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《机器人技术及应用》实验指导书机电工程系二零一四年二月1实验一：机器人运动分析实验一．实验目的•通过观察圆柱坐标机器人，了解工业机器人的系统结构、几何结构、坐标类型和运动控制原理。•分析其机械传动及驱动系统结构，绘制工业机器人基本结构简图，关节配置及运动示意图。•描述其基本结构及传动过程，建立机器人末端的运动坐标。二．实验设备•教学机器人本体；•教学机器人电控柜；•计算机及PLC、触摸屏下载线。三．实验原理工业机器人主要的种类有：直角坐标机器人、圆柱坐标机器人、球坐标机器人、关节型工业机器人、并联机器人、以及其它类型的工业机器人。本实验所使用的工业机器人属于圆柱坐标机器人。本圆柱坐标机器人属于示教再现型机器人，即先由手动操作机器人实现一定的动作，机器人通过控制系统“记住”该动作，然后再重复地实现该动作。1关于圆柱坐标圆柱坐标的数学公式，并配以简单的示意图图示P点为圆柱坐标上的任意点，P点的坐标为（Z，R，）。22圆柱坐标机械手的结构（如下图）详见附图一。如图所示，圆柱坐标机械手由如下部分构成：实现坐标旋转的底座（由伺服电机1驱动）、实现R向坐标移动的移动臂（由伺服电机2驱动）、实现Z向坐标移动的移动臂（由伺服电机3驱动）、实现坐标旋转的手腕、以及实现抓取物块的手部（气动手指）。33机械手抓取物块的坐标范围如图所示，本教学机械手的抓取范围为一个圆环柱，圆环柱的高度450毫米，R臂的运动范围为300毫米至750毫米。4各坐标轴的运动实现（1）各坐标轴实现传动的基本过程（其中气动手指用气动系统实现开合）；（2）各坐标轴运动距离或转动角度的控制（需要具体的数据，如丝杠导程，齿轮传动比）等。（1）坐标旋转由伺服电机1驱动减速齿轮系实现精确的旋转角度坐标，齿轮系由一对相互啮合的直齿圆柱齿轮组成，其传动比i=1:7。伺服电机1的旋转运动通过机械结构先传递给小齿轮1，小齿轮1与大尺寸啮合进一步将旋转运动减速传递给大齿轮2。实现R坐标移动、Z坐标移动、坐标旋转的机构整体一起固结于大齿轮2的顶面。的精确度依靠伺服电机的旋转精度来保证。（2）R向坐标直线移动由伺服电机2驱动，伺服电机2通过联轴器与滚珠丝杠联接，R向移动臂通过滑块置于直线导轨上。如此，就将伺服电机2的旋转运动转化成R移动臂的直线运动。滚珠丝杠的导成为5毫米，即伺服电机2旋转1圈，通过滚珠丝杠使移动臂前进或后退5毫米。（3）Z向坐标由伺服电机3驱动，伺服电机3通过联轴器与滚珠丝杠联接，滚珠丝杠上的螺母与安装R向移动臂导轨的基准板固结，同时将移动臂导轨的基准板与Z向的2个直线轴承固结在一起。由此即可将伺服电机3的旋转运动转化为Z向的直线运动。滚珠丝杠的导成为5毫米，即伺服电机2旋转1圈，通过滚珠丝杠使移动臂前进或后退5毫米。（4）实现坐标旋转由伺服电机4驱动，该电机直接与安装气动手指的旋转轴通过联轴器联接，即将电机的旋转运动直接传递给气动手指。其旋转精度直接由伺服电机的旋转精度来保证。（5）气动手指是一种气动原件，该原件通过与气动电磁阀的进出气口联通，可实现气动手指的的张开与闭合，从而实现物块的抓取。45实现抓取物块将机械手置于一初始位置，并将被抓取的物块置于圆柱坐标的一位置，人工操作机械手进行抓取，然后再由机械手自动实现抓取。三．实验步骤1．介绍圆柱坐标（教师讲解）。2，介绍机械系统各大组成部分（教师演示）。结合实验原理，介绍教学机器人的机械系统的组成。3.分析机器人机械各具体部分的结构原理。4．介绍控制界面的各组成部分（教师演示）打开控制系统，由教师演示各操作界面。教师提示学生注意安全，防止机械手在转动过程中伤人。5．介绍机械手人工示教实现抓取物块的过程与机械手自动重复实现抓取的过程（教师演示）；6．学生完成机械手人工示教实现抓取物块的过程与机械手自动重复实现抓取的过程（教师演示）；四．实验报告1.绘制机械手实现R坐标运动的机械设计图；2．回答如下各问题：（1）说明工业机器人各基本组成及各部分之间的关系？（2）机器人机械部分主要包括哪几个组成部分？（3）简述工业机器人的控制方式及其特点？（4）回忆本次实验过程，你从中学到哪些知识？实验二：机器人电气控制系统实验一．实验目的•了解机器人控制系统的组成。•了解机器人控制、驱动系统各部分的原理及作用。5二．实验设备•教学机器人本体；•教学机器人电控柜；•计算机及PLC、触摸屏下载线；•PLC编程软件：WinProladderV3.11和触摸屏软件：EB8000。三．实验原理机器人电气系统主要由PLC、电源、交流伺服电机及其驱动器、传感器、电磁阀、触摸屏等组成。该模型是PLC技术、位置控制技术、气动技术有机结合成一体的教学仪器。下面是控制系统结构框图。控制系统结构框图触摸屏是人机对话接口，输入的位置、速度等信息通过通信端口传到PLC。经过计算后，PLC输出相应的脉冲频率和数量给伺服驱动器，伺服驱动器驱动伺服电机达到相应的转速和旋转角度。伺服电机自带编码器，实现半闭环控制，提升控制精度。主电源220VDC24V电源触摸屏PLC伺服放大器1伺服放大器2伺服放大器3垂直伺服电机编码器1腰部伺服电机编码器2水平伺服电机编码器3伺服放大器4手腕伺服电机编码器4电磁阀机械手61伺服电机伺服电机（servomotor）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可以使控制速度、位置精度非常准确，可以将电压信号转化成转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子受输入信号控制，并能够快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件。具有机电时间常数小、线性度高、使动电压等特性。可以把收到的电信号转化成电动机上的角位移和角速度输出。分为直流伺服和交流伺服电动机两大类。其主要的特点是：当信号电压为零的时候无自转现象。转速随着转矩的增加而匀速下降。工作原理：伺服主要依靠脉冲来定位，伺服电机每接收到一个脉冲就会旋转一个脉冲对应角度。从而实现位移，因为伺服电机本身就具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度就会有与之相对应的脉冲输出，这种方式与伺服电机接收的脉冲形成呼应，这种方式称为闭环控制方式。这样一来系统就可以知道发出了多少个脉冲，同时有收了多少脉冲。这样就可以精确控制电机的转动，实现了精确定位。伺服电机工作示意图伺服电机的编码器（Encoder）将位移检测信号反馈到伺服驱动器，驱动器将输入信号的脉冲频率和脉冲数与回馈信号的频率和脉冲数，经内部的偏差计数器与频率转电压电路处理后，得到脉冲偏差值与转速误差值，这样使控制伺服电机实现高速、精密的速度与位置偏差计数器上/下计数器D/A转换放大器伺服电机编码器FV转换一正向脉冲负向脉冲清除偏差计数器位置达到FBS-XXMC主机回归脉冲偏差值伺服放大器7闭环回路处理系统。伺服电机的转速与输入信号的脉冲频率成正比，而电机的移动量则由脉冲数决定。一般而言，伺服电机控制误差为±1个脉冲。伺服驱动系统选择富士电机ALPHA5Smart系列，该系统是实现对机械最佳运行控制的AC伺服系统之一。富士电机性价比高，惯性小。通过伺服电机的选型计算，选择的伺服电机为GYS401D5-RC2.它是富士电机公司生产的交流伺服电机。GYS401D5-RC2交流伺服电机的工作原理与分相式单项异步电动机虽然相似，但是GYS401D5-RC2交流伺服电机的转子电阻比分相式单项异步电动机得多。所以说伺服电机于单相式异步电动机相比具有以下特点：1)实现了低速平稳运行，电机配备了标准的131072脉冲的高分辨率脉冲编码器，采用了高分辨率脉冲编码器电机旋转更加稳定，实现了平稳的机械运行；2)对大限制的抑制了机械振动，（独创的减震控制功能），解决了机器人手臂前端的震动问题，标准配备的减震功能，可以减少低刚性机械振动。实现机械的高节拍运行；3)用上微控制器实现参数的一体化管理，标准配备RS-485,2个通信接口，上位控制器与各个伺服放大器之间采用RS-485通信；4)其他功能，控制输入电源、调试简单、伺服分析器功能、试运行功能、监控输出功能、结构紧凑；富士GYS401D5-RC2电机的具体参数说明：1)在GYS401D5-RC2中GYS是富士电机的基本型号，GYS是细长型（超低惯性）；2)401代表的是4010=400w=0.4kw；3)D代表的是额定转速为3000min4)5表示开发顺序5)R代表的是20位INC编码器6)C表示无油封/直轴/带键/带丝锥7)2表示输入电机的电压为三相200V2伺服驱动系统伺服驱动器（servodrives）又称为“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服马达进行控制，实现高精度的传动系统定位，目前是传动技术的高端产品。伺服进给系统的要求1）调速范围宽；2）定位精度高；3)有足够的传动刚性和高的速度稳定性；4)快速响应，无超调；85)低速大转矩，过载能力强。一般来说，伺服驱动器具有数分钟甚至半小时内1.5倍以上的过载能力，在短时间内可以过载4～6倍而不损坏；6)可靠性高，要求数控机床的进给驱动系统可靠性高、工作稳定性好，具有较强的温度、湿度、振动等环境适应能力和很强的抗干扰的能力；伺服进给系统对电机的要求：1）从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如0.1r/min或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。2）电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载4～6倍而不损坏。3）为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压。4）电机应能承受频繁启、制动和反转。本次机器人选用的是富士电机ALPHA5Smart系列的RYH401F5-VV2伺服放大器。3限位开关限位开关就是用以限定机械设备的运动极限位置的电气开关。限位开关有接触式的和非接触式的。接触式的比较直观，机械设备的运动部件上，安装上行程开关，与其相对运动的固定点上安装极限位置的挡块，或者是相反安装位置。当行程开关的机械触头碰到挡块时，切断了（或改变了）控制电路，机械就停止运行或改变运行。由于机械的惯性运动，这种行程开关有一定的“超行程”以保护开关不受损坏。非接触式的形式很多，常见的有光电式、感应式等，这几种形式在电梯中都能够见到。当然还有更多的先进形式。限位开关是一种常用的小电流主令电器。利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路，达到一定的控制目的。通常，这类开关被用来限制机械运动的位置或行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等。在电气控制系统中，限位开关的作用是实现顺序控制、定位控制和位置状态的检测。用于控制机械设备的行程及限位保护。构造：由操作头、触点系统和外壳组成。在实际生产中，将限位开关安装在预先安排的位置，安装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，限位开关的触点动作，实现电路的切换。因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。限位开关广泛用于各类机床和起重机械，用以控制其行程、进行终端限位保护。在电梯的控制电路中，还利用行程开关来控制开关轿门的速度、自动开关门的限位，轿厢的上、下限位保护。系统选用的是上海天逸电气有限公司生产的X42系列的限位开关。型号是：TAYEE-天逸X42A-H11/4K。9天逸X42A-H11/4KX42系列限位开关由开关操作件、传动部件、触电盒三部分组成。所有开关接触为双断点触头。触头材料采用银合金制成，触点间电路隔离确保产品具有高的安全性能。有蠕动型（H）和速冻型（S）两种，其技术指标完全达到国际电工标准的指标。机械寿命达到500万次，电气寿命亦可大于50万次，防护等级IP65，电性能、开关时间精确度及重复精度方面的高性能确保了机器设备的安全，因而广泛应用于各种机械设备，自动化流水线等轻型及中型负载的场合。4PLC本系统中的PL