機(jī)器助人——三軸搬運(yùn)碼垛機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研制

文浙江省安吉縣高級中學(xué)郭靜遠(yuǎn)王晨煥應(yīng)正浩黃易單洪天樂張笑語劉鈺青童瀟

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機(jī)器助人——三軸搬運(yùn)碼垛機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研制

文浙江省安吉縣高級中學(xué)郭靜遠(yuǎn)王晨煥應(yīng)正浩黃易單洪天樂張笑語劉鈺青童瀟

如今，社會正步入機(jī)器人時代，在浙江，“機(jī)器換人”的口號也越喊越響，連我們的家鄉(xiāng)，一個小小的縣城也有很多工廠、企業(yè)開始用機(jī)器人替換人工。

每逢節(jié)假日都會出現(xiàn)勞動力暫時短缺的現(xiàn)象，而機(jī)器人不用放假休息，效率很高，且不用付工資，只要用電“喂飽”它就可以了。于是，我們也想做一個能幫助人們搬運(yùn)貨物的機(jī)器人。

一、準(zhǔn)備工作

1.制作材料

密度板、電線、光軸（有滑塊）、步進(jìn)電機(jī)、限位開關(guān)、指示燈、蜂鳴器、控制器、螺絲、螺母、自制電磁鐵等。

2.使用工具

銼刀、老虎鉗、榔頭、螺絲刀、立式鉆床、電烙鐵、鋸子等。

二、設(shè)計(jì)制作

機(jī)器人的框架以木材為主，由于三合板并不牢固，于是改用從廢舊桌椅上拆下來的密度板，利用釘子將它們合理組合，并留下足夠的發(fā)揮空間。

我們設(shè)計(jì)的機(jī)器人通過三個坐標(biāo)系運(yùn)作，所以三個坐標(biāo)所在的木框必須相互垂直，一旦某個軸有偏差，該軸上電機(jī)移動的工作都將失去精準(zhǔn)。

郭靜遠(yuǎn)、應(yīng)正浩和張笑語經(jīng)過仔細(xì)測量后，用鉛筆在木板上標(biāo)出打孔點(diǎn)，并用立式鉆床打孔。為防止打偏，先鉆小孔，對準(zhǔn)后快速旋轉(zhuǎn)鉆床右邊的把手，使鉆頭快速下降并返回，盡量避免偏差。

考慮到如果就這樣旋進(jìn)螺絲，螺帽會凸出木板外，影響整體美觀，所以用鑰匙旋下小鉆頭，換上稍大一點(diǎn)的鉆頭打出沉孔。沉孔與打孔不同，只需把鉆頭對準(zhǔn)小孔，接觸后放松木板，鉆頭會自動調(diào)整以對準(zhǔn)中心，沉孔沉到一定位置應(yīng)立刻結(jié)束，避免打穿木板。

在指導(dǎo)老師的幫助下，我們終于做出了一個像模像樣的機(jī)器人框架。接下來是電路的調(diào)試安裝。

1.測試電機(jī)的線路連接

先將步進(jìn)電機(jī)上的導(dǎo)線區(qū)分開，并用萬能表的2個表棒分別接觸8個彩色線頭，通過觀察萬能表指針的轉(zhuǎn)動，辨別電機(jī)內(nèi)部的線路，為下一步的連接做準(zhǔn)備。

要想機(jī)器人能完成搬運(yùn)工作，還需給它安裝一個能抓東西的執(zhí)行裝置，我們決定自制一個電磁鐵。

雖然初中就已學(xué)過電磁鐵，但自己制作還是第一次，得用極細(xì)的金屬絲緊緊纏繞在卷軸上，還要保證它不斷，非常麻煩。在大家的努力下，電磁鐵終于完成了。

要讓機(jī)器人動起來還需編程。初次接觸PMC配置軟件，我們對此一無所知，王晨煥同學(xué)抱著必勝的信念，在研究了厚厚的一沓資料后開始上手操作。幾次修改和調(diào)試后，機(jī)器人終于能動起來了。

機(jī)器人成功搬運(yùn)，小組開心合影

2.測試盒子的研究

最初我們想用白盒子內(nèi)附一塊鐵皮進(jìn)行測試，張笑語、童瀟將金屬夾拆開、錘平，并鋸成小塊鐵皮，但粘上后效果不佳，且電磁鐵吸引的位置有偏差。有同學(xué)提議用硬幣嘗試，又因盒子太重而失敗。最后黃易單從家里帶來一些金屬盒，由劉鈺青裝飾后最終完成。

3.主要核心元件

①三軸聯(lián)動PLC型運(yùn)動制器PMC- 20MT- 3

PMC是可編程運(yùn)動控制器，集成了PLC與運(yùn)動控制器雙重功能，而且編程方法簡單。該控制器可控制三個電機(jī)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位、連續(xù)、聯(lián)動等功能，同時具有循環(huán)、跳轉(zhuǎn)等功能，還能連接電腦軟件，實(shí)現(xiàn)電腦模擬控制、軟件分布調(diào)試、示教等功能，廣泛應(yīng)用于自動化控制行業(yè)。

使用前，需在電腦上安裝PMC下載驅(qū)動程序。我們使用485數(shù)據(jù)線將PMC與電腦連接，打開設(shè)備管理器，找到端口后進(jìn)入高級設(shè)置，更改次端口號，就可在已下載的程序上編程。機(jī)器人有了“靈魂”，就能完成指定的任務(wù)了。

②步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行裝置。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，就會驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（稱為“步距角”），它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。同時通過控制脈沖頻率控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，可達(dá)到調(diào)速和定位的目的。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器采用單極性直流電源供電。只要對步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時序通電，就能使其步進(jìn)轉(zhuǎn)動。下圖是步進(jìn)電機(jī)工作原理示意圖。

步進(jìn)電機(jī)工作原理示意圖

滾珠絲杠由螺桿、螺母等組成，它的功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動，當(dāng)滾珠絲杠作為主動體時，螺母隨絲桿的轉(zhuǎn)動角度按照對應(yīng)規(guī)格的導(dǎo)程轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動，被動工件可以通過螺母座和螺母連接，從而實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的直線運(yùn)動。

三軸聯(lián)動PLC型運(yùn)動制器PMC- 20MT- 3采用研宏P(guān)MC專業(yè)配置軟件編程，界面簡潔，方便操作，新手入門快，能根據(jù)我們設(shè)計(jì)的動作編寫控制邏輯和各種參數(shù)，讓機(jī)器人完美地動起來。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器TB6560的設(shè)置比較可行，通過查看使用手冊，我們在電流設(shè)置、自動半流設(shè)置、細(xì)分設(shè)置、衰減設(shè)置等方面進(jìn)行了各種組合的操作試驗(yàn)，終于找到合適的數(shù)據(jù)，并撥碼設(shè)置好，使步進(jìn)電機(jī)能安全有效地運(yùn)行。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器實(shí)物圖

三、工作原理

本機(jī)器人采用直角坐標(biāo)來定位，通過x，y，z三維坐標(biāo)的移動，使機(jī)械手能到達(dá)三維空間的任意位置，從而使物體被搬運(yùn)到三維空間的任意位置。

為保證這一點(diǎn)，我們采用硬軟件相結(jié)合，硬件以木框?yàn)榛A(chǔ)搭載x，y，z軸所需要的光軸、絲桿、步進(jìn)電機(jī)組成的運(yùn)動機(jī)構(gòu)，以及位置配套的控制器、驅(qū)動器和電源。軟件采用PMC運(yùn)動控制卡軟件，通過編程、485下載線程序下載到控制器，由它發(fā)出指令控制運(yùn)行，使其有能力執(zhí)行人的命令。（指導(dǎo)老師：汪文峰程國祥江玲玲）

看看我們的機(jī)器人，是不是很帥