【正文】 課題的來(lái)源、目的與意義 本課題來(lái)源于生產(chǎn)社會(huì)實(shí)踐。 位于日本京都的 Activelink 公司正在開發(fā)這個(gè)雙臂“力量強(qiáng)化”的機(jī)器人 ,該公司歸日本電子巨頭松下公司所有 ,并提供資助。這個(gè)缺點(diǎn)限制 了它的運(yùn)用。在實(shí)驗(yàn)里 ,這一技術(shù)已經(jīng)在猴子身上得到應(yīng)驗(yàn)。 (2)腕部 :又稱手腕 ,是連接手部和臂部的部件 ,其作用是調(diào)整或改變手部的工作方位。 圖 22 各部分關(guān)系圖 工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)分析 設(shè)計(jì)要求 綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí) ,搜集有關(guān)資料獨(dú)立完成三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)和驅(qū)動(dòng)單元的設(shè)計(jì)工作。末端夾持器則采用內(nèi)撐連桿杠桿式夾持器 ,用小型液壓缸驅(qū)動(dòng)夾緊 。根據(jù)運(yùn)動(dòng)行程范圍和坐標(biāo)形式就可確定機(jī)器人的工作范圍。 本課題設(shè)計(jì)中我采用的是三自由度圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手 ,其中機(jī)械手的基座、大臂、手臂與末端執(zhí)行器分別通過伺服電機(jī)、液壓缸與單片機(jī)控制。 圖 31 工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 (1)工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)自由度 所謂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)自由度是指確定一個(gè)機(jī)器人操作位置時(shí)所需要的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)目 ,它是表示機(jī)器人動(dòng)作靈活程度的參數(shù)。 工業(yè)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是用來(lái)抓持工件或工具的部件。 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 采用連桿杠桿式夾持器 ,用小型液壓缸驅(qū)動(dòng)夾緊 ,它的結(jié)構(gòu)形式如圖24。 由《機(jī)械制造裝備》式 460 可知驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算公式為 : (32) 為斜面傾角 ,為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率 ,這里為平摩擦傳動(dòng)。 工件與彈簧片間的力由上節(jié)可知 N20N。它的結(jié)構(gòu)如下圖。 根據(jù)公式 ,求得單圈滾珠數(shù) Z12,該型號(hào)絲杠為單螺母 ,滾珠的圈數(shù) X列數(shù)為 *2,代入 60,求得滾珠與螺紋滾到間的接觸變形量 mm,因?yàn)榻z杠加有預(yù)緊力 ,且取 mm,所以 ,其中絲杠的有效行程為 100mm,由《系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3?27 知 ,滾珠絲杠的有效行程在 315mm 時(shí) ,行程偏差允許達(dá)到 6,可見絲杠剛度足夠 [7]。采用了雙導(dǎo)柱導(dǎo)向 ,以防止手臂在滾珠絲杠上轉(zhuǎn)動(dòng) ,確保手臂隨機(jī)座一起轉(zhuǎn)動(dòng)。 (5)大臂上下運(yùn)動(dòng)下伺服電機(jī)和減速器的選型與校核 TRK?5B?100 減速伺服電機(jī) (輸入轉(zhuǎn)速為 3000r/min,減速比為 5)。 所以 ,本設(shè)計(jì)中機(jī)械手機(jī)體的旋轉(zhuǎn)所需要的轉(zhuǎn)矩小于 TRA?180 二段式減速伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩。 (3)本設(shè)計(jì)中 ,在機(jī)械手的機(jī)體方面旋轉(zhuǎn) ,我采用一組 RB20200C 型號(hào)的交叉滾子軸承來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手機(jī)體的旋轉(zhuǎn)。 機(jī)械手單片機(jī)控制方案 控制系統(tǒng)的工作原理及控制要求 控制對(duì)象為圓柱座標(biāo)機(jī)械手。兩者之間采用光電耦合器連接 ,是為了分開通 電 ,減少干擾 [14], [15]。單片機(jī) P0口輸出控制信號(hào) ,使 X軸伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn) ,手臂開始伸出 ,至編碼器反饋信號(hào)告知驅(qū)動(dòng)器到達(dá)預(yù)定位置。單片機(jī) P0 口輸出控制信號(hào) ,使 Y 軸伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn) ,大臂上升 ,至編碼器反饋信號(hào)告知驅(qū)動(dòng)器到達(dá)預(yù)定位置。單片機(jī) P0 口輸出控制信號(hào) ,使 Y 軸伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn) ,大臂上升 ,至編碼器反饋信號(hào)告知驅(qū)動(dòng)器到達(dá)預(yù)定位置。 當(dāng)按下機(jī)械手啟動(dòng)按鈕之后 ,首先單片機(jī) P0 口輸出脈沖使底座伺服電機(jī)得到控制信號(hào)旋轉(zhuǎn) ,機(jī)械手右轉(zhuǎn) ,至右限位開關(guān)動(dòng)作。繼電器斷開 ,手爪電磁閥不通電 ,液壓缸出油。 (1)接口采用分差輸入方式 ,抗干擾能力強(qiáng) ,可靠性高。 電源電路 單片機(jī)的電源電路設(shè)計(jì)如圖 46 所示。該引腳內(nèi)部是 1 個(gè)反相放大器的輸入端。 圖 49 機(jī)械手接線原理圖 其中光耦在機(jī)械手接線圖中起到了分開供電減少干擾的作用。 圖 413 基座左右旋轉(zhuǎn)子程序 (4)控制機(jī)械手手爪的夾緊與放松中 , 為機(jī)械手手爪夾緊輸入端 , 為機(jī)械手手爪放松輸入端 , 為機(jī)械手手爪輸出端 ,機(jī)械手手爪子程序流程如圖 414 所示。使我也了解了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外在此方面的一些先進(jìn)生產(chǎn)和制造技術(shù) ,了解了機(jī)械手設(shè)計(jì)的一般過程 ,通過對(duì)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作了系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ,掌握了一定的機(jī)械設(shè)計(jì)方面的基礎(chǔ) ,也學(xué)會(huì)了使用 ug 軟件創(chuàng)建模型 ,并使用單片機(jī)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行簡(jiǎn)單的控制。在驅(qū)動(dòng)負(fù)載的情況下 ,要求機(jī)器人的伺服電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大 ,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。 (3)機(jī)械手伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)歸納如下 : 。 經(jīng)過本次設(shè)計(jì) ,我切實(shí)體會(huì)到作為一個(gè)優(yōu)秀的設(shè)計(jì)人員的艱難性。機(jī)械手控制中 為機(jī)械手小臂收縮輸入端 , 為機(jī)械手小臂伸出輸入端 , 分別為機(jī)械手小臂伸縮輸出端。 圖 48 復(fù)位電路 我所采用的復(fù)位電路為按鍵電平復(fù)位電路。對(duì)外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求 ,但電容的大小會(huì)影響振蕩器頻率的高低 ,振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。 (5)跟蹤誤差最大 +/128 個(gè)計(jì)數(shù)值。 圖 44 工作流程 在這三個(gè)方案中 ,我選擇第一種方案 ,以相對(duì)后面兩種方案第一種方案動(dòng)作順序比較安全 [16]。單片機(jī) P0 口輸出控制信號(hào) ,使 X 軸伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn) ,手臂開始收縮 ,至編碼器反饋信號(hào)告知 驅(qū)動(dòng)器到達(dá)預(yù)定位置。手爪放松 ,至限位開關(guān)動(dòng)作。單片機(jī) P0 口輸出脈沖使底座伺服電機(jī)得到控制信號(hào)旋轉(zhuǎn) ,機(jī)械手右轉(zhuǎn) ,至右限位開關(guān)動(dòng)作。單片機(jī) P0 口輸出脈沖使底座伺服電機(jī)得到控制信號(hào)旋轉(zhuǎn) ,機(jī)械手左轉(zhuǎn) ,至左限位開關(guān)動(dòng)作。 按下起動(dòng)按鈕 ,機(jī)械手從原點(diǎn)開始 ,按工序自動(dòng)反復(fù)連續(xù)工作 ,直到按下停止按鈕 ,機(jī)械手在完成最后一個(gè)周期的動(dòng)作后 ,返回原點(diǎn)自動(dòng)停機(jī)。另外 ,其末端執(zhí)行裝置還可完成抓、放 (開合 )功能。通過選擇所用錐環(huán)的對(duì)數(shù) ,可傳遞不同大小的轉(zhuǎn)矩。因此絲杠上的軸承是一端安裝單向推力軸承與深溝球軸承的組合 ,另一端懸空呈自由狀態(tài)。 所以 機(jī)械大臂所需要的轉(zhuǎn)矩小于 TRK?5B?100 減速伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩 ,即 。由公式 (315)得 式中 : 屈曲載荷 : 安全系數(shù) () 說明容 許軸向負(fù)載充分滿足使用條件 (3)剛度的計(jì)算 機(jī)械手臂部的絲杠支撐方式采用固定 ?自由的方式 ,其中中心距為a644mm,滾珠直徑 ,絲杠底徑 ,絲杠截面積 S。為工作臺(tái)質(zhì)量 (kg)。 (1)滾珠絲杠的選擇 根據(jù)電機(jī)以及末端執(zhí)行機(jī)構(gòu) ,擬使用如下條件 : 負(fù)載重量 W4KG 最大行程 S120mm 快速進(jìn)給速度 V100mm/s 加減速時(shí)間常數(shù) 預(yù) 期壽命 Lh30000h 直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)程摩擦系數(shù) 根據(jù)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速與快速進(jìn)給速度 (34) 各動(dòng)作模式下的軸向負(fù)載的計(jì)算 (a)加速時(shí)加速度 ,軸向負(fù)載分別為 (35) (36) (b)勻速時(shí)軸向負(fù)載為 (37) (c)減速時(shí)軸向負(fù)載為 (38) 由上述計(jì)算結(jié)果可知 : 各動(dòng)作模式 1 次循環(huán)所需的時(shí)間 (s)由表 35 所以 表 35 循環(huán)時(shí)間 動(dòng)作模式 A B C 共需時(shí)間 所需時(shí)間 2 螺距為 10 的負(fù)載條件由表 36 所示 表 36 負(fù)載條件 動(dòng)作模式 A B C 軸向負(fù)載 (N) 轉(zhuǎn)速 300 600 300 所需時(shí)間比例 15% 70% 15% 根據(jù)負(fù)載條件計(jì)算軸向平均負(fù)載 Pm 與平均轉(zhuǎn)速 Nm (39) (310) (d)計(jì)算所需基本動(dòng)態(tài)額定負(fù)載 C 根據(jù)預(yù)期壽命 ,扣除停止時(shí)間后的凈運(yùn)行使用壽命 ,預(yù)計(jì)夾緊 1s 上下運(yùn)動(dòng) 5s (311) 將運(yùn)行系數(shù)帶入公式中得 (312) 因此選擇 BSBR2510 絲杠 (2)滾珠絲杠容許屈曲載荷 研討絲杠軸全場(chǎng) L 與危險(xiǎn)速度 Nc 屈曲載荷 Pk L 最大行程 +螺母長(zhǎng)度 +余量 +末端尺寸 L 100+94+118+40350mm 下面就屈曲載荷進(jìn)行討論 ,設(shè)負(fù)載作用點(diǎn)間距 (313) 式中 : ??開始引起壓曲的負(fù)載 ??負(fù)載作用點(diǎn)間距 E??楊氏模量 I??絲杠軸最小慣性矩 (314) n??由絲杠的支撐方法決定的系數(shù) 單推 ?單推 n1 雙推 ?簡(jiǎn)支 n2 雙推 ?雙推 n4 雙推 ?自由 選用 因?yàn)楣潭??自由適用于低轉(zhuǎn)速 ,中精度 ,短軸向行型的絲杠。減少運(yùn)動(dòng)的動(dòng)載荷與沖擊 ,提高手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度。由《液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)》可查得 :~, 由式 (33)計(jì)算得 : 由以上計(jì)算可知 液壓缸能產(chǎn)生的推力 F565N 遠(yuǎn)大于夾緊工件所需的推力