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1、精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除三自由度平动机械手工作台机电系统设计科目：机电一体化班级：机械工程五班 成员：罗欣201325070530卢国文201325070501赵效鲁201325070509贾静然201325070502目录一、设计任务31、题目32、任务33、主参数3二、产品总功能的确定41、单坐标定位。42、三平面直线插补和圆弧插补。4三、总体方案的确定71、机械传动部件的选择72、动力装置的选择73、.检测与传感装置的选择84、.控制与信息处理装置的选择8四、机械传动部件的计算与选型91、滚珠丝杠螺母副的计算与选型92、步进电机的计算与选型12五、检测与传感装置的
2、计算与选型151、 速度的检测与传感装置15、2.位移的检测与传感装置17六、控制与信息处理装置的选择201、速度控制202、CPU的选择26七、工作台系统的功能框图27八、工作台装配图的绘制27九、部分源代码28十、感悟与总结32十一、参考文献32一、设计任务1、 题目三自由度平动机械手工作台机电系统设计2、 任务设计一种适用于机械手空间平动的工作台3、 主参数（1）、X、Y、Z方向脉冲当量： x= y= z=0.005mm/脉冲（2）、X、Y、Z方向的定位精度均为：0.01mm（3）、工作台空载最快移动速度： xmax= ymax= zmax=3000mm/min（4）、工作台负载最快移动
3、速度： xmax= ymax= zmax=400mm/min（5）、工作台空间尺寸：500mm500mm500mm（6）、工作台工作空间尺寸：400mm400mm400mm（7）、空载启动时间：t=25ms二、产品总功能的确定1、单坐标定位。2、三平面直线插补和圆弧插补。 本例中采用逐点比较法进行直线和圆弧的插补（1） 逐点比较法插补的基本原理逐点比较法插补的基本思路是：在从起点到终点的路程中，根据机械手当前位置与给定轨迹的偏离情况，并为消除这个偏离，在其中一个坐标轴上走一小步，这样一步步直到终点，每一步都是用给定轨迹对实际轨迹进行修正。每一步作为一个插补计算循环。插补循环一般由偏差判别、坐标
4、进给、偏差函数计算和终点判别四个工作节拍组成。、偏差判别 首先要判断机械手当前点与其要求的运动轨迹的偏离情况。具体方法是根据要求的运动轨迹设计一个偏差函数，该偏差函数是机械手坐标的函数，其函数值反映偏离情况。、坐标进给 根据上面判断的结果，发出一个进给指令脉冲，控制机械手沿相应坐标轴产生一个脉冲当量的位移。进给脉冲分配给哪一个坐标轴，正向还是负向，总的原则是用这个位移的结果纠正已有的偏离。、偏差函数计算 用新的机械手位置坐标重新计算偏差函数的值。、终点判别 判断机械手点是否到达轨迹的终点，如到达轨迹终点则插补结束，否则重复开始下一个插补循环。（2）、逐点比较法直线插补（注：1.本例只介绍直线插
5、补的方法，圆弧插补原理相似 2.本例插补平面以水平面为例）为插补计算方便，通常建立与工作台坐标系平行的插补坐标系，插补坐标系与工作台坐标系是简单的平移变换关系。直线插补时，插补坐标原点选在直线起点上。在直线插补指令中，若终点坐标采用增量坐标给出，则与插补坐标系下坐标一致。下面讨论机械手运动轨迹为XOY平面上第一象限直线的插补。如下图所示，直线OA，起点O(0，0)，终点A(Xe,Ye)，坐标单位为脉冲当量。、偏差函数将直线OA的方程 XY-XeYe=0改写成 YXe-XYe=0设加工时机械手位置为P(Xi,Yi)点，取偏差函数为 Fi= YiXe-XiYe (2-1)则当P点在直线上时，Fi=
6、0；当P点在直线上方时，Fi0；当P点在直线下方时，Fi0时，向+X方向分配一个进给脉冲，即向X轴正方向走一步（一个脉冲当量的位移），简记为+X；当P点在直线下方，即Fi0时，向+Y方向分配一个进给脉冲，即向Y轴正方向走一步，简记为+Y；当P点在直线上，即Fi=0时，为使加工继续进行，规定按P点在直线上方情况处理，即向X轴正方向走一步。、偏差函数的递推计算由上述可知，若Fi0，向X轴正方向走一步，则P点新的位置坐标及偏差为 Xi+1=Xi+1Yi+1=yiFi+1= YiXe-Xi+1Ye= Fi-Ye （2-2）若FiS,丝杠安全，不会发生失稳。 （5）、刚度校核 转矩T=Fm Do2tan
7、(+P)，这里取tanP=0.0015，则P=840。 所以 T=1300 2010-32tan433+840=1.05Nm。 丝杠截面积 A=14d12=219.30mm=2.19310-4m 丝杠的极惯性矩： JC=32d14=320.016714=7.6510-9m4丝杠切变模量，钢G=83.3Gpa则滚珠丝杠在工作负载和转矩共同作用下每个导程的变形量l0为：l0= PFEA+PT2G JC= 4PFEd12+16PTG d12=( 4510-313003.1420610-90.016714+160,0051.053,1483.31090.016714)m=1.50510-8m=0.01
8、505mm。 则丝杠在工作长度上的弹性变形引起的导程误差为： L=l l0P=0.50.01505 0.005m=1.505m。 通常要求丝杠的导程误差L小于其传动精度的12，即： L Ts1，且Ts Ts， 步进电动机可不失步的正常启动。开环工作台机械传动的框图如下所示：指令驱动电动机减速器丝杠工作台位置五、检测与传感装置的计算与选型1、 速度的检测与传感装置（1）、采用增量式旋转编码器，组装在电动机的尾部转轴上，用来检测电动机的转角和转速。增量式旋转编码器应与步进电机的步矩角相匹配，所选电动机步距角=1.8，可知电机转动一转时需要控制系统发出3601.8=200个脉冲。考虑到编码器输出的A
9、、B相信号，可以送到四倍频电路进行电子四细分，因此编码器的分辨率可选50线，这样控制系统每发一个步进脉冲电机转过一个步距角，编码器对应输出一个脉冲信号。 本例选择编码器的型号为2k-A-60-05v0-10-H，盘状空心型，孔径10mm，电源电压5v，每转输出50个A/B脉冲，信号为电压输出。 （2）增量式旋转编码器的应用 适应带加减计数要求的可逆计数器，形成加计数脉冲和减计数脉冲（3）、增量式旋转编码器检测系统的组成：增量式旋转编码器放大器整形电路四细分电路脉冲当量变换电路计数器寄存器计算机辩向电路、2.位移的检测与传感装置（1）、本例中采用光栅式传感器来测量线位移，使用四细分技术使检测分辨
10、率提高四倍。所选电机的步矩角为=1.8，所以电机转一转需检测系统发出3601.8=200个脉冲。因此所选的光栅式传感器应与所选用的电机相匹配，即选用刻线密度为50线/mm的透射式长光栅传感器。（2）透射式长光栅检测装置的结构1- 防护垫 2-光栅读数头 3-标尺光栅 1-光源 2-准直镜 3-指示光栅 4-光敏4-防护罩 元件 5-驱动线路 （3）透射式长光栅传感器的工作原理莫尔条纹：严格来说：横向莫尔条纹排列的方向是两片光栅线纹夹角的平分线相垂直。莫尔条纹的特征：a) 莫尔条纹的变化规律：两片两光栅相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹间距。由于光的衍射和干涉作用，莫尔条纹的变化规律近似正（
11、余）弦函数，变化周期数与两光栅相对移过的栅距数同步。b) 放大作用：莫尔条纹宽度W和光栅栅距d，栅线夹角之间关系： 由图可知 W=d sin 又很小可认为 sin 故 W=d/ (4)莫尔条纹的细分技术（5）、光栅式传感器检测系统的组成：光栅式传感器放大器整形电路四细分电路脉冲当量变换电路计数器寄存器计算机辩向电路六、控制与信息处理装置的选择1、 速度控制本例中采用晶体管脉宽调制PWM调速系统对电机转速进行控制。（1） 对速度控制的要求1） 准停控制2） 分度控制3） 恒线速度控制（2）、晶体管脉宽调制PWM调速系统 1）直流脉宽调制 功率放大器中的大功率晶体管工作在开关状态下，开关频率保持恒
12、定，用调整开关周期内晶体管导通时间（即改变基极调制脉冲宽度）的方法来改变输出。从而使电机获得脉宽受调制脉冲控制的电压脉冲，由于频率高及电感的作用则为波动很小的直流电压（平均电压）。脉宽的变化使电机电枢的直流电压随着变化。（2） 直流脉宽调制的基本原理（3） 脉宽调制器同向加法放大器电路图：U S r 速度指令转化过来的直流电压U - 三角波USC- 脉宽调制器的输出（ U S r +U ）调制波形图:（4） 开关功率放大器主回路：可逆H型双极式PWM开关功率放大器 电路图: 由四个大功率晶体管（GTR）T 1 、T 2 、T 3，T4 及四个续流二极管组成的桥式电路。H型： 又分为双极式、单极
13、式和受限单极式三种。Ub1、 Ub2，Ub3，Ub4 为调制器输出，经脉冲分配、基极驱动转换过来的脉冲电压。分别加到T1 、T2、T3 、T4的基极(5) 工作原理 T1 和T4 同时导通和关断，其基极驱动电压Ub1= Ub4。T2和T3同时导通和关断，基极驱动电压Ub2= Ub3 = Ub1。以正脉冲较宽为例， 既正转时。负载较重时： 电动状态：当0t t1时， Ub1、Ub4为正， T1 和T4 导通；Ub2、Ub3 为负， T2和T3截止。电机端电压UAB=US，电枢电流id= id1，由US T1 T4 地。 续流维持电动状态：在t1 t T时， Ub1、Ub4为负， T1 和T4截止
14、； Ub2、Ub3 变正，但T2和T3并不能立即导通，因为在电枢电感储能的作用下，电枢电流id= id2，由D2 D3续流，在D2、 D3 上的压降使T2 、 T3的c-e极承受反压不能导通。 UAB=-US。接着再变到电动状态、续流维持电动状态反复进行，如上面左图。 负载较轻时： 反接制动状态，电流反向： 状态中，在负载较轻时，则id小，续流电流很快衰减到零，即t =t2 时（见上面右图），id=0。在t2 T 区段， T2 、T3 在US 和反电动势E的共同作用下导通，电枢电流反向，id= id3 由US T3 T2 地。电机处于反接制动状态。 电枢电感储能维持电流反向：在T t3区段时，
15、驱动脉冲极性改变， T2 、T3截止，因电枢电感维持电流， id= id4，由D4 D1。电机正转、反转、停止： 由正、负驱动电压脉冲宽窄而定。 当正脉冲较宽时，既t1 T/2，平均电压为正，电机正转； 当正脉冲较窄时，既t1 T/2 ，平均电压为负，电机反转； 如果正、负脉冲宽度相等，t1=T/2 ，平均电压为零，电机停转。电机速度的改变： 电枢上的平均电压UAB越大，转速越高。它是由驱动电压脉冲宽度决定的。 (6) PWM调速系统的特点频带宽、频率高：晶体管“结电容”小，开关频率远高于可控（50Hz)，可达2-10KHz。快速性好。 电流脉动小：由于PWM调制频率高，电机负载成感性对电流脉
16、动有平滑作用，波形系数接近于1。 电源的功率因数高: SCR系统由于导通角的影响，使交流电源的波形畸变、高次谐波的干扰，降低了电源功率因数。 PWM系统的直流电源为不受控的整流输出，功率因数高。动态硬度好:较正瞬态负载扰动能力强，频带宽，动态硬度高。 2、CPU的选择 （1）、A789（52）单片机的原理图 （2）、A789（52）单片机的作用 、作为系统的总控制器，发出指令脉冲。 、处理速度和位移传感器的反馈信息，实现对系统的闭环控制。七、工作台系统的功能框图指令单片机驱动器直流步进电机减速器丝杠工作台增量式旋转编码器位置光栅传感器八、工作台装配图的绘制九、部分源代码 #include sb
17、it pls1=P10; sbit dir1=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,
18、0); maichong(400,2,1); 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
19、-)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、感悟与总结 我们这个工作台机电系统的设计基于我们大学生创新与创意活动项目“一种基于推拉软轴的空间柔性灵巧机械手机械手”。刚开始接触完全不懂得怎么去设计电系统，就连让电机转动我们都不会。后来我们就查找各种资料，向优秀的学长老师请教，慢慢的就学会了把课本的知识和实际应用结合起来。由于我们的进度问题，工作台本是六自由度，现在只展示了三自由度平动的设计，另外三自由度转动我们采用的电机是舵机，还在调试和研究中。尽管浏览全文，我们工作台的机电一体化设计还存在很多缺点，比如光栅传感器的选型问题和脉宽调制技术PWM的应用程序等问题，但是我们会努力学习，把所学知识和实践紧密结合，争取把六自由度的工作台和机械手的控制完成。十一、参考文献 微型计算机原理与应用 杨有军 MCS-51/98单片机原理及应用 赵长德 机电一体化设计基础 郑堤 机电一体化产品设计 赵松年【精品文档】第 23 页