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关于一款运料机械臂监控系统开发

添加时间:2018/12/24 来源:哈尔滨工业大学 作者:赵寒阳
本文的主要研究内容是关于一款运料机械臂的研发,期望实现减速器支承座的自动运料加工。取得的主要成果包括优化后的机械臂结构设计、机械臂样机以及经过样机实验验证的机械臂控制系统和监控系统,为运料机械臂的研制做好了铺垫。
  以下为本篇论文正文:

摘要

  行星齿轮减速器凭借其结构紧凑、效率高、承载能力强等优点被广泛应用于各个工业领域。左支承座作为减速器外壳的一部分,需要经历多道工序加工。由于工件尺寸大、加工时间长,工件上下料需要占用天车,加工过程中需要工人长时间驻守。为了降低生产成本,提高劳动效率,制造厂家对应用专用运料机械臂具有迫切需求。

  首先,为了提高运料机械臂的动态性能,对其原有结构进行了优化设计。利用拉格朗日方程建立了机械臂的运动微分方程,明确了影响固有频率的主要因素。

  以机械臂伸缩臂的尺寸作为优化变量,在 ANSYS Workbench 中完成了尺寸优化计算。并用 ANSYS 软件对优化后的运料机械臂进行了仿真分析,验证了结构优化的有效性。

  然后,设计了基于 PLC 的运料机械臂控制系统和基于 Kingview 的上位机监控系统。通过对控制系统的功能需求进行分析,搭建了控制系统硬件部分。设计了系统供电电路、PLC 接线电路和伺服电机驱动器接线电路。分析了机械臂的工作流程,制作了程序框图,并编写了 PLC 控制程序,对关键程序的原理进行了阐述。另外,利用 Kingview 设计了运料机械臂的监控系统,包含信息记录、监控面板和动态监控三大功能,可以实现信息的录入查询、机械臂及其关联设备的操作和状态监视以及整个运料系统的图形监控。

  最后,研制了运料机械臂的小型样机,模拟机械臂的实际工作环境进行布置,并利用样机完成了运料实验,验证了控制系统和监控系统的可行性和可靠性。

  关键词:机械臂;结构优化;控制系统;上位机监控

Abstract

  Planetary gear reducer is widely used in various industrial fields due to its compact structure, high efficiency and strong bearing capacity. As a part of the reducer housing, the left supporting seat needs to be processed through many processes.Because the workpiece size is large and the processing time is long, the upper and lower parts of the workpiece need to occupy the overhead crane, and the workers need to be stationed for a long time in the process. In order to reduce production costs and improve labor efficiency, manufacturers have an urgent need for the application of special industrial robots.

  First, in order to improve the vibration performance of industrial robots, the original structure is optimized. The motion differential equation of the robot is established by using Lagrange equation, and the main factors affecting the natural frequency are defined. Taking the size of robot telescopic arm as the optimization variable, the size optimization calculation is completed in ANSYS Workbench. ANSYS software is used to simulate the optimized manipulator and verify the rationality of the structure.

  Then, a manipulator control system based on PLC and a host computer monitoring system based on Kingview are designed. By analyzing the functional requirements of the control system, the hardware part of the control system is built.The system power supply circuit, PLC wiring circuit and servo motor driver wiring circuit are designed. The working process of the manipulator is analyzed, the program block diagram is made, and the PLC control program is compiled, and the principle of the key program is expounded. The monitoring system of the material manipulator is designed by using Kingview, which includes three functions such as information recording, monitoring panel and dynamic monitoring. It can realize information entry and query, manipulator and its related equipment operation and state monitoring, as well as the graphic monitoring of the whole transportation system.

  Finally, a small prototype of the manipulator is developed. The environment of the experiment is arranged according to the actual working environment of the analog manipulator, and the experiment is completed by using the prototype, and the feasibility and reliability of the control system and the monitoring system are verified.

  Keyword: industrial robot, structural optimization, control system, supervisory control

  工业自动化是一种综合性技术,涉及领域有工业控制、工程设备和计算机技术等,目的是优化工业生产过程并最终实现增产降耗和产品质量的提高,未来的发展中还将引入无线电技术以节约布线成本和时间[1]。工业自动化控制主要是指机械电气一体化集成控制技术、理论之间的相互综合[2]。近年来国家经济的飞跃带动了自动化进程的推进,中央政府相继出台的“十二五”发展规划、“中国制造 2025”显示了对机械臂技术的重视,国外机械臂企业也很看好中国市场,日本川崎重工投资近 100 亿日元在江苏苏州建厂[3],德国 KUKA 公司接受了美的公司的并购也将积极拓展中国市场,再加上我国在 2016 年每万名工人拥有的运料机械臂仅 68 台,低于全球水平的 74 台,更远低于欧、美、日等发达国家的数百台[4],发展空间巨大,可以预见国内的机械臂技术将会迎来一波发展高潮。因此对工业自动化、运料机械臂技术的研究,正是迎合时代背景具有实际意义的课题。行星齿轮减速器被广泛用于各种工业运输领域,它的最大特点是可以在尺寸小质量轻的条件下实现大功率传动[5]。行星齿轮减速器的制造精度要求较高,左支承座作为减速器外壳的一部分,所有表面都要求进行车削加工,工序不多但每道工序加工时间长,而且工件的尺寸、质量大,导致上下料需要占用天车,再加上项目所在工厂的数控部人员紧张,而采用立式车床加工大端面时又需要人工清理铁屑导致工人无法离开。

  工业机器人系统一般由任务、控制器、执行机构和环境四个相互作用的部分组成[8]。国内外对工业机器人的研究主要集中在控制器和执行机构上。Loske 等[9]提出将三维力传感器纳入控制系统中,从而通过用手引导机器人完成示教。Secil等[10]提出通过激光轮廓传感器让机器人感知工件外形,从而简化轨迹、运动规划的过程。Rubio 等[11]提出基于最优轨迹演化的高效轨迹生成法,能在复杂的工作环境中快速实现无碰撞轨迹生成。Kaltsoukalas 等[12]提出一种智能搜索理论降低编程难度,能让机器人一定程度上自动选择运动路径以及调整末端操作器的姿态。

  Ding 等[13]利用有限状态自动机(Finite State Automata, FSA)实现了多机器人间的协作,拓展了多机器人实现协作的方法。Klimchik 等[14]提出了一种新的机器人标定实验设计方法,并对一个准串联重载机器人进行了静态标定。Mendes[15]在机器人的力/运动混合控制系统中加入了自适应模糊控制算法,让机器人顺利应对了与环境发生接触时的情形。李健[16]研制了圆柱坐标型的齿轮送料运料机器人,并完成了运动学分析和现场调试。张博[17]设计了直角坐标型的注塑机械手,并进行了结构优化和振动抑制的探索。

  关节型机器人凭借其结构紧凑、灵活性好等优点占据了工业机器人的大部分市场,也成为了国内外学者的重点研究对象。不过这种机器人存在运动学模型复杂、控制难度高、研发成本高等缺点,对于在结构化环境中完成单一任务的场合,由于对机器人的空间利用率和灵活性要求不高,具有控制简单、研发周期短、成本低等优点的直角坐标型机器人显然更具优势。作为本文研究对象的运料机械臂也是直角坐标型机器人。一个机构的性能和结构息息相关,而各个性能之间又往往存在互相冲突无法同时实现最优。所以结构优化的目的就在于通过调整结构来对各个性能进行协调,最终实现在满足所有性能需求的同时使某些性能达到最优。

  结构优化可以分为静态优化和动态优化两种[18]。静态优化主要关注结构的静态力学指标,如静强度、刚度、灵巧度等;动态优化主要关注结构的动态响应指标,如固有频率、关节力矩等。优化形式主要有三种,即尺寸优化、形状优化和拓扑优化[19],三种优化形式的特点如表 1-1 所示。三种优化形式的难度逐渐增加,其中尺寸优化的设计变量为结构尺寸,理论算法也比较成熟。拓扑优化的设计变量为单元密度,优化方法有密度法和变厚度法等,实际使用时通常借助优化软件,如 ANSYS 或者 OptiStruct。

  进行结构优化计算时,最常用的算法是启发式算法,包括粒子群算法、遗传算法和神经网络法。其中遗传算法是基于自然选择和遗传进化思想的自适应启发式搜索算法[20],用于结构优化时还存在许多改进版本,如非支配精英排序遗传算法(NSGA-II)、多目标遗传算法(MOGA)等。赵欣翔[21]在考虑关节柔性的基础上建立了 6 自由度浇注机器人的动力学模型,将振动性能、静刚度性能和速度综合性能作为目标函数用 NSGA-II 完成了优化模型求解。Ghiorghe[22]以轻量化为目标,以尺寸数据为设计变量,用递归有限元分析确定了 3R 机器人的最优设计参数。Hong[23]利用遗传算法对三轴机器人的腕关节进行了结构优化,在满足许用应力的条件下减轻了腕关节的重量。

  运料机械臂系统界面演示:

监控系统登录界面
监控系统登录界面

信息记录界面
信息记录界面

监控面板界面与程序流程图
监控面板界面与程序流程图

运料机械臂动态监控界面
运料机械臂动态监控界面

运料系统整体状态监控界面
运料系统整体状态监控界面

历史记录查询界面
历史记录查询界面

报表系统界面
报表系统界面

报警系统界面
报警系统界面

运料机械臂样机模型
运料机械臂样机模型

目 录

  摘 要
  ABSTRACT
  第 1 章 绪 论
    1.1 课题背景及研究目的和意义
    1.2 国内外在该方向的研究现状及分析
      1.2.1 工业机器人概况
      1.2.2 结构优化综述
      1.2.3 计算机监控与组态软件
    1.3 本课题的主要研究内容
  第 2 章 运料机械臂的结构组成与优化
    2.1 引言
    2.2 机械臂结构组成及工作原理
      2.2.1 机械系统总体设计方案
      2.2.2 运料机械臂结构及组成部分
    2.3 运料机械臂结构优化
      2.3.1 机械臂振动问题分析
      2.3.2 机械臂振动方程推导
      2.3.3 基于 ANSYS 的机械臂结构优化
      2.3.4 机械臂结构优化结果与评估
    2.4 本章小结
  第 3 章 运料机械臂控制系统设计
    3.1 引言
    3.2 运料机械臂控制系统功能分析
    3.3 运料机械臂控制系统硬件选型
      3.3.1 PLC 型号选择与 I/O 端口分配
      3.3.2 传感器和以太网通信模块选型
    3.4 运料机械臂控制系统硬件电路设计
      3.4.1 机械臂控制系统供电电路设计
      3.4.2 控制系统 PLC 连接电路设计
      3.4.3 控制系统电机驱动器接线电路设计
    3.5 运料机械臂控制系统软件设计
      3.5.1 机械臂控制系统软件功能分析
      3.5.2 机械臂控制系统的手动程序与复位程序
      3.5.3 机械臂控制系统的控制算法与自动程序
    3.6 本章小结
  第 4 章 基于组态软件的上位机监控系统开发
    4.1 引言
    4.2 Kingview 简介
    4.3 基于 Kingview 的机械臂监控系统开发
      4.3.1 Kingview 中的设备通讯设置及变量定义
      4.3.2 机械臂监控系统图形界面设计
    4.4 本章小结
  第 5 章 样机搭建与实验
    5.1 引言
    5.2 运料机械臂样机研制
      5.2.1 机械臂样机机械结构设计与选型
      5.2.2 运料机械臂样机硬件电路设计
    5.3 机械臂样机运料实验
    5.4 样机运料实验结果分析
      5.4.1 控制系统控制算法验证与功能测试
      5.4.2 机械臂样机的效率与精度测试
    5.5 本章小结
  结 论
  参考文献
  哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限
  致 谢

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