CN103056879B

CN103056879B - 一种五轴数控机械手臂的制备方法及五轴数控机械手臂

Info

Publication number: CN103056879B
Application number: CN201210593286.XA
Authority: CN
Inventors: 施复兴; 黄俊钦
Original assignee: ALFA AUTOMATION TECHNOLOGY Ltd
Current assignee: Dongguan City Alfa Automation Technology Co. Ltd.
Priority date: 2012-12-31
Filing date: 2012-12-31
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2032-12-31
Also published as: CN103056879A

Abstract

本发明公开了一种五轴数控机械手臂的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：(1)设置一机械手臂本体，在该机械手臂本体上设有X轴手臂、Y轴手臂和Z轴手臂，分别在X轴、Y轴和Z轴上，通过伺服电机带动平移工作；(2)在机械手臂本体上分别设置控制装置和机械手臂运行反馈装置，并通过CAN控制总线彼此连接；(3)在所述Z轴手臂末端，设置一B、C轴运动机构，该B、C轴运动机构，通过伺服电机带动在B轴上旋转180°，在C轴上旋转360°；(4)在所述控制装置中设置依次连接的中央控制模块、数据运算模块、记忆存储模块和信号处理模块。本发明还公开了一种实施该方法的五轴数控机械手臂。

Description

一种五轴数控机械手臂的制备方法及五轴数控机械手臂

技术领域

本发明涉及机械自动化控制领域，具体涉及一种五轴数控机械手臂的制备方法，及实施该方法的五轴数控机械手臂。

背景技术

随着现代工业的发展，人们出于提高生产效率，稳定和提高产品质量，改善工人劳动条件，加快实现工业生产机械化和自动化的考虑，发明了机械臂，并把它大量应用于生产过程中，尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，机械臂更是得到了广泛的应用。机械臂是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代工业生产系统中的一个重要组成部分。机械臂是工业机器人的一种，它由操作机，控制器，伺服驱动系统和枪测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制，可重复编程，能在三维空间完成各科·作业的自动化生产设备。机械臂最早应用于汽车制造工业，常应用于焊接，喷漆，上下料和搬运。机械臂延伸和扩大了入的手足和大脑功能，它可代替入从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作，代替人从事繁重，单调的重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。

现有的传统注塑机械手中，通常只能进行XYZ三轴直线运动，只能在二维平面内取物，只能实现简单的运动轨迹，无法实现多自由度、三维空间取物，对于复杂外形产品，其取物治具局限性较大，选择范围小、单一，设计要求高，无法满足标准越来越高的机械制造业发展。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足，提供一种新的五轴数控机械手臂的制备方法，及实施该方法的五轴数控机械手臂，通过在Z轴机械手末端设置一BC轴运动机构，并采用创新的优化控制方法，实现三维空间取物。

本发明为达到上述目的所采用的技术方案为：

一种五轴数控机械手臂的制备方法，其包括以下步骤：

(1)设置一机械手臂本体，在该机械手臂本体上设有X轴手臂、Y轴手臂和Z轴手臂，分别在X轴、Y轴和Z轴上，通过伺服电机带动平移工作；

(2)在机械手臂本体上分别设置控制装置和机械手臂运行反馈装置，并通过CAN控制总线彼此连接；

(3)在所述Z轴手臂末端，设置一B、C轴运动机构，该B、C轴运动机构，通过伺服电机带动在B轴上旋转180°，在C轴上旋转360°；

(4)在所述控制装置中设置依次连接的中央控制模块、数据运算模块、记忆存储模块和信号处理模块；其中所述中央控制模块和数据运算模块，通过SCI通信模块连接；在所述记忆存储模块中存有机械手臂运动最佳位置坐标；

(5)在步骤(4)所述中央控制模块中，嵌入控制算法公式：

θ_{L} (δ) = \frac{K_{m} (K_{p} + δ K_{v}) θτ (δ) - n R_{m} D (δ)}{δ^{2} R_{m} J_{off} + δ (R_{m} f_{off} + K_{m} K_{b} + K_{m} K_{v}) + K_{m} K_{p}}

其中：δ为拉普拉斯算子，R_m为伺服电机电阻，θL为负载轴的角位移，θτ为指令角位移，J_off有效惯性矩，f_off有效粘滞摩擦系数，n齿数比，K_m为力矩比常数，K_b为比例常数，K_p为位置反馈增益，K_v为误差微分反馈增益，D为扰动力矩；

(6)在所述数据运算模块中，嵌入高精度、高效数据运算算法，首先采用增量型PID算法，对数据进行预处理，然后采用逆运动学方程，对机械手臂的运动轨迹进行数学建模，再依次采用三次多项式插值算法、空间直线插补算法和空间圆弧插补算法，对机械手臂实时运动轨迹进行计算，得出计算结果；

(7)步骤(6)所得计算结果，通过SCI通信模块传输至中央控制模块，中央控制模块通过调用记忆存储模块中预先设定的最佳坐标，与计算结果数值对比，对机械手臂的运动进行实时调整控制。

步骤(3)所述的B、C轴运动机构，包括两个伺服电机，伺服电机B和伺服电机C；所述伺服电机C，经过皮带传动机构，带动锥形齿，通过两个锥形齿传动，使运动机构在C轴做360°旋转；所述伺服电机B，经过两级皮带传动机构，使运动机构在B轴做180°旋转。

步骤(2)所述的机械手臂运行反馈装置包括光电编码器和故障检测模块；光电编码器将机械手臂运行情况进行实时反馈，将反馈信号传输至控制装置中的信号处理模块进行处理，经信号处理模块处理完后，传输至数据处理模块进行计算，然后通过SCI通信模块将计算结果传输至中央控制模块，最后由中央控制模块对机械手臂进行调整控制；所述故障检测模块自动侦测故障并记忆故障编号，通过微调所运行时轴位置及自动累算运转次数实现自动报警功能，并跳出死循环运转状态，保障系统安全。

步骤(4)所述中央控制模块包括上位机PLC可编程逻辑控制器和ARM处理器。

步骤(1)所述的机械手臂本体上还设有输入/输出模块，其包括按键控制模块、程序编辑模块和功能显示模块，通过数据总线与控制装置相互连接。

一种实施上述方法的五轴数控机械手臂，其包括一机械手臂本体，在该机械手臂本体上设有X轴手臂、Y轴手臂和Z轴手臂，分别在X轴、Y轴和Z轴上，通过伺服电机带动平移工作，在机械手臂本体上分别设有控制装置和机械手臂运行反馈装置，并通过CAN控制总线彼此连接，在所述Z轴手臂末端，设有一B、C轴运动机构，该B、C轴运动机构，通过伺服电机带动在B轴上旋转180°，在C轴上旋转360°；在所述控制装置包括依次连接的中央控制模块、数据运算模块、记忆存储模块和信号处理模块；其中所述中央控制模块和数据运算模块，通过SCI通信模块连接；在所述记忆存储模块中存有机械手臂运动最佳位置坐标；在所述中央控制模块中，嵌有控制算法公式：

θ_{L} (δ) = \frac{K_{m} (K_{p} + δ K_{v}) θτ (δ) - n R_{m} D (δ)}{δ^{2} R_{m} J_{off} + δ (R_{m} f_{off} + K_{m} K_{b} + K_{m} K_{v}) + K_{m} K_{p}}

其中：δ为拉普拉斯算子，R_m为伺服电机电阻，θL为负载轴的角位移，θτ为指令角位移，J_off有效惯性矩，f_off有效粘滞摩擦系数，n齿数比，K_m为力矩比常数，K_b为比例常数，K_p为位置反馈增益，K_v为误差微分反馈增益，D为扰动力矩；在所述数据运算模块中，嵌有高精度、高效数据运算算法，增量型PID算法，对数据进行预处理，逆运动学方程，对机械手臂的运动轨迹进行数学建模，三次多项式插值算法、空间直线插补算法和空间圆弧插补算法，对机械手臂实时运动轨迹进行计算，得出计算结果；所得计算结果，通过SCI通信模块传输至中央控制模块，中央控制模块通过调用记忆存储模块中预先设定的最佳坐标，与计算结果数值对比，对机械手臂的运动进行实时调整控制。

所述的B、C轴运动机构，包括两个伺服电机，伺服电机B和伺服电机C；所述伺服电机C，经过皮带传动机构，带动锥形齿，通过两个锥形齿传动，使运动机构在C轴做360°旋转；所述伺服电机B，经过两级皮带传动机构，使运动机构在B轴做180°旋转。

所述机械手臂运行反馈装置包括光电编码器和故障检测模块；光电编码器将机械手臂运行情况进行实时反馈，将反馈信号传输至控制装置中的信号处理模块进行处理，经信号处理模块处理完后，传输至数据处理模块进行计算，然后通过SCI通信模块将计算结果传输至中央控制模块，最后由中央控制模块对机械手臂进行调整控制；所述故障检测模块自动侦测故障并记忆故障编号，通过微调所运行时轴位置及自动累算运转次数实现自动报警功能，并跳出死循环运转状态，保障系统安全。

所述中央控制模块包括上位机PLC可编程逻辑控制器和ARM处理器。

所述机械手臂本体上还设有输入/输出模块，其包括按键控制模块、程序编辑模块和功能显示模块，通过数据总线与控制装置相互连接。

本发明的有益效果是：本发明通过在Z轴机械手末端设置一BC轴运动机构，并采用创新设计的控制方法，实现三维空间高效、快速、精确的取物。本发明采用对话式背光设计屏幕，并带省电功能，操作简单易懂；运转模数可设定，超标时自动报警，便于生产进度追踪记录及安排。

下面结合附图及实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是本发明的控制流程示意图；

图2是本发明B、C轴运动机构整体结构示意图；

图3是图2的内部结构示意图。

其中：1.伺服电机B2.伺服电机C3.皮带传动机构4.两级皮带传动机构5.锥形齿。

具体实施方式

实施例：参见图1至图3，本实施例提供的一种五轴数控机械手臂的制备方法，其包括以下步骤：

(5)在步骤(4)所述中央控制模块中，嵌入控制算法公式：

θ_{L} (δ) = \frac{K_{m} (K_{p} + δ K_{v}) θτ (δ) - n R_{m} D (δ)}{δ^{2} R_{m} J_{off} + δ (R_{m} f_{off} + K_{m} K_{b} + K_{m} K_{v}) + K_{m} K_{p}}

步骤(3)所述的B、C轴运动机构，包括两个伺服电机，伺服电机B1和伺服电机C2；所述伺服电机C2，经过皮带传动机构3，带动锥形齿5，通过两个锥形齿5传动机构，使运动机构在C轴做360°旋转；所述伺服电机B1，经过两级皮带传动机构4，使运动机构在B轴做180°旋转。

θ_{L} (δ) = \frac{K_{m} (K_{p} + δ K_{v}) θτ (δ) - n R_{m} D (δ)}{δ^{2} R_{m} J_{off} + δ (R_{m} f_{off} + K_{m} K_{b} + K_{m} K_{v}) + K_{m} K_{p}}

所述的B、C轴运动机构，包括两个伺服电机，伺服电机B1和伺服电机C2；所述伺服电机C2，经过皮带传动机构3，带动锥形齿5，通过两个锥形齿5传动，使运动机构在C轴做360°旋转；所述伺服电机B1，经过两级皮带传动机构4，使运动机构在B轴做180°旋转。

所述机械手臂运行反馈装置包括光电编码器和故障枪测模块；光电编码器将机械手臂运行情况进行实时反馈，将反馈信号传输至控制装置中的信号处理模块进行处理，经信号处理模块处理完后，传输至数据处理模块进行计算，然后通过SCI通信模块将计算结果传输至中央控制模块，最后由中央控制模块对机械手臂进行调整控制；所述故障检测模块自动侦测故障并记忆故障编号，通过微调所运行时轴位置及自动累算运转次数实现自动报警功能，并跳出死循环运转状态，保障系统安全。

但以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，并非用以局限本发明的专利范围，故凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变化，均包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种五轴数控机械手臂的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：

(2)在机械手臂本体上分别设置控制装置和机械手臂本体运行反馈装置，并通过CAN控制总线彼此连接；所述的机械手臂本体运行反馈装置，包括光电编码器和故障检测模块；光电编码器将机械手臂本体运行情况进行实时反馈，将反馈信号传输至控制装置中的信号处理模块进行处理，经信号处理模块处理完后，传输至数据处理模块进行计算，然后通过SCI通信模块将计算结果传输至中央控制模块，最后由中央控制模块对机械手臂本体进行调整控制；所述故障检测模块自动侦测故障并记忆故障编号，通过微调所运行时轴位置及自动累算运转次数实现自动报警功能，并跳出死循环运转状态，保障系统安全；

(3)在所述Z轴手臂末端，设置一B、C轴运动机构，该B、C轴运动机构，包括伺服电机B和伺服电机C，所述伺服电机C，经过皮带传动机构，带动锥形齿，通过两个锥形齿传动，使运动机构在C轴做360°旋转；所述伺服电机B，经过两级皮带传动机构，使运动机构在B轴做180°旋转；

(4)在所述控制装置中设置依次连接的中央控制模块、数据运算模块、记忆存储模块和信号处理模块；其中所述中央控制模块和数据运算模块，通过SCI通信模块连接；在所述记忆存储模块中存有机械手臂本体运动最佳位置坐标；

(5)在步骤(4)所述中央控制模块中，嵌入控制算法公式：

θ_{L} (δ) = \frac{K_{m} (K_{p} + {δK}_{v}) θ τ (δ) - {nR}_{m} D (δ)}{δ^{2} R_{m} J_{o f f} + δ (R_{m} f_{o f f} + {K_{1}}_{m} K_{b} + K_{m} K_{v}) + K_{m} K_{p}}

(6)在所述数据运算模块中，嵌入高精度、高效数据运算算法，首先采用增量型PID算法，对数据进行预处理，然后采用逆运动学方程，对机械手臂本体的运动轨迹进行数学建模，再依次采用三次多项式插值算法、空间直线插补算法和空间圆弧插补算法，对机械手臂本体实时运动轨迹进行计算，得出计算结果；

(7)步骤(6)所得计算结果，通过SCI通信模块传输至中央控制模块，中央控制模块通过调用记忆存储模块中预先设定的最佳坐标，与计算结果数值对比，对机械手臂本体的运动进行实时调整控制。

2.根据权利要求1所述的五轴数控机械手臂的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述中央控制模块包括上位机、PLC可编程逻辑控制器和ARM处理器。

3.根据权利要求1所述的五轴数控机械手臂的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的机械手臂本体上还设有输入/输出模块，其包括按键控制模块、程序编辑模块和功能显示模块，通过数据总线与控制装置相互连接。

4.一种实施权利要求1至3之一所述方法制备的五轴数控机械手臂，其特征在于，其包括一机械手臂本体，在该机械手臂本体上设有X轴手臂、Y轴手臂和Z轴手臂，分别在X轴、Y轴和Z轴上，通过伺服电机带动平移工作，在机械手臂本体上分别设有控制装置和机械手臂本体运行反馈装置，并通过CAN控制总线彼此连接，在所述Z轴手臂末端，设有一B、C轴运动机构，该B、C轴运动机构，包括两个伺服电机，伺服电机B和伺服电机C；所述伺服电机C，经过皮带传动机构，带动锥形齿，通过两个锥形齿传动，使运动机构在C轴做360°旋转；所述伺服电机B，经过两级皮带传动机构，使运动机构在B轴做180°旋转；在所述控制装置包括依次连接的中央控制模块、数据运算模块、记忆存储模块和信号处理模块；其中所述中央控制模块和数据运算模块，通过SCI通信模块连接；在所述记忆存储模块中存有机械手臂本体运动最佳位置坐标；在所述中央控制模块中，嵌有控制算法公式：

θ_{L} (δ) = \frac{K_{m} (K_{p} + {δK}_{v}) θ τ (δ) - {nR}_{m} D (δ)}{δ^{2} R_{m} J_{o f f} + δ (R_{m} f_{o f f} + K_{m} K_{b} + K_{m} K_{v}) + K_{m} K_{p}}

其中：δ为拉普拉斯算子，R_m为伺服电机电阻，θL为负载轴的角位移，θτ为指令角位移，J_off有效惯性矩，f_off有效粘滞摩擦系数，n齿数比，K_m为力矩比常数，K_b为比例常数，K_p为位置反馈增益，K_v为误差微分反馈增益，D为扰动力矩；在所述数据运算模块中，嵌有高精度、高效数据运算算法，增量型PID算法，对数据进行预处理，逆运动学方程，对机械手臂本体的运动轨迹进行数学建模，三次多项式插值算法、空间直线插补算法和空间圆弧插补算法，对机械手臂本体实时运动轨迹进行计算，得出计算结果；所得计算结果，通过SCI通信模块传输至中央控制模块，中央控制模块通过调用记忆存储模块中预先设定的最佳坐标，与计算结果数值对比，对机械手臂本体的运动进行实时调整控制。

5.根据权利要求4所述的五轴数控机械手臂，其特征在于，所述机械手臂本体运行反馈装置包括光电编码器和故障检测模块；光电编码器将机械手臂本体运行情况进行实时反馈，将反馈信号传输至控制装置中的信号处理模块进行处理，经信号处理模块处理完后，传输至数据处理模块进行计算，然后通过SCI通信模块将计算结果传输至中央控制模块，最后由中央控制模块对机械手臂本体进行调整控制；所述故障检测模块自动侦测故障并记忆故障编号，通过微调所运行时轴位置及自动累算运转次数实现自动报警功能，并跳出死循环运转状态，保障系统安全。

6.根据权利要求4所述的五轴数控机械手臂，其特征在于，所述中央控制模块包括上位机、PLC可编程逻辑控制器和ARM处理器。

7.根据权利要求4所述的五轴数控机械手臂，其特征在于，所述机械手臂本体上还设有输入/输出模块，其包括按键控制模块、程序编辑模块和功能显示模块，通过数据总线与控制装置相互连接。