硕士学位论文 基于SYSMAC NJ控制器的并联机械手控制系统学科专业名称 控制理论与控制工程 摘 要 随着机械自动化水平的提高，工业机械手应用越来越广，并联机械手是一种具有精度高、惯性小、误差小等一系列优点的全新机械手，具有广阔的发展前景。本课题研究了基于OMRON公司推出的新产品SYSMAC NJ 控制器的并联机械手控制系统，系统采用欧姆龙G5系列伺服驱动以及NS系列触摸屏等设备，使用软件Sysmac Studio编写程序能够实时在触摸屏上显示机械手运动的轨迹曲线，与传统的PLC控制的机械手相比，在性能和精度上都得到很大提高。本课题研究主要工作集中在：首先，分析了工业机械手特性以及在工业现场的广泛应用，在查阅了大量资料的基础上，总结了各类机械手的特点，重点分析并联机械手的优缺点。其次，本课题介绍了NJ控制器的特点、硬件与配置、编程和指令，结合软件Sysmac Studio编写运动控制程序实现多轴运动以及使用3D仿真功能模拟机械手运动轨迹。 最后，介绍系统的设计思路，建立数学模型编写出控制机械手运动的正反解算法，编写控制机械手运动的NS触摸屏程序以及运动控制程序并且运用仿真功能仿真出运动轨迹，使用实际的设备对并联机械手进行调试，达到精确抓取小铁片的要求。关键词：NJ控制器；并联机械手；NS触摸屏；正反解算法；运动控制程序Abstract With the improvement of mechanical automation level, The industrial manipulator is used more and more widely. The parallel manipulator is a new kind of manipulator with high precision, low inertia, small error and so on. Which have a wide developmental foreground. The parallel manipulator control system based on the new product SYSMAC NJ controller released by OMRON are researched in this paper. With the OMRON G5 series servo drive and NS series touch screen, The motion trajectory of the manipulator can be real-time displayed on the touch screen by programming of the system. Which have been greatly improved in performance and accuracy compared with the manipulator controled by PLC. The main work is as follows: First of all, the features of industrial manipulator and the manipulator is widely used in industrial site, based on a large number of materials research, this paper summaries the characteristics of various manipulator, the advantages and disadvantages of parallel manipulator are analysised in particular. Secondly, the features of NJ controller, programming and instructions, Hardware and configuration, multi axis motion by programming of Sysmac Studio and simulated trajectories by 3D simulation capabilities are introduced. Finally, the design of the system is introduced, mathematics model is established to programming the control positive and negative solution algorithm of manipulator motion. Programming for the NS touch screen and motion control. To debug the parallel manipulator by the actual device to achieve precise requirements of grabbing tiny pieces. Key words: NJ controller; parallel manipulator; NS touchscreen; positive and negative solution algorithm; motion control program 目录第一章 绪论11.1 课题的背景11.2 课题研究目的和意义11.3 国内外研究动态21.4 本文主要完成的工作3第二章 工业生产中的机器人42.1 机械手的组成和工作原理42.1.1 机械手的工作原理42.1.2 机械手的各部分介绍42.3 本章小结6第三章 机械手的运动控制系统73.1 NJ系列控制器73.1.1 NJ的特点73.1.2 NJ控制器的硬件与配置93.2 NJ编程和运动控制指令133.2.1 NJ的指令和任务133.2.2 EtherCAT153.2.3 运动控制16第四章 基于NJ控制器的机械手设计204.1 系统的设计方案204.2 NJ控制器程序的编写和调试284.2.1 NJ控制器项目的创建284.2.2 正反解算法功能块的编写364.2.3 手动程序的编写和调试424.2.3 自动程序的编写和调试494.2.4 触摸屏机器人显示、极限功能块等其他功能的编写和调试574.3 触摸屏程序的编写和调试624.3 NS统合模拟与实际调试65第五章 总结分析68参考文献69攻读学位期间的研究成果71致谢72学位论文独创性声明73学位论文知识产权权属声明73第一章 绪论1.1 课题的背景随着机器自动化水平的提高，对一线操作工人的操作技能要求越来越高，同时对操作工人的安全也造成了一定的威胁。工人对工作内容和工作环境的要求也越来越高，这对于一些循环往复以及自动化明显的工业环节来说机械手显得尤为重要，工业生产中机械手的投入不仅减少了对人身安全的威胁以及管理方面的投入，还大大提高了工作效率1。机械手是在自动化生产过程中发展起来的一种新型设备，能够自动完成指定的动作并且可以做多轴协调运动。随着电子技术尤其是计算机的普及和应用，生产和研发机器人已经成为新型的技术走向，这更加促进了机械手的发展。工业机械手是工业机器人的一个重要旁支，它的特点是可以通过编程完成各种指定的作业任务，在构造和性能上具有人和机器各自的特点，具有很高的智能性，使机械手能够更好的把机械化与自动化有机结合起来2。机械手在工业中的大量应用有利于提高材料的运输，零部件的装配以及机器的操作等自动化程度，借助运动控制器强大的工业处理能力以及组态软件的辅助能力，很容易实现工业的生产自动化，不仅可以提高产品的产量以及质量，而且对保障人身安全、改善劳动环境、减轻劳动强度、节约材料以及降低成本有着十分重要的意义3。1.2 课题研究目的和意义随着机械手的应用越来越广泛，对机械手的技术要求也随之不断提高。从企业的角度看，机械手的普及有众多优点来增强竞争力：(1) 可以节约人工，减轻工人的工作劳力。用机械手抓取货物，既可以减少人力支出，排除了因品老产生的安全隐患，便于企业管理，又能保证质量。(2) 提高工作效率，稳定产量。机器在维护良好的情况下可以日夜工作，是人力不可比的，保证了企业每日的产出量。(3) 提升品质，回报快，精准的操作是机械手的一大特点，在没有失误并且大量生产的情况下必然使企业在竞争中立于不败之地。(4) 绿色环保，节约资源，机械生产不会对环境造成意外的破坏。OMRON公司于2011年推出新产品NJ系列的可编程自动化控制器具有强大的硬件体系和软件体系，结合NS系列触摸屏控制机械手，使机械手的自动化强度和精度更上一层，凭借Sysmac NJ控制器的业界最高等级性能，可帮助企业有效缩短生产节拍时间，因而具有广泛的优越性。1.3 国内外研究动态当今世界的机器人大国是我们的邻国日本，他既是工业机器人最大的制造国也是最大的消费国，1993年末全世界的机器人约有61万台，其中日本占60%,美国占8%，欧洲占17%，俄罗斯和东欧占12%4，但其实美国才是工业机器人的发源地。美国联合控制公司与1958年生产出第一台机械手，拉开了工业机器人发展的序幕5。1962年联合公司与普曼公司合并成万能制动公司，专门生产工业机械手。同年美国机械铸造公司推出一种名为Versatran的可做点位和轨迹控制的机械手，为机械手的发展奠定了重要的基础。喷漆、弧焊机器人也相继应用于工业生产当中，1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制出一种Unimation-Vic.arm型工业机械手，内置电子计算机进行装配作业6。日本的机器人的发展起步晚于美国，在十九世纪七十年代日本的劳动力出现短缺的问题，而且越来越严重，因此机器人在美国的诞生成为日本企业的福音。 1967年日本川崎重工业公司首先从美国引进机器人及技术，建立生产厂房，并于1968年试制出第一台日本产unimate机器人7。经过一段时间的发展，日本的机器人产业已经由汽车制造扩展到其他行业。1980年，政府的大力扶持和劳动力的缓解进一步促进了机器人的发展，这一年被称为日本的“机器人普及元年”，并且在1980年1990年的时间内日本的机器人发展达到顶峰状态。德国机器人的总数仅次于美国和日本，其智能机器人的研究和制造在世界上处于领先地位。美国的机器人供应商有很多，比如Adept Technologe、American Robot、Emersom。瑞典的ABB公司是世界上最大机器人制造公司之一，该公司在1974年研发了世界上第一台全电控式工业机器人IRB6，主要应用于工件的取放和物料搬运。1975年生产出第一台焊接机器人。ABB公司制造的工业机器人广泛应用在焊接、装配铸造、密封涂胶、材料处理、包装、喷漆、水切割等领域，意大利的COMAU公司从1978年开始研制和生产工业机器人，至今已有30多年的历史。日本的工业机器人代表企业有FANUC、安川、川崎、OTC、松下，他们在机器人行业都起着重要的作用。我国的机器人发展起步于70年代初期，其发展过程可分为三个阶段：70年代的萌芽期；