第6章 机器人和数控实例

机器人和数控技术机电一体化系统实例主要内容一、新型柔索并联机器人系统研发二、数控机床开发实例一种新型柔索并联机器人系统研究与开发

(1)3台步进电机驱动3条柔索；(2)一台力矩电机控制操作杆的压力，继而保证三条柔索的拉力在一定范围内。抽象的机构简图(1)、三个移动副a、b、c的延长线汇交于一点P，各自与杆轴PQ为虎克副连接；(2)、三个移动副分别连于一个转动副再连至固定平台上的三个虎克副；(3)、Q处通过虎克副-移动副穿过平台；(4)、A，B，C位于正三角形的三个顶点，Q在三角形中点。虎克饺虎克铰也称万向铰，允许两构件有两个相对转动的自由度，相当于轴线相交的两个转动副球面副球面副允许两构件具有3个独立的相对转动，可以绕x，y，z转动虎克-移动副3个构件，3个自由度自由度计算空间机构的自由度KutzbachGrubler公式：其中，n为总构件数，g为运动副数，为各运动副自由度数。

自由度计算(1)总构件数为n=12；(2)P点有三个虎克副，a，b，c处各有三个移动副，三个转动副，Q出有一个虎克副一个移动副，A，B，C处各有一个虎克副。g=3+3+3+1+1+3=14；(3)P点3个虎克副各有2个自由度，a，b，c处转动、移动副各有一个自由度，Q处虎克副有2个自由度，移动副1个自由度，A，B,C处虎克副各有2个自由度自由度分析结论（1）该类机构具有3个自由度；（2）操作杆PR的位置由3个参数确定，PR的位姿由约束确定。（3）新型并联机器人姿态变量与位置变量之间是耦联的柔索驱动的特点和优点(1)一条柔索代替了a、b、c处的移动副和转动副，使构件数显著减少；(2)取消了P除的3个虎克副；(3)必须在R处对杆PR施加力，使柔索拉力适中；(4)方便起见，将杆倒置。分析坐标系计算坐标系分析坐标系和基础坐标系之间转换

基础坐标系是经过分析坐标系绕z轴顺时针旋转120度，然后绕x轴逆时针旋转180度，后平移得到的。最终可获得分析坐标系到基础坐标系之间的转会关系为其中：运动学分析

机器人运动学是研究机器人个关节和手爪之间位置、姿态的对应关系的。不考虑产生运动的力和力矩。一类是给定机器人各关节角度，要求手爪的位姿，称为正问题。 另一类是已知手爪的位姿求机器人对应于这个位置的各关节角。成为逆问题。位置分析建立坐标系如图P点坐标为（x，y，z）PR杆长为PR杆与0x，oy，oz夹角为运动学逆解为运动学正解为其中：位姿与位置的耦合关系速度关系

定义驱动广义坐标和计算坐标

求导得其中：分析发现，速度关系是线性的，仅与机构的运动学尺寸（铰链方向、位置及移动副方向、位置）及原动件的驱动长度有关，而与原动件的运动无关正逆速度分析算例

要求：模型机器人样机操作杆P点在计算空间内从坐标点(-50–50100)以速度矢量匀速运动至坐标点(-50200100)，三根柔索a、b、c驱动速度在各实时位置的速度大小

加速度关系分析将速度关系再求一次导其中：得到：两式联系了关节和手爪之间的加速度关系对于轨迹规划非常有用正逆算例

要求：操作杆P点在计算空间从坐标(-50–50100)运动至坐标(-50100100)。要求在(-50–50100)至(-500100)段以恒定加速度，从静止匀加速运动；再以恒定速度匀速运动至(-5050100)；之后再以恒定加速度匀减速运动至终点(-50100100)，在终点时速度为零

通过运动学正、逆问题解算出结果各柔索位置曲线各柔索速度曲线通过运动学正、逆问题解算出结果各柔索加速度曲线力学分析

力学分析包括动力学和静力学分析，动力学是在运动学的基础上，考虑作用力对运动物体的影响算例

要求：样机操作杆工作点（安置笔头）在基础坐标系内缓慢匀速地从（0–500）点沿直线移动至（0500）点，完成画线操作。假设笔尖受恒定、沿-Z轴方向的恒定反力0.5牛顿。 为使笔尖保持恒力a，b，c的力拉曲线工作空间分析

机器人的工作空间是机器人操作机的工作区域，可定义为操作机上某一给定参考点在空间中可以到达的点的集合。它是衡量机器人性能的一个重要指标，直接反映了机器人的技术性能。模型样机使用卷扬机驱动，其l=100mm，平台中部配置的虎克-移动副转角范围，移动副行程0-230mm。注意：柔索只能承受拉力，不能承受压力为保证一定的精度，各柔索必须在一定的最小拉力之上。

为模型样机在保证各柔索有一定的最小张力要求N、N、N，工作端承受0.5N恒定垂直操作反力（完成写字、画图工作）的可靠工作空间仿真。

oXZ平面投影oYZ平面投影oXY平面投影oXYZ空间轨迹规划

所谓轨迹是指是指机械手在运动过程中的位置、速度、加速度。 所谓路线是指操作机所跟踪的空间曲线，它与时间无关。轨迹和路线的区别仅在于是否引入时间变量。机器人抛物线-直线-抛物线轨迹规划

为保证机器人运动状态的平稳,其各运动自由度可以具有抛物线-直线-抛物线(LSPB)轨迹规划运动两段抛物线轨迹规划

当运动距离不够长，不允许加速到最高速度时

多轴同步运动第i轴以极限加速度Ai加速到比它的极限速度低的速度；同时第2轴以小于其极限加速度的加速度加速到它的最大速度Vj。然后，两轴以常速度运动，直到它们同时减速到零。

机器人插补运算1.直线插补其中，n为空间直线等分段数。不同于数控系统的插补！相对更简单2.圆弧插补

略系统构成及驱动控制1.三台步进电机是用从老式5寸软盘驱动器上拆卸下来的经改装后使用，为日本制PXB43-01A型步进电机；2.力矩电机（用录音机电机改装代替）用来完成张紧细绳索的驱动接口卡接口卡1.两路8位数字信号输出锁存

2.数字信号驱动输出为16位，最大可同时带动14路30V，500mA（使用ULN2003x2）、2路7V，300mA(使用75452）的开关量负载。其中，用12位驱动步进电机，剩余的4位开关量输出通道用于驱动继电器等开关器件，控制机械本体的上电、末端工具的工作状态。2.一路8位数/模（D/A）(使用DAC0832及NEC4558运放）转换及数字信号驱动电路和模拟信号比例放大，功率驱动电路，用来用来完成对张紧绳索的力矩电机控制；接口标志变量位分配

1.高四位开关量状态控制位系统总闸；柔索张紧电机的上电；两个末端工具的开；闭工作状态。2.三台电机的时序状态

Motor*可能值为0001、0010、0100、10003.各种动作级指令最终都是对接口标志变量进行处理，再传送至接口电路驱动外设。步进电机的控制和驱动一台步进电机驱动电路原理ULN2003反向驱动器数据锁存器ULN20037路达林顿功率驱动芯片；每路输出最大50V，500mA.步进电机驱动原理（2）张紧柔索力矩电机控制

而通过力学模型实时解算，实时控制力矩电机的电流，以此控制张紧柔索的张力，使得在机器人运动过程中，三根驱动柔索所受张力始终保持在一个合适的范围内ISA总线引脚定义A1-A31及B1-B31的62线插槽即为8位插卡插槽，它与PC/XT

8位总线完全兼容C1-C18和D1-D18为AT总线增加的36线插槽，它和62线插槽一起供16位插卡使用。

1.最早的PC总线是IBM公司于1981年推出的基于8位机PC/XT的总线，称为PC总线；2.1984年IBM公司推出了16位PC机PC/AT，其总线称为AT总线；3.为了能够合理地开发外插接口卡，由Intel公司，IEEE和EISA集团联合开发了与IBM/AT原装机总线意义相近的ISA总线，即8/16位的“工业标准结构”(ISA-Industry

StandardArchitecture)总线。1.8位ISA扩展I/O插槽由62个引脚组成，用于8位的插卡2.8/16位的扩展插槽除了具有一个8位62线的连接器外，还有一个附加的36线连接器，这种扩展I/O插槽既可支持8位的插卡，也可支持16位插卡ISA总线的主要性能指标如下：ISA总线的主要性能指标如下：

·I/O地址空间0100H-03FFH·24位地址线可直接寻址的内存容量为16MB·8/16位数据线·62+36引脚·最大位宽16位(bit)·最高时钟频率8MHz·最大稳态传输率16MB/s·中断功能·DMA通道功能·开放式总线结构，允许多个CPU共享系统资源

接口板功能块图机器人语言

机器人语言根据作业描述水平的高低，通常分为三级：（1）动作级； 由使手爪从一个位置到另一个位置的一系列命令组成。动作级语言每一个命令（指令）对应于一个动作，命令比较容易，易于编程。（2）对象级； 它是描述操作物体间关系使机器人动作的语言，即是以描述操作物体之间的关系为中心的语言（3）任务级。 任务级机器人编程系统必须有能力自动地完成许多规划的任务。例如，当发出“抓住螺栓”的指令时，任务级语言系统能规划出一条运动的路径，并做到与周围任何一个障碍物不发生碰撞，然后自动地在螺栓上选择一个很好的抓着点，并且抓住它。

作者开发了一套解释性执行语言，属于动作级机器人语言。

靠操作者简单地从计算机键盘输入操作指令或命令文件(.rob)。该机器人语言系统作解释性执行，识别指令类型、数据，进行解算处理，控制接口卡、驱动器，驱动控制机器人模型实现命令指定的操作。该机器人样机操作语言系统中指令集主要包括：循环控制指令（FORn…NEXT，用于简化机器人操作中的重复性工作的程序编制，其中n为指定循环次数）；直线移动类指令(MOVEFROMATOB，控制机器人操作杆工作点从当前位置经A点到达B点；MOVETOA,从当前位置到达A点；MOVE@A，从当前位置到达相对当前位置坐标为A的位置，这里@A是借鉴AutoCAD

中的坐标表示)；作空间圆弧移动指令(ARCABC,A、B、C为给定空间圆弧上三点，控制机器人操作杆工作点从当前位置移至A点，以解算出的圆弧路径经B点到达C点)；显示当前位置指令(GET)；速度设置指令(SPEEDn)；末端执行器操作指令(SNAPONn、SNAPOFFn，n指第n个末端执行器)；延时待机指令(WAITn，n为延时时间，以秒为单位)；结束退出指令(END)。

例程1MOVEFROM0010TO-20200MOVEto20200MOVE@0-400MOVEfrom-20-200TO-20200END例程2FOR3ARC-100001001000ARC10000-100-1000NEXTEND

机器人模型样机写字结果

数控机床开发实例概况

数控软片裁片机是专为航空航天系统开发的用于对火箭发动机绝热软片进行切边倒坡口操作的专用数控设备。该设备为一5轴3联动数控系统，共用伺服电机6台（X轴由两台伺服电机同步驱动），步进电机一台，三相交流电机二台。不需模具，不需定位，自动编程，使用十分方便。该设备由三部分组成：机械本体、控制箱和操作台。机械结构该机床具有典型的门型结构，由床身、龙门架、刀架、回转工作台等组成；除了三个直角坐标外，还具有两个回转坐标，即回转工作台的转动和刀杆的摆动。根据负载的不同，X轴、Y轴、Z轴采用滚珠丝杠直接与电机相连后传递动力；B轴、C轴与电机之间用减速器减速后相连。龙门架X方向的运动，由两台分别安装在龙门架两侧的电机双边驱动。电器组成1.本机床的传动系统共有6台电机，选用交流伺服电机，配合增量式光电编码器作为电机输出的角度测量元件，组成半闭环的控制系统。2.主轴电机的工作速度应该在300到350转之间，采用步进电机作为主轴电机。3.真空系统使用了一台旋片式的真空泵，真空泵由一台普通三相异步电动机带动。4.传动系统的正、负极限位置安装有行程开关，供电电压是直流24V。控制系统组成及特性可编程多轴控制器(ProgrammableMulti-AxisController)

1.控制器 多轴运动控制卡，PMAC2-PC：可以控制8个轴的同步运动；实现空间直线、圆弧的插补，均匀非有理三次样条曲线和非均匀非有理三次样条曲线的插补等；通过ISA总线与PC机相连，用户可以开发自己的应用程序。1.目前计算机数控（CNC）技术正朝着从封闭式数控系统向开放式数控系统的方向发展。2.开放式数控系统较封闭式数控系统具有软、硬件可互换性、可移植性、可扩展性和互操作性等几方面的优点

3.开放式数控技术可分为两类： （1）是基于PC机的数控技术，这种数控系统利用PC机的主板、CPU、内存等硬件作为数控系统的硬件，在此基础上编写控制软件； （2）NC嵌入PC的数控技术，这种数控系统利用NC作为运动控制，插补、位置控制等工作，同时利用PC机丰富的软硬件资源和强大的功能负责系统的管理、显示、模拟加工、网络通信等工作伺服驱动器主电路配线200V交流供电机使用驱动器电源来自编码器的反馈来自上机的控制指令送至上位机的反馈信号警报输出控制软件数控裁片机的软件为用户提供了操作与监控的功能，其中主要包括：自动编程、程序下载、代码图形复原、实时位置显示、手动控制、精确运动、状态显示、警报显示等模块。控制软件结构应用程序主要模块实现方法1.手动控制

实现方法： 应用程序调用dll函数，PmacGetResponseA，向运动控制卡发送在线指令，如：

#1j+，#1j/#2j/等。

应用程序主要模块实现方法2.程序管理

实现方法：文件管理由VB实现，下载程序，执行程序是通过VB调用dll函数PmacDownloadA和发送在线指令实现的。3.自动编程模块DXF文件的识别DXF(DrawingeXchangeFile)是由AUTODESK公司制定的图形交换文件，用于AutoCad与其他公司的CAD软件之间进行数据交换，或者是利用高级语言提取DXF文件图形信息，进行分析处理一个DXF文件包括6个段：标题段、类别段、表段、块段、实体段、对象段。在每段的开始和结束处有起始段标记和段中止标记，文件结尾有文件结束标志EOF

名称标记意义起始段标记0SECTION表示一个段的开始。每一个段前均应用。标题段2HEADER包含图的通用信息。如AutoCad数据库的版本号,系统变量、参数包含的变量名和它的值。类别段2CLASSED包含应用和定义的类。表段2TABLES包含定义如块、标注、层的风格、坐标、视窗配置,文本字体等的符号表。块段2BLOCKS包含图中块的名称、位置比例等信息。实体段2ENTITIS包含各种实体如线、圆、弧等的位置、粗细、颜色等的信息。对象段2OBJECTS包含对象的定义和相关信息。段终止标记2ENDSEC表示一个段的结束。文件结束标记2EOF表示整个DXF结束。每一个段前均应有。DXF文件实例内容说明……省略标题段，类别段等0段标志代码SECTION段开始标志2段名代码