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1、上下料机器人设计摘要：主要介绍基于plc和机械结构的针对于自动化机床和工业梁用的机械人。简述了工业机械人的现状的发展现状及前景，及其主要的发展方向和用途。发达国家的使用经验表明：使用工业机器人可以降低废品率和产品成本，提高了机床的利用率，降低了工人误操作带来的残次零件风险等，其带来的一系列效益也是十分明显的，例如减少人工用量、减少机床损耗、加快技术创新速度、提高企业竞争力等关键词：机床上下料，自动化，plc，工业机器人机器人的自平衡控制系统机器人的自平衡系统在各行各业具有广泛的应用，而轮式移动自平衡机器人由于具有结构简单、可控性强、成本低等优点，成为移动式机器人研究的一个主要方向。自平衡机器人
2、采用水平布置的两轮结构，本身是一个不稳定体。也就是说，自平衡机器人在静止状态下，不能保持平衡，车体总是要向前或向后倾倒；而在运动状态下，可以通过一定的控制策略使它达到动态平衡一 。由于自平衡系统具有内在不稳定性和结构灵活性，国内外机器人爱好者设计了多种结构、外观各异的自平衡机器人，尝试采用各种控制策略使其达到自平衡控制。通常这类机器人采用姿态传感器检测机器人车体的倾倒角度和倾倒角速度，根据当前机器人姿态控制伺服电机驱动电压的转向和转速，从而使机器人保持平衡。该方式制作的自平衡机器人虽然控制性能良好，但成本高，不适合广泛推广。本文设计的机器人尝试采用红外测距传感器测量车体与地面的距离，通过计算获
3、取机器人的姿态信息，进而实现机器人的自平衡 。系统结构自平衡机器人系统主要由机械行走装置、控制系统和传感器3部分组成，机械行走装置主要由车体平台、电机驱动器、直流无刷电机、齿轮减速机构和车轮组成。机器人采用48 V电池供电，通过DC-DC模块转换为5 V和24 V 电压。其中，5 V提供给控制系统和传感器，24 V提供给电机驱动器。控制系统以ATmegal28单片机为主控制芯片，通过SJA1000扩展CAN总线与电机驱动器通信。红外测距传感器的输出是与距离成正比的模拟电压值，输入到单片机的AD采样端口进行处理从而得到距离信息。机器人的系统结构框图如图2所示。图2 机器人系统结构框图姿态信息获取
4、机器人的姿态信息包括倾倒的图3所示，机器人左右两侧水平位置各安装有1个红外测距传感器，可以测量与地面之间的距离d 和d 。当机器人在竖直状态时，左右传感器距离差为零。当机器人倾倒时，距离差与倾倒角度 成函数关系如下： 图3 传感器设置位置简图sin 0一(d2一d1)D其中，D为传感器之问的距离。机器人在竖直动态控制时倾倒角度范围较小，此时sin0-0，即可由传感器的距离信息得到机器人的倾倒角度。角速度可以通过 对时间求导获得。选用的红外测距传感器为Sharp公司的GP2D1 2，输出为0424 V的模拟信号，对应的测量距离为1O80 cm。在同一温度下，传感器的输出与测量结果呈良好的线性关系
5、，可以满足自平衡机器人的要求。3 控制系统设计31 机器人平衡控制原理当车体偏离平衡位置(竖直位置)向前倾斜时，传感器采集信息并传送到单片机进行计算和判断，车轮随之作出响应向前运动，将车体向平衡位置调整；同样当车体向后倾斜时，车轮将向后运动。这样机器人一直处在倾斜判断、运动调整的动态过程中，使车体始终保持在平衡位置附近，达到一种动态平衡。32 控制系统硬件设计控制系统主芯片选用Atmel公司基于RISC结构的8位单片机ATmegal28。它采用低功耗CMOS工艺；具有丰富的片上资源，包括4个定时器、4 KB的数据SRAM、l28 KB的程序Flash、可外扩至64 KB的E PROM 和8个1
6、O位ADC通道；拥有UART、SPI、I。C、JTAG接口，方便外部扩展和传感器的接入一 。321 传感信息输入电路传感器信号通过放大器引入，通过设置反馈电阻(R1和R2)和输出端电阻(R3和R4)的阻值可以使输入的电压值在要求的范围内。具体硬件电路如图4所示。322 扩展CAN通信电路单片机与电机控制器采用CAN e2,线通信，CAN接口采用Philips公司的CAN 物理层和链路层接口芯片SJA1000和PCA82C250。单片机直接控制SJA1000的ADOAD7、ALE、INT引脚。SJA1000工作在Intel模式下，MODE脚接高电平，片选脚CS接地，始终处于选通状态。扩展CAN通
7、信电路如图5所示。单片机对SJA1000的操作主要是对寄存器的操作：一方面，对SJA1000的模式寄存器、命令寄存器、状态寄存器、中断寄存器、中断允许寄存器、总线定时寄存器、输出控制寄存器、时钟分频计数器进行设置和检测；另一方面，对收发缓冲区进行读写，从而和CAN设备交换数据。图5 扩展CAN通信电路 控制系统软件设计自平衡机器人的控制系统需要实现以下功能：传感器信息处理和机器人姿态信息计算，电机控制PID算法实现和CAN 口的数据处理。系统控制流程如图6所示。系统上电后从主函数开始执行。主函数负责初始化控制器的io 口、CAN 口、控制周期定时器、AD转换器、各个中断接收数据和发送数据模块等
8、。初始化完毕，控制周期定时器时间到后，传感器信息输入到AD转换器中进行转换，计算机器人的倾倒角度和倾倒角速度；然后调用PID自平衡机器人的控制系统需要实现以下功能：传感器信息处理和机器人姿态信息计算，电机控制PID算法实现和CAN 口的数据处理。系统控制流程如图6所示。系统上电后从主函数开始执行。主函数负责初始化控制器的io 口、CAN 口、控制周期定时器、AD转换器、各个中断接收数据和发送数据模块等。初始化完毕，控制周期定时器时间到后，传感器信息输入到AD转换器中进行转换，计算机器人的倾倒角度和倾倒角速度；然后调用PID算法计算电机控制数据，并通过CAN 口输出给电机驱动器。速度PID控制算
9、法机器人采用经典的PID算法进行平衡控制。控制系统采用典型的双闭环控制结构和前馈控制方法。速度环路设计有利于提高电机输出速度精度。前馈控制主要是为了补偿电机转轴与车轮转动轴以及传动系统的间隙误差，这些误差是稳定的、可以测量的。当电机在正反转变换时，控制系统可以检测到变换方向，经过位置误差环节调整后把确定的偏差补偿量叠加到驱动主函数系统初始化CANH控制信号输出到电机驱动器器输出端。这样电机转动的角度在 图6 系统控制流程原理基础上增加了补偿量，机械误差得以修正。采用PID控制算法公式如下：“(忌)一 (忌一1)+ A“(是)Au(k)一KPP(愚)一e(k一1)+K1P( )+KdP(尼)一2
10、8(矗一1)+e(k一2)其中，“(惫)为当前调节器输出量；“( 一1)为上一次调节器输出量；Au(k)为当前控制增量； (愚)为当前控制误差量；为比例系数；KI为积分系数；K 为微分系数。PID控制算法流程如图7所示。图中，e为调试过程中设定的误差值。实 验利用该控制方法，对原理样机进行了多次实验。实验中，在机器人正上方水平位置安装陀螺仪，以采集机器人的倾倒角度数据。实际测量角度信息随时间变化的曲线如图8所示。通过测得数据分析可以看到，机器人大致可以稳定在0。附近，最大偏差为2。 图8 机器人角度变化曲线基于plc的控制系统的设计数控机床上、下料机器人是油缸自动生产线上的专用机器人, 其要完
11、成卸料和装料动作, 并且要与数控机床、料架协调, 实现生产自动化。机器人为六自由度的关节式结构, 由液压驱动, 运行平稳, 工作力矩大。通过限位开关、压力继电器采集信号, 再由PLC 控制液压系统的电磁换向阀, 来控制机器人的动作和位置。由于可编程控制器具有抗干扰能力强、可靠性高、易于使用和维护等特点, 所以, 以PLC 为核心的这套控制系统运行非常稳定。1 控制系统的硬件设计机器人的操作控制面板如图1 所示。油泵电机的启/ 停及外部负载电源的通/ 断由总启动按钮和急停按钮控制, 手动调整或自动运行两种操作方式由转换开关(SA1) 选择。选择自动方式时, 按下启动按钮, 机器人自动运行一个周期
12、后停下; 选择手动方式时, 用转换开关(SA2)选择相应运动形式, 由启动( 正向) / 停止( 反向) 按钮分别控制其两个方向的运动。机器人电气系统采用限位开关(SQ1SQ8)作为位置检测信号, 从而实现准确定位。为了保证抓取工件时, 手指达到足够的夹紧力后才可运动,在夹紧油缸的液压回路中安装一压力继电器(SQ9), 作为压力检测信号。要保证机器人能准确地从料架上取到工件, 须有一料架位置正确检测开关(SQ10)和有无工件检测开关(SQ11)。系统的输出信号分别接各油缸的电磁换向阀电磁铁及原点指示灯。由于机器人为纯开关量逻辑控制, 所需I/O 点数为21/12, 各I/O 设备名称及相应功能
13、。系统的PLC 选用三菱公司生产的FXON40MR, 系统硬件接线图如图2 所示。为了保护PLC 输出继电器, 在电磁铁的两端各并联一阻容吸收电路, 防止在感性负载断开时产生很高的感应电动势或浪涌电流对PLC 输出点及内部电源的冲击。 机器人的开关设计机器人有手动和自动两种工作方式, 由万能转换开关SA1 选择。在手动操作方式下, 各种动作都是用按钮控制来实现, 其控制程序可单独设计, 与自动工作方式控制程序相对独立。因此总程序设计成两段独立的部分: 自动操作程序和手动操作程序。当选择手动操作方式时, 输入点X015 接通, 其常闭X016 常闭触点闭合, 则跳过自动程序段。若选择自动操作方式
14、, 则跳过手动程序, 执行自动程序段。手动操作系统的设计手动操作主要用于检修调整, 通过按钮对机器人的每一步动作进行单独控制。例如, 当选择小臂伸/ 缩运动时, 按下启动按钮, 小臂伸出; 按下停止按钮, 小臂缩回。其它动作以此类推。这样, 其控制较简单, 可按照一般继电器控制系统的逻辑设计法来设计。为了安全起见, 程序中需要设置联锁保护。例如, 只有大臂竖立时小臂才能上/ 下摆动, 因此小臂上/ 下摆动用大臂上限条件作为联锁保护。还有小臂处于上限位时, 才允许大臂上/下摆动; 小臂伸出时料架不能转位。另外, 由于大、小臂和手腕、手指的运动都采用双线圈三位电磁阀控制, 两个线圈不能同时通电,
15、因此在其电路中设置互锁环节。自动操作程序设计在正常运行时, 机器人处于自动操作方式。数控机床在加工零件时, 机器人大臂竖立、小臂伸出并处于水平、手腕横移向右、手指松开, 即处于原始位置, 原点指示灯亮。加工完毕后, 按一下启动按钮SB1, 机器人动作顺序为: 原始位置( 大臂竖立、小臂水平且缩回、手腕横移向右、手指松开) 手指夹紧( 抓住卡盘上的工件) 手腕横移向左( 从卡盘上卸下工件) 小臂上摆大臂下摆手指松开( 将工件放在料架上) 小臂缩回料架转位小臂伸出手指夹紧( 抓住待加工的工件) 大臂上摆( 从料架上取走工件) 小臂下摆手腕横移向右( 把工件装到卡盘上) 手指松开( 原位) 。机器人完成一个自动循环后处于原始位置, 然后数控机床开始加工。待加工完毕, 再按启动按钮, 机器人又重复上述动作。这是一个典型的按顺序动作的步进控制系统, 可用PLC 的步进指令编程。图3 为机器人的自动操作程序的状态转移图。3 此系统的设计特点用可编程控制器设计的机器人电气控制系统, 线路简单,系统的可靠性高, 功能强, 整个系统运行稳定、精确, 同时还可根据需要对其进行功能扩展。典型机器人的自用度极其结构特点并联机器人以其承载能力大、刚度大、精度高和适于在线控制等串联机器人无法企及的优点成为机器人学研究的热点早期国内外对并联机器人的研究主要集中在6自由度和3自由度并
