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基于PLC的机器人本体设计(三)
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毕业论文范文题目:
基于PLC的机器人本体设计(三)
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基于PLC的机器人本体设计(三)
基于PLC的机器人本体设计(三)毕业论文范文介绍开始:
根据式(1) 和(9) ,机器人牢靠吸附在工作面上(不从玻璃幕墙上滑下或倾翻下来) 的条件应该满足:
G < min( f c1 , f c2) (2.10)
理论上:
= 5μV ; (2.11)
; (2.12)
按照机器人的尺寸, p = 78 mm, d = 180 mm,以及玻璃与吸盘间的典型摩擦因数(基于安全考虑, 这里按最小计)μ = 0. 11 。可以得到:
< (2.13)
也就是说,对机器人最可能发生危险的情形是从墙面上滑下。在设计中, 从吸盘数量和间距上, 首先要保证 < ,以避免机器人从墙面上倾翻下来, 考虑到机器人在越障时第一组吸盘可能发生泄漏,另外为了增加安全系数,在设计时,考虑只有下面4组吸盘组工作时机器人仍能够安全吸附。因此,保证机器人的安全,要确保:
(2.14)
可以表示为:
(2.15)
式中: G ———机器人和负载总的质量;
V 总———作用在机器人吸盘上吸力的总和,
V 总= 5 V ;
;
n ———安全系数。
分析发现安全负载会随着吸盘真空度的增加而增加,但是并不是线性增加的。(图2.4 )表示了吸力和安全负载之间的关系,从图上不难看出,真空度增加一倍,从- 25 kPa 增加到- 50 kPa ,安全负载只增加46 % ,而从- 40 kPa 增加到- 80kPa ,安全负载只增加25 % ,这种现象可能是由于吸盘与玻璃间的摩擦因数改变和性能改变造成的。机器人,理论上任意时刻有16 只吸盘吸附着玻璃(最多时20 只) ,在真空度是- 80 kPa、机器人自重20 kg 的情况下,根据理论分析和试验的结果,该机器人约能携带195 N 的负载。
图2.4 吸力与最大负载关系曲线图
2.3 机器人越障的实现
图2.5 越障示意图
爬壁机器人进行服务工作时会遇到障碍物,如果不能越过障碍物将影响机器人继续工作,因此,具有一定的越障能力对爬壁机器人很重要。现阶段,爬壁机器人越障主要有以下几种方法:
(1) 多足交替越障,采用仿昆虫多足结构爬行机构,多足交替动作实现越障, ,这种机器人[4]特点必须是多足型的,相对负载一般的较小。
(2) 靠柔性变形越障,像单吸盘[5]爬壁机器人,其底部四周一般是柔性密封,并有弹性压紧装置,另外,与工作面接触的驱动部分一般有一定的弹性,借助柔性密封体,可以越过高度很低、很平缓的障碍物。
(3) 飞行越障机器人,当遇到障碍物时,它可以借助推力机的升力飞过去,然而当机器人的体积过于庞大实现比较困难[6]。
2.4 转向技术
转向对于爬行机器人非常重要,对于单链条的爬壁机器人尤为重要。机器人转向的关键在于前轮固定在一个旋转关节上,一转直流电机,另一端与旋一端固定在机器人的框架转关节的一端连接,转向气缸驱动旋转关节带动前轮改变方向,并且前轮的接触中心点也发生很小偏移,前轮带动前轮上缠绕的链条,这部分链条上的吸盘可以偏转一定的角度,随着机器人的连续移动,机器人就可以逐渐改变其运动方向,但是,该机器人的转弯半径较大。面的第一组吸盘在吸附到墙壁上之前应该偏转,转向过程中链条逐渐形成一条曲线,因此,链条要有一定的柔性,链条的选择很重要。
2.5 控制系统简介
机器人的控制系统采用主从控制结构,主控制计算机是地面控制站,从计算机置于机器人中,控制的基本策略编入从计算机系统中,通常情况下,从计算机执行主机的指令,并回馈系统的状态。在上一节中讨论了转弯的机械方面的问题,在控制气缸的过程中,采用脉冲宽度调制方法驱动电机控制电机转动。开关阀在PWM的ON/ OFF 信号的作用下实现开关,用低成本的方法,实现了电机的小行程位置控制。
2.6 保险系统:
在需要清洗的高层建筑顶层设置一个安全保障系统。安全系统能够在机器人突然掉电或发生以外从壁面脱落时起保护作用,并能承载水管、气管、电缆的重量,是机器人在壁面上作业时,理论上负载是恒定的,机器人所能工作的高度不能限制。它主要包括带安全吊挂的运载小车、卷扬机构、钢丝绳和通讯电缆几个部分。为了适应不同的护墙高度,采用保险杆高度可进行调节的结构形式。安全机构被设置在楼层的顶部,可选择地面工作人员通过缆绳的收/放,或由楼顶的工作人员负责,手工操作。
2.7 结论
多吸盘的爬壁机器人采用单链行走机构,并采用多吸盘真空吸附方式吸附在墙壁表面,经过理论分析证明,该机器人是可行的。采用弹性机构和多吸盘结构,使该机器人具有跨越一定障碍的能力。这个机器人不仅能够在玻璃幕墙上爬行,并且可以在较平整的金属表面上爬行,加一定的外设,它可以用来进行大面积金属壳体表面缺陷检测。
第三章 壁面清洗爬壁机器人的移动控制系统
3.1 引言
爬行机器人是执行高楼外墙清洗、壁面检查等任务的移动载体,要求移动灵活,安全可靠,小巧轻量,其设计的好坏是评价机器人性能的关键指标。该机器人的行走系统采用双闭环控制电机,由两套直流伺服电机、履带以及控制系统组成,对电机驱动器的设计具体要求如下:
电机稳定条件转速无静差
电机动态性能好,能快速起、制动,突加负载速降小
机器人遇障时限制电机的堵转电流,有快速安全的保护措施
机器人闭环控制转速稳定
行走灵活,控制方便
有一定的抗扰动能力
为了使系统具有较宽的调速范围和快速性和抗扰性,同时能够较灵活的保证履带按照移动规划要求的转速、转向进行工作,该机器人的行走控制采用模拟电流环、速度环混合控制系统,从而避免了全数字式伺服控制系统由于软件的延时等因素影响系统快速性,同时还可以较灵活地对履带进行协调控制。随着微电子技术的发展,数字控制在处理速度和控制的连续性两方面的不足,正在得到克服,全数字化的PWM伺服系统必将取代模拟,因此本控制电路实现数字式速度控制算法进行研究。
3.2 双闭环直流调速系统的介绍
直流调速系统是由转速的给定、检测、反馈,平波电抗器,可控整流器,放大器,直流电动机等环节组成。这些环节都是根据用户要求首先被选择而确定下来,从而构成了系统的固有部分。一般来说,仅有这些固有部分所组成的系统是很难满足机械的全面要求的,特别是对系统动态性能的要求,有时甚至是不稳定的。为了设计建立一个静态、动态都是适用的调速系统,系统的动态设计就是调节器设计。作为工程设计方法[7],首先要使问题简化,突出主要矛盾,简化问题的基本思路是:把调节器的设计过程分为两步:第一步,先选择调节器的结构, 确保系统稳定,同时满足所需的静态精度。第二步,再选择调节器的参数,以满足动态性能指标。在选择调节嚣结构时,只采用少量的典型系统,它的参数与系统性能指标的关系都已事先找到。具体选择参数时,只须按现成的公式和表格中的数据计算一下就可以了,这样使设计方法规范化,大大减少了设计的工作量。在工程设计中,通常将二阶系统与三阶系统作为动态校正的预期系统,分别称它们为典Ⅰ系统与典Ⅱ系统[8]。作为典I系统,其开环传递函数为:
它的闭环结构图与它的开环对数频率特性(如图3.1,3.2)所示。选择它作为典型系统不仅因为其结构筒单,而且对数幅额特性的中频带以一20db/dec的斜率穿越零分贝线,只要参数的选择能保证足够的中频带宽度,系统就一定是稳定的,且有足够的余量。作为典Ⅱ系统,其开环传递函数为:
它的闭环结构图与它的开环对数额率特性(如图3.3,3.4)所示。其中频段也是-20db/dec的斜率穿越零分贝线,保证系统的稳定,比T大得越多,别稳定裕量越大。
图3.1 波特图(典型Ⅰ系统)
图3.2 结构图(典型Ⅰ系统)
图3.3 波特图(典型Ⅱ系统)
图3.4 梯形图(典型Ⅱ系统)
3.3 双闭环直流调速系统的工程设计与典型系统
多闭环控制已是现代电力控制系统结构的普遍形式,以转速,电流双闭环结构应用最为广泛。对于双闭环调速系统,先以电流环开始,首先确定电流调节器的类型及参数,然后将校正后的电流环当作速度环内的一个等效环节,与其它环节一起作为速度环的被控对象再来确定速度调节嚣的类型及参数。电流环的一项重要作用就是保持电流在动态过程中不超过允许值,因而在突加给定电压时不希望有超调,或者超调越小越好。从这个观点出发,把电流环校正成典I系统。负载扰动是转速环的主要扰动。由于要求转速对负载扰动无静差,在速度调节器中必合有积分环节,一般为PI调节器。因此转速环按典Ⅱ系统设计。
3.4 移动系统的控制结构
图3.5 双闭环调速系统动态结构图
为了使系统具有较宽的调速范围和良好的快速性也抗扰性,同时能够较灵活地保证两轮按照移动规划所要求的转速、转向进行工作,该机器人的行走控制系统采用模拟电流环、速度环的混合控制系统,从而避免了全数字式伺服控制系统由于软件延时与反馈信号采样延时等因素影响系统快速性,同时还可以较灵活的对双轮进行协调控制。机器人的行走系统由两套PWM伺服系统独立驱动,通过两轮间速度的配合,以实现机器人在壁面上自由行走,并可以实时调节机器人行走的速度和运动方向,简单、灵活、可靠。模拟电流环、速度环的混合式控制。要求速度环具有足够高的增益和通频带。因此,合理地设计速度控制系统是保证控制系统精确的重要工作。电流是内环,电流反馈信号取自电枢回路的取样电阻,转速环是外环,是决定直流电机调速系统组要性质的基本控制环,由测速机的反馈信号构成速度闭环。
直流PWM伺服系统的驱动控制是针对本系统驱动电机功率较小、调节范围较宽的特点,我们选用快速性好、附加功率小、伺服精确较高的直流PWM伺服驱动系统。PWM频率越高,特性越好,同时电枢电流连续性越好,但是受功率管开关损耗和开关时间的限制,还受工作周期内最大负载以及换向延时的限制,开关频率不能过高,选择标准是保证最小负载电流状态下,电枢电流连续即可,同时防止系统固有振荡。本系统的性能和各项电气指标都能满足要求。
图3.6 PWM信号时序图
3.5 双闭环调速系统的工程设计与分析
3.5.1电机参数及要求
在模拟电路的转速、电流双闭环调速系统设计中电动机、PWM装置可以按照负载的工业要求来选择和设计,转速和电流反馈系数可以通过稳态精度的前提下,按照动态校正的方法确定。为了获得较好的静、动态性能,速度调节器采用PID调节[9],电流调节器采用PI调节,并且输出都带限幅。直流电机的参数[10][11]如下:
1)过载倍数为:2
2)PWM系统放大数为
3)滞后时间常数为Ts=0.5ms
4)电流反馈系数β=1. 33V/A
5)速度反馈系数α=0.05Vmin/r
6)电流滤波时间常数=0.5ms, =5ms
7) =48V,=3.7A,=200r/min, ,
电枢回路总电阻,电枢回路电磁时间常数,电源电压,给定ASR为10V,
要求: (1)电流超调,
(2)空载起动到额定转速时的转速超调量
3.5.2 电流环的设计
(1), (3.1)
(2)根据设计要求,,而且,因此可以按典型Ⅰ型系统设计。电流调节器选用PI型,其传递函数为:
, (3.2)
(3)选择电流调节器参数:
==0.005s, (3.3)
要求时,应该取,因此
, (3.4)
于是, (3.5)
(4)校验近似条件:
,
要求,现, (3.6)
,现, (3.7)
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