鍛壓機(jī)器人.doc

一種鍛造機(jī)器人的設(shè)計(jì)邵啟東 于恒儒 范國(guó)宏摘要：本文研制的鍛壓機(jī)器人樣機(jī)由步進(jìn)電機(jī)、主動(dòng)輪、萬(wàn)向輪、水平底座、底座支撐、電磁鐵支架、電磁鐵、同步帶支架、同步帶支架支撐、同步帶等組成。底座的兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪，利用兩個(gè)主動(dòng)輪來(lái)控制前進(jìn)和轉(zhuǎn)彎，到達(dá)指定位置后，由固定在底座上的步進(jìn)電機(jī)通過(guò)同步帶來(lái)控制爪手的上下移動(dòng)，然后再通過(guò)固定在手爪上的電磁鐵的開(kāi)合來(lái)夾持目標(biāo)，其控制信號(hào)為遠(yuǎn)程無(wú)線控制。該機(jī)器人能有效利用了遙控操作，部分代替了人工，提高了工作效率和安全系數(shù)。關(guān)鍵詞：鍛壓機(jī)器人 步進(jìn)電機(jī) 電磁鐵 無(wú)線控制1引言我國(guó)是一個(gè)鍛壓大國(guó)，大多數(shù)企業(yè)的生產(chǎn)車(chē)間環(huán)境比較惡劣，生產(chǎn)設(shè)備相對(duì)落后，絕大多數(shù)生產(chǎn)過(guò)程都是由人工操作完成，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，危險(xiǎn)性大，加上夏季高溫，工人大都不愿意學(xué)習(xí)該工種。而鍛壓機(jī)器人由先進(jìn)的電腦及程序自動(dòng)控制，能完全代替人工，完成鍛造生產(chǎn)過(guò)程中的連續(xù)上料、翻轉(zhuǎn)、下料等危險(xiǎn)性高、簡(jiǎn)單重復(fù)性、勞動(dòng)強(qiáng)度高的工作，同時(shí)能有效降低勞動(dòng)強(qiáng)度及危險(xiǎn)性，提高生產(chǎn)自動(dòng)化程度，提高生產(chǎn)效率。在國(guó)外，如日本、美國(guó)、德國(guó)等國(guó)早已有類(lèi)似的機(jī)器人系統(tǒng)及多種配有機(jī)器人的生產(chǎn)線，長(zhǎng)期工作在鍛壓生產(chǎn)線上，但一套90多萬(wàn)元的設(shè)備對(duì)我國(guó)的鍛造企業(yè)來(lái)說(shuō)難以承受，這就迫切需要具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鍛壓機(jī)器人。由于機(jī)器人的手臂需要夾緊11001200C的高溫工件，而且本體在鍛錘連續(xù)擊打時(shí)受到極大地震動(dòng)與沖擊，此外還需要與現(xiàn)有的原始設(shè)備相配合使用，這位機(jī)器人的設(shè)計(jì)提出了很大的挑戰(zhàn)。本文研制的鍛壓機(jī)器人在底盤(pán)下有四個(gè)輪子負(fù)責(zé)前進(jìn)和轉(zhuǎn)向（也可以設(shè)計(jì)成軌道形式）。其底盤(pán)上前部便是這個(gè)機(jī)器人的核心部位機(jī)械手，能完成多種復(fù)雜的動(dòng)作。通過(guò)遙控，這只機(jī)械手可以進(jìn)行伸縮、彎曲和轉(zhuǎn)動(dòng)、最終完成抓取工件，滿(mǎn)足鍛壓工藝要求。2機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1 總體設(shè)計(jì)該鍛壓機(jī)器人是依靠控制電磁鐵的通斷電來(lái)實(shí)現(xiàn)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別在意。在電磁鐵通電后，電磁上連接一支圓弧形爪，依靠圓弧形爪來(lái)夾取鍛件。為了防止執(zhí)行裝置發(fā)生超出上下移動(dòng)的行程，在豎直的支撐架上端安裝一行程制動(dòng)擋軸。傳動(dòng)裝置的動(dòng)作方式是依靠步進(jìn)電機(jī)控制的同步帶來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行部件的豎直升降的，需要準(zhǔn)確的定位支爪，因此采用步進(jìn)電機(jī)控制同步帶來(lái)達(dá)到上下位置的精準(zhǔn)定位，且同步帶有兩塊硬鋁板材來(lái)支撐，這樣既可以保證強(qiáng)度又減輕質(zhì)量。由于本機(jī)構(gòu)需要機(jī)動(dòng)靈活的運(yùn)動(dòng)，又要運(yùn)物品，所以需要盡量的減輕車(chē)體質(zhì)量，所以選用硬質(zhì)鋁材的板料2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇目前普遍使用的電機(jī)有直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)兩種。直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)整范圍廣，過(guò)載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)極快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)各種不同的特殊運(yùn)行要求，而步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩值波動(dòng)范圍較小。該機(jī)器人的運(yùn)行是依靠驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，為了保證控制抓取和放下工件的力度和精度，必須要求它的運(yùn)動(dòng)足夠精確且便于控制。所以本機(jī)構(gòu)選用兩個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并且選用兩個(gè)前車(chē)輪為驅(qū)動(dòng)輪。3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1.1 電源電路的設(shè)計(jì)由于機(jī)器人行走、抓取等動(dòng)作需要加大功率，一般電池不能滿(mǎn)足其要求，所以選用了雙輸出交流整直流電源輸出電壓分別為24V、12V，額定電流分別為3A、2A?？紤]到AT89C52芯片要求的供電電壓一般在5V，則電源電路需設(shè)計(jì)成5V的穩(wěn)壓供電電路，本文選用7805固定正輸出電壓集成穩(wěn)壓器，可以將輸出電壓穩(wěn)定在5V。其電源電路設(shè)計(jì)如圖所示：3.1.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 機(jī)器人的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)以及爪的升降都由步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制。步進(jìn)電機(jī)由驅(qū)動(dòng)器控制，其驅(qū)動(dòng)電壓為12V。驅(qū)動(dòng)器本身所需電壓5V，驅(qū)動(dòng)器的步進(jìn)脈沖與方向脈沖由單片機(jī)提供。本設(shè)計(jì)的電路如圖所示:3.1.3 爪部電磁鐵電路的設(shè)計(jì)電磁鐵用來(lái)抓取重物，他的開(kāi)合由繼電器控制，繼電器型號(hào)為4100，工作所需電壓為5V，由于繼電器為電感應(yīng)線圈所以并上一只繼流二極管。為了不是繼電器對(duì)單片機(jī)造成沖擊，在三極管與單片機(jī)之間加光隔P521，電磁鐵工作電壓為24V。本設(shè)計(jì)的控制電路如圖所示：3.1.4 要控接收器與單片機(jī)的連接電路設(shè)計(jì) 遙控接收器本身需要5V電壓，它的D0D7引腳與單片機(jī)的P2.0P2.7引腳對(duì)應(yīng)相連，放遙控器發(fā)送端某一按鍵按下時(shí)與只對(duì)應(yīng)的接收器上的引腳就為高電平，單片機(jī)上對(duì)應(yīng)引腳也為高電平。其電路如圖所示：3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.2.1 程序設(shè)計(jì) 鍛壓機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作分別為機(jī)身前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、爪的上升、下降、爪開(kāi)、爪合。這八個(gè)動(dòng)作對(duì)應(yīng)八個(gè)子程序。主程序?yàn)闄z測(cè)P2口各引腳電平，檢測(cè)到某一引腳為高電平則跳到對(duì)應(yīng)子程序。流程圖如圖所示： 信號(hào)采集的主要功能是將遙控接收器的高低電平信號(hào)變化經(jīng)I/O口接入單片機(jī)，再由單片機(jī)做出相應(yīng)的反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)鍛壓機(jī)器人的各個(gè)動(dòng)作。4結(jié)論隨著機(jī)器人技術(shù)的迅速發(fā)展，在鍛壓生產(chǎn)中愈來(lái)愈多開(kāi)始采用機(jī)器人。人們之所以重視應(yīng)用鍛壓機(jī)器人，是由于在此行業(yè)的生產(chǎn)中存在一些特殊困難，而機(jī)器人卻能很好地予以解決。本文對(duì)鍛壓機(jī)器人僅做了初步探究，方案有可取之處，但值得研究的地方還很多。參考文獻(xiàn)1韓勇.旋壓機(jī)自動(dòng)連接的解決方案J. 電工技術(shù)，2009，（07）:45-46。2張小光，段志平等. 旋壓技術(shù)在等強(qiáng)度鋼制車(chē)輪制造中的應(yīng)用J.鍛壓技術(shù)，2009，（02）:24-263“鍛造一號(hào)”鍛壓機(jī)器人研制成功J.熱加工工藝，2009，（0