便用戶對其功能進行擴展。圖3.8為其DSP擴展電路：圖3.8DSP擴展電路DSP擴展電路是為了更好的方便用戶對焊接機器人進行硬件上的升級。當然根據(jù)實際情況，我們還可以增加更多的DSP擴展電路，來滿足需要對焊接機器人進行多方面升級的。4結(jié)論4.1已完成工作工業(yè)機器人自從80年代開始在國內(nèi)已經(jīng)開始飛速的發(fā)展起來，到現(xiàn)在來說雖然離世界尖端水平還有一段差距，但是已經(jīng)很廣泛的在應用，也就是說在國內(nèi)還有很大的發(fā)展前景，在這方面需求的技術也非常的多，包含著很多機遇，也蘊藏著嚴峻的挑戰(zhàn)。本文針對學習的需求對六自由度機器人進行了簡單的設計，目的就是了解工業(yè)機器人的設計過程，掌握一些基本的東西，為以后能為國內(nèi)工業(yè)機器人的發(fā)展盡一些微薄之力。根據(jù)本文所做的工作，得到以下幾點結(jié)論：1)根據(jù)機器人的任務要求，提出了六自由度的總體構(gòu)型，完成了機器人系統(tǒng)總體方案的設計。2)進一步完成機器人具體關節(jié)的設計。3)完成了機器人本體結(jié)構(gòu)的設計。4)此次設計的機器人控制系統(tǒng)，是基于DSP的控制系統(tǒng)。通過對DSP及其外設的了解和觀察，才最終完成了對給予DSP的焊接機器人的控制系統(tǒng)的設計4.2存在的不足此次畢業(yè)設計給了我們充足的時間，但是由于我設計經(jīng)驗不足，在設計時難免會存在各種的不足。還希望各位老師予以指正。本課題還有許多工作有待進一步完成，主要包括：1)完成教學機器人的控制系統(tǒng)測試。2)編寫和測試程序代碼，最終實現(xiàn)教學機器人上位機上的各項軟件功能。3)對機器人系統(tǒng)進行聯(lián)調(diào)，最終完成整個教學機器人系統(tǒng)的研制工作。4)建立單關節(jié)控制模型，設計了單關節(jié)位置伺服系統(tǒng)，并對控制器的參數(shù)進行了調(diào)節(jié)，給出了PID算法的計算機實現(xiàn)方法。5)模塊化是焊接機器人發(fā)展方向之一。模塊化的焊接機器人將具有更高大的發(fā)展空間。模塊化的焊接機器人可以更加方便的升級系統(tǒng)，這樣可以以盡可能少的成本來獲得性能盡可能高的焊接機器人。6)激光焊在將來具有很大的發(fā)展前景，但是由于因結(jié)構(gòu)過于復雜，本文并未對其進行探討。主要是因為激光的特殊性，使得它的成本過于高昂。而且其必須安裝特殊裝置來保證焊接過程的安全性。這也是其成本過于高昂的原因之一。參考文獻[1]張鐵,謝存禧.機器人學[M].廣州：華南理工大學出版社，2003:23-51．[2]王超.類人機器人上肢體的設計與動力學仿真［D］．上海：上海大學2007:13-21．[3]倪志蓮.MOTOMAN-K100S機器人運動學方程的建立[J].機器人學報:2003，7(2):15-21．[4]熊有倫.機器人技術基礎[M].武漢：華中理工大學出版社，1996:25-31．[5]J.Milano,S.D.Mauk,L.Flitter,R.Morris.AnIntelligentApproachtoWeldingRobotSelection(J):2007(4):683-686[6]盧炳恒.機械制造技術基礎[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2005:32-37．[7]孫恒.機械原理[M]．北京：高等教育出版社．2006:25-26．[8]王海濱.四自由度機器人機械系統(tǒng)的研究［D］．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學2006:13-15．[9]程遠.五自由度教學機器人的運動學分析[J].機器人:2009,10(8):4-7．[10]羅良武.工程圖學及計算機繪圖[M]．北京：機械工業(yè)出版社,2003:156-161．[11]YuanLi.QinglinWang1,ZhiguoYan2,DeXu2,andMinTan2.DesignandCoordinatedMotionControlofaWeldingRobotforLargeScaleWorkpieces[J]:2008(7):101–110．[12]張新予,匡以順.七自由度機器人控制系統(tǒng)方案設計[J].機器人技術:2009，8(3):3-7．[13]陳偉華,張鐵.六自由度噴涂機器人插補算法的研究[D].江西:南昌大學2009:37-42．[14]楊雄,孔慶忠,張海平.五自由度關節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)設計及其動態(tài)仿真研究[D].武漢：武漢理工大學2009:43-45．[15]宋海波,曹西京.基于IPC和DSP的六自由度搬運機器人控制器研究[D].武漢:華中科技大學2009:12-14．[16]劉鵬飛，韓九強,周挺.基于多DSP的自由度機器人伺服控制系統(tǒng)研究[J].機器人技術：2005，4[8]:25-32．[17]孫永強.基于DSP的機械臂閉環(huán)控制方法的研究[D].山西：太原理工大學2009:11-24．基于C8051F單片機直流電動機反饋控制系統(tǒng)的設計與研究基于單片機的嵌入式Web服務器的研究MOTOROLA單片機MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機的通用控制模塊的研究基于單片機實現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機控制的二級倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強型51系列單片機的TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)基于單片機的蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機系統(tǒng)的圖像采集與處理技術的研究基于單片機的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機的交流伺服電機運動控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機的泵管內(nèi)壁硬度測試儀的研制基于單片機的自動找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機的液壓動力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機實現(xiàn)一種基于單片機的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機的噴油泵試驗臺控制器的研制基于單片機的軟起動器的研究和設計基于單片機控制的高速快走絲電火花線切割機床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機的機電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機的智能手機充電器基于單片機的實時內(nèi)核設計及其應用研究基于單片機的遠程抄表系統(tǒng)的設計與研究基于單片機的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機系統(tǒng)單片機系統(tǒng)軟件構(gòu)件開發(fā)的技術研究基于單片機的液體點滴速度自動檢測儀的研制基于單片機系統(tǒng)的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機的電能采集終端的設計和應用基于單片機的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線性摩擦焊機單片機控制系統(tǒng)的研制基于單片機的數(shù)字磁通門傳感器基于單片機的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究基于單片機的光纖Bragg光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究單片機控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機的多生理信號檢測儀基于單片機的電機運動控制系統(tǒng)設計Pico專用單片機核的可測性設計研究基于MCS-51單片機的熱量計基于雙單片機的智能遙測微型氣象站MCS-51單片機構(gòu)建機器人的實踐研究基于單片機的輪軌力檢測基于單片機的GPS定位儀的研究與實現(xiàn)基于單片機的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機的時控和計數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機和CPLD的粗光柵位移測量系統(tǒng)研究單片機控制的后備式方波UPS提升高職學生單片機應用能力的探究基于單片機控制的自動低頻減載裝置研究基于單片機控制的水下焊接電源的研究基于單片機的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于uPSD3234單片機的氚表面污染測量儀的研制基于單片機的紅外測油儀的研究96系列單片機仿真器研究與設計基于單片機的單晶金剛石刀具刃磨設備的數(shù)控改造基于單片機的溫度智能控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)基于MSP430單片機的電梯門機控制器的研制基于單片機的氣體測漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機的CAN/USB協(xié)議轉(zhuǎn)換器基于單片機和DSP的變壓器油色譜在線監(jiān)測技術研究基于單片機的膛壁溫度報警系統(tǒng)設計基于AVR單片機的低壓無功補償控制器的設計基于單片機船舶電力推進電機監(jiān)測系統(tǒng)基于單片機網(wǎng)絡的振動信號的采集系統(tǒng)基于單片機的大容量數(shù)據(jù)存儲技術的應用研究基于單片機的疊圖機研究與教學方法實踐基于單片機嵌入式Web服務器技術的研究及實現(xiàn)基于AT89S52單片機的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于單片機的多道脈沖幅度分析儀研究機器人旋轉(zhuǎn)電弧傳感角焊縫跟蹤單片機控制系統(tǒng)基于單片機的控制系統(tǒng)在PLC虛擬教學實驗中的應用研究基于單片機系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信研究與應用基于PIC16F877單片機的莫爾斯碼自動譯碼系統(tǒng)設計與研究基于單片機的模糊控制器在工業(yè)電阻爐上的應用研究基于雙單片機沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)基于Cygnal單片機的μC/OS-Ⅱ的研究基于單片機的一體化智能差示掃描量熱儀系統(tǒng)研究基于TCP/IP協(xié)議的單片機與Internet互聯(lián)的研究與實現(xiàn)變頻調(diào)速液壓電梯單片機控制器的研究基于單片機γ-免疫計數(shù)器自動換樣功能的研究與實現(xiàn)HYPERLINK"/detail.h