单臂机器人-冲压机械手及嵌入式机器人控制系统设计【含CAD图纸、说明书】
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摘 要传统的工业机器人控制系统绝大多数是基于PC技术开发,但是,随着嵌入式处理器性能的提高,这些领域的应用将会逐渐被嵌入式系统所取代。本文基于ARMV7架构的嵌入式处理器STM32实现对冲压机器人的控制,并同时完成冲压机器人机械本体的构造。设计出具有较高自动化程度和动态性能的单臂冲压机器人系统。本设计创新点在于:(1)将32位嵌入式处理器STM32ZET6和嵌入式实时操作系统C/OS-II引入到单臂冲压机器人的控制当中,取代了传统的PC、PLC控制系统,提高了系统的快速响应能力且大大降低了成本。(2)利用FLASH断电数据保持的特性,开发出简易的示教控制系统,提高了冲压机器人的环境适应能力。本设计充分贯彻了结构化、模块化的设计思路。首先根据冲压机器人的设计要求确定出系统的总体方案,即,机械本体加嵌入式系统控制。然后,通过初步分析,将机械本体划分为五大功能组件,即,机械臂组件、升降滑块组件、升降支撑组件、回转支撑组件和底部框架组件,而后,通过建立CAXA三维实体模型确定出机械本体的具体设计方案,并对设计尺寸进行初步的确定和产品选型。接下来,对控制系统进行了设计,控制系统被总体划分为软、硬件两大设计部分。硬件设计部分被进一步细分为电源电路、通信电路、控制器电路三大模块;软件设计部分则被细分为 uC/OS_II操作系统、触摸屏控制程序、复位程序、五路脉冲输出、示教程序等五大模块。最后,在完成模块化划分的基础上,根据已有知识和现有产品对该单臂冲压机器人项目进行详细设计和选型。关键词:嵌入式;单臂冲压机械人;STM32;示教系统;自动化ABSTRACTMost traditional industrial robot control system based on PC technology.However, with the improvement of embedded processor performance, applications in these areas will gradually be replaced by embedded systems. This article is based on the ARMV7 architecture embedded processor STM32 and construction of complete stamping at the robot mechanical body. Designs with a higher degree of automation and the dynamic performance is very good.The designs innovation is: (1) Comebined the STM32ZET6 32-bit embedded processor with the embedded real-time operating system C/OS-II into the single-arm punching robot control, instead of the traditional PC, PLC control systems and improved systems responsiveness while significantly reducing costs. (2) using FLASHs data characteristic, developed a tutorial for a simple control system, improved stamping robots ability to adapt to circumstances. Full implementation of this design is structured, modular design ideas. Firstly,Depending on the pushing robots requirements to determine the general scheme of the system, namely, mechanical body、embedded system control. Then, by a preliminary mechanical analysis,the mechanical body is divided into five major functional components, namely, the Picker Assembly, lift the slider component, elevating support assemblies, Rotary bearing components and the bottom frame components, which, through the creation of CAXA three-dimensional entity model to determine the specific design of the mechanical body, and preliminary determination of design size and product selection. Next, the control system was designed control systems are generally divided into two major design software and hardware parts. Hardware design part is further subdivided into the power circuit, communication circuits, controller circuit, three modules; software design portion was subdivided for the uC/OS_II operating system, touch screen controls, reset procedure, five pulse outputs, demonstration program and other five modules. Finally, upon the completion of the modular division,Detailed designing and selectioning of the single-arm punching robot project is based on the existing knowledge and available products. Keywords: embedded; single-arm punching robot;STM32;teaching systems;automation目 录1 绪论11.1设计背景及意义11.2 工业机器人的国内外研究现状11.2.1国内研究现状11.2.2国外研究现状21.3设计完成的工作和创新点31.3.2嵌入式控制系统41.4存在的问题及后续设计展望61.5论文总体结构62 总体方案设计72.1系统总体简介72.2机械本体各部分设计方案及功能介绍82.2.1机械臂组件82.2.2回转支承组件82.2.3升降支撑组件92.2.4升降滑块组件92.2.5 底部框架组件102.3控制系统设计方案102.3.1嵌入式系统硬件102.3.2嵌入式系统软件102.4本章小结113 关键部位的选型与校核123.1回转支撑组件部分123.1.1电机M1及其减速机的选型与校核123.1.2推力球轴承静载荷校核153.1.3螺钉校核163.1.4联轴器键校核173.2机械臂组件部分183.2.1丝杠1选型与计算183.2.2电机M4选型与校核203.3升降支撑组件部分223.3.1丝杠2的选型与计算223.4升降滑块组件部分233.4.1电机M3及其减速机的选型与校核233.4.2齿轮校核253.5本章小结274 控制系统设计284.1嵌入式硬件系统方案284.1.1电源电路284.1.2 控制器电路284.1.3通信电路324.2嵌入式软件系统方案334.2.1 uC/OS_II操作系统334.2.2 触摸屏控制程序354.2.3 复位程序364.2.4 五路脉冲输出364.2.5 示教程序365 结论与展望37参考文献39附录1 程序流程图40附录2 主程序42附录3 控制器原理图46翻译47英文原文47中文翻译608.参考文献70致 谢71摘 要传统的工业机器人控制系统绝大多数是基于PC技术开发,但是,随着嵌入式处理器性能的提高,这些领域的应用将会逐渐被嵌入式系统所取代。本文基于ARMV7架构的嵌入式处理器STM32实现对冲压机器人的控制,并同时完成冲压机器人机械本体的构造。设计出具有较高自动化程度和动态性能的单臂冲压机器人系统。本设计创新点在于:(1)将32位嵌入式处理器STM32ZET6和嵌入式实时操作系统C/OS-II引入到单臂冲压机器人的控制当中,取代了传统的PC、PLC控制系统,提高了系统的快速响应能力且大大降低了成本。(2)利用FLASH断电数据保持的特性,开发出简易的示教控制系统,提高了冲压机器人的环境适应能力。本设计充分贯彻了结构化、模块化的设计思路。首先根据冲压机器人的设计要求确定出系统的总体方案,即,机械本体加嵌入式系统控制。然后,通过初步分析,将机械本体划分为五大功能组件,即,机械臂组件、升降滑块组件、升降支撑组件、回转支撑组件和底部框架组件,而后,通过建立CAXA三维实体模型确定出机械本体的具体设计方案,并对设计尺寸进行初步的确定和产品选型。接下来,对控制系统进行了设计,控制系统被总体划分为软、硬件两大设计部分。硬件设计部分被进一步细分为电源电路、通信电路、控制器电路三大模块;软件设计部分则被细分为 uC/OS_II操作系统、触摸屏控制程序、复位程序、五路脉冲输出、示教程序等五大模块。最后,在完成模块化划分的基础上,根据已有知识和现有产品对该单臂冲压机器人项目进行详细设计和选型。关键词:嵌入式;单臂冲压机械人;STM32;示教系统;自动化ABSTRACTMost traditional industrial robot control system based on PC technology.However, with the improvement of embedded processor performance, applications in these areas will gradually be replaced by embedded systems. This article is based on the ARMV7 architecture embedded processor STM32 and construction of complete stamping at the robot mechanical body. Designs with a higher degree of automation and the dynamic performance is very good.The designs innovation is: (1) Comebined the STM32ZET6 32-bit embedded processor with the embedded real-time operating system C/OS-II into the single-arm punching robot control, instead of the traditional PC, PLC control systems and improved systems responsiveness while significantly reducing costs. (2) using FLASHs data characteristic, developed a tutorial for a simple control system, improved stamping robots ability to adapt to circumstances. Full implementation of this design is structured, modular design ideas. Firstly,Depending on the pushing robots requirements to determine the general scheme of the system, namely, mechanical body、embedded system control. Then, by a preliminary mechanical analysis,the mechanical body is divided into five major functional components, namely, the Picker Assembly, lift the slider component, elevating support assemblies, Rotary bearing components and the bottom frame components, which, through the creation of CAXA three-dimensional entity model to determine the specific design of the mechanical body, and preliminary determination of design size and product selection. Next, the control system was designed control systems are generally divided into two major design software and hardware parts. Hardware design part is further subdivided into the power circuit, communication circuits, controller circuit, three modules; software design portion was subdivided for the uC/OS_II operating system, touch screen controls, reset procedure, five pulse outputs, demonstration program and other five modules. Finally, upon the completion of the modular division,Detailed designing and selectioning of the single-arm punching robot project is based on the existing knowledge and available products. Keywords: embedded; single-arm punching robot;STM32;teaching systems;automation目 录1 绪论11.1设计背景及意义11.2 工业机器人的国内外研究现状11.2.1国内研究现状11.2.2国外研究现状21.3设计完成的工作和创新点31.3.2嵌入式控制系统41.4存在的问题及后续设计展望61.5论文总体结构62 总体方案设计72.1系统总体简介72.2机械本体各部分设计方案及功能介绍82.2.1机械臂组件82.2.2回转支承组件82.2.3升降支撑组件92.2.4升降滑块组件92.2.5 底部框架组件102.3控制系统设计方案102.3.1嵌入式系统硬件102.3.2嵌入式系统软件102.4本章小结113 关键部位的选型与校核123.1回转支撑组件部分123.1.1电机M1及其减速机的选型与校核123.1.2推力球轴承静载荷校核153.1.3螺钉校核163.1.4联轴器键校核173.2机械臂组件部分183.2.1丝杠1选型与计算183.2.2电机M4选型与校核203.3升降支撑组件部分223.3.1丝杠2的选型与计算223.4升降滑块组件部分233.4.1电机M3及其减速机的选型与校核233.4.2齿轮校核253.5本章小结274 控制系统设计284.1嵌入式硬件系统方案284.1.1电源电路284.1.2 控制器电路284.1.3通信电路324.2嵌入式软件系统方案334.2.1 uC/OS_II操作系统334.2.2 触摸屏控制程序354.2.3 复位程序364.2.4 五路脉冲输出364.2.5 示教程序365 结论与展望37参考文献39附录1 程序流程图40附录2 主程序42附录3 控制器原理图46翻译47英文原文47中文翻译608.参考文献70致 谢71中国矿业大学2014届本科生毕业设计(论文) 第72页1 绪论1.1设计背景及意义冲压机器人是冲压自动化设备不可缺少的重要组成部分,其高效安全工作对生产和生活都有着非常重要的意义。目前,随着机械设备高速化和重载化的发展趋势,对机器人的工作平稳性能和安全性能提出了越来越高的要求。国外的机器人技术已相当成熟,六轴机器人被广泛应用于自动化上下料系统。近年来,ABB 机器人公司为长安铃木、吉利和长城等国内汽车公司提供了冲压自动化系统,制定了冲压自动化生产线技术方案,应用了其研制的 IRB 6660、IRB 7600 等机器人并配以旋转七轴与柔性 Corssbar 等先进的技术。相对于其他国家,我国的工业机器人发展起步较晚,直到2007年才首次由济南二机床集团有限公司将国际上广泛应用的六轴机器人应用于大型冲压自动化生产线中1。到目前为止,我国的机器人上下料技术的研究与国际先进水平仍然有较为明显的差距,因此对机器人上下料技术的研究,尤其是对大型柔性重载机器人冲压自动化生产线上下料技术的研究具有非常重要的实际意义。以汽车和摩托车生产为主的一批制造企业联合哈尔滨工业大学、沈阳自动化研究所等单位,对高速重载电焊及搬运机器人的核心关键技术进行了研究和实施,然而对于冲压机器人领域的相关研究和应用并未深入,尤其针对高速重载冲压机器人的关键技术尚未从根本上解决。因此,对高速重载冲压机器人的关键技术研究具有非常重要的实际意义。1.2 工业机器人的国内外研究现状1.2.1国内研究现状我国从20 世纪70 年代起开始了关于工业机器人的研究,经过几代人的不懈努力,现已基本掌握了工业机器人的设计制造技术、控制系统和驱动系统的设计技术和机器人软件和编程等关键技术。在机器人领域,成长起一批具有较强科研实力的公司和科研院校,如中科院沈阳自动化研究所、沈阳新松机器人自动化有限公司、哈尔滨工业大学、清华大学、国防科技大学、北京航空航天大学、南京航空航天大学、东南大学等2。国防科技大学针对机械臂模块化的发展需求,设计提出了一种基于Sarrus机构的模块化机器人拟人手臂,利用Sarrus机构在机器人手臂中能够同时传递运动、动力和连接两相邻模块的特点,能够有效拓展机械臂的工作空间,增强其运动灵活性;清华大学以斯坦福机械手臂为研究对象,将多模型自适应控制应用在机器人手臂控制中,对被控对象建立离散时间模型,并建立自适应控制器并在斯坦福大学的基础上有所改进,在斯坦福大学的机械手自适应控制算法当中,参数破坏经常会导致总体系统的稳定性下降,清华大学为被控对象模型建立多个模型,通过这种方式实现对被控对象参数不确定性的有效覆盖,这种构建多模型自适应控制器的方法,将“局部化”技术引用进来,可在保证多模型自适应精度的同时减少计算时间;哈尔滨工业大学在七自由度仿人手臂双臂一体机器人协调运动学研究中做出了突出成绩。由于双臂协调和单臂运动是相关且并行的,所以,提出用对单臂运动学逆解进行修正的方法来得到双臂协调运动学逆解。通过对双臂上任意臂杆避碰的分析,提出了相碰检验条件及避碰附加作业模型,并利用冗余自由度和Jacoban矩阵的零空间分解得到了双臂避碰附加作业闻解,最后用此逆解修正单臂运动;东南大学对于机器人操作手运动能力指数的应用,分析了机器人操作手速度空间理论,以操作手运动能力指数为性态指标,对操作手进行了运动学分析与规划;南京航空航天大学作了空间柔性双臂机器人的动力学建模及控制的研究,基于假设模态法、拉格朗日方程和系统动量守恒,推导了自由浮动空间柔性双臂机器人协调操作刚性负载闭链系统的动力学模型,并利用位置一力混合控制算法对该动力学模型实现了轨迹跟踪控制,最后进行了动力学控制仿真。1.2.2国外研究现状由于机器人冲压自动化生产线的特点很好地适应了当今汽车行业车身更新换代速度快的要求,在世界范围内被广泛应用。各大机器人公司抓住了这一重大商机,纷纷研发出了适用于冲压自动化生产线的冲压机器人3。比如:KUKA 公司的 KR-P 系列机器人,图 1.2 为 KR120-2P 机器人,该机器人最大工作范围达 3500mm,负荷 120kg,附加负荷 50kg;ABB 公司研制的冲压机器人 IRB 6660,该机器人工作范围为 3100mm,承载能力达 130kg。 图1.1 TUKA搬运机器人中国的工业机器人设计、生产水平与世界其他先进国家比较起来仍然有较大差距,随着传统的功能型工业机器人越来越成熟,各国科学家正逐渐将具有完全自主能力的、拟人化的智能机器人做为下一步的研究重点。特别是对于机器人手臂的研究,是现阶段研究的热点。德国KUKA公司研制的重负载工业机器人在极端的铸造环境中可以安全有效、精确的移动极为沉重的物件,并保持一定的速度;德国GTA公司生产的巷道支护设备AMG5000、AMG5001/5002、SKM 88 FH等,均有部分设计模块与工业机器人相关,特别是类机器人手臂的设计应用相当广泛。因为现今工业机器人智能化越来越高,所以机器人的设计不断向模块化发展,设计制造分工合作显得越来越重要。近几十年,工业机器人控制系统的发展经历了开环控制、闭环位置控制、自适应控制等阶段4-5。下一代的控制系统要求更快的实时响应来应对不可预知的人类参与以及突发性安全问题。现在,闭环硬件系统主要由微处理器进行控制,例如DSP 和 RISC控制器6等。应用上,虽然现在绝大多数的工业机器人控制系统依然是基于PC技术开发7,但是,随着嵌入式处理器性能的提高,这些领域的应用将会逐渐被嵌入式系统所取代。例如,随着ARM处理器的迅速发展,很多原先运行在PC机和其他专用硬件设备上的实时软件已被移植到ARM处理器上。 CNC控制器也正在被嵌入式系统所取代8-9,因为这样可以减少硬件成本和增加系统的可靠性1.3设计完成的工作和创新点完成的工作:表1.1完成工作清单机械部分控制部分1、图纸:总装图 A0回转支承组件 A1机械臂组件 A1升降支撑组件 A1升降滑块组件 A2芯轴 A2伸缩臂滑块 A2小齿轮 A3总计 3.4张A01、图纸:电气原理图 A1控制器原理图 A3PCB图 A4总计 0.7张A02、硬件部分:电源电路、通信电路选型控制器电路设计3、软件部分:uC/OS_II操作系统移植、触摸屏控制程序、复位程序、五路脉冲输出、示教程序编写2、其他:三维实体总装图三维动画本设计创新点在于:(1)将32位嵌入式处理器STM32ZET6和嵌入式实时操作系统C/OS-II引入到单臂冲压机器人的控制当中,取代了传统的PC、PLC控制系统,提高了系统的快速响应能力且大大降低了成本。(2)利用FLASH断电数据保持的特性,开发出简易的示教控制系统,提高了冲压机器人的环境适应能力。1.3.1机械本体主要划分为:底部框架组件设计、回转支承组件设计、升降支撑组件设计、机械臂组件设计、升降滑块组件设计等五个部分。底部框架组件设计:包括脚轮托架和底部框架的设计。设计过程主要包括底部框架组件的外型设计,材料选型以及计算校核等。回转支承组件设计:包括电机托板、定位立柱、支撑板、支撑套、上下端盖、芯轴以及非标垫圈的设计。设计过程主要包括回转支承组件的外型设计,材料选型以及计算校核等。升降支撑组件设计:包括侧板、定位板、限位柱、盖板、电机过渡支撑、紧固套、非标垫圈的设计。设计过程主要包括升降支撑组件的外型设计,材料选型以及计算校核等。机械臂组件设计:包括压块、伸缩臂滑块、限位托架、法兰座、前后端支撑板、轴承支座、固定侧板、轴承端盖、丝杠支撑端定位板、丝杠固定端定位板、电机支撑板、同步带芯轴、手指转接盘、非标垫圈的设计。设计过程主要包括机械臂组件的外型设计,材料选型以及计算校核等。升降滑块组件设计:包括升降滑块、滑块后端盖、齿轮紧固套、滑块轴承止动环、滑块前端盖、非标齿轮、齿轮限位套、滑块轴、非标垫圈的设计。设计过程主要包括升降滑块组件的外型设计,材料选型以及计算校核等。电机选型设计:根据负载情况选择合适的伺服电机。一共有五个,包括回转电机、升降电机、机械臂伸缩电机、吸盘转动电机、机械臂回转电机。1.3.2嵌入式控制系统主要划分为硬件系统设计和软件系统设计两部分:嵌入式实时控制系统硬件研发,包括电源电路、控制器电路、 通信电路: 表1.2系统硬件电路划分及其功能简介电路名称功能简介电源电路负责将市电(220V)转化为稳定的3.3V电压为控制器供电,该部分电路包括:变压器电路,桥式整流电路、集成稳压电路。控制器电路整个系统的核心,主要包括STM32ZET6芯片、晶振、电源输入、管脚输出、复位电路等部分。通信电路提供单片机与触摸屏交互的接口,主要由ALIENTEK TFTLCD模块组成。嵌入式实时控制系统软件研发,采用嵌入式操作系统C/OS-II模块化设计方法,提高系统的实时性和扩展性,分为五个模块:uC/OS_II操作系统、触摸屏控制程序、复位程序、5路脉冲输出、示教功能。表1.3系统硬件电路划分及其功能简介软件模块名称功能简介研究重点uC/OS_II操作系统负责任务调度。操作系统在STM32ZET6环境下的移植。触摸屏控制程序通过触摸屏进行参数的设定,完成示教功能。该部分主要包括为触摸屏底层驱动和应用层调用程序的编写。复位程序控制机械手回到原点。当位置传感器检测到机械手指定位置信息时将触发控制器外部中断,然后,由中断程序进行复位。五路脉冲输出伺服电机采用位置控制,控制器通过向伺服驱动器发送5路脉冲来分别控制5个伺服电机。向伺服驱动器发送5路脉冲示教功能使机器具有一定的记忆性,达到示教功能将设置好的参数,存入到STM32片内的FLASH中,下次运行时自动装载本设计创新点主要体现在以下几个方面:(1)综合采用32位嵌入式处理器的主控单元和C/OS-II模块化编程思想,提高了冲压机器人的快速响应能力且大大降低了成本。(2)利用FLASH断电数据不易失的特性,将设置好的运行参数保存在STM32内部FLASH中,这样在下次启动时即可直接运行设置好的参数,从而避免了重复设置,实现示教功能。从而大大提高了冲压机器人的环境适应能力。1.4存在的问题及后续设计展望存在问题及后续展望从机械本体和控制系统两方面展开叙述:本设计借鉴许多已有设备的连接、传动以及功能实现方式,将他们结合在一起,难免会出现配合上的问题。再设计计算得过程中,由于设计结构的不对称性,在建立力学模型寻找中心时会出现不精确的情况,使计算显得略微粗糙。机械本体的设计采用过多的非标件导致制造成本过高,图纸工作量太大。另外由于缺乏经验,机械上有很多地方可以精简改进,比如升降滑块组件由于对空间考虑不够导致在实际安装电机时比较麻烦。控制系统的设计虽然主体功能均能够实现,但是,触摸屏界面设计较为单一,操作上不够智能化;代码不够精简,有些地方存在重复代码导致运行效率下降。1.5论文总体结构本设计将分为六个章节进行讨论。第一章 分析了冲压机器人的发展现状并简单介绍了本文设计的设计思路、主要内容以及研究意义。第二章 对整体设计方案及各部分功能以及设计的思路进行了介绍。第三章 对机械本体的各关键部位进行了的选型与必要的校核。第四章 主要从硬件设计和软件系统设计两方面对冲压机器人的控制系统进行了详细的介绍。第五章 总结了本文主要研究的内容及解决的问题,并提出存在的不足。2 总体方案设计图2.1 总体设计方案该设计总体设计方案如图2.1所示,将整体分块解决,对于该单臂机械手系统,将其分成两个模块。首先对机械本体进行设计,然后对其控制系统进行设计,最后进行联合调试。2.1系统总体简介针对该单臂机器人想要实现的功能,对该设备进行了CAXA三维建模,如图2.2所示,模型由底部框架组件、回转支承组件、升降支撑组件、机械臂组件、升降滑块5部分组成。各部分协调配合工作,实现单臂机械手在两个冲压工位之间的工件搬运功能。工作过程:启动运行,机械手回到初始位置,然后按照设定程序,先从一号工位吸取工件,然后,机身回转至二号工位,吸盘放下工件,进行冲压,再次吸取工件,然后将工件放在成品处,循环进行下一次动作。期间,通过触摸屏可以实时控制各电机,实现行程和速度的调节,并将相应参数存入片内FLASH,使下次运行时直可接运行上次设置好的参数,实现示教功能。当按下复位键时,机械手向右转动,碰到行程开关时停止。当按下暂停键时,系统保留当前运行参数并停止,再次按下暂停键,系统继续运行。图2.2 CAXA三维模型图中:1升降支撑组件,2机械臂组件,3底部框架组件,4回转支撑组件,5升降滑块组件。2.2机械本体各部分设计方案及功能介绍2.2.1机械臂组件机械臂组件三维模型如图2.3所示,该部分主要由丝杠组件、手指转接盘、侧板组成,其功能是实现机器臂沿某一方向的伸出运动,本质上是一个丝杠传动的直线运动装置,伸出功能的实现是靠丝杠连接的的伺服电机实现的。图2.3 机械臂组件2.2.2回转支承组件 回转支撑组件三维模型如图2.4所示,该部分主要由电机托板、定位立柱、支撑板、支撑套、上下端盖、芯轴组成,其功能是实现整个机器人手臂沿某一方向的回转运动,回转功能的实现是靠回转支撑组件下的伺服电机实现的图2.4回转支撑组件2.2.3升降支撑组件升降支撑组件三维模型如图2.5所示,该部分功能是将机械臂及升降滑块组件实现整体升降运动,其功能是靠图2.5下部电机带动滚珠丝杠实现的,升降滑块组件通过两限位柱上的直线轴承以及丝杠组件固定。图2.5升降支撑组件2.2.4升降滑块组件升降滑块组件三维模型如图2.6所示,该部分功能是将升降支撑组件及升降滑块组件连接在一起并通过电机时机械臂组件实现轴向转动,其功能是一级齿轮实现的,升降滑块组件通过两限位柱上的直线轴承以及丝杠组件固定。图2.6 升降滑块组件2.2.5 底部框架组件底部框架组件三维模型如图2.7所示,该部分用于固定回转支撑组件和升降支撑组件,控制部分也将被安装在这里,由铝型材、角钢、T型螺栓、法兰螺母、脚轮托架、脚轮直接搭建而成。图2.7底部框架组件2.3控制系统设计方案2.3.1嵌入式系统硬件 使用电子设计自动化软件altium designer10进行原理图绘制并生成PCB板。 电源电路和通信电路通过外购满足。2.3.2嵌入式系统软件 C/OS-II操作系统:将UC/OS_II移植到STN32ZET6硬件平台,需要修改:os_cpu.h、os_cpu_a.asm和os_cpu.c三个文件。 触摸屏控制:采用广州星翼电子科技有限公司开发的ALIENTEK TFT LCD模块。通过软件模拟SPI完成触摸屏与STM32的信息交互。 复位功能:采用STM32 IO口外部中断实现, STM32F103ZET6总共只有112个IO,除去RTC晶振占用的2个IO,剩下的每个IO都可以作为外部中断的中断输入口。当机械手到达指定位置时,位置传感器触发STM32指定管脚,引发外部中断,程序立即跳转到中断处理程序控制输出管脚输出指定数量的脉冲以实现复位功能。 5路脉冲输出:采用定时器中断触发GPIO口翻转实现。 示教功能:将触摸屏调节好的参数直接存入到STM32片内FLASH中,当系统再次运行时,直接调用FLASH中存储的参数,实现示教功能。2.4本章小结本章主要介绍了该单臂机械手系统的总体设计方案,将整个系统分为机械本体和控制系统两个大模块,并依次对每个系统的设计方案及功能进行了的介绍,但每一模块之间的连接关系及连接方式有的没有具体介绍,在下文中将会做出详细讲解。3 关键部位的选型与校核3.1回转支撑组件部分3.1.1电机M1及其减速机的选型与校核计算依据伺服电机应用技术颜嘉男编著10计算电机负载的转动惯量使用CAXA三维实体设计2013计算各组件相对于电机轴 的转动惯量,具体方法如下:a、进入CAXA实体设计界面,将局部坐标y轴与电机轴重合。b、依次选中各零件,在其“属性参数”中设置零件的密度或直接键入质量数值。c、完成前两步之后,依次选中各组件,单击“工具” “物性计算” “惯性矩”“使用局部坐标系统” “计算”,即可求得该组件相对于电机轴的转动惯量Iyy。得到结果如下: 机械臂组件 (包含最大搬运质量3kg)升降支撑组件 升降滑块组件 回转芯轴 回转部联轴器 将所得转动惯量之和折算到电机轴上得电机负载转动惯量: n 减速机减速比,预选定为50减速机相对于电机轴的转动惯量,预定为300 kgmm2电机轴负载转矩,kgmm2预选电机M1型号由伺服电机应用技术169页说明知:一般情况下,所选电机惯量应大于1/10 负载惯量查阅松下A5电机产品手册,将电机型号初步选择为:MSME152GCH表3.1 MSME152GCH参数表 电机最大转矩校验a、电机M1加速转矩计算公式: 式中: Ta 加速转矩,Nm JL 电机轴负载转矩,kgmm2 JM 电机转动惯量,kgmm2 N0电机转速,rmin tpsa加速时间,取1.5s 带值得: b、电机M1减速转矩计算:式中: 减速转矩,Nm减速时间,取1.5s代值得: c、折算到电机轴上的运行负载转矩: 式中:运行负载转矩,Nm摩擦因子 ,35mm 计算效率,此处取0.8 推力球轴承所受的正压力,N正压力: 式中:最大设计负荷质量, kg 机械臂组件质量,kg 滑块组件质量,kg 升降支撑组件质量,kg质量同样由CAXA实体设计2013“物性计算”得到,方法从略。得:m0=3kg , m1=16kg, m2=10kg, m3=35kg 代值得: G负= 640 N由中国机械设计大典江西科技出版社 表20.1-29查得: 推力球轴承 = 0.0013将上述数值代入得: T0 =0.00136400.0352 0.8= 0.23 Nm由a、b、c知最大转矩: Tmax = T0 + Ta = 0.37 + 0.23 = 0.6 Nm 所选电机的瞬时最大转矩为14.3 Nm 0.6 Nm,故最大转矩校验合格。连续瞬间转矩校验分析单臂机器人工况可知,其整体回转角度为60可得电机M1实际运行曲线如图3.1: 1500 0 0.5 1 t(s) 图3.1电机M1实际运行曲线所以,连续瞬间转矩计算公式 (1)式中:加速时的转矩,Nm Tma = Tmax= 0.6 Nm减速时的转矩,Nm Tmd= 0.37 - 0.23 = 0.14 Nm 保持转矩,Nm TCH=0 Nm 保持时间,0 sM1运行时间,1 s代值得: Tms= 0.620.5+0.1420.5 = 0.69 Nm 所选电机的额定转矩为4.77 Nm 0.69 Nm,故连续瞬时负载转矩校验合格。综合、知:预选电机MSME152GCH 满足要求。减速器的选择根据电机M1尺寸及减速比选择适配减速机为: AB142-050-52-P2该减速器转动惯量:257 kgmm2300 kgmm2 (预定值),故不影响电机校验结果。3.1.2推力球轴承静载荷校核计算依据机械设计程志红著11预定推力球轴承型号为5100型 55其基本参数如下:额定静载荷 33.8 KN额定动载荷 89.2KN极限转速 2800r/min因为对于基本不转动或转速极低的轴承,其主要失效形式为产生过大的塑性变形,故结合本推力球轴承工作条件知只需要对其进行额定静载荷校验。校验公式: (2)式中:0 轴承额定静载荷,KNS0 轴承静强度安全系数 P0 当量静载荷,KN查表10-8可知, S0 取1.0分析知:P0 = ( i=13mi +m0 )g S0 =(16+10+35+3)101.0=640 N0所以,推力球轴承静载荷校核通过。3.1.3螺钉校核计算依据机械设计程志红著螺钉型号:内六角圆柱头螺钉M10*30,采用配合螺栓连接配合螺栓连接靠螺钉与被连接件的相互剪切和挤压作用来传递载荷,其主要失效形式为螺栓杆和孔壁间压溃或螺栓杆被剪断,其强度条件为: (3) (4)式中: 螺栓所受的工作剪力,N 螺栓抗剪面直径(螺栓光杆直径),mm 螺栓抗剪面数目 螺栓杆与孔壁接触受压的最小轴向长度,mm p 螺栓材料的许用剪切应力,N/mm2 p 螺栓材料和被连接件中弱者的许用挤压压力,N/mm2a、压溃校核 由静力平衡条件知: T= 6 FS r式中: 传递的最大扭矩,为机械臂组件、升降滑块组件、支撑组件加速合力矩 每个螺钉所受最大剪力 回转半径,取25mm工况要求: 加速时间 tpsa2.=0.5 s , 最高转速 n= 20r/min 故每个螺钉所受最大剪切力: FS = 12.56250.001=83.3 N综上,p = 83.3 (158.5)= 0.65 N/mm2 p=p/Sp式中: Sp 螺栓许用安全系数 查表2.8,取1.1 ,定位板采用Q235材料,属于两者中的弱者,取 代值得: 所以,pp 不会被压溃。b、剪切校核 (5) 查表2.6取 s =420 N/mm2 查表2.8取Sr= 3.8 代值得: = s Sr = 4203.5 = 120 N/mm2 所以, 15.22 mm 所以,满足要求。3.2.2电机M4选型与校核计算电机M1负载的转动惯量式中: 适配联轴器相对于电机M4轴的转动惯量,由CAXA计算得 : JL2=28.8 kgmm2 JL3 =7.5 kgmm2 JL1=W(V20N)2= W(S20)2 式中: W 物体质量,kg W=11.14 kg Smm S=Ph=10mm V 直线运动物体的速度,mm/min N 伺服电机的旋转速度,r/min 代入值得: JL1=11.14(1020)2 = 0.28 10-4 kgm2 所以, JL=(0.28+0.29+0.075) 10-4 = 0.645 10-4 kgm2 预选电机M4 按照1/10 负载惯量预选电机,查阅松下A5电机产品手册 初选电机型号为:MSMD022G1S表3.3 MSMD022G1S参数表 最大转矩校验加速转矩:(13)折算到电机轴上的运行负载转矩: T0=FS 2103h F =Wg+F0+Fc 式中: Fc 运动轴方向的作用力,N ,受力分析知为0 N 运动部分向桌面的挤压力,N,受力分析知为0 N h驱动部分的效率,此处取0.8 摩擦系数,取0.1 伺服电机每转动一周时,直线物体的移动量,mm S=Ph=10mm 代值得: F =0.111.1410+0+0 = 11.14 N T0=11.1410 21030.8= 0.02 Nm电机所受最大转 Tmax = T0 + Ta = 0.02 + 0.08 = 0.1 Nm所选电机的瞬时最大转矩为1.91Nm 0.1 Nm,故最大转矩校验合格。连续瞬间转矩校验(14) 所选电机的额定转矩为0.64Nm 0.072 Nm,故连续瞬时负载转矩校验合格。综合、知:预选电机MSMD022G1S 满足要求。3.3升降支撑组件部分3.3.1丝杠2的选型与计算初算导程Ph Vmaxnmax (15)由设计要求,得: Vmax = 20000 mmmin nmax = 3000 rmin 代入(20)式得: Ph 6.7 mm 结上表3.2,预选滚珠轴承基本导程 Ph =10 mm , 公称直径 d0 =25 mm则滑块最大速度:Vmax= Ph nmax =10 mmr3000rmin = 0.5 ms丝杠当量载荷计算值加速力:Fup=m0 +m1 +m2(aMAX+g)=(16+10+3)10+2=348N减速力:Fdn= m0 +m1 +m2g = (16+10+3) 10= 290 N Fmax= Fup Fmin = Fdn所以, Fm = 13 (2348+290) = 328.7 N丝杠当量转速计算值 nm = 12 (nmax+ nmin) = 12 (3000+ 0) = 1500r/min额定动载荷 Cam= fw Fm (60nmLh)13100 fa fc 式中:Cam额定动载荷,N fw 载荷性质系数,由表“载荷性质系数fw ” 取1.3 fa 精度系数,由表“精度系数fa” 取0.9 fc 可靠性系数,由表“可靠性系数fc” 取0.62 Lh 预期工作寿命,h ,取29200 h (十年,每年按365天计,每天工作8小时) 代入值得: Cam= 1.3328.7(60150029200)13100 0.9 0.62 = 10178N估算滚珠丝杠副底径 d2m=a F0Lm =0.0782900.15(5911.1+12)3 = 22.7mm前预选定 d0=25mm 22.7 mm 所以,满足要求。3.4升降滑块组件部分3.4.1电机M3及其减速机的选型与校核计算电机负载的转动惯量同样,有CAXA三维实体设计“物性计算”功能得出机械臂组件、滑块轴、大齿轮相对于滑块轴中心线的转动惯量分别为76261 kgmm2、209 kgmm2、761 kgmm2锁紧卡圈,小齿轮相对于电机M3轴的转动惯量分别为2.04 kgmm2、48kgmm2。齿轮传动比为2,减速机减速比为5。所以,总负载惯量:J=76261+209+761(25)2 + (2.04+48)52 =7.14 10-4 kgm2 预选电机M3预选电机型号为:MSMD042G1S说明:由下表可知,MSMD042G1S 转子惯量 0.2610-4 kgm2 。大于1/10 负载惯量,但依然满足电机参数表中“对应转子惯量的推荐负载惯量比”(30倍以下)所以,可用。表3.4 MSMD042G1S参数表最大转矩校验加速转矩: Ta= (JL + JM ) N09.55 104 tpsa =7.14+0.2630009.55 104 1 = 0.23 Nm运行负载转矩:Tf = (m1+m5) g R式中: Tf 运行负载转矩, Nm R 轴承半径,18mm 摩擦系数,取0.2 m5 滑块轴质量,1.6 kg 代值得:Tf = (m1+m5) g R =(16+1.6)100.021810-3=0.064 Nm 最大转矩: Tmax = Tf + Ta = 0.23 + 0.064 = 0.3 Nm 所选电机的瞬时最大转矩为3.8Nm 0.3 Nm,故最大转矩校验合格。连续瞬间转矩校验 = 0.24Nm 所选电机的额定转矩为1.2Nm 0.24 Nm,故连续瞬时负载转矩校验合格。综合、知:预选电机MSMD042G1S 满足要求。说明:由于同级相近规格型号的价格也相近,成本增加不多;若规格参数较充裕,机构修改时可减少更换电机的可能。所以,本说明书中所有电机均选用较大规格的。3.4.2齿轮校核计算依据机械设计程志红著设计说明:1、所设计为开式齿轮,开式齿轮主要失效形式为疲劳折断和齿面磨损,目前只能进行弯曲疲劳强度计算,并将模数增加10%20%的办法来考虑磨损的影响。2、初选定齿轮参数:表3.5初选齿轮参数表 齿轮材料mzd(mm)b(mm)da等级大齿轮45钢调质2489612201006级小齿轮45钢调质248481220526级现对齿轮弯曲疲劳强度计算:齿轮弯曲疲劳强度校核公式: (16) 式中:sa 应力修正系数。 重合度系数,=0.25+ 0.75/ fa 齿形系数。 b 齿宽,mm d 分度圆直径,mm 载荷系数 T主动齿传递的名义转
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