五轴工业机器人控制系统设计.docx
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五轴工业机器人控制系统设计
五轴工业机器人整体结构设计
摘要
五轴工业机器人是一种工业上的关节机器人,其广泛应用于世界的工业自动化领域,在世界上,我国的五轴工业机器人技术相比于国外发达国家无论是从时间还是技术方面都比较落后,并且很多零部件以及芯片都离不开外货进口。
五轴工业机器人控制系统是五轴工业机器人智能化和人工化的核心系统之一,因此控制系统的功能强度,性能的好坏直接影响着五轴工业机器的整体控制性能以及工作状态。
本文将对五轴工业机器人的控制系统进行硬件系统的设计、软件的选择以及程序的编写,并对它运动轨迹进行规划,对伺服控制系统的电机进行选择、对运作位置进行设计。
关键词:
五轴工业机器人;软硬件控制;电机的选择;控制系统设计
Designoffive-axisIndustrialRobotControlSystem
Abstract
Five-axisindustrialrobotisanindustrialjointrobotwidely.Itisusedintheworld'sindustrialautomationfield.Comparedwithdevelopedcountries,Chinesefive-axisindustrialrobottechnologyisrelativelybackwardintermsoftimeandtechnology,andmanypartsandchipscannotbeseparatedfromforeignimports.Five-axisindustrialrobotcontrolsystemisoneoftheintelligentandartificialcoresystemsoffive-axisindustrialrobot.Thefunctionofthecontrolsystem,whosestrengthandperformanceisgoodorbaddirectlyaffecttheoverallcontrolperformanceoffive-axisindustrialrobotandthestabilityoftheworkingstate.Thisdesignwillcarryouthardwaresystemdesign,softwareselectionandprogrampreparationforthecontrolsystemofthefive-axisindustrialrobot,andplaningit’smotiontrajectory,selecttingthemotoroftheservocontrolsystem,anddesigningtheoperationposition.
Keywords:
Five-axisindustrialrobot,hardwareandsoftwarecontrolling,Motorselection,controlsystemdesigning.
1前言
五轴工业机器人是由五个自由度组成的人形工业机器人,对当代工业领域的发展有着重要的作用。
1.1本设计的目的、内容及意义
研究目标:
通过了解控制系统在五轴工业机器人的重要性中进行对其的设计,其中包括五轴工业机器人的软件的选择以及程序的编写与运行;五轴工业机器人控制柜中的硬件芯片进行设计。
从而达到控制器指导五轴工业机器人的机体工作。
并且实现关节的伺服控制和制动问题、实时监测机器人的各个关节的运动情况。
研究内容:
本设计将对一台五自由度的搬运机器人内部控制系统进行设计,使其将会被用作搬运装置。
因此整体的控制系统的设计至关重要。
首先,将根据五轴机器人的底座、大臂、小臂的结构和模型进行分析,其次是对其驱动、传动方式,和构成其的结构平台进行了解。
通过对这些的了解与分析设计出五轴工业机器人的运动控制。
将其设计出来。
图1-1五轴工业机器人结构图
图1-2五轴工业机器人结构图
表1-1五轴工业机器人技术参数表
项目
主要参数
项目
主要参数
机器人本体结构
5自由度关节型
额定负载
8kg
本体重量
重复定位精度
工作半径
1300mm
末端执行器重量
工作范围
关节1
(底座)
额
定
转
速
关节1
(底座)
关节2
(大臂)
关节2
(大臂)
关节3
(小臂)
关节3
(小臂)
关节4
(手腕)
关节4
(手腕)
关节5
(手腕)
关节5
(手腕)
研究意义:
五轴工业机器人是世界上工业化发展的必要关节工业机器人,其在工业邻域有着不可替代的作用。
五轴工业机器人是一种通过程序以及芯片控制的自动执行工作的机器手,并且还是能够透过自身动力和控制能力来实现运作功能的智能机器。
人门既可以指挥操作它们运作,也可以通过软件编写的程序在一个空间内进行工作。
五轴工业机器人控制设计这门技术是这些年来在新技术发展中起很大作用。
它是多种技术融合的高新技术。
在很多领域方面,其中包括农业领域、工业领域、国防科技领域。
乃至医疗器械方面都起着不可替代的作用。
通过研究其控制系统,并从中进行设计不仅是对其创新,而且还能够丰富自己的浅薄知识,积累经验,了解更多控制方面。
1.2本设计在国内外的发展概况
1.2.1国外研究现状
20世纪,工业机器人诞生于工业强国——美国,然而由于当时美国处于注重基础建设阶段,导致工业机器人已知没被重视。
直到过了半个世纪,机器人才开始因为其在工业方面价值的提升被美国则很难功夫重视,并且美国政府制定了一系列计划和加强投资的优惠政策来鼓励工业机器人的研发和工业方面应用。
随着机器人技术被不断的创新,美国也成为了世界上机器人生产以及机器人性能方面优秀的机器人生产大国,在世界邻域站首指地位。
而在亚洲,日本的工业机器人的贡献也是不可忽视的。
日本在工业生产和应用中的机器人处于世界领先地位,并保持了世界上工业生产、安装机器人的数量。
另外,日本是工业机器人主要零部件和技术动力生产、研究等的主要国家之一。
而在欧洲同样有着工业强国之称的德国,其工业机器人也属于世界上最先进工业机器人,并且德国已经是工业化为主的的国家。
1.2.2国内研究现状
我国工业机器人起步研发在20世纪七十年代,起初发展缓慢,直到1995年科教兴国人才强国战略的提出,国家开始对人才培育的重视,也开始了对工业机器人邻域的发展。
其次,随着这些优秀政策的推行,每年的国家创新大赛上,琳琅满目的工业机器人,以及微型机器人被创造出来,我国的工业机器人发展也发生了巨大的转机。
工业4.0的提出,中国制造2025的签批,标志着国内开始对工业智能化,无人化的转向,也明示了工业机器人发展的好时机。
然而,我国减速器的在国际邻域中发展较落后。
目前主要的减速器的类型方面,国内相比国外国家还是相对有着明显的差距。
要想在这个邻域分到一份羹减速器创新必不可少。
其次伺服系统在国际市场上我国国外进口率远远超于出口率。
尤其对国外芯片的依赖,但随着国内企业的高速发展,伺服电机这些伺服系统中的重要部件在国内也被大量生产,生产的成本也降低了不少。
控制器是五轴工业机器人控制系统中必不可少的核心。
随着工业化,智能化的发展,控制器也必定会迅速发展。
五轴工业机器人也将被不断创新。
然而面临的问题有越来越多,尤其是对于五轴工业机器人这种关节型机器人,其对控制器的性能的要求也将越来越高。
因此控制器的竞争也将在全世界越开越激烈。
1.3本设计应解决的主要问题
(1)五轴工业机器人工作原理分析;
(2)五轴工业机器人运动控制及运动分析;
(3)控制器的设计;
(4)系统软件选择,程序的编写于运行,
(5)五轴工业机器人伺服控制电机的选择以及电机电路的设计。
(6)设计的思路和方法、方案及可行性等方面的提出
1.4研究的基本思路和方法
参考文献、实体的研究、可行性分析、工业领域的类型(垂直型或关节型)、细分每一个关节的控制。
技术路线:
控制系统是一种可以指导机器人运动的智能系统。
目前五轴工业机器人的控制系统一般由单片机应用程序控制系统和电气控制系统组成。
五轴工业机器人采用的是单片机程序以及PLC控制的控制系统,通过程序对五轴机器人进行控制,并通过内存功能储存五轴工业机器人的指令信息,同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令,必要时可对机械手的动作进行监视,当动作有错误或发生故障时即发出报警信。
位置检测的感应器:
通过控制五轴工业机器人执行机构末端的位置,经过反馈装置反馈给控制系统中的控制器,通过软件进行理论位置与实际位置的对比,最后控制系统发出让五轴工业机器人进行调整的指令,使其完成运作。
提出的设计方案:
方案一:
本次设计是通过五轴工业机器人的硬件系统中分析其组成成分,其次是了解控制系统的原理图进行分析,最后经过硬件系统设计,位置控制以及软件控制进行设计。
方案二:
通过对五轴工业机器人关节进行研究,最后设计出空间控制系统。
并用软件进行整体的编程。
图1-3控制系统原理图
可行性分析:
综上方案一是比较完善且对整个五轴工业机器人的控制设计较全面也能更好达到效果。
且对于五轴机器人本身来说,硬件的性能决定了其工作效率。
并且方案一的控制逐级控制也更符合五轴工业机器人是关节型的原理。
2对于五轴工业机器人工作的原理分析
五轴工业机器人是一种由五个关节组成的机器手,也是现在工业方面最常见的机器手之一。
被广泛应用于机械自动化作业。
如:
搬运、焊接、喷涂等。
2.1五轴工业机器人运作原理
五轴工业机器人通过谐波减速齿轮,由定时皮带轮和其他五个伺服马达直接5个旋转的关节轴,关节运动接头为第四中空结构的驱动马达,和空心轴电动机的结构相比较小关节五则是直接接触并制作和完成运作的末端关节。
2.2五轴工业机器人控制系统的综合评述
2.2.1五轴工业机器人控制系统的特点
(1)与运动学和参考各种坐标密切相关,并且可以描述机器人手,脚的状态,并根据特定的需求来参考帧的选择,做出相应的坐标,这些需要正运动学和逆运动学的解决方案,此外还需要考虑惯性力,外力(包括重力)和向心力的影响。
(2)五轴工业机器人是更复杂的机器人,其中的每一个通常包含一定程度的伺服机构的自由度,并且它们必须协调在一起以形成精确度高的控制系统。
(3)由计算机实现多个独立的伺服系统的协调控制。
(4)必须采用速度和加速度系统通常在重力补偿,前馈退耦或自适应控制方法中使用。
(5)计算机被用于建立一个庞大信息数据库,利用数据库控制,决策,管理和运作。
由于传感器和图形识别目标是通过该方法和环境条件获得的,根据给定的目标,自动选择最佳控制法。
综上所述,控制系统是一个五轴工业机器人的运动学和动力学密切相关的原则,有耦合,非线性多变量控制系统
2.2.2五轴工业机器人的贴标工艺
传送线上的伺服电机进行控制信息传送线的速度发展以及中途的启动与停止,在传送线作用下,指向被传送到贴标的重要位置;在定位气缸的运动下,纸箱被精确定位;测量物体的传感器检测出待贴纸箱到位时,反馈信号给PLC控制模块,PLC控制模块发出控制信号,控制五轴工业机器人吸取标贴;按照程序运动到贴标位置进行标签粘贴,经过抚平压紧,使其表情牢固贴在纸箱上;测标传感器检测到标贴已被粘贴,PLC将信号发送到伺服电机,以控制传输线,完成的纸板箱标签的输出,标记过程结束。
继续下一个纸箱被输送至标记的位置,重复上述操作。
3五轴工业机器人硬件控制系统的设计
3.1控制原理的分析
控制原理:
操作者通过示教盒编写指令发出给驱动器,驱动器驱动传动机构,然后感应器发出信号给末端操作器和控制器硬件,重复操作,并通过指令记录五轴工业机器人的位姿、运动的参数以及输入的工艺参数,并通过记忆功能记忆输入的控制程序形成一个连续性的操作程序文件,方便操作者不必要的重复编写程序。
图3-1控制原理图
3.2硬件控制系统组成与内部选择
3.2.1硬件控制系统的组成部分
控制系统组成成分如图3-2所示,其中中央处理器(CPU)为主控单元控制着整个系统的运作。
图3-2硬件控制系统组成部分
3.2.2硬件控制系统的内部选择
由于硬件控制系统对运算能力要求很高且如采用单个CPU的机构无法满足对硬件接口的要求,故选用DSP处理器作为控制器核心芯片来完成实时性控制,FPGA双CPU构架作为伺服核心处理器。
从而构成PC机加专用运动控制器的系统。
并且硬件系统要求控制系统中运动控制芯片具有很高的运算能力,通讯方式的实时性高且可以互换庞大的数据。
CPU则需要具备多任务处理的能力。
1)硬件接口资源的选择:
PWM驱动信号(5路),正交反馈信号接口(5路),(5个)限位和编码器零点信号捕获接口(5个)以及若干抱闸信号,并根据要求增加传感器和输入输出接口。
2)DSP控制芯片类型的选择:
要考虑的因素有:
处理芯片的速度、其功率的小号耗、程序存储器的性能、数据存储器容量、芯片内部的资源、精度、寻址空间、成本、实现方便性以及内部部件。
由于考虑到以上因素固选用TI公司的浮点型数字信号处理芯片TMS320F2812作为总控制芯片。
相比于AT89这类型片,TMS320F2812作为总控制芯片不仅自带了强大的功能,而且运行速度快速,也是专门对电机进行控制的专用的控制芯片。
图3-3TMS320F2812功能框图
3.3CPU硬件控制系统的设计
3.3.1CPU硬件控制系统构架设计
本设计采用DSP加FPGA的构架组成伺服系统主控制器。
实时任务的处理是主控制器的主要任务;作为辅助部分的模拟量卡则用来辅助主控制器对编码完成采集的和对PWM完成输出的功能。
除此之外,本设计主要是对在DSP中的FPGA的最小系统的进行设计并画出控制电路图体积电源模块控制电路图的设计等。
图3-4控制功能的硬件框图
3.3.2CPU的控制器的外部电路的设计
外部电路主要选用DSP芯片中的767系列内部的D301芯片,由于DSP767D301芯片是嵌入芯片,就有快速高效的特点。
其内部可以大量的数据计算与转换而且还可以降低CPU的功能的损耗故设计图如下。
图3-5TSP767D301电源电路
该芯片主要的特点:
具有专门的用来设计电的顺序管脚,其次还可以产生固定的1.8V/3.3V的电压,含有多种FPGA和120毫秒的延迟输出和不延迟输出。
图3-6TPS767D301引脚图
其引脚功能见表3-1
表3-1引脚功能表
引脚
I/O
功能描述
名称
编号
1GND
3
调整器#1
1——EN
4
I
调整器#1使能端
2——EN
10
I
调整器#2使能端
1IN
5,6
I
调整器#1输入电压
2GNFD
9
调整器#2地
TPS767D301内部结构:
内部构成:
输出输入口、电阻、二极管、变压的电压器、延迟时间控制器等主要部件构成。
图3-7TSP767D301内部原理图(a)
图3-8TSP767D301内部原理图(b)
图3-9调整器工作时间序图
极限参数见下表:
表3-2TPS767D301极限参数
特性项
极限参数
1IN,2IN,IN
-0.3-13.5V
1OUT,2OUT
-0.3-13.5V
RESET
16.5V
峰值电流输出
期间内部限制
工作温度范围
-40℃-125℃
存储温度范围
-65℃-150℃
3.3.3 JTAG接口线路的设计
针对TMS320F2812芯片具有高效的嵌入性能,故对其内部进行JTAG接口的设计,并且通过JTAG读取CPU的集成调试程序传输到总控制。
另外考虑JTAG下载口的干扰性,故采用上拉设计。
图3-10JTAG接口线路
3.3.4总控制芯片最小系统设计
总控制芯片主要是设计TMS320F2812,其频率为30MHz,下图是由TMS320F2812作为主控制系统,考虑到电源电路和电阻散热问题,所以DSP767D301作为外部电源电路,由带有3.3V的Flash电压和1.8V的内核电压组成工作电压。
而DSP767D301输入的电压为5V,当电源电路工作时产生3.3V和1.8V供TMS使用。
图3-11总控制电路图
特点:
TMS320F2812是一种32位的微型控制单元,其具有176个管脚,一个JTAG仿真烧录接口。
适用于精度较高的工业机器人控制系统中的应用。
表3-3硬件参数
硬件参数:
电源接口:
1x5V2A直流输入,DC-005电源接口。
CPU:
TITMS320F2812浮点DSP,主频150MHz;
拓展接口J15:
XINTF、UART、I2C、GPIO等信号,2.54mm,2x25pin简易牛角座。
OM:
片内256Kx16bit,外扩512Kx16bitNORFLASH。
拓展接口J13:
ePWM、GPIO等信号,2x10pin。
RRAM:
片内34Kx16bit,外扩256Kx16bitSRAM。
LCD:
1x1602液晶屏接口,16pin排母,间距2.54mm;1x4.3寸TFT触摸屏接口,2x17pin排针,间距2.54mm;1x12864液晶屏接口,20pin排母,间距2.54mm。
ADC:
1x16ChannelADC,0-3V,10pin接线端子,间距2.54mm。
拓展接口J14:
eQEP、SPI、I2C、GPIO等信号,2x10pin排针,间距2.54mm。
核心板连接器:
2x80pin排针,共160pin,间距1.27mm。
网口:
1x10M/100M以太网,RJ45连接器;排针,间距2.54mm。
红外收发器:
1xHX1838;启动方式:
1x4bit启动拨码开关。
步进电机接口:
1x五线四相步进电机,5pin接线端子,间距2.54mm。
直流电机接口:
1x5V直流电机,2pin接线端子,间距2.54mm。
EEPROM:
2Kbit,AT24C02C。
音频:
1xLINEIN,3.5mm音频座;1xLINEOUT,3.5mm音频座;1xMICIN,3.5mm音频座。
LED:
2x电源LED(底板1个,核心板1个),6x用户LED(底板4个,核心板2个)。
蜂鸣器:
1x无源蜂鸣器;继电器:
1x5V继电器。
按键:
3x用户可编程按钮,1x系统复位按钮。
SD卡:
1xMicroSD卡座。
JTAG:
Debug,14pinTIRevBJTAG座,间距2.54mm。
RTC:
1xRTC,CR1220纽扣电池座。
eCAN:
2xeCAN,3pin接线端子,间距3.81mm。
DAC:
1xDAC,0-5V,2pin接线端子,间距2.54mm。
3.3.5FPGA逻辑处理单元设计
FPGA选型为EP2C5T144C8N芯片,该芯片是一种AI芯片,本设计选用该芯片不仅可以对TSM320F2812这种芯片进行优化。
其次该芯片自带数字管理模块以及内嵌入式单元,高效的提高了控制系统的精确度。
FPGA为通用IO接口与DSP、外围调理电路相连。
除了这些之外,时钟电路这些也应该注意。
一、系统时钟电路的设计。
如图3-12示时钟电路选用50MHz的有源振晶为时钟电路,该电路高效的解决了数据传输不一致的情况。
图3-12时钟电路
二、FPGA电压供电(内部锁相环)电路的设计。
本设计根据EP2C5T144C8N芯片手册,电压供电如图3-3-10。
图3-13PFGA电压供电电路
三、FPGA配置电路设计。
FPGA配置方式主要有AS、PS、JTAG三种配置其区别见表5
表3-4FPGA配置分类
AS模式:
主动串行配置模式。
适用于不需要经常升级的场合,一次性读取程序文件。
PS模式:
被动串行配置模式。
EPCS(flash)作为主控制器,把数据写人到FPGA内部的配置存储器(configureRAM)中,实现对FPGA的编程。
可以采用微控制器(单片机、ARM等)或者CPLD,该模式可以实现对FPGA在线可编程,升级方便。
JTAG模式:
直接烧到FPGA里面的,由于是SRAM,断电后要重烧sof文件,适用于调试;而JTAG可以在线调试,也可以将sof转换为jic后通过JTAG烧录到EPCS中。
根据三种模式的对比,本问最终采用JTAP模式,其可以完成程序的在线编写与在线调试,也可以在芯片中完成程序的固化,由于烧录需要有专门的EEPROM故选用EPCS4S18芯片作为专用EEPROM程序芯片。
见图16。
图3-14FPGA配置电路
四、FPGA电源电路的设计。
FPGA电路中的I/O输出电压为3.3V,内核驱动电压为1.2V,运动控制器为5V,考虑到这些因素,因此采用PCI总线提供5V电源。
见图17。
图3-15FPGA电源电路的设计
3.4伺服电机及伺服驱动器的选择
伺服电机的选择:
根据五轴工业机器人的参考参数最终得出来各个关节的力矩分别是2.8903Nm、3.2Nm、2.06Nm、8.5Nm以及20Nm。
根据图3-4-1的对比及参照选择的伺服电机型号分别为:
SM80-024-30LFB、SM80-033-30-LFB(2台)、SM130-100-25LFB、SM150-230-20LFB。
表3-5伺服电机参数
型号
SM80-024-30LFB
型号
80-033-30-LFB
额定转矩(Nm)
3.3
额定转矩(Nm)
3.3
功率(KW)
0.75
功率(KW)
10
额定电流(A)
4.2
额定电流(A)
4.2
额定转速(Rpm)
3000
额定转速(Rpm)
3000
机械时间常数(Ms)
0.95
机械时间常数(Ms)
0.85
转子惯量
1.06*10-4
转子惯量
1.37*10-4
型号
SM130-100-25LFB
型号
SM150-230-20LFB
额定转矩(Nm)
10
额定转矩(Nm)
27
功率(KW)
2.6
功率(KW)
5.5
额定电流(A)
10
额定电流(A)
20.5
额定转速(Rpm)
2500
额定转速(Rpm)
2000
机械时间常数(Ms)
2.11
机械时间常数(Ms)
2.04
转子惯量
2.14*10-3
转子惯量
8.0*10-3
伺服驱动器选择:
由于电动机的选型的确定,故选用驱动器的型号分别为:
SAL04C(SA3L06B)、SA3L0B(SA3L15C)、SA3L15C(SAL25C)。
表3-6电机参数表
型号
电压(V)
频率(HZ)
SAL04C(SA3L06B)
220
50/60
SA3L0B(SA3L15C)
220
50/60
SA3L15C(SAL25C)
220
50/60
伺服控制器的设计如图3-16、3-17、3-18所示:
图3-16SAL04C(SA3L06B)伺服控制器
图3-17SA3L0B(SA3L15C)伺服控制器
图3-18SA3L15C(SAL25C)伺服控制器
3.5控制柜的设计
3
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