機器助人——三軸搬運碼垛機器人的設計與研制

文浙江省安吉縣高級中學郭靜遠王晨煥應正浩黃易單洪天樂張笑語劉鈺青童瀟

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機器助人——三軸搬運碼垛機器人的設計與研制

文浙江省安吉縣高級中學郭靜遠王晨煥應正浩黃易單洪天樂張笑語劉鈺青童瀟

如今，社會正步入機器人時代，在浙江，“機器換人”的口號也越喊越響，連我們的家鄉，一個小小的縣城也有很多工廠、企業開始用機器人替換人工。

每逢節假日都會出現勞動力暫時短缺的現象，而機器人不用放假休息，效率很高，且不用付工資，只要用電“喂飽”它就可以了。于是，我們也想做一個能幫助人們搬運貨物的機器人。

一、準備工作

1.制作材料

密度板、電線、光軸（有滑塊）、步進電機、限位開關、指示燈、蜂鳴器、控制器、螺絲、螺母、自制電磁鐵等。

2.使用工具

銼刀、老虎鉗、榔頭、螺絲刀、立式鉆床、電烙鐵、鋸子等。

二、設計制作

機器人的框架以木材為主，由于三合板并不牢固，于是改用從廢舊桌椅上拆下來的密度板，利用釘子將它們合理組合，并留下足夠的發揮空間。

我們設計的機器人通過三個坐標系運作，所以三個坐標所在的木框必須相互垂直，一旦某個軸有偏差，該軸上電機移動的工作都將失去精準。

郭靜遠、應正浩和張笑語經過仔細測量后，用鉛筆在木板上標出打孔點，并用立式鉆床打孔。為防止打偏，先鉆小孔，對準后快速旋轉鉆床右邊的把手，使鉆頭快速下降并返回，盡量避免偏差。

考慮到如果就這樣旋進螺絲，螺帽會凸出木板外，影響整體美觀，所以用鑰匙旋下小鉆頭，換上稍大一點的鉆頭打出沉孔。沉孔與打孔不同，只需把鉆頭對準小孔，接觸后放松木板，鉆頭會自動調整以對準中心，沉孔沉到一定位置應立刻結束，避免打穿木板。

在指導老師的幫助下，我們終于做出了一個像模像樣的機器人框架。接下來是電路的調試安裝。

1.測試電機的線路連接

先將步進電機上的導線區分開，并用萬能表的2個表棒分別接觸8個彩色線頭，通過觀察萬能表指針的轉動，辨別電機內部的線路，為下一步的連接做準備。

要想機器人能完成搬運工作，還需給它安裝一個能抓東西的執行裝置，我們決定自制一個電磁鐵。

雖然初中就已學過電磁鐵，但自己制作還是第一次，得用極細的金屬絲緊緊纏繞在卷軸上，還要保證它不斷，非常麻煩。在大家的努力下，電磁鐵終于完成了。

要讓機器人動起來還需編程。初次接觸PMC配置軟件，我們對此一無所知，王晨煥同學抱著必勝的信念，在研究了厚厚的一沓資料后開始上手操作。幾次修改和調試后，機器人終于能動起來了。

機器人成功搬運，小組開心合影

2.測試盒子的研究

最初我們想用白盒子內附一塊鐵皮進行測試，張笑語、童瀟將金屬夾拆開、錘平，并鋸成小塊鐵皮，但粘上后效果不佳，且電磁鐵吸引的位置有偏差。有同學提議用硬幣嘗試，又因盒子太重而失敗。最后黃易單從家里帶來一些金屬盒，由劉鈺青裝飾后最終完成。

3.主要核心元件

①三軸聯動PLC型運動制器PMC- 20MT- 3

PMC是可編程運動控制器，集成了PLC與運動控制器雙重功能，而且編程方法簡單。該控制器可控制三個電機運動，實現點位、連續、聯動等功能，同時具有循環、跳轉等功能，還能連接電腦軟件，實現電腦模擬控制、軟件分布調試、示教等功能，廣泛應用于自動化控制行業。

使用前，需在電腦上安裝PMC下載驅動程序。我們使用485數據線將PMC與電腦連接，打開設備管理器，找到端口后進入高級設置，更改次端口號，就可在已下載的程序上編程。機器人有了“靈魂”，就能完成指定的任務了。

②步進電機驅動器

步進電機驅動器是一種將電脈沖轉化為角位移的執行裝置。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，就會驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（稱為“步距角”），它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可通過控制脈沖個數來控制角位移量，達到準確定位的目的。同時通過控制脈沖頻率控制電機轉動的速度和加速度，可達到調速和定位的目的。

步進電機驅動器采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使其步進轉動。下圖是步進電機工作原理示意圖。

步進電機工作原理示意圖

滾珠絲杠由螺桿、螺母等組成，它的功能是將旋轉運動轉化成直線運動，當滾珠絲杠作為主動體時，螺母隨絲桿的轉動角度按照對應規格的導程轉化成直線運動，被動工件可以通過螺母座和螺母連接，從而實現對應的直線運動。

三軸聯動PLC型運動制器PMC- 20MT- 3采用研宏PMC專業配置軟件編程，界面簡潔，方便操作，新手入門快，能根據我們設計的動作編寫控制邏輯和各種參數，讓機器人完美地動起來。

步進電機驅動器TB6560的設置比較可行，通過查看使用手冊，我們在電流設置、自動半流設置、細分設置、衰減設置等方面進行了各種組合的操作試驗，終于找到合適的數據，并撥碼設置好，使步進電機能安全有效地運行。

步進電機驅動器實物圖

三、工作原理

本機器人采用直角坐標來定位，通過x，y，z三維坐標的移動，使機械手能到達三維空間的任意位置，從而使物體被搬運到三維空間的任意位置。

為保證這一點，我們采用硬軟件相結合，硬件以木框為基礎搭載x，y，z軸所需要的光軸、絲桿、步進電機組成的運動機構，以及位置配套的控制器、驅動器和電源。軟件采用PMC運動控制卡軟件，通過編程、485下載線程序下載到控制器，由它發出指令控制運行，使其有能力執行人的命令。（指導老師：汪文峰程國祥江玲玲）

看看我們的機器人，是不是很帥