工業(yè)機器人 三自由度直角坐標工業(yè)機器人設(shè)計

1、沈 陽 工 程 學 院課 程 設(shè) 計 設(shè)計題目:三自由度直角坐標工業(yè)機器人設(shè)計系 別 自控系 班級 測控本 071學生姓名 楊薇 學號 04 指導教師 祝尚臻 職稱 講師起止日期: 2010 年 12月 27日起 至 2011年 1月 7日沈陽工程學院課程設(shè)計任務(wù)書課程設(shè)計題目:三自由度直角坐標工業(yè)機器人設(shè)計系 別 自動控制工程系 班級 測控本 071 學生姓名 楊薇學 號 2007309104指導教師 祝尚臻 職稱 講師課程設(shè)計進行地點: F430任 務(wù) 下 達 時 間: 2010 年 12月 27日起止日期:2010 年 12 月 27日起至 2011 年 1 月 7日止 教 研 室 主

2、任 年 月 日批準火災預警機器人的設(shè)計課程設(shè)計成績評定表 系(部:自控系 班級:測控本 071 學生姓名:楊薇 - II -中 文 摘 要角坐標機器人具有空間上相互垂直的兩根或三根直線移動軸,通過直角坐標方向的 3個獨立自由度確定其手部的空間位置, 其動作空間為一長方體。 直角坐標機器人結(jié)構(gòu)簡單, 定位精度高,空間軌跡易于求解;但其動作范圍相對較小,設(shè)備的空間因數(shù)較低,實現(xiàn)相 同的動作空間要求時,機體本身的體積較大。大型的直角坐標機器人也稱桁架機器人或龍門式機器人是能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制的、 可重復編程的、多自由度的、運動自由度建成空間直角關(guān)系的、多用途的操作機。其 工作的行為方式主要是通過完成沿著

3、 X 、 Y 、 Z 軸上的線性運動。近年來隨著工業(yè)機器 人的不斷發(fā)展, 工業(yè)機器人不斷在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用, 尤其是結(jié)構(gòu)簡單的直角 坐標機器人, 本次設(shè)計我主要是對三自由度的直角坐標機器人進行設(shè)計, 完成一個大 概的設(shè)計,在設(shè)計中我采用了各種光電傳感器,還采用了 C8051F 系列單片機作為本 次設(shè)計的主控芯片 , 各種算法的實現(xiàn)就是使用這款芯片實現(xiàn)的。隨著直角坐標機器人 的應(yīng)用越來越廣泛, 直角坐標機器人的設(shè)計工作日益顯得重要。 成功的設(shè)計一臺直角 坐標機器人涉及到很多方面的工作,包括機械結(jié)構(gòu)、動力驅(qū)動、伺服控制等等。關(guān)鍵詞 三自由度 直角坐標 機器人- I -I目 錄中 文 摘 要

4、. . I 目 錄 . I I 1三自由度直角坐標工業(yè)機器人設(shè)計 . 1 1.1設(shè)計目的及基本要求 . . 1 1.1.1設(shè)計目的 . 1 1.1.2基本要求 . 1 1.2對設(shè)計論文撰寫內(nèi)容、格式、字數(shù)的要求 . 11.3時間進度安排 . 12 設(shè)計思路 . 2 2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計 . . 22.2系統(tǒng)各環(huán)節(jié)設(shè)計 . 23 設(shè)計方框圖 . 34 直角坐標機器人的硬件設(shè)計 . . 4 4.1直角坐標機器人的結(jié)構(gòu)特點 . 4 4.2直角坐標機器人的應(yīng)用 . 5 4.3 直角坐標機器人的分類 . 5 4.4三自由度直角坐標機器人的硬件設(shè)計 . 5 4.4.1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 . . 5 4.4

5、.2 傳動機構(gòu)的設(shè)計 . 6 4.4.3 驅(qū)動方式的選擇 . 84.4.4 內(nèi)部傳感器的選擇 . . 95直角坐標機器人的控制設(shè)計 . . 12 5.1 示教再現(xiàn)功能 . 125.2運動控制功能 . 126 主要元器件介紹 . 137 小結(jié) . 148 致謝 . 159. 參考文獻 . 16 附錄 . . 1- II -1三自由度直角坐標工業(yè)機器人設(shè)計1.1設(shè)計目的及基本要求1.1.1設(shè)計目的1了解工業(yè)機器人技術(shù)的基本知識以及單片機、機械設(shè)計、傳感器等相關(guān)技術(shù)。2初步掌握工業(yè)機器人的運動學原理、傳動機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)并應(yīng)用于工業(yè)機 器人的設(shè)計中。3通過學習掌握工業(yè)機器人的驅(qū)動機構(gòu)、 控制

6、技術(shù), 并使機器人能獨立執(zhí)行一定的任務(wù)。 1.1.2基本要求1要求設(shè)計一個微型的三自由度的直角坐標工業(yè)機器人;2要求設(shè)計機器人的機械機構(gòu)(示意圖 ,傳動機構(gòu)、控制系統(tǒng)、及必需的內(nèi)外部傳感器 的種類和數(shù)量布局。3要有控制系統(tǒng)硬件設(shè)計電路。1.2對設(shè)計論文撰寫內(nèi)容、格式、字數(shù)的要求(1 課程設(shè)計論文是體現(xiàn)和總結(jié)課程設(shè)計成果的載體,一般不應(yīng)少于 3000字。(2 學生應(yīng)撰寫的內(nèi)容為:中文摘要和關(guān)鍵詞、目錄、正文、參考文獻等。課程設(shè)計 論文的結(jié)構(gòu)及各部分內(nèi)容要求可參照沈陽工程學院畢業(yè)設(shè)計(論文撰寫規(guī)范執(zhí)行。 應(yīng)做到文理通順,內(nèi)容正確完整,書寫工整,裝訂整齊。(3 論文要求打印,打印時按沈陽工程學院畢業(yè)

7、設(shè)計(論文撰寫規(guī)范的要求進 行打印。(4 課程設(shè)計論文裝訂順序為:封面、任務(wù)書、成績評審意見表、中文摘要和關(guān)鍵詞、 目錄、正文、參考文獻。1.3時間進度安排 2010-12-27- 1 -12 設(shè)計思路2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計本次設(shè)計的題目是三自由度直角坐標機器人,直角坐標機器人具有空間上相互垂直的 兩根或三根直線移動軸,通過直角坐標方向的 3個獨立自由度確定其手部的空間位置,其 動作空間為一長方體。直角坐標機器人結(jié)構(gòu)簡單,定位精度高,空間軌跡易于求解;但其 動作范圍相對較小,設(shè)備的空間因數(shù)較低,實現(xiàn)相同的動作空間要求時,機體本身的體積 較大。2.2系統(tǒng)各環(huán)節(jié)設(shè)計直角坐標機器人,它由水平軸 (

8、X軸, Y 軸 ,垂直軸 Z 軸及驅(qū)動電機組成。此外一個完整的機器人系統(tǒng)還需要控制系統(tǒng)和手抓,下面分別予以介紹 :直線運動軸也叫直線運動單元,它就是一個獨立的運動軸,主要由支撐載體的鋁型材或鋼型材 和被安裝在型材內(nèi)部的直線導軌、運動滑塊以及作為帶動滑塊做高速運動的同步帶組成。運動軸的驅(qū)動系統(tǒng)直角坐標機器人的傳動主要是通過驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)動帶動同步帶運動,同步帶帶動直 線導軌上的滑塊運動。當驅(qū)動軸的最高轉(zhuǎn)速低于 60Or/min時通常選用步進電機,否則選 用交流伺服電機。直角坐標機器人的控制系統(tǒng)機器人要在一定時間內(nèi)完成特定的任務(wù),在完成抓取,加速運動,高速運動,減速 運動, 釋放工件等同時, 還要與

9、相關(guān)的設(shè)備通過通訊或 I/O口實現(xiàn)一些時序上的協(xié)調(diào)同步。 另外在涂膠應(yīng)用上,各個運動軸要完成直線和圓弧插補運動。因此其數(shù)控系統(tǒng)要按具體應(yīng) 用要求來選定其控制軸數(shù)、 I/O口數(shù)量和軟件功能。通常選用數(shù)控系統(tǒng), PLC ,工控機加運 動控制卡和帶軸卡功能及 I/O口的驅(qū)動電機來做控制系統(tǒng)。直角坐標機器人的末端操作器手爪系統(tǒng)根據(jù)其具體應(yīng)用情況,其手爪系統(tǒng)可能是氣動吸盤、氣動夾取手爪、電動夾取手爪、 電磁吸取手爪、 焊槍、 膠槍、 專用工具和檢測儀器等。 在很多場合可以一次抓取多個工件。- 2 -3 設(shè)計方框圖 圖 3 1主程序方框圖 - 3 -34 直角坐標機器人的硬件設(shè)計4.1直角坐標機器人的結(jié)構(gòu)

10、特點針對各種不同的應(yīng)用,實際上可以方便快速組合成不同維數(shù),各種行程和不同帶載能 力的壁掛式、懸臂式、龍門式或倒掛式等各種形式的直角坐標機器人。從簡單的二維機器 人到復雜的五維機器人就有上百種結(jié)構(gòu)形式的成功應(yīng)用案例。從電機到汽車等各行各業(yè)的 自動化生產(chǎn)線中,更是各式各樣的多臺直角坐標機器人和其它設(shè)備嚴格同步協(xié)調(diào)工作?？?以說直角坐標機器人幾乎能勝任所有的工業(yè)自動化任務(wù)。下面是其主要特點 :1. 任意組合成各種樣式 :每根直線運動軸最長是 6m ,其帶載能力從 10kg 到 20Okg 。 在實際應(yīng)用中已有近百種結(jié)構(gòu)的直角坐標機器人, 這些結(jié)構(gòu)也可以任意組合成新 的結(jié)構(gòu)等 ;2. 超大行程 :因為

11、單根龍門式直線運動單元的長度是 6m , 還可以多根方便地級連成超 大行程,所以其工作空間幾乎沒有限制,小到手機點膠機,大到 18m 長行程的切 割機, sm 長行程鉆銑床, 6m 6m ” 3m 的檢測機器人等。超大行程時要采用直線 導軌和齒條傳動方式 ;3. 負載能力強 :單根直線運動單元的負載通常小于 20Okg 。但當采用雙滑塊或多滑塊 剛性聯(lián)結(jié)時負載能力可以增加 5到 10倍。當把兩根或四根直線運動單元并排接 起來使用時,其負載可以增加 2到 4倍。當采用多根多滑塊結(jié)構(gòu)時其負載能力可 增加到數(shù)噸 ;4. 高動態(tài)特性 :輕負載時其最大運行速度可達到 sm/s,加速度可達到 4m/s 。

12、使其具 有很高的動態(tài)特性,工作效率非常高,通常在幾秒內(nèi)完成一個工作節(jié)拍 ;5. 高精度 :按傳動方式及配置在整個行程內(nèi)其重復定位精度可達到 0.05mm 到 0.olmm;6. 擴展能力強 :可以方便改變結(jié)構(gòu)或通過編程來適合新的應(yīng)用 ;7. 簡單經(jīng)濟 :對比關(guān)節(jié)機器人,直角坐標機器人不僅外觀直觀且構(gòu)造成本低,編程簡 單類同數(shù)控銑床,易培訓員工和維修,使其具有非常好的經(jīng)濟性 ;8. 勝任復雜任務(wù) :采用帶有 RTCP 功能的五軸或五軸以上數(shù)控系統(tǒng)能完成非常復雜的 噴涂,噴丸,檢測,加工等任務(wù) ;9. 壽命長 :直角坐標機器人的維護通常就是周期性加注潤滑油,壽命一般是 10年以 上,維護好了可達

13、20年 ;10. 應(yīng)用面寬 :可以方便地裝配多種形式和尺寸的手爪,可以勝任許多常見的工作,如 焊接、切割,搬運、上下料、包裝、碼垛、拆垛、檢測、探傷、分類、裝配、貼 標、噴碼、打碼和噴涂等任務(wù)。- 4 -4.2直角坐標機器人的應(yīng)用因末端操作工具的不同,直角坐標機器人可以非常方便的用作各種自動化設(shè)備,完 成如焊接、搬運、上下料、包裝、碼垛、拆垛、檢測、探傷、分類、裝配、貼標、噴碼、 打碼、 (軟仿型噴涂、目標跟隨、排爆等一系列工作。特別適用于多品種,便批量的柔 性化作業(yè),對于穩(wěn)定,提高產(chǎn)品質(zhì)量,提高勞動生產(chǎn)率,改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新 換代期著十分重要的作用。4.3 直角坐標機器人的分類1,

14、按用途分:焊接機器人、碼垛機器人、涂膠(點膠機器人、檢測(監(jiān)測機器人、 分揀(分類機器人、裝配機器人、排爆機器人、醫(yī)療機器人、特種機器人等。2,按結(jié)構(gòu)形式分:壁掛(懸臂機器人、龍門機器人、倒掛機器人等3,按自由度分:兩坐標機器人、三坐標機器人、四坐標機器人、五坐標機器人、六坐標 機器人。4.4三自由度直角坐標機器人的硬件設(shè)計4.4.1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由基座、手臂、末端操作器三大件組成。每一大件都有若 干自由度,構(gòu)成一個多自由度的機械結(jié)構(gòu)。若基座具備行走機構(gòu)、則構(gòu)成行走機器人;若基座不具備行走及腰轉(zhuǎn)機構(gòu),則構(gòu)成單 機器人臂(Single Robot Arm 。手臂一般由上臂

15、、下臂和手腕組成。末端操作器是直接裝 在手腕上的一個重要部件,它可以是二手指或多手指的手抓,也可以是噴漆槍、焊具等作 業(yè)工具。工業(yè)機器人的坐標形式多種多樣,按坐標形式來分的話有:直角坐標型、圓柱坐標型、 球坐標型、關(guān)節(jié)坐標型和平面關(guān)節(jié)型。在本次設(shè)計中我們要設(shè)計的機器人為三坐標直角坐標機器人,這種機器人由三個線性 關(guān)節(jié)組成,這三個關(guān)節(jié)用來確定末端操作器的位置,通常還帶有附加的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),用來確 定末端操作器的姿態(tài)。這種機器人在想 x 、 y 、 z 軸上的運動時獨立的,運動方程可獨立處 理,且方程式是線性的,因此,很容易通過計算機控制實現(xiàn);它可以兩端支撐,對于給定 的結(jié)構(gòu)長度,剛性最大;它的精度和

16、位置分辨率不隨工作場合而變化,容易達到高精度。 下圖 4-1為其工作,空間示意圖。- 5 -5圖 4-1從上圖可以看到此機器人具有三個自由度,其參考坐標系為 x 、 y 、 z 。自由度是指機器 人所具有的獨立坐標軸運動的數(shù)目,理論上自由度越多機器人越靈活,那么它的躲避障礙 物和改善動力性能就會得到提高。4.4.2 傳動機構(gòu)的設(shè)計表 4-1 工業(yè)機器人常用傳動方式的比較 傳動機構(gòu)是指向各軸傳遞運動和動力,以實現(xiàn)軸間的相對移動,在三自由度直角坐標 機器人中,其主要傳動機構(gòu)為平移型傳動機構(gòu)。從上表一中我們可以看到各種傳動方式的 對比。機械傳動機構(gòu),可以將動力所提供的運動的方式、方向或速度加以改變,

17、被人們 有目的地加以利用。我國古代傳動機構(gòu)類型很多,應(yīng)用很廣,除了上面介紹的以外,- 6 -像地動儀、鼓風機等等,都是機械傳動機構(gòu)的產(chǎn)物。我國古代傳動機構(gòu),主要有齒輪 傳動、繩帶傳動和鏈傳動。齒輪傳動 齒輪只用來傳遞運動,強度要求不高。至于生產(chǎn)上所采用的齒輪,要 傳遞較大的動力,受力一般較大,強度要求較高。古代在利用畜力、水力和風力進行 提水、糧食加工等工作時,都要應(yīng)用此類齒輪。例如在翻車上,須應(yīng)用一級齒輪傳動 機構(gòu),以改變運動的方位和傳遞,適應(yīng)翻車的工作要求。其工作示意圖如下圖 4-2。 齒輪傳動式由兩個或兩個以上的齒輪組成的傳動機構(gòu)。它不但可以傳遞運動角位 移和角速度,而且還可以傳遞力和力

18、矩。圖 4-2鏈傳動 鏈,在我國古代出現(xiàn)很早,商代的馬具上已有青銅鏈條,其他青銅器和 玉器上也有用鏈條作為裝飾的。西安出土的秦代銅車馬上,有十分精美的金屬鏈條。 但這都不能算是鏈傳動。作為動力傳動的鏈條,出現(xiàn)在東漢時期。東漢時畢嵐率先發(fā) 明翻車, 用以引水。 根據(jù)其工作原理和運動關(guān)系, 可以看作是一種鏈傳動。 翻車的上、 下鏈輪,一主動,一從動,繞在輪上的翻板就是傳動鏈,這個傳動鏈兼做提水的工作 件,因此,翻車是鏈傳動的一種特例。到了宋代,蘇頌制造的水運儀象臺上,出現(xiàn)了 一種“天梯”,實際上是一種鐵鏈條,下橫軸通過“天梯”帶動上橫軸,從而形成了 真正的鏈傳動。繩帶傳動 這是一種利用摩擦力的傳動

19、方式。在西漢時,四川出產(chǎn)井鹽,在鑿井、 提水時,都是用牛帶動大繩輪,收卷繞過滑輪上的繩索,來提升鑿井工具、鹵水等。 西漢時出現(xiàn)的手搖紡車,是一種典型的繩帶傳動。在西漢時期的畫像石上,有幾幅手 搖紡車圖,可以清楚地看到:大繩輪主動,通過繩索帶動紗錠,用手搖大繩輪旋轉(zhuǎn)一 周,紗錠旋轉(zhuǎn)幾十周,效率很高。以后出現(xiàn)的三錠、五錠的紡車,效率就更高了。元 代的水運大紡車, 也是用繩帶傳動的。 東漢時, 冶金手工業(yè)有一項重要發(fā)明“水排”, 用于鼓風。這種繩帶傳動的工作原理是:水力推動臥式水輪旋轉(zhuǎn),水輪軸上裝有大繩 輪,通過繩帶帶動小繩輪,小繩輪軸上端曲柄隨之旋轉(zhuǎn),通過連桿推動鼓風器鼓風。 這種水排鼓風效力很高

20、,可以抵得上幾百匹馬鼓風。它的出現(xiàn),標志著東漢時發(fā)達的 機械已經(jīng)在我國出現(xiàn)了,因而意義十分重大。在經(jīng)過了以上論證后,我決定采用齒輪鏈傳動機構(gòu)?，F(xiàn)在我以圖 4-3為例來說明齒輪鏈傳動的轉(zhuǎn)換關(guān)系。 - 7 -7 圖 4-3在設(shè)計這個齒輪鏈傳動機構(gòu)的時候我主要考慮到兩個問題:一是齒輪鏈的引入會改變 系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動慣量,從而使驅(qū)動電機的響應(yīng)時間減少,這樣伺服系統(tǒng)就更加容易控制。 輸出軸轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)換到驅(qū)動電機上,等效轉(zhuǎn)動慣量的下降與輸入輸出齒輪齒數(shù)的平方成正 比。 二是在引入齒輪鏈的同時, 由于齒輪間隙誤差, 將會導致機器人手臂的定位誤差增加; 而且,假如不采取一些補救措施,齒隙誤差還會引起伺服系統(tǒng)的不

21、穩(wěn)定性。4.4.3 驅(qū)動方式的選擇要使機器人運動起來,需給各個關(guān)節(jié)即每個運動自由度安置傳動裝置,這就是驅(qū)動系 統(tǒng)。驅(qū)動系統(tǒng)可以是液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動、電動驅(qū)動,或者把它們結(jié)合起來應(yīng)用的綜合系 統(tǒng);可以是直接驅(qū)動或者是通過同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機械傳動機構(gòu)進行間接 驅(qū)動。下面我各自介紹這三種驅(qū)動方式:( 1 液壓驅(qū)動液壓驅(qū)動是由高精度的缸體和活塞一起完成的?；钊透左w采用滑動配合,壓力油從 液壓缸的一端進入,把活塞推向液壓缸的另一端,調(diào)節(jié)液壓缸內(nèi)部活塞兩端的液體壓力和 進入液壓缸的油量即可控制活塞的運動。機器人的驅(qū)動系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動,有以下幾個優(yōu)點:A 、液壓容易達到較高的單位面積壓力,體

22、積小,可獲得較大的推理或轉(zhuǎn)矩。B 、液壓系統(tǒng)介質(zhì)的可壓縮性小,工作平穩(wěn)可靠,并可得到較高的位置精度。C 、液壓傳動中力、速度和方向比較容易實現(xiàn)自動控制。D 、液壓系統(tǒng)采用油液做介質(zhì),具有防銹性和自潤滑性能,壽命長。但是液壓驅(qū)動也有其不足之處:A 、 液壓的粘度隨溫度變化而變化,這將影響工作性能。高溫度容易引起爆炸、燃燒等 危險。B 、 液體的泄露難于克服,要求液壓元件有較高的精度和質(zhì)量,故造價較高。C 、 需要相應(yīng)的供油系統(tǒng), 尤其是電液伺服系統(tǒng)要求嚴格的濾油裝置, 否則會引起故障。 ( 2 氣壓驅(qū)動與液壓驅(qū)動相比,氣壓驅(qū)動的特點是:A 、壓縮空氣粘度小,容易達到高速(1m/s 。B 、利用工

23、廠集中的空氣壓縮機站供氣,不必添加動力設(shè)備。- 8 -C 、空氣介質(zhì)對環(huán)境無污染,使用安全,可直接應(yīng)用于高溫作業(yè)。D 、氣動元件工作壓力低,故制造要求也比液壓元件低。氣壓驅(qū)動的不足之處是:A 、壓縮空氣常用壓力為 0.40.6MPa,若要獲得較大的壓力,其結(jié)構(gòu)就要相對增大。B 、空氣壓縮性大,工作平穩(wěn)性差,速度控制困難,要達到準確的位置控制和困難。C 、 壓縮空氣的除水問題是一個很重要的問題,處理不當會使剛類零件生銹,導致機 器人失靈。此外,排氣還會造成噪聲污染。( 3 電力驅(qū)動分類:按照電機的工作原理不同分為步進電機、直流伺服電機、無刷電機等。按照控制水平的高低來分分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制

24、系統(tǒng)。適用范圍:適合于中等負載,特別適合于動作復雜、運動軌跡嚴格的各類機器人。考慮到體積以及精度,在比較了以上三種驅(qū)動方式后,我最終選擇了電力驅(qū)動,因為電力 驅(qū)動體積小,而且容易組成閉環(huán)控制系統(tǒng),故控制精度高,方便,但在算法上可能稍微復 雜一些,但這都可以克服的,故實現(xiàn)起來時選擇電力驅(qū)動更好一些。4.4.4 內(nèi)部傳感器的選擇電機控制系統(tǒng)中的位置檢測通常有:微電機解算元件,光電元件,磁敏元件,電磁感 應(yīng)元件等。這些位置檢測傳感器或者與電機的非負載端同軸連接,或者直接安裝在電機的 特定的部位。其中光電元件的測量精度較高,能夠準確的反應(yīng)電機的轉(zhuǎn)子的機械位置,從 而間接的反映出與電機連接的機械負載的準

25、確的機械位置,從而達到精確控制電機位置的 目的。( 1 光電編碼器的介紹:光電編碼器是通過讀取光電編碼盤上的圖案或編碼信息來表示與光電編碼器相連的 電機轉(zhuǎn)子的位置信息的。根據(jù)光電編碼器的工作原理可以將光電編碼器分為絕對式光電編 碼器與增量式光電編碼器,下面我就這兩種光電編碼器的結(jié)構(gòu)與工作原理做介紹。A 、絕對式光電編碼器絕對式光電編碼器如圖 4-4所示,它是通過讀取編碼盤上的二進制的編碼信息來表示 絕對位置信息的。編碼盤是按照一定的編碼形式制成的圓盤。圖十一是二進制的編碼盤,圖中空白部分 是透光的,用“0”來表示 ; 涂黑的部分是不透光的,用“1”來表示。通常將組成編碼的 圈稱為碼道, 每個碼

26、道表示二進制數(shù)的一位, 其中最外側(cè)的是最低位, 最里側(cè)的是最高位。 如果編碼盤有 4個碼道,則由里向外的碼道分別表示為二進制的 23、 22、 21和 20, 4位 二進制可形成 16個二進制數(shù),因此就將圓盤劃分 16個扇區(qū),每個扇區(qū)對應(yīng)一個 4位二進 制數(shù),如 0000、 0001、 1111。- 9 -9圖 4-4按照碼盤上形成的碼道配置相應(yīng)的光電傳感器,包括光源、透鏡、碼盤、光敏二極管和驅(qū) 動電子線路。當碼盤轉(zhuǎn)到一定的角度時,扇區(qū)中透光的碼道對應(yīng)的光敏二極管導通,輸出 低電平“0”,遮光的碼道對應(yīng)的光敏二極管不導通,輸出高電平“1”,這樣形成與編碼 方式一致的高、低電平輸出,從而獲得扇區(qū)

27、的位置腳。B 、增量式光電編碼器增量式光電編碼器是碼盤隨位置的變化輸出一系列的脈沖信號,然后根據(jù)位置變化的 方向用計數(shù)器對脈沖進行加 /減計數(shù),以此達到位置檢測的目的。它是由光源、透鏡、主 光柵碼盤、鑒向盤、光敏元件和電子線路組成。增量式光電編碼器的工作原理是是由旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動帶動在徑向有均勻窄縫的主光柵碼盤 旋轉(zhuǎn),在主光柵碼盤的上面有與其平行的鑒向盤,在鑒向盤上有兩條彼此錯開 90o 相位的 窄縫,并分別有光敏二極管接收主光柵碼盤透過來的信號。工作時,鑒向盤不動,主光柵 碼盤隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),光源經(jīng)透鏡平行射向主光柵碼盤,通過主光柵碼盤和鑒向盤后由光敏二 極管接收相位差 90o 的近似正弦信號,再由邏

28、輯電路形成轉(zhuǎn)向信號和計數(shù)脈沖信號。為了 獲得絕對位置角,在增量式光電編碼器有零位脈沖,即主光柵每旋轉(zhuǎn)一周,輸出一個零位 脈沖,使位置角清零。利用增量式光電編碼器可以檢測電機的位置和速度。( 2 光電編碼器的測量方法:光電碼器在電機控制中可以用來測量電機轉(zhuǎn)子的磁場位置和機械位置以及轉(zhuǎn)子的磁場 和機械位置的變化速度與變化方向。下面就我就光電編碼器在這幾方面的應(yīng)用方法做一下 介紹?？梢岳枚〞r器 /計數(shù)器配合光電編碼器的輸出脈沖信號來測量電機的轉(zhuǎn)速。具體的測 速方法有 M 法、 T 法和 M/T法 3種。M法又稱之為測頻法,其測速原理是在規(guī)定的檢測時間 Tc 內(nèi),對光電編碼器輸出的脈 沖信號計數(shù)的測

29、速方法,例如光電編碼器是 N 線的,則每旋轉(zhuǎn)一周可以有 4N 個脈沖,因 為兩路脈沖的上升沿與下降沿正好使編碼器信號 4倍頻。 現(xiàn)在假設(shè)檢測時間是 Tc , 計數(shù)器 的記錄的脈沖數(shù)是 M1,則電機的每分鐘的轉(zhuǎn)速為在實際的測量中,時間 Tc 內(nèi)的脈沖個數(shù)不一定正好是整數(shù),而且存在最大半個脈沖的 誤差。如果要求測量的誤差小于規(guī)定的范圍,比如說是小于百分之一,那么 M1就應(yīng)該大 于 50。 在一定的轉(zhuǎn)速下要增大檢測脈沖數(shù) M1以減小誤差, 可以增大檢測時間 Tc 單考慮到 實際的應(yīng)用檢測時間很短,例如伺服系統(tǒng)中的測量速度用于反饋控制,一般應(yīng)在 0.01秒 以下。由此可見,減小測量誤差的方法是采用高線

30、數(shù)的光電編碼器。 - 10 -M法測速適用于測量高轉(zhuǎn)速, 因為對于給定的光電編碼器線數(shù) N 機測量時間 Tc 條件下, 轉(zhuǎn)速越高,計數(shù)脈沖 M1越大,誤差也就越小。T法也稱之為測周法,該測速方法是在一個脈沖周期內(nèi)對時鐘信號脈沖進行計數(shù)的方 法。例如時鐘頻率為 fclk, 計數(shù)器記錄的脈沖數(shù)為 M2,光電編碼器是 N 線的,每線輸出 4N 個脈沖,那么電機的每分鐘的轉(zhuǎn)速為為了減小誤差,希望盡可能記錄較多的脈沖數(shù),因此 T 法測速適用于低速運行的場合。 但轉(zhuǎn)速太低,一個編碼器輸出脈沖的時間太長,時鐘脈沖數(shù)會超過計數(shù)器最大計數(shù)值而產(chǎn) 生溢出 ; 另外,時間太長也會影響控制的快速性。與 M 法測速一樣

31、,選用線數(shù)較多的光電 編碼器可以提高對電機轉(zhuǎn)速測量的快速性與精度。M/T法測速是將 M 法和 T 法兩種方法結(jié)合在一起使用, 在一定的時間范圍內(nèi), 同時對光 電編碼器輸出的脈沖個數(shù) M1和 M2進行計數(shù),則電機每分鐘的轉(zhuǎn)速為實際工作時,在固定的 Tc 時間內(nèi)對光電編碼器的脈沖計數(shù),在第一個光電編碼器上升 沿定時器開始定時,同時開始記錄光電編碼器和時鐘脈沖數(shù),定時器定時 Tc 時間到,對 光電編碼器的脈沖停止計數(shù),而在下一個光電編碼器的上升沿到來時刻,時鐘脈沖才停止 記錄。采用 M/T法既具有 M 法測速的高速優(yōu)點,又具有 T 法測速的低速的優(yōu)點,能夠覆蓋 較廣的轉(zhuǎn)速范圍,測量的精度也較高,在電

32、機的控制中有著十分廣泛的應(yīng)用。通過以上這種光電式的測速傳感器,我們就可以達到控制機器人的運動速度和控制機 器人的位移的目的,例如假如我要讓機器人快速地完成某個搬運的任務(wù),這個時候我就可 以調(diào)用 PID 算法來使機器人快速地達到某個速度,從而完成這個動作,又例如我要讓機器 人移動某段距離,這個時候我就可以通過對脈沖個數(shù)的累加來完成對距離的控制,由于這 種光電式編碼器的精度很高,故可以達到高精度的距離控制。 - 11 -11 5直角坐標機器人的控制設(shè)計5.1 示教再現(xiàn)功能示教再現(xiàn)功能是指控制系統(tǒng)可以通過坐示教盒或手把手進行示教,將動作順序、運動 速度、位置等信息用一定的方法預先教給工業(yè)機器人,由工

33、業(yè)機器人的記憶裝置將所 教的操作過程自動地記錄在存儲器中,當需要再現(xiàn)操作時,重放存儲器中存儲的內(nèi)容 即可。如需要更改操作內(nèi)容時,只需要重新示教一遍即可。5.2運動控制功能運動控制功能是指對工業(yè)機器人末端操作器的位置、速度、加速度等項目的控制。 在本次設(shè)計中我采用示教再現(xiàn)控制方式來對此機器人進行控制,其主控芯片為我們熟 悉的 C8051F020單片機。 使用此款單片機再配合一些外圍電路的集成就可實現(xiàn)對各個電動 機的控制,再加上一些在軟件上的編寫配合好光電編碼器,就可以實現(xiàn) PID 算法,并組成 一個簡單的閉環(huán)系統(tǒng)。圖 5-1人機交互模塊6 主要元器件介紹C8051F020系列單片機是高集成度的混

34、合信號系統(tǒng)級 MCU 芯片,片內(nèi)集成了一個多通道 ADC 、兩個電壓比較器、五個通用的十六位定時器、 UART 、 SPI 總線接口、內(nèi)部振蕩器、 64個通用數(shù)字 I/O引腳、 64KB 的 FLASH 程序寄存器和與 8051兼容的高速微控制器內(nèi)核。 C8051F020的主要特點如下:1、模擬外設(shè)( 1 逐次逼近型 ADC 12位分辨率或 8位分辨率;可編程轉(zhuǎn)換速率,最大為 100kps ;可多達 32個外部輸入,每個引腳都可以被配置為 ADC 的輸入。( 2 兩個模擬比較器 16個可編程回差電壓值;可用于產(chǎn)生中斷或復位。( 3 VDD監(jiān)視器和降壓檢測器2、片內(nèi) JTAG 調(diào)試片內(nèi)調(diào)試電路提供提供全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試;支持斷點、單步、觀察點、堆棧監(jiān)視器,支持觀察 /修改存儲器和寄存器。3、高速 8051微控制器內(nèi)核流水線指令結(jié)構(gòu); 70%指令的執(zhí)行時間為 1個或 2個系統(tǒng)時鐘周期;速度可達 25MIPS ;擴展的中斷處理系統(tǒng)。4、存儲器 256B 內(nèi)部數(shù)據(jù) RAM ; 1024B XRAM; 64