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五邑大学硕士学位论文
I
摘 要
机器人在工业生产中有着广泛应用 目前 工业机器人控制系统大多采用封闭
结构的专用控制器 其通用性差 生产成本高 不易扩展和维护 已越来越不能适
应现代制造业柔性化 网络化生产的需求 开发利用现有资源的开放式机器人控制
器 以降低机器人成本 使机器人像个人计算机一样普及将成为机器人的一个重要
方向 本文基于工控机 单片机和 Windows 2000 操作系统 以 SCARA 平面关节型
机器人为研究对象 设计研制了高性能 低成本 开放式的控制器 并设计制作了
SCARA 机器人样机
采用二级计算机体系结构 设计了 SCARA 机器人控制器 其中 以工控机作为
上位机 实现人机界面 轨迹规划 运动控制和状态监控等功能 下位机采用
STC89C51 单片机控制系统 通过 PCL-731 数字 I/O 卡与上位机通讯 实现接收上位
机指令 驱动机器人关节运动等功能
建立了 SCARA 机器人的机械结构模型 SCARA 机器人由六部分组成 包括一个
移动关节和三个旋转关节 各关节采用伺服电机驱动 基于模块化设计思想 采用
Pro/ENGINEER 和 AutoCAD 完成了机器人本体的三维模型设计和二维图设计 根据设
计图加工 制作了主要机械部件 完成了机器人本体的装配和调试
设计制作了 STC89C51 单片机控制系统硬件电路 完成了伺服驱动器的主电路配
线和机器人控制器的硬件电路配线 采用 C++ Builder 和汇编语言开发了控制器的
上位机控制系统和下位机控制系统 设计了上位机与下位机的通讯协议和通讯模块
并对控制器的硬件系统和软件系统进行了综合调试
完成了 SCARA 机器人的工作稳定性实验 点位运动实验和连续运动实验 实验
结果表明 基于工控机和 Windows 2000 操作系统设计的开放式 SCARA 机器人控制器
具有通用性强 开放性好 操作简单 易于扩展 维护方便等特点 基于该控制器
利用现有资源设计的 SCARA 机器人生产成本低 功能扩展性强 具有良好的实用价
值和广阔的市场前景
关键词 SCARA 机器人 开放式 控制器 工控机 单片机 I/O 卡 伺服电机

SCARA 机器人的研究与设计
II
Abstract
Robot has been widely used in industry production. At present, most of the industry
robot control systems use close and special controllers, which are low universal, high
cost, not easy to be extended and maintained, and can’t adapt to the requirement of
flexible and network production of modern manufacturing. It will be an important way of
robot to develop open architecture robot controller by using existing resource to reduce
the cost of robot and make robot popularize just like computer. The paper studies
SCARA robot, designs and produces a kind of SCARA robot controller that is of high
performance, low cost and open-architecture based on industry PC, single chip and
Windows 2000. A SCARA robot prototype machine is designed and produced.
The robot controller is designed with the structure of two levels computer system.
On the one hand, Industry PC is used as master to offer human-computer interface, mark
out the track, control the movement, inspect and control the status. On the other hand,
STC89C51 single chip control system is used as slave to communicate with the master by
PCL-731 digital I/O card, receive the instructions from master computer and drive the
robot joint moving.
The model of mechanical structure of SCARA robot is built. SCARA robot is
consisted of six parts, includes a moving joint and three rotary joints. All the joints are
drove by servo motors. The author designed 3-dimension models and 2-dimension draws
of SCARA robot’s manipulator by Pro/ENGINEER and AutoCAD based on model
designing thinking. The main mechanical parts of robot arms are machined and processed
according to the draws, and the assembling and debugging of SCARA robot’s
manipulator has been finished.
The author designed and produced hardware circuit of STC89C51 single chip
control system. The wiring of servo motor drivers’ main circuit and hardware circuit of
the robot controller is finished. The author developed main computer control system and
slave computer control system of SCARA robot controller by C++ Builder and compiling
language. The communication protocol and models between main and slave computer are
also designed. Meanwhile, hardware system and software system of the controller are

五邑大学硕士学位论文
III
synthetically debugged.
The experiment of SCARA robots’ working stability, moving from point to point
and moving continuous is finished. The results of the experiment indicate that the robot
controller with open architecture based on industry PC and Windows 2000 poses the
advantages of good versatility, good openness, operating simply, expanding easily and
maintaining expediently. The SCARA robot designed based on this controller by existing
resource has low cost, powerful expansibility of function, good utility value and wide
market prospect.
Key Words: SCARA Robot, Open Architecture, Controller, Industry Computer,
Single Chip, I/O Card, Servo motor

五邑大学硕士学位论文
1
第一章
绪
论
1.1
工业机器人的发展及研究现状
机器人自诞生之日起 便显示出其强大的生命力 机器人首先在工业生产中得到了
广泛应用 并给传统工业带来了质的飞跃 它不仅提高了传统产业的自动化程度 提高
了劳动生产率 而且还推动了以资源消耗低 环境污染少为特征的新型工业的诞生 随
着人类在机械工程 电气工程 微电子技术 计算机技术 控制论 传感技术 信息学
声学 仿生学及人工智能等学科领域的飞速发展 机器人技术的应用也正在向农业 林
业 畜牧养殖 海洋开发 宇宙探索 国防建设 安全救济 生物医学 服务娱乐等新
领域拓展开来 并已取得显著进展 机器人技术已成为高科技应用领域中的重要组成部
分
[1]-[15]
机器人主要有两大类 用于制造环境下的工业机器人和用于非制造环境下的服务机
器人 工业机器人是一种对生产环境和生产条件具有较强的适应性和灵活性的柔性自动
化装备 它主要用于现代制造业中代替人们从事繁重 重复单调 环境恶劣危险 人做
不了或做不好的工作 从而减轻了人们的劳动强度 改善了劳动环境 并有效地提高了
生产的自动化程度 提高了产品质量和劳动生产率 工业机器人是柔性化制造系统
FMS 自动化工厂 FA 和计算机集成制造系统 CIMS 必不可少的自动化工具 它
的发展和应用情况已成为一个国家工业自动化水平的重要标志
[9]-[15]
1.1.1
工业机器人的发展历程
1954 年美国的 George Devol 设计了第一台可编程机器人 取名为 万能自动
Universal Automation 该机器人自带存储器 可以实现点到点的再现运动 1956
年 Devol 和被誉为 工业机器人之父 的 Joseph F. Engel Berger 成立了 Unimation
公司 开始设计 生产工业机器人 UNIMATE 并于 1960 年研制出第一台机器人样机 同
时 美国 AMF American Machine and Foundry 公司也设计制造了另一种圆柱坐标形
式的机器人 Versatran Unimation 和 Versatran 成为世界上最早的工业机器人 1962
年 美国 General Motor 公司的装配生产线安装了世界上第一台工业机器人 UNIMATE
从而拉开了工业机器人为人类服务的序幕
[11][16]
20 世纪 60 年代是工业机器人的萌芽发展阶段 工业机器人首先被应用于汽车生产
线的搬运 焊接 喷漆等作业 它们在工业生产中表现出良好的灵活性和稳定性 极大

SCARA 机器人的研究与设计
2
地提高了生产效率 因此在工业生产中得到推广
20 世纪 70 年代 随着计算机技术 自动控制理论的发展和工业生产对自动化需求
的不断增长 工业机器人技术得到了迅速发展 1970 年在美国召开了第一届国际工业机
器人学术会议 1973 年 Richard Hohn 为 Cincinnati Milacron 公司开发了第一台由
微型计算机控制的工业机器人 T3 该机器人由液压驱动 能提升的有效负载达 45 公斤
1974 年 Scheinman 教授设计了一台通过触觉和压力传感器反馈进行小零件装配的机械
臂 the Silver Arm 并成立了 Vicarm 公司 将这种新型机器人推向市场 1977 年 欧
洲的 ASEA 机器人公司推出了两款使用微型电子控制器进行编程操作的工业机器人 同
年 Unimation 公司收购了 Vicarm 公司 并于 1978 年采用 Vicarm 的设计技术 开发了
PUMA Programmable Universal Machine for Assembly 通用工业机器人 这是一种
具有多关节 全电动 多 CPU 分级控制的机器人 采用 VAL 专用编程语言 可配置视觉
触觉和力觉传感器 它的诞生标志着工业机器人进入了一个新的发展阶段 直到现在
工业机器人的机械结构 控制结构和编程语言都是以 PUMA 机器人为基础的
[2][16]
20 世纪 70 年代也是日本的机器人产业迅速发展的时期 1967 年日本 Kawasaki 重
工公司从美国购买了机器人的生产许可证 1968 年开始生产机器人
[2]
进入 20 世纪 70
年代后 日本工业高速发展 劳动力严重短缺 因此工业机器人受到了日本政府和工业
界的广泛重视 日本采取了一系列政策措施 鼓励工业机器人的研究和生产 其机器人
拥有量很快超过了美国 一举成为 机器人王国
20 世纪 80 年代至 90 年代 工业机器人进入了高速发展时期 汽车 摩托车 电机
电子等行业开始大量使用工业机器人 推动了机器人产业的发展 1980 年 工业机器人
的产值增长超过了 80% 被称为是 机器人时代的第一年 之后 工业机器人一直保持
着较高的年增长率 到 1990 年 世界通用工业机器人的年销售量达到了 80,000 台 但
在 1991 1993 年出现下滑 之后 工业机器人市场又开始复苏 2004 年销售量达到了
95,368 台
[13]
进入 20 世纪 90 年代 具有感知 思维 行动能力的智能机器人开始出现 成为目
前工业机器人的主要研究发展方向
1.1.2
国外的研究现状及发展趋势
在发达国家 工业机器人技术已经取得了非常广泛的应用 据统计 截止到 2004
年底 世界范围内的工业机器人实际装备总量为 847,764 台 其中日本为 356,483 台
约占全世界装备总量的 42% 美国为 114,531 台 欧洲为 278,906 台 在欧洲国家中
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