河北工业大学本科毕业设计（论文）前期报告
（9）董忠. 码垛机器人运动控制与优化. 上海交通大学 2010
码垛机器人作为现代码垛系统中最重要的设备,它对促进工业自动化、流水线无人控制生产起了重要的推进作用。这其中搬运速度成为了衡量码垛机器人性能的重要标准。本论文主要论述高速机器人在运动过程中的特点,特别是在高速情况下。由于机器人运动所产生的复杂的动态特性,即非线性时变特性,并针对此种情况提出该问题的一系列解决办法。本文分别从机器人本体的运动学分析、Trio控制器性能优化、基于学习速度的迭代学习控制方法研究、以及抓手末端轨迹优化等共计四大部分内容,它们贯穿于整个论文[9]。 （10）陈黎明. 码垛机器人控制系统设计. 上海交通大学 2010
本文根据码垛机器人的功能需求和对当前流行的码垛机器人控制方案分析,设计了码垛机器人控制系统,该系统包括离线编程和3D仿真,控制器模块,该控制系统能大大提高码垛机器人的工作效率。本论文主要研究了如下四大部分内容: (一)根据码垛机器人的功能需求和技术需求分析,提出了码垛机器人的控制方案;(二)根据控制系统模块的划分,确定各个模块的关系,并具体对各个模块进行软件实现;(三)在对各个模块的软件实现过程当中对码垛机器人需要考虑的现场问题进行解决,并对各个关键问题进行解决;(四)对所设计的控制系统进行现场调试,验证该控制系统方案的合理和正确性。最终实验证明,该控制系统满足了工业自动化的需求。并且大大提高了码垛效率[10]。
2.毕业设计应用的技术
2.1设计要求
（1）产品包装箱码放方式为每托盘四垛五层;
（2）码垛机完成X、Y、Z三维动作，实现托盘不动完成自动码垛任务; （3）采用气爪完成抓放产品包装箱动作；
（4）产品下线输送机高度800mm，托盘移位输送机高度300mm； （5）码垛机X、Y两向运动采用伺服电机驱动，升降运动采用气动驱动； （6）系统采用PLC控制，采用工业触摸屏进行人机交互。 2.2直角坐标型[12]
这种机器人由三个线性关节组成，这三个关节用来确定末端操作器的位置，通常还带有附加的旋转关节，用来确定末端操作器的姿态，这种机器人在x、y、z轴上的运动是独立的，运动方程可独立处理，且方程是线性的，因此很容易通过计算机控制实现；它可以两端支撑，
5
河北工业大学本科毕业设计（论文）前期报告
对于给定的结构长度，刚性最大；它的精度和位置分辨率不随工作场合而变化，很容易达到高精度。但是，它的操作范围小，手臂伸缩的同时又向相反的方向伸出，即妨碍工作，占地面积大，运动速度低，密封性不好。 2.3对任务书的理解
对于电伺服3-DOF直角坐标[3]码垛机，结构比较简单，可以方便的实现三个方向的快速移动，我还没有具体的方案，只是对它的用途和大体结构有了初步的认识。首先执行元件的选择，根据设计要求和表1-1[11]，选择电气式执行元件和气压式执行元件。
表1-1
种类 电气式 特点 可使用商用电源，信号与动力的传送方向相同，有交流和优点 操作方便，编程容易，能实现定位伺服，响应快，易与缺点 瞬时输出功率大，过载差，特别是由于某种原因而卡住直流之别，应注意电压值大小。 CPU相接，体积小，动力大，时，会引起烧毁事故，易受外无污染。 部噪声影响。 功率小，体积大，动作不够气压式 空气压力源的压力为（5~7）x105Pa；要求操作人员技术熟练。 气源方便，成本低，无泄漏污染，速度快，操作比较简单。 平稳，不易小型化，远距离传输困难，工作噪声大，难于伺服。 液压式 要求操作人员技术熟练，液输出功率大，速度快，动作设备难于小型化，液压源或液压油要求（杂志、温度、有辆、质量）严格；易泄漏且有污染。 压源压力为（20~80）x105Pa。 平稳，可实现定位伺服，易与CPU相接，响应快。
2.4伺服电机的选择
伺服电机，按照通常的区分划分为步进电机、直流有刷伺服电机、直流无刷伺服电机、交流
5
河北工业大学本科毕业设计（论文）前期报告
伺服电机等。伺服电机适合正反向运行，而且启动停止性能好，由于是闭环控制，速度控制与位置控制也比较精确，所以选择伺服电机是最好的选择。
选择什么样的伺服电机，在很大程度上取决于负载的物理特性，负载的工作特性、系统要求以及工作环境。一旦系统要求确定后，无论选择何种形式的伺服电机，首先要考虑的是选择多大的电机合适，主要考虑负载的物理特性，包括负载扭矩、惯量等。在伺服电机中，通常以扭矩或者力来衡量电机大小，所以选电机首先要计算出折算到电机轴端负载扭矩或者力的大小。计算出扭矩以后需要留出一部分余量，一般选择电机连续扭矩>=1.3倍负载扭矩，这样能保证电机可靠的运行。除此外还需要计算折算到轴端负载惯量的大小，一般选择负载惯量：电机转子惯量<5：1，以保证伺服系统响应的快速性。如果出现电机和负载之间惯量，扭矩不匹配的情况，那么只能牺牲速度，在电机和负载间增加减速机了。
选择出用多大扭矩的电机后，需要做的是了解负载的工作特性和工作环境。负载的工作特性包括如负载是高速还是低速运行，加速度需要达到多少，是否需要频繁起停，频率需要达到多少，系统运行精度等等。这时选择伺服电机也并没有什么特定的规律可循，关键的是你所选择的电机必须适应你负载运动的工作要求。比如在系统精度要求不高、运动速度在几百转以下（不超过500转）但不至于过低（大于1转），不需要频繁起停的情况下，步进电机是一种很好的选择。当运动速度从几转到3000多转以下时，控制精度相对要求较高，可以选择直流或者交流伺服电机。一般情况下，交流伺服电机低速特性不如直流伺服电机，如果负载工作于较低速，建议选择直流伺服电机。而有刷直流电机由于存在电刷换相，会有换相环火产生，在真空防暴水下等场合是不能使用的，并且由于环火使电机轴膨胀以及传导给连接部件，在系统精度要求高的场合也不能使用。现在工业应用中广泛应用的交流伺服电机为交流永磁同步电机，由于其在额定转速以下呈现的恒扭矩特性，所以多用于负载扭矩恒定或者变化不大的场合，比如机床进给系统。选择是相对的，同一种应用，可以用交流也可以用直流，有时取决于环境，比如有的机器人项目，交流电源相对而言比较难得到，那就只能用直流伺服电机了。还有许多特殊应用场合，常规意义的伺服电机是很难完成任务的，比如超低速平稳运行，有的甚至低到每年几转，一般的伺服电机完成不了这个要求，只能选择力矩电机来完成任务了。又比如需要频繁起停、快速响应、高加速度，普通伺服也很难满足要求，一般交流伺服电机带负载频繁起停频率不会高于5HZ，而直线电机就不一样了，可以做到高加速度有的达30G，起停频率可到20HZ。选择电机唯一的规律就是了解负载特性，了解工作环境，了解电机特性，只有这样才能选择合适的伺服电机。由于以上种种考虑，码垛机由于需要的速度不是很高而且需要经常启动停止，
5
河北工业大学本科毕业设计（论文）前期报告
选择直流伺服电机是最好的选择。 2.5气压驱动
与伺服驱动相比,气压驱动[13]的特点是气源方便,气源系统简单,由于使用的介质是空气，成本低,无污染，无需设置回收管路 ,而且气压传动的动作速度和反应快，可以在一定的超负载工况下运行，并不易发生过热现象。但由于空气可压缩,因而工作压力较低,定位精度低，适用于小功率场合[2]。
3.参考文献：
[1] 刘颖明，型钢码垛机控制系统设计，沈阳工业大学，2005 [2] 成汝振.码垛机液压系统优化与控制,太原理工太原理工大学，2011
[3] 毕克克，码垛机械设计中感性因素的量化方法研究及决策模型的建立，太原理工大学， 2009
[4] 闫志明. 湿坯码垛机的研究. 太原理工大学 2009
[5] 马占义，新型铝锭码垛机械手动静态性能分析与优化，兰州理工大学，2009 [6] 卢志珍,基于PLC的全自动包装码垛生产线控制系统设计,江南大学2008 [7] 刘涛. 层码垛机器人结构设计及动态性能分析. 兰州理工大学 2010 [8] 刘兴磊. 基于现场总线的码垛机器人控制系统研究. 东华大学 2010 [9] 董忠. 码垛机器人运动控制与优化. 上海交通大学 2010 [10] 陈黎明. 码垛机器人控制系统设计. 上海交通大学 2010 [11] 张建民等编著.机电一体化系统设计北京理工大学出版社2007 [12]郭红红主编，工业机器人技术，西安电子科技大学出版社。2006 [13]杨文生主编，液压与气压传动，电子工业出版社，2007
5
河北工业大学本科毕业设计（论文）前期报告
[14]成大先主编，机械设计手册，北京化工工业出版社，2004
[15]《电气工程师手册》第二版编辑委员。电气工程师手册.第二版.北京：机械工业出版社， 2003
[16]SMC气动元件选型手册 [17]OMRON电器元件选型手册
5
李秋瑾085475毕设前期报告
