教学型串—并混联装配机械手数控系统开发
叶如燕 张英 北京市仪器仪表工业学校
摘要:本文从教学实验的需要出发,分析了机械手的结构与工作原理,给出了其运动学逆解的数学模型.在此基础上开发了教学型串——并混联装配机械手数控系统,提出了适合并联机构控制的开放式数控系统总体框架,介绍了数控系统的硬件平台和软件构成, 对重要的软件模块的功能进行说明,并对数控软件开发的关键技术进行了阐述.
关健词: 教学实验 机械手 数控系统 轨迹规划 插补
一.引言
随着各类工业机器人不断进入市场,机器人系统不断升级,更新,机器人学作为一门综合了机械,电气,控制及计算机等诸多项技术与科学的新兴学科,在工程研究和应用领域受到越来越广泛的重视.社会对相应技术人才的要求也越来越高.如何培养适应社会需求的机器人技术应用人才,成为各工科院校机电类专业面临的一个急需解决的问题.因此许多单位和学校都自行研发了不同功能不同型号的教学型工业机器人(机械手).但大部分都是串联机构组成的, 由并联机构或串—并混联机构开发的教学型混联机器人的应用实例,迄今为止,国内很少见到.
并联构型的操作器,被认为是能够适应21世纪灵活多变生产环境的新一代高速,高柔性,高经济性的技术装备之一.但由于串联机器人和并联机器人在结构及许多功能特性上具有互补对偶关系,即许多并联机构的缺点正是串联机构的优点,而并联机构的优点却恰恰是串联机构的缺点.因此它们之间在应用上不是替代而是互补的关系,它们各自都有其特殊的应用领域.目前许多学者正致力于将这两种机构结合起来组成串——并混联式机器人,以此来扩大机器人的应用范围.所以混联机构是今后机器人领域的发展方向.而教学机器人是为人们学习机器人领域的各项最新技术服务的,应使学生们在教室中通过可以直接接触的教学机器人去感觉最新的机器人技术,机器人课程的目的才能真正得到实现."教学型串—并混联装配机械手"就是我校为配合传统教学方式的改革,适应机器人领域日新月异的发展趋势,进一步提高实验装备水平,丰富机器人教学及相应的实验内容,与天津大学合作联合研制开发的一种全新的,能够模拟实用样机功能的教学用机器人实验设备.
该机械手是采用串—并混联机构和开放式数控系统设计制造的教学型装配机械手,该系统集成了当代多项高新技术,既可以模拟生产线上自动装配机械手的工作过程,又可以满足教学实验的要求,同时还能体现世界先进技术和最新成果.通过教学实验系统的使用,可以更好的培养学生的创造性思维能力和实践动手能力.也可作为学生毕业设计或教师研究开发的平台,供教师进行教学和科研实验使用.
该实验设备数控系统采用开放式体系结构,可以根据用户需要配置最合适的控制系统,还可将用户的软件集成到系统控制器,实现系统的集成和扩展,同时也使系统的操作,维护更为方便.国外并联机构的数控系统多是基于底层核心代码完全公开的商用开放式数控系统建造的,价格昂贵.国内开发的商用开放式数控系统目前还无法满足并联机构运动控制的要求,因此研究开发适合并联机构运动控制的开放式数控系统对人才培养和高新技术的普及与推广具有重要的现实意义,并具有一定的社会和经济价值.本课题的开发分为机械手结构设计与控制系统设计两部分,本文结合教学型混联装配机械手的研制设计了相应的数控系统.
二.设计依据
教学实验概要
机器人技术知识面较广,要实验的内容较多,一门课程不可能都涉及到,本文从为学生毕业设计作知识准备和实际应用需要的角度出发,考虑了2类实验.它们分别是:
实验一:教师通过动画演示和实物分析使学生对串,并及混联机构的工作过程有动态,感性的了解,熟悉机械手及其数控系统;掌握串,并及混联机构各自的结构,特点,工作原理,运动规律,应用场合和三者的区别.
实验二:学生通过上机操作掌握串—并混联装配机械手的使用方法,实现机械手的各种运动和屏幕演示功能.包括:
(1)机械手按不同轨迹,不同速度移动和转动.
(2)机械手按不同方式和不同速度实现零件的自动装配.(按行 ,按列和随机装配);
(3)运用机器人语言编程实现对机械手运动的控制,分别完成(1)(2)两项功能.
机械手结构与工作原理
本实验系统的机械部分采用具有天津大学自主知识产权的,目前处于世界领先水平的Diamond并联机构开发.机械手机构外形及总体布局如图1所示.其中,Diamond并联机构本体是一种新型2平动自由度全铰接并联机构,由动静平台和两对支链组成,静平台通过两个支链与动平台连接,形成闭环并联结构.每个支链中包含主动杆组和从动杆组两个平行四边形机构,由一主动杆,一副主动杆,三根从动杆所组成.工作时,两个安装在静平台上的步进电机2,3分别带动两个支链中的主动杆组转动,并通过平行四边形的从动杆组使动平台在平面内作两自由度平动,通过更换在动平台上安装的气动手爪实现对不同类型物体的抓取,完成每行零件的快速装配;采用此机构可以针对实际工作情况,既可以独自完成2自由度的平动,也可与其他机构串联组成3自由度的平动.本实验系统的机械结构就是由Diamond并联机构与一直线运动进给机构串接组成的3自由度串—并混联机构.与其他的并联机械结构相比,这种基于少自由度并联机构的串—并混联布局具有结构简单,容易进行机构位置分析及动力学分析;可动部件质量小,惯性低,可获得高速,高精度;操作灵活,工作空间较大,工作空间内无奇异点等明显的优点.

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