機械臂控制實驗

實驗一 機械臂控制實驗

一、實驗目的

1．了解機械臂的組成及性能指標；

2．了解機械臂的機械系統和控制系統的組成、工作原理；

3．了解機械臂完成搬運裝配作業的過程，掌握機械臂示教作業的方法。

二、實驗設備

四自由度機械臂及控制柜，計算機，氣泵，裝配軸、套。

三、實驗原理

本實驗使用的四自由度示教再現式機械臂采用串聯平面式開鏈結構。機械臂各關節采用伺服電機和步進電機混合驅動，并通過Windows 環境下的軟件編程和運動控制卡實現對機械臂的控制，使機械臂能夠在運動范圍內任意位置精確定位。

機械臂的示教、再現是示教再現型機械臂實現機械臂作業的兩個過程。在示教過程中，操作者通過示教盒或計算機屏幕上的示教界面操作機械臂運動，計算機系統內安裝的示教軟件將機械臂運動軌跡各段的起點和終點、運動類型、運動速度等信息自動地記錄在計算機存儲器中；在再現過程中，重放存儲器中存儲的各段軌跡的運動類型和運動速度，并通過插補算法計算出各段軌跡的起點和終點中間的各個位置點，作為電機伺服系統的指令，從而再現示教過的作業程序。如需更改作業程序時，則需重新完成示教和再現的操作。

機械臂按運動軌跡控制方式可分為點到點（PTP）運動控制和連續軌跡（CP）運動控制。

四、實驗內容

1．機械臂的機械系統認識

本機械臂具有4個自由度，即腰關節（關節1）、臂關節（關節2）、肘關節（關節3）、腕關節（關節4）各自的回轉運動。

圖1-1 機械臂的傳動簡圖

機械臂的夾持功能是通過安裝在手腕前端的手爪來完成的。本機械臂采用氣動手爪機構來完成抓取作業，手爪的標稱負載為2kg。機械臂的氣動夾持裝置由氣泵、油水分離器、控制閥、手爪及氣管五部分組成。

2．機械臂的控制系統認識

本機械臂的電控系統主要由計算機系統、電機及電機驅動器、傳感器、電源、操作電路、控制柜等部分組成。

3．機械臂搬運裝配實驗

機械臂的搬運裝配分成示教、再現兩個過程。機械臂的示教窗口包含關節信息、末端坐標信息、示教盒、機械臂狀態信息、示教點信息列表、示教速度控制和示教控制等部分。

五、實驗步驟

1．介紹機械臂的性能指標及機械系統的各組成部分（教師演示）；

2．介紹機械臂的電控系統各組成部分（教師演示）；

3．機械臂搬運裝配實驗

1）連接好控制柜電源，開啟計算機后，旋轉控制柜上鑰匙以開啟電源開關，等待控制柜的報警指示燈變灰后，按下控制柜的“伺服開啟”按鈕，等待變綠后方可操作。

2）運行機械臂教學軟件，進入軟件主界面，點擊“機械臂復位”按鈕，復位后點擊“機械臂示教”按鈕，彈出示教窗口。

3）在“示教速度控制”內，通過移動指針選擇示教速度。

4）在“示教盒”內，通過控制各關節的運動方向、手爪狀態等按鈕來控制機械臂示教運動。當每個關節運動到關鍵位置處，需按下“記錄”按鈕記錄下示教信息，直至整個搬運裝配過程完成。

5）點擊“保存”按鈕，保存示教文件。

6）點擊“復位”按鈕，機械臂回到笛卡爾坐標系的原點位置。

7）點擊“再現”按鈕，機械臂按照記錄的機械臂關節信息再現一遍運動軌跡。

8）點擊“清零”按鈕，清除關節信息、末端點信息和示教信息列表。

9）點擊“復位”按鈕，機械臂做回零運動。

10）如果想再現第二次，只需點擊“打開”按鈕，找到相應示教文件，然后點擊“識別示教點”，重復6）、7）、

8）、9） 步驟即可。

11）關閉教學機械臂軟件。按下教學機械臂控制柜的“伺服關閉”按鈕，等待變紅后，旋轉控制柜上鑰匙，關閉電源開關。

六、思考題

1．指出機械臂各關節所采用的執行元件和傳動部件。

2．怎么控制氣動手爪的夾持力？怎樣調節氣動手爪的移動速度？

3．通過本實驗總結機械臂示教－再現的概念。

4．機械臂在運動控制過程中，梯形曲線運動和S形曲線運動模式各有什么特點？

5．機械臂的PTP運動控制與CP運動控制方式各有何特點？舉出機械臂在工業控制中PTP控制和CP控制的實例？