范文一:机器人的组成部分
机器人的组成部分
工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人,它可以接受人类指挥,也可以按照预先编排的程序运行。
机械本体:机器人的机械本体机构基本上分为两大类,一类是操作本体机构,它类似人的手臂和手腕,配上各种手爪与末端操作器后可进行各种抓取动作和操作作业,工业机器人主要采用这种结构。另一类为移动型本体结构,主要目的是实现移动功能,主要有轮式、履带式、足腿式结构以及蛇行、蠕动、变形运动等机构。
驱动伺服单元:伺服控制器的作用是使驱动单元驱动关节并带动负载超减少偏差的方向动作。已被广泛应用的驱动方式有,液压伺服驱动、电机伺服驱动,近年来气动伺服驱动技术也有一定进展。
传感系统:为使机器人正常工作,必须与周围环境保持密切联系,除了关节伺服驱动系统的位置传感器(称作内部传感器)外,还要配备视觉、力觉、触觉、接近觉等多种类型的传感器(称作外部传感器)以及传感信号的采集处理系统。
计算机控制系统:各关节伺服驱动的指令值由主计算机计算后,在各采样周期给出。主计算机根据示教点参考坐标的空间位置、方位及速度,通过运动学逆运算把数据转变为关节的指令值。
输入/输出系统接口:为了与周边系统及相应操作进行联系与应答,还应有各种通讯接口和人机通信装置。工业机器人提供一内部PLC,它可以与外部设备相联,完成与外部设备间的逻辑与时实控制。
文章转载于:http://www.weihetai.com/
范文二:协同搬运机器人
1. 协同搬运机器人
难度系数 :1.2
一、 任务
设计搬运机器人运动控制系统,实现两台轮式移动机器人搬运球状物体沿赛道运 动。
搬运机器人示意图如图 1所示。由两台轮式移动机器人组成,配置机械弧形抓手, 半径略大于球状物体,不能卡住小球,其中球状物体直径约 10cm 。两台机器人通过两 个机械抓手搬运小球,运动过程中不能脱落。两台机器人不能以牵引方式运动,不能有 任何机械连接。
赛道如图 2所示。机器人可以任意起点开始沿赛道运动一周。
机器人 1
机器人 2
球
机械抓手
图 1 搬运机器人示意图
2m
图 2 赛道示意图
二、要求 2.1 基本要求
(1) 以任意起点开始沿赛道运动一周,期间球状物体不得脱落。 (2) 测量运动一周的时间,时间 <>
(3) 运动过程中不能脱离赛道,要求赛道处于两轮之间,否则视为脱离。
2.2发挥部分
(4) 测量运动一周的时间,时间 <>
(5) 运动过程中可加速或减速运行,且保证物体不脱落。
(6) 能够完成多周重复运动,且保证物体不脱落。 三、说明
1.测试进行两次,计最好成绩。
2.机器人运行整个过程中不得人工改变小车的状态。
3.两台机器人之间不得有任何机械连接。
四、评分标准
范文三:简易搬运机器人
摘 要
本设计为一款具有智能判断的能自动行驶在起始位置与终点库房间的搬运小车。具有以下功能:自动行驶;检测木块;搬运木块;自动入库;同步显示小车运行时间等。该设计采用STC89C52单片机作为智能小车的检测和控制核心,使用激光校正导航技术检测木块位置。直流电机驱动电路采用四通道驱动集成芯片L298N,采用PWM脉冲调制驱动直流电机。系统具有很大的扩展潜力。实现了无人控制即可完成一系列动作,相当于简易机器人。 关键词:智能判断;自动入库;PWM脉宽调制;简易机器人
目录
1 设计任务及要求 .......................................................... - 1 -
1.1基本任务 ........................................................... - 1 - 1.2基本要求 ........................................................... - 1 - 1.3 发挥部分 ........................................................... - 2 - 2 方案设计 ................................................................ - 2 -
2.1 总体方案设计 ....................................................... - 2 -
2.1.1 车体的确定 ................................................... - 2 - 2.1.2 系统原理分析 ................................................. - 2 - 2.2单元模块设计 ....................................................... - 3 -
2.2.1控制器模块 .................................................... - 3 - 2.2.2自动导航模块 .................................................. - 4 - 2.2.4电机驱动模块 .................................................. - 6 - 2.2.5系统供电模块 .................................................. - 6 -
3 分析计算 ................................................................ - 7 -
3.1 精确定位的实现 ..................................................... - 7 - 3.2 准确计时的实现 ..................................................... - 7 - 3.3 PWM控制实现 ....................................................... - 8 - 4 系统调试 ................................................................ - 9 -
4.1、模块测试 .......................................................... - 9 - 表1 电机驱动测试结果 .................................................. - 9 - 4.2 总体测试 ........................................................... - 9 - 5 创新点 .................................................................. - 9 - 6 总结及心得体会 .......................................................... - 9 - 附录 ..................................................................... - 10 -
1 设计任务及要求
1.1基本任务
设计并制作一个能自动行驶并完成货物搬运的机器人。机器人允许使用玩具汽车改装,可应用图像、光电、声波、超声波等无线自动导航识别技术,在比赛场地里移动,将不同颜
搬运场地为 1.2m×1.2m,表面为白纸;终点库房区设与地面垂直的╚╝形档板,即留有一侧给车子将木块搬运进去,其余三个侧面用挡板挡住,其长宽高为20cm×20cm×10cm,库区有三个贴有不同颜色位置,用于分别存放对应颜色的木块,位置间距随意设定;起始线为2 cm 宽、30cm 长的黑线,机器人任意时刻长宽不超过40cm×40cm。
1.2基本要求
(1)机器人从起始线出发(出发前,机器人任何部分不得超出起始线,后端不限),能自
动识别木块,并逐一运送到库房20cm 线以内。 (2)将三个木块运送至库房10cm 库区线内。
(3)整个搬运时间不得超过180 秒。
1.3 发挥部分
(1)三色木块在木块起点位置任意顺序摆放,能自动识别红、黄、蓝三个颜色的木块,并
显示识别到木块的颜色。
(2)将三种颜色的木块从木块起点位置逐一运送至库区位置的对应颜色区域内,最终放置
位置超出对应颜色框小于0.5cm。
(3)终点库房区在搬运场地内Y 轴上任意平移,仍能完成发挥部分第(2)任务(对应的无
线引导装置可以跟随库区移动)。 (4)其他。
2 方案设计
2.1 总体方案设计
通过赛题分析,以下几点是解题的关键:
(1)小车在不受人工控制的时候怎样检测木块以及木块的颜色并保持高速向木块前进。 (2)小车怎样准确的找到木块并将其套取。
(3)怎么把木块整齐的摆放在库房内并且不超过10cm线内。
2.1.1 车体的确定
方案一:小车由四轮支撑。
本设计小车的行驶路线为直线,四轮车走直线稳,比较有优势。实践中发现靠后轮驱动和转向,会使小车在粗糙表面前进时转向产生困难,而不能寻线。
方案二:小车由三轮支撑。
三轮车的平衡性不如四轮车的强,但由于前部只采用一个轮子,减小了摩擦,相对来说转向更易实现。
根据自身条件,本系统采用方案二,车体为自制长26cm,宽14cm的简易三轮小车,万向轮置于车体前方起辅助支撑作用,两个直流电机分别置于车体后方两侧控制左轮和右轮。
2.1.2 系统原理分析
根据设计要求,基本结构框图如下。系统主要分为控制部分和信号检测部分。其中信号检测部分主要包括:木块检测模块,黑线检测模块,颜色识别模块。控制部分主要包括:电机驱动模块,显示模块,控制器模块。
图1 系统基本结构框图 图2 系统基本结构框图
2.2单元模块设计
2.2.1控制器模块
根据题目的要求,控制器主要接受和辨认各个传感器信号、控制小车的电机的动作、控制显示小车运动的时间及协调小车各部分的运动。
方案一:51系列单片机设计方案
51系列单片机是最常用也是最基本的单片机,其特点有:它具有两种可以用软件进行选择的低功耗工作方式:待机方式和掉电方式,采用CMOS技术、集成度高、速度快、功耗低。
89C51含EEPROM电可编闪速存储器。有两级或三级程序存储器保密系统,防止EEPROM中的程序被非法复制。不用紫外光擦除,提高了编程效率。外部接口电路扩展,实现三线式串行外围设备接口SPI(Serial Peripheral Interface)和I2C(Inter-Icbus)简化了硬件线路。
方案二:ATMEL公司 AVR ATmega16设计方案
AVR系列单片机是采用低功率、非挥发CMOS工艺制造的Harvard结构的新型高速单片机单片机(一个时钟周期执行一条指令),具有休眠省电功能(POWER DOWN)及闲置(IDLE)低功耗功能,一般耗电在1~2.5mA,典型功耗情况,WDT关闭时为100nA,更适用于电池供电的应用设备。
多累加器型、数据处理速度快。超功能精简指令!具有32个通用工作寄存器。ATmega16单片机具有1KB的SRAM静态随机数据存储器,可灵活使用指令运算, 存放数据。中断响应速度快
有多个固定中断向量入口地址,可快速响应中断。
I/O口功能强、驱动能力大。AVR的I/O口是真正的I/O口,能正确反映I/O口输入/输出的真实情况。I/O口有输入/输出, 三态高阻输入,也可设定内部拉高电阻作输入端的功能,便于作各种应用特性所需(多功能I/O口) 。工业级产品!具有大电流(灌电流)10~40mA,可直接驱动可控硅SSR或继电器, 节省了外围驱动器件。
具有A/D转换电路, 可作数据采集闭环控制,AVR内带模拟比较器,I/O口可作A/D转换用,可组成廉价的A/D转换器。,中断源16个 ,外中断8个,SPI,UART,8路10位A/D,ISP。
有功能强大的计数器/定时器.C/T计数器/定时器,有8位和16位,可作比较器;计数器外部中断和PWM(也可当D/A)用于控制输出,有的有3-4个PWM,作电机无级调速是理想器件。
根据自身条件采用方案一。
2.2.2自动导航模块
图2 控制模块原理图
自动导航模块使小车不需人工控制,实现自动向木块前进,搬运木块,将木块放入库中等一系列活动。
方案一:采用红外接近开关。红外接近开关又叫做探头,其工作原理是被测参数的改变使得探头内产生相应的电流,再被信号处理及系统处理,然后输出显示。其探测范围是10CM到30CM。探测距离较短,红外接近开关发出的光较为发散容易导致定位不够精确。
方案二:采用激光传感器。激光导航具有以下特点:高方向性(即高定向性,光速发散角小),激光束在几公里外的扩展范围不过几厘米;高单色性,激光的频率宽度比普通光小10倍以上;高亮度,利用激光束会聚最高可产生达几百万度的温度。它的优点是能实现无接触远距离测量,速度快,精度高,量程大,抗光、电干扰能力强等。相对于红外接近开关定位更加精确。
基于以上分析,拟订方案二。
小车在场地内行驶时,通过激光的导航把木块从起始点搬运到终点,最终把所有的木块搬运到终点,小车运行时根据激光的进行转向或直行,当小车到达可以套取木块的位置时,接近开关亮,小车能成功套取木块。
2.2.3机械手臂模块
激光的发射模块
激光的接收模块 图3 激光检测原理
方案一:采用抓取形式的机械手臂,外形较为美观,但是容易遇到抓取不牢,木块中途脱落的问题,不易控制。并且占用空间较大,在放下木块时容易碰到其他木块,影响木块的整齐排列。
方案二:采用套取形式的机械手臂,其形式简单,性价比高。并且以拖拽的方式搬运木块,可避免木块脱落的问题,并且在放置木块时,较易实现题目要求,使木块能较为整齐的排列。
基于以上分析,拟订方案二。
2.2.4电机驱动模块
电机的驱动电路主要通过电机的正传和反转实现小车的前后或者左右的方向选择。对于电机驱动电路有以下几种方案:
方案一:采用L293D电机驱动芯片对电机的开和关进行控制,L293D电机驱动芯片允许电压范围在4.5~36V, 内有四重推挽(双重H桥集成功放电路)驱动电路,该芯片内部集成了双极型H-桥电路,所有的开关量都做成n型。这种双极型脉冲调宽方式具有很多优点,如电流连续;电机可在四象限运行;电机停止时有微振电流,起到了“动力润滑”作用,消除正反向时的静摩擦死区;低速平稳性好等。H-桥电路的输入量可以用来设置马达的转动方向,使能信号可以用于脉宽调整(PWM),通过调整PWM的占空比来调整电机的转速。每一组PWM波用来控制一个电机的速度,而另外两个I/O口可以控制电机的正反转,控制比较简单,电路也很简单,一个芯片内包含有8个功率管,这样简化了电路的复杂性。电路图如附图1所示。该芯片过热后能自动关断,两个通道可以向各自的电机提供1A的驱动电流。其最大的优点是其内部还集成续流二极管。该芯片的功耗比较小,有四个推挽电路组成,它们成对使用,每对推挽电路的输出共享一个使能端,用以控制直流电机,比较适合直流电机或步进电机的驱动。但采用PWM控制时,芯片容易发热,驱动能力下降,而且电源接反时,容易烧故而放弃。
方案二: 采用市面易购的电机驱动芯片L298N,该芯片是利用TTL电平进行控制,对电机的操作方便,通过改变芯片控制端的输入电平,即可以对电机进行正反转操作,很方便单片机的操作,亦能满足直流减速电机的要求。可以采用两个电机分别对左轮和右轮驱动,这样有利于小车的转弯。
该系统采用方案二。
2.2.5系统供电模块
方案一:采用单一的电池供电。单电池供电,也就是说电机驱动系统与信息采集及MCU控制系统采用的电源是同一电源,这样供电比较简单,但是由于电动机启动瞬时电流很大,而且PWM驱动的电动机电流波动较大,会造成电压不稳,会使系统的抗干扰能力降低,使得电机驱动系统与信息采集及MCU控制系统不能很好的工作,同时也会造成传感器误检测,严重时可能造成单片机程序跑飞、复位等异常现象。
方案二:采用双电池供电。用一个电池给电机驱动系统单独供电,另外一个电池给信息采集及MCU控制系统供电。将电动机驱动系统电源与信息采集及MCU控制系统电路电源完全隔离,这样做虽然不如单电源方便灵活,但可以将电动机驱动所造成的干扰彻底清除,提高了系统的稳定性和可靠性。小车负载大,所以耗电量必然很大,采用双电池,保证小车的动力。
经分析决定采用方案二。
2.2.6颜色识别模块
TCS230采用8引脚的SOIC表面贴装式封装,在单一芯片上集成有64个光电二极管。这些二极管共分为四种类型。其中16个光电二极管带有红色滤波器;16个光电二极管带有绿色滤波器;16个光电二极管带有蓝色滤波器;其余16个不带有任何滤波器,可以透过全部的光信息。这些光电二极管在芯片内是交叉排列的,能够最大限度地减少入射光辐射的不均匀性,从而增加颜色识别的精确度;另一方面,相同颜色的16个光电二极管是并联连接的,均匀分布在二极管阵列中,可以消除颜色的位置误差。工作时,通过两个可编程的引脚来动态选择所需要的滤波器。当选定一个颜色滤波器时,它只允许某种特定的原色通过,阻止其他原色的通过。例如:当选择红色滤波器时,入射光中只有红色可以通过,蓝色和绿色都被阻止,这样就可以得到红色光的光强;同理,选择其他的滤波器,就可以得到蓝色光和绿色光的光强。通过这三个值,就可以分析投射到TCS230传感器上的光的颜色。
3 分析计算
3.1 精确定位的实现
采用激光校正导航准确找到木块的位置。
激光具有3个重要特性:①高方向性(即高定向性,光速发散角小),激光束在几公里外的扩展范围不过几厘米;②高单色性,激光的频率宽度比普通光小10倍以上;③高亮度,利用激光束会聚最高可产生达几百万度的温度。激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器,它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表,它的优点是能实现无接触远距离测量,速度快,精度高,量程大,抗光、电干扰能力强等。
小车利用激光检测木块,在刚检测到木块右侧的时候开始前行,小车左轮的转速稍大于右轮,所以小车在前行的时候会稍微向右偏,在激光刚一检测不到木块的时候小车左转,重新检测到木块后继续前行。这样就能保证小车准确检测木块的位置。
3.2 准确计时的实现
利用定时器实现准确计时
TCCR0 = 0x04; TCNT0 = 0x83; TIMSK |= 0x01;
TCCR0是定时器/计数器0的控制寄存器,初值为4是普通模式,256分频,TCNT0的初值是131,加到256,共加了125次,所花的时间是8ms,每8ms 定时器计数器CPU就会在幕后进入溢出中断服务函数,然后在溢出中断服务函数里另设一个变量让每次溢出时这个变量自增1,然后经过125次溢出,即变量为125时为1s。
3.3 PWM控制实现
PWM(脉冲宽度调制)控制,通常配合桥式驱动电路实现电流电机调速,其调速范围大,工作原理为直流脉冲原理。如图5所示,若S3、S4关断,S1、S2受PWM控制,假设高电平导通,忽略快速开关管损耗,则在一个周期内的导通时间t,周期为T,波形如图12,则电机两端的平均电压为:U=Vcc*t/T=a*Vcc,其中,a=t/T称为占空比,Vcc为电源电压(电源电压减去两个开关管的饱和压降)。电机的转速与电机两端的电压成比例,而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比,因此电机的速度与占空比成比例,占空比越大,电机转得越快,当占空比a=1时,电机转速最大。
PWM控制波形的实现可以通过模拟电路或数字电路实现,例如用555搭成的触发电路。但是,这种电路的占空比不能自动调节,不能用于自动控制小车的调速。而目前使用的大多数单片机都可以直接输出这种PWM波形,或通过时序模拟输出,最适合小车的调速。系统使用的ATmega16通过对自身寄存器的设置,能够自己产生所需频率、占空比可调的PWM信号,用以控制电机调速。
图5 PWM控制波形
PWM控制原理:每一组PWM波用来控制一个电机的速度,而另外两个I/O口可以控制电机的正反转,控制比较简单,电路也很简单,一个L298N芯片含有8个功率管,这样简化了电路的复杂性。该系统使用AVR自带PWM CTC模式,其频率为2K赫兹。I/O口OC1A,OC1B分别输出PWM控制左右电机的速度 ;PB0、PB1控制左电机的方向,PB2、PB3控制右电机的方向。
基于上述条件我们决定采用方案二。
4 系统调试
4.1、模块测试
表1 电机驱动测试结果
表2 Lcd显示精度测试数据
4.2 总体测试
采用秒表对行驶时间进行测试,并通过液晶屏显示物体的行走时间,三次运送木块所花
的时间。进行多次测量,计算误差。经多次测试控制系统能够自动搜寻木块,并送入库中,偏差可控制在5%之内。调试完毕。
表
6 总体性能
5 创新点
1. 机械手臂采用套取的形式,以拖拽的方式搬运木块,避免抓取不牢,使木块掉落,并能
使木块在仓库中摆放整齐; 2. 采用激光校正导航;
3. 系统中STC89C52最小系统板、电源板、L298驱动板等采用PCB板,避免信号干扰。
6 总结及心得体会
通过各种方案的讨论及实践,该系统车体制作为长34cm宽19cm高29.8cm,经过多次的
块,搬运木块,自动入库,同步显示小车运行时间等。
在本次设计大赛过程中,我们学习到了很多的东西,掌握了各种相关元件的基本原理,并学会了他们的使用方法,注意事项等等。也对其他一些相关元件有了一定的了解,极大的丰富了我的课外知识,拓宽了我们的知识面。同时我们还遇到了许多突发的事件和各种困难,但通过仔细分析和积极的讨论,最终都解决了问题,在这个过程中我们深刻地体会到共同协作和团队包容的重要性,提高了分析问题解决问题的能力。参加这次比赛提高了我们的动手能力,让我们学到了很多在课堂里学不到的东西,这将使我们终身受益。
附录
A
向
B
向
附图1 L293D驱动电路图
反射表面
x/mm 10
附图3 光强度相应曲线
附图2 对管发射接收原理
附图4 LM298N和二极管组成的电机驱动电路
液晶初始化函数
#include
#include #include
#define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define P_RS BIT_PB5 #define P_RW BIT_PB6 #define P_E BIT_PB7
#define clear 0x01 //清除显示 #define home 0x02 //位址归位
#define dis_on 0x0E //0X0F 0X0C //打开显示
#define in_mode 0x06 //输入方式,地址增1,光标右移
uchar time[8]; // volatile uint ss; uint addata;
/* void delay(uint ms) {
uint i; for(ms;ms>0;ms--) for(i=0;i<9128;i++); }="">9128;i++);>
{
unsigned int i,j,nc; BitPort ab; P_E=0; ab.W=ix;
for(i=0;i<8;i++) {="" p_rw="ab.B.bit7;" 只送八位="">8;i++)><=1; p_e="1;" for(j="">=1;><5;j++) nc="0;" p_e="0;" }="">5;j++)>
void instruct(unsigned int dat) {
unsigned int ch; P_RS=1; ch=0xf8;
bit8_serial_input(ch); ch=dat&0xf0;
bit8_serial_input(ch); ch=dat<>
bit8_serial_input(ch); P_RS=0; }
void write_abyte(unsigned int dat) {
unsigned int ch; P_RS=1; ch=0xfa;
bit8_serial_input(ch); ch=dat&0xf0;
bit8_serial_input(ch); ch=dat<>
bit8_serial_input(ch); P_RS=0; }
void write_word(unsigned int w) {
unsigned int ch,cl;
ch=w>>8; //先送高八位
write_abyte(ch); write_abyte(cl); }
void dis_hz_str(unsigned int x, unsigned int y, unsigned char *p_hz) { unsigned int loc; unsigned char *p; unsigned int xi;
unsigned int xline[5]={0,1,3,2,4}; x=xline[x]; instruct(home);
loc=((x<3)+y-9)|0x80; instruct(loc);="" p="">3)+y-9)|0x80;>
xi=*p++; //等价于*(p++)先得到p指向的变量的值,然后再使p++ xi<=8; xi|="*p++;" while(xi)="" {="" write_word(xi);="" xi="*p++;" if(xi="=0)" break;="">=8;><=8; xi|="*p++;" }="">=8;>
void dis_str(unsigned int x, unsigned int y, unsigned char *str) {
unsigned int loc; unsigned char *p;
unsigned int xline[5]={0,1,3,2,4}; p=str;
x=xline[x];
// instruct(home);
loc=(16*(x-1)+y-1); //y只能是奇数才能显示双字节汉字 if(loc&0x01) //如果低位是1(如果是奇数) { loc/=2;
instruct(loc|0x80);//如果是奇数第一个字些空格 write_abyte(' '); } else
loc/=2;
instruct(loc|0x80);//如果是偶数从第一个字节开始写 }
while(*p) //cgram是字符发生器ram
{ //可以放一些自定义的字符 write_abyte(*p++); //ddram字符显示RAM缓冲区 } //输入要显示的字符 }
void initial_screen(void) {
unsigned int i,j,nc; P_RS=0;
instruct(dis_on); for(i=0;i<80;i++) nc="0;" instruct(clear);="" for(j="">80;i++)><10;j++) for(i="">10;j++)><500;i++) nc="0;" instruct(in_mode);="" for(i="">500;i++)><80;i++) nc="0;" instruct(0x0c);="" for(i="">80;i++)><80;i++) nc="">80;i++)>
instruct(home); for(i=0;i<60000;i++) nc="0;">60000;i++)>
void itoa(int x,unsigned char *str) {
unsigned int n;
unsigned char chn,*p,str1[8]; unsigned int i,j; if(x<0) {="" *str++='-' ;="" x="-x;" }="" n="x;" p="str1;" j="">0)>
while(n!=0)
chn=n%10; n=n/10; *p++=chn+'0'; j++; }
if(j!=0) { p--; for(i=0;i
时间显示程序
#include
#include #include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int uchar asc[8],asc1[8],asc2[8],asc3[8],pp = 0; char time_8ms = 0,f,flog=1,flag1,flag2,flag3,t=1,A=1,B=1,C=1; uint time0 = 0,time2=0,num,a,b,c; /***************************************************************************** 中断服务函数 *****************************************************************************/ ISR(TIMER0_OVF_vect) //Time0 溢出中断 { TCNT0 = 0x83; time_8ms = 1; if(++time2 >= 126) { time2 = 0; ++pp; } void Init_T0() //Time0 初始化 { TCCR0 = 0x04; //4M晶振 256分频 普通模式 4M/256=15.625K TCNT0 = 0x83; // (256-130-1)/15.625K= 8ms TIMSK |= 0x01; // 允许T/C0溢出中 } void xianshi() { if((flag1 == 1)&&(A == 1)) { dis_hz_str(1,1,"一次运送 秒"); dis_hz_str(3,1," "); dis_hz_str(2,1," "); a = pp; A = 0; itoa(a,asc1); dis_str(1,12,asc1); } if((flag2 == 1)&&(B == 1)) { dis_hz_str(2,1,"二次运送 秒"); b = pp; B = 0; itoa(b,asc2); dis_str(2,12,asc2); } if((flag3 == 1)&&(C ==1)) { dis_hz_str(3,1,"三次运送 秒"); c = pp; C = 0; itoa(c,asc3); dis_str(3,12,asc3); BIT_PB0 = 0; cli(); } } /******************************************************************************/ /******************************************************************************/ int main() { DDRA = 0xfc; DDRB = 0xff; PORTB = 1; initial_screen(); dis_hz_str(2,1,"搬运机器人 "); dis_hz_str(3,1,"搜寻木块 "); dis_hz_str(1,1,"东北农业大学 "); dis_hz_str(4,1,"总用时: 秒"); Init_T0(); asm("sei"); while(1) { xianshi(); num = pp; itoa(num,asc); dis_str(4,12,asc); if(P_A0 == 0) { if(flog == 1) { switch(t) { case 1:flag1 = 1;t++;break; case 2:flag2 = 1;t++;break; case 3:flag3 = 1;break; } flog = 0; f = 1; } } if(f == 1) { if(time_8ms == 1) { time_8ms = 0; if(++time0 >= 500) { time0 = 0; flog = 1; } f = 0; } } } } 小车程序 #include #include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define TurnSpeed_RQQQ 0x0014 //右轮快 做了调整 #define TurnSpeed_QQQ 0x0000 #define TurnSpeed_D 0x03ff //大弯 #define TurnSpeed_Z 0x02ff //中弯 #define TurnSpeed_X 0x0052 //小弯 #define MaxSpeed 0x1d0 #define MidSpeed 0x255 #define SlowSpeed 0x360 #define StopSpeed 0x3ff volatile unsigned int base=0; char flog=1,flog0=1,shutup=0,shutdown=1,ch; char flag=1,flag0,flag1,flag2,flag3,flag4,flag5,flag6; char time_8ms = 0,time_100us=0,t8ms; int time = 0,time1 = 0,time2=0,timeds=0,timeds0=0,timeds1=0; /***************************************************************************** 中断服务函数 *****************************************************************************/ ISR(TIMER0_OVF_vect) //Time0 溢出中断 { TCNT0 = 0x83; time_8ms = 1; t8ms = 1; } ISR(TIMER2_OVF_vect) { TCNT2 = 0xcd; time_100us = 1; } /***************************************************************************** 各种初始化函数 *****************************************************************************/ void Init_T0() //Time0 初始化 { TCCR0 = 0x04; //4M晶振 256分频 普通模式 4M/256=15.625K TCNT0 = 0x83; // (256-130-1)/15.625K= 8ms TIMSK |= 0x01; // 允许T/C0溢出中 } void Init_T2() { TCCR2 = 0x02; //4M晶振 普通模式 8分频 4M/8 = 500K TCNT2 = 0xcd; //(256-1-205)/500K = 100us TIMSK |= 0x40; //溢出中断使能 } void Timer1Init() { uint sreg; sreg = SREG; cli(); TCCR1A = (1 TCCR1B = (1<> // 10位PWM,相位可调,向上计数匹配置位 1M / 2046 = 488 HZ SREG = sreg; } void SetOutputComReg1A(uint tempocr) //控制右轮 { OCR1A = tempocr; } void SetOutputComReg1B(uint tempocr) //控制左轮 { OCR1B = tempocr; } /**************************************************************************************** 各种小车行驶函数 ****************************************************************************************/ void front_car()//黑路白线 { BIT_PD2 = 0; BIT_PD3 = 1; BIT_PD6 = 0; BIT_PD7 = 1; SetOutputComReg1A(MaxSpeed);//zuolun SetOutputComReg1B(MidSpeed); } void Front_car()//黑路白线 { BIT_PD2 = 0; BIT_PD3 = 1; BIT_PD6 = 0; BIT_PD7 = 1; SetOutputComReg1A(MidSpeed-30); SetOutputComReg1B(MidSpeed); } void back_car() { BIT_PD2 = 1; BIT_PD3 = 0; BIT_PD6 = 1; BIT_PD7 = 0; SetOutputComReg1A(MidSpeed-30); SetOutputComReg1B(MidSpeed); } void R_turn_car() { BIT_PD2 = 1; BIT_PD3 = 0; BIT_PD6 = 0; BIT_PD7 = 0; SetOutputComReg1A(MidSpeed); SetOutputComReg1B(MidSpeed); } void Lturn_car() { BIT_PD2 = 0; BIT_PD3 = 1; BIT_PD6 = 0; BIT_PD7 = 0; SetOutputComReg1A(SlowSpeed); SetOutputComReg1B(SlowSpeed); } void stop_car() { BIT_PD2 = 0; BIT_PD3 = 0; BIT_PD6 = 0; BIT_PD7 = 0; SetOutputComReg1A(MidSpeed-30); SetOutputComReg1B(MidSpeed); } void L_turn_car() { BIT_PD2 = 0; BIT_PD3 = 0; BIT_PD6 = 1; BIT_PD7 = 0; SetOutputComReg1A(MidSpeed); SetOutputComReg1B(MidSpeed); } /************************************************************************ 特殊函数处理 ************************************************************************/ uchar jiguang() { uchar q; DDRC &= 0xfc; q=PINC&0x03; return q; } void up() { if(shutup == 0){ if(time_100us == 1) {time_100us=0; if(++base<=15)bit_pd0 =="">=15)bit_pd0> else BIT_PD0 = 0; if(base==200)base=0; } } } void down() { if(shutdown==0){ if(time_100us == 1) {time_100us=0; if(++base<=9)bit_pd0 =="">=9)bit_pd0> else BIT_PD0 = 0; if(base==200)base=0; } } } void zuo_jishu() { if(flag1==1) { L_turn_car(); if(t8ms == 1) { t8ms = 0; if(++timeds0 >= 160) { timeds0 = 0; flag1 = 0; flag2 = 1; } } } } void back_jishu() { // DDRB &= 0xfb; if(flag0==1) { back_car(); if(t8ms == 1) { t8ms = 0; if(++timeds >=300) { timeds = 0; flag0 = 0; flag1 = 1; } } } } void front_jishu() { if(flag2==1) { front_car(); flag2 = 0; } } void back() { if(time_8ms == 1) { time_8ms = 0; if(++time >= 125) { time=0; shutup = 1; //关掉机械手抬起标志 shutdown = 0; //开落下标志 flog=0; //关掉前行标志 flog0=0; //关掉左转寻木块标志 } if(++time1 >= 325) {time1=0; flag0=1; flag=0;} } } void stop() { if((flag==1)&&(P_C1==1)) { if(t8ms == 1) { t8ms=0; if(P_C1 == 1) { stop_car(); back(); } } } } void stop1() { if(flag3 == 1) { stop_car(); if(time_8ms == 1) { time_8ms = 0; if(++time>=125) { shutdown = 1; shutup = 0; flag3 = 0; if(ch == 0)flag4 = 1; if(ch == 1)flag6 = 1; } } } } void back_jishu1() { if(flag4==1) { back_car(); if(t8ms == 1) { t8ms = 0; if(++timeds >=265) { timeds = 0; flag4 = 0; flag5 = 1; ch = 1; } } } } void back_jishu2() { if(flag6==1) { back_car(); if(t8ms == 1) { t8ms = 0; if(++timeds1 >=244) { timeds1 = 0; flag6 = 0; flag5 = 1; ch = 0; } } } } void you_jishu() { // DDRB &= 0xfb; if(flag5==1) { R_turn_car(); if(t8ms == 1) { t8ms = 0; if(++timeds >=172) { timeds = 0; flag5 = 0; flag = 1; flog = 1; flog0 = 1; } } } } void hanshu() { up(); down(); back_jishu(); zuo_jishu(); front_jishu(); if(P_A1 == 0){ flag2=0; flag3=1;} stop1(); back_jishu1(); back_jishu2(); you_jishu(); stop(); if(P_D1 == 0)cli(); } /******************************************************************************/ /******************************************************************************/ int main() { uchar w; DDRD = 0xfd; //定义D端口的2、3为输入 4、5为输出(PWM) PORTC = 0x03; DDRA = 0xfc; Timer1Init(); Init_T0(); Init_T2(); asm("sei"); while(1) { hanshu(); w = jiguang(); switch(w) { case 0x01:if(flog==1)Lturn_car();break; case 0x00:if(flog0==1)front_car();break; } } } //都没有找到木块 车转 //直行的激光连PD0 低电平是测到木块 搬运机器人设计及检修 1.1 工业机器人概括 工业机器人是一种可编程的智能型自动化设备,是应用计算机进行控制的替代人 进行工作的高度自动化系统。最近,联合国标准化组织采用的机器人的定义是:“一 种可以反复编程的多功能的、用来搬运材料、零件、工具的操作机”。在无人参与的 情况下,工业机器人可以自动按不同轨迹、不同运动方式完成规定动作和各种任务。 机器人和机械手的主要区别是:机械手是没有自主能力,不可重复编程,只能完成定 位点不变的简单的重复动作;机器人是由计算机控制的,可重复编程,能完成任意定 位的复杂运动。 机器人是从初级到高级逐步完善起来的,它的发展过程可以分为三代: 第一代机器人是目前工业中大量使用的示教再现型机器人,它主要由夹持器、手 臂、驱动器和控制器组成。它的控制方式比较简单,应用在线编程,即通过示教存储 信息,工作时读出这些信息,向执行机构发出指令,执行机构按指令再现示教的操作。 第二代机器人是带感觉的机器人,它具有一些对外部信息进行反馈的能力,诸如 力觉、触觉、视觉等。其控制方式较第一代机器人要复杂得多,这种机器人从1980 年以来进入实用阶段。 第三代机器人是智能机器人,目前还没有一个统一和完善的智能机器人定义。国 外文献中对它的解释是“可动自治装置,能理解指示命令,感知环境,识别对象,计 划其操作程序以完成任务”。这个解释基本上反映了现代智能机器人的特点。近年来, 智能机器人发展非常迅速,如机器人竞技、机器人探险等。 工业机器人又搬运、焊接、装配、检查、等机器人,主要用于现代化的工厂和柔 性加工系统中。工业机器人可以代替人进行工作,有通用性,可以直接对外界工作。 1.1.1工业机器人定义 工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。工业机器人是 自动执行工作的机器装置,是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它 可以接受人类指挥,也可以按照预先编排的程序运行,现代的工业机器人还可以根据 人工智能技术制定的原则纲领行动。 品种中、小批量的生产,70年代起,常与数字控制机床结合在一起,成为柔性制 造由来:1920年捷克作家卡雷尔·查培克在其剧本《罗萨姆的万能机器人》中最早使 用机器人一词,剧中机器人“Robot”这个词的本意是苦力,即剧作家笔下的一个具有 人的外表,特征和功能的机器,是一种人造的劳力。它是最早的工业机器人设想。 20世纪40年代中后期,机器人的研究与发明得到了更多人的关心与关注。50年代以 后,美国橡树岭国家实验室开始研究能搬运核原料的遥控操纵机械手,如图0.2所示, 这是一种主从型控制系统,主机械手的运动。系统中加入力反馈,可使操作者获知施 加力的大小,主从机械手之间有防护墙隔开,操作者可通过观察窗或闭路电视对从机 械手操作机进行有效的监视,主从机械手系统的出现为机器人的产生为近代机器人的 设计与制造作了铺垫。 1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念,并申 请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节,利用人手对机器人进行 动作示教,机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的 机器人差不多都采用这种控制方式。1959年第一台工业机器人在美国诞生, 开创了机 器人发展的新纪元。 特点:戴沃尔提出的工业机器人有以下特点:将数控机床的伺服轴与遥控操纵器 的连杆 工业机器人 机构联接在一起,预先设定的机械手动作经编程输入后,系统就可以离开人的辅助而 独立运行。这种机器人还可以接受示教而完成各种简单的重复动作,示教过程中,机 械手可依次通过工作任务的各个位置,这些位置序列全部记录在存储器内,任务的执 行过程中,机器人的各个关节在伺服驱动下依次再现上述位置,故这种机器人的主要 技术功能被称为“可编程”和“示教再现”。1962年美国推出的一些工业机器人的控制方 式与数控机床大致相似,但外形主要由类似人的手和臂组成。后来,出现了具有视觉 传感器的、能识别与定位的工业机器人系统。当今工业机器人技术正逐渐向着具有行 走能力、具有多种感知能力、具有较强的对作业环境的自适应能力的方向发展。目前, 对全球机器人技术的发展最有影响的国家是美国和日本。美国在工业机器人技术的综 合研究水平上仍处于领先地位,而日本生产的工业机器人在数量、种类方面则居世界 首位。 构造部分组成。主体 即机座和执行机构,包括臂部、腕部和手部,有的机器人还有行走机构。大多数工业 机器人有3~6个运动自由度,其中腕部通常有1~3个运动自由度;驱动系统包括动 力装置和传动机构,用以使执行机构产生相应的动作;控制系统是按照输入的程序对 驱动系统和执行机构发出指令信号,并进行控制。工业机器人按臂部的运动形式分为 四种。直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动;圆柱坐标型的臂部可作升降、回转 和伸缩动作;球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩;关节型的臂部有多个转动关节。 工业机器人按执行机构运动的控制机能,又可分点位型和连续轨迹型。点位型只控制 执行 工业机器人 机构由一点到另一点的准确定位,适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业; 连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动,适用于连续焊接和涂装等作业。 工 业机器人按程序输入方式区分有编程输入型和示教输入型两类。编程输入型是将计算 机上已编好的作业程序文件,通过RS232串口或者以太网等通信方式传送到机器人 控制柜。 示教输入型的示教方法有两种:一种是由操作者用手动控制器(示教操 纵盒) ,将指令信号传给驱动系统,使执行机构按要求的动作顺序和运动轨迹操演一 遍;另一种是由操作者直接领动执行机构,按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍。 在示教过程的同时,工作程序的信息即自动存入程序存储器中在机器人自动工作时, 控制系统从程序存储器中检出相应信息,将指令信号传给驱动机构,使执行机构再现 示教的各种动作。示教输入程序的工业机器人称为示教再现型工业机器人。具有触觉、 力觉或简单的视觉的工业机器人,能在较为复杂的环境下工作;如具有识别功能或更 进一步增加自适应、自学习功能,即成为智能型工业机器人。它能按照人给的“宏指 令”自选或自编程序去适应环境,并自动完成更为复杂的工作。 应用:工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业, 或是危险、恶劣环境下的作业,例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料 制品成形、机械加工和简单装配等工序上,以及在原子能工业等部门中,完成对人体 有害物料的搬运或工艺操作。20世纪50年代末,美国在机械手和操作机的基础上,采 用伺服机构和自动控制等技术,研制出有通用性的独立的工业用自动操作装置,并将 其称为工业机器人;60年代初,美国研制成功两种工业机器人,并很快地在工业生产 中得到应用;1969年,美国通用汽车公司用21台工业机器人组成了焊接轿车车身的 自动生产线。此后,各工业发达国家都很重视研制和应用工业机器人。 由于工业机 器人具有一定的通用性和适应性,能适应多单元或柔性制造系统的组成部分。 中国的工业机器人:我国工业机器人起步于70年代初期,经过20多年的发展,大 致经历了3个阶段:70年代的萌芽期,80年代的开发期和90年代的适用化期。 70 年代是世界科技发展的一个里程碑:人类登上了月球,实现了金星、火星的软着陆。 我国也发射了人造卫星。世界上工业机器人应用掀起一个高潮,尤其在日本发展更为 迅猛,它补充了日益短缺的劳动力。在这种背景下,我国于1972年开始研制自己的工 业机器人。 进入80年代后,在高技术浪潮的冲击下,随着改革开放的不断深入,我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。“七五”期间,国家投入资金, 对工业机器人及其零部件进行攻关,完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发, 研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人。1986年国家高技术研究发展计划(863计 划)开始实施,智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿,经过几年的研究,取得 了一大批科研成果,成功地研制出了一批特种机器人。从90年代初期起,我国的国民 经济进入实现两个根本转变时期,掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮,我 国的工业机器人又在实践中迈进一大步,先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切 割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人,并实施了一批机器人应用工程,形成 了一批机器人产业化基地,为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。虽然中国的工业机 器人产业在不断的进步中,但和国际同行相比,差距依旧明显。从市场占有率来说, 更无法相提并论。工业机器人很多核心技术,目前我们尚未掌握,这是影响我国机器 人产业发展的一个重要瓶颈。 1.1.2工业机器人现状 工业机器人现状评析: 在前不久召开的第五届全国先进制造装备与机器人技术高峰论坛上,哈尔滨工业 大学机器人研究所副所长李瑞峰教授对我国工业机器人产业化发展战略进行了探讨 并提出了建设性的意见。 他指出,作为先进制造业中不可替代的重要装备和手段,工业机器人已经成为衡 量一个国家制造水平和科技水平的重要标志。 自从20世纪60年代人类制造了第一台工业机器人以来,机器人就显示出了极强 的生命力。经过40年的飞速发展,在工业发达国家,机器人已经广泛应用于汽车工 业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、物流、制造业等诸 多领域中。 据相关统计数据表明,工业机器人主要用于汽车工业及汽车零部件工业,占整个 机器人市场的61%,金属制品业占8%、橡胶及塑料工业和电子电气行业分别占7%, 食品工业占2%,其他工业占15%。 据了解,国际上工业机器人技术日趋成熟,已成为装备制造业的一种标准设备而 得到工业界的广泛应用。比较著名的工业机器人公司有瑞典的ABB 、日本的FANUC 、 Yaskwa 、德国的KU 鄄KA 、美国的AdeptTechnology 、意大利的COMAU ,这些公 司已成为其所在地区的支柱性企业。 阵痛:依赖进口 目前,我国进口的工业机器人主要来自日本,2004年日本对华出口的机器人占 我国进口的工业机器人的一半,其他欧洲品牌机器人,如ABB 、KUKA 、COMAU 等, 占据市场的另一半。 2005年,我国工业机器人拥有量达到7000台,年销增长到28.7亿元。近年来, 随着我国经济快速增长,特别是汽车业的高速发展,每年新增工业机器人的台数和总 量都在快速增长。2006年,我国工业机器人新安装台数达5770台、2007年为6581 台,2008年则达到7500台。截止2008年年末,我国已有工业机器人31400台。 随着我国制造业从劳动密集型向现代化方向发展,机器人保有量达到一定的规 模,但与发达国家相比仍然有不少差距。 仅从汽车工业每百万名生产工人占有的机器人数量来比较,日本1710台、意大 利1600台、美国770台、英国610台、瑞典630台,而我国还不到90台,中国仍 然是世界上相对比较落后的国家。面对中国这样庞大的市场,每一个机器人供应商都 有着非常大的用武之地。 弊端:产业化不足 20世纪90年代末,我国建立了9个机器人产业化基地和7个科研基地。产业化 基地的建设,为发展我国机器人产业奠定了基础。目前,我国已经能够生产具有国际 先进水平的平面关节型装配机器人、直角坐标机器人、弧焊机器人、点焊机器人、搬 运码垛机器人等一系列产品,不少品种已经实现了小批量生产。 尽管机器人产业化已呈星火燎原之势,但仍旧存在着诸多问题。除了众多历史原 因造成制造业水平低下的原因外,更多的是对工业机器人产业的认识和定位上存在着 不同的观点。 首先,我国基础零部件制造能力差。虽然我国在相关零部件方面有了一定的基础, 但是无论从质量、产品系列,还是批量化供给方面都与国外存在较大的差距。特别是 在高性能交流伺服电机和精密减速器方面的差距尤其明显,因此造成关键零部件长期 依赖进口,影响了我国机器人的价格竞争力。 其次,中国的机器人还没有形成自己的品牌。虽然已经拥有一批企业从事机器人 的开发,但是都没有形成较大的规模,缺乏市场的品牌认知度,在机器人市场方面一 直面临国外机器人品牌的打压。国外机器人作为成熟的产业采用整机降价,吸引国内 企业购买,而在后续的维护备件费用很高的策略,逐步占领中国市场。 再其次,认识不到位,鼓励工业机器人产业化发展的政策少。工业机器人的制造 及应用水平,代表了一个国家的制造业水平,应从国家高度认识发展中国工业机器人 产业的重要性,这是我国从制造大国向制造强国转变的重要手段和途径。 据了解,日本战后对机器人采取的一系列相关政策,极大地推动了机器人产业的 发展,目前,日本已是世界上工业机器人的第一生产大国。工业机器人作为高新技术 产品,应该比照新能源中的电动汽车,出台相应的扶植政策。 李瑞峰说:“如今,已经有一批机器人企业根据市场需求,自行研制或与科研院 所合作,进行机器人产业化开发。可以预见,我国的工业机器人产业不久后将会作为 一种在国民经济中占据重要地位的产业而存在。” 据悉,奇瑞汽车已经制定了2010年年产100台焊接机器人产业化目标。 催化剂:政策扶持 李瑞峰指出,中国工业机器人产业化正处于关键的转折点,如果政府的扶持力度 再向前推进一步,中国的工业机器人产业将会越过目前的“临界期”,跨上一个新的台 阶,进入快速发展阶段。 同时,如何适应快速变化的国内外市场需求,如何以高质量、低成本和快速反应 的手段在市场中生存和发展,已是我国机器人产业不容回避的问题。 对此,李瑞峰提出如下建议,以市场需求为导向抓住几个重点产品集中突破;通 过国家行业专门立项,发展我国自己的机器人产业;以企业为主体,推动产学研联盟 建设,形成强大的研发、生产、销售队伍。 李瑞峰说:“我们必须在民族产业链上应用自己的机器人产品,摆脱国外的垄断。 特别是新一代的工业机器人要我们自己的器件来做,降低成本。”他还指出,在未来, 为应对国际挑战,我国应从机器人本体优化设计技术、新一代智能控制机器人技术、 关键机器人单元部件制造技术、机器人离线编程和仿真技术、基于外部传感器技术的 机器人运动控制、工业机器人产业化制造技术、工业机器人故障远程诊断与修复技术、 工业机器人与成套装备协同作业技术、复杂机电系统机构优化设计技术及对系统性能 的影响等方面对新一代工业机器人的技术进行研究。 1.1.3工业机器人发展前景 我国工业机器人起步于70年代初期,经过20多年的发展,大致经历了3个 阶段:70年代的萌芽期,80年代的开发期和90年代的适用化期。 70年代是世界科技发展的一个里程碑:人类登上了月球,实现了金星、火星的 软着陆。我国也发射了人造卫星。世界上工业机器人应用掀起一个高潮,尤其在日本 发展更为迅猛,它补充了日益短缺的劳动力。在这种背景下,我国于1972年开始研 制自己的工业机器人。 进入80年代后,在高技术浪潮的冲击下,随着改革开放的不断深入,我国机器 人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。“七五”期间,国家投入资金,对工业 机器人及其零部件进行攻关,完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发,研制出 了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人。1986年国家高技术研究发展计划(863计划) 开始实施,智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿,经过几年的研究,取得了一 大批科研成果,成功地研制出了一批特种机器人。 从90年代初期起,我国的国民经济进入实现两个根本转变时期,掀起了新一轮的 经济体制改革和技术进步热潮,我国的工业机器人又在实践中迈进一大步,先后研制 出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人,并 实施了一批机器人应用工程,形成了一批机器人产业化基地,为我国机器人产业的腾 飞奠定了基础。 目前,我国从事机器人研发和应用工程的单位200多家,拥有量为35 00台左右,其中国产占20%,其余都是从日本、美国、瑞典等40多个国家引进 的。2000年已生产各种类型工业机器人和系统300台套,机器人销售额6. 7 4亿元,机器人产业对国民经济的年收益额为47亿元。 据专家对国内542家用户以及汽车、电子电器、工程机械3个行业的 部分用户进行统计分析,就全国而言,弧焊、点焊、装配、喷涂机器人应用的最多; 其次是搬运、上下料(冲压、压铸、铸锻、注塑等用的大多是上下料机器人);再次 是包装、码垛、拆垛机器人和密封涂胶机器人,其他机器人用量很少。就行业而言, 汽车行业以焊接、喷涂、涂胶作业较多,冲压、搬运、装配次之;电子电器行业集中 在装配,如大连华录一家就用了近300台,其次是搬运和喷涂;工程机械行业集中 用于弧焊,喷涂其次。此外包装、码垛、拆垛机器人目前主要用于石化、轻纺和烟草 行业。 据对我国724家用户行业统计分析,大机械行业(机械制造和汽车工业)共467 家,占用户的65%,电子电器和邮电通讯92家,占用户的13%。可见目前我国 工业机器人主要应用在汽车、机械制造等行业。 专家研究认为,我国工业机器人的市场主要在汽车、摩托车、电器、工程机械、 石油化工等行业,企业对技术进步的需求更加强烈,其中主要的机器人用户仍在汽车 制造行业、工程机械行业及电机、电子行业。我国对工业机器人的需求量和品种将逐 年大幅度增加。 据专家预测,在工业机器人的需求上,我国也将同国际市场需求趋势基本一致, 即以机器人化的生产系统取代单台机器人,这是因为工业生产所用的机器人大多数是 在生产线上使用,组成机器人化的生产系统,单台机器人很 少使用。一般企业都不具 备将机器人集成到生产系统的能力,因此对机器人的需求也就转化为对机器人及其自 动化成套装备的需求。 1.2设计 1.2.1机械设计 定义:机械设计(machine design ) ,根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动 方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思、分 析和计算并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程。 机械设计是机械工 程的重要组成部分,是机械生产的第一步,是决定机械性能的最主要的因素。机械设 计的努力目标是:在各种限定的条件(如材料、加工能力、理论知识和计算手段等) 下 设计出最好的计需要综合地考虑许多要求,一般有: 最好工作性能、最低制造成本、最小尺寸和重量、使用中最可靠性、最低消耗和最少 环境污染。这些要求常是互相矛盾的,而且它们之间的相对重要性因机械种类和用途 的不同而异。设计者的任务是按具体情况权衡轻重,统筹兼顾,使设计的机械有最优 的综合技术经济效果。过去,设计的优化主要依靠设计者的知识、经验和远见。随着 机械工程基础用的技术经济数 据资料的 积累, 以及计算机的 推广 应用, 优化 逐 渐舍弃主观判断而依靠科学计算。 服务于不同产业的不同机械,应用不同的工作原理,要求不同的功能和特性。各产业 机械的设计,特别是整体和整系统的机械设计,须依附于各有关的产业技术而难于形 成独立的学科。、 计等专业性的机 械设计分支学科。但是,这许多专业设计又有许多共性技术,例如机构分析和综合、 力与能的分析和计算、工程材料学、材料强度学、传动、润滑、密封,以及标准化、 可靠性、工艺性、优化等。此外,还有研究设计工作的内在规律和设计的合理步骤和 方法的新兴的设计方法学。将机械设计的共性技术与理性化的设计方法学汇集成为一 门独立的、综合性的机械设计学科是机械工程实践和教育工作者正在努力的工作。 设计、分类:机械设计可分为新型设计、继承设计和变型设计3类。 1、新型设计 应用成熟的科学技术或经过实验证明是可行的新技术,设计过去没有过 的新型机械。 2,继承设计 根据使用经验和技术发展对已有的机械进行设计更新,以提高其性能、 降低其制造成本或减少其运用费用。 为适应新的需要对已有的机械作部分的修改或增删而发展出不同于标准型的变型产品。 (开卷机) 主要程序 1、根据用户订货、市场需要和新科研成果制定设计任务。 2、初步设计。包括确定机械的工作原理和基本结构形式,进行运动设计、结构设计并绘制初步总图以及初步审查。 3、技术设计。包括修改设计(根据初审意见)、绘制全部零部件和新的总图以及第二次审查。 4、工作图设计。包括最后的修改(根据二审意见)、绘制全部工作图(如零件图、部件装配图和总装配图等)、制定全部技术文件(如零件表、易损件清单、使用说明等)。 5、定型设计。用于成批或大量生产的机械。对于某些设计任务比较简单(如简单机械的新型设计、一般机械的继承设计或变型设计等)的机械设计可省去初步设计程序。 一般程序 一部机器的质量基本上决定于设计质量。制造过程对机器质量所起的作用,本质上就在于实现设计时所规定的质量。因此,机器的设计阶段是决定机器好坏的关键。 所讨论的设计过程仅指狭义的技术性的设计过程。它是一个创造性的工作过程,同时也是一个尽可能多地利用已有的成功经验的工作。要很好地把继承与创新结合起来,才能设计出高质量的机器。作为一部完整的机器,它是一个复杂的系统。要提高设计质量,必须有一个科学的设计程序。虽然不可能列出一个在任何情况下都有效的惟一程序,但是,根据人们设计机器的长期经验。 1,以下对各阶段分别加以简要说明。 (一)计划阶段 在根据生产或生活的需要提出所要设计的新机器后,计划阶段只是一个预备阶段。此时,对所要设计的机器仅有一个模糊的概念。在计划阶段中,应对所设计的机器的需求情况做充分的调查研究和分析。通过分析,进一步明确机器所应具有的功能,并为以后的决策提出由环境、经济、加工以及时限等各方面所确定的约束条件。在此基础上,明确地写出设计任务的全面要求及细节,最后形成设计任务书,作为本阶段的总结。设计任务书大体上应包括:机器的功能,经济性及环保性的估计,制造要求方面的大致估计,基本使用要求,以及完成设计任务的预计期限等。此时,对这些要求及条件一般也只能给出一个合理的范围,而不是准确的数字。例如可以用必须达到的要求、最低要求、希望达到的要求等方式予以确定。 (二)方案设计阶段 本阶段对设计的成败起关键的作用。在这一阶段中也充分地表现出设计工作有多个解(方案)的特点。机器的功能分析,就是要对设计任务书提出的机器功能中必须达到的要求、最低要求及希望达到的要求进行综合分析,即这些功能能否实现,多项功能间有无矛盾,相互间能否替代等。最后确定出功能参数,作为进一步设计的依据。在这一步骤中,要恰当处理需要与可能、理想与现实、发展目标与当前目标等之间可能产生的矛盾问题。确定出功能参数后,即可提出可能的解决办法,亦即提出可能采用的方案。寻求方案时,可按原动部分、传动部分及执行部分分别进行讨论。,较为常用的办法是先从执行部分开始讨论。讨论机器的执行部分时,首先是关于工作原理的选择问题。例 ,其工作原理既可采用在圆柱形毛坯上用车刀车削螺纹的办法,也可采用在圆柱形毛坯上用滚丝模滚压螺纹的办法。这就提出了两种不同的工作原理。工作原理不同,当然所设计出的机器就会根本不同。特别应当强调的是,必须不断地研究和发展新的工作原理。这是设计技术发展的重要途径。根据不同的工作原理,可以拟定多种不同的执行机构的具体方案。例如仅以切削螺纹来说,既可以采用工件只作旋转运动而刀具作直线运动来切削螺 ,也可以使工件不动而刀具作转动和移动来切削 螺纹工螺纹)。这就是说,即使对于同一种工作原理,也可能有几种不同的结构方案。 原动机部分的方案当然也可以有多种选择。由于电力供应的普遍性和电力拖动技术的发展,现在可以说绝大多数的固定机械都优先选择电动机作为原动机部分。热力原动机主要用于运输机、工程机械或农业机械。即使是用电动机作为原动机,也还有交流和直流的选择,高转速和低转速的选择等。传动部分的方案就更为复杂多样了。对于同一传动任务,可以由多种机构及不同机构的组合来完成。因此,如果用Ⅳ,表示原动机部分的可能方案数,N2和N3分别代表传动部分和执行部分的可能方案数,则机器总体的可能方案数Ⅳ为Ni×N2×N3个。 以上仅是就组成机器的三个主要部分讨论的。有时,还须考虑到配置辅助系统,对此,本书不再讨论。在如此众多的方案中,技术上可行的仅有几个。对这几个可行的方案,要从技术 方面和经济及环保等方面进行综合评价。评价的方法很多,现以经济性评价为例略做说明。根据经济性进行评价时,既要考虑到设计及制造时的经济性,也要费用考虑到使用时的经济性。如果机器的结构方案比较复杂,则其设计制造成本就要相对地增大,可是其功能将更为齐全,生产率也较高,故使用经济性也较好。反过来,结构较为简单、功能不够齐全的机器,设计及制造费用虽少,但使用费用却会增多。评价结构方案的设计制造经济性时,还可以用单位功效的成本来表示。例如单位输出功率的成本、单件产品的成本等。 进行机器评价时,还必须对机器的可靠性进行分析,把可靠性作为一项评价的指标。从可靠性的观点来看,盲目地追求复杂的结构往往是不明智的。一般地讲,系统越复杂,则系统的可靠性就越低。为了提高复杂系统的可靠性,就必须增加并联备用系统,而这不可避免地会提高机器的成本。环境保护也是设计中必须认真考虑的重要方面。对环境造成不良影响的技术方案,必须详细地进行分析,并提出技术上成熟的解决办法。通过方案评价,最后进行决策,确定一个据以进行下步技术设计的原理图或机构运动简图。在方案设计阶段,要正确地处理好借鉴与创新的关系。同类机器成功的先例应当借鉴,原先薄弱的环节及不符合现有任务要求的部分应当加以改进或者根本改变。既要积极创新,反对保守和照搬原有设计,也要反对一味求新而把合理的原有经验弃置不用这两种错误倾向。 (三)技术设计阶段 技术设计阶段的目标是产生总装配草图及部件装配草图。通过草图设计确定出各部件及其零件的外形及基本尺寸,包括各部件之间的连接,零、部件的外形及 要零件的基本尺寸,必须做以下工作:1) 机器的运动学设计。根据确定的结构方案,确定原动件的参数(功率、转速、线速度等)。然后做运动学计算,从而确定各运动构件的运动参数(转速、速度、加速度等)。2) 机器的动力学计算。结合各部分的结构及运动参数,计算各主要零件所受载荷的大小及特性。此时求出的载荷,由于零件尚未设计出来,因而只是作用于零件上的公称(或名义)。3) 零件的工作能力设计。已知主要零件所受的公称载荷的大小和特性,即可做零、部件的初步设计。设计所依据的工作能力准则,须参照零、部件的一般失效情况、工作特性、环境条件等合理地拟定,一般有强度、刚度、振动稳定性、寿命等准则。通过计算或类比,即可决定零、部件的基本尺寸。4) 部件装配草图及总装配草图的设计。根据已定出的主要零、部件的基本尺寸,设计出部件装配草图及总装配草图。草图上需对所有零件的外形及尺寸进行结构化设计。在此步骤中,需要很好地协调各零件的结构及尺寸,全面地考虑所设计的零、部件的结构工艺性,使全部零件有最合理的构形。5) 主要零件的校核。有一些零件,在上述第3)步中由于具体的结构未定,难于进行详细的工作能力计算,所以只能做初步计算及设计。在绘出部件装配草图及总装配草图以后,所有零件的结构及尺寸均为已知,相互邻接的零件之间的关系也为已知。只有在这时,才可以较为精确地定出作用在零件上的载荷,决定影响零件工作能力的各个细节因素。只有在此条件下,才有可能并且必须对一些重要的或者外形及受力情况复杂的零件进行精确的校核计算。根据校核的结果,反复地修改零件的结构及尺寸,直到满意为止。在技术设计的各个步骤中,近三四十年来发展起来的优化设计技术,越来越显示出它可使结构参数的选择达到最佳的能力。一些新的数值计算方法,如有限元法等,可使以前难以定量计算的问题获得极好的近似定量计算的结果。对于少数非常重要、结构复杂且价格昂贵的零件,在必要时还须用模型试验方法来进行设计,即按初步设计的图纸制造出模型,通过试验,找出结构上的薄弱部位或多余的截面尺寸,据此进行加强或减小来修改原设计,最后达到完善的程度。机械可靠性理论用于技术设计阶段,可以按可靠性的观点对所设计的零、部件结构及其参数做出是否满足可靠性要求的评价,提 出改进设计的建议,从而进一步提高机器的设计质量。上述这些新的设计方法和概念,应当在设计中加以应用与推广,使之得到相应的发展。草图设计完成以后,即可根据草图业已确定的零件基本尺寸,设计零件的工作图。此时,仍有大量的零件结构细节要加以推敲和确定。设计工作图时,要充分考虑到零件的加工和装配工艺性、零件在加工过程中和加工完成后的检验要求和实施方法等。有些细节安排如果对零件的工作能力有值得考虑的影响时,还须返回去重新校核工作能力。最后绘制出除标准件以外的全部零件的工作图。按最后定型的零件工作图上的结构及尺寸,重新绘制部件装配图及总装配图。通过这一工作,可以检查出零件工作图中可能隐藏的尺寸和结构上的错误。人们把这一工作通俗地称为纸上装配。 (四)技术文件编制阶段 技术文件的种类较多,常用的有机器的设计计算说明书、使用说明书、标准件明细表等。编制设计计算说明书时,应包括方案选择及技术设计的全部结论性的内容。编制供用户使用的机器使用说明书时,应向用户介绍机器的性能参数范围、使用操作方法、日常保养及简单的维修方法、备用件的目录等。 其他技术文件 、验收条件等,视需要与否另行编制。 (五)计算机在机械设计中的应用随着计算机技术的发展,计算机在机械设计中得到了日益广泛的使用,并出现了许多高效率的设计、分析软件。利用这些软件可以在设计阶段进行多方案的对比,可以对不同的包括大型的和很复杂的方案的结构强度、刚度和动力学特性进行精确的分析。同时,还可以在计算机上构建虚拟样机,利用虚拟样机仿真对设计进行验证,从而实现在设计阶段充分地评估设计的可行性。可以说,计算机技术在机械设计中的推广使用已经并正在改变机械设计的进程,它在提高设计质量和效率方面的优势是难以预估的。 以上简要地介绍了机器的设计程序。广义地讲,在机器的制造过程中,随时都有可能出现由于工艺原因而修改设计的情况。如需修改时,则应遵循一定的审批程序。机器出厂后,应该有计划地进行跟踪调查;另外,用户在使用过程中也会给制造或设计部门反馈出现的问题。设计部门根据这些信息,经过分析,也有可能对原设计进行修改,甚至改型。这些工作,虽然广义上也属设计程序的组成部分,但是属于另一个层次的问题,本书不再讨论其具体的内容。但是作为设计工作者,应当有强烈的社会责任感,要把自己工作的视野延伸到制造、使用乃至报废利用的全过程中去,反复不断地改进设计,才能使机器的质量继续不断地提高,更好地满足生产及生活的需要。 步骤 在设计开始之前,先要制定设计任务。当设计任务比较复杂时,一般采用三阶段设计,即初步设计、技术设计和工作图设计;当任务比较简单,如简单机械的新型设计、一般机械的继承设计或变型设计,则一开始就将设计做到技术设计深度,经审查、修改和批准后做工作图设计,而成为两阶段设计。在三阶段设计中的初步设计阶段,设计的主要步骤是:确定工作原理和基本结构型式,运动设计,设计主要零、部件、绘制初步总图, 初步设计审查。在技术设计阶段, 主要步骤是:根据审查意见修改设计,设计全部零、部件,绘制新的总图,技术设计审查。在工作图设计阶段,根据审查意见修改设计,绘制全部工作图和制定全部技术文件。对于批量或大量生产的产品,还要进行定型设计。在设计的每个步骤中,都可能发现前面步骤中某些决定不合理,这就需要折回到前面那个步骤,修改不合理的决定,重做随后的设计工作。 1、制定设计任务 这是设计的前期工作。设计任务的根据是用户订货、市场需要和新的科研成果。设计部门应用各种技术和市场情报,拟列可能方案,比较其利弊,与经营部门和用户共同商议,制定合理的设计任务目标。这对新型设计特别重要。任务目标的失误将造成经济上的严重损失,甚至遭到全面失败。 (废边卷取机) 2、确定工作原理和基本结构型式 如设计任务未作明确规定, 设计的第一个步骤就是确定总体方案, 即确定所要应用的工作原理和与之相应的结构型式。例如设计大功率船用柴油机,首先要确定是用二冲程、双作用、十字头、低速柴油机,还是用四冲程、单作用、中速柴油机。又例如设计用以粗碎岩石的破碎机械,首先要确定是采用以挤压和弯折为主要破碎作用的颚式或旋回式破碎机,或者采用以冲击为主要作用的单转子或双转子冲击式破碎机。 3、运动设计 设计的总体方案确定之后,接着需要运用机构学的知识,选用合适的机构以得到所需的运动方案。上面提到的颚式破碎机依靠其动颚板的摆动使进入破碎腔的岩石受到挤压、弯折和劈裂作用而破碎,而动颚板的摆动则可以采用双肘板机构的简单摆动,或者采用单肘板机构的复杂摆动。在新型设计中,可能会需要综合一个新的机构以得到所要求的运动方案,这常是一个困难的工作。因此,设计者一般尽量应用已有的和成熟的机构所提给的运动方案。 4、结构设计和绘制初步总图 运动设计之后,设计者开始进行结构设计,计算机械各主要零件的受力、强度、形状、尺寸和重量等,并绘制主要零、部件草图。这时如发现原来选用的结构不可行,就必须调整或修改结构。同时还应考虑有无可能产生过热、过度磨损或振动的部位。 在这一步骤中,设计者通过绘制草图会发现各部分的形状、尺寸、比例等方面的矛盾。为了加强或改进某一方面,可能会削弱或恶化另一方面。这时必须权衡轻重,进行协调,以达到最佳综合效果。草图经反复修改认为初步满意后,便可绘制初步总图和估算造价。初步总图严格按比例绘制,选取足够的视图和切面图。 5、初步审查 初步总图绘制后,需要请对该类机械有经验的设计、制造和使用人员以及用户或委托设计单位的代表进行初步审查。审查结果如认为设计不适用(如重量、体积太大, 造价太高, 对结构的可靠性有怀疑等), 则须重新进行运动设计,甚至改用别的工作原理和基本结构型式。多数情况是对设计采取某些改善措施。 6、技术设计 根据初步审查意见, 对设计进行修改, 并绘制所有的零件和部件图。对主要的零件和部件进行精确的应力分析,按分析结果修正零件的形状、尺寸等细节,并规定材质和热处理。确定零件加工精度以及部件和总装的装配条件。完成润滑设计、电气设计(驱动和控制)。重绘总图,某些重要的和批量生产的机械有时还要制作出模型。将完成的技术设计提交第二次审查。 7、绘制工作图 根据第二次审查的意见作最后的修改后,就可以绘制正式的零件图、部件装配图和总装配图,编写零件表、易损零件清单、使用指南等技术文件。设计负责人应注意协调零件间的尺寸,核对耦合件间的公差配合,复核某些零件的强度和刚度。零件图完成后开始图纸核对,这是非常重要的工作。经过仔细校对的图纸能保证加工后装配顺利。最可靠的校对方法是根据已绘制好的零件图重绘出一张总装配图,所有矛盾之处就会表现出来。在绘制零件图的同时还需要进行两项工作:一是工艺性审核, 使零件便于加工并降低制造成本; 二是标准审核,使零件结构要素、尺寸、公差 配合、热处理技术条件以及标准和通用零件等符合标准的规定。 8、试生产和定型设计 对于单件或小批生产的机械, 经过上述步骤完成的设计图纸可以投入正式生产。对于成批或大量生产的机械, 在正式生产前要先试制样机, 进行功能试验和鉴定,通过后,再按批量生产工艺进行批量试生产。在批量试生产中所出现的问题还可能需要对设计作相应的修改,方成为 可供正式生产使用的定型设计。 (立式活套) 设计准则 机械零件的设计具有众多的约束条件,设计准则就是设计所应该满足的约束条件。 1、技术性能准则 技术性能包括产品功能、制造和运行状况在内的一切性能,既指静态性能,也指动态性能。例如,产品所能传递的功率、效率、使用寿命、抗摩擦、磨损性能、振动稳定性、热特性等。技术性能准则是指相关的技术性能必须达到规定的要求。例如振动会产生额外的动载荷和变应力,尤其是当其频率接近机械系统或零件的固有频率时,将发生共振现象,这时振幅将急剧增大,有可能导至零件甚至整个系统的迅速损坏。振动性稳定准则就是限制机械系统或零件的相关振动参数,如固有频率、振幅、噪声等在规定的允许范围之内。又如机器工作时的发热可能会导致热应力、热应变,甚至会造成热损坏。热特性准则就是限制各种相关的热参数(如热应力、热应变、温升等) 在规定范围内。 2、标准化准则 与机械产品设计有关的主要标准大致有:概念标准化:设计过程中所涉及的名词术语、符号、计量单位等应符合标准; 实物形态标准化: 零部件、原材料、设备及能源 。 方法标准化:操作方法、测量方法、试验方法等都应按相应规定实施。 标准化准则就是在设计的全过程中的所有行为,都要满足上述标准化的要求。现已发布的与机械零件设计有关的标准,从运用范围上来讲,可以分为国家标准、行业标准和企业标准三个等级。从使用强制性来说,可分为必须执行的和推荐使用的两种。 3、可靠性准则 可靠性:产品或零部件在规定的使用条件下,在预期的寿命内能完成规定功能的概率。可靠性准则就是指所设计的产品、部件或零件应能满足规定的可靠性要求。 4、安全性准则 机器的安全性包括: 零件安全性:指在规定外载荷和规定时间内零件不发生如断裂、过度变形、过度磨损和不丧失稳定性等等。 整机安全性:指机器保证在规定条件下不出故障,能正常实现总功能的要求。 工作安全性:指对操作人员的保护,保证人身安全和身心健康等等。 环境安全性:指对机器周围的环境和人不造成污染和危害。 设计方法学 设计方法学的目的是将设计思维上升为理性过程,从而使设计能循一定的逻辑进行,使更多的设计人员能作出好的设计。它大致包括以下一些内容: 1、将设计的阶段分得很细,使每一阶段成为有章可循和有理可据的思维活动。 2、将成功的或良好的设计储存起来, 建立设计资料库, 以供以后设计时参考或采用。 3、在设计工作中引进价值工程的概念和方法,对设计中的矛盾进行功能与成本的权衡, 以获得良好的使用效果。 4、在设计中采用摩擦学、振动学、断裂力学化设计、系统工程、人类工程学等新兴学科的知识,提高设计的科学性,减少盲目性。 5、将设计工作范围扩大,向前延伸到市场预测,向后延伸到售后服务。 6,运用计算机辅助设计以减少设计劳动量、提高设计速度和设计质量。 产品名称:2D,3D 设计服务 型号:SWXDESINGSERV 规格:人/天服务 1.2.2 电气系统统计 1,整体控制图 (主电路顺序起动控制电路图) (控制电路的顺序控制电路图) 2,电气部件使用说明 ( 1)交流电机 交流 交流电机 交流电机是用于实现机械能和交流电能相互转换的机械。由于交流电力系统的巨大发展,交流电机已成为最常用的电机。交流电机与直流电机相比,由于没有换向器(见直流电机的换向),因此结构简单,制造方便,比较牢固,容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的电机。交流电机功率的覆盖范围很大,从几瓦到几十万千瓦、甚至上百万千瓦。20世纪80年代初,最大的汽轮发电机已达150万千瓦。 电机分类按功能 交流电机按其功能通常分为交流发电几大类。由于电机工作状态的 可逆性,同一台电机既可作发电机又可作电动机。把电机分为发电机与电动机并不很确切,只是有些电机主要作发电机运行,有些电机主要作电动机运行。 按品种交流电机按品种分有同步电机、异步电机两大类。同步电机转子的转速ns 与旋转磁场的转速相同,称为同步转速。ns 与所接交流电的频率 (f)、电机的磁极对数(P)之间有严格的关系。ns =60f/P 在中国, 为50赫,所以三相交流电机中一对极电机的同步转速为3000转/分,三相交流电机中两对极电机的同步转速为1500转/分,余类推。异步电机转子的转速总是低于或高于其旋转磁场的转速,异步之名由此而来。异步电机转子转速与旋转磁场转速之差(称为转差)通常在10%以内。 编辑本段转差率 S=(n0-n )/n0 (n0为同步转速,n 为空载转速) 交流电机- 韩国SPG 小 型交流电机 由此可知,交流电机(不管是同步还是异步)的转速都受电源频率的制约。因此, 交流电机的调速比较困难, 最好的办法是改变电源的频率,而以往要改变电源频率是比交流电机电源 交流电机因比,无论在性能指标,原材料利用和价格等方面均有明显的优越性。同样功率的三相电机比单相电机体积小,重量轻,价格低。三相电动机有自起动能力。单相电机没有起动转矩,为解决起动问题,需采取一些特殊的措施。单相电机的转矩是脉动的,噪声也比较大,但所需 的电源比较简单,特别是在家庭中使用十 和仪用电机多采用单相电机。 交流电机变频调速 变频器是应用变频技术与微电子技术,通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电机的电力传动元件。 交流电动机调速变频器的特点: 交流电机调速变频器 ■低频转矩输出180% ,低频运行特性良好 ■输出频率最大600Hz ,可控制高速电机 ■全方位的侦测保护功能(过压、欠压、过载) 瞬间停电再起动 ■加速、减速、动转中失速防止等保护功能 ■电机动态参数自动识别功能,保证系统的稳定性和精确性 ■高速停机时响应快 ■丰富灵活的输入、输出接口和控制方式,通用性强 ■采用SMT 全贴装生产及三防漆处理工艺,产品稳定度高 ■全系列采用最新西门子IGBT 功率器件,确保品质的高质量。 (2)变频器 变频器工作原理 主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分,变频器的主电路大体上可分为两类[1]:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器,直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器,其直流回路滤波是电感。 它由三部分构成,将工频电源变换为直流功率的“整流器”,吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”,以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。 (1)整流器:最近大量使用的是二极管的变流器,它把工频电源变换为直流电源。 也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器,由于其功率方向可逆,可以进行再生运转。 (2)平波回路:在整流器整流后的直流电压中,含有电源6倍频率的脉动电压,此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动,采用电感和电容吸收脉动电压(电流)。装置容量小时,如果电源和主电路构成器件有余量,可以省去电感采用简单的平波回路。 (3)逆变器:同整流器相反,逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率,以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型pwm 逆变器为例示出开关时间和电压波形。 控制电路是给异步电动机供电(电压、频率可调)的主电路提供控制信号的回路,它有频率、电压的“运算电路”,主电路的“电压、电流检测电路”,电动机的“速度检测电 路”,将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”,以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。 (1)运算电路:将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算,决定逆变器的输出电压、频率。 (2)电压、电流检测电路:与主回路电位隔离检测电压、电流等。 (3)驱动电路:驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。 (4)速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg 等) 的信号为速度信号,送入运算回路,根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。 (5)保护电路:检测主电路的电压、电流等,当发生过载或过电压等异常时,为了防止逆变器和异步电动机损坏,使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。 1.3 调试与检修 1.3.1 机械调试及检修 (1)对工程机械部件和整机进行装配与调试; (2)使用测试仪器和试验设备对工程机械进行性能检测与调试; (3)操作工程机械进行性能试验; (4)对工程机械装配工装、检测器具进行维护和保养;(5)对工程机械装配、调试进行质量控制,提出质量改进方案。 1.3.2 电气调试及检修 (1)熟悉电路原理,确定检修方案:当一台设备的电气系统发生故障时,不要急于动手拆卸,首先要了解该电气设备产生故障的现象、经过、范围、原因.熟悉该设备及电气系统的基本工作原理,分析各个具体电路.弄清电路中各级之间的相互联系以及信号在电路中的来龙去脉,结合实际经验,经过周密思考,确定一个科学的检修方案. (2)先机损,后电路:电气设备都以电气一机械原理为基础,特别是机电一体化的先进设备,机械和电子在功能上有机配合,是一个整体的两个部分。往往机械部件出现故陋,影响电气系统,许多电气部件的功能就不起作用。因此不要被表面现象迷惑,电气系统出现故障并不全部都是电气本身问题,有可能是机械部件发生故障所造成的。因此先检修机械系统所产生的故障,再排除电气部分的故障,往往会收到事半功倍的效果。 (3)先简单,后复杂:检修故障要先用最简单易行、自己最拿手的方法去处理,再用复杂、精确的方法。排除故障时,先排除直观、显而易见、简单常见的故障.后排除难度较高、没有处理过的疑难故障。 (4)先检修通病、后玫疑难杂症:电气设备经常容易产生相同类型的故障就是“通病”。由于通病比较常见,积累的经验较丰富,因此可快速排除.这样就可以集中精力和时间排除比较少见、难度高、古怪的疑难杂症,简化步骤,缩小范围,提高检修速度 (5)先外部调试, 后内部处理:外部是指暴露在电气设备外完成密封件外部的各种开关、按钮、插口及指示灯。内部是指在电气设备外壳或密封件内部的印制电路板、元器件及各种连接导线。先外部调试,后内部处理,就是在不拆卸电气设备的情况下,利用电气设备面板上的开关、旅钮、按钮等调试检查,缩小故障范围。首先排除外部部件引起的故障,再检修机内的故障,尽量避免不必要的拆卸o (6)先不通电测量,后通电测试:首先在不通电的情况下,对电气设备进行检修:然后再在通电情况下,对电气设备进行检修。对许多发生故障的电气设备检修时,不能立即通电,否则会人为扩大故障范围,烧毁更多的元器件,造成不应有的损失。因此,在故障机通电前.先进行电阻测量,采取必要的措施后,方能通电检修 (7)先公用电路、后专用电路:任何电气系统的公用电路出故障,其能量、信息就无法传送、分配到各具体专用电路,专用电路的功能、性能就不起作用。如一个电气设备的电源出故障,整个系统就无法正常运转,向各种专用电路传递的能量、信息就不可能实现。因此遵循先公用电路、后专用电路的顺序,就能快速、准确地排除电气设备的故障。 (8)总结经验.提高效率:电气设备出现的故障五花八门、干奇百怪。任何一台有故障的电气设备检修完,应该把故障现象、原因、检修经过、技巧、心得记录在专用笔记本上,学习掌握各种新型电气设备纳机电理论知识、熟悉其工作原理、积累维修经验,将自己的经验上升为理论。在理论指导下,具体故障具体分析,才能准确、迅速地排除故障。只有这样才能把自己培养成为检修电气故障的行家里手。 第29卷 第2期1998年3月太 原 理 工 大 学 学 报 JOU RNAL O F TA IYUAN UN I V ER S IT Y O F T ECHNOLO GY V o l 129 N o 12 M ar 11998 悬臂搬运机器人 武利生 李宏艳 李元宗 (机械工程系) ② ① 摘 要 阐述了悬臂搬运机器人的机构组成, 工作原理, 讨论了以可编程控制器为核心的机器人控制系统。控制软件中的一些方法和技巧对其它工业顺序控制问题具有一定的参考价值。悬臂搬运机器人在中山森莱公司电池极板生产线上的实践应用表明:该机器人具有结构精巧、控制可靠、运行平稳、价格低廉的特点, 适于在电池、电镀、热处理、堆垛等行业推广。 关键词 搬运机器人; 机器人机构; 机器人控制中图分类号 TP 24212 悬臂搬运机器人是为了提高N i 2M H 电池的生产质量, 减轻工人劳动强度, 提高电池生产的自动化水平而设计研制的一种工业机器人。外观如图1所示。悬臂搬运机器人是具有两个自由度的直角坐标重型搬运机器人[1]。采用可编程控制对其进行点位控制(即PT P 方式) , 可以根据不同的作业要求, 编制不同的程序进行控制。 悬臂搬运机器人主要性能参数如下:X 轴电机功率:212k W ; Z 轴电机功率:212k W ; 最大负载:300kg ; X 轴速度:7199m m in ; Z 轴速率:10106m m in ; 最大程序容量:2K (可扩大为8K ) ; 定位精度:≤5mm . 1 结构简介 悬臂搬运机器人的机构由两大部分组成, 即行走机构和提升机构。两机构分别由各自的电机驱动, 运动相对独立。 机器人行走机械简图如图2(a ) 所示。它是由行走电机1通过联轴节2带动蜗杆旋转, 经过蜗轮减速机减速后, 装在蜗轮轴上的齿轮3 与蜗轮以相 图1 工业机器人外观 同的转速转动。通过过轮6的作用将运动传递到车轮7固联的齿轮8上来带动两车轮沿轨道5同步前进。两车轮均为驱动轮, 有利于改善机器人的起动和制动性能, 可以避免在起重量较大时发生打滑现象。 机器人的提升机构如图2(b ) 所示。它由提升电机17经蜗轮减速机10后驱动主链轮11转动, 下 ①国家863项目(高效储能镍氢电池项目的子课题) :阳极板浸渍悬臂搬运机器人②男, 1972年生, 硕士, 太原理工大学, 030024 文稿收到日期:1997211215 第2期 武利生等:悬壁搬运机器人119 的酸碱气环境, 将手动控制和自动控制回路分开, 万一自动控制系统失灵, 仍可用手动进行控制, 提高了机器人工作的可靠性。自动控制是机器人的主要控制方式, 悬臂搬运机器人的自动控制系统核心是一台日本三菱公司的FX 2248M R 可编程控制器。它具有功能强、可靠性高、体积小、结构紧凑、安装维护方便等优点。位置传感器选用了全封闭的霍尔型接近开关 。 (a ) (b ) 图2 机器人机构原理 链轮14安装在立架下部的链轮座15上, 链12的两端安装在滑块13上。手臂(见图1) 与滑块固联, 这样当主动轮11转动时, 链子就带着滑块和手臂沿立架16上下移动。 由机器人外观图可看出, 机器人手臂设计为悬臂梁的形式, 手实际为一提勾。手心的位置在贮液槽中心线上, 全部传动机构均在贮液槽侧面, 避开了贮液槽上方严重的酸碱气。由于机器人手上无开合动作, 因此机器人的取放物料动作要由机器人本身运动的组合来完成(详见控制软件中组合机器人动作一节) 。 图3 控制系统框图 电池极板的浸渍要在从右到左的7个槽中进行, 机器人的工作就是在这7个槽间搬运物料, 并在适当的时刻到指定槽中完成规定动作(抖动) 。由于机器人只有两个自由度, 要完成取放料动作就必须在每个槽中识别前后两个位置, 再加上手臂上下两位置共要检测16个位置。PL C 输入输出分配表见表1. 2 控制系统 悬臂搬运机器人控制系统总体框图如图3所示。主要由三部分组成:1) 主回路; 2) 手动控制回路; 3) 自动控制回路; 包括PL C 控制电路和位置检测电路。为了达到设计提出的要求, 两台电机均选用YEJ 系列带制动器的电机。考虑到工作现场恶劣 3 控制软件 生产中为了提高工效, 一个生产周期中共要在7个槽内循环浸渍A , B 两卷料5次。7个槽从右到左依次编为0, 1, 2, 3, 4, 5, 6号, 其中0号槽为备料槽, 6号为出料槽, 余为贮液槽。要求:1) A , B 料循环浸渍所用槽及时间如图4所示; 2) 上A 料 表1 输入输出点分配表 端口 X 00X 01X 03X 14X 06X17Y 0Y 2 意 义 0#中点1#中点3#中点4#后点6#中点 辅助继电器 M 780M 781M 783M 774M 786M 751M 300M 302, M 303 端口 X 10X 02X 13X 05X 16X20Y 1Y 3 意 义 0#后点2#中点3#后点5#中点6#后点 辅助继电器 M 770M 782M 773M 785M 776 端口 X 11X 12X 04X 15X 07X21 意 义 1#后点2#后点4#中点5#后点 辅助继电器 M 771M 772M 784M 775M 750 上 点清 零欠压示指 下 点上 升左 行 启 动下 降右 行 M 301M 304, M 305 Y 10 2h 45m in 后上B 料; 3) 当料在1, 2, 4, 5槽时入312 组合机器人的动作 槽抖动1次, 以后每隔15m in 抖动一次, 每次抖动要求上下3个来回, 升高为40c m 左右, 升降平稳 。 虽然可以将机器人的每一动作作为一状态处理(即为一步进点) , 但这将使得程序冗长, 可读性差。另一方面机器人作业时有些动作是连续执 行的, 如机器人从1#槽移到3#槽抓料, 这一过程要经过以下4步(如图5所示) :图5 动作组合 1) 机器人由1#移到3#的后点; 2) 手臂下降到能抓到提手的位置; 3) 向前运动, 移到3#的中点; 4) 手臂上升, 同时将物料提起。可以将这些动作组合在一起, 作为一个步进点处理。它对应的状态就是机器人由1#槽到3#槽的抓料状态。机器人的其它动作也可类似组合。 在整个生产过程中共有146次抖动(机器人提着物料完成3次上升, 3次下降动作) 。对于这一动作组合, 因其执行次数多, 将其写作子程序, 放在主程序之后, 利用FX 22PC 提供的调用子程序功能指令CALL P 1(功能号为FN C 01, P 1为指令指针) , 需要用时直接调用。 通过动作组合使程序更简洁了, 易于调试修改。313 循环动作处理 从时序图可以看到, 机器人在一个生产周期中有些动作完全相同, 有些基本相同。对于这些动作可以利用计数器计数结合简单的判断构造循环来进行处理。例如有一段程序要求机器人在2#槽和4#槽各完成4次抖动, 然后将4#槽的料搬到6#槽, 就 图4 循环浸渍过程 根据工艺要求可以绘出机器人在一个生产周期的时序图(本文略) 。分析时序图可以看出, 要完成两卷料的整个生产过程共要29h 15m in . 若将机器人的动作分解成上升(提升电机正转) 、下降(提升电机反转) 、左行(行走电机正转) 、右行(行走电机反转) 4种, 则机器人在一个生产周期需要完成3000多个动作。这是非常典型的顺序控制问题。为 了保证工艺要求, 也为了提高程序的效率和使程序更简洁, 在机器人的控制软件编制时采取以下措施。311 使用步进指令 PL C 虽然具有很强的逻辑计算功能, 但这一问 题由于工艺复杂, 动作繁多, 若用通常的梯形图语言编制, 则需使用大量的辅助继电器, 进行大量的自锁和联锁, 不仅编制困难, 更难以维护。一旦工艺稍有变动, 整个软件要重新编制。FX 22PC 有两条简单的步进指令STL 和R EL 指令, 并同时具有大量的状态元件S , 这就可以用类似于SFC (Sequen 2tial Functi on Chart ) 语言的状态转移图方式编程。使用步进指令后, 大大简化了动作执行的条件, 程序和工艺流程的对应关系一目了然, 易于调试修改, 提高了工作效率。 另外使用步进指令后, 在一个扫描周期里, 仅执行母线上的指令和某步进点内的指令, 而其它步进点内的指令不执行。本程序共有1800多条指令。使用步进指令后每一周期仅执行几十条指令, 缩短了程序的扫描周期, 使机器人的动作更加可靠。 图6 局部循环 可采用如图6所示过程处理。这一方法不仅适用于动作完全相同的情况, 对于动作不完全相同的情况也可处理, 但要利用辅助继电器来改变条件。如在程序中有一段动作基本相同, 区别仅在于第一次执行时用4#槽, 以后用5#槽。程序中使用了辅助继电器M 699和M 700来构造条件(见图7) , 将4#和5#槽等同对待, 循环执行。 使用循环处理不但缩短了程序的长度, 而且使程序更简洁, 更易于修改。只要改变计数器的设定值或延时长度就可对程序进行局部的调整。314 锁定位置和掉电保持 机器人到达指定位置时, 由于惯性或执行其它动作的影响, 有可能使位置稍稍偏移。在这种情况下, 传感器的状态将不能保持, 机器人将因检测不到这一位置而导致程序执行错误。为了解决这一问题, 我们在机器人到达某一指定位置时置位一辅助中间继电器。利用这一辅助继电器来将这一位置锁定, 程序中用辅助继电器的状态来表示该点的状态, 而在不需要时将其复位。要注意所有这些电路均连接在母线上, 这样就不需要在每一步进点中置位辅助继电器来锁定位置, 而只需要用辅助继电器来表示位置即可。辅助继电器与位置的对应关系见表1. 另外为了实现在设计要求中提出的要求PC 断电时, 能保持断点的状态。程序中选用的辅助中间继电器M , 状态器S 和计数器C 为带掉电保持的。对于定时器T , 因一般情况下无法知道断电时间, T 所表示的时间已意义不大, 选用无掉电保持功能的。315 程序流程图 悬臂搬运机器人在控制软件用类似于SFC 语言的状态转移图语言编制。程序中除了步进点外还有一些电路直接与母线相联。这些电路包括锂电池欠压指示电路, 位置锁定电路和4#槽5#槽区分电路。我们可以把这些电路看作程序预处理部分。另外抖动程序也联接在母线上, 但它作为子程序放在主程序之后, 供主程序在必要时调用。调用时执行, 不调用时程序在FEND 指令后刷新输入输出状态表, 子程序并不执行。 程序执行的流程图如图7所示。图中的每一个复方框中又包括有局部的循环, 判断等。 图7 程序框图 悬臂搬运机器人于1996年3月安装调试完成, 进入试运行阶段。1996年8月应厂家的要求, 对机器人的工艺程序进行了一次较大的改进。已在中山森莱公司的电池生产线上投入实际应用。它的应用提高了电池生产的自动化水平, 减轻了工人的劳动强度, 提高了电池的质量。 悬臂搬动机器人由于其自由度少, 其机构和控制部分相对简单。不必选用一些特殊结构和精密机构, 也无需采用复杂的控制算法。因此悬臂搬运机器人具有成本低、控制灵活、操作简便、运行可靠、易于维护等特点。 悬臂搬运机器人作为一种通用搬运机械, 在电池生产、自动装配、电渡、热处理、堆垛等行业应用前景广泛, 具有很高的推广价值。 4 结束语 参 考 文 献 1 吴瑞详. 机器人技术及应用. 北京:北京航空航天大学出版社, 1994. 14~18 (下转第133页) 参 考 文 献 1 陈雪瑞, 李文斌, 牛志刚. 参数切换机械系统建模研究. 中国机械工程, 1996, 7(5) :31~332 陈雪瑞, 李玉瑛, 赵宗淦. 参数切换机械系统实现研究. 太原工业大学学报, 1997, 28(3) :5~103 陈雪瑞, 穆临平, 汪鸣铮. 参数切换机械系统串并联研究. 太原工业大学学报, 1997, 28(4) :1~6 One K i nd of A lgebra ic Opera tion on Ser ies Chen Xueru i L iY uy i ng , Zhang Ha ifeng (D ep t . of M ech . E ng g . ) (D ep t . of A p llied M a th . and M ech . ) Abstract T h is p ap er discu sses one new k ind of algeb raic op erati on on series and its charac 2ter . T he new op erati on on series , w ho se sou rce is taken at p aram eter conversi on m echan is m sys 2tem , no t on ly reveals the sp ecial op erati on ru les of the system , bu t also can be u sed in som e o ther . science fields Key words series ; m ode ; m u lti p licati on all over ; additi on all over (上接第121页) The Can tilever L oad i ng Robot W u L isheng , L i Hongyan , L iY uanzong (D ep t . of M ech . E ng g . ) Abstract T h is p ap er describes the m echan is m and the op erating p rinci p le of the can tilever loading robo t . Its au tom atic con tro l system based on PC is discu ssed in details . Som e techn iques u sed in the con tro l p rogram can be u sed in o ther con tro l engineering . It is show n by the app lied research in the facto ry that such a cheap robo t has characters of the finely structu re and s m oo th . op erati on and is easy to con tro l Key words loading robo t ; robo t m echan is m ; robo t con tro l范文四:机器人搬运作业
范文五:悬臂搬运机器人