一款并联工业机器人的设计

陈文华 陈炜镔 梁志聪

（广州城建职业学院，广东 广州510925）

1 研究背景

自从1961 年推出第一台工业机器人以来,机器人技术发展相当迅速，已经广泛应用于汽车制造、电子产品设计、核工业、服务业和医疗卫生等许多方面。1985 年,Clavel 设计了第一款Delta 并联机器人。Delta 并联机器人是一种具有3 个平动自由度的高速并联机器人，具备结构紧凑稳定，精度高，机器刚性高，承载能力大的特性。本设计完成一款并联工业机器人设计，其结构如图1 所示。

图1 并联工业机器人外形图

2 并联机器人设计

2.1 并联机器人机械结构设计

并联机器人通过控制步进电机的转动从而实现下运动平台运动，下运动平台可以安装吸盘和机械收等装置。如图2 所示：1 上固定平台；2 步进电机；3 电机接头；4 电机支架；5 主动臂；6 球铰接；7 从动臂；8 下运动平台；9 限位开关。并联机器人通过下运动平台上安装的吸盘或机械手，来可吸取或抓取产品。上固定平台下方对称固定3 个步进电机，步进电机通过电机接头与主动臂相连接，主动臂通过球铰接与从动臂相连，从动臂另一端通过球铰接与下运动平台相连，并且下运动平台与上固定平台平行，如图3 所示。

2.2 并联机器人电源系统设计

并联机器人电源系统原理图，如图4 所示。首先接入220V的交流电源，在通过CANNY WELL，CANNY WELL 是一个滤波器，经过滤波器之后就到总开关。总开关出来是一个由变压器220V（300W），变压器出来的电压是交流大约是48V，之后经过一个两个3000uF 一个电阻的滤波，然后给三个步进驱动器供电，确保电压满足驱动器要求，以防电压过高烧坏驱动器和步进电机。图5 是急停按钮和开关按钮，急停按钮是停止步进电机，急停按钮的输入端连到步进的DIR 和STEP，防止撞机行为。而开关按钮是负责控制控制系统的电源。

图2 并联机器人结构图（1）

图3 并联机器人结构图（2）

图4 并联机器人电气控制原理图

图5 急停按钮和开关按钮

2.3 步进电机控制原理图

步进电机分为两类，分别有42 步进和57 步进。本次设计选用的是42 步进电机。42 步进电机是混合式步进电机中用量最大的品种，产品性价比比较高，所以会优先考虑。如果在中低速场合使用,建议把电机串联接线,在串联接线时,电阻变成2 倍,电感是4 倍,额定电流0.7 倍，保持力矩是1.4 倍，如图6 所示。

图6 步进电机控制原理图

2.4 并联机器人主控制系统

并联机器人主控制系统是由0120052、CT6N137、0170052、AMS1117DN811、SCM848PLS、SP3435E 芯片、两个电解电容组成，如图7 所示。在最下面那一端PV01、DV01 分别接到我们步进驱动器的DIR+端和STEP+端，并且CT6N137 和0170052 芯片都是对应每一个不同的驱动器。电脑通过RS485 对机器人进行控制，电脑是主站，控制系统是从站，主站给信号从站来执行命令。最上面那一段有两个接口是接到吸盘，并且由SP3435E芯片来控制。两端限位接口和7 端是接到步进EN+、8 端是接到步进的STEP-，两端限位还短接一个急停按钮的输入端，用于防止撞机行为发生。

图7 并联机器人控制系统

2.5 并联机器人通讯设计

Modbus 是一种串行通讯协议，于1979 年为使用可编程逻辑控制器（PLC）通讯而发表。Modbus 是工业领域通讯协议的业界标准（De facto），是目前比较常用的通讯方式。Modbus 协议目前存在用于串口、以太网以及其他支持互联网协议的网络的版本，大多数Modbus 设备通讯通过串口EIA-485 物理层进行。在调试过程中，遵循Modbus 通讯过程，采用MODBUS-RTU 指令，使用读寄存器命令（03）和写寄存器命令（06）及写多个寄存器指令（10），如图8 所示。主机：与并联机器人进行通讯的设备，计算机。它在485 总线上发起命令。从机：响应主机命令的设备，在此指机器人的控制器。它在收到主机的命令后，根据命令做出响应。

图8 串口通信

系统采用循环冗余校验(CRC)来检测或校验数据传输或者保存后可能出现的错误。它是利用除法及余数的原理来作错误侦测的。

3 结论

本文从并联机器人结构、系统电源设计、步进电机控制、主控制系统、通讯系统等方面进行设计。并联机器人具有结构紧凑稳定，进度高，机器刚性高，承载能力大。广泛应用于汽车制造、电子产品设计、核工业、服务业和医疗卫生等许多方面。