手工毯槍刺機械手模擬裝置設計.doc

手工毯槍刺機械手模擬裝置設計手工毯槍刺機械手模擬裝置設計姜林,丁彩紅(東華大學機械工程學院,上海200051)DesignofRobothandtuftSimulatorJIANGLln,DINGCaihong(CollegeofMechanicalEngineering,DonghuaUniversity,Shanghai200051,China)摘要:圍繞手工毯槍刺機械手的關鍵技術,進行了槍刺機械手模擬試驗臺裝置的設計和計算,完成了機械手X,y,Z方向移動的傳動機構設計和驅動系統(tǒng)設計,該模擬試驗臺已用于機械手控制系統(tǒng)和地毯花型轉換軟件系統(tǒng)的調試.關鍵詞:手工毯;槍刺機械手;滾珠絲桿中圖分類號:TH13文獻標識碼:B文章編號:10012257(2010)05003103Abstract:Thisarticledescribesthekeytechnologiesaboutrobothandtuft,thencalculatsanddesignssimulationtestingapparatusofrobot.handtuft,atlast,completesthedesignofmechani-caltransmissionanddrivingsystemforX,Y,Zthreedirectionsmovement.ThesimulationtestingapparatushasbeenusedindebuggingsystemsofrobotcontrollingsystemandthesoftwaresystemofcarpetpatternconversionKeywords:handmadecarpet;robothandtuft;ballscrew0引言盡管由于手工毯的低效率和長周期使其在地毯市場份額中占據量很小,但手工毯圖案編織的靈活性和多樣性卻還是機織地毯無法比擬的1,尤其在工藝毯領域.如果能夠提高手工毯織造的機械化和智能化程度,那勢必將極大地推動手工毯行業(yè)的發(fā)展,更好地保持和提升手工毯市場競爭力.收稿日期:201001一O5機械與電子32010(5)1槍刺機械手的關鍵技術手工槍刺地毯形成前后需要經過圖案設計,配色,染紗,胚布,手工圖案輪廓繪制,手工槍刺,涂膠,掛底布和修整等十幾道工序加工制作而成.在手工槍刺地毯的十幾道工序中,槍刺機械手的設計主要是完成手工圖案輪廓繪制和手工槍刺這兩道最為主要的工序,手工圖案輪廓繪制的目的是為手工槍刺提供圖案的邊緣信息和色彩信息,然后手控制電槍根據各種色彩的輪廓邊緣將紗線填充到胚布上,由此加工出各色各樣圖案的地毯.槍刺機械手要模擬手或刺槍的工作方式,驅動刺針將絨紗刺入胚布,形成絨頭或絨圈.機械設計包括機械手支座(身體)和末端執(zhí)行器(手)的結構設計.實現X,y,Z方向的直線運動和Z方向的回轉運動.所以,槍刺機械手實際上是一個4軸聯動的機器人.槍刺機械手的關鍵技術有:槍刺機械手末端執(zhí)行器(Z軸)的機構設計;起絨技術研究;多自由度機械手連續(xù)軌跡控制技術;地毯圖像設計和識別技術研究;地毯花型圖案的轉換與處理技術.2槍刺機械手模擬裝置設計2.1刺針機構設計槍刺機械手模擬試驗臺簡化了機械手末端執(zhí)行器的結構,只實現刺針的往復運動(Z方向),而沒有刺針的回轉;且用一根水彩筆來代替刺針,通過彩筆在胚布的點擊來模擬刺針的針眼,如圖1所示.圖1刺針機構?31?雖然從工藝上來說這種機構是無法加工出地毯的,但是其結構簡單緊湊,安裝方便,可以實現對機械手控制系統(tǒng)和地毯花型轉換軟件系統(tǒng)的調試.刺針的運動是重復往返運動,因此利用曲柄滑塊機構帶動水彩筆運動即可實現刺針的運動規(guī)律,其中曲柄圓盤與電機輸出軸直接相連作為驅動件,導軌作為滑塊的導向構件,若令曲柄中心與滑塊中心在同一水平中心線上,則曲柄長度一絨高大小.為了使槍刺機械手可加工高低絨地毯,因此在曲柄圓盤中設計了2個孔對應2種曲柄,長度分別為8mm和12mm.2.2x和y方向的運動性能分析X,y軸負責的是對地毯圖案邊緣形狀的控制和填充針位.由地毯槍刺工藝可知,刺針的走位輪廓是點集構成的,并不是連續(xù)的輪廓邊緣線而是一組離散點.也就是說在地毯上呈現的圖案輪廓都由長度相同的折線段組成,每一段線段的長度就等于針距的大小,因此當針距確定時刺針運動的步長(step)也就固定.對于X,y方向的控制來說,只要利用步長方向角便可計算出x,y方向的運動的距離,根據脈沖當量的大小,即可計算出電機相應轉動角度從而使刺針正確移動到指定的位置.當刺針在Xy平面內移動一個步長時,刺針應保證沒有刺人胚布中,否則將損壞胚布同時還會造成影響設備的正常運行,設刺針往返運動一個周期為T,那么T/2時間內刺針是不在胚布中的,因此刺針在Xy平面內移動一個步長的時間t_step應小于2,由此可以計算得到,當針速一needle:12針/秒時,<(1/v_needle)/21000<41.7ms(1)總的來說,在X,y方向上的運動規(guī)律是運動(ms),然后停止Tt(ms),如此重復啟停運動.2.3傳動部件設計與分析考慮到系統(tǒng)經常啟停,同時要保證位置定位準確.因為滾珠絲杠絲母間無間隙,直線運動平穩(wěn),尤其在頻繁換向時無需間隙補償,同時滾珠絲杠絲母問摩擦力很小,轉動時非常輕松適合電機經常作啟停運動控制口,故選擇滾珠絲杠作為傳動件,而水平的慣性力.絲杠由轉動到停止這一時間段里,工作臺在y軸方向的運行最大距離為一個步長(當步長方向與y方向的夾角為0時,y軸方向運行的距離最大),工作臺的運動規(guī)律可分為:加速,勻速和減速3個階段,完成這一運動的時間41.7ms,取t一40ms,令加速段和減速段時間同為ta一10ms.那么我們可以求出工作臺運動的平均加速度值.一生一(2)”33:一d為針距值,d一300針/m,由式(2)可得口=13.3m/s.而工作臺與刺針機構的質量m一3.85kg.所以軸向力Fo一(g+口)X,由g一9.8m/s.可得=:=96.32N.根據耐磨性校核公式:.8廝參數,可根據相應的機械設計手冊查詢得到,由式(3)計算可知中徑d.遠大于設計要求值,所以滿足要求.而x方向的軸向力主要是加速度產生的慣性力,因此一am,其中為支撐架的質量總和,約為24kg,所以一319.2N.由式(3)計算可知x軸絲杠也完全符合設計要求.滾珠絲杠副的軸向變形將引起絲杠導程發(fā)生變化,從而影響定位的精度和運動的平穩(wěn)性,所以需要對絲杠進行剛度校核4.設E,G分別為與絲杠材料有關的彈性模量和切邊模量,可通過查表獲得;A,-廠分別為與絲杠內徑d相關的截面積和極慣性矩;F為工作負載.滾珠絲杠在工作負載和轉矩的共同作用下引起每個導程的變形量A/(m)為,:Al麗PhF+(4)由于刺針在工作過程中受到的反作用力很小,因此x,y軸的工作負載只有軸向力提供,有上一節(jié)分析可知X軸方向受到的軸向力較大,所以只需對X軸方向校核即可,FFax;319.2N.轉矩T產生的變形量非常小,在工程上可以忽略,所以A10.099肚ITI.則絲杠在工作長度上彈性變形所引起導程誤差為:一,ZL一(5)機械與電子2010(5)式中z絲杠工作長度,11000mm由式(5)可得AL=4.95btm.系統(tǒng)的傳動精度為0.1mm,可見L遠小于系統(tǒng)傳動精度的一半,所以剛度滿足要求.2.4電機驅動部分設計地毯加工的精度不需要很高,因此采用步進電機開環(huán)控制足以滿足加工精度要求.步進電機在驅動過程中可分為啟動一停止區(qū)和變速區(qū),工作在啟動一停止區(qū)這個范圍內,步進電機可以不失步直接停止和再啟動5,或者反向轉動.而工作在變速區(qū)范圍內步進電機則不能直接停止,啟動或者改變轉向,但是在變速區(qū)步進電機可以獲得更高的轉速6.考慮到槍刺機械手在工作過程中頻繁啟動并且要快速達到負載的定位,同時又要充分利用步進電機的各種性能,所以在y軸方向的步進電機型號初選為23H2800lEA,由步距角=1.8.,系統(tǒng)傳動比k:=:1:l,可步/,由式(6)可得Ti一4.61N?m>1.3,所以電機在啟動一停止區(qū)工作時無法實現快速定位,需要在變速區(qū)工作來實現快速定位.設步進電機在啟動一停止區(qū)內啟動轉速為時,<1.3N?1TI,那么機械與電子)2010(5)JTX+丁<1.3(7)由式(7)可得<481.4步/s,所以在啟動一停止區(qū)內電機啟動速度可取一450步/s.然后在變速區(qū)利用斜坡加速度曲線進行加速,根據移動距離的不變性,可以求出電機在變速區(qū)的最終速度為1183.3步/s<1500步/s,顯然在變速區(qū)電機可提供的最大扭矩肯定不會小于1.3N?m.所以加速控制是否可行只需驗證在變速區(qū)負載力矩是否小于1.3N?m.在加速控制時負載力矩的大小為:TJ1(Ao.,/AT)-FTz(8)cc,一最高轉速一啟動轉速;丁為加速時間=10ms.通過計算可得T一0.632N?m<1,所以符合要求.X軸方向電機驅動時,由于是水平運動且有滑動導軌支撐負載,因此在設計驅動方案時負載重力和摩擦力所產生的力矩可忽略不計.具體設計與計算的方法可參考y軸電機的驅動設計.3結束語槍刺機械手模擬試驗臺的設計是根據槍刺地毯加工的特點,設計Z軸方向的刺針機構來模擬刺針的往復運動,同時考慮到機械手頻繁的啟停運動對傳動構件所帶來的運動沖擊將影響傳動件的正常工作,所以針對這一問題對主要的傳動件絲杠進行的強度校核,保證了絲杠運動的平穩(wěn)性和準確性.在步進電機的驅動控制中實現了負載快速定位,同時避免了步進電機因為過載而產生的失步現象.參考文獻:E13朱小紅.中國機制地毯行業(yè)蓬勃發(fā)展IN.中國紡織報,2007一O4.2鄭堤.機電一體化設計基礎EM-.北京:機械工業(yè)出版社,1998.E33濮良貴,紀明