球面SCARA機(jī)器人總體及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

球面SCARA機(jī)器人總體及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),球面,scara,機(jī)器人,總體,整體,控制系統(tǒng),設(shè)計(jì) 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2011 目 錄 1 前言 .1 1.1 課題的來(lái)源 .1 1.2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) .2 1.3 設(shè)計(jì)的思路及解決的主要問(wèn)題 .2 2 球面 SCARA 機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì) .4 2.1 運(yùn)動(dòng)方案及主要技術(shù)參數(shù)的擬定 .4 2.2 方案擬定 .5 3 機(jī)器人控制的功能、組成和分類 .7 3.1 機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn) .7 3.2 對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)的一般要求 .7 3.3 機(jī)器人控制系統(tǒng)分類 .8 3.4 機(jī)器人的控制方式 .8 4 球面 SCARA 機(jī)器人的控制系統(tǒng) .9 4.1 控制要求 .9 4.2 控制方案的確定 .9 4.3 器件的工作原理 .9 4.3.1步進(jìn)電機(jī) .9 4.3.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 .10 4.3.3傳感器： .11 4.3.4PLC 控制器： .12 4.4 控制系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì) .12 4.4.1 控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)： .12 4.4.2 控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) .12 5 PLC 簡(jiǎn)介 .18 5.1 PLC 的發(fā)展歷程 .18 5.2 PLC 的構(gòu)成 .18 5.3 CPU 的構(gòu)成 .18 5.4 I/O 模塊 .19 5.5 電源模塊 .19 5.6 PLC 系統(tǒng)的其它設(shè)備 .19 5.7 PLC 的通信聯(lián)網(wǎng) .20 6 結(jié)論 .21 參考文獻(xiàn) .22 致謝 .23 附錄 .24 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2011 1 1 前言 1.1 課題的來(lái)源 這個(gè)課題來(lái)源于實(shí)驗(yàn)室，課題符合機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)方向教學(xué)計(jì)劃 及培養(yǎng)目標(biāo)的要求。 機(jī)器人設(shè)計(jì)這類課題是典型的機(jī)電一體化課題，這個(gè)課題設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括制定 機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案以及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。根據(jù)機(jī)器人的實(shí)際需要的動(dòng)作要求我 們?cè)O(shè)計(jì)了機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)，通過(guò)設(shè)計(jì)使學(xué)生能夠掌握如何去應(yīng)用 PLC 控制一個(gè)裝 置。能夠使學(xué)生在計(jì)算機(jī)繪圖、機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、編制技術(shù)文件、正確查閱使用各種 技術(shù)資料的能力得到綜合訓(xùn)練，使學(xué)生能夠解決本專業(yè)實(shí)際工程問(wèn)題的能力得到了 提高。本課題的難度適中，綜合性強(qiáng)，已具備許多相關(guān)的技術(shù)資料，有關(guān)軟、硬件 應(yīng)用的資料也比較多，學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)定的時(shí)間內(nèi)查閱有關(guān)資料，經(jīng)過(guò)努力能夠 完成任務(wù)。同時(shí)可編程序控制器(PLC)作為一種新型的工業(yè)自動(dòng)化裝置，它已在工 業(yè)控制各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，具有體積小、功耗低、壽命長(zhǎng)、可靠性高、靈 活通用、易于編程、維修及使用方便等特點(diǎn)。將 PLC 技術(shù)應(yīng)用于球面機(jī)器人控制， 使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)應(yīng)有的動(dòng)作，回原位，手動(dòng)操作，自動(dòng)操作。編程過(guò)程中用步進(jìn)指令 編寫(xiě)可以簡(jiǎn)化程序，而且還避免了過(guò)去由于大量使用繼電器帶來(lái)的種種缺點(diǎn)，改善 并提高了控制性能，提高了生產(chǎn)效率，更進(jìn)一步地降低了生產(chǎn)成本。 PLC控制電路相對(duì)于過(guò)去傳統(tǒng)的繼電器控制電路有如下一些優(yōu)點(diǎn)： (a)從控制方式而言：以往的繼電器控制硬接線，邏輯關(guān)系一旦確定，要改變 邏輯或增加功能是非常困難的；而PLC的軟接線，只需改變控制程序就可非常方便 地改變邏輯或者增加一些其他的功能。 (b) 從工作方式而言：以往的繼電器控制并行工作；而PLC采用串行工作的方 式。 (c) 從控制速度上而言：以往的繼電器控制速度慢，更糟的是觸點(diǎn)比較容易抖 動(dòng)；而PLC是通過(guò)半導(dǎo)體來(lái)控制，速度很快，無(wú)觸點(diǎn)，所以不存在抖動(dòng)這一說(shuō)法。 (d) 從定時(shí)、記數(shù)而言：以往的繼電器控制定時(shí)精度低，容易受環(huán)境的溫度變 化的影響，而且沒(méi)有記數(shù)的功能；PLC時(shí)鐘脈沖由晶振產(chǎn)生，精度高，定時(shí)范圍寬， 可以實(shí)現(xiàn)記數(shù)這一功能。 (e) 從可靠、維護(hù)而言：以往的繼電器控制觸點(diǎn)太多，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械磨損，不僅 接線多，可靠性、維護(hù)性能也非常差；PLC因?yàn)闆](méi)有觸點(diǎn)，所以它的壽命長(zhǎng)，且有 自我診斷功能，可以對(duì)這些程序執(zhí)行監(jiān)控功能，還可以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)也比較方便。 因此在工業(yè)控制領(lǐng)域方面，隨著電力電子技術(shù)、PLC與變頻技術(shù)的發(fā)展，以PLC 控制為控制器的電力控制技術(shù)在各類機(jī)械設(shè)備中越來(lái)越受人們的青睞，它將逐漸取 代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)。隨著PLC的廣泛應(yīng)用和電力控制技術(shù)的不斷發(fā)展，可以 利用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)課題中球面SCARA機(jī)器人的自動(dòng)控制。毋庸置疑這將是今后的發(fā)展方 球面 SCARA 機(jī)器人總體及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 向，而針對(duì)這種控制系統(tǒng)的PLC程序的設(shè)計(jì)就顯得很重要了。 1.2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) PLC 在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域方面起著非常重要的作用，實(shí)際上已經(jīng)有 80%以上的工 業(yè)控制可以采用 PLC 控制來(lái)完成。PLC 可用于邏輯順序控制、運(yùn)動(dòng)及位置控制、過(guò) 程控制、數(shù)據(jù)的處理以及通信聯(lián)網(wǎng)等。PLC 可靠性高、柔性好、編程靈活、開(kāi)發(fā)周 期短以及可以實(shí)現(xiàn)故障自診斷等方面的特點(diǎn)。 直到本世紀(jì) 80 年代初機(jī)器人才誕生出來(lái)，機(jī)器人技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)長(zhǎng)期而緩慢 的發(fā)展歷程。90 年代后，微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等快速發(fā)展起來(lái)，機(jī) 器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。工業(yè)機(jī)器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠 性等不斷提高，更令人高興的是機(jī)器人的制造成本和價(jià)格卻不斷下降。在西方的一 些國(guó)家，與機(jī)器人下降的價(jià)格相反的是，人的勞動(dòng)力成本正保持著不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)。 （1） 工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高(很高的速度、較高的精度、可靠性穩(wěn)定、易 于操作和維修)，并且單機(jī)價(jià)格正不斷保持下降的趨勢(shì)。 （2） 機(jī)械結(jié)構(gòu)正向模塊化、可重構(gòu)化的方向去發(fā)展。 例如關(guān)節(jié)模塊中的伺 服電機(jī)、減速機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)的三位一體化，關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊可以用重組方式構(gòu)造 機(jī)器人整機(jī)，國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品生產(chǎn)出來(lái)。 （3）工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)正在向基于計(jì)算機(jī)的開(kāi)放型控制器發(fā)展，以便標(biāo)準(zhǔn) 化、網(wǎng)絡(luò)化；提高了器件的集成度，控制柜越來(lái)越小，采用模塊化結(jié)構(gòu)后大大提高 了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 （4）傳感器在機(jī)器人控制中的作用日漸重要起來(lái)，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、 加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺(jué)、力覺(jué)傳感器等，而遙控機(jī)器 人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行環(huán)境建模以及決策； 在產(chǎn)品中采用多傳感器融合技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟了。 （5） 虛擬制造技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從原來(lái)單純的仿真預(yù)演發(fā)展為用于過(guò) 程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生仿佛自己置身于虛擬作業(yè)環(huán)境中的感覺(jué)來(lái)操縱 機(jī)器人。 （6）當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不再是僅僅追求過(guò)去的單純的自治系統(tǒng)， 而是致力于操作者與機(jī)器人之間的人機(jī)交換控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整 的監(jiān)控、遙控操作系統(tǒng)，使機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入使用化這一階段。 （7） 機(jī)器人化的機(jī)械作業(yè)時(shí)代開(kāi)始興起，一批批工程師正在紛紛探索開(kāi)拓其 實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。 1.3 設(shè)計(jì)的思路及解決的主要問(wèn)題 本課題是對(duì)球面SCARA機(jī)器人總體及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)分為機(jī)器人的總體部 分的設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)部分的設(shè)計(jì)。 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體要求，設(shè)計(jì)一臺(tái)三自由度教學(xué)型機(jī)器人，用于實(shí)踐教學(xué)，機(jī) 器人能進(jìn)行三個(gè)自由度方向的運(yùn)動(dòng)，本課題主要設(shè)計(jì)該機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)和控制系 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2011 3 統(tǒng)，具體內(nèi)容如下： 1、確定總體方案，繪制機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖； 2、各電機(jī)的選擇，各零部件設(shè)計(jì)計(jì)算和選擇，進(jìn)行機(jī)器人大臂、小臂結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)，并繪制主要零件圖； 3、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：1）繪制機(jī)器人的控制系統(tǒng)接線圖；2）編寫(xiě)機(jī)器人的控 制程序； 球面 SCARA 機(jī)器人總體及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 2 球面 SCARA 機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì) 2.1 運(yùn)動(dòng)方案及主要技術(shù)參數(shù)的擬定 球面 SCARA 機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)如下表 2-1。 表 2-1 球面 SCARA 機(jī)器人主要技術(shù)參數(shù) 自由度數(shù)：3 個(gè)（ ， ，r）12 動(dòng)作范圍 最高空行程速度 最高工進(jìn)速度 （定位精度） 第一軸 1360 120()/s 90()/s 0.03 第二軸 2360 120()/s 90()/s 0.03 第三軸 r 100mm 50mm/s 40mm/s 0.015mm 工件最大直徑 ：200mm 第三軸最大抗力 5N 該機(jī)器人是 SCARA 球面機(jī)器人，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要保證規(guī)定的動(dòng)作范圍、 速度和精度而且更要防止干涉的問(wèn)題。所以第二軸小臂的實(shí)際動(dòng)作范圍小于 360，并且底座電機(jī)，真空吸盤(pán)的定位方式的安裝要合理、可靠。在這個(gè)課題中我 需要完成球面 SCARA 機(jī)器人裝配圖和關(guān)鍵零件的零件圖以及機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 關(guān)于球面 SCARA 機(jī)器人簡(jiǎn)介： 一般球面機(jī)器人的自出度布置如上圖所示，圖 2-1 的 1軸線和 2軸線平行， 頂針不僅要轉(zhuǎn)動(dòng)還要移動(dòng)，它的自由度是四個(gè)，和圖 2-2 和相比它的頂針不能到達(dá) 一個(gè)球的軌跡。如圖 2-2 所示大臂和小臂的 1軸線和 2軸線垂直相交，這樣裝 在 r 自由度軸上的頂針可以在球上任一點(diǎn)進(jìn)行作業(yè)。 該球面 SCARA 機(jī)器人工具中心線不僅需要通過(guò)球坐標(biāo)的原點(diǎn)，還要保證制造及 控制精度，這樣頂針才能達(dá)到動(dòng)作要求在球面上任意位置可以精確定位。頂針可以 在球面上任何位置沿半徑方向慢慢接近工件。工件球需要有一個(gè)夾具來(lái)夾持， 如果是在下面夾持，則在球系的下方的一塊區(qū)域內(nèi)頂針不能達(dá)到，會(huì)發(fā)生干涉。為 把這個(gè)影響減到最低，我們采用了真空吸盤(pán)來(lái)定位這個(gè)球 1。 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2011 5 圖 2-1 SCARA 機(jī)器人 圖 2-2 球面 SCARA 機(jī)器人 2.2 方案擬定 （1）配置自由度。球面 SCARA 機(jī)器人大臂自由度 1和小臂自由度 2的配置 可以有三種形式，如下圖所示： (a) （b） （c） 圖 2-3 球面 SCARA 機(jī)器人自由度配置 方案（a）的 2驅(qū)動(dòng)及臂 2 占據(jù)了球坐標(biāo)系的中心，不利于工件的安裝。方案 （b）之臂 1 與臂 2 及其驅(qū)動(dòng)避開(kāi)了球的原點(diǎn)，便于安裝。方案（c）之 1驅(qū)動(dòng)工 件轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)器人臂 2 的運(yùn)動(dòng)自由度 2沒(méi)有與 1耦合，這種配置自由度方式不好。 綜上分析，可以看出方案（b）是最好的配置自由度的方案。 （2）驅(qū)動(dòng)方式。驅(qū)動(dòng)方式有液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)、電力驅(qū)動(dòng)，而目前用得最多的 一類是電力驅(qū)動(dòng)。在該機(jī)器人設(shè)計(jì)中由于驅(qū)動(dòng)力矩不大，運(yùn)動(dòng)速度較高，定位精度 要求較高的要求，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)大小臂和頂針。第一軸自由度 1和第二軸 2均采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)比較簡(jiǎn)單，還能實(shí)現(xiàn)比較精確的定位精度。 第三自由度 r 是工件向球面半徑方向的往復(fù)移動(dòng)，采用直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 （3）傳動(dòng)方式。因?yàn)閵A持球的真空吸盤(pán)是沿 Z 軸安裝的，所以底座電機(jī)的軸 線不能與 Z 軸重合，需要采用同步帶作遠(yuǎn)距離傳動(dòng)。小臂電機(jī)軸線可與 Y 軸同軸線， 直接用電機(jī)傳動(dòng)，而不要同步帶。考慮到定位精度高的要求，需要在電機(jī) 1 和 2 的 球面 SCARA 機(jī)器人總體及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 輸出軸上配置減速裝置。第三軸（r 軸）的驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸線與頂針的運(yùn)動(dòng)方向平行， 可以采用直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 2。 綜合考慮，我們選定下面方案：大臂轉(zhuǎn)動(dòng)采用諧波減速裝置，同時(shí)采用同步帶 作遠(yuǎn)距離傳動(dòng)，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)；小臂轉(zhuǎn)動(dòng)也采用諧波減速裝置，考慮到小臂上方 有一個(gè)盒子，盒子里面放的第三個(gè)電機(jī)，由于重力的作用會(huì)自動(dòng)掉落，所以可以采 用自鎖步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這樣在機(jī)器人動(dòng)作過(guò)程中小臂不會(huì)因重力垂下；頂針的軸向 運(yùn)動(dòng)采用直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這樣簡(jiǎn)單方便，不需要絲杠之類的工件。這種方案的 傳動(dòng)鏈非常簡(jiǎn)便，結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單易行。 此方案具有以下優(yōu)點(diǎn): a、諧波減速器的選用適合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是減速比大、體積 小、精度高、承載能力大、重量輕、定位安裝方便、效率高，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單；用直 線電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，不存在中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的慣量和阻力矩的影響，因而加速和減速時(shí)間 短，可實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)和正反向運(yùn)行，直線電機(jī)由于沒(méi)有中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，因而使整個(gè) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，提高了精度，減少了振動(dòng)和噪音。b、因?yàn)楦鱾鲃?dòng)元件的定位 比較容易實(shí)現(xiàn)，還有一點(diǎn)就是使用了很多標(biāo)準(zhǔn)件，所以它的價(jià)格不會(huì)太高，成本也 不高。 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2011 7 3 機(jī)器人控制的功能、組成和分類 3.1 機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 與一般的伺服系統(tǒng)和一般的過(guò)程控制系統(tǒng)相比，機(jī)器人控制系統(tǒng)有如下一些特 點(diǎn)： 1)機(jī)器人的控制與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)。機(jī)器人的狀態(tài)可以在各種坐 標(biāo)下進(jìn)行描述，應(yīng)當(dāng)根據(jù)需要，選擇不同的參考坐標(biāo)系，并做適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換。經(jīng) 常要求解運(yùn)動(dòng)學(xué)的正問(wèn)題和逆問(wèn)題，除此之外還要考慮慣性力、外力及向心力的影 響。 2)一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)器人系統(tǒng)至少有3-5個(gè)自由度，比較復(fù)雜的機(jī)器人有十幾個(gè)自 由度。每個(gè)自由度一般需要包含一個(gè)伺服機(jī)構(gòu)，它們必須協(xié)調(diào)起來(lái)工作，組成一個(gè) 多變量的控制系統(tǒng)。 3)把多個(gè)伺服系統(tǒng)有機(jī)地協(xié)調(diào)起來(lái)，使其按照人的要求行動(dòng)，甚至賦予機(jī)器人 一定的“智能”化，這個(gè)任務(wù)也只能由計(jì)算機(jī)完成。因此，機(jī)器人控制系統(tǒng)是一個(gè) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。同時(shí)，計(jì)算機(jī)軟件擔(dān)負(fù)的任務(wù)很艱巨。目前也可以用三菱FX2N系 列的PLC進(jìn)行控制。 4)一般情況下描述機(jī)器人狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)非線性模型，隨著狀態(tài) 的不同和外力的變化，它的參數(shù)也隨之變化，各變量之間還存在耦合。因此，采用 閉環(huán)控制可以得到比較高的精度?？紤]到本實(shí)驗(yàn)的精度，步進(jìn)電機(jī)就已經(jīng)可以保證， 故不需要引入閉環(huán)控制。 5)機(jī)器人的動(dòng)作往往可以通過(guò)不同的方式和路徑來(lái)完成，因此存在一個(gè)“最優(yōu) 化”的問(wèn)題。較高級(jí)的機(jī)器人可以用人工智能的方法，計(jì)算機(jī)建立龐大的信息庫(kù)， 借助信息庫(kù)進(jìn)行控制、決策、管理來(lái)操作機(jī)器人的動(dòng)作。根據(jù)傳感器和模式識(shí)別的 方法獲得對(duì)象及環(huán)境的工況工作情況，按照給定的指標(biāo)和要求，自動(dòng)地選擇最佳的 控制規(guī)律 3 。 3.2 對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)的一般要求 機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人的重要組成部分，用于對(duì)操作機(jī)的控制，以完成特定 的工作任務(wù)，其基本功能如下： 記憶功能：存儲(chǔ)作業(yè)順序、運(yùn)動(dòng)路徑、運(yùn)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)速度和與生產(chǎn)工藝有關(guān) 的信息。 與外圍設(shè)備聯(lián)系功能：輸入和輸出接口、通信接口、網(wǎng)絡(luò)接口、同步接口。 坐標(biāo)設(shè)置功能：有關(guān)節(jié)、絕對(duì)、工具、用戶自定義四種坐標(biāo)系。 人機(jī)接口：操作面板，由各種操作按鍵、狀態(tài)指示燈構(gòu)成，只完成基本功能操 作。 傳感器接口：位置檢測(cè)、視覺(jué)、觸覺(jué)、力覺(jué)等。 位置伺服功能：機(jī)器人多軸聯(lián)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)控制、速度和加速度控制、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)取?球面 SCARA 機(jī)器人總體及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 故障診斷安全保護(hù)功能：運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視、故障狀態(tài)下的安全保護(hù)和故障 自診斷 4。 3.3 機(jī)器人控制系統(tǒng)分類 程序控制系統(tǒng)：給每一個(gè)自由度施加一定規(guī)律的控制作用，機(jī)器人就可實(shí)現(xiàn)要 求的空間軌跡。 自適應(yīng)控制系統(tǒng)：當(dāng)外界條件變化時(shí)，為保證所要求的品質(zhì)或?yàn)榱穗S著經(jīng)驗(yàn)的 積累而自行改善控制品質(zhì)，其過(guò)程是基于操作機(jī)的狀態(tài)和伺服誤差的觀察，再調(diào)整 非線性模型的參數(shù)，一直到誤差消失為止。這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)能隨時(shí)間和條件 自動(dòng)改變。 人工智能系統(tǒng)：事先無(wú)法編制運(yùn)動(dòng)程序，而是要求在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中根據(jù)所獲得的 周圍狀態(tài)信息，實(shí)時(shí)確定控制作用。 本課題中的球面機(jī)器人的控制就屬于第一種控制方案，程序控制系統(tǒng) 5。 3.4 機(jī)器人的控制方式 點(diǎn)位式：很多機(jī)器人要求能準(zhǔn)確地控制末端執(zhí)行器的工作位置，而路徑卻 無(wú)關(guān)緊要。一般來(lái)說(shuō)這種方式比較簡(jiǎn)單，但是要達(dá)到2-3微米的定位精度也是相當(dāng) 困難的。 軌跡式：在弧焊、噴漆、切割等工作中，要求機(jī)器人末端執(zhí)行器按照示教 的軌跡和速度運(yùn)動(dòng)。其控制方式類似于控制原理中的跟蹤系統(tǒng)，可稱之為軌跡伺服 控制。 力（力矩）控制方式：在完成裝配、抓放物體等工作時(shí)，除要準(zhǔn)確定位之 外，還要求使用適度的力或力矩進(jìn)行工作，這時(shí)就要利用力（力矩）伺服方式。這 種方式的控制原理與位置伺服控制原理基本相同，只不過(guò)輸入量和反饋量不是位置 信號(hào)，而是力（力矩）信號(hào)，因此系統(tǒng)中必須有（力矩）傳感器。 智能控制方式。采用模糊控制理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論算法設(shè)計(jì)控制系統(tǒng) 6。 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2011 9 4 球面 SCARA 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 4.1 控制要求 機(jī)器人手臂動(dòng)作的控制要求有兩種方式，一種是“正常運(yùn)行”，另一種是“緊 急停止”。 a) 正常運(yùn)行。正常運(yùn)行方式的具體控制要求如下: （1）機(jī)器人手臂處于任意狀態(tài)時(shí), 按下啟動(dòng)按鈕控制系統(tǒng)才能開(kāi)始工作, 按下復(fù)位按鈕機(jī)器人手臂進(jìn)行復(fù)位動(dòng)作，復(fù)位完成后復(fù)位指示燈會(huì)亮。 （2)對(duì)機(jī)器人手臂的3個(gè)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)控制, 這樣就可以達(dá)到頂針端部在 球形工件表面任意位置定位的目的。在此過(guò)程中, 設(shè)有感應(yīng)式光電開(kāi)關(guān)，它對(duì)機(jī)器 人手臂的運(yùn)動(dòng)加以限制或保護(hù)。 b) 緊急停止。關(guān)掉電源時(shí), 系統(tǒng)便立即停止運(yùn)動(dòng)。 4.2 控制方案的確定 驅(qū)動(dòng)方式一般有液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)、電力驅(qū)動(dòng)。目前電力驅(qū)動(dòng)用的越來(lái)越多，應(yīng) 用范圍也越廣。因?yàn)樵摍C(jī)器人的驅(qū)動(dòng)力矩不大, 運(yùn)動(dòng)速度和定位精度要求較高的特 點(diǎn), 采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 步進(jìn)電機(jī)尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 啟動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)的改 變可在較少數(shù)脈沖里完成, 具有精確位移、精確定位還沒(méi)有累積誤差等特點(diǎn)。第一 軸自由度 1和第二軸 2均采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，第三自由度r是采用直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū) 動(dòng)，使頂針可以沿半徑方向靠近球體 2。 4.3 器件的工作原理 4.3.1步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要用于開(kāi)環(huán)位置控制系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是控制較容易， 維修也較方便，而且控制為全數(shù)字化。另外體積小，具有較高的起動(dòng)和運(yùn)行頻 率，定位精度高，轉(zhuǎn)矩小也是步進(jìn)電機(jī)的顯著特點(diǎn)。缺點(diǎn)：由于開(kāi)環(huán)控制，所 以精度不高。外形圖 4-1，電氣圖 4-2 如下圖所示： 球面 SCARA 機(jī)器人總體及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 圖 4-1 步進(jìn)電機(jī)外形圖 圖 4-2 二相八拍步進(jìn)電機(jī)電氣圖 4.3.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器主要由電源輸入部分、信號(hào)輸入部分、輸出部分等構(gòu)成。驅(qū)動(dòng) 器的參數(shù)可以參照下列圖表所示： 表 4-1 電氣規(guī)格 說(shuō)明 最小值 典型值 最大值 單位 供電電壓 18 24 40 V 均值輸出電流 0.21 1 1.50 A 邏輯輸入電流 6 15 30 mA 步進(jìn)脈沖響應(yīng) 頻率 100 kHz 脈沖低電平時(shí) 間 5 1 s 表 4-2 電流設(shè)定 電流值 SW1 SW2 SW3 0.21A OFF ON ON 0.42A ON OFF ON 0.63A OFF OFF ON 0.84A ON ON OFF 1.05A 0FF ON OFF 1.26A ON OFF OFF 1.50A OFF OFF OFF 表 4-3 細(xì)分設(shè)定 細(xì)分倍數(shù) 步數(shù)/圈（1.8 整 步） SW4 SW5 SW6 1 200 ON ON ON 2 400 OFF ON ON 4 800 ON OFF ON 1600 OFF OFF ON 3200 ON ON OFF 8 6400 OFF ON OFF 16 12800 OFF ON OFF 由外部確 定 動(dòng)態(tài)改細(xì)分/禁止 工作 OFF OFF OFF 表 4-4 接線信號(hào)描述 信 號(hào) 功 能 PUL 脈沖信號(hào)：上升沿有效，每當(dāng)脈沖由低變高時(shí)電機(jī)走 一步DIR 方向信號(hào)：用于改變電機(jī)轉(zhuǎn)向，TTL 平驅(qū)動(dòng) OPTO 光耦驅(qū)動(dòng)電源 ENA 使能信號(hào)：禁止或允許驅(qū)動(dòng)器工作，低電平禁止 GND 直流電源地 +V 直流電源正極，典型值+24V A+ 電機(jī) A 相 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2011 11 A- 電機(jī) A 相 B+ 電機(jī) B 相 B- 電機(jī) B 相 （5）PLC 控制器與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接的工作原理如下圖 4-3-3 所示： 驅(qū)動(dòng)器電源由面板上電源模塊提供，注意正負(fù)極性，驅(qū)動(dòng)器信號(hào)端采用+24V 供電，需加 1.5K 限流電阻（見(jiàn)圖 4-3 中 1.5K 電阻） 。驅(qū)動(dòng)器輸入端為低電平有效， 在使用不同廠家的 PLC 產(chǎn)品配套此模型使用時(shí)，要選擇相應(yīng)的輸出方式，或者加入 合適的電平轉(zhuǎn)換板進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。 圖 4-3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器工作原理圖 4.3.3傳感器： (1)接近開(kāi)關(guān)：接近開(kāi)關(guān)有三根連接線（棕色、蘭色、黑色）棕色接電源的正 極、藍(lán)色接電源的負(fù)極、黑色為輸出信號(hào)，當(dāng)與檔塊接近時(shí)輸出電平為低電平， 否則為高電平。與 PLC 之間的接線圖 4-4 如下，當(dāng)傳感器動(dòng)作時(shí)，輸出端對(duì)地接 通。PLC 內(nèi)部光耦與傳感器電源構(gòu)成回路時(shí) PLC 信號(hào)輸入才有效。 球面 SCARA 機(jī)器人總體及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 圖 4-4 接近開(kāi)關(guān)與 PLC 的接線 (2)行程開(kāi)關(guān)：當(dāng)檔塊碰到開(kāi)關(guān)時(shí)，常開(kāi)點(diǎn)閉合。 4.3.4PLC 控制器： 該機(jī)器人采用 FX-2N40MR 晶體管輸出型可編程控制器，可輸出脈沖到步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)器，控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。PLC 的原理介紹可以參見(jiàn)第五章 8。 4.4 控制系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì) 4.4.1 控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)： 控制系統(tǒng)由PLC 控制器、3個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、3個(gè)步進(jìn)電機(jī)、6個(gè)感應(yīng)式接近開(kāi) 關(guān)若干按鈕組成(圖4-5) 。PLC控制系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖4-8所示。 限位開(kāi)關(guān) 1 限位開(kāi)關(guān) 2 限位開(kāi)關(guān) 3 限位開(kāi)關(guān) 4 限位開(kāi)關(guān) 5 現(xiàn)為開(kāi)關(guān) 6 F X 2 N 40 M R 步進(jìn)電機(jī)驅(qū) 動(dòng)器 1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū) 動(dòng)器 2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū) 動(dòng)器 3 大臂 小臂 頂針 圖4-5 PLC控制示意圖 步進(jìn)電機(jī)以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，感應(yīng)式限位開(kāi)關(guān)的原理在上一節(jié)都介紹過(guò)了。 根據(jù)控制系統(tǒng)的控制精度選定大臂電機(jī)的型號(hào)為75BF004。而且大臂電機(jī)經(jīng)機(jī)械部 分的校核滿足要求，所以可以使用。H0K7/10是小臂的自鎖電機(jī)，考慮到自鎖電機(jī) 的一些優(yōu)點(diǎn)，以及第三自由度的重力，H0K7/10經(jīng)校核也滿足要求。第三自由度需 要的是直線移動(dòng)，根據(jù)移動(dòng)的距離選定43000size17系列的直線步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī) 的螺桿長(zhǎng)大于需要的移動(dòng)距離，步長(zhǎng)小于控制要求的精度，所以這個(gè)電機(jī)也滿足要 求。 PLC的外部接線圖可以參照以前學(xué)過(guò)的書(shū)中講過(guò)的知識(shí)連接。并且，根據(jù)FX2N- 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2011 13 40MR的外形圖，連接各端子的電線 2。 4.4.2 控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) a) PLC的選型: 輸入元件包括電機(jī)工作按鈕11個(gè)、用于檢測(cè)的限位開(kāi)關(guān)6個(gè)， 總計(jì)17 個(gè)； 輸出元件包括控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的接觸器線圈和指示燈共7個(gè)。主機(jī) 型號(hào)為: 三菱FX2N-40MR。主機(jī)輸出方式為晶體管輸出, 具有高速運(yùn)算能力、還可 以進(jìn)行PID調(diào)節(jié)功能、同時(shí)可以輸出兩路脈沖控制兩臺(tái)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。具有: 超高的 運(yùn)算速度, 50%小型化設(shè)計(jì), 程序容量為內(nèi)置8K STEP RAM, 最大可擴(kuò)展模塊進(jìn)行擴(kuò) 展。輸入和輸出點(diǎn)數(shù)分別各為24 和16,輸入輸出點(diǎn)數(shù)總數(shù)為40。而且已經(jīng)考慮了以 后的擴(kuò)展模塊，預(yù)留10%20%的預(yù)留量。FX2N型的PLC面板外形如圖4-7所示。 b) I/O點(diǎn)的端子分配: 該球面機(jī)器人采用的日本三菱公司的FX2N系列PLC為控 制器, PLC是一種按預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行外部設(shè)備控制的自動(dòng)化裝置。FX2N-40MR的 外觀端子布局圖如下圖4-7所示。表4-5還列出了這次變編寫(xiě)程序的端子分配。 c) 程序流程圖: 機(jī)器人PLC 控制程序編寫(xiě)所依據(jù)的流程圖4-4-5所示，程序框 架中不僅包含了初始化條件，回原位的程序，還有手動(dòng)自動(dòng)的程序，其中回原位程 序和自動(dòng)程序用SFC步進(jìn)指令編寫(xiě)的，簡(jiǎn)單方便明了。 d) 部分PLC程序: 機(jī)器人初始化PLC程序見(jiàn)下圖4-4-6。由于篇幅只該給出了初 始化的PLC程序，其他的可以詳見(jiàn)程序說(shuō)明書(shū) 1 2。 圖4-6控制系統(tǒng)接線圖 球面 SCARA 機(jī)器人總體及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 輸 入 端 子 輸 入 信 號(hào) 燈 輸 出 端 子 輸 出 信 號(hào) 燈 編 程 電 纜 運(yùn) 行 開(kāi) 關(guān) 電 源 指 示 燈 運(yùn) 行 指 示 燈 電 池 指 示 燈 出 錯(cuò) 指 示 燈 擴(kuò) 展 端 口 鋰 電 池 圖4-7FX2N型PLC面板外形 圖4-8 FX2N-40MR端子外形圖 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2011 15 表 4-5 FX2N-40MR I/O 端子分配表 啟動(dòng) X0 大臂正轉(zhuǎn) Y0 大臂左限位 X1 大臂反轉(zhuǎn) Y1 大臂右限位 X2 小臂正轉(zhuǎn) Y2 小臂上限位 X3 小臂反轉(zhuǎn) Y3 小臂下限位 X4 頂針前進(jìn) Y4 頂針前進(jìn)限位 X5 頂針后退 Y5 頂針后退限位 X6 大臂制動(dòng) Y10 手動(dòng) / 自動(dòng)切換 X7 小臂制動(dòng) Y11 大臂正轉(zhuǎn) X10 頂針制動(dòng) Y12 大臂反轉(zhuǎn) X11 原位指示 Y13 小臂正轉(zhuǎn) X12 小臂反轉(zhuǎn) X13 頂針前進(jìn) X14 頂針后退 X15 停止按鈕 X16 回原位 X17 球面 SCARA 機(jī)器人總體及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 X0 X7 X7 X6X3X1 X17 回原點(diǎn)程序 Y13 CJ P0 手動(dòng)單步操作程序 CJ P1 自動(dòng)程序 END 圖4-9 總程序框架圖 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2011 17 圖4-10 初始化程序 球面 SCARA 機(jī)器人總體及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 5 PLC 簡(jiǎn)介 在自動(dòng)化控制領(lǐng)域，PLC 是一種重要的控制設(shè)備。目前，世界上有好多廠家生 產(chǎn)品種齊全的 PLC 產(chǎn)品，PLC 廣泛應(yīng)用在汽車、糧食加工、化學(xué)/制藥、金屬/礦山、 紙漿/造紙等行業(yè)。 5.1 PLC的發(fā)展歷程 在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，大量的開(kāi)關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動(dòng)作， 并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動(dòng)作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這 些功能是通過(guò)氣動(dòng)或電氣控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱PC）發(fā)展起來(lái)后，為了方便，也為了反映可編程控制器 的功能特點(diǎn)，可編程序控制器定名為Programmable Logic Controller（PLC） 。 PLC 的定義有許多種。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）對(duì) PLC 的定義是：可編程控制 器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程 序的存貯器，用來(lái)在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算 等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò) 程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易 于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。 上世紀(jì) 80 年代至 90 年代中期 PLC 在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī) 接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC 逐漸進(jìn)入過(guò)程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上 取代了在過(guò)程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的 DCS 系統(tǒng)。 PLC具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn) 單等特點(diǎn)。PLC在工業(yè)自動(dòng)化控制特別是順序控制中的地位，在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，是 無(wú)法取代的。 5.2 PLC的構(gòu)成 從結(jié)構(gòu)上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、 I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個(gè)不可拆卸的整體。模塊 式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架，這些模塊可以按照 一定規(guī)則組合配置。PLC采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要是由CPU、存儲(chǔ)器、輸入輸 出、電源及其他外圍設(shè)備接口等部分構(gòu)成。PLC的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示： 5.3 CPU的構(gòu)成 CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套PLC 至少有一個(gè)CPU ，它按PLC 的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入 裝置送來(lái)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時(shí)，診斷電源和PLC內(nèi)部電路 的工作狀態(tài)和編程過(guò)程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤等。進(jìn)入運(yùn)行后，從用戶程序存貯器中逐條讀 取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，去指揮有關(guān)的控制電 路。 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2011 19 CPU主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器及實(shí)現(xiàn)它們的聯(lián)系數(shù)據(jù)、控制及總線構(gòu)成， 圖5-2 PLC基本結(jié)構(gòu)圖 CPU 單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。內(nèi)存主要用于存儲(chǔ)程序及數(shù)據(jù)， 是 PLC 不可缺少的組成單元。 在使用者看來(lái)，不必要詳細(xì)分析 CPU 的內(nèi)部電路，但對(duì)各部分的工作機(jī)制還是 應(yīng)有足夠的理解。CPU 的控制器控制 CPU 工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指 令。但工作節(jié)奏由震蕩信號(hào)控制。運(yùn)算器用于進(jìn)行數(shù)字或邏輯運(yùn)算，在控制器指揮 下工作。寄存器參與運(yùn)算，并存儲(chǔ)運(yùn)算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。 CPU 速度和內(nèi)存容量是 PLC 的重要參數(shù)，它們決定著 PLC 的工作速度，IO 數(shù)量 及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。 5.4 I/O 模塊 PLC 與電氣回路的接口，是通過(guò)輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O 模塊集成了 PLC 的 I/O 電路，其輸入暫存器反映輸入信號(hào)狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。 輸入模塊將電信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入 PLC 系統(tǒng)，輸出模塊相反。 開(kāi)關(guān)量是指只有開(kāi)和關(guān)（或 1 和 0）兩種狀態(tài)的信號(hào)，模擬量是指連續(xù)變化的 量。常用的 I/O 分類如下： 開(kāi)關(guān)量：按電壓水平分，有 220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電 器隔離和晶體管隔離。 模擬量：按信號(hào)類型分，有電流型（4-20mA,0-20mA）、電壓型（0-10V,0- 5V,-10-10V）等，按精度分，有 12bit,14bit,16bit 等。 除了上述通用 IO 外，還有特殊 IO 模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。 按I/O點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管 理的基本配置的能力，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。 5.5 電源模塊 PLC 電源用于為 PLC 各模塊的集成電路提供工作電源。同時(shí)，有的還為輸入電 路提供 24V 的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220VAC 或 110VAC），直流 電源（常用的為 24VAC）。 球面 SCARA 機(jī)器人總體及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20 5.6 PLC 系統(tǒng)的其它設(shè)備 1、編程設(shè)備：編程器是 PLC 開(kāi)發(fā)應(yīng)用、監(jiān)測(cè)運(yùn)行、檢查維護(hù)不可缺少的器件， 用于編程、對(duì)系統(tǒng)作一些設(shè)定、監(jiān)控 PLC 及 PLC 所控制的系統(tǒng)的工作狀況，但它不 直接參與現(xiàn)場(chǎng)控制運(yùn)行。小編程器 PLC 一般有手持型編程器，目前一般由計(jì)算機(jī) （運(yùn)行編程軟件）充當(dāng)編程器。 2、人機(jī)界面：最簡(jiǎn)單的人機(jī)界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏） 式的一體式操作員終端應(yīng)用越來(lái)越廣泛，由計(jì)算機(jī)（運(yùn)行組態(tài)軟件）充當(dāng)人機(jī)界面 非常普及。 3、輸入輸出設(shè)備：用于永久性地存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)，如 EPROM、EEPROM 寫(xiě)入器、 條碼閱讀器，輸入模擬量的電位器，打印機(jī)等。 5.7 PLC 的通信聯(lián)網(wǎng) 依靠先進(jìn)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以迅速有效地收集、傳送生產(chǎn)和管理數(shù)據(jù)。因此， 網(wǎng)絡(luò)在自動(dòng)化系統(tǒng)集成工程中的重要性越來(lái)越顯著，甚至有人提出網(wǎng)絡(luò)就是控制 器的觀點(diǎn)說(shuō)法。 PLC具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，它使PLC與PLC 之間、PLC與上位計(jì)算機(jī)以及其他智 能設(shè)備之間能夠交換信息，形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，實(shí)現(xiàn)分散集中控制。多數(shù)PLC具 有RS-232接口，還有一些內(nèi)置有支持各自通信協(xié)議的接口。 對(duì)于一個(gè)自動(dòng)化工程(特別是中大規(guī)?？刂葡到y(tǒng))來(lái)講，選擇網(wǎng)絡(luò)非常重要的。 首先，網(wǎng)絡(luò)必須是開(kāi)放的，以方便不同設(shè)備的集成及未來(lái)系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)展；其次， 針對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)層次的傳輸性能要求，選擇網(wǎng)絡(luò)的形式，這必須在較深入地了解該網(wǎng) 絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議、機(jī)制的前提下進(jìn)行；再次，綜合考慮系統(tǒng)成本、設(shè)備兼容性、現(xiàn)場(chǎng) 環(huán)境適用性等具體問(wèn)題，確定不同層次所使用的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn) 11。 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2011 21 6 結(jié)論 隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，對(duì)機(jī)器人的性能提出了 更高的要求，因此，如何有效地將其他領(lǐng)域（如圖像處理、聲音識(shí)別、最優(yōu)控制、 人工智能等）的研究成果應(yīng)用到機(jī)器人控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)操作中，是一項(xiàng)富有挑戰(zhàn)性 的研究工作而具有開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人控制器的研究無(wú)疑對(duì)提高 機(jī)器人性能和自主能力、推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展具有重大意義機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè) 計(jì)完成后, 整個(gè)系統(tǒng)能夠滿足控制要求, 機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn) , 控制動(dòng)作準(zhǔn)確、可靠。 20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等快速發(fā)展，工業(yè)機(jī) 器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展?，F(xiàn)在工業(yè)機(jī)器人已發(fā)展成為一個(gè)龐大的家族，并與數(shù) 控（NC）、可編程控制器（PLC）一起成為工業(yè)自動(dòng)化的三大技術(shù)支柱和基本手段， 廣泛應(yīng)用于制造業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域之中。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)從機(jī)械本體、控制系統(tǒng)、傳感 系通行統(tǒng)，到可靠性、網(wǎng)絡(luò)通信功能的拓展等方面都取得了突破性的進(jìn)展。 可以預(yù)見(jiàn)，在 21 世紀(jì)各種先進(jìn)的機(jī)器人系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)入人類生產(chǎn)、生活的各個(gè)領(lǐng) 域，成為人類良好的助手和親密的伙伴。 球面 SCARA 機(jī)器人總體及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 22 參考文獻(xiàn) 1 吳振彪.機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)M.北京：中國(guó)人民大學(xué)出版社，2000 2 袁健.球面 SCARA 機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2009 ， （1）：160- 161 3 蔡自興.機(jī)器人學(xué)M.北京：清華大學(xué)出版社，2000 4 霍偉.機(jī)器人動(dòng)力學(xué)與控制M.北京：高等教育出版社, 2004 5 王天然.機(jī)器人M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002 6 孫迪生，王炎.機(jī)器人控制技術(shù)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998 7 朱世強(qiáng)，王宣銀.機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用M.杭州：浙江大學(xué)出版社, 2001 8 楊昌焜，金廣業(yè).可編程序控制器應(yīng)用技術(shù)M.北京：中國(guó)電力出版社，2003 9 張建民.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)M.北京：高等教育出版社，2001 10 葉偉昌.機(jī)械工程及自動(dòng)化簡(jiǎn)明設(shè)計(jì)手冊(cè)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001 11 袁任光.可編程序控制器應(yīng)用技術(shù)與實(shí)例M.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2003 12 韓敬禮.機(jī)械電氣設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995. 13 葉偉昌.機(jī)械工程及自動(dòng)化簡(jiǎn)明設(shè)計(jì)手冊(cè)(上冊(cè))M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001. 14 葉偉昌.機(jī)械工程及自動(dòng)化簡(jiǎn)明設(shè)計(jì)手冊(cè)(下冊(cè))M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001. 15 徐錦康.機(jī)械設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社M，2001. 16 王旭,王積森.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì).第 2 版M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008. 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2011 23 致 謝 畢業(yè)意味著一個(gè)人在一個(gè)階段學(xué)習(xí)生涯的結(jié)束，而畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)我們大學(xué)四年 所學(xué)知識(shí)的一次全面考驗(yàn)，回顧這場(chǎng)畢業(yè)設(shè)計(jì)，我覺(jué)得他使我獲益良多。 通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，是我得到了一次用專業(yè)知識(shí)、專業(yè)技能分析和解決問(wèn)題的 全面鍛煉。不僅學(xué)到了更多的理論知識(shí)，擴(kuò)展了知識(shí)面，提高了自己的實(shí)際操作能 力；而且學(xué)會(huì)了很多書(shū)本以外的實(shí)踐知識(shí)，尤其對(duì) PLC 仿真軟件的學(xué)習(xí)使我學(xué)會(huì)如 何去學(xué)習(xí)新的知識(shí)，學(xué)會(huì)面對(duì)困難和挑戰(zhàn)。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我真正體會(huì)到理論和實(shí) 踐相結(jié)合的重要性。 在此有無(wú)數(shù)的感謝！ 首先感謝袁健老師。我的畢業(yè)設(shè)計(jì)是在袁老師的耐心指導(dǎo)下多次修改后完成的。 在此，我對(duì)他的耐心指導(dǎo)和幫助表達(dá)我最真誠(chéng)的謝意，感謝他在這幾個(gè)月來(lái)所付出 的努力。在這段時(shí)間里，我從他身上，不僅學(xué)到了許多的專業(yè)知識(shí)，更感受到了他 工作中的兢兢業(yè)業(yè)，生活中的平易近人的精神。此外，他的嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)態(tài)度和忘我的 工作精神值得我去學(xué)習(xí)。 同時(shí)，感謝四年來(lái)傳授我知識(shí)的老師們，更要感謝我的家人及朋友對(duì)我學(xué)業(yè)上 的支持和鼓勵(lì)，感謝所有關(guān)心、幫助過(guò)我的人。 還要感謝我的同學(xué)。當(dāng)我在畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到問(wèn)題和困難時(shí)，是他們給我提 出許多意見(jiàn)和建議，使我對(duì)整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)的思路有了總體的把握，并耐心的幫我解 決了許多實(shí)際問(wèn)題，使我獲益良多。 總之，在以后的學(xué)習(xí)、工作、生活中我將更加努力，用自己的行動(dòng)回報(bào)社會(huì)、 學(xué)校、老師及同學(xué)。 球面 SCARA 機(jī)器人總體及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 24 附 錄 序號(hào) 圖名 圖號(hào) 圖幅 1 機(jī)器人裝配圖 JQR-00 A0 2 PLC 控制接線圖 JQR-01 A3 3 頂針移動(dòng)件 JQR-0001-02 A3 4 工件支承座 JQR-00-02-01 A3 5 底座 JQR-0002-02 A2 6 軸承端蓋 JQR-00-02-06 A4 7 底座電機(jī)安裝板 JQR-0002-10 A3 8 諧波減速器輸出軸 JQR-00-02-11 A4 9 從同步帶輪 JQR-0003-04 A4 10 程序清單 附件一 11 程序設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 附件二 12 PLC 仿真報(bào)告 附件三