【正文】 盤類零件HUB專用機器人Y軸設(shè)計畢業(yè)論文第1章 機器人與AMPCI9102 機器人概述 機器人(Robot)是一種既可以運行編制好的程序，也能接受人類指令，還可以根據(jù)以人工智能技術(shù)基礎(chǔ)作為行動準(zhǔn)則自動執(zhí)行工作的機器裝置。其目標(biāo)是在建筑業(yè)、生產(chǎn)業(yè)、或是其他危險的工作領(lǐng)域方面協(xié)助或取代人類工作。我國的機器人,基于使用環(huán)境的考慮，可以被分為特種類和工業(yè)類機器人。特種機器人包括水下機器人、軍用機器人、服務(wù)機器人、農(nóng)業(yè)機器人、娛樂機器人、機器人化機器人等，是一種服務(wù)于人類、應(yīng)用在非制造業(yè)行業(yè)的各種智能化機器人。而工業(yè)機器人則是針對工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或者多軸自由度機器人。圖11 直角坐標(biāo)型工業(yè)機器人主要由驅(qū)動、主體和控制系統(tǒng)幾個模塊構(gòu)成。大多數(shù)工業(yè)機器人有3個或者5個自由度,有時也會有6個自由度。抓取和移動是工業(yè)機器人最主要的功能。而良好的伺服控制驅(qū)動系統(tǒng)和精巧的機械結(jié)構(gòu)是這兩項功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)技術(shù)。工業(yè)機器人可以被分為以下四種基本結(jié)構(gòu)。(如圖11所示)：它有三個移動關(guān)節(jié)，三個移動關(guān)節(jié)可以作三個方向的獨立位移,而不會互相受到干擾。此種類型的機器人，有較高的定位精度，微機控制較為簡便。其不足是所占空間較大，運動方式不夠靈活自如，運動的速率相對來說也比較低。（如圖12所示）：它有一個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和兩個移動關(guān)節(jié)，末端操作器的安裝軸線的位置通過(z,r,θ)坐標(biāo)來表示。此種型式的機器人，所占的空間范圍較小，但其工作空間較大，末端執(zhí)行機構(gòu)可獲得較高的運動速率。它的缺點是末端執(zhí)行機構(gòu)離Z軸愈遠(yuǎn)，其執(zhí)行位置精度越低。圖12 圓柱坐標(biāo)型（如圖13所示）:它有一個移動關(guān)節(jié)和兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，末端操作器的安裝軸線之位置由((θ,ψ，r)坐標(biāo)來表示。此型式的機器人，所占據(jù)的空間范圍同樣比較小，工作空間較大。圖13 球坐標(biāo)型（如圖14所示）:肩關(guān)節(jié)肘關(guān)節(jié)兩個自由度可進(jìn)行轉(zhuǎn)動，而機身上部則相對于機身下部可實現(xiàn)另一自由度的轉(zhuǎn)動。腕關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動屬于末端執(zhí)行機構(gòu)的自由度。該種結(jié)構(gòu)的機器人，所占空間相對較小，而工作區(qū)間相對較大，還可以輕松地繞過機身四周的障礙物，是當(dāng)前普及較多的一種機型。圖14 關(guān)節(jié)型操作型面向工業(yè)方面的應(yīng)用行業(yè)主要有機械加工業(yè)，汽車業(yè)等。而工業(yè)機器人衡量可靠性性能的指標(biāo)主要有作業(yè)范圍、負(fù)載、精度速度等，這些可以反映其作業(yè)能力。目前，國內(nèi)研究熱點包括各種形式的作業(yè)臂、新型驅(qū)動、控制方式等。而盤類零件HUB專用機器人是用來搬運盤類零件的一種專用機器人。本次設(shè)計采用直角坐標(biāo)式設(shè)計完成盤類零件HUB專用機器人Y軸的設(shè)計，完成從伺服控制系統(tǒng)到整體結(jié)構(gòu)設(shè)計。 數(shù)據(jù)采集控制板AMPCI9102AMPCI9102板卡屬于PCI總線通用數(shù)據(jù)采集控制板，它可以直接安裝到具備PCI插槽的個人微機的或者工控機（如圖15）當(dāng)中。它可構(gòu)成頻率測量、脈沖計數(shù)、脈沖信號發(fā)生器等電路。另外還具備采集數(shù)字量電壓信號和模擬量電壓信號、監(jiān)視輸入和數(shù)字量電壓信號輸出、模擬量電壓信號輸出及計數(shù)定時系統(tǒng)等功能?？杀贿x擇的雙端8路/單端16路的模擬量數(shù)據(jù)采集輸入通道被AMPCI9102提供, 此通道具有程控放大功能,它可以直接驅(qū)動6路16位計數(shù)定時通道(二片82C54)。它的所有讀寫操作能力均為16Bit。該采集板結(jié)構(gòu)如圖16所示。 圖15 數(shù)據(jù)采集卡的安裝與接線圖16 AMPCI9102 數(shù)字量輸入/輸出插座J1定義（如圖17）： 圖17 信號輸入/輸出插座定義跨接線選擇定義：JPJP2：模擬信號單雙端輸入選擇跳線a: 單端輸入：JP1的2短接，4短接，JP2的2短接（出廠狀態(tài)）如圖18。圖18 單端輸入（出廠狀態(tài)）b: 雙端輸入：JP1的3短接，5短接，JP2的3短接圖19 雙端輸入在本次設(shè)計當(dāng)中選用單端輸入，即默認(rèn)出廠狀態(tài)。43第2章 控制系統(tǒng)電路設(shè)計 電機和驅(qū)動器的選用步進(jìn)電機是按照固定的角度非連續(xù)地、一步一步地旋轉(zhuǎn)的。它可直接實現(xiàn)數(shù)字控制。在沒有超載的情況下，脈沖信號的頻率以及脈沖個數(shù)決定了它的轉(zhuǎn)速和停止的位置，而不是被負(fù)載變化影響。通過控制脈沖個數(shù)可以對角位移量進(jìn)行控制，但由于它的非連續(xù)性，所以不能定位到任意位置，只能是盡可能地接近，且它屬于開環(huán)控制。它適用于傳動功率不大的關(guān)節(jié)型機器人。交流伺服電機在調(diào)速性能方面優(yōu)于步進(jìn)電機，其精度取決于編碼器的精度（線數(shù)），而增量式編碼盤的反饋可以達(dá)到步進(jìn)電機達(dá)不到的精度。因為它本身具備發(fā)出脈沖的功能，因此伺服驅(qū)動器就和伺服電機編碼器的脈沖之間可以形成呼應(yīng)，所以屬于閉環(huán)控制。而它的響應(yīng)速度也快得多。因此，步進(jìn)電機和伺服電機的區(qū)別在于：控制精度不同：前者的相數(shù)和拍數(shù)的多少決定了精確度的高低，而后者取決于自帶的編碼器，精度隨著編碼器的刻度的增多而增多。而后者的精度一般優(yōu)于前者。控制方式不同：一個是開環(huán)控制，一個是閉環(huán)控制。低頻時表現(xiàn)不同：在低速時前者需要采用阻尼技術(shù)或細(xì)分技術(shù)將低頻下振動的現(xiàn)象克服。而后者運轉(zhuǎn)一直很平穩(wěn)，不可能出現(xiàn)振動現(xiàn)象。因為它具備共振抑制的功能，可以很好地檢測出機械的共振點從而利于系統(tǒng)做出調(diào)整。矩頻特性不同：交流伺服電機輸出方式為恒力矩輸出，而步進(jìn)電機的輸出力矩則會隨轉(zhuǎn)速升高而下降。過載能力不同：步進(jìn)電機一般不具有過載能力，而交流電機具有較強的過載能力。運行可靠度不同：前者承受載荷過大或者啟動時，容易產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)或丟步的情況，而停止時又容易出現(xiàn)過沖現(xiàn)象。而對于交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)來說，其驅(qū)動器可以直接采集電機編碼器的反饋信號，其內(nèi)部可以構(gòu)成速度環(huán)路和位置環(huán)路一般不會出現(xiàn)前者會出現(xiàn)的情況，控制性能較步進(jìn)電機更為可靠。速度響應(yīng)快慢不同：從靜止達(dá)到工作轉(zhuǎn)速，步進(jìn)電機需要上百毫秒的加速過程。相反，交流伺服系統(tǒng)的加速性能較步進(jìn)電機好得多，一般只需要幾毫秒，可以應(yīng)用于要求快速啟動或者停止的控制場所。依據(jù)以上逐條的分析比較，在各個性能方面，步進(jìn)電機都比交流伺服電機顯弱，因此在現(xiàn)有實驗設(shè)備情況下， 本次設(shè)計采用了日本三菱公司的MRJ3A伺服放大器，該伺服放大器較之三菱通用伺服MELSERVOJ3系列具有功能更加豐富、性能更優(yōu)越的優(yōu)點。本伺服放大器不僅可以用于普通工業(yè)機械和機床的高精度定位以及平滑的速度控制同時還可以用于線控制和張力控制等領(lǐng)域，其應(yīng)用渠道十分廣闊。另外，本產(chǎn)品具備USB和RS422串行通信的功能，可以采用帶有伺服裝置的PC機來對參數(shù)進(jìn)行設(shè)定、調(diào)試運行、對狀態(tài)顯示的監(jiān)控以及增益調(diào)整等活動。此伺服放大器可以自動調(diào)整伺服的增益。MRJ3A伺服電機采用了極高分辨率的絕對位置編碼器，因此，它可以實施更為高精度的控制。 伺服放大器在安裝好電池后就可保持絕對位置檢測功能。而進(jìn)行過初始原點的設(shè)定后，在開啟開關(guān)和報警發(fā)生時都不用再次進(jìn)行原點的重設(shè)。由于交流伺服電機在數(shù)控機床中被當(dāng)做執(zhí)行元件，所以轉(zhuǎn)子速度的變化需要能夠很好地反映控制信號，當(dāng)沒有控制信號時轉(zhuǎn)子就不轉(zhuǎn)動，而當(dāng)它在轉(zhuǎn)動時，假如控制信號突然消失，轉(zhuǎn)子就要隨之迅即停止。其控制模式含速度控制模式、位置控制模式和轉(zhuǎn)矩控制模式三種。(1) 速度控制模式通過參數(shù)設(shè)置的內(nèi)部速度指令或外部模擬速度指令可以對伺服電機的速度和方向進(jìn)行高精度的平穩(wěn)控制。此外，該模式還具有加減速時間常數(shù)設(shè)定功能可用于速度指令、伺服鎖定功能（在停止時）以及速度指令偏置自動調(diào)整功能（用于外部模擬量）。 (2)位置控制模式: 該模式具有位置平滑功能，它可以根據(jù)機械情況從既有的兩種模式中進(jìn)行選擇。 比如當(dāng)位置指令脈沖急劇變化時，它可以使啟動和停止更平穩(wěn)。另外該模式還可以使用最大1Mpps的高速脈沖串，使其對轉(zhuǎn)動方向以及速率兩個因素實施命令，進(jìn)而實現(xiàn)高分辨率的高精度定位。另外，在該模式下，為了限制轉(zhuǎn)矩，還使用了嵌位電路。通過外部模擬量輸入或參數(shù)設(shè)置的方式調(diào)整可以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的限制。(3) 轉(zhuǎn)矩控制模式 伺服電機的輸出轉(zhuǎn)矩可以通過內(nèi)部參數(shù)設(shè)置的轉(zhuǎn)矩指令或外部模擬量轉(zhuǎn)矩輸入指令來控制。該模式下可以對速度進(jìn)行限制，此功能可用于張力調(diào)控等場所，可以防止無負(fù)載時電機速度過高的現(xiàn)象。伺服放大器接線原理：根據(jù)三菱公司提供的技術(shù)資料，連接HFKP13伺服電機與MRJ3A伺服驅(qū)動器接線原理圖與真實接線模塊如圖21。MRJ3A伺服驅(qū)動器不同的控制模式的控制信號接口CN1有其不同的連接方法，本次設(shè)計采用位置控制模式，其信號連接狀態(tài)如圖22所示。圖21 伺服放大器與伺服電機的連接三種控制模式可以通過CN1接口用外部信號LOP進(jìn)行相互切換（圖23）。當(dāng)參數(shù)PA01為0001H時，可進(jìn)行位置/速度切換；當(dāng)參數(shù)PA01為0003H時，可進(jìn)行速度/轉(zhuǎn)矩切換；當(dāng)參數(shù)PA01為0005H時，可進(jìn)行轉(zhuǎn)矩/位置切換。本實驗裝置設(shè)置參數(shù)PA01為0000H，工作狀態(tài)采用位置控制模式。位置控制模式的控制信號有多種指令輸入形式，可以通過設(shè)定參數(shù)PA13指定。參數(shù)默認(rèn)為0000H，以正邏輯的方式進(jìn)行正反脈沖串控制；如果采用脈沖和方向（脈沖串+符號）作控制信號，則該參數(shù)設(shè)置應(yīng)為0011H（負(fù)邏輯）或者0001H（正邏輯）。本實驗控制方式采用正邏輯、脈沖串+符號，因此，設(shè)定參數(shù)PA13為0001H，見圖25所示。脈沖和符號信號通過編程，由數(shù)據(jù)采集卡發(fā)出，數(shù)據(jù)采集卡與CN1的連接如圖15右和表21所示。圖22