电气系王现富2013院级课题申请书(两自由度并联机械手)

1、 青岛市技师学院课题（项目）申 报 书课题（项目）名称： 两自由度并联机器人 承担部门： 电气工程系 课题（项目）负责人： 王现富 手机：联系人： 王现富 联系电话： 81725638 手机：电子邮箱： henanwangyi 课题（项目）起止时间： 2013 年10月 30 日 至 2014 年 12 月 30 日申报时间： 2013 年 10 月 25 日青 岛 市 技 师 学 院 填表日期：2013年10 月20 日填表说明一 、表内文字书写格式为宋体、小四，行间距1.5倍，首行缩进2字符。二、每个课题限报负责人1名。课题负责人须具有中

2、级以上职称或研究生学历。三、 填写中如栏目篇幅不够，可自行加页。一、课题（项目）申报单位及课题（项目）负责人基本信息课题（项目）负责人姓 名王现富性 别男出生年月1973.01学 历本科职 称讲师职 务教师电 话81725638手 mailhenanwangyi课题（项目）组主要研究人员序号姓 名年龄专业学 历职 称项目分工为本项目工作时间（%）所在部门1丁兆花49电气本科校企合作和跟高校合作合同20%电气工程系2于蓉42机电本科触屏和机器人的正反解算法以及编程（接线调试）25%电气系PLC教研室3王现富40工业自动化本科触屏和机器人的正反解算法以及编程（接线调试）2

3、5%电气系测控教研室4王锦31电气自动化本科相关资料的收集编写打印10%电气工程系5刘振刚32电子研究生相关接线和调试10%电气系电子教研室6李秀香43机电本科相关接线工作10%电气系基础教研室二、立项背景和依据(一)研究目的1、随着企业生产设备，机器人在企业生产设备中的位置越来越重要，各种形式的机器人在未来中国的企业中将大量使用。对各种机器人的研究包括编程、使用、维护、维修将是我们电气专业未来发展的一个重要方向。2、2013年5月11月教育部教育管理信息中心举办第八届全国信息技术应用水平大赛中增设“Omron杯”Sysmac自动化控制应用设计大赛专项团体赛事。“Omron杯”Sysmac自动

4、化控制应用设计大赛是欧姆龙为了配合高校在创新活动中对最先进自动化控制技术的吸收和掌握，与教育部教育信息中心合作举办的首届大赛，全国诸多高校参加，这个比赛预计要连续举办五届。通过院级课题的研究为未来的比赛做准备。（二）研究背景随着机构学发展和研究领域的拓宽及机械产品创新的需求,平面多自由度机构已广泛应用于并联机器人、串联机器人等领域,以实现高速、高精度、高稳定性的运动输出或完成更复杂的运动规律，在企业中的到越来越广泛的应用。当前当前工控界比较常见的主流机器人有以下几种：1.SCARA（水平机器人） SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm，中文译

5、名：选择顺应性装配机器手臂）是一种圆柱坐标型的特殊类型的工业机器人。也有人叫做水平关节型机器人。SCARA机器人有3个旋转关节，其轴线相互平行，在平面内进行定位和定向。另一个关节是移动关节，用于完成末端件在垂直于平面的运动。这类机器人的结构轻便、响应快，比一般关节式机器人快数倍。它最适用于平面定位，垂直方向进行装配的作业。例如，快速将一件小物件从一条输送带移动到另一条输送带上并排列好2.直交机器人 直角坐标机器人概念：工业应用中，能够实现自动控制的、可重复编程的、多功能的、多自由度的、运动自由度间成空间直角关系、多用途的操作机。他能够搬运物体、操作工具，以完成各种作业。 直角坐标机器人的特点：

6、 1， 多自由度运动，每个运动自由度之间的空间夹角为直角。2， 自动控制的，可重复编程，所有的运动均按程序运行。3， 一般由控制系统、驱动系统、机械系统、操作工具等组成。4， 灵活，多功能，因操作工具的不同功能也不同。5， 高可靠性、高速度、高精度。6， 可用于恶劣的环境，可长期工作，便于操作维修。3. 串联式机器人 串联式机构是一个开放的运动链（open loop kinematic chain），其所有的运动杆件并没有形成一个封闭的结构链，串联式机构特点包括：1. 工作空间大。2. 运动分析较容易。3. 可避免驱动轴之间的耦合效应。4. 机构各轴必须独立控制，并且需搭配编码器与传感器用来提

7、高机构运动时的精准度。4. 并联式机器人 并联机器人和传统工业用串联机器人在应用上构成互补关系，它是一个封闭的运动链（close loop kinematic chain），和串联机器人相比较，并联机器人具有以下特点：1. 不易有动态误差，无累积误差，精度较高。2. 运动惯性小。3. 结构紧凑稳定，输出轴大部份承受轴向应力，机器刚性高，承载能力大。4. 为热对称性结构设计，热变形量较小。5. 在位置求解上，串联机构正解容易，反解困难，而并联机构正解困难，反解容易。6. 工作空间较小。7. 驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，这样运动部分重量轻，速度高，动态响应好。8. 完全对称的并联机构

8、具有较好的各向同性。根据这些特点，并联机器人在需要高刚度、高精度、大荷重、工作空间精简的领域内得到了广泛应用。近年来,对平面并联机构的研究日益受到国内外学者的重视。多维度并联机器人的应用越来越广泛。三、研究方案（一） 研究内容通过对NJ系列PLC编程的学习和研究，根据机器人的结构，确定正反解的算法，完成程序的编写调试及仿真。在开始真机调试前需要完成设备的电气组成，以便控制与维修。电气组成介绍包括三方面：1、网络构成2、控制回路3、HMI（触摸屏）控制应该包括的控件与功能如下：抱闸：用于松开电机抱闸的控件按钮。伺服锁定：用于伺服锁定的控件按钮。设置原点：用于设置伺服初始原点的控件按钮。清错：用于

9、清除所有报警错误（可包括数据初始化）按钮。点动：用于控制机械手点动的控件按钮点动速度：用于设置点动速度的控件按键输入。目标位置：用于设置机械手移动目标点坐标的控件按键输入。实际位置：用于显示机械手移动时当前位置坐标显示的控件。回原点：用于机械手回到原点的控件按钮路径示教：用于示教的功能。此功能用来示教预置机械手的行走路径。例如A-B，获取A点附近坐标与B点附近坐标，设定相应高度后，在程序里用功能块实现相应的机械手路径。设定高度：用于设定机械手能够安全越过障碍物的高度的控件按键输入。设定厚度：用于设定铁片厚度的控件按键输入。循环次数设定：用于设置机械手A-B-A-C-A循环次数的控件按键输入。当

10、前循环次数：用于显示机械手当前完成循环次数的控件显示输出。完成片数：用于显示机械手当前完成吸放铁片数的控件显示输出。Autorun：用于控制示教动作自动运行的控件按钮Stop：用于停止机械手动作的控件按钮。极限：用于显示机械手是否超过范围保护极限位置的控件显示输出。4、程序编写调试在符合操作流程的前提下程序的功能要求如下：程序中必须包含LD语言,ST语言，Motion FB编写机械手仿真程序：编写能够通过Data Trace（数据跟踪）功能把机械手轨迹仿真出来的程序通过网络变量编写NS触摸屏程序（具体功能见NS触摸屏程序要求）机械手指定位置绝对移动程序（在机械手允许的活动范围内，输入目标点的坐

11、标，机械手可以运动到指定位置）点动程序（通过点动按钮可以实现机械手上下左右点动）机械手活动范围超出判断报警程序（设置机械手活动范围以外的位置时候，机械手不动作）机械手自动程序（按下自动启动按钮后，机械手先将A点铁片搬运到B点，铁片全部搬运完毕后，机械手回到初始位置，之后在将B点铁片全部搬回到A点。机械手再次回到初始位置，将A点铁片搬运到C点，机械手回到初始位置，之后再将C点铁片全部搬回到A点。重复此循环动作。）运动学正推程序（编写能够根据主动臂伺服旋转角度推出平动盘坐标的程序）2. 研究方法与技术路线 为了使该课题的研发结果更好，使机器人的运行精度更高，在研究过程中，将采用以下方法：1、积极与

12、高校合作；准备到青岛大学的山东省重点实验室去学习交流。2、积极与企业合作；准备到OMRON中国自动化公司参加NJ培训。3、实验法；在研发过程中为了确保研发的顺利成功，需根据设计要求设计和算法设计好程序后先利用仿真软件在线监控仿真的方法对程序进行仿真修改。4、跟数学专业教师合作；在机器人确定正反解算法的过程中积极跟基础部数学教师合作，以便找到精度更高，步骤更简便的数学算法。在研发的总体目标指导下，按计划、合作、行动、反思、修订的基本过程，进行实时的修订与完善，确定最优方案，使研发课题顺利完成。3、拟解决的关键问题、子课题的设置及本项目的创新之处1、 由于并联机构存在运动学和动力学的强耦合性,使得

13、这类机构系统的控制较为困难,运行精度低。解耦合在动力学中的研究是个难题。因此,如果能采取有效的结构设计措施,使得机构的动态方程得到简化。那么,对改善系统的动态特性,提高系统的运动精度和实际控制都是非常有利的。控制电机转动只是知道电机旋转了多少角度，角度位置只是相对的，却不能知道机械手平动盘上的电磁铁移动到哪。要想让机械手移动到预计的位置，则需要先建立一个坐标系，再通过在程序里实现一些算法，最终反应到实际的机械手运动当中。关键点在于算法，算法便是角度与坐标的转换关系-正反解2、NJ编程软件编程特别是运动指令的学习、3、用ST语言编程的学习研究，4、Sysmac软件的学习应用，5、HMI软件的学习

14、应用。4、工作方案（包括时间进度，阶段目标等）时间阶段目标考核指标2013年11月12月计划到青岛大学OMRON实验室培训学习学习的相关资料照片等2013年11月2014年9月1、到OMRON自动化中国公司参加专业培训2、广泛合作确定最优算法3、程序编写（运行程序和HMI程序）4、仿真调试程序和仿真效果2013年9月11月1、组装接线与调试（学院购买实物）完成运行5. 预期研究成果及形式预期研究成果01.主报告 02.调研报告 03.核心期刊发表文章 04.参考文献选编   05.论文与专著 06.学院采用 07.其它 预期成果描述本课题借全国OMRON大赛的契机

15、，根据当前工业机器人发展的现状和电气专业未来的发展方向确立的该课题。通过该课题的研发课题使老师们能够接触到该行业中最前沿的知识，更好的把我专业的未来发展方向，为以后的专业发展提供经验。通过该课题的研发可以提供学院老师的研发水平，如果参与大赛获奖还可以提高学院的知名度，为学院争得荣誉。 该机器人的研发突破了原来学院作为教学研制的机械手，速度慢，精度差，仅限于教学应用，该机器人运行速度的精度将达到工业应用的标准，可以应用的企业生产中，甚至比当前好多企业的设备更先进，精度更高速度更快，是企业设备的更新换代产品。四、现有研究基础和条件 1、该课题组成员具有较强的教科研水平，课题负责人多次参与教具制作。

16、 2011年参与院级课题“KZD-型4KW以下直流电动机调速系统教具研制”，并获得全国技工院校教学科研开发成果三等奖。2012年该课题组研制教具的“伺服自动控制系统”获得全国技工院校教学科研开发成果三等奖。2012-2013年主持了院级课题“龙门刨床的电气控制技术改造”。2011-2013年承担了学院示范校建设中的电子实训室的6S管理、“气动实训室建设”和“教具机械手的研制” 等工作。 2、该课题团队成员全部是一体化教师，并且具有丰富的企业工作经验，并积极参与教学改革。2008-2012年该课题组成员先后在国家级刊物发表论文浅谈项目教学法plc在燃油锅炉自动控制系统中的应用浅谈职业教学改革等论文共计十余篇。2008年参与青岛市职研室组织的教材机床电气控制线路与技能训练的编写。2011-2012年主编了劳动和社会保障出版社组织的教材编写，主编了电力电子变流技术的教材、习题册以及教参，2013年主编了校本教材触摸屏应用技术。 3、学校有成功的校企合作基础，并有多人参与过企业技术改造和研发。 4、学院对课题研究具有充分的资金保障，为课题的顺利完成奠定了基础。* 论文要写明作者、题目、刊名、年份、卷（期）、页码* 专著要写明作者、书名、出版社、年份* 研究项目