手工毯枪刺机械手模拟装置设计.doc

手工毯枪刺机械手模拟装置设计手工毯枪刺机械手模拟装置设计姜林,丁彩红(东华大学机械工程学院,上海200051)DesignofRobothandtuftSimulatorJIANGLln,DINGCaihong(CollegeofMechanicalEngineering,DonghuaUniversity,Shanghai200051,China)摘要:围绕手工毯枪刺机械手的关键技术,进行了枪刺机械手模拟试验台装置的设计和计算,完成了机械手X,y,Z方向移动的传动机构设计和驱动系统设计,该模拟试验台已用于机械手控制系统和地毯花型转换软件系统的调试.关键词:手工毯;枪刺机械手;滚珠丝杆中图分类号:TH13文献标识码:B文章编号:10012257(2010)05003103Abstract:Thisarticledescribesthekeytechnologiesaboutrobothandtuft,thencalculatsanddesignssimulationtestingapparatusofrobot.handtuft,atlast,completesthedesignofmechani-caltransmissionanddrivingsystemforX,Y,Zthreedirectionsmovement.ThesimulationtestingapparatushasbeenusedindebuggingsystemsofrobotcontrollingsystemandthesoftwaresystemofcarpetpatternconversionKeywords:handmadecarpet;robothandtuft;ballscrew0引言尽管由于手工毯的低效率和长周期使其在地毯市场份额中占据量很小,但手工毯图案编织的灵活性和多样性却还是机织地毯无法比拟的1,尤其在工艺毯领域.如果能够提高手工毯织造的机械化和智能化程度,那势必将极大地推动手工毯行业的发展,更好地保持和提升手工毯市场竞争力.收稿日期:201001一O5机械与电子32010(5)1枪刺机械手的关键技术手工枪刺地毯形成前后需要经过图案设计,配色,染纱,胚布,手工图案轮廓绘制,手工枪刺,涂胶,挂底布和修整等十几道工序加工制作而成.在手工枪刺地毯的十几道工序中,枪刺机械手的设计主要是完成手工图案轮廓绘制和手工枪刺这两道最为主要的工序,手工图案轮廓绘制的目的是为手工枪刺提供图案的边缘信息和色彩信息,然后手控制电枪根据各种色彩的轮廓边缘将纱线填充到胚布上,由此加工出各色各样图案的地毯.枪刺机械手要模拟手或刺枪的工作方式,驱动刺针将绒纱刺入胚布,形成绒头或绒圈.机械设计包括机械手支座(身体)和末端执行器(手)的结构设计.实现X,y,Z方向的直线运动和Z方向的回转运动.所以,枪刺机械手实际上是一个4轴联动的机器人.枪刺机械手的关键技术有:枪刺机械手末端执行器(Z轴)的机构设计;起绒技术研究;多自由度机械手连续轨迹控制技术;地毯图像设计和识别技术研究;地毯花型图案的转换与处理技术.2枪刺机械手模拟装置设计2.1刺针机构设计枪刺机械手模拟试验台简化了机械手末端执行器的结构,只实现刺针的往复运动(Z方向),而没有刺针的回转;且用一根水彩笔来代替刺针,通过彩笔在胚布的点击来模拟刺针的针眼,如图1所示.图1刺针机构?31?虽然从工艺上来说这种机构是无法加工出地毯的,但是其结构简单紧凑,安装方便,可以实现对机械手控制系统和地毯花型转换软件系统的调试.刺针的运动是重复往返运动,因此利用曲柄滑块机构带动水彩笔运动即可实现刺针的运动规律,其中曲柄圆盘与电机输出轴直接相连作为驱动件,导轨作为滑块的导向构件,若令曲柄中心与滑块中心在同一水平中心线上,则曲柄长度一绒高大小.为了使枪刺机械手可加工高低绒地毯,因此在曲柄圆盘中设计了2个孔对应2种曲柄,长度分别为8mm和12mm.2.2x和y方向的运动性能分析X,y轴负责的是对地毯图案边缘形状的控制和填充针位.由地毯枪刺工艺可知,刺针的走位轮廓是点集构成的,并不是连续的轮廓边缘线而是一组离散点.也就是说在地毯上呈现的图案轮廓都由长度相同的折线段组成,每一段线段的长度就等于针距的大小,因此当针距确定时刺针运动的步长(step)也就固定.对于X,y方向的控制来说,只要利用步长方向角便可计算出x,y方向的运动的距离,根据脉冲当量的大小,即可计算出电机相应转动角度从而使刺针正确移动到指定的位置.当刺针在Xy平面内移动一个步长时,刺针应保证没有刺人胚布中,否则将损坏胚布同时还会造成影响设备的正常运行,设刺针往返运动一个周期为T,那么T/2时间内刺针是不在胚布中的,因此刺针在Xy平面内移动一个步长的时间t_step应小于2,由此可以计算得到,当针速一needle:12针/秒时,<(1/v_needle)/21000<41.7ms(1)总的来说,在X,y方向上的运动规律是运动(ms),然后停止Tt(ms),如此重复启停运动.2.3传动部件设计与分析考虑到系统经常启停,同时要保证位置定位准确.因为滚珠丝杠丝母间无间隙,直线运动平稳,尤其在频繁换向时无需间隙补偿,同时滚珠丝杠丝母问摩擦力很小,转动时非常轻松适合电机经常作启停运动控制口,故选择滚珠丝杠作为传动件,而水平的惯性力.丝杠由转动到停止这一时间段里,工作台在y轴方向的运行最大距离为一个步长(当步长方向与y方向的夹角为0时,y轴方向运行的距离最大),工作台的运动规律可分为:加速,匀速和减速3个阶段,完成这一运动的时间41.7ms,取t一40ms,令加速段和减速段时间同为ta一10ms.那么我们可以求出工作台运动的平均加速度值.一生一(2)”33:一d为针距值,d一300针/m,由式(2)可得口=13.3m/s.而工作台与刺针机构的质量m一3.85kg.所以轴向力Fo一(g+口)X,由g一9.8m/s.可得=:=96.32N.根据耐磨性校核公式:.8厮参数,可根据相应的机械设计手册查询得到,由式(3)计算可知中径d.远大于设计要求值,所以满足要求.而x方向的轴向力主要是加速度产生的惯性力,因此一am,其中为支撑架的质量总和,约为24kg,所以一319.2N.由式(3)计算可知x轴丝杠也完全符合设计要求.滚珠丝杠副的轴向变形将引起丝杠导程发生变化,从而影响定位的精度和运动的平稳性,所以需要对丝杠进行刚度校核4.设E,G分别为与丝杠材料有关的弹性模量和切边模量,可通过查表获得;A,-厂分别为与丝杠内径d相关的截面积和极惯性矩;F为工作负载.滚珠丝杠在工作负载和转矩的共同作用下引起每个导程的变形量A/(m)为,:Al丽PhF+(4)由于刺针在工作过程中受到的反作用力很小,因此x,y轴的工作负载只有轴向力提供,有上一节分析可知X轴方向受到的轴向力较大,所以只需对X轴方向校核即可,FFax;319.2N.转矩T产生的变形量非常小,在工程上可以忽略,所以A10.099肚ITI.则丝杠在工作长度上弹性变形所引起导程误差为:一,ZL一(5)机械与电子2010(5)式中z丝杠工作长度,11000mm由式(5)可得AL=4.95btm.系统的传动精度为0.1mm,可见L远小于系统传动精度的一半,所以刚度满足要求.2.4电机驱动部分设计地毯加工的精度不需要很高,因此采用步进电机开环控制足以满足加工精度要求.步进电机在驱动过程中可分为启动一停止区和变速区,工作在启动一停止区这个范围内,步进电机可以不失步直接停止和再启动5,或者反向转动.而工作在变速区范围内步进电机则不能直接停止,启动或者改变转向,但是在变速区步进电机可以获得更高的转速6.考虑到枪刺机械手在工作过程中频繁启动并且要快速达到负载的定位,同时又要充分利用步进电机的各种性能,所以在y轴方向的步进电机型号初选为23H2800lEA,由步距角=1.8.,系统传动比k:=:1:l,可步/,由式(6)可得Ti一4.61N?m>1.3,所以电机在启动一停止区工作时无法实现快速定位,需要在变速区工作来实现快速定位.设步进电机在启动一停止区内启动转速为时,<1.3N?1TI,那么机械与电子)2010(5)JTX+丁<1.3(7)由式(7)可得<481.4步/s,所以在启动一停止区内电机启动速度可取一450步/s.然后在变速区利用斜坡加速度曲线进行加速,根据移动距离的不变性,可以求出电机在变速区的最终速度为1183.3步/s<1500步/s,显然在变速区电机可提供的最大扭矩肯定不会小于1.3N?m.所以加速控制是否可行只需验证在变速区负载力矩是否小于1.3N?m.在加速控制时负载力矩的大小为:TJ1(Ao.,/AT)-FTz(8)cc,一最高转速一启动转速;丁为加速时间=10ms.通过计算可得T一0.632N?m<1,所以符合要求.X轴方向电机驱动时,由于是水平运动且有滑动导轨支撑负载,因此在设计驱动方案时负载重力和摩擦力所产生的力矩可忽略不计.具体设计与计算的方法可参考y轴电机的驱动设计.3结束语枪刺机械手模拟试验台的设计是根据枪刺地毯加工的特点,设计Z轴方向的刺针机构来模拟刺针的往复运动,同时考虑到机械手频繁的启停运动对传动构件所带来的运动冲击将影响传动件的正常工作,所以针对这一问题对主要的传动件丝杠进行的强度校核,保证了丝杠运动的平稳性和准确性.在步进电机的驱动控制中实现了负载快速定位,同时避免了步进电机因为过载而产生的失步现象.参考文献:E13朱小红.中国机制地毯行业蓬勃发展IN.中国纺织报,2007一O4.2郑堤.机电一体化设计基础EM-.北京:机械工业出版社,1998.E33濮良贵,纪明