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工業(yè)機器人行走裝置設計制作及仿真

2022-07-24 09:28羅健寧劉棣中劉奇波
裝備制造技術 2022年4期
關鍵詞:小車電機裝置

羅健寧,劉棣中,劉奇波

(1.廣西水利電力職業(yè)技術學院,廣西 南寧 530021;2.南寧精能發(fā)電設備有限公司,廣西 南寧 530033)

0 引言

一個國家制造業(yè)的發(fā)展直接反映這個國家的整體生產水平,而工業(yè)機器人是聯合了機械、電氣控制和網絡技術等多學科的高新技術產品,是自動化和智能化的紐帶[1]。目前,我國的中小型制造企業(yè)都擁有大量的先進設備,但是實現自動化程度卻沒有達到60%,主要原因是各類自動化設備昂貴、設備之間的連接環(huán)節(jié)沒有打通。然而,生產過程自動化、機器化是一種必然趨勢,行走裝置是工業(yè)機器人的核心部件之一,與一般的移動平臺、數控小車相比較,具有承載能力強、傳動平穩(wěn)、傳動精度高等優(yōu)點。工業(yè)機器人行走裝置(數控小車)的CNC系統由計算機控制技術、信號與控制系統技術、自動控制技術和機械建模技術的完美結合,是各個領域生產控制技術的集成與應用,主要被應用到自動化車間的搬運工業(yè)機器人外部系統使其持續(xù)的工作,能運輸上噸重量的工業(yè)機器人和零部件,還能與自動化車間組成有效的物流體系,用于部分物料和產品轉運等,以及一些工作人員不便進入的具有有害物質的工作場所。行走裝置具有變速、前進、后退、轉彎、遙控等功能。

工業(yè)機器人行走裝置(數控小車)的出現極大提高了自動化車間的生產效率,其處理器采用單片機控制,整車采用后輪驅動、前輪轉彎,平整的搬運平臺,具有移動靈活、造價低、效率高的特點,節(jié)省了大量的人力、物力、財力和時間,具有較高的推廣應用價值和發(fā)展前景。

1 工業(yè)機器人行走裝置的現狀

1.1 傳統人工控制

二十世紀七十年代初,美國、德國等這些工業(yè)強國就開始采用可編程控制器繼對搬運小車進行控制,但是當時技術還不夠成熟,基本上都是由繼電器和接觸器對電路進行控制的,具有體積笨重、控制復雜、設計成本高、功能少和容易出現故障等缺陷,無法進行通信,要有專門的人進行操作。

1.2 半自動控制

二十世紀八十年代,計算機慢慢普及價格下降,各大型企業(yè)開始采用可編程控制器(PLC)程序與計算機結進行程序編程控制。此時,搬運小車就被設計成半自動產品。

1.3 全自動控制

目前,自動化控制技術迅速發(fā)展,世界各國工控企業(yè)已經制造出了多種可編程控制器(PLC)以及各種控制芯片,可編程控制器具有高性能、大容量、運算快、體積小、價格便宜,維護方便、運行穩(wěn)定等特點,可對搬運小車進行全自動的控制。但是,作為工業(yè)用的行走裝置還缺乏結構緊湊、行走平穩(wěn)、運動精度高、經濟適用的產品。隨著我國制造業(yè)高速發(fā)展,出現了大量的自動化生產設備,若能采用工業(yè)機器人實現自動運輸和上下料,將提高生產效率與產品質量,降低人工成本,減少人工加工的危險性[2]。

2 工業(yè)機器人行走裝置設計思路

2.1 機械傳動部分

機器人行走裝置是通過為行走機器人設計制作一輛數控小車,設計與制作以單片機為主控芯片的控制電路[3],形成智能化、數字化的工業(yè)機器人行走裝置即數控小車。數控小車由車身、電動機、運動機構、變速機構、傳動部分和控制電路等組成。運動系統采用步進電機驅動,用蓄電池供電、充電方式,遠處使用遙控控制;兩個后輪及驅動電機作為前進的驅動動力,兩個前輪用一臺電機驅動實現轉彎;當行走裝置(以下簡稱數控小車)前進時,兩個電機正轉且速度相等,而前輪電機不提供動力;當小車轉彎時,前輪電機驅動前輪軸擺動角度,而后輪上的兩臺電機通過控制程序差速旋轉,使左右兩輪的轉彎半徑不同,兩輪行走的距離也不同,確保兩輪與地面做純滾動,以減少輪胎與地面的摩擦。

2.2 控制部分

為減少數控小車的制作周期,提高其整體性以及經濟性,各電路模塊直接選擇現成的C52單片機最小系統、電機驅動器、遙控模塊、蓄電池等。當數控小車前進、后退時,則通過程序控制兩臺后輪電機同速度正反轉;右轉時,左邊電機快速正轉、右邊電機慢速正轉;左轉和右轉相反。設置了紅外傳感器故障避障功能,傳感器近距離檢測到前方有故障時,行走裝置會停止行走。系統總體結構框圖如圖1所示。

圖1 總體框架

3 機械結構設計

數控小車的運動部分相當于人的手腳,整個機械結構包括了車架、電機、傳動機構、車輪、蓋板等。本文設計了三個方案,如圖2所示。方案a和b的回轉中心均在兩固定輪的中間位置,方案c的車軸固定,車輪旋轉,由左右輪的差動實現回轉。由于固定輪的直行性,回轉時接地摩擦阻力大,回轉半徑大,而數控小車轉彎半徑要求小,所以設計方案應從a、b兩種車輪布置中選定。

圖2 傳動方案比較

a方案:三輪車結構,優(yōu)點是轉向靈活,結構簡單,轉彎半徑小容易實現轉彎與直線行走。缺點為當經過凹凸不平的路面時行走機構不穩(wěn)定容易發(fā)生傾倒。

b方案:雙三輪結構,兩個驅動前進后退的車輪較大,前后兩個支撐輪較小,其中一個是轉彎驅動輪、另一個只是起到支撐作用的萬向輪。優(yōu)點是轉彎半徑?。梢詫崿F原地轉向),平穩(wěn)性比三輪車結構好。

分析上面幾種方案,最終選擇b方案,即雙三輪機構。其轉彎半徑小,平穩(wěn)性高,適合在窄小的廠區(qū)車間運行。

可供選擇的車輪類型:充氣輪、實心輪、鐵輪三種。充氣輪減震性好重量輕、摩擦阻力大;實心輪可承受的載荷大,使用和維護方便,有一定的減震性,摩擦阻力大。鐵輪可承受的載荷最大,但是摩擦阻力小。因為數控小車的重量大,地面的摩擦阻力小,數控小車的驅動輪與支撐輪均采用實心橡膠輪。

數控小車的尺寸為長1000 mm、寬600 mm、高為300 mm,可以在不同的速度下實現轉向。如圖3所示。機械部分的設計對數控小車的整體性能非常重要,運動部分合理地設計才能使數控小車行走平穩(wěn)、運行精度高。

圖3 數控小車整體結構

在結構設計時,必須充分考慮車輛前后輪之間的距離,車輪的對齊方式以及車輛的重心。采用雙三輪結構這極大地提高了小車的穩(wěn)定性,并有助于提高其行駛性能??紤]電機尺寸、機器人安裝位置以及整車中心不能太高等因素選擇車輪大小,行駛時確保車架在同一平面上,否則會影響行駛的穩(wěn)定性。

4 驅動電機的選擇

假設小車及所馱貨物總重量W=3000 N,橡膠車輪在水泥平地滾動阻力Ft=f×W,據《汽車原理》查得“一般的瀝青或混凝土路面滾動系數0.018~0.020”,取f=0.020,則:Ft=0.020×3000=60 N

設計爬坡角度5°,根據《汽車原理》得道路阻力:

當α不大時:cosα≈1,tanα≈0.087

則:

因要考慮從靜止到勻速的加速運動等,設安全系數θ=1.5,所以

車輪所需要的轉矩M=F·L

設輪徑D=300 mm

所以L=D/2=150 mm,則

二級圓柱齒輪減速器的傳動比常用范圍i′=8~30

則需要電機轉矩M電=M/i′=9.028~2.408 N·m

設車速V=1.5 m/s,則

電機轉速:nd=i′·nw=764.3312~2866.2 r/min

根據電機的轉矩與轉速選擇110BYG250A型兩相混合式步進電機,其最大靜轉矩為8 N·m,空載啟動轉速為860 r/min,步距角為1.8°,配套驅動器SWT-210H。因為采用兩臺驅動電機,故2×8=16 N·m,該型號電機的轉矩足夠。

5 控制部分

數控小車使用的控制核心stc89c52,使用C語言編程。C語言功能豐富、編寫靈活修改方便、表達豐富、在計算機語言中應用比較廣、編寫效率高、并且可移植性好,不僅有高級語言的優(yōu)點還具有低級語言特點且通俗易懂。程序的編寫軟件使用的是MDK(keil5)軟件。Keil(MDK)5中文版提供了完整開發(fā)計劃,包括C編譯器、大型匯編、鏈接、庫管理和強大的測量缺陷等。當數控小車需轉向時,由軟件控制驅動輪產生差速,并使支撐輪轉動一定角度,以配合轉向,直線行駛時只要保證兩驅動輪的轉速一致,兩支撐輪隨著驅動輪方向轉動即可。

數控小車的轉向主要由驅動輪的轉速差來控制,所以前后支撐輪可以用萬向輪代替。用萬向輪做支撐輪時小車的轉向阻力較大,所以用步進電機來驅動一支撐輪,當需要轉向時由軟件控制,使一支撐輪轉動一定角度,通過連桿機構帶動另一個支撐輪擺過同樣的角度,以減小傳動阻力。

智能循跡避障小車的紅外光電傳感器模塊,如圖4所示,其由TCRT5000和LM339及少量外圍元件構成。傳感器部分使用的是紅外反射傳感器TCRT5000,這是一種結合發(fā)射和接收的,基于紅外光學反射原理的傳感器,它包含一個紅外發(fā)光二極管和一個光敏NPN三極管。TCRT5000紅外傳感器的工作范圍約為0.2~15 mm。工作時,紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外線,若沒有被障礙物反射回來或反射強度不足時,光敏三極管不工作;當紅外線的反射強度足夠且被光敏三極管接收到時,三極管飽和導通。LM339集成塊在電路中用作電壓比較器,當同相輸入端(“+”)和反相輸入端(“-”)的電壓差大于10 mV時,就能實現輸出端狀態(tài)的轉換,適合在弱信號檢測場合中使用。圖中,“+”輸入端接TCRT5000輸出的待比較信號,“-”輸入端接電源通過滑動變阻器R3分壓所得到的電壓,作為比較器LM339的基準電壓。滑動變阻器的作用是改變基準電壓的大小實現系統靈敏度的調節(jié)。

圖4 紅外避障傳感器原理圖

當光電傳感器所探測到的是黑線時,LM339輸出高電平;當光電傳感器探測到的是白線時,LM339輸出的是低電平。LM339的輸出信號送入單片機,由單片機程序判斷小車處于黑線還是偏離了黑線,以及判斷是否有障礙物,以控制電動機轉向。

6 數控小車遙控模塊選擇

所謂遙控器,是一種采用紅外傳輸信號使某種裝置或設備實現目的動作的一種設備,確保數控小車實現最少五十米內遙控距離,實現數控能小車前進后退、左轉右轉。本設計遙控器選擇的是FS富斯i6,2.4 G 10通道接收i6 DCL模擬器liftoff的遙控器。該遙控器主要特點有:全角度增益天線,對數控小車的控制距離和穩(wěn)定性大大的增強;采用LCD背光點陣屏幕和數據的雙向回傳,小車運行數據能夠清晰呈現,提高數據傳輸速度,而且安全、控制可靠;使用4個5號電池,預留了升級擴展通道,可自動跳頻,低壓報警等;可點動式遙控,2.4 GHz高頻信號,在空曠無干擾情況下遙控距離可達500 m,大大增加了工廠的工作區(qū)域;重量約400 g,輕便、操作方便、操作簡單。

7 結語

數控小車即工業(yè)機器人行走裝置主要包括傳動系統、機器人移動平臺、控制系統和其他安全設施。其中,傳動系統考慮到傳送距離較長和傳送精度要求高的問題選用精密橡膠輪,加裝密封系統用于防塵;控制系統主要包括伺服電機、減速器、單片機及其他低壓電氣設備[4]。本文通過對數控小車(工業(yè)機器人行走裝置)國內外發(fā)展狀況和未來發(fā)展的深入分析,并考慮了工業(yè)機器人行走裝置真實的應用環(huán)境、四輪車復雜結構的簡化以及機械結構運動精度等問題,用UG(NX)3D軟件設計了數控小車的模型及運動仿真,并對小車的結構實施了力學分析,根據設計結果制作了實物。事實證明,該設計結果是可行的,具有推廣應用價值。

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