机电控制实训报告 10300字.docx
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机电控制实训报告10300字
三一文库（XX）
〔机电控制实训报告10300字〕
河南机电高等专科学校设计说明书
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：
20xx年12月11日
河南机电高等专科学校设计说明书
《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ROBOX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PC6000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ACU机器人的自动焊接系统实训
1、实训内容及要求：
（1）认识AUC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）ACU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。
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目录
第1部分多控制模块化可拆器人机构设计与制作
第2部分多控制模块化可拆器人技术及应用系统综合设计与实践
2.1、机器人电缆线及气路连接?
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2.2、S7-200PLC编程软件安装?
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2.3、PC600编程软件的安装?
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2.4、机器人的手动控制?
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2.5、机器人的PLC控制?
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7第3部分基于ACU机器人的自动焊接系统实训
3.1AUC焊接机器人简介?
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3.2AUC焊接机器人控制系统结构组成?
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3.3控制系统中硬件选择的设计思路?
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第1部分多控制模块化可拆器人机构设计与制作
在实训开始的，在老师的带领下我们首先开始了对多控模块机器人的认识。
模块化机器人有六个基本模块组成，按照机器人关节区分，可分为模块1至模块6，模块从1到6逐节组合。
每一模块单独可以控制运行，模块本身末端有旋转运动、回转运动两种形式，六个模块组合之后构成类似工业串联机器人形式。
每一模块采用透明式封装，可以直观的看到内部传动结构，运动情况。
模块内部传动结构完全体现工业机器人特点并微缩，而且结构多样化。
多空模块化机器人采用了工业上常用的同步带传动、蜗轮蜗杆穿传动以及齿轮传动等主要结构形式。
如图一所示：
图一
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第2部分多控制模块化可拆器人技术及应用系统综合设计与实践
2.1机器人电缆线及气路连接
在老师的带领下，我们首先开始了机械手臂的安装，即将其安装在工作台上进行固定，固定完成后便开始了机器人本体电缆线及气路的连接，机器人的本体线缆共有九条，分别从1至9，其具体连接线路如下图二所示：
图二
然后是控制柜电缆线连接以及运动控制卡电缆线的连接，运动控制卡电缆线的连接是将MAC-3002SSP4和MAC-3002SSP2运动控制卡安装到计算机内的PCI插槽上并固定好，控制柜内部有两条运动控制卡电缆，将他们分别连接到两块运动控制卡上并注意电缆线的连接不能松动。
最后是电源线以及气路连接，直接将电源线插在电源插排上，为抗干扰和防止触电，控制柜需要进行第三种接地，接地线型号为1.5mm?
以上。
至于气路连接直接将气泵-电磁阀-手抓依次相连接好即可。
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2.2S7-200PLC编程软件的安装
（1）PCL简介：
可编程控制器简称PC（英文全称：
ProgrammablCorollr），它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC（英文全称：
ProgrammablLogicCorollr）和可编程序控制器PC几个不同时期。
（2）S7-200PLC
S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。
S7-200PLC系列PLC是德国西门子公司生产的超小型化PLC。
它适用于各种场合中的自动检测、监测及控制等。
S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用。
在本控制系统中使用的PLC为CPU224XPC。
CPU224XPC集成14输入/10输出工24个数字量I/O点，2输入/1输出共3个模拟量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点，22K字节程序和数据存储空间，6个独立的高速计数器，2个100Kz的高速脉冲输出，2个RS485通讯/编程口。
该CPU还新增了多种功能，是具有模拟量I/O和强大控制能力的新型CPU。
如图三所示：
图三
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2.3S7-200PLC编程软件SP7-MicroI：
编程器有简易型和智能型。
简易型编程器是袖珍型的，简单实用，价格低廉，是一种很好的现场编程及监测工具，但显示功能较差，只能用指令方式输入，使用不够方便。
智能型编程器采用计算机进行编程操作，将专用的编程软件装入计算机内，可直接采用梯形图语言编程，实现在线监测，非常直观，且功能强大。
S7-200系列PLC的专用编程软件为SP7-Miro/I。
本系统的的控制程序是基于西门子公司提供的SP7-MicroIV4.0icl.SP6编写的。
该版本的编程软件将Modbus通讯指令库集于其中，无需另外安装，使用方便。
将该软件安装于idosxp操作系统的计算机，进行PLC程序的编写。
编写完成后，通过S7-200PLC专用编程电缆建立PC机与PLC的通讯，将程序下载到PLC，从而对系统进行控制。
将安装包考至计算机上面，双击SUP.X，开始按照步骤依次进行编程软件安装。
2.4手动控制机器人手臂
将手动控制区与本体控制区之间通过转接线相连接，一一对应相连接，按下表1所示连接。
表1：
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按照表1连接好转接线，如下图四，确认各电缆线和气路连接正确，启动气泵到预定压力，接通气路，进行控制机械手臂。
图四
利用机械手臂装夹零部件时，使机械手臂能从一固定位置，进行装夹起零件，移动到另一固定位置，如图五所示。
图五
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2.5CPU程序控制机器人手臂
多模块机器人的PLC控制的原理是通过一个简单的PLC控制程序对可拆装模块化多控机器人控制系统的手抓进行控制，使我们初步掌握PLC主从站联机工作的过程及对硬件系统的控制方法。
在此编写一段简单的控制程序为例，其条件为，上电无任何操作时，Q0.0输出，Q0.0指示灯亮；
输入点I0.0接通，Q0.1输出，Q0.1指示灯亮；
输入点I0.1接通，Q0.1输出，Q0.1指示灯灭；
输入点I0.2接通，Q0.3输出，Q0.3指示灯亮；
输入点I0.2断开，Q0.3停止输出，Q0.3指示灯灭；
打开SP7-Micro/I软件新建好项目后开始梯形图的输入，其最终程序的录入如图六所示。
图六
录入程序完毕，建立PC与PLC的通信，即可通过PLC编程电缆将程序下载至PLC；下载完成后，将PLC硬件模式切换回“RU”模式，然后程序便开始运行，注意设备的变化。
注意实验完成后，将资料光盘中的“可拆装模块化多控机器人.ap”，将其下载至S7-200PLC中，恢复PLC里原有的程序，否则系统可能不能正常运行。
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第3部分基于ACU机器人的自动焊接系统实训
3.1AUC焊接机器人简介
3.1.1焊接机器人简介
焊接机器人是从事焊接的工业机器人[1]。
根据国际标准化组织（ISO）工业机器人术语标准的定义，工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机（Maipulaor），具有三个或更多可编程的轴，用于工业自动化领域焊接机器人主要包括机器人和焊接设备两部分。
如图1所示，机器人由机械部分、传感部分、控制部分三大部分组成。
这三大部分可分成驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人一环境交互系统、人机交互系统、控制系统六个子系统[2]。
图1焊接机器人的基本组成
驱动系统的作用是给各个关节即每个运动自由度安置传动装置，使机器人能够运行起来。
感受系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成,获取内部和外部环境状态中有意义的信息。
智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化的水准．人类的感受系统对感知外部世界信息是极其灵巧的，然而，对于一些特殊的信息，传感器比人类的感受系统更有效。
机器人一环境交互系统是实现机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。
机器人与外部设备集成8
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为一个功能单元，如加工制造单元、焊接单元、装配单元等。
人一机交互系统是人与机器人进行联系和参与机器人控制的装置：
指令给定装置和信息显示装置。
控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号，支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能。
如果机器人不具备信息反馈特征，则为开环控制系统；具备信息反馈特征，则为闭环控制系统。
根据控制原理可分为程序控制系统，适应性控制系统和人工智能控制系统。
根据控制运动的形式可分为点位控制和连续轨迹控制。
由控制系统的功能可以看出，该系统是整个焊接机器人中最重要和核心的部分，本文仅介绍焊接机器人控制系统的结构及其设计思路。
而焊接装备，以弧焊及点焊为例，则由悍接电源、送丝机（弧焊）、焊枪（钳）等部分组成。
焊接机器人的应用不但可以改善劳动环境、减轻劳动强度、提高生产效率，稳定和保证焊接质量、节约原材料，而且能在空间站建设、核能设备维修、深水焊接等极限条件下完成人工难以进行的焊接作业。
同时，焊接机器人的应用也使多品种、小批量的自动化焊接生产成为可能。
3.1.2AUC焊接机器人简介
AUC，是全球最多样化的A（工厂自动化）、机器人和智能机械的制造商。
自19xx年成立以来，公司始终是全球计算机数控设备发展的先驱，在自动化领域贡献突出。
上世纪70年代，AUC成为世界上最大的专业数控系统生产厂家，占据了全球70%的市场份额。
20xx年AUC成为世界上最大的机器人生产厂商，在全球第一个突破20万台机器人。
目前已突破25万台，市场份额稳居第一
[3]。
本文中介绍的焊接机器人选用的正是该品牌，如图2。
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图2AUC焊接机器人实物图
AUC焊接机器人主要应用在奇瑞公司乘用车一厂和乘用车三厂的焊装车间中，是奇瑞公司最早引进的焊接机器人，也是最先用到具有附加轴的焊接机器人。
其控制系统采用32位CPU控制，以提高机器人运动插补运算和坐标变换的运算速度；采用64位数字伺服驱动单元，同步控制6轴运动，运动精度大大提高，最多可控制21轴，进一步改善了机器人动态特性；支持离线编程技术，技术人员可通过离线编程软件设置参数，优化机器人运动程序；控制器内部结构相对集成化，这种集成方式具有结构简单、整机价格便宜且易维护保养等特点。
3.2AUC焊接机器人控制系统结构组成
如图3所示。
本论文所选用的结构中开发平台基于标准PC、硬件基于标准总线（如ISA、PCI、PC/104等），网络连接使用以太网。
该结构主要由示教盒、PC、运动控制}、伺服放大器等构成[4]。
相互间接口简要分析如下：
（1）示教盒连接至PC，提供用户机器人操作的手持终端，示教盒主要完成键值采集和液晶屏显示控制功能。
示教盒采集键值后发送至PC机．PC机根据键值做相应处理；示教盒液晶屏显示控制功能则根据主机返同信息控制液晶屏做相应的信息显示。
（2）PC与运动控制卡之间通过总线或者双端RAM通讯。
运动控制悟进行闭环控制（位置、转速），完成高实时性、高时钟精度的伺服计算功能，PC机则完成人机接口功能以及其他一些低实时性要求的计算任务，如：
示教盒通讯、以太网通讯、轨迹规划、轨迹插补等。
PC和运动控制卡间以给定位置序列作为接13：
PC发送给定位置序列至运动控制卡，运动控制卡完成匹配给定位置序列的闭环伺服控制。
（3）伺服放大器根据运动控制卡给定的控制量对电机进行相应伺服控制，如转速控制、力矩控制。
（4）PC机与以太网连接以实现机器人网络控制。
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图3控制系统结构示意图
3.3控制系统中硬件选择的设计思路
3.3.1控制系统上位控制计算机的选择
从第一台数控铣床出现后，随着电子技术、计算机技术以及伺服控制技术的发展，现代的数控系统在性能、功能、稳定性和处理速度方面都有很大的改善。
但现代制造业对加工精度、速度和适应市场能力的提高。
也导致了控制系统的软件功能复杂性以及硬件的更新能力提出了更高的要求。
在这种情况下，20世纪90年代以来．出现了基于PC的新一代开放式数控。
由于PC（通用微机）发展很快，其性能不断增强，从8位、16位继而义推出了32位，加上PC生产批量大，价格低廉，从而使基于PC的新一代控制系统成为控制系统的主流和发展方向。
总体来看，采用PC作为机器人控制系统核心，其优越性主要表现在以下儿个方面：
（1）成本低。
PC硬件技术成熟、可靠性高、生产批量大、价格便宜。
（2）具有开放性。
PC总线是一种开放性总线，这使得系统体系结构具有开放性、模块化、可嵌入的特点。
开发人员和用户不但可以根据需要选择台适的软硬件模块，以最低的成本组成性能最佳系统，同时也可以采用晟新的计算机软硬件技术替代落后的PC，从而可以同步的提升机器人控制系统的性能。
（3）完备的软件开发环境和丰富的软件资源。
可以极大地减少数控系统开发费用，
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可以迅速高效地开发出功能强大的机器人控制软件，大大地降低软件开发费用和缩短开发周期。
（4）有利于加强机器人控制系统的性能口以往由于计算速度的限制，许多数控功能由硬件来实现，现在这些功能己经能用软件来实现，这一方面可以增强系统升级能力，另一方面有些不能实现的功能可以用软件方法来实现了。
（5）可以大大提高CC系统的可扩展性、可维护性和易用性。
（6）良好的通讯功能。
成熟的PC通讯技术很容易实现机器人系统与其它计算机系统或自动化设备通讯。
基于以上分析以及稳定性的考虑．本课题选择了工业控制计算机作为控制系统的上位机。
具体采用的型号为如图2—4所示的华北科技5846L型PCI04总线工控机，其配置为：
主板：
华北科技5846L3．5寸主板
CPU：
VIAC800M低功耗处理器
内存：
笔记本内存144脚2561SDRAM，最高支持512MSDRAM
ID：
支持双ID设备，DMAl00
总线：
16位PC/04接口
串口：
RS232三个，Rs23/422/485一个
网卡：
一个接口，100/1M自适应，802.3
数字I/0：
8个I，8个O
硬盘：
80G
其他：
看门狗，集成显卡、声卡，PS2鼠标、键盘，液晶显示器、C扩展等。
3.3.2运动控制卡的选择
目前基于DSP的运动控制卡有很多，如DlaauDaaSysms公司的PMAC系列运动控制卡149—541：
德国MOVC公司的DC4运动控制卡：
深圳摩信公司的MC8000系列运动控制卡1551：
步进电机有限公司的MPCOI系列运动控制卡：
GalilMoioCorol公司研制的基于USB总线的运动控制器DMC-2000等很多不同科研单位和生产商开发的各种性能不同的运动控制卡。
但DlaauDaaSysms公司的PMAC系列运动控制卡最具有代表性，因此．本课题中选择了PMAC2A-PC/104进行焊接机器人的运动控制。
下面将详述选择的理由。
PMAC2A—PC/104（ProgrammablMuli—AxsCorollr）是美国Dla公司推出的遵循开放式系统结构标准的开放式可编程多轴运动控制器，是集运动轴控12
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制、PLC控制以及数据采集的多功能的运动控制产品，如图2-5所示，它采用MooloraDSP56311数字信号处理器作为CPU，利用DSP的强大运算功能实现1-8轴的实时。
在许多应用中，PMAC就是一台计算机，能够同时执行多个人物并能正确地进行优先级的排序，使它能够在处理时间和任务切换的复杂性这两个方面减轻主机的负担。
PMAC能应对多种硬件操作平台，能和主机以各种总线或串口方式通讯，适用于所有电机，对不同电价可以提供相信的控制信号。
它在硬件结构的开放性主要表现在：
（1）PMAC适应多种硬件操作平台，可以在I删及其兼容机上运行，在
I95/98/2000及Liux下开发；允许同一控制软件在PC、SI）、VM、PCI、104总线上运行。
（2）可以适用于各种电机。
包括普通的交流电动机，直流电动机，交、直流伺服电动机，直线电机，步进电机及液压马达等：
能廉沽模拟和数组的伺服驱动器。
（3）可以与不同的检测元件连接，如测速发电机、光栅、旋转变压激光干涉仪、光电编码器等。
（4）PMAC的大部分地址向用户开放，包括电机、坐标系的所有信息及各种保护信息等。
64个一步PLC程序。
（3）机床语言的开放。
PMAC用户支持调用县城的直线、圆弧、样条、PV三次曲线等插补模式，同时支持标准的RS274代码，用户还可以自定义G、M、、
D、5代码，实现特定功能。
目前，采用PMAC的开放式数控系统是很先进的技术，但是该系统的核心部分运动控制和伺服控制然要依赖于PMAC．还未能达到整个产品的硬件通用化。
综合设计成本，开发时间，难度及功能性方面的考虑最终决定采用PMAC2A—PCI04运动控制卡套件。
此套件为一三卡叠加系统，分别为：
基卡，轴扩展卡（ACC-1P），通讯卡（ACC-2P）。
另外，在PMAC附件中选购了24伏I/O卡一块。
其具体器件如下：
（1）基卡一块
（2）每一块PMAC卡能控制8根轴，晟多可以有16块PMAC卡完全同步的级联到一起控制128根轴。
软件结构的开放性表现在：
（1）支持各种高级语言。
PMAC提供16位、32位的Dll及AcivX控件pALK，用户可以采用C++，VB．VC．Dlpi进行软件开发。
（2）PLC功能的开放。
内置式软件化PLC，可将I/O扩展到1024/124点，可编制13
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80MZDSP5631lCPU
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128k*24SRAM用户内存
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512*8闪存
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8位并行PC/104主机接口
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4通道轴接口电路
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RS-232通讯口
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扩展伺服算法（零极点形式）
（2）轴扩展卡（ACC一1P）一块
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4通道轴接口电路，每一通道包括：
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12位+/-l0V模拟量输出
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3相编码信号输入
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脉冲、方向匹配输出
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5个输入标志，2个输出标志
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J多路复用接口
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JOP8输入/8输出I/0
（3）通讯卡（ACC-2P）一块
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8K×16双端RAM
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10M以太网口
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J多路复用接口
（4）24伏I/0卡（ACC一34AA）一块
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24伏32输入/32输出I/O
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J接口
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光电隔离
3.3.3机器人伺服驱动器系统的选择
从工业机器人驱动技术的发展历史以及不同的应用场合来看，驱动源主要有电气式和油压式两类。
油压系统需要油箱、油管泵站等供油系统，体积大。
此外还有噪声、漏油等问题。
电气式伺服驱动容易获得能量，干净无污染、容易调控相变换，具有特别好的控制灵活性。
随着微电子技术、电力电子技术和特种电动机材料技术的进步．使电气式伺服驱动方式得到了越来越广泛助应用。
在电气伺服驱动方式中，常用的有步进电动机驱动、直流伺服电动机驱动和交流伺服电动机驱动以及直接驱动电机驱动。
直流伺服电动机存在着机械换向机构，需要14
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较多的维护。
直接驱动电机是最新发展的机器人驱动电机，这种电机有大于1万的调速比，在低速下仍能输出稳定的功率和高的动态品质，在机械手上可以直接驱动关节，取消了减速机构，不但简化了机构、提高了效率．更重要的是可以消除由减速机构带来的传动误差，是机器人发展的新方向。
但目前还没有得到广泛的应用。
而交流伺服电机采用了全封闭无刷结构。
适应实际生产环境．不需定期检奄和维修。
并且电动机本身结构简单，坚固耐用．体积小，重茸轻。
所以交流伺服电机在工业机器人的控制中占据了主导地位。
基于以上分析，本课题选用了松下MIASA4系列高性能伺服电机，其驱动器可满足从50到50k的各种容量要求。
此系列电机采用高性能CPU，高达1KZ的速度响应频率，实现运转电机的高速化并大幅缩短了生产（间隔）时间。
此系列电机标准对应全闭环控制并具备自动调谐功能。
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