单向移动抓取机器人设计

设计说明书 目录1设计任务 11.1设计任务介绍及意义 11.2设计任务明细 12.总体方案设计 32.1设计的基本依据 32.1.1驱动电机 32.1.2传动方式 32.1.3控制方式 52.1.4导轨 62.1.5传感器 62.2可行性方案比较 62.2.1驱动电机选择 62.2.2传动方式选择 72.2.3控制方式选择 72.2.4传感器选择 72.3总体方案确定 83.机械传动系统设计 83.1机械传动装置组成 83.2主要部件结构计算与设计 93.2.1平台参数设计 93.2.2导轨设计计算 93.2.3滚珠丝杆设计计算 3.2.4轴承设计 3.2.5联轴器设计 3.2.6电动机选型 3.2.7可靠性、经济型、绿色环保型、安全性分析 4.单自由度抓取机构设计 4.1抓取机构组成 4.2丝杠设计计算 4.3联轴器设计 4.4电动机选型 5.电气控制系统设计 5.1控制系统组成 5.2控制基本原理与选择 5.3硬件端口分配 5.3.1端口分配准备 5.3.3定时器初值计算 5.4电气连接图 5.5程序设计 6.设计小结 7.参考文献 机器人课程设计11设计任务1.1设计任务介绍及意义通过课程设计培养学生综合运用所学知识和技能、提高分析和解决实际问题能力的一个重要环节，专业课程设计是建立在专业基础课和专业方向课的基础上的，是学生根据所学课程进行的工程基本训练，课程设计的目的在于：1、培养学生综合运用所学的基础理论和专业知识，独立计工作，并结合设计或试验研究课题进一步巩固和扩大知识领域。2、培养学生搜集、阅读和综合分析参考资料，运用各种标准和工具书籍以及编写技术文件的能力，提高计算、绘图等基本技能。3、培养学生掌握机电产品设计的一般程序和方法，进行工程师基本素质的训练。4、树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风。1.能够在安全、环境、法律等现实约束条件下，通过技术经济评价对设计方案的可行性进行研究。占该指标点达成度的10%。2.掌握基本的创新方法，具备运用开发工具对机械工程领域的新产品、新工艺、新技术和新设备进行研究、开发和设计的能力。占该指标点达成度的10%。3.能够用图纸、报告或实物等形式，呈现设计成果。占该指标点达成度的20%。4.能够初步运用现代信息技术工具对复杂机械工程问题进行预测与模拟，并了解其局限性。占该指标点达成度的20%。5.具有团队合作和在多学科背景环境中发挥作用的能力，理解个体、团队成员以及负责人的角色。占该指标点达成度的20%。6.能够就复杂工程问题与业界同行或社会公众进行沟通和交流，陈述发言，清晰地表达观点或回应指令。占该指标点达成度的20%。7.具有在多学科环境中应用工程管理和经济决策知识的能力。占该指标点达成度的30%。1.2设计任务明细1、设计内容为机器人(典型机电产品)设计，其主要内容包括：1)机械传动结构和抓取机构设计；2)电气测控系统；设计内容必须包括实现一路速度或位置控制，控制精度要求：位置精度0.05mm(仅限链传动),0.005mm,0.001mm,速度精度±0.5%,±0.05%。课程设计题目：单向移动抓取机器人设计机器人课程设计2(1)电机驱动方式：步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机；(2)机械传动方式：螺旋丝杆、滚珠丝杆、同步皮带、链传动等；(3)电气控制方式：单片微机控制、PLC控制；(4)功能控制要求：位置控制；(5)主要设计参数：单向工作行程——1500、1200、900mm;移动负载质量——10、5kg;移动速度控制——6、9m/min;(1)方案设计：根据课程设计任务的要求，在搜集、归纳、分析资料的基础上，明确系统的主要功能，确定实现系统主要功能的原理方案，并对各种方案进行分析和评价，进行方案(2)总体设计：针对具体的原理方案，通过对动力和总体参数的选择和计算，进行总体设计，最后给出机械系统的控制原理图、装配图A2一张。(3)根据控制功能要求，完成电气控制设计，给处电气控制电路原理图(A3图一张)。(4)课程设计的成果最后集中表现在课程设计说明书和所绘制的设计图纸上，每个学生应独立完成课程设计说明书一份，字数为12000字以上，设计图纸不少于两张。(5)用计算机绘图，打印说明书。(6)设计选题分组进行，每位同学采用不同方案(或参数)独立完成。机器人课程设计32.总体方案设计(1)步进电机步进电机是一种感应电机，它将电脉冲信号转化为角位移或线位移的开环控制电机，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件，应用极为广泛。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机有以下特点：一般步进电机精度为步进角的3-5%,且不累计；步进电机外表允许最高温度具有要求，步进电机温度过高导致电机磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步；步进电机的力矩会随转速升高而下降；步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。(2)伺服电机伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。伺服电机可以按照供电的种类分为直流和交流伺服电动机两大类。(1)螺旋丝杆机器人课程设计4螺旋丝杆传动将回转运动转化成直线运动，或将直线运动转化成直线运动。主要结构有螺螺旋丝杠传动刚性好、具有自锁功能，适用于重载荷，但它效率低、速度低、精度也低。(2)滚珠丝杆滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动理想的产品。滚珠丝杠副有很多优点，主要为传动效率高，约为92%-96%,可消除轴向移动产生的间隙，定位精度高，刚度好，运动平稳，无爬行现象，传动精度高。再次，旋转运动变为直线运动，丝杠与螺母都可作为主动件，磨损小、寿命长。滚珠丝杆与普通的螺旋丝杆不同的是在其主要结构里面增加了钢球这一间接传动部件，通过螺母与钢球的接触，将原来螺旋副的滑动摩擦变成了滚动摩擦，由于滚动摩擦带来的摩擦阻力比滑动摩擦要小的多，因此传动效率提高，而且传动滚动丝杆常用的循环方式有两种：外循环和内循环。滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环；始终与丝杠保持接触的称为内循环。滚珠每一个循环闭路称为列，每个滚珠循环闭路内所含导程数称为圈数。内循环滚珠丝杠副的每个螺母有2列、3列、4列、5列等几种，每列只有一圈；外循环每列有1.5圈、2.5圈和3.5圈等几种。(3)同步带同步带是以钢丝绳或玻璃纤维为强力层，外覆以聚氨酯或氯丁橡胶的环形带，带的内周制成齿状，使其与齿形带轮啮合。同步带传动是由一根内周表面设有等间距齿形的环行带及具有相应吻合的轮所组成。它综同步带结构紧凑，适宜于多轴传动，不需润滑，无污染，因此可在不允许有污染和工作环境较为恶劣的场所下正常工作。同步带传动具有以下特点：传动准确，工作时无滑动，具有恒定的传动比；传动平稳，具有缓冲、减振能力，噪声低；传动效率高，可达0.98,节能效果明显；维护保养方便，不需润滑，维护费用低；速比范围大，一般可达10,线速度可达50m/s,具有较大的功率传递范围，可达几瓦到几百千瓦；可用于长距离传动，中心距可达10m以上。相对于V型带传送，预紧力较小，轴和轴承上所受载荷小。(4)链传动链传动是通过链条将具有特殊齿形的主动链轮的运动和动力传递到具有特殊齿形的从动链轮的一种传动方式。链传动无弹性滑动和打滑现象，平均传动比准确，工作可靠，效率高；传递功率大，过载能力强，相同工况下的传动尺寸小；所需张紧力小，作用于轴上的压力小；能在高温、潮湿、多尘、有污染等恶劣环境中工作。但链传动仅能用于两平行轴间的传动；成本高，易磨损，易伸长，传动平稳性差，运转时会产生附加动载荷、振动、冲击和噪声，不宜机器人课程设计5(1)单片机控制单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的300M的高速单片机。单片机在硬件上具有以下特征：体积小，结构简单；集成度较高，可靠性较好；低电压，低功耗；数据处理能力强，运算能力强，适用于各种控制环境。(2)PLC控制PLC控制系统，可编程逻辑控制器，专为工业生产设计的一种数字运算操作的电子装置，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC控制最早起源于汽车生产流水线的控制，经过几十年的发展已经具有很多产品种类，并发展了很多配套产品。目前PLC控制已成为工业控制的核心。在生产过程中，主要用于以下几个①开关量的逻辑控制PLC控制器取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制。②模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的A/D转换及D/A转换。这样使可编程控制器用于模拟量控制。③运动控制PLC控制器可以用于圆周运动或直线运动的控制。实际上很多电机具有配套的驱动机构，因此利用PLC控制器控制驱动器便可完成运动控制。④过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。用户可以在PLC控制器中根据自己的控制需求编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。比如PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。而且很多PLC控制器内部自带PID控制模块，方便工业现场的闭环控制。⑤数据处理现代PLC控制器具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或机器人课程设计6⑤通信及联网PLC控制器通信含PLC控制器间的通信及PLC控制器与其它智能设备间的通信。随着工业网络化的推进，各种控制器之间的通信显得十分重要，因此各大PLC控制器生产厂商十分重视通信及联网功能，在很多新的CPU型号中都具有通信联网功能，比如新出的西门子1200CPU具由于设计的是单轴传动系统，平台在单轴方向上直线运动，可以采用直线导轨。直线导轨又称线轨、滑轨、线性导轨、线性滑轨，用于直线往复运动场合，且可以承担一定的扭矩，可在高负载的情况下实现高精度的直线运动。直线导轨(linearslider)可分为：滚轮直线导轨，圆柱直线导轨，滚珠直线导轨三种，是用来支撑和引导运动部件，按给定的方向做往复直线运动。按摩擦性质，直线运动导轨可以分为滑动摩擦导轨、滚动摩擦导轨、弹性摩擦导轨、流体摩擦导轨等种类。直线导轨需要与滑块进行协同配合，这样在直线移动过程中能够减小摩擦阻力，提高传动效率。为达到系统的半闭环控制，采用速度反馈与位置反馈的半闭环控制。速度反馈可以采用电机的编码器，编码器可以分绝对式编码器与增量式编码器，绝对式式编码器的起点是固定的，而增量式不是，它的起点可以是变化的，通过相邻时间内编码器转过的角度来得出速度。位置传感器可以采用超声波传感器，红外传感器。虽然原理不同，但是都能测出距离。为处理中心2.2可行性方案比较单轴传动平台可以采用伺服电机或步进电机。步进电机与伺服电机在很多方面特性不相同。在控制精度来说，两相混合式步进电机步距角一般为1.8°、0.9°,五相混合式步进电机步距角一般为0.72°、0.36°。也有一些高性能的步进电机通过细分后步距角更小；对于伺服电机，其控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证，对于带标准2000线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/8000=0.045°,可以看出伺服电机机器人课程设计7精度较高。步进电机在低速时易出现低频振动现象；交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速交流伺服电机为恒力矩输出。步进电机一般不具有过载能力，而对于伺服电机，它具有较强的过载能力。在响应速度上，步进电机加速到正常速度一般需要200-300ms,而伺服电机只需几毫秒，因此，伺服电机的性能是优于步进电机的。因此本传动方案采用交流伺服电机。单轴传动平台采用电机驱动，由电机带动平台直线运动，因此需要一个将回转运动转化为直线运动的传动装置，而丝杆在目前的单轴运动系统中最为常用，比如机床的进给运动，送料机的直线运动，升降机的升降运动。又本系统电机输出轴与丝杆共线，因此采用同方向输出的丝杆有螺旋丝杆和滚珠丝杆。滚珠丝杆相比于螺旋丝杆具有以下几个特点：传动效率高，原因在于在滚珠丝杠中，自由滚动的滚珠将力与运动在丝杠与螺母之间传递。这一传递方式替代了传统的螺纹丝杠副的螺母与丝杠之间直接作用的方式；定位精度高，在运行过程中，丝杆副发热量小；传动可逆性，滚珠丝杠副没有滑动丝杠副的粘滞摩擦，消除了爬行现象的产生。综上，采用滚珠丝杆更好。PLC控制相对于单片机来说外围接口较少，设置连线简单。另外，单片机在编程时采用汇伺服电机。因此，采用PLC控制比较合适。速度传感器采用增量式编码器，原因是增量式编码器价格便宜，而且电机上具有相应的编码器接口。位置传感器采用超声波雷达传感，综合实验也用到了这款传感器，标定简单，比较机器人课程设计8课程设计题目：机电传动单向数控平台设计(1)电机驱动方式：交流伺服电机；(2)机械传动方式：滚珠丝杆；(3)电气控制方式：单片机控制；(4)功能控制要求：位置控制，精度为0.005mm;(5)主要设计参数：单向工作行程——900mm;移动负载质量——10kg;移动速度控制——6m/min;机床工作台机床工作台码器指令脉冲3.机械传动系统设计3.1机械传动装置组成台通过滑块在导轨上直线运动。为提高系统整体的稳定性，可以采用双直线导轨，载物平台通过四个滑块与导轨接触。滚珠丝杆通过联轴器与电动机输出轴进行动力连接，并且两根直线导轨关于丝杆中心对称。电机与联轴器通过普通平键连接，滚珠丝杆与联轴器通过普通平键连接。载物平台与螺母通过螺母支架连接。整体平台传动原理如图所示。导轨导轨螺母’载物平台电机联轴器机器人课程设计93.2主要部件结构计算与设计计算说明结果基本条件：初步估计平台和4个滑块质量为10kg;单向工作行程：900mm;最大移动速度：6m/min(100mm/s);运动加速度：0.4m/s?移动负载质量：10kg,重量10*9.8=98N额定工作时间：每天开机8小时，1年300天，工作十年，额定工作寿命：T,=8×300×10=24000h1.导轨初步选择：直线导轨一共有六种，考虑到这个单轴运动情况，采用直线导轨比较合适，由于载物平台在导轨上反复移动，而且使用时间长达10年，因此采用摩擦阻力小的导轨，六种导轨中，滚动直线导轨由于采用滚动钢球，阻力最小，因此使用它最为合适。计算说明结果①载荷计算：货物放在载物平台上，假设货物质心与平台质心重合，则总质量应该平摊在四个滑块上，每个滑块受力为P,则②额定行程寿命长度T、③基本额定动载荷查阅技术手册，基本额定寿命与动载荷C有如下关系：式中：L—可靠度为90%的寿命，单位为km;fg—硬度系数；fr—温度系数；fc—接触系数；fa—精度系数；fw—负荷系数。L=T、=8640km;Ts=8640km机器人课程设计正常硬度不高于60HRC,fn=1;表6-2温度系数工作温度/℃200^2501工作温度不高于100℃,fr=1;每根导轨上的滑块数12345每根导轨2个滑块，fc=0.81度小于15m/min度为15～60m/minC=562NC₀≥147NMX24-1120有外部冲击或振动的高速运动的场合，速度大于60m/min无明显冲击且速度小于15m/min,fw=1.52～3.5精度等级2345取五级精度，fa=0.9可得基本额定动载荷C④基本额定静载荷C₀式中P₀为滚动部件在垂直于运动方向所受的最大静载荷；S₀为静载荷安全系数。S₀依据手册取1.5。(普通载荷，变形小)P₀=0.5×(mo+m)×g=0.5×(10+10)×9.8=98N;C₀≥P₀×S₀=98×1.5=147N⑤导轨选择根据基本额定动载荷与基本额定静载荷，选择MiSUMi品牌的导轨，μ=0.003~0.005。润滑方式为润滑油浸渍块润滑。在不涂润滑脂的情况下也能行走超过30000km。这款导轨具有良好的性能。为保证滑块两端有一定的工作余量，导轨的长度应该包括这个余量，余量为1120-900=220mm因此移动工作台的尺寸为220*280mm。两条导轨安装距离初步定为220mm。 机器人课程设计2-S×E2-S×EH@dGL尺寸指定型的G尺寸与下表不同。评细南参院题R37。2-SWi标准滑块型①有关油嘴安装位置参国右页滑狭加宽型UW2指定中的规格/尺寸信息轨道种类套件/单件材质公称型号润滑种类基本额定动载荷(N)L尺寸型RoHS标准导轨套件碳素弱润滑油漫渍块5000定尺寸滑块形状滑块数量精度现档滚珠排列固定器填动体基本额定静载荷(N)润滑种类种类[标准]标准2普通圾中·重载荷型无演珠8230润滑装置标准入计算说明结果工件与工作台的最大重量：w=mo+m=20kg;考虑额外负载移动阻力：F₀=30N;单向行程1=900mm;最大移动速度：v=6m/min(100mm/s);额定寿命：T,=24000h;定位精度：0.005mm直线导轨动摩擦系数：f=0.005滚珠丝杆有磨制和轧制，虽然磨制的精度更高，但是成本也较高，轧制机器人课程设计式和外循环式，外循环式价格便宜，适合使用。(1)初选导程P;由机械手册得知最小导程Pa需满足该公式：式中Ng为电机额定转速，i为传动比，由于电机通过与联轴器与丝杠连接，传动比i=1。初步估计电机转速为1000r/min。代入得：为留好充分余量，采用Pg=10mm。(2)计算轴向负载查阅手册，轴向平均负载计算公式如下：时间过小，因此这个公式不太适合计算。可以采用另外一个公式计算：Fm=KF+f(Fy+Fc+G)其中，F、Fv、Fc分别为工作台进给方向载荷、垂直方向载荷和横向载荷；G为移动部件的重力；K和f分别为考虑颠覆力矩影响的试验参数和导轨的摩擦系数，取K=1.2,f=0.005。Fm=1.2×30+0.005×20×10=37N(3)根据寿命条件计算额定动载荷C动载荷计算公式为Ca=VLfmF其中，L为丝杆的寿命系数，单位为1×10⁶转，L=60nT/10⁶T为使用寿命时间，本设计中取T=24000h机器人课程设计fm为载荷系数，取fm=1.1型号：BSS2010螺纹轴外径(φ)导程(mm)法兰形状支撑侧轴端形状驱动侧轴端形状2加工形状螺母结构螺旋方向循环数(列×卷)其本额定动载荷(N)预压螺母尺寸RoHS方形扣环槽外螺纹单村型右1×2.5无预压标准种类精度等级轴端种类驱动侧轴端形状1台阶数螺母种类循环方式使用条件螺纹轴全长L(mm)基本额定静载荷(N)润滑脂种类轴向问隙精密轴端形状米思米推荐型三台阶标准螺母插管式标准250~150025100标准0.005以下心生：照型来BSS·BSSE2010心生：照型来8XC0.5C0.5C05C0.5C0.5C05C0.5M15×1.0M15×1.0Y(螺幅活动范型)LM6×1.000油孔M6×1.000油孔③4-中66通孔φ11沉孔深度6.5X一X向视图表7.5支承系数m(单位：Vmm²m丝杠轴支承情况m两端固定40×10⁴两端不完全固定两端铰支丝杆采用两端固定，所以m取40*10000,代入得F=24702N;(6)临界转速校核ncr一般滚动轴承比滑动轴承更能适应高速转动。同样，滚珠丝杠传动比滑动螺旋传动更适合于在高速下工作。滚珠丝杠传动在高速下工作，与滚珠轴承类似，也应当有高速界限，以防止发生共振现象。丝杠发生共振时的转速=6780r/min表7.6支承结构系数X式.适用场合中离高精度典凝议文中逸一般场合-最风定，另一端自由中小载荷低速更宜乘有安装两国周定5高速高精度高测度证，夏于”不促伞阳定”美表，可针丹自表中阳样复承结构形式之内考康K₉—支撑结构系数，安装滚珠丝杠使采用两端都固定的方式，故Ks=5;E—材料的纵向弹性模量，钢制丝杠的弹性模量E=2.1×10⁵N/mm²;p—密度，钢的密度p=7.8×10-6kg/mm³;电机工作转速小于0.8倍的ner,满足临界转速条件。(7)强度校核A、计算传动转矩Tncr=6780r/minnmaxFm为轴向工作载荷；do为丝杠中径；λ为螺旋导程角；φr为当量摩擦角。当量摩擦角：滚珠丝杠的摩擦系数一般为0.0025-0.0035;这里取摩擦系数为0.003,φr=tan-1(0.003)=0.172°满足临界转速T强度符合要求B、计算当量应力oC、强度条件σ<100Mp,故滚珠丝杠的强度符合要求。(10)刚度校核轴向总变形量包括以下三个方面：轴向载荷产生的变形，转矩产生的变形，滚珠与螺旋滚道间产生的变形。a)轴向载荷F产生的变形量δ₁F—丝杠的工作载荷，取F=Fm=37NE—丝杠材料的弹性模量钢材的弹性模量E=2.07×105Mpad₂一丝杠的底径；d₂=16mmb)转矩T产生的变形量δ₂G—丝杠材料的切变模量，钢材的G=8.3×104;c)总轴向变形量δd)单位长度变形量在本设计中，取精度等级为7级，[△]=3.0×10~5mm/m机器人课程设计故可知三、确根据前移动载帽支架<<滚珠丝△<[△],螺杆刚度合格。认型号面的校核计算，选择米思米的滚珠丝杆，型号为：BSS2510-1120。物平台与螺母通过螺帽支架连接。米思米的该款滚珠丝杆有配套的螺。选用BNFM2510S-40。δ刚度合格滚珠丝杆：BSS2010-螺帽支架：BNFM2010S滚珠丝杆支座组件：H±0.1H±0.19m2中SET品杆支座组件也选择配套产品，选用型号为：C-BSWSET品固定侧支持侧3.2.4轴承设计丝杆采用的是两端固定的形式，采用的是米思米的配套支座组件，查阅零件资料，在C-BSW15里面有一对反装的标准角接触球轴承，角接触球轴承可以抵抗轴向载荷与径向载荷。采用一对反装的轴承，也可以抵消工作平台在往返过程中所产生的两个方向的轴向力。查阅手速时最大轴向负载37N。二、轴承校核机器人课程设计计算说明结果1.外部轴向载荷E。=37N2.外部径向载荷主要来自丝杆的重力d—滚珠丝杆的公称直径，d=20mml—滚珠丝杆的长度，l=1068mmp一丝杆材料密度，材料是钢，钢的密度p=7.8×10³kg/m考虑到还有螺帽和平台等一部分质量，加大径向载荷取Fr₁=Fr₂=70N3.派生轴向力F=F=0.68F=47.6N4.轴向力计算Fa₁=Fa₂+Fae=84.6N5.当量动载荷当量动载荷P₁=0.41F+0.87F=102.3N当量动载荷Pr₂=F₁=70N6.寿命计算ft—温度系数，工作温度≤120℃,故ft=1;fp—载荷系数，工况是不受冲击，故fp=1.0;³³机器人课程设计n—工作转速，电动机最大转速为600r/min;代入得：轴承寿命合格联轴器用来连接电动机与丝杆，传递动力与扭矩。联轴器主要分刚性联轴器与挠性联轴器。一般来说，丝杆与电动机输出轴是采用直联的方式，因此应该采用无间隙的弹性联轴器。弹性联轴器在连接电动机与丝杆时有以下特点：(1)无间隙：在传动过程中无间隙，无论是正向间隙还是回程间隙；(2)高刚性：不会出现传动的迟滞性；(3)低惯量：既保证了传动强度，也降低了联轴器转动惯量。计算说明结果计算条件：丝杆需要的转矩T=44N·mm;丝杆与联轴器连接处直径为12mm;初步选择电机为正一电机60ST-M00630,输出轴直径为8mm计算载荷K₄—工作情况系数，工况良好，K₄=1.3T—公称转矩，T=44mm选择联轴器型号：根据两端直径，选用HUAZHENLM30-8-12的联轴器。惯性力矩为7.2×10~6kg·m²。HUAZHENLM30-电动机选型时应该具备以下原则：a)相对于施加在马达输出轴上的负载扭矩应有余量。b)相对于施加在马达输出轴上的惯性矩应能够以所需的脉冲速度进行启动与停止。c)相对于施加在马达输出轴上的惯性矩应能够达到所需的加速、减速时间常数。计算说明结果计算条件：滚珠丝杠传递的转矩：T=0.044N·m;丝杠转速：n=0～600r/min;联轴器的转动惯量：J=7.2×10-6kg·m²机器人课程设计1.计算等效转动惯量换算到电动机轴上的转动惯量：J=Js+J₁=1.328×10-4kg·2.计算等效负载转矩丝杆最大速度600r/min;电机由于加减速运转所产生的惯性转矩α—滚珠丝杠轴每分钟转过的角度等效负载转矩根据等负载转矩，选正一电机40ST-M00130的伺服电机，额定转矩为0.16N·m;额定转速为3000rpm。查阅官方手册，在转速为600r/min时，电机输出的转矩还是驱动器采用其适配的MCDLN35NE,该款驱动器可以实现半闭环J正一电机40ST-M001303.2.7可靠性、经济型、绿色环保型、安全性分析导轨采用了SV2R-MX-24-1120型号的滚动导轨，摩擦因数小，摩擦发热少、磨损小，因此该型号导轨有较长的使用寿命，经济型好；通过资料得知型号的导轨基本额定静载荷5000N,机器人课程设计基本额定动载荷8230N,计算得出都远大于导轨的实际载荷，而且均通过强度，刚度校核，稳定性校核，安全性能保证；另外，由于摩擦阻力很小，而且该款导轨运行30000小时不用额外润滑，传动精度比较高，因此既节省了润滑成本，又保证了可靠度。传动方式采用滚珠丝杆，型号为BSS2010-1068,因为滚珠的作用，运动过程中，滑动摩擦变为滚动摩擦，因此提高了传动系统的传动效率。能够以较小的力推动大负载，滚珠丝杠的使用寿命也变长了，经济型也提高了。另外摩擦阻力的降低，导致其在运行过程中，发热少，噪声低，绿色环保得到保证。基本额定静载荷7900N,基本额定动载荷4400N,两者都大于平台传动系统的实际载荷，可靠性和安全性都有保证。而且采用的是滚珠直线导轨，摩擦力进一步降低，大大减小了系统运行过程的能耗。WQ-C34L32-8-12联轴器是一款高刚性的膜片联轴器，其中的弹性元件可以补偿两轴之间的相对位移。传动时不会出现迟滞性，可靠性较高。而且弹性联轴器在传动中没有间隙，不论正向或回程，这对于经常往返的系统比较重要，保证了传动精度，节省了额外的调整，经济型较高。这款联轴器可以传递的力矩较大，安全有保障。直流伺服电机选用正一电机40ST-M00130。可靠性有保障。这款电机属于A6家族，体积更小，重量轻，输出功率更大，经济性较高。而且电机的转速转矩特性可使用区域较大，可靠性更好，电机可搭载编码器反馈精度。电机内有带油封，防尘性与耐热性得到了提高，安全，绿色环保有保证。搭配配套的伺服驱动器，控制配置更简单，节省人力物力，方便现场调试。这款伺服驱动器是通用型伺服驱动器，可以做到半闭环控制，有三种控制模式可供选择，分别而且驱动器配备了丰富的借口，有较强的拓展性。在选择传动元件时，尽量采取了一家公司的产品，能够满足跟高的精度，协调型也更好，为装配节省时间，也便于日后的保养维修。4.单自由度抓取机构设计抓取机构是用于抓取物料，实现物料的移动的执行机构。本次设计采用自锁式抓取机构，利用平行四连杆机构保证抓取动作平稳，螺纹丝杠与直流电机连接，通过丝杠螺母的移动，牵引平行四连杆机构实现物料抓取。螺纹丝杆具有自锁性，即使采用不具有力矩保持性的电机，也可以防止物料在抓取过程中出现滑落的现象。机器人课程设计图4.1抓取机构图F3F3丝杠螺母运动到最低端时间不超过2s;加速度0.4m/s²;抓手的材质为低碳钢，抓取棒材的材质也为低碳钢，查相关文献可得在干摩擦情况下，抓手与棒材之间的摩擦系数为0.74。已知棒材重量为10kg,则抓手提供的抓取力,为保证可靠性，取F=70N。图4.2抓手末端受力图以力F³、F₄所在的杆为Y轴，垂直方向为X轴建立坐标系，设F?与X轴之间的夹角为θ,设F与X轴之间的夹角为α。F与F₇之间的关系为F·cosθ=F·cosa。抓取过程中θ不断变大，α不断变小，取极限情况：α=0°,θ=60°。所以Fmax=140N则作用在丝杠上的横向载荷为F=2Frmax·sinθ=242.5N机器人课程设计其中，L为丝杆的寿命系数，单位为1×106转，L=60nT/106T为使用寿命时间，本设计中取T=24000h得L=60×600×24000/10⁶=864fn为载荷系数，取fn=1.1计算可得动载荷为(1)螺纹中径d₂(mm)F为轴向载荷，Pp为螺纹副许用压强，螺纹副的材料取耐磨铸铁，得Pp=φ为螺母长度L与螺杆中径d₂的比值，选整体性螺母，故φ=1.5故(2)公称直径d与螺距P根据上式计算出的d₂按螺纹的标准基本尺寸系列选取相应的d和P,经查表可以选出：公称直径d=16mm;螺距P=4mm,取d₂=d-0.5×P=材料选择：梯形丝杆材料选用45钢调质，传动螺母采用较软材料且耐磨，选用ZQSn10-1(3)导程S选取线数Z=1,因为螺距P=4mm,故导程(4)螺母高度HH=φ×d₂=1.5×14=21mm(5)旋合圈数m(6)螺纹的工作高度hh=0.5×P=0.5×4=2mm(7)工作压强p故校核合格梯形丝杆材料质，传动螺母采用较软材料且耐磨,选用机器人课程设计(1)螺旋升角λ(2)当量摩擦角φγ通过查表，滑动摩擦系数(定期润滑):f=0.12牙型角α=30故λ<φr,满足自锁条件(1)螺杆传动的转矩TT=0.5Fd₂tan(λ+φr)=0.5×242.5×14×tan(5.2+7.06=368.9N·mm(2)当量应力o故(3)强度条件螺杆材料为：45钢调质，查表得：材料的屈服极限为os=167~355MPa,选300MPa;则螺杆的许用应力：故σ<[o](1)螺纹牙底宽度b因为是梯形螺纹，故(2)螺杆和螺母的抗剪强度螺杆剪切应力为：螺母剪切应力为λ<φr,满足自锁条件故σ<[o]螺杆强度检验合格机器人课程设计螺杆许用剪切应力为：T]=0.6[σ]=0.6×75=45MPa螺母许用剪切应力[r]=40MPa可见t<[t],校核通过。(3)螺杆和螺母的抗弯强度螺杆的弯曲应力：螺母的弯曲应力：螺杆许用弯曲应力[o₀]=1.2[σ]=1.2×75=90MPa螺母许用弯曲应力[op]=50MPa可见σp<[on],校核通过。综上所述，螺纹牙强度足够。(1)轴向载荷使导程产生的变形δp(2)转矩使导程产生的变形δ?螺杆材料的剪切模量：G=8.3×104(3)导程的总变形量δδ=δp±δr,轴向载荷与运动方向相反时取正号。则(4)单位长度变形量△在本设计中，取精度等级为7级，故可知△<[△],螺杆刚度合格。σp<[op],校核通过，螺纹牙强度足够。故可知△<[△],联轴器用来连接电动机与丝杆，传递动力与扭矩。一般来说，丝杆与电动机输出轴是采用直联的方式，因此应该采用无间隙的弹性联轴器。弹性机器人课程设计联轴器在连接电动机与丝杆时有以下特点：(4)无间隙：在传动过程中无间隙，无论是正向间隙还是回程间隙；(5)高刚性：不会出现传动的迟滞性；(6)低惯量：既保证了传动强度，也降低了联轴器转动惯量。计算说明结果计算条件：丝杆需要的转矩T=368.9N·mm;丝杆与联轴器连接处直径为8mm;初步选择电机为ASLONGJGB-37-3530,输出轴直径为计算载荷K₄—工作情况系数，工况良好，K₄=1.3;选择联轴器型号：根据两端直径，选用HUAZHENLM30-6-8的联轴器。惯性力矩为1.8×10-6kg·m²。HUAZHENLM30-4.4电动机选型d)相对于施加在马达输出轴上的负载扭矩应有余量。e)相对于施加在马达输出轴上的惯性矩应能够以所需的脉冲速度进行启动与停止。f)相对于施加在马达输出轴上的惯性矩应能够达到所需的加速、减速时间常数。计算说明结果计算条件：滚珠丝杠传递的转矩：T=0.480N·m;丝杠转速：n=300r/min;联轴器的转动惯量：J=1.8×10-6kg·m²1.计算等效转动惯量滚珠丝杆转动惯量：(p为7.8×10³kg/m³)换算到电动机轴上的转动惯量：J=Js+J=4.45×10~6kg·m²2.计算等效负载转矩最大速度v=1.2m/min(0.02m/s),加速度0.4m/s²;丝杆速度300r/min:加速时间△t=0.05sJ=4.45×10-6kg机器人课程设计电机由于加减速运转所产生的惯性转矩α—滚珠丝杠轴每分钟转过的角度；等效负载转矩T₂=T+T微=0.483N·m3.电机选型根据等负载转矩，选择直流减速电机ASLONGJGB37-3530GB,额定转矩为0.6N·m;额定转速为333rpm。Tz=0.483N·m5.电气控制系统设计控制系统包括单片机控制器，采用意法半导体公司的STC89C52,这款控制器功能强大，使用广泛，具有8位的80C51微处理器，片内4KB程序存储器，4个8位并行I/O口，具有5机通信，还可增加模拟量输入输出拓展口。传动平台伺服电机驱动器为拓达伺服的TSDA-C11A,这款驱动器可以达到半闭环控制，输入电源为直流18-60V,转速精度达到±2RPM,跟踪误差±1pulse,组态显示控制器采用深圳昆仑的MCGS控制面板。传感器是自带的编码器，与超声波雷达位置传感器。传动系统控制基本原理图如下：机器人课程设计STCSTC89C52最小系统程开关伺服电机直流电机编码器图5.1控制系统框图5.2控制基本原理与选择传动平台的直流伺服电机有三种控制方式，一个是转矩控制，通过外部的模拟量输入来控制电机输出转矩的大小，比如224xp模拟量输出0-10V的电压，就可以用来控制转矩的大小；二是位置控制，位置控制通过外部输入脉冲频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，当然也可以通过通讯方式直接对位移赋值，本次设计中，可以通过位置传感器传来的位置实时与指定位置比较，直接控制电机控制信号的输出，达到位置的半闭环控制；三是速度控制，可以通过模拟量的输入或脉冲的频率，通过改变单片机脉冲输出的频率达到调速的目的。本次设计采用在位置控制模式下采用脉冲加方向的形式来控制电动机的运动。抓取机构的直流减速电机，由于抓取机构运动控制简单，不采用闭环控制，直接由单片机输出控制信号，通过L298N驱动板驱动电机转动，实现棒材的抓取。5.3硬件端口分配通信电子齿轮(逆变换)位置指令生成处理源波器上位NP/INP2处理RTEX图5.2基本连接原理图位置控制精度要求为0.005mm,而且丝杆导程为10mm,需要设定电机每旋转一圈脉冲发生数，脉冲每圈发生数为10/0.005=2000。驱动器设定为位置控制模式，参数设定：Pr0.08=2000每旋转一圈指令脉冲2000个。2.P1.3、P1.4伺服电机控制信号，其中P1.6为脉冲信号，P1.7为方向控制信号；3.P2.1、P2.2为传动平台行程开关输入信号；4.P2.3、P2.4为抓取机构抓取状态判断传感器信号输入；5.P2.5为光电信号输入；5.3.3定时器初值计算传动平台的传动速度为6m/min,电机的伺服电机的转速为10r/s,电机转一圈需要2000个脉冲，所以1S钟内单片机需要输出20000个脉冲，频率为20KHZ,S=50us。单片机工作频率为12MHZ,机器周期为lus,采用定时器0中断产生脉冲，定时器定时25us,定时器计数初值为X=65536-25=65511=FFE7.所以定时器THO=0xff;TLO=0xe7。A2机器人课程设计流程图如下：typedefunsignedintul6;typedefunsignedcharu8;typedeflongintu32;开始开始直流电机停止运动，伺服电机反转靖行是一图5.4程序流程图sbitkstart=P1^7;//定义按键kstart为启动按键sbitkpause=P3~2;//定义按键kpause为暂停按键sbitpulseout=P1^6;//定义P16口是脉冲输出sbitdirectionout=P1^6;//定义P16口是方向输出sbitmotorl=P1^1;