碼垛機器人系統(tǒng)設計

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1、內(nèi)蒙古工業(yè)大學 分類號： U D C : 學校代碼：10128 學 號： 201130101045 撼5夬謬 科研訓練開題報告 題 目：碼垛機器人控制系統(tǒng)設計 學生姓名：劉金來 學 院：機械學院 班 級：機制1 1-3 指導教師：武建新 零一四年十二月 內(nèi)蒙古工業(yè)大學 1. 選題目的和意義 近幾年機器人自動化生產(chǎn)線已經(jīng)不斷出現(xiàn)， 機器人自動化生產(chǎn)線的市場也會越來 越大，并且逐漸成為自動化生產(chǎn)線的主要方式， 而過去的自動化碼垛作業(yè)大部分是由 機械式碼垛機完成或人工搬運，由于機械式碼垛機其結構等因素的限制，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；而人工搬運勞動量大， 完成同一工作量所需不少工人，在一些實際場所應用中，碼垛機器人與傳統(tǒng)碼垛機一 樣，一次能搬運一整層箱子，有些顧客在傳統(tǒng)碼垛機壞了時， 就用機器人代替，通常 這些機器人系統(tǒng)都有層成型平臺和臂尾加工裝置， 能將整層箱子搬起來，功能較強的 碼垛機器人還能更換不同的貨盤；其碼垛速度甚至可以達到 100個小箱/分鐘；碼垛 機器人裝有低水平紙箱橫進給裝置， 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，能夠迅速轉換對進行不同箱子的碼垛。 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 2.2碼垛機器人控制系

3、統(tǒng)設計的發(fā)展前景 作為先進制造業(yè)中不可替代的重要裝備和手段，工業(yè)機器人已經(jīng)成為衡量一個國 家制造水平和科技水平的重要標志。 據(jù)相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，工業(yè)機器人主要用于汽車工業(yè)及汽車零部件工業(yè)， 占整個 機器人市場的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% 依賴進口 一一我國工業(yè)機器人之陣痛 目前，我國進口的工業(yè)機器人主要來自日本， 隨著我國從勞動密集型向現(xiàn)代化制 造業(yè)方向發(fā)展，雖然機器人保有量達到一定的規(guī)模，但與發(fā)達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)工人占有的機器人來講，（日本1710臺、意大利1600 臺、美國7

4、70臺、英國610臺、瑞典630臺，而我國還不到90臺），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，每一個機器人供應商都有著非常 大的用武之地。 產(chǎn)業(yè)化不足一一我國工業(yè)機器人之弊端 20世紀90年代末，我國建立了 9個機器人產(chǎn)業(yè)化基地和7個科研基地。產(chǎn)業(yè)化 基地的建設給產(chǎn)業(yè)化帶來了希望， 為發(fā)展我國機器人產(chǎn)業(yè)奠定了基礎。 目前，我國已 經(jīng)能夠生產(chǎn)具有國際先進水平的平面關節(jié)型裝配機器人、 直角坐標機器人、弧焊機器 人、點焊機器人、搬運碼垛機器人等一系列產(chǎn)品，不少品種已經(jīng)實現(xiàn)了小批量生產(chǎn)。 “機器人產(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)機器人產(chǎn)業(yè)的認識和定位上存在著不同的 觀點。 首先，我國基礎零部件制造能力差。雖然我國在相關零部件方面有了一定的基礎， 但是無論從質量、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和精密減速器方面的差距尤其明顯， 因此造成關鍵零部件 的進口，影響了我國機器人的價格競爭力。 第二，中國的機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，缺乏市場的品牌認知度，在機器人市場方面一 直面臨國外機器人品牌的打壓。國外機器人作為成熟的產(chǎn)業(yè)采用整

6、機降價， 吸引國內(nèi) 企業(yè)購買，而在后續(xù)的維護備件費用很高的策略，逐步占領中國市場。 第三，國家認識不到位，在鼓勵工業(yè)機器人產(chǎn)品方面的政策少。 工業(yè)機器人的制 造及應用水平，代表了一個國家的制造業(yè)水平，我們必須從國家高度認識發(fā)展中國工 業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的重要性，這是我國從制造大國向制造強國轉變的重要手段和途徑。 日本戰(zhàn)后對機器人采取的一系列相關政策， 極大地推動了機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，目 前，日本已是世界上工業(yè)機器人的第一生產(chǎn)大國。 工業(yè)機器人作為高新技術產(chǎn)品，應 該比照新能源中的電動汽車，出臺相應的扶植政策。 政策扶持一一我國工業(yè)機器人之推進劑 中國機器人產(chǎn)業(yè)化正處于關鍵的轉折點，如果政府的扶

7、植力度再向前推進一步， 中國的機器人產(chǎn)業(yè)將會越過目前的“臨界期”，跨上一個新的臺階，進入快速發(fā)展階 段。同時，如何適應快速變化的國內(nèi)外市場需求， 如何以高質量、低成本和快速反應 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)機器人提供了不同的市場需求，促進我國工業(yè)機器人的應用市場日趨成熟。 3. 研究的主要內(nèi)容： 3.1機器人的結構 北京航空航天大學機器人所研制的具有高速碼垛功能的混聯(lián)式機器人系統(tǒng)， 該系 統(tǒng)由機器人及 電氣控制柜所組成。該機器人主要由 4個關節(jié)組成，能實現(xiàn)以下4種 運動：腰座旋轉（x軸），水平前后運動（y軸），垂直上下運動（z軸）和腕部

8、回轉 運動（u軸），腰座電機、腕部電機通過諧波減速器驅動腰座、機械手旋轉，水平關 節(jié)電機、垂直關節(jié)電機通過同步帶輪減速后帶動水平關節(jié)絲杠、垂直關節(jié)絲杠旋轉， 而絲杠通過其上的滑塊驅動前大 臂、后大臂沿各自導軌作水平前后運動、垂直上下 運動，這4種運動全部由交流伺服電機驅動， 可以滿足驅動大慣性力矩負載和快速運 動精確定位的要求，且根據(jù)實際作業(yè)的需要可以在機器人腕部安裝機械手 3.2硬件控制系統(tǒng)的設計 系統(tǒng)設計采用了模塊化的形式，且總體結構采用了分布式控制結構， 上位機采用 普通工業(yè)控制計算機，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， 坐標轉換，自動加減速計算，I/O控制，機器

9、人語言編譯等任務等，根據(jù)使用者的命 令和動作程序語句的要求進行軌跡規(guī)劃、插補運算及坐標發(fā)與計算出各軸電機的位 置，并接收根據(jù)下一級的反饋信號和外傳感器的信號， 判斷任務的執(zhí)行情況和環(huán)境狀 態(tài)，然后向下一級各關節(jié)位置伺服系統(tǒng)傳送一次與設定點相應的位置更新值， 實現(xiàn)對 各關節(jié)運動的協(xié)調和控制作用，下位機采用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運動控制卡，主要是執(zhí)行實時運動學計算、軌跡規(guī)劃、 插補計算、伺服控制等，不斷地讀取各軸編碼器的脈沖量，計算機器人的現(xiàn)行位置， 并用軟件方法與給定位置進行比較，對偏差進行 PID調節(jié)，而PLC主要處理機器人 周邊外圍設

10、備的控制， 如機器人手爪氣動吸盤，周邊各種輸送機的監(jiān)控等 4. 研究方案 4.1上位機組態(tài)軟件工程的組建 1） 工程項目系統(tǒng)分析 2） 設計用戶操作畫面 3） 編寫控制程序 4） 完善菜單按鈕功能 5） 編寫用戶程序調試工程 6） 連接設備驅動程序 7） 整體連續(xù)調試測試 4.2下位機PLC程序的設計 1） 根據(jù)實際的控制需要選擇 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，設計梯形圖。 3） 把梯形圖寫入PLC反復調試直至程序符合控制要求。 5. 研究計劃進度 進度安排： 第一階段（2014年12.22）：收集資料，閱讀相關文獻； 第二

11、階段（2014年12.24）：編制下位機PLC程序，設計總體框架; 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 [1] 田曉東，等.帶有精確截面信息的一種曲面重構方法 [J].模具技術，2001, 27. [2] 施法中.計算機輔助幾何設計與非均勻有理E樣條] M].北京：北京航空航 天大學出版社，1994. [3] 孫迪生，等.機器人控制技術]M].北京：機械工業(yè)出版社，1998 . [4] 曹彤，員超，孫杏初.電視機搬運碼垛機器應用研究] J ].機械設計與制造， 2002,2 . [5] 曾孔庚，王宏慶，丁原彥.高速機

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