一款并聯(lián)工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)

陳文華 陳煒鑌 梁志聰

（廣州城建職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州510925）

1 研究背景

自從1961 年推出第一臺工業(yè)機(jī)器人以來,機(jī)器人技術(shù)發(fā)展相當(dāng)迅速，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車制造、電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)、核工業(yè)、服務(wù)業(yè)和醫(yī)療衛(wèi)生等許多方面。1985 年,Clavel 設(shè)計(jì)了第一款Delta 并聯(lián)機(jī)器人。Delta 并聯(lián)機(jī)器人是一種具有3 個平動自由度的高速并聯(lián)機(jī)器人，具備結(jié)構(gòu)緊湊穩(wěn)定，精度高，機(jī)器剛性高，承載能力大的特性。本設(shè)計(jì)完成一款并聯(lián)工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 并聯(lián)工業(yè)機(jī)器人外形圖

2 并聯(lián)機(jī)器人設(shè)計(jì)

2.1 并聯(lián)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

并聯(lián)機(jī)器人通過控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動從而實(shí)現(xiàn)下運(yùn)動平臺運(yùn)動，下運(yùn)動平臺可以安裝吸盤和機(jī)械收等裝置。如圖2 所示：1 上固定平臺；2 步進(jìn)電機(jī)；3 電機(jī)接頭；4 電機(jī)支架；5 主動臂；6 球鉸接；7 從動臂；8 下運(yùn)動平臺；9 限位開關(guān)。并聯(lián)機(jī)器人通過下運(yùn)動平臺上安裝的吸盤或機(jī)械手，來可吸取或抓取產(chǎn)品。上固定平臺下方對稱固定3 個步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)通過電機(jī)接頭與主動臂相連接，主動臂通過球鉸接與從動臂相連，從動臂另一端通過球鉸接與下運(yùn)動平臺相連，并且下運(yùn)動平臺與上固定平臺平行，如圖3 所示。

2.2 并聯(lián)機(jī)器人電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

并聯(lián)機(jī)器人電源系統(tǒng)原理圖，如圖4 所示。首先接入220V的交流電源，在通過CANNY WELL，CANNY WELL 是一個濾波器，經(jīng)過濾波器之后就到總開關(guān)?？傞_關(guān)出來是一個由變壓器220V（300W），變壓器出來的電壓是交流大約是48V，之后經(jīng)過一個兩個3000uF 一個電阻的濾波，然后給三個步進(jìn)驅(qū)動器供電，確保電壓滿足驅(qū)動器要求，以防電壓過高燒壞驅(qū)動器和步進(jìn)電機(jī)。圖5 是急停按鈕和開關(guān)按鈕，急停按鈕是停止步進(jìn)電機(jī)，急停按鈕的輸入端連到步進(jìn)的DIR 和STEP，防止撞機(jī)行為。而開關(guān)按鈕是負(fù)責(zé)控制控制系統(tǒng)的電源。

圖2 并聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖（1）

圖3 并聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖（2）

圖4 并聯(lián)機(jī)器人電氣控制原理圖

圖5 急停按鈕和開關(guān)按鈕

2.3 步進(jìn)電機(jī)控制原理圖

步進(jìn)電機(jī)分為兩類，分別有42 步進(jìn)和57 步進(jìn)。本次設(shè)計(jì)選用的是42 步進(jìn)電機(jī)。42 步進(jìn)電機(jī)是混合式步進(jìn)電機(jī)中用量最大的品種，產(chǎn)品性價(jià)比比較高，所以會優(yōu)先考慮。如果在中低速場合使用,建議把電機(jī)串聯(lián)接線,在串聯(lián)接線時(shí),電阻變成2 倍,電感是4 倍,額定電流0.7 倍，保持力矩是1.4 倍，如圖6 所示。

圖6 步進(jìn)電機(jī)控制原理圖

2.4 并聯(lián)機(jī)器人主控制系統(tǒng)

并聯(lián)機(jī)器人主控制系統(tǒng)是由0120052、CT6N137、0170052、AMS1117DN811、SCM848PLS、SP3435E 芯片、兩個電解電容組成，如圖7 所示。在最下面那一端PV01、DV01 分別接到我們步進(jìn)驅(qū)動器的DIR+端和STEP+端，并且CT6N137 和0170052 芯片都是對應(yīng)每一個不同的驅(qū)動器。電腦通過RS485 對機(jī)器人進(jìn)行控制，電腦是主站，控制系統(tǒng)是從站，主站給信號從站來執(zhí)行命令。最上面那一段有兩個接口是接到吸盤，并且由SP3435E芯片來控制。兩端限位接口和7 端是接到步進(jìn)EN+、8 端是接到步進(jìn)的STEP-，兩端限位還短接一個急停按鈕的輸入端，用于防止撞機(jī)行為發(fā)生。

圖7 并聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng)

2.5 并聯(lián)機(jī)器人通訊設(shè)計(jì)

Modbus 是一種串行通訊協(xié)議，于1979 年為使用可編程邏輯控制器（PLC）通訊而發(fā)表。Modbus 是工業(yè)領(lǐng)域通訊協(xié)議的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)（De facto），是目前比較常用的通訊方式。Modbus 協(xié)議目前存在用于串口、以太網(wǎng)以及其他支持互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)的版本，大多數(shù)Modbus 設(shè)備通訊通過串口EIA-485 物理層進(jìn)行。在調(diào)試過程中，遵循Modbus 通訊過程，采用MODBUS-RTU 指令，使用讀寄存器命令（03）和寫寄存器命令（06）及寫多個寄存器指令（10），如圖8 所示。主機(jī)：與并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行通訊的設(shè)備，計(jì)算機(jī)。它在485 總線上發(fā)起命令。從機(jī)：響應(yīng)主機(jī)命令的設(shè)備，在此指機(jī)器人的控制器。它在收到主機(jī)的命令后，根據(jù)命令做出響應(yīng)。

圖8 串口通信

系統(tǒng)采用循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)來檢測或校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸或者保存后可能出現(xiàn)的錯誤。它是利用除法及余數(shù)的原理來作錯誤偵測的。

3 結(jié)論

本文從并聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)、步進(jìn)電機(jī)控制、主控制系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。并聯(lián)機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)緊湊穩(wěn)定，進(jìn)度高，機(jī)器剛性高，承載能力大。廣泛應(yīng)用于汽車制造、電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)、核工業(yè)、服務(wù)業(yè)和醫(yī)療衛(wèi)生等許多方面。