搬运机械手运动控制系统设计

搬运机械手运动控制系统设计

第一部分：题目设计要求。 一、搬运机械手功能示意图

二、基本要求与参数

本作业要求完成一种二指机械手的运动控制系统设计。该机械手采用二指夹持结构，如图1所示，机械手实现对工件的夹持、搬运、放置等操作。以夹持圆柱体为例，要求设计运动控制系统及控制流程。机械手通过升降、左右回转、前后伸缩、夹紧及松开等动作完成工件从位置A 到B 的搬运工作，具体操作顺序：逆时针回转(机械手的初始位置在A 与B 之间)—>下降—>夹紧—>上升—>顺时针回转—>下降—>松开—>上升，机械手的工作臂都设有限位开关SQ i 。 设计参数：

（1）抓重:10Kg

（2）最大工作半径：1500mm

A

B

工件 SQ 1

3SQ 4

SQ 5

SQ 6

夹紧

松开

（3）运动参数：

伸缩行程：0-1200mm；

伸缩速度：80mm/s；

升降行程：0-500mm；

升降速度：50mm/s

回转范围：0-1800

控制器要求：

（1）在PLC、单片机、PC微机或者DSP中任选其一；

（2）具备回原点、手动单步操作及自动连续操作等基本功能。

三、工作量

（1）驱动及传动方案的设计及部件的选择；

（2）二指夹持机构的设计及计算；

（3）总体控制方案及控制流程的设计；

（4）设计说明书一份。

四、设计内容及说明

（1）机械手工作臂及机身驱动部件的选择及设计，需设计出具体的驱动及传动方案，画出方案原理框图。

（2）末端夹持机构设计，该结构需保证抓取精度高，重复定位精度和运动稳定性好，并有足够的抓取能力。设计应包括确定夹持方案、计算夹持范围、计算夹紧力及驱动力，完成夹持机构设计图。

（3）控制系统设计，包括确定控制方案、核心功能部件的选择、主要功能模块的实现原理、绘制控制流程框图。

第二部分：设计过程

搬运机械手运动控制系统设计

一机械手工作臂及机身驱动部件的选择及设计，需设计出具体的驱动及传动方案，画出方案原理框图。

1 工作台升降，机械手臂张合及伸缩驱动部件选用步进电机，速度容易控制，位置精度高。

蜗轮蜗杆部分，选择普通异步电机。

2 传动方案：

搬运机械手运动控制系统的传动分为四个部分：

1）旋转台的升降部分传动：电机M1提供动力，经过传动螺杆，变电机的旋转运动为升降台的直线运动。

图1 工作台升降传动

2）旋转台的旋转部分传动：此为上图的A部分，正视A如下图所示。电机M2提供动力，经过减速机构，实现旋转台的旋转运动。

图2 工作台旋转部分传动方案

3）机械手臂的伸缩部分传动：此为上图的B部分，从S向看B如下图所示。电机M3提供动力，经过传动螺杆，变电机的旋转运动为机械手臂的伸缩运动。

图3 机械手臂伸缩部分的传动方案

4）机械手的加持部分传动：此为上图的C部分，正视C如下图所示。电机M4提供动力，经过传动螺杆，实现机械手的夹持动作，详见图夹持机构图

图4 机械手张合部分的传动方案

二末端夹持机构设计，该结构需保证抓取精度高，重复定位精度和运动稳

定性好，并有足够的抓取能力。设计应包括确定夹持方案、计算夹持范围、计算夹紧力及驱动力，完成夹持机构设计图。

图5 夹持结构

1 夹持方案：采用二指夹持机构，机械手的开与合依靠螺杆的旋进与旋出（见下图）。

计算夹持范围：当机械手完全闭合式，中间夹持部分能够夹持的圆柱直径为48mm

图6 搬运机械手夹持结构设计

计算过程：已知L=48mm，角度α=60°，故

R=L×sin α

2

=48×sin30°=24mm

故R=24mm，直径D=48mm。由下图可知，最大夹持范围

D max=154

100

×s=1.54s

式中s为螺杆与机械手臂之间连杆的长度。

图7 搬运机械手受力图

计算夹紧力：夹紧力的大小与所夹持的工件重量有关。这里给出夹持工件的摩擦系数μ=0.7~0.8。

F1=G

2μ

×sin

α

2

F1=100+54

100

F2=1.54F2

图8 搬运机械手受力示意图

设F2与连杆间的夹角为α，F1与螺杆间的夹角为β，则F3=COSα

COSβ

F2=cotα∗F2，

则

F3=F1cotα

1.54

=(Gsin

α

2

cotα)/(2∗1.54μ)

选择螺杆的摩擦角φ，螺旋升角λ，则驱动力

F=(Gsin α

2

cotα∗tan⁡(λ+φ))/(2∗1.54μ)

三控制系统设计，包括确定控制方案、核心功能部件的选择、主要功能模块的实现原理、绘制控制流程框图。

控制方案：以单片机为核心，读取限位开关信息，根据限位开关信息，来控制电机的转动，最终实现真个过程的运动。

关于最终回到初始位置的方案设计：在初始位置处设定一个限位开关SQ01，SQ02，当按下结束键后，才起作用。当操作者按下结束键后，单片机控制旋转电机继续旋转，直至接触SQ01；升降电机继续运动，直至接触SQ02；机械手闭合，最终系统断电，复原。

1 控制器选择单片机，控制系统控制模块图

图9 搬运机械手控制系统控制模块图2绘制控制流程框图

图10 搬运机械手运动控制系统流程图