上海大學(xué)自學(xué)考試

1、PAGE PAGE 11上海大學(xué)自學(xué)考試理論與實踐實驗指導(dǎo)書上海大學(xué)2012年4月15日實驗1 機器人的機械系統(tǒng) 2.1 實驗?zāi)康?、 了解機器人機械系統(tǒng)的組成； 2、 了解機器人機械系統(tǒng)各部分的原理及作用； 3、 掌握機器人單模塊運動的方法。2.2 實驗設(shè)備1、 模塊化機器人一臺； 2、模塊化機器人控制柜一臺。 2.3 實驗原理機器人各模塊機械系統(tǒng)主要由以下幾大部分組成：原動部件、傳動部件、執(zhí)行部件。基本機械結(jié)構(gòu)連接方式為原動部件傳動部件執(zhí)行部件。機器人的傳動結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-1所示。 模塊1傳動鏈主要由步進電機、諧波減速器構(gòu)成。 模塊2傳動鏈主要由步進電機（或伺服電機）、諧波減速器構(gòu)成。 模

2、塊3傳動鏈主要由步進電機、行星減速器、同步帶構(gòu)成。 模塊4傳動鏈主要由步進電機、渦輪蝸桿傳動構(gòu)成。 模塊5傳動鏈主要由步進電機、行星減速器、同步帶構(gòu)成。 模塊6傳動鏈主要由步進電機、錐齒輪傳動構(gòu)成。 在機器人末端還有一個氣動夾持器或電磁鐵。 原動部件包括步進電機和伺服電機兩大類，模塊2采用步進電機或伺服電機驅(qū)動方式；模塊1、3、4、5、6采用步進電機驅(qū)動方式。本機器人中采用了同步齒型帶傳動、諧波減速傳動、錐齒輪傳動、渦輪蝸桿等傳動方式。執(zhí)行部件采用了氣動手爪機構(gòu)或電磁鐵吸附機構(gòu)，以完成抓取、裝配等作業(yè)。 下面對機器人中采用的各傳動部件的工作原理及特點作以簡要介紹。 圖2-1 機器人傳動簡圖 1

3、、同步齒型帶傳動 同步齒型帶傳動是通過帶齒與輪齒的嚙合傳遞運動和動力，如圖2-2所示。與摩擦型帶傳動相比，同步帶傳動兼有帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動的一些特點，與一般帶傳動相比具有以下特點： 1） 傳動比準確，同步帶傳動是嚙合傳動，工作時無滑動； 2） 傳動效率高，可達98%以上，節(jié)能效果明顯； 3） 不需依靠摩擦傳動，預(yù)緊張力小，對軸和軸承的作用力小，帶輪直徑小，所占空間小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊； 4） 傳動平穩(wěn)，動態(tài)特性良好，能吸振，噪音小； 5） 齒型帶較薄，允許線速度高，可達50m/s； 6） 使用廣泛，傳遞功率由幾瓦至數(shù)千瓦，速比可達10左右； 7） 使用保養(yǎng)方便，不需要潤滑，耐油、耐磨性和

4、抗老化好，還能在高溫、灰塵、水及腐蝕介質(zhì)等惡劣環(huán)境中工作； 8） 安裝要求較高，兩帶輪軸心線平行度要高，中心距要求嚴格； 9） 帶和帶輪的制造工藝復(fù)雜、成本高。盡管如此，同步帶傳動不失為一種十分經(jīng)濟的傳動裝置，現(xiàn)已廣泛用于要求精密定位的各種機械傳動中。圖 2-2 同步齒型帶傳動結(jié)構(gòu)2、諧波齒輪傳動 諧波齒輪傳動由三個基本構(gòu)件組成： 1） 諧波發(fā)生器（簡稱波發(fā)生器）是由凸輪（通常為橢圓形）及薄壁軸承組成，隨著凸輪轉(zhuǎn)動，薄壁軸承的外環(huán)作橢圓形變形運動（彈性范圍內(nèi)）； 2） 剛輪是剛性的內(nèi)齒輪； 3） 柔輪是薄殼形元件，具有彈性的外齒輪。 以上三個構(gòu)件可以任意固定一個，成為減速傳動及增速傳動；或者發(fā)

5、生器、剛輪主動，柔輪從動，成為差動機構(gòu)（即轉(zhuǎn)動的代數(shù)合成）。諧波傳動工作過程如下圖2-3所示，當波發(fā)生器為主動時，凸輪在柔輪內(nèi)轉(zhuǎn)動，使長軸附近柔輪及薄壁軸承發(fā)生變形（可控的彈性變形），這時柔輪的齒就在變形的過程中進入（嚙合）或退出（嚙出）剛輪的齒間，在波發(fā)生器的長軸處處于完全嚙合，而短軸方向的齒就處于完全的脫開狀態(tài)。 圖2-3 諧波齒輪傳動工作過程波發(fā)生器通常為橢圓形的凸輪，凸輪位于薄壁軸承內(nèi)。薄壁軸承裝在柔輪內(nèi)，此時柔輪由原來的圓形而變成橢圓形，橢圓長軸兩端的柔輪與之配合的剛輪齒則處于完全嚙合狀態(tài)，即柔輪的外齒與剛輪的內(nèi)齒沿齒高嚙合。這是嚙合區(qū)，一般有30%左右的齒處在嚙合狀態(tài)；橢圓短軸兩端

6、的柔輪齒與剛輪齒處于完全脫開狀態(tài)，簡稱脫開；在波發(fā)生器長軸和短軸之間的柔輪齒，沿柔輪周長的不同區(qū)段內(nèi)，有的逐漸退出剛輪齒間，處在半脫開狀態(tài)，稱之為嚙出；有的逐漸進入剛輪齒間，處在半嚙合狀態(tài)，稱之為嚙入。波發(fā)生器在柔輪內(nèi)轉(zhuǎn)動時，迫使柔輪產(chǎn)生連續(xù)的彈性變形，此時波發(fā)生器的連續(xù)轉(zhuǎn)動，就使柔輪齒的嚙入嚙合嚙出脫開這四種狀態(tài)循環(huán)往復(fù)不斷地改變各自原來的嚙合狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱之為錯齒運動，正是這一錯齒運動，使減速器可以將輸入的高速轉(zhuǎn)動變?yōu)檩敵龅牡退俎D(zhuǎn)動。對于雙波發(fā)生器的諧波齒輪傳動，當波發(fā)生器順時針轉(zhuǎn)動1/8周時，柔輪齒與剛輪齒就由原來的嚙入狀態(tài)而成嚙合狀態(tài)，而原來脫開狀態(tài)就成為嚙入狀態(tài)。同樣道理，嚙出變?yōu)?/p>

7、脫開，嚙合變?yōu)閲С?，這樣柔輪相對剛輪轉(zhuǎn)動（角位移）了1/4齒；同理，波發(fā)生器再轉(zhuǎn)動1/8周時，重復(fù)上述過程，這時柔輪位移一個齒距。依此類推，波發(fā)生器相對剛輪轉(zhuǎn)動一周時，柔輪相對剛輪的位移為兩個齒距。柔輪齒和剛輪齒在節(jié)圓處嚙合過程就如同兩個純滾動（無滑動）的圓環(huán)一樣，兩者在任何瞬間，在節(jié)圓上轉(zhuǎn)過的弧長必須相等。由于柔輪比剛輪在節(jié)圓周長上少了兩個齒距，所以柔輪在嚙合過程中，就必須相對剛輪轉(zhuǎn)過兩個齒距的角位移，這個角位移正是減速器輸出軸的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)了減速的目的。波發(fā)生器的連續(xù)轉(zhuǎn)動，迫使柔輪上的一點不斷的改變位置，這時在柔輪的節(jié)圓的任一點，隨著波發(fā)生器角位移的過程，形成一個上下左右相對稱的和諧波，

8、故稱之為：“諧波”。諧波齒輪傳動的特點： 1） 傳動比大、單級傳動比為70320； 2） 側(cè)隙小。由于其嚙合原理不同于一般齒輪傳動，側(cè)隙很小，甚至可以實現(xiàn)無側(cè)隙傳動； 3） 精度高。同時嚙合齒數(shù)達到總齒數(shù)的20%左右，在相180的兩個對稱方向上同時嚙合，因此誤差被平均化，從而達到高運動精度； 4） 零件數(shù)少、安裝方便。僅有三個基本部件，且輸入軸與輸出軸為同軸線，因此結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便； 5） 體積小、重量輕。與一般減速器比較，輸出力矩相同時，通常其體積可減小2/3，重量可減小1/2； 6） 承載能力大。因同時嚙合齒數(shù)多，柔輪又采用了高疲勞強度的特殊鋼材，從而獲得了高的承載能力； 7） 效率高。

9、在齒的嚙合部分滑移量極小，摩擦損失少。即使在高速比情況下，還能維持高的效率； 8） 運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。周向速度低，又實現(xiàn)了力的平衡，故噪聲低、振動??； 9） 可向密閉空間傳遞運動。利用其柔性的特點，可向密閉空間傳遞運動。這一點是其它任何機械傳動無法實現(xiàn)的。 3、齒輪傳動 齒輪傳動的分類： 齒輪傳動的特點： 1） 瞬時傳動比恒定。非圓齒輪傳動的瞬時傳動比又能按需要的變化規(guī)律設(shè)計； 2） 傳動比范圍大，可用于減速或增速； 3） 速度（指節(jié)圓圓周速度）和傳動功率的范圍大，可用于高速（v40m/s）、中速和低速（v25m/s）的傳動；功率可從小于1W到105Kw； 4） 傳動效率高，一對高精度的漸開線圓柱齒輪

10、，效率可達99%以上； 5） 結(jié)構(gòu)緊湊，適用于近距離傳動； 6） 制造成本較高，某些具有特殊齒形或精度很高的齒輪，因需要專用或高精度的機床、刀具和量儀等，故制造工藝復(fù)雜，成本高； 7） 精度不高的齒輪，傳動時噪聲、振動和沖擊大，污染環(huán)境； 8） 無過載保護作用。 2.4 實驗步驟1、 教師介紹機器人機械系統(tǒng)中原動部分、傳動部分以及執(zhí)行部分的位置及在機器人系統(tǒng)中的工作狀況； 2、 接通控制柜電源，按下“啟動”按鈕； 3、 啟動計算機，運行機器人軟件； 4、 在“模塊組合方式”界面中選擇6個模塊； 5、 點擊主界面“機器人復(fù)位”按鈕，機器人進行回零運動。觀察機器人的運動，六個模塊全部運動完成后，機

11、器人處于零點位置； 6、 點擊主界面“模塊運動”按鈕，出現(xiàn)如圖2-4所示界面； 圖2-4 模塊運動界面 7、選擇“模塊1”，模塊方向選擇“正向”，啟動方式選擇“加速”，運動方式選擇“位置模式”，運行速度取默認值，目標位置取30度，點擊“啟動”按鈕，觀察機器人模塊1運動情況； 8、選擇“模塊1”，模塊方向選擇“反向”，啟動方式選擇“加速”，運動方式選擇“速度模式”，運行速度取默認值，點擊“啟動”按鈕，觀察機器人模塊1運動情況，然后點擊“立即停止”按鈕； 9、選擇“模塊2”，模塊方向選擇“正向”，啟動方式選擇“加速”，運動方式選擇“位置模式”，運行速度取默認值，目標位置取-60度，點擊“啟動”按鈕

12、，觀察機器人模塊2運動情況； 10、選擇“模塊2”，模塊方向選擇“反向”，啟動方式選擇“加速”，運動方式選擇“速度模式”，運行速度取默認值，點擊“啟動”按鈕，觀察機器人模塊2運動情況，然后點擊“立即停止”按鈕； 11、選擇“模塊3”，模塊方向選擇“正向”，啟動方式選擇“加速”，運動方式選擇“位置模式”，運行速度取默認值，目標位置取30度，點擊“啟動”按鈕，觀察機器人模塊3運動情況； 12、選擇“模塊3”，模塊方向選擇“反向”，啟動方式選擇“加速”，運動方式選擇“速度模式”，運行速度取默認值，點擊“啟動”按鈕，觀察機器人模塊3運動情況，然后點擊“立即停止”按鈕； 13、選擇“模塊4”，模塊方向選

13、擇“正向”，啟動方式選擇“加速”，運動方式選擇“位置模式”，運行速度取默認值，目標位置取30度，點擊“啟動”按鈕，觀察機器人模塊4運動情況； 14、選擇“模塊4”，模塊方向選擇“反向”，啟動方式選擇“加速”，運動方式選擇“速度模式”，運行速度取默認值，點擊“啟動”按鈕，觀察機器人模塊4運動情況，然后點擊“立即停止”按鈕； 15、選擇“模塊5”，模塊方向選擇“正向”，啟動方式選擇“加速”，運動方式選擇“位置模式”，運行速度取默認值，目標位置取30度，點擊“啟動”按鈕，觀察機器人模塊5運動情況； 16、選擇“模塊5”，模塊方向選擇“反向”，啟動方式選擇“加速”，運動方式選擇“速度模式”，運行速度取

14、默認值，點擊“啟動”按鈕，觀察機器人模塊5運動情況，然 后點擊“立即停止”按鈕； 17、選擇“模塊6”，模塊方向選擇“正向”，啟動方式選擇“加速”，運動方式選擇“位置模式”，運行速度取默認值，目標位置取30度，點擊“啟動”按鈕，觀察機器人模塊6運動情況； 18、選擇“模塊6”，模塊方向選擇“反向”，啟動方式選擇“加速”，運動方式選擇“速度模式”，運行速度取默認值，點擊“啟動”按鈕，觀察機器人模塊6運動情況，然后點擊“立即停止”按鈕； 19、點擊“退出”按鈕，退出模塊運動界面； 20、 點擊主界面“機器人復(fù)位”按鈕，使機器人回到零點位置； 21、 按下控制柜上的“停止”按鈕，斷開控制柜電源； 2

15、2、 退出機器人軟件，關(guān)閉計算機。 2.5 注意事項1、 在老師的指導(dǎo)下進行實驗； 2、 機器人通電后，身體的任何部位不要進入機器人運動可達范圍之內(nèi)； 3、 機器人運動不正常時，及時按下控制柜的急停開關(guān)。 實驗2 機器人的控制系統(tǒng)3.1 實驗?zāi)康?、了解機器人控制系統(tǒng)的組成； 2、熟悉機器人控制系統(tǒng)各部分的原理及作用。 3.2 實驗設(shè)備1、模塊化機器人一臺； 2、模塊化機器人控制柜一臺； 3.3 實驗原理模塊化機器人控制系統(tǒng)主要由計算機、步進（或伺服）電機驅(qū)動器及步進（或伺服）電機、電源、控制柜、操作電路等幾部分組成。計算機內(nèi)安裝有運動控制卡和機器人控制軟件。 運動控制卡由高性能DSP處理器、

16、CPLD可編程器件及伺服電機接口器件等組成，用于實現(xiàn)伺服電機的位置、速度、加速度的控制及多個伺服電機的多軸協(xié)調(diào)控制。其主要功能為：S形、梯形自動加減速曲線規(guī)劃；輸出控制脈沖到電機驅(qū)動器使電機運動；具有編碼器位置反饋信號接口，監(jiān)控電機實際運行狀態(tài)；能利用零位開關(guān)、減速開關(guān)及編碼器Z相信號實現(xiàn)高速高精度原點返回操作；具有伺服驅(qū)動器報警信號ALM等伺服驅(qū)動器專用信號接口。步進（或伺服）電機驅(qū)動器用來把運動控制卡提供的低功率的脈沖信號轉(zhuǎn)換為能驅(qū)動電機的大功率電信號,以驅(qū)動電機帶動負載旋轉(zhuǎn)。電源部分用來給控制柜提供各驅(qū)動器的控制用電源，包括相關(guān)保護、濾波器件等。 操作電路提供電氣系統(tǒng)所需的電源開、關(guān)順序

17、操作及保護、報警、狀態(tài)指示等控制操作。下面對本系統(tǒng)中所使用的步進電機及伺服電機系統(tǒng)作以簡要介紹。 1、 步進電機控制系統(tǒng)示意圖如圖3-1所示。 圖3-1 步進電機控制系統(tǒng) 其主要的控制信號有： 1） 步進脈沖信號 CP ：這是最重要的一路信號，控制卡發(fā)出此信號用來控制步進電機旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動器每接受一個脈沖信號CP，就驅(qū)動步進電機旋轉(zhuǎn)一個步距角，CP的頻率和步進電機的轉(zhuǎn)速成正比，CP的脈沖個數(shù)決定了步進電機旋轉(zhuǎn)的角度。這樣，控制系統(tǒng)通過脈沖信號CP就可以達到控制電機位置和速度的目的。 2） 方向電平信號 DIR ：控制卡發(fā)出此信號用來控制電機的旋轉(zhuǎn)方向。比如說，此信號為高電平時電機為順時針旋轉(zhuǎn)，此信

18、號為低電平時電機則為反方向逆時針旋轉(zhuǎn)。3） 使能信號 EN ：此信號在不連接時默認為有效狀態(tài)，這時驅(qū)動器正常工作。當此信號回路導(dǎo)通時，驅(qū)動器停止工作，此信號為選用信號。2、 機器人使用松下MINAS-A4系列伺服驅(qū)動器，具體使用說明參照伺服驅(qū)動器使用說明書，用戶可根據(jù)需要自行選擇閱讀。 其主要控制信號有： 1） 脈沖信號 PULS ：此信號由運動控制卡發(fā)出，驅(qū)動器接收此信號驅(qū)動伺服電機旋轉(zhuǎn)； 2） 方向信號SIGN ：此信號由運動控制卡發(fā)出，用來控制電機旋轉(zhuǎn)方向； 3） 原點信號 ORG ：由零位開關(guān)發(fā)出。ORG信號可單獨用于尋零操作，ORG信號也可與編碼器Z相信號配合得到精度更高的尋零操作；

19、 4） 限位信號 EL ：由限位開關(guān)發(fā)出。+EL為電機運行正方向的限位信號，-EL為電機運行負方向的限位信號，當與電機運行相同方向的EL信號為“ON”狀態(tài)時，控制卡立即停止發(fā)出脈沖，電機自動停止運行。這個信號被鎖存，即使EL又恢復(fù)成“OFF”狀態(tài)，控制卡也不會再發(fā)出脈沖，可由指令發(fā)出相反方向運動的脈沖鏈使電機反向運動，解除這一鎖存狀態(tài)； 5） 驅(qū)動器報警信號ALM：由驅(qū)動器發(fā)出。當驅(qū)動器發(fā)生故障時，報警信號ALM為“ON”狀態(tài)，控制卡接收到這個信號后立即停止發(fā)出脈沖，電機自動停止運行； 6） 伺服ON信號：由運動控制卡發(fā)出，伺服驅(qū)動器接收到此信號后，即處于伺服狀態(tài)； 7） 編碼器信號：編碼器輸出A、B、Z相信號送到伺服驅(qū)動器，經(jīng)伺服驅(qū)動器分頻后發(fā)送到運動控制卡，用來反饋伺服電機實