【正文】 能帶動腕部作空間運動。本次設(shè)計中機械手腕部有兩個自由度，主要由3軸、4軸兩部分組成(見圖21)。2機械手系統(tǒng)的硬件設(shè)計通常機械手的結(jié)構(gòu)由以下幾部分組成：（1）執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)是由桿件與關(guān)節(jié)組成，從功能上可分為手部、腕部、臂部、腰部與基座。在本次設(shè)計中的機械手由步進電機控制運動，而步進電機的控制又是由PLC與位置控制模塊來控制。步進電機的運動控制主要由PLC與位置控制模塊來實現(xiàn)。連續(xù)路徑控制這種方式不僅要求機器人以一定的精度達到目標點，而且對移動軌跡也有一定精度要求。工業(yè)機器人通常具有示教再現(xiàn)和位置控制兩種方式。在工業(yè)中常用于弧焊、點焊、噴漆、搬運、夾持物品等等。（7）軍用機器人機器人技術(shù)現(xiàn)被廣泛的應(yīng)用于軍事上?？臻g機器人有以下幾種。還可用海洋考察、勘探、石油開發(fā)、船底檢查清理等方面。機器人能代替人類自動地遠距離處理長尺寸、大重量、大體積的物體，能進行復(fù)雜作業(yè)，能在大范圍內(nèi)進行多種檢測處監(jiān)視。在日本各界的大力扶持下，20世紀70年代成為日本工業(yè)機器人迅速發(fā)展時期，超過美國，成為當(dāng)今世界第一號“機器人王國”。美國是最先研制機器人的地方，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前美國機器人制造廠家多達幾百上千家。隨著電子計算機、自動控制理論的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的需要及空間技術(shù)的進步，機器人技術(shù)在一些發(fā)達國家迅速發(fā)展起來。 1949年，美國需要研制新型的軍用飛機，這種飛機的零件要用機械加工出來。在我國東漢（公元1～2世紀）科學(xué)家張衡發(fā)明的指南車可以說是最早的機器人雛形。文中介紹了搬運機械手系統(tǒng)的設(shè)計過程，詳細論述了機械手運動軌跡規(guī)劃的過程以及PLC與位置控制模塊對步進電機進行控制的方式。Based on PLC 專業(yè)班級：電氣0711班學(xué)生姓名：徐飛指導(dǎo)教師：田庫 副教授學(xué) 院：自動化與電氣工程2012年 6月摘 要本設(shè)計的控制對象為機械手，是具有六個自由度的關(guān)節(jié)型機器人，屬于工業(yè)機器人中的一種。ofMovement機器人不僅有較高的工作精度，極大地提高了生產(chǎn)效率，還能根據(jù)不同的環(huán)境進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，有較強的適應(yīng)性。采用RS232總線與其它PLC組成工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，完成了對多臺步進電機的同時控制，可以達到較高控制的精度，實現(xiàn)了位置控制的目的。18世紀瑞士鐘表匠德羅斯父子制造了機器人玩具，由彈簧驅(qū)動，用凸輪控制，可以寫字，彈風(fēng)琴。這就發(fā)起了對數(shù)控銑床的研制。進入70年代，機器人在工業(yè)中逐步推廣應(yīng)用，這又促使了機器人技術(shù)的發(fā)展。機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對美國經(jīng)濟發(fā)展起了巨大作用。據(jù)資料表明：僅2002年一年日本共裝備機器人28400臺，到2002年底，日本已裝備機器人達352800臺。（2）點焊機器人與弧焊機器人（3）噴漆機器人（4）柔性制造系統(tǒng)和工業(yè)機器人（5）水下機器人1）德國1100m水下機器人主要用于石油與天然氣的開發(fā)。3）日本萬米水下機器人。1）空間站機器人 這類機器人包括空間站大型機械臂、空間站艙外自由移動機器人和空間站艙內(nèi)服務(wù)機器人。如自主地面戰(zhàn)車、地面軍用遙控機器人、戰(zhàn)場機器人、掃雷清障機器人、處理爆炸物機器人、機器人衛(wèi)士、昆蟲機器人、消防機器人、無人偵察機等 。工業(yè)機器人的主體主要是一只類似于人上肢功能的關(guān)節(jié)型機械手,其基本結(jié)構(gòu)一般由人機接口、控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)與機械手部分組成。示教再現(xiàn)控制就是操作人員通過示教裝置把作業(yè)程序內(nèi)容編制成程序，輸入到記憶裝置中，在外部給出啟動命令后，機器人從記憶裝置中讀出信息并送到控制裝置，發(fā)出控制信號，由驅(qū)動機構(gòu)控制機械運動。在本次設(shè)計中所控制的機器人為六自由度的機械手。本次設(shè)計的機械手應(yīng)能夠完成對工件的送取過程，即機械手移動到輸送帶旁，從輸送帶一端夾起工件，并將工件放于指定位置。根據(jù)機械手的運動控制要求通過PLC與位置控制模塊對步進電機發(fā)出適當(dāng)?shù)拿}沖數(shù)來達到控制機械手運動目的。1）手部手部又稱末端執(zhí)行器，是機械手直接進行工作的部分，本次設(shè)計機械手有兩個自由度，夾手由5軸步進電機帶動實現(xiàn)360176。3）臂部臂部是用以連接腰部與腕部的部件。腰部是執(zhí)行機構(gòu)的關(guān)鍵部件，它的制造誤差、運動精度和平穩(wěn)性對機器人定位精度有決定性的影響。（2）驅(qū)動—傳動裝置驅(qū)動—傳動裝置包括驅(qū)動器和傳動機構(gòu)兩部份，它們通常與執(zhí)行機構(gòu)連成一體。在機械手的手部用氣動電磁閥來控制夾手的夾緊與放松。在此次的設(shè)計中機械手只采用了軟件限位與硬件保護。機械手在完成搬運過程后都要回到零點，為下一次搬運做好準備。終止端的傳感器是否發(fā)出檢測信號就能檢測出機械手搬運物品是否精確，若機械手不能準確的物品放在終止點的位置上就不能控制機械手執(zhí)行下一步的搬運。CX24不附帶安裝的支架，在安裝的過程中可以將傳感器固定在搬運物品起始步與終止點位置。氣動電磁閥是二位五通電磁閥，,反應(yīng)時間小于30ms,最高操作頻率為5次∕秒。 PLC型號的選擇一、PLC控制的可靠性工業(yè)生產(chǎn)一般要求控制設(shè)備具有很強的抗干擾能力，能在惡劣的環(huán)境中可靠地工作，對可靠性要求很高，絕大多數(shù)用戶也都將可靠性作為選擇控制裝置的首要條件。對微處理器所需的+5V電源，采用多級濾波并用集成電壓調(diào)整器進行調(diào)整，以適應(yīng)電網(wǎng)電壓波動，它對過電壓、欠電阻均有—定的保護作用。當(dāng)故障查出在某一模塊上，只要及時更換，就大大縮小了尋找范圍，加快修復(fù)速度。PLC有比較完整的故障檢測系統(tǒng)，軟件能定期地檢測外界環(huán)境，如掉電，強干擾信號等等，以便及時地進行故障處理。這是用一般經(jīng)常執(zhí)行的程序，使硬件產(chǎn)生一些規(guī)定的信號，用這個信號來指示CPU處于正常狀態(tài)，萬一CPU發(fā)生故障，這個規(guī)定信號就不再出現(xiàn)，從而指示CPU的故障狀態(tài)。（3） 大程序容量 FP系列的用戶程序容量也較同類機型大，其小型機一般可達3千步左右，最多可達5千步，而大型機最高可達60千步。并且在PLC最高層的管理網(wǎng)絡(luò)中采用了包含TCP/IP技術(shù)的Ethemet網(wǎng)，可通過它連接到計算機互聯(lián)網(wǎng)上。本次設(shè)計選擇PLC型號為松下FPΣ32。安裝一個雙通道的RS232C型通訊卡，主機就能通過RS232口實現(xiàn)與兩套外設(shè)的連接。FPΣ的控制單元最多可連接三塊FP0的擴展單元或FP0的智能單元。操作者可以根據(jù)不同的控制要求來選擇不同的加/減速模式。但此控制方式有多種終止速度，操作者可以根據(jù)需要編制程度以獲得多種速度。此工作方式相當(dāng)于繼電控制中的點動控制。通過操作者的需要控制具體時間以控制位置控制的開始。在此操作中只要設(shè)置控制字、起始速度、終止速度、加/減速時間四個參數(shù)來達到控制要求。停止信號由外部開關(guān)發(fā)出，為控制模塊提供停止信號。(8）Feedback Counter(反饋計數(shù)器)利用在程序中可以監(jiān)控反饋計數(shù)器中的脈沖個數(shù)與位置控制經(jīng)過值相比較，若兩值的差值在允許范圍內(nèi)說明電機運行精度滿足控制要求，若兩差值不在允許范圍內(nèi)就應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧?。松下的位置控制模塊配合松下FP∑PLC共同使用對步進電機發(fā)出控制脈沖，以達到控制的目的。在選擇位置控制模塊的過程中，輸出點數(shù)為32點，、電流35mA,內(nèi)部最大電流為220mA，控制模塊可發(fā)出的脈沖數(shù)為（2147483648～＋2147483647），速度可達1PPS～4MPPS（PPS—脈沖/秒）。位置控制模塊控制步進電機接線如圖23所示?？梢酝ㄟ^脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的。3）步進電機在運行時電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢。機械手的1軸、2軸、3軸與4軸基本控制了機械手的運動軌跡?；旌鲜讲竭M電機綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點，它輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好，步距角小，高速特性好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。在此基礎(chǔ)上選用驅(qū)動器的型號為SH20403。（1）公共端：本驅(qū)動器的輸入信號采用共陽極接線方式，輸入信號的電源正極連到該端子上，將輸入的控制信號連接到對應(yīng)的信號端子上。S，響應(yīng)頻率為70KHZ。由于PLC提供的電壓為24v，而輸入部分的電壓為5V，所以中間加了保護電路。因此，步進電機轉(zhuǎn)速的高低、升速或降速、起動或停止都完全取決于CP脈沖的有無或頻率。這中間需要電壓放大，也需電流放大。（4）保護級保護級的作用是保護驅(qū)動級的安全。 輸出最大電測為3A/相（峰值），通過驅(qū)動器面板上的六位撥碼開關(guān)第7三門可組合出八種狀態(tài)，對應(yīng)輸出八種電流，（具體選擇方式如表21）。錯相保護是驅(qū)動器中一個自動保護的方式，即用戶在兩相電機與驅(qū)動器連接錯相時驅(qū)動器也不會損壞，但電機運行不正常，力矩極小。因此要解決好既能提高定位速度，同時又能保證定位精度的矛盾。/32＝176。細分雖然將步距角變小，但系統(tǒng)步進信號的頻率相應(yīng)的提高。不僅如此，細分后還可消除電機的低頻振蕩，提高電機的輸出轉(zhuǎn)矩。驅(qū)動器的輸入信號共有三路輸入信號，它們是：步進脈沖信號CP、方向電平信號DIR、脫機信號FREE(此端為低電平有效，這時電機處于無力矩狀態(tài)；此端為高電平或懸空不接時，此功能無效，電機可正常運行)。在下放物品后回到初始位置。機器人的軌跡規(guī)劃是指機器人在運動過程中的位移、速度和加速度。在設(shè)計中要存儲指定經(jīng)過路徑每個目標坐標。（3）用拋物線過渡的線性插值對于給定的起始點和終止點的關(guān)節(jié)角度，并選擇拋物線作為插值函數(shù)表示路徑的形狀。[9]方案二中CP控制對機械手搬運過程的軌跡有嚴格的規(guī)定，需要記錄下大量的運動軌跡點，因此計算機大量的存儲數(shù)據(jù)，計算機計算量大，對于復(fù)雜的控制軌跡運算時間長，因此不適合復(fù)雜的軌跡規(guī)劃。拋物線對時間的二階導(dǎo)數(shù)為常數(shù)，即相應(yīng)區(qū)段內(nèi)的加速度為恒定的，這就使機械手在運動過程運動平滑，不會產(chǎn)生機械手運動中的跳躍現(xiàn)象。機械手是由連桿連接而成，可以通過在每個連桿上建立一個連桿位置坐標以描述在連桿之間相互關(guān)系，利用齊次變換來描述這些坐標系間相對位置與姿態(tài)。90176。～150176。在求得各連桿變換齊次矩陣后就可以描述具有任意復(fù)雜程序的連桿坐標系統(tǒng)之間的變換。求解方法如下所示。在本次設(shè)計中我們可以通過簡化的方法來求解機械手各關(guān)節(jié)的運動角。[11]從上圖中可以看出、機械手運動范圍內(nèi)每個轉(zhuǎn)角只能有三種狀態(tài)，即銳角、直角、鈍角。） （35）、為銳角，鈍角（＞180176。）或為鈍角為直角，鈍角（＞180176。）或為鈍角為銳角，鈍角（＞180176。）或為直角為銳角，鈍角（＞180176。） （315）、為鈍角，鈍角（＜180176。我們將1軸作為機械手的原點，并已知物品起始位置坐標，我們便可求解出機器人的1軸坐標。機械手在搬運物品的過程中1軸電機只起到將2至4軸轉(zhuǎn)動到與工件同一平面內(nèi)，我們在控制的過程中可以先控制機械手轉(zhuǎn)動到與工件同一平面內(nèi)再控制其它軸動作。[14]在此設(shè)計中選用的步進電機的步距角，細分數(shù)為，根據(jù)所規(guī)劃的軌跡可計算出各轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角，這樣便可求得每轉(zhuǎn)動角所要發(fā)出的脈沖數(shù)，以達到通過PLC或位置控制模塊來控制步進電機的目的。（2）機械手搬運物品結(jié)構(gòu)圖 圖42中所示的機械手的搬運流程圖，圖中的搬運過程按此次設(shè)計控制要求制定的。在使用串行通信的過程我們要注意被發(fā)送與接收的數(shù)據(jù)都采用ASCⅡ碼，傳送數(shù)據(jù)的結(jié)束符是自動添加的。執(zhí)行F70指令后，PLC按K中選擇的方式對DT81中的8位進行檢查，將檢查的結(jié)果傳入DT2800。R9049為COM2口發(fā)送結(jié)束標志，在PLC不傳送數(shù)據(jù)時R9049為閉合狀態(tài)，當(dāng)執(zhí)行F159指令時R0949斷開。根據(jù)所求得的脈沖數(shù)通過PLC程序可以發(fā)出脈沖來控制步進電機動作。在以上程序中我們可以看出DT420為數(shù)據(jù)表的首地址，存放的是控制字。在上文的程序中控制字為12表明步進電機的控制方式為絕對型控制，脈沖從PLC中Y3中輸出，方向由PLC中Y4中輸出，以控制步進電機的脈沖與方向。表44 FPΣ脈沖輸出通道高速計數(shù)器通道數(shù)輸入/輸出接口數(shù)存儲器區(qū)域CW 或脈沖輸出CCW或方向信號輸出 接 近 終點 輸 入控制標 志經(jīng)過值區(qū)目標值區(qū)CH0Y0Y1DT90052 R903ADT90044 to DT90045DT90046 to DT90047CH2Y3Y4DT90052 R903CDT90200 to DT90201DT90202 to DT90203（3）位置控制模塊控制步進電機程序 在本次設(shè)計中除了使用PLC外還通過位置控制模塊產(chǎn)生脈沖以達到對步進電機控制的目的。在該程