锻压机器人

一种锻造机器人的设计

邵启东于恒儒范国宏

摘要：本文研制的锻压机器人样机由步进电机、主动轮、万向轮、水平底座、底座支撑、电磁铁支架、电磁铁、同步带支架、同步带支架支撑、同步带等组成。底座的两个步进电机直接驱动主动轮，利用两个主动轮来控制前进和转弯，到达指定位置后，由固定在底座上的步进电机通过同步带来控制爪手的上下移动，然后再通过固定在手爪上的电磁铁的开合来夹持目标，其控制信号为远程无线控制。该机器人能有效利用了遥控操作，部分代替了人工，提高了工作效率和安全系数。

关键词：锻压机器人步进电机电磁铁无线控制

1引言

我国是一个锻压大国，大多数企业的生产车间环境比较恶劣，生产设备相对落后，绝大多数生产过程都是由人工操作完成，导致生产效率低，产品质量不稳定。工人劳动强度大，危险性大，加上夏季高温，工人大都不愿意学习该工种。而锻压机器人由先进的电脑及程序自动控制，能完全代替人工，完成锻造生产过程中的连续上料、翻转、下料等危险性高、简单重复性、劳动强度高的工作，同时能有效降低劳动强度及危险性，提高生产自动化程度，提高生产效率。

在国外，如日本、美国、德国等国早已有类似的机器人系统及多种配有机器人的生产线，长期工作在锻压生产线上，但一套90多万元的设备对我国的锻造企业来说难以承受，这就迫切需要具有自主知识产权的锻压机器人。由于机器人的手臂需要夹紧1100~1200C的高温工件，而且本体在锻锤连续击打时受到极大地震动与冲击，此外还需要与现有的原始设备相配合使用，这位机器人的设计提出了很大的挑战。

本文研制的锻压机器人在底盘下有四个轮子负责前进和转向（也可以设计成轨道形式）。其底盘上前部便是这个机器人的核心部位——机械手，能完成多种复杂的动作。通过遥控，这只机械手可以进行伸缩、弯曲和转动、最终完成抓取工件，满足锻压工艺要求。

2机器人的结构设计

2.1 总体设计

该锻压机器人是依靠控制电磁铁的通断电来实现上料和下料。因此在控制上料和下料的力度和位度上需要特别在意。在电磁铁通电后，电磁上连接一支圆弧形爪，依靠圆弧形爪来夹取锻件。为了防止执行装置发生超出上下移动的行程，在竖直的支撑架上端安装一行程制动挡轴。

传动装置的动作方式是依靠步进电机控制的同步带来实现对执行部件的竖直升降的，需要准确的定位支爪，因此采用步进电机控制同步带来达到上下位置的精准定位，且同步带有两块硬铝板材来支撑，这样既可以保证强度又减轻质量。

由于本机构需要机动灵活的运动，又要运物品，所以需要尽量的减轻车体质量，所以选用硬质铝材的板料

2.2 驱动电机的选择

目前普遍使用的电机有直流电机和步进电机两种。直流电机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速启动、制动和反转，可以实现各种不同的特殊运行要求，而步进电机动态转矩值波动范围较小。该机器人的运行是依靠驱动轮的运动来实现的，为了保证控制抓取和放下工件的力度和精度，必须要求它的运动足够精确且便于控制。所以本机构选用两个步进电动机作为驱动电

机，并且选用两个前车轮为驱动轮。

3.1 硬件系统设计

3.1.1 电源电路的设计

由于机器人行走、抓取等动作需要加大功率，一般电池不能满足其要求，所以选用了双输出交流整直流电源输出电压分别为24V、12V，额定电流分别为3A、2A。

考虑到AT89C52芯片要求的供电电压一般在5V，则电源电路需设计成5V的稳压供电电路，本文选用7805固定正输出电压集成稳压器，可以将输出电压稳定在5V。其电源电路设计如图所示：

3.1.2 步进电机驱动电路的设计

机器人的前进、后退、左转、右转以及爪的升降都由步进电机来控制。步进电机由驱动器控制，其驱动电压为12V。驱动器本身所需电压5V，驱动器的步进脉冲与方向脉冲由单片机提供。本设计的电路如图所示:

3.1.3 爪部电磁铁电路的设计

电磁铁用来抓取重物，他的开合由继电器控制，继电器型号为4100，工作所需电压为5V，由于继电器为电感应线圈所以并上一只继流二极管。为了不是继电器对单片机造成冲击，在三极管与单片机之间加光隔P521，电磁铁工作电压为24V。本设计的控制电路如图所示：

3.1.4 要控接收器与单片机的连接电路设计

遥控接收器本身需要5V电压，它的D0——D7引脚与单片机的P2.0——P2.7引脚对应相连，放遥控器发送端某一按键按下时与只对应的接收器上的引脚就为高电平，单片机上对应引脚也为高电平。其电路如图所示：

3.2 软件系统设计

3.2.1 程序设计

锻压机器人要实现的动作分别为机身前进、后退、左转、右转、爪的上升、下降、爪开、爪合。这八个动作对应八个子程序。主程序为检测P2口各引脚电平，检测到某一引脚为高电平则跳到对应子程序。流程图如图所示：

信号采集的主要功能是将遥控接收器的高低电平信号变化经I/O口接入单片机，再由单片机做出相应的反应，实现锻压机器人的各个动作。

4结论

随着机器人技术的迅速发展，在锻压生产中愈来愈多开始采用机器人。人们之所以重视应用锻压机器人，是由于在此行业的生产中存在一些特殊困难，而机器人却能很好地予以解决。本文对锻压机器人仅做了初步探究，方案有可取之处，但值得研究的地方还很多。

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