机电控制实训报告.docx

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机电控制实训报告

河南机电高等专科学校

《机电控制实训》实训报告

系部：

机电工程系

专业：

机电一体化

班级：

机电一体化136

学生姓名：

李冰

学号：

130212730

指导教师：

实训成绩：

机电控制实训》任务书

一、实训任务要求

（一）实训内容：

工业机器人机构设计与制作

1、实训内容及要求：

（1）拼装三自由度工业机器人模型。

（2）调试模型，利用ROBOPRO软件和ROBOTX控制器控制模型。

（3）掌握软件编程中马达（普通马达、编译马达）控制、灯泡、限位开关的工作原理。

（4）熟悉以上模型的传动方式、动作过程，能够设计出多样的模型，实现多种功能。

2、考核方法：

提交实训报告，提出可行性改进方案。

（二）实训内容：

工业机器人技术及应用系统综合设计与实践

1、实训内容及要求：

（1）掌握电缆线路、气路连接及机器人机械系统认识。

（2）熟悉步进电机驱动及伺服电机驱动使用。

（3）掌握PEC6000编程软件的使用。

（4）掌握六自由度机器人的基本控制。

（5）掌握工业机器人的示教与再现。

2、考核方法：

提交实训报告，提出可行性改进方案。

（三）实训内容：

基于FANCU机器人的自动焊接系统实训

1、实训内容及要求：

（1）认识FANUC工业机器人。

（2）掌握六自由度工业机器人的示教编程与运动方式。

（3）工业机器人的示教编程与再现控制。

（4）FANCU机器人焊枪动作与编程实验。

2、考核方法：

提交实训报告，提出可行性改进方案。

二、报告格式要求

1、实训报告按照给出格式编写，按目录顺序装订。

2、小组合作完成的报告，要附上小组成员具体分工情况。

3、报告提交时，将红色字体部分删除。

第1部分慧鱼工业机器人机构设计与制作……………….….……..2

1.1引言……………………………………………………………...…2

1.2实验目的........………………….……………………………...…...2

1.3实验器材………………………………………………………..…2

1.4实验原理分析………………………………………………………3

1.5实验程序………………………………………………………..…7

第2部分工业机器人技术及应用系统综合设计与实践……………8

2.1智能小车的意义和作用……………………………………….……8

2.2方案设计与论证………………….…………………………....….9

2.3车自动避障的原理和方案 ……………….……………………….10.

2.4电机选择及驱动模块………………….…………………………...12

2.5系统设计………………….…………………………....….…......…13

第3部分基于FANCU机器人的自动焊接系统实训………………...….14

3.1编程程序走字操作………………………………….……...….……..14.

3.2操作FUNCU机器人编程循环命令…………………………....…..…15

致谢…………………………….……………………..………………....…16

参考文献……………………….…………………..……..…………….….17

第1部分慧鱼工业机器人机构设计与制作

1.1引言

随着社会的进步和科技的发展,机器人产品开始进入到生产过程和日常生活中,各种类型的机器人在特定的工作环境下发挥着越来越重要的作用。

但是目前对于移动式机器人多采用轮式移动机构,在适应复杂地形时无法满足路况的要求,由此设计一种灵活的、行走平稳和对路况适应性强的机器人成为解决此类问题的关键。

根据昆虫运动时采用的三角步态走法设计了机器人的腿部五连杆行走机构,并对其进行了占空比、稳定性、转弯状态等分析，由程序来控制机器人的动作。

1964年，慧鱼创意组合模型（fischertechnik）诞生于德国，是技术含量很高的工程技术类智趣拼装模型，是展示科学原和技术过程的理想教具，也是体现世界最先进教育理念的学具，为创新教育和创新实验提供了最佳的载体。

慧鱼创意组合模型的主要部件采用优质尼龙塑胶制造，尺寸精确，不易磨损，可以保证反复拆装的同时不影响模型结合的精确度；构件的工业燕尾槽专利设计使六面都可拼接，独特的设计可实现随心所欲的组合和扩充。

1.2实验目的

1认识了解及熟悉运用“慧鱼”模型中的各种硬件。

2按照模型拼搭机器人，掌握各个部分的硬件组成原理，理解各部分之间的协调和控制。

3学会软件的应用，理解编程原理

4创新实现自己的思想，用现有零件组成自己的模型，提高创新能力。

5自己编写软件程序并调试成功，真正实现模型的可实现性。

1.3实验器材

慧鱼机器人模型组合包，智能板接口，个人计算机及相关程序，实验使用手册。

如图1-1

图1-1

 1.4实验原理分析

三自由度机械手能够实现在不同的方向上抓取物体，其运动系统主要由4部分组成，分别为：

水平运动、垂直运动、旋转运动和手爪运动。

每一个运动系统的控制部分组成都是由一个直流电机、两个行程开关组成。

下面以垂直运动为例介绍三自由度机械手的工作原理。

垂直运动主要由三个主要部件组成：

电机、限位行程开关和计数行程开关。

电机为垂直运动提供动力；这里所选用的电机为直流电机，通以9V电压，则开始旋转。

通以-9V电压，则反向旋转。

限位行程开关限制垂直运动的极限位置，也是垂直运动的起始位置；当机械手臂向上运动碰到上面的限位行程开关后，机械手臂停止运动。

计数行程开关是用来计量电机的旋转圈数的，从而可以精确的计算垂直运动的距离，起到定位的作用。

垂直运动具体的运动过程可分为两个阶段：

定位阶段和复位阶段。

定位阶段：

驱动电机使手臂从初始位置开始下降，通过定位行程开关计数使手臂到达指定位置停止。

复位阶段：

驱动电机反转使手臂上升，直到碰到限位行程开关结束。

垂直运动的工作原理简图如图2所示：

垂直运动以“微型计算机”为核心，“智能接口板”为中介，主要由两大部分组成，数字输出和数字输入。

一方面，微型计算机发送指令，通过智能接口板输出给电机，使电机运动。

另一方面，行程开关的信号经由智能接口板输入到计算机中，根据信号的结果执行相应的动作。

限位行程开关和计数行程开关都是同一种行程开关。

行程开关是一个触发式的开关，当触头被按下时，则电路接地，此时通过智能接口板采集到的信号为低电平，数字信号为0；当触头悬置时，则电路断开，此时输出的数字信号为1。

计算机根据接受到的信号发出不同的命令，如使电机旋转或停止。

图1-2垂直运动原理简图

图1-3定位行程开关计数原理图

计数行程开关的计数原理如图3所示。

在电机轴上安装一个四齿转盘，当电机轴旋转1周时，将连续触发行程开关4次。

因此只需记录下行程开关的触发次数即可知道电机的转数，从而可控制手臂在垂直方向的位置。

行程开关触发次数的记录可由智能接口板的“数字输入”功能完成。

水平运动、旋转运动和手抓运动的工作原理与垂直运动相似，都是由电机和两个行程开关组成。

1.5实验程序

第2部分工业机器人技术及应用系统综合设计与实践

2.1智能小车的意义和作用

自第一台工业机器人诞生以来,机器人的发展已经遍及机械,电子,冶金,交通,宇航,国防等领域.近年来机器人的智能水平不断提高,并且迅速地改变着人们的生活方式.人们在不断探讨,改造,认识自然的过程中,由此发展起来的智能小车引起了众多学者的广泛关注和极大的兴趣。

智能小车，也就是轮式机器人，最适合在那些人类无法工作的环境中工作，该技术可以应用于无人驾驶机动车，无人生产线，仓库，服务机器人，航空航天等领域。

作为20世纪自动化领域的重大成就，机器人已经和人类社会的生产、生活密不可分。

因此为了使智能小车工作在最佳状态，进一步研究及完善其速度和方向的控制是非常有必要的。

智能小车要实现自动寻迹功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物,感知导引线相当给机器人一个视觉功能.避障控制系统是基于自动导引小车（avg—auto-guide vehicle）系统,基于它的智能小车实现自动识别路线,判断并自动避开障碍,选择正确的行进路线.使用传感器感知路线和障碍并作出判断和相应的执行动作

该智能小车可以作为机器人的典型代表.它可以分为三大组成部分:

传感器检测部分,执行部分,cpu.机器人要实现自动避障功能,还可以扩展循迹等功能,感知导引线和障碍物.可以实现小车自动识别路线,选择正确的行进路线,并检测到障碍物自动躲避.考虑使用价廉物美的红外反射式传感器来充当.智能小车的执行部分,是由直流电机来充当的,主要控制小车的行进方向和速度.单片机驱动直流电机一般有两种方案:

第一,勿需占用单片机资源,直接选择有pwm功能的单片机,这样可以实现精确调速;第二,可以由软件模拟pwm输出调制,需要占用单片机资源,难以精确调速,但单片机型号的选择余地较大.考虑到实际情况, cpu使用AT89c52单片机,配合软件编程实现

2.2方案设计与论证

根据题目的要求，确定如下方案：

首先设计出小车的基本模形以及传动方案，并在车上加装光电检测器，实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。

这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。

2.2.1模块方案比较及论证

根据设计要求，我们的自动避障小车主要由六个模块构成：

车体框架、电源及稳压模块、主控模块、探测模块、电机驱动模块组成。

各模块分述如图2-1。

图2-1

2.2.2 车体设计

用现有的小车改装 ，实验室有慧鱼拼装模块就行组装。

2.2.3电源及稳压模块

采用蓄电池供电  

蓄电池具有较强的电流驱动能力和较好的电压稳定性能，且成本低廉。

可采用蓄电池经7812芯片稳压后给电机供电，再经过降压接7805芯片给单片机及其他逻辑单元供电。

但蓄电池体积相对庞大，且重量过大，造成电机负载过大，不适合我们采用的小车车架（玩具电动车车架）。

故我们放弃了这一方案。

  方案三：

采用干电池组进行供电

采用四节干电池降压至5V后给单片机及其他逻辑单元供电，另取六节干电池为电机及光电开关供电。

这样电机启动及制动时的短暂电压干扰不会影响到逻辑单元和单片机的工作。

干电池用电池盒封装，体积和重量较小，同时玩具车底座可以安装四节干电池，正好可为单片机及其他逻辑单元供电。

在稳压方面，起始时考虑使用7805芯片对6V的电池电压进行降压稳压。

但考虑到这样使得7805芯片消耗大量能量，降低电池寿命；同时，由于at89c52、光电开关、小车电机对于供电电压要求并不苛刻，故我们将6V电池电压接一个二极管降压后直接给单片机及其他逻辑单元供电。

而电机和光电开关的电源不做稳压处理。

这样只需在小车遥控上加两个调速按钮，根据电池电量选择合适功率即可，甚至于可直接在软件里设置自动换挡。

综合考虑，我们采用方案三，示意图如图2-2所示

图2-2

2.3车自动避障的原理和方案 

小车车头处装有二个光电开关，一个光电开关对向左前方，一个光电开关向右前方，（如右图所示）。

小车在行进过程中由光电开关向前方发射出红外线，当红外线遇到障碍物时发生漫反射，反射光被光电开关接收。

小车根据二个光电开关接受信号的情况来判断前方障碍物的分布并做出相应的动作。

光电开关的平均探测距离为30cm，使用光电开关进行障碍物信息采集。

使用三只E3F-DS30C4光电开关，分别探测正前方，前右侧，前左侧障碍物信息，在特殊地形（如障碍物密集地形）可将正前方的光电开关移置后方进行探测。

E3F-DS30C4光电开关平均有效探测距离0~30cm可调，且抗外界背景光干扰能力强，可在日光下正常工作（理论上应避免日光和强光源的直接照射）。

我们小车换档调速后的最大制动距离不超过30cm，一般在10~20cm左右，因而探测距离满足我们的小车需求

图2-3

2.3.1小车循迹的原理

这里的循迹是指小车在黑色地板上循白线行走，通常采取的方法是红外探测法。

红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。

单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。

红外探测器探测距离有限，一般最大不应超过3cm。

2.3.2用反射型光电探测器RPR220 

RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。

RPR220采用DIP4封装，其具有如下特点：

（1）塑料透镜可以提高灵敏度。

（2）内置可见光过滤器能减小离散光的影响。

（3）体积小，结构紧凑

（4）当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。

此光电对管调理电路简单，工作性能稳定

2.4电机选择及驱动模块 

本系统为智能小车，对于智能小车来说，其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。

由于本实验要实现对路径控制定位和速度测量不是要求太高，精度也不是太高，所以我们综合考虑了一下两种方案。

采用直流电机。

直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。

遥控车马达/小直流电机电机 RF-500TB-ZD供电电压 ：

直流DC3-9V，转速2400r/m是自制玩具车等模型理想选择

电机驱动框图

MultiFLEX

2-PXA270控制器的功能概述

MultiFLEX

2-PXA270控制器纯粹就是为智能机器人控制而存在的。

它有以下特点：

（1）高运算能力、低功耗、体积小。

MultiFLEX

2-PXA270控制器具备520MHz，32位的高性能嵌入式处理器和Linux操作系统，运算处理能力强大，而功耗不在2W；体积小巧，可以直接放入放机器人体内。

（2）控制接口丰富。

可以控制直流电机（需配合BDMC系列伺服驱动器）；可以控制各种信号的舵机；可以对机器人舵机进行调速、位置控制、力矩控制；可以同时控制多个回路的舵机/电机。

（3）数据接口丰富。

控制器具有12路双向可设置通用IO接口，8路10位精度的AD接口；还有RS-422总线、RS232接口，足够满足绝大多数运用场合。

感知的丰富性是机器人区别于其它机器人的重要因素之一，要让机器人具有与众不同的功能，对各种外界刺激有合理的反应，需要给它添加各种各样的传感器。

温度、光照、声强、距离等传感器可以通过IO和AD接口接入，姿态、语音、视觉传感器可以通过RS-232总线、RS-232接口、USB接口接入。

MultiFLEX

2-PXA270控制器的详细功能如下所示：

2.5系统设计 

本系统采用5路黑线检测装置，通过反射式红外发光二极管检测地面黑线，判断黑线位置，当只有中间的检测到黑线时小车直行，当中间和右侧临近中间的检测到时，说明小车偏离黑线向左，小车右转调整。

当最右侧的检测到时，说明小车脱离黑线，小车右轮反转，左轮正转。

并且记忆小车脱离黑线。

直到中间的检测到黑线时才小车正常行驶。

左侧检测到黑线时反之。

当小车行驶时，定时器开始计时，并显示时间，当小车停止行驶时，定时器停止计时。

并记忆小车行驶的时间。

第3部分基于FANCU机器人的自动焊接系统实训

3.1编程程序走字操作

3.1.1“曌”字程序

3.1.2走“四边形、圆、三角形”程序

2

四边形：

2．圆：

3.三角形：

3.2操作FUNCU机器人编程循环命令

3.2.1走“四边形、圆、三角形”五次循环程序

致谢

在这个机电控制实训的过程中，我们首先根据设备要求，按照操作步骤，安装好机器人手臂，电缆线的连接，以及气泵的安装。

其中，在整个过程中，最重要的是细心，要仔细把每个过程组装好，在操作的过程中，才可以避免错误的出现。

然后我们按照实训步骤，一步步完成机电控制、操作。

在实训的过程中，不仅仅是动手，而且要考虑设备的运动结构，传动形式，尺寸结构。

最后还要充分理解整个机器人手臂的运动模式。

总的来说，这次的机电控制实训，机器人手臂的操作给了我很好地锻炼。

在整个实训过程中，基本上是对以前所学的专业知识的综合运用，通过这一次的控制实训，对所学的知识有了更好的理解，把所学的东西真正运用到实际中去，是对自己学习的一种肯定。

这次的可以很好的提高自己的动手能力，重新认识和了解机器人的各种结构，也提高了自己的查阅书籍的能力。

最后感谢老师在这个作品设计中的耐心指导。

参考文献

1.林尚扬，陈善本，李成桐编著．焊接机器人及其应用[M]．机械工业出版社，2000，7

2.开生，张慧慧，费仁元等．机器人控制体系结构研究的现状和发展[J]．机器人，2000，（5）:

235—240

3.贾培发，赵雁南．开放式机器人控制器软件体系结构研究进展[J]．高技术通讯，2003，

（1）：

100-105

4.潘炼东，黄心汉．基于PMAC的机器人控制器设计[J]．华中理工大学学报，2000,（4）：

69-71