【正文】 能帶動(dòng)腕部作空間運(yùn)動(dòng)。本次設(shè)計(jì)中機(jī)械手腕部有兩個(gè)自由度，主要由3軸、4軸兩部分組成(見(jiàn)圖21)。2機(jī)械手系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)通常機(jī)械手的結(jié)構(gòu)由以下幾部分組成：（1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)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(jì)中的機(jī)械手由步進(jìn)電機(jī)控制運(yùn)動(dòng)，而步進(jìn)電機(jī)的控制又是由PLC與位置控制模塊來(lái)控制。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制主要由PLC與位置控制模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。連續(xù)路徑控制這種方式不僅要求機(jī)器人以一定的精度達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)，而且對(duì)移動(dòng)軌跡也有一定精度要求。工業(yè)機(jī)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(diǎn)焊、噴漆、搬運(yùn)、夾持物品等等。（7）軍用機(jī)器人機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)被廣泛的應(yīng)用于軍事上?？臻g機(jī)器人有以下幾種。還可用海洋考察、勘探、石油開(kāi)發(fā)、船底檢查清理等方面。機(jī)器人能代替人類自動(dòng)地遠(yuǎn)距離處理長(zhǎng)尺寸、大重量、大體積的物體，能進(jìn)行復(fù)雜作業(yè)，能在大范圍內(nèi)進(jìn)行多種檢測(cè)處監(jiān)視。在日本各界的大力扶持下，20世紀(jì)70年代成為日本工業(yè)機(jī)器人迅速發(fā)展時(shí)期，超過(guò)美國(guó)，成為當(dāng)今世界第一號(hào)“機(jī)器人王國(guó)”。美國(guó)是最先研制機(jī)器人的地方，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，目前美國(guó)機(jī)器人制造廠家多達(dá)幾百上千家。隨著電子計(jì)算機(jī)、自動(dòng)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(jìn)步，機(jī)器人技術(shù)在一些發(fā)達(dá)國(guó)家迅速發(fā)展起來(lái)。 1949年，美國(guó)需要研制新型的軍用飛機(jī)，這種飛機(jī)的零件要用機(jī)械加工出來(lái)。在我國(guó)東漢（公元1～2世紀(jì)）科學(xué)家張衡發(fā)明的指南車可以說(shuō)是最早的機(jī)器人雛形。文中介紹了搬運(yùn)機(jī)械手系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，詳細(xì)論述了機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃的過(guò)程以及PLC與位置控制模塊對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制的方式。Based on PLC 專業(yè)班級(jí)：電氣0711班學(xué)生姓名：徐飛指導(dǎo)教師：田庫(kù) 副教授學(xué) 院：自動(dòng)化與電氣工程2012年 6月摘 要本設(shè)計(jì)的控制對(duì)象為機(jī)械手，是具有六個(gè)自由度的關(guān)節(jié)型機(jī)器人，屬于工業(yè)機(jī)器人中的一種。ofMovement機(jī)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(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，有較強(qiáng)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(duì)多臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的同時(shí)控制，可以達(dá)到較高控制的精度，實(shí)現(xiàn)了位置控制的目的。18世紀(jì)瑞士鐘表匠德羅斯父子制造了機(jī)器人玩具，由彈簧驅(qū)動(dòng)，用凸輪控制，可以寫字，彈風(fēng)琴。這就發(fā)起了對(duì)數(shù)控銑床的研制。進(jìn)入70年代，機(jī)器人在工業(yè)中逐步推廣應(yīng)用，這又促使了機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對(duì)美國(guó)經(jīng)濟(jì)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(jī)器人28400臺(tái)，到2002年底，日本已裝備機(jī)器人達(dá)352800臺(tái)。（2）點(diǎn)焊機(jī)器人與弧焊機(jī)器人（3）噴漆機(jī)器人（4）柔性制造系統(tǒng)和工業(yè)機(jī)器人（5）水下機(jī)器人1）德國(guó)1100m水下機(jī)器人主要用于石油與天然氣的開(kāi)發(fā)。3）日本萬(wàn)米水下機(jī)器人。1）空間站機(jī)器人 這類機(jī)器人包括空間站大型機(jī)械臂、空間站艙外自由移動(dòng)機(jī)器人和空間站艙內(nèi)服務(wù)機(jī)器人。如自主地面戰(zhàn)車、地面軍用遙控機(jī)器人、戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)器人、掃雷清障機(jī)器人、處理爆炸物機(jī)器人、機(jī)器人衛(wèi)士、昆蟲機(jī)器人、消防機(jī)器人、無(wú)人偵察機(jī)等 。工業(yè)機(jī)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(jī)械手,其基本結(jié)構(gòu)一般由人機(jī)接口、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與機(jī)械手部分組成。示教再現(xiàn)控制就是操作人員通過(guò)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(dòng)命令后，機(jī)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(hào)，由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制機(jī)械運(yùn)動(dòng)。在本次設(shè)計(jì)中所控制的機(jī)器人為六自由度的機(jī)械手。本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手應(yīng)能夠完成對(duì)工件的送取過(guò)程，即機(jī)械手移動(dòng)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(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制要求通過(guò)PLC與位置控制模塊對(duì)步進(jìn)電機(jī)發(fā)出適當(dāng)?shù)拿}沖數(shù)來(lái)達(dá)到控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)目的。1）手部手部又稱末端執(zhí)行器，是機(jī)械手直接進(jìn)行工作的部分，本次設(shè)計(jì)機(jī)械手有兩個(gè)自由度，夾手由5軸步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)實(shí)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(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件，它的制造誤差、運(yùn)動(dòng)精度和平穩(wěn)性對(duì)機(jī)器人定位精度有決定性的影響。（2）驅(qū)動(dòng)—傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)—傳動(dòng)裝置包括驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩部份，它們通常與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連成一體。在機(jī)械手的手部用氣動(dòng)電磁閥來(lái)控制夾手的夾緊與放松。在此次的設(shè)計(jì)中機(jī)械手只采用了軟件限位與硬件保護(hù)。機(jī)械手在完成搬運(yùn)過(guò)程后都要回到零點(diǎn)，為下一次搬運(yùn)做好準(zhǔn)備。終止端的傳感器是否發(fā)出檢測(cè)信號(hào)就能檢測(cè)出機(jī)械手搬運(yùn)物品是否精確，若機(jī)械手不能準(zhǔn)確的物品放在終止點(diǎn)的位置上就不能控制機(jī)械手執(zhí)行下一步的搬運(yùn)。CX24不附帶安裝的支架，在安裝的過(guò)程中可以將傳感器固定在搬運(yùn)物品起始步與終止點(diǎn)位置。氣動(dòng)電磁閥是二位五通電磁閥，,反應(yīng)時(shí)間小于30ms,最高操作頻率為5次∕秒。 PLC型號(hào)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(qiáng)的抗干擾能力，能在惡劣的環(huán)境中可靠地工作，對(duì)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(duì)微處理器所需的+5V電源，采用多級(jí)濾波并用集成電壓調(diào)整器進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)，它對(duì)過(guò)電壓、欠電阻均有—定的保護(hù)作用。當(dāng)故障查出在某一模塊上，只要及時(shí)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(cè)系統(tǒng)，軟件能定期地檢測(cè)外界環(huán)境，如掉電，強(qiáng)干擾信號(hào)等等，以便及時(shí)地進(jìn)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(hào)，用這個(gè)信號(hào)來(lái)指示CPU處于正常狀態(tài)，萬(wàn)一CPU發(fā)生故障，這個(gè)規(guī)定信號(hào)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(jī)型大，其小型機(jī)一般可達(dá)3千步左右，最多可達(dá)5千步，而大型機(jī)最高可達(dá)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(guò)它連接到計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)上。本次設(shè)計(jì)選擇PLC型號(hào)為松下FPΣ32。安裝一個(gè)雙通道的RS232C型通訊卡，主機(jī)就能通過(guò)RS232口實(shí)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(kuò)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(lái)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(diǎn)動(dòng)控制。通過(guò)操作者的需要控制具體時(shí)間以控制位置控制的開(kāi)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(shí)間四個(gè)參數(shù)來(lái)達(dá)到控制要求。停止信號(hào)由外部開(kāi)關(guān)發(fā)出，為控制模塊提供停止信號(hào)。(8）Feedback Counter(反饋計(jì)數(shù)器)利用在程序中可以監(jiān)控反饋計(jì)數(shù)器中的脈沖個(gè)數(shù)與位置控制經(jīng)過(guò)值相比較，若兩值的差值在允許范圍內(nèi)說(shuō)明電機(jī)運(yùn)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(duì)步進(jìn)電機(jī)發(fā)出控制脈沖，以達(dá)到控制的目的。在選擇位置控制模塊的過(guò)程中，輸出點(diǎn)數(shù)為32點(diǎn)，、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(dá)1PPS～4MPPS（PPS—脈沖/秒）。位置控制模塊控制步進(jìn)電機(jī)接線如圖23所示。可以通過(guò)脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。3）步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)。機(jī)械手的1軸、2軸、3軸與4軸基本控制了機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡。混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)，它輸出轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)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(dòng)器的型號(hào)為SH20403。（1）公共端：本驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)采用共陽(yáng)極接線方式，輸入信號(hào)的電源正極連到該端子上，將輸入的控制信號(hào)連接到對(duì)應(yīng)的信號(hào)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(hù)電路。因此，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的高低、升速或降速、起動(dòng)或停止都完全取決于CP脈沖的有無(wú)或頻率。這中間需要電壓放大，也需電流放大。（4）保護(hù)級(jí)保護(hù)級(jí)的作用是保護(hù)驅(qū)動(dòng)級(jí)的安全。 輸出最大電測(cè)為3A/相（峰值），通過(guò)驅(qū)動(dòng)器面板上的六位撥碼開(kāi)關(guān)第7三門可組合出八種狀態(tài)，對(duì)應(yīng)輸出八種電流，（具體選擇方式如表21）。錯(cuò)相保護(hù)是驅(qū)動(dòng)器中一個(gè)自動(dòng)保護(hù)的方式，即用戶在兩相電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器連接錯(cuò)相時(shí)驅(qū)動(dòng)器也不會(huì)損壞，但電機(jī)運(yùn)行不正常，力矩極小。因此要解決好既能提高定位速度，同時(shí)又能保證定位精度的矛盾。/32＝176。細(xì)分雖然將步距角變小，但系統(tǒng)步進(jìn)信號(hào)的頻率相應(yīng)的提高。不僅如此，細(xì)分后還可消除電機(jī)的低頻振蕩，提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)共有三路輸入信號(hào)，它們是：步進(jìn)脈沖信號(hào)CP、方向電平信號(hào)DIR、脫機(jī)信號(hào)FREE(此端為低電平有效，這時(shí)電機(jī)處于無(wú)力矩狀態(tài)；此端為高電平或懸空不接時(shí)，此功能無(wú)效，電機(jī)可正常運(yùn)行)。在下放物品后回到初始位置。機(jī)器人的軌跡規(guī)劃是指機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的位移、速度和加速度。在設(shè)計(jì)中要存儲(chǔ)指定經(jīng)過(guò)路徑每個(gè)目標(biāo)坐標(biāo)。（3）用拋物線過(guò)渡的線性插值對(duì)于給定的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)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(duì)機(jī)械手搬運(yùn)過(guò)程的軌跡有嚴(yán)格的規(guī)定，需要記錄下大量的運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)，因此計(jì)算機(jī)大量的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)計(jì)算量大，對(duì)于復(fù)雜的控制軌跡運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)，因此不適合復(fù)雜的軌跡規(guī)劃。拋物線對(duì)時(shí)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(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程運(yùn)動(dòng)平滑，不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械手運(yùn)動(dòng)中的跳躍現(xiàn)象。機(jī)械手是由連桿連接而成，可以通過(guò)在每個(gè)連桿上建立一個(gè)連桿位置坐標(biāo)以描述在連桿之間相互關(guān)系，利用齊次變換來(lái)描述這些坐標(biāo)系間相對(duì)位置與姿態(tài)。90176?！?50176。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(biāo)系統(tǒng)之間的變換。求解方法如下所示。在本次設(shè)計(jì)中我們可以通過(guò)簡(jiǎn)化的方法來(lái)求解機(jī)械手各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角。[11]從上圖中可以看出、機(jī)械手運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)每個(gè)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?yàn)殁g角為直角，鈍角（＞180176。）或?yàn)殁g角為銳角，鈍角（＞180176。）或?yàn)橹苯菫殇J角，鈍角（＞180176。） （315）、為鈍角，鈍角（＜180176。我們將1軸作為機(jī)械手的原點(diǎn)，并已知物品起始位置坐標(biāo)，我們便可求解出機(jī)器人的1軸坐標(biāo)。機(jī)械手在搬運(yùn)物品的過(guò)程中1軸電機(jī)只起到將2至4軸轉(zhuǎn)動(dòng)到與工件同一平面內(nèi)，我們?cè)诳刂频倪^(guò)程中可以先控制機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)到與工件同一平面內(nèi)再控制其它軸動(dòng)作。[14]在此設(shè)計(jì)中選用的步進(jìn)電機(jī)的步距角，細(xì)分?jǐn)?shù)為，根據(jù)所規(guī)劃的軌跡可計(jì)算出各轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角，這樣便可求得每轉(zhuǎn)動(dòng)角所要發(fā)出的脈沖數(shù)，以達(dá)到通過(guò)PLC或位置控制模塊來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的目的。（2）機(jī)械手搬運(yùn)物品結(jié)構(gòu)圖 圖42中所示的機(jī)械手的搬運(yùn)流程圖，圖中的搬運(yùn)過(guò)程按此次設(shè)計(jì)控制要求制定的。在使用串行通信的過(guò)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(dòng)添加的。執(zhí)行F70指令后，PLC按K中選擇的方式對(duì)DT81中的8位進(jìn)行檢查，將檢查的結(jié)果傳入DT2800。R9049為COM2口發(fā)送結(jié)束標(biāo)志，在PLC不傳送數(shù)據(jù)時(shí)R9049為閉合狀態(tài)，當(dāng)執(zhí)行F159指令時(shí)R0949斷開(kāi)。根據(jù)所求得的脈沖數(shù)通過(guò)PLC程序可以發(fā)出脈沖來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)動(dòng)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(jìn)電機(jī)的控制方式為絕對(duì)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(jìn)電機(jī)的脈沖與方向。表44 FPΣ脈沖輸出通道高速計(jì)數(shù)器通道數(shù)輸入/輸出接口數(shù)存儲(chǔ)器區(qū)域CW 或脈沖輸出CCW或方向信號(hào)輸出 接 近 終點(diǎn) 輸 入控制標(biāo) 志經(jīng)過(guò)值區(qū)目標(biāo)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(jìn)電機(jī)程序 在本次設(shè)計(jì)中除了使用PLC外還通過(guò)位置控制模塊產(chǎn)生脈沖以達(dá)到對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制的目的。在該程