一款并聯工業機器人的設計

陳文華 陳煒鑌 梁志聰

（廣州城建職業學院，廣東 廣州510925）

1 研究背景

自從1961 年推出第一臺工業機器人以來,機器人技術發展相當迅速，已經廣泛應用于汽車制造、電子產品設計、核工業、服務業和醫療衛生等許多方面。1985 年,Clavel 設計了第一款Delta 并聯機器人。Delta 并聯機器人是一種具有3 個平動自由度的高速并聯機器人，具備結構緊湊穩定，精度高，機器剛性高，承載能力大的特性。本設計完成一款并聯工業機器人設計，其結構如圖1 所示。

圖1 并聯工業機器人外形圖

2 并聯機器人設計

2.1 并聯機器人機械結構設計

并聯機器人通過控制步進電機的轉動從而實現下運動平臺運動，下運動平臺可以安裝吸盤和機械收等裝置。如圖2 所示：1 上固定平臺；2 步進電機；3 電機接頭；4 電機支架；5 主動臂；6 球鉸接；7 從動臂；8 下運動平臺；9 限位開關。并聯機器人通過下運動平臺上安裝的吸盤或機械手，來可吸取或抓取產品。上固定平臺下方對稱固定3 個步進電機，步進電機通過電機接頭與主動臂相連接，主動臂通過球鉸接與從動臂相連，從動臂另一端通過球鉸接與下運動平臺相連，并且下運動平臺與上固定平臺平行，如圖3 所示。

2.2 并聯機器人電源系統設計

并聯機器人電源系統原理圖，如圖4 所示。首先接入220V的交流電源，在通過CANNY WELL，CANNY WELL 是一個濾波器，經過濾波器之后就到總開關。總開關出來是一個由變壓器220V（300W），變壓器出來的電壓是交流大約是48V，之后經過一個兩個3000uF 一個電阻的濾波，然后給三個步進驅動器供電，確保電壓滿足驅動器要求，以防電壓過高燒壞驅動器和步進電機。圖5 是急停按鈕和開關按鈕，急停按鈕是停止步進電機，急停按鈕的輸入端連到步進的DIR 和STEP，防止撞機行為。而開關按鈕是負責控制控制系統的電源。

圖2 并聯機器人結構圖（1）

圖3 并聯機器人結構圖（2）

圖4 并聯機器人電氣控制原理圖

圖5 急停按鈕和開關按鈕

2.3 步進電機控制原理圖

步進電機分為兩類，分別有42 步進和57 步進。本次設計選用的是42 步進電機。42 步進電機是混合式步進電機中用量最大的品種，產品性價比比較高，所以會優先考慮。如果在中低速場合使用,建議把電機串聯接線,在串聯接線時,電阻變成2 倍,電感是4 倍,額定電流0.7 倍，保持力矩是1.4 倍，如圖6 所示。

圖6 步進電機控制原理圖

2.4 并聯機器人主控制系統

并聯機器人主控制系統是由0120052、CT6N137、0170052、AMS1117DN811、SCM848PLS、SP3435E 芯片、兩個電解電容組成，如圖7 所示。在最下面那一端PV01、DV01 分別接到我們步進驅動器的DIR+端和STEP+端，并且CT6N137 和0170052 芯片都是對應每一個不同的驅動器。電腦通過RS485 對機器人進行控制，電腦是主站，控制系統是從站，主站給信號從站來執行命令。最上面那一段有兩個接口是接到吸盤，并且由SP3435E芯片來控制。兩端限位接口和7 端是接到步進EN+、8 端是接到步進的STEP-，兩端限位還短接一個急停按鈕的輸入端，用于防止撞機行為發生。

圖7 并聯機器人控制系統

2.5 并聯機器人通訊設計

Modbus 是一種串行通訊協議，于1979 年為使用可編程邏輯控制器（PLC）通訊而發表。Modbus 是工業領域通訊協議的業界標準（De facto），是目前比較常用的通訊方式。Modbus 協議目前存在用于串口、以太網以及其他支持互聯網協議的網絡的版本，大多數Modbus 設備通訊通過串口EIA-485 物理層進行。在調試過程中，遵循Modbus 通訊過程，采用MODBUS-RTU 指令，使用讀寄存器命令（03）和寫寄存器命令（06）及寫多個寄存器指令（10），如圖8 所示。主機：與并聯機器人進行通訊的設備，計算機。它在485 總線上發起命令。從機：響應主機命令的設備，在此指機器人的控制器。它在收到主機的命令后，根據命令做出響應。

圖8 串口通信

系統采用循環冗余校驗(CRC)來檢測或校驗數據傳輸或者保存后可能出現的錯誤。它是利用除法及余數的原理來作錯誤偵測的。

3 結論

本文從并聯機器人結構、系統電源設計、步進電機控制、主控制系統、通訊系統等方面進行設計。并聯機器人具有結構緊湊穩定，進度高，機器剛性高，承載能力大。廣泛應用于汽車制造、電子產品設計、核工業、服務業和醫療衛生等許多方面。