机器助人——三轴搬运码垛机器人的设计与研制

文浙江省安吉县高级中学郭静远王晨焕应正浩黄易单洪天乐张笑语刘钰青童潇



机器助人——三轴搬运码垛机器人的设计与研制

文浙江省安吉县高级中学郭静远王晨焕应正浩黄易单洪天乐张笑语刘钰青童潇

如今，社会正步入机器人时代，在浙江，“机器换人”的口号也越喊越响，连我们的家乡，一个小小的县城也有很多工厂、企业开始用机器人替换人工。

每逢节假日都会出现劳动力暂时短缺的现象，而机器人不用放假休息，效率很高，且不用付工资，只要用电“喂饱”它就可以了。于是，我们也想做一个能帮助人们搬运货物的机器人。

一、准备工作

1.制作材料

密度板、电线、光轴（有滑块）、步进电机、限位开关、指示灯、蜂鸣器、控制器、螺丝、螺母、自制电磁铁等。

2.使用工具

锉刀、老虎钳、榔头、螺丝刀、立式钻床、电烙铁、锯子等。

二、设计制作

机器人的框架以木材为主，由于三合板并不牢固，于是改用从废旧桌椅上拆下来的密度板，利用钉子将它们合理组合，并留下足够的发挥空间。

我们设计的机器人通过三个坐标系运作，所以三个坐标所在的木框必须相互垂直，一旦某个轴有偏差，该轴上电机移动的工作都将失去精准。

郭静远、应正浩和张笑语经过仔细测量后，用铅笔在木板上标出打孔点，并用立式钻床打孔。为防止打偏，先钻小孔，对准后快速旋转钻床右边的把手，使钻头快速下降并返回，尽量避免偏差。

考虑到如果就这样旋进螺丝，螺帽会凸出木板外，影响整体美观，所以用钥匙旋下小钻头，换上稍大一点的钻头打出沉孔。沉孔与打孔不同，只需把钻头对准小孔，接触后放松木板，钻头会自动调整以对准中心，沉孔沉到一定位置应立刻结束，避免打穿木板。

在指导老师的帮助下，我们终于做出了一个像模像样的机器人框架。接下来是电路的调试安装。

1.测试电机的线路连接

先将步进电机上的导线区分开，并用万能表的2个表棒分别接触8个彩色线头，通过观察万能表指针的转动，辨别电机内部的线路，为下一步的连接做准备。

要想机器人能完成搬运工作，还需给它安装一个能抓东西的执行装置，我们决定自制一个电磁铁。

虽然初中就已学过电磁铁，但自己制作还是第一次，得用极细的金属丝紧紧缠绕在卷轴上，还要保证它不断，非常麻烦。在大家的努力下，电磁铁终于完成了。

要让机器人动起来还需编程。初次接触PMC配置软件，我们对此一无所知，王晨焕同学抱着必胜的信念，在研究了厚厚的一沓资料后开始上手操作。几次修改和调试后，机器人终于能动起来了。

机器人成功搬运，小组开心合影

2.测试盒子的研究

最初我们想用白盒子内附一块铁皮进行测试，张笑语、童潇将金属夹拆开、锤平，并锯成小块铁皮，但粘上后效果不佳，且电磁铁吸引的位置有偏差。有同学提议用硬币尝试，又因盒子太重而失败。最后黄易单从家里带来一些金属盒，由刘钰青装饰后最终完成。

3.主要核心元件

①三轴联动PLC型运动制器PMC- 20MT- 3

PMC是可编程运动控制器，集成了PLC与运动控制器双重功能，而且编程方法简单。该控制器可控制三个电机运动，实现点位、连续、联动等功能，同时具有循环、跳转等功能，还能连接电脑软件，实现电脑模拟控制、软件分布调试、示教等功能，广泛应用于自动化控制行业。

使用前，需在电脑上安装PMC下载驱动程序。我们使用485数据线将PMC与电脑连接，打开设备管理器，找到端口后进入高级设置，更改次端口号，就可在已下载的程序上编程。机器人有了“灵魂”，就能完成指定的任务了。

②步进电机驱动器

步进电机驱动器是一种将电脉冲转化为角位移的执行装置。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，就会驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可通过控制脉冲个数来控制角位移量，达到准确定位的目的。同时通过控制脉冲频率控制电机转动的速度和加速度，可达到调速和定位的目的。

步进电机驱动器采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使其步进转动。下图是步进电机工作原理示意图。

步进电机工作原理示意图

滚珠丝杠由螺杆、螺母等组成，它的功能是将旋转运动转化成直线运动，当滚珠丝杠作为主动体时，螺母随丝杆的转动角度按照对应规格的导程转化成直线运动，被动工件可以通过螺母座和螺母连接，从而实现对应的直线运动。

三轴联动PLC型运动制器PMC- 20MT- 3采用研宏PMC专业配置软件编程，界面简洁，方便操作，新手入门快，能根据我们设计的动作编写控制逻辑和各种参数，让机器人完美地动起来。

步进电机驱动器TB6560的设置比较可行，通过查看使用手册，我们在电流设置、自动半流设置、细分设置、衰减设置等方面进行了各种组合的操作试验，终于找到合适的数据，并拨码设置好，使步进电机能安全有效地运行。

步进电机驱动器实物图

三、工作原理

本机器人采用直角坐标来定位，通过x，y，z三维坐标的移动，使机械手能到达三维空间的任意位置，从而使物体被搬运到三维空间的任意位置。

为保证这一点，我们采用硬软件相结合，硬件以木框为基础搭载x，y，z轴所需要的光轴、丝杆、步进电机组成的运动机构，以及位置配套的控制器、驱动器和电源。软件采用PMC运动控制卡软件，通过编程、485下载线程序下载到控制器，由它发出指令控制运行，使其有能力执行人的命令。（指导老师：汪文峰程国祥江玲玲）

看看我们的机器人，是不是很帅