【正文】 需求及成本確定合適的型號(hào)即可。 對(duì)于工業(yè)控制 PC 機(jī)，考慮到其兼容性、硬件維護(hù)與升級(jí)以及成本等因素，我們可以選擇研祥集團(tuán) EVOC 工控機(jī)，其具體參數(shù)詳見(jiàn)說(shuō)明書(shū)。 對(duì)于數(shù)據(jù)采集卡，選擇研 華 16 路數(shù)字量輸出的 PCL812PG 和 6 路獨(dú)立 D/A 輸出 的PCL726，其集體參數(shù)詳見(jiàn)說(shuō)明書(shū)。 對(duì)于伺服系統(tǒng)，核心就是伺服電機(jī)的選取?？紤]到其穩(wěn)定性、可控性及成本，我們可以利用一臺(tái)已經(jīng)報(bào)廢的工業(yè)機(jī)器人上的 Maxon 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，其具體參數(shù)詳見(jiàn)說(shuō)明書(shū)。接線與調(diào)試如下圖所示： 1234567891 01 11 21 31 41 51 6電 源控 制 電 壓測(cè) 速 計(jì)1234567891 0P1P2P3P4P5g a i nnm a x IRO f f s e to n o f f Im a x4 k Ω電 機(jī) 圖 31 Maxon 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 接下來(lái)選擇合適的端子板。由于采集卡不便與每個(gè)傳感器直接相連，被測(cè)信號(hào)須經(jīng)過(guò)端子板的調(diào)理進(jìn)入采集卡，因此端子板作用是舉足輕重的。在端子板電路接線 的設(shè)計(jì)中，考慮到電機(jī)對(duì)其它電路的影響，我們特意使用了光電耦合器，這也是機(jī)電一體化技術(shù)中的重要元器件。其電路如下圖所示： 圖 32 端子板電路簡(jiǎn)圖 電位器實(shí)際上就是一種可調(diào)電阻，安裝于該機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)輸出軸，可根據(jù)其輸出電壓與關(guān)節(jié)角的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，求出相應(yīng)的方程。由于該機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度均小于 360 度，因此我們可以選擇單圈電位器，成本較低且滿足其控制要求。電位器理論上是線性元件，然而由于滑動(dòng)磨損及噪音的影響，實(shí)際上其輸出函數(shù)并不是一條直線，即存在偏移。因此需要對(duì)各電位器進(jìn)行標(biāo)定，即通過(guò)測(cè)量出若干組數(shù) 據(jù)，繪制出直線，用于替換實(shí)際的復(fù)雜函數(shù)。其具體標(biāo)定如下圖所示： 圖 33 電位器 2 的標(biāo)定 圖 34 電位器 4 的標(biāo)定 最后根據(jù)各圖像，計(jì)算出相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系式，標(biāo)定工作完成。 要保證控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需要提供 14v 的電壓，而要保證電位器的正常工作，則需要提供 10v 的電壓。因此我們選擇可供給 0 至 32 伏特輸出， 0 至 2 安培輸出的雙路穩(wěn)流穩(wěn)壓電源，其型號(hào)為 DH1715A3。 至此我們基本上已經(jīng)完成了控制系統(tǒng)模型的搭建，如下圖所示： 圖 35 該機(jī)器人控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖 19 4 控制系統(tǒng)軟件的選取和設(shè)計(jì) 之前我們已經(jīng)構(gòu)建了該機(jī)器人的三維結(jié)構(gòu)模型與控制系統(tǒng)模型，接下來(lái)就需要通過(guò)計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡向其發(fā)送各種指令，驅(qū)動(dòng)其各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，使其能夠按照人的意愿完成自動(dòng)送料任務(wù)。這就需要對(duì)其控制軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。 預(yù)期實(shí)現(xiàn)動(dòng)作 a）、使各個(gè)關(guān)節(jié)在其運(yùn)動(dòng)角度范圍之內(nèi)完成各項(xiàng)動(dòng)作任務(wù)，并予以實(shí)時(shí)顯示與檢測(cè)； b）、電機(jī)可自鎖； c）、直流電機(jī)可根據(jù)控制要求完成伺服控制； d）、達(dá)到在線修改編程和示教再現(xiàn)目的； e）、可使該機(jī)器人以空間中的一個(gè)點(diǎn)為參考點(diǎn)完 成各項(xiàng)作業(yè)任務(wù)，并能回到該原點(diǎn)。 實(shí)現(xiàn)手段 由圖 35 可得出以下結(jié)論：工程控制計(jì)算機(jī)是通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡發(fā)出或者獲取各種信號(hào)（數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人控制的目的。因此就需要對(duì)其進(jìn)行編程， 我們可以將程序設(shè)計(jì)模塊化，將其要實(shí)現(xiàn)的功能分為多個(gè)模塊，分別設(shè)計(jì)完成。 此次設(shè)計(jì)選取的數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)程序中自帶了我們所需的所有數(shù)據(jù)和函數(shù)，大大地提高了編程的效率。本次設(shè)計(jì)選取 VC++為編程軟件。 各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制及監(jiān)測(cè) 在相應(yīng)函數(shù)中設(shè)置定時(shí)器，再調(diào)用庫(kù)函數(shù)，根據(jù)電位器測(cè)得電壓和電位器標(biāo)定函數(shù)關(guān)系式 ，計(jì)算各關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)角度，并記錄。再將該組數(shù)據(jù)與相應(yīng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍做比較，可判斷是否超出范圍，若超出區(qū)間，就彈框示警并自動(dòng)停止其運(yùn)動(dòng)。其具體步驟如圖所示： 圖 41 函數(shù)的調(diào)用 直流電機(jī)伺服控制 為了提高電路與直流電機(jī)運(yùn)作的效率，通常情況下使用 PWM 來(lái)調(diào)節(jié)較大功率直流電機(jī)的運(yùn)行速率。由于此次設(shè)計(jì)中的直流電機(jī)功率不大，我們可以采取線性控制的方式對(duì)其進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。 對(duì)于第一個(gè)關(guān)節(jié)來(lái)說(shuō)，與之相關(guān)函數(shù)有 OnT1Button 、 OnF1Button 以及OnZ1Button，代表的含義分別為電機(jī)的停轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和 正傳，其運(yùn)行速率靠電壓調(diào)節(jié)。 為了對(duì)電機(jī)的位置進(jìn)行伺服控制，使之在允許的運(yùn)動(dòng)角度范圍之內(nèi)可運(yùn)行至任意輸入位置，可以調(diào)用關(guān)鍵函數(shù) OnRun1Button。 電機(jī)自鎖 由于此自動(dòng)送料機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)均沒(méi)有安裝機(jī)械制動(dòng)器，斷電后不能有效制動(dòng)，因此我們需要通過(guò)軟件編程對(duì)其進(jìn)行自鎖控制，特別針對(duì)肘關(guān)節(jié)與肩關(guān)節(jié)。 實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題與相應(yīng)解決辦法：在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下大臂和小臂雖受重力卻不會(huì)自由落體，但電機(jī)一旦斷電，由于驅(qū)動(dòng)力不足其必然會(huì)自然下落。為了使其在電機(jī)停轉(zhuǎn)后停止在預(yù)設(shè)位置，我們可以考慮給其關(guān)節(jié)處電機(jī)施加適當(dāng) 的電壓，這樣在其反向電流產(chǎn)生的阻力矩下，大臂和小臂就會(huì)保持平衡。不過(guò)還存在一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)榇蟊酆托”墼诓煌恢茫湫枰钠胶饬厥遣煌?，所以施加電壓不是恒定的，這樣就需要根據(jù)其停留位置確定其需要施加電壓的值。 提供電壓過(guò)大或過(guò)小都不能達(dá)到制動(dòng)的目的，太小不足以平衡重力矩，太大反而會(huì)使其瞬間上升。因此我們可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)選擇控制電壓。 程序設(shè)計(jì)方法不唯一，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證，我們可以選擇效果最優(yōu)的程序控制方案。以下是我們選擇的較優(yōu)方案： 該方案選擇常見(jiàn)的 PID 控制方式，不僅可以有效制動(dòng)，而且避免了施加電壓 過(guò)大產(chǎn)生的反彈。其程序流程如下圖所示： 圖 41 程序流程圖 經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，符合控制要求。其控制框圖如下： 圖 42 程序控制框圖 吉林大學(xué)珠海學(xué)院本科畢業(yè)論文 22 程序的在線修改與示教控制 程序設(shè)計(jì)思路：在這個(gè)階段，我們需要記錄該機(jī)器人停止在某位置時(shí)所對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)角度，并用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)。為了便于修改位置，此次設(shè)計(jì)選取鏈表對(duì)這些結(jié)構(gòu)體進(jìn)行動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)： 記錄結(jié)束后，點(diǎn)擊運(yùn)行所記錄位置，運(yùn)行過(guò)程中，機(jī)器人各關(guān)節(jié)都會(huì)運(yùn)作，且運(yùn)行的程序會(huì)以高亮度顯示出來(lái)。而且我們還可以對(duì)所記錄位置進(jìn)行清空、刪除等操作。 參考點(diǎn)的設(shè)置 為了使該機(jī)器人在程序啟動(dòng)或退出時(shí)停留在預(yù)定參考點(diǎn)上，可以在函數(shù)中對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，且在程序運(yùn)行中也可設(shè)置。 回參考點(diǎn)的程序設(shè)置同上，這樣我們就完成了對(duì)該工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行控制的所有程序的編制。 5 總結(jié) 設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn) 1）、底座形狀一定要設(shè)計(jì)合理； 2）、如果有條件，最好配備機(jī)械制動(dòng)器； 3）、電位器要正確安裝，且其輸出電壓值不穩(wěn)定，有機(jī)械振動(dòng)： 4）、關(guān)節(jié)角范圍要設(shè)置合理。 5）、設(shè)計(jì)存在各種誤差，雖然不能消除，但要盡可能減少誤差，使其在允許范圍之內(nèi)。 誤差分析 在這里重點(diǎn)對(duì)誤差來(lái)源進(jìn)行 分析，以便確定誤差性質(zhì)，進(jìn)而改進(jìn)。 1）、該工業(yè)機(jī)器人自身基座與工作臺(tái)表面，其他關(guān)節(jié)之間的的平行度誤差以及腰關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸垂直度誤差； 2）、齒輪傳動(dòng)存在間隙，齒形帶存在切向變形； 3）、裝配存在誤差； 4）、運(yùn)行時(shí)存在機(jī)械振動(dòng)； 5）、電源工作電壓不穩(wěn)定，以及電位器存在滑動(dòng)噪聲，導(dǎo)致反饋電壓不精確； 6）、程序制動(dòng)存在響應(yīng)延遲，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，效果不如機(jī)械制動(dòng)器； 7）、連桿受力變形以及關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)都存在誤差。 總體評(píng)價(jià) 由于自身學(xué)識(shí)有限，設(shè)計(jì)過(guò)程中不免會(huì)有不妥甚至錯(cuò)誤之處，但總的來(lái)講，該工業(yè)機(jī)器人的實(shí)驗(yàn) 還是成功的。所完成的工作主要有以下幾個(gè)方面： 1）、利用一臺(tái)報(bào)廢的工業(yè)機(jī)器人，重新設(shè)計(jì)和改造執(zhí)行機(jī)構(gòu)，重新布線，使其滿足自動(dòng)送料機(jī)器人的要求： 2）、選擇合適的電位器并對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，繪制線性曲線，計(jì)算函數(shù)關(guān)系式； 3）、驅(qū)動(dòng)電路以及端子板電路的設(shè)計(jì)和接線； 4）、控制軟件的編程與設(shè)計(jì)。 致謝 通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我感覺(jué)自己不僅理論知識(shí)很匱乏，而且不善于將理論用于實(shí)踐。雖然有些理論知識(shí)掌握的很熟練了，但是一做具體的事情，就顯得不知所措。畢竟“紙上得來(lái)終覺(jué)淺，絕知此事要躬行”，學(xué)習(xí)的范圍不限于書(shū)本，學(xué)習(xí)的范圍太 廣泛了，正所謂“學(xué)無(wú)止境”。而真正能鍛煉的不是課本習(xí)題，不是考試試卷，而是實(shí)踐，“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”這句話用在這里恰到好處！由于自己學(xué)識(shí)有限，在很多細(xì)節(jié)問(wèn)題上肯定還有不少疏漏，還請(qǐng)老師和同學(xué)給予斧正。本課題的選題及研究過(guò)程都是在賀秋偉老師精心指導(dǎo)下完成的。他嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵(lì)著我。從課題的選擇到項(xiàng)目的最終完成，賀老師都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和強(qiáng)大的支持。在此謹(jǐn)向賀老師致以真誠(chéng)地感謝和敬意！ 參考文獻(xiàn) 工業(yè)機(jī)器人技術(shù) 西安電子科技大學(xué)出版社 機(jī)電傳動(dòng) 控制 華中科技大學(xué)出版社 工業(yè)機(jī)器人圖冊(cè) 機(jī)械工業(yè)出版社 機(jī)電一體化實(shí)用手冊(cè) 科學(xué)出版社 控制電氣及應(yīng)用 清華大學(xué)出版社 C 語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)教程 華南理工大學(xué)出版社 機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì) 機(jī)械工業(yè)出版社 電工與電子技術(shù) 高等教育出版社 機(jī)電一體化技術(shù) 西安電子科技大學(xué)出版社 機(jī)械技術(shù)基礎(chǔ) 機(jī)械工業(yè)出版社 1大學(xué) C++程序設(shè)計(jì)教程 高等教育出版社 1大學(xué) Visual C++程序設(shè)計(jì)案例教程 高等教育出版社 1 Industrial robot technology Oxford Press 1 Craig, John J. 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