除冰機器人的設計 摘 要 如今對輸電線路實施除冰是防止冰災的有效途徑，如何具體的除冰方法則應用了除冰機器人，除冰機器人造價低，工作效率高，安全可靠，能夠實現在線除冰作業，不影響電力的輸送，是一項很有發展前景的課題。目前機器人在高壓輸電線路上的應用主要是線路巡檢。而對線路除冰的應用還鮮有研究。本文對除冰機器人本體設計、越障規劃。主要研究內容如下。首先，在分析了輸電線路結構和除冰作業要求的基礎上，指出現有巡線機器人結構運用到除冰作業中的缺陷，設計了一種除冰機器人本體機構，并對其越障的動作進行了規劃。所選的減速 器和電機仍能滿足要求，從而證明了除冰機器人的合理性， 為了保證電力系統的可靠性，提高高壓輸電線除冰的效率，減少損失，維護工人的安全，開發一種可以替代或部分替代工人進行除冰作業的新型設備一直是國內外相關研究的熱點。因此，研制安全有效的除冰機械以代替人進行導線除冰具有較好的應用前景和實用意義。 關鍵詞： 除冰機器人 ； 機構設計 ； 電動機；越障規劃 Abstract Now on the transmission line icing is to prevent the implementation of ice disaster in an effective way, how specific deicing method is applied the deicing robot, deicing robot has the advantages of low cost, high work efficiency, safety and reliability, can realize online deicing operation, does not affect the transmission of electricity, is a promising subject. The current robot on HV power transmission lines is mainly applied to transmission line inspection. On line deicing application is little research. The deicing robot design, planning, negotiation dynamics analysis are studied. The main research contents are as follows. Firstly, on the analysis of the transmission line structure and deicing operation on the basis of the requirements of inspection robot for power transmission lines, design a kind of deicing robot body mechanism, and the obstacle of action planning. improve the high voltage transmission line deicing efficiency, reduce the loss, maintain the safety of workers, the development of a replacement or partial replacement workers were deicing operation of new equipment has been in the domestic and foreign related research. Therefore, the development of safe and effective deicing machine to replace the human to lead deicing and has better application prospect and practical significance Key words： Deicing robot； mechanism design； Motor； rigid-flexible coupling dynamics 目 錄 摘 要 . 1 1 引言 . 1 1.1 問題的提出及研究意義 . 1 1.2 國內外研究現狀 . 1 1.3 工業機器人的發展史 . 2 1.4 導線覆冰的原因 . 3 2 高壓輸電線路的覆冰 . 4 2.1 不規則覆冰和不同期脫冰 . 4 2.2 除冰的方式方法 . 4 2.3 輸電線路的抗冰 . 5 3 除冰機器人機構 . 7 3.1 除冰機器人種類 . 7 3.1.1 線纜除冰機器人 . 7 3.1.2 可跨躍障礙多分裂機器人 . 8 3.1.3 電力設施的微波除冰裝置 . 9 3.2 前端多環銑刀 . 9 3.2.1 成型銑刀的結構參數 . 10 3.2.2 成型銑刀截面的計算 . 13 3.3 機械升降平臺 . 14 3.3.1 升降平臺的機械結構形式 . 14 3.3.2 升降平臺零件設計 . 15 3.4 電機的選擇 . 17 3.4.1 升降步進電機 . 17 3.4.2 回轉驅動電機 . 19 4 控制系統的設計 . 21 4.1 機器人的控制系統 . 21 4.2 基于運動卡的控制系統的建立 . 22 4.2.1 總體方案的確定 . 22 4.2.2 機器人控制工作原理 . 23 4.3 軟件編程語言的特點 . 24 4.4 指令系統 . 24 4.5 運動控制程序運行過程的簡介 . 25 參考文獻 . 26 致 謝 . 27 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業 設計 1 1 引言 1.1 問題的提出及研究意義 現如今西南的很多地方出現了連續的低溫雨雪冰凍天氣，并且遭受了很嚴重的冰雪災害。國家減災委員會專家已定性為：“西南地 區發生的冰雪災害，是世界上比較大面積、極端性氣候事件，影響的地區人口之多是世界罕見的”。冰災造成中心的城區正值春節期間停電、停水 很多天 ，交通、通訊、電視均出現不同程度的中斷，然而有些城市則成為我國南方冰雪災害最嚴重的地區。特別是電力系統遭受毀滅性重創，冰災引起了倒塔 ,現場調查了湖南冰災期間大于 220kV 輸電線路的受損情況，發現倒塔線路覆冰厚度相對集中，同時微地形和微氣象造成覆冰加重和覆冰的不均勻性，檔距、塔形等對線路倒塔也存在影響。分析倒桿斷線的形式認為覆冰太厚超過設計值、垂直荷載壓垮和不平衡張力拉垮是造成 線路倒塔。專家解說，高壓線高高的鋼塔在下雪天時，可以承受 2-3 倍的重量。但如果下雨凇，可能會承受 10-20 倍的電線重量。電線結冰，遇冷收縮，風吹引起震蕩，就使電線不勝重荷而斷裂。 隨著我國經濟的高速發展，超高壓大容量輸電線很多，線路的穿越情況更加復雜，如經過大面積的水庫、湖泊和崇山峻嶺，給線路維護帶來很多困難。而且在嚴冬及初春季節，我國云貴高原一帶及兩湖地區常出現霧凇和雨凇現象，造成架空輸電線路覆冰，使線路舞動、閃絡、燒傷，甚至斷線倒桿，使電網結構遭到破壞，安全運行受到嚴重威脅。在緊急情況下，尋道員用帶電操 作桿或其它類似的絕緣棒只能為很少的一部分覆冰線路除冰，人工除冰有很高的危險性 。所以一種新型的而且方便安全的除冰方式的研究是迫在眉睫的。本次的設計題目就是關于高壓電線的除冰機構的設計，最后能有效的消除冰雪天氣對輸電線的嚴重威脅，從而達到理想的效果。 1.2 國內外研究現狀 在國外，一些國家的地理與氣候情況與我國相似，甚至一些國家的情況更加惡劣，為了保證電力系統的可靠性，這些國家為了提高高壓輸電線除冰的效率，減少不必要的損失，維護工人的安全，開發了一種可以替代或部分替代工人進行除冰作業的新型設備。這種新型的設備 的研究一直是國內外相關領域的熱點。因此，研制安全有效的除冰機械以代替人為操作進行除冰具有較好的實用意義。 而現如今全球氣候正經歷以變暖為主要特征的變化，氣候變暖導致“厄爾尼諾”和“拉尼娜”等極端天氣氣候事件的頻率與強度明顯增加，因為輸電線路所處地質條件復雜，容易遭受冰災等極端天氣的影響，所以國內外對已多次發生的輸電線路冰災事故進行了相關的研究。在國內襲擊湖南的持續低溫、雨雪、冰凍天氣過程來臨之前，湖南溫度偏高、空氣干燥。并且湖南東、南、西部三面環山，向中部、北部過渡為丘陵和平地，冷空氣襲擊湖南后，湖南降溫迅 速，加上湖南北低南高的地勢使逆溫層得以加強，地勢陡增處南下冷空氣因推進受阻而徘徊駐留，隨著暖濕氣流不斷補充，易形成長時間降雨、冰凍，形成持中國地質大學長城學院 2012 屆畢業 設計 2 續的雨凇。由于降溫迅速，湘西高海拔山區和緯度較高的湘北地區地表氣溫低，但降水主要集中在湘南、湘中、湘東，且停留時間較長，導致湘南、湘中、湘東冰凍災害強于湘北和湘西高海拔山區。湖南電網冰凍災害是在大尺度天氣形勢控制下形成的，拉尼娜現象起到推波助浪的作用，冰凍災害受損范圍與程度具有較強的微地形影響特征。 1.3 工業機器人的發展史 工業機器人的發展通?？梢巹澐譃槿?第一代工 業機器人：通常是指目前國際上商品化與使用化的“可編程的工業機器人”，又稱“示教再現工業機器人”，即為了讓工業機器人完成某項作業，首先由操作者將完成該作業所需要的各種知識（如運動軌跡、作業條件、作業順序和作業時間等），通過直接或間接手段，對工業機器人進行“示教”，工業機器人將這些知識記憶下來后，即可根據“再現”指令，在一定精度范圍內，忠實的重復再現各種被示教的動作。 1962 年美國萬能自動化公司的第一臺 Unimate 工業機器人在美國通用汽車公司投入使用，標志著第一代工業機器人的誕生。 第二代工業機器人：通常是指 具有某種智能（如觸覺、力覺、視覺等）功能的“智能機器人”。即有傳感器得到觸覺、力覺和視覺等信息計算機處理后，控制機器人的操作機完成相應的適當操作。 1982 年美國通用汽車在裝配線上為工業機器人裝備了視覺系統，從而宣布了新一代智能工業機器人的問世。 第三代工業機器人：即所謂的“只治式工業機器人”。它不僅具有感知功能，而且還有一定的決策及規劃能力。第一代工業機器人目前仍處在實驗室研究階段。工業機器人經歷了誕生 -成長 -成熟期后，已成為制造業中不可缺少的核心裝備，世界上有約 75 萬臺工業機器人正與工人朋友并肩戰 斗在個條生產線上，特種機器人作為機器人家族的后起之秀，由于其用途廣泛而大有后來居上之勢，仿人機器人、農業機器人、服務機器人、水下機器人、醫療機器人、軍用機器人、娛樂機器人等各種用途發特種機器人紛紛面世，而且正以飛快的速度向實用化邁進。 但總的來看，我國的工業機器人技術及其工程應用水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產品；機器人應工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統技術與國外比有差距；在應用規模上，我國已安裝的國產工業機器人約 200 臺，約占全球已安裝臺數的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產業， 當前我國的機器人生產都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質量、可靠性不穩定。因此迫切需要解決產業化前期的關鍵技術，對產品進行全面規劃，搞好系列化、通用化、?；O計，積極推進產業化進程。 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業 設計 3 1.4 導線覆冰的原因 影響導線覆冰因素很多，主要包括：氣象條件、地理及地形條件、海拔高度、導線懸掛高度、導線直徑、水滴直徑、電場強度等。 按不同的分類方法，導線覆冰類型可分為： （ 1）按冰的表現特性分為：雨凇、霧凇、混合凇、積雪和白霜等；雨凇是 過冷卻的降水碰到溫度等于或低于 0的物體表面時所形成玻璃狀的透明或無光澤的表面粗糙的冰覆蓋層，其密度較大。霧凇則分為兩種：一種是粒狀霧凇，即過冷卻霧滴碰到冷的物體后迅速結成粒狀小冰塊，其結構較為緊密；另一種是晶狀霧凇，結構較松散，稍有震動就有脫落?；旌馅∈沁^冷卻水滴在導線的迎風面形成的雨凇和霧凇混合凍結的不透明或半透明覆冰，黏附力較強。積雪為黏附在導線上的自然降雪，也有干、濕之分。干雪和濕雪的密度較小，粘附力較弱。白霜是由于空氣中潮濕的原因所凝結而成的，這對于導線的威脅不是很大，但會增加輸電線路的負載。凍雨 覆冰形成的雨凇因密度大、附著力強，對架空輸電線路的危害最大，南方的電力冰災則主要由該原因造成的。 （ 2）按冰的形成機理分為：降水覆冰、云中覆冰和升華覆冰。 （ 3）按冰在導線上的橫截面形狀分為：圓形或橢圓形覆冰、翼型覆冰和新月形等，如圖 1所示。按冰在導線表面的增長過程可分為：干增長、濕增長。這種分類利于分析導線覆冰的形成機理及形成過程中的熱平衡及熱傳遞。霧淞和干雪是干增長覆冰過程，雨淞和濕雪是濕增長覆冰過程，而混合淞是介于二者間的一種覆冰過程。 圖 1-1 導線覆冰截面圖 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業 設計 4 2 高壓輸電線路的覆冰 2.1 不規則覆冰和不同期脫冰 在高壓電線路覆冰時，導線因為承受過重的荷載，導致導線和覆冰重量產生的拉力將通過導線、金具、絕緣子傳遞給桿塔，桿塔再傳遞給拉線，只要其中一個環節承受不住拉力，就將出現倒桿和斷線事故。相鄰檔線路不均勻覆冰或不同期脫冰都會產生張力差，使導線在線夾內滑動，嚴重時將使導線外層鋁線夾出口處全部斷裂，造成線路的另一側發生頸縮，擁擠在線夾附近。不均勻覆冰的張力差是靜荷載，而不同期脫冰為動荷載，二者有所不同。其次，直線桿塔承受鄰檔的張力差，會使絕緣子串產生較大偏移，碰撞橫擔而造成損傷。再次，當張力差 達到一定程度后，導線將碰撞拉線，從而電氣的間隙將減小而燒斷拉線，桿塔因失去拉線支持后倒塌。 還有一種特別的形式極為冰閃，他是污閃的一種特殊形式。在絕緣線路嚴重覆冰時，大量傘形冰連接，導致泄漏的距離縮短，絕緣強度降低。在融冰過程中，冰體表面水膜因溶解污穢中的電解質而形成導電水膜，使得絕緣子串的電壓分布發生畸變，在融冰時期常伴有大霧，使大氣中的污穢微粒進一步增加融化冰水導電率，形成冰閃。冰閃的持續電弧將燒傷絕緣子，絕緣強度降低。最后由于覆冰形狀的不對稱，改變了導線的空氣動力學特性。當風速達到一定的數值時，導線具 有較好的空氣動力性能，在風的激勵下產生低頻高幅振蕩。輕者發生閃絡、跳閘，重者發生金具及絕緣子損壞，導線斷股、斷線，桿塔傾斜、倒塌等電氣事故。 2.2 除冰的方式方法 使用機械外力手工或自動強制使覆冰脫落的除冰方法，稱為機械除冰方法。研制機械除冰方法的歷史遠早于其他類型的除冰、防冰方法。機械法是針對輸電線路的，滑輪輾壓鏟刮法和強力振動法，在當時滑輪輾壓鏟刮法并達到了當時所需求的實用水平。 有一種人工的除冰方式是它需要線路操作者在現場執行。并且處理方法千變萬化，包括敲打、撞擊等。當線路停電，可以觸及到冰時，可采用 手工除冰，從地面向導線、避雷線拋擲短木棍將覆冰打掉，或用木棒、竹竿敲打。在線路帶電時，應用與線路電壓等級相符的絕緣棒敲打。此外，也可用木制套圈套在導線上，用繩子順著導線拉，以消除覆冰，這種方法只是權宜之計，既不安全，又不十分有效，因此，很少有人推薦使用，如果要用，就得為這種方法制定標準的操作規則。 為了能進一步的達到有高效而且安全的除冰方式，則由加拿大水電局研制的滑輪鏟刮技術。這種技術是一種由地面操作人員拉動滑輪在線路上行走而鏟除導線覆冰的技術，運用這種技術的除冰方法叫滑輪輾壓鏟刮法，滑輪輾壓鏟刮法已經在加 拿大的使用了 50 多年，是目前唯一可行的輸電線路除冰的機械方法。它由滑輪、牽引繩及涂漆的膠合板或環氧樹脂板等器件構成，加在滑輪上的力要足夠讓導線產生彎曲，這樣，產生的應力才能使冰破裂脫落。如果在板的兩邊固定一把鋸齒刀，則除冰效果更好，但拉扯時注意不要損傷導線、避雷線和絕緣子?；嗙P刮法的最大優點是效果很快，且不需要特別的設備和專家，中國地質大學長城學院 2012 屆畢業 設計 5 簡便易操作，耗能小，價格低廉，較為實用。但它也有缺點，那就是費時，安全性能不完善，且受地形限制。據統計，要對一公里長導線進行滾壓除冰約需 2小時的時間。 在以后由于科技的發展和進步。 加拿大的魁北克水電局則發明了一種電纜除冰裝置。該裝置包括一對導線，導線連接到電纜上，并沿電纜呈螺旋形纏繞，導線的一端連接到一個能在導線內產生電磁脈沖的脈沖發生裝置上，另一端連接在一起構成封閉電路，依靠導線中電磁脈沖的通路，在導線之間產生推斥力，該推斥力振動導線，使導線上的覆冰振碎脫落，由于要求外加振動源及振動會促使線纜疲勞，因而難以在工程實際中應用。 在隨著電磁技術的發展，又研制出了基于機械振動與撞擊原理的電磁力技術和電脈沖技術是為飛行器除冰。但是，由于電磁力或電脈沖可以使導線產生強烈而又在控制范圍內的振動 ，所以二者也是架空線路易接受的除冰方法之一。最后這種電磁脈沖技術效率高而且方便，這種方法將是輸電線路除冰最易接受的方法。美國堪薩斯州的州立大學也提出了電脈沖法除冰，即利用電容器組向線圈放電，由線圈產生強磁場，在置于線圈附近的導電板 (即目標物 )上產生一個幅值高、持續時間短的機械力，使冰破裂而脫落，但在線路融冰研究方面因技術不成熟和費用過高沒有達到預期的目的。 最后，另一種采用由電場或磁場力控制的柔韌性涂料機械方法仍處于設想階段。然而，這些方法可作為驗證其典型除冰方法的實驗和研制的基礎。但是并沒有運用到實際的除 冰操作中，所以要尋找一種實用并且普及的除冰方式至關重要。 2.3 輸電線路的抗冰 氣象要素是確定在一定區域內能否形成導線覆冰、形成什么種類的覆冰和形成多大的導線覆冰的基本條件 , 要有效地預防輸電線路覆冰 , 應該搜集分析本地區歷年冰雪情資料 , 積極開展冰雪情觀測與預測工作。輸電線路覆冰是一種地域性很強的自然現象 , 氣候起決定性的作用 , 而且同一地區不同的微地形、微氣候差別也很大 , 使得輸電線路走廊的覆冰因素千差萬別。只有得到長期的詳細的氣象資料才能準確地把握輸電線走廊的覆冰情況。 新建線路的抗冰設計對于新建的輸 電線路 , 要根據已掌握的氣象資料 , 合理劃分冰區 , 選取不同的設計冰厚進行線路設計 , 力求做到確保線路安全運行而又不過分增加線路的造價。輸電線路經過的各種地勢、微氣候及微地形的差別較大 , 沿線冰雪情不會一致 , 故不能只采取一個冰厚設計值。為了確保重冰段的安全 ,應在搜集到的氣象資料的基礎上 , 結合線路所經過地區及周圍地形、地物情況、相對高差、路徑走向及覆冰時的風速、風向、濕度等進行綜合分析 , 合理劃分冰區和確定相應的冰厚設計值。新建線路在路徑選擇上 , 應力求避開嚴重覆冰段 , 并做到線路應沿起伏不大的地形走線； 線路應避免橫跨埡口、風道和通過湖泊、水庫等易于覆冰的地帶；線路翻越山嶺時不應采取大檔距、大高差； 線路沿山嶺通過時宜沿覆冰時的背風坡走線。當線路無法避開重冰區時，應采取抗冰設計。 已運行線路的抗冰害措施對于已運行的線路 , 為加強其對覆冰災害的抵御能力，應視具體情況區別對待。海拔較高的輸電線路 , 翻越分水嶺及橫跨峽谷、風道、埡口等處的路線應進行改造 ； 重冰區的輸電線路應重新以抗冰要求進行徹底改造 , 方法參照新建線路中國地質大學長城學院 2012 屆畢業 設計 6 的抗冰設計 ； 對沒有明顯微氣候、微地形影響的大面積覆冰地區 , 不宜立即進行線路改造 , 可以考慮采 用融冰措施來防治冰雪害。覆冰絕緣子防冰閃目前 , 國內輸電線路覆冰防護工作主要集中于防斷線、倒桿及防碰線短路等方面 , 而絕緣子覆冰后的閃絡問題也應該引起人們足夠的重視 , 因為已有多起絕緣子冰閃事故發生。純冰的絕緣電阻很高 , 很難造成閃絡 , 冰中混含導電雜質后 , 覆冰絕緣子的閃絡電壓才會降低 , 含水量較多的雪也容易造成絕緣子的閃絡。要防止絕緣子的冰閃 , 最簡單的辦法就是增大爬電距離。另外 , 可以從改善絕緣子傘裙的結構入手 , 大小傘與等徑傘在相同條件下 , 前者更有利于防治冰閃 , 適當調整絕緣子的外形結構 , 使其在 大雪天不易積雪 , 積雪后不易發生閃絡。絕緣子水平懸掛、 V 型串、斜向懸掛等均是阻斷融冰水形成水簾的有效方法 , 運行實踐表明 ,阻水簾是提高冰閃電壓的基本措施。 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業 設計 7 3 除冰機器人機構 3.1 除冰機器人種類 3.1.1 線纜除冰機器人 圖 3-1 除冰盾 該除冰機器人，由機架、除冰盾、電源、夾持機構和行走機構構成，除冰盾的結構包括振動驅動裝置和在向前進方向的前端設有向盾牌，盾牌固定前伸出的若干根尖錐，振動驅動裝置時機架上安裝振動偏心電機，安裝的振動偏心電機帶動除冰盾 前后運動；夾持機構包括起碼兩對夾持導輪和夾持的開啟閉合裝置構成，開啟閉合裝置時合頁結構，沒對導輪分別安裝在一側合頁上，圍繞著合頁軸開啟閉合，采用夾持導輪，行走機構采用行走電機和線纜驅動輪構成，電源采用蓄電池。 它包括主機，所述主機上連接柔性推動臂、懸掛導向臂，在柔性推動臂的前端連接一顆開合點擊動力組，懸掛導向臂的前端連接一開合除冰工作頭，所述可開合除冰工作頭的前端可弧線擺動的連接只少兩個正向除冰轉到組。如圖所示。 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業 設計 8 3.1.2 可跨躍障礙多分裂機器人 圖 3-2 爬行裝置 該機器人包括：導線爬行裝置，用 于所述高壓輸電線路爬行；旋轉除冰裝置，安裝于所述導線爬行裝置，用于采用旋轉敲擊力去除導線上的覆冰；動力裝置，用于爬行裝置和除冰裝置，提供驅動力；控制裝置，用于對所述導線的爬行以及對所述旋轉除冰裝置的旋轉進行控制。該機器人不僅適用于單導線除冰更適用于多分裂導線的除冰，該機器人通過傳感器感測障障礙物并實施有效避讓措施，尤其適合在諸多障礙的多分裂導線上作長距離自主爬行。 由燃料發動機驅動的機器人，所述的除冰裝置還包括：旋轉除冰裝置，安裝于所述導線行走機器人，用于利用旋轉敲擊力去除導線上的覆冰；動力裝置與所述旋轉除 冰裝置相耦合，用于驅動所述旋轉除冰裝置選裝；控制裝置，用于控制所述導線行走機器人的移動以及所述動力裝置的運轉。本發明的高壓線路導線除冰裝置在導線行走機器人上安裝旋轉敲擊棒、震動沖擊錐以及刮冰鏟，由這三個除冰裝置同時工作，通過橫向敲擊、軸向沖擊、軸向擠壓有效的將導線上的覆冰去除。 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業 設計 9 3.1.3 電力設施的微波除冰裝置 圖 3-3 微波除冰裝置 該機器人由移動裝置、微波輻射融冰器和微波電極切冰刀組成。該裝置的除冰方法采用微波輻射融冰和微波電極切冰兩種模式，通過兩種模式的有機結合和相互配合，應對不同的覆冰狀態，對電 力設施覆冰絕緣子進行除冰。 3.2 前端多環銑刀 所謂多環銑刀顧名思義，是由不同型號的鏟齒成形銑刀套在除冰系統里的工作輪系當中，就形成了多環銑刀。這種銑刀是用于銑削工件成形表面的專用刀具。它的刃形是根據工件廓形設計計算的，它具有較高的抗磨性，并能保證工件形狀和尺寸的互換性，因此得到廣泛使用。成形銑刀按齒背形狀可分為鏟齒與尖齒兩種。 尖齒成形銑刀： 尖齒成形銑刀齒數多，具有合理的后角，因而切削輕快、平穩，加工表面質量好，銑刀壽命高。但尖齒成形銑刀需要專用靠模或在數控工具磨床上來重磨后面、刃磨工藝復雜。因此，刃形 簡單的成形銑刀一般做成尖齒形。 鏟齒成形銑刀： 齒背由徑向鏟削形成，使其具有成形刃后角。該刀具沿前刀面重磨后能保證刃形不變，故在生產中一般采用鏟齒結構，只有在大批量生產中才采用尖齒結構。在這里對于除冰機器人的重要的零部件，所采用的則是鏟齒銑刀，達到能高速的鏟除電線上的冰雪。 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業 設計 10 3.2.1 成型銑刀的結構參數 圖 3-4 成型銑刀結構 如圖 3-4所示，成形銑刀齒形高度可取為 h h（ 12） mm，式中 h 工件的廓形高度。 銑刀寬度一般比工件廓形最大寬度大 1 5mm ，并應采用標準系列尺寸。 用銑刀切 削時，要求其刀桿直徑足夠大，以保證在銑削力作用下有足夠的強度和剛度。因此，銑刀孔徑應按強度或剛度條件計算決定。在一般情況下，可根據銑削寬度和切削條件選取。表 3-5是根據生產經驗推薦的數值 。 表 3-5 成型銑刀內孔直徑 銑 削 寬 度 銑 刀 孔 徑 一般切削 重切 削 612 16 22 1225 22 27 2540 27 32 4060 32 40 60100 40 50 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業 設計 11 由于在除冰機 器人的性能要求，銑刀必須有足夠的硬度。在保證銑刀孔徑足夠大和銑刀刀體強度足夠的條件下，應選較小的銑刀外徑，以減小扭矩和減少高速鋼的消耗。 設計銑刀時，可首先用下式估算外徑，待確定了銑刀的其他有關參數后，再校驗銑刀刀體強度。 0=（ 22.2） d + 2. 2h+（ 26） mm （ 3-1） 對于加強形式的容屑槽，銑刀外徑可小些 0=（ 1.62） d+2h+（ 26） mm （ 3-2） 表 3-6 給出了銑刀直徑的推薦值，它是按式 （ 3-1）與式（ 3-2）計算的，并圓整為 5的整數倍。 表 3-6 成型銑刀的外徑 孔 徑 d 銑 刀 齒 形 高 度 h 5 6 8 10 12 15 18 20 22 25 28 30 32 35 13 45 55 70 45 50 55 70 16 50 55 70 90 45 45 50 55 60 65 70 90 22 65 65 70 90 110 55 55 60 65 70 75 80 90 100 115 27 70 75 80 90 110 135 65 65 70 75 80 85 90 95 100 115 125 135 32 85 90 95 100 110 135 160 75 75 80 85 90 95 100 105 110 115 125 135 145 160 40 105 110 110 115 125 135 160 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 160 在保證刀齒強度和足夠的重磨次數的條件下，應盡力取齒數多些，以便增加銑削的平穩性。齒數 Zk與銑刀直徑之間有如下關系。 Zk d/t (3-3) 式中 t 銑刀的圓周齒距。粗加工時，可取 t（ 1.82.4） H （ 3-4） 精加工時，可取 t（ 1.3 一 1.8） H (3-5) 式中 H 容屑槽高度。 H=h K r。式中： K 刀齒鏟削量 r 容屑槽底半徑，一般為 13mm。 由于齒數 Zk未確定時 K 與 r 都不能確定，因此可按下式初步估算 H H h 0. 06d0（ 1 3） mm （ 3-6） 將式（ 3-6）代入式（ 3-5）或式（ 3-4），再代入式（ 3-3），可求出 Zk ，也可根據生產經驗按銑刀外徑的大小預選銑刀齒 數，在設計計算出銑刀的其他結構參數后，再校驗所選齒數是否合理。表是根據生產經驗推薦的鏟齒成形銑刀的齒數。此表適用于平底式容屑槽的不鏟磨銑刀。對于加強式容屑槽，齒數可適當增加，對鏟磨銑刀，齒數可適當減少。 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業 設計 12 表 3-7 成型銑刀齒數 銑刀外徑d。 (mm) 40 4045 5055 6075 80105 110120 130140 150230 銑刀齒數Zk 18 16 14 12 11 10 9 8 初定成形銑刀的各參數后，需校驗刀體、刀齒強度是否足夠。如果校驗結果不符合要求，應重新假設和計算 ，直到滿意為止。 （ 1）校驗刀齒強度：對于平底式容屑槽銑刀，可按下式計算齒根寬度 c。 c3(d0 2H)/4Zk （ 3-7） 要求 c /H0. 8 ，當不滿足時，應減少銑刀齒數。對加強式槽底的成形銑刀，一般不需進行此項校驗。 （ 2）校驗刀體強度：為保證刀體強度，要求 m(0. 30. 5) dm可按下式計算 （ d0 2H） /2 （ 3-8） 當不滿足時，應增大銑刀外徑。 刀齒齒根強度和刀體強度的校驗亦可采用作圖法進行，即按選定的銑刀結構參數直接畫出銑刀的端面投影圖，由圖直接觀察并測量銑刀齒根寬度和刀體厚度 m是否足夠。 圖 3-8 銑刀鏟磨干涉 （ 1）按所設計的成形銑刀參數 d0、 Zk 、 H、 和 作出成形銑刀刀齒的端面投影圖，可得 A、 I、 J三點。從第一齒的頂點 A 沿徑向取齒廓高度 h得 G點，從第二齒的頂點 J沿徑向取鏟削量 K 得 B 點，取齒廓高度 h 得 E 點，從 A點作直線 AO1， AO1與前刀面 AO 夾角為 f ，又作 AB 兩 點連線的中垂線與直線 AO1交于 O1點，以 O1為圓心， O1A為半徑作圓弧連 A中國地質大學長城學院 2012 屆畢業 設計 13 點和 B點即得近似的齒頂鏟背曲線；以 O1G 為半徑畫圓弧 GD，即為近似的齒底鏟背曲線。 （ 2）選輪系直徑 Ds (2h+25+5) mm，式中為銑刀齒廓高度。一般 60 Ds 120。 （ 3）在上取一點，使 /2 ，連；交于點，連接 FO1并延長之，自 F 點在此延長線上截取 F02 = Ds/2, 得 02 點，以 02為圓心， Ds/2 為半徑作圓，即得輪系的外圓周，并切 GD 于 F 點。此時輪外圓周如在下一個刀齒 E 點的上方，則輪系在 鏟磨時不會碰到下一個刀齒，如果在 E點的下方，則鏟磨時會碰到下一個刀齒，即發生干涉。如發生干涉，需改變銑刀的一些參數，如減少齒數 Zk與鏟削量或增大等，需要重新設計。 3.2.2 成型銑刀截面的計算 在這種工作的情況下，工件法剖面截形就是銑刀的齒形。 銑刀有了前角以后，其刀齒在徑向截面的齒形和前刀面上的齒形，就與工件法剖面的截形不同了。設 f為銑刀外圓處的縱向前角，當 f較大（例如 f50）時，銑刀徑向截面和前刀面上的齒形需進行修正計算。 為了能確定工件齒形和銑刀齒形的關系。在給定的工件齒形以后銑刀徑向 截面應具有的齒形，即鏟刀應具有的齒形，即樣板應具有的齒形。 表 3-9成型銑刀截面計算公式 序號 計算項目 符號 計算公式 計算精度 1 齒形點的橫坐標 cb nc bb = 0.001 2 （見圖 4 19） fn fhRR sinarcsin= 0.00001 3 齒形點縱坐標 ch 2= ZKnc Khh 0.001 鏟齒成形銑刀需要設計兩幅樣板 ,一幅為檢驗銑刀刃形 ,其廓形與銑刀前刀面廓形相同；另一幅為檢驗鏟齒成形銑刀樣板刃形，其廓形與銑刀軸向剖面廓形相同。 樣板的設計方法與成形車刀樣板相同。 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業 設計 14 3 3 機械升降平臺 3.3.1 升降平臺的機械結構形式 根據升降機的平臺尺寸，參考國內外同類產品的工藝參數可知，該升降機宜采用單雙叉機構形式：即有兩個單叉機構升降臺合并而成，有四個同步液壓缸做同步運動，以達到升降機升降的目的。其具體結構形式 為：主要起支撐作用和運動轉化形式的作用，一方面支撐上頂板的載荷，一方面通過其鉸接將液壓缸的繩縮運動轉化為平臺的升降運動，上頂板與載荷直接接觸，將載荷轉化為均布載荷，從而增強局部承載能力。下底架主要起支撐和載荷傳遞作用，它不僅承擔著整個升降機的重量，而且能將作用力傳遞到地基上。通過這些機構的相互配合，實現升降機的穩定和可靠運行。 o 3o2oo426351 圖 3-10 升降臺外形結構 兩支架在 o 點鉸接，支架 1上下端分別固定在上、下板面上，通過活塞桿的伸縮和鉸接點 o 的作用 實現貨物的舉升。 根據以上分析，升降機的運動過程可以敘述如下：支架 2、 3 為升降機機構中的固定支架，他們與底板的鉸接點做不完整的圓周運動，支架 1、 4 為活動支架，他們在液壓缸的作用下由最初的幾乎水平狀態逐漸向后來的傾斜位置運動，在通過支架之間的絞合點帶動 2、 3 也不斷向傾斜位置運動，以使升降機升降。 初態時，上寫底板處于合閉狀態，支架 1、 2、 3、 4 可近似看作為水平狀態，隨著液壓油不斷的輸入到液壓缸中，活塞桿外伸，將支架 2 頂起，支架 2 上升時，由于絞合點 o的作用使支架 1 運動， 1 與液壓缸相連，從而液壓缸也開始運動， 通過一系列的相互運動和作用，使上頂板上升，當上升到指定高度時，液壓缸停止運動，載荷便達到指定高度。 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業 設計 15 3.3.2 升降平臺零件設計 根據升降臺的工藝參數和他的基本運動機理來確定支架 1、 2、 3、 4 的長度和截面形狀。23OO之間的距離和液壓缸的工作行程。 設23O O x(01xm )，則 1、 2、 3、 4 支架的長度可以確定為 h=2-x/2,(h 15mm)即支架和地板垂直時的高度應大于 15mm,這樣才能保證其最大升降高度達到 15mm，其運動過程中任意兩個位置的示意圖表示如下： N1 NM1MO1 OB1 BC1CA 圖 3-11 運動過程示意圖 設支架 1、 2 和 3、 4 都在其中點處絞合，液壓缸頂端與支架絞合點距離中點為 t ,根據其水平位置的幾何位置關系可得： 404 xt 。 下面根據幾何關系求解上述最佳組合值： 初步分析： x 值范圍為 01x x ,取值偏小，則上頂板23,OO點承力過大，還會使支架的長度過長，造成受力情況不均勻。 X 值偏小，則會使液壓缸的行程偏大，并且會造成整個機構受力情況不均勻。在該設計中，可以選擇幾個特殊值： x =0.4, x =0.6, x =0.8，分別根據數學關系計算出 h 和 t。然后分析上下頂板的受力情況。選取最佳組合值便可以滿足設計要求。 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業 設計 16 （ 1） x =0.4， 支架長度為 h=2-x/2=1.8，2OC=h/2=0.9 液壓缸的行程設為 l,升降臺上下頂板合并時，根據幾何關系可得到： l+t=0.9 升降臺完全升起時，有幾何關系可得到： 2 2 21 . 8 0 . 9 9 5 1 . 5c o s2 1 . 8 0 . 9 9 5 = 2 2 2( 0 9 ) 0 . 9 5 5 ( 2 )2 ( 0 . ) 2tltl （ 3-9） 聯合上述方程求得： t=0.355m l=0.545m 即液壓缸活塞桿與 2 桿絞合點與 2 桿中心距為 0.355m.活塞行程為 0.545m （ 2） x =0.6， 支架長度為 =2-x/2=1.7，2OC=h/2=0.85 液壓缸的行程設為 l,升降臺上下頂板合并時，根據幾何關系可得到： l+t=0.9 升降臺完全升起時，有幾何關系可得 到： 2 2 21 . 7 0 . 8 1 . 5c o s2 1 . 7 0 . 8 = 2 2 2( 0 8 5 ) 0 . 8 ( 2 )2 0 . 8 ( 0 . 8 5 )tlt （ 3-10） 聯合上述方程求得： t=0.32m l=0.53m 即液壓缸活塞桿與 2 桿絞合點與 2 桿中心距為 0.32m.活塞行程為 0.53m。 （ 3） x =0.8， 支架長度為 =2-x/2=1.6，2OC=h/2=0.8， 液壓缸的行程設為 l,升 降臺上下頂板合并時，根據幾何關系可得到： l+t=0.9 升降臺完全升起時，有幾何關系可得到： 2 2 21 . 6 0 . 5 5 7 1 . 5c o s2 1 . 6 0 . 5 5 7 = 2 2 2( 0 8 ) 0 . 5 5 7 ( 2 )2 ( 0 . 8 ) 0 . 5 5 7tlt （ 3-11） 聯合上述方程求得： t=0.284m l=0.516m 即液壓缸活塞桿與 2 桿絞合點與 2 桿中心距為 0.284m.活塞行程為 0.516m。 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業 設計 17 比較上述三種情況下的載荷分布狀況， x 去小值，則升到頂端時，兩相互絞合的支架間的間距越大，而此時升降臺的載 荷為均布載荷，有材料力學理論可知，此時兩支架中點出所受到的彎曲應力為最大，可能會發生彎曲破壞，根據材料力學中提高梁的彎曲強度的措施 m a xm a x M w 知，合理安排梁的受力情況，可以降低maxM值，從而改善提高其承載能力。分析上述 時梁的受力情況和載荷分布情況，可以選擇第二種情況 。 3.4 電機的選擇 3.4.1 升降步進電機 除冰機器人升降用步進電機來驅動，通過絲桿傳動來實現升降。初選步進電機：75 003BF 由前計算絲桿導程為 0 6L mm ，本設計升降速度選定為 S=35mm/s ， 所以絲桿轉速 0w = S / L = 3 5 / 6 = 5 . 8 3 3 r / s = 3 4 9 . 9 8 ( r / m i n ) （ 3-12） 回轉轉矩： c ga fM M M 式中：cM 升降相對絲桿的回轉力矩 ； fM 升降相對絲桿的摩擦阻力矩 ； gaM 升降在停止（制動）過程中相對與絲桿的慣性力矩 ； 其中： 0gaMJt （ 3-13） 式中： 升降啟動或制動過程中角速度的變化量，也就是工作的角速度 ： 23 4 9 . 9 8 ( / m i n ) 3 4 9 . 9 8 3 6 . 6 4 9 ( / )60r r a d s ； t 升降啟動或制動的時間：本設計取為 0.3( )ts ； 0J 升降時各部件對回轉軸線的轉動慣量 2()kg m ， 其中： 0 S l dJ J J J 式中： sJ 絲桿對其轉動軸 的轉動慣量 2()kg m ， 其中： 437 .8 1 0smJ D L 式中： mD 絲桿的公稱直徑由前計算得 0 .0 2 5 ( )mDm L 絲桿的長度本設計取為 0.6(m) 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業 設計 18 代入得： 4 3 27 . 8 0 . 0 2 5 0 . 4 5 1 0 0 . 0 0 1 3 7 ( )sJ k g m （ 3-14） lJ 升降電機與絲桿間的聯軸器的轉動慣量 2sJ = 0 .0 0 1 8 ( k g )m dJ 步進電機轉子的轉動慣量 20 . 0 0 0 1 7 6 4 ( )dJ k g m 代入得： 20 0 . 0 0 1 3 7 1 . 0 0 1 8 0 . 0 0 0 1 7 6 4 0 . 0 0 3 3 5 ( )SldJ J J J k g m 把以上代入0gaMJt 得： 3 6 . 6 4 90 . 0 0 3 3 5 0 . 4 0 9 ( )0 . 3gaM N m 其中： /2mfM G fD ； 式中： G 電機自重約為 200N f 絲桿螺母副與絲桿間的摩擦系數 f=0.08 代入得： / 2 2 0 0 0 . 0 8 0 . 0 2 5 / 2 0 . 2 ( )mfM G f D N m （ 3-15） 得： 0 . 2 0 . 4 0 9 0 . 6 0 9 ( )c g a fM M M N m 電機與絲桿直接聯接所以 i =1； 所以 0 . 6 0 9 ( )i p cM M N m 3 6 . 6 4 9 ( / )lpw w r a d s 上式中：lpw 負載峰值轉速（ /rads ），如上計算 ： 3 6 . 6 4 9 ( / )lp r a d s ； lpM 負載峰值力矩（ Nm ），如上計 算： 0 . 6 0 9 ( )ipM N m 電動機的功率計算式： lp lpm MP （ 3-16） 上式中： 計算系數，其中一般 1.5 2.5 ，本設計中?。?2 ； 絲桿傳動裝置的效率，一般取 0.7 0.9 ，本設計中?。?0.8 ； 代入以上數據得： 2 0 . 6 0 9 3 6 . 6 4 9 / 0 . 8 5 5 . 8 0l p l pmMPW 根據負載峰值力矩lpM最大靜轉矩，選用步矩角為 3 步進電機 75 003BF ，其最大靜轉矩為 0.882Nm ，滿足負載峰值力矩lpM最大靜轉矩的要求。 3.4.2 表 3-12 電機參數表 電機型號 相數 步距角 /（） 電壓 /V 最大靜轉矩 /N m(Kgf cm) 最高空載啟動頻 率 /HZ 運行頻率 /HZ 轉子轉動慣量 105 Kg m2 分配 方式 質量 /Kg 75BF003 3 3 30 0 882（ 9） 1250 16000 1 568 三相六拍 1 58 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業 設計 19 3.4.2 回轉驅動電機 除冰機器人的旋轉擊棒安裝在底座上與回轉電機相連 :設計選取為 1 0 / m inr 即旋轉 1800的時間為 3s； 回轉轉矩： c ga fM M M （ 3-17） 式中：cM 整體相對底座回轉軸的回轉力矩 ； fM 整體相對底座回轉軸的摩擦阻力矩 ； gaM 底座在停止（制動）過程中相對與絲桿的慣性力矩 ； 其中： 0gaMJt ， （ 3-18） 式中： 底座旋轉在啟動或制動過程中角速度的變化量，也就是工作角速度： 21 0 ( / m i n ) 1 0 1 . 0 4 7 ( / )60r r a d s ； t 底座旋轉啟動或制動的時間：本設計中 0.3ts ； fM與gaM的轉化系數： 0 .8 5 0 .9 5 ，本設計中取 0.85 0J 底座旋轉軸線的轉動慣量 2()kg m 式中：1m 擊棒的質量（ kg） 2m 底座的質量（ kg） 3m 機身的質量（ kg） 其中：3m的轉動慣量看作均勻圓柱體來計算；1 2 3,r r r 與1 2 3,m m m相對應的長度（ m）。 把以上數據代入得： 01 . 0 4 79 . 7 3 3 . 8 5 3 ( )0 . 3gaM J N mt （ 3-20） 3 3 . 8 5 3 3 9 . 8 2 7 ( )0 . 8 5gafMM N m 2 2 20 1 1 2 2 3 32 2 221 1 13 3 21 1 1 1 5 0 . 4 1 5 0 . 4 2 0 0 . 93 3 2 9 . 7J m r m r m rk g m 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業 設計 20 3 3 . 8 5 3 3 9 . 8 2 7 7 3 . 6 8 ( )c g a fM M M N m 所以： 7 3 . 6 8 0 . 7 3 7 ( )100clp MM N mi 1 . 0 4 7 1 0 0 1 0 4 . 7 ( / )lp i r a d s 上式中：lpw 負載峰值轉速（ /rads ），如上計算 ： 1 0 4 . 7 ( / )lp r a d s ； lpM 負載峰值力矩（ Nm ），如上計算： 0 . 7 3 7 ( )ipM N m 電動機功率的計算公式式： 0 . 7 3 7 1 0 4 . 72 1 9 2 . 9 1 00 . 8l p l pmMPW 式中：mP 步進電動機的功率（ W） ； lp 負載峰值轉速（ /rads ），由前計算 ： 1 0 4 . 7 ( / )lp r a d s ； lpM 負載峰值力矩（ Nm ），由前計算：1pM=0.737（ Nm ）； 計算系數，其中一般 1.5 2.5 ，本設計中?。?2 ； 底座傳 動裝置的效率，估算為 0.7 0.9 。 根據負載峰值力矩lpM最大靜轉矩，選用步矩角為 3 的步進電機 90BF003，其最大靜轉矩為 1.96Nm ，滿足要求。 表 3-13 電機參數表 電機型號 相數 步距角 /（） 電壓 /V 最大靜轉矩 /N m(Kgf cm) 最高空載啟動頻 率 /HZ 運行頻率 /HZ 轉子轉動慣量 105 Kg m2 分配方式 質量 /Kg 90BF003 3 3 60 1 96（ 20） 1500 8000 17 64 三相六拍 4 2 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業 設計 21 4 控制系統的設計 4.1 機器人的控制系統 工業機器人的控制技術是在傳統機械系統的控制技術的基礎上發展起來的，因此兩者之間并無根本的不同但工業機器人控制系統也有許多特殊之處。其特點如下，工業機器人有若干個關節，典型工業機器人有五六個關節，每個關節由一 個伺服系統控制，多個關節的運動要求各個伺服系統協同工作。工業機器人的工作任務是要求操作機的手部進行空間點位運動或連續軌跡運動，對工業機器人的運動控制，需要進行復雜的坐標變換運算，以及矩陣函數的逆運算。工業機器人的數學模型是一個多變量、非線性和變參數的復雜模型，各變量之間還存在著耦合，因此工業機器人的控制中經常使用前饋、補償、解耦和自適應等復雜控制技術。較高級的工業機器人要求對環境條件、控制指令進行測定和分析，采用計算機建立龐大的信息庫，用人工智能的方法進行控制、決策、管理和操作，按照給定的要求，自動選擇最佳 控制規律。工業機器人的控制系統發基本要求有，實現對工業機器人的位置、速度、加速度等控制功能，對于連續軌跡運動的工業機器人還必須具有軌跡的規劃與控制功能。方便的人 -機交互功能，操作人員采用直接指令代碼對工業機器人進行作用指示。使用工業機器人具有作業知識的記憶、修正和工作程序的跳轉功能。具有對外部環境（包括作業條件）的檢測和感覺功能。為使工業機器人具有對外部狀態變化的適應能力，工業機器人應能對諸如視覺、力覺、觸覺等有關信息進行測量、識別、判斷、理解等功能。在自動化生產線中，工業機器人應用與其它設備交換信息， 協調工作的能力。 工業機器人控制系統可以從不同角度分類，如控制運動的方式不同，可為關節控制、笛卡爾空間運動控制和自適應控制；按軌跡控制方式的不同，可分為點位控制和連續軌跡控制；按速度控制方式的不同，可分為速度控制、加速度控制、力控制。 程序控制系統：給每個自由度施加一定規律的控制作用，機器人就可實現要求的空間軌跡。 自適應控制系統：當外界條件變化時，為保證所要求的品質或為了隨著經驗的積累而自行改善控制品質，其過程是基于操作機的狀態和伺服誤差的觀察，再調整非線性模型的參數，一直到誤差消失為止。這種系統的結構和 參數能隨時間和條件自動改變。 人工智能系統：事先無法編制運動程序，而是要求在運動過程中根據所獲得的周圍狀態信息，實時確定控制作用。當外界條件變化時，為保證所要求的品質或為了隨著經驗的積累而自行改善控制品質，其過程是基于操作機的狀態和伺服誤差的觀察，再調整非線性模型的參數，一直到誤差消失為止。這種系統的結構和參數能隨時間和條件自動改變。因而本系統是一種自適應控制系統。 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業 設計 22 4.2 基于運動卡的控制系統的建立 4.2.1 總體方案的確定 機器人控制系統是一種典型的多軸實時運動控制系統。傳統的機器人控制系統基本上是設 計者基于自己的獨立結構和生產目的而開發，它采用了專用計算機、專用機器人語言、專用微處理器的封閉式體系結構。這種結構的控制器存在制造和使用成本高，開發周期長，升級換代困難，無法添加系統的新功能等一系列缺點。該系統基于 TRIO 運動控制卡的開放式結構機器人控制系統，采用 IPC+DSP 的結構來實現機器人的控制。這種機器人控制系統采用開放式硬件、軟件結構，可以根據需要方便地擴展功能，具有良好的開放性和擴展性，能適應于不同類型機器人或機器人自動生產線。通過運動控制卡在工業機器人控制系統中的應用，根據運動控制的相關理論和 直流伺服電機的具有不易受干擾、易于用微機實現數字控制、無積累誤差等特性以及其動作迅速、反映快、維護簡單、可實現過載自動保護等特點作為相關背景的基礎之上提出了基于 TRIO 運動控制卡的自動化程度和定位精度均較高的工業機器人控制系統。這種機器人控制系統的重要特點在于它采用通用個人計算機加 DSP 多控制回路的開放式體系結構以及它的網絡控制特性。 目前，由于高起動轉矩、大轉矩、低慣量的交、直流伺服電動機在工業機器人中得到廣泛應用一般負載 1000N（相當 100kg）以下的工業機器人大多采用電伺服驅動系統。所采用的關節驅 動電動機主要是 AC 伺服電動機。其中，交流伺服電動機、直流伺服電動機、直流驅動電動機（ DD）均采用位置閉環控制，一般應用于高精度、高速度的機器人驅動系統中。利用運動控制卡（運動控制和邏輯算法有機的結合，輕松實現多種運動形式的運動控制器）對機器人驅動系統進行控制能夠有效地提高整個機器人系統的性能及開發效率。由于機器人需要精確的控制和精準的定位，采用合適的直流電機調速器和光電軸角編碼器即能滿足要求。 由于所選用的硬件設備都是市場上成熟的，綜上所述，本設計題目的理論基礎、整體的構想和所實施的方案是切實可行的，在老師 的指導下，借鑒相關書籍，通過通過自己的學習，能夠達到本次設計的要求。 該系統主要由個人 PC、 PCI 208 系列 TRIO 運動控制卡、運動卡外接線板、 ZK4 系列直流電機調速器、光電軸角編碼器、系統工作狀態檢測輸入行程開關等組成。 TRIO 運動控制卡通過對直流電機調速器發出模擬電壓信號對直流伺服電動機的轉上速、角位移、正、反轉等進行控制，從而外控制輸出電機驅動；且還在系統中采用光電軸角編碼器對電機的參數運行狀態以及程序的運行狀態進行反饋；另外還設置行程開關對電機的行程位置進行控制。 機器人具有三個自由度（即： RRP 大臂回旋、仰角、小臂伸縮三個運動）和一個爪開合動作，采用全電機驅動控制。機器人本體由機身、大臂、小臂、手找等組成。機身固定在機械小車上；大臂可以繞著機身在水平面內和垂直面內旋轉；小臂在絲桿的傳動下，可以前后進行伸縮。在大臂和小臂的共同作用下，機械手的手爪能夠接近要抓的物體。當物體被控制在手爪的控制范圍內時，手爪夾緊物體，然后通過大臂的旋轉和小臂的伸縮運中國地質大學長城學院 2012 屆畢業 設計 23 動，最終將物體置于規定的位置。 4.2.2 機器人控制工作原理 機器人具有三個自由度（即： RRP 大臂回旋、仰角、小臂伸縮三個運動）和一個爪開合動作，采用全 電機驅動控制。機器人本體由機身、大臂、小臂、手找等組成。機身固定在機械小車上；大臂可以繞著機身在水平面內和垂直面內旋轉；小臂在絲桿的傳動下，可以前后進行伸縮。在大臂和小臂的共同作用下，機械手的手爪能夠接近要抓的物體。當物體被控制在手爪的控制范圍內時，手爪夾緊物體，然后通過大臂的旋轉和小臂的伸縮運動，最終將物體置于規定的位置。 機器人大臂回旋運動和大臂仰角運動均采用直流電動機、諧波減速器傳動， PWM 脈寬調速器控制，可實現 20 2000mm/Min 無級調速控制。 手爪開合采用連桿及螺旋機構，同步電機驅動，其結構 簡單，無調速器，電路控制方便。由于在機械結構設計中采用了諧波減速器、滾珠絲桿、滾珠直線導軌等精密傳動裝置，機器人手爪定位可達到較高的精度。 機器人大臂回旋運動和大臂仰角運動均采用直流電動機 M1 和 M2控制，小臂伸縮采用直流電動機 M3控制，手爪的開合由單相交流電動機 M4 控制，每個電動機均由兩個中間繼電器控制其正、反轉。首先是各運動軸分別復位，電動機 m1、 m2、 m3 反轉輸出端口 OUT11、OUT13、 OUT15 輸出 24V 電壓各軸正向運動。當它們踏上了各自的行程開關時外接 24V 分別輸入到 INPUT0、 INPUT1、 INPUT2 的輸入端口由運動控制卡進行判斷并作為運動的原點。然后，當運動控制卡的 24 V 電壓輸出端口 OUT11 輸出指令時，接通繼電器 KA4，電動機M1 得點正轉，機器人大臂向上仰運動，到達極限位置時撞下前限位開關 ST1，繼電器 KA4線圈斷電機停止運轉。當運動控制卡電壓輸出端口 OUT12 輸出指令時，繼電器 KA5 線圈得電，電動機 M1得電反轉機器人大臂向下仰運動，到達極限位置時撞下后限位開光 ST2，繼電器 KA5 斷電，電機停止運轉。電動機 M1 的運動控制由運動控制卡的 +10/-10V 模擬電壓輸出端口 OUT0 輸出的指令 控制。當運動控制卡電壓輸出端口 OUT13 輸出指令時，繼電器KA6 線圈得電，電動機 M2 得電正轉，機器人大臂向左旋運動，到達極限位置時撞下前限位開關 ST3 ,繼電器 KA6 斷電，電機停止運轉。當運動控制卡電壓輸出端口 OUT14 輸出指令時，繼電器 KA7 線圈得電，電動機 M2 得電反轉，機器人大臂向右旋運動，到達極限位置時撞下后限位開關 ST4，繼電器 KA7 斷電，電機停止運轉，電動機 M2 的運轉速度由運動控制卡 +10/-10V 模擬電壓輸出端口 OUT1 發出指令控制。當運動控制卡電壓輸出端口 OUT15輸出指令時，繼電器 KA8 線 圈得電，電動機 M3 得電正轉，機器人小臂向前伸運動， 到達極限位置時撞下前限位開關 ST5，繼電器 KA8 線圈斷電，電機停止運轉，當運動控制卡輸出斷口 OUT16 輸出指令時繼電器 KA9 線圈得電，電動機 M3 得電反轉，機器人小臂向后縮運動到過極限位置時撞下后限位開關 ST6，繼電器 KA9 斷電 ，電機停止運動，電動機 M3運轉速度由運動控制卡 +10/-10V 模擬電壓輸出端口 OUT2 發出指令控制。繼電器 KA1 和 KA2分別控制機器人手爪的開合當向前伸時 OUTPUT8 輸出 24V,撞到前限位開關停止運動；當OUTPUT9 輸出時向后伸 縮撞到后限位開關停止運動。光電軸角編碼器由三個編碼器輸入端中國地質大學長城學院 2012 屆畢業 設計 24 口反饋回各軸的實際運動位置給運動控制卡。 4.3 軟件編程語言的特點 程序界面在 VB6.0 中打開工程文件“ Project1.vbp”，在編譯環境中，直接運行（ F5） ，程序操作畫面及介紹如下： 首先進入 Form1 顯示“歡迎使用 PCI208 運動控制操作界面”，單擊進入按扭便進入Form2 程序界面。如果單擊打開按扭 TRIOPCI 由紅色小方塊變為綠色小方框，表明 PCI208和 OCX 之間已成功建立連接。如果仍然為紅色表明 PCI208 和 OCX 之間的連接未成功建立 。在此程序中，可進行運動控制和軸位置及 I/O狀態顯示等功能。運動控制主要是 OUTPUT8-17的輸出的開關控制，還有 INPUT33-35 的原點檢測控制，及運動距離輸出控制等方面。其中關閉按扭是關閉 trio 軟件的連接；運動按扭是根據輸入的距離值進行運動；復位按扭是進行各軸的原點復位運動；單擊退出操作便結束程序的執行。 向工程中添加 TrioPC OCX 控件如圖在工程中調用函數圖程序框圖界面： 4.4 指令系統 (1)軸指令 BASE、 AXIS:指定以下運動指令所對應的軸號： UNITS:指定每 一個編程單位所對應的指令脈沖數， ATYPE:指定軸類型 SPEED:指定軸運行速度， ACCEL:指定軸加速度， DECEL:指定軸減速度， DATUM_IN:指定原點輸入點 OFFPOS：位置偏置， MPOS:讀取實際位置， DPOS:讀取指令位置， DAC:設置模擬量輸出 AIN:讀取模擬量輸入， FHOLD_IN:設置進給保持輸入點， FHSPEED:設置進給保持速度。 (2)運動指令： MOVE:相對運動， MOVEABS:絕對運動， FORWARD:恒速正向運動， REVERSE:恒速負向運動， RAPIDSTOP:停止， DATUM:回原點， MOVEMODIFY:運動中改變目標位置， DEFPOS:重新定義當前位置， ADD_DAC:全閉環控制， WDOG:輸出使能。 (3)輸入、輸出指令： AIN:讀取模擬量輸入 ,DAC:設置模擬量輸出 ,IN:讀取開關量輸入 ,OP:設置開關量輸出 ,PSWITCH:位置比較輸出 ,PRINT:顯示 (4)程序流程控制： IF THEN .ELSE .ENDIF: 條件判斷 ,FOR TO. STEP NEXT: 循環 控制 ,GOTO:無條件跳轉 , GOTOSUB:調用子程序 ,ON GOTO: 條件跳轉 ,ON.GOTOSUB:條件調用子程序 ,REPEAT.UNTIL:重復執行控制 ,WHILE:條件判斷 ,WAIT IDLE: 等待運動結束。 WAIT UNTIL:等待 WA:延時。運算處理指令；算術運算： +、 -、 *、 /、 SQR、 EXP；邏輯運算：、 、 =、 、 AND、 NOT 、 OR、 XOR。 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業 設計 25 4.5 運動控制程序運行過程的簡介 當程序運行時，自動進入窗體一（ Form1） 點擊進入按扭通過調用窗體顯示程序進入窗體 二（ Form2） 。進入后首先應該通過控件打開 VB 與 Motion Perfect 軟件的連接，這個可通過界面的打開按扭運用 OPEN 命令即可打開與軟件的連接，并通過調用子程序UpdateButtonStates 更新其狀態。打開了軟件連接后，機器人各軸的位置應該回到初始狀態，這個功能的實現了是通過復位程序來實現的。當點擊復位按扭時就運行復位程序復位，在程序運行之前還要通過子程序 InitAxes進行各軸的參數進行設置，而設置參數是通過連接命令 SetVariable 來分別進行設置的。設置完后而復位過程就通過循