机械手-基于单片机控制的三自由度机械手设计-设计.doc

机械手-基于单片机控制的三自由度机械手设计-设计 摘 要 在工业上,自动控制系统有着广泛的应用,如工业自动化机床控制、计算机系统、机器人等。而工业机器人是相对较新的电子设备,它正开始改变现代化工业面貌。全自动机械手能模仿人手和手臂的某些动作功能,用以按固定程序抓取,搬运物体或操作工具的自动操作装置,机械手主要由手部和运动机构组成。按照抓持物件形状、尺寸、重量、材料和作业要求的不同,手部有多种结构形式,如夹持型,托持型和吸附型等。运动机构的功能是使手部完成各种转动、移动或复合运动来实现规定的动作,并改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式,称为机械手的自由度。本设计选用三自由度圆柱坐标型工业机器人,其工作方向为两个直线方向和一个旋转方向,其中两个直线方向是通过滚珠丝杠来实现小臂与大臂的伸缩,升降。旋转是通过伺服电机带动机械手基座转动来实现的。在控制器的作用下,它执行将工件从一条流水线抓取并运送到另一条流水线这一简单的动作。关键词:三自由度,圆柱坐标,工业机器人ABSTRACT Industrially, the automatic control systems are found in numerous applications, such as the automation machine tool control, computer systems and robotics. Industrial robots, as the relatively new electromechanical devices, are changing the appearance of the modern industry. Automatic robot arm can mimic certain actions of hunman hands and arms,like a fixed procedure for the object capturing, moving objects or tools operating of the automatic operation device, Robot arm is composed of the hand the moving mechanism. with the differences of the shape, the size, the weight, the material and the operational requirements, the hand has various structural forms, such as clamp type, care support and the adsorption type, etc. The function of the moving mechanism is to accomplish a variety of hand rotation, movement or campaign to achieve the required composite action and to change the location and the posture of objects. The independence movements of the lifting, the stretching and the rotation are referred as the degrees of freedom manipulator. This paper introduced a cylindrical robot for three degree of freedom. The working direction are composed of two linear directions, which are implement through the stretching of forearm and are driven by a ball screw, and one rotary direction, which is implemented through the rotation of the robot base driven by a servo motor. Under the action of the controller, it performs the work piece form a line capture and transport to another line of action of this simple action1Key words :three degrees of freedom, cylindrical, industrial robot 目 录1 绪论11.1 课题的来源、目的与意义11.2 国内外研究现状与发展趋势12 工业机器人的总体设计32.1 工业机器人的组成及各部分关系概述32.2 工业机器人的设计分析42.3 控制系统的设计分析63 工业机的机械系统设计73.1 工业机器人的运动系统分析73.2 工业机器人的执行机构设计93.3 工业机器人的机械传动装置的选择234 机械手的单片机控制系统设计244.1 机械手单片机控制方案244.2 机械手单片机接线原理图的设计284.3 机械手单片机程序流程图的设计315 结论35 1 绪论 1.1 课题的来源、目的与意义 本课题来源于生产社会实践。通过本课题让我了解了机械手代替了人工的繁杂劳动,并且操作精度高,提高了产品质量和生产效率。并掌握了机械手的结构与原理,能够通过单片机和伺服电动机来控制与驱动机械手的运作。能够培养学生的责任感,对待工作能认真负责。对待事物能够先进行认真分析与了解,勇于创新与实践。更主要的是能够培养学生对科学知识的严谨和实事求是的态度。 1.2 国内外研究现状与发展趋势 目前在世界上形成了以日本,美国和欧盟机械手技术三足鼎立的局面。 据国外媒体报道,日本工程师日前创造出了一个能与操作人员相连接的外骨骼机械手臂,操作人员利用它,可以轻易的举起90公斤的东西。 位于日本京都的Activelink 公司正在开发这个双臂“力量强化”的机器人,该公司归日本电子巨头松下公司所有,并提供资助。机器人由作用力直接反馈的18个电磁电机驱动,操作者可以控制机器人手臂的移动,包括作出一些细微动作。这个有6人的工程师团队由Go Shirogauchi领导,2003年开始从事这项研究。他们的目标是用铝合金知道出机器人,并计划在2015年前投入实际使用。 Shirogauchi说:“这个机器人手臂将主要用于灾区需要挪动重物的地方,而在这个地方轮式车辆无法工作。”当机器人执行完任务后,手臂作为公共平台,将有大量零件需要更换,安装零件将是一件十分方便的工作。这个装置还可运用于仓库和建筑工地方面。 目前,这个机器人装置的唯一缺点是太重,它重约200公斤,如果没有支撑的话是很难让它运行起来。这个缺点限制了它的运用。Shirogauchi领导的团体目前正在努力减少装置的重量,同时,重量减轻也可以让操作者更安全。 美国科学家近日宣布,它们利用大脑芯片技术,研制出一种神奇的机械臂。这种机械臂通过大脑意念来控制。这一技术有望为截肢和瘫痪者带来福音。 科学家说,这种机械臂由完整的可活动的肩肘和一个模仿人手的敏感抓爪组成。机械手里面装有传感器,与一个头发般薄得微芯片相连接,微芯片植入大脑后,传感器接收到大脑神经元发出的信号后,将信号传入电脑进行分析,指挥机械手进行对应的活动。这一技术还能自动纠正机械臂没有做到位的动作。在实验里,这一技术已经在猴子身上得到应验。猴子不仅很快就适应了机械臂,并且成功地运用意念来操纵机械臂来吃东西。虽然在以往的实验里,科学家已经成功的将智能芯片植入大脑,但也仅仅是实现了用意念来进行简单的活动,例如控制电脑鼠标,进行在电脑上收发电子邮件和画图,切换电视频道等。而随着机械臂的开发研制,科学家希望能帮助截瘫人士进行更多的活动。科学家们希望这种机械臂在几年后能够得到广泛使用,到时候,截肢和瘫痪者就有希望摆脱“有心无力”的困境了2。2 工业机器人的总体设计 2.1 工业机器人的组成及各部分关系概述图2-1 工业机器人的组成图 它主要由机械系统执行系统、驱动系统、控制检测系统及智能系统组成。 执行系统:执行系统是工业机器人完成抓取工件,实现各种运动所必需的机械部件,它包括手部、腕部、机身等。 (1)手部:又称手爪或抓取机构,它直接抓取工件或夹具。 (2)腕部:又称手腕,是连接手部和臂部的部件,其作用是调整或改变手部的工作方位。 (3)臂部:是支承腕部的部件,作用是承受工件的负荷,并把它传递到预定的位置。 (4)机身:是支承手臂的部件,其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。 驱动系统:为执行系统各部件提供动力,并驱动其动力的装置。常用的机械传动、液压传动、气压传动和电传动。 控制系统:通过对驱动系统的控制,使执行系统按照规定的要求进行工作,当发生错误或故障时发出报警信号。 检测系统:作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况,根据需要反馈给控制系统,与设定进行比较,以保证运动符合要求。 由图2-2表示机械手控制各部分关系。图2-2 各部分关系图 2.2 工业机器人的设计分析 2.2.1 设计要求 综合运用所学知识,搜集有关资料独立完成三自由度圆柱坐标型工业机器人操作机和驱动单元的设计工作。 (1)机械手最大抓重: 1kg (2)工件尺寸:直径约23cm (3)自由度数: 3个自由度 (4)座标型式: 圆柱座标 (5)手指开合角度:60(最大速度: 60度每秒) (6)支座旋转角度:90(最大速度: 90度每秒) (7)手臂运动参数伸缩行程: 100mm伸缩速度: 100mm/s升降行程:300mm升降速度: 100mm/s (8)机械手(重复) 定位精度:1mm 零件尺寸:直径为30mm,高为45mm零件材料:铁质 2.2.2 总体方案拟定在工业机器人的诸多功能中,抓取和移动是最主要的功能。这两项功能实现的技术基础是精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动。本次设计就是在这一思维下展开的。根据设计内容和需求确定圆柱坐标型工业机器人,利用大扭矩电机控制旋转运动;利用两台伺服电机驱动滚珠丝杠旋转,从而使与滚珠丝杠螺母副固连在一起的手臂实现上下及其前后运动;末端夹持器则采用内撑连杆杠杆式夹持器,用小型液压缸驱动夹紧。由图2-3显示机械手外形轮廓。 图2-3 机械手外形图 2.2.3 工业机器人主要技术性能参数 工业机器人的技术参数是说明其规格和性能的具体指标。主要技术参数有如下: (1)抓取重量: 抓取重量是用来表明机器人负荷能力的技术参数,这是一项主要参数。这项参数与机器人的运动速度有关,一般是指在正常速度下所抓取的重量。 (2)抓取工件的极限尺寸: 抓取工件的极限尺寸是用来表明机器人抓取功能的技术参数,它是设计手部的基础。 (3)坐标形式和自由度: 说明机器人机身、手部、腕部等共有的自由度数及它们组成的坐标系特征。 (4)运动行程范围: 指执行机构直线移动距离或回转角度的范围,即各运动自由度的运动量。根据运动行程范围和坐标形式就可确定机器人的工作范围。 (5)运动速度: 是反映机器人性能的重要参数。通常所指的运动速度是机器人的最大运动速度。它与抓取重量、定位精度等参数密切有关,互相影响。目前,国内外机器人的最大直线移动速度为1000mm/s左右,一般为200400mm/s;回转速度最大为180o/s,一般50o/s。 (6)定位精度和重复定位精度: 定位精度和重复定位精度是衡量机器人工作质量的一项重要指标。编程方式和存储容量。 本课题设计中我采用的是三自由度圆柱坐标型机械手,其中机械手的基座、大臂、手臂与末端执行器分别通过伺服电机、液压缸与单片机控制。机械手有关的技术参数见其表2-1。表2-1 三自由度圆柱坐标机器人机械手类型三自由度圆柱坐标型抓取重量1Kg自由度3个(1个回转2个移动)机座 回转运动 回转角90, 伺服电机驱动 单片机控制大臂机构 伸缩运动,升降范围300mm, 伺服电机驱动 单片机控制手臂机构 伸缩运动,伸缩范围100mm, 伺服电机驱动 单片机控制末端执行器液压缸驱动 单片机控制 2.3 控制系统的设计分析 本课题采用单片机对机械手进行控制,初定8051系列,根据机械手的工作流程编制出单片机程序。(可能根据实际设计过程改动)。如图2-4所示为机械手的工作流程图。 图2-4 机械手工作流程图 3 工业机的机械系统设计 3.1 工业机器人的运动系统分析 3.1.1 机器人的运动概述 工业机器人的运动,可从工业机器人的自由度,工作空间和机械结构类型等三方面来讨论。如图2-1所示,为工业机器人机构的简图。 图3-1 工业机器人机构简图 (1)工业机器人的运动自由度 所谓机器人的运动自由度是指确定一个机器人操作位置时所需要的独立运动参数的数目,它是表示机器人动作灵活程度的参数。 本设计的工业机器人具有四转动副和移动副两种运动副,具有手臂伸降,旋转,前后往复三自由度。 (2)机器人的工作空间和机械结构类型 A.工作空间工作空间是指机器人正常运行时,手部参考点能在空间活动的最大围,是机器人的主要技术参数,工作空间图如图3-2。图3-2 工作空间图 B.机械结构类型 圆柱坐标型为本设计所采用方案,这种运动形式是通过一个转动,两个移动,共三个自由度组成的运动系统(代号RPP),工作空间图形为圆柱形。它与直角坐标型比较,在相同的工作条件下,机体占体积小,而运动范围大。 3.1.2 机器人的运动过程分析 工业机器人的运动过程是先从手臂上升到机体旋转至B点接着执行手臂收缩到机体旋转至A点,然后执行手臂伸出到手爪夹紧,最后执行手臂的收缩到机体旋转至B点的一个循环过程。如图3-3和表3-1表示工业机器人的运动过程与流程过程。图3-3 工业机器人运动过程 表3-1 工业机器人运动过程流程表机器人开机,处于A位工步一手臂上升工步二,工步七,工步十三旋转至B位工步三手臂伸出工步四, 工步十手臂下降工步五,工步十一夹紧工件工步六手臂收缩工步八,工步十四旋转至A位工步九放松工件工步十二 实现运动过程中的各工步是由工业机器人的控制系统和各种检测原件来实现的,这里尤其要强调的是机器人对工件的定位夹紧的准确性,这是本设计成败之关键所在3。 3.2 工业机器人的执行机构设计 3.2.1 末端执行机构设计 工业机器人的末端执行机构设计是用来抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、准确和牢靠程度都将直接影响到工业机械手的工作性能,它是工业机械手的关键部件之一。 3.2.1.1 设计时要注意的问题 设计中主要需要注意的问题如下: (1)末端执行机构应有足够的夹紧力,为使手指牢靠的夹紧工件,除考虑夹持工件的重力外,还应考虑工件在传送过程中的动载荷。 (2)末端执行机构应有一定的开闭范围。其大小不仅与工件的尺寸有关,而且应注意手部接近工件的运动路线及其方位的影响。 (3)应能保证工件在末端执行机构内准确定位。 (4)结构尽量紧凑重量轻,以利于腕部和臂部的结构设计。 (5)根据应用条件考虑通用性。 3.2.1.2 总体结构设计 采用连杆杠杆式夹持器,用小型液压缸驱动夹紧,它的结构形式如图2-4。连杆杠杆式夹持器采用四连杆机构传递撑紧力,即当液压缸1工作时,推动推杆2向上运动,使两钳爪3向内收拢,从而带动弹性爪4夹紧工件。该种夹持器多用于实心圆柱零件的夹持。课题所设计的手爪如图3-4所示。图3-4 末端执行器 3.2.1.3 液压油缸的选择和夹紧力的校验 初选油缸型号 考虑到所要夹持的是很小的零件,最大工作载荷很小,故初选液压缸型号为HVBS04B3HG,它的主要技术参数如表3-2。表3-2 冶金设备标准液压油技术规格缸径(mm)速度比活塞杆直径 (mm)油口直径通径(mm)联接螺纹401.462210M18x1.5228 夹紧力校验 (1)零件的计算(3-1) (2)紧力的计算 要夹持住零件必须满足条件: 。f为手指与工件的静摩擦系数,工件材料为铁质,手指为钢材,查机械零件手册 表2-5 ,N为作用在零件外壁上压紧力,为零件重力。 所以 ,取 。 由机械制造装备式4-60可知驱动力的计算公式为: (3-2) 为斜面倾角,为传动机构的效率,这里为平摩擦传动。 由已知条件有 ,这里取 0.85,由机械设计师手册表1-28,可查得,。 取p100N.按液压传动与气压传动公式 4-15 (3-3) D为汽缸的内径m,P为工作压力(Pa),由液压传动与气压传动中负载与工作压力由表3-3所示。 表3-3 负载与工作压力负载F/N500050001000010000200002000030000300005000050000工作压力p/MPa0.811.522.53344557 取p0.5MPa。由液压系统设计可查得:0.90.95, 由式(3-3)计算得: 由以上计算可知液压缸能产生的推力F565N远大于夹紧工件所需的推力P100N。所以该液压缸能够满足要求。 3.2.1.4 弹性爪的强度校验 弹性爪的结构形式如图3-5:图3-5 弹性爪结构图 这种结构是在手爪外侧用螺钉固定弹簧板两端固定。当弹性手工作时,由于夹紧过程具有弹性,就可以避免易损零件被抓伤,变形和破损。 工件与弹簧片间的力由上节可知N20N。 则弹簧爪截面上的剪应力为30MPa, Q/A 故弹性爪满足强度要求4。 3.2.2 手臂机构的设计 3.2.2.1手臂的设计要求 手臂的结构和尺寸应满足机器人完成作业任务提出的如下工作空间要求: (1)根据手臂所受载荷和结构的特点,合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料。 (2)尽量减小手臂重量和相对其关节回转轴的转动惯量和偏重力矩,以减小驱动装置的负荷;减少运动的动载荷与冲击,提高手臂运动的响应速度。 (3)要设法减小机械间隙引起的运动误差,提高运动的精确性和运动刚度。采用缓冲和限位装置提高定位精度。 本设计中手臂由滚珠丝杠驱动实现上下运动以及手抓前后运动,结构简单,装拆方便,还设计有两根导柱导向,以防止手臂在滚珠丝杠上转动,确保手臂随机座一起转动。它的结构如下图。 图3-6 手臂结构图 3.2.2.2 设计计算 工业机器人的旋转和上下移动采用了伺服电机驱动,下面表3-4就给出各种驱动方式的比较,以作为选取伺服电机作为驱动方式的依据。表3-4 各种驱动方式比较比较内 容驱动方式机械传动电机 驱动气压传动液压传动异步电机,直流电机步进或伺服电机输出力矩输出力矩较大输出力可较大输出力矩较小气体压力小,输出力矩小,如需输出力矩较大,结构尺寸过大 液体压力高,可以获得较大的输出力控制性能速度可高,速度和加速度均由机构控制,定位精度高,可与主机严格同步控制性能较差,惯性大,步易精确定位控制性能好,可精确定位,但控制系统复杂可高速,气体压缩性大,阻力效果差,冲击较严重,精确定位较困难,低速步易控制 油液压缩性小,压力流量均容易控制,可无级调速,反应灵敏,可实现连续轨迹控制应用范围适用于自由度少的专用机械手,高速低速均能适用适用于抓取重量大和速度低的专用机械手可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手中小型专用通用机械手都有 中小型专用通用机械手都有,特别时重型机械手多用 由上表可知伺服电机应用于驱动工业机器人有着许多无可替代的优点,如控制性能好,可精确定位,体积较小可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手等,下面就对步进电机的型号进行选取。通过安装在末端上的伺服电机以及连接轴带动滚珠丝杠,从而实现末端执行机构的前后运动。 (1)滚珠丝杠的选择 根据电机以及末端执行机构,拟使用如下条件:负载重量W4KG最大行程S120mm快速进给速度V100mm/s加减速时间常数t0.15s预期寿命Lh30000h直线运动导程摩擦系数 A.设定螺距 根据电机的最大转速与快速进给速度(3-4) B.计算基本动态额定负载 各动作模式下的轴向负载的计算 (a)加速时加速度,轴向负载分别为 (3-5) 3.5N (3-6) (b)匀速时轴向负载为 (3-7) (c)减速时轴向负载为 (3-8) 由上述计算结果可知: 各动作模式1次循环所需的时间(s)由表3-5所以 表3-5 循环时间动作模式ABC共需时间所需时间0.31.40.32 螺距为10的负载条件由表3-6所示 表3-6 负载条件动作模式ABC轴向负载(N)3.50.81.9转速300600300所需时间比例15%70%15% 根据负载条件计算轴向平均负载Pm与平均转速Nm (3-9) (3-10) (d)计算所需基本动态额定负载C 根据预期寿命,扣除停止时间后的净运行使用寿命,预计夹紧 1s 上下运动5s (3-11) 将运行系数带入公式中得 (3-12) 因此选择BSBR2510丝杠 (2)滚珠丝杠容许屈曲载荷 研讨丝杠轴全场L 与危险速度Nc 屈曲载荷 Pk L最大行程+螺母长度+余量+末端尺寸 L 100+94+118+40350mm 下面就屈曲载荷进行讨论,设负载作用点间距 (3-13) 式中: ?开始引起压曲的负载 ?负载作用点间距 E?杨氏模量 I?丝杠轴最小惯性矩 (3-14) n?由丝杠的支撑方法决定的系数 单推?单推 n1 双推?简支 n2 双推?双推 n4 双推?自由 n0.25选用 因为固定?自由适用于低转速,中精度,短轴向行型的丝杠。 (3-15) 式中 : 屈曲载荷 :安全系数(0.5) 说明容许轴向负载充分满足使用条件5, 6。 (3)刚度的计算 机械手臂部的丝杠支撑方式采用固定?自由的方式,其中中心距为a350mm,滚珠直径D6.35mm,丝杠底径,丝杠截面积S。丝杠的拉/压变形量。 根据公式,求得单圈滚珠数Z12,该型号丝杠为单螺母,滚珠的圈数X列数为2.5*2,代入60,求得滚珠与螺纹滚到间的接触变形量mm,因为丝杠加有预紧力,且取mm,所以,其中丝杠的有效行程为100mm,由系统设计课程设计指导书表3?27知,滚珠丝杠的有效行程在315mm时,行程偏差允许达到6,可见丝杠刚度足够7。 (4)最终选型结果 适合的滚珠丝杠的形式为BSBR2510。 (5)伺服电机和减速器的选型与校核 A.本机械手设计选用东力电机股份有限公司生产的TRK?5B?100减速伺服电机(输入转速为3000r/min,减速比为5)。 B.传动系统等效转动惯量计算 (a)减速电机惯量(3-16) (b)滚珠丝杠转动惯量的折算 (3-17) (c)手臂转动惯量的折算 工作台是移动部件,其移动质量折算到滚珠丝杠轴上的转动惯量可按下式(3-18) 式中,为丝杠导程(cm);为工作台质量(kg)。 (d)中间轴转动惯量的折算 (3-19) (e)联轴器转动惯量 (3-20) 则加在伺服电机转轴上的总转动惯量为 (3-21) C.转矩的计算与校核 (3-22) 考虑到转动时的传动效率,所以设传动效率 所以 机械手臂需要的转矩小于TRK?5B?100减速伺服电机的额定转矩,即 。 从上述可知TRK?5B?100减速伺服电机满足要求,可以使用9, 10, 11。 3.2.3 大臂和基座设计 3.2.3.1 结构设计 通过安装在支座上的电机和减速机接驱动转动机座转动,从而实现机器人的旋转运动,通过安装在顶部的步进电机和联轴器带动滚珠丝杠转动实现手臂的上下移动。采用了双导柱导向,以防止手臂在滚珠丝杠上转动,确保手臂随机座一起转动。支撑梁采用冷拔钢管,以减轻重量和节省材料,它的结构如图3-7所示。1?支座,2?电机,3?减速箱,4?转动机座5?支承冷拔管,6?滚珠丝杠,7?导向柱,8?锥环无键联轴器 图3-7 基座结构图 (1)滚珠丝杠的选择 根据电机以及末端执行机构,拟使用条件负载重量 W50KG最大行程 S450mm快速进给速度 V100mm/s加减速时间常数 t0.15s预期寿命 Lh30000h直线运动导程摩擦系数 A.设定螺距 根据电机的最大转速与快速进给速度,由公式(3-4)得 B.计算基本动态额定负载 各动作模式下的轴向负载的计算 (a)加速时加速度,轴向负载分别由公式(3-5)和(3-6)得 (b)匀速时轴向负载由公式(3-7)得 (c)减速时轴向负载由公式(3-8)得 各动作模式1次循环所需的时间(s)由表3-7所示 表3-7 循环时间动作模式ABC共需时间所需时间0.380.38.6 螺距为10的负载条件由表3-8所示 表3-8 负载条件动作模式ABC轴向负载(N)43.51023.5转速300600300所需时间比例3.5%93%3.5% 根据负载条件计算轴向品均负载Pm与平均转速Nm由公式(3-9)和(3-10)得 (d)计算所需基本动态额定负载C 根据预期寿命,扣除停止时间后的净运行使用寿命,预计夹紧 1s 前后运动2s,由公式(3-11)得 将运行系数带入公式(3-12)得 因此选择BSSR2510丝杠。 (2)容许屈曲载荷与危险速度计算 研讨丝杠轴全场L 与危险速度Nc 屈曲载荷 Pk L最大行程+螺母长度+余量+末端尺寸 L300+182+118+44644mm 下面就屈曲载荷进行讨论,设负载作用点间距,由公式(3-13)得 式中: ?开始引起压曲的负载 ?负载作用点间距 E?杨氏模量 I?丝杠轴最小惯性矩 n?由丝杠的支撑方法决定的系数 单推?单推 n1 双推?简支 n2选用 双推?双推 n4 双推?自由 n0.25 由于固定?简支适用中等转速,高精度。由公式(3-15)得 式中 : 屈曲载荷 : 安全系数(0.5) 说明容许轴向负载充分满足使用条件 (3)刚度的计算 机械手臂部的丝杠支撑方式采用固定?自由的方式,其中中心距为a644mm,滚珠直径D6.35mm,丝杠底径,丝杠截面积S。丝杠的拉/压变形量。 根据公式,求得单圈滚珠数Z12,该型号丝杠为单螺母,滚珠的圈数X列数为2.5*2,代入60,求得滚珠与螺纹滚到间的接触变形量,因为丝杠加有预紧力,且取,所以,其中丝杠的有效行程为300mm,由系统设计课程设计指导书表3?27知,滚珠丝杠的有效行程在时,行程偏差允许达到6,可见丝杠刚度足够。 (4)最终选型结果 适合的滚珠丝杠的形式为BSSR2510,支座型号为BRW20。 (5)大臂上下运动下伺服电机和减速器的选型与校核 A.本机械手设计选用东力电机股份有限公司生产的TRK?5B?100减速伺服电机(输入转速为3000r/min,减速比为5)。 B.传动系统等效转动惯量计算 (a)减速电机转动惯量由公式(3-16)得 (b)滚珠丝杠转动惯量的折算由公式(3-17)得 (c)大臂转动惯量的折算 工作台是移动部件,其移动质量折算到滚珠丝杠轴上的转动惯量由公式(3-18)得 式中,为丝杠导程(cm);为工作台质量(kg)。 (d)联轴器转动惯量由公式(3-20)得 (e)加在伺服电机转轴上的总转动惯量由公式(3-21)得 C.转矩的计算与校核由公式(3-22)得 考虑到转动时的传动效率,所以设传动效率。 所以 机械大臂所需要的转矩小于TRK?5B?100减速伺服电机的额定转矩,即 。 从上述可知TRK?5B?100减速伺服电机与减速器满足要求,可以使用。 (6)机体旋转下伺服电机与减速箱的选型 A.根据电机以及机体总体 拟使用条件负载重量 W70KN电机带动机箱旋转的转速为n15r/min 本机械手设计选用东力电机股份有限公司生产的TRA?180二段式减速伺服电机(输入转速为1500,减速比为100)。转动惯量 kg?减速机的转动惯量线速度转矩N?m 因为 。 所以,本设计中机械手机体的旋转所需要的转矩小于TRA?180二段式减速伺服电机的额定转矩。 因此TRA?180二段式减速伺服电机满足。 3.2.3.3 轴承的选取 (1)本设计中,我的机械手手臂部分的丝杠是由BSBR2510型号组成。其中丝杠的支撑方式是由双推-自由形式(适用于低转速,中精度,短轴向行型的丝杠)。因此丝杠上的轴承是一端安装单向推力轴承与深沟球轴承的组合,另一端悬空呈自由状态。 (2)本设计中,机械手大臂的丝杠是由BSSR2510型号组成。其中丝杠的支撑方式是由双推-简支形式(适用于中等转速,高精度的丝杠)。因此丝杠上的轴承一端安装双向推力轴承与深沟球轴承的组合,另一端安装深沟球轴承。 (3)本设计中,在机械手的机体方面旋转,我采用一组RB20030C型号的交叉滚子轴承来实现机械手机体的旋转。 3.3 工业机器人的机械传动装置的选择 3.3.1联轴器的选择 本设计中,机械手的联轴器我选用凸缘GYH1型号联轴器。(特点:构造简单,成本低,可传递较大转矩,无冲击,轴的刚性打)。 该机构我添加利用锥环对之间的磨擦实现与毂之间的无间隙连接传递转矩,且可任意调节两面联接件之间的角度位置。通过选择所用锥环的对数,可传递不同大小的转矩。 3.3.2 滚珠丝杠的选择 根据上述3.2计算的出最终选择的滚珠丝杠为: (1)控制机械手手臂的左右(前后)运动的为 BSBR 2510型号的丝杠。 (2)控制机械手腰部的上下运动的为 BSST 2510型号的丝杠 (3)配套支座为 BRW 20型号的丝杠支座12, 13。4 机械手的单片机控制系统设计 考虑到机械手的通用性,同时使用点位控制,因此我们采用单片机对机械手进行控制.当机械手的动作流程改变时,只需改变单片机即可实现,非常方便快捷。 4.1 机械手单片机控制方案 4.1.1 控制系统的工作原理及控制要求 控制对象为圆柱座标机械手。它具有三个自由度,即X轴方向的伸缩; Y轴方向的上、下;绕Z轴的顺时针方向旋转及逆时针方向旋转。另外,其末端执行装置还可完成抓、放(开合)功能。以上各动作除了手抓开合采用气动方式驱动,其余都采用伺服电机驱动。气动方式用二位三通电磁阀带有两个线圈,对应两个相反动作来控制控制气缸,电机驱动运用接触器控制,使机械手完成伸缩、上下、旋转动作。这样,可用单片机的P0、P2输出端分别与6N137和TLP620连接构成系统总线再与个伺服电机驱动器DB810A相应输入口连接来驱动伺服电机。两者之间采用光电耦合器连接,是为了分开通电,减少干扰14, 15。其原理图如图4-1所示:图4-1 工作原理 (2)控制要求 为了满足生产需要,机械手应设置手动工作方式、单动工作方式和自动工作方式。 A.手动工作方式 便于对设备进行调整和检修,设置手动工作方式。用按钮对机械手每一动作单独进行控制。 B.自动工作方式 按下起动按钮,机械手从原点开始,按工序自动反复连续工作,直到按下停止按钮,机械手在完成最后一个周期的动作后,返回原点自动停机。 4.1.2 机械手的工作流程 机械手的工作流程本人初步选定三个方案 (1)第一方案工作流程图如图4-2所示。 当按下机械手启动按钮之后,首先单片机P0口输出脉冲使底座伺服电机得到控制信号旋转,机械手右转,至右限位开关动作。单片机P0口输出控制信号,使Y轴伺服电机旋转,大臂下降,至编码器反馈信号告知驱动器到达预定位置。单片机P0口输出控制信号,使X轴伺服电机旋转,手臂开始伸出,至编码器反馈信号告知驱动器到达预定位置。继电器导通吸合,手爪电磁阀通电,液压缸进油,手爪抓紧,至限位开关动作。单片机P0口输出控制信号,使X轴伺服电机旋转,手臂开始收缩,至编码器反馈信号告知驱动器到达预定位置。单片机P0口输出控制信号,使Y轴伺服电机旋转,大臂上升,至编码器反馈信号告知驱动器到达预定位置。单片机P0口输出脉冲使底座伺服电机得到控制信号旋转,机械手左转,至左限位开关动作。单片机P0口输出控制信号,使Y轴伺服电机旋转,大臂下降,至编码器反馈信号告知驱动器到达预定位置。继电器断开,手爪电磁阀不通电,液压缸出油。手爪放松,至限位开关动作。单片机P0口输出控制信号,使Y轴伺服电机旋转,大臂上升,至编码器反馈信号告知驱动器到达预定位置。最后机械手停止,完成一个流程。图4-2 工作流程 (2)第二方案工作流程图如图4-3所示。 当按下机械手启动按钮之后,首先单片机P0口输出控制信号,使Y轴伺服电机旋转,大臂下降,至编码器反馈信号告知驱动器到达预定位置。单片机P0口输出脉冲使底座伺服电机得到控制信号旋转,机械手右转,至右限位开关动作。单片机P0口输出控制信号,使X轴伺服电机旋转,手臂开始伸出,至编码器反馈信号告知驱动器到达预定位置。继电器导通吸合,手爪电磁阀通电,液压缸进油,手爪抓紧,至限位开关动作。单片机P0口输出控制信号,使X轴伺服电机旋转,手臂开始收缩,至编码器反馈信号告知驱动器到达预定位置。单片机P0口输出控制信号,使Y轴伺服电机旋转,大臂上升,至编码器反馈信号告知驱动器到达预定位置。单片机P0口输出脉冲使底座伺服电机得到控制信号旋转,机械手左转,至左限位开关动作。单片机P0口输出控制信号,使Y轴伺服电机旋转,大臂下降,至编码器反馈信号告知驱动器到达预定位置。继电器断开,手爪电磁阀不通电,液压缸出油。手爪放松,至限位开关动作。单片机P0口输出控制信号,使Y轴伺服电机旋转,大臂上升,至编码器反馈信号告知驱动器到达预定位置。最后机械手停止,完成一个流程。图4-3 工作流程 (3)第二方案工作流程图如图4-4所示。 当按下机械手启动按钮之后,首先单片机P0口输出脉冲使底座伺服电机得到控制信号旋转,机械手右转,至右限位开关动作。单片机P0口输出控制信号,使X轴伺服电机旋转,手臂开始伸出,至编码器反馈信号告知驱动器到达预定位置。单片机P0口输出控制信号,使Y轴伺服电机旋转,大臂下降,至编码器反馈信号告知驱动器到达预定位置。手爪电磁阀通电,液压缸进油,手爪抓紧,至限位开关动作。单片机P0口输出控制信号,使X轴伺服电机旋转,手臂开始收缩,至编码器反馈信号告知驱动器到达预定位置。单片机P0口输出控制信号,使Y轴伺服电机旋转,大臂上升,至编码器反馈信号告知驱动器到达预定位置。单片机P0口输出脉冲使底座伺服电机得到控制信号旋转,机械手左转,至左限位开关动作。单片机P0口输出控制信号,使Y轴伺服电机旋转,大臂下降,至编码器反馈信号告知驱动器到达预定位置。继电器断开,手爪电磁阀不通电,液压缸出油。手爪放松,至限位开关动作。单片机P0口输出控制信号,使Y轴伺服电机旋转,大臂上升,至编码器反馈信号告知驱动器到达预定位置。最后机械手停止,完成一个流程。图4-4 工作流程 在这三个方案中,我选择第一种方案,以相对后面两种方案第一种方案动作顺序比较安全16。 4.1.3 驱动器的选择 驱动器根据电机型号选:直流伺服电机型号为TRA-180和TRK-5B-100,则根据伺服电机我选择伺服驱动器型号均为DB810A。如图4-5DB810A驱动器的简单结构。图4-5 DB810驱动器 DB810A数字直流伺服驱动器的特性17,18,19。 (1)接口采用分差输入方式,抗干扰能力强,可靠性高。 (2)位置PID控制,阻尼,增益可调。 (3)工作电压24V。 (4)过流,短路保护。 (5)跟踪误差最大+/-128个计数值。 (6)数字式脉冲接口。 4.2 机械手单片机接线原理图的设计 在机械手单片机接线原理图设计中,我选用的是单片机89C51单片机控制,驱动器为DB810A,电机为伺服电机。 机械手控制装置主要有单片机,电源电路,复位电路和时钟电路组成。 4.2.1 电源电路 单片机的电源电路设计如图4-6所示。图4-6 电源电路 其中F1为保险丝,C4,C5,C6,C7为电容,作用为整流。 4.2.2 时钟电路 单片机的时钟电路设计如图4-7所示。图4-7 时钟电路 其中电路中的电容C1和C2典型值通常选择为30PF左右。对外接电容的值虽然没有严格的要求,但电容的大小会影响振荡器频率的高低,振荡器的稳定性和起振的快速性。晶振的振荡频率的范围通常是在1.2MHZ-12MHZ之间。晶振的频