SCARA機器人的研究與設計.pdf

五邑大學碩士學位論文I摘要機器人在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛應用目前工業(yè)機器人控制系統(tǒng)大多采用封閉結構的專用控制器其通用性差生產(chǎn)成本高不易擴展和維護已越來越不能適應現(xiàn)代制造業(yè)柔性化網(wǎng)絡化生產(chǎn)的需求開發(fā)利用現(xiàn)有資源的開放式機器人控制器以降低機器人成本使機器人像個人計算機一樣普及將成為機器人的一個重要方向本文基于工控機單片機和Windows2000操作系統(tǒng)以SCARA平面關節(jié)型機器人為研究對象設計研制了高性能低成本開放式的控制器并設計制作了SCARA機器人樣機采用二級計算機體系結構設計了SCARA機器人控制器其中以工控機作為上位機實現(xiàn)人機界面軌跡規(guī)劃運動控制和狀態(tài)監(jiān)控等功能下位機采用STC89C51單片機控制系統(tǒng)通過PCL-731數(shù)字I/O卡與上位機通訊實現(xiàn)接收上位機指令驅動機器人關節(jié)運動等功能建立了SCARA機器人的機械結構模型SCARA機器人由六部分組成包括一個移動關節(jié)和三個旋轉關節(jié)各關節(jié)采用伺服電機驅動基于模塊化設計思想采用Pro/ENGINEER和AutoCAD完成了機器人本體的三維模型設計和二維圖設計根據(jù)設計圖加工制作了主要機械部件完成了機器人本體的裝配和調(diào)試設計制作了STC89C51單片機控制系統(tǒng)硬件電路完成了伺服驅動器的主電路配線和機器人控制器的硬件電路配線采用C+Builder和匯編語言開發(fā)了控制器的上位機控制系統(tǒng)和下位機控制系統(tǒng)設計了上位機與下位機的通訊協(xié)議和通訊模塊并對控制器的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)進行了綜合調(diào)試完成了SCARA機器人的工作穩(wěn)定性實驗點位運動實驗和連續(xù)運動實驗實驗結果表明基于工控機和Windows2000操作系統(tǒng)設計的開放式SCARA機器人控制器具有通用性強開放性好操作簡單易于擴展維護方便等特點基于該控制器利用現(xiàn)有資源設計的SCARA機器人生產(chǎn)成本低功能擴展性強具有良好的實用價值和廣闊的市場前景關鍵詞SCARA機器人開放式控制器工控機單片機I/O卡伺服電機SCARA機器人的研究與設計IIAbstractRobothasbeenwidelyusedinindustryproduction.Atpresent,mostoftheindustryrobotcontrolsystemsusecloseandspecialcontrollers,whicharelowuniversal,highcost,noteasytobeextendedandmaintained,andcantadapttotherequirementofflexibleandnetworkproductionofmodernmanufacturing.Itwillbeanimportantwayofrobottodevelopopenarchitecturerobotcontrollerbyusingexistingresourcetoreducethecostofrobotandmakerobotpopularizejustlikecomputer.ThepaperstudiesSCARArobot,designsandproducesakindofSCARArobotcontrollerthatisofhighperformance,lowcostandopen-architecturebasedonindustryPC,singlechipandWindows2000.ASCARArobotprototypemachineisdesignedandproduced.Therobotcontrollerisdesignedwiththestructureoftwolevelscomputersystem.Ontheonehand,IndustryPCisusedasmastertoofferhuman-computerinterface,markoutthetrack,controlthemovement,inspectandcontrolthestatus.Ontheotherhand,STC89C51singlechipcontrolsystemisusedasslavetocommunicatewiththemasterbyPCL-731digitalI/Ocard,receivetheinstructionsfrommastercomputeranddrivetherobotjointmoving.ThemodelofmechanicalstructureofSCARArobotisbuilt.SCARArobotisconsistedofsixparts,includesamovingjointandthreerotaryjoints.Allthejointsaredrovebyservomotors.Theauthordesigned3-dimensionmodelsand2-dimensiondrawsofSCARArobotsmanipulatorbyPro/ENGINEERandAutoCADbasedonmodeldesigningthinking.Themainmechanicalpartsofrobotarmsaremachinedandprocessedaccordingtothedraws,andtheassemblinganddebuggingofSCARArobotsmanipulatorhasbeenfinished.TheauthordesignedandproducedhardwarecircuitofSTC89C51singlechipcontrolsystem.Thewiringofservomotordriversmaincircuitandhardwarecircuitoftherobotcontrollerisfinished.TheauthordevelopedmaincomputercontrolsystemandslavecomputercontrolsystemofSCARArobotcontrollerbyC+Builderandcompilinglanguage.Thecommunicationprotocolandmodelsbetweenmainandslavecomputerarealsodesigned.Meanwhile,hardwaresystemandsoftwaresystemofthecontrollerare五邑大學碩士學位論文IIIsyntheticallydebugged.TheexperimentofSCARArobotsworkingstability,movingfrompointtopointandmovingcontinuousisfinished.TheresultsoftheexperimentindicatethattherobotcontrollerwithopenarchitecturebasedonindustryPCandWindows2000posestheadvantagesofgoodversatility,goodopenness,operatingsimply,expandingeasilyandmaintainingexpediently.TheSCARArobotdesignedbasedonthiscontrollerbyexistingresourcehaslowcost,powerfulexpansibilityoffunction,goodutilityvalueandwidemarketprospect.KeyWords:SCARARobot,OpenArchitecture,Controller,IndustryComputer,SingleChip,I/OCard,Servomotor五邑大學碩士學位論文1第一章緒論1.1工業(yè)機器人的發(fā)展及研究現(xiàn)狀機器人自誕生之日起便顯示出其強大的生命力機器人首先在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應用并給傳統(tǒng)工業(yè)帶來了質(zhì)的飛躍它不僅提高了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的自動化程度提高了勞動生產(chǎn)率而且還推動了以資源消耗低環(huán)境污染少為特征的新型工業(yè)的誕生隨著人類在機械工程電氣工程微電子技術計算機技術控制論傳感技術信息學聲學仿生學及人工智能等學科領域的飛速發(fā)展機器人技術的應用也正在向農(nóng)業(yè)林業(yè)畜牧養(yǎng)殖海洋開發(fā)宇宙探索國防建設安全救濟生物醫(yī)學服務娛樂等新領域拓展開來并已取得顯著進展機器人技術已成為高科技應用領域中的重要組成部分1-15機器人主要有兩大類用于制造環(huán)境下的工業(yè)機器人和用于非制造環(huán)境下的服務機器人工業(yè)機器人是一種對生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)條件具有較強的適應性和靈活性的柔性自動化裝備它主要用于現(xiàn)代制造業(yè)中代替人們從事繁重重復單調(diào)環(huán)境惡劣危險人做不了或做不好的工作從而減輕了人們的勞動強度改善了勞動環(huán)境并有效地提高了生產(chǎn)的自動化程度提高了產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率工業(yè)機器人是柔性化制造系統(tǒng)FMS自動化工廠FA和計算機集成制造系統(tǒng)CIMS必不可少的自動化工具它的發(fā)展和應用情況已成為一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志9-151.1.1工業(yè)機器人的發(fā)展歷程1954年美國的GeorgeDevol設計了第一臺可編程機器人取名為萬能自動UniversalAutomation該機器人自帶存儲器可以實現(xiàn)點到點的再現(xiàn)運動1956年Devol和被譽為工業(yè)機器人之父的JosephF.EngelBerger成立了Unimation公司開始設計生產(chǎn)工業(yè)機器人UNIMATE并于1960年研制出第一臺機器人樣機同時美國AMFAmericanMachineand