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1、內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 分類號： U D C : 學(xué)校代碼：10128 學(xué) 號： 201130101045 撼5夬謬 科研訓(xùn)練開題報(bào)告 題 目：碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名：劉金來 學(xué) 院：機(jī)械學(xué)院 班 級：機(jī)制1 1-3 指導(dǎo)教師：武建新 零一四年十二月 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 1. 選題目的和意義 近幾年機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線已經(jīng)不斷出現(xiàn)， 機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線的市場也會(huì)越來 越大，并且逐漸成為自動(dòng)化生產(chǎn)線的主要方式， 而過去的自動(dòng)化碼垛作業(yè)大部分是由 機(jī)械式碼垛機(jī)完成或人工搬運(yùn)，由于機(jī)械式碼垛機(jī)其結(jié)構(gòu)等因素的限制，存在著占地 面積大、程序更改麻煩（甚至無法更改）、

2、耗電量大等缺點(diǎn)；而人工搬運(yùn)勞動(dòng)量大， 完成同一工作量所需不少工人，在一些實(shí)際場所應(yīng)用中，碼垛機(jī)器人與傳統(tǒng)碼垛機(jī)一 樣，一次能搬運(yùn)一整層箱子，有些顧客在傳統(tǒng)碼垛機(jī)壞了時(shí)， 就用機(jī)器人代替，通常 這些機(jī)器人系統(tǒng)都有層成型平臺(tái)和臂尾加工裝置， 能將整層箱子搬起來，功能較強(qiáng)的 碼垛機(jī)器人還能更換不同的貨盤；其碼垛速度甚至可以達(dá)到 100個(gè)小箱/分鐘；碼垛 機(jī)器人裝有低水平紙箱橫進(jìn)給裝置， 使用靈活底盤，有利于車間的良好布局；另外其 性能可靠，大多用戶容易掌握使用的軟件，能夠迅速轉(zhuǎn)換對進(jìn)行不同箱子的碼垛。 2. 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢 2.1課題來源：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 2.2碼垛機(jī)器人控制系

3、統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展前景 作為先進(jìn)制造業(yè)中不可替代的重要裝備和手段，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)成為衡量一個(gè)國 家制造水平和科技水平的重要標(biāo)志。 據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，工業(yè)機(jī)器人主要用于汽車工業(yè)及汽車零部件工業(yè)， 占整個(gè) 機(jī)器人市場的61%金屬制品業(yè)占8%橡膠及塑料工業(yè)和電子電氣行業(yè)分別占 7% 食品工業(yè)占2% 其他工業(yè)占15% 依賴進(jìn)口 一一我國工業(yè)機(jī)器人之陣痛 目前，我國進(jìn)口的工業(yè)機(jī)器人主要來自日本， 隨著我國從勞動(dòng)密集型向現(xiàn)代化制 造業(yè)方向發(fā)展，雖然機(jī)器人保有量達(dá)到一定的規(guī)模，但與發(fā)達(dá)國家相比仍然有不少差 距。 僅從汽車工業(yè)每百萬名生產(chǎn)工人占有的機(jī)器人來講，（日本1710臺(tái)、意大利1600 臺(tái)、美國7

4、70臺(tái)、英國610臺(tái)、瑞典630臺(tái)，而我國還不到90臺(tái)），中國仍然是世界 上相對比較落后的國家。面對中國這樣龐大的市場，每一個(gè)機(jī)器人供應(yīng)商都有著非常 大的用武之地。 產(chǎn)業(yè)化不足一一我國工業(yè)機(jī)器人之弊端 20世紀(jì)90年代末，我國建立了 9個(gè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地和7個(gè)科研基地。產(chǎn)業(yè)化 基地的建設(shè)給產(chǎn)業(yè)化帶來了希望， 為發(fā)展我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)奠定了基礎(chǔ)。 目前，我國已 經(jīng)能夠生產(chǎn)具有國際先進(jìn)水平的平面關(guān)節(jié)型裝配機(jī)器人、 直角坐標(biāo)機(jī)器人、弧焊機(jī)器 人、點(diǎn)焊機(jī)器人、搬運(yùn)碼垛機(jī)器人等一系列產(chǎn)品，不少品種已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了小批量生產(chǎn)。 “機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化已呈星火燎原之勢！ ” 盡管如此，我國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化卻存在著巨大

5、的問題。除了眾多歷史原因造成 制造業(yè)水平低下的原因外，更多的是對工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的認(rèn)識(shí)和定位上存在著不同的 觀點(diǎn)。 首先，我國基礎(chǔ)零部件制造能力差。雖然我國在相關(guān)零部件方面有了一定的基礎(chǔ)， 但是無論從質(zhì)量、產(chǎn)品系列全面，還是批量化供給方面都與國外存在較大的差距。 特 別是在高性能交流伺服電機(jī)和精密減速器方面的差距尤其明顯， 因此造成關(guān)鍵零部件 的進(jìn)口，影響了我國機(jī)器人的價(jià)格競爭力。 第二，中國的機(jī)器人還沒有形成自己的品牌。 雖然已經(jīng)擁有一批企業(yè)從事機(jī)器人 的開發(fā)，但是都沒有形成較大的規(guī)模，缺乏市場的品牌認(rèn)知度，在機(jī)器人市場方面一 直面臨國外機(jī)器人品牌的打壓。國外機(jī)器人作為成熟的產(chǎn)業(yè)采用整

6、機(jī)降價(jià)， 吸引國內(nèi) 企業(yè)購買，而在后續(xù)的維護(hù)備件費(fèi)用很高的策略，逐步占領(lǐng)中國市場。 第三，國家認(rèn)識(shí)不到位，在鼓勵(lì)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品方面的政策少。 工業(yè)機(jī)器人的制 造及應(yīng)用水平，代表了一個(gè)國家的制造業(yè)水平，我們必須從國家高度認(rèn)識(shí)發(fā)展中國工 業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的重要性，這是我國從制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)變的重要手段和途徑。 日本戰(zhàn)后對機(jī)器人采取的一系列相關(guān)政策， 極大地推動(dòng)了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，目 前，日本已是世界上工業(yè)機(jī)器人的第一生產(chǎn)大國。 工業(yè)機(jī)器人作為高新技術(shù)產(chǎn)品，應(yīng) 該比照新能源中的電動(dòng)汽車，出臺(tái)相應(yīng)的扶植政策。 政策扶持一一我國工業(yè)機(jī)器人之推進(jìn)劑 中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化正處于關(guān)鍵的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，如果政府的扶

7、植力度再向前推進(jìn)一步， 中國的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)將會(huì)越過目前的“臨界期”，跨上一個(gè)新的臺(tái)階，進(jìn)入快速發(fā)展階 段。同時(shí)，如何適應(yīng)快速變化的國內(nèi)外市場需求， 如何以高質(zhì)量、低成本和快速反應(yīng) 的手段在市場中取得生存和發(fā)展，已是我國企業(yè)不容回避的問題。這些問題為我國工 業(yè)機(jī)器人提供了不同的市場需求，促進(jìn)我國工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用市場日趨成熟。 3. 研究的主要內(nèi)容： 3.1機(jī)器人的結(jié)構(gòu) 北京航空航天大學(xué)機(jī)器人所研制的具有高速碼垛功能的混聯(lián)式機(jī)器人系統(tǒng)， 該系 統(tǒng)由機(jī)器人及 電氣控制柜所組成。該機(jī)器人主要由 4個(gè)關(guān)節(jié)組成，能實(shí)現(xiàn)以下4種 運(yùn)動(dòng)：腰座旋轉(zhuǎn)（x軸），水平前后運(yùn)動(dòng)（y軸），垂直上下運(yùn)動(dòng)（z軸）和腕部

8、回轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)（u軸），腰座電機(jī)、腕部電機(jī)通過諧波減速器驅(qū)動(dòng)腰座、機(jī)械手旋轉(zhuǎn)，水平關(guān) 節(jié)電機(jī)、垂直關(guān)節(jié)電機(jī)通過同步帶輪減速后帶動(dòng)水平關(guān)節(jié)絲杠、垂直關(guān)節(jié)絲杠旋轉(zhuǎn)， 而絲杠通過其上的滑塊驅(qū)動(dòng)前大 臂、后大臂沿各自導(dǎo)軌作水平前后運(yùn)動(dòng)、垂直上下 運(yùn)動(dòng)，這4種運(yùn)動(dòng)全部由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)， 可以滿足驅(qū)動(dòng)大慣性力矩負(fù)載和快速運(yùn) 動(dòng)精確定位的要求，且根據(jù)實(shí)際作業(yè)的需要可以在機(jī)器人腕部安裝機(jī)械手 3.2硬件控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了模塊化的形式，且總體結(jié)構(gòu)采用了分布式控制結(jié)構(gòu)， 上位機(jī)采用 普通工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，主要處理系統(tǒng)的監(jiān)控和作業(yè)管理，如示教盒控制，顯示服務(wù)， 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，自動(dòng)加減速計(jì)算，I/O控制，機(jī)器

9、人語言編譯等任務(wù)等，根據(jù)使用者的命 令和動(dòng)作程序語句的要求進(jìn)行軌跡規(guī)劃、插補(bǔ)運(yùn)算及坐標(biāo)發(fā)與計(jì)算出各軸電機(jī)的位 置，并接收根據(jù)下一級的反饋信號和外傳感器的信號， 判斷任務(wù)的執(zhí)行情況和環(huán)境狀 態(tài)，然后向下一級各關(guān)節(jié)位置伺服系統(tǒng)傳送一次與設(shè)定點(diǎn)相應(yīng)的位置更新值， 實(shí)現(xiàn)對 各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)和控制作用，下位機(jī)采用DSP控制器和PLC可編程邏輯控制器，DSP 控制器即為所采用的PMAC10運(yùn)動(dòng)控制卡，主要是執(zhí)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算、軌跡規(guī)劃、 插補(bǔ)計(jì)算、伺服控制等，不斷地讀取各軸編碼器的脈沖量，計(jì)算機(jī)器人的現(xiàn)行位置， 并用軟件方法與給定位置進(jìn)行比較，對偏差進(jìn)行 PID調(diào)節(jié)，而PLC主要處理機(jī)器人 周邊外圍設(shè)

10、備的控制， 如機(jī)器人手爪氣動(dòng)吸盤，周邊各種輸送機(jī)的監(jiān)控等 4. 研究方案 4.1上位機(jī)組態(tài)軟件工程的組建 1） 工程項(xiàng)目系統(tǒng)分析 2） 設(shè)計(jì)用戶操作畫面 3） 編寫控制程序 4） 完善菜單按鈕功能 5） 編寫用戶程序調(diào)試工程 6） 連接設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 7） 整體連續(xù)調(diào)試測試 4.2下位機(jī)PLC程序的設(shè)計(jì) 1） 根據(jù)實(shí)際的控制需要選擇 PLC及其配套模塊，配置硬件系統(tǒng)。 2） 根據(jù)工藝要求和控制要求，設(shè)計(jì)梯形圖。 3） 把梯形圖寫入PLC反復(fù)調(diào)試直至程序符合控制要求。 5. 研究計(jì)劃進(jìn)度 進(jìn)度安排： 第一階段（2014年12.22）：收集資料，閱讀相關(guān)文獻(xiàn)； 第二

11、階段（2014年12.24）：編制下位機(jī)PLC程序，設(shè)計(jì)總體框架; 第三階段（2014年12.27---12.28 ）：整理研究內(nèi)容，撰寫論文。 參考文獻(xiàn) [1] 田曉東，等.帶有精確截面信息的一種曲面重構(gòu)方法 [J].模具技術(shù)，2001, 27. [2] 施法中.計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)與非均勻有理E樣條] M].北京：北京航空航 天大學(xué)出版社，1994. [3] 孫迪生，等.機(jī)器人控制技術(shù)]M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998 . [4] 曹彤，員超，孫杏初.電視機(jī)搬運(yùn)碼垛機(jī)器應(yīng)用研究] J ].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造， 2002,2 . [5] 曾孔庚，王宏慶，丁原彥.高速機(jī)

12、器人搬運(yùn)碼垛系統(tǒng)構(gòu)成及技術(shù)特 點(diǎn)]J ].機(jī) 器人技術(shù)及應(yīng)用，2001,4 . [6] 蔡自興.機(jī)器人學(xué)]MD .清華大學(xué)出版社，2000. [7] 楊汝清，高建國，胡洪國.高速碼垛關(guān)鍵技術(shù)研究] J].高技術(shù)通訊， 2004， [8] 徐 忠.離心式壓縮機(jī)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988. [9] 侯曼西.工業(yè)汽輪機(jī)[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,1995. [10] 黃鐘岳，王曉放.透平式壓縮機(jī)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版 社,2004. [11] 孫迪生.機(jī)器人控制技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998. [12] 熊有倫.機(jī)器人學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1993. [13] 曹彤,員超.電視機(jī)搬運(yùn)碼垛機(jī)器應(yīng)用研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2002(2) [14] 日本機(jī)器人協(xié)會(huì).機(jī)器人技術(shù)手冊[M].北京:科學(xué)出版社,1996. [15] 曾孔庚,王宏慶，丁原彥.高速機(jī)器人搬運(yùn)碼垛系統(tǒng)構(gòu)成及技術(shù)特點(diǎn) [J].機(jī)器 人技術(shù)及應(yīng)用,2001(4). [16] 楊汝清,高建國,胡洪國.高速碼垛關(guān)鍵技術(shù)研究[J].高技術(shù)通訊,2004,14