基于mcgs和plc的机械手控制的设计

基于mcgs和plc的机械手控制的设计内容摘要：

论文 3 是工作系统的自动化程度得以提高。 在这样的背景和趋势下，我国的工业机器手发展面临一个空前的发展机遇，工业机器手市场会迅速扩大，无论是从其数量上还是其技术要求上，都会有全新的、更高层次的要求，这对于我国的工业机械手产业来说 ,是一个巨大的挑战，同时也是我国机械手发展的一个良好契机。 因此发展具有自主产权的、技术先进的工业机械手，对于我国国民经济的发展及相应的产业层次提升具有十分重要的意义。 机械手 的 发展 机械手是一种模仿人手和臂的某些动作功能 ,按预定程序吸附、搬运物件或操作 工具的自动操作装置，集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。 机械手是最早出现的工业机器人，是机器人领域的一个重要分支。 如今机械手在社会生产中的各个领域都有很高的应用率，其应用规模和技术水平是考量一个国家自动化水平的重耍指标。 机械手的研制开始于二十世纪中叶，特别是 1946 年第一台数字电子计算机问世后，计算机技术以惊人的速度发展着， CPU 的处理速度不断变快、存储容量不断加大，同时价格却越来越低。 而且，伴随着生产业的大发展，大批量和快速性的生产需要推动了自 动化技术的进展，又为机器人的开发奠定了基础、创造了动力；另一方面，核能技术也在取得快速进步，也迫切需要采用机械操作代替人工进行放射性物质的处理。 在这样的需求背景下，美国率先开始了机械手的研究。 1954 年 ,美国的戴沃尔率先提出了工业机器人的概念，并申请了专利。 工业机器人按照时间的发展可分为三代，第一代为示教再现型机器人，它主要由机器手控制器和示教盒组成，可按预先引导动作记录下信息重复再现执行，不具备信息反馈功能， 1962 年美国的 UNIMATION 公司推出的“ UNIMATE”，可以实现伸缩、回转和俯仰运动，采 用的驱动方式是液压驱动，这是机器人产品最早的实用机型，标志着第一代机器人的产生。 第二代工业机器人为感觉型机器人，该类型工业机器人的特点是传感器的运用，使机器人具有了对外界信息进行反馈调整的功能。 1965 年约翰霍普金斯大学应用物理实验室研制出了“ Beast”机器人，第一章 绪论 4 该机器人能根据环境的变化，通过声纳系统、光电管等装置实现对自己位置的校正。 从 20 世纪 60 年代中期开始，美国和英国大学的一些实验室兴起了研究带传感器的第二代机器人的热潮。 第三代工业机器人为智能型机器人，它具有感知和理解外部环境的能力，能够理解指示命令 和感知环境，并且能够识别对象，可以规划自身程序来完成预定任务， 1968 年，美国斯坦福研究所研发成功了机器人“ Shakey”，该机器人安装有视觉传感器，能根据人的指令发现并抓取积木，不过控制它的计算机有一个房间那么大，但“ Shakey”机器人依然可以算是世界第一台智能机器人，并且，机器人领域由此拉开了第三代机器人研发的序幕。 我国工业机器人起步于 20 世纪 70年代初期，大致经历了三个发展时期：70 年代的萌芽期 ,80年代的快速发展期和 90 年代的投入实用期。 70年代受很多因素的影响，发展速度缓慢，水平很低；从 80 年 代开始，在国家政策的扶持下，特别是在“七 .五”科技攻关中将工业机器人列入了发展计划，通过科研人员的大力科技攻关，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人，取得丰硕成果。 从 90年代开始，随着国家高技术研究发展计划“ 863计划”开始实施，经过努力，开发出了 7 种工业机器人系列产品， 102 种特种机器人，实施了 100 多项机器人应用工程。 在 90 年代末期，我国分别新建了 9 个机器人产业化基地和 7 个科研基地，包括有新松机器人公司、博实自动化设备有限公司、北京机械工业自动化研究所机器人开发中心、海尔机器人公司等。 产业化基地 以及研究机构的建立，使得工业机器人的研究有了宽广的平台。 经过从业人员的努力，目前我国己经能够生产具有国际先进水平的平面关节型装配机器人、直角坐标机器人、弧焊、点嬋机器人、搬运码垛机器人等产品，其中一些品种实现了小批量生产。 另外在产业化进程方面也取得了不小的进步，一批企业根据市场及自身发展的需求，采取与科研单位或者高校进行合作科研的形式，进行相关工业机器人的开发，同时实现其产业化生产。 如奇瑞汽车与哈工大合作研究的点垾机器人、西安北村精密数控与哈工大合作开发的机床上下料搬运机器人，都实现了产业化生产；昆山华恒 与东南大学等合作开发的弧焊机器人、盐城宏达开发弧焊机器人、广州数控开发焊接机器人等都取得了良好的效果。 吉林工程技术师范学院毕业论文 5 机械手组成和分类 机械手组成 现代工业机械手一般由控制器、驱动模块、执行机构、位置检测传感器等部分组成。 其中控制器是机械手系统的核心，它对整个系统的运行起控制决策作用，其主耍功能是按照程序要求控制各种驱动设备和执行机构，驱动工业机械手按照预定的动作要求完成相应的动作；驱动模块由动力源和辅助装置组成，作为执行机构的驱动源，为工业机械手的运动提供动力来源。 目前较为普遍的驱动方式有电力方式驱 动、液压方式驱动、气压方式驱动和机械方式驱动；执行机构完成机械手的执行动作，目前机械手较为常用的执行机构有手抓、夹钳和吸盘等；位置检测传感器主要用于检测机械手的位置，并将位置信息实时反馈给控制器，构成闭环控制系统，能实现较为精确的定位。 常用的机械手控制系统的组成如图 11所示。 图 11机械手系统组成 机械手分类 关于工业机械手的分类，在国际上尚无统一的标准，在国内暂时按驱动方式、手臂坐标、使用范围对工业机械手进行分类。 若按照驱 动方式进行分类，机械手可以分为液压传动机械手、气压传动机械手、电力传动机械手、机械传动机械手。 (1)液压传动机械手。 液压传动的工作原理是以液体为介质，利用其压力进行能量的传递和控制，基于流体力学的 Pascal 原理，通过静压传递动力的。 控制器 驱动系统 执行机构 传感器 第一章 绪论 6 液压传动的特点是输出功率较大，具有很大的力矩，并且启动制动方便迅速，惯性小，运动较为平稳；缺点是对装置的密封性要求很高，若在工作过程中工作液油泄露，会造成很大的传动误差和污染，并且由于液油对温度的敏感性，不适宜在对高温或者低温的环境下工作。 (2)气压传动机械手。 气压传动是以 压缩气体为工作介质，依靠气体的压力传递动力或信息的流体传动技术。 气压传动机械手的工作原理是由空气压缩机压缩空气，经由管道和控制阁送给气动执行元件，一般为气缸，实现将压力能转换为机械能。 主要特点是结构简单、动作迅速成本低且无污染，缺点是机械手的工作稳定性较差，抓取力较小，适合应用高速度和小负载的工作环境。 (3)电力传动机械手。 电力传动机械手是以电力作为驱动源来驱动执行机构的一类机械手。 最为常用的驱动设备和执行机构为电机，如直流电机、交流电机等，该类型的机械手具有响应速度快、可靠性高、控制精度高、维护与使用方 便等特点。 (4)机械传动机械手。 机械传动机械手是利用机械传动机构驱动执行机构的一类机械手。 常用的机械传动机构有凸轮、连杆、齿轮和齿条等，该类型机械手的主要特点是控制精度高、运动可靠性好。 按照上述的分类情况，本机械手属于电力传动和气压传动相结合型的机械手。 机械手国内外研究现状 国外研究现状 在地区分布现状 ： 美国是机器人的诞生地 ， 并且每次机器人的更新换代 ，都是以美国的机器人产品为导向的 ， 经过半个世纪的发展 ， 目前依然是世界上机器人技术最先进的国家之一 ， 凭借其全面和先进的技术、良好的适应性等特性 ， 美国的机器人技术一直处在世界领先水平。 曰本素有 “ 机器人王国 ” 之称 ， 其机器人的数量和密度都是世界第一的 ，上世纪 80年代至 90年代 ， 日本的机器人进入全盛时期 ， 从 90 年代中后期 ，吉林工程技术师范学院毕业论文 7 日本机器人的发展进入低潮期 ， 世界机器人的发展中心向北美和欧洲转移 ；21 世纪以来 ， 伴随着中国和亚洲一些国家对于机器人的巨大需求 ， 日本机器人的发展重新焕发生机 ， 将迎来一个新的发展阶段。 德国、法国和英国是欧洲三个最大的机器人市场 ， 目前德国的机器人数量仅次于日本 ， 居世界第二位。 德、法、英的工业机器人的发展 ， 政府的引导和促进发挥了重要作 用 ， 政府规定 ， 在有毒、有害、危险的工作场合 ， 必须由机器人来代替普通人进行工作 ， 另外由于较高的技术水平和较少的人口 ，这些都成为欧洲 工 业机器人发展的良好 背 景。 近些年来 ， 意大利、瑞典、西班牙、芬兰、丹麦等国家的机器人市场发展十分迅速 ， 使得欧洲成为和美国、日本并列的三大机器人中心。 在研究内容方面 ， 各个组成模块都有新的发展方向 ， 对于工业机械手的控制器 ， 主耍研究控制技术和控制方式的开放化和网络化 ； 对于机械手的机械结构 ， 研究 重 点是模块化、微型化、标准化和具有可重构性 ； 对亍机械手的传感器模块 ， 重点是研制新型的 、 更精确的传 感器 ， 并发展多传感器的融合技术 ， 目前己有成熟应用的产品 ； 对 于 机械手的伺服模块 ， 研究重点是伺服驱动技术的数字化、集成化和分散化。 再者 ， 随着应急响应、灾难控制、环境监测等场合对机器人的需求不断增大 ， 机器人与环境的交互成为机器人领域的又一研究热点。 该方向的研究是追求系统的全部自治 ， 表现在图形识别 ， 路径规划和自主导航的功能。 机器人通过相应的传感器对环境进行数据收集 ， 机器人根据采集到的外部信号以及信息进行数据处理 ， 得到可以与对图像进行匹配的有 用 信息 ， 诸如物体外形轮廓、关键特征点等 ， 通过有尺度不变特征转换法和更为有效 的傅里叶描叙子法 ， 最后将得到的特征信息与机器人的数据特征库进行匹配 ， 进行对象识别。 另外 ， 虚拟现实技术也成为机器人发展的一个研究方向 ， 目前在过程控制方面取得不小的进展 ， 其原理是使操作者获得置身于远程机器人所在环境中的感觉 ， 根据此感觉信息远程控制机器人完成相应任务 ， 其目的是实现操作者和机器人的人机交互 ， 而不是追求系统的全部自治 ， 通过建立监视控制系统来完成作业功能 ， 这个方面最为典型的应用便是美国发射的火星机器人“ 索杰纳 ” 号 ， 如图 12所示。 第一章 绪论 8 图 12 美国 索杰纳 号火星机器人 国 内研究现状 我国现有的机器人研究机构和相关单位已经超过 200 余家 ， 其中 ， 从事工业机器人研究及其产业化发展的超过 80家。 目前这些科研机构和单位已经能够基本掌握控制系统的硬件构造原理及实现、软件算法设计、运动学和运动轨迹规划等 ， 开发出的工业机器人中有 90%以上用于生产实际之中 ， 根据发达国家产业发展与升级的历程和工业机器人产业化发展趋势预测 ， 到 2020年 ，我国机器人市场容量将达十几万台套。 2020 年我国市场上的工业机器人台数为 17327 台 ， 2020 年为 23908 台 ，2020 年为达到 31787 台 ， 截止到 2020 年 末 ， 我国已拥有 377312 台工业机器人。 虽然我国对于工业机器人的数量有刚性的需求 ， 但是国内生产的工业机器人无论是在产品的性能、技术水平以及规模产业等方面与国外还存在着较大的差距。 究其原冈 ， 一方面是因为我国在发展工业机器人过程中 ， 忽略了与企业相结合 ， 导致很难结合实际进行研发 ， 实用性方面较差 ； 另一方面是我国关于工业机器人的研究方法和研究策略 ， 一直走的是引进和学习外国的技术 ， 然后在此基础上做开发和研究 ， 这样就造成自主创新技术和创新意识的缺乏 ， 很大程度上制约了我国工业机械手产业的发展。 现阶段 ， 我国的基础制造业仍然 是国民经济中很薄弱的环节 ，几 乎没有自己的工业机器人品牌 ，虽 然国内的机械手的数量在不断增加 ， 但是自主研发的工业机械手在质量和技术上和国外先进水平还有很大的差距。 吉林工程技术师范学院毕业论文 9 为了能实现自主研制具有高性能、高水平的工业机械手产品 ， 国家正在逐步加大对工业机器人的重视程度 ， 不断加大宣传的力度 ， 提供多种形式的优惠政策 ， 鼓励研究机构、高校和企业共同研发、发展工业机器人 ， 以期实现本国工业机械手的产业化、普及工业机械手在我国现代工业中的应用 ； 以生产实际的需要为主体 ， 以产学研为主耍的发展模式 ， 密切关注社会以及生产实际对工业机器人的需求的 变化和更新 ； 以市场需求为导向 ， 重点攻关一些具有核心竞争力的产品 ； 在科研方面 ， 对发展工业机器人专门立项 ， 解决工业机器人中的具有核心竞争力的关键技术 ， 加速我国机器人迈向产业化的步伐。 2020 年 ， ABB 在中国本土研发的首款机器人核心产品 “ IRB120” 中国龙正式发布。 这是彼时世界上速度最快和精度最高的六轴小型机器人。 这款机器人小巧灵活 ， 自重仅有 25千克 ， 但是工作能力位居业内领先水平 ， 它的工作范围可达 580毫米 ， 每公斤物料拾取节拍仅需 秒 ， 重复定位精度高达， 如图 13所示。 2020 年 ， ABB 在 华团队研制出全球最快码垛机器人 IRB 460， 主要用于生产线末端进行高速码 垛 作业。 IRB460 的操作节拍最高可达 2190 循环 /小时。