一种五轴数控机械手臂的制备方法及五轴数控机械手臂

摘要

本发明公开了一种五轴数控机械手臂的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：(1)设置一机械手臂本体，在该机械手臂本体上设有X轴手臂、Y轴手臂和Z轴手臂，分别在X轴、Y轴和Z轴上，通过伺服电机带动平移工作；(2)在机械手臂本体上分别设置控制装置和机械手臂运行反馈装置，并通过CAN控制总线彼此连接；(3)在所述Z轴手臂末端，设置一B、C轴运动机构，该B、C轴运动机构，通过伺服电机带动在B轴上旋转180°，在C轴上旋转360°；(4)在所述控制装置中设置依次连接的中央控制模块、数据运算模块、记忆存储模块和信号处理模块。本发明还公开了一种实施该方法的五轴数控机械手臂。

说明书

技术领域

本发明涉及机械自动化控制领域，具体涉及一种五轴数控机械手 臂的制备方法，及实施该方法的五轴数控机械手臂。

背景技术

随着现代工业的发展，人们出于提高生产效率，稳定和提高产品 质量，改善工人劳动条件，加快实现工业生产机械化和自动化的考虑， 发明了机械臂，并把它大量应用于生产过程中，尤其是在高温、高压、 粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，机械臂更是得到了广泛的 应用。机械臂是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现 代工业生产系统中的一个重要组成部分。机械臂是工业机器人的一种， 它由操作机，控制器，伺服驱动系统和枪测传感装置构成，是一种仿人 操作，自动控制，可重复编程，能在三维空间完成各科·作业的自动 化生产设备。机械臂最早应用于汽车制造工业，常应用于焊接，喷漆， 上下料和搬运。机械臂延伸和扩大了入的手足和大脑功能，它可代替 入从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作，代替人 从事繁重，单调的重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。

现有的传统注塑机械手中，通常只能进行XYZ三轴直线运动， 只能在二维平面内取物，只能实现简单的运动轨迹，无法实现多自由 度、三维空间取物，对于复杂外形产品，其取物治具局限性较大，选 择范围小、单一，设计要求高，无法满足标准越来越高的机械制造业 发展。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足，提供一种新的五轴数控机械手臂 的制备方法，及实施该方法的五轴数控机械手臂，通过在Z轴机械手 末端设置一BC轴运动机构，并采用创新的优化控制方法，实现三维 空间取物。

本发明为达到上述目的所采用的技术方案为：

一种五轴数控机械手臂的制备方法，其包括以下步骤：

(1)设置一机械手臂本体，在该机械手臂本体上设有X轴手臂、 Y轴手臂和Z轴手臂，分别在X轴、Y轴和Z轴上，通过伺服电机 带动平移工作；

(2)在机械手臂本体上分别设置控制装置和机械手臂运行反馈 装置，并通过CAN控制总线彼此连接；

(3)在所述Z轴手臂末端，设置一B、C轴运动机构，该B、C 轴运动机构，通过伺服电机带动在B轴上旋转180°，在C轴上旋转 360°；

(4)在所述控制装置中设置依次连接的中央控制模块、数据运算 模块、记忆存储模块和信号处理模块；其中所述中央控制模块和数据 运算模块，通过SCI通信模块连接；在所述记忆存储模块中存有机械 手臂运动最佳位置坐标；

(5)在步骤(4)所述中央控制模块中，嵌入控制算法公式：

${\theta }_L\left(\delta \right)=\frac{K_m(K_p+\delta K_v)\mathrm{\theta \tau }\left(\delta \right)-n{R}_{m}D\left(\delta \right)}{{\delta }^2{R}_m{J}_{\mathrm{off}}+\delta (R_m{f}_{\mathrm{off}}+K_m{K}_b+K_m{K}_v)+K_m{K}_p}$

其中：δ为拉普拉斯算子，R_m为伺服电机电阻，θL为负载轴的 角位移，θτ为指令角位移，J_off有效惯性矩，f_off有效粘滞摩擦系数， n齿数比，K_m为力矩比常数，K_b为比例常数，K_p为位置反馈增益， K_v为误差微分反馈增益，D为扰动力矩；

(6)在所述数据运算模块中，嵌入高精度、高效数据运算算法， 首先采用增量型PID算法，对数据进行预处理，然后采用逆运动学方 程，对机械手臂的运动轨迹进行数学建模，再依次采用三次多项式插 值算法、空间直线插补算法和空间圆弧插补算法，对机械手臂实时运 动轨迹进行计算，得出计算结果；

(7)步骤(6)所得计算结果，通过SCI通信模块传输至中央控 制模块，中央控制模块通过调用记忆存储模块中预先设定的最佳坐 标，与计算结果数值对比，对机械手臂的运动进行实时调整控制。

步骤(3)所述的B、C轴运动机构，包括两个伺服电机，伺服 电机B和伺服电机C；所述伺服电机C，经过皮带传动机构，带动锥 形齿，通过两个锥形齿传动，使运动机构在C轴做360°旋转；所述 伺服电机B，经过两级皮带传动机构，使运动机构在B轴做180°旋 转。

步骤(2)所述的机械手臂运行反馈装置包括光电编码器和故障 检测模块；光电编码器将机械手臂运行情况进行实时反馈，将反馈信 号传输至控制装置中的信号处理模块进行处理，经信号处理模块处理 完后，传输至数据处理模块进行计算，然后通过SCI通信模块将计算 结果传输至中央控制模块，最后由中央控制模块对机械手臂进行调整 控制；所述故障检测模块自动侦测故障并记忆故障编号，通过微调所 运行时轴位置及自动累算运转次数实现自动报警功能，并跳出死循环 运转状态，保障系统安全。

步骤(4)所述中央控制模块包括上位机PLC可编程逻辑控制器 和ARM处理器。

步骤(1)所述的机械手臂本体上还设有输入/输出模块，其包括 按键控制模块、程序编辑模块和功能显示模块，通过数据总线与控制 装置相互连接。

一种实施上述方法的五轴数控机械手臂，其包括一机械手臂本体， 在该机械手臂本体上设有X轴手臂、Y轴手臂和Z轴手臂，分别在X 轴、Y轴和Z轴上，通过伺服电机带动平移工作，在机械手臂本体上 分别设有控制装置和机械手臂运行反馈装置，并通过CAN控制总线 彼此连接，在所述Z轴手臂末端，设有一B、C轴运动机构，该B、 C轴运动机构，通过伺服电机带动在B轴上旋转180°，在C轴上旋 转360°；在所述控制装置包括依次连接的中央控制模块、数据运算模 块、记忆存储模块和信号处理模块；其中所述中央控制模块和数据 运算模块，通过SCI通信模块连接；在所述记忆存储模块中存有机械 手臂运动最佳位置坐标；在所述中央控制模块中，嵌有控制算法公式：

${\theta }_L\left(\delta \right)=\frac{K_m(K_p+\delta K_v)\mathrm{\theta \tau }\left(\delta \right)-n{R}_{m}D\left(\delta \right)}{{\delta }^2{R}_m{J}_{\mathrm{off}}+\delta (R_m{f}_{\mathrm{off}}+K_m{K}_b+K_m{K}_v)+K_m{K}_p}$

其中：δ为拉普拉斯算子，R_m为伺服电机电阻，θL为负载轴的 角位移，θτ为指令角位移，J_off有效惯性矩，f_off有效粘滞摩擦系数， n齿数比，K_m为力矩比常数，K_b为比例常数，K_p为位置反馈增益， K_v为误差微分反馈增益，D为扰动力矩；在所述数据运算模块中， 嵌有高精度、高效数据运算算法，增量型PID算法，对数据进行预处 理，逆运动学方程，对机械手臂的运动轨迹进行数学建模，三次多项 式插值算法、空间直线插补算法和空间圆弧插补算法，对机械手臂实 时运动轨迹进行计算，得出计算结果；所得计算结果，通过SCI通信 模块传输至中央控制模块，中央控制模块通过调用记忆存储模块中预 先设定的最佳坐标，与计算结果数值对比，对机械手臂的运动进行实 时调整控制。

所述的B、C轴运动机构，包括两个伺服电机，伺服电机B和伺 服电机C；所述伺服电机C，经过皮带传动机构，带动锥形齿，通过 两个锥形齿传动，使运动机构在C轴做360°旋转；所述伺服电机B， 经过两级皮带传动机构，使运动机构在B轴做180°旋转。

所述机械手臂运行反馈装置包括光电编码器和故障检测模块；光 电编码器将机械手臂运行情况进行实时反馈，将反馈信号传输至控制 装置中的信号处理模块进行处理，经信号处理模块处理完后，传输至 数据处理模块进行计算，然后通过SCI通信模块将计算结果传输至中 央控制模块，最后由中央控制模块对机械手臂进行调整控制；所述故 障检测模块自动侦测故障并记忆故障编号，通过微调所运行时轴位置 及自动累算运转次数实现自动报警功能，并跳出死循环运转状态，保 障系统安全。

所述中央控制模块包括上位机PLC可编程逻辑控制器和ARM处 理器。

所述机械手臂本体上还设有输入/输出模块，其包括按键控制模 块、程序编辑模块和功能显示模块，通过数据总线与控制装置相互连 接。

本发明的有益效果是：本发明通过在Z轴机械手末端设置一BC 轴运动机构，并采用创新设计的控制方法，实现三维空间高效、快速、 精确的取物。本发明采用对话式背光设计屏幕，并带省电功能，操作 简单易懂；运转模数可设定，超标时自动报警，便于生产进度追踪记 录及安排。

下面结合附图及实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是本发明的控制流程示意图；

图2是本发明B、C轴运动机构整体结构示意图；

图3是图2的内部结构示意图。

其中：1.伺服电机B 2.伺服电机C 3.皮带传动机构 4.两级皮 带传动机构 5.锥形齿。

具体实施方式

实施例：参见图1至图3，本实施例提供的一种五轴数控机械手 臂的制备方法，其包括以下步骤：

(1)设置一机械手臂本体，在该机械手臂本体上设有X轴手臂、 Y轴手臂和Z轴手臂，分别在X轴、Y轴和Z轴上，通过伺服电机 带动平移工作；

(2)在机械手臂本体上分别设置控制装置和机械手臂运行反馈 装置，并通过CAN控制总线彼此连接；

(3)在所述Z轴手臂末端，设置一B、C轴运动机构，该B、C 轴运动机构，通过伺服电机带动在B轴上旋转180°，在C轴上旋转 360°；

(4)在所述控制装置中设置依次连接的中央控制模块、数据运算 模块、记忆存储模块和信号处理模块；其中所述中央控制模块和数据 运算模块，通过SCI通信模块连接；在所述记忆存储模块中存有机械 手臂运动最佳位置坐标；

(5)在步骤(4)所述中央控制模块中，嵌入控制算法公式：

${\theta }_L\left(\delta \right)=\frac{K_m(K_p+\delta K_v)\mathrm{\theta \tau }\left(\delta \right)-n{R}_{m}D\left(\delta \right)}{{\delta }^2{R}_m{J}_{\mathrm{off}}+\delta (R_m{f}_{\mathrm{off}}+K_m{K}_b+K_m{K}_v)+K_m{K}_p}$

其中：δ为拉普拉斯算子，R_m为伺服电机电阻，θL为负载轴的 角位移，θτ为指令角位移，J_off有效惯性矩，f_off有效粘滞摩擦系数， n齿数比，K_m为力矩比常数，K_b为比例常数，K_p为位置反馈增益， K_v为误差微分反馈增益，D为扰动力矩；

(6)在所述数据运算模块中，嵌入高精度、高效数据运算算法， 首先采用增量型PID算法，对数据进行预处理，然后采用逆运动学方 程，对机械手臂的运动轨迹进行数学建模，再依次采用三次多项式插 值算法、空间直线插补算法和空间圆弧插补算法，对机械手臂实时运 动轨迹进行计算，得出计算结果；

(7)步骤(6)所得计算结果，通过SCI通信模块传输至中央控 制模块，中央控制模块通过调用记忆存储模块中预先设定的最佳坐 标，与计算结果数值对比，对机械手臂的运动进行实时调整控制。

步骤(3)所述的B、C轴运动机构，包括两个伺服电机，伺服电 机B1和伺服电机C2；所述伺服电机C2，经过皮带传动机构3，带 动锥形齿5，通过两个锥形齿5传动机构，使运动机构在C轴做360° 旋转；所述伺服电机B1，经过两级皮带传动机构4，使运动机构在B 轴做180°旋转。

步骤(2)所述的机械手臂运行反馈装置包括光电编码器和故障 检测模块；光电编码器将机械手臂运行情况进行实时反馈，将反馈信 号传输至控制装置中的信号处理模块进行处理，经信号处理模块处理 完后，传输至数据处理模块进行计算，然后通过SCI通信模块将计算 结果传输至中央控制模块，最后由中央控制模块对机械手臂进行调整 控制；所述故障检测模块自动侦测故障并记忆故障编号，通过微调所 运行时轴位置及自动累算运转次数实现自动报警功能，并跳出死循环 运转状态，保障系统安全。

步骤(4)所述中央控制模块包括上位机PLC可编程逻辑控制器 和ARM处理器。

步骤(1)所述的机械手臂本体上还设有输入/输出模块，其包括 按键控制模块、程序编辑模块和功能显示模块，通过数据总线与控制 装置相互连接。

一种实施上述方法的五轴数控机械手臂，其包括一机械手臂本体， 在该机械手臂本体上设有X轴手臂、Y轴手臂和Z轴手臂，分别在X 轴、Y轴和Z轴上，通过伺服电机带动平移工作，在机械手臂本体上 分别设有控制装置和机械手臂运行反馈装置，并通过CAN控制总线 彼此连接，在所述Z轴手臂末端，设有一B、C轴运动机构，该B、 C轴运动机构，通过伺服电机带动在B轴上旋转180°，在C轴上旋 转360°；在所述控制装置包括依次连接的中央控制模块、数据运算模 块、记忆存储模块和信号处理模块；其中所述中央控制模块和数据运 算模块，通过SCI通信模块连接；在所述记忆存储模块中存有机械手 臂运动最佳位置坐标；在所述中央控制模块中，嵌有控制算法公式：

${\theta }_L\left(\delta \right)=\frac{K_m(K_p+\delta K_v)\mathrm{\theta \tau }\left(\delta \right)-n{R}_{m}D\left(\delta \right)}{{\delta }^2{R}_m{J}_{\mathrm{off}}+\delta (R_m{f}_{\mathrm{off}}+K_m{K}_b+K_m{K}_v)+K_m{K}_p}$

其中：δ为拉普拉斯算子，R_m为伺服电机电阻，θL为负载轴的 角位移，θτ为指令角位移，J_off有效惯性矩，f_off有效粘滞摩擦系数， n齿数比，K_m为力矩比常数，K_b为比例常数，K_p为位置反馈增益， K_v为误差微分反馈增益，D为扰动力矩；在所述数据运算模块中， 嵌有高精度、高效数据运算算法，增量型PID算法，对数据进行预处 理，逆运动学方程，对机械手臂的运动轨迹进行数学建模，三次多项 式插值算法、空间直线插补算法和空间圆弧插补算法，对机械手臂实 时运动轨迹进行计算，得出计算结果；所得计算结果，通过SCI通信 模块传输至中央控制模块，中央控制模块通过调用记忆存储模块中预 先设定的最佳坐标，与计算结果数值对比，对机械手臂的运动进行实 时调整控制。

所述的B、C轴运动机构，包括两个伺服电机，伺服电机B1和 伺服电机C2；所述伺服电机C2，经过皮带传动机构3，带动锥形齿 5，通过两个锥形齿5传动，使运动机构在C轴做360°旋转；所述伺 服电机B1，经过两级皮带传动机构4，使运动机构在B轴做180°旋 转。

所述机械手臂运行反馈装置包括光电编码器和故障枪测模块；光 电编码器将机械手臂运行情况进行实时反馈，将反馈信号传输至控制 装置中的信号处理模块进行处理，经信号处理模块处理完后，传输至 数据处理模块进行计算，然后通过SCI通信模块将计算结果传输至中 央控制模块，最后由中央控制模块对机械手臂进行调整控制；所述故 障检测模块自动侦测故障并记忆故障编号，通过微调所运行时轴位置 及自动累算运转次数实现自动报警功能，并跳出死循环运转状态，保 障系统安全。

所述中央控制模块包括上位机PLC可编程逻辑控制器和ARM处 理器。

所述机械手臂本体上还设有输入/输出模块，其包括按键控制模 块、程序编辑模块和功能显示模块，通过数据总线与控制装置相互连 接。

但以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，并非用以局限本发明 的专利范围，故凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变 化，均包含在本发明的保护范围内。