上下料机器人设计(2)

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(SQ1～SQ8)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。系统的PLC 选用三菱公司生产的FXON–40MR, 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, 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, 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自由度并联机器人，但是在相当多的场合，如飞行模拟器和并联机床等等，需要的是多于3自由度而又不必用到复杂的6自由度，因此，4自由度并联机器人的研究有着广泛的应用前景．目前，4自由度并联机器人基本上采用的是非对称结构，非对称结构会导致非对称的工作空间，从而使设计制造和任务规划的复杂性增加．Fang和Tsai提出了多种结构对称的4自由度并联机器人机构，这些机构都是过约束的，采用传统的机构学理论不能够正确计算这些机构的自由度数目及性质应用螺旋理论分析了多自由度并联机器人机构，所提出的方法不但能够正确分析机构的自由度数目，而且还可以确定各自由度的性质，即各自由度所对应的运动特性，并为这种机构的进一步分析研究和应用提供了理论基础．1 4一RRCR并联机器人机构的结构特点新型的4一RRCR是由4个结构相同的支链分别连接动平台和固定平台而组成的，每条支链由3个转动副R和1个圆柱副C所组成，并按RRCR的顺序自固定平台到动平台依次串联而成，如图1所示图1中，

代表第i条支链的第J个运动副轴线的方向矢量，它们在空间

方位上满足s 平行s s 。位于同一平面上，sll和s3l平行，s2l和s4l平行，s Si4和s 5在机构的运动过程中始终相交于0点，其中s3和s4分别表示圆柱副C的转动副轴线的方向矢量和移动副轴线的方向矢量，s3和s4都与s 。垂直相交． 1．1 基于螺旋理论的机构自由度分析

螺旋$=(s；s0)由两个矢量对偶组成，也可用PlUcker坐标表示为$=(L，M ，N；P，Q，R)，(L，M ，N)和(P，Q，R)分别代表了矢量s和矢量s0．这里，s代表空间一个矢量，称为对偶矢量原部；s0=s0+hs表示了该矢量在空间的位置，其中s0= s0×s称为对偶矢量的对偶部，，是由原点至该空间矢量任一点的矢径，h=s·s0／(s·s)称为螺旋的节距，是原点不变量．当h=0时，螺旋退化为线矢量，当h=OO时，螺旋退化为自由矢量，也称为偶量，其在空间只有方向而，并联机器人没有位置的概念．机构的所有运动副都可以用移动副和转动副单独表示或者组合而成，而移动副和转动副则可分别用移动速度偶量和角速度线矢量来表示．当两螺旋$和$ 满足$ 。$ =0时，则称$r为$的反螺旋，同样$r亦为$ 的反螺旋，它们是互逆的．其中“。”表示两个螺旋作互易积．对于运动螺旋来说，它的反螺旋为力螺旋，代表着该螺旋所受到的力约束．对于一个空间 阶螺旋系$ (k=1～ ， ≤6， 个螺旋均线性无关)，对应有6一 阶的反螺旋系$ (m=1～6一 )．$ 和$ 之间应满足$ 。$ =0 (1)当给定一个螺旋系以后，通过式(1)可求解出对应的反螺旋系．当该反螺旋系代表着机器人运动平台的约束力螺旋系时，动平台的自由度数目为F = 6一C (2)式中，C代表约束力螺旋系的秩．4一RRCR总共有4条结构相同的支链，每条支链由5个运动副组成．为研究方便，支链的运动螺旋系用矩阵Ti=[$ ]表示．与支链i的运动螺旋系对应的反螺旋为约束力螺旋，用$ 表示．因此，运动平台受到的约束力螺旋系用矩阵W =[$ l$r2$r3$l4]表示．通过建立各支链的 ，可由式(1)求得对应的$ 进而得到w．计算C=Rank(W)，由式(2)便可得到动平台的F．

机器人运动螺旋系的建立 建立如图1所示的坐标系，其中坐标原点ol在$ll的轴线上， 轴和Y轴在基平面上， 轴与sll位于

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