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基于运动控制器的SCARA机器人及控制系统设计.doc
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基于运动控制器的SCARA机器人及控制系统设计.doc
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1 绪 论
1.1 SCARA 机器人的现状、发展
SCARA(平面关节型)机器人是一种精密型装配机器人,在水平方向具有顺应性,
在垂直方向具有很大的刚性,具有速度快、精度高、柔性好等特点,采用伺服电机驱动,
可应用于电子、机械和轻工业等有关产品的自动装配、搬运、调试等工作。
迄今为止,SCARA机器人仍被认为是自动加工生产中不可或缺的元素。在各种自动
机械手臂的选择中,SCARA是被广泛认可的。由于它的速度、成本效率、可靠性和在工
作过程中的小轨迹,使它在很多的工作中仍然是最好的机器人,比如:分配、装载、包
装、安放以及装配和码跺等。近年来,其有效载重能力的提高,对智能系统地整合以及
末端感应器种类的增加等因素都很好的扩展了SCARA机器人的应用。但是,对于机器人
的控制大部分仍是以嵌入式单
片机为核心的 ,其运算速度和处理能力远不能满足机器
人控制系统飞速发展的需要 ,日益成为阻碍机器人技术进步的瓶颈 。
随着以电子计算机和数字电子技术为代表的现代高技术的不断发展 ,尤其是高速度
数字信号处理器DSP(Digital Signal Processor)的出现 ,从根本上解决了嵌入式系统运
算能力不足的问题 ,并为机器人运动控制系统的改进提供了新的途径 。该设计正是从这
一 点 出 发 , 选 用 控 制 能 力 很 强 的 DSP芯 片
作为机器人控制器的主处理器 ,设计出一套
功能强大、使用方便的机器人运动控制系统 ,从根本上解决了单片机带来的各种问题 。
1.2 运动控制器的现状、发展
目前,国内外的运动控制器大致可以分为 3 类:
(1) 以单片机或微处理器作为核心的运动控制器。这类运动控制器速度较慢,精
度不高,成本相对较低。在一些只需要低速点位运动控制和对轨迹要求不高的轮廓运动
控制场合应用。
(2) 以专用芯片(ASIC)作为核心处理器的运动控制器。这类运动控制器结构比
较简单,但这类运动控制器大多数只能输出脉冲信号,工作于开环控制方式。这类控制
器对单轴的点位控制场合是基本满足要求的,但对于要求多轴协调运动和高速轨迹插补
控制的设备,这类运动控制器不能满足要求。
(3) 基于 PC 总线的以 DSP 和 FPGA 作为核心处理器的开放式运动控制器。这类
开放式运动控制器以 DSP 芯片作为运动控制器的核心处理器,以 PC 机作为信息处理平
台,运动控制器以插卡形式嵌入 PC 机,即"PC+运动控制器"的模式。这样将 PC 机的
信息处理能力和开放式的特点与运动控制器的运动轨迹控制能力有机地结合在一起,具
有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好的特点。这类运动控制
器充分利用了 DSP 的高速数据处理功能和 FPGA 的超强逻辑处理能力,便于设计出功
能完善、性能优越的运动控制器。这类运动控制器通常都能提供板上的多轴协调运动控
制与复杂的运动轨迹规划、实时的插补运算、误差补偿、伺服滤波算法,能够实现闭环
控制。由于采用 FPGA 技术来进行硬件设计,方便运动控制器供应商根据客户的特殊工
艺要求和技术要求进行个性化的定制,形成独特的产品。
以上第一类运动控制器由于其性能的限制,在市场上所占份额较少,主要应用于一
些单轴简单运动的场合,往往还面临同 PLC 厂商提供的定位控制模块的激烈竞争。第
二类运动控制器因其结构简单、成本较低,占有一定的市场份额,但由于其专用芯片
(ASIC)能提供运动控制的基本功能,用户可以利用该芯片设计专用的控制器而分薄
了这类运动控制器的市场份额。第三类运动控制器是一种开放式系统,是目前国内外运
动控制器产品的主流。
2 任务分析
2.1 课题的意义
通过对 SCARA 机器人的结构及运用基于 PC 总线的以 DSP 和 FPGA 作为核心处
理器的开放式运动控制器对 SCARA 机器人的设计,设计一款信息处理能力强、开放程
度高、并能充分利用 DSP 的计算能力,进行复杂的运动规划、高速实时多轴插补、误
差补偿和更复杂的运动学、动力学计算,使得运动控制精度更高、速度更快、运动更加
平稳、通用性更好的 SCARA 控制系统,方便用户根据 SCARA 机器人的结构特点对
SCARA 机器人的控制。
2.2 课题的主要任务
(1)SCARA 机器人机械结构的设计。
(2)掌握运动控制器的工作原理。
(3)掌握伺服电机、步进电机及相应驱动器的工作原理,能将它们正确连接。
(4)运动控制器与 PC 机、驱动装置硬件的正确连接,并能正确实现简单的调试程序。
(5)控制软件的编写,实现控制器对 4 个电机轴速度、位置的协调控制。
(6)制作 SCARA 型机器人的运动学、动力学模块。
(7)利用 Delphi 做出系统的控制软件。
3 系统构建
3.1 选择运动控制器
3.1.1 根据 SCARA 工作特点,确定伺服电机的类型
简单的说:伺服电机是含有码盘反馈的,相当于一个闭环的控制系统,它可以接受
脉冲或模拟量电压作为指令信号,调速范围一般在 0--3000 转,且恒扭矩输出。步进电
机没有反馈,相当于一个开环控制系统,它只能接受脉冲指令信号,调速范围一般在
0--1000 转,且扭矩会随着转速的提高而下降。因此在要求精度不高的低速场合下用的
比较多。
根据以上比较,再加上对 SCARA 机器人的伺服控制要求,选择如下:
大臂选用交流伺服电机+谐波减速器
小臂选用交流伺服电机+谐波减速器
手腕升降选用交流伺服电机+谐波减速器+丝杠螺母
手腕转动选用步进电机
3.1.2 确定要控制的电机轴数和电机工作模式
(1) 控制电机轴数
SCARA 机器人有四个自由度,分别是大臂转动,小臂转动,手腕升降,手腕的旋转。
由三个伺服电机和一个步进电机驱动。所以可确定 SCARA 机器人的电机轴数是四轴。
(2) 电机工作模式
伺服电机的工作模式为模拟量控制输出
步进电机的工作模式为脉冲量控制输出
3.1.3 确定位置检测、反馈模式,选择是否选用光电编码器或光栅尺
根据机器人的控制要求对手的重复定位精度是+/-0.05°,因此三个伺服电机采用
闭环控制,既需要光电编码器;而步进电机采用开环控制,不需光电编码器。
3.1.4 选择合适的运动控制器
同国内外的运动控制器的比较,选用国内比较好的固高运动控制器 GT-400-SV-PCI。
3.2 选择电机及驱动器
3.2.1 手腕旋转电机选择
(1) 手腕旋转步进电机的计算
旋转步进电机下重:
手重 m 手=0.2kg
手开合电机重 m 电=0.3kg
手最大负载重 m 负=30N/9.8N/kg==3kg
总重为 m 手 1=m 手+m 电+m 负=0.2+.03+3=3.5kg
假设负载为圆柱体则最大直径为:
L=20mm
则转动惯量为:
J=1/2·m·
2
( / 2)l
=1/2×3.5×
2
(0.1/ 2)
=0.004375kg·㎡
假设角角速度为: a=1.5rad/s
转矩为:
T J= ¶
=0.004375×1.5=0.00656N·m
(2) 电机选择
据最大转矩选择步进电机为:36BF003
图 3-1 步进电机外型结构图
表 3-1 步进电机参数
电机型号
类型
相数
步距角
相电流
驱动电压
最大静转
矩
重量
36BF003
反应式
3
1.5°
1.5A
DC24V
0.08Nm
0.2kg
表 3-2 步进电机尺寸
电机型号
φd
CD1
φD
φD2
h
E
L
36BF003
φ
0.01
0.02
4
-
-
φ
0
0.01
22
-
36
27
2.5
14.5
41
与其匹配的驱动器型号:SH-3F075M
3.2.2 手升降电机的选择
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oligaga
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