單臂機(jī)器人-沖壓機(jī)械手及嵌入式機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)【含CAD圖紙、說(shuō)明書(shū)】

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· 摘 要 傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)絕大多數(shù)是基于PC技術(shù)開(kāi)發(fā)，但是，隨著嵌入式處理器性能的提高，這些領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)逐漸被嵌入式系統(tǒng)所取代。本文基于ARMV7架構(gòu)的嵌入式處理器STM32實(shí)現(xiàn)對(duì)沖壓機(jī)器人的控制，并同時(shí)完成沖壓機(jī)器人機(jī)械本體的構(gòu)造。設(shè)計(jì)出具有較高自動(dòng)化程度和動(dòng)態(tài)性能的單臂沖壓機(jī)器人系統(tǒng)。 本設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)在于：（1）將32位嵌入式處理器STM32ZET6和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II引入到單臂沖壓機(jī)器人的控制當(dāng)中，取代了傳統(tǒng)的PC、PLC控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力且大大降低了成本。（2）利用FLASH斷電數(shù)據(jù)保持的特性，開(kāi)發(fā)出簡(jiǎn)易的示教控制系統(tǒng)，提高了沖壓機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力。 本設(shè)計(jì)充分貫徹了結(jié)構(gòu)化、模塊化的設(shè)計(jì)思路。首先根據(jù)沖壓機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求確定出系統(tǒng)的總體方案，即，機(jī)械本體加嵌入式系統(tǒng)控制。然后，通過(guò)初步分析，將機(jī)械本體劃分為五大功能組件，即，機(jī)械臂組件、升降滑塊組件、升降支撐組件、回轉(zhuǎn)支撐組件和底部框架組件，而后，通過(guò)建立CAXA三維實(shí)體模型確定出機(jī)械本體的具體設(shè)計(jì)方案，并對(duì)設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行初步的確定和產(chǎn)品選型。接下來(lái)，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)被總體劃分為軟、硬件兩大設(shè)計(jì)部分。硬件設(shè)計(jì)部分被進(jìn)一步細(xì)分為電源電路、通信電路、控制器電路三大模塊；軟件設(shè)計(jì)部分則被細(xì)分為 uC/OS_II操作系統(tǒng)、觸摸屏控制程序、復(fù)位程序、五路脈沖輸出、示教程序等五大模塊。最后，在完成模塊化劃分的基礎(chǔ)上，根據(jù)已有知識(shí)和現(xiàn)有產(chǎn)品對(duì)該單臂沖壓機(jī)器人項(xiàng)目進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)和選型。 關(guān)鍵詞：嵌入式；單臂沖壓機(jī)械人；STM32；示教系統(tǒng)；自動(dòng)化  ABSTRACT Most 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 design’s innovation is: (1) Comebined the STM32ZET6 32-bit embedded processor with the embedded real-time operating system μ C/OS-II into the single-arm punching robot control, instead of the traditional PC, PLC control systems and improved system’s responsiveness while significantly reducing costs. (2) using FLASH’s data characteristic, developed a tutorial for a simple control system, improved stamping robot's ability to adapt to circumstances. Full implementation of this design is structured, modular design ideas. Firstly,Depending on the pushing robot's 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 錄 1 緒論 1 1.1設(shè)計(jì)背景及意義 1 1.2 工業(yè)機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 1.2.1國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 1 1.2.2國(guó)外研究現(xiàn)狀 2 1.3設(shè)計(jì)完成的工作和創(chuàng)新點(diǎn) 3 1.3.2嵌入式控制系統(tǒng) 4 1.4存在的問(wèn)題及后續(xù)設(shè)計(jì)展望 6 1.5論文總體結(jié)構(gòu) 6 2 總體方案設(shè)計(jì) 7 2.1系統(tǒng)總體簡(jiǎn)介 7 2.2機(jī)械本體各部分設(shè)計(jì)方案及功能介紹 8 2.2.1機(jī)械臂組件 8 2.2.2回轉(zhuǎn)支承組件 8 2.2.3升降支撐組件 9 2.2.4升降滑塊組件 9 2.2.5 底部框架組件 10 2.3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 10 2.3.1嵌入式系統(tǒng)硬件 10 2.3.2嵌入式系統(tǒng)軟件 10 2.4本章小結(jié) 11 3 關(guān)鍵部位的選型與校核 12 3.1回轉(zhuǎn)支撐組件部分 12 3.1.1電機(jī)M1及其減速機(jī)的選型與校核 12 3.1.2推力球軸承靜載荷校核 15 3.1.3螺釘校核 16 3.1.4聯(lián)軸器鍵校核 17 3.2機(jī)械臂組件部分 18 3.2.1絲杠1選型與計(jì)算 18 3.2.2電機(jī)M4選型與校核 20 3.3升降支撐組件部分 22 3.3.1絲杠2的選型與計(jì)算 22 3.4升降滑塊組件部分 23 3.4.1電機(jī)M3及其減速機(jī)的選型與校核 23 3.4.2齒輪校核 25 3.5本章小結(jié) 27 4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 28 4.1嵌入式硬件系統(tǒng)方案 28 4.1.1電源電路 28 4.1.2 控制器電路 28 4.1.3通信電路 32 4.2嵌入式軟件系統(tǒng)方案 33 4.2.1 uC/OS_II操作系統(tǒng) 33 4.2.2 觸摸屏控制程序 35 4.2.3 復(fù)位程序 36 4.2.4 五路脈沖輸出 36 4.2.5 示教程序 36 5 結(jié)論與展望 37 參考文獻(xiàn) 39 附錄1 程序流程圖 40 附錄2 主程序 42 附錄3 控制器原理圖 46 翻譯 47 英文原文 47 中文翻譯 60 8. 參考文獻(xiàn) 70 致 謝 71 · 摘 要 傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)絕大多數(shù)是基于PC技術(shù)開(kāi)發(fā)，但是，隨著嵌入式處理器性能的提高，這些領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)逐漸被嵌入式系統(tǒng)所取代。本文基于ARMV7架構(gòu)的嵌入式處理器STM32實(shí)現(xiàn)對(duì)沖壓機(jī)器人的控制，并同時(shí)完成沖壓機(jī)器人機(jī)械本體的構(gòu)造。設(shè)計(jì)出具有較高自動(dòng)化程度和動(dòng)態(tài)性能的單臂沖壓機(jī)器人系統(tǒng)。 本設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)在于：（1）將32位嵌入式處理器STM32ZET6和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II引入到單臂沖壓機(jī)器人的控制當(dāng)中，取代了傳統(tǒng)的PC、PLC控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力且大大降低了成本。（2）利用FLASH斷電數(shù)據(jù)保持的特性，開(kāi)發(fā)出簡(jiǎn)易的示教控制系統(tǒng)，提高了沖壓機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力。 本設(shè)計(jì)充分貫徹了結(jié)構(gòu)化、模塊化的設(shè)計(jì)思路。首先根據(jù)沖壓機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求確定出系統(tǒng)的總體方案，即，機(jī)械本體加嵌入式系統(tǒng)控制。然后，通過(guò)初步分析，將機(jī)械本體劃分為五大功能組件，即，機(jī)械臂組件、升降滑塊組件、升降支撐組件、回轉(zhuǎn)支撐組件和底部框架組件，而后，通過(guò)建立CAXA三維實(shí)體模型確定出機(jī)械本體的具體設(shè)計(jì)方案，并對(duì)設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行初步的確定和產(chǎn)品選型。接下來(lái)，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)被總體劃分為軟、硬件兩大設(shè)計(jì)部分。硬件設(shè)計(jì)部分被進(jìn)一步細(xì)分為電源電路、通信電路、控制器電路三大模塊；軟件設(shè)計(jì)部分則被細(xì)分為 uC/OS_II操作系統(tǒng)、觸摸屏控制程序、復(fù)位程序、五路脈沖輸出、示教程序等五大模塊。最后，在完成模塊化劃分的基礎(chǔ)上，根據(jù)已有知識(shí)和現(xiàn)有產(chǎn)品對(duì)該單臂沖壓機(jī)器人項(xiàng)目進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)和選型。 關(guān)鍵詞：嵌入式；單臂沖壓機(jī)械人；STM32；示教系統(tǒng)；自動(dòng)化  ABSTRACT Most 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 design’s innovation is: (1) Comebined the STM32ZET6 32-bit embedded processor with the embedded real-time operating system μ C/OS-II into the single-arm punching robot control, instead of the traditional PC, PLC control systems and improved system’s responsiveness while significantly reducing costs. (2) using FLASH’s data characteristic, developed a tutorial for a simple control system, improved stamping robot's ability to adapt to circumstances. Full implementation of this design is structured, modular design ideas. Firstly,Depending on the pushing robot's 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 錄 1 緒論 1 1.1設(shè)計(jì)背景及意義 1 1.2 工業(yè)機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 1.2.1國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 1 1.2.2國(guó)外研究現(xiàn)狀 2 1.3設(shè)計(jì)完成的工作和創(chuàng)新點(diǎn) 3 1.3.2嵌入式控制系統(tǒng) 4 1.4存在的問(wèn)題及后續(xù)設(shè)計(jì)展望 6 1.5論文總體結(jié)構(gòu) 6 2 總體方案設(shè)計(jì) 7 2.1系統(tǒng)總體簡(jiǎn)介 7 2.2機(jī)械本體各部分設(shè)計(jì)方案及功能介紹 8 2.2.1機(jī)械臂組件 8 2.2.2回轉(zhuǎn)支承組件 8 2.2.3升降支撐組件 9 2.2.4升降滑塊組件 9 2.2.5 底部框架組件 10 2.3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 10 2.3.1嵌入式系統(tǒng)硬件 10 2.3.2嵌入式系統(tǒng)軟件 10 2.4本章小結(jié) 11 3 關(guān)鍵部位的選型與校核 12 3.1回轉(zhuǎn)支撐組件部分 12 3.1.1電機(jī)M1及其減速機(jī)的選型與校核 12 3.1.2推力球軸承靜載荷校核 15 3.1.3螺釘校核 16 3.1.4聯(lián)軸器鍵校核 17 3.2機(jī)械臂組件部分 18 3.2.1絲杠1選型與計(jì)算 18 3.2.2電機(jī)M4選型與校核 20 3.3升降支撐組件部分 22 3.3.1絲杠2的選型與計(jì)算 22 3.4升降滑塊組件部分 23 3.4.1電機(jī)M3及其減速機(jī)的選型與校核 23 3.4.2齒輪校核 25 3.5本章小結(jié) 27 4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 28 4.1嵌入式硬件系統(tǒng)方案 28 4.1.1電源電路 28 4.1.2 控制器電路 28 4.1.3通信電路 32 4.2嵌入式軟件系統(tǒng)方案 33 4.2.1 uC/OS_II操作系統(tǒng) 33 4.2.2 觸摸屏控制程序 35 4.2.3 復(fù)位程序 36 4.2.4 五路脈沖輸出 36 4.2.5 示教程序 36 5 結(jié)論與展望 37 參考文獻(xiàn) 39 附錄1 程序流程圖 40 附錄2 主程序 42 附錄3 控制器原理圖 46 翻譯 47 英文原文 47 中文翻譯 60 8. 參考文獻(xiàn) 70 致 謝 71 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)2014屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第72頁(yè) 1 緒論 1.1設(shè)計(jì)背景及意義 沖壓機(jī)器人是沖壓自動(dòng)化設(shè)備不可缺少的重要組成部分，其高效安全工作對(duì)生產(chǎn)和生活都有著非常重要的意義。目前，隨著機(jī)械設(shè)備高速化和重載化的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)機(jī)器人的工作平穩(wěn)性能和安全性能提出了越來(lái)越高的要求。 國(guó)外的機(jī)器人技術(shù)已相當(dāng)成熟，六軸機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化上下料系統(tǒng)。近年來(lái)，ABB 機(jī)器人公司為長(zhǎng)安鈴木、吉利和長(zhǎng)城等國(guó)內(nèi)汽車(chē)公司提供了沖壓自動(dòng)化系統(tǒng)，制定了沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線技術(shù)方案，應(yīng)用了其研制的 IRB 6660、IRB 7600 等機(jī)器人并配以旋轉(zhuǎn)七軸與柔性 Corssbar 等先進(jìn)的技術(shù)。 相對(duì)于其他國(guó)家，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人發(fā)展起步較晚，直到2007年才首次由濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限公司將國(guó)際上廣泛應(yīng)用的六軸機(jī)器人應(yīng)用于大型沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線中[1]。到目前為止，我國(guó)的機(jī)器人上下料技術(shù)的研究與國(guó)際先進(jìn)水平仍然有較為明顯的差距，因此對(duì)機(jī)器人上下料技術(shù)的研究，尤其是對(duì)大型柔性重載機(jī)器人沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線上下料技術(shù)的研究具有非常重要的實(shí)際意義。以汽車(chē)和摩托車(chē)生產(chǎn)為主的一批制造企業(yè)聯(lián)合哈爾濱工業(yè)大學(xué)、沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所等單位，對(duì)高速重載電焊及搬運(yùn)機(jī)器人的核心關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究和實(shí)施，然而對(duì)于沖壓機(jī)器人領(lǐng)域的相關(guān)研究和應(yīng)用并未深入，尤其針對(duì)高速重載沖壓機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)尚未從根本上解決。因此，對(duì)高速重載沖壓機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)研究具有非常重要的實(shí)際意義。 1.2 工業(yè)機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.2.1國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國(guó)從20 世紀(jì)70 年代起開(kāi)始了關(guān)于工業(yè)機(jī)器人的研究,經(jīng)過(guò)幾代人的不懈努力，現(xiàn)已基本掌握了工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)和機(jī)器人軟件和編程等關(guān)鍵技術(shù)。在機(jī)器人領(lǐng)域，成長(zhǎng)起一批具有較強(qiáng)科研實(shí)力的公司和科研院校，如中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化有限公司、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、東南大學(xué)等[2]。國(guó)防科技大學(xué)針對(duì)機(jī)械臂模塊化的發(fā)展需求,設(shè)計(jì)提出了一種基于Sarrus機(jī)構(gòu)的模塊化機(jī)器人擬人手臂，利用Sarrus機(jī)構(gòu)在機(jī)器人手臂中能夠同時(shí)傳遞運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力和連接兩相鄰模塊的特點(diǎn),能夠有效拓展機(jī)械臂的工作空間,增強(qiáng)其運(yùn)動(dòng)靈活性；清華大學(xué)以斯坦福機(jī)械手臂為研究對(duì)象，將多模型自適應(yīng)控制應(yīng)用在機(jī)器人手臂控制中，對(duì)被控對(duì)象建立離散時(shí)間模型，并建立自適應(yīng)控制器并在斯坦福大學(xué)的基礎(chǔ)上有所改進(jìn)，在斯坦福大學(xué)的機(jī)械手自適應(yīng)控制算法當(dāng)中，參數(shù)破壞經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致總體系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，清華大學(xué)為被控對(duì)象模型建立多個(gè)模型，通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象參數(shù)不確定性的有效覆蓋，這種構(gòu)建多模型自適應(yīng)控制器的方法，將“局部化”技術(shù)引用進(jìn)來(lái)，可在保證多模型自適應(yīng)精度的同時(shí)減少計(jì)算時(shí)間；哈爾濱工業(yè)大學(xué)在七自由度仿人手臂雙臂一體機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)學(xué)研究中做出了突出成績(jī)。由于雙臂協(xié)調(diào)和單臂運(yùn)動(dòng)是相關(guān)且并行的，所以，提出用對(duì)單臂運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解進(jìn)行修正的方法來(lái)得到雙臂協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解。通過(guò)對(duì)雙臂上任意臂桿避碰的分析，提出了相碰檢驗(yàn)條件及避碰附加作業(yè)模型，并利用冗余自由度和Jacoban矩陣的零空間分解得到了雙臂避碰附加作業(yè)聞解，最后用此逆解修正單臂運(yùn)動(dòng)；東南大學(xué)對(duì)于機(jī)器人操作手運(yùn)動(dòng)能力指數(shù)的應(yīng)用，分析了機(jī)器人操作手速度空間理論，以操作手運(yùn)動(dòng)能力指數(shù)為性態(tài)指標(biāo)，對(duì)操作手進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與規(guī)劃；南京航空航天大學(xué)作了空間柔性雙臂機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)建模及控制的研究，基于假設(shè)模態(tài)法、拉格朗日方程和系統(tǒng)動(dòng)量守恒，推導(dǎo)了自由浮動(dòng)空間柔性雙臂機(jī)器人協(xié)調(diào)操作剛性負(fù)載閉鏈系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，并利用位置一力混合控制算法對(duì)該動(dòng)力學(xué)模型實(shí)現(xiàn)了軌跡跟蹤控制，最后進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)控制仿真。 1.2.2國(guó)外研究現(xiàn)狀 由于機(jī)器人沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線的特點(diǎn)很好地適應(yīng)了當(dāng)今汽車(chē)行業(yè)車(chē)身更新?lián)Q代速度快的要求，在世界范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用。各大機(jī)器人公司抓住了這一重大商機(jī)，紛紛研發(fā)出了適用于沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線的沖壓機(jī)器人[3]。比如：KUKA 公司的 KR-P 系列機(jī)器人，圖 1.2 為 KR120-2P 機(jī)器人，該機(jī)器人最大工作范圍達(dá) 3500mm，負(fù)荷 120kg，附加負(fù)荷 50kg；ABB 公司研制的沖壓機(jī)器人 IRB 6660，，該機(jī)器人工作范圍為 3100mm，承載能力達(dá) 130kg。 圖1.1 TUKA搬運(yùn)機(jī)器人 中國(guó)的工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)、生產(chǎn)水平與世界其他先進(jìn)國(guó)家比較起來(lái)仍然有較大差距，隨著傳統(tǒng)的功能型工業(yè)機(jī)器人越來(lái)越成熟，各國(guó)科學(xué)家正逐漸將具有完全自主能力的、擬人化的智能機(jī)器人做為下一步的研究重點(diǎn)。特別是對(duì)于機(jī)器人手臂的研究，是現(xiàn)階段研究的熱點(diǎn)。德國(guó)KUKA公司研制的重負(fù)載工業(yè)機(jī)器人在極端的鑄造環(huán)境中可以安全有效、精確的移動(dòng)極為沉重的物件，并保持一定的速度；德國(guó)GTA公司生產(chǎn)的巷道支護(hù)設(shè)備AMG5000、AMG5001/5002、SKM 88 FH等，均有部分設(shè)計(jì)模塊與工業(yè)機(jī)器人相關(guān)，特別是類機(jī)器人手臂的設(shè)計(jì)應(yīng)用相當(dāng)廣泛。因?yàn)楝F(xiàn)今工業(yè)機(jī)器人智能化越來(lái)越高，所以機(jī)器人的設(shè)計(jì)不斷向模塊化發(fā)展，設(shè)計(jì)制造分工合作顯得越來(lái)越重要。 近幾十年，工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了開(kāi)環(huán)控制、閉環(huán)位置控制、自適應(yīng)控制等階段[4-5]。下一代的控制系統(tǒng)要求更快的實(shí)時(shí)響應(yīng)來(lái)應(yīng)對(duì)不可預(yù)知的人類參與以及突發(fā)性安全問(wèn)題?，F(xiàn)在，閉環(huán)硬件系統(tǒng)主要由微處理器進(jìn)行控制，例如DSP 和 RISC控制器[6]等。 應(yīng)用上，雖然現(xiàn)在絕大多數(shù)的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)依然是基于PC技術(shù)開(kāi)發(fā)[7]，但是，隨著嵌入式處理器性能的提高，這些領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)逐漸被嵌入式系統(tǒng)所取代。例如，隨著ARM處理器的迅速發(fā)展，很多原先運(yùn)行在PC機(jī)和其他專用硬件設(shè)備上的實(shí)時(shí)軟件已被移植到ARM處理器上。 CNC控制器也正在被嵌入式系統(tǒng)所取代[8-9]，因?yàn)檫@樣可以減少硬件成本和增加系統(tǒng)的可靠性 1.3設(shè)計(jì)完成的工作和創(chuàng)新點(diǎn) 完成的工作： 表1.1完成工作清單 機(jī)械部分 控制部分 1、圖紙：總裝圖 A0 回轉(zhuǎn)支承組件 A1 機(jī)械臂組件 A1 升降支撐組件 A1 升降滑塊組件 A2 芯軸 A2 伸縮臂滑塊 A2 小齒輪 A3 總計(jì) 3.4張A0 1、圖紙： 電氣原理圖 A1 控制器原理圖 A3 PCB圖 A4 總計(jì) 0.7張A0 2、硬件部分： 電源電路、通信電路選型 控制器電路設(shè)計(jì) 3、軟件部分： uC/OS_II操作系統(tǒng)移植、 觸摸屏控制程序、復(fù)位程序、五路脈沖輸出、示教程序編寫(xiě) 2、其他：三維實(shí)體總裝圖 三維動(dòng)畫(huà) 本設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)在于： （1）將32位嵌入式處理器STM32ZET6和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II引入到單臂沖壓機(jī)器人的控制當(dāng)中，取代了傳統(tǒng)的PC、PLC控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力且大大降低了成本。 （2）利用FLASH斷電數(shù)據(jù)保持的特性，開(kāi)發(fā)出簡(jiǎn)易的示教控制系統(tǒng)，提高了沖壓機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力。 1.3.1機(jī)械本體 主要?jiǎng)澐譃椋旱撞靠蚣芙M件設(shè)計(jì)、回轉(zhuǎn)支承組件設(shè)計(jì)、升降支撐組件設(shè)計(jì)、機(jī)械臂組件設(shè)計(jì)、升降滑塊組件設(shè)計(jì)等五個(gè)部分。 ①底部框架組件設(shè)計(jì)：包括腳輪托架和底部框架的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過(guò)程主要包括底部框架組件的外型設(shè)計(jì)，材料選型以及計(jì)算校核等。 ②回轉(zhuǎn)支承組件設(shè)計(jì)：包括電機(jī)托板、定位立柱、支撐板、支撐套、上下端蓋、芯軸以及非標(biāo)墊圈的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過(guò)程主要包括回轉(zhuǎn)支承組件的外型設(shè)計(jì)，材料選型以及計(jì)算校核等。 ③升降支撐組件設(shè)計(jì)：包括側(cè)板、定位板、限位柱、蓋板、電機(jī)過(guò)渡支撐、緊固套、非標(biāo)墊圈的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過(guò)程主要包括升降支撐組件的外型設(shè)計(jì)，材料選型以及計(jì)算校核等。 ④機(jī)械臂組件設(shè)計(jì)：包括壓塊、伸縮臂滑塊、限位托架、法蘭座、前后端支撐板、軸承支座、固定側(cè)板、軸承端蓋、絲杠支撐端定位板、絲杠固定端定位板、電機(jī)支撐板、同步帶芯軸、手指轉(zhuǎn)接盤(pán)、非標(biāo)墊圈的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過(guò)程主要包括機(jī)械臂組件的外型設(shè)計(jì)，材料選型以及計(jì)算校核等。 ⑤升降滑塊組件設(shè)計(jì)：包括升降滑塊、滑塊后端蓋、齒輪緊固套、滑塊軸承止動(dòng)環(huán)、滑塊前端蓋、非標(biāo)齒輪、齒輪限位套、滑塊軸、非標(biāo)墊圈的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過(guò)程主要包括升降滑塊組件的外型設(shè)計(jì)，材料選型以及計(jì)算校核等。 ⑥電機(jī)選型設(shè)計(jì)：根據(jù)負(fù)載情況選擇合適的伺服電機(jī)。一共有五個(gè)，包括回轉(zhuǎn)電機(jī)、升降電機(jī)、機(jī)械臂伸縮電機(jī)、吸盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)、機(jī)械臂回轉(zhuǎn)電機(jī)。 1.3.2嵌入式控制系統(tǒng) 主要?jiǎng)澐譃橛布到y(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩部分： 嵌入式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)硬件研發(fā),包括電源電路、控制器電路、 通信電路： 表1.2系統(tǒng)硬件電路劃分及其功能簡(jiǎn)介 電路名稱 功能簡(jiǎn)介 電源電路 負(fù)責(zé)將市電（220V）轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的3.3V電壓為控制器供電,該部分電路包括：變壓器電路，橋式整流電路、集成穩(wěn)壓電路。 控制器電路 整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要包括STM32ZET6芯片、晶振、電源輸入、管腳輸出、復(fù)位電路等部分。 通信電路 提供單片機(jī)與觸摸屏交互的接口，主要由ALIENTEK TFTLCD模塊組成。 嵌入式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)軟件研發(fā)，采用嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II模塊化設(shè)計(jì)方法，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和擴(kuò)展性，分為五個(gè)模塊：uC/OS_II操作系統(tǒng)、觸摸屏控制程序、復(fù)位程序、5路脈沖輸出、示教功能。 表1.3系統(tǒng)硬件電路劃分及其功能簡(jiǎn)介 軟件模塊名稱 功能簡(jiǎn)介 研究重點(diǎn) uC/OS_II操作系統(tǒng) 負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度。 操作系統(tǒng)在STM32ZET6環(huán)境下的移植。 觸摸屏控制程序 通過(guò)觸摸屏進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定，完成示教功能。 該部分主要包括為觸摸屏底層驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用層調(diào)用程序的編寫(xiě)。 復(fù)位程序 控制機(jī)械手回到原點(diǎn)。 當(dāng)位置傳感器檢測(cè)到機(jī)械手指定位置信息時(shí)將觸發(fā)控制器外部中斷，然后，由中斷程序進(jìn)行復(fù)位。 五路脈沖輸出 伺服電機(jī)采用位置控制，控制器通過(guò)向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送5路脈沖來(lái)分別控制5個(gè)伺服電機(jī)。 向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送5路脈沖 示教功能 使機(jī)器具有一定的記憶性，達(dá)到示教功能 將設(shè)置好的參數(shù)，存入到STM32片內(nèi)的FLASH中，下次運(yùn)行時(shí)自動(dòng)裝載 本設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： （1）綜合采用32位嵌入式處理器的主控單元和μC/OS-II模塊化編程思想，提高了沖壓機(jī)器人的快速響應(yīng)能力且大大降低了成本。 （2）利用FLASH斷電數(shù)據(jù)不易失的特性，將設(shè)置好的運(yùn)行參數(shù)保存在STM32內(nèi)部FLASH中，這樣在下次啟動(dòng)時(shí)即可直接運(yùn)行設(shè)置好的參數(shù)，從而避免了重復(fù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)示教功能。從而大大提高了沖壓機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力。  1.4存在的問(wèn)題及后續(xù)設(shè)計(jì)展望 存在問(wèn)題及后續(xù)展望從機(jī)械本體和控制系統(tǒng)兩方面展開(kāi)敘述： 本設(shè)計(jì)借鑒許多已有設(shè)備的連接、傳動(dòng)以及功能實(shí)現(xiàn)方式，將他們結(jié)合在一起，難免會(huì)出現(xiàn)配合上的問(wèn)題。再設(shè)計(jì)計(jì)算得過(guò)程中，由于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性，在建立力學(xué)模型尋找中心時(shí)會(huì)出現(xiàn)不精確的情況，使計(jì)算顯得略微粗糙。 機(jī)械本體的設(shè)計(jì)采用過(guò)多的非標(biāo)件導(dǎo)致制造成本過(guò)高，圖紙工作量太大。另外由于缺乏經(jīng)驗(yàn)，機(jī)械上有很多地方可以精簡(jiǎn)改進(jìn)，比如升降滑塊組件由于對(duì)空間考慮不夠?qū)е略趯?shí)際安裝電機(jī)時(shí)比較麻煩。 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)雖然主體功能均能夠?qū)崿F(xiàn)，但是，觸摸屏界面設(shè)計(jì)較為單一，操作上不夠智能化；代碼不夠精簡(jiǎn)，有些地方存在重復(fù)代碼導(dǎo)致運(yùn)行效率下降。 1.5論文總體結(jié)構(gòu) 本設(shè)計(jì)將分為六個(gè)章節(jié)進(jìn)行討論。 第一章 分析了沖壓機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀并簡(jiǎn)單介紹了本文設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思路、主要內(nèi)容以及研究意義。 第二章 對(duì)整體設(shè)計(jì)方案及各部分功能以及設(shè)計(jì)的思路進(jìn)行了介紹。 第三章 對(duì)機(jī)械本體的各關(guān)鍵部位進(jìn)行了的選型與必要的校核。 第四章 主要從硬件設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩方面對(duì)沖壓機(jī)器人的控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。 第五章 總結(jié)了本文主要研究的內(nèi)容及解決的問(wèn)題，并提出存在的不足。 2 總體方案設(shè)計(jì) 圖2.1 總體設(shè)計(jì)方案 該設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)方案如圖2.1所示，將整體分塊解決，對(duì)于該單臂機(jī)械手系統(tǒng)，將其分成兩個(gè)模塊。首先對(duì)機(jī)械本體進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。 2.1系統(tǒng)總體簡(jiǎn)介 針對(duì)該單臂機(jī)器人想要實(shí)現(xiàn)的功能，對(duì)該設(shè)備進(jìn)行了CAXA三維建模，如圖2.2所示，模型由底部框架組件、回轉(zhuǎn)支承組件、升降支撐組件、機(jī)械臂組件、升降滑塊5部分組成。各部分協(xié)調(diào)配合工作，實(shí)現(xiàn)單臂機(jī)械手在兩個(gè)沖壓工位之間的工件搬運(yùn)功能。 工作過(guò)程：?jiǎn)?dòng)運(yùn)行，機(jī)械手回到初始位置，然后按照設(shè)定程序，先從一號(hào)工位吸取工件，然后，機(jī)身回轉(zhuǎn)至二號(hào)工位，吸盤(pán)放下工件，進(jìn)行沖壓，再次吸取工件，然后將工件放在成品處，循環(huán)進(jìn)行下一次動(dòng)作。 期間，通過(guò)觸摸屏可以實(shí)時(shí)控制各電機(jī)，實(shí)現(xiàn)行程和速度的調(diào)節(jié)，并將相應(yīng)參數(shù)存入片內(nèi)FLASH，使下次運(yùn)行時(shí)直可接運(yùn)行上次設(shè)置好的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)示教功能。 當(dāng)按下復(fù)位鍵時(shí)，機(jī)械手向右轉(zhuǎn)動(dòng)，碰到行程開(kāi)關(guān)時(shí)停止。 當(dāng)按下暫停鍵時(shí)，系統(tǒng)保留當(dāng)前運(yùn)行參數(shù)并停止，再次按下暫停鍵，系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。 圖2.2 CAXA三維模型 圖中：1—升降支撐組件，2—機(jī)械臂組件，3—底部框架組件，4—回轉(zhuǎn)支撐組件，5—升降滑塊組件。 2.2機(jī)械本體各部分設(shè)計(jì)方案及功能介紹 2.2.1機(jī)械臂組件 機(jī)械臂組件三維模型如圖2.3所示，該部分主要由絲杠組件、手指轉(zhuǎn)接盤(pán)、側(cè)板組成，其功能是實(shí)現(xiàn)機(jī)器臂沿某一方向的伸出運(yùn)動(dòng)，本質(zhì)上是一個(gè)絲杠傳動(dòng)的直線運(yùn)動(dòng)裝置，伸出功能的實(shí)現(xiàn)是靠絲杠連接的的伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)的。 圖2.3 機(jī)械臂組件 2.2.2回轉(zhuǎn)支承組件 回轉(zhuǎn)支撐組件三維模型如圖2.4所示，該部分主要由電機(jī)托板、定位立柱、支撐板、支撐套、上下端蓋、芯軸組成，其功能是實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)器人手臂沿某一方向的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)功能的實(shí)現(xiàn)是靠回轉(zhuǎn)支撐組件下的伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)的 圖2.4回轉(zhuǎn)支撐組件 2.2.3升降支撐組件 升降支撐組件三維模型如圖2.5所示，該部分功能是將機(jī)械臂及升降滑塊組件實(shí)現(xiàn)整體升降運(yùn)動(dòng)，其功能是靠圖2.5下部電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)的，升降滑塊組件通過(guò)兩限位柱上的直線軸承以及絲杠組件固定。 圖2.5升降支撐組件 2.2.4升降滑塊組件 升降滑塊組件三維模型如圖2.6所示，該部分功能是將升降支撐組件及升降滑塊組件連接在一起并通過(guò)電機(jī)時(shí)機(jī)械臂組件實(shí)現(xiàn)軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，其功能是一級(jí)齒輪實(shí)現(xiàn)的，升降滑塊組件通過(guò)兩限位柱上的直線軸承以及絲杠組件固定。 圖2.6 升降滑塊組件 2.2.5 底部框架組件 底部框架組件三維模型如圖2.7所示，該部分用于固定回轉(zhuǎn)支撐組件和升降支撐組件，控制部分也將被安裝在這里，由鋁型材、角鋼、T型螺栓、法蘭螺母、腳輪托架、腳輪直接搭建而成。 圖2.7底部框架組件 2.3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 2.3.1嵌入式系統(tǒng)硬件 ① 使用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件altium designer10進(jìn)行原理圖繪制并生成PCB板。 ② 電源電路和通信電路通過(guò)外購(gòu)滿足。 2.3.2嵌入式系統(tǒng)軟件 ① μC/OS-II操作系統(tǒng)：將UC/OS_II移植到STN32ZET6硬件平臺(tái)，需要修改：os_cpu.h、os_cpu_a.asm和os_cpu.c三個(gè)文件。 ② 觸摸屏控制：采用廣州星翼電子科技有限公司開(kāi)發(fā)的ALIENTEK TFT LCD模塊。通過(guò)軟件模擬SPI完成觸摸屏與STM32的信息交互。 ③ 復(fù)位功能：采用STM32 IO口外部中斷實(shí)現(xiàn)， STM32F103ZET6總共只有112個(gè)IO，除去RTC晶振占用的2個(gè)IO，剩下的每個(gè)IO都可以作為外部中斷的中斷輸入口。當(dāng)機(jī)械手到達(dá)指定位置時(shí)，位置傳感器觸發(fā)STM32指定管腳，引發(fā)外部中斷，程序立即跳轉(zhuǎn)到中斷處理程序控制輸出管腳輸出指定數(shù)量的脈沖以實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能。 ④ 5路脈沖輸出：采用定時(shí)器中斷觸發(fā)GPIO口翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)。 ⑤ 示教功能：將觸摸屏調(diào)節(jié)好的參數(shù)直接存入到STM32片內(nèi)FLASH中，當(dāng)系統(tǒng)再次運(yùn)行時(shí)，直接調(diào)用FLASH中存儲(chǔ)的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)示教功能。 2.4本章小結(jié) 本章主要介紹了該單臂機(jī)械手系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，將整個(gè)系統(tǒng)分為機(jī)械本體和控制系統(tǒng)兩個(gè)大模塊，并依次對(duì)每個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案及功能進(jìn)行了的介紹，但每一模塊之間的連接關(guān)系及連接方式有的沒(méi)有具體介紹，在下文中將會(huì)做出詳細(xì)講解。 3 關(guān)鍵部位的選型與校核 3.1回轉(zhuǎn)支撐組件部分 3.1.1電機(jī)M1及其減速機(jī)的選型與校核 計(jì)算依據(jù)——《伺服電機(jī)應(yīng)用技術(shù)》顏嘉男編著[10] ①計(jì)算電機(jī)負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 使用CAXA三維實(shí)體設(shè)計(jì)2013計(jì)算各組件相對(duì)于電機(jī)軸 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，具體方法如下： a、進(jìn)入CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)界面，將局部坐標(biāo)y軸與電機(jī)軸重合。 b、依次選中各零件，在其“屬性參數(shù)”中設(shè)置零件的密度或直接鍵入質(zhì)量數(shù)值。 c、完成前兩步之后，依次選中各組件，單擊“工具”T “物性計(jì)算”T “慣性矩”T“使用局部坐標(biāo)系統(tǒng)”T “計(jì)算”，即可求得該組件相對(duì)于電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Iyy。 得到結(jié)果如下： 機(jī)械臂組件 （包含最大搬運(yùn)質(zhì)量3kg） 升降支撐組件 升降滑塊組件 回轉(zhuǎn)芯軸 回轉(zhuǎn)部聯(lián)軸器 將所得轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和折算到電機(jī)軸上得電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： n —減速機(jī)減速比，預(yù)選定為50 —減速機(jī)相對(duì)于電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，預(yù)定為300 kg×mm2 —電機(jī)軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩，kg×mm2 ②預(yù)選電機(jī)M1型號(hào) 由《伺服電機(jī)應(yīng)用技術(shù)》169頁(yè)說(shuō)明知： 一般情況下，所選電機(jī)慣量應(yīng)大于1/10 負(fù)載慣量 查閱《松下A5電機(jī)產(chǎn)品手冊(cè)》,將電機(jī)型號(hào)初步選擇為：MSME152GCH 表3.1 MSME152GCH參數(shù)表 ③電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩校驗(yàn) a、電機(jī)M1加速轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式： 式中： Ta —加速轉(zhuǎn)矩，N×m JL —電機(jī)軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩，kg×mm2 JM —電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg×mm2 N0—電機(jī)轉(zhuǎn)速，rmin tpsa—加速時(shí)間，取1.5s 帶值得： b、電機(jī)M1減速轉(zhuǎn)矩計(jì)算： 式中： —減速轉(zhuǎn)矩，N×m —減速時(shí)間，取1.5s 代值得： c、折算到電機(jī)軸上的運(yùn)行負(fù)載轉(zhuǎn)矩： 式中：—運(yùn)行負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N×m —摩擦因子 —，35mm —計(jì)算效率,此處取0.8 —推力球軸承所受的正壓力，N 正壓力： 式中：—最大設(shè)計(jì)負(fù)荷質(zhì)量， kg —機(jī)械臂組件質(zhì)量，kg —滑塊組件質(zhì)量，kg —升降支撐組件質(zhì)量，kg 質(zhì)量同樣由CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)2013“物性計(jì)算”得到，方法從略。 得：m0=3kg , m1=16kg, m2=10kg, m3=35kg 代值得： G負(fù)= 640 N 由《中國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)大典》江西科技出版社 表20.1-29查得: 推力球軸承 = 0.0013 將上述數(shù)值代入得： T0 =0.0013×640×0.035×2π 0.8= 0.23 N×m 由a、b、c知最大轉(zhuǎn)矩： Tmax = T0 + Ta = 0.37 + 0.23 = 0.6 N×m 所選電機(jī)的瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩為14.3 N×m > 0.6 N×m，故最大轉(zhuǎn)矩校驗(yàn)合格。 ④連續(xù)瞬間轉(zhuǎn)矩校驗(yàn) 分析單臂機(jī)器人工況可知，其整體回轉(zhuǎn)角度為60° 可得電機(jī)M1實(shí)際運(yùn)行曲線如圖3.1： 1500 0 0.5 1 t(s) 圖3.1電機(jī)M1實(shí)際運(yùn)行曲線 所以，連續(xù)瞬間轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式 （1） 式中：—加速時(shí)的轉(zhuǎn)矩，N×m Tma = Tmax= 0.6 N×m —減速時(shí)的轉(zhuǎn)矩，N×m Tmd= 0.37 - 0.23 = 0.14 N×m —保持轉(zhuǎn)矩，N×m TCH=0 N×m —保持時(shí)間，0 s —M1運(yùn)行時(shí)間，1 s 代值得： Tms= 0.62×0.5+0.142×0.5 = 0.69 N×m 所選電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為4.77 N×m > 0.69 N×m，故連續(xù)瞬時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩校驗(yàn)合格。 綜合③、④知：預(yù)選電機(jī)MSME152GCH 滿足要求。 ⑤減速器的選擇 根據(jù)電機(jī)M1尺寸及減速比選擇適配減速機(jī)為: AB142-050-52-P2 該減速器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：257 kg×mm2<300 kg×mm2 (預(yù)定值)，故不影響電機(jī)校驗(yàn)結(jié)果。 3.1.2推力球軸承靜載荷校核 計(jì)算依據(jù)——《機(jī)械設(shè)計(jì)》程志紅著[11] 預(yù)定推力球軸承型號(hào)為5100型 55 其基本參數(shù)如下： 額定靜載荷 33.8 KN 額定動(dòng)載荷 89.2KN 極限轉(zhuǎn)速 2800r/min 因?yàn)閷?duì)于基本不轉(zhuǎn)動(dòng)或轉(zhuǎn)速極低的軸承，其主要失效形式為產(chǎn)生過(guò)大的塑性變形，故結(jié)合本推力球軸承工作條件知只需要對(duì)其進(jìn)行額定靜載荷校驗(yàn)。 校驗(yàn)公式： （2） 式中：?0 —軸承額定靜載荷，KN S0 —軸承靜強(qiáng)度安全系數(shù) P0 —當(dāng)量靜載荷，KN 查表10-8可知， S0 取1.0 分析知：P0 = ( i=13mi +m0 )×g × S0 =（16+10+35+3）×10×1.0=640 N15.22 mm 所以，滿足要求。 3.2.2電機(jī)M4選型與校核 ①計(jì)算電機(jī)M1負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 式中：— — —適配聯(lián)軸器相對(duì)于電機(jī)M4軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， — 由CAXA計(jì)算得 : JL2=28.8 kg×mm2 JL3 =7.5 kg×mm2 JL1=W×(V20πN)2= W×(?S20π)2 式中： W — 物體質(zhì)量，kg W=11.14 kg ?S—mm ?S=Ph=10mm V —直線運(yùn)動(dòng)物體的速度，mm/min N —伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，r/min 代入值得： JL1=11.14×(1020π)2 = 0.28 ×10-4 kg×m2 所以， JL=（0.28+0.29+0.075）× 10-4 = 0.645 × 10-4 kg×m2 ②預(yù)選電機(jī)M4 按照1/10 負(fù)載慣量預(yù)選電機(jī)，查閱《松下A5電機(jī)產(chǎn)品手冊(cè)》 初選電機(jī)型號(hào)為：MSMD022G1S 表3.3 MSMD022G1S參數(shù)表 ③最大轉(zhuǎn)矩校驗(yàn) 加速轉(zhuǎn)矩： （13） 折算到電機(jī)軸上的運(yùn)行負(fù)載轉(zhuǎn)矩： T0=F??S 2π×103×h F =μW?g+F0+Fc 式中： Fc —運(yùn)動(dòng)軸方向的作用力，N ，受力分析知為0 N —運(yùn)動(dòng)部分向桌面的擠壓力，N，受力分析知為0 N h—驅(qū)動(dòng)部分的效率,此處取0.8 μ—摩擦系數(shù)，取0.1 —伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)，直線物體的移動(dòng)量，mm ?S=Ph=10mm 代值得： F =0.1×11.14×10+0+0 = 11.14 N T0=11.14×10 2π×103×0.8= 0.02 N×m 電機(jī)所受最大轉(zhuǎn) Tmax = T0 + Ta = 0.02 + 0.08 = 0.1 N×m 所選電機(jī)的瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩為1.91N×m > 0.1 N×m，故最大轉(zhuǎn)矩校驗(yàn)合格。 ④連續(xù)瞬間轉(zhuǎn)矩校驗(yàn) （14） 所選電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為0.64N×m > 0.072 N×m，故連續(xù)瞬時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩校驗(yàn)合格。 綜合③、④知：預(yù)選電機(jī)MSMD022G1S 滿足要求。 3.3升降支撐組件部分 3.3.1絲杠2的選型與計(jì)算 ①初算導(dǎo)程 Ph ≥ Vmaxnmax （15） 由設(shè)計(jì)要求，得： Vmax = 20000 mmmin nmax = 3000 rmin 代入（20）式得： Ph ≥ 6.7 mm 結(jié)上表3.2，預(yù)選滾珠軸承基本導(dǎo)程 Ph =10 mm , 公稱直徑 d0 =25 mm 則滑塊最大速度：Vmax= Ph ? nmax =10 mmr×3000rmin = 0.5 ms ②絲杠當(dāng)量載荷計(jì)算值 加速力：Fup=m0 +m1 +m2×（aMAX+g）=(16+10+3)×10+2=348N 減速力：Fdn= m0 +m1 +m2×g = (16+10+3) × 10= 290 N Fmax= Fup Fmin = Fdn 所以， Fm = 13 (2×348+290) = 328.7 N ③絲杠當(dāng)量轉(zhuǎn)速計(jì)算值 nm = 12 (nmax+ nmin) = 12 (3000+ 0) = 1500r/min ④額定動(dòng)載荷 Cam= fw ? Fm (60nmLh)13100 fa ?fc 式中：Cam—額定動(dòng)載荷，N fw —載荷性質(zhì)系數(shù)，由表“載荷性質(zhì)系數(shù)fw ” 取1.3 fa? —精度系數(shù)，由表“精度系數(shù)fa” 取0.9 fc —可靠性系數(shù)，由表“可靠性系數(shù)fc” 取0.62 Lh —預(yù)期工作壽命，h ,取29200 h (十年，每年按365天計(jì)，每天工作8小時(shí)) 代入值得： Cam= 1.3×328.7×(60×1500×29200)13100× 0.9× 0.62 = 10178N ⑤估算滾珠絲杠副底徑 d2m=a F0Lδm =0.078290×0.15×(591×1.1+12)×3 = 22.7mm 前預(yù)選定 d0=25mm >22.7 mm 所以，滿足要求。 3.4升降滑塊組件部分 3.4.1電機(jī)M3及其減速機(jī)的選型與校核 ①計(jì)算電機(jī)負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 同樣，有CAXA三維實(shí)體設(shè)計(jì)“物性計(jì)算”功能得出機(jī)械臂組件、滑塊軸、大齒輪相對(duì)于滑塊軸中心線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為76261 kg×mm2、209 kg×mm2、761 kg×mm2 鎖緊卡圈，小齒輪相對(duì)于電機(jī)M3軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為2.04 kg×mm2、48kg×mm2。 齒輪傳動(dòng)比為2，減速機(jī)減速比為5。 所以，總負(fù)載慣量： J=76261+209+761(2×5)2 + (2.04+48)52 =7.14 × 10-4 kg×m2 ②預(yù)選電機(jī)M3 預(yù)選電機(jī)型號(hào)為：MSMD042G1S 說(shuō)明：由下表可知，MSMD042G1S 轉(zhuǎn)子慣量 0.26×10-4 kg×m2 。大于1/10 負(fù)載慣量，但依然滿足電機(jī)參數(shù)表中“對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子慣量的推薦負(fù)載慣量比”（30倍以下）所以，可用。 表3.4 MSMD042G1S參數(shù)表 ③最大轉(zhuǎn)矩校驗(yàn) 加速轉(zhuǎn)矩： Ta= (JL + JM ) × N09.55 × 104 × tpsa =7.14+0.26×30009.55 × 104 × 1 = 0.23 N×m 運(yùn)行負(fù)載轉(zhuǎn)矩：Tf = (m1+m5) ?g ?μ?R 式中： Tf —運(yùn)行負(fù)載轉(zhuǎn)矩， N×m R —軸承半徑，18mm μ —摩擦系數(shù)，取0.2 m5 —滑塊軸質(zhì)量，1.6 kg 代值得：Tf = (m1+m5) ?g ?μ?R =(16+1.6)×10×0.02×18×10-3=0.064 N×m 最大轉(zhuǎn)矩： Tmax = Tf + Ta = 0.23 + 0.064 = 0.3 N×m 所選電機(jī)的瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩為3.8N×m > 0.3 N×m，故最大轉(zhuǎn)矩校驗(yàn)合格。 ④連續(xù)瞬間轉(zhuǎn)矩校驗(yàn) = 0.24N×m 所選電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為1.2N×m > 0.24 N×m，故連續(xù)瞬時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩校驗(yàn)合格。 綜合③、④知：預(yù)選電機(jī)MSMD042G1S 滿足要求。 說(shuō)明：由于同級(jí)相近規(guī)格型號(hào)的價(jià)格也相近，成本增加不多；若規(guī)格參數(shù)較充裕，機(jī)構(gòu)修改時(shí)可減少更換電機(jī)的可能。所以，本說(shuō)明書(shū)中所有電機(jī)均選用較大規(guī)格的。 3.4.2齒輪校核 計(jì)算依據(jù)——《機(jī)械設(shè)計(jì)》程志紅著 ①設(shè)計(jì)說(shuō)明： 1、所設(shè)計(jì)為開(kāi)式齒輪,開(kāi)式齒輪主要失效形式為疲勞折斷和齒面磨損，目前只能進(jìn)行彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算，并將模數(shù)增加10%~20%的辦法來(lái)考慮磨損的影響。 2、初選定齒輪參數(shù)： 表3.5初選齒輪參數(shù)表 齒輪 材料 m z d（mm） b（mm） α da 等級(jí) 大齒輪 45鋼調(diào)質(zhì) 2 48 96 12 20° 100 6級(jí) 小齒輪 45鋼調(diào)質(zhì) 2 48 48 12 20° 52 6級(jí) ②現(xiàn)對(duì)齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算： 齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度校核公式: （16） 式中：γsa — 應(yīng)力修正系數(shù)。 γ? — 重合度系數(shù)，γ?=0.25+ 0.75/? γfa —齒形系數(shù)。 b —齒寬，mm d —分度圓直徑，mm —載荷系數(shù) T—主動(dòng)齒傳遞的名義轉(zhuǎn)