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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

      2016-03-17 02:18:24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
      發(fā)明與創(chuàng)新 2016年2期
      關(guān)鍵詞:電磁鐵驅(qū)動器螺母

      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

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