畢業(yè)設(shè)計(論文)-四自由度碼垛機器人控制系統(tǒng)設(shè)計管理資料

學(xué)士學(xué)位論文ShandongUniversityBachelor’sThesis論文題目：四自由度碼垛機器人控制系統(tǒng)設(shè)計姓名學(xué)號20061701027學(xué)院控制科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)自動化年級2006指導(dǎo)教師 2010年6月1日摘要作為物流自動化領(lǐng)域的一門新興技術(shù)，近年來，碼垛技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展。碼垛機器人以其高效、高精度、占地范圍小等優(yōu)勢正在快速占領(lǐng)整個碼垛行業(yè)。特別是西方發(fā)達(dá)國家?guī)缀跬耆娲巳斯ごa垛。從“七五”科技攻關(guān)開始，我國將工業(yè)機器人及應(yīng)用工程作為研究開發(fā)重點之一，實現(xiàn)了中國機器人產(chǎn)業(yè)的“從無到有”。然而，從整體上說我國的機器人產(chǎn)業(yè)還很薄弱，機器人的研究依然任重而道遠(yuǎn)。本文就是立足于此，以具體工程實踐為研究背景，進(jìn)行四自由度碼垛機器人控制系統(tǒng)的研究，以實現(xiàn)對碼垛機器人的運動控制，滿足生產(chǎn)實踐需求。論文的主要內(nèi)容如下：1、在緒論中簡要介紹了本論文的研究背景及意義。2、通過分析機器人機械結(jié)構(gòu)，獲得機器人的幾何模型，通過運動分析，得到運動變換關(guān)系式。3、根據(jù)碼垛控制需求，選擇位置伺服控制，并進(jìn)行相關(guān)MATLAB仿真。4、以ACR9000多軸運動控制器和MT6100iV人機界面為核心控制器件進(jìn)行相關(guān)系統(tǒng)硬件線路設(shè)計，共分為以下幾個部分：相關(guān)器件選型、電氣線路連接、控制器與伺服信號線路連接、觸摸屏與控制器線路連接5、以ACRView和EB8000為開發(fā)工具，分別對下位機程序和人機界面進(jìn)行開發(fā)。其中下位機程序運用AcroBasic語言進(jìn)行模塊化編程以實現(xiàn)示教、回零、再現(xiàn)、手動運行、參數(shù)設(shè)置等功能。上位機通過將相關(guān)控件與相應(yīng)地址相鏈接實現(xiàn)對下位機的控制。關(guān)鍵詞：碼垛機器人，控制系統(tǒng)，位置伺服控制，AcroBasic語言，模塊化編程

AbstractAsanewtechnologyinlogisticsautomationarea,inrecentyears,stackingtechnologyhasexperiencedarapidgrowth.Withtheirhighperformance,highprecisionandsmallareaadvantages,stackingrobotsarequicklycapturingtheentirepalletizingindustry.Especiallyinthewesterndevelopedcountries,palletizingrobotsalmostcompletelyreplacedthemanualstack.Sincethetacklehard-nutproblemsinscienceandtechnologyduringChina'sSevenFiveyearPlanperiod,Ourcountryhasmadetorch-planprojectsandapplicationofindustrialrobotsasoneofthekeyresearchanddevelopmenthassuccessfullyrealizedrobotindustry"fromnonexistencetopassintoexistence"plan.However,onthewhole,ourcountry'srobotindustryisstillunderdevelopment,robots'researchisstillalongwaytogo.Thisarticletalksaboutthecontrolsystemofrobottorealizemotioncontroloftherobotbasedontheengineeringpracticewithspecificbackground.Ourpurposeistomeettheindustryrequirement.Specificcontentofthearticleareasfollows:1.Theintroductionofabriefbackgroundofthisthesisanditssignificance.2.Throughtheanalysisoftherobot'sphysicalconstruction,getasimplifiedgeometricmodel,andwithkinematicanalysis,gettransformationequationoftheendeffector.3.ChoosethewayofServo-positionControltomeettheneedofthestack.4.UseACR9000controllerandMT6100iVHMIasthecoreofcontroldevicetodesignthehardwaresystem.Thispartisdividedintothefollowingseveralparts:relatedcomponentsselection,electricalwiringconnections,theconnectionbetweencontrollerandservodriver，controllerandtheHMI5.UsingthedevelopmentsoftwareofACRViewandEB8000todesignthecontrolprogramandinterfaceoftheHMI.ThecontrolprogramisdesignedbyAcroBasiclanguage.Wecanusetheprogramtorealizethefunctionofteach,playback,backhome,manualoperation,parameterssettingsandsoon.Besides,HMIcontrolthecontrollerbytheconnectionofActiveXwithrelevantBITaddress.KEYWORDS:stackingrobot，controlsystem，servo-positioncontrol，AcroBasiclanguage，modularprogram目錄第一章緒論 1研究背景 1國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 2論文研究意義和目的 2本文主要研究內(nèi)容 3本章小結(jié) 3第二章碼垛機器人機械結(jié)構(gòu)及其運動學(xué)分析 4碼垛機器人的機械結(jié)構(gòu) 4運動學(xué)分析 5本章小結(jié) 7第三章伺服控制方式選擇及仿真 8伺服驅(qū)動系統(tǒng)要求 8AC伺服電機工作原理 8伺服控制方式選擇 9位置伺服系統(tǒng) 10機器人MATLAB仿真 11本章小結(jié) 13第四章硬件控制系統(tǒng)設(shè)計 14硬件系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu) 14主要控制部件選型 14通信線路連接 16觸摸屏與ACR9000的連接 16ACR9000與伺服驅(qū)動器之間的連接 16其它信號線路 18電氣線路連接 18本章小結(jié) 18第五章軟件系統(tǒng)設(shè)計 19下位機軟件開發(fā) 19ACRView開發(fā)環(huán)境介紹 19系統(tǒng)參數(shù)配置流程 19AcroBasic語言及相關(guān)編程介紹 33軟件編寫流程 35典型程序介紹 35運動監(jiān)視、調(diào)試 37 42EB8000開發(fā)軟件介紹 42 43本章小結(jié) 44第六章系統(tǒng)測試 45結(jié)束語 46致謝 48參考文獻(xiàn) 49附錄 50附錄1.控制柜電氣線路連接圖 50附錄2.調(diào)試過程圖片 51附錄3.成品實物圖 52附錄4.下位機程序 52第一章緒論研究背景所謂碼垛就是按照集成單元化思想，將一件件物料按照一定的模式堆碼成垛，以便使單元化的物垛實現(xiàn)存儲、搬運、裝卸運輸?shù)任锪骰顒覴EF_Ref262737291\r\h[1]。圖1-1碼垛過程示意圖作為物流自動化領(lǐng)域的一門新興技術(shù)，近年來，碼垛技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展。一方面，隨著企業(yè)集團化，生產(chǎn)能力規(guī)?；瑢Υa垛能力的要求不斷提高，傳統(tǒng)的簡單的碼垛機和人工碼垛已不能滿足生產(chǎn)需要；另一方面，隨著產(chǎn)品生產(chǎn)向著多品種少批量的方向發(fā)展，企業(yè)往往需要一線多產(chǎn)品的生產(chǎn)線，這就要求碼垛機必須具備處理多種產(chǎn)品的能力。另外，隨著大型物資批發(fā)配送中心的出現(xiàn)，需要為成千上萬個用戶按訂單配送產(chǎn)品，這就要求碼垛機具有混合碼垛的能力，所有這些都為碼垛機器人的發(fā)展提供了機會。作為工業(yè)機器人的典型的一種,繼70年代末日本將其用于碼垛行業(yè)以來，碼垛機器人在工業(yè)應(yīng)用，尤其是包裝領(lǐng)域和物流領(lǐng)域正發(fā)揮著越來越大的作用。將機器人與包裝線相結(jié)合，既提高了生產(chǎn)線的工作效率，又增強了運行的可靠性，減少了人力資源的開支，更讓當(dāng)代企業(yè)迅速適應(yīng)不斷變化的市場要求，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。碼垛機器人以其特有的優(yōu)勢迅速搶占了碼垛市場。其優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面：圖1-1碼垛過程示意圖碼垛機器人不僅能承擔(dān)高負(fù)重，而且速度和質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工碼垛。，工作范圍大碼垛機器人的占地面積小，操作范圍大；每一臺碼垛機器人都有獨立的控制系統(tǒng)，極大地保證了作業(yè)精度?？梢愿鶕?jù)需要抓取不同類別的產(chǎn)品，更能適應(yīng)現(xiàn)代多元化的生產(chǎn)。機器人雖然前期投入較高，但是卻能達(dá)到成本效用最大化，且各家機器人都在為客戶的成本控制而在產(chǎn)品中不斷加入新的科技成果。5.可以與其它檢測設(shè)備和生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，構(gòu)成現(xiàn)代化得自動生產(chǎn)線，大大提高企業(yè)自動化水平，提高了生產(chǎn)效率，增強企業(yè)競爭力國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀目前歐、美、日的碼垛機器人在全球市場的占有率均超過了90％，在機器人國際市場中占領(lǐng)份額最大的是日本，其生產(chǎn)、使用及銷售一直處于全球領(lǐng)先位置。目前日本已經(jīng)有130余家專業(yè)的機器人生產(chǎn)制造商。據(jù)日本機器人聯(lián)合會2007年8月公布的數(shù)據(jù)顯示：2007年第二季度機器人銷售金額為1460億日元，其中出口金額竟達(dá)到978億日元。雖然2008年的金融危機使機器人的生產(chǎn)廠商也受到牽連，機器人生產(chǎn)和銷售都有所影響，但隨著經(jīng)濟的復(fù)蘇，機器人行業(yè)也出現(xiàn)回暖的形勢。2009年全球機器人行業(yè)總銷售量仍比2006年增長10%。從“七五”科技攻關(guān)開始，我國將工業(yè)機器人及應(yīng)用工程作為研究開發(fā)重點之一，經(jīng)過研制、生產(chǎn)、應(yīng)用，實現(xiàn)了中國機器人產(chǎn)業(yè)的“從無到有”。“十五”期間是我國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點。經(jīng)過多年的研究開發(fā)，我國的機器人技術(shù)已經(jīng)日趨成熟；市場需求在“十五”初期也有了一個“井噴式”的發(fā)展。此外我國也已經(jīng)形成了以新松為代表的一些具有一定競爭力的機器人公司和產(chǎn)業(yè)化基地。但是，從整體上說我國的機器人產(chǎn)業(yè)還很薄弱，機器人的研究依然任重而道遠(yuǎn)。我國市場上機器人總共擁有量近萬臺，%，其中完全化國產(chǎn)機器人僅占30%，其余皆為從日本、美國、瑞典、德國、意大利等20多個國家引進(jìn)REF_Ref262737329\r\h[2]。究其原因，很大程度在于自主品牌不夠，發(fā)展壯大自主品牌及其自動化成套裝備產(chǎn)業(yè)成為當(dāng)務(wù)之急。論文研究意義和目的日本、美國等西方發(fā)達(dá)國家碼垛機器人應(yīng)用廣泛，幾乎遍布整個相關(guān)行業(yè)。而在中國，碼垛機器人在食品、包裝等行業(yè)才剛開始得到應(yīng)用。碼垛機器人未能在較大行業(yè)范圍內(nèi)使用，而且在使用的碼垛機器人中，進(jìn)口的占據(jù)大部分比例。從各方面顯示，工業(yè)機器人正處在迅猛發(fā)展階段，掌握機器人的控制系統(tǒng)設(shè)計刻不容緩。另外，國家對機器人行業(yè)發(fā)展日益重視。山東省近日出臺指導(dǎo)意見,從政策與資金方面促進(jìn)機器人產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展,促進(jìn)機器人產(chǎn)業(yè)盡快成長為戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)。為加大對機器人產(chǎn)業(yè)的資金投入力度,山東省將建立以政府投入為引導(dǎo)、企業(yè)投入為主體、金融投入為支撐的多元化投資體系。自2010年起，實施山東省機器人創(chuàng)新發(fā)展科技重大專項，重點支持面向山東省主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)及領(lǐng)域的機器人關(guān)鍵共性技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項目的實施。省科技廳、發(fā)展改革委、經(jīng)濟和信息化委等部門的相關(guān)計劃和專項資金安排向機器人的研究開發(fā)和示范應(yīng)用推廣傾斜。這對于機器人發(fā)展是一個重大機遇。因此抓住機遇，從事相關(guān)控制系統(tǒng)的研究，開發(fā)出高性能、低成本、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的碼垛機器人具有廣闊的市場前景，同時可以進(jìn)一步推進(jìn)自主工業(yè)機器人的研發(fā)及推廣使用，對于提高我國工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化水平，都具有重大的經(jīng)濟價值和現(xiàn)實意義。本文主要研究內(nèi)容本文依據(jù)山東省科學(xué)院自動化研究所機器人國家工程研究中心山東分中心所自主開發(fā)的一款四自由度混聯(lián)碼垛機器人為研究背景。主要研究碼垛機器人的控制方案、控制算法，以及運用PARKERACR9000對伺服驅(qū)動器進(jìn)行控制，運用威綸MT6100iv觸摸屏進(jìn)行上位機的開發(fā)。第1章主要對選題背景和研究內(nèi)容及意義進(jìn)行概述，介紹國內(nèi)外碼垛機器人的發(fā)展現(xiàn)狀以及本文研究的目的和意義。第2章對碼垛機器人進(jìn)行機械結(jié)構(gòu)及其運動學(xué)的相關(guān)分析。第3章對伺服電機控制特性進(jìn)行分析設(shè)計，并運用MATLAB自帶的SIMULINK工具進(jìn)行系統(tǒng)相關(guān)的仿真。第4章則重點介紹運動控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計，包括對硬件控制器件的選型，線路連接等。第5章則進(jìn)行相關(guān)軟件的開發(fā)，包括運用AcroBasic語言對控制器進(jìn)行編程，以及對觸摸屏界面進(jìn)行設(shè)計等。第6章則通過實際測試獲得機器人的各項運動參數(shù)。最后一章是對本篇論文進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)。本章小結(jié)本章主要介紹了碼垛機器人的相關(guān)發(fā)展背景，并對國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了描述。同時說明了課題的主要研究意義及研究內(nèi)容。第二章碼垛機器人機械結(jié)構(gòu)及其運動學(xué)分析圖2-1碼垛機器人機械結(jié)構(gòu)圖碼垛機器人的機械結(jié)構(gòu)圖2-1碼垛機器人機械結(jié)構(gòu)圖用于碼垛的機器人只需要4個自由度即可滿足實際需求。所設(shè)計的碼垛機器人的具體機械結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。該機器人為四自由度混聯(lián)機器人。其中1底部基座，2內(nèi)六角圓柱頭螺釘3標(biāo)準(zhǔn)型彈簧墊圈4直線運動單元5外殼6連桿機構(gòu)7內(nèi)六角圓柱頭螺釘8標(biāo)準(zhǔn)型彈簧墊圈9內(nèi)六角圓柱頭螺釘10標(biāo)準(zhǔn)型彈簧墊圈11內(nèi)六角圓柱頭螺釘12標(biāo)準(zhǔn)型彈簧墊圈。手臂固定在腰部，其中小臂通過前大臂、后大臂的運動實現(xiàn)搬運和碼垛作業(yè)。該機器人包含4個關(guān)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)4種運動：手臂前后運動、上下運動、腰部旋轉(zhuǎn)運動、手腕回轉(zhuǎn)運動。在運動的極限位置都安裝有限位開關(guān)。水平和垂直方向的運動是通過由前大臂、后大臂、大臂連桿、小臂四個構(gòu)件組成的平行四邊形實現(xiàn)的，而腕部是由小臂、輔助連桿、腕部、三角架構(gòu)成的連桿機構(gòu)在運動中保持水平的。運動學(xué)分析圖2-2碼垛機器人機構(gòu)簡圖圖2-2碼垛機器人機構(gòu)簡圖工業(yè)碼垛機器人機構(gòu)簡圖如圖2-2所示，當(dāng)F點固定，E點沿水平方向移動時，A點的水平移動速度為E點的λ倍，如果E點作勻速運動，A點也將作勻速運動：當(dāng)E點固定，F(xiàn)點沿垂直方向移動時，A點的垂直運動速度為F點的λ-1倍，如果F點做勻速運動，A點也將作勻速運動REF_Ref262737395\r\h[3]。其中λ=AC/BC=CF/DF.如圖2-3所示，設(shè)置一個固定的坐標(biāo)系XOY，其隨基座一起旋轉(zhuǎn)。當(dāng)機器人本體處于虛線所示的位置時，平行四連桿機構(gòu)的F0點為坐標(biāo)系的原點，X軸與A0C0平行。圖中，DF=140mm，CD=700mm，BC=140mm，AB=700mm，BE=700mm，DE=140mm。圖2-3機械結(jié)構(gòu)運動分析示意圖圖2-3機械結(jié)構(gòu)運動分析示意圖下面分析當(dāng)水平電機驅(qū)動模塊正向移動x，垂直電機驅(qū)動模塊正向移動y時，碼垛機器人腕部的運動規(guī)律。因為D0F=DF-y，D0E=DE+x，則(1)EF==(2)在ΔDEF中，有θ2=∠DEF=arccos()(3)θ3=∠FDE=arccos()(4)此時，C點坐標(biāo)為(5)此時A點坐標(biāo)為(6)將式（5）帶入式（6）中，可得：(7)將θ1、θ2、θ3及全部已知變量帶入式（7）中，利用幾何知識解得(8)則有(9)圖2-4碼垛示例圖圖2-4碼垛示例圖如圖2-4所示，機器人碼垛時，當(dāng)碼垛機器人搬運物品從生產(chǎn)線上的A（x0，y0,z0）點到托盤上的B（x1,y1,z1）點時（10）水平關(guān)節(jié)移動距離為（11）（12）由以上分析可知，給定給定工作區(qū)間上初始位置和任意一點，即可計算出各關(guān)節(jié)應(yīng)旋轉(zhuǎn)的角度或位移。同理，已知各關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的角度和位移，亦不難求出末端機械手的位姿。本章小結(jié)本章通過對碼垛機器人的機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，獲得簡化幾何模型。通過對模型的運動學(xué)分析和計算獲得機器人的位姿變換關(guān)系式，為下一步實現(xiàn)對機器人的位置精確控制打下基礎(chǔ)。第三章伺服控制方式選擇及仿真伺服驅(qū)動系統(tǒng)要求機器人電動伺服驅(qū)動系統(tǒng)是利用各種電動機產(chǎn)生的力矩和力，直接或間接地驅(qū)動機器人本體以獲得機器人的各種運動的執(zhí)行機構(gòu)。

對工業(yè)機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動的電動機，要求有最大功率質(zhì)量比和扭矩慣量比、高起動轉(zhuǎn)矩、低慣量和較寬廣且平滑的調(diào)速范圍。特別是像機器人末端執(zhí)行器（手爪）應(yīng)采用體積、質(zhì)量盡可能小的電動機，尤其是要求快速響應(yīng)時，伺服電動機必須具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，并且具有較大的短時過載能力。這是伺服電動機在工業(yè)機器人中應(yīng)用的先決條件。機器人對關(guān)節(jié)驅(qū)動電機的主要要求歸納如下：

1）快速性。電動機從獲得指令信號到完成指令所要求的工作狀態(tài)的時間應(yīng)短。響應(yīng)指令信號的時間愈短，電伺服系統(tǒng)的靈敏性愈高，快速響應(yīng)性能愈好，一般是以伺服電動機的機電時間常數(shù)的大小來說明伺服電動機快速響應(yīng)的性能。

2）起動轉(zhuǎn)矩慣量比大。在驅(qū)動負(fù)載的情況下，要求機器人的伺服電動機的起動轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)動慣量小。

3）控制特性的連續(xù)性和直線性，隨著控制信號的變化，電動機的轉(zhuǎn)速能連續(xù)變化，有時還需轉(zhuǎn)速與控制信號成正比或近似成正比。

4）調(diào)速范圍寬。能使用于較大的調(diào)速范圍。

5）體積小、質(zhì)量小、軸向尺寸短。

6）能經(jīng)受得起苛刻的運行條件目前，由于高起動轉(zhuǎn)矩、大轉(zhuǎn)矩、低慣量的交、直流伺服電動機在工業(yè)機器人中得到廣泛應(yīng)用，一般負(fù)載1000N（相當(dāng)100kgf）以下的工業(yè)機器人大多采用電伺服驅(qū)動系統(tǒng)。所采用的關(guān)節(jié)驅(qū)動電動機主要是AC伺服電動機，步進(jìn)電動機和DC伺服電動機。AC伺服電機工作原理目前國際上的工業(yè)機器人90%以上均采用AC伺服電機作為執(zhí)行機構(gòu)。永磁交流伺服電動機同直流伺服電動機比較，主要優(yōu)點有：⑴無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護和保養(yǎng)要求低。⑵定子繞組散熱比較方便。⑶慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性。⑷適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài)。⑸同功率下有較小的體積和重量。圖3-1AC伺服電機工作電路基本組成機器人所采用的AC伺服電機也常常被稱作是DC無刷伺服電機。伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度REF_Ref262737490\r\h[4]。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。圖3-1AC伺服電機工作電路基本組成圖3-1給出了AC伺服電機工作電路的基本組成。交流電源通過整流濾波后再經(jīng)過PWM逆變器輸出交流信號，形成旋轉(zhuǎn)的磁場，從而使電機運動。通過控制驅(qū)動電路的脈沖信號通斷來實現(xiàn)對電機運動的控制REF_Ref262737509\r\h[5].伺服控制方式選擇一般伺服包含三種控制方式：速度控制方式，轉(zhuǎn)矩控制方式，位置控制方式。（1）速度控制方式：通過模擬量的輸入或脈沖的頻率進(jìn)行轉(zhuǎn)動速度的控制，速度控制模式主要用于對速度要求比較高的場合。（2）轉(zhuǎn)矩控制方式：轉(zhuǎn)矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設(shè)定電機軸對外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小，可以通過即時的改變模擬量的設(shè)定來改變設(shè)定的力矩大小，也可通過通訊方式改變對應(yīng)的地址的數(shù)值來實現(xiàn)。主要應(yīng)用于對速度和位置要求不太嚴(yán)格，對材質(zhì)的受力有嚴(yán)格要求的纏繞和放卷的裝置中。（3）位置控制方式：位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉(zhuǎn)動速度的大小，通過脈沖的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)動的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進(jìn)行賦值。由于位置模式可以對速度和位置都有很嚴(yán)格的控制，所以一般應(yīng)用于定位裝置。碼垛機器人運動軌跡屬于PTP型，在運動過程中末端執(zhí)行器以最快的速度從一點準(zhǔn)確定位到另一點。機器人的控制對末端執(zhí)行器的位置精度要求較高，而對末端執(zhí)行器的速度控制和力矩控制沒有特殊要求，所以確定碼垛機器人關(guān)節(jié)點選擇位置伺服控制方式以保證末端定位精度。速度檢測微處理器構(gòu)成的位置控制速度控制器電流調(diào)節(jié)器速度檢測微處理器構(gòu)成的位置控制速度控制器電流調(diào)節(jié)器PWM放大器伺服電機速度給定電流給定θ電流反饋編碼器信號接收處理位置檢測脈沖給定濾波器濾波器圖3-2位置伺服控制方式原理圖關(guān)節(jié)單元位置伺服控制系統(tǒng)工作原理如圖3-2位置給定信號與位置反饋信號之差值通過調(diào)節(jié)器進(jìn)行動態(tài)校正，然后送至速率調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器，即經(jīng)過外環(huán)、中環(huán)、內(nèi)環(huán)三個閉環(huán)調(diào)節(jié)器的校正再由模擬功率接口驅(qū)動伺服電動機，實現(xiàn)位置伺服控制。在這個系統(tǒng)中，位置調(diào)節(jié)器的作用是使位置給定與的偏差向最小變化。速度反饋調(diào)節(jié)器的主要作用是阻尼位置調(diào)節(jié)過程的超調(diào)。電流調(diào)節(jié)器的作用是減小力矩波動，改善動態(tài)響應(yīng)的快速性，并對最大電流進(jìn)行限定等。濾波電路的作用是濾除位置或速率傳感器輸出信號中的諧波信號。以上各環(huán)節(jié)的參數(shù)的設(shè)計和整定應(yīng)根據(jù)具體的負(fù)載的性質(zhì)（力矩和慣量的大?。?，以便滿足位置伺服精度的要求REF_Ref262737537\r\h[6]。位置環(huán)處理時采用積分PID算法。通過調(diào)節(jié)比例、積分、微分的參數(shù)，可以使伺服電機獲得較好的動態(tài)性能，使實際位置與期望位置偏差較小，從而使系統(tǒng)保持較高的運動精度。離散化PID控制算式為：其中，k為采樣序列號，k=0，1，2．．．；Kp、Ki、Kd分別表示比例、微分、積分系數(shù)。根據(jù)遞推原理得到其增量式PID算法為：通過調(diào)整Kp、Ki、Kd的值，配合較高的機械精度，可以使伺服系統(tǒng)的動作靈敏，響應(yīng)加快，使位置控制在一定的偏差范圍內(nèi)。機器人MATLAB仿真系統(tǒng)仿真采用MATLAB中Simulink自帶的機器人系統(tǒng)實例。具體仿真模型如圖3-3所示。圖3-3機器人系統(tǒng)MATLAB仿真原理圖圖3-3機器人系統(tǒng)MATLAB仿真原理圖該仿真系統(tǒng)中采用兩路伺服電機，模擬平面內(nèi)的運動?？梢詫崿F(xiàn)兩軸的協(xié)調(diào)控制仿真過程模擬機器人從點[-30,-45]到點[30，45]的運動狀態(tài)，,其中參數(shù)設(shè)置為兩路電機系統(tǒng)位置環(huán)PID參數(shù)均為P=32000，D=400，速度環(huán)PID參數(shù)設(shè)置為P=，I=10，加速度及減速度均設(shè)為5000rpm/s，減速比設(shè)置為130。仿真結(jié)果如圖3-4，其中第一幅仿真圖讀取的參數(shù)為機器人運動參數(shù)。從上到下讀取參數(shù)依次為轉(zhuǎn)矩、加速度、運動速度、位置。第二幅和第三幅讀取的分別是兩路伺服電機的相關(guān)參數(shù)，從上到下依次為電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、回轉(zhuǎn)速度。從圖中可知，該系統(tǒng)多電機同步效果較好，反應(yīng)靈敏，位移較為精確，可以很好的滿足碼垛的需求。圖3-4MATLAB仿真結(jié)果圖3-4MATLAB仿真結(jié)果本章小結(jié)通過對伺服驅(qū)動系統(tǒng)的要求及AC伺服電機工作原理的分析，選擇合適的伺服控制方式，即位置控制方式。并通過對反饋環(huán)的分析，獲得所要調(diào)節(jié)的控制參數(shù)。最后通過MATLAB仿真，進(jìn)行控制方式驗證和參數(shù)調(diào)整。

第四章硬件控制系統(tǒng)設(shè)計硬件系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)整個控制系統(tǒng)基本硬件平臺如圖4-1所示圖4-1控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖圖4-1控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖伺服驅(qū)動器伺服驅(qū)動器伺服驅(qū)動器伺服驅(qū)動器腰座

關(guān)節(jié)水平

關(guān)節(jié)垂直

關(guān)節(jié)腕部

關(guān)節(jié)上位機觸摸屏運動控制器接近開關(guān)電磁閥氣缸腕部

手爪主要控制部件選型1．運動控制器運動控制器選用美國Parker公司生產(chǎn)的獨立式系統(tǒng)級別的多軸控制器ACR9000。和傳統(tǒng)的板卡級運動控制卡相比，ACR9000可脫離工控機工作，穩(wěn)定性好；封閉式結(jié)構(gòu)，抗干擾強；屏蔽電纜連接，屏蔽性好，通訊距離長；體積小巧。ACR-9000的特點主要包括以下幾個方面（1）穩(wěn)定，可靠的硬件結(jié)構(gòu)（2）直觀、友善的調(diào)試開發(fā)界面（ACR-VIEW）（3）靈活、簡便的編程功能（4）強大、開放的PID算法（5）強勁、多樣的運動及插補功能（6）針對不通應(yīng)用領(lǐng)域提供的特殊功能（7）強大的通訊能力，便捷地HMI開發(fā)方式控制器具體規(guī)格參數(shù)說明如表1所示表1ACR9000規(guī)格參數(shù)說明表1ACR9000規(guī)格參數(shù)說明硬件控制軸數(shù)2，4，6or8軸（選用的為6軸）處理器32位浮點DSP@150MFLOPS/75MHz軌跡運算64-bit精確度用戶存儲區(qū)1MB內(nèi)存，用于保存用戶的程序和設(shè)置的參數(shù)固件閃存外形尺寸”W×”H×”D(2-4axes),”w×”H×”D(6-8axes)操作系統(tǒng)多任務(wù)實時操作系統(tǒng)電池可選備份電池使用戶程序和參數(shù)不易丟失性能多任務(wù)8個坐標(biāo)系/16個正本程序/8個梯形圖程序軌跡更新每100-500μs伺服更新25μs/axis梯形圖邏輯PLC100-500μs掃描時間插補直線、圓弧、正弦曲線、螺旋線、橢圓、樣條、三維弧形伺服環(huán)PID，速度前饋，加速度前饋，Notch和低通濾波位置修正硬件＜1usec通訊串行接口1個串行端口（RS232and/orRS422）Ethernet10/100Base-TUSBCANopenDS401協(xié)議，用于I/O擴展。（可選項）控制信號模擬輸出可輸出到8路，16位模擬量步進(jìn)輸出可輸出到8路，最高頻率輸入輸出編碼器輸入可輸入到10路正交編碼器信號，20MHz?？赏ㄟ^軟件設(shè)置同步串行接口（SSI），正交接口，步進(jìn)和方向，CW/CCW模式模擬輸入8路單端（4路雙端），12位（可選項）內(nèi)置數(shù)字I/O2到4軸控制內(nèi)置20點24VDC光隔離輸入，4點24VDC光隔離輸出；4到8軸控制器內(nèi)置40點，24VDC光隔離輸入，8點24VDC光隔離輸出軟件提供開發(fā)軟件ACR-View軟件開發(fā)包語言支持動態(tài)鏈接庫支持C++,VB6,C#,2.觸摸屏觸摸屏選用威綸MT6100iV。威綸系列觸摸屏是目前市場上使用較為廣泛的一類觸摸屏。所選內(nèi)含32位RISC（精簡指令集）微處理器，高效快速，功能強大、使用方便、可靠性高、壽命長、性價比高。觸控反應(yīng)靈敏，具有高可靠性。能夠支持市場上大多數(shù)的PLC，特別是兼容對ACR9000控制器的開發(fā)，這是其它觸摸屏所不具有的。3.伺服驅(qū)動器及伺服電機選用安川系列產(chǎn)品。驅(qū)動器型號為SGDM-10ADA，輸入電壓為200-230V，最大輸入電流為7A。輸出0-230V，輸出功率為230W伺服電機根據(jù)關(guān)節(jié)位置的不同，工作性能要求也不相同。這里不再詳細(xì)說明。通信線路連接觸摸屏與ACR9000的連接觸摸屏與ACR9000控制器之間通過RS232進(jìn)行串口通訊REF_Ref262737728\r\h[7]，具體通信線路連接如圖4-2所示：weinviewMT8000系列觸摸屏COM1ACR9000RS232COM1圖4-2ACR9000與觸摸屏連接示意圖2RX圖4-2ACR9000與觸摸屏連接示意圖3TX5GND3TX2RX5GND其中通訊參數(shù)設(shè)置為COM1（9600，N，8，1），不需要進(jìn)行站號設(shè)置。ACR9000與伺服驅(qū)動器之間的連接該連接信號線路較多，連接起來比較復(fù)雜。具體線路連接圖如圖4-3所示。圖4-3ACR9000與安川伺服驅(qū)動器連接電路圖圖4-3ACR9000與安川伺服驅(qū)動器連接電路圖控制器和伺服驅(qū)動器具體引腳功能說明見表2表2ACR9000與安川伺服驅(qū)動器引腳說明表2ACR9000與安川伺服驅(qū)動器引腳說明ACR9000安川引腳號說明引腳號說明3編碼器輸入A+33PA04編碼器輸入A-34/PA05編碼器輸入B+35PB06編碼器輸入B-36/PB07編碼器輸入C+19PC08編碼器輸入C-20/PC010脈沖+（驅(qū)動器位置控制方式）7PULS11脈沖-（驅(qū)動器位置控制方式）8/PULS12方向+（驅(qū)動器位置控制方式）11SIGN13方向-（驅(qū)動器位置控制方式）12/SIGN16讀驅(qū)動器報警輸入+(外接+24V)32ALM-(警報輸出負(fù))17讀驅(qū)動器報警輸入-31ALM+（警報輸出正）20對驅(qū)動器使能輸出-4724V+21對驅(qū)動器使能輸出+40/S-ON(伺服使能端)22對驅(qū)動器復(fù)位輸出-42P-OT（禁止正轉(zhuǎn)驅(qū)動）43T-OT（禁止反轉(zhuǎn)驅(qū)動）23對驅(qū)動器復(fù)位輸出+44ALM-Reset其它信號線路在調(diào)試過程中，上位機是通過USB下載線與觸摸屏進(jìn)行通訊的。上位機與ACR9000的通訊是通過Ethernet實現(xiàn)的。電氣線路連接主要是主電路控制柜配線。需要配合使用繼電器器，開關(guān)，急停按鈕等。電源采用220V交流電源。通過控制器輸出伺服驅(qū)動器控制信號，以實現(xiàn)伺服電機電機的同步運行。具體電氣線路圖請參見附件1。本章小結(jié)本章主要對控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)進(jìn)行搭建和連接。選擇合適的控制器件，進(jìn)行信號線路和電氣線路的連接。從而實現(xiàn)由人機界面控制控制器，實現(xiàn)對伺服驅(qū)動器的控制，從而控制機器人按要求運行。第五章軟件系統(tǒng)設(shè)計下位機軟件開發(fā)ACRView開發(fā)環(huán)境介紹ACRView為Parker控制器自帶的開發(fā)工具，可以支持Ethernet,USB,CANopen和串口連接等多種通訊方式。含有配置向?qū)鬼椖康慕⒏鼮楹喴?，可以將系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置好以備控制器隨時進(jìn)行對運動和代碼的開發(fā)。通過配置向?qū)Э梢詫C械參數(shù)、PID參數(shù)、伺服增益、正/反向運動進(jìn)行調(diào)整。設(shè)置導(dǎo)向中有一個易于使用的試運行裝置，用來快速驗證每一個軸的關(guān)鍵運動狀況和硬件設(shè)置；程序編輯模塊同時支持AcroBasic語言和PLC語言編程。另外為了調(diào)試運行方便，ACRView還提供了很多狀態(tài)監(jiān)視窗口，包括參數(shù)監(jiān)視面板、BIT位監(jiān)視面板、伺服環(huán)監(jiān)視面板、通用狀態(tài)面板以及圖形監(jiān)視功能，極大的方便了用戶。系統(tǒng)參數(shù)配置流程ACR-View軟件安裝好之后，我們可以通過下面的方法來打開。逐步單擊“開始”菜單——“所有程序”——“ParkerAutomation”——“ACR-View”——“ACR-ViewProgram”，彈出“New/OpenProject”對話框，如圖5-1所示，該對話框用于新建或者打開現(xiàn)有的工程。圖5-1新建窗口下面我們新建一個工程：選中“CreateNewProject”單選框，并在后面輸入工程的名字，我們這里輸入工程名為“Demo1”，點擊“OK”按鈕繼續(xù)，彈出新的對話框，在這里需要選擇控制器類型，我們這里選擇“ACR9000”，如圖5-2所示：圖5-2選擇控制器類型單擊“下一步”按鈕，在新彈出的對話框中選擇所購買的ACR控制器型號，我們手頭的產(chǎn)品是9000P1U6B0,因此選擇這個型號，如圖5-3示：圖5-3選擇控制器型號單擊“下一步”按鈕，在新彈出的對話框中保持默認(rèn)設(shè)置，再單擊“下一步”至此，工程配置操作完成，彈出ACR-View主界面，如圖5-4示：圖5-4ACRView主界面我們可以看到，該對話框主要分成四個區(qū)域：最上面是菜單欄菜單欄下面是工具欄（分上下兩層，上層是通用工具欄，下層是梯形圖編程工具欄）工具欄下面左側(cè)是樹形向?qū)?，也是我們?jīng)常要打交道的地方樹形向?qū)в覀?cè)是主操作界面區(qū)域，其顯示內(nèi)容會根據(jù)在樹形向?qū)е兴x擇內(nèi)容的不同而變化，我們大部分操作都要在這個地方進(jìn)行。當(dāng)新建一個工程后，在主界面中首先會顯示“通訊”對話框，如圖5-5所示圖5-5通訊設(shè)置窗口在這個對話框中，我們要選擇用到的通訊方式，主要有下面4種：Bus：總線通訊，只用于ACR1505,ACR8020板卡式運動控制器Serial：串口，在后面指定與運動控制器連接的PC機的串口號，及通訊速率Ethernet：以太網(wǎng)，在后面輸入ACR9000的IP地址，USB：電腦通過USB與ACR9000通訊。我們選擇以太網(wǎng)，，點擊Connect使電腦與ACR9000連接。下面我們需要對ACR9000的各個電機軸進(jìn)行配置。我們單擊左側(cè)“樹形向?qū)А敝械摹癈onfigurationWizard（配置向?qū)В?，如圖5-6中藍(lán)色區(qū)域位置：圖5-6點擊配置向?qū)c擊后，會在主界面區(qū)域中彈出圖5-7所示對話框：圖5-7配置向?qū)дf明該對話框是對“ConfigurationWizard（配置向?qū)В焙唵握f明，點擊“Find”按鈕（圖5-7中黑框處）可以查看當(dāng)前控制器中的固件版本號，單擊“Next”按鈕繼續(xù)，彈出圖5-8所示對話框，該對話框說明了配置需要有哪些步驟，單擊“Next”按鈕繼續(xù)到下一步。單擊“Back”按鈕可返回上一步。圖5-8配置步驟說明單擊“Next”后，彈出圖5-9所示對話框，從這里要開始對第一個電機軸進(jìn)行配置圖5-9軸設(shè)置開始該對話框指定軸的名字，及控制器對驅(qū)動器輸出的信號類型。AxisName:指定軸的名字，一般保持默認(rèn)。CommandOutput：選擇控制器輸出給驅(qū)動器的信號類型，“DAC”代表輸出+/-10V模擬量（用于驅(qū)動器工作于速度和轉(zhuǎn)矩控制下），“Stepper”代表輸出脈沖加方向信號（用于驅(qū)動器工作于位置控制下），DAC0/Stepper0對應(yīng)控制器的“AXIS0”接口，DAC1/Stepper1對應(yīng)于控制器的“AXIS1”接口，依次類推。我們這里保持軸的名字為“X”，輸出信號類型選擇“Stepper0”，單擊“Next”按鈕繼續(xù)，彈出圖5-10所示對話框：圖5-10選擇電機及驅(qū)動該對話框用于選擇驅(qū)動器和電機：我們這里用的是安川驅(qū)動器和電機，我們要在相應(yīng)的選擇框里選擇“Other”。單擊“Next”按鈕繼續(xù)，彈出圖5-11所示對話框，該對話框用于對位置環(huán)及速度環(huán)的編碼器進(jìn)行設(shè)置。Type：選擇編碼器的類型，默認(rèn)為“FullQuadrature（全積分）”，即控制器將編碼器信號做4倍頻處理，這也是最常用的選擇。Source：選擇編碼器通道，即控制器形成閉環(huán)是接收哪個通道的編碼器信號。Resolution：指定編碼器精度。比如我們用的安川電機編碼器是2048線，編碼器類型選的是“FullQuadrature（全積分）”，因此我們在此要輸入2048*4=8192Polarity：編碼器極性選擇，即選擇控制器接收到的編碼器信號是A相超前還是B相超前。如果我們控制電機的時候電機飛車（不可控，一直以額定速度朝一個方向轉(zhuǎn)），那么很有可能是極性配置的問題，只需改變編碼器極性選擇即可。圖5-11編碼器設(shè)置單擊“Next”按鈕，彈出圖5-12所示對話框，該對話框用于設(shè)置軸比，通過設(shè)置單位，傳動機構(gòu)，及減速機構(gòu)，ACR運動控制器會自動對軸比進(jìn)行換算。我們按照圖5-12所示進(jìn)行配置即可，這樣電機轉(zhuǎn)一圈，平臺即運行5mm。我們單擊“Next”按鈕繼續(xù)，彈出圖5-13所示對話框，該對話框用于設(shè)置硬限位，軟限位及位置誤差的限制。這里我們使能硬件限位，軟限位設(shè)置為正向100mm，方向-20mm，跟隨誤差設(shè)為+/-1mm。單擊“Next”繼續(xù)，彈出圖5-14所示對話框：圖5-12機構(gòu)設(shè)置圖5-13限位設(shè)置圖5-14限位開關(guān)選擇該對話框用于指定控制器上的哪個數(shù)字量輸入通道對應(yīng)于限位開關(guān)，原點開關(guān)。我們這里指定控制器的數(shù)字量輸入通道0（即BIT0）用于正限位，當(dāng)我們分配好正限位后，“Input1”和“Input2”自動分配為負(fù)限位和原點開關(guān)。該對話框中的“InputType”用于選擇所連接開關(guān)的類型，是常開還是常閉。單擊“Next”，進(jìn)入如圖5-15所示對話框，該對話框是一個伺服參數(shù)調(diào)節(jié)對話框（ACR1505,ACR8020無此對話框）,在此可以設(shè)置PID參數(shù)。單擊“Next”繼續(xù)，彈出如圖5-16所示對話框：圖5-15伺服參數(shù)設(shè)置圖5-16綜合調(diào)試對話框該對話框是一個綜合調(diào)試對話框：可以對硬限位，軟限位設(shè)置，可以讓電機JOG試運行及對回零進(jìn)行測試。單擊“Next”，至此，我們已經(jīng)完成了對于“X”軸的配置。對“Y”軸的配置與“X”軸步驟完全一樣，不同的是，在輸出信號類型處選擇“Stepper1（采用位置控制方式，發(fā)送脈沖）”，其他與“X”軸配置類似，可參考“X”。如果控制器的某個軸不需要使用，那么我們需要在輸出信號類型處選擇“NOTUSED”，這樣控制器就不需要對這個軸分配處理時間。對于剩下的兩個軸，我們都選擇“NOTUSED”,如圖5-17所示：不使用的軸設(shè)為NOTUsed不使用的軸設(shè)為NOTUsed圖5-17不用軸處理單擊“Next”按鈕，彈出圖5-18所示對話框。單擊該按鈕將四軸加入到Master0中單擊該按鈕將四軸加入到Master0中圖5-18坐標(biāo)系分配該對話框用于把軸分配到坐標(biāo)系（Master）中。我們把需要聯(lián)動的軸分配到一個Master中。這里我們把四個軸都分配到Master0中。在一個Master中最多可分配8個軸，且一個軸只能分配到一個Master中。ACR系列控制器最多支持8個Master（坐標(biāo)系）。單擊“Next”按鈕繼續(xù)，彈出圖5-19所示對話框。圖5-19運動參數(shù)設(shè)置該對話框用于指定電機的“加速度”，“減速度”，“運行速度”，“停止速度”及是否以“S曲線”方式運行。按如圖方式指定，按“Next”按鈕繼續(xù)，彈出圖5-20所示對話框：單擊該處對通訊分配空間單擊該處對通訊分配空間圖5-20內(nèi)存分配該對話框用于為Program，PLC分配存儲空間，以及控制器可用的全局變量的個數(shù)。程序分配空間可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)定。特別需要注意的是在與觸摸屏相連接時需要為串口分配足夠的空間，單擊圖5-21中AdvancedMemoryConfiguration按鈕彈出圖36對話框，為COM1分配足夠的空間。分配足夠大的空間圖5-21設(shè)置通訊內(nèi)存分配足夠大的空間單擊“OK”按鈕返回。單擊“Next”按鈕彈出圖5-22所示對話框：圖5-22完成對話框至此，我們的配置工作全部完成，單擊“Finish”按鈕將配置下載到控制器中。配置文件將保存到控制器的EEPROM中。以后如果不更換電機，就無需再對電機軸進(jìn)行配置。AcroBasic語言及相關(guān)編程介紹編程時，在樹形向?qū)е锌梢钥吹?，ACR運動控制器可以編寫16個program程序和8個PLC程序，如圖5-23所示：圖5-23程序選擇Program程序是用AcroBasic語言來開發(fā)的，功能十分強大，可以充分滿足客戶各種運動控制的需求。AcroBasic編程語言，非常類似于BASIC語言，可快速上手（整型，實型變量及數(shù)組，字符串等），均為所完成相應(yīng)功能的英文縮寫，方便記憶（如ACC,VEL,MOV,OPEN,PRINT,OPEN等），BIT變量可以在程序中直接引用，無需重新定義，選擇結(jié)構(gòu)，循環(huán)結(jié)構(gòu)，子程序，中斷等流程控制（局部變量，全局變量，系統(tǒng)預(yù)設(shè)的P變量、BIT變量）指定別名，方便編程人員閱讀（算術(shù)運算、邏輯運算、比較運算、三角函數(shù)、反三角函數(shù)、雙曲函數(shù)等），便于與其他設(shè)備通訊其中program0-program7用來編寫運動程序，program8-program15用來編寫非運動程序（如完成各種計算，與其他設(shè)備進(jìn)行通訊等）。program0-program7與Master0-Master7（坐標(biāo)系0-7）有著嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系?？刂芃aster0中的軸的運動程序必須編寫到program0中，控制Master1中的軸的運動程序必須編寫到program1中，依次類推。單擊任意的program編輯器即可打開相應(yīng)的program程序開發(fā)窗口，如圖5-24所示：在這里可以使用AcroBasic語言來開發(fā)您的運動程序。AcroBasic指令請參考相應(yīng)手冊。圖5-24ACRView編程界面圖5-24ACRView編程界面在程序調(diào)試時可設(shè)置斷點，或單步調(diào)試程序；跟隨模式用于跟隨每條程序的執(zhí)行；在Terminal面板中監(jiān)視程序的運行狀況；可以為程序添加注釋，可以在線對電機進(jìn)行運動控制，可以實現(xiàn)JOG試運行。軟件編寫流程圖5-25系統(tǒng)軟件編寫流程圖開始圖5-25系統(tǒng)軟件編寫流程圖開始上電啟動系統(tǒng)初始化是否出錯回零模式選擇？JOG示教自動手動參數(shù)設(shè)置是否限位繼續(xù)運行是是否否其中所有的程序流程都是通過改變相應(yīng)的P參數(shù)和BIT位進(jìn)行控制和選擇的。典型程序介紹（1）示教程序具體程序流程如圖5-28：圖5-26示教流程圖圖5-26示教流程圖否是開始示教手動調(diào)節(jié)機器人位姿是否記錄當(dāng)前點示教下一點是否示教結(jié)束保存示教數(shù)據(jù)示教結(jié)束否是通過上位機界面調(diào)節(jié)P0，P1的值即可改變機器人的位置，通過對相應(yīng)點的捕捉進(jìn)行記錄，從而保存數(shù)據(jù)，實現(xiàn)再現(xiàn)。通過ESAVE命令可以使數(shù)據(jù)斷電不丟失。（2）回零程序下面是單軸的回零程序，其中BIT2是通過外部原點接近開關(guān)輸入進(jìn)行改變的。PROGRAM'Program0'TODO:edityourprogramherePBOOTJOGVELX10Y10：REMsetthespeedofgohomeJOGACCX50Y50JOGDECX50Y50JOGHOMVF_STARTIF(xgohome):REMXGOHOMESET16152SET16153CLR16154JOGHOMEX-1WHILE((NOTBIT16134)AND(NOTBIT16135))WENDDWLVELX/20DWLWHILE(1)IF(BIT2)SET8467RESXBREAKENDIFWENDCLRxgohomeCLR8467CLR522ENDIFGOTOSTARTENDP（3）伺服使能控制程序PROGRAM'Program7'TODO:edityourprogramherePBOOT_STARTIF(BIT128)SET8465SET8497SET8529SET8561ELSECLR8465CLR8497CLR8529CLR8561ENDIFGOTOSTARTENDP通過BIT128即可同時控制四個伺服驅(qū)動的使能。通過上位機將位狀態(tài)設(shè)定控件與BIT128相鏈接，即通過觸摸屏手動操作即可控制使能。運動監(jiān)視、調(diào)試ACR-View為我們提供了大量的工具供我們監(jiān)視，調(diào)試電機的運行。（1）Terminal（終端對話框）單擊樹形向?qū)е械腡erminalEmulator，可以打開終端對話框。如圖5-27示。在終端對話框中，可以發(fā)送在線指令，當(dāng)按下鍵盤上的回車鍵時，所輸入的指令將立即執(zhí)行。我們可以把常用的命令保存到終端對話框右側(cè)的“UserButton”中，這樣當(dāng)按下“UserButton”按鈕后，相對于發(fā)送了對應(yīng)的指令。在終端對話框中還可以監(jiān)視，跟蹤程序的運行。程序中使用“Print”語言輸出的內(nèi)容也將顯示到終端對話框中。圖5-27終端對話框（2）StatusPanels（狀態(tài)監(jiān)視面板）樹形向?qū)е械腟tatusPanels（狀態(tài)監(jiān)視面板）中包含有五個狀態(tài)面板。CommonStatusPanel(通用狀態(tài)監(jiān)視面板，ACR1505,ACR8020無此面板)圖5-28通用狀態(tài)監(jiān)視面板如圖5-28所示：該面板可以直觀的監(jiān)視各個電機軸及坐標(biāo)系的運行情況。NumericStatus（參數(shù)狀態(tài)監(jiān)視面板）圖5-29參數(shù)狀態(tài)監(jiān)視面板如圖5-29所示，參數(shù)狀態(tài)監(jiān)視面板可以監(jiān)視ACR運動控制器中所有P變量的狀態(tài)。P變量根據(jù)功能被加以分類，可以通過三個下拉組合框找到所要監(jiān)視的P變量。BITStatus（BIT位狀態(tài)監(jiān)視面板）BIT位狀態(tài)監(jiān)視面板用來監(jiān)視ACR運動控制器中的全部BIT變量狀態(tài)，如圖5-30所示：圖5-30BIT位狀態(tài)監(jiān)視面板與P變量監(jiān)視面板相同，可以通過三個下拉組合框找到所要監(jiān)視的BIT變量。BIT變量用來保存BOOL型變量，只有真和假兩種狀態(tài)，它包括實際的物理I/O及控制器內(nèi)部定義的BIT狀態(tài)。CPULoadStatus（CPU運行監(jiān)視面板）CPU運行監(jiān)視面板用來監(jiān)視當(dāng)前控制器CPU的運行情況，如圖5-31所示：該面板類似于計算機中任務(wù)管理器的性能監(jiān)視面板。圖5-31CPU運行監(jiān)視面板ServoLoopStatus（伺服環(huán)狀態(tài)監(jiān)視面板）圖5-32伺服環(huán)狀態(tài)監(jiān)視面板如圖5-32所示：可以通過伺服環(huán)狀態(tài)監(jiān)視面板直觀的監(jiān)視伺服環(huán)的運行情況。參與伺服運算的所有參數(shù)都可以在同一個面板中監(jiān)視到。EB8000開發(fā)軟件介紹EasyBuilder8000功能強大，簡單實用，可以輕松完成復(fù)雜的人機界面設(shè)計?？梢酝瑫r支持離線模擬和在線模擬，可以大大節(jié)省設(shè)計的時間。獨立的多視窗操作功能大大增加了可現(xiàn)實的信息量，可以與幾乎所有的PLC配合使用。具體開發(fā)程序界面如圖5-33所示圖5-33EB8000開發(fā)界面圖5-33EB8000開發(fā)界面其中對控件參數(shù)的設(shè)置是通過控件屬性對話框進(jìn)行的。圖5-34所示為對其中的位狀態(tài)切換開關(guān)進(jìn)行設(shè)置的界面。通過選擇PLC選擇位狀態(tài)切換開關(guān)所要寫入或讀取的PLC類型。通過設(shè)定地址可以控制或讀取相應(yīng)的BIT位狀態(tài)，開關(guān)類型為設(shè)定開關(guān)的功能。如切換開關(guān)即每次按下開關(guān)時所控制的位的狀態(tài)變換為相反狀態(tài)。其它類型的控件與此控件設(shè)置方法類似，在此不再具體進(jìn)行描述。設(shè)定開關(guān)屬性設(shè)定開關(guān)屬性圖5-34位狀態(tài)開關(guān)屬性設(shè)置對話框選擇PLC類型選擇高十六位還是第十六位地址設(shè)定控制PLC地址圖5-34位狀態(tài)開關(guān)屬性設(shè)置對話框選擇PLC類型選擇高十六位還是第十六位地址設(shè)定控制PLC地址設(shè)置開關(guān)屬性圖5-35為所設(shè)計的上位機人機界面。其中數(shù)字顯示是通過與ACR9000相應(yīng)的P參數(shù)鏈接而獲得的。其它狀態(tài)顯示和控制是通過與相應(yīng)的BIT位進(jìn)行鏈接而進(jìn)行的。通過該界面可以脫離工控機直接對碼垛機器人進(jìn)行控制，可以實現(xiàn)示教、再現(xiàn)、參數(shù)設(shè)置、手動運行等功能。通過狀態(tài)和坐標(biāo)顯示可以實時觀察機器人的運動狀態(tài)。圖5-35碼垛機器人觸摸屏控制界面圖5-35碼垛機器人觸摸屏控制界面本章小結(jié)本章主要完成對機器人系統(tǒng)的軟件開發(fā)。通過ACRView完成對電機參數(shù)配置，并實現(xiàn)JOG試運行。運用AcroBasic語言對下位機控制器進(jìn)行編程，從而實現(xiàn)機器人的示教、再現(xiàn)、手動運行、回零、參數(shù)設(shè)置等功能。通過EB8000開發(fā)環(huán)境編寫上位機界面并與控制器相鏈接，從而實現(xiàn)系統(tǒng)脫離PC機獨立運行。第六章系統(tǒng)測試通過實際調(diào)試運行，測得的碼垛機器人的各項參數(shù)如下所示：(1)運動軸數(shù)：4軸(2)各軸運動范圍：=1\*GB3①上下運動范圍：≥600mm②水平運動范圍：≥100mm③旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)范圍：≥300°(3)末端最大運動速度：≥(4)最大高度：(5)運動半徑：50cm—150cm(6)工作速度：手動示教直線移動速度≤，底座和手爪旋轉(zhuǎn)速度≤5r/min；自動運行直線移動速度在1m/s左右，底座和手爪旋轉(zhuǎn)速度在8r/min左右。(7)系統(tǒng)連續(xù)工作不低于20個周期時碼垛誤差在±3cm以內(nèi)。(8)結(jié)束語本論文是作者以山東省科學(xué)院自動化研究所的碼垛機器人的研究項目為背景完成的。從收集查閱各種相關(guān)資料，到對碼垛機器人機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行運動分析，到對控制方案進(jìn)行選擇及仿真，軟硬件選型及設(shè)計等幾個方面進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計，實現(xiàn)了碼垛機器人的運動控制。通過調(diào)試已達(dá)到預(yù)期要求。現(xiàn)碼垛機器人即將投入實際生產(chǎn)應(yīng)用中去。本文主要研究內(nèi)容如下：1)機器人運動分析。通過對機器人機械參數(shù)進(jìn)行分析，建立機械結(jié)構(gòu)的簡單幾何模型。進(jìn)行相關(guān)運動分析，確定末端執(zhí)行機構(gòu)與原點坐標(biāo)系的運動變換關(guān)系，從而獲得機器人的相關(guān)運動參數(shù)，便于實現(xiàn)對機器人進(jìn)行精確控制。2)對伺服系統(tǒng)控制方式進(jìn)行選擇。伺服系統(tǒng)有多種運動控制方式，根據(jù)應(yīng)用背景的不同選擇不同的運動控制方式。本機器人對位置精度要求較高，故經(jīng)過綜合分析，選擇運動控制方式。3)運動控制仿真。運用MATLAB中Simulink工具自帶的機器人運動控制模型進(jìn)行仿真，確定相關(guān)的PID等參數(shù)，驗證相關(guān)運動控制的正確性。4)進(jìn)行相關(guān)線路的連接。包含電氣線路和信號線路連接兩個方面。重點對信號線路特別是ACR9000與伺服驅(qū)動器之間的線路進(jìn)行了研究。由于沒有現(xiàn)成的連接實例可供參考，故在此花費了較大的功夫。5)對控制系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)程序開發(fā)。包括下位機編程和上位機界面的設(shè)計。通過學(xué)習(xí)掌握AcroBasic語言，學(xué)會運用ACRView環(huán)境對ACR9000的相關(guān)編程。設(shè)計整體控制流程，進(jìn)行下位機軟件的編寫。學(xué)習(xí)EB8000開發(fā)環(huán)境，進(jìn)行人機界面的相關(guān)設(shè)計。進(jìn)行觸摸屏與控制器之間的通訊連接與調(diào)試。實現(xiàn)由觸摸屏對碼垛機器人的示教、保存、再現(xiàn)及相關(guān)參數(shù)設(shè)置等功能。通過本文的研究工作，設(shè)計并實現(xiàn)了由ACR9000控制器和威綸MT6100iV人機界面為核心構(gòu)成的碼垛機器人控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有良好的擴展性和兼容性，易于移植到其它種類的機器人。但是由于時間有限，還存在很多的不足。在未來的后續(xù)研究中還需要進(jìn)行以下探索：1)由于所使用的機器人為碼垛樣機，故應(yīng)用到具體生產(chǎn)時間中還需根據(jù)負(fù)重、工作半徑等要求具體設(shè)計適合生產(chǎn)需要體積的碼垛機器人2)根據(jù)抓取物品的不同設(shè)計專門的抓手，并確保抓手抓取貨物斷電時的安全。3)由于時間有限，編寫的程序還不是很完善，很多問題仍有待解決。如對系統(tǒng)操作步驟要求較為嚴(yán)格，出現(xiàn)操作失誤容易造成死機等問題。4）將機器人應(yīng)用到生產(chǎn)實踐中去，還需要解決與外圍設(shè)備及整個流水線的協(xié)調(diào)控制問題。如和外圍檢測設(shè)備及其它機器人的協(xié)調(diào)，根據(jù)產(chǎn)品的不同執(zhí)行不同的碼垛程序等問題。致謝我之所以能夠來到山東省科學(xué)院自動化研究所做畢業(yè)設(shè)計，離不開陳阿蓮教授和李向東老師的批準(zhǔn)和多方協(xié)調(diào)，在此，向陳阿蓮教授和李向東老師表示感謝。本文是在李向東老師和陳阿蓮教授的悉心指導(dǎo)下完成的，兩位老師學(xué)識淵博，教學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)而又平易近人，對科研精益求精，這些優(yōu)秀品質(zhì)帶給我的影響，無論在以后的研究生生活中還是更長遠(yuǎn)的工作中，我將備受激勵，受益匪淺！特別是李向東老師，對我在學(xué)習(xí)上的諄諄教誨，在研究工作中的幫助和指導(dǎo)，在社會生活方面的引導(dǎo)和幫助，讓我終身難忘。在此，衷心感謝兩位老師對我的指導(dǎo)和關(guān)懷。在為時將近半年的設(shè)計過程中，我受到研究所各位領(lǐng)導(dǎo)和高工的熱心幫助和指導(dǎo)，在課題研究、方法選擇和實驗調(diào)試過程中他門給我很多知識性的教育，培養(yǎng)了我基本的研究工作素養(yǎng)和探索精神，教會了我很多學(xué)習(xí)之外的東西。在我工作遇到困難時，是你們的關(guān)懷和熱心指點給了我莫大的勇氣和動力，在此一并表示深深的謝意。還要特別感謝與我一起學(xué)習(xí)和工作的亓富強同學(xué)，感謝畢業(yè)設(shè)計的合作者郅健斌同學(xué)，感謝已經(jīng)或即將在研究所工作的陳偉、王其林、馬衛(wèi)國等學(xué)長，我們一起學(xué)習(xí)，共同進(jìn)步。你們的包容和關(guān)懷讓我在實驗室度過了一段美好的時光，在這里獲得的知識和鍛煉將令我終生受益。感謝我的朋友和同學(xué)們，在我的工作和生活遇到困難和挫折時，他們總是給予我很大的支持與幫助。此外他們對我的論文提出了很多寶貴意見，感謝他們。最后，我感謝我的父母對我的無私奉獻(xiàn)，親人們對我的殷切關(guān)懷，感謝你們這么多年來一直默默的關(guān)懷我、鼓勵我。感謝所有關(guān)心和支持我的人。參考文獻(xiàn)[D].成都：西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，20082010-2012年全球機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究分析報告[R]蘇海新，韓寶玲，[J]．機械與電子，：57～60余達(dá)太，馬香峰等.工業(yè)機器人應(yīng)用工程[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，劉錦波，張承慧等．電機與拖動[M]．北京：清華大學(xué)出版社，曾毅．現(xiàn)代運動控制系統(tǒng)工程[M]．北京：機械工業(yè)出版社，劉慧軍．碼垛機器人物流控制系統(tǒng)開發(fā)[D]．天津：天津大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008盧志珍．基于PLC的全自動包裝碼垛生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計[D]．無錫：江南大學(xué)工程碩士學(xué)位論文，2008黃文煥，戚佳金，黃南天等．五自由度碼垛機器人控制系統(tǒng)設(shè)計[J]．制造業(yè)自動化，2008，30(4)：54～57余曉明，管會生，曾曉芳．四自由度機器人在米袋碼垛系統(tǒng)中的仿真研究[J]．黑龍江水專學(xué)報，2008，35(2)：95～98李成偉，牟超．碼垛機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2008，21(5)：9～10何春燕．碼垛機器人的控制系統(tǒng)[J]．機械與電子，2003，1：71～73劉相權(quán)，牟超，張志強等．基于PMAC運動控制卡的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