【文章內(nèi)容簡介】 T 關(guān)節(jié) 610/s。 圖 MOTOMANVA1400 美國 iRobot 公司研制了 PackBot 系列 反狙擊 機(jī)器人 。 圖 PackBot 反狙擊機(jī)器人 Packbot 反狙擊機(jī)器人是根據(jù)部分反恐專家提議 , 在美國軍方授意下 , 由 iROBOT 公司為駐伊美軍量身打造的。從外形來看 , 該機(jī)器人體形小巧 , 長 米 , 寬 米 , 高 米 , 重僅 18 千克 , 在行軍中士兵可以把它******大學(xué)本科生畢業(yè)論文 6 輕松地背在背上。美國軍方已準(zhǔn)備將其納入美軍新型單兵標(biāo)準(zhǔn)裝備 ― 模塊化輕型攜行裝備 (MOLLE)‖ 中。 本課題的主要研究內(nèi)容 論文主要對二維度運(yùn)動控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，主要研究內(nèi)容為： （ 1）根據(jù)控制要求選擇合適的電機(jī)，了解其運(yùn)動特性； （ 2）通過數(shù)據(jù)手冊深入學(xué)習(xí)電機(jī)驅(qū)動方式和控制方式，并為為電機(jī)設(shè)計、選用合適的驅(qū)動器； （ 3）選擇主控模塊，進(jìn)行運(yùn)動控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計； （ 4）實(shí)現(xiàn)一個兩軸機(jī)械臂運(yùn)動控制。 本文各章節(jié)安排如下： 第 1 章 ―緒論 ‖，概述了課題研究背景及意義，闡明了運(yùn)動控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀，并介紹了論文的主要內(nèi)容。 第 2 章 ―系統(tǒng)整體設(shè)計 ‖，本章先簡介運(yùn)動控制系統(tǒng)，然后重點(diǎn)介紹二維度運(yùn)動控制系統(tǒng)機(jī)械部分的設(shè)計與選型，電機(jī)的選型及其負(fù)載的計算、匹配等。 第 3 章 ―硬件電路設(shè)計 ‖，本章給出以 AVR 單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)硬件電路，主要介紹二維度運(yùn)動控制系統(tǒng)控制電路的設(shè)計 ，并詳細(xì)介紹各個電路模塊，如鍵盤模塊，顯示模塊等。重點(diǎn)介紹了步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)驅(qū)動的電路設(shè)計與各驅(qū)動電路的對比和選擇，為達(dá)到目標(biāo)控制精度打下基礎(chǔ)，并給出系統(tǒng)電路圖和 PCB 圖 。 第 4 章 ―軟件設(shè)計 ‖，在硬件的基礎(chǔ)上，主要介紹二維度運(yùn)動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計的總體思路與軟件實(shí)現(xiàn)的流程圖。 第 5 章 ―系統(tǒng)調(diào)試 ‖，介紹了 PWM 的原理和系統(tǒng)調(diào)試 相關(guān)問題 ， 并 給出了本課題的研究總結(jié)，指出有待改進(jìn)之處，并提出后續(xù)工作的研究展望。 ******大學(xué)本科生畢業(yè)論文 7 第 2 章 系統(tǒng)總體設(shè)計 運(yùn)動控制的基本概 念 “ 運(yùn)動控制 ” 是近十年來國際上流行的一種新的技術(shù)，通常是指在復(fù)雜的條件下，將預(yù)定的控制方案、規(guī)劃指令轉(zhuǎn)變成期望的機(jī)械運(yùn)動 [7]。按照國際運(yùn)動控制工程師協(xié)會的定義 ： ―運(yùn)動控制是指應(yīng)用一個可控制的力的作用實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)有效運(yùn)動的技術(shù)，這個機(jī)電系統(tǒng)可以是以電氣、液壓、氣動或其他形式驅(qū)動的。 ‖ 課題技術(shù)指標(biāo) 本二維度運(yùn)動控制系統(tǒng)主要技術(shù) 指標(biāo) ： X 向定位精度： ； Y 向定位精度： （即轉(zhuǎn)角定位精度 約 176。） ； X 向運(yùn)動范圍： 500mm； Y 向運(yùn)動范圍： 141mm（即轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)動范圍為 45176。）。 系統(tǒng)總體設(shè)計 本課題所設(shè)計的二維度運(yùn)動控制系統(tǒng) 主要包括主控制模塊、鍵盤輸入模塊、顯示模塊、步進(jìn)電機(jī)控制模塊、直流伺服電機(jī)控制模塊和機(jī)械執(zhí)行模塊。整體系統(tǒng) 的 功能為： 操作者使用鍵盤向系統(tǒng)輸入符合輸入規(guī)則的機(jī)械臂運(yùn)動坐標(biāo)，按下開始工作鍵后，系統(tǒng)開始工作，直流伺服電機(jī)帶動絲杠轉(zhuǎn)動，使機(jī)械臂先沿絲杠軸向運(yùn)動到 X 向目標(biāo)位置，然后步進(jìn)電機(jī)帶動機(jī)械臂轉(zhuǎn)動到轉(zhuǎn)角目標(biāo)位置，此時機(jī)械臂的臂尖在 Y 向運(yùn)動到相應(yīng)的距離，至此，一次運(yùn)動結(jié)束。若在運(yùn)動過程中需要停止本次運(yùn)動，則按下系統(tǒng)復(fù)位按鈕。 主控制模塊是 以 ATmega16 單片機(jī) 為主的最小系統(tǒng) ， 其 分別控制顯示模塊 輸出顯示運(yùn)動坐標(biāo)， READY、 ERROR 信號 ，步進(jìn)電機(jī)和直流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)******大學(xué)本科生畢業(yè)論文 8 動 。其對應(yīng)的 系統(tǒng) 整體 框圖如下： 鍵 盤 輸 入 模 塊A T m e g a 1 6步 進(jìn) 電 機(jī) 驅(qū) 動電 路伺 服 電 機(jī) 驅(qū) 動模 塊X 向 伺 服 電 機(jī)減 速 機(jī)轉(zhuǎn) 角 步 進(jìn) 電 機(jī)顯 示 模 塊X 向 控 制 部 分 轉(zhuǎn) 角 控 制 部 分機(jī) 械 臂 橫 向 運(yùn)動機(jī) 械 臂 徑 向 運(yùn)動 圖 系統(tǒng)框圖 機(jī)械設(shè)計 總體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 整個二維度運(yùn)動控制系統(tǒng)采用常見的高速嵌入式單片機(jī) AVR 系列單片機(jī)作為主系統(tǒng)，應(yīng)用滾珠絲杠作為直線傳動機(jī)構(gòu)。該運(yùn)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示： ******大學(xué)本科生畢業(yè)論文 9 圖 總體機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖 如圖所示，絲杠將直流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為機(jī)械臂在絲杠上的平動，從而使得直流伺服電機(jī)驅(qū)動整個機(jī)械臂在絲杠上做軸向的運(yùn)動。 機(jī)械手臂的設(shè)計 對于機(jī)械手臂， 臂長 200mm， 由于 手臂 重量不是很大， 負(fù)載 重量幾乎可以忽略不計，所以設(shè)計的機(jī)械臂并前端負(fù)載質(zhì)量按 。因此，機(jī)械臂如下作設(shè)計：（ 1）由于所需電機(jī)提供的力矩很小，故小型步進(jìn)電機(jī)設(shè)計在機(jī)械臂的關(guān)節(jié)處，帶動機(jī)械臂進(jìn)行轉(zhuǎn)角運(yùn)動，運(yùn)動范圍 β 在 0——45176。；（ 2）不設(shè)置配重。示意圖如下： 圖 系統(tǒng)機(jī)械臂左視圖 ******大學(xué)本科生畢業(yè)論文 10 理論坐標(biāo)計算 設(shè)定前臂長度 200mm，由于 β角在 0—45 度之間變化，故 Y 向范圍為0——141mm；軸 向運(yùn)動范圍就是機(jī)械臂在絲杠上的運(yùn)動范圍， 即0——500mm。 請見下圖圖示： 圖 理論坐標(biāo)計算圖 若外部輸入設(shè)備輸入軸向坐標(biāo) a、轉(zhuǎn)角 θ，表示機(jī)械臂在絲杠上（這里表示為 X 軸）應(yīng)橫向運(yùn)動至距離起點(diǎn) O 處 a 個單位的位置；機(jī)械臂前臂應(yīng)轉(zhuǎn)動的角度為 θ，則機(jī)械臂在 Y 向的位置為距離起點(diǎn) O 處 ?sin200? 個單位的位置，即機(jī)械臂臂尖的坐標(biāo)為（ a， ?sin200? ）。 滾珠絲杠的介紹及選型 滾珠絲杠的原理 整個二維度運(yùn)動控制系統(tǒng)應(yīng)用滾珠絲杠作為直線傳動機(jī)構(gòu)。如圖 所示，滾珠絲杠一般是由絲杠 螺母 滾珠 3 及滾珠循環(huán)返回裝置 4 等四個部分的組成。 ******大學(xué)本科生畢業(yè)論文 11 圖 滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)示意圖 滾珠絲杠副的工作原理如下：當(dāng)螺母 2（或絲杠 1）轉(zhuǎn)動時，在絲杠與螺母間布置的滾珠 3 依次沿螺紋滾道滾動，同時滾珠 3 促使絲杠 1（或螺母 2）做直線運(yùn)動。為了防止?jié)L珠沿螺紋滾道滾出，在螺母上設(shè)有滾珠循環(huán)返回裝置（反向器） 4，構(gòu)成一個滾珠循環(huán)通道。借助于這個返回裝置，可以使?jié)L珠沿滾道面運(yùn)動后，經(jīng)通道自動地返回到其工作的入口處，從而使?jié)L珠能在螺紋滾道上繼續(xù)不斷地參與工作 [9]。 滾珠絲杠的特點(diǎn) （ 1）傳動效率高 對于滑動絲杠在定期潤滑的條件下，絲杠與螺母間的滑動摩擦系數(shù)在～ 之間，摩擦阻力大，傳動效率低。而滾珠絲杠副的摩擦系數(shù)經(jīng)實(shí)驗測得，一般為 ～ 。顯然，其傳動摩擦阻力大大減小，傳動效率得到很大提高。這樣，滾珠絲杠副相對于滑動絲杠副來說，就能以較小的動力推動較大的載荷，而功率消耗只有滑動絲杠副的 1/4～ 1/2，不僅能大大減輕操縱者的勞動強(qiáng)度，而且對機(jī)械小型化、啟動后的顫動和滯后時間的減少，以及節(jié)省能源等方面，都具有重要意義。 （ 2）同步性能好 由于滾珠絲杠副的滾動摩擦特性，摩擦阻力幾乎與運(yùn)動速度無關(guān)，靜摩擦力矩極小，啟動摩擦力矩與運(yùn)動 摩擦力矩接近相等，因此，運(yùn)轉(zhuǎn)啟動時無******大學(xué)本科生畢業(yè)論文 12 顫動，低速下運(yùn)轉(zhuǎn)無爬行。這不但縮短了啟動的時間，消除了滑動絲杠副中存在的滑移現(xiàn)象，而且大大提高了傳動的靈敏度和準(zhǔn)確度，具有持續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行的特點(diǎn)。 （ 3）傳動的可逆性 滾珠絲杠副不僅正傳動效率（簡稱正效率）高，而且逆?zhèn)鲃有剩ê喎Q逆效率）也幾乎同樣高達(dá) 95%。它既可把回轉(zhuǎn)運(yùn)動變成直線運(yùn)動（簡稱正運(yùn)動），又可以把直線運(yùn)動變成回轉(zhuǎn)運(yùn)動（簡稱逆運(yùn)動）。因此，與滑動絲杠副相比，突出的不同點(diǎn)是傳動具有可逆性。 滾珠絲杠副的逆效率高，一方面固然帶來了逆?zhèn)鲃拥暮锰帲?但另一方面卻不如滑動絲杠副那樣具有自鎖能力。在某些機(jī)構(gòu)中，特別是垂直升降機(jī)構(gòu)中使用滾珠絲杠副時，必須設(shè)置防逆轉(zhuǎn)裝置 [10]。 （ 4）傳動精度高 滾珠絲杠副的傳動精度主要是指其進(jìn)給精度和軸向定位精度。經(jīng)過淬硬和精磨螺紋滾道后的滾珠絲杠副，本身就具有較高的進(jìn)給精度。高精度的滾珠螺旋副導(dǎo)程累積誤差可達(dá) 5μm/300mm 以上。當(dāng)采用預(yù)緊螺母進(jìn)行預(yù)緊時，可完全消除滾珠絲杠副的軸向間隙。如果預(yù)緊力適當(dāng)（即為最佳預(yù)緊力時），在不增加驅(qū)動力矩和基本不降低傳動效率的前提下，可提高傳動系統(tǒng)的剛度和定位精度；在帶 有反饋系統(tǒng)的滾珠絲杠副中，通過機(jī)電補(bǔ)償伺服系統(tǒng)，能獲得較高的重復(fù)定位精度。由于滾珠絲杠副的摩擦小，工作時本身幾乎沒有溫度變化，因此不但進(jìn)給速度穩(wěn)定，而且尺寸也非常穩(wěn)定，這就是滾珠絲杠副具有很高定位精度和重復(fù)定位精度的重要原因 [11]。 滾珠絲杠的選型 步進(jìn)電機(jī)是安裝在機(jī)械臂上的，型號為 42BYG012 步進(jìn)電機(jī)的質(zhì)量 約 為，而機(jī)械臂的質(zhì)量為 ，加之其他一些質(zhì)量較輕的機(jī)械零件，如螺絲等，絲杠上的負(fù)載質(zhì)量范圍為 ——（不包括驅(qū)動器） 。 在絲杠的選擇上，本 設(shè)計選擇臺灣 HIWIN（上銀）公司生產(chǎn)的滾珠絲杠。******大學(xué)本科生畢業(yè)論文 13 HIWIN 滾珠絲杠在使用上具有很多的有點(diǎn)，舉凡高效 率 、可逆性、零背隙、高剛性，導(dǎo)程精度高及其它多項優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)艾克姆螺桿（ ACME）相比較，如下圖所示，滾珠絲杠在螺桿與螺帽間，加入鋼珠。將傳統(tǒng)螺桿的滑動摩擦傳動以鋼珠滾動運(yùn)動取代，以大大降低摩擦損耗。有助于維持高效率和高精度。 圖 滾珠螺桿與傳統(tǒng)艾克姆螺桿比較 下面介紹下 HIWIN 滾珠絲杠的幾個主要特性和優(yōu)點(diǎn)。 （ 1）高效率及可逆性 由于滾珠螺桿的 螺桿軸及螺冒均是點(diǎn)接觸之滾動運(yùn)動，所以其效率可高達(dá)90%以上。 （ 2） 零背隙及高剛性 （ 3）高導(dǎo)程精度 （ 4）靜音 （ 5）短交期 滾珠絲杠型號的確定： 由于上述一些滾珠絲杠特點(diǎn)的介紹和臺灣 HIWIN 公司可定制特定規(guī)格的滾珠絲杠的優(yōu)點(diǎn)，故本設(shè)計滾珠絲杠選用上銀公司的型號為，所表示的滾珠絲杠的技術(shù)指標(biāo)為： ******大學(xué)本科生畢業(yè)論文 14 牙長 ： 500mm， 總長 ： 650mm， 任意 300mm 內(nèi)的導(dǎo)程誤差 ： ， 導(dǎo)程 ： 5mm， 牙口數(shù) ： 單牙口， 公稱外徑 ： 12mm， 旋轉(zhuǎn)方向 ： 右旋， 珠卷數(shù) ： B2， 預(yù)壓型式 ： 壓縮型， 螺帽外型 ： 方型， 螺帽型式 ： 雙螺帽， 循環(huán)種類 ： 回流管低于螺帽外徑， 選用配備 ： 自潤式， 中空件。 電機(jī)的選型 本設(shè)計中電機(jī)的選型包括步進(jìn)電機(jī)的選型和直流伺服電機(jī)的選型。 步進(jìn)電機(jī)的選型 扭矩匹配 由前面所述系統(tǒng)機(jī)械臂左視圖，機(jī)械臂質(zhì)量為 m=，長度 L=200mm，轉(zhuǎn)角范圍在 0176。——45176。之間，取 g=10N/kg，可計算得所需步進(jìn)電機(jī)提供的最大扭矩為 mNLmgT ????????? ；這個轉(zhuǎn)矩 T也是負(fù)載折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)矩 [12]。 步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩maxjT需要滿足的條件為： ~ma x TTj ? 在這里取分母為 ，則maxjT= mN? 在這里對于步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率要******大學(xué)本科生畢業(yè)論文 15 求的比較寬松，故可以主要匹配負(fù)載的轉(zhuǎn)動扭矩。同時，由于步進(jìn)電機(jī)是安裝在機(jī)械臂的關(guān)節(jié)處，因此該電機(jī)的外形和重量都不應(yīng)過大，以外形小、質(zhì)量小為首選，因此本設(shè)計選用外形較小、質(zhì)量較輕的 BYG 系列混合式步進(jìn)電機(jī)，其型號為 42BYG012，相數(shù)為兩相，額定電壓 12V，靜態(tài)電流 ，步距角 176。，保持轉(zhuǎn)矩 mN? ，空載啟動頻率 600 spulse 。由此可看出該電機(jī)的轉(zhuǎn)矩滿足設(shè)計要求。 累計誤差 累計誤差的計算涉及到為步進(jìn)電機(jī)安裝減速器的減速比 [13]，由于步進(jìn)電機(jī)有兩種驅(qū)動方式，一種驅(qū)動方式是人工設(shè)計驅(qū)動電路，需配備減速器；另一種驅(qū)動方式是用成品步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，利用其對步距角的細(xì)分，完成相應(yīng)精度要求，在此不作詳細(xì)討論，在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動設(shè)計部分會有細(xì)致討論與對比選擇。 控制頻率 所選步進(jìn)電機(jī)的控制頻率，將在后面 的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動設(shè)計部分討論，這里不做贅述。 外形與質(zhì)量 42BYG012 步進(jìn)電機(jī)的外形尺寸為：總長 50mm、外徑 42mm、軸