72013高校设计大赛培训教材

“Omron杯”Sysmac自动化控制应用设计大赛培训教材发表单位:欧姆龙自动化(中国)有限公司发表人:唐奇志2目录一、主流工业机器人介绍二、机器人运动学原理介绍三、Demo机结构介绍四、电气组成介绍五、比赛要求介绍六、控制原理介绍31.SCARA（水平机器人）2.直交机器人一.主流工业机器人介绍3.串联式机器人4.并联式机器人当前工控界比较常见的主流机器人有以下几种：41.SCARA（水平机器人）SCARA（SelectiveComplianceAssemblyRobotArm，中文译名：选择顺应性装配机器手臂）是一种圆柱坐标型的特殊类型的工业机器人。也有人叫做水平关节型机器人。SCARA机器人有3个旋转关节，其轴线相互平行，在平面内进行定位和定向。另一个关节是移动关节，用于完成末端件在垂直于平面的运动。这类机器人的结构轻便、响应快，比一般关节式机器人快数倍。它最适用于平面定位，垂直方向进行装配的作业。例如，快速将一件小物件从一条输送带移动到另一条输送带上并排列好。2.直交机器人直角坐标机器人概念：工业应用中，能够实现自动控制的、可重复编程的、多功能的、多自由度的、运动自由度间成空间直角关系、多用途的操作机。他能够搬运物体、操作工具，以完成各种作业。直角坐标机器人的特点：1，多自由度运动，每个运动自由度之间的空间夹角为直角。2，自动控制的，可重复编程，所有的运动均按程序运行。3，一般由控制系统、驱动系统、机械系统、操作工具等组成。4，灵活，多功能，因操作工具的不同功能也不同。5，高可靠性、高速度、高精度。6，可用于恶劣的环境，可长期工作，便于操作维修。一.主流工业机器人介绍53.串联式机器人串联式机構是一個開放的運動鏈（openloopkinematicchain），其所有的運動桿件並沒有形成一個封閉的結構鏈，串聯式機構特點包括：1.工作空間大。2.運動分析較容易。3.可避免驅動軸之間的耦合效應。4.機構各軸必須獨立控制，並且需搭配編碼器與感測器用來提高機構運動時的精準度。4.并联式机器人並聯機器人和傳統工業用串聯機器人在應用上構成互補關係，它是一個封閉的運動鏈（closeloopkinematicchain），和串聯機器人相比較，並聯機器人具有以下特點：1.不易有動態誤差，無累積誤差，精度較高。2.運動慣性小。3.結構緊湊穩定，輸出軸大部份承受軸向應力，機器剛性高，承載能力大。4.為熱對稱性結構設計，熱變形量較小。5.在位置求解上，串聯機構正解容易，反解困難，而並聯機構正解困難，反解容易。6.工作空間較小。7.驅動裝置可置於定平台上或接近定平台的位置，這樣運動部分重量輕，速度高，動態響應好。8.完全對稱的並聯機構具有較好的各向同性。根據這些特點，並聯機器人在需要高剛度、高精度、大荷重、工作空間精簡的領域內得到了廣泛應用。主流工业机器人介绍6机器人运动控制以运动学正解和运动学反解为基础。所谓运动学正解就是：知道机器人每根轴的旋转角度，推算出机器人的空间姿态以及工作端的空间位置。以串联式机器人为例：已知每个手臂的长度、角度，则能逐个计算出每个手臂前端的空间位置，直至末端的空间位置。(见下图)θ1θ2θ3θ4(X1,Y1)(X2,Y2)(X3,Y3)(X4,Y4)二.机器人运动学原理介绍XY已知：θ1、θ2、θ3、θ4;L1、L2、L3、L4求解：(X4,Y4)L1L2L3L47所谓运动学反解就是：知道机器人的末端位置，反过来推算每根轴的旋转角度以2轴并联机器人为例：机器人运动学原理介绍θ1(X,Y)θ2LbLt已知:Lt、Lb(X,Y)求解：θ1、θ2XY82轴并联机器人的正解：副手臂的运动范围为圆，求2个圆的交集θ1(X,Y)θ2机器人运动学原理介绍XY⊙1⊙2根据θ1、θ2;Lt、Lb计算出⊙1、⊙2的圆方程联立这两个圆方程，计算出(X,Y)LtLb9思维扩展：Delta机器人的正解求3个球面的交集机器人运动学原理介绍三.Demo机结构介绍组成：此次比赛用的2自由度并联机械手，涉及设备较多，而且每台做工有差异，在进行实际动作之前需要进行一些结构上的调整，以保证后续的动作能够准确、快速的实现。以下是实物图以及主要组成介绍：1.主动臂2.从动臂（长平衡杆）3.平动盘4.放置A点铁片托盘5.障碍物6.放置B/C点铁片托盘7.减速机（减速比1:33）8.电磁铁（磁力由电压控制）9.平衡杆（短）10.小铁片10三.Demo机结构介绍组成：小铁片（被抓取对象）主体由铁制作，外裹一层白色塑料套。外观一面是铁的，带突起，一面是凹的，如下图示：小铁片正面小铁片反面小铁片斜面小铁片堆三.Demo机结构介绍组成：小铁片的放置点---托盘，如下图示：小铁片托盘（图例A点、另外有B/C点）作用：在放置时，小铁片有突起的那面朝下，与托盘的中心点对准，这样，托盘的中心凹点有一部分作用力是用来稳固小铁片堆的，让之不轻易倒下。注意：在调试时，托盘两边的螺丝可以调整其前后位置，以便铁片能准确被放入托盘中心点。Demo机结构介绍-----机械动作流程机构单次动作流程：电机旋转联轴器动主动臂动从动臂动平动盘动铁片移放完成平衡杆调节电磁铁吸放1.机械的机动性与人体骨骼动作流程类似。2.动作不流畅，或者有异声时则应该对机构进行检查3.在初次建立原点后则不应该再手动调节平衡调节杆，否则会影响动作准确度。4.由于机械手可以高速运行，使用时注意安全！13Demo机结构介绍-----机械调整机械手调整：设备在出厂时或者移动后，会发现平动盘不是水平位置，这时在控制放置铁片时会产生位置差异，不能准确放置在目标点，这就需要对机械手进行微调以实现较好的控制。调试方式如下：以右臂为例;1.抱闸抱紧状态下，先检查a处联轴器的松紧度，拧紧螺丝，防止机械手在高速动作时震动。2.平动盘如果不水平，则调整机械手。松开抱闸，松开b处螺丝，放松从动臂，松开c处螺丝，放松平衡杆，调整d处螺丝，看到右臂高度变化，从而调整平动盘的水平度。反复调整，直到平动盘保持水平。abcd14Demo机结构介绍-----机械调整铁片托盘调整：在机械手带动铁片移动后，需要放置到白色塑料铁片托盘的中心点上，因为是平面运动，这时如果托盘倾斜或者位置有偏差，则会影响每次放置的准确性。所以，在调试过程中，需要对托盘进行调整。方式如下：以A点托盘为例;1.手动控制电磁铁吸住一个铁片（最好吸在电磁铁的正中心），手动模式控制电机移动机械手到A点近上空2.松开电磁铁，如果发现铁片掉在A点中心孔之外，则需要调整托盘的位置3.不断松紧托盘两头螺丝，前后移动调整托盘位置，直到铁片能准确掉在A点圆孔里。4.同样的方式调整B/C点托盘，直到最后控制吸放铁片的最佳效果。15Demo机结构介绍-----机械调整障碍调整：在比赛时，机械手需要越过中间的障碍物。调试时应该调整障碍的高度。1.松紧a处调整螺丝，可以调整障碍栏杆的高度，高度是由比赛时确定的，所以调试时应该测试一下高度极限。2.注意：在调试时，障碍物底座不应该用螺丝固紧，防止机械手撞击障碍时撞坏。fded:障碍底座e：障碍栏杆f:调整螺丝16四、电气组成介绍在开始调试前需要知道设备的电气组成，以便控制与维修。电气组成介绍包括三方面：2、控制回路3、HMI控制1、网络构成17电气组成介绍------网络结构网络结构图NJ501-1500R880-KN04H-ECT-Z*2NS8-TV01R88M-K40030H-S2-Z*2PC（Formonitorandcontrol)18电气控制介绍------控制回路控制回路图：NJ501-1500伺服驱动NS8-TV01伺服电机中间继电器电磁铁抱闸抱闸急停总开关19电位器20电气控制介绍------HMI控制在比赛与调试时，所有比赛方的软件操作都在HMI触摸屏上进行。比赛进行时不得修改与监控程序。所以，触摸屏上必须包括所有的动作与参数设置控件。以下是示例主菜单界面：21电气控制介绍------HMI控制应该包括的控件与功能参考如下：抱闸：用于松开电机抱闸的控件按钮。伺服锁定：用于伺服锁定的控件按钮。设置原点：用于设置伺服初始原点的控件按钮。清错：用于清除所有报警错误（可包括数据初始化）按钮。22电气控制介绍------HMI控制应该包括的控件与功能参考如下：点动：用于控制机械手点动的控件按钮。点动速度：用于设置点动速度的控件按键输入。目标位置：用于设置机械手移动目标点坐标的控件按键输入。实际位置：用于显示机械手移动时当前位置坐标显示的控件。回原点：用于机械手回到原点的控件按钮。23电气控制介绍------HMI控制应该包括的控件与功能参考如下：路径示教：用于示教的功能。此功能用来示教预置机械手的行走路径。例如A-B，获取A点附近坐标与B点附近坐标，设定相应高度后，在程序里用功能块实现相应的机械手路径。设定厚度：用于设定铁片厚度的控件按键输入。循环次数设定：用于设置机械手A-B-A-C-A循环次数的控件按键输入。当前循环次数：用于显示机械手当前完成循环次数的控件显示输出。完成片数：用于显示机械手当前完成吸放铁片数的控件显示输出。设定高度：用于设定机械手能够安全越过障碍物的高度的控件按键输入。24电气控制介绍------HMI控制应该包括的控件与功能参考如下：Stop：用于停止机械手动作的控件按钮。极限：用于显示机械手是否超过范围保护极限位置的控件显示输出。以上功能仅做参考，具体制作时，应该在比赛要求下尽量制作完整的控制功能。Autorun：用于控制示教动作自动运行的控件按钮。25电气控制介绍------仿真演示仿真演示是NS触摸屏程序、NJStudio软件程序的联合模拟演示，如下：26五、比赛要求介绍-----初赛初赛作品评审标准项目功能要求合否在符合操作流程的前提下进行以下项目的评审程序中必须包含LD语言,ST语言，MotionFB编写机械手仿真程序：编写能够通过DataTrace功能把机械手轨迹仿真出来的程序通过网络变量编写NS触摸屏程序（具体功能见NS触摸屏程序要求）机械手指定位置绝对移动程序（在机械手允许的活动范围内，输入目标点的坐标，机械手可以运动到指定位置）点动程序（通过点动按钮可以实现机械手上下左右点动）机械手活动范围超出判断报警程序（设置机械手活动范围以外的位置时候，机械手不动作）机械手自动程序（按下自动启动按钮后，机械手先将A点铁片搬运到B点，铁片全部搬运完毕后，机械手回到初始位置，之后在将B点铁片全部搬回到A点。机械手再次回到初始位置，将A点铁片搬运到C点，机械手回到初始位置，之后再将C点铁片全部搬回到A点。重复此循环动作。）运动学正推程序（编写能够根据主动臂伺服旋转角度推出平动盘坐标的程序）27比赛要求介绍-----初赛注：如果无全部满足，以满足项目多少进行评定初赛作品评审标准项目功能要求合否备注NS触摸屏程序要求ABC三点坐标在NS程序中可以任意设置铁片厚度和屏蔽高度在NS程序中可以任意设置机械手绝对移动目标点的坐标和绝对移动按钮最在NS程序中机械手上下左右点动按钮要做在NS程序中要在NS程序中显示机械手活动范围超限报警信息机械手手动运行按钮（A点到B点手动按钮，A点到C点手动按钮）要做在NS程序中，运行的次数（A点到B点运行次数，A点到C点运行次数）可以在NS程序中任意设置当前已搬运个数在NS触摸屏上显示（累计）机械手要具备停止功能并在NS触摸屏上实现机械手坐标和运动轨迹要在NS触摸屏上实时显示28比赛要求介绍-----决赛决赛现场评审标准项目功能要求分值备注1.PPT形式工程演示（10分钟）（25分）工程背景5总计150分PLC控制编程思想及技巧202、工程答辩（10分钟）（10分）决赛现场解答专家评审针对作品提出的问题。103.实操调试（40分钟）（105分）电气接线：包括NJ与继电器，NJ与伺服，继电器与电磁铁之间的接线5PLC控制：PLC控制程序调试10人机界面：组态监控界面的简单设计与调试10运行：指定时间完成调试，按下自动按钮后，在相同的时间内成功搬运铁片个数最多方获胜804、其他（10分）工程演示