计算机技术课程设计-机械手臂定位控制系统

1、计算机控制技术课程设计课题题目：机械手臂定位控制系统设计学生姓名：学号：学院：目录第一章 绪论11.1 设计背景11.2 设计目的和意义11.2.1 设计的目的11.2.2 设计的意义11.3 国内外技术现状及发展11.3.1 国外机器人技术发展状况11.3.2 国内机器人发展状况2第二章 系统的总体设计32.1 机械手臂控制系统简介32.1.1 机械手臂定位控制系统的结构32.1.2 机械手臂定位控制系统工作原理32.2 机械手臂定位系统控制要求32.2.1 定位控制32.2.2 可靠性要高32.2.3 位移实时监测42.3 设计方案42.3.1 机械手臂定位控制系统组成42.3.2 机械手臂定位控制系统的特点4第三章 系统硬件设计53.1 PC 选型53.2 传感器选型与电路设计53.2.1 传感器的选型53.2.2 电路设计53.3 输入输出装置选型63.3.1 输入装置的选型63.3.2 输出装置的选型63.4 执行机构选型及驱动电路设计73.4.1 执行机构的选型73.4.2 驱动电路的设计7第四章 系统软件设计84.1 总体设计84.1.1 软件功能及需求分析84.1.2

2、软件架构84.1.3 开发工具简介84.2 软件各功能模块设计84.2.1 主程序设计84.2.2 各个子模块设计9第五章 设计总结135.1 系统设计总结135.2 设计过程总结13参考文献141.1 设计背景第一章 绪论9机器人技术是一种新兴技术，机械手臂是机器人技术领域中应用最广泛的自动化机械装置，它 涉及多个学科，综合了计算机学、机械学、信号处理技术、传感器技术、自动控制论和人工智能等 学科。这些多学科领域知识的交叉和融入是机器人技术得以发展、拓宽和延伸的基础，也是学习和 运用机器人技术的基础。机器人按照开发内容和应用可分为工业机器人，操纵新机器人和智能机器 人；工业机器人是在工业生产中使用的机器人的总称，主要用于完成工业生产中的某些作业。依据 具体应用目的的不同，又常常以其主要用途命名。工业机器人的优点在于它可以通过更改程序，方 便、迅速地改变工作内容或方式以满足生产要求的变化。操纵型机器人主要用于非工业生产的各种 作业，又可以分为服务机器人和特种作业机器人等。智能机器人具有多种传感器组成的系统，不仅 可以感知速度、力、温度等参数，能够执行多种操作，自主完成任务，目前智能机器

3、人尚处在研究 和发展阶段。机械手臂主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。它能模仿人手臂的某 些动作功能，按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。机械手是最早出现的工业机 器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有 害环境下操作以保护人身安全，上至太空飞船，下至微型机器人，机器人技术已经拓展到全球经济 发展的诸多领域，成为高科技中极为重要的组成部分。目前机器人技术经历了第一代、第二代机器 人技术，进入了第三代智能机器人发展阶段。1.2 设计目的和意义1.2.1 设计的目的课程实际是锻炼培养学生们的实践综合能力，提高专业技能，能够让学生综合运用所学过的各 个科目，相互结合通过理论应用到实际中解决许多问题，为毕业设计积累经验，打下基础。1.2.2 设计的意义可以提高生产过程的自动化程度，应用机械手,可以提高劳动生产率,降低生产成本,加快实现工 业生产机械化和自动化的步伐。在高温、高压、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中,用人手直接操作是有危 险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业,大大地改

4、善了工人的劳动 条件。同时,在一些动作简单但又重复作业的操作中,以机械手代替人手进行工作,可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。可以减少人力,便于有节奏的生产。现代行业生产产品大多都是流水线操作，许多复杂的操作过 程人工无法完成，要想提高自动化程度，就要普及机械手的使用率，这样就可以提高生产效率，降低生产成本，加快实现企业生产机械化和自动化。本次课程设计的意义在于训练学生对基本机械结构的认识，对传感器工作原理的理解，对数据 采集卡的操作过程熟练操作。1.3 国内外技术现状及发展1.3.1 国外机器人技术发展状况机器人一词最早出现在 1920 年，机器人（robot）这个词的本意是苦力，是一种人造的劳力。自1962 年美国推出世界上第一台 unimate 型和 versatra 型工业机器人以来，机器人在工业发达国家得到了迅速发展。根据国际工业机器人联合会(IFR)前几年的统计：2000 年全世界工业机器人的总数达到82 万台，比 1996 年增加 24。其中日本拥有 42 万台，占全世界机器人总数的 50左右，继续保持“机器人王国”的地位。目前,对全球机器人技术发展最有影响的国家

5、应该是美国和日本。美国在机器人技术的综合研究水平上仍处于领先地位,而日本生产的机器人在数量、种类方面则居世界首位。 机器人技术的发展推动了机器人学的建立,许多国家成立了机器人协会,美国、日本、英国、瑞典等国 家设立了机器人学学位。国外机械手技术大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力,能反馈外界条件的变化,作相应的变更。如位置发生稍许偏差时,即能更正并自行检测,重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪以及微型计算机。工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置,并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。1.3.2 国内机器人发展状况我国的机器人研究起步较晚,约于 20 世纪 70 年代末、80 年代初开始。20 世纪 90 年代中期,1972 年我国第一台机械手在上海开发成功。从第七个五年计划(19861990 年)开始,我国政府大大加大了对工业机器人的重视程度,并且为此项目投入大量的资金,在众多学者及研究人员的参与下,研究开发并且制

6、造了一系列的工业机器人。例如，喷涂机器人、点焊机器人装卸载机器人。与此同时,一系列的机器人关键部件也被开发出来,如机器人专用轴承,减震齿轮,直流伺服电机,编码器等等。目前，中国机械手发展趋势主要在扩大应用范围重点发展机床加工、热处理、锻造等方面的机械手,以满足目前国内的需求。在满足国内需求的同时还相应发展通用机械手、示教式机械手、计算机控制机械手、 组合机械手等。当今,工业机械手在国内外工业生产中的应用极为广泛,大致有以下几个方面:1) 实现单及自动化:各类半自动机床的自动上下料。2)组成自动生产线:在单机自动化的基础上,自动装卸和输送工件,可以使一些单机连接成自动生 产线。3)特殊工作环境:如高温、有害有毒、探索外太空、海底资源开发等环境采用机械手代替人进行 作业。第二章 系统的总体设计2.1 机械手臂控制系统简介2.1.1 机械手臂定位控制系统的结构机械手臂定位控制系统主要由接近开关、检测电路、输入装置、输出装置、驱动电路、电动机和计 算机等部分组成，如图 2.1 所示。图 2.1 某机械手臂产品图图 2.2 机械手臂定位控制系统结构示意图2.1.2 机械手臂定位控制系统工作原理机

7、械手臂在电动机带动下沿着导轨向右平行移动,当移动到停止位处,电感接近开关感应到机械手臂靠近,产生开关信号,由检测电路检测到,经输人装置送入计算机显示、判断,计算机发出控制指令, 由输出装置输出开关控制信号,驱动电动机停止转动,机械手臂停止移动。2.2 机械手臂定位系统控制要求2.2.1 定位控制能够实现按点位方式进行控制,其运动为空间点到点之间的直线运动,在作业过程中能控制机械手臂定位在任意位置。控制的精度高，机械手的精度主要依存于机械误差、控制算法误差与分辨率系统误差。机械误差主要产生于轮齿误差、螺距误差、关节间隙，以及连杆机构的挠性。实时性强， 即能够在被控对象允许的时间间隔内完成对系统的控制、计算和处理等任务。2.2.2 可靠性要高系统的可靠性是指系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。能否在在恶劣的环境之中工作，例如，粉尘、潮湿、振动、高温等环境下，是考验计算机控制系统稳定性的重要体现。此外，还要方便维护，易于查找故障、排除故障。在发生故障时，要能够及时体现故障点，实现模块化，标准化设计。2.2.3 位移实时监测能够实现对机械手位移的实时监测，并以实时趋势曲线的形式

8、显示在计算机上。通用性要好， 在不同的工控机上，不同的工作对象上，要能灵活应用，定位精度不发生偏差。2.3 设计方案2.3.1 机械手臂定位控制系统组成机械手臂定位控制系统组成包括被监控对象、传感器、检测电路、开关量输入装置、计算机、 开关量输出装置、驱动电路、执行机构。如图 2.3 所示。图 2.3 开关量输入与开关量输出系统组成框图2.3.2 机械手臂定位控制系统的特点该系统控制过程简单，可靠性高，采用微型计算机数据采集系统的特点是:系统结构简单,技术容 易实现,满足中小规模数据采集要求；对环境要求不高;价格低廉,系统成本低;可作为集散型数据采集系统的一个基本组成部分；其相关模板和软件都比较齐全,容易构成一个完整的系统,便于使用与维修。集散型数据采集系统的主要特点是:系统适应能力强;系统可靠性高;系统实时响应性好;对系统硬件要求不高;特别适合在恶劣环境下工作。3.1 PC 选型第三章 系统硬件设计本系统由上位机和下位机组成，对于上位机主要是通过 PC 与数据采集卡连接，实现监控驱动电路和存储相关数据。本系统上位机机型采用 TIANYI 100-15IBD 型，具体配置为英特尔酷睿

9、i5-5200CPU,64 位字长， 主频 2.2GHz，内存 4G，具有两个 USB2.0 接口。其配置完全能满足控制系统的要求，能够使组态软件正常运行。3.2 传感器选型与电路设计3.2.1 传感器的选型本系统采用差动变隙式电感传感器制作的接近开关，这种传感器不需要接触到被测物体，当物 体接近传感器时，传感器就能“感知”。电感式传感器也叫涡流式传感器，由三大部分组成：振荡 器、开关电路及放大输出电路。振荡器产生一个交变磁场，当金属目标接近这一磁场，并达到感应 距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。振荡器振荡及停振的变化被后级 放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式的检测目的。这种传感器 的特点是精度高、线性好；工作可靠、寿命长；性能稳定、重复性好；灵敏度高、分辨力高。3.2.2 电路设计图 3.1图 3.2如图 3.2 所示为交流电桥测量电路，传感器的两线圈作为电桥的两相邻桥臂 Z1 和 Z2,另外两个相邻桥臂为纯电阻 R。设 Z 是衔铁在中间位置时单个线圈的复阻抗, Z1、Z2 分别是衔铁偏离中心位置时两线圈阻抗的变化量,则 Z1=Z+Z，Z2= Z Z。对于高品质因数 Q 的电感式传感器，线圈的电感远远大于线圈的有功电阻即 WLR,则Z1+Z2JW(L1+L2)，电

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