五自由度点胶机器人操控体系的剖析-analysis of control system of 5 - dof dispensing robot.docx

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　　哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - - II - Abstract Shoemaking is one of mainstays in light industry, but now, in the dispensing process for shoemaking has low degree of automation, poor working conditions, so in shoemaking industry, we should using dispensing technology & automaton technology to advance our country’s modernization. This can improve product quality and production efficiency; create huge economic and social benefits. The robot for the paper is the 5-DOF robot for shoemaking in dispensing technics which is manufactured by Mingsai Tech Ltd. The paper design the hardware of IPC-based multi-axis robots motor control system, the hardware of PCM-3466-based teaching & programming system, design the variable subdivision driver of stepper motor. The paper establish the glue supplying system, model the key actuator of the system——dispensing tube, analysis the glue velocity and volumes relations to tube radius and glue pressure. According to the actual production, the paper uses the changing of the pressure to change the glue supply volume, and achieve precise control over the volume. In software design, the Cartesian coordinate is founded, using the Cartesian coordinate, kinematics equations are established. The paper gives answers to them. The velocity Jacobian matrix is analyzed in the paper; a three-axis circular interpolation algorithm based on the rotary coordinate is presented. Based on it, using hierarchical and modularization design methods, the paper design the control system software; using a top-down design method to design the teaching &programming system software design. Based on analysis of robot dispensing process of dispensing line, the experiments of dispensing and the performance test of the robot is done, to verify the correctness of the design. In this paper, the results of research not only can be used for shoemaking, but also can be used for dispensing complex surfaces operations. Keywords: 5-DOF Robot; Dispensing; IPC; Control System - - PAGE IV- 目录 摘要I Abstract II 第 1 章 序言 1 1.1 课题布景及选题含义 1 1.2 国表里机器人操控器的类型总述 2 1.2.1 嵌入式体系操控器 2 1.2.2 依据工控机的机器人操控器 3 1.3 点胶技能研讨现状及影响要素 4 1.3.1 点胶技能的现状 4 1.3.2 影响点胶质量的要素 6 1.4 论文的首要研讨内容 7 第 2 章 机器人操控体系硬件规划与点胶机理的研讨 8 2.1 导言 8 2.2 五自由度点胶机器人作业剖析 8 2.2.1 点胶机器人组织 8 2.2.2 点胶机器人作业进程 9 2.3 操控体系组成 10 2.3.1 操控体系全体结构 10 2.3.2 依据IPC的多轴电机操控子体系 11 2.3.3 依据PCM-3466 的示教盒子体系 12 2.3.4 供胶子体系的规划 15 2.4 可控细分步进电机驱动器的研讨 16 2.4.1 两相混合步进电机的驱动机理 16 2.4.2 可控细分步进电机驱动电路规划 17 2.5 供胶子体系的建模及仿线 点胶试管流量模型的树立 19 2.5.2 仿线 章 点胶机器人操控体系软件规划 24 3.1 导言 24 3.2 依据IPC的操控软件规划 24 3.2.1 点胶工艺的运动流程图 24 3.2.2 操控软件的功用分化 25 3.2.3 操控软件首要模块的完结 28 3.2.4 其它模块规划 31 3.3 示教盒软件规划 33 3.3.1 示教盒软件功用树及主程序的规划 33 3.3.2 示教模块的规划 34 3.3.3 示教盒与IPC通讯协议的规划 36 3.4 三维圆弧插补算法的研讨 37 3.4.1 机器人运动学剖析 37 3.4.2 依据旋转坐标系的三维圆弧插补算法 39 3.4.3 笛卡尔坐标系中两轴圆弧插补的完结 41 3.5 本章小结 43 第 4 章 五自由度点胶机器人试验研讨 44 4.1 导言 44 4.2 试验渠道 44 4.3 点胶机器人试验 45 4.3.1 变压力差下的胶水流量测验 45 4.3.2 机器人体系的功用参数测定 46 4.3.3 点胶均匀性试验 51 4.3.4 点胶的功率及经济性剖析 52 4.4 本章小结 53 定论 54 参考文献 55 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 59 称谢 60 - - PAGE 13 - 第1章 序言 1.1 课题布景及选题含义 在高技能迅猛开展的今日，传统的出产办法已日趋落后，而新式的爱游戏 出产将成为新世纪承受商场应战的重要办法。爱游戏安卓版不只是前进劳动出产率的 手法，并且对企业未来的久远开展战略起着重要的效果。因为机器人是新式的 爱游戏体育的首要东西，工业机器人及其运用工程的开发，将机器人变为直接出产 力，它在改动传统的出产形式，前进出产率及对商场的适应才能方面显现出极 大的优越性。一起它将人从恶劣风险的作业环境中替换出来，进行文明出产， 这对促进经济开展和社会前进都具有重大含义[1]。现在，在鞋革加工制作职业 中，简直一切的涂胶工序都是由手艺来完结的。跟着制作业对机器人配备的需 求及绿色爱游戏app官方最新版和改进劳动者的作业环境要求越来越高，“制鞋刷胶机器人”的研 究开发将对我国轻工支柱产业之一的制鞋职业产生巨大的经济效益和社会效益 [2]。 机器人操控器是机器人体系的中心部分，机器人功用的好坏，功用的强 弱，与操控器密切相关，因而操控器一向备受各国机器人厂家的注重，开展较 快[3]。国内的机器人研讨开发作业已有多年，取得了一些效果，并相继运用于 出产实践中。因而在机器人技能中引进点胶工艺是势在必行，现在各种点胶机 器人现已运用于出产。可是看似简略的点胶工艺，因为其进程涉及到气体、液 体等多种介质，并且所用的胶为非牛顿流体，其杂乱多变的功用使得点胶工艺 变得杂乱。这样不只影响了出产商研讨新的点胶办法，并且也促进了他们有理 论和实践上对点胶技能进行更深的研讨，完结高精度，高安稳性的点胶[4]。 关于制鞋业来说，机器涂胶首要要处理的问题是要保证涂胶质量，因为鞋 的形状较杂乱，涂胶面的外形也不规则，并且每只鞋的尺码不尽相同，因而涂 胶质量不容易保证，这就需求较好的机器人操控器，较为有用的操控算法，及 较好的出胶操控办法，在实践运用中能完结安稳、快速、高精度的点胶作业。 该课题来源于温州市科三经费重大项目。经过课题的研讨，能够树立一个 有用的可靠性高的五自由度点胶机器人的主动操控体系，研发出能够完结点胶 工艺的试验渠道，并能够运用于出产，前进出产率。 1.2 国表里机器人操控器的类型总述 1.2.1 嵌入式体系操控器 跟着微电子技能的开展，选用微处理器、DSP、ARM 等现代操控手法构 成数字操控体系已成为机器人嵌入式操控体系规划的干流。其间机器人嵌入式 操控体系又能够分为如下几种： 1）依据通用微处理器 通用为处理器如 8051 单片机、PIC 单片机、AVR 单片机等，这种计划价格低廉，且技能老练，正被广泛运用。微处理器所需的 周边器材较多，要加上存储器、A/D 转化电路等，并且因为一般选用冯·洛伊曼 体系结构，处理速度有限，难以完结多传感器信号收集及多电机伺服操控算 法，一般只运用于机器人简略操控。 2）依据专用集成电路（ASIC） 这种计划是依据机器人的功用及功用要 求，定制专用的集成电路，供给一些专用的操控指令、专门的外部电路接口和 通讯接口，使操控体系的功用最优。图 1-1 为日本东京大学为其仿人机器人 “HRP-3”专门规划的 Micro-RMTP（Responsive Multi-Threaded Processor）处理 器。它选用 130nm 工艺，集成度达一千万门，处理速度为 133MHz，功耗约 1W，具有多个通讯接口和多路 PWM。并选用 SIP 工艺，在一块板上集成了 64MB 32bit 的 SDRAM、16MB 的 Flash ROM、12 位的 ADC 和 DAC 各 8 路、 3 路电流传感器、1 个电机驱动器。 图 1-1 RMTP 体系结构和依据 RMTP 的电机操控节点 Fig. 1-1 RMTP Structure and motor control node based on RMTP 这种专用集成电路的计划，运用户的软件规划作业削减到最小，极大的提 高机器人操控体系规划、设备的便利性，但因为集成电路规划杂乱，本钱高， 运用较少。 3）依据数字信号处理器 90 时代以来，数字信号处理器(DSP)在运动操控 中得到越来越广泛的运用，这首要是因为它的高速运算使得许多杂乱的操控算 法和功用得以完结，能够完结高精度多轴伺服操控。 美国密歇根州立大学研发的小型双足匍匐机器人选用单片 TMS320LF2407 DSP 作为操控器，一个芯片操控三个直流伺服电机、两个真空泵、两个阀门， 并且处理来自各传感器元件（两个压力传感器、一个电位器、六个触摸觉传感 器、四个红外传感器、三个编码器和一个解码器）的信息。真空泵、阀门、触 觉传感器和红外传感器经过 DSP 的 I/O 管脚进行开关操控。 国内对 DSP 的运用也比较遍及，中南大学运用 TMS320F240 系列 DSP 开 发了足球机器人小车的操控器，上海交通大学运用 LF2407A 开发了两轮移动 机器人的操控体系，中国科学技能大学运用 F2812 开发了足球机器人底层操控 器。DSP 集成度高，功用优异，现在的大多数高功用操控器都是依据 DSP 结 构的，选用 DSP 芯片为中心来完结电机操控己经是一个重要的趋势。 1.2.2 依据工控机的机器人操控器 虽然嵌入式操控体系在最近几年取得了长足的开展，可是依据工控机的控 制体系以安稳性，丰厚的接口和杰出的扩展性，仍占有较大的商场份额。其优 点在于：依据 PCI 的运动操控卡能简化操控体系的硬件规划，依据 Windows 及 VC++软件编写，有着杰出的操控界面，降低了开发难度，缩短了体系的开 发时刻。图 1-2 为沈阳新松机器人公司开发的 RH-6A 弧焊机器人及机器人控 制器；该弧焊机器人选用依据工控机的 SIASUN-GRC 操控器，完结点到点和 接连轨道操控，其操控轴数能够扩展至 12 轴。体系选用工业操控机 IPC 作为 上位机操控并办理程序的输入输出、程序的译码、操控指令的承受和发送，焊 接途径的规划，焊接进程的动态显现以及焊接进程前后的数据处理。工控机提 高了体系的可靠性和抗搅扰才能，一起运用局域网内通讯卡，使得该体系很容 易与其他出产办理部门联网，便于一致调度和办理，用现有的软件东西和开发 环境，规划功用丰厚的操控软件。 因为工控机具有可靠性高，环境适应性强，丰厚的输入输出模板，体系扩 充性和开放性好，体系通讯功用强等特色，合适工业运用，跟着科技的前进， 工控机的功用也有了长足的出息，工控机操控体系为老练的操控体系，有着各 种依据 PCI 接口的操控卡，便运用户运用，为此本文选用了依据工控机的操控 体系来完结五自由度点胶机器人的操控。 a) 弧焊机器人 b) 弧焊机器人操控体系 图 1-2 弧焊机器人及其依据工控机的操控体系 Fig. 1-2 Welding robot and the control system based on IPC 1.3 点胶技能研讨现状及影响要素 1.3.1 点胶技能的现状 在点胶技能中，依据点胶头与点胶工件是否触摸能够分为触摸式点胶 (Contact Dispensing)和非触摸式点胶(Non-Contact Dispensing)。触摸式点胶依据 点胶头的类型又能够分红如下几种[10][11]： 1）时刻/ 压力型点胶技能 如图 1-3 中 a)所示，因为时刻/ 压力型点胶技 术只选用脉动的空气压力和针管就能完结点胶，因而超越 70%的点胶体系选用 了这种技能。它在胶体黏度中等巨细时作业最好，能够点出各种形状图画。 2）运用计量点胶头点胶 计量点胶头是时刻/ 压力型点胶技能的进一步发 展,它选用新的规划来前进点胶功用。这种技能中有代表性的是阿基米德计量管 点胶和活塞式点胶。 a) 阿基米德计量管(Archimedes Metering Valves) 点胶是将胶体放置在计量 管内点出，如图 1-3 中 b)所示。螺杆旋转产生的效果力效果在胶体上，使胶体 沿着螺线运动。当胶体流到针头时会因为活动面积的约束而产生活动阻力。这 样终究点出的胶量巨细就由螺杆的运动效果力和流体阻力决议。别的，从进料 管流到计量管中的胶体进料进程由安稳的空气压力效果在试管上完结。 b) 活塞式点胶(Piston Pump)[12] 选用相似活塞/气缸的组织来点胶，如图 1- 3 中c)所示。首要将胶体引进到一个开口的气缸中，然后由马达驱动的活塞会 将气缸密闭并产生运动,直到将腔中的流体全部从点胶头挤出。因为这种办法实 际上操控的是气缸内的流体体积而非流体压力，这样就避免了胶体特性改动的 影响。不论胶体的黏度怎么改动，这种技能点出的胶量能够始终坚持不变。 空气压力 试管 流体 针头 基座 a) 时刻/压力型(Time/Pressure) b) 计量管型(Auger Pump) c) 活塞式(Piston pump) 图 1-3 三种不同的触摸式点胶 Fig. 1-3 Three types of contact dispenser 以上介绍的是三种触摸式点胶，其优缺陷如表 1-1 所示。 表 1-1 三种触摸式点胶的优缺陷 Table 1-1 The advantages and disadvantages of three types of contact dispenser 点胶类型 长处 缺陷 时刻/压力型 经济、操作便利,适用性好,可 用于变压器、磁头、芯片等各 种目标。 选用脉动紧缩空气作业会加热胶体并 改动其黏度和胶体巨细;跟着针筒内 的胶量巨细改动，点出的胶量会跟着 改动；这种技能在高速时难以作业。 阿基米德计量管 能够软件编程决议点出的胶 量;点出的胶量能够比时刻/压 力型大,可用于变压器点胶等 场合;操控胶量的准确度比时 间/压力型高; 本质上和时刻/ 压力型点胶技能相同, 出胶量仍和胶体的黏度相关。 活塞式点胶 点出胶量一致性较好。 运用华领会彩票APP运动来点胶,点胶速度不会 很快;点胶量巨细欠好调理;需求专门 规划的点胶头,维护性较差。 因为这种点胶针尖和被点胶工件之间的间隔对点胶效果具有很大的影响， 为了战胜这个缺陷，非触摸点胶技能孕育而生。这种最近开展的点胶技能其基 本原理与喷墨打印机喷墨的原理相似。 常用非触摸式点胶办法有：喷发点胶和压电式点胶。 1）喷发式点胶(Jetting Dispensing)[13] 其结构如图 1-4 中a)所示，点胶过 程是胶体被注射器内的恒压挤到喷嘴和活塞之间的空腔内，经过电机快速驱动 活塞(球状或柱状)上下往复运动喷发出胶体，能够完结高速点胶。但爱游戏电子渠道在线玩结构 杂乱，清洁费事；本钱很高，不便利利维护；相同还遭到流体粘度改动影响。 2）压电式点胶(Piezoelectric Dispensing) 其结构如图 1-4 中 b)所示，压电 陶瓷具有电致弹性效应，作为微位移致动器完结电压——位移的互相转化。在 压电陶瓷上通以高频率交流电，能够使压电陶瓷做同频轰动。在点胶进程中， 胶体被注射器内的恒压挤到喷嘴和压电陶瓷致动器之间的空腔内，压电陶瓷沿 喷嘴轴向轰动，挤出胶体。 非触摸式点胶进程中，喷嘴不与作业面触摸，喷嘴尺度必定的状况下，可 以经过在同一方位接连喷发多点迭加来到达调理胶点尺度的意图。影响非触摸 式点胶质量的首要要素有:喷嘴内径、活塞的直径和行程、胶体温度等。 1.3.2 影响点胶质量的要素 点评点胶质量首要是准确性与一致性目标。从这两个目标看，影响终究点 胶质量的要素有许多，首要是胶体黏度、强度以及进程参数等。其详细原因讨 论如下[14]： 1） 黏度 胶体的黏度是流体活动功用的衡量，相同也是影响点胶特性的 关键要素。可是黏度本身又是下列各种要素的函数： a) 受力状况及受力进程：当运用不同的点胶技能点胶时，胶体遭到的剪 切力的效果不同，这就会影响到点胶质量。但一般在坚持运用同一种点胶技能 不变的状况下，该要素常常能够疏忽。 b) 温度：假如胶体的温度产生改动，其黏度必定会随之改动。特别在工 业现场环境下，温度要素一般都会有所改动。 c) 批量不同：胶体一般在有必要运用时才从冷藏室带到工厂，这样不同批 量的胶体就会带来资料温度上的不同，其黏度也必定不行能彻底一致。为尽量 战胜批量之间的不同影响，有的做法是将胶体提早 24 小时放置到工业现场来 适应环境。但即使如此也不能彻底消除批量不同的影响。因为批量要素对点胶 质量的影响也是不行避免的，因而终究的产品质量差错必定包含该要素的差 异。 d) 资料贮存时刻及状况：胶水资料的黏性都有必定的寿数。依据其贮存 时刻及贮存条件的不同，黏度必定也会有所不同。 2）资料强度 只是依靠点胶技能本身也不能彻底保证点胶质量，胶水材 料本身的功用如强度等相同影响着终究点胶的质量。 3）进程参数的改动 因为点胶进程参数并不是始终坚持不变，如时刻/ 压力型点胶中试管内的胶体体积就会跟着点出胶量的增大而逐步削减，相应的 气动体系参数也会产生改动并影响功用。这类要素对进程的影响也有必要加以考 虑。 从上面的剖析能够看出，由黏度改动要素和进程参数的改动对质量的影响 在必定程度上是能够战胜的；而资料的影响则是不行战胜的，有必要包含在差错 规模中。 1.4 论文的首要研讨内容 本项目拟研发爱游戏爱体育制鞋刷胶机器人配备，作业原理是多自由度爱游戏安卓版手作 为刷胶东西的载体，经过轨道插补完结刷胶东西的空间运动；工件定位设备实 现对鞋的便利卡夹及脱出，结尾履行器为常用的胶刷，选用点胶操控器完结胶 量的精细进给；一切的作业在密闭的防护罩内完结。 综上，在本论文中首要内容为： 1) 操控体系硬件的规划 经过对机器人组织的剖析，进行机器人操控系 统硬件规划；机器人示教体系硬件规划；步进电机驱动器的规划；完结操控系 统的硬件的集成。 2) 供胶体系的建模与仿真 经过对点胶履行器——点胶试管流量模型的 树立，完结胶水的准确流量操控。 3) 操控体系软件的规划 依据 IPC 的操控体系程序的规划，依据 PCM- 3466 的示教盒程序的规划；机器人运动学剖析及三轴圆弧插补算法的研讨； 4) 试验研讨：经过对变压力差下的流量测验，验证模型树立的正确性， 经过对机器人功用目标的测验以验证机器人操控体系是否满意规划要求，进行 点胶效果试验，以验证机器人的全体功用。 第2章 机器人操控体系硬件规划与点胶机理的研讨 2.1 导言 本文操控目标为五自由度点胶机器人，为了到达技能目标，及考虑到系 统的安稳性，本章树立了依据 IPC 的操控体系、依据 PCM-3466 的示教盒，设 计了供胶子体系，并剖析了步进电机的驱动机理，然后规划了依据 IM2000S 的步进电机驱动器。为了完结准确的出胶量操控，还树立了点胶试管模型，分 析了影响点胶的要素。 2.2 五自由度点胶机器人作业剖析 2.2.1 点胶机器人组织 机器人能在密闭的作业空间中完结制鞋点胶作业，其五自由度组织能完结 杂乱曲线的运动，经过示教盒输入作业轨道，机器人能够完结轨道的主动插 补，并能接连操作，供胶体系完结出停胶操控，主动完结鞋子点胶作业。程序 能够保存成使命文件，并能够屡次调用和履行。机器人结构如图 2-1 所示。 a) 五自由度点胶机器人全体结构图 b) 结尾旋转履行组织图 图 2-1 五自由度点胶机器人的博亚体育官方网站结构 Fig. 2-1 Mechanism of 5-DOF Robot for dispensing 机器人的前三个关节为平动自由度；后两个为滚动自由度；移动关节选用 龙门直角坐标结构，其间，伺服电机 1 操控 Y 方向水平运动，伺服电机 2 操控 X 方向水平运动，伺服电机 3 操控 Z 轴的笔直运动。步进电机 4 操控绕 Z 轴的 滚动关节 1，步进电机 5 操控滚动关节 2，其滚动轴在机器人方位零点处与 Y 轴同向。 点胶机器人要到达的技能目标： (1) 作业空间：400mm×150mm×100mm (2) 旋转作业空间 θy=90°，θz=360° (3) 重复定位精度：X、Y、Z 轴 ±0.5mm，U、W 轴±0.5° (4) 运动分辨率：X、Y、Z 轴：0.01mm (5) 作业速度：100mm/s 为了到达机器人的操控目标，下面本文剖析机器人完结点胶作业的作业过 程，经过机器人组织及作业进程，能够树立机器人操控体系硬件。 2.2.2 点胶机器人作业进程 五自由度点胶机器人能完结制鞋业爱游戏全站app在线渠道。机器人在密闭的作业空间中完 成制鞋点胶作业；能完结杂乱曲线的运动，经过示教盒输入作业轨道，机器人 能够完结轨道的主动插补，并能接连操作，供胶体系完结出停胶操控，主动完 成鞋子点胶作业。程序能够保存成使命文件，并能够屡次调用和履行。点胶机 器人作业进程如图 2-2 所示： 图 2-2 点胶机器人作业进程 Fig. 2-2 The process of dispensing robot 图中左边为示教盒，能够树立机器人使命文件，鞋子上面为结尾履行机 构，白色的线即为机器人轨道。 点胶机器人作业进程归结为以下进程： 1) 操作人员把鞋子设备在夹具上； 2) 发动机器人主动操控程序，从示教盒输入使命或许从硬盘装载使命； 3）将履行组织（包含胶刷和出胶头）移动到开端点上方，调整好位姿； 4）出胶信号有用，延时。 5）出胶头喷胶在斜旁边面，保证机器人一起开端动作，用胶刷把胶涂均 匀。 6）软件操控操作机走出程序中现已存在的途径（经过示教盒输入）；保证 轨道精度； 7）在前次的轨道内部区域用胶刷来回涂刷，使得整个底部充溢胶水； 8）中止出胶，延时，走完轨道。 9）回到开端点，，或回到机器人设定方位零点，等候下一周期。 经过对作业环境、机器人功用及点胶作业进程的剖析，能够得到机器人工 作状况恶劣，搅扰信号强，为此，本文树立了依据工控机的伺服和步进操控系 统，下面将介绍操控体系的组成，即电机操控模块，示教盒模块和供胶模块。 2.3 操控体系组成 2.3.1 操控体系全体结构 操控体系的构成框图如图 2-3 所示。 图 2-3 机器人操控体系框图 Fig. 2-3 Robot control system diagram 机器人操控体系能够分为依据 IPC 的多轴电机操控子体系，依据 PCM- 3466 示教盒子体系和供胶子体系。 多轴电机操控子体系为机器人运动操控的主体，工控机经过 PCI 接口的电 机操控卡来操控电机，然后使结尾履行器履行示教盒输入的使命轨道。 示教盒子体系首要功用是为机器人树立使命，经过 RS-232 接口与工控机 通讯，传递使命文件和操控指令，进行机器人的示教编程。 供胶子体系是机器人涂胶作业中重要的组成部分，工控机经过单路 I/O 开 关信号完结机器人的供胶子体系操控，供胶子体系选用压力操控流量的办法， 完结出胶量的准确操控。 工控机经过工业摄像机和图画收集卡监控体系工作，机器人有丰厚的人机 接口，包含发动、中止、急停、毛病等各种按钮，便利工人操作，能够处理突 发事情。 2.3.2 依据 IPC 的多轴电机操控子体系 依据 IPC 机器人多轴电机操控体系硬件构成如表 2-1 所示。 表 2-1 操控体系的硬件构成 Table 2-1 The hardware of control system 称号 类型 出产厂商 工控机 FSB-860B 研扬工控机 伺服操控器 MAC-3002SSP4 博实精细测控 伺服电机 Z/驱动 器 GYS500DC2-T2A-B /RYC500D3-VVT2 富士 伺服电机 XY/驱 动器 GYS101DC2-T2A / RYC101D3-VVT2 富士 步进操控器 MAC-3002STP4 博实精细测控 步进电机 U 42BYG250C-SASSML-0501 森创 步进电机 W 35BYG250B-SASSMQ 森创 图画收集卡 DH-CG400 大恒图画 工业摄像机 MPV-1881-EX 台湾敏通 工控机可靠性高，环境适应性强，丰厚的输入输出模块，体系扩充性和开 放性好，体系通讯功用强，本文选用了研扬科技的 FSB-860B 工控机。 机器人组织规划时，XYZ 平动轴挑选伺服电机，UW 旋转轴挑选步进电 机，本文经过伺服操控卡 MAC-3002SSP4 及步进操控卡 MAC-3002STP4，实 现电机的操控。步进及伺服操控卡是依据 PCI 总线 轴高功用运动操控 卡。其内部完结 S 形、梯形速度曲线规划，以完结主动加减速功用，二到四 轴直线插补以及任何两轴之间的圆弧插补。其强壮的功用使机器人操控体系软 件规划变得快速、简略。 2.3.3 依据 PCM-3466 的示教盒子体系 示教盒是机器人操控体系的重要组成部分，操作者经过示教盒进行手动 示教，操控机器人到达不同位姿，并记载各个位姿点坐标，生成机器人可履行 使命文件，完结要求的轨道运动。示教盒的硬件构成框图如图 2-4 所示： 图 2-4 示教盒硬件结构图 Fig. 2-4 The hardware of Teaching and programming system 示教盒的硬件构成如表 2-2 所示： 表 2-2 示教盒硬件构成 Table 2-2 The hardware of Teaching and programming system 称号 类型 效果 PCM-3466 PCM3466 示教盒主控单元 液晶显现器 LM1905R 示教盒显现单元 液晶操控器 HD44780 液晶操控单元，液晶显现器与 PCM-3466 接口 键盘 HT82K628 扩展键盘专用芯片 示教盒主操控器选用蓝宇科技集成 PCM-3466 操控模块的工业计算机， PCM-3466 板载嵌入式高功用 16 位处理器，与 80C186 处理器兼容，具有极高 的功用，主频高达 100MHz，并且支撑 1MB 的 SDRAM。其指令与其他 X86 微处理器兼容。支撑规范 IDE 接口(DOM,一般硬盘)、四个串口（RS-232 和 RS-485） 、PS/2 键盘口、以及 16 点阵二级汉字库，以最少数量的芯片完结最 小尺度的模块的最多的功用。 液晶显现器选用蓝宇科技的 LM1905R 及日本 SEIKO EPSON 公司出品的 液晶显现操控芯片。该驱动芯片具有功用较强的 I/O 缓冲器，指令丰厚，可完 成多种文本图形的显现，改写功用；数据部分选用并行四位发送，最大能够驱 动 640×256 点阵液晶显现屏。 在示教盒规划中，大部分器材选用集成模块，下面将剖析本文规划的键盘 接口模块。 选用键盘译码集成电路 HT82K628，经过 PS/2 接口来扩展键盘，PS/2 键 盘接口规范是 1987 年由 IBM 推出的通用键盘接口规范，在其于 PCM-3466 互 连的信号线 支脚有界说：别离是 Clock(时钟脚)、Data(数据脚)、 +5V(电源脚)和 GND(电源地)。在 PS/2 键盘与 PC 机的物理衔接上要保证这四 根线一一对应。 其扩展电路原理图如图 2-5 所示。 图 2-5 键盘扩展电路原理图 Fig. 2-5 Keyboard extension circuit diagram 图中的集成电路 U1 便是 HT82K628，其外部扩展电路有：键盘操控芯片 复位电路，供电电路和键盘阵列，经过 PS/2 接口与 PCM-3466 衔接。选用中 断来接纳键盘音讯。其对应的各个按键的 ASCII 码与 PS/2 键盘相同。示教盒 因为没有其它外设电路，因而把串行通讯接口放在键盘电路的一端，便利示教 盒与工控机的衔接。图 2-6 为 PS/2 接口时序图。 图 2-6 键盘 PS/2 接口时序图 Fig. 2-6 Keyboard PS / 2 interface Sequencers 从 PS/2 接口的时序图，可知：传输的数据帧一般为 11-12 字节，其间包 含：1 个开端位 总是逻辑 0 ；8 个数据位（LSB）低位在前；1 个奇偶校验位 奇校验；1 个中止位 总是逻辑 1；1 个应对位仅用在主机对爱游戏爱体育的通讯中。 图 2-7 所示为本文所规划的机器人示教盒。 图 2-7 机器人示教盒 Fig. 2-7 Robot teaching and programming system 示教盒体系键盘界面 26 个按键，为了便于对按键进行处理，将按键按功 能分红如表 2-3 所示的模块。 表 2-3 分类按键功用表 Table 2-3 Function of menu button by categories 分类 按键 功用阐明 菜单键 F1-F5 用于挑选与显现屏菜单行的对应菜单项(快捷键) 修改键 删去 用于使命及输入文字的删去功用 清空 对输入文字的一次性删去操作 确认 使输入收效 撤销 撤销本次操作，一切输入无效 换档 完结字母的巨细写切换 字母数字 键 0~9，A~Z， space 及· 输入相应的字符、字母和数字 光标移动 键 上、下、左、 右 移动光标，完结功用挑选 表中，各类按键被按下，示教盒选用中止接纳并进行相应的处理，能够通 过接连按同一个按钮，完结组合键功用。 2.3.4 供胶子体系的规划 本文所用的时刻/压力型点胶进程的原理如图 2-8 所示。 图 2-8 点胶体系的原理图及实物图 Fig. 2-8 Dispensing system diagram and object 气源为来自出产线的安稳的气路分支，经过气动三大件——过滤器、别离 器和节流阀引进到体系，经过节流阀的气体，一路转化为点胶体系的胶水的压 力，一路用于操控点胶履行组织出胶。有压力的胶水在体系中活动时，经过执 行组织的手动节流阀进入履行组织，在出胶信号的效果下，开端出胶。 图中元件 1 为空气紧缩机，其内部集成气动三大元件，在出产线上运用 时，有必要运用过滤器，别离器，节流阀。其间过滤器为净化紧缩空气中的颗粒 物质，削减气缸履行进程中的冲突，前进气动元件寿数；别离器为净化紧缩空 气中的水蒸汽，使气缸作业在枯燥的环境下，不易生锈；节流阀为调整进口压 力的元件，三者缺一不行。 元件 2 为气压出胶操控器，输入信号为空气紧缩机产生的紧缩气体，输出 信号为压力调整后的空气，完结压力准确操控，并能够完结出停胶信号。 元件 3 气压——液压转化设备，类型为 TH-2004K，输入为有压力的气 体，输出为有压力的胶水。 元件 4 为点胶体系履行元件，输入信号为气动操控信号及有压力的胶水， 输出为安稳的流速及流量的胶水。 2.4 可控细分步进电机驱动器的研讨 因为本文中的五自由度点胶机器人对运动精度和驱动功用的需求，一般的 单双拍制步进电机驱动办法现已无法满意规划要求。且商场上的细分驱动器能 满意安稳性和功率要求的价格偏高，体积也较大，设备不便利，为此本文规划了 一套低本钱、高精度、高安稳度的可控细分步进电机驱动器。 2.4.1 两相混合步进电机的驱动机理 经过给步进电机各相励磁绕组轮番通电，完结步进电机内部磁场组成方向 的改动来驱动步进电机滚动。一般状况下，步距角的巨细只要两种，整步和半 步，可到达的步距精度很有限。步距角的细分是经过电流矢量幅均匀旋转的方 法完结的，即一起改动两相电流iA和iB的巨细，使电流组成矢量等幅均匀旋 转。这种办法从理论上消除了相角滞后的改动对细分角的影响，保证了电机步 距角细分的完结。iA和iB的改动曲线+ sin xn) ?iB M? = 0.5i (1+ cos ?iB M 式中 iM——电机每相的最大作业电流； x——每步电流改动的视点； n——脉冲数 (2-1) 每逢 n 改动 1，步进电机转子就转过 x/360o 的步距角，然后完结了电机的 360 细分操控。由 x 的不同就能够树立不同的细分数，图 2-9 是 x 取 15o，即电 机 24 细分时在一个步距角内 A、B 相电流改动的状况。 可见当步进电机接连工作时，A、B 相的电流随时刻的改动别离相当于离 散的正弦和余弦序列，一般的驱动操控办法是用微处理器经过查找表和数模转 换器产生电流序列，经过与三角波比较得到相应占空比的 PWM 脉冲馈送至 H 桥驱动器，用电流滤去 PWM 载波后作为反应量完结闭环，这样的体系结构复 杂，对微处理器的功用要求较高，工作安稳性和本钱也难以操控。 图 2-9 24 细分的两相电流波形 Fig. 2-9 Current waveform of the 24 subdivision mode 2.4.2 可控细分步进电机驱动电路规划 本文规划的可控细分步进电机驱动器电路原理图见图 2-10。 图 2-10 可控细分步进电机驱动器电路原理图 Fig. 2-10 Variable subdivision stepper motor driver schematic U1 是高功用步进电机操控专用集成电路（ASIC）IM2000S，内部包含有 正弦/余弦查找表、步进产生器、PWM 产生器、电流反应操控器、抗共振电路 和维护电路，步距角细分值可取 2、4、5、8、10、16、25、32、50、64、 125、128、250、256 共 14 个动态可选值以满意不同的精度和动态需求。U5， U6 是 8 位 1MSPS CMOS/Si-Cr 数模转化集成电路（DAC）DAC0832，图 2－ 7 中的接法能够输出 0~0.5Vcc （电源电压）的模仿电平，这两个电平受 IMU2000S 操控而按余弦/正弦查找表和细分步距快速扫描，经过比较器 U2 分 别与电动机两相绕组的电流反应信号比较，然后得到该步反应电流在余弦/正 弦中的相位，由此步进产生器依据输入的脉冲数和方向信号操控 PWM 产生器 产生下一步所需的 PWM 占空比，这两个占空比别离经过 3.5A 全桥驱动器 L6203 和续流电路，驱动步进电机的 A、B 相绕组，完结细分工作。因为能够 经过反应电流得到每一步的相位，然后完结了工作方位内部反应，从根本上保 证了运动的精度。 图 2-11 是本文规划的驱动器的实物图。 图 2-11 驱动器实物图 Fig. 2-11 Product of the driver circuit 步进电动机 25 细分时，用示波器测得两相电流反应信号波形如图 2-12。 可见其细分步距改动和规划原理符合，证明了规划的可行性。 图 2-12 25 细分时 A、B 相电流反应信号波形 Fig. 2-12 Current feedback waveform of A and B phase coil when 25 subdivision 2.5 供胶子体系的建模及仿真 本节致力于处理制鞋涂胶机器人的出胶均匀性的问题。本文选用的点胶方 法为时刻/压力型点胶办法。本节树立了点胶试管模型，剖析了影响点胶流量 的要素，其间包含点胶压力，点胶试管直径以及流体特性等。 2.5.1 点胶试管流量模型的树立 点胶进程难以操控的一个重要原因便是点胶质量十分依赖于流体的性质。 而流体一般都有流变特性，也便是说点胶进程中所用的流体大多对错牛顿流 体，流体粘度不是常数，而是同温度，应变速度等要素有关，且其功用往往也 随时刻改动。而工业界实践运用的各种流体也没有一致的配方，其实践功用也 有不同。更困难的是，其实在特性往往也并不归于某一种类型，而是多种特性 的归纳。因为流体的运用规模极广，相应的模型也层出不穷。虽然对流体性质 有许多近似的试验模型，Holdswoth 以为没有一个通用的模型能够描绘一切流 体的流变性质，因而对工程运用便是要依据试验寻求一个近似模型。为了面向 一个通用模型研讨点胶进程，Razban 和 Davies 则运用了幂律流体来近似粘接 剂的流变特性。 由结尾履行器的特色可知试管腔内的流体速度要远远小于针头处的流速。 因为面向涂线工艺每次点胶进程都只要少数的胶流出(相关于履行器的容积)， 并且涂线工艺要求的流体运动速度比涂点工艺要低许多，因而在每个点胶周期 内，试管腔内的流体运动就能够疏忽。这样流体简化建模就只用考虑针头部分 的流体运动模型。此外从流体的本身性中，还能够进一步剖析得到以下一些假 设： a)没有重力效果(属高粘度流体)； b)活动为层流，即小于临界雷诺数 2300； c)沿着管径方向的运动能够疏忽。这就阐明轴向运动重量要远远大于径向 运动重量，在试管横断面上压力安稳； d)没有流体对流要素(流体运动速度要远远小于声速)； e)资料特性不变； f)试管针头为刚性； 选用简化解析建模的试管内部流体模型如图 2-13 所示。 Ln图 2-13 点胶试管内部流体模型图 Ln Fig. 2-13 Dispensing tube internal fluid model 取沿着针尖长度方向的针尖内的胶体环型微分单元，长度为Ln，在半径r 处的环行增量dr，依据牛顿动力学方程式，有： π rdrΔP ? F = π rdrL ρ ?u  (2-2) 2 ∑ sh 2 n ?t 式中 ΔP——是针尖两头的压力差； ∑ Fsh ——效果在该环型单元表里两边的冲突力之和； ∑ Fsh 如图 2-14 所示，依据式(2-2)求解： 图 2-14 流体冲突力示意图 Fig. 2-14 Fluid friction sketch map ?τ ?τ ∑ Fsh = 2π (r + dr)Ln (τ + ?r dr) ? 2π rLnτ = 2π drLn (r ?r +τ ) 式中 τ——剪切应力； u——胶体流速 将上两式组合可得到： (2-3) ΔP ? 1 ? (rτ ) = ρ ?u  (2-4) Ln r ?r ? t 式中 ΔP ——流体质点所遭到的压力； Ln 1 ? (rτ ) ——流体质点所遭到的阻力； r ?r ρ ?u ——能够当作其加快度 ?t 为便利起见，能够将半径 r 归一化为 x(x

　　1。将上式代入到偏微分 方程则有非牛顿流体的动力学方程： ΔP ? 1 K ? (x ?u n?1 ?u ) = ρ ?u  (2-8) L (D / 2)n+1 x ?x ?x ?x ?t n n 式(2-8)是一个非线 iYe id ) γ?R ? (其它) γ ? (3-13) 圆弧插补前设定一个变量α，α初始值为零。插补进程中，每插补一步， αi+1=αi+θ，假如αi+1

　　γR时，要批改最终一步的步距 角θ=γR—αi+1. 依据平面圆弧及旋转坐标系办法的圆弧插补位移及速度仿线 圆弧插补位移和速度仿真曲线 The simulation curve of circular interpolation displacement and speed 圆弧开端点(50，0，0)，停止点(0, 40, 30)，圆心(0，0，0)，插补周期 T=8ms，最大极限速度V=100mm/s，加快度a=100mm/s2，顺圆插补。 经过仿真剖析能够看出，机器人速度曲线滑润，没有较大的加快冲击， 现已在点胶机器人软件中运用该算法完结三维圆插补。 3.5 本章小结 本章首要规划了依据 IPC 的操控软件，依据 PCM-3466 的示教盒软件，及 完结了三维圆弧插补算法。在本章中，首要剖析了机器人运动学正解和机器人 雅可比矩阵，介绍了机器人点胶作业的运动流程图，对软件功用进行分化，并 完结了首要功用模块；在示教盒软件设

　　GB T 32610-2016_日常防护型口罩技能规范_高清版_可检索.pdf