【正文】 ................................................................. 42 控制代碼 .......................................................................................... 43 數(shù)據(jù)傳輸格式 ................................................................................... 43 通信程序流程 ................................................................................. 44 上位機監(jiān)控程序設(shè)計 ............................................................................ 44 控件 .................................................................................. 44 黑龍江工程學(xué)院?？粕厴I(yè)論文 3 上位機監(jiān)控程序編制 ........................................................................ 46 控制系統(tǒng)的調(diào)試 ....................................................................................... 49 調(diào)試前的準(zhǔn)備工作 ................................................................................ 49 程序調(diào)試 ................................................................................................ 49 運行 結(jié)果 ................................................................................................ 49 小結(jié) .................................................................................................................. 50 第六章 結(jié)論 .......................................................................................... 0 全文工作總結(jié) .................................................................................................... 0 進一步研究設(shè)想 ................................................................................................ 0 參考文獻 .................................................................................................. 2 致 謝 ................................................................................................ 5 黑龍江工程學(xué)院專科生畢業(yè)論文 4 摘 要 隨著機器人技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，教學(xué)型機器人越來越受到科研單位以及高校的重視。本文以慧魚創(chuàng)意組合模型為平臺，設(shè)計并開發(fā)了一種教學(xué)型機器人 —— 三自由度機械手。本文的重點是機器人的控制系統(tǒng)的設(shè)計。下位機采用可編程序控制器，上位機采用 PC 機，從硬件上進行了 PLC 選型、輸入輸出點的配置等，軟件上采用順序控制法編制 了機器人的梯形圖程序，并利用 PLC 的通信功能 ，采用 Visual Basic 開發(fā)了簡單實用的監(jiān)控軟件，實現(xiàn)了遠程控制機器人的目的。機器人應(yīng)用水平是一個國家 工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。 工業(yè)機器人是機器人的主要研究類型，它并不是簡單意義上代替人工的勞動， 而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣 環(huán)境的能力。工業(yè)機器人由機械本體、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動設(shè)備，適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是進入 80 年代以來，機器人技術(shù)的不斷進步，其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用日 益廣泛，引起了各國專家學(xué)者的普遍關(guān)注。世界各國普遍在高等院校為大學(xué)本科生及研究生開設(shè)機器人技術(shù)的有關(guān)課程。因此，教學(xué)型機器人越來越受到科研單位以及高校的重視。 我國目前國內(nèi)的教育機器人產(chǎn)品近 20 種，包括上海廣茂達公司生產(chǎn)的能力風(fēng)暴智能機器人、西覓亞科技生產(chǎn)的樂高機器人、慧魚公司生產(chǎn)的慧魚機器人等。將其作為《機器人學(xué)》、《機黑龍江工程學(xué)院專科生畢業(yè)論文 7 器人技術(shù)》及《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》課程及機械電子工程專業(yè)的綜合教學(xué)實驗設(shè)備，不僅可以讓學(xué)生在輕松愉快的氛圍中充分理解相關(guān)課程的專業(yè)知識 ，而且可以激發(fā)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣，讓他們樹立系統(tǒng)工程概念，培養(yǎng)其獨立開展科學(xué)研究的能力。 機器人及其相關(guān)技術(shù)概述 國內(nèi)外機器人發(fā)展現(xiàn)狀 機器人從 20 世紀(jì) 50 年代誕生以來，在短短的 50 多年里得到了迅速的發(fā)展，經(jīng)歷了第一代工業(yè)機器人的研究、實用化和普及，第二代感知功能機器人的研究、實用化，以及第三代智能機器人的研究等各個階段。 1954 年，美國 Gee． Devol 首先把遠程控制器的 桿結(jié)構(gòu)與數(shù)控銑床的伺服軸結(jié)合起來，研制出了第一臺通用機械手。正是由于這個機械手具有了編程示教再現(xiàn)功能，因此許多人把它作為現(xiàn)代工業(yè)機器人產(chǎn)生的標(biāo)志。 與第一代示教再現(xiàn)型機器人不同，第二代機器人是具有感覺功能的適應(yīng)控制機器人。在機器人視覺、觸覺研究的同時，機器人其他感覺功能的開發(fā)也已經(jīng)開始，對機器人的接近覺、聽覺以及會話等功能都進行了研究，并取得了一定的成果。目前，這類工業(yè)機器人占總數(shù)的 70％以上，全球正在工作的工業(yè)機器人共有 74 萬，我國有 3000 臺左右。從七十年代后期開始，人們對智 能機器人的規(guī)劃生成系統(tǒng) (問題解決系統(tǒng)，路徑搜索等 )，環(huán)境的理解系統(tǒng) (感覺智能，包括視覺，觸覺等 )，知識獲得與利用系統(tǒng) (知識工程和專家系統(tǒng)等 )，人機接口系統(tǒng)，運動系統(tǒng)等問題展開了更加廣泛深入地研究。國外專家預(yù)測，機器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車、計算機之后出現(xiàn)的新的大型高技術(shù)產(chǎn)業(yè) 。進入 90 年代，機器人產(chǎn)品發(fā)展速度加快，年銷售量增長率平均在 10％左黑龍江工程學(xué)院專科生畢業(yè)論文 8 右； 2021 年增長率達到了創(chuàng)記錄的 20％，其中，亞洲機器人增長幅度最為突出，增長43％。前 10 年處于研究單位自行開展研究工作狀態(tài)，發(fā)展比較緩慢。特別是在“七五”、“八五”、‘‘九五”機器人技術(shù)國家攻關(guān)和“ 863高技術(shù)發(fā)展計劃的重點支持下，我國的機器人技術(shù)取得了重大發(fā)展 。 在機器人操作機研制方面：已開發(fā)出一些先進的操作機和特種機器人 ,如自動導(dǎo)引車 AGV，壁面爬行機器人，重復(fù)定位精度為177。在機器人的應(yīng)用工程方面：目前國內(nèi)已建立了多條弧焊機器人生產(chǎn)線， 裝配機器人生產(chǎn)線，噴涂生產(chǎn)線和焊裝生產(chǎn)線。 綜上所述，我國機器人發(fā)展己跨過了起步階段，走上了進步和發(fā)展的道路。 機器人自動控制技術(shù) 一 個完善的機器人系統(tǒng)，必須由一個完善的 機械系統(tǒng)和相應(yīng)的控制器組成。機器人控制器 的功能是控制機械系統(tǒng)的運動和操作，以滿足作業(yè)要求。 為實現(xiàn)機器人的上述各種功能，每個機器人都配有相應(yīng)的控制器。作為機 器人系統(tǒng)不可分割的一部分，機器人控制系統(tǒng)的工作原理、結(jié)構(gòu)和機器人的功能、精度要求有密切關(guān)系。計算機控制系統(tǒng)的應(yīng)用使得科學(xué)研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工藝實踐的效率大大提高，同時也大幅度提高了產(chǎn)品和成果的質(zhì)量。具有功能強、可靠性高、容易維護、應(yīng)用靈活、體積小能耗低等優(yōu)點，適用于開關(guān)量邏輯控制、運動控制、順序控 制和過程控制，可以進行數(shù)據(jù)處理，可以組成控制網(wǎng)絡(luò)，是具有完整控制功能和數(shù)據(jù)處理功能的工業(yè)控制計算機。通過研究比對，本文采用三菱公司的 FX2N系列 PLC進行機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計，完成控制功能。 課題的目標(biāo)和主要研 究內(nèi)容 論文研究目標(biāo) 本文以慧魚創(chuàng)意組合模型為平臺，設(shè)計并開發(fā)了一種教學(xué)工業(yè)機器人 —— 三自由度機械手，并進行了機器人的系統(tǒng)研究。監(jiān)控軟件采用高級語言 visual Basic 開發(fā)，編制監(jiān)控界面和通信程序，控制方便簡單。 (2)機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 按照模塊化的設(shè)計方法，將機器人分為手部結(jié)構(gòu)、手臂和立柱三部分，分別對各個結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件進行設(shè)計并校核，通過實驗使用慧魚零件搭建機械手的結(jié)構(gòu)。從系統(tǒng)總體的角度而言，它應(yīng)包括 硬件和軟件兩大部分。通過研究 PLC 的工作原理，選用合適的傳感器作為輸入信號，電 動機作為輸出信號，配置 PLC 輸入輸出端子，對 PLC 的輸入輸出電路進行了詳細說明，最后安裝調(diào)試；上位機的主要任務(wù)是對現(xiàn)場采集來的信號進行顯示、處理和動態(tài)監(jiān)視，對機械手的每個動作進行開關(guān)操作。通過編寫 PLC 手動運行和自動運行的梯形圖程序，完成機械手的動作；上位機監(jiān)控軟件的開發(fā)是通過對 PLC 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和三菱 PLC 通信控制方法及通信協(xié)議等內(nèi)容的研究，使用Ⅶ編制監(jiān)控界面和通信程序，遠程操作機械手的運動，實現(xiàn)把個人計算機建設(shè)成 PLC控制系統(tǒng)終端 的目的 。所謂的機電一體化系統(tǒng)是指在系統(tǒng)的主功能、信息處理功能和控制功能等方面引進了電子技術(shù)，并把機械裝置、執(zhí)行部件、計算機等電子設(shè)備以及軟件等有機結(jié)合而構(gòu)成的系統(tǒng)，即機械、執(zhí)行、信息處理、接口和軟件等部分在電子技術(shù)的支配下，以系統(tǒng)的觀點進行組合而形成的一種新型機械系統(tǒng)。這三大部分可分為驅(qū)動系統(tǒng)、 機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機器人 —— 環(huán)境交互系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)六個子系統(tǒng)，如圖 2l 所示。 圖 21機器人的系統(tǒng)組成 機器人任務(wù)要求和技術(shù)參數(shù) 機械手以雙工作臺流水線上的工件為作業(yè)對象，完成上料和下料動作。下料完成：手臂下降 —— 手爪夾取 —— 腰部旋轉(zhuǎn) —— 手爪張開一系列動作，將加工好的工件從流水線的傳送 帶上夾取到指定位置。根據(jù)其用途和特點其技術(shù)參數(shù)如表 21所示： 表 2l機器人技術(shù)參數(shù) 自由度數(shù)目 3 定位精度 1mm 負載能力（含末端執(zhí)行器） 黑龍江工程學(xué)院?？粕厴I(yè)論文 12 幾何尺寸 200mm*270mm*350mm 運動范圍 腰部轉(zhuǎn)動 180 手臂伸縮 120mm 手臂升降 160mm 最大展開半徑 220mm 本體重量 8kg 驅(qū)動系統(tǒng) 直流電機 機器人運動形式的確定 機器人手臂部分的主要功能是使機械手達到空間的 指定位置，一般需要有三個自由度。 (1)直角坐標(biāo)型：通過沿 x— y— z三個互相垂直的直角坐標(biāo)的移動來實現(xiàn)末端執(zhí)行器空間位置的改變。 (2)圓柱坐標(biāo)型：由一個升降直線運動關(guān)節(jié)，一個圓周旋轉(zhuǎn)運動關(guān)節(jié)和一個水平直線運動關(guān)節(jié)組合而成。 (3)球坐標(biāo)型：由二個回轉(zhuǎn)運動關(guān)節(jié)和一個直線移動關(guān)節(jié)分別作為方向旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、俯仰旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和徑向直線運動關(guān)節(jié)組合而成。 (4)多關(guān)節(jié)型：這類機器人由兩個肩關(guān)節(jié)和一個肘關(guān)節(jié)進行定位，由兩個或三個腕關(guān)節(jié)定向。肘關(guān)節(jié)平行于第二個肩關(guān)節(jié)軸線。但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜?；剞D(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、左右運動；移動關(guān)節(jié)實現(xiàn)上下運動。最適用于平面定位，垂直方向進行裝配的作業(yè) 。機器人工作空間如圖 22所示。該教學(xué)機 器人系統(tǒng)設(shè)計為三個自由度，分別為立柱回轉(zhuǎn) (周向 )，手臂升降運動 (軸向 )和手臂伸縮運動 (徑向 )。 圖 22機器人工作空間 圖 23 機器人結(jié)構(gòu)簡圖 機器人驅(qū)動方案的對比分析及選擇 通常，機器人的驅(qū)動方式有以下幾類： (1)氣壓驅(qū)動使用壓力通常在 O 4～ 0 6Mpa，最高可達 1Mpa。 (2)液壓驅(qū)動系統(tǒng)的功率質(zhì)量比大，驅(qū)動平穩(wěn)，同時液壓驅(qū)動調(diào)速比較簡單，能在很大范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速；缺點是易漏油，這不僅影響工作穩(wěn)定性和定位精度，而且污染環(huán)境。 (3)電氣驅(qū)動是利用各種電機產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩，直接或經(jīng)過減速機構(gòu)去驅(qū)動負載，以獲得要求的機器人運動。 綜合 考慮各種驅(qū)動方式的優(yōu)缺點，最后采用電氣驅(qū)動。電動機在機器人中應(yīng)用時 ，應(yīng)主要關(guān)注電動機的如下基本性能： ①能實現(xiàn)啟動、停止、連續(xù)的正反轉(zhuǎn)