【正文】 盤類零件HUB專用機(jī)器人Y軸設(shè)計(jì)畢業(yè)論文第1章 機(jī)器人與AMPCI9102 機(jī)器人概述 機(jī)器人(Robot)是一種既可以運(yùn)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(dòng)準(zhǔn)則自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。其目標(biāo)是在建筑業(yè)、生產(chǎn)業(yè)、或是其他危險(xiǎn)的工作領(lǐng)域方面協(xié)助或取代人類工作。我國的機(jī)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(jī)器人。特種機(jī)器人包括水下機(jī)器人、軍用機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、娛樂機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)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(jī)器人。而工業(yè)機(jī)器人則是針對(duì)工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或者多軸自由度機(jī)器人。圖11 直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人主要由驅(qū)動(dòng)、主體和控制系統(tǒng)幾個(gè)模塊構(gòu)成。大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人有3個(gè)或者5個(gè)自由度,有時(shí)也會(huì)有6個(gè)自由度。抓取和移動(dòng)是工業(yè)機(jī)器人最主要的功能。而良好的伺服控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)是這兩項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)技術(shù)。工業(yè)機(jī)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(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，三個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)可以作三個(gè)方向的獨(dú)立位移,而不會(huì)互相受到干擾。此種類型的機(jī)器人，有較高的定位精度，微機(jī)控制較為簡(jiǎn)便。其不足是所占空間較大，運(yùn)動(dòng)方式不夠靈活自如，運(yùn)動(dòng)的速率相對(duì)來說也比較低。（如圖12所示）：它有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和兩個(gè)移動(dòng)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(jī)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(jī)構(gòu)可獲得較高的運(yùn)動(dòng)速率。它的缺點(diǎn)是末端執(zhí)行機(jī)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(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)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(gè)自由度可進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，而機(jī)身上部則相對(duì)于機(jī)身下部可實(shí)現(xiàn)另一自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)。腕關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)屬于末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的自由度。該種結(jié)構(gòu)的機(jī)器人，所占空間相對(duì)較小，而工作區(qū)間相對(duì)較大，還可以輕松地繞過機(jī)身四周的障礙物，是當(dāng)前普及較多的一種機(jī)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(jī)械加工業(yè)，汽車業(yè)等。而工業(yè)機(jī)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(diǎn)包括各種形式的作業(yè)臂、新型驅(qū)動(dòng)、控制方式等。而盤類零件HUB專用機(jī)器人是用來搬運(yùn)盤類零件的一種專用機(jī)器人。本次設(shè)計(jì)采用直角坐標(biāo)式設(shè)計(jì)完成盤類零件HUB專用機(jī)器人Y軸的設(shè)計(jì)，完成從伺服控制系統(tǒng)到整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 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(gè)人微機(jī)的或者工控機(jī)（如圖15）當(dāng)中。它可構(gòu)成頻率測(cè)量、脈沖計(jì)數(shù)、脈沖信號(hào)發(fā)生器等電路。另外還具備采集數(shù)字量電壓信號(hào)和模擬量電壓信號(hào)、監(jiān)視輸入和數(shù)字量電壓信號(hào)輸出、模擬量電壓信號(hào)輸出及計(jì)數(shù)定時(shí)系統(tǒng)等功能。可被選擇的雙端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(dòng)6路16位計(jì)數(shù)定時(shí)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(hào)輸入/輸出插座定義跨接線選擇定義：JPJP2：模擬信號(hào)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(jì)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(jì) 電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的選用步進(jìn)電機(jī)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(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。在沒有超載的情況下，脈沖信號(hào)的頻率以及脈沖個(gè)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(gè)數(shù)可以對(duì)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(dòng)功率不大的關(guān)節(jié)型機(jī)器人。交流伺服電機(jī)在調(diào)速性能方面優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)，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(jī)達(dá)不到的精度。因?yàn)樗旧砭邆浒l(fā)出脈沖的功能，因此伺服驅(qū)動(dòng)器就和伺服電機(jī)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(jī)和伺服電機(jī)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?zèng)Q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(gè)是開環(huán)控制，一個(gè)是閉環(huán)控制。低頻時(shí)表現(xiàn)不同：在低速時(shí)前者需要采用阻尼技術(shù)或細(xì)分技術(shù)將低頻下振動(dòng)的現(xiàn)象克服。而后者運(yùn)轉(zhuǎn)一直很平穩(wěn)，不可能出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。因?yàn)樗邆涔舱褚种频墓δ埽梢院芎玫貦z測(cè)出機(jī)械的共振點(diǎn)從而利于系統(tǒng)做出調(diào)整。矩頻特性不同：交流伺服電機(jī)輸出方式為恒力矩輸出，而步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩則會(huì)隨轉(zhuǎn)速升高而下降。過載能力不同：步進(jìn)電機(jī)一般不具有過載能力，而交流電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力。運(yùn)行可靠度不同：前者承受載荷過大或者啟動(dòng)時(shí)，容易產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)或丟步的情況，而停止時(shí)又容易出現(xiàn)過沖現(xiàn)象。而對(duì)于交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來說，其驅(qū)動(dòng)器可以直接采集電機(jī)編碼器的反饋信號(hào)，其內(nèi)部可以構(gòu)成速度環(huán)路和位置環(huán)路一般不會(huì)出現(xiàn)前者會(huì)出現(xiàn)的情況，控制性能較步進(jìn)電機(jī)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(jī)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(jī)好得多，一般只需要幾毫秒，可以應(yīng)用于要求快速啟動(dòng)或者停止的控制場(chǎng)所。依據(jù)以上逐條的分析比較，在各個(gè)性能方面，步進(jìn)電機(jī)都比交流伺服電機(jī)顯弱，因此在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備情況下， 本次設(shè)計(jì)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(diǎn)。本伺服放大器不僅可以用于普通工業(yè)機(jī)械和機(jī)床的高精度定位以及平滑的速度控制同時(shí)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(jī)來對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定、調(diào)試運(yùn)行、對(duì)狀態(tài)顯示的監(jiān)控以及增益調(diào)整等活動(dòng)。此伺服放大器可以自動(dòng)調(diào)整伺服的增益。MRJ3A伺服電機(jī)采用了極高分辨率的絕對(duì)位置編碼器，因此，它可以實(shí)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(duì)位置檢測(cè)功能。而進(jìn)行過初始原點(diǎn)的設(shè)定后，在開啟開關(guān)和報(bào)警發(fā)生時(shí)都不用再次進(jìn)行原點(diǎn)的重設(shè)。由于交流伺服電機(jī)在數(shù)控機(jī)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(hào)，當(dāng)沒有控制信號(hào)時(shí)轉(zhuǎn)子就不轉(zhuǎn)動(dòng)，而當(dāng)它在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，假如控制信號(hào)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(duì)伺服電機(jī)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(shí)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(shí)）以及速度指令偏置自動(dòng)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(jī)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(shí)，它可以使啟動(dòng)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(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)方向以及速率兩個(gè)因素實(shí)施命令，進(jìn)而實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的限制。(3) 轉(zhuǎn)矩控制模式 伺服電機(jī)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(duì)速度進(jìn)行限制，此功能可用于張力調(diào)控等場(chǎng)所，可以防止無負(fù)載時(shí)電機(jī)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(jī)與MRJ3A伺服驅(qū)動(dòng)器接線原理圖與真實(shí)接線模塊如圖21。MRJ3A伺服驅(qū)動(dòng)器不同的控制模式的控制信號(hào)接口CN1有其不同的連接方法，本次設(shè)計(jì)采用位置控制模式，其信號(hào)連接狀態(tài)如圖22所示。圖21 伺服放大器與伺服電機(jī)的連接三種控制模式可以通過CN1接口用外部信號(hào)LOP進(jìn)行相互切換（圖23）。當(dāng)參數(shù)PA01為0001H時(shí)，可進(jìn)行位置/速度切換；當(dāng)參數(shù)PA01為0003H時(shí)，可進(jìn)行速度/轉(zhuǎn)矩切換；當(dāng)參數(shù)PA01為0005H時(shí)，可進(jìn)行轉(zhuǎn)矩/位置切換。本實(shí)驗(yàn)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(hào)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(hào)）作控制信號(hào)，則該參數(shù)設(shè)置應(yīng)為0011H（負(fù)邏輯）或者0001H（正邏輯）。本實(shí)驗(yàn)控制方式采用正邏輯、脈沖串+符號(hào)，因此，設(shè)定參數(shù)PA13為0001H，見圖25所示。脈沖和符號(hào)信號(hào)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