碼垛機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)分類(lèi)號(hào)：U D C :學(xué)校代碼：10128學(xué) 號(hào)：201130101045撼5夬謬科研訓(xùn)練開(kāi)題報(bào)告題目：碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：劉金來(lái)學(xué)院：機(jī)械學(xué)院班級(jí)：機(jī)制1 1-3指導(dǎo)教師：武建新零一四年十二月內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)1. 選題目的和意義近幾年機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線已經(jīng)不斷出現(xiàn)， 機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線的市場(chǎng)也會(huì)越來(lái) 越大，并且逐漸成為自動(dòng)化生產(chǎn)線的主要方式， 而過(guò)去的自動(dòng)化碼垛作業(yè)大部分是由 機(jī)械式碼垛機(jī)完成或人工搬運(yùn)，由于機(jī)械式碼垛機(jī)其結(jié)構(gòu)等因素的限制，存在著占地 面積大、程序更改麻煩（甚至無(wú)法更改）、耗電量大等缺點(diǎn)；而人工搬運(yùn)勞動(dòng)量大， 完成同一工作量所需不少工人，在一些實(shí)際場(chǎng)所

2、應(yīng)用中，碼垛機(jī)器人與傳統(tǒng)碼垛機(jī)一 樣，一次能搬運(yùn)一整層箱子，有些顧客在傳統(tǒng)碼垛機(jī)壞了時(shí)， 就用機(jī)器人代替，通常 這些機(jī)器人系統(tǒng)都有層成型平臺(tái)和臂尾加工裝置，能將整層箱子搬起來(lái)，功能較強(qiáng)的碼垛機(jī)器人還能更換不同的貨盤(pán)；其碼垛速度甚至可以達(dá)到100個(gè)小箱/分鐘；碼垛機(jī)器人裝有低水平紙箱橫進(jìn)給裝置， 使用靈活底盤(pán)，有利于車(chē)間的良好布局；另外其 性能可靠，大多用戶(hù)容易掌握使用的軟件，能夠迅速轉(zhuǎn)換對(duì)進(jìn)行不同箱子的碼垛。2. 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)2.1課題來(lái)源：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)2.2碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展前景作為先進(jìn)制造業(yè)中不可替代的重要裝備和手段，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó) 家制造水平和科技

3、水平的重要標(biāo)志。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，工業(yè)機(jī)器人主要用于汽車(chē)工業(yè)及汽車(chē)零部件工業(yè)， 占整個(gè) 機(jī)器人市場(chǎng)的61%金屬制品業(yè)占8%橡膠及塑料工業(yè)和電子電氣行業(yè)分別占 7% 食品工業(yè)占2% 其他工業(yè)占15%依賴(lài)進(jìn)口 一一我國(guó)工業(yè)機(jī)器人之陣痛目前，我國(guó)進(jìn)口的工業(yè)機(jī)器人主要來(lái)自日本， 隨著我國(guó)從勞動(dòng)密集型向現(xiàn)代化制 造業(yè)方向發(fā)展，雖然機(jī)器人保有量達(dá)到一定的規(guī)模，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍然有不少差 距。僅從汽車(chē)工業(yè)每百萬(wàn)名生產(chǎn)工人占有的機(jī)器人來(lái)講，（日本1710臺(tái)、意大利1600 臺(tái)、美國(guó)770臺(tái)、英國(guó)610臺(tái)、瑞典630臺(tái)，而我國(guó)還不到90臺(tái)），中國(guó)仍然是世界 上相對(duì)比較落后的國(guó)家。面對(duì)中國(guó)這樣龐大的市場(chǎng)，每一

4、個(gè)機(jī)器人供應(yīng)商都有著非常 大的用武之地。產(chǎn)業(yè)化不足一一我國(guó)工業(yè)機(jī)器人之弊端20世紀(jì)90年代末，我國(guó)建立了 9個(gè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地和7個(gè)科研基地。產(chǎn)業(yè)化 基地的建設(shè)給產(chǎn)業(yè)化帶來(lái)了希望， 為發(fā)展我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)奠定了基礎(chǔ)。 目前，我國(guó)已 經(jīng)能夠生產(chǎn)具有國(guó)際先進(jìn)水平的平面關(guān)節(jié)型裝配機(jī)器人、 直角坐標(biāo)機(jī)器人、弧焊機(jī)器 人、點(diǎn)焊機(jī)器人、搬運(yùn)碼垛機(jī)器人等一系列產(chǎn)品，不少品種已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了小批量生產(chǎn)?！皺C(jī)器人產(chǎn)業(yè)化已呈星火燎原之勢(shì)！ ”盡管如此，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化卻存在著巨大的問(wèn)題。除了眾多歷史原因造成 制造業(yè)水平低下的原因外，更多的是對(duì)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的認(rèn)識(shí)和定位上存在著不同的 觀點(diǎn)。首先，我國(guó)基礎(chǔ)零部件制造能力

5、差。雖然我國(guó)在相關(guān)零部件方面有了一定的基礎(chǔ)， 但是無(wú)論從質(zhì)量、產(chǎn)品系列全面，還是批量化供給方面都與國(guó)外存在較大的差距。特別是在高性能交流伺服電機(jī)和精密減速器方面的差距尤其明顯，因此造成關(guān)鍵零部件的進(jìn)口，影響了我國(guó)機(jī)器人的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力。第二，中國(guó)的機(jī)器人還沒(méi)有形成自己的品牌。 雖然已經(jīng)擁有一批企業(yè)從事機(jī)器人 的開(kāi)發(fā)，但是都沒(méi)有形成較大的規(guī)模，缺乏市場(chǎng)的品牌認(rèn)知度，在機(jī)器人市場(chǎng)方面一 直面臨國(guó)外機(jī)器人品牌的打壓。國(guó)外機(jī)器人作為成熟的產(chǎn)業(yè)采用整機(jī)降價(jià)， 吸引國(guó)內(nèi) 企業(yè)購(gòu)買(mǎi)，而在后續(xù)的維護(hù)備件費(fèi)用很高的策略，逐步占領(lǐng)中國(guó)市場(chǎng)。第三，國(guó)家認(rèn)識(shí)不到位，在鼓勵(lì)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品方面的政策少。 工業(yè)機(jī)器人的制 造及

6、應(yīng)用水平，代表了一個(gè)國(guó)家的制造業(yè)水平，我們必須從國(guó)家高度認(rèn)識(shí)發(fā)展中國(guó)工 業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的重要性，這是我國(guó)從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變的重要手段和途徑。日本戰(zhàn)后對(duì)機(jī)器人采取的一系列相關(guān)政策， 極大地推動(dòng)了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，目 前，日本已是世界上工業(yè)機(jī)器人的第一生產(chǎn)大國(guó)。 工業(yè)機(jī)器人作為高新技術(shù)產(chǎn)品，應(yīng) 該比照新能源中的電動(dòng)汽車(chē)，出臺(tái)相應(yīng)的扶植政策。政策扶持一一我國(guó)工業(yè)機(jī)器人之推進(jìn)劑中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化正處于關(guān)鍵的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，如果政府的扶植力度再向前推進(jìn)一步， 中國(guó)的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)將會(huì)越過(guò)目前的“臨界期”，跨上一個(gè)新的臺(tái)階，進(jìn)入快速發(fā)展階 段。同時(shí)，如何適應(yīng)快速變化的國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)需求， 如何以高質(zhì)量、低成本和快速反應(yīng)

7、 的手段在市場(chǎng)中取得生存和發(fā)展，已是我國(guó)企業(yè)不容回避的問(wèn)題。這些問(wèn)題為我國(guó)工 業(yè)機(jī)器人提供了不同的市場(chǎng)需求，促進(jìn)我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用市場(chǎng)日趨成熟。3. 研究的主要內(nèi)容：3.1機(jī)器人的結(jié)構(gòu)北京航空航天大學(xué)機(jī)器人所研制的具有高速碼垛功能的混聯(lián)式機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)由機(jī)器人及 電氣控制柜所組成。該機(jī)器人主要由 4個(gè)關(guān)節(jié)組成，能實(shí)現(xiàn)以下4種 運(yùn)動(dòng)：腰座旋轉(zhuǎn)（x軸），水平前后運(yùn)動(dòng)（y軸），垂直上下運(yùn)動(dòng)（z軸）和腕部回轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)（u軸），腰座電機(jī)、腕部電機(jī)通過(guò)諧波減速器驅(qū)動(dòng)腰座、機(jī)械手旋轉(zhuǎn)，水平關(guān) 節(jié)電機(jī)、垂直關(guān)節(jié)電機(jī)通過(guò)同步帶輪減速后帶動(dòng)水平關(guān)節(jié)絲杠、垂直關(guān)節(jié)絲杠旋轉(zhuǎn)， 而絲杠通過(guò)其上的滑塊驅(qū)動(dòng)前大 臂、后

8、大臂沿各自導(dǎo)軌作水平前后運(yùn)動(dòng)、垂直上下 運(yùn)動(dòng)，這4種運(yùn)動(dòng)全部由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)， 可以滿足驅(qū)動(dòng)大慣性力矩負(fù)載和快速運(yùn) 動(dòng)精確定位的要求，且根據(jù)實(shí)際作業(yè)的需要可以在機(jī)器人腕部安裝機(jī)械手3.2硬件控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了模塊化的形式，且總體結(jié)構(gòu)采用了分布式控制結(jié)構(gòu)， 上位機(jī)采用 普通工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，主要處理系統(tǒng)的監(jiān)控和作業(yè)管理，如示教盒控制，顯示服務(wù)， 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，自動(dòng)加減速計(jì)算，I/O控制，機(jī)器人語(yǔ)言編譯等任務(wù)等，根據(jù)使用者的命 令和動(dòng)作程序語(yǔ)句的要求進(jìn)行軌跡規(guī)劃、插補(bǔ)運(yùn)算及坐標(biāo)發(fā)與計(jì)算出各軸電機(jī)的位 置，并接收根據(jù)下一級(jí)的反饋信號(hào)和外傳感器的信號(hào)，判斷任務(wù)的執(zhí)行情況和環(huán)境狀態(tài)，然后向下一級(jí)各

9、關(guān)節(jié)位置伺服系統(tǒng)傳送一次與設(shè)定點(diǎn)相應(yīng)的位置更新值，實(shí)現(xiàn)對(duì)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)和控制作用，下位機(jī)采用DSP控制器和PLC可編程邏輯控制器，DSP 控制器即為所采用的PMAC10運(yùn)動(dòng)控制卡，主要是執(zhí)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算、軌跡規(guī)劃、 插補(bǔ)計(jì)算、伺服控制等，不斷地讀取各軸編碼器的脈沖量，計(jì)算機(jī)器人的現(xiàn)行位置， 并用軟件方法與給定位置進(jìn)行比較，對(duì)偏差進(jìn)行 PID調(diào)節(jié)，而PLC主要處理機(jī)器人 周邊外圍設(shè)備的控制，如機(jī)器人手爪氣動(dòng)吸盤(pán)，周邊各種輸送機(jī)的監(jiān)控等4. 研究方案4.1上位機(jī)組態(tài)軟件工程的組建1）工程項(xiàng)目系統(tǒng)分析2）設(shè)計(jì)用戶(hù)操作畫(huà)面3）編寫(xiě)控制程序4）完善菜單按鈕功能5）編寫(xiě)用戶(hù)程序調(diào)試工程6）連接設(shè)備驅(qū)動(dòng)

10、程序7）整體連續(xù)調(diào)試測(cè)試4.2下位機(jī)PLC程序的設(shè)計(jì)1）根據(jù)實(shí)際的控制需要選擇 PLC及其配套模塊，配置硬件系統(tǒng)。2）根據(jù)工藝要求和控制要求，設(shè)計(jì)梯形圖。3）把梯形圖寫(xiě)入PLC反復(fù)調(diào)試直至程序符合控制要求。5. 研究計(jì)劃進(jìn)度進(jìn)度安排：第一階段（2014年12.22）：收集資料，閱讀相關(guān)文獻(xiàn)；第二階段（2014年12.24）：編制下位機(jī)PLC程序，設(shè)計(jì)總體框架;第三階段（2014年12.27-12.28 ）：整理研究?jī)?nèi)容，撰寫(xiě)論文。參考文獻(xiàn)1 田曉東，等.帶有精確截面信息的一種曲面重構(gòu)方法J.模具技術(shù)，2001,27.2 施法中.計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)與非均勻有理E樣條M.北京：北京航空航 天大學(xué)出

11、版社，1994.3 孫迪生，等.機(jī)器人控制技術(shù)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998 .4 曹彤，員超，孫杏初.電視機(jī)搬運(yùn)碼垛機(jī)器應(yīng)用研究J .機(jī)械設(shè)計(jì)與制造， 2002,2 .5 曾孔庚，王宏慶，丁原彥.高速機(jī)器人搬運(yùn)碼垛系統(tǒng)構(gòu)成及技術(shù)特點(diǎn)J .機(jī) 器人技術(shù)及應(yīng)用，2001,4 .6 蔡自興.機(jī)器人學(xué)MD .清華大學(xué)出版社，2000.7 楊汝清，高建國(guó)，胡洪國(guó).高速碼垛關(guān)鍵技術(shù)研究J.高技術(shù)通訊，2004，8 徐 忠.離心式壓縮機(jī)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988.9 侯曼西.工業(yè)汽輪機(jī)M.重慶:重慶大學(xué)出版社,1995.10 黃鐘岳，王曉放.透平式壓縮機(jī)M.北京：化學(xué)工業(yè)出版 社,2004.11 孫迪生.機(jī)器人控制技術(shù)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.12 熊有倫.機(jī)器人學(xué)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1993.13 曹彤,員超.電視機(jī)搬運(yùn)碼垛機(jī)器應(yīng)用研究J.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2002(2)14 日本機(jī)器人協(xié)會(huì).機(jī)器人技術(shù)手冊(cè)M.北京:科學(xué)出版社,1996.15 曾孔庚,王宏慶，丁原彥.高速機(jī)器人搬運(yùn)碼垛系統(tǒng)構(gòu)成及技術(shù)特點(diǎn)J.機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用,2001(4).16 楊汝清,高建國(guó),胡洪國(guó).高速碼垛關(guān)鍵技術(shù)研究J.高技術(shù)通訊,2004,14