搬运机械手运动控制系统设计.docx
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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SQi。
设计参数：
（1）抓重:
10Kg
（2）最大工作半径：
1500mm
（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
，故
故R=24mm，直径D=48mm。
由下图可知，最大夹持范围
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
。
图8搬运机械手受力示意图
设
与连杆间的夹角为
，
与螺杆间的夹角为
，则
=
，
则
选择螺杆的摩擦角
，螺旋升角λ，则驱动力
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
图11机械手张开控制流程图
图12机械手闭合控制流程图
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