分类号:
UDC:
学校代码: 10128
学 号: [1**********]5
科研训练开题报告 （
题 目：码垛机器人控制系统设计 学生姓名：刘金来 学 院：机械学院 班 级：机制11-3 指导教师：武建新 二零一四年十二月
1.选题目的和意义
近几年机器人自动化生产线已经不断出现，机器人自动化生产线的市场也会越来越大，并且逐渐成为自动化生产线的主要方式，而过去的自动化码垛作业大部分是由机械式码垛机完成或人工搬运，由于机械式码垛机其结构等因素的限制，存在着占地面积大、程序更改麻烦（甚至无法更改）、耗电量大等缺点；而人工搬运劳动量大，完成同一工作量所需不少工人，在一些实际场所应用中，码垛机器人与传统码垛机一样，一次能搬运一整层箱子，有些顾客在传统码垛机坏了时，就用机器人代替，通常这些机器人系统都有层成型平台和臂尾加工装置，能将整层箱子搬起来，功能较强的码垛机器人还能更换不同的货盘；其码垛速度甚至可以达到100个小箱/分钟；码垛机器人装有低水平纸箱横进给装置，使用灵活底盘，有利于车间的良好布局；另外其性能可靠，大多用户容易掌握使用的软件，能够迅速转换对进行不同箱子的码垛。
2．国内外研究现状及其发展趋势
2.1课题来源：内蒙古工业大学
2.2码垛机器人控制系统设计的发展前景
作为先进制造业中不可替代的重要装备和手段，工业机器人已经成为衡量一个国家制造水平和科技水平的重要标志。
据相关统计数据表明，工业机器人主要用于汽车工业及汽车零部件工业，占整个机器人市场的61%，金属制品业占8%、橡胶及塑料工业和电子电气行业分别占7%，食品工业占2%，其他工业占15%。
依赖进口——我国工业机器人之阵痛
目前，我国进口的工业机器人主要来自日本，随着我国从劳动密集型向现代化制造业方向发展，虽然机器人保有量达到一定的规模，但与发达国家相比仍然有不少差距。
仅从汽车工业每百万名生产工人占有的机器人来讲，（日本1710台、意大利1600台、美国770台、英国610台、瑞典630台，而我国还不到90台），中国仍然是世界上相对比较落后的国家。面对中国这样庞大的市场，每一个机器人供应商都有着非常大的用武之地。
产业化不足——我国工业机器人之弊端
20世纪90年代末，我国建立了9个机器人产业化基地和7个科研基地。产业化
基地的建设给产业化带来了希望，为发展我国机器人产业奠定了基础。目前，我国已经能够生产具有国际先进水平的平面关节型装配机器人、直角坐标机器人、弧焊机器人、点焊机器人、搬运码垛机器人等一系列产品，不少品种已经实现了小批量生产。 “机器人产业化已呈星火燎原之势！”
尽管如此，我国工业机器人产业化却存在着巨大的问题。除了众多历史原因造成制造业水平低下的原因外，更多的是对工业机器人产业的认识和定位上存在着不同的观点。
首先，我国基础零部件制造能力差。虽然我国在相关零部件方面有了一定的基础，但是无论从质量、产品系列全面，还是批量化供给方面都与国外存在较大的差距。特别是在高性能交流伺服电机和精密减速器方面的差距尤其明显，因此造成关键零部件的进口，影响了我国机器人的价格竞争力。
第二，中国的机器人还没有形成自己的品牌。虽然已经拥有一批企业从事机器人的开发，但是都没有形成较大的规模，缺乏市场的品牌认知度，在机器人市场方面一直面临国外机器人品牌的打压。国外机器人作为成熟的产业采用整机降价，吸引国内企业购买，而在后续的维护备件费用很高的策略，逐步占领中国市场。
第三，国家认识不到位，在鼓励工业机器人产品方面的政策少。工业机器人的制造及应用水平，代表了一个国家的制造业水平，我们必须从国家高度认识发展中国工业机器人产业的重要性，这是我国从制造大国向制造强国转变的重要手段和途径。
日本战后对机器人采取的一系列相关政策，极大地推动了机器人产业的发展，目前，日本已是世界上工业机器人的第一生产大国。工业机器人作为高新技术产品，应该比照新能源中的电动汽车，出台相应的扶植政策。
政策扶持——我国工业机器人之推进剂
中国机器人产业化正处于关键的转折点，如果政府的扶植力度再向前推进一步，中国的机器人产业将会越过目前的“临界期”，跨上一个新的台阶，进入快速发展阶段。同时，如何适应快速变化的国内外市场需求，如何以高质量、低成本和快速反应的手段在市场中取得生存和发展，已是我国企业不容回避的问题。这些问题为我国工业机器人提供了不同的市场需求，促进我国工业机器人的应用市场日趋成熟。
3.研究的主要内容：
3.1机器人的结构
北京航空航天大学机器人所研制的具有高速码垛功能的混联式机器人系统，该系统由机器人及 电气控制柜所组成。该机器人主要由4个关节组成，能实现以下4种运动：腰座旋转（x轴），水平前后运动（y轴），垂直上下运动（z轴）和腕部回转运动（u轴），腰座电机、腕部电机通过谐波减速器驱动腰座、机械手旋转，水平关节电机、垂直关节电机通过同步带轮减速后带动水平关节丝杠、垂直关节丝杠旋转，而丝杠通过其上的滑块驱动前大 臂、后大臂沿各自导轨作水平前后运动、垂直上下运动，这４种运动全部由交流伺服电机驱动，可以满足驱动大惯性力矩负载和快速运动精确定位的要求，且根据实际作业的需要可以在机器人腕部安装机械手
3.2硬件控制系统的设计
系统设计采用了模块化的形式，且总体结构采用了分布式控制结构，上位机采用普通工业控制计算机，主要处理系统的监控和作业管理，如示教盒控制，显示服务，坐标转换，自动加减速计算，I/O控制，机器人语言编译等任务等，根据使用者的命令和动作程序语句的要求进行轨迹规划、插补运算及坐标发与计算出各轴电机的位置，并接收根据下一级的反馈信号和外传感器的信号，判断任务的执行情况和环境状态，然后向下一级各关节位置伺服系统传送一次与设定点相应的位置更新值，实现对各关节运动的协调和控制作用，下位机采用DSP控制器和PLC可编程逻辑控制器，DSP控制器即为所采用的PMAC104运动控制卡，主要是执行实时运动学计算、轨迹规划、插补计算、伺服控制等，不断地读取各轴编码器的脉冲量，计算机器人的现行位置，并用软件方法与给定位置进行比较，对偏差进行 PID调节，而PLC主要处理机器人周边外围设备的控制， 如机器人手爪气动吸盘，周边各种输送机的监控等
4.研究方案
4.1 上位机组态软件工程的组建
1）工程项目系统分析
2）设计用户操作画面
3）编写控制程序
4）完善菜单按钮功能
5）编写用户程序调试工程
6）连接设备驱动程序
7）整体连续调试测试
4.2 下位机PLC程序的设计
1）根据实际的控制需要选择PLC及其配套模块，配置硬件系统。
2）根据工艺要求和控制要求，设计梯形图。
3）把梯形图写入PLC，反复调试直至程序符合控制要求。
5.研究计划进度
进度安排：
第一阶段（2014年12.22）：收集资料,阅读相关文献；
第二阶段（2014年12.24）：编制下位机PLC程序，设计总体框架；
第三阶段（2014年12.27---12.28）：整理研究内容，撰写论文。
参考文献
［1］田晓东，等．带有精确截面信息的一种曲面重构方法［Ｊ］．模具技术，2001，
27．
［2］施法中．计算机辅助几何设计与非均匀有理Ｂ样条［M］．北京：北京航空航
天大学出版社，1994．
［3］孙迪生，等．机器人控制技术［M］．北京：机械工业出版社，1998．
［4］曹彤，员超，孙杏初．电视机搬运码垛机器应用研究［J］．机械设计与制造，
2002,2．
［5］曾孔庚，王宏庆，丁原彦．高速机器人搬运码垛系统构成及技术特 点［J］．机
器人技术及应用，2001,4．
［6］蔡自兴．机器人学［M］．清华大学出版社，2000．
［7］杨汝清，高建国，胡洪国．高速码垛关键技术研究［J］．高技术通讯，
2004，
[8] 徐 忠.离心式压缩机[M].北京:机械工业出版社,1988.
[9] 侯曼西.工业汽轮机[M].重庆:重庆大学出版社,1995.
[10] 黄钟岳,王晓放.透平式压缩机[M].北京:化学工业出版 社,2004.
[11] 孙迪生.机器人控制技术[M].北京:机械工业出版社, 1998.
[12] 熊有伦.机器人学[M].北京:机械工业出版社,1993.
[13] 曹 彤,员 超.电视机搬运码垛机器应用研究[J].机械设计与制造,2002(2)
[14] 日本机器人协会.机器人技术手册[M].北京:科学出版社,1996.
[15] 曾孔庚,王宏庆,丁原彦.高速机器人搬运码垛系统构成及技术特点[J].机器
人技术及应用,2001(4).
[16] 杨汝清,高建国,胡洪国.高速码垛关键技术研究[J]. 高技术通讯,2004,14
分类号:
UDC:
学校代码: 10128
学 号: [1**********]5
科研训练开题报告 （
题 目：码垛机器人控制系统设计 学生姓名：刘金来 学 院：机械学院 班 级：机制11-3 指导教师：武建新 二零一四年十二月
1.选题目的和意义
近几年机器人自动化生产线已经不断出现，机器人自动化生产线的市场也会越来越大，并且逐渐成为自动化生产线的主要方式，而过去的自动化码垛作业大部分是由机械式码垛机完成或人工搬运，由于机械式码垛机其结构等因素的限制，存在着占地面积大、程序更改麻烦（甚至无法更改）、耗电量大等缺点；而人工搬运劳动量大，完成同一工作量所需不少工人，在一些实际场所应用中，码垛机器人与传统码垛机一样，一次能搬运一整层箱子，有些顾客在传统码垛机坏了时，就用机器人代替，通常这些机器人系统都有层成型平台和臂尾加工装置，能将整层箱子搬起来，功能较强的码垛机器人还能更换不同的货盘；其码垛速度甚至可以达到100个小箱/分钟；码垛机器人装有低水平纸箱横进给装置，使用灵活底盘，有利于车间的良好布局；另外其性能可靠，大多用户容易掌握使用的软件，能够迅速转换对进行不同箱子的码垛。
2．国内外研究现状及其发展趋势
2.1课题来源：内蒙古工业大学
2.2码垛机器人控制系统设计的发展前景
作为先进制造业中不可替代的重要装备和手段，工业机器人已经成为衡量一个国家制造水平和科技水平的重要标志。
据相关统计数据表明，工业机器人主要用于汽车工业及汽车零部件工业，占整个机器人市场的61%，金属制品业占8%、橡胶及塑料工业和电子电气行业分别占7%，食品工业占2%，其他工业占15%。
依赖进口——我国工业机器人之阵痛
目前，我国进口的工业机器人主要来自日本，随着我国从劳动密集型向现代化制造业方向发展，虽然机器人保有量达到一定的规模，但与发达国家相比仍然有不少差距。
仅从汽车工业每百万名生产工人占有的机器人来讲，（日本1710台、意大利1600台、美国770台、英国610台、瑞典630台，而我国还不到90台），中国仍然是世界上相对比较落后的国家。面对中国这样庞大的市场，每一个机器人供应商都有着非常大的用武之地。
产业化不足——我国工业机器人之弊端
20世纪90年代末，我国建立了9个机器人产业化基地和7个科研基地。产业化
基地的建设给产业化带来了希望，为发展我国机器人产业奠定了基础。目前，我国已经能够生产具有国际先进水平的平面关节型装配机器人、直角坐标机器人、弧焊机器人、点焊机器人、搬运码垛机器人等一系列产品，不少品种已经实现了小批量生产。 “机器人产业化已呈星火燎原之势！”
尽管如此，我国工业机器人产业化却存在着巨大的问题。除了众多历史原因造成制造业水平低下的原因外，更多的是对工业机器人产业的认识和定位上存在着不同的观点。
首先，我国基础零部件制造能力差。虽然我国在相关零部件方面有了一定的基础，但是无论从质量、产品系列全面，还是批量化供给方面都与国外存在较大的差距。特别是在高性能交流伺服电机和精密减速器方面的差距尤其明显，因此造成关键零部件的进口，影响了我国机器人的价格竞争力。
第二，中国的机器人还没有形成自己的品牌。虽然已经拥有一批企业从事机器人的开发，但是都没有形成较大的规模，缺乏市场的品牌认知度，在机器人市场方面一直面临国外机器人品牌的打压。国外机器人作为成熟的产业采用整机降价，吸引国内企业购买，而在后续的维护备件费用很高的策略，逐步占领中国市场。
第三，国家认识不到位，在鼓励工业机器人产品方面的政策少。工业机器人的制造及应用水平，代表了一个国家的制造业水平，我们必须从国家高度认识发展中国工业机器人产业的重要性，这是我国从制造大国向制造强国转变的重要手段和途径。
日本战后对机器人采取的一系列相关政策，极大地推动了机器人产业的发展，目前，日本已是世界上工业机器人的第一生产大国。工业机器人作为高新技术产品，应该比照新能源中的电动汽车，出台相应的扶植政策。
政策扶持——我国工业机器人之推进剂
中国机器人产业化正处于关键的转折点，如果政府的扶植力度再向前推进一步，中国的机器人产业将会越过目前的“临界期”，跨上一个新的台阶，进入快速发展阶段。同时，如何适应快速变化的国内外市场需求，如何以高质量、低成本和快速反应的手段在市场中取得生存和发展，已是我国企业不容回避的问题。这些问题为我国工业机器人提供了不同的市场需求，促进我国工业机器人的应用市场日趋成熟。
3.研究的主要内容：
3.1机器人的结构
北京航空航天大学机器人所研制的具有高速码垛功能的混联式机器人系统，该系统由机器人及 电气控制柜所组成。该机器人主要由4个关节组成，能实现以下4种运动：腰座旋转（x轴），水平前后运动（y轴），垂直上下运动（z轴）和腕部回转运动（u轴），腰座电机、腕部电机通过谐波减速器驱动腰座、机械手旋转，水平关节电机、垂直关节电机通过同步带轮减速后带动水平关节丝杠、垂直关节丝杠旋转，而丝杠通过其上的滑块驱动前大 臂、后大臂沿各自导轨作水平前后运动、垂直上下运动，这４种运动全部由交流伺服电机驱动，可以满足驱动大惯性力矩负载和快速运动精确定位的要求，且根据实际作业的需要可以在机器人腕部安装机械手
3.2硬件控制系统的设计
系统设计采用了模块化的形式，且总体结构采用了分布式控制结构，上位机采用普通工业控制计算机，主要处理系统的监控和作业管理，如示教盒控制，显示服务，坐标转换，自动加减速计算，I/O控制，机器人语言编译等任务等，根据使用者的命令和动作程序语句的要求进行轨迹规划、插补运算及坐标发与计算出各轴电机的位置，并接收根据下一级的反馈信号和外传感器的信号，判断任务的执行情况和环境状态，然后向下一级各关节位置伺服系统传送一次与设定点相应的位置更新值，实现对各关节运动的协调和控制作用，下位机采用DSP控制器和PLC可编程逻辑控制器，DSP控制器即为所采用的PMAC104运动控制卡，主要是执行实时运动学计算、轨迹规划、插补计算、伺服控制等，不断地读取各轴编码器的脉冲量，计算机器人的现行位置，并用软件方法与给定位置进行比较，对偏差进行 PID调节，而PLC主要处理机器人周边外围设备的控制， 如机器人手爪气动吸盘，周边各种输送机的监控等
4.研究方案
4.1 上位机组态软件工程的组建
1）工程项目系统分析
2）设计用户操作画面
3）编写控制程序
4）完善菜单按钮功能
5）编写用户程序调试工程
6）连接设备驱动程序
7）整体连续调试测试
4.2 下位机PLC程序的设计
1）根据实际的控制需要选择PLC及其配套模块，配置硬件系统。
2）根据工艺要求和控制要求，设计梯形图。
3）把梯形图写入PLC，反复调试直至程序符合控制要求。
5.研究计划进度
进度安排：
第一阶段（2014年12.22）：收集资料,阅读相关文献；
第二阶段（2014年12.24）：编制下位机PLC程序，设计总体框架；
第三阶段（2014年12.27---12.28）：整理研究内容，撰写论文。
参考文献
［1］田晓东，等．带有精确截面信息的一种曲面重构方法［Ｊ］．模具技术，2001，
27．
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天大学出版社，1994．
［3］孙迪生，等．机器人控制技术［M］．北京：机械工业出版社，1998．
［4］曹彤，员超，孙杏初．电视机搬运码垛机器应用研究［J］．机械设计与制造，
2002,2．
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器人技术及应用，2001,4．
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［7］杨汝清，高建国，胡洪国．高速码垛关键技术研究［J］．高技术通讯，
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[8] 徐 忠.离心式压缩机[M].北京:机械工业出版社,1988.
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[12] 熊有伦.机器人学[M].北京:机械工业出版社,1993.
[13] 曹 彤,员 超.电视机搬运码垛机器应用研究[J].机械设计与制造,2002(2)
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[15] 曾孔庚,王宏庆,丁原彦.高速机器人搬运码垛系统构成及技术特点[J].机器
人技术及应用,2001(4).
[16] 杨汝清,高建国,胡洪国.高速码垛关键技术研究[J]. 高技术通讯,2004,14