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教學(xué)機(jī)器人(doc畢業(yè)設(shè)計論文)-在線瀏覽

2024-09-06 05:13本頁面
  

【正文】 化結(jié)構(gòu);大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性?!?.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制,如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來,這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一,紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。談到培訓(xùn),還有個協(xié)調(diào)的問題,工業(yè)和教育團(tuán)體應(yīng)減少培訓(xùn)與需求的協(xié)調(diào)失誤,在校學(xué)生也應(yīng)了解市場情況,在教師的協(xié)助下開設(shè)和調(diào)整自己的課程,使所學(xué)的專業(yè)和技能在畢業(yè)的時候滿足社會的需求。大量采用機(jī)器人不回帶來失業(yè),在機(jī)器人的研究、制造和應(yīng)用上有七種職業(yè),即研究、開發(fā)、設(shè)計、制造、應(yīng)用、市場、服務(wù)、維修和教育,而潛在的部門是機(jī)器人制造部門,教育機(jī)構(gòu)和機(jī)器人相關(guān)部門。早我國,許多大學(xué)也開設(shè)了機(jī)器人方面的課程(如上海交大,華中科技大學(xué)等),也有很多研究開發(fā)機(jī)器人的研究機(jī)構(gòu),但資金問題是困饒機(jī)器人發(fā)展的障礙,在教學(xué)中也面臨相同的問題。2. 機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單,便于學(xué)生掌握機(jī)器人結(jié)構(gòu)上的特點。4. 與結(jié)構(gòu)相匹配,為降低成本,采用開環(huán)、閉環(huán)控制相結(jié)合5. 各部分結(jié)構(gòu)最好方便拆卸,以便維修保養(yǎng)。 分析機(jī)器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境。如機(jī)器人的自由度、信息的存儲量、計算機(jī)功能、動作精度的要求、所能抓取的重量、容許的運(yùn)動范圍、以及對溫度、震動等環(huán)境的適應(yīng)性。確定驅(qū)動系統(tǒng)的類型。 選擇個部件的具體集體夠,進(jìn)行機(jī)器人總裝圖的設(shè)計。 下面結(jié)合本演示系統(tǒng)的基本要求和設(shè)計的基本原則確定本系統(tǒng)的方案。 我們希望它不太大,可以安置在實驗臺沙鍋內(nèi)給學(xué)生講解,即小型化、輕型化。 在滿足前幾點的要求下,盡可能的要造型美觀。 驅(qū)動系統(tǒng)的類型選擇 因為現(xiàn)有的實驗設(shè)備中電機(jī)控制的優(yōu)點,基本設(shè)想采用電機(jī)驅(qū)動,使用步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)驅(qū)動。 各部位傳動機(jī)構(gòu)的確定 我們從底座開始,分別的一一 考慮。 臂部伸縮采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動絲杠螺母傳動機(jī)構(gòu)產(chǎn)生直線運(yùn)動,由螺母帶動臂部和腕部機(jī)構(gòu)伸縮是,采用普通絲杠傳動(主要考慮到價格)腕部升降也采用絲杠傳動,用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。手部回轉(zhuǎn)也采用同樣的電機(jī)驅(qū)動,其中各個部分實現(xiàn)連接簡單,方便拆卸。 臂部伸縮:80mm 腕部升降:70 mm 腕部回轉(zhuǎn):0~180176。 手指開合:177。 抓重 Kg運(yùn)動速度、控制精度的確定 因為本系統(tǒng)是教學(xué)演示用的,為節(jié)約資金,對速度和精度要求較低。腕部的閉環(huán)控制采用直流力矩電機(jī)加裝光電碼盤實現(xiàn),顯示部分采用LCD液晶顯示模塊。我們將按結(jié)構(gòu)分塊,分步進(jìn)行設(shè)計,閱讀本章是請參考總裝圖及零部件。從其功能和形態(tài)上看,分為工業(yè)機(jī)器人的手部和類人機(jī)器人的手部。工業(yè)機(jī)器人的手部夾持器(亦稱抓取機(jī)構(gòu))是用來握持工作或工具的部件,由于被握持工件的形狀,尺寸,重量,材料及表面狀態(tài)的不同,其手部結(jié)構(gòu)也是多種多樣的,大部分的手部結(jié)構(gòu)都是根據(jù)特定的工件要求而專門設(shè)計的,按起我持原理的不同,常用的手部夾持器分為如下兩類: ,包括內(nèi)撐式和外夾式,常用的還有勾托式和彈簧式等。我們決定選擇滑槽杠桿支點回轉(zhuǎn)手部。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,動作靈活,夾持范圍大,這種手部的結(jié)構(gòu)比較簡單,工作原理清晰易懂,也是機(jī)器人較常用的結(jié)構(gòu),這些都合乎教學(xué)演示的要求,缺點是工件直徑誤差會引起夾持后工件的中心發(fā)生移動。下圖是本系統(tǒng)的手部結(jié)構(gòu)示意圖,具體結(jié)構(gòu)和零部件尺寸見圖紙圖 31手部結(jié)構(gòu)簡圖 手部驅(qū)動力的計算和電機(jī)的選擇我們先做手指工作時的簡圖,然后做力的分析由初始設(shè)計可知,G=5N則 N=G——方位系數(shù),他與手指和工件的形狀,以及手指夾持攻擊的方位有關(guān)。取===其中 θ —— 型手指半角 ,由結(jié)構(gòu)設(shè)計可知 tgθ==70176。絲桿通過銷軸的向上的拉力(驅(qū)動力)是P,作用與手指上的力,其方向垂直于滑槽的中心線OO1和 OO2 。且其延長線交 A 、B 點,由于∠OB和 ∠OA為直角,故 ∠AOC =∠BOC = α。 所以,銷軸或螺母所受力(驅(qū)動力的反作用力) P = 2b cosαN =(N) 考慮工件在加工過程中產(chǎn)生的慣性力、震動及傳力機(jī)構(gòu)效率的影響,其實際的驅(qū)動力為: Ps ≥ P 其中: K1——安全系數(shù),——, K2——工作情況系數(shù),且K2=1+a/g A:機(jī)構(gòu)的加速度。校核一下此絲桿,螺母機(jī)構(gòu)是否滿足自鎖條件。螺紋的當(dāng)量摩擦角ρv= arctg = rctg=176。λρv 所以,此絲桿螺母機(jī)構(gòu)可安全自鎖下面來計算驅(qū)動力距Tq=T1+T2+T3其中T1—螺旋副摩擦力矩 T1=F(d2/2)tg(λ+ρv) (Nm) F – 螺旋副軸向載荷 ,N D2—螺旋副中徑 , M ρv ——當(dāng)量摩擦角 λ——螺旋升角 T2(T3)是端面摩擦力矩,此處不計故 Tq=T1= F(d2/2)tg(λ+ρv) =(11/2) tg(176。) =至此,根據(jù)上述計算,我們得出了絲桿上應(yīng)具有的扭 距,據(jù)此,根據(jù)步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品樣本手冊,選用45BF003型電機(jī)可以滿足要求. 腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計 概述腕部是臂部和手部的連接部件,其作用是在臂部運(yùn)動的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步改變或調(diào)整手部在空間上的位置和方向,從而增強(qiáng)手部的靈活性,擴(kuò)大手部的工作范圍。具體結(jié)構(gòu)參照總裝圖.一、腕部設(shè)計計算 腕部轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動,均是回轉(zhuǎn)運(yùn)動。而對于本系統(tǒng)來說,參與手腕轉(zhuǎn)動的零部件很多,如果每一件都去校核的話,即太煩瑣,也沒有必要。 1)轉(zhuǎn)軸,包括與之相連的螺母、墊母、軸承內(nèi)圈等。 3)手部換向變速箱,可將它視為65*65*。 Mp ——參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量對轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的偏重力矩。 Mf ——手腕密封裝置處的摩擦阻力矩。 (1)手腕啟動時產(chǎn)生的慣性力矩, Mg 設(shè) 手腕轉(zhuǎn)動的角速度  ω= π/6/s 啟動過程時間為 △t = 則 J1=1/2M1R2電機(jī)罩及電機(jī)可看作一個半徑是50mm。圖 33則根據(jù)力的平衡, 所以,N= 再考慮其他因素影響,附加一定系數(shù), 可令,N1=N2=35(N) 又由軸承部位尺寸, D1= D2= 所以,Mm=f/2(ND1+N2D2) =() 35(+)=(NM) (3)偏重力矩,Mp 根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計知,其余部分重心在回轉(zhuǎn)軸線上,因此不產(chǎn)生偏重力矩,只有手爪部分產(chǎn)生偏重力矩,所以,Mp=G4e==(Nm) (4)密封處的摩擦阻力距 本系統(tǒng)是電機(jī)驅(qū)動,對密封沒有嚴(yán)格要求,這部分阻力距可以咯去不計。有 Mq=(Mg+Mm+Mp) =(++)=(Nm) 據(jù)此數(shù)據(jù),可選用60LY003型直流力矩電機(jī)。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計,公稱尺寸d=18mm, 梯形螺紋牙型角 α =30176。摩擦角λ= arctg = arctg =176。下面來計算腕部升降所需的驅(qū)動力圖 34腕部結(jié)構(gòu)受力分析上圖給出了整個腕部的受力情況。由力矩平衡得: N130=Gw44+Gs(65+44)估算 Gw= Gs= Gqw=35N 所以,N1=N2===(N) F1=F2=N1f==(N)所以加在螺母上的全部軸向力 P=Gqw+2F1=35+2*=(N) 考慮啟動時的慣性力、震動和機(jī)構(gòu)效率的影響,其實際的驅(qū)動力 PSJ≥P 其中 K1——安全系數(shù),取 K1= V~ K2 ——工作情況系數(shù),取K2=1+a/g a: 機(jī)構(gòu)的加速度 η——機(jī)械效率 取η= 所以驅(qū)動力矩為Tq= PSJ(d/2)tg(λ+ρv)/1000 =8tg(+)/1000=(Nm)根據(jù)這一數(shù)據(jù),查閱資料,選用55BF003型步進(jìn)電機(jī)可滿足要求。臂都的運(yùn)動越多,機(jī)身的結(jié)構(gòu)和受力情況越復(fù)雜。 手臂部件(簡稱臂部和手臂)是機(jī)器人的組要執(zhí)行部件,它的作用是支承腕部(關(guān)節(jié))和手部(包括工件和工具),并帶動它們在空間運(yùn)動,臂部還安裝一些傳動驅(qū)動機(jī)構(gòu),從臂部的受力情況來看,它在工作中直接承受腕,手和工件的靜動載荷,自身運(yùn)動 又較多,所以受力情況復(fù)雜。a=40mm 蝸桿頭數(shù) Z2=1,蝸輪齒數(shù)Z2=Iz1=62齒形角α=20176。所以 中徑d2==4=24mm ,螺紋頭數(shù) n=1所以,當(dāng)量摩擦角 ρv= arctg = arctg =176。由此可知摩擦力和慣性立力共同產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為T1= (P慣+P摩) d2/2 tg(λ+ρv)/1000 =(1+47) 12176。 控制系統(tǒng)方案的確定 控制方案的確定 機(jī)器人控制方式的很多,就位置控制而言,有點位控制,連續(xù)軌跡控制??刂齐娐泛唵危子趯崿F(xiàn)造價底,符合本系統(tǒng)節(jié)省費用的原則。而電機(jī)便于控制,能實現(xiàn)較復(fù)雜的運(yùn)動,很適合在程序控制下做驅(qū)動部件,所以選擇電機(jī)驅(qū)動方式。 控制系統(tǒng)類型的確定 機(jī)器人演示系統(tǒng)是為學(xué)生開設(shè)實驗的,應(yīng)能開設(shè)盡可能多的演示實驗,還容許學(xué)生以某中方式,輸入機(jī)械手的位置,控制機(jī)器人完成設(shè)想的動作,因此在控制策略上,采用計算機(jī)編程控制。 步進(jìn)電機(jī)控制方式的確定 在控制精度要求較高的情況下,步進(jìn)電機(jī)也可采用閉環(huán)控制,但由于步進(jìn)電機(jī)有步距,難以實現(xiàn)精確的閉環(huán)控制。 直流電機(jī)控制方式的確定 直流電機(jī)的控制方式很多如:數(shù)字控制、軟件控制等,前者硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高,后者硬件結(jié)構(gòu)簡單,成本低,控制靈活,改變軟件程序,就可以使電機(jī)實現(xiàn)多種運(yùn)動,所以我們采用軟件伺服方式。本系統(tǒng)采用增量式光電碼盤做直流電機(jī)的反饋元件。 演示系統(tǒng)的組成本系統(tǒng)主要由機(jī)器人本體部分、控制、驅(qū)動部分、實驗臺組成。5度(3) 相電流:5安 (4) 電壓:60V(5) 最大靜轉(zhuǎn)距:臂部伸縮:: 其結(jié)構(gòu)采用絲杠(T264)螺母結(jié)構(gòu),選用電機(jī)75BFOO3其性能參數(shù)(1)相數(shù):3(2)分配方式3向6拍(3)步距角1。5度(4)相電流:3安 (5)電壓:27V(6)最大靜轉(zhuǎn)距:腕部旋轉(zhuǎn)此部分需電機(jī)長工作在堵轉(zhuǎn)狀態(tài),選用直流力矩電機(jī)60LY003參數(shù)(1)連續(xù)堵轉(zhuǎn)電壓::30V(2)連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流1。5度(4)相電流2。教學(xué)機(jī)器人控制精度要求不高,工作頻率在幾百赫茲左右,工作電流在15A,不聯(lián)系工作。這種電路不太復(fù)雜,安裝、調(diào)試簡單,改變電阻Re,增減串聯(lián)二極管個數(shù),可以很方便的改變工作電流,以適用不同步進(jìn)電機(jī)。恒流源型功率放大電路原理圖圖 42恒流源型功率放大電路原理圖:電路元件和參數(shù)的確定 與續(xù)流二極管串聯(lián)的電阻RD的對電流的波形的下降沿影響很大,小則電機(jī)繞組的電流泄放時間長,電流波形下降沿邊差,增大RD能改善下降沿,但開關(guān)管承受的反電壓回增大,容易將開關(guān)管擊穿,因此RD也不應(yīng)過大,一般取50~100,我們?nèi)?1,功率10W,泄放二極管為IN5404,前置放大管采用BU408,耐反電壓PCEO>400V,最大電流TCM =5A,耗散功率PCM=60W,相配電阻Re1為300,R2為10。恒流源上的限流電阻計算為:R=U/I 其中 N 恒流源上二極管個數(shù) I 設(shè)計的工作電流 這里用的二極管為IN4007,根據(jù)電機(jī)所需的工作電流,可適當(dāng)選取二極管個數(shù)N及限流電阻Re. 本電路選取 N=3,Re=~1, 機(jī)器人三個自由度及手爪開合驅(qū)動采用了步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制,其核心采用8051單片機(jī),步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動所需的環(huán)形脈沖直接由8051輸出口輸出,省掉環(huán)形分配器,控制框圖如下圖 43步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制框圖 雙極型PWM直流力矩電機(jī)的驅(qū)動電路的研制雙極型PWM功放電路如下圖N1,P1為達(dá)林頓管,N1為NPN型TIP31C,最大電流3A,最大耗散功率為40W,耐反電壓100V,P1與N1管參數(shù)相同,但為PNP型TIP32B,圖 44雙極型PWM功率放大器原理圖D1,D2為泄放二極管,用以保護(hù)N1,P1不被擊穿。下面介紹工作原理:光電偶合管前部分的數(shù)字電路邏輯功能為=, 真值表如圖:表格 1直流電機(jī)控制信號邏輯電路真值表 當(dāng)輸入信號A,B為0,1時,=1,=0,此時路光偶導(dǎo)通R3電阻有電流通過,a 點電位升高,達(dá)林頓管N1飽和導(dǎo)通,P1截止,+45V電壓幾乎全加在直流電機(jī)上,使直流電機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)輸入信號A,B為00或11時,=1,=1,即高電平,此時兩路全截止,兩達(dá)林頓管基極軍無電流通過而截止,此時電機(jī)繞組無電流通過,即停止。 光電碼盤的選擇和辯向電路的研制, :光電碼盤的選擇 教學(xué)機(jī)器人演示系統(tǒng)中,對位置精度要求不高,直流電機(jī)反饋選用從長春光學(xué)儀器廠生產(chǎn)的分辨率2000的光電碼盤器作為位置反饋元件,其輸出為TTL電平,5V方波脈沖信號,所需電源電壓+5V輸出波形為: 光電碼盤直接安裝在直流電機(jī)的主軸上,在直流電機(jī)轉(zhuǎn)動的過程中,即有正轉(zhuǎn)也有反轉(zhuǎn),這樣光電碼盤輸出的脈沖信號即有正轉(zhuǎn)的也有反轉(zhuǎn)的 。這種辨別碼盤轉(zhuǎn)動方向的電路稱為辨向電路,原理如圖:圖表 1辨向電路原理圖 從碼盤輸出的兩路信號Ue,Uf在相位上互差90度。據(jù)此可以判別碼盤的轉(zhuǎn)動的方向。當(dāng)沒有外
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