畢業(yè)論文-示教機(jī)械人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)第IV象限內(nèi)直線記為L1、L2、L3、L4。表4.1XY平面四個(gè)象限內(nèi)的直線插補(bǔ)進(jìn)給和偏差公式表線型偏差偏差計(jì)算進(jìn)給方向與坐標(biāo)L1，L4L2，L3L1，L2L3，L4綜上所述，逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)的全過程可由以下三步完成：偏差判別，由當(dāng)前位置和給定輪廓的偏差的數(shù)值，可判別加工動點(diǎn)與目標(biāo)直線的相對位置，以此決定移動方向。坐標(biāo)進(jìn)給。根據(jù)偏差判別結(jié)構(gòu)和所處象限，輸出相應(yīng)脈沖，控制刀具相對輪廓進(jìn)給一步。終點(diǎn)判別。判別當(dāng)前動點(diǎn)是否已到達(dá)加工線段的終點(diǎn)。若到達(dá)，停止插補(bǔ)；若未到達(dá)繼續(xù)插補(bǔ)。終點(diǎn)判別可采用總步長法，也就是采用被插補(bǔ)直線在兩個(gè)坐標(biāo)方向上應(yīng)走的總步數(shù)作為終點(diǎn)標(biāo)志。4.1.2逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)圓弧逐點(diǎn)比較插補(bǔ)的運(yùn)算過程和直線逐點(diǎn)比較插補(bǔ)的過程基本一致，在刀具按照圓弧軌跡運(yùn)動加工零件時(shí)，不斷地比較刀具當(dāng)前的動點(diǎn)和被加工零件輪廓之間的相對位置，由此比較結(jié)果決定下一步的進(jìn)給方向，使刀具向減少偏差的方向不斷進(jìn)給。圖4.2在逐點(diǎn)比較圓弧插補(bǔ)設(shè)要加工如圖4.2所示的XY坐標(biāo)平面第一象限逆時(shí)針圓弧AE，其半徑大小為R，以原點(diǎn)為圓心，起點(diǎn)坐標(biāo)為，刀具動點(diǎn)的加工偏差有以下三種情況：若刀具動點(diǎn)正好落在圓弧上，則：（4.14）若刀具動點(diǎn)落在圓弧外側(cè)，則：（4.15）若刀具動點(diǎn)落在圓弧內(nèi)側(cè)，則：（4.16）取偏差判別函數(shù)為：（4.17）則刀具動點(diǎn)和插補(bǔ)圓弧之間的關(guān)系可以通過偏差差別函數(shù)來判別：（1）當(dāng)?shù)毒邉狱c(diǎn)在圓弧上時(shí)，。（2）當(dāng)?shù)毒邉狱c(diǎn)在圓弧外側(cè)時(shí)，。（3）當(dāng)?shù)毒邉狱c(diǎn)在圓弧內(nèi)側(cè)時(shí)，。引入第I象限的圓弧插補(bǔ)規(guī)則：當(dāng)偏差判別式時(shí)，則沿X坐標(biāo)軸的負(fù)方向進(jìn)給一步。當(dāng)偏差判別式時(shí)，則沿Y坐標(biāo)軸的正方向進(jìn)給一步。為處理方便，偏差判別函數(shù)在應(yīng)用時(shí)一般使用遞推公司。當(dāng)時(shí)，刀具動點(diǎn)沿-X方向進(jìn)給一步，則新加工的動點(diǎn)的坐標(biāo)為：（4.18）新偏差為：（4.19）當(dāng)時(shí)，刀具動點(diǎn)沿+Y方向進(jìn)給一步，則新加工的動點(diǎn)的坐標(biāo)為：（4.20）新偏差為：（4.21）由此，可以得出新加工動點(diǎn)的偏差值用前一點(diǎn)的偏差遞推公式：，當(dāng)（4.22），當(dāng)（4.23）遞推法把圓弧偏差運(yùn)算式由平方運(yùn)算換成加法和乘2運(yùn)算，對二進(jìn)制來說，乘二運(yùn)算是很容易實(shí)現(xiàn)的。圓弧所在象限和順逆方向不同，相應(yīng)的逐點(diǎn)比較插補(bǔ)的運(yùn)算公式和進(jìn)給方向也不同。4個(gè)象限，每個(gè)象限都有順圓和逆圓兩種情況，共8種情況的偏差判別和插補(bǔ)動作方法如表4.2所示，其中SR1、SR2、SR3、SR4、分別表示第一、第二、第三和第四象限中的順圓??；NR1、NR2、NR3、NR4分別表示第一、第二、第三和第四象限中的逆圓?。槐碇械?，，，都是動點(diǎn)坐標(biāo)的絕對值。表格4.2圓弧逐點(diǎn)比較插補(bǔ)的運(yùn)算過程線型SR1SR3NR2NR4SR2SR4NR1NR3偏差偏差4.2軟件設(shè)計(jì)4.2.1PLC的軟件設(shè)計(jì)步驟PLC控制系統(tǒng)的控制功能是通過程序形式來體現(xiàn)的，因此在程序設(shè)計(jì)也就是我們所說的軟件的設(shè)計(jì)上將會花費(fèi)很多的工作時(shí)間。一般來說PLC的程序設(shè)計(jì)總結(jié)為以下六個(gè)步驟:(1)對系統(tǒng)要完成的動作和完成這些動作的順序進(jìn)行設(shè)計(jì);(2)對系統(tǒng)的輸入和輸出設(shè)備進(jìn)行分配，即確定外圍設(shè)備和PLC信號，哪些是發(fā)出的哪些是接收的，并且將PLC的輸入/輸出口與之進(jìn)行對應(yīng)分配;(3)設(shè)計(jì)出PLC程序并畫出相應(yīng)的梯形圖；(4)用計(jì)算機(jī)軟件對PLC的梯形圖進(jìn)行編程;(5)對設(shè)計(jì)編程出來的程序進(jìn)行模擬、調(diào)試;(6)保存已經(jīng)完成的程序。4.2.2PLC編程本文中的第二章已設(shè)計(jì)出了該示教機(jī)器人的動作過程及時(shí)間分配，第三章也根據(jù)動作要求設(shè)計(jì)給出了硬件的連接和PLC的I/O分配，下面進(jìn)行程序的編譯。在PLC中使用的編程語言有梯形圖、語句表以及功能塊圖。西門子公司S7-200CPU226所使用的編程軟件是自帶的STEP7-Mcior/WNI32。PLC編程方法中最實(shí)用而且最為常用的是梯形圖法。因?yàn)樘菪螆D和電器控制系統(tǒng)的電路圖相似，一般都是由常開觸點(diǎn)、常閉觸點(diǎn)以及繼電器接線按一定的動作順序連接而成，所以梯它具有直觀易懂等優(yōu)點(diǎn)。梯形圖法編程一般分為以下幾個(gè)步驟:(1)由被控對象的控制要求設(shè)計(jì)出梯形圖;(2)由梯形圖的功能指令進(jìn)行程序編譯;(3)把程序載入PLC的RAM中，進(jìn)行調(diào)試;在設(shè)計(jì)梯形圖之前，為方便梯形圖的設(shè)計(jì)先做出流程圖。流程圖是由流程線、一些特定意義的圖形及簡要的文字說明構(gòu)成的，它能清晰地表示程序的運(yùn)行過程。在流程圖的使用過程中，人們漸漸發(fā)現(xiàn)流程線不一定是必需的，伴隨著結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法的提出，1973年，美國學(xué)者I.Nassi和B.Shneiderman提出了一種新型的流程圖形式，該流程圖完全去刪除了流程線，每一步算法都用一個(gè)矩形框來描述，一個(gè)個(gè)矩形框按照執(zhí)行的次序連接起來就組成了一個(gè)完整的算法描述。這種流程圖被稱為N-S流程圖。N-S圖中，每個(gè)“處理步驟”都是用一個(gè)盒子來表示的，所謂的“處理步驟”可以是語句也可以是語句序列。當(dāng)需要時(shí)，盒子中還可以嵌入另一個(gè)盒子，嵌入深度一般是沒有限制的，只要求整張圖能容納在一頁紙上就行，因執(zhí)行只能從上方進(jìn)入盒子最后從下邊走出，更沒有其它的入口和出口，所以，N-S圖限制了隨意地控制轉(zhuǎn)移，也因此保證了良好的程序結(jié)構(gòu)。用N-S圖詳細(xì)地描述設(shè)計(jì)時(shí)，一般需用兩個(gè)盒子:模塊盒和數(shù)據(jù)盒。模塊盒描述執(zhí)行過程，數(shù)據(jù)盒描述有關(guān)的數(shù)據(jù)：局部數(shù)據(jù)、全程數(shù)據(jù)和模塊界面上的參數(shù)等。N-S圖的優(yōu)點(diǎn)：一，它強(qiáng)制設(shè)計(jì)人員按照SP方法進(jìn)行思考并且描述他的設(shè)計(jì)方案，除了表示幾種固定結(jié)構(gòu)的符號之處，再無其他描述手段，這就保證了設(shè)計(jì)的質(zhì)量；二，N-S圖容易理解、形象直觀，有良好的可見度。例如條件語句的范圍、循環(huán)的范圍都是一目了然的，因此很容易理解設(shè)計(jì)的意圖，為往后的編程、復(fù)查、測試、維護(hù)都帶來了方便；三，N-S圖簡單明了、易學(xué)易用，可用于軟件教學(xué)和其他方面。由于本示教機(jī)器人的采用了模塊化設(shè)計(jì)，因此N-S流程圖更適合本示教機(jī)器人的設(shè)計(jì)。在PLC的控制下，示教機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)自動、單步等多種不同的工作方式。自動運(yùn)行就是在按下“啟動”按鈕后，機(jī)械手從初始位置開始連續(xù)不斷地執(zhí)行以設(shè)計(jì)的搬運(yùn)物料的每一步；單步運(yùn)行就是利用按鈕對機(jī)械手的每一個(gè)動作都進(jìn)行單獨(dú)的控制，它可實(shí)現(xiàn)“X軸正方向移動”、“X軸負(fù)方向移動”、“Y軸負(fù)正向移動”、“Y軸負(fù)方向移動”、“Z軸正方向移動”、“Y軸負(fù)方向移動”、“夾緊”、“放松”、等點(diǎn)動操作。根據(jù)上面所說的任務(wù)，先設(shè)計(jì)出主程序框圖，如圖4.3所示:

圖4.3主程序N-S圖自動運(yùn)行：當(dāng)按下啟動按鈕后，機(jī)械手從初始位置開始，按設(shè)計(jì)要求自動循環(huán)工作，一直到再次按下停止按鈕，機(jī)械手在完成一個(gè)周期的工作后，回到原點(diǎn)并自動停機(jī)，把示教機(jī)器人整個(gè)動作的過程分成幾個(gè)模塊如圖4.4所示：圖4.4系統(tǒng)自動控制N-S圖圖4.5把系統(tǒng)的自動控制程序分成了8個(gè)相對獨(dú)立的模塊，分別對每個(gè)模塊設(shè)計(jì)N-S圖如圖4.5所示，這樣就很好地發(fā)揮了N-S圖在模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)勢，不僅形象直觀、有很好的可見度、簡單明了地表示出程序的運(yùn)行過程，而且很方便設(shè)計(jì)者對程序進(jìn)行檢查和修改。當(dāng)程序出現(xiàn)錯(cuò)誤或需要修改的時(shí)候，可以快速地分析整個(gè)程序，并且找出需要進(jìn)行修改的地方然后進(jìn)行修改。圖4.5程序模塊化N-S圖

4.3編程實(shí)現(xiàn)

5結(jié)論示教機(jī)器系統(tǒng)是機(jī)器人中最為典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，隨著機(jī)器人的發(fā)展及人們的需求，全球各大高校和職業(yè)院校對示教機(jī)器人的需求也大大增加。本文針對國內(nèi)對機(jī)器人技術(shù)方面的人才需求及各大高校機(jī)器人課程改革的需求，同時(shí)結(jié)合了國內(nèi)外示教機(jī)器人的研究和發(fā)展方向，得出了示教機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，并具體闡述了一款四自由度示教機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)過程。本文從機(jī)械結(jié)構(gòu)出發(fā)，根據(jù)需求設(shè)計(jì)出了四自由度示教機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件及軟件。本設(shè)計(jì)主要取得成果如下：設(shè)計(jì)出了一款四自由度示教機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)。根據(jù)示教機(jī)器人的教學(xué)需求，示教機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)簡單明了，學(xué)生能通過觀察機(jī)器人的運(yùn)動來學(xué)習(xí)整個(gè)系統(tǒng)的工作原理，筆者選擇了直角坐標(biāo)機(jī)械結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)出了第二章中圖2.1的機(jī)械結(jié)構(gòu)。給出了四自由度示教機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)過程。根據(jù)四自由度示教機(jī)器人控制系統(tǒng)的需求，給出了具體詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)參考市場上的情況，對硬件進(jìn)行了選型，如PLC、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的選型。參考硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案和硬件說明，完成了硬件系統(tǒng)的連線，并給出了硬件系統(tǒng)連線圖。采用可編程控制器PLC對示教機(jī)器人進(jìn)行控制，系統(tǒng)硬件具有價(jià)格便宜、可靠性高、擴(kuò)展性強(qiáng)結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)；程序容易進(jìn)行修改，控制類型較全，進(jìn)行連續(xù)控制和單步控制，都可用PLC程序?qū)崿F(xiàn)。完成了四自由度示教機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。深入學(xué)習(xí)了插補(bǔ)算法，并將插補(bǔ)算法應(yīng)用進(jìn)示教機(jī)器人的路徑規(guī)劃當(dāng)中。根據(jù)示教機(jī)器人的動作需求及硬件參數(shù)設(shè)計(jì)程序，同時(shí)采用了N-S圖作為程序流程圖來表示程序動作，具有很強(qiáng)的模塊化性，可以根據(jù)機(jī)械手的各個(gè)程序模塊來進(jìn)行程序修改，使機(jī)械手的通用性變得更強(qiáng)。對于示教機(jī)器人還有很多的研究要做，如增加自由度、設(shè)計(jì)更多的功能更好的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)示教機(jī)器人移動及人機(jī)交互等功能，。由于時(shí)間及本人能力有限，在研究的過程中有很多的不足之處，懇請各位老師和同學(xué)批評指正以利于我能力的提升。

致謝本畢業(yè)設(shè)計(jì)是在我的導(dǎo)師謝宏老師的悉心指導(dǎo)和關(guān)懷下完成的，從論文開始選題到最后的錄入確稿的過程中，處處都凝結(jié)了老師心血。大學(xué)期間，謝宏老師教給了我很多知識，也給我們帶來了很多歡樂，特別是謝老師特別的教學(xué)方法、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度、高尚的學(xué)者風(fēng)范是我深受啟迪，不僅學(xué)識