機(jī)電一體化大作業(yè)

1、三自由度平動(dòng)機(jī)械手工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)科目：機(jī)電一體化班級(jí)：機(jī)械工程五班 成員：羅欣201325070530盧國(guó)文201325070501趙效魯201325070509賈靜然201325070502目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)31、題目32、任務(wù)33、主參數(shù)3二、產(chǎn)品總功能的確定41、單坐標(biāo)定位。42、三平面直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)。4三、總體方案的確定71、機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇72、動(dòng)力裝置的選擇73、.檢測(cè)與傳感裝置的選擇84、.控制與信息處理裝置的選擇8四、機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型91、滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型92、步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型12五、檢測(cè)與傳感裝置的計(jì)算與選型151、 速度的檢測(cè)與傳感裝置15、2

2、.位移的檢測(cè)與傳感裝置17六、控制與信息處理裝置的選擇201、速度控制202、CPU的選擇26七、工作臺(tái)系統(tǒng)的功能框圖27八、工作臺(tái)裝配圖的繪制27九、部分源代碼28十、感悟與總結(jié)32十一、參考文獻(xiàn)32一、設(shè)計(jì)任務(wù)1、 題目三自由度平動(dòng)機(jī)械手工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)2、 任務(wù)設(shè)計(jì)一種適用于機(jī)械手空間平動(dòng)的工作臺(tái)3、 主參數(shù)（1）、X、Y、Z方向脈沖當(dāng)量： x= y= z=0.005mm/脈沖（2）、X、Y、Z方向的定位精度均為：0.01mm（3）、工作臺(tái)空載最快移動(dòng)速度： xmax= ymax= zmax=3000mm/min（4）、工作臺(tái)負(fù)載最快移動(dòng)速度： xmax= ymax= zmax=400

3、mm/min（5）、工作臺(tái)空間尺寸：500mm500mm500mm（6）、工作臺(tái)工作空間尺寸：400mm400mm400mm（7）、空載啟動(dòng)時(shí)間：t=25ms二、產(chǎn)品總功能的確定1、單坐標(biāo)定位。2、三平面直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)。 本例中采用逐點(diǎn)比較法進(jìn)行直線和圓弧的插補(bǔ)（1） 逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)的基本原理逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)的基本思路是：在從起點(diǎn)到終點(diǎn)的路程中，根據(jù)機(jī)械手當(dāng)前位置與給定軌跡的偏離情況，并為消除這個(gè)偏離，在其中一個(gè)坐標(biāo)軸上走一小步，這樣一步步直到終點(diǎn)，每一步都是用給定軌跡對(duì)實(shí)際軌跡進(jìn)行修正。每一步作為一個(gè)插補(bǔ)計(jì)算循環(huán)。插補(bǔ)循環(huán)一般由偏差判別、坐標(biāo)進(jìn)給、偏差函數(shù)計(jì)算和終點(diǎn)判別四個(gè)工作節(jié)拍組成。、

4、偏差判別 首先要判斷機(jī)械手當(dāng)前點(diǎn)與其要求的運(yùn)動(dòng)軌跡的偏離情況。具體方法是根據(jù)要求的運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)一個(gè)偏差函數(shù)，該偏差函數(shù)是機(jī)械手坐標(biāo)的函數(shù)，其函數(shù)值反映偏離情況。、坐標(biāo)進(jìn)給 根據(jù)上面判斷的結(jié)果，發(fā)出一個(gè)進(jìn)給指令脈沖，控制機(jī)械手沿相應(yīng)坐標(biāo)軸產(chǎn)生一個(gè)脈沖當(dāng)量的位移。進(jìn)給脈沖分配給哪一個(gè)坐標(biāo)軸，正向還是負(fù)向，總的原則是用這個(gè)位移的結(jié)果糾正已有的偏離。、偏差函數(shù)計(jì)算 用新的機(jī)械手位置坐標(biāo)重新計(jì)算偏差函數(shù)的值。、終點(diǎn)判別 判斷機(jī)械手點(diǎn)是否到達(dá)軌跡的終點(diǎn)，如到達(dá)軌跡終點(diǎn)則插補(bǔ)結(jié)束，否則重復(fù)開始下一個(gè)插補(bǔ)循環(huán)。（2）、逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)（注：1.本例只介紹直線插補(bǔ)的方法，圓弧插補(bǔ)原理相似 2.本例插補(bǔ)平面以水

5、平面為例）為插補(bǔ)計(jì)算方便，通常建立與工作臺(tái)坐標(biāo)系平行的插補(bǔ)坐標(biāo)系，插補(bǔ)坐標(biāo)系與工作臺(tái)坐標(biāo)系是簡(jiǎn)單的平移變換關(guān)系。直線插補(bǔ)時(shí)，插補(bǔ)坐標(biāo)原點(diǎn)選在直線起點(diǎn)上。在直線插補(bǔ)指令中，若終點(diǎn)坐標(biāo)采用增量坐標(biāo)給出，則與插補(bǔ)坐標(biāo)系下坐標(biāo)一致。下面討論機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡為XOY平面上第一象限直線的插補(bǔ)。如下圖所示，直線OA，起點(diǎn)O(0，0)，終點(diǎn)A(Xe,Ye)，坐標(biāo)單位為脈沖當(dāng)量。、偏差函數(shù)將直線OA的方程 XY-XeYe=0改寫成 YXe-XYe=0設(shè)加工時(shí)機(jī)械手位置為P(Xi,Yi)點(diǎn)，取偏差函數(shù)為 Fi= YiXe-XiYe (2-1)則當(dāng)P點(diǎn)在直線上時(shí)，F(xiàn)i=0；當(dāng)P點(diǎn)在直線上方時(shí)，F(xiàn)i0；當(dāng)P點(diǎn)在直線下方

6、時(shí)，F(xiàn)i0時(shí)，向+X方向分配一個(gè)進(jìn)給脈沖，即向X軸正方向走一步（一個(gè)脈沖當(dāng)量的位移），簡(jiǎn)記為+X；當(dāng)P點(diǎn)在直線下方，即Fi0時(shí)，向+Y方向分配一個(gè)進(jìn)給脈沖，即向Y軸正方向走一步，簡(jiǎn)記為+Y；當(dāng)P點(diǎn)在直線上，即Fi=0時(shí)，為使加工繼續(xù)進(jìn)行，規(guī)定按P點(diǎn)在直線上方情況處理，即向X軸正方向走一步。、偏差函數(shù)的遞推計(jì)算由上述可知，若Fi0，向X軸正方向走一步，則P點(diǎn)新的位置坐標(biāo)及偏差為 Xi+1=Xi+1Yi+1=yiFi+1= YiXe-Xi+1Ye= Fi-Ye （2-2）若FiS,絲杠安全，不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)。 （5）、剛度校核 轉(zhuǎn)矩T=Fm Do2tan(+P)，這里取tanP=0.0015，則P=8

7、40。 所以 T=1300 2010-32tan433+840=1.05Nm。 絲杠截面積 A=14d12=219.30mm=2.19310-4m 絲杠的極慣性矩： JC=32d14=320.016714=7.6510-9m4絲杠切變模量，鋼G=83.3Gpa則滾珠絲杠在工作負(fù)載和轉(zhuǎn)矩共同作用下每個(gè)導(dǎo)程的變形量l0為：l0= PFEA+PT2G JC= 4PFEd12+16PTG d12=( 4510-313003.1420610-90.016714+160,0051.053,1483.31090.016714)m=1.50510-8m=0.01505mm。 則絲杠在工作長(zhǎng)度上的彈性變形引起的

8、導(dǎo)程誤差為： L=l l0P=0.50.01505 0.005m=1.505m。 通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差L小于其傳動(dòng)精度的12，即： L Ts1，且Ts Ts， 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可不失步的正常啟動(dòng)。開環(huán)工作臺(tái)機(jī)械傳動(dòng)的框圖如下所示：指令驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)減速器絲杠工作臺(tái)位置五、檢測(cè)與傳感裝置的計(jì)算與選型1、 速度的檢測(cè)與傳感裝置（1）、采用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，組裝在電動(dòng)機(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸上，用來(lái)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器應(yīng)與步進(jìn)電機(jī)的步矩角相匹配，所選電動(dòng)機(jī)步距角=1.8，可知電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一轉(zhuǎn)時(shí)需要控制系統(tǒng)發(fā)出3601.8=200個(gè)脈沖?？紤]到編碼器輸出的A、B相信號(hào)，可以送到四倍頻電路進(jìn)行電子四細(xì)分，因

9、此編碼器的分辨率可選50線，這樣控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角，編碼器對(duì)應(yīng)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。 本例選擇編碼器的型號(hào)為2k-A-60-05v0-10-H，盤狀空心型，孔徑10mm，電源電壓5v，每轉(zhuǎn)輸出50個(gè)A/B脈沖，信號(hào)為電壓輸出。 （2）增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng)用 適應(yīng)帶加減計(jì)數(shù)要求的可逆計(jì)數(shù)器，形成加計(jì)數(shù)脈沖和減計(jì)數(shù)脈沖（3）、增量式旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)系統(tǒng)的組成：增量式旋轉(zhuǎn)編碼器放大器整形電路四細(xì)分電路脈沖當(dāng)量變換電路計(jì)數(shù)器寄存器計(jì)算機(jī)辯向電路 、2.位移的檢測(cè)與傳感裝置（1）、本例中采用光柵式傳感器來(lái)測(cè)量線位移，使用四細(xì)分技術(shù)使檢測(cè)分辨率提高四倍。所選電機(jī)的步矩角為=1.8，所以電

10、機(jī)轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)需檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)出3601.8=200個(gè)脈沖。因此所選的光柵式傳感器應(yīng)與所選用的電機(jī)相匹配，即選用刻線密度為50線/mm的透射式長(zhǎng)光柵傳感器。（2）透射式長(zhǎng)光柵檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)1- 防護(hù)墊 2-光柵讀數(shù)頭 3-標(biāo)尺光柵 1-光源 2-準(zhǔn)直鏡 3-指示光柵 4-光敏4-防護(hù)罩 元件 5-驅(qū)動(dòng)線路 （3）透射式長(zhǎng)光柵傳感器的工作原理莫爾條紋： 嚴(yán)格來(lái)說(shuō)：橫向莫爾條紋排列的方向是兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直。莫爾條紋的特征：a) 莫爾條紋的變化規(guī)律：兩片兩光柵相對(duì)移過(guò)一個(gè)柵距，莫爾條紋移過(guò)一個(gè)條紋間距。由于光的衍射和干涉作用，莫爾條紋的變化規(guī)律近似正（余）弦函數(shù)，變化周期數(shù)與兩光柵相對(duì)移過(guò)的柵距

11、數(shù)同步。b) 放大作用：莫爾條紋寬度W和光柵柵距d，柵線夾角之間關(guān)系： 由圖可知 W=d sin 又很小可認(rèn)為 sin 故 W=d/ (4)莫爾條紋的細(xì)分技術(shù)（5）、光柵式傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的組成：光柵式傳感器放大器整形電路四細(xì)分電路脈沖當(dāng)量變換電路計(jì)數(shù)器寄存器計(jì)算機(jī)辯向電路六、控制與信息處理裝置的選擇1、 速度控制本例中采用晶體管脈寬調(diào)制PWM調(diào)速系統(tǒng)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。（1） 對(duì)速度控制的要求1） 準(zhǔn)?？刂?） 分度控制3） 恒線速度控制（2）、晶體管脈寬調(diào)制PWM調(diào)速系統(tǒng) 1）直流脈寬調(diào)制 功率放大器中的大功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)下，開關(guān)頻率保持恒定，用調(diào)整開關(guān)周期內(nèi)晶體管導(dǎo)通時(shí)間（即改變基

12、極調(diào)制脈沖寬度）的方法來(lái)改變輸出。從而使電機(jī)獲得脈寬受調(diào)制脈沖控制的電壓脈沖，由于頻率高及電感的作用則為波動(dòng)很小的直流電壓（平均電壓）。脈寬的變化使電機(jī)電樞的直流電壓隨著變化。（2） 直流脈寬調(diào)制的基本原理（3） 脈寬調(diào)制器同向加法放大器電路圖：U S r 速度指令轉(zhuǎn)化過(guò)來(lái)的直流電壓U - 三角波USC- 脈寬調(diào)制器的輸出（ U S r +U ）調(diào)制波形圖:（4） 開關(guān)功率放大器主回路：可逆H型雙極式PWM開關(guān)功率放大器 電路圖: 由四個(gè)大功率晶體管（GTR）T 1 、T 2 、T 3，T4 及四個(gè)續(xù)流二極管組成的橋式電路。H型： 又分為雙極式、單極式和受限單極式三種。Ub1、 Ub2，Ub3

13、，Ub4 為調(diào)制器輸出，經(jīng)脈沖分配、基極驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的脈沖電壓。分別加到T1 、T2、T3 、T4的基極(5) 工作原理 T1 和T4 同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，其基極驅(qū)動(dòng)電壓Ub1= Ub4。T2和T3同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，基極驅(qū)動(dòng)電壓Ub2= Ub3 = Ub1。以正脈沖較寬為例， 既正轉(zhuǎn)時(shí)。負(fù)載較重時(shí)： 電動(dòng)狀態(tài)：當(dāng)0t t1時(shí)， Ub1、Ub4為正， T1 和T4 導(dǎo)通；Ub2、Ub3 為負(fù)， T2和T3截止。電機(jī)端電壓UAB=US，電樞電流id= id1，由US T1 T4 地。 續(xù)流維持電動(dòng)狀態(tài)：在t1 t T時(shí)， Ub1、Ub4為負(fù)， T1 和T4截止； Ub2、Ub3 變正，但T2和T3并不能

14、立即導(dǎo)通，因?yàn)樵陔姌须姼袃?chǔ)能的作用下，電樞電流id= id2，由D2 D3續(xù)流，在D2、 D3 上的壓降使T2 、 T3的c-e極承受反壓不能導(dǎo)通。 UAB=-US。接著再變到電動(dòng)狀態(tài)、續(xù)流維持電動(dòng)狀態(tài)反復(fù)進(jìn)行，如上面左圖。 負(fù)載較輕時(shí)： 反接制動(dòng)狀態(tài)，電流反向： 狀態(tài)中，在負(fù)載較輕時(shí)，則id小，續(xù)流電流很快衰減到零，即t =t2 時(shí)（見上面右圖），id=0。在t2 T 區(qū)段， T2 、T3 在US 和反電動(dòng)勢(shì)E的共同作用下導(dǎo)通，電樞電流反向，id= id3 由US T3 T2 地。電機(jī)處于反接制動(dòng)狀態(tài)。 電樞電感儲(chǔ)能維持電流反向：在T t3區(qū)段時(shí)，驅(qū)動(dòng)脈沖極性改變， T2 、T3截止，因電樞

15、電感維持電流， id= id4，由D4 D1。電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止： 由正、負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓脈沖寬窄而定。 當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，既t1 T/2，平均電壓為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)； 當(dāng)正脈沖較窄時(shí)，既t1 T/2 ，平均電壓為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)； 如果正、負(fù)脈沖寬度相等，t1=T/2 ，平均電壓為零，電機(jī)停轉(zhuǎn)。電機(jī)速度的改變： 電樞上的平均電壓UAB越大，轉(zhuǎn)速越高。它是由驅(qū)動(dòng)電壓脈沖寬度決定的。 (6) PWM調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)頻帶寬、頻率高：晶體管“結(jié)電容”小，開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于可控（50Hz)，可達(dá)2-10KHz?？焖傩院?。 電流脈動(dòng)?。河捎赑WM調(diào)制頻率高，電機(jī)負(fù)載成感性對(duì)電流脈動(dòng)有平滑作用，波形系數(shù)接近于1。 電源的功率

16、因數(shù)高: SCR系統(tǒng)由于導(dǎo)通角的影響，使交流電源的波形畸變、高次諧波的干擾，降低了電源功率因數(shù)。 PWM系統(tǒng)的直流電源為不受控的整流輸出，功率因數(shù)高。動(dòng)態(tài)硬度好:較正瞬態(tài)負(fù)載擾動(dòng)能力強(qiáng)，頻帶寬，動(dòng)態(tài)硬度高。 2、CPU的選擇 （1）、A789（52）單片機(jī)的原理圖 （2）、A789（52）單片機(jī)的作用 、作為系統(tǒng)的總控制器，發(fā)出指令脈沖。 、處理速度和位移傳感器的反饋信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。七、工作臺(tái)系統(tǒng)的功能框圖指令單片機(jī)驅(qū)動(dòng)器直流步進(jìn)電機(jī)減速器絲杠工作臺(tái)增量式旋轉(zhuǎn)編碼器位置光柵傳感器八、工作臺(tái)裝配圖的繪制九、部分源代碼 #include sbit pls1=P10; sbit dir1

17、=P11; sbit en1=P12; sbit pls2=P13; sbit dir2=P14; sbit en2=P15; sbit pls3=P20; sbit dir3=P21; sbit en3=P22;#define N 1 void maichong(int Z,int x,int y); void delay(int z); void main() int z=400; en1=1; en2=1; en3=1; while(1) maichong(400,1,0); maichong(400,1,1); maichong(400,2,0); maichong(400,2,1);

18、 maichong(400,3,0); maichong(400,3,1); maichong(400,3,1); maichong(400,3,0); maichong(400,2,1); maichong(400,2,0); maichong(400,1,1); maichong(400,1,0); void maichong(int z,int x,int y) switch(x)case 1:dir1=y;while(z-)pls1=1;delay(N);pls1=0;delay(N); break;case 2:dir2=y;while(z-)pls2=0;delay(N);pls2=1;delay(N);break; case 3:dir3=y;while(z-)pls3=0;delay(N);pls3=1;delay(N);break; void delay(int z) int x,y; for(y=z;y0;y-)for(x=110;x0;x-)十、感悟與總結(jié) 我們這個(gè)工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于我們大學(xué)生創(chuàng)新與創(chuàng)意活動(dòng)項(xiàng)目“一種基于推拉軟軸的空間柔性靈巧機(jī)械手機(jī)械手”。剛開始接觸完全不懂得怎么去設(shè)計(jì)電系統(tǒng)，就連讓電