沖床自動卸料機械手設計,沖床自動卸料機械手設計,沖床,自動,卸料,機械手,設計 附錄1：外文翻譯 6自由度的SCARA操縱器的設計構(gòu)造和控制 Claudio Urrea?, Juan Cortés, José Pascal 應用研究與技術學報14（2016）396-404 摘要：提出了具有6自由度（DOF）的機器人操縱器的設計和實現(xiàn)，它構(gòu)成了可以測試和研究各種控制技術的物理平臺。 機器人具有機械，電子和控制系統(tǒng)，為其設計和實現(xiàn)的直觀圖形界面允許用戶輕松地命令該機器人并為其生成軌跡。 實現(xiàn)這項工作需要將電子，微控制器編程，MatLab / Simulink編程，控制系統(tǒng)，PC和微控制器之間的通信，機械，組裝等方面的知識整合在一起。 關鍵詞：機器人系統(tǒng); 工業(yè)機器人;SCARA; 設計; 控制系統(tǒng) 1.介紹 在過去的幾十年中，機器人技術在過程自動化方面發(fā)揮了非常重要的作用，機器人操縱者在幾個生產(chǎn)領域的發(fā)展中起著主導作用。 如今，工業(yè)機器人被用于各種任務的自動化，例如組裝，轉(zhuǎn)移材料，各種焊接，材料的精密切割，碼垛，涂裝，遠程外科手術等許多可能的應用（López，Castelán，Castro ，Pe?na，＆Osorio，2013; Siqueira，Terra，＆Bergerman，2011）。 通常，工業(yè)機器人被用于執(zhí)行重復的作業(yè)和/或需要精確度和人難以達到的速度。 這使得有可能提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率（Ben-Gharbia，Maciejewski，＆Roberts，2014; Urrea＆Kern，2014）。 因此，工業(yè)機器人越來越多地用于現(xiàn)代和自動化生產(chǎn)過程以及危險應用中，其使用明顯是合理的。 另一方面，工業(yè)機器人每天可以在許多小時內(nèi)執(zhí)行任務，而不會因為目前高度發(fā)達和強大的設備而不會失敗而變得疲勞或者失去精度或有效性。 因此，要了解，研究，改進，重編程和適應這些系統(tǒng)到不同的場景是必要的，所以用戶可以盡可能地從中獲益（Gómezet al。，2014; Siciliano＆Khatib，2008; Urrea＆Kern，2014）。 目前的工作源于迫切需要有實際的平臺進行科學研究和相應的驗證。 除了提出和驗證新的控制系統(tǒng)之外，實現(xiàn)具有6自由度的機器人操縱器允許改進工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)。 因此，本文介紹了具有SCARA1配置的機器人的設計和構(gòu)造過程，在當今行業(yè)有很大的應用（Urrea＆Kern，2012）。 2.先進的技術 2.1 工業(yè)機器人 有各種類型的機器人，這取決于它們的物理配置可以分為多種聯(lián)合的，移動的，zoomorphic的，android和混合的。 在許多關聯(lián)類中，我們有像圖1所示的工業(yè)機器人（Adept - SCARA機器人，n.d.）。 工業(yè)機器人可以被認為是對應于機械手或機械臂，終端執(zhí)行器，電動機元件或致動器，信息傳感器和控制器的一組集成子系統(tǒng) SCARA操縱器具有精度和速度穩(wěn)定工作所必需的功能（Yamazaki，2014）。由于這個原因，它們被廣泛應用于工業(yè)裝配任務（Wang，Liu，Wei，Xu，Zhang，2014）。已經(jīng)為這些機器人開發(fā)了不同的應用，例如，Wang等人（2014）設計了一個帶有雙CPU的控制系統(tǒng)，其中基于C ++（ROBOOP）中的Robotics Object Oriented Package實現(xiàn)了逆運動學和動力學分析。此外，Surapong和Mitsantisuk（2016）使用SCARA機器人來實現(xiàn)干擾觀測器（DOB），而不是力傳感器來控制位置并估計外力。另一方面，在Jo和Cheol（2001）中，模糊滑模控制器被設計用于改進快速操作中的特征以及這種類型的控制器的換向效應。該算法通過數(shù)字信號處理器（DSP）在SCARA機器人中實現(xiàn)。同樣，使用類似特征的機器人，Rossomando和Soria（2016）實現(xiàn)了一種自適應神經(jīng)網(wǎng)絡滑模控制器來補償機器人的動態(tài)變化。此外，Prajumkhaiy和Mitsantisuk（2016）提出了一種補償SCARA操縱器中的摩擦力的方法，以減少產(chǎn)生的熱量，從而防止在操作期間機器人損壞，從而延長工作時間。最后，Bruzzone和Bozzini（2011）進行了一項研究，旨在提高這種機器人機器人的能量效率。 2.2機器人控制 機器人控制的目的是向關節(jié)發(fā)送控制信號，使機器人遵循指定的軌跡。已經(jīng)開發(fā)了許多具有不同特性和復雜性的控制算法。現(xiàn)在列舉了一些在閉環(huán)方案下運行的機器人操縱器的聯(lián)合控制策略：解耦接頭控制，計算扭矩，自適應控制，增益調(diào)度或增益規(guī)劃，自適應計算控制器參考模型，自適應計算對控制器，力控制，魯棒控制，學習控制等。在列出的控制策略中，本文中使用的控制策略對應于解耦控制，因為我們只是旨在驗證這個新設計和實現(xiàn)的機器人的正確功能。這種控制技術實現(xiàn)起來相當簡單，因為它不考慮機器人關節(jié)之間產(chǎn)生的擾動，即每個關節(jié)通過一個PID控制器每個關節(jié)以獨立的方式來控制每個關節(jié)。 PID控制器本質(zhì)上嘗試糾正產(chǎn)生錯誤的擾動，這必須被抵消（Siqueira等，2011; Urrea＆Kern，2014）。該控制器產(chǎn)生對應于三個項的和的控制信號：項P與誤差成比例，項I與誤差的積分成正比，項D與誤差的導數(shù)成正比。以下公式描述了這種類型的控制器： e = ys p- y，其中u是控制信號，e是控制誤差，ys是設定值，y是測量過程變量（實際值）。 控制器的參數(shù)是比例增益K，積分時間Ti和微分時間Td。 在表1中，顯示了SCARA操縱器中使用的控制器的參數(shù)值 3.一般設計 3.1 完整的系統(tǒng) 與使用MatLab / Simulink軟件（Mathworks，n.d.）的PC控制器進行通信的SCARA操縱器被設計和構(gòu)建（Southern Plantaids Pvt.Ltd，n.d.）。 由于機器人和PC控制器必須彼此交互，所以還開發(fā)出能執(zhí)行任務的電子接口，從而構(gòu)成兩部分之間的鏈接。 系統(tǒng)的總體圖如圖2所示 3.2 機器人 用于建造這種機器人的材料是用于固定部件（基座等）的鋼和用于移動部件（棱柱形接頭等）的鋁。 該機器人采用SCARA物理配置。 最初，這個機器人有一個RRP2配置加一個終端執(zhí)行器，其中添加了兩個關節(jié)和一個夾具，由于其在當前行業(yè)中的代表性，所選擇的RRPRRP配置被選擇。 圖3顯示了機器人的設計和尺寸。 對于前三個自由度（R1，R2和P3），電機的理想特點是： - 帶永久磁鐵的直流電機 - 帶集成行星齒輪的齒輪箱 - 齒輪比在1/150到1/100之間 - 12 VDC額定電壓 - 在停止的轉(zhuǎn)子的輸出軸上沒有運動 選定的電機對應于直流電機，齒輪箱包含軸旋轉(zhuǎn)到90°，12 VDC，轉(zhuǎn)子停止時輸出軸的運動有限。 這些電機主要是由于其扭矩/尺寸比，供電方式和全國市場的可用性。 在表2中，示出了這些電動機的機械和電氣特征。 這些電機通過來自廢棄打印機的光學增量雙通道編碼器反饋到位。 這種傳感器具有迷你電子卡，用于通過使用達爾文輪轉(zhuǎn)動接頭和通過用于棱柱形接頭的直帶來感測角度位置。 因此，實現(xiàn)用于控制機器人關節(jié)的各種策略成為可能。 對于接下來的兩個旋轉(zhuǎn)自由度（R4和R5），優(yōu)勢在于小型重量和大扭矩HITEC數(shù)字伺服電動機。機器人（P6）的最后一個執(zhí)行器是負責打開和關閉夾具的執(zhí)行器。對于此動作，還使用HITEC數(shù)字伺服電機，其從連接到力傳感器的電路獲得外部夾緊力反饋。表3列出了這些伺服電機的特點。圖4示出了機器人操縱器中使用的四個傳感器：兩個旋轉(zhuǎn)編碼器傳感器（SR-1和SR-2），線性編碼器傳感器（SP-3）和FlexiForce力傳感器（SF-4）。 傳感器SR-1和SR-2的工作范圍通過基座和R1和R2接頭的機械結(jié)構(gòu)限制在270°的作業(yè)角度。在線性傳感器SP-3的情況下，在設計階段，考慮到其預期用途，認為300mm的長度足以用于該機器人。另一方面，F(xiàn)lexiForce力傳感器（盡管是模擬）被編程為設置為0至15的固定值，這些電平與夾具施加在被保持物體上的夾緊力成比例。 該機器人的工作空間基本上是圓柱形的，盡管在這種特殊情況下，它非常接近心形（圖5）。 機器人占據(jù)的這個氣缸/心形直徑約為一米，高度為30厘米。 3.3 電子設計與接口 3.3.1 一般說明 電子接口是機器人與PC控制器之間的鏈接，如圖6所示。它的目的是提供將PC控制器的數(shù)字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為執(zhí)行器的信號所需的驅(qū)動器，并轉(zhuǎn)換信號 將機器人的傳感器從數(shù)字傳送到PC控制器。 信息通過串行端口使用RS-232協(xié)議發(fā)送。 為了簡化此接口的設計和實現(xiàn)，考慮了三種系統(tǒng)：通信板，傳感器板和執(zhí)行器板。 這三個板被包含在一個單一的盒子中，如圖7所示。另外，它們是相互連接的，不由直流電機和機器人的伺服電動機的相同的電源驅(qū)動器進行電連接。 以這種方式，避免了可能導致電子接口操作不良導致的電噪聲或干擾的可能問題。 數(shù)字電子設備中使用的技術是CMOS3，特別是HC系列，由于其優(yōu)于其他較老技術，如速度，抗噪聲能力，能耗等優(yōu)點。用于實現(xiàn)接口驅(qū)動的微控制器是PIC16F628A，因為它具有多種功能，降低了價格。 另一方面，由于需要輸入/輸出的數(shù)量，所以在通信系統(tǒng)中使用PIC18F25020控制器。 總而言之，該系統(tǒng)具有四個傳感器和六個執(zhí)行器。 此外，設計并實現(xiàn)了具有允許通信信號調(diào)節(jié)的電子和微控制器的驅(qū)動器。 兩個微控制器用于簡化接口中通信的編程：一個專門用于處理傳感器卡的數(shù)據(jù)總線并將數(shù)據(jù)句發(fā)送到PC控制器; 另一個專用于從PC控制器接收數(shù)據(jù)句柄并處理執(zhí)行器卡的數(shù)據(jù)總線。 放置在R1，R2和P3接頭中的直流電機的驅(qū)動器通過集成在硬件上的PWM模塊的匯編語言編程的PIC16F628A微控制器上實現(xiàn)。 3.3.2 按界面進行初始化 該界面允許對機器人進行初始化，而無需連接到PC控制器。 每次開啟接口時執(zhí)行此初始化是必須的。 初始化包括將機器人定位在預定位置，然后傳感器的驅(qū)動器使用與該位置對應的角度和距離值。 這是必要的，因為編碼器是增量的，因此它們不提供絕對位置，而是提供相對于初始值的遞增或遞減位置。 初始化例程是一個順序的過程，基本上由以下時間順序列出的八個步驟組成： 1.松開傳感器的驅(qū)動器 2.打開夾具 3.將關節(jié)R5定位在0° 4.將接點R4定位在0° 5.將棱柱形接頭P3的距離提高到0 mm 6.將接頭R1移動到135° .................... 附錄2：外文原文