7-2013-高校设计大赛-培训教材解析

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,“Omron杯”Sysmac自动化掌握应用设计大赛培训教材,发表单位: 欧姆龙自动化(中国),发表人: 唐奇志,2,名目,一、,主流工业机器人介绍,二、,机器人运动学原理介绍,三、 Demo机构造介绍,四、,电气,组成,介绍,五、竞赛要求介绍,六、掌握原理介绍,3,1.SCARA水平机器人,2.,直交机器人,一,.,主流工业机器人介绍,3.,串联式机器人,4.,并联式机器人,当前工控界比较常见的主流机器人有以下几种：,4,1.SCARA水平机器人,SCARASelective Compliance Assembly Robot Arm，中文译名：选择顺应性装配机器手臂是一种圆柱坐标型的特殊类型的工业机器人。也有人叫做水平关节型机器人。SCARA机器人有3个旋转关节，其轴线相互平行，在平面内进展定位和定向。另一个关节是移动关节，用于完成末端件在垂直于平面的运动。这类机器人的构造轻松、响应快，比一般关节式机器人快数倍。它最适用于平面定位，垂直方向进展装配的作业。例如，快速将一件小物件从一条输送带移动到另一条输送带上并排列好。,2.直交机器人,直角坐标机器人概念：工业应用中，能够实现自动掌握的、可重复编程的、多功能的、多自由度的、运动自由度间成空间直角关系、多用途的操作机。他能够搬运物体、操作工具，以完成各种作业。 直角坐标机器人的特点：1， 多自由度运动，每个运动自由度之间的空间夹角为直角。2， 自动掌握的，可重复编程，全部的运动均按程序运行。3， 一般由掌握系统、驱动系统、机械系统、操作工具等组成。4， 敏捷，多功能，因操作工具的不同功能也不同。5， 高牢靠性、高速度、高精度。6， 可用于恶劣的环境，可长期工作，便于操作修理。,一,.,主流工业机器人介绍,5,3. 串联式机器人,串联式机構是一個開放的運動鏈open loop kinematic chain，其全部的,運動桿件並沒有形成一個封閉的結構鏈，串聯式機構特點包括：,1. 工作空間大。,2. 運動分析較简洁。,3. 可避开驅動軸之間的耦合效應。,4. 機構各軸必須獨立掌握，並且需搭配編碼器與感測器用來提高機構運動,時的精準度。,4. 并联式机器人,並聯機器人和傳統工業用串聯機器人在應用上構成互補關係，它是一個封閉的運動鏈close loop kinematic chain，和串聯機器人相比較，並聯機器人具有以下特點：,1. 不易有動態誤差，無累積誤差，精度較高。,2. 運動慣性小。,3. 結構緊湊穩定，輸出軸大部份承受軸向應力，機器剛性高，承載力量大。,4. 為熱對稱性結構設計，熱變形量較小。,5. 在位置求解上，串聯機構正解简洁，反解困難，而並聯機構正解困難，反解简洁。,6. 工作空間較小。,7. 驅動裝置可置於定平台上或接近定平台的位置，這樣運動局部重量輕，速度高，動態響應好。,8. 完全對稱的並聯機構具有較好的各向同性。,根據這些特點，並聯機器人在需要高剛度、高精度、大荷重、工作空間精簡的領域內得到了廣泛應用。,主流工业机器人介绍,6,机器人运动掌握以运动学正解和运动学反解为根底。,所谓运动学正解就是：知道机器人每根轴的旋转角度，推算出机器人的空间姿势以及工作端的空间位置。,以串联式机器人为例： 每个手臂的长度、角度，则能逐个计算出每个手臂前端的空间位置，直至末端的空间位置。(见以下图),1,2,3,4,(X1,Y1),(X2,Y2),(X3,Y3),(X4,Y4),二,.,机器人运动学原理介绍,X,Y,：1、2、3、4 ; L1、L2、L3、L4,求解：(X4,Y4),L1,L2,L3,L4,7,所谓运动学反解就是：,知道机器人的末端位置，反过来推算每根轴的旋转角度,以,2,轴并联机器人为例：,机器人运动学原理介绍,1,(X,Y),2,Lb,Lt,: Lt、Lb (X,Y),求解：1、2,X,Y,8,2,轴并联机器人的正解：,副手臂的运动范围为圆，求,2,个圆的交集,1,(X,Y),2,机器人运动学原理介绍,X,Y,1,2,依据 1、2 ; Lt、Lb 计算出 1、2 的圆方程,联立这两个圆方程，计算出(X,Y),Lt,Lb,9,思维扩展：,Delta,机器人的正解 求,3,个球面的交集,机器人运动学原理介绍,三. Demo机构造介绍,组成：此次竞赛用的2自由度并联机械手，涉及设备较多，而且每台做工有差异，在进展实际动作之前需要进展一些构造上的调整，以保证后续的动作能够准确、快速的实现。以下是实物图以及主要组成介绍：,主动臂,从动臂长平衡杆,平动盘,放置A点铁片托盘,障碍物,放置B/C点铁片托盘,减速机减速比1:33,电磁铁磁力由电压掌握,平衡杆短,小铁片,1,9,2,3,6,4,5,7,8,10,10,三. Demo机构造介绍,组成：小铁片被抓取对象主体由铁制作，外裹一层白色塑料套。,外观一面是铁的，带突起，一面是凹的，如以下图示：,小铁片正面,小铁片反面,小铁片斜面,小铁片堆,三. Demo机构造介绍,组成：小铁片的放置点-托盘，如以下图示：,小铁片托盘图例A点、另外有B/C点,作用：在放置时，小铁片有突起的那面朝下，与托盘的中心点对准，这样，托盘的中心凹点有一局部作用力是用来稳固小铁片堆的，让之不轻易倒下。,留意：在调试时，托盘两边的螺丝可以调整其前后位置，以便铁片能准确被放入托盘中心点。,Demo机构造介绍-机械动作流程,机构单次动作流程,：,电机旋转,联轴器动,主动臂动,从动臂动,平动盘动,铁片移放,完成,平衡杆调整,电磁铁吸放,LOOK!,机械的机动性与人体骨骼动作流程类似。,动作不流畅，或者有异声时则应当对机构进展检查,在初次建立原点后则不应当再手动调整平衡调整杆，否则会影响动作准确度。,由于机械手可以高速运行，使用时留意安全！,13,Demo机构造介绍-机械调整,机械手调整：设备在 出厂时或者移动后，会觉察平动盘不是水平位置，这时在掌握放置铁片时会产生位置差异，不能准确放置在目标点，这就需要对机械手进展微调以实现较好的掌握。调试方式如下：,以右臂为例;,抱闸抱紧状态下，先检查a处联轴器的松紧度，拧紧螺丝，防止机械手在高速动作时震惊。,平动盘假设不水平，则调整机械手。,松开抱闸，,松开b处螺丝，放松从动臂，,松开c处螺丝，放松平衡杆，,调整d处螺丝，看到右臂高度变化，从而调整平动盘的水平度。,反复调整，直到平动盘保持水平。,a,b,c,d,14,Demo机构造介绍-机械调整,铁片托盘调整：在机械手带动铁片移动后，需要放置到白色塑料铁片托盘的中心点上，由于是平面运动，这时假设托盘倾斜或者位置有偏差，则会影响每次放置的准确性。所以，在调试过程中，需要对托盘进展调整。方式如下：,以A点托盘为例;,手动掌握电磁铁吸住一个铁片最好吸在电磁铁的正中心，手动模式掌握电机移动机械手到A点近上空,松开电磁铁，假设觉察铁片掉在A点中心孔之外，则需要调整托盘的位置,不断松紧托盘两头螺丝，前后移动调整托盘位置，直到铁片能准确掉在A点圆孔里。,同样的方式调整B/C点托盘，直到最终掌握吸放铁片的最正确效果。,15,Demo机构造介绍-机械调整,障碍调整：在竞赛时，机械手需要越过中间的障碍物。调试时应当调整障碍的高度。,松紧a处调整螺丝，可以调整障碍栏杆的高度，高度是由竞赛时确定的，所以调试时应当测试一下高度极限。,留意：在调试时，障碍物底座不应当用螺丝固紧，防止机械手撞击障碍时撞坏。,f,d,e,d,:,障碍底座,e,：障碍栏杆,f:,调整螺丝,16,四、,电气,组成,介绍,在开头调试前需要知道设备的电气组成，以便掌握与修理。,电气组成介绍包括三方面：,2、掌握回路,3、HMI掌握,1,、,网络构成,17,电气组成介绍-网络构造,网络构造图,NJ501-1500,R880-KN04H-ECT-Z *2,NS8-TV01,R88M-K40030H-S2-Z *2,PC,For monitor and control),18,电气掌握介绍-掌握回路,掌握回路图：,NJ501-1500,伺服驱动,NS8-TV01,伺服电机,中间,继电器,电磁铁,抱闸,抱闸,急停,总开关,19,电位器,20,电气掌握介绍-HMI掌握,在竞赛与调试时，全部竞赛方的软件操作都在HMI触摸屏上进展。竞赛进展时不得修改与监控程序。所以，触摸屏上必需包括全部的动作与参数设置控件。以下是例如主菜单界面：,21,电气掌握介绍-HMI掌握,应当包括的控件与功能参考如下：,抱闸：用于松开电机抱闸的控件按钮。,伺服锁定：用于伺服锁定的控件按钮。,设置原点：用于设置伺服初始原点的控件按钮。,清错：用于去除全部报警错误可包括数据初始化按钮。,22,电气掌握介绍-HMI掌握,应当包括的控件与功能参考如下：,点动：用于掌握机械手点动的控件按钮。,点动速度：用于设置点动速度的控件按键输入。,目标位置：用于设置机械手移动目标点坐标的控件按键输入。,实际位置：用于显示机械手移动时当前位置坐标显示的控件。,回原点：用于机械手回到原点的控件按钮。,23,电气掌握介绍-HMI掌握,应当包括的控件与功能参考如下：,路径示教：用于示教的功能。,此功能用来示教预置机械手的行走路径。例如A-B，猎取A点四周坐标与B点四周坐标，设定相应高度后，在程序里用功能块实现相应的机械手路径。,设定厚度：用于设定铁片厚度的控件按键输入。,循环次数设定：用于设置机械手,A-B-A-C-A,循环次数的控件按键输入。,当前循环次数：用于显示机械手当前完成循环次数的控件显示输出。,完成片数：用于显示机械手当前完成吸放铁片数的控件显示输出。,设定高度：用于设定机械手能够安全越过障碍物的高度的控件按键输入。,24,电气掌握介绍-HMI掌握,应当包括的控件与功能参考如下：,Stop：用于停顿机械手动作的控件按钮。,极限：用于显示机械手是否超过范围爱护极限位置的控件显示输出。,以上功能仅做参考，具体制作时，应当在竞赛要求下尽量制作完整的掌握功能。,Autorun：用于掌握示教动作自动运行的控件按钮。,25,电气掌握介绍-仿真演示,仿真演示是,NS,触摸屏程序、,NJ Studio,软件程序的联合模拟演示，如下：,26,五、竞赛要求介绍-初赛,初赛作品评审标准,项目,功能要求,合否,在符合操作流程的前提下进行以下项目的评审,程序中必须包含,LD,语言,ST,语言，,Motion FB,编写机械手仿真程序：编写能够通过,Data Trace,功能把机械手轨迹仿真出来的程序,通过网络变量编写,NS,触摸屏程序（具体功能见,NS,触摸屏程序要求）,机械手指定位置绝对移动程序（在机械手允许的活动范围内，输入目标点的坐标，机械手可以运动到指定位置）,点动程序（通过点动按钮可以实现机械手上下左右点动）,机械手活动范围超出判断报警程序（设置机械手活动范围以外的位置时候，机械手不动作）,机械手自动程序（按下,自动,启动按钮后，机械手先将,A,点铁片搬运到,B,点，铁片全部搬运完毕后，机械手回到初始位置，之后在将,B,点铁片全部搬回到,A,点。机械手再次回到初始位置，将,A,点铁片搬运到,C,点，机械手回到初始位置，之后再将,C,点铁片全部搬回到,A,点。重复此循环动作。）,运动学,正,推程序（编写能够根据主动臂伺服旋转角度推出平动盘坐标的程序）,27,竞赛要求介绍-初赛,注：假设无全部满足，以满足工程多少进展评定,初赛作品评审标准,项目,功能要求,合否,备注,NS,触摸屏程序要求,A B C,三点坐标在,NS,程序中可以任意设置,铁片厚度和屏蔽高度在,NS,程序中可以任意设置,机械手绝对移动目标点的坐标和绝对移动按钮最在,NS,程序中,机械手上下左右点动按钮要做在,NS,程序中,要在,NS,程序中显示机械手活动范围超限报警信息,机械手手动运行按钮（,A,点到,B,点手动按钮，,A,点到,C,点手动按钮）要做在,NS,程序中，运行的次数（,A,点到,B,点运行次数，,A,点到,C,点运行次数）可以在,NS,程序中任意设置,当前已搬运个数在,NS,触摸屏上显示,（累计）,机械手要具备停止功能并在,NS,触摸屏上实现,机械手坐标和运动轨迹要在,NS,触摸屏上实时显示,28,竞赛要求介绍-决赛,决赛现场评审标准,项目,功能要求,分值,备注,PPT,形式工程演示（,10,分钟,）,（,25,分）,工程背景,5,总计,150,分,PLC,控制编程思想及技巧,20,2,、 工程答辩（,10,分钟）,（,10,分）,决赛现场解答专家评审针对作品提出的问题。,10,3.,实操调试（,40,分钟）,（,105,分）,电气接线：,包括,NJ,与继电器，,NJ,与伺服，继电器与电磁铁之间的接线,5,PLC,控制：,PLC,控制程序调试,10,人机界面：组态监控界面的简单设计与调试,10,运行：指定时间完成调试，按下自动按钮后，在相同的时间内,成功搬运铁片个数,最多方获胜,80,4,、,其他（,10,分）,工程演示表达能力,5,实操调试团队配合,5,决赛时评审标准如右表所示。,包括4大块：PPT工程演示、工程辩论、实操调试、其他。,竞赛总时长掌握在1个小时以内，总分150。,29,六、掌握原理介绍,有几个关键点与难点需要讲解：,3,、,定义原点,4,、原点返回,1,、目标点移动的实现,2,、运动轨迹的实现,5,、自动运行,30,掌握原理介绍-正反解,掌握电机转动只是知道电机旋转了多少角度，角度位置只是相对的，却不能知道机械手平动盘上的电磁铁移动到哪。要想让机械手移动到估计的位置，则需要先建立一个坐标系，再通过在程序里实现一些算法，最终效果反响到实际的机械手运动当中。关键点在于算法，算法便是角度与坐标的转换关系-正反解。,370,160,168,76,31,掌握原理介绍-正反解,反解：机器人的末端平动盘中心点坐标位置，反过来推算每根轴的旋转角度,实际机械手转为数学模型如以下图：,1,(X,Y),2,Lb,Lt,: 机械构造尺寸,左主臂长Lt 左从臂长Lb,轴间距L1 平动盘长度L2,末端中心坐标(X,Y),求解：左电机角度1,右电机角度2,可以通过数学方法解出1、 2。例如列举方程式求解等等，得到相应解的算式。,最终在程序里建立相应的变量，编写相应梯形图或者ST语言程序实现这个反解算式。,这样，对相应变量输入估计坐标后，就能实时得到电机应当旋转的角度了。,X,Y,Lt,Lb,L1,L2,32,掌握原理介绍-正反解,正解：每根轴的旋转角度推算机器人的末端平动盘中心点坐标位置，,副手臂的运动范围为圆，求2个圆的交集,实际机械手转为数学模型如以下图：,1,2,依据 1、2 ; Lt、Lb ；L1、L2 ，计算出 1、2 的圆方程,再平移这2个圆直到交于平动盘的中心点，得出新的方程式。,联立这两个方程，计算出(X,Y),程序里依据解的算式编写相应的算法。这样就可以由电机角度得出坐标位置了。例如开机时可以从确定编码器记录的电机角度算出末端的坐标，知道当前坐标可以做其他事情了，回原点、极限等,1,(X,Y),2,Lb,Lt,X,Y,Lt,Lb,L2,L1,掌握原理介绍-运动轨迹的实现,前面已经介绍怎么进展电机角度与末端坐标的关系转换。那么知道了末端坐标，怎么实现预设的运动轨迹呢？,这时，我们需要理解Sysmac Studio软件的一些指令用法与根本掌握思想。需要把握的学问如下：,坐标应用思路,相应的指令,预设轨迹示教,掌握原理介绍-运动轨迹的实现,坐标应用思路,以下是编程时由预设目标点坐标到掌握电机实际旋转角度的大致应用思路：,实轴锁定,MC_Power,实、虚轴建立原点,MC_Home,实、虚轴运动同步,MC_SynMoveAbsolute,虚轴轴组运动,直线、圆弧插补等,启动保持反解,算式,启动保持正解,算式,实轴电机,同步虚轴运动,得到实轴角度位置,注：,虚轴运动位置用的是用户自己建立的,X-Y,坐标系坐标。,掌握原理介绍-运动轨迹的实现,相应的指令,在坐标应用思路里提到了用于实、虚轴运动同步的MC_SynMoveAbsolute指令。这个指令的作用是掌握实轴旋转到实轴的目标角度。实轴的目标角度则是由反推算式计算出来的。,为什么建议用MC_SynMoveAbsolute指令而不是MC_Move指令呢？,MC_Move指令本身带有位置、速度等输入变量，执行与被扫描时间大于1个系统扫描周期。,MC_SynMoveAbsolute指令的执行时间则是1个系统扫描周期，只需始终往里面扔目标角度位置，就能够实时地实现实轴的位置与虚轴同步。例如：虚轴进展直线、圆弧插补、凸轮的同时，实轴也实时同步旋转相应角度，以实现机械手的直线、圆弧插补、凸轮运动。,虚轴,直线、圆弧插补、凸轮,反推算式,+,MC_SynMoveAbsolute,实轴电机同步虚轴旋转相应角度,机械手,直线、圆弧插补、凸轮,掌握原理介绍-运动轨迹的实现,相应的指令,接下来我们具体了解一下MC_SynMoveAbsolute这个指令。,由指令说明可以看出，这个功能块作用是周期性的输出指定目标位置到目标轴。,输入参数Axis就是目标轴，在例如里就与虚轴同步的实轴。,掌握原理介绍-运动轨迹的实现,相应的指令,输入变量定义如下：,输入变量Axis就是目标轴，在例如里就是与虚轴同步的实轴。,输入变量Position就是目标位置，在例如里就是同步虚轴的反解位置。,输入变量Direction就是目标轴的方向。,掌握原理介绍-运动轨迹的实现,相应的指令,输出变量定义如下：,输出变量主要是功能块执行产生的一些状态监控，例如执行中、错误等等，可以用这些状态作其它程序里的掌握条件。,掌握原理介绍-运动轨迹的实现,相应的指令,MC_SynMoveAbsolute,指令时序图：,输入变量,Position,的输入到此功能块里后，,CPU,会在下一个扫描周期让伺服驱动驱动电机到达指定位置。,掌握原理介绍-运动轨迹的实现,相应的指令,MC_SynMoveAbsolute,指令应用：,此指令一般放在主固定周期任务里，这样实现的效果是最好的,最快可达0.5ms。假设，是放在等级略微低的任务里，例如优先级16任务，最低周期是1ms，由此指令的执行原理可知，它的执行间隔时间会相应加长为1ms。,掌握原理介绍-运动轨迹的实现,预设轨迹示教,前面已经提到了怎么实现虚轴坐标到实轴电机角度的同步掌握。那么，怎么实现越过障碍从A点到B点、从B点到A点的移动呢？接下来就应当要知道怎么去实现具体的运动轨迹了！我们称之为轨迹示教。,路径示教：用于示教的功能。,此功能用来示教预置机械手的行走路径。例如A-B，猎取A点四周坐标与B点四周坐标，在程序里用功能块实现相应的机械手路径。,第四节提到过,HMI,的必要内容是示教功能的实现：,示教的关键在于猎取每个运动轨迹的首尾坐标，再辅之自定义的运动方式。,例如从A-B，可以先手动模式掌握机械手到A点四周，猎取记录当前坐标，再移动到B点，猎取记录B点坐标，至于中间用什么方式实现到达B点例如直线插补、圆弧插补等，用户可以自己定义！,这样已经记录了轨迹首尾坐标，作为基准点，那么每次运动都可以直接以此作为参考坐标运动了！,42,掌握原理介绍-定义原点,由于这个平面机械手没有完全的水平基准点，所以需要进展手动原点预置。程序里承受的是MC_Home指令，设备构造调整上则需要松开电机抱闸后，手动调整机械手到水平位置。步骤如下：,o1,o2,1、调整机械手,松开2个电机抱闸，手动推动机械手，使得水平校准点O1、O2重合， O3、O4重合，最终O1、 O3的孔可以分别看到O2 、O4的红色中心点。,(原理上最终实现L3、L4线水平,L1,L2,o4,o3,2,、程序零点预置,机械手调整到水平后，程序执行,MC_Home,指令。,3、留意,由于电机带确定值编码器，原点预置只需执行一次。除非机械构造发生变化人为调整平衡杆、环境等其他因素、编码器断电等情形时，则再次进展原点预置。,O1、 O3是主臂上用来校准水平的小铁片的孔,O2、 O4是支架上用来校准水平的限位点红色,L3,L4,43,掌握原理介绍-原点返回,在HMI里已经介绍了需要 回原点的功能。,这个功能主要应用是：,初始启动时，机械手回到原点初始位置。,在手动调试过程中可以便利快速的回到原点。,实现过程：在开头时记录原点坐标后，直接用插补等功 能实现回到原点。,44,掌握原理介绍-自动运行介绍,在HMI里也介绍过需要实现 这个自动运行示教的功能。,按下此按钮后，自动运行的含义包括：,自动实现已设定循环次数的示教轨迹。,实现方式：算法+运动掌握+规律掌握,自动计算已经循环次数。例如A-B 10片，B-A10片，A-C10片， C-A10片算一次循环。,实现方式：程序规律计算。,自动计算已经吸放的小铁片数。例如A吸一个到B放下，这个算1片。,实现方式：程序规律计算。,自动完成后显示完成。,实现方式：程序规律掌握。,45,感谢,