机械毕业设计（论文）-五轴打孔机器人设计【全套图纸】 .pdf

中国矿业大学 2015 届本科生毕业设计（论文） 第 1 页 第一章 绪论 1.1 工业机械手的概述 工业革命以来，机械不断地将人类从繁重的劳动负担中解放出来，并且让生产力水平 提高了一个又一个台阶。如今，我们可以看到无数的机床在工厂中为我们加工着产品，但 是当面对一些动作较复杂的搬运、装夹等动作时，许多传统机械就显得捉襟见肘了，而如 果让人类来进行这些重复而枯燥的工作，不但会增加生产者的成本，而且在工人疲劳的情 况下还可出错，这一问题一度让人们束手无策 1。 随着电子技术和控制技术的不断发展，人们有了解决这些问题的新方案工业机械 手应运而生。 近年来，机械手的研制和生产已经成为高新技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术， 它使得机械化和自动化能更好地实现有机结合 2。 机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、 不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越 来越广泛地得到了应用，例如： 1.机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。 2.在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中 它可以用来组装零部件。 3.可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。 4.可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等 。 起初，机械手的结构形式比较简单，仅能适应单一的上下料动作，常作为附属于另一 设备的专用机械手，随着技术的不断发展，得益于微处理器的成熟，现在的机械手已经可 以通过编程来设定其动作，因而能够胜任不同的工作，成为了使用范围广的“程序控制通 用机械手”，简称通用机械手 3。 1.1.11.1.1 国内外钻孔机器人技术发展及研究现状国内外钻孔机器人技术发展及研究现状 工业机器人作为一种能够快速定位、多功能和多自由度的自动化设备，因结构形似手 臂，也被称之为机械手；通过采用机器人试教，可以控制机械手完成各种不同的动作从而 进行工作。由于工业机器人具有上述优点，再加上能适应环境恶劣和劳动强度大的工作环 境，因此最初被广泛应用在喷涂、焊接、修边 4等领域5。由于工业机器人的机械臂采用 串联结构，用于机械加工时会产生比较剧烈的振动 6，影响加工精度和质量，随着高速切 削技术和机器人制造工艺的发展，使得高速切削时因切削引起的激振频率远超机械臂的自 振频率，这就为工业机器人进入机械加工领域提供了可行性 78。不仅如此，传统的工业 机器人因其负载、精度和刚度的不足，限制了工业机器人在飞机装配行业的发展；随着科 技的发展，工业机器人在负载和精度等方面得到了极大的进步。2001 年 6 月 16 日，第 44 届巴黎国际航空航天展览会的召开揭示出世界航空发展的三大趋势：无人驾驶、超大 中国矿业大学 2015 届本科生毕业设计（论文） 第 2 页 运力和广泛引进机器人 9；在航展期间，各大参展商就将机器人应用于航空工业进行了深 入讨论；自此，kuka、abb、comau 等各大工业机器人公司开始调整自己的发展战略，将 航空制造业作为未来工业机器人发展应用的重要方向 10。 通过配合各厂商自主设计的多 功能末端执行器，航空企业成功的将工业机器人引入到了飞机装配行业，因工业机器人具 有很好的可达性和灵活性，克服了传统数控钻床的不足，真正意义上实现了飞机的自动化 柔性装配。如今，又将激光测量技术与航空工业装配机器人集成起来，形成闭环控制，大 幅度提高了机器人的定位和钻孔精度。目前，机器人技术在钻孔方面的应用在国外已经非 常成熟，根据机器人协同工作数量可以分为单个机器人加工和多个机器人协同加工；根据 工业机器人的安装形式可分为三种：固定式、导轨式和悬梁式。固定式就是指将工业机器 人安装在固定的工作平台之上，机器人的基坐标是不变的，只能六个关节动作；导轨式是 将工业机器人的底座安装在导轨的滑台之上，通过齿轮齿条机构推动滑台移动，从而带动 机器人的整体运动，改变机器人基坐标，拓展了工业机器人的包络线空间；另外一种是将 工业机器人的底座倒装在工厂的移动横梁上，通过横梁的移动带动工业机器人运动。 国外在这方面起步较早， 已经成功的将工业机器人引进到航空装备制造行业。 2001 年， 由美国 electroimpace 公司和英国 airbus 公司共同研发并设计了一套用于波音 f/a-18e/f 的工业机器人自动钻削系统， 取名为 once(one sided cell end effector) 11； 如下图 1-1 所示，该系统采用导轨式安装，通过对工业机器人进行精度和负载补偿，解决 了针对航空制造业来说机器人天生精度、 负载和刚度不足的缺陷， 结合多功能末端执行器， 可适用于钛、 铝合金和复合材料等多种材料的钻孔、 锪孔和检测。 孔的位置精度为1.5mm， 直 径 范 围 为 3.73-9.525mm 。 整 套 系 统 中 ， 工 业 机 器 人 和 多 功 能 末 端 执 行 器 mfee(multifunction end effector)作为两个独立的子单元分别被上位机控制，同时上位 机还执行 nc 程序、控制加工流程和采集数据等功能。 图 1-1 once(one sided cell end effector) 中国矿业大学 2015 届本科生毕业设计（论文） 第 3 页 有波音澳大利亚 hdh 公司开发的机器人自动制孔系统， 如下图 1-2 所示， 该设备基于 kuka kr360-2 型工业机器人，主要用于波音 737 副翼的制孔和裁剪，该系统的孔定位精度达 到0.508mm 12。 图 1-2 kuka 机器人自动化钻孔系统 德国宝捷（broetje-automation gmbh）基于精益原则，研发出了一种先进的自动化 钻铆单元，如上图 ，它使用 kuka kr360-l240 型工业机器人为平台，配多功能末端执行 器，主要用于对飞机货仓内部结构进行钻铆；该机器人由 kr c2 控制系统控制，并包含 一个 profibus 总线和以太网接口，用于与整个机器人单元的主控系统进行通信；末端执 行器和所有的外围设备是通过安装在一台工业计算机上的 beckhoff soft plc 来进行控 制的；通过自主开发的精度和校准组合包使机器人的绝对定位精度达到0.5mm 13。 中国矿业大学 2015 届本科生毕业设计（论文） 第 4 页 图 1-3 自动钻铆的 race 机器人单元 2011 年 5 月 31 日，位于加拿大魁北克蒙特利尔的庞巴迪航空公司宣布通过采用 6 个 12 吨重的工业机器人在 cseries 飞机驾驶舱和机身的装配线之上，以期望获得高质量的 产品。 同时， 公司还预计期望减少超过 40 小时的飞机装配所需时间。 公司副总裁 francois minville 说到： “工业机器人的使用， 将使我们能够以最佳的运营成本提供卓越的飞机。 ” 庞巴迪 cseries 飞机机身的直径是 3.7m，比公司以前建造的任何飞机都大，如果采用手 工组装方式，需要花费很多时间来安装棚架到顶部。而机器人通过垂直升降装置，可以将 机械臂扩展到 5.72 米高，达到飞机的顶部。对于铝合金机身，机器人完成一次钻孔和铆 接工艺不超过 32 秒；而对于由复合材料制造的机身，从钻孔、加密封胶到紧固铆接需要 53 秒，4 个机器人协同工作可以连续工作 17 个小时，通过先进的视觉控制系统，可以保 证钻孔精度达到 0.254mm，该机器人系统如下图 1-4 所示。 中国矿业大学 2015 届本科生毕业设计（论文） 第 5 页 图 1-4 用于 cseries 系列飞机装配的机器人系统 而我国从上个世纪 70 年代初期才开始研制自动钻铆机，因各种原因最终搁浅。主要 是当时相关的计算机、自动化等技术还没发展成熟，加上国内的技术储备还不够，飞机的 研制和生产对自动钻铆机还没有迫切的需要。到了 80 年代，才开始局部应用在民机的小 部件之上，比如垂尾和平尾等，到后期才开始扩大其应用面，用在飞机的机身和舱门等地 方。目前，能拥有开发和应用自动钻铆机的主要是国内几家航空制造企业，包括成都飞机 制造厂、西安飞机制造厂和沈阳飞机制造厂等，走的都是先引进后研发的道路 14。例如成 飞是先引进 g4026、 rms335 等系统， 然后到德国的 ba96 和法国的 p-300 自动钻铆系统， 因所引进的自动钻铆系统价格昂贵，只有自动钻铆部分，需要自主研发对应的数控托架 27。如今自动钻铆系统已经从传统的数控机床模式，发展到以工业机器人为工作平台， 通过配合多功能末端执行器，可以多角度、全方位的完成钻铆加工，在这一方面，国外的 技术已经成熟并开始应用，国内才刚开始起步，研究主要集中各大制造企业和高校，如北 航、西工大、天津大学、浙大和南航等。 1.1.21.1.2 五轴打孔机器人的钻孔流程五轴打孔机器人的钻孔流程 机器人钻孔系统的工作流程如下图所示，根据任务的要求，做好准备工作，首先开 机后对系统进行自检，如检查机器人的工作模式等，判断系统是否一切正常，不正常则要 排除故障，然后再返回到自检模式下重新检测待一切正常后方可进入下一步操作；将编 制好的 nc 代码通过相应的数据接口导入到“机器人自动化钻孔控制系统”软件中进行预 处理；机器人首先要定位到原点复位，然后去检测加工基准工艺孔，通过检测到的数据 对 nc 程序中的坐标进行修正；待修正完后，程序下载到控制器中开始执行；加工流程 主要是先将末端执行器送到指定的孔位上，然后进行法向找正，调整末端执行器刀具的角 度使其轴向与待加工点的法向一致；调整到位后，末端执行器开始执行加工动作，包括 中国矿业大学 2015 届本科生毕业设计（论文） 第 6 页 压紧、加工进给、排屑等操作，加工完成后退刀；判断加工作业是否完成，否则重复 -步，直到所有孔位加工结束，机器人回原点位置复位。 1.1.31.1.3 研究展望研究展望 本文构建的机器人自动化钻孔系统在装配制造中具有很好的可行性和应用前景，基本 达到装配制造所要求的标准，但限于作者的水平，依然存在着不足，还有许多问题需要进 一步的深入研究。下面结合作者在研究过程中所遇到的问题，提出进一步的研究建议及展 望： （1）现在虽然实现了通过在上位机中运行加工程序控制机器人完成自动化钻孔作业， 但加工程序的编程依然停留在手动上，效率较低，同时也提高了出错的风险。如果能够开 发出离线编程平台，在离线编程环境中利用工件的 cad 模型生成机器人运动轨迹和加工 程序，则会大大提高机器人钻孔的自动化水平。因此在后续研究时，可将离线编程作为一 个重要的研究方向，对促进该系统的发展具有重要意义。 （2）现在所设计和研发的机器人自动化钻孔系统仅考虑到钻孔工艺和流程，没有涉及到 对钻孔的质量进行自动化实时检测，为用户提供及时的反馈信息，因此后续研究时可对钻 孔质量检测进行研究。 （3） 系统故障诊断的研究。 丰富的报警信号和提示对于大型自动化装备具有重要的意义， 这有利于用户在使用过程中根据提示快速排除故障，减少故障对生产的影响。本文在系统 故障诊断和解决方面存在不足，需要进一步研究，期望将其完善成一套安全可靠的自动化 装备。 1.2 打孔机器人研究目标 目前单独的工业机器人及精密制孔技术已相对成熟，但由于行业的特殊性导致针对不 同的材料和工件，需要采用不同的加工参数和检测设备，因此末端执行器、工业机器人、 检测单元以及周边设备等子系统的集成融合难度较大。而且目前在国内制造业的机器人技 术集成商还没有出现，研制开发单位多集中于高校及科研院所。本文在分析国内外相关技 术的基础之上，提出一套基于 pc 的控制方案构建工业机器人柔性自动化钻孔系统。 本 文将包括机器人自动化钻孔系统结构。主要论述了机器人自动化柔性钻孔系统的结构，主 要由工业机器人、导轨、末端执行器和控制装置等组成，重点对工业机器人和末端执行器 进行详细分析， 包括结构设计、 工作原理和硬件选型等方面。 在系统结构分析的基础之上， 详细介绍机器人钻孔系统的工作流程。 以及机器人钻孔系统控制方案设计。机器人自动 化柔性钻孔系统从本质上来讲是一个集成了机器人控制器的数控系统。在分析常用的 pc 数控系统框架结构的基础之上，通过比较各种架构模式的优缺点，最终提出采用基于 pc 加软 cnc 模式作为系统的最佳控制方案。依据此方案，搭建起系统的硬件平台，完成系 统的体系架构。 中国矿业大学 2015 届本科生毕业设计（论文） 第 7 页 1.3 打孔机器人的研究目的及意义 钻孔工艺作为装配中的重要一环，对装配连接质量起着非常重要的作用。尽管现在出 现了许多新的连接技术，比如针对复合材料的胶接，它是一种指借助胶粘剂从而将装配零 件连接成不可拆卸的整体，是一种不用钻孔的连接工艺，在复合材料的结构连接中应用的 较为普遍，但它也有自己的缺点，容易受周围的环境因素（湿热、腐蚀等）影响，因此机 械连接中铆接仍是飞机结构件连接的主要工艺2。铆接是指先在结构连接件的局部开孔， 然后用铆钉将其紧固连接成整体，具有结构强度大，连接强度高的特点。为了改善各连接 点的质量，其中一个很重要的方法就是通过采用自动化的钻孔设备进行精密钻孔，从而提 高装配孔的质量。 在过去的装配钻孔过程中，风钻钻孔作为主要的制孔工艺而被采用。 工艺操作顺序为：划线钻孔粗铰（或扩孔）精铰分离清理；因为是手工操作，人 为影响因素较多，导致产品容易产生缺陷，主要表现在： （1）孔位精度低：孔位的确定主要通过专用定位器和划线来完成，孔位精度因工人的熟 练程度而异，无法得到保证，随机性比较大； （2）次品率高：在整个钻孔过程当中，全部靠人来把握，这样容易造成孔偏斜、椭圆、 孔径扩大等缺陷，自然而然的次品率偏高； （3）效率低：一个紧固件孔的加工步骤繁多，往往需要经过 35 次加工方能完成，高精 度的孔甚至需要更多次的加工，效率低下，同时也加大出现产品缺陷的概率3。 为了解决以上问题，自动钻孔（五轴打孔机器人）技术应运而生，并往往和铆接结合 在一起，出现了各种自动钻铆设备。 1.4 打孔机器人的结构组成 机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成，各系统相 互之间的关系如下图 1-5 所示 图 1-5 1.4.11.4.1 执行机构执行机构 执行机构由手部、手腕、手臂和立柱等部件组成，有的机械手还有移动机构。 （1） 手部 手部是机械手与加工工件接触的部分，打孔机械手的手部主要由末端执行器构成。末 端执行器需要加持钻头和固定钻头，末端执行器还配有启动装置为了固定钻头，从而增加 打孔的精度。有的打孔机械手为了完成特定任务还在手部装有自动换刀装置和检测装置。 （2） 手腕 控制系统 驱动系统 执行机构 加工工件 位置检测 中国矿业大学 2015 届本科生毕业设计（论文） 第 8 页 手腕将手部和手臂联接在一起，能够改变手部的姿态，从而将工件调整到加工或装配 所需的方位。 （3） 手臂 支承手腕和手臂，并改变其空间位置，与立柱配合，可以完成多空间的钻孔工作。 （4） 立柱 用来支承手臂，但也可称为手臂的一部分，用来帮助手臂完成回转运动和升降（或俯 仰运动） ， 机械手的立柱一般是不可移动的， 但有时候也可以作横向移动以适应工作需要， 称为可移式立柱。 （5） 基座 基座是一台机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于其上， 基座起到支承和连接作用。 1.4.21.4.2 驱动系统驱动系统 驱动系统用来传递动力给机械手执行机构的传动装置，常用的有液压传动、气压传动 和电力传动三种形式。 （1） 液压传动机械手 用液压油来传递动力给执行机构，主要特点是力量大，同时传动平稳、结构紧凑、动 作灵敏。缺点是需要较高的密封性能，否则一旦液压油泄漏，机械手的工作性能就会大打 折扣，并且液压传动机械手只能工作在合适的温度范围内。有些现代液压机械手还采用了 电液伺服驱动系统，大大提高了控制性能，并且能够实现连续轨迹控制，但是电液伺服阀 的制造精度高，油液过滤要求严格，成本较高。 （2） 气压传动机械手 与液压机械手相比，气压传动机械手的介质极易获得，而靠压缩空气完成的动作十分 迅速， 结构简单而使成本降低。 但是也由于空气的可压缩性使得机械手的动作稳定性变差， 不能适应精度要求高的工作。使用于高速轻载的工况，能承受高温和较多的粉尘。 （3） 电力传动机械手 这种机械手的执行机构通常由结构特殊的感应电机、直线电机或功率步进电机直接驱 动，不需要中间的转换机构，机械结构因此变得更为简单，其中直线电机的运行速度快、 行程长，而步进电机则十分适合于数字化控制。电力传动机械手目前应用并不广泛，但发 展前景很广阔。 1.4.31.4.3 控制系统控制系统 控制系统有电气控制和射流控制两种，大多数机械手采用的都是电气控制。控制系统 是机械手的重要组成部分，在工作前人们先将需要执行的动作以及动作的顺序，速度，时 间等作为指令信息输入控制系统，机械手就能够按照事先编制好的程序来完成任务，也可 以实时对机械手发出指令，改变当前的运动。控制系统还能够对机械手的工作状况进行监 视，在错误或故障发生的时候及时发出警报。控制系统的好坏直接决定着机械手动作的准 确性，稳定性和动态性能。 中国矿业大学 2015 届本科生毕业设计（论文） 第 9 页 1.41.4.4.4 位置检测装置位置检测装置 该装置时刻关注着机械手执行机构的运动位置，与设定的位置进行比较，并且将这些 信息及时反馈给控制系统，以便控制系统进行修正，从而以所需要的精度达到设定位置。 1.51.5 本章小结本章小结 本章对工业五轴打孔机械手的一些基本概念，如组成部分和工作原理做了介绍，并介 绍了工业五轴打孔机械手在生产中的一些应用以及发展现状，为后续设计工作的开展做了 铺垫，此次设计的工业五轴打孔机械手用于钻削铝合金材质，用于装配生产线。接下来按 照工作要求确定机械手的各项参数，确定整体方案。 中国矿业大学 2015 届本科生毕业设计（论文） 第 10 页 第二章 五轴关节工业机器人机械部设计方案 2.12.1 五轴打孔工业机器人五轴打孔工业机器人坐标选择形式坐标选择形式 五轴就是有五个自由度的机器人，在实际生产过程中，机器人是通过坐标系形式来进 行定位的，同时如果机器人的坐标系选择的不同会使机器人的特点不同，在设计工业机械 手时候，设计者需要通过实际的工作要求进行设计。 关节式五轴打孔机器人一般采用的坐标系为： （1） 直角坐标型 （2） 圆柱坐标型 （3） 球坐标型 （4） 关节坐标型 本次的关节机器人设计采用关节型坐标式，关节式坐标系特点是自由度可以是 5 个或 是 6 个。关节式的机器人擅于对任何复杂的运动或是角度工作。并且关节机器人另外一个 优点就是能够任意的编程，能够形成全自动化的生产流水线，在很大程度上增加生产率、 减少由于控制的原因产生的误差率，还可以完成大多数人力不能完成的工作，例如化学腐 蚀、高温、有毒气体等不适于人工操作的地方。下图 2-1 是五轴打孔机器人各关节的简明 运动示意图: 图 2-1 运动简要示意图 中国矿业大学 2015 届本科生毕业设计（论文） 第 11 页 2.2 五轴打孔机器人各关节驱动方式 如今打孔机器人的驱动方式大多是气压驱动驱动和电机驱动两种，每一种都有各自的 特点，根据实际工作情况选择合适的驱动方式对于降低整机的成本和提高机械性能都是十 分重要的。 气压驱动的结构很简单，并且气压驱动的价格便宜，同时气压驱动的动作迅速，反应 速度快，但是气压驱动其、由于压力相对低，并且空气的可压缩性导致气压驱动的动作稳 定性不太好。但是在打孔系统中气动驱动只是起到使钻头和加工工件贴紧，不要使其钻孔 过程中产生震动，所以可以采用气动驱动方式。 各关节处的转动决定了机械手末端在水平面内的位置，在装配中需要达到精确的旋转 角度，为提高工作效率，响应速度应当尽量快一些，因此选用交流伺服电机来驱动，交流 伺服电机体积小，重量轻而且精度高，加速迅速，比较适合本设计的要求。 末端执行器的升降动作由于负载较小，可以利用步进电机驱动滚珠丝杠来实现，使得 控制更加简单，价格也更为便宜，手部钻头的旋转也可以用步进电机来实现。 2.3 五轴打孔关节机器人的基本参数 综合运用所学知识以及搜集有关资料独立完五轴打孔机器人机械部和驱动单元的设计 工作。以下是关节机器人的相关参数为表 2-1 及 2-2： 五轴打孔关节机器人五轴打孔关节机器人 相关参数相关参数 表表 2 2- -1 1 项目 参数 加工对象 铝合金及其他金属 轴的个数 5 安装位置 水平地面 坐标形式 平面关节式 重复定位精度 0.15mm 立柱 a1 360 140 /s 大臂 a2 +0/-146 100 /s 后臂 a3 + 155/-119 140 /s 前臂 a4 + 180 170 /s 手腕 a5 180 238 /s 中国矿业大学 2015 届本科生毕业设计（论文） 第 12 页 五轴机器人控制系统五轴机器人控制系统 工作参数工作参数 表表 2 2- -2 2 项目 参数 工作温度(无冷却装置) +5+45 工作温度(有冷却装置) +5+55 库存温度(有电池) -25+30 库存温度(无电池) -25+70 额定输入标准电压 ac 3400v10%ac 3415v+10% 电源频率 4961hz 控制电源提供电压 dc 24v 控制制动器可输出电压 dc 24v 控制制动器可输出最大电流 6a 中国矿业大学 2015 届本科生毕业设计（论文） 第 13 页 2.4 五轴打孔机器人的简要流程图 否 是 是 否 图 2-3 机器人工作流程图 2.52.5 本章小结本章小结 本章大致确定了五轴打孔机器人的整体设计方案，机器人的主要参数已经给出，其驱 动方式已经选定，接下来对机器人的各关节的机械结构部分进行计算和选型。 开始 开机系统自检 系统一切正常？ nc 程序编制 并导入 nc 程序预处理 排除 故障 机器人定位原点检测 加 nc 程序坐标修正 程序下载 i=1 机器人定位到第 i 个加 工 法向找正，调整末 端执 末端执行器加工 加工完毕退刀，第 i 个孔加工完成 i10000 使用寿命大于波发生器的使用寿命。 综上所述，可以选择该型号谐波减速器。 其在额定转矩下的工作效率如下图 4-3： 图 4-3 由图中可看出在设计条件下工作时，谐波减速器效率约为 80%。 4 4.1.3.1.3 交流伺服电机选型计算交流伺服电机选型计算 前面已经计算出负载所需最大力矩=14.6357nm，最大转速=1.745rad/s 则减速器输入端所需力矩： 中国矿业大学 2015 届本科生毕业设计（论文） 第 35 页 =/ =0.1464nm 转速： = =1666r/min 初选 madht1507 型伺服电机，其额定转速 3000r/min,最高转速 5000r/min，额定转 矩 0.64nm,转动惯量 0.042x10-4kgm ，其扭矩-速度特性曲线如下图 4-4： 图 4-4 负载转动惯量折算到电机轴上： = /2 =1.1319x10-4kgm /3.8mpa，故接合 面不会压碎。 2）结合面的上端必须要有一定的残余预紧力，否则在受力时接合面可能会产生间隙，即 需要保证0，可由下式计算： = 1 (0+ + ) （4-6） =2mpa 4.3.54.3.5 校核螺栓所需的预紧力是否合适校核螺栓所需的预紧力是否合适 对于碳素钢螺栓，要求 0 (0.60.7)1 =240mpa，1为螺栓的危险截面，计算得1=55.84mm2 取允许预紧力的下限值， 即0.61=8040.96n， 所需预紧力0=3613.05n， 满足要求。 中国矿业大学 2015 届本科生毕业设计（论文） 第 41 页 4.4 本章小结 关节部分是机械手精确动作的关键，不仅要保证有足够的力矩来驱动臂部，而且还要 求有很高的回转精度，同时也要考虑到倾覆力矩在关节处产生的影响。因此在设计关节部 分机构时，轴向布局应当尽量紧凑，为保证对精度的控制，还应当加装角度传感器构成闭 环系统，电机和减速器在此也采用了精度较高的交流伺服电机以及结构紧凑且精度高的谐 波减速器。 中国矿业大学 2015 届本科生毕业设计（论文） 第 42 页 第五章 五轴打孔机器人的电控系统的设计 五轴关节机器人将电控部分分成硬件系统的设计、软件系统的设计两部分，并且对单 片机的控制系统进行硬件方向的研发设计。 五轴打孔机器人电控部分的简介： 1、 电源电路主要是给控制器提供电源，使其能够正常工作。 2、 控制电路是是机器人工作的最重要部分，机器人的控制模块都含有：单片机的处 理器模块、晶振模块、电源输入模块、管脚输出模块、复位模块等。 3、 通信电路起到的作用是使控制器与计算机连接，担任的任务是交互作用。 单片机实时控制系统的开发是运用单片机系统 c/0s-i 进行研制开发，为了增强其实 时性及延展性，将电控系统划分成：uc/0s_ii 操作系统模块、复位模块、脉冲输出模块、 通信控制模块、示教模块。 1、 uc/0s_ii 操作模块主要作用是分配相应的工作给各部分； 2、 通信控制模块主要作用是给控制系统进行数据设置。 3、 复位模块主要作用是能够让关节机器人回到原始位置。 4、 脉冲输出模块是通过脉冲信号对五轴打孔机器人的五个伺服电机进行控制； 5、 示教模块主要作用是将机器人具有记忆性， 能够让已经输入的参数值下次自动 运行。 本次设计中电控部分的新颖地方包括下面两方面： 1、该电控部分运用嵌入式控制单元和 c/0s-ii 系统进行编程。目的是想增加关节 式打孔机器人的快速响应能力，同时也能将成本压缩到最低限度。 2、因为闪存的断电数据不易失特性，所以能够将已经设定的数据保存在处理器 的闪存中。如果再次启动机器人，机器人则能够立刻运行之前设置过的数据参 数，这样能够大大的减少工作人员操作的繁琐性，而且很大程度的改善了关节 机器人的操作性和示教性。 5.1 单片机的硬件系统开发设计 五轴打孔机械手的电控部分硬件系统由电源模块、控制模块、通信模块组成的。 电控系统的框图如下图5-1中所示： 中国矿业大学 2015 届本科生毕业设计（论文） 第 43 页 图 5-1 嵌入式硬件框图 5 5.1.1.1.1 硬件系统中的硬件系统中的电源电路电源电路模块模块 电源电路模块主要是控制器提供电源工作的。电源电路模块的实现过程： 由24伏特 开关电源及24伏特转3.3伏特的电源模块组成， 以上提到的设备可以在商家买到， 下图5-2 为电源电路模块的相应实物图 图 5-2 电源模块实物图 5 5.1.2 .1.2 控制器电路控制器电路 单片机单片机 本设计电控系统采用单片机的型号为stm32f103zett6， 这种型号单片机是该 系列中里面硬件配置相当高端的单片机了，该处理器的资源有：储存空间为64千字节 静 态随机存取存储器和存储空间为512千字节的程序存储器、两个基本定时器、四个通用定 时器、两个高级定时器、三个串行外设接口、两个集成电路总线、五个串口、一个通用串 行接口、一个控制器局域网、三个12位模拟数字转换器、一个12位数字模拟转换器、一个 安全数字输入输出卡接口、一个可变静态存储控制器以及112个通用输入输出接口。本处 理器的配置很强大的，并且自带可变静态存储控制器能够进行拓展静态随机存取存储器和 连接lcd显示屏等功能， 通过外部总线进行驱动lcd屏， 能够明显的将lcd的刷屏速度增加， 主控制器 stm32 f103zet6 行程开关 触摸屏 按键 伺 服 电 机 驱 动 器 电源电路 系统 指示灯 flash 24c02 启动模式接口复位电路 usb接口 五 路 伺 服 电 机 中国矿业大学 2015 届本科生毕业设计（论文） 第 44 页 最主要的是该处理器的价格只有34元左右，这个价格远远低于同等的其他芯片。因此我们 用该处理器作为本次设计的电控部分的主芯片 24。 输入输入/输出输出 将需要用到的输入/输出显示出来，其中有pa0-pa10，pb1-pb8一共是二十 个输入/输出。 在印刷电路板让排针和选定的单片机对应的接口相互连接， 可以所用到的单 片机外部引脚引出，在控制系统中电机及开关与外部引出的引脚的连接情况将在图纸中表 示，下图5-3就是输入/输出的接线原理图。 图 5-3 引出输入输出引脚图 通用串行接口通用串行接口 通用串行接口与处理器的串口是用下图5-4中的usart1连接，如下图 所示，利用如此的安排可以很大程度上上提高控制器的灵敏性和响应速度。例如我们让外 部生存时间值的串口和处理器stm32进行联系时，我们通过控制跳线帽的位置，能让外部 工作模块与处理器进行联系。电控系统中，模块usart1的左端连接的是处理器stm32，模 块usart1的右端是与通用串行接口的转串口芯片连接的。 图 5-4 通用串行接口的原理图 通用串行接口的通用串行接口的串串口口 通过ch340能够实现通用串行接口的转串口的功能，下图中的q 2和q 3两个模块就能实现简单快捷的具有下载功能的电路，并且只需要通过软件mcuisp进 行参数设定为 ：数据终端就绪的低电平复位，rts高电平进boot loader。通过这样设置， 我们就能实现将代码一键进行下载了，可以省略掉我们人工操作去将b0设定和操作reset 功能了。并且，复位通过电路中的复位信号二设定，而booto中启动是通过设定启动的b0 信号， 下面电路图中可以得知两个模块与电脑进行联系的引脚， 并且usb-232还能够提供电 源给开发板，并且可以看出下图5-5中usb-232是设计过程中电路板最重要的供电口。 中国矿业大学 2015 届本科生毕业设计（论文） 第 45 页 图 5-5 通用串行接口的原理图 reset电路电路 由于处理器stm32的复位功能是在低电平的时候才起作用，因此我们需要 让电路复位时是低电平，下图5-6中则是复位电路的原理图。并将触摸屏的复位引脚接口和 reset电路相连接， 通过这样的接线就能实现一个复位电路可以控制单片机的复位并且还可 以控制显示屏的复位，将电控部分的设计电路简单化。 图 5-6 reset电路的原理图 启动模式的接口启动模式的接口 单片机的启动电路接口电路图，如下图：boot0、boot1是设定单 片机stm32的启动方式，其相应的接线为下图: 图 5-7 启动模式设定接口的原理图 boot0、boot1对应启动模式为：booto的0、1、1相对应的启动模式是flash存储 器、系统存储器、sram的启动；booto1的x、0、1则对应的启动模式也是flash存储器。 系统存储器、sram启动； 中国矿业大学 2015 届本科生毕业设计（论文） 第 46 页 按键的接口设定按键的接口设定 按键接口如下图5-8：按键0、按键1两个键是用来输入的，连与单片 机stm32的pe4、pe3的接口对应，按键电路图中没有接外部的上拉电阻，这是因为stm32 的输入输出接口当作输入接口时单片机本身能自己设定上下拉电阻，因此在该电路中不用 在外部设定下拉电阻。 图 5-8 按键的接口图 5 5.1.3.1.3 通信通信模块模块电路电路 使单片机和液晶显示屏进行接口的连接，是通过液晶显示屏模块和u15相互连接构成 的。 24c02 电可擦可编程只读存储器电可擦可编程只读存储器 电路板中24c02电路连接接口方式如下图5-9连接 所示：电可擦可编程存储器使用芯片我们选择用24c02型号，24c02存储空间是2kb，这个 存储空间对于该设计的编程存储已经是很大很大了，完全可以保障我们设计进去的程序存 储了。如下面电路图截图示接口a0和a2和大地相连接，这个连接方式是让芯片24c02的地 址被设定成0，关于这个地方我们写程序一定要注意的。 图 5-9 芯片 24c02 的电路接口原理 tft 液晶显示器液晶显示器电路电路 tft-led 有一个很大优点就是可以解决非选通状态时的串扰现象, 因此就可以让 led 的静态特性和扫描线数不发生干扰，所以很大程度上就可以让显示屏的 显示质量上升。 tft-led 显示屏和单片机相连接的接口引脚有 27 个，下图 5-10 就是 led 显 示屏与单片机 stm32 连接方式。 中国矿业大学 2015 届本科生毕业设计（论文） 第 47 页 图 5-10 接口连接图 5.2 单片机的软件系统设计 为了使单片机软件系统的扩展性和实时通信性有很大的提高，我们选用的单片机的实 时操作系统是c/0s-ii，并且使用模块化的设计。单片机的软件模块设计包括5个方面，第 一个是uc/0s_ii系统、第二个是led液晶显示屏的控制、第三个是reset控制模块、第四个是 5路脉冲输出的控制模块、最后一个是示教模块软件设计。 5.2.1 5.2.1 ledled 显示屏的软件系统显示屏的软件系统控制控制 led 显示屏就是我们控制是需要用到的触摸屏，它是人机交互的媒介，通过触摸屏我们 进行控制操作机器人的工作。led 显示屏的控制主要讲解其两块，第一块就是运行原理部 分，第二块就是参数部分。下面是对其分析讲解的部分： 1、运行触摸屏的软件控制的相关原理 a、在系统uc/0s_ii里面自己建造一个液晶显示器模块； b、在系统中检查识别是否触摸屏有被人为按下的动作，实现这个功能需要系统中不断 的扫描来及时得到相应。如果系统检测到触摸屏中有被人为触摸的时候，还需要让系 统去自动识别是触摸屏的哪一部分被触摸，并且同时要去设置对应的值，其中我们设 置伺服电机一、伺服电机二、伺服电机三、伺服电机四、伺服电机五相对应的是1、2、 3、4、5。 中国矿业大学 2015 届本科生毕业设计（论文） 第 48 页 c、根据相应的数值，需要到达操作系统的第二运行阶段，并且在进行第二轮扫描时， 当确定触摸屏被触摸后，需要系统进一步确定是触摸屏的哪个部分被触碰，触摸屏上 的每个部分和其功能是一一对应的关系。 d、当我们设置相关数值的时候，单片微机会在闪存中存储，并且还可以对数据进行保 护。 （2）系统的数据设置： 机器人需要设定的几个参数是：机器人的运行速度、机器人的运行方向及机器人 的运行距离。定时器的中断翻转是通过输入输出口的翻转来控制的，定时器的中断时 间长短能够改变脉冲频率的快慢，因为脉冲是控制伺服电动机工作的，所以设计时就 可以控制定时器的中断时间来控制伺服电动机的运行转速。机器人输入输出口的翻转 次数可以控制机器人的运行距离，机器人输入输出的翻转是由中断函数进行计算和控 制的；机器人的运行方向只是通过输入输出口的高低电平进行控制的。 机器人控制系统中的定时器的中断时间计算为： tout = (arr + 1) (psc + 1)/tclk （5-1） 其中： tclk 输入时钟频率（单位为mhz） tout 溢出时间（单位为us）。 arr 自动重装值。 psc 时钟预分频数 在设定程序时，已经将输入时钟频率和时钟预分频率设定为72mhz 和7199，因 此计算公式可以化简为： tout = (arr + 1) 104 （5-2） 所以由计算公式可以看出，我们只需要控制自动重装值就可以控制定时器的中断时 间，因此就可以改变伺服电动机的转速。机器人的触摸屏控制流程图为下图5-11所示： 中国矿业大学 2015 届本科生毕业设计（论文） 第 49 页 图 5-11 工作流程图 5.2.25.2.2 resetreset 程序程序 reset 程序的工作原理是 reset 程序在系统中反复的工作的扫描，只要系统中 检测到 reset 键在触摸屏中被触碰， 系统第一步是让标志位清零， 当标志位被清零后， 由系统控制的各个伺服电动机都将回到原始位置。整个的 resrt 操作完成，reset 的流程图 5-12 为： 中国矿业大学 2015 届本科生毕业设计（论文） 第 50 页 是 否 是 否 是 否 否 是 图 5-12 reset 程序工作流程图 5.2.35.2.3 机器人五个伺服电动机机器人五个伺服电动机脉冲输出脉冲输出控制控制 机器人是通过伺服电动机进行驱动的，并且伺服电动机的控制是由位置控制的， 系统控制伺服电动机的驱动器脉冲从而来控制选用的五个伺服电动机。伺服电动机的 控制原理：第一是控制输入输出口的翻转，从而给伺服电动机相应的脉冲。上面已经 提到过脉冲的频率快慢是由定时器的中断时间来决定的，并且脉冲的频率是用来控制 伺服电动机转速的。脉冲数则是由中断函数的静态变量所决定，而脉冲数是用来决定 伺服电动机的转数的。其控制流程图 5-13 是： 创建按键任务 是否按下？ 标志位清零 伸出臂收回 接近开关 1 触发？ 机械臂向下 接近开关 2 触发？ 机械臂整体右转 接近开关 3 触发？ 机械臂停止 中国矿业大学 2015 届本科生毕业设计（论文） 第 51 页 否 是 是 否 图 5-13 脉冲输出控制的流程图 5.2.45.2.4 示教示教控制部分控制部分 示教控制部分的工作是根据闪存具有一个良好的特性，该特性是当闪存遇到断电 时，闪存内存储过的数据不会轻易的丢失，在机器人从新启动后能够直接运行，不需 要从新设定，这样可以大大的减少操作者的工作量，为生产工作增加很大效率。下图 是示教程序的大体流程图 5-14： 开始任务 timx 时钟使能 （x=2、3、4、5、6） 初始化定时器参数 设置 timx-dier 允许更新中断 timx 中断 设置优先级 设置 timx-dier 允许更新中断 timx 时钟使能 定时器 溢出？ 清除中断标志 设定参数翻 转次数？ io 翻转 关闭当前定时器开 启下一个定时器 中国矿业大学 2015 届本科生毕业设计（论文） 第 52 页 图 5-14 示教程序的大体流程图 5.35.3 本章小结本章小结 电控部分是工业机器人最主要的部分，是实现工业自动化的基础。本次设计通过单片 微机进行对五轴打孔机器人的控制部分，通过单片微机进行控制机器人的通信、复位以及 机器人各关节的电机等。在电控设计部分，首先确定需要控制部分，然后需要通过控制选 取各型号的元器件，并且对各元器件进行 io 口的连接，从而达到控制目的。 开始 程序 首次运行？ 装载flash参数 参数变化？ 写入flash 是 否 是 否 装载flash参数 读flash标志位存 储区 中国矿业大学 2015 届本科生毕业设计（论文） 第 53 页 总结 本次毕业设计中所设计的五轴打孔机器人采用平面关节形式，机器人的肩、肘以及 腕部关节处采用交流伺服电机与谐波减速器的组合；机器人的回转部分使用的是步进电机 和行星轮减速器的组合，使机器人能够在 360平面内都可以工作，增加机器人可工作范 围；关节机器人的末端执行部分是采用滚珠丝杠、步进电机以及气压元件构成打孔机器人 的钻孔部分，对于机器人的末端执行器的精度要求是非常高的，因此设计中采用滚珠丝杠 的高精度器件，为了达到钻孔精度，末端执行器还应用气压泵元件作为压紧元件，目的是 作为减小钻孔过程中钻头的震动。 机械手的电控部分采用单片机 stm32 进行控制，将 stm32 与各电机以及各个功能模 块连接一起，在输入预先编制的程序后即可实现自动化控制。为了保证机器人能够达到相 应的位置精度，在机器人肩、轴关节以及腕部回转机构处应加装角度传感器，末端执行器 要安装位置传感器，与控制电机形成闭环系统。电气控制部分对于机械手的精度及工作能 力是至关重要，通过电控是机器人形成闭环控制，能够达到相应的智能化体系。 总体而言，在机械与电气部分配合良好的情况下，五轴打孔机器人的机械手可以灵活 运动，其响应速度也能达到相对较好的工况，因此该关节式打孔机器人将会广泛的运用在 装配工作环境中，可以在航天、汽车以及机床中，在对末端执行器进行相应改装之后，机 器人也能够进行自动更换刀具和自动检测打孔质量和打孔精度的工作。 中国矿业大学 2015 届本科生毕业设计（论文） 第 54 页 附录 1 主程序 /* 程序名称：五轴打孔机器人嵌入式控制系统 功 能：主程序 (1)led 任务，系统运行指示灯 (2)触摸屏任务，控制 pwm 频率与脉冲数 (3)按键扫描任务，暂