资源目录
压缩包内文档预览：(预览前20页/共75页)
编号：209816346
类型：共享资源
大小：4.76MB
格式：ZIP
上传时间：2022-04-27
上传人：机械设计Q****6154...
认证信息
个人认证
陈**（实名认证）
上海
IP属地：上海
100
积分
- 关 键 词：
-
自动
砖坯
码垛
机械手
设计
毕业设计
- 资源描述：
-
自动砖坯码垛机械手设计,自动,砖坯,码垛,机械手,设计,毕业设计
- 内容简介：
-
自动砖坯码垛机械手设计摘 要在砖坯产业中，砖坯码垛工艺直接影响着砖块烧结过程中的能耗、质量、产量以及效率。然而，传统码坯机机构庞杂、占地面积大，而且无法适应不同形式的砖坯。随着现代机器人技术的不断发展，砖坯码垛机械手在砖坯生产中得到了广泛应用。本文设计的自动砖坯码垛机械手是应用在砖坯生产线的砖坯自动抓取、移动和码放的自动化机械设备，其手臂末端可以配置不同形式的末端执行器，以适用于不同种类的砖坯。根据设计需求，设计了四自由度关节式机械结构类型的机械手，选择交流伺服电机驱动作为机械手各部件的驱动方式。本文首先设计了自动砖坯码垛机械手的机械本体结构，并使用Solidworks三维绘图软件建立了机械手末端执行器、腕部、臂部以及底座部分的三维模型。针对自动砖坯码垛机械手的码垛任务，设计了符合要求的末端执行器，使机械手的工作适应性大大增加。其次根据绘制的自动砖坯码垛机械手的三维模型，测量其转动惯量，并对驱动系统的伺服电机及减速器进行计算及选型。 最后对自动砖坯码垛机械手的控制系统进行设计，采用STM32单片机作为核心控制器，设计了控制系统的硬件电路。该论文有图72幅，表10个，参考文献33篇。关键词：砖坯码垛机械手；机械结构设计；伺服电机；STM32单片机AbstractIn the brick industry, the palletizing technology directly affects the energy consumption, quality, output and efficiency in the process of brick sintering. However, the traditional mechanism is complex, covers a large area, and can not adapt to different forms of brick. With the continuous development of modern robot technology, the brick stacking manipulator has been widely used in the production of brick.The automatic brick stacking manipulator designed in this paper is an automatic mechanical equipment used in the brick production line to automatically grab, move and stack the bricks. The end of the arm can be equipped with different forms of end actuators to adapt to different types of bricks. According to the design requirements, the manipulator with four degrees of freedom joint structure is designed, and AC servo motor drive is selected as the driving mode of each part of the manipulator.In this paper, the main structure of the manipulator is designed firstly, and the 3D models of the end actuator, wrist, arm and base of the manipulator are built by using SolidWorks 3D drawing software. In view of the stacking task of the automatic brick stacking manipulator, the end actuator is designed to meet the requirements, which greatly increases the adaptability of the manipulator.Secondly, according to the three-dimensional model of the manipulator, the moment of inertia is measured, and the servo motor and reducer of the drive system are calculated and selected.At last, the control system of the manipulator is designed. The hardware circuit of the control system is designed with STM32 as the core controller.There are 72 figures, 10 tables and 33 references in this paper.Keywords: brick stacking manipulator; mechanical structure design; servo motor; STM32 chip microcomputer目 录摘要I目录1 绪论11.1 课题研究背景11.2 码垛机械手的研究现状和发展趋势21.3 课题研究目的和意义41.4 课题主要研究内容52 自动砖坯码垛机械手设计方案62.1 自动砖坯码垛机械手的工作参数62.2 自动砖坯码垛机械手的设计方案62.3 本章小结93 自动砖坯码垛机械手的机械结构设计103.1 整体结构设计103.2 末端执行器的设计113.3 腕部的结构设计143.4 臂部的结构设计153.5 底座部分的结构设计203.6 自动砖坯码垛机械手的整体结构213.7 自动砖坯码垛机械手的工作性分析223.8 本章小结254 自动砖坯码垛机械手驱动系统的计算及选型 264.1 末端执行器气动系统的设计及元件选型264.2 腕部J4旋转关节驱动电机、减速器的选型计算294.3 小臂J3俯仰转动关节驱动电机及减速器的选型计算314.4 大臂J2俯仰转动关节驱动电机及减速器的选型计算324.5 底座部分J1旋转关节驱动电机及减速器的选型计算334.6 本章小结355 自动砖坯码垛机械手关键零部件的校核365.1 机械本体部分的校核365.2 腕部传动部分的校核445.3 前大臂与小臂连接部分的校核465.4 底座传动部分的校核495.5 本章小结576 自动砖坯码垛机械手控制系统的设计586.1 伺服驱动器的选型586.2 控制系统的总体设计636.3 控制系统硬件电路的设计636.4 本章小结717 经济可行性与未来发展趋势分析727.1 经济可行性分析727.2 未来发展趋势分析738 结论74参考文献75翻译部分76ContentsAbstractIContents1 Introduction11.1 Research background .11.2 Research status and development trend of stacking manipulator 21.3 Purpose and significance of the research .41.4 Main research content .52 Design of automatic brick stacking manipulator62.1 Working parameters of automatic brick stacking manipulator62.2 Design of automatic brick stacking manipulator62.3 Summary of this chapter.93 Mechanical structure design of automatic brick stacking manipulator 103.1 Integral structural design .103.2 Design of end-effector .113.3 Structural design of the wrist .143.4 Structural design of the arm .153.5 Structural design of the base part .203.6 Whole structure of automatic brick stacking manipulator 213.7 Workspace analysis of automatic brick stacking manipulator 223.8 Summary of this chapter 254 Calculation and selection of automatic brick stacking manipulator drive system 264.1 Design and component selection of end-effector pneumatic system 264.2 Selection and calculation of wrist J4 rotatory joint drive motor and reducer294.3 Selection and calculation of the higher arm J3 pitching rotatory joint drive motor and reducer 314.4 Selection and calculation of the lower arm J2 pitching rotatory joint drive motor and reducer 324.5 Selection and calculation of the base part J1 rotatory joint drive motor and reducer 334.6 Summary of this chapter 355 Check of key parts of automatic brick stacking manipulator 365.1 Check of mechanical body part 365.2 Check of wrist drive part 445.3 Check of connecting part for forearm and the higher arm 465.4 Check of base drive part 495.5 Summary of this chapter 576 Control system design of automatic brick stacking manipulator 586.1 Selection of servo driver 586.2 General design of control system 636.3 Design of hardware circuit of control system 636.4 Summary of this chapter 717 Analysis of economic feasibility and future development trend 727.1 Analysis of Economic feasibility727.2 Analysis of future development trend738 Conclusions.74References.7561 绪论1 绪论1 Introduction1.1 课题研究背景（Research background）随着现代社会科技水平的不断发展，机器人技术已经融入我们的日常生产生活中。在工业领域中，工业机器人扮演着不可替代的角色。根据ISO定义，工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人，是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器1。工业机器人的使用，提高了产品质量、增加了经济效益、提高了生产率，因此，研发工业机器人在这个工业社会中是一件刻不容缓的事情。码垛是物流自动化领域的一门新兴技术，就是按照集成单元化的思想，将一件件的物料按照一定的模式堆码成垛，以便使单元化的物垛实现物料的存储、搬运、装卸运输等物流活动。在最初的生产中，人类以人工码垛的形式完成码垛作业。在物料轻便、尺寸和形状变化大、吞吐量小的场合，采用人工码垛方案是经济可取的。然而，在吞吐量恒定的情况下，长时间地进行人工码垛作业常常会造成弯腰疲劳和重复劳动疲劳，因此一系列自动码垛装置应运而生。采用自动码垛装置不仅可以加快物流速度，保护工人的健康和安全，而且可以获得整齐一致的物垛，减少物料的损伤，提高叉车的搬运效率，增强处理的柔性。现代码垛技术最初采用的是机械式或液压式堆垛机，但是随着生产规模的扩大和自动化水平的提高，自动堆垛机的占地面积大、柔性差以及故障率高等缺点越来越突出，而用于码垛的工业机器人以其柔性工作能力和小占地面积等优点，越来越受到广大用户的青睐并迅速占据码垛市场2。码垛机械手是用在工业生产过程中执行大批量工件、包装件的获取、搬运、码垛、拆垛等任务的一类工业机器人，是集机械、电子、信息、智能技术、计算机科学等学科于一体的高新机电产品。码垛机械手技术在解决劳动力不足、提高劳动生产效率、降低生产成本、降低工人劳动强度、改善生产环境等方面具有很大潜力。国外从20世纪60年代开始研究工业机器人，码垛机械手是伴随着工业机器人技术的发展而出现的，日本、德国、美国等发达国家的研究已经取得一定成果，但是我国在这方面的研究还需加快步伐3。在砖坯产业中，砖坯码垛工艺在砖瓦生产过程中十分重要。在砖坯制造过程中，坯体被切制成型后，必然要码放到干燥车或者窑车上，然后将其送入干燥窑或者干燥洞进行脱水处理4。这个砖坯码垛过程是砖厂不可缺少的一环，并且直接影响着砖块烧结过程中的能耗、质量、产量以及效率。然而，传统码坯机机构庞杂、占地面积大，而且无法适应不同形式的砖坯，存在零件繁多、故障率高、维修量大等缺点5。砖坯码垛机械手将码坯机与工业机器人的优点相结合，具有灵活性好、适应性强、故障率低、工作效率高等优点，在砖坯码垛生产中得到了广泛使用。1.2 码垛机械手的研究现状（Research status of stacking manipulator）1.2.1 国外码垛机械手的研究现状最早将工业机器人技术用于物体的码放和搬运是日本和瑞典。德国、意大利、韩国等国家的工业机器人设计与制造水平也很高。随着计算机技术、工业机器人技术以及人工智能控制等技术的发展和日趋成熟，很多国家在包装码垛机械手的研制上做了大量工作，不断推出自主研发的码垛机械手6。德国、瑞典以及日本等国家的码垛机械手一般为4轴机械手，主要由固定底座、连杆、连杆臂、臂部、腕部以及末端执行器组成，如图1-1所示。 （a） （b） （c） （d）图1-1 国外码垛机械手Figure 1-1 Foreign stacking manipulator（a）德国库卡码垛机械手KR240；（b）瑞典ABB码垛机械手IRB660；（c）日本安川码垛机械手；（d）日本不二码垛机械手EC-2011982年日本不二公司开发的FUJIACE系列码垛机械手7，其EC-201码垛机械手振动小、质量轻、结构简单，每小时可以完成1600次码垛任务，负载最重可达200kg，如图1-1（d）所示。目前，码垛机械手市场的百分之九十之多由欧美和日本的码垛机械手所统治，并且其自动码垛技术已经到达了比较高的程度，但是市场的驱动力依然促使着他们投入相当大的人力、物力来进行码垛机器人的研究。各个码垛机械书的研发机构和制造公司也在进行着十分激烈的科研竞争。因此各种高性能的码垛机械手将会源源不断的涌现出来。1.2.2 国内码垛机械手的研究现状我国工业机器人研究和应用开始于20世纪70年代，受当时经济体制等因素的制约，发展比较缓慢，研究和应用水平比较低8。到了80年代，我国的机器人水平有了较快发展，“七五”期间，国家也投入了很多的人力、物力来进行机器人技术的研究，并相继开发出了一些工业机器人和特种机器人，使中国的机器人从无到有，迈出了一大步。到了新世纪，我国的机器人技术有了长足的进步，各项新技术不断涌现，先后出现了电焊、装配、搬运、切割、码垛等很多机器人品种，码垛机械手技术也取得了迅速的发展9。码垛机械手应用于工业生产如图1-2所示。图1-2 码垛机械手在工作现场Figure 1-2 Stacking manipulator at work site最近几年，我国在码垛机械手的某些关键技术上取得重大突破，然而整体核心技术还未取得突破，具有我国自主技术产权的码垛机械手还比较少。尽管目前我国在码垛机械手的研究上取得了一些成就，但是和国外的码垛机械手技术相比较，我国还有明显的差距。日本和欧美等发达国家的码垛机械手技术已经到达了一个比较高的水平，码垛机械手的工作性能在不断的提升，码垛机械手的负载能力、柔性以及处理速度也在不断提高，应用范围也在不断扩大，因此需要我国的科研工作者更加努力，从而使我国的码垛机械手技术有个更好的未来。1.2.3 码垛机械手的特点近几年来，机械手码垛技术得到迅速的发展，在控制精度、运行速度、抓取载荷等提高的同时，价格不断下降10。在码垛过程中，码垛机械手发挥出越来越多的优势，使其不断被应用在各类生产中。其优势主要有以下几点：（1）占地面积小，动作范围大，减少资源浪费。（2）能耗低，降低运行成本。（3）解放了劳累的体力劳动，生产效率不断提高，实现“无人”码垛。（4）工人的劳动条件得到改善。（5）适应性非常好，能完成不同物料的码垛工作。（6）定位准确，稳定性高15。1.3 课题研究目的和意义（Purpose and significance of the research）目前，我国砖坯制造线上使用最多的依旧是传统的码垛机。传统的码垛机因为其自身机械结构设计存在缺陷，具有占地面积大、操作困难、能耗高等不足。自动砖坯码垛机械手是一种自动化机械设备，可以自动抓取、移动和码放砖坯，其手臂末端可以配置不同形式的末端执行器，来完成不同规格的砖坯码垛作业。同时，自动砖坯码垛机械手还具有占地面积小、操作简易、节能环保等优势。本课题需要对自动砖坯码垛机械手的机械结构、传动机构以及控制系统等进行研究，设计出一种自动的砖坯码垛机械手，实现抓取和码放64阵列的砖坯。本课题的研究意义可以概括如下：（1）减少了人工作业量，劳动生产率得到极大的提高。使用码垛机械手的目的是为了用其来代替人工进行单调、繁重和重复的长时间砖坯码垛工作。自动砖坯码垛机械手的使用，不仅改善了工作环境，而且减轻了人工作业强度，降低了作业风险，减少了人工作业量，使劳动生产率得到了极大的提高。（2）提高产品质量。自动砖坯码垛机械手具有准确性高、可靠性好等优点，减少人工搬运造成的错误，从而降低了砖坯的次品生产率，也降低了生产成本。另外，自动砖坯码垛机械手可以通过更换机械手的末端执行器，高效、准确地完成各种形式砖坯的码垛任务，大大地提高了生产的多样化。（3）促进我国工业机器人技术的发展。目前我国码垛机器人研发水平与国外相比还有很大的距离。我国码垛机械手技术落后于我国对机械手需求增加之间的矛盾，使得开发和研究自己的码垛机械手就显得刻不容缓，同时也可以促进我国工业机器人技术的发展。1.4 课题主要研究内容（Main research content）本课题以砖坯码垛机械手系统作为研究对象，在参考多种机械手资料的基础上，设计开发了一个四自由度自动砖坯码垛机械手。在完成自动砖坯码垛机械手机械本体设计的基础上，对其驱动系统进行设计计算及元件选型，对其关键零部件的强度和刚度进行了校核，对其控制系统及其硬件电路进行设计及原理图的绘制，从而使自动砖坯码垛机械手系统具有良好的性能，满足设计和使用要求。文章的具体研究内容如下：第一章：查阅国内外相关文献，了解自动砖坯码垛机械手的研究背景，了解国内外码垛机械手的研究现状以及码垛机械手的特点。第二章：根据自动砖坯码垛机械手的设计需求，确定了自动砖坯码垛机械手的工作参数。在查阅相关文献资料，确定了自动砖坯码垛机械手的设计方案：选择四自由度关节型作为机械手的结构类型，选择伺服电机驱动作为机械手的驱动方式，选择单片机控制作为机械手的控制系统。第三章：设计了自动砖坯码垛机械手的机械本体结构。对机械手的末端执行器、腕部、臂部、底座部分的机械结构进行设计，并通过软件Solidworks进行机械手三维模型的绘制。在完成机械手机械本体结构的基础上，对其进行运动学建模，得到自动砖坯码垛机械手的运动学方程，并用Matlab数学软件编程对自动砖坯码垛机械手的工作空间进行求解。第四章：对自动砖坯码垛机械手的驱动系统进行设计计算及元件选型。根据绘制的机械手三维模型，测量其相对于各轴的转动惯量，计算驱动电机需要提供的输出扭矩，由此来确定各关节需要使用的伺服电机的型号。在完成驱动电机的基础上，对各关节的减速器进行计算选型。第五章：对自动砖坯码垛机械手关键零部件进行校核。使用Solidworks Simulation有限元分析插件对机械手的机械本体零部件进行校核，校核结果为各零部件的强度都能满足设计需求。第六章：对自动砖坯码垛机械手的控制系统进行设计。首先对各关节驱动电机选型配套使用的伺服驱动器，然后对控制系统硬件电路进行设计，设计了核心控制器及其基本电路、伺服电机驱动电路、气缸电磁阀驱动电路等硬件电路，并绘制了电路原理图。第七章：对自动砖坯码垛机械手的经济可行性与未来发展趋势进行分析。第八章：总结全文，得出结论与不足之处。2 自动砖坯码垛机械手设计方案2 自动砖坯码垛机械手设计方案2 Design of automatic brick stacking manipulator在对自动砖坯码垛机械手机械本体及其控制系统进行具体设计之前，首先需要确定码垛机械手的工作要求，这样才能设计出符合实际工作要求的机械手。本章在确定了自动砖坯码垛机械手的工作要求后，提出了机械手的设计方案。2.1 自动砖坯码垛机械手的工作参数（Working parameters of automatic brick stacking manipulator）本课题设计的自动砖坯码垛机械手码坯工作的一般流程为：机械手抓取砖坯，搬运至事先规定好的摆放位置，根据工作需求调整砖坯的位置和姿态，最后将其正确堆垛成型。不断循环重复这四个动作就是砖坯码垛的工作任务。根据设计需求，自动砖坯码垛机械手的主要工作参数要求如表2-1所示。表2-1 自动砖坯码垛机械手的主要工作参数Table 2-1 Main working parameters of automatic brick stacking manipulator项目参数运动范围参数自由度数4J1330工作范围半径2mJ2100负载100kgJ3100定位精度2mmJ4330最大工作效率900次/时机械手重量2000kg2.2 自动砖坯码垛机械手的设计方案（Design of automatic brick stacking manipulator）自动砖坯码垛机械手的机械本体结构是由底座、手臂、手腕、末端执行器等机构组合形成。机械手在工作过程中，是由其机械本体结构来实现运动并完成工作的。机械手机械本体结构的类型、传动方式和驱动方式等会对机械手的各项性能产生巨大的影响。2.2.1 自动砖坯码垛机械手结构类型的确定机械手的结构类型是指机械手的机械结构配置形式，具体包括自由度，各个运动部件的关节设置、排列构成形式以及相对位置和运动关系11。机械手的结构类型直接决定了其工作性能及工作范围，是机械手设计的基础。机械手常见的结构类型是用其坐标特性来描述的。根据手臂坐标形式的不同，可以将码垛机械手的构型分为以下几种类型12：（1）直角坐标型码垛机械手。这是运动方式最为简单的一种码垛机械手，其机构示意图如图2-1（a）所示。机械手具有三个移动关节（PPP），其轴向运动都是相互垂直正交的。这种类型的机械手具有刚性大、控制简单、分辨率和精度不随工作场合的变化而变化的优势，但是也存在工作效率低下、占地面积大、操作范围小、密封性很差等缺点。（2）圆柱坐标型码垛机械手。圆柱坐标型码垛机械手的机构示意图如图2-1（b）所示。这种类型的机械手具有两个移动关节和一个转动关节（RPP）。这种类型的机械手具有组成结构简单、工作区域大、定位精度较好、而且空间运动范围内没有奇异点等优势，因此经常被应用于搬运作业；但是存在自身占地空间大的缺点。（3）球坐标型码垛机械手。球坐标型码垛机械手其机构示意图如图2-1（c）所示。这种类型的机械手具有两个转动关节和一个移动关节（RRP）。这种类型的机械手具有占地空间小、运动灵活性高、工作空间大等优点；但是也存在结构复杂、各部件之间的运动耦合性强等缺点，所以其控制系统也会很复杂。（4）关节坐标型码垛机械手。关节坐标型码垛机械手其机构示意图如图2-1（d）所示。这种类型的机械手的关节全部都是转动关节（RRR）。通过所有转动关节的运动可以改变手部末端的空间位置。机械手的坐标系是由其相邻运动部件的转动角度变化决定的，机械手能达到的工作空间是根据手臂的尺寸及长度决定的。（a） （b） （c） （d）图2-1 四种码垛机械手结构类型Figure 2-1 Four types of stacking manipulator structure（a）直角坐标型；（b）圆柱坐标型；（c）球坐标型；（d）关节坐标型根据已知的机械手工作要求，在对已投入应用的工业机器人进行分析和比较的基础上，选择四自由度关节坐标型机械手作为本课题要设计和研究的自动砖坯码垛机械手的类型。2.2.2 自动砖坯码垛机械手驱动方式的选择机械手的驱动方式可以分为以下几种13：（1）液压驱动方式。液压驱动系统是由油缸、电磁阀、油泵和油箱等部分组成。液压驱动工作时定位精度高，操作力度准确。但是在工作过程中，液压元件对温度变化的敏感性很高，泄漏的液压油对环境也会产生一定的污染。（2）气压驱动方式。气压驱动系统是由气缸、气阀、空气压缩机和储气罐等部分组成。气压驱动设备工作时动作快速、维修简单，使用空气作为传动介质大大降低了能源成本，对环境的污染很小。但是也有着操作力不大、体积较大、响应慢、控制难、定位精度较差以及动作不平稳等缺点。（3）电机驱动方式。电机直接或者间接控制机械手运动的驱动方式成为电机驱动。电机驱动的驱动力度能够满足设计需求，相关信号的传递过程容易控制，其信号运算方式易于掌握。电机驱动需要选择相应的减速装置来降低电机的输出转速，增大电机的输出转矩。码垛机械手关节驱动电动机应该具有较高的可靠性和稳定性。与驱动电动机配合使用的精密减速器也应该符合机械手的应用要求。根据自动砖坯码垛机械手的特点以及在充分对比以上各个驱动方式的特点的基础上，选择电机驱动作为机械手的驱动方式。目前在电机驱动这种控制方式中经常被使用的电动机有直流电动机、伺服电动机、步进电动机等。结合自动砖坯码垛机械手的工作要求，选择交流伺服电动机作为本课题要设计和研究的自动砖坯码垛机械手的驱动电机。2.2.3 自动砖坯码垛机械手控制系统的选择目前，机械手的控制系统主要分为以下几种：（1）基于单片机的控制系统。单片机又称微型计算机，主要由中央处理器CPU、程序存储器ROM、数据存储器RAM、定时器/计数器、输入输出接口I/O和相应的外围电路等组成。其优点是功耗低、功能强、成本低，广泛使用在各种控制场合。单片机用于机械手控制系统中，简化了电路结构，提高了控制精度和稳定性，能实现较为复杂的控制，增强了系统的灵活性。（2）基于PLC的控制系统。PLC又称可编程逻辑控制器，具有通用性强、使用广泛、方便可靠、编程简单、可靠性强、抗干扰能力强等特点。PLC具有强大的高速脉冲输出能力和高速计数器功能，能够轻松控制四轴的伺服电动机。和其它控制方案相比，基于PLC的运动控制系统具有可扩展I/O的能力、通讯能力强、抗干扰能力强，使得其在运动控制领域应用比较广泛。根据自动砖坯码垛机械手的特点以及在充分对比以上各个控制系统的特点的基础上，选择基于单片机的控制系统作为本课题要设计和研究的自动砖坯码垛机械手的控制系统。2.3 本章小结（Summary of this chapter）（1）本章确定了课题研究的自动砖坯码垛机械手的工作参数，明确了自动砖坯码垛机械手的工作要求，设计了自动砖坯码垛机械手的工作过程，进而提出了机械手的设计方案。（2）通过对各种常用机械手结构类型的比较，选择了四自由度关节式机械手作为本课题要设计和研究的自动砖坯码垛机械手的类型，选择了交流伺服电动机驱动作为驱动方式，选择了单片机系统控制作为控制方式。683 自动砖坯码垛机械手的机械结构设计3 自动砖坯码垛机械手的机械结构设计3 Mechanical structure design of automatic brick stacking manipulator本章首先对自动砖坯码垛机械手进行整体结构设计，再通过Solidworks三维绘图软件对机械手各个部件进行设计并绘制。3.1 整体结构设计（Integral structural design）本课题设计的自动砖坯码垛机械手具有四个自由度，自主设计了其机械本体结构。机械本体结构主要由以下几个部分组成14：（1）末端执行器：是自动砖坯码垛机械手一个非常重要的组成部分，主要用于完成被码放砖坯的抓取、移动以及码放等动作。（2）腕部：末端执行器位置和姿态的改变是通过腕部的转动实现的。同时，腕部也直接承载了末端执行器和负载砖坯的全部重量。 （3）臂部：是自动砖坯码垛机械手的主体部分，主要由小臂、前大臂、后大臂、辅助平行四边形机构以及其他附件组成。（4）底座部分：是整个机械手的安装载体，承载了整个机械手的全部重量。可以带动机械手其余部件绕其回转轴做回转运动，控制整个机械手在水平面内的转动方位。自动砖坯码垛机械手的结构示意图如图3-1所示。末端执行器腕部底座部分辅助平行四边形机构小臂前大臂后大臂图3-1 自动砖坯码垛机械手结构示意图Figure 3-1 Structure diagram of automatic brick stacking manipulator本课题设计的自动砖坯码垛机械手，共包括四个转动关节，分别为：腕部旋转关节、小臂俯仰转动关节、大臂俯仰转动关节、腰部（底座部分）旋转关节，都采用交流伺服电动机进行驱动。3.2 末端执行器的设计（Design of end-effector）3.2.1 末端执行器的工作过程机械手码坯将码坯机和机械手的优点相结合，只需调整或者更换末端执行器即可适应不同的砖型，具有灵活性好、适应性强、故障率低等优点。机械手码坯如图3-2所示，工业机械手手腕处安装上用于砖坯码垛的末端执行器，这样就构成了砖坯码垛机械手，可以实现把待码放的砖坯按规则逐层码放至码盘上。图3-2 机械手码坯Figure 3-2 Manipulator blank码坯机械手的末端执行器一般采用气动驱动方式，抓取砖坯、卸载砖坯、气缸复位三个动作是其工作过程中的关键动作5。3.2.2 自动砖坯码垛机械手的码坯方案在设计自动砖坯码垛机械手的码坯方案前，需要了解目前我国标准砖坯的尺寸。我国标准砖尺寸如图3-3所示。图3-3 标准砖尺寸Figure 3-3 Standard brick size为了保持砖坯在堆垛时的稳定性，将单层64阵列的砖坯设计成图3-4所示的摆放形式。在这种摆放形式中，砖坯的最大面保持水平，砖坯的最小面作为末端执行器的夹持面。图3-4 单层砖坯阵列摆放形式Figure 3-4 Arrangement form of single layer brick array在砖坯生产线上，自动砖坯码垛机械手按码坯方案将成型砖坯层层码放在码盘上。由切坯机切割形成的砖坯阵列，其砖坯间距如图3-5（a）所示。经过自动砖坯码垛机械手夹取、码垛后的砖坯间距及阵列尺寸如图3-5（b）所示。码垛前，阵列的行间距是56mm，行宽度是1050mm；列间距是30mm，列宽度是969mm，形成长方形阵列。码垛后，阵列的行间距是56mm，行宽度是969mm；列间距是3mm，即末端执行器夹板的厚度，列宽度是969mm，成为正方形阵列。（a） （b）图3-5 码垛前、后的砖坯间距及阵列尺寸Figure 3-5 Spacing and array size of bricks before and after palletizing自动砖坯码垛机械手夹取砖坯阵列后，需要移动到码盘上方进行码放，同时每相隔一层需要对砖坯阵列进行90旋转。经过自动砖坯码垛机械手夹取后的砖坯阵列的长度和宽度相同，因此，多层砖坯堆垛后形成的坯垛的长度和宽度也相同。多层砖坯堆垛后形成的坯垛如图3-6所示。图3-6 多层砖坯码垛Figure 3-6 Multi layer brick stacking3.2.3 末端执行器的结构设计根据标准砖坯的尺寸，设计了一次能抓取64阵列砖坯的末端执行器，其三维模型如图3-7所示。图3-7 末端执行器三维模型Figure 3-7 3D model of end-effector在无负载复位状态下，该末端执行器长1080mm，宽1000mm，高248.5mm，质量为58.78kg。主要由受力夹板、传力夹板、固定夹板、驱动气缸、直线滑块及其导轨、齿轮齿条同步装置、铝合金型材等零部件组成，连接方式为螺纹连接，具体零件及其型号如表3-1所示。表3-1 末端执行器的主要组成零件Table 3-1 Main components of end-effector零件及其型号数量备注受力夹板2材质为45#传力夹板2材质为45#固定夹板1材质为45#MDBD63-100Z标准型气缸组合机构4选型HGH15CA系列直线滑块8选型HGH15CA系列直线导轨2选型A84040铝合金型材4GB5237-2008AA30-3060铝合金型材2GB5237-2008m=1.5 z=20 标准型齿轮齿条组合机构2材质为45#619/8 深沟球轴承2GB/T 276-201340B系列4040压铸角铝8选型40-40、50-50等边角钢连接件11GB/T 706-2016AENT30、AENT40 T型螺母108选型A型销轴2GB/T 882-2008该末端执行器为夹持型结构。当末端执行器抓取砖坯时，各个夹板插入砖坯阵列的缝隙中，驱动气缸的气缸杆收缩，带动最两侧的受力夹板和传力夹板向中间的固定夹板移动，直至将所有砖坯都夹紧。齿轮齿条传动机构可以保证两侧夹板动作同步。同时，也可以将该末端执行器用于其他类型砖坯的码垛工作。3.3 腕部的结构设计（Structural design of the wrist）自动砖坯码垛机械手腕部的旋转关节，可以调整末端执行器的姿态，从而使待码垛的砖坯以合适方位码放到码盘上。自动砖坯码垛机械手腕部的三维模型如图3-8所示。图3-8 腕部三维模型Figure 3-8 3D model of wrist该腕部主要由驱动电机、减速器以及腕部连接件组成，长约为420mm，宽为324mm，高约为440mm。其中，驱动电机质量为9.3kg，减速器质量为16kg，腕部连接件材质为Q345钢材，质量为15.6kg，整个腕部结构的总质量为40.9kg。自动砖坯码垛机械腕部的结构比较简单，由驱动电机直接连接减速器，减速器安装在腕部连接件上，减速器的输出法兰直接与末端执行器相连接。由此可以实现电机驱动末端执行器进行转动。3.4 臂部的结构设计（Structural design of the arm）臂部是机械手运动结构的主体，因此臂部结构的设计需要充分考虑到自动砖坯码垛机械手的各种工作状态，此外还得考虑各个臂部零件的连接形式等因素。3.4.1 小臂的结构设计自动砖坯码垛机械手小臂的作用是连接机械手的腕部、前大臂和后大臂。小臂的三维模型如图3-9所示。图3-9 小臂三维模型Figure 3-9 3D model of the higher arm自动砖坯码垛机械手的小臂长为2000mm，宽为200mm，高为240mm，材质为Q345钢材，质量为216.3kg。小臂采用中空式结构，既保证了小臂的连接强度，又不会使小臂质量过重。小臂与其连接的其他腕部、臂部零件，都是通过轴配合转动。3.4.2 前大臂的结构设计自动砖坯码垛机械手前大臂的作用是连接机械手的小臂与腰部，并支撑起整个机械手的重量，是整个臂部结构最重要的部分。前大臂的三维模型如图3-10所示。图3-10 前大臂三维模型Figure 3-10 3D model of the forearm自动砖坯码垛机械手的前大臂长为350mm，宽为330mm，高为1500mm，材质为Q345钢材，质量为327.1kg。前大臂与小臂相同，采用了中空式结构，既保证了前大臂的连接强度，又不会使其质量过重。前大臂与小臂是通过轴连接的，能够相互配合转动。3.4.3 后大臂的结构设计自动砖坯码垛机械手的后大臂直接与小臂部分相连接。后大臂的三维模型如图3-11所示。图3-11 后大臂三维模型Figure 3-11 3D model of the hinder arm自动砖坯码垛机械手的后大臂长为200mm，宽为100mm，高为1500mm，材质为Q345钢材，质量为55.5kg。3.4.4 平行四边形辅助连杆的设计自动砖坯码垛机械手平行四边形辅助连杆的主要作用是调整机械手腕部的姿态，使末端执行器能够始终保持竖直。平行四边形辅助连杆的三维模型如图3-12所示。图3-12 平行四边形辅助连杆三维模型Figure 3-12 3D model of parallelogram auxiliary link在自动砖坯码垛机械手臂部结构中，一共需要两根辅助连杆，这两根辅助连杆除长度不同外，其余结构都相同。其中，小臂处辅助连杆的长度为1600mm，大臂处辅助连杆的长度为1500mm。平行四边形辅助连杆的两端分别是一个内螺纹杆端关节轴承，一根直径为40mm的连杆通过螺纹连接的方式将这两个关节轴承连接在一起，组成完整的平行四边形辅助连杆。3.4.5 腰臂连接件的设计自动砖坯码垛机械手腰臂连接件的作用是固定臂部驱动电机及减速器，并将整个臂部机构和底座部分连接起来，是整个机械手结构中承上启下的部分。腰臂连接件的三维模型如图3-13所示。图3-13 腰臂连接件三维模型Figure 3-13 3D model of waist arm connection自动砖坯码垛机械手的腰臂连接件长为700mm，宽为650mm，高为560mm，材质为Q345钢材，质量为141.1kg。3.4.5 臂部的整体结构将臂部的各个零部件组装在一起，就构成了自动砖坯码垛机械手臂部的整体结构，整体结构如图3-14所示。图3-14 臂部整体结构三维模型Figure 3-14 3D model of arm part overall structure在大臂竖直、小臂水平的状态下（如图3-10中所示姿态），自动砖坯码垛机械手臂部的整体结构长约为2300mm，宽约为1135mm，高约为2100mm。其中，臂部的驱动电机质量为30kg，减速器质量为44kg，整个臂部机构的质量为1066kg（不包括腕部机构）。自动砖坯码垛机械手臂部部分的所有关节都是转动关节。前大臂、大臂辅助连杆、小臂、小臂辅助连杆这四个零件在三角形连接件的连接下，构成了双平行四边形结构，这个结构能使机械手末端执行器的中心轴线时刻保持在竖直状态。前大臂、后大臂、前后大臂连接件和小臂也构成了一个平行四边形结构，这个平行四边形结构能够大大增加臂部的刚度，同时也提高了臂部的导向能力，可以防止机械手在运动过程中出现非预期动作。自动砖坯码垛机械手臂部安装有两个驱动电机，均采用关节直接驱动的方式，分别驱动机械手的前大臂和后大臂。前大臂驱动电机直接与减速器连接，减速器被固定在腰臂连接件上，减速器的输出轴与前大臂连接，从而能够带动机械手的前大臂绕着输出轴进行转动，进而带动小臂运动。后大臂驱动电机的输出轴直接连接在减速器的输入法兰上，减速器通过螺纹连接固定在腰臂连接件上，减速器的输出轴与前后大臂连接件连接，从而能够带动机械手的后大臂发生运动，进而带动小臂绕着小臂与前大臂配合的轴做转动。自动砖坯码垛机械手臂部驱动部分的具体结构如图3-15所示。图3-15 臂部驱动部分三维模型Figure 3-15 3D model of arm drive part3.5 底座部分的结构设计（Structural design of the base part）自动砖坯码垛机械手底座部分是整个机械手的安装基础，承受了整个机械手及砖坯负载的重量。底座处的旋转运动需要克服较大的转动惯量，所以需要很大的减速增矩装置。根据自动砖坯码垛机械手的实际需求，设计了如图3-16所示的底座结构。自动砖坯码垛机械手的底座部分长为1382mm，宽为1000mm，高为385mm。其中，驱动电机质量为50kg，减速器质量为154kg，底座的材质为HT150，质量为285.04kg，整个底座部分的总质量为539.5kg。自动砖坯码垛机械手的底座部分有一个旋转关节，安装有一个驱动电机和配套使用的减速器。减速器的输出轴直接与臂部结构中的腰臂连接件相连，实现整个机械手臂部、腕部和末端执行器的回转动作。考虑到自动砖坯码垛机械手线缆的走线布置，在底座部分的减速器类型选择上，需要选择具有中空结构的减速器，可以让线缆从中穿出。因此，在比较了多种形式的机械手常用减速器后，选择使用RV-C型减速器。图3-16 底座部分三维模型Figure 3-16 3D model of base part3.6 自动砖坯码垛机械手的整体结构（Whole structure of automatic brick stacking manipulator）通过对各个零部件的分析和设计，得到自动砖坯码垛机械手的整体结构。本课题所设计的自动砖坯码垛机械手整体结构的三维模型如图3-17所示。图3-17 自动砖坯码垛机械手整体模型Figure 3-17 Whole model of automatic brick stacking manipulator自动砖坯码垛机械手的整体模型长为3200mm，宽为1134mm，高为2460mm，总质量为2046.4kg。3.7 自动砖坯码垛机械手的工作空间分析（Workspace analysis of automatic brick stacking manipulator）当自动抓坯码垛机械手的机械结构参数确定后，需要校核这些结构参数能否满足机械手的工作需求。采用机器人运动学分析中的D-H（Denavit-Hartenberg）方法对自动砖坯码垛机械手的工作空间进行分析15。3.7.1 自动砖坯码垛机械手的运动学建模采用D-H（Denavit-Hartenberg）方法可以得到自动砖坯码垛机械手相邻连杆的齐次变换矩阵，从而可以建立机械手末端执行器坐标系与机座坐标系之间的齐次变换矩阵，从而解出自动砖坯码垛机械手的运动学方程16。根据自动砖坯码垛机械手的机械本体结构，建立其连杆坐标系如图3-18所示。图3-18 自动砖坯码垛机械手连杆坐标系Figure 3-18 Connecting rod coordinate system of automatic brick stacking manipulator根据图3-17所示的连杆坐标系，得到自动砖坯码垛机械手的连杆参数，如表3-2所示。表3-2 自动砖坯码垛机械手连杆参数Table 3-2 Connecting rod parameters of automatic brick stacking manipulator连杆变量100203040根据连杆变换矩阵的基本表达式，得到：将上述得到的各连杆矩阵相乘，得到自动砖坯码垛机械手末端执行器连杆坐标系到机座坐标系的变换矩阵：式中：就是自动砖坯码垛机械手的运动学方程，表示末端连杆的位姿与关节变量之间的关系。根据各关节变量的取值，可以求得机械手末端执行器在机座坐标系中的位置和姿态。3.7.2 自动砖坯码垛机械手的工作空间上式为自动砖坯码垛机械手工作空间的参数方程。式中关节变量、变化范围在表2-1中已经给出。使用Matlab对自动砖坯码垛机械手工作空间的参数方程编程17，得到其工作空间三维图如图3-19所示。图3-19 自动砖坯码垛机械手工作空间三维图Figure 3-19 Three dimensional drawing of automatic brick stacking manipulator working space当关节变量为某一值时，可以得到自动砖坯码垛机械手工作空间在坐标平面的截面图，如图3-20所示。图3-20 自动砖坯码垛机械手工作空间的xz坐标平面截面图Figure 3-20 XZ coordinate plane section of automatic brick stacking manipulator working space根据图3-20中相关点的计算值，可知自动砖坯码垛机械手工作空间的外圈半径大于2m，因此能够满足设计要求的工作范围。3.8 本章小结（Summary of this chapter）（1）本章分析了自动砖坯码垛机械手的组成机构，确定了各机构的驱动与传动方式，设计了自动砖坯码垛机械手的机械本体结构。（2）在参考了大量类似机械手结构的基础上，对自动砖坯码垛机械手机械本体的各个部分分别进行设计，并运用三维绘图软件Solidworks建立了机械手末端执行器、腕部、臂部以及底座部分的三维模型。（3）采用机器人运动学分析中的D-H法，对自动砖坯码垛机械手进行运动学建模，得到机械手的运动学方程，并运用Matlab软件对自动砖坯码垛机械手的工作空间进行求解。4 自动砖坯码垛机械手驱动系统的计算及选型4 自动砖坯码垛机械手驱动系统的计算及选型4 Calculation and selection of automatic brick stacking manipulator drive system4.1 末端执行器气动系统的设计及元件选型（Design and component selection of end-effector pneumatic system）4.1.1 气动控制回路设计根据自动砖坯码垛机械手末端执行器的设计需求和工作过程，考虑工作效率、工作环境等因素，设计气动控制回路如图4-1所示。图4-1 末端执行器气动控制回路原理图Figure 4-1 Schematic diagram of end-effector pneumatic control circuit1-气源；2-截止阀；3-泄气阀；4-储气罐；5-气动三联件；6-压力继电器；7-气缸（a1a4）；8-单向节流阀（b1b8）；9-电磁阀（c1c5）末端执行器的气动控制过程包括抓取砖坯、卸载砖坯和气缸复位三部分。气缸复位：气动回路中气源被接通，从而使电磁阀接通，气缸杆受到压力逐渐伸长，直到极限位置处。抓取砖坯：控制系统发出控制信号使电磁阀失电，气缸杆收缩带动夹板运动，从而使砖坯被夹紧。卸载砖坯：控制系统发出控制信号使电磁阀的失电状态保持不变，电磁阀接通后切换导通状态，气源被切断，此时各个气缸卸载夹紧力，因此末端执行器的夹板松弛，可以将砖坯卸下。4.1.2 气缸的计算及选型1. 气缸行程的确定根据3.2.2节中自动砖坯码垛机械手的码坯方案，码垛前后砖坯阵列的行间距保持不变。由于末端执行器中传力夹板和固定夹板的厚度都为，因此砖坯阵列的列间距由减小为。根据自动砖坯码垛机械手的工作需求，设计使用四个气缸来驱动末端执行器进行砖坯的抓取工作。单个气缸所需行程为：2. 负载重量计算自动砖坯码垛机械手的末端执行器在工作过程中，同时受到静态载荷和动态载荷的作用。静态载荷为负载本身的重力。当机械手腕部加速向上抬起时，产生的加速度使负载对末端执行器产生动态载荷。根据自动砖坯码垛机械手的工作需求，末端执行器加速垂直抬升所需要的时间为。因此，末端执行器垂直抬升最大加速度为：末端执行器动作一次能够抓取的砖坯数量为块。若根据工作需求，抓取的砖坯为湿砖坯，则单块湿砖坯的重量为，湿砖坯与夹板的最小摩擦因数为（经验值）。在抓取过程中所有砖坯受到单侧夹板提供的摩擦力为：气缸提供的压力为：3. 负载率确定一般地，对于静负载（如工件的气动夹紧），或气缸工作频率低，基本是匀速运动，负载率可取；当气缸运动速度在范围内，可取；当气缸运动速度大于时，可在范围内选取18。气缸收缩或伸出的动作时间为。气缸的动作速度为：因此，选取负载率为。4. 缸径计算根据上述负载和负载率，可得单个气缸所需的理论输出力为：取气缸的工作压力为。气缸的缸径D：由于气缸缸径已系列化，因此，可选用标准缸径为63mm的气缸。5. 气缸的选型考虑到具体使用要求，在末端执行器中，选择SMC公司的MB新款标准型单杆双作用气缸，型号为MDBD 63-100Z，气缸的其他参数如图4-2所示。图4-2 MDBD 63-100Z型气缸参数表Figure 4-2 MDBD 63-100Z cylinder parameter table6. 电磁阀的选型选用亚德克4V400系列4V420-15-B二位五通电磁换向阀，其相关参数如表4-1所示。表4-1 亚德克4V420-15-B电磁阀相关参数Table 4-1 Related parameters of AirTAC 4V420-15-B solenoid valve参数名称具体参数值型号4V420-15传动方式先导式工作介质空气位置数二位五通使用压力范围标准电压DC 24V接电形式DIN插座式4.2 腕部J4旋转关节驱动电机、减速器的选型计算（Selection and calculation of wrist J4 rotatory joint drive motor and reducer）1. 驱动电机、减速器的选型计算首先对自动砖坯码垛机械手腕部旋转关节的负载进行分析，并计算其转动惯量。腕部旋转关节的负载由末端执行器和负载砖坯两部分组成。腕部电机驱动末端执行器的旋转时阻力矩包括摩擦阻力矩和负载砖坯旋转所产生的惯性力矩，由于摩擦阻力矩很小，可以忽略不计。在计算砖坯的转动惯量时，可以将其看做是一个的长方体负载，则砖坯阵列相对于轴的转动惯量是19：式中：砖坯阵列的长度，；：砖坯阵列的宽度，；：砖坯阵列的质量，。末端执行器绕轴的转动惯量经Solidworks计算为。因此腕部旋转关节负载的转动惯量是：根据对自动砖坯码垛机械手腕部转速的设计需求，在一秒钟内，腕部需要把末端执行器的位置姿态和角度绕着旋转轴变化90，因此取腕部的最大角加速度为。腕部旋转关节在启动时由于加速度的存在，其负载就会对转轴产生一个与加速度成正比的产生惯性力矩：根据伺服电动机和减速器的选型计算方法初步选择腕部旋转关节的驱动电机和减速器20。伺服驱动器的输出转矩大于负载产生的惯性力矩即可。伺服电动机：选用日本三菱交流伺服电机，型号为HG-SN 152J-S100，带制动器。其相关参数如表4-2所示。表4-2 三菱交流伺服电机HG-SN 152J-S100相关参数Table 4-2 Relevant parameters of Mitsubishi AC servo motor HG-SN 152J-S100参数名称具体参数值额定输出额定转矩最大转矩额定转速最大转速转动惯量重量减速器：选用德国纽卡特行星减速器，型号为PLFN140-64，其相关参数如表4-3所示。表4-3 纽卡特行星减速器PLFN140-64相关参数Table 4-3 Relevant parameters of Neugart planetary reducer PLFN140-64参数名称具体参数值额定输出扭矩最大输出扭矩减速比64:1额定输入速度最大输入速度最大径向负载最大轴向负载使用寿命标准回程间隙转动惯量重量2. 驱动电机、减速器的校核轴减速器输出端的负载惯量折算到电动机输出端为：电动机输出端转矩为：电动机负载惯量与电动机自身惯量比为：电动机提供到减速器端的额定转矩为：电动机所能提供的最大转矩为：经过计算，电动机提供的额定转矩大于负载产生的惯性力矩，因此选择的电动机和减速器符合要求。4.3 小臂J3俯仰转动关节驱动电机及减速器的选型计算（Selection and calculation of the higher arm J3 pitching rotatory joint drive motor and reducer）1. 驱动电机、减速器的选型计算小臂俯仰转动关节的驱动电机通过螺纹连接安装在腰臂连接处，驱动小臂及负载绕着小臂与前大臂配合的轴（轴）进行转动。在负载情况下，通过Solidworks测得机械手臂部、腕部及负载绕轴的转动惯量为：根据自动砖坯码垛机械手臂部的工作要求，取小臂俯仰转动关节处最大角加速度为：对轴产生的惯性力矩为：初步选择小臂俯仰转动关节的驱动电机和减速器。伺服电动机：选用南京埃斯顿交流伺服电机，型号为EMG-50ADA24，带增量式编码器，带制动器。其相关参数如表4-4所示。表4-4 埃斯顿交流伺服电机EMG-50ADA24相关参数Table 4-4 Relevant parameters of ESTUN AC servo motor EMG-50ADA24参数名称具体参数值额定输出额定转矩瞬间最大转矩额定转速最大转速转动惯量重量减速器：选用日本纳博特斯克RV减速器，型号为RV-320E-141，其相关参数如表4-5所示。表4-5 纳博特斯克RV减速器RV-320E-141相关参数Table 4-5 Relevant parameters of Nabtesco RV reducer RV-320E-141参数名称具体参数值额定输出扭矩允许力矩减速比141:1额定输入功率允许最高输出转速转动惯量重量2. 驱动电机、减速器的校核电动机提供到减速器端的额定转矩为：电动机所能提供的最大转矩为：经过计算，电动机提供的额定转矩大于负载产生的惯性力矩，因此选择的电动机和减速器符合要求。4.4 大臂J2俯仰转动关节驱动电机及减速器的选型计算（Selection and calculation of the lower arm J2 pitching rotatory joint drive motor and reducer）1. 驱动电机、减速器的选型计算大臂俯仰转动关节的驱动电机驱动机械手整个臂部、腕部及负载绕着前大臂与腰臂连接件配合的轴（轴）进行转动。在负载情况下，通过Solidworks测得机械手臂部、腕部及负载绕轴的转动惯量为：根据机械手臂部的工作要求，取大臂俯仰转动关节处最大角加速度为：对轴产生的惯性力矩为：初步选择大臂俯仰转动关节的驱动电机和减速器。伺服电动机：选用南京埃斯顿交流伺服电机，型号为EMG-50ADA24。减速器：选用日本纳博特斯克RV减速器，型号为RV-320E-141。选用的伺服电动机、减速器与小臂俯仰转动关节处的相同。伺服电动机与减速器的相关参数如表4-3、表4-4所示。2. 驱动电机、减速器的校核电动机提供到减速器端的额定转矩为：电动机所能提供的最大转矩为：经过计算，电动机提供的额定转矩大于负载产生的惯性力矩，因此选择的电动机和减速器符合要求。4.5 底座部分J1旋转关节驱动电机及减速器的选型计算（Selection and calculation of the base part J1 rotatory joint drive motor and reducer）1. 驱动电机、减速器的选型计算底座部分旋转关节的驱动电机安装在底座上，驱动整个自动砖坯码垛机械手绕着减速器输出轴（轴）进行旋转。轴电动机的负载的转动惯量就是整个机械手旋转时的转动惯量，此转动惯量与机械手的姿态有关。通过Solidworks将自动砖坯码垛机械手各部件装配为轴电动机负载转动惯量最大的姿态，然后测得这个最大惯量为：取底座部分旋转关节处的最大角加速度为：对轴产生的惯性力矩为：伺服电动机：选用南京埃斯顿交流伺服电机，型号为EMB-1ADDA24，带增量式编码器，带制动器。其相关参数如表4-6所示。表4-6 埃斯顿交流伺服电机EMB-1ADDA24相关参数Table 4-6 Relevant parameters of ESTUN AC servo motor EMB-1ADDA24参数名称具体参数值额定输出额定转矩瞬间最大转矩额定转速最大转速转动惯量重量减速器：选用日本纳博特斯克RV减速器，型号为RV-500C-37.34，其相关参数如表4-7所示。表4-7 纳博特斯克RV减速器RV-500C-37.34相关参数Table 4-6 Relevant parameters of Nabtesco RV reducer RV-500C-37.34参数名称具体参数值额定输出扭矩允许力矩减速器单体减速比37.34:1额定输入功率允许最高输出转速转动惯量重量2. 驱动电机、减速器的校核选择日本纳博特斯克RV-C系列的减速器作为轴的减速器，主要原因是：该系列减速器具有中空结构，能够在减速器内部穿插电缆等，方便自动砖坯码垛机械手的线缆布置。RV-C减速器是二级减速型减速器。在自动砖坯码垛机械手中，减速器外壳被固定，并设计了如图4-3所示的驱动电机与减速器的传动方式。驱动力从电机输出轴输出，经过传动机构后，从减速器的输出轴输出，从而带动机械手运动。减速器输出轴减速器箱体电机输出轴Z1Z2Z3Z4图4-3 底座部分驱动电机与减速器传动原理图Figure 4-3 Schematic diagram of base part drive motor and reducer图中：电机输出小锥齿轮，；：与配合传动的大锥齿轮，；：减速器输入齿轮，；：减速器中心齿轮，。底座部分总减速比（包括减速器的减速比）为：电动机提供到减速器端的额定转矩为：电动机所能提供的最大转矩为：经过计算，电动机提供的额定转矩大于负载产生的惯性力矩，因此选择的电动机和减速器符合要求。4.6 本章小结（Summary of this chapter）（1）本章测量了已设计好的自动砖坯码垛机械手三维模型的转动惯量，并对各个关节的驱动电机和减速器进行了选型计算并校核。5 自动砖坯码垛机械手关键零部件的校核5 自动砖坯码垛机械手关键零部件的校核5 Check of key parts of automatic brick stacking manipulator本章通过Solidworks Simulation有限元分析插件对自动砖坯码垛机械手关键零部件进行应力和形变分析，从而校核其强度是否符合设计需求。5.1 机械本体部分的校核（Check of mechanical body part）5.1.1 腕部连接件的校核1. 腕部连接件的受力分析自动砖坯码垛机械手腕部连接件的受力简图如图5-1所示。图5-1 腕部连接件的受力简图Figure 5-1 Stress diagram of wrist connector是自动砖坯码垛机械手末端执行器及砖坯负载对腕部产生的力，是机械手臂部对腕部的约束力，根据末端执行器及负载的重量以及力臂关系可得：式中：受力轴和固定位置之间的距离，；：受力轴和固定位置之间的距离，。2. 腕部连接件的应力和形变分析在Solidworks Simulation有限元分析插件中打开三维模型，对自动砖坯码垛机械手的腕部连接件施加约束和载荷，然后进行应力和形变求解，其整体应力图和形变图如图5-2、5-3所示21。图5-2 腕部连接件整体应力图Figure 5-2 Overall stress diagram of wrist connector图5-3 腕部连接件整体形变图Figure 5-3 Overall deformation diagram of wrist connector3. 校核结果分析自动砖坯码垛机械手腕部连接件的材质为Q345钢材22，其材料属性如表5-1所示。表5-1 Q345钢材材料属性Table 5-1 Properties of Q345 steel参数名称具体参数值密度弹性模量泊松比0.28屈服强度抗拉强度根据腕部连接件整体应力图可知其最大应力为，位置在固定减速器螺栓孔周围。而Q345钢材的屈服强度为，抗拉强度为，腕部连接件的最大应力小于其屈服应力，符合强度要求。根据腕部连接件整体变形图可知其最大变形量为0.0989mm，位置在腕部连接件固定减速器处。其最大变形量很小，不会影响机械手的运动精度，能满足刚度要求。5.1.2 小臂的校核1. 小臂的受力分析自动砖坯码垛机械手小臂的受力简图如图5-4所示。图5-4 小臂的受力简图Figure 5-4 Stress diagram of the higher arm是自动砖坯码垛机械手腕部、末端执行器及负载重量。机械手在码垛过程中，考虑向上抓取砖坯时的加速度，因此取为2倍负载的重量，即： 是用来驱动小臂回转的动力，其大小取决于的大小。由图5-4所示的力臂关系可得：式中：受力轴和固定位置之间的距离，；：受力轴和固定位置之间的距离，。是自动砖坯码垛机械手在做整体回转运动时，产生的惯性力：2. 小臂的应力和形变分析在Solidworks Simulation有限元分析插件中打开三维模型，对自动砖坯码垛机械手的小臂施加约束和载荷，然后进行应力和形变求解，其整体应力图和形变图如图5-5、5-6所示。图5-5 小臂整体应力图Figure 5-5 Overall stress diagram of the higher arm图5-6 小臂整体形变图Figure 5-6 Overall deformation diagram of the higher arm3. 校核结果分析自动砖坯码垛机械手小臂的材质为Q345钢材。根据小臂整体应力图可知其最大应力为，位置在固定小臂与后大臂连接轴处。而Q345钢材的屈服强度为，抗拉强度为，小臂的最大应力小于其屈服应力，符合强度要求。根据小臂整体变形图可知其最大变形量为0.5889mm，位置在小臂末端。其最大变形量很小，不会影响机械手的运动精度，能满足刚度要求。5.1.3 前大臂的校核1. 前大臂的受力分析自动砖坯码垛机械手前大臂的受力简图如图5-7所示。图5-7 前大臂的受力简图Figure 5-7 Stress diagram of forearm是自动砖坯码垛机械手小臂传递下来的力，其大小为： 是自动砖坯码垛机械手在做整体回转运动时，产生的惯性力。取其最大值为：2. 前大臂的应力和形变分析在Solidworks Simulation有限元分析插件中打开三维模型，对自动砖坯码垛机械手的前大臂施加约束和载荷，然后进行应力和形变求解，其整体应力图和形变图如图5-8、5-9所示。图5-8 前大臂整体应力图Figure 5-8 Overall stress diagram of forearm图5-9 前大臂整体形变图Figure 5-9 Overall deformation diagram of forearm3. 校核结果分析自动砖坯码垛机械手前大臂的材质为Q345钢材。根据前大臂整体应力图可知其最大应力为，位置在前大臂与小臂连接轴处。而Q345钢材的屈服强度为，抗拉强度为，前大臂的最大应力小于其屈服应力，符合强度要求。根据前大臂整体变形图可知其最大变形量为0.3152mm，位置在小臂末端。其最大变形量很小，不会影响机械手的运动精度，能满足刚度要求。5.1.4 腰臂连接件的校核1. 腰臂连接件的受力分析自动砖坯码垛机械手腰臂连接件的受力简图如图5-10所示。图5-10 腰臂连接件的受力简图Figure 5-10 Stress diagram of waist arm connection是自动砖坯码垛机械手整个臂部传递下来的力，其大小为： 是机械手整体回转时由惯性力引起的力，取极端最大值为：2. 腰臂连接件的应力和形变分析在Solidworks Simulation有限元分析插件中打开三维模型，对自动砖坯码垛机械手的腰臂连接件施加约束和载荷，然后进行应力和形变求解，其整体应力图和形变图如图5-11、5-12所示。图5-11 腰臂连接件整体应力图Figure 5-11 Overall stress diagram of waist arm connection图5-12 腰臂连接件整体形变图Figure 5-12 Overall deformation diagram of waist arm connection3. 校核结果分析自动砖坯码垛机械手腰臂连接件的材质为Q345钢材。根据腰臂连接件整体应力图可知其最大应力为，位置固定臂部驱动器螺栓处。而Q345钢材的屈服强度为，抗拉强度为，腰臂连接件的最大应力小于其屈服应力，符合强度要求。根据腰臂连接件整体变形图可知其最大变形量为0.4897mm，位置在腰臂连接件的最上端。其最大变形量很小，不会影响机械手的运动精度，能满足刚度要求。5.2 腕部传动部分的校核（Check of wrist drive part）自动砖坯码垛机械手腕部传动部分具体结构如图5-13所示。图5-13 腕部传动部分具体结构Figure 5-13 Specific structure of wrist transmission part1,3-小臂与腕部连接轴安装轴承；2-小臂与腕部连接轴自动砖坯码垛机械手腕部传动部分主要受力部件为小臂与腕部连接轴及其安装轴承，需要对其进行进一步校核。5.2.1 小臂与腕部连接轴的校核1. 小臂与腕部连接轴的受力分析自动砖坯码垛机械手小臂与腕部连接轴的受力简图如图5-14所示。图5-14 小臂与腕部连接轴的受力简图Figure 5-14 Stress diagram of the higher arm and wrist connecting shaft小臂与腕部连接轴固定在小臂上，固定位置如图所示。与是自动砖坯码垛机械手腕部连接件对轴的支承力，根据腕部连接件的受力分析可得：2. 小臂与腕部连接轴的应力和形变分析在Solidworks Simulation有限元分析插件中打开三维模型，对自动砖坯码垛机械手的小臂与腕部连接轴施加约束和载荷，然后进行应力和形变求解，其整体应力图和形变图如图5-15、5-16所示。图5-15 小臂与腕部连接轴整体应力图Figure 5-15 Overall stress diagram of the higher arm and wrist connecting shaft图5-16 小臂与腕部连接轴整体形变图Figure 5-16 Overall deformation diagram of the higher arm and wrist connecting shaft3. 校核结果分析自动砖坯码垛机械手小臂与腕部连接轴的材质为45钢，其材料属性如表5-2所示。表5-2 45钢材料属性Table 5-2 45 steel material properties参数名称具体参数值密度弹性模量泊松比0.269屈服强度抗拉强度根据小臂与腕部连接轴整体应力图可知其最大应力为，位置在最左处轴端。而45钢的屈服强度为，抗拉强度为，小臂与腕部连接轴的最大应力小于其屈服应力，符合强度要求。根据前大臂与小臂连接轴整体变形图可知其最大变形量为0.0000492mm，位置在最左处轴端。其最大变形量很小，不会影响机械手的连接与传动精度，能满足刚度要求。5.2.2 小臂与腕部连接轴安装轴承的校核小臂与腕部连接轴安装轴承选用的是深沟球轴承6212，其基本额定额定动载荷为。根据小臂与腕部连接轴的受力分析，得到轴承的径向外载荷为23：轴承工作时受到中等冲击，查表得载荷系数：计算轴承的当量动负载：计算轴承的寿命：计算得到的轴承寿命远大于20000小时，所以轴承的预期寿命足够。5.3 前大臂与小臂连接部分的校核（Check of connecting part for forearm and the higher arm）自动砖坯码垛机械手前大臂与小臂连接部分具体结构如图5-17所示。图5-17 前大臂与小臂连接部分具体结构Figure 5-17 Specific structure of forearm and the higher arm connecting part1,3-前大臂与小臂连接轴安装轴承；2-前大臂与小臂连接轴；4-三角形连接件安装轴承自动砖坯码垛机械手前大臂与小臂部分主要受力部件为前大臂与小臂连接轴及其安装轴承、三角形连接件安装轴承，需要对其进行进一步校核。5.3.1 前大臂与小臂连接轴的校核1. 前大臂与小臂连接轴的受力分析自动砖坯码垛机械手前大臂与小臂连接轴的受力简图如图5-18所示。图5-18 前大臂与小臂连接轴的受力简图Figure 5-18 Stress diagram of forearm and the higher arm connecting shaft前大臂与小臂连接轴固定在小臂上，固定位置如图所示。与是自动砖坯码垛机械手前大臂对轴的支承力，根据前大臂的受力分析可得：是臂部三角形连接件对前大臂与小臂连接轴的作用力。根据腕部连接件的受力分析可得：2. 前大臂与小臂连接轴的应力和形变分析在Solidworks Simulation有限元分析插件中打开三维模型，对自动砖坯码垛机械手的前大臂与小臂连接轴施加约束和载荷，然后进行应力和形变求解，其整体应力图和形变图如图5-19、5-20所示。图5-19 前大臂与小臂连接轴整体应力图Figure 5-19 Overall stress diagram of forearm and the higher arm connecting shaft图5-20 前大臂与小臂连接轴整体形变图Figure 5-20 Overall deformation diagram of forearm and the higher arm connecting shaft3. 校核结果分析自动砖坯码垛机械手前大臂与小臂连接轴的材质为45钢。根据前大臂与小臂连接轴整体应力图可知其最大应力为，位置在最左轴端固定垫片处。而45钢的屈服强度为，抗拉强度为，前大臂与小臂连接轴的最大应力小于其屈服应力，符合强度要求。根据前大臂与小臂连接轴整体变形图可知其最大变形量为0.0005307mm，位置在最左轴段处。其最大变形量很小，不会影响机械手的连接与传动精度，能满足刚度要求。5.3.2 前大臂与小臂连接轴安装轴承的校核前大臂与小臂连接轴安装轴承选用的是深沟球轴承6412，其基本额定额定动载荷为。根据前大臂与小臂连接轴的受力分析，得到轴承的径向外载荷为：轴承工作时受到中等冲击，查表得载荷系数：计算轴承的当量动负载：计算轴承的寿命：计算得到的轴承寿命远大于20000小时，所以轴承的预期寿命足够。5.3.3 三角形连接件安装轴承的校核三角形连接件安装轴承选用的是深沟球轴承6210，其基本额定额定动载荷为。根据前大臂与小臂连接轴的受力分析，得到轴承的径向外载荷为：轴承工作时受到中等冲击，查表得载荷系数：计算轴承的当量动负载：计算轴承的寿命：计算得到的轴承寿命远大于20000小时，所以轴承的预期寿命足够。5.4 底座传动部分的校核（Check of base drive part）自动砖坯码垛机械手底座传动部分具体结构如图5-21所示。图5-21 底座传动部分具体结构Figure 5-21 Specific structure of base transmission part1-底座电机输出轴；2-底座传动小锥齿轮；3-底座传动大锥齿轮；4,6-底座减速器传动轴固定轴承；5-底座减速器传动轴；7-底座传动小锥齿轮驱动轴键；8-底座减速器输入齿轮驱动轴键；9-底座传动大锥齿轮驱动轴键；10-底座减速器输入齿轮自动砖坯码垛机械手底座传动部分主要受力部件为底座电机输出轴、底座减速器传动轴、底座传动小锥齿轮及其驱动轴键、底座传动大锥齿轮及其驱动轴键、底座减速器输入齿轮及其驱动轴键，需要对其进一步校核。5.4.1 底座电机输出轴的校核1.底座电机输出轴的受力分析自动砖坯码垛机械手底座电机输出轴主要承受电机输出的转矩。为了校核其强度，对电机输出轴进行如图5-22所示的受力分析。图5-22 底座电机输出轴受力分析Figure 5-22 Stress diagram of base motor output shaft底座电机的额定输出转矩为：根据挤压应力计算公式：其中，、该处连接平键的高度、工作长度，为轴的直径。因此：2. 底座电机输出轴的应力和形变分析在Solidworks Simulation有限元分析插件中打开三维模型，对自动砖坯码垛机械手底座电机输出轴施加约束和载荷，然后进行应力和形变求解，其整体应力图和形变图如图5-23、5-24所示。图5-23 底座电机输出轴整体应力图Figure 5-23 Overall stress diagram of base motor output shaft图5-24 底座电机输出轴整体形变图Figure 5-24 Overall deformation diagram of base motor output shaft3. 校核结果分析自动砖坯码垛机械手底座电机输出轴的材质为45钢。根据底座电机输出轴整体应力图可知其最大应力为，位置在输出轴最右端驱动小锥齿轮轴键的键槽处，而45钢的屈服强度为，抗拉强度为，底座电机输出轴的最大应力小于其屈服应力，符合强度要求。根据底座电机输出轴整体变形图可知其最大变形量为0.02379mm，位置与应力最大处相同。其最大变形量很小，不会影响电机的输出与传动精度，能满足刚度要求。5.4.2 底座减速器传动轴的校核1.底座减速器传动轴的受力分析自动砖坯码垛机械手底座减速器传动轴主要作用是将电机输出的转矩传递给减速器。为了校核其强度，对底座减速器传动轴进行如图5-25所示的受力分析。图5-25 底座减速器传动轴受力分析Figure 5-25 Stress diagram of base reducer drive shaft底座电机的额定输出转矩为：经过一对锥齿轮传动后，底座减速器传动轴受到的转矩为：式中：锥齿轮传动的传动比，。根据挤压应力计算公式：2. 底座减速器传动轴的应力和形变分析在Solidworks Simulation有限元分析插件中打开三维模型，对自动砖坯码垛机械手底座减速器传动轴施加约束和载荷，然后进行应力和形变求解，其整体应力图和形变图如图5-26、5-27所示。图5-26 底座减速器传动轴整体应力图Figure 5-26 Overall stress diagram of base reducer drive shaft图5-27 底座减速器传动轴整体形变图Figure 5-27 Overall deformation diagram of base reducer drive shaft3. 校核结果分析自动砖坯码垛机械手底座减速器传动轴的材质为45钢。根据底座减速器传动轴整体应力图可知其最大应力为，位置在该轴最右端驱动减速器输入齿轮轴键的键槽处，而45钢的屈服强度为，抗拉强度为，底座减速器传动轴的最大应力小于其屈服应力，符合强度要求。根据底座减速器传动轴整体变形图可知其最大变形量为0.06608mm，位置与应力最大处相同。其最大变形量很小，不会影响底座部分的传动精度，能满足刚度要求。5.4.3 底座传动小锥齿轮驱动轴键的校核底座传动小锥齿轮驱动轴键的规格尺寸为，其工作长度为。底座电机的额定输出转矩为：根据挤压应力计算公式：计算得到底座传动小锥齿轮驱动轴键上受到的挤压应力为：底座传动小锥齿轮驱动轴键的材质为45钢。查表可知，在静载荷作用下，45钢的许用挤压应力为，所以键的强度能够满足要求。5.4.4 底座传动大锥齿轮驱动轴键的校核底座传动大锥齿轮驱动轴键的规格尺寸为，其工作长度为。底座电机的额定输出转矩为：经过一对锥齿轮传动后，底座减速器传动轴受到的转矩为：式中：锥齿轮传动的传动比，。根据挤压应力计算公式，计算得到底座传动大锥齿轮驱动轴键上受到的挤压应力为：底座传动大锥齿轮驱动轴键的材质为45钢。查表可知，在静载荷作用下，45钢的许用挤压应力为，所以键的强度能够满足要求。5.4.5 底座减速器输入齿轮驱动轴键的校核底座减速器输入齿轮驱动轴键的规格尺寸为，其工作长度为。根据挤压应力计算公式，计算得到底座减速器输入齿轮驱动轴键上受到的挤压应力为：底座减速器输入齿轮驱动轴键的材质为45钢。查表可知，在静载荷作用下，45钢的许用挤压应力为，所以键的强度能够满足要求。5.4.6 底座减速器传动轴固定轴承底座减速器传动轴固定轴承为一对角接触球轴承S7310，。根据底座减速器传动轴的受力分析，轴承的径向外载荷来源于底座减速器传动轴所传动的电机转矩：因此轴承的径向外载荷为：轴承的轴向外载荷主要来源于锥齿轮传动中受到的轴向力：式中： ；：底座传动小、大锥齿轮的压力角，；：底座传动小锥齿轮的顶锥角，。底座减速器传动轴固定轴承的支反力为：轴承的轴向派生力为：根据受力分析，轴承1（图5-21标号为4的轴承）被压紧，轴承2（图5-21标号为6的轴承）被放松。轴承1所受轴向力：轴承2所受轴向力：载荷系数为：分别计算轴承1、2的当量动载荷：因此：轴承的基本额定动载荷为：底座减速器传动轴的转速为：式中：底座电机的额定转速，。计算轴承的寿命：若每天工作8小时，则每工作5.5年需更换该轴承。5.5 本章小结（Summary of this chapter）（1）本章对自动砖坯码垛机械手的机械本体部分、腕部传动部分、前大臂与小臂连接部分以及底座传动部分的相关零部件进行了校核计算。6 自动砖坯码垛机械手控制系统的设计6 自动砖坯码垛机械手控制系统的设计6 Control system design of automatic brick stacking manipulator6.1 伺服驱动器的选型（Selection of servo driver）6.1.1 伺服驱动器的控制方式伺服系统又称随动系统，主要是控制被控对象的位移或转角，使得伺服控制系统能够自动、精确、连续地跟随输入指令不断地变化24。伺服驱动器的三种控制方式具体为25：（1）转矩控制：改变外部设备产生的模拟量的输入数值或者调整输入地址的赋值，使向外输出转矩的大小发生变化，这样的控制方式就是转矩控制。 （2）位置控制：改变外部设备产生的脉冲频率，从而改变相应伺服电机的输出转速。电机转动的角度和速度随着输入电机的脉冲数量和频率的变化而变化。这样的控制方式就是位置控制。还可以通过直接进行通讯的方法，改变有些伺服电机的转动速度。（3）速度控制：速度控制模式中伺服电动机的转速可以通过改变模拟量输入的数值或改变输入脉冲的频率来进行控制。6.1.2 伺服驱动器的选型伺服电机需要与伺服驱动器配套使用。根据已选型自动砖坯码垛机械手各个关节处的交流伺服电动机，对其配套使用的伺服驱动器进行选型，具体选型情况如表6-1所示。表6-1 自动砖坯码垛机械手伺服驱动器选型情况Table 6-1 Selection of servo driver for automatic brick stacking manipulator关节伺服驱动器型号额定输出功率南京埃斯顿ProNet-1ADMA11.0kW南京埃斯顿ProNet-50AMA5.0kW南京埃斯顿ProNet-50AMA5.0kW日本三菱MR-JE-200A1.5kW6.1.3 伺服驱动器的相关参数自动砖坯码垛机械手使用的伺服电机和伺服驱动器大部分为南京埃斯顿公司的产品。以南京埃斯顿ProNet型伺服驱动器为例，介绍伺服驱动器的特性与相关参数。1. 伺服驱动器的型号说明伺服驱动器的额定输出功率、电源电压等参数是进行选型的依据，伺服驱动器的型号说明如图6-1所示。图6-1 伺服驱动器的型号说明Figure 6-1 Model description of servo driver2. 伺服驱动器的性能与规格伺服驱动器的性能如图6-2所示。图6-2 伺服驱动器的性能与规格Figure 6-2 Performance and specification of servo driver6.1.4 伺服驱动器的接线和连接图6-3 伺服驱动器标准接线例Figure 6-3 Standard wiring example of servo driver由图6-3可知，伺服驱动器的接线回路由电源主回路、输入与输出信号连接回路、编码器信号连接回路、通讯信号连接回路组成。1. 主回路主回路主要将伺服驱动器与三相电源、伺服电机连接在一起。主回路各端子的名称及功能如图6-4所示。图6-4 主回路端子的名称及功能Figure 6-4 Name and function of main circuit terminal2. 输入与输出信号连接输入与输出信号连接端子（CN1）是伺服驱动器的核心信息接口，所有输入输出控制信号都需要通过CN1接口进行传输。输入信号来自自动砖坯码垛机械手控制系统的核心控制器，输出信号为伺服驱动器向核心控制器传递的信号。伺服驱动器的输入信号主要为速度、位置、转矩模式的控制信号，输入信号的名称及其功能如图6-5所示。图6-5 输入信号的名称及其功能Figure 6-5 Name and function of input signal伺服驱动器的输出信号主要为编码器采集到的伺服电机相关转动参数，输出信号的名称及其功能如图6-6所示。图6-6 输出信号的名称及其功能Figure 6-6 Name and function of output signal3. 编码器信号连接伺服驱动器的CN2连接器用于编码器信号连接。编码器将从伺服电机采集到的数据通过CN2连接器传递给伺服驱动器。4. 通讯信号连接伺服驱动器的CN3、CN4连接器用于通讯信号连接，其中CN3连接器的端子名称及排列顺序如图6-7所示。图6-7 通讯用连接器CN3的端子排列Figure 6-7 Terminal arrangement of connector CN3 for communication6.2 控制系统的总体设计（General design of control system）自动砖坯码垛机械手控制系统的原理框图如图6-8所示26。图6-8 自动砖坯码垛机械手控制系统框图Figure 6-8 Block diagram of automatic brick stacking manipulator control system自动砖坯码垛机械手控制系统需要实现对伺服电机驱动器和末端执行器气缸电磁阀的控制，核心控制器是这个控制系统最重要的控制部件。核心控制器采用STM32系列单片机作为控制芯片，由它通过RS485或CAN总线与伺服驱动器进行通讯，从而实现机械手各个关节处伺服电机的控制；通过IO接口输出控制信号实现对末端执行器气缸电磁阀的控制。单片机的输出电压十分有限，由其输出的对伺服驱动器和电磁阀的控制信号，都需要通过相应的控制信号处理电路进行放大处理，才能实现对负载的驱动控制。因此，需要对控制系统的硬件电路进行设计。6.3 控制系统硬件电路的设计（Design of hardware circuit of control system）自动砖坯码垛机械手控制系统硬件电路的设计主要为核心控制器电路的设计。该硬件电路主要包括：STM32微控制器芯片、晶振电路、复位电路、启动模式选择电路、JTAG接口调试电路、电源电路、负电压转换电路、EEPROM存储电路、RS485通信电路与CAN总线、差分信号输出与接收电路、PWM DAC电路、模拟量信号放大电路、气缸电磁阀驱动电路等，并根据伺服驱动器的接线方式设计了伺服电机驱动电路27。其中，伺服驱动器控制信号处理电路由差分信号输出与接收电路、PWM DAC电路和模拟量信号放大电路组成。6.3.1 STM32微控制器基本电路STM32F407ZGT6单片机配置强大，能够满足自动砖坯码垛机械手控制系统的设计需求，因此选择STM32F407ZGT6单片机作为自动砖坯码垛机械手控制系统的核心控制器件。STM32F407ZGT6单片机工作的基本电路如图6-9所示。图6-9 STM32F407ZGT6芯片基本电路Figure 6-9 Basic circuit of STM32F407ZGT6 chip6.3.2 电源电路STM32F4系列单片机的供电电压为，给核心控制器供电的电源电路如图6-10所示。图6-10 电源电路Figure 6-10 Power circuit图6-10中共有两个稳压芯片：U2和U4。DC_IN用于外部直流电源输入，经过U2 MP2359直流降压转换芯片转换为5V（VBTN）电源输出。其中D4是防反接二极管，避免外部直流电源极性搞错的时候，烧坏单片机。K1为核心控制器的总电源开关。U4是一片AMS1117 3.3V稳压芯片，它的作用是给单片机及其他外部工作模块提供3.3V电源。D5和D6是瞬变抑制二极管，可以有效避免负载不稳或反接外接电源对电路造成损坏。VCC3.3M为单片机部分供电电源，VCC3.3为外部模块供电电源。在电路连接中，这两个电源其实是同一电源，使用不同名称只是为了区分其供电区域。6.3.3 负电压转换电路在模拟量信号放大电路中，使用了OP07运算放大器芯片。设计了如图6-11所示的负电压转换电路，可以为其提供-12V电源。图6-11 负电压转换电路Figure 6-11 Negative voltage conversion circuit负电压转换电路使用了小功率极性反转电源转换器ICL7660A，该电路可以将外部直流电源输入的12V电压转换为-12V电压，以供给其他芯片使用。6.3.4 EEPROM存储电路为了防止突然断电造成单片机程序丢失，设计了EEPROM存储电路如图6-12所示。图6-12 EEPROM存储电路Figure 6-12 EEPROM memory circuit6.3.5 RS485通信电路与CAN总线由于自动砖坯码垛机械手使用的交流伺服电机，与其配套使用的伺服驱动器可以通过RS485或CAN总线与单片机进行通信，因此设计了RS485通信电路和CAN总线电路如图6-13所示28。图6-13 RS485通信电路与CAN总线Figure 6-13 RS485 communication circuit and CAN busRS485电平不能直接连接到STM32单片机上，因此使用SP3485芯片作为485电平转换芯片。RS485_RX/RS485_TX端口连接在单片机PA2/PA3这两个IO口上，进行信号的接收与发送；RS485_RE端口连接在单片机PG8这个IO口上，用来控制SP3485的工作模式（高电平为发送模式，低电平为接收模式）。CAN总线电平也不能直接连接到STM32单片机上，因此使用TJA1050芯片作为CAN电平转换芯片。CAN_RX/CAN_TX端口连接在单片机PA11/PA12这两个端口上，进行信号的接收与发送。6.3.6 差分信号输出与接收电路自动砖坯码垛机械手使用的伺服驱动器有位置、速度和转矩三种控制模式。通过阅读所选伺服驱动器的用户手册可知，在位置控制这种模式下，驱动器需要的控制信号为两相正交脉冲形式的信号。因此，设计了如图6-14所示的差分信号输出电路，其功能为将单片机的输出信号转换为差分信号。在差分信号输出电路中，采用了低电压高速四路差动线路驱动器AM26LV31作为差分信号驱动器，其驱动能力和抗干扰能力都比较强，适合长线驱动。根据AM26LV31芯片手册可知，一片AM26LV31芯片只有四路差动输出，而自动砖坯码垛机械手使用了四个伺服驱动器，每个伺服驱动器需要两路（PULS和SIGN）差分驱动信号，总共需要八路差分驱动信号。因此差分信号输出电路中，需要使用两片AM26LV31芯片29。图6-14 差分信号输出电路Figure 6-14 Differential signal output circuit差分信号输出电路是单片机向伺服驱动器发送指令的桥梁。AM26LV31芯片U8的1A、2A输入管脚分别连接定时器TIM3的通道CH1和CH2，芯片对应的1Y、1Z、2Y、2Z输出管脚连接轴伺服驱动器的位置控制输入端口，定时器TIM3的CH1和CH2通道作为轴伺服电机的驱动指令输出；U8的3A、4A输入管脚分别连接定时器TIM3的通道CH3和CH4，芯片对应的3Y、3Z、4Y、4Z输出管脚连接轴伺服驱动器的位置控制输入端口，定时器TIM3的CH3和CH4通道作为轴伺服电机的驱动指令输出。AM26LV31芯片U9的1A、2A输入管脚分别连接定时器TIM4的通道CH1和CH2，芯片对应的1Y、1Z、2Y、2Z输出管脚连接轴伺服驱动器的位置控制输入端口，定时器TIM4的CH1和CH2通道作为轴伺服电机的驱动指令输出；U9的3A、4A输入管脚分别连接定时器TIM3的通道CH3和CH4，芯片对应的3Y、3Z、4Y、4Z输出管脚连接轴伺服驱动器的位置控制输入端口，定时器TIM3的CH3和CH4通道作为轴伺服电机的驱动指令输出。自动砖坯码垛机械手设计中，使用的编码器为增量式编码器。增量式编码器从伺服电机读取其转动方向与转速的相关信息，以方波脉冲的形式传递给伺服驱动器，伺服驱动器再把从编码器处接收到的信号传递给单片机。设计了如图6-15所示的差分信号接收电路，其功能为将伺服驱动器的差分输出信号转换为数字信号。图6-15 差分信号接收电路Figure 6-15 Differential signal receiving circuit在差分信号接收电路中，采用了低电压高速四路差动线路接收器AM26LV32作为差分信号接收器。根据AM26LV32芯片手册可知，一片AM26LV32芯片只有四路差动接收，而自动砖坯码垛机械手使用了四个伺服驱动器，因此在差分信号接收电路中，需要使用两片AM26LV32芯片。AM26LV32芯片U10的1A、1B、2A、2B输入管脚分别连接伺服驱动器的编码器信号输出端口，芯片对应的1Y、2Y输出管脚连接单片机定时器TIM1的CH1和CH2通道，定时器TIM1的CH1和CH2通道作为轴伺服电机编码器信号的接收端口；芯片U10的3A、3B、4A、4B输入管脚分别连接伺服驱动器的编码器信号输出端口，芯片对应3Y、4Y输出管脚连接单片机定时器TIM1的CH3和CH4通道，定时器TIM1的CH3和CH4通道作为轴伺服电机编码器信号的接收端口。AM26LV32芯片U11的1A、1B、2A、2B输入管脚分别连接伺服驱动器的编码器信号输出端口，芯片对应的1Y、2Y输出管脚连接单片机定时器TIM8的CH1和CH2通道，定时器TIM8的CH1和CH2通道作为轴伺服电机编码器信号的接收端口；芯片U11的3A、3B、4A、4B输入管脚分别连接伺服驱动器的编码器信号输出端口，芯片对应的3Y、4Y输出管脚连接单片机定时器TIM8的CH3和CH4通道，定时器TIM8的CH3和CH4通道作为轴伺服电机编码器信号的接收端口。6.3.7 PWM DAC电路伺服驱动器速度和转矩这两种控制模式所需要的输入信号为正弦波信号，因此需要使用单片机DAC输出功能，来进行对伺服驱动器的控制。由于设计中使用的STM32F407ZGT6单片机只有两个DAC输出端口，因此设计了如图6-16所示的PWM DAC电路，通过PWM输出与RC滤波电路实现DAC输出功能30。图6-16 PWM DAC电路Figure 6-16 PWM DAC circuit自动砖坯码垛机械手伺服驱动器的速度和转矩控制共需要八路DAC信号，除了单片机本身的两路DAC信号，还需要通过PWM DAC电路生成六路DAC信号。在PWM DAC电路中，将定时器TIM10的CH1通道，定时器TIM11的CH1通道，定时器TIM12的CH1、CH2通道，定时器TIM13的CH1通道，定时器TIM14的CH1通道作为PWM输出通道，再通过二阶RC滤波，转换为DAC输出。6.3.8 模拟量信号放大电路STM32单片机引脚输出电压最高为3.3V，而伺服驱动器速度和转矩输入指令电压要求为。因此，设计了如图6-17所示的模拟量信号放大电路，其功能为将所有的模拟量信号放大。图6-17 单个模拟量信号放大电路Figure 6-17 Single analog signal amplifying circuit单个模拟量信号放大电路由两级比例运算放大电路构成。前一级为同相比例运算电路，其闭环电压放大倍数为：后一级为反相比例运算电路，其闭环电压放大倍数为：因此设计的模拟量信号放大电路可以将输入信号放大3倍并差分输出。模拟量信号放大电路的输出引脚直接与伺服驱动器速度和转矩控制的输入信号端口相连接。6.3.9 气缸电磁阀驱动电路自动砖坯码垛机械手的控制系统还需要控制末端执行器的执行气缸，因此设计了如图6-18所示的气缸电磁阀驱动电路30。图6-18 单个气缸电磁阀驱动电路Figure 6-18 Single cylinder solenoid drive circuit在气缸电磁阀驱动电路中，使用了场效应管IRF540驱动电磁阀。VALVE1引脚连接在单片机IO口上，单片机输出一个低电平信号，三级管8550导通，三级管IRF540的G极获得5V电压后导通，进而使连接在P5引脚上的电磁阀工作。在末端执行器的气动控制回路中，使用了5个电磁阀。其中，电磁阀被同一个单片机IO口控制，保证气缸同步工作；电磁阀则被另一个单片机IO口控制。6.3.10 伺服电机驱动电路根据伺服驱动器的用户手册，设计了如图6-19所示的伺服电机驱动电路。图6-19 伺服电机驱动电路Figure 6-19 Servo motor drive circuit伺服驱动器的电源为三相电源，伺服驱动器接收到来自单片机的控制信号，控制伺服电机转动。增量式编码器将从伺服电机处采集到的信息反馈给伺服驱动器，伺服驱动器再将编码器信号反馈给单片机，这样就形成了伺服电机的闭环控制。6.4 本章小结（Summary of this chapter）（1）本章对自动砖坯码垛机械手控制系统所
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
川公网安备: 51019002004831号