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摘 要
傳統(tǒng)的工業(yè)機器人控制系統(tǒng)絕大多數(shù)是基于PC技術(shù)開發(fā)，但是，隨著嵌入式處理器性能的提高，這些領(lǐng)域的應(yīng)用將會逐漸被嵌入式系統(tǒng)所取代。本文基于ARMV7架構(gòu)的嵌入式處理器STM32實現(xiàn)對沖壓機器人的控制，并同時完成沖壓機器人機械本體的構(gòu)造。設(shè)計出具有較高自動化程度和動態(tài)性能的單臂沖壓機器人系統(tǒng)。
本設(shè)計創(chuàng)新點在于：（1）將32位嵌入式處理器STM32ZET6和嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II引入到單臂沖壓機器人的控制當中，取代了傳統(tǒng)的PC、PLC控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力且大大降低了成本。（2）利用FLASH斷電數(shù)據(jù)保持的特性，開發(fā)出簡易的示教控制系統(tǒng)，提高了沖壓機器人的環(huán)境適應(yīng)能力。
本設(shè)計充分貫徹了結(jié)構(gòu)化、模塊化的設(shè)計思路。首先根據(jù)沖壓機器人的設(shè)計要求確定出系統(tǒng)的總體方案，即，機械本體加嵌入式系統(tǒng)控制。然后，通過初步分析，將機械本體劃分為五大功能組件，即，機械臂組件、升降滑塊組件、升降支撐組件、回轉(zhuǎn)支撐組件和底部框架組件，而后，通過建立CAXA三維實體模型確定出機械本體的具體設(shè)計方案，并對設(shè)計尺寸進行初步的確定和產(chǎn)品選型。接下來，對控制系統(tǒng)進行了設(shè)計，控制系統(tǒng)被總體劃分為軟、硬件兩大設(shè)計部分。硬件設(shè)計部分被進一步細分為電源電路、通信電路、控制器電路三大模塊；軟件設(shè)計部分則被細分為 uC/OS_II操作系統(tǒng)、觸摸屏控制程序、復位程序、五路脈沖輸出、示教程序等五大模塊。最后，在完成模塊化劃分的基礎(chǔ)上，根據(jù)已有知識和現(xiàn)有產(chǎn)品對該單臂沖壓機器人項目進行詳細設(shè)計和選型。
關(guān)鍵詞：嵌入式；單臂沖壓機械人；STM32；示教系統(tǒng)；自動化
ABSTRACT
Most traditional industrial robot control system based on PC technology.However, with the improvement of embedded processor performance, applications in these areas will gradually be replaced by embedded systems. This article is based on the ARMV7 architecture embedded processor STM32 and construction of complete stamping at the robot mechanical body. Designs with a higher degree of automation and the dynamic performance is very good.The design’s innovation is: (1) Comebined the STM32ZET6 32-bit embedded processor with the embedded real-time operating system μ C/OS-II into the single-arm punching robot control, instead of the traditional PC, PLC control systems and improved system’s responsiveness while significantly reducing costs. (2) using FLASH’s data characteristic, developed a tutorial for a simple control system, improved stamping robot's ability to adapt to circumstances. Full implementation of this design is structured, modular design ideas. Firstly,Depending on the pushing robot's requirements to determine the general scheme of the system, namely, mechanical body、embedded system control. Then, by a preliminary mechanical analysis,the mechanical body is divided into five major functional components, namely, the Picker Assembly, lift the slider component, elevating support assemblies, Rotary bearing components and the bottom frame components, which, through the creation of CAXA three-dimensional entity model to determine the specific design of the mechanical body, and preliminary determination of design size and product selection. Next, the control system was designed control systems are generally divided into two major design software and hardware parts. Hardware design part is further subdivided into the power circuit, communication circuits, controller circuit, three modules; software design portion was subdivided for the uC/OS_II operating system, touch screen controls, reset procedure, five pulse outputs, demonstration program and other five modules. Finally, upon the completion of the modular division,Detailed designing and selectioning of the single-arm punching robot project is based on the existing knowledge and available products.
Keywords: embedded; single-arm punching robot;STM32;teaching systems;automation
目 錄
1 緒論 1
1.1設(shè)計背景及意義 1
1.2 工業(yè)機器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1
1.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀 1
1.2.2國外研究現(xiàn)狀 2
1.3設(shè)計完成的工作和創(chuàng)新點 3
1.3.2嵌入式控制系統(tǒng) 4
1.4存在的問題及后續(xù)設(shè)計展望 6
1.5論文總體結(jié)構(gòu) 6
2 總體方案設(shè)計 7
2.1系統(tǒng)總體簡介 7
2.2機械本體各部分設(shè)計方案及功能介紹 8
2.2.1機械臂組件 8
2.2.2回轉(zhuǎn)支承組件 8
2.2.3升降支撐組件 9
2.2.4升降滑塊組件 9
2.2.5 底部框架組件 10
2.3控制系統(tǒng)設(shè)計方案 10
2.3.1嵌入式系統(tǒng)硬件 10
2.3.2嵌入式系統(tǒng)軟件 10
2.4本章小結(jié) 11
3 關(guān)鍵部位的選型與校核 12
3.1回轉(zhuǎn)支撐組件部分 12
3.1.1電機M1及其減速機的選型與校核 12
3.1.2推力球軸承靜載荷校核 15
3.1.3螺釘校核 16
3.1.4聯(lián)軸器鍵校核 17
3.2機械臂組件部分 18
3.2.1絲杠1選型與計算 18
3.2.2電機M4選型與校核 20
3.3升降支撐組件部分 22
3.3.1絲杠2的選型與計算 22
3.4升降滑塊組件部分 23
3.4.1電機M3及其減速機的選型與校核 23
3.4.2齒輪校核 25
3.5本章小結(jié) 27
4 控制系統(tǒng)設(shè)計 28
4.1嵌入式硬件系統(tǒng)方案 28
4.1.1電源電路 28
4.1.2 控制器電路 28
4.1.3通信電路 32
4.2嵌入式軟件系統(tǒng)方案 33
4.2.1 uC/OS_II操作系統(tǒng) 33
4.2.2 觸摸屏控制程序 35
4.2.3 復位程序 36
4.2.4 五路脈沖輸出 36
4.2.5 示教程序 36
5 結(jié)論與展望 37
參考文獻 39
附錄1 程序流程圖 40
附錄2 主程序 42
附錄3 控制器原理圖 46
翻譯 47
英文原文 47
中文翻譯 60
8. 參考文獻 70
致 謝 71
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摘 要
傳統(tǒng)的工業(yè)機器人控制系統(tǒng)絕大多數(shù)是基于PC技術(shù)開發(fā)，但是，隨著嵌入式處理器性能的提高，這些領(lǐng)域的應(yīng)用將會逐漸被嵌入式系統(tǒng)所取代。本文基于ARMV7架構(gòu)的嵌入式處理器STM32實現(xiàn)對沖壓機器人的控制，并同時完成沖壓機器人機械本體的構(gòu)造。設(shè)計出具有較高自動化程度和動態(tài)性能的單臂沖壓機器人系統(tǒng)。
本設(shè)計創(chuàng)新點在于：（1）將32位嵌入式處理器STM32ZET6和嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II引入到單臂沖壓機器人的控制當中，取代了傳統(tǒng)的PC、PLC控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力且大大降低了成本。（2）利用FLASH斷電數(shù)據(jù)保持的特性，開發(fā)出簡易的示教控制系統(tǒng)，提高了沖壓機器人的環(huán)境適應(yīng)能力。
本設(shè)計充分貫徹了結(jié)構(gòu)化、模塊化的設(shè)計思路。首先根據(jù)沖壓機器人的設(shè)計要求確定出系統(tǒng)的總體方案，即，機械本體加嵌入式系統(tǒng)控制。然后，通過初步分析，將機械本體劃分為五大功能組件，即，機械臂組件、升降滑塊組件、升降支撐組件、回轉(zhuǎn)支撐組件和底部框架組件，而后，通過建立CAXA三維實體模型確定出機械本體的具體設(shè)計方案，并對設(shè)計尺寸進行初步的確定和產(chǎn)品選型。接下來，對控制系統(tǒng)進行了設(shè)計，控制系統(tǒng)被總體劃分為軟、硬件兩大設(shè)計部分。硬件設(shè)計部分被進一步細分為電源電路、通信電路、控制器電路三大模塊；軟件設(shè)計部分則被細分為 uC/OS_II操作系統(tǒng)、觸摸屏控制程序、復位程序、五路脈沖輸出、示教程序等五大模塊。最后，在完成模塊化劃分的基礎(chǔ)上，根據(jù)已有知識和現(xiàn)有產(chǎn)品對該單臂沖壓機器人項目進行詳細設(shè)計和選型。
關(guān)鍵詞：嵌入式；單臂沖壓機械人；STM32；示教系統(tǒng)；自動化
ABSTRACT
Most traditional industrial robot control system based on PC technology.However, with the improvement of embedded processor performance, applications in these areas will gradually be replaced by embedded systems. This article is based on the ARMV7 architecture embedded processor STM32 and construction of complete stamping at the robot mechanical body. Designs with a higher degree of automation and the dynamic performance is very good.The design’s innovation is: (1) Comebined the STM32ZET6 32-bit embedded processor with the embedded real-time operating system μ C/OS-II into the single-arm punching robot control, instead of the traditional PC, PLC control systems and improved system’s responsiveness while significantly reducing costs. (2) using FLASH’s data characteristic, developed a tutorial for a simple control system, improved stamping robot's ability to adapt to circumstances. Full implementation of this design is structured, modular design ideas. Firstly,Depending on the pushing robot's requirements to determine the general scheme of the system, namely, mechanical body、embedded system control. Then, by a preliminary mechanical analysis,the mechanical body is divided into five major functional components, namely, the Picker Assembly, lift the slider component, elevating support assemblies, Rotary bearing components and the bottom frame components, which, through the creation of CAXA three-dimensional entity model to determine the specific design of the mechanical body, and preliminary determination of design size and product selection. Next, the control system was designed control systems are generally divided into two major design software and hardware parts. Hardware design part is further subdivided into the power circuit, communication circuits, controller circuit, three modules; software design portion was subdivided for the uC/OS_II operating system, touch screen controls, reset procedure, five pulse outputs, demonstration program and other five modules. Finally, upon the completion of the modular division,Detailed designing and selectioning of the single-arm punching robot project is based on the existing knowledge and available products.
Keywords: embedded; single-arm punching robot;STM32;teaching systems;automation
目 錄
1 緒論 1
1.1設(shè)計背景及意義 1
1.2 工業(yè)機器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1
1.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀 1
1.2.2國外研究現(xiàn)狀 2
1.3設(shè)計完成的工作和創(chuàng)新點 3
1.3.2嵌入式控制系統(tǒng) 4
1.4存在的問題及后續(xù)設(shè)計展望 6
1.5論文總體結(jié)構(gòu) 6
2 總體方案設(shè)計 7
2.1系統(tǒng)總體簡介 7
2.2機械本體各部分設(shè)計方案及功能介紹 8
2.2.1機械臂組件 8
2.2.2回轉(zhuǎn)支承組件 8
2.2.3升降支撐組件 9
2.2.4升降滑塊組件 9
2.2.5 底部框架組件 10
2.3控制系統(tǒng)設(shè)計方案 10
2.3.1嵌入式系統(tǒng)硬件 10
2.3.2嵌入式系統(tǒng)軟件 10
2.4本章小結(jié) 11
3 關(guān)鍵部位的選型與校核 12
3.1回轉(zhuǎn)支撐組件部分 12
3.1.1電機M1及其減速機的選型與校核 12
3.1.2推力球軸承靜載荷校核 15
3.1.3螺釘校核 16
3.1.4聯(lián)軸器鍵校核 17
3.2機械臂組件部分 18
3.2.1絲杠1選型與計算 18
3.2.2電機M4選型與校核 20
3.3升降支撐組件部分 22
3.3.1絲杠2的選型與計算 22
3.4升降滑塊組件部分 23
3.4.1電機M3及其減速機的選型與校核 23
3.4.2齒輪校核 25
3.5本章小結(jié) 27
4 控制系統(tǒng)設(shè)計 28
4.1嵌入式硬件系統(tǒng)方案 28
4.1.1電源電路 28
4.1.2 控制器電路 28
4.1.3通信電路 32
4.2嵌入式軟件系統(tǒng)方案 33
4.2.1 uC/OS_II操作系統(tǒng) 33
4.2.2 觸摸屏控制程序 35
4.2.3 復位程序 36
4.2.4 五路脈沖輸出 36
4.2.5 示教程序 36
5 結(jié)論與展望 37
參考文獻 39
附錄1 程序流程圖 40
附錄2 主程序 42
附錄3 控制器原理圖 46
翻譯 47
英文原文 47
中文翻譯 60
8. 參考文獻 70
致 謝 71
中國礦業(yè)大學2014屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第72頁
1 緒論
1.1設(shè)計背景及意義
沖壓機器人是沖壓自動化設(shè)備不可缺少的重要組成部分，其高效安全工作對生產(chǎn)和生活都有著非常重要的意義。目前，隨著機械設(shè)備高速化和重載化的發(fā)展趨勢，對機器人的工作平穩(wěn)性能和安全性能提出了越來越高的要求。
國外的機器人技術(shù)已相當成熟，六軸機器人被廣泛應(yīng)用于自動化上下料系統(tǒng)。近年來，ABB 機器人公司為長安鈴木、吉利和長城等國內(nèi)汽車公司提供了沖壓自動化系統(tǒng)，制定了沖壓自動化生產(chǎn)線技術(shù)方案，應(yīng)用了其研制的 IRB 6660、IRB 7600 等機器人并配以旋轉(zhuǎn)七軸與柔性 Corssbar 等先進的技術(shù)。
相對于其他國家，我國的工業(yè)機器人發(fā)展起步較晚，直到2007年才首次由濟南二機床集團有限公司將國際上廣泛應(yīng)用的六軸機器人應(yīng)用于大型沖壓自動化生產(chǎn)線中[1]。到目前為止，我國的機器人上下料技術(shù)的研究與國際先進水平仍然有較為明顯的差距，因此對機器人上下料技術(shù)的研究，尤其是對大型柔性重載機器人沖壓自動化生產(chǎn)線上下料技術(shù)的研究具有非常重要的實際意義。以汽車和摩托車生產(chǎn)為主的一批制造企業(yè)聯(lián)合哈爾濱工業(yè)大學、沈陽自動化研究所等單位，對高速重載電焊及搬運機器人的核心關(guān)鍵技術(shù)進行了研究和實施，然而對于沖壓機器人領(lǐng)域的相關(guān)研究和應(yīng)用并未深入，尤其針對高速重載沖壓機器人的關(guān)鍵技術(shù)尚未從根本上解決。因此，對高速重載沖壓機器人的關(guān)鍵技術(shù)研究具有非常重要的實際意義。
1.2 工業(yè)機器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀
我國從20 世紀70 年代起開始了關(guān)于工業(yè)機器人的研究,經(jīng)過幾代人的不懈努力，現(xiàn)已基本掌握了工業(yè)機器人的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)和機器人軟件和編程等關(guān)鍵技術(shù)。在機器人領(lǐng)域，成長起一批具有較強科研實力的公司和科研院校，如中科院沈陽自動化研究所、沈陽新松機器人自動化有限公司、哈爾濱工業(yè)大學、清華大學、國防科技大學、北京航空航天大學、南京航空航天大學、東南大學等[2]。國防科技大學針對機械臂模塊化的發(fā)展需求,設(shè)計提出了一種基于Sarrus機構(gòu)的模塊化機器人擬人手臂，利用Sarrus機構(gòu)在機器人手臂中能夠同時傳遞運動、動力和連接兩相鄰模塊的特點,能夠有效拓展機械臂的工作空間,增強其運動靈活性；清華大學以斯坦福機械手臂為研究對象，將多模型自適應(yīng)控制應(yīng)用在機器人手臂控制中，對被控對象建立離散時間模型，并建立自適應(yīng)控制器并在斯坦福大學的基礎(chǔ)上有所改進，在斯坦福大學的機械手自適應(yīng)控制算法當中，參數(shù)破壞經(jīng)常會導致總體系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，清華大學為被控對象模型建立多個模型，通過這種方式實現(xiàn)對被控對象參數(shù)不確定性的有效覆蓋，這種構(gòu)建多模型自適應(yīng)控制器的方法，將“局部化”技術(shù)引用進來，可在保證多模型自適應(yīng)精度的同時減少計算時間；哈爾濱工業(yè)大學在七自由度仿人手臂雙臂一體機器人協(xié)調(diào)運動學研究中做出了突出成績。由于雙臂協(xié)調(diào)和單臂運動是相關(guān)且并行的，所以，提出用對單臂運動學逆解進行修正的方法來得到雙臂協(xié)調(diào)運動學逆解。通過對雙臂上任意臂桿避碰的分析，提出了相碰檢驗條件及避碰附加作業(yè)模型，并利用冗余自由度和Jacoban矩陣的零空間分解得到了雙臂避碰附加作業(yè)聞解，最后用此逆解修正單臂運動；東南大學對于機器人操作手運動能力指數(shù)的應(yīng)用，分析了機器人操作手速度空間理論，以操作手運動能力指數(shù)為性態(tài)指標，對操作手進行了運動學分析與規(guī)劃；南京航空航天大學作了空間柔性雙臂機器人的動力學建模及控制的研究，基于假設(shè)模態(tài)法、拉格朗日方程和系統(tǒng)動量守恒，推導了自由浮動空間柔性雙臂機器人協(xié)調(diào)操作剛性負載閉鏈系統(tǒng)的動力學模型，并利用位置一力混合控制算法對該動力學模型實現(xiàn)了軌跡跟蹤控制，最后進行了動力學控制仿真。
1.2.2國外研究現(xiàn)狀
由于機器人沖壓自動化生產(chǎn)線的特點很好地適應(yīng)了當今汽車行業(yè)車身更新?lián)Q代速度快的要求，在世界范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用。各大機器人公司抓住了這一重大商機，紛紛研發(fā)出了適用于沖壓自動化生產(chǎn)線的沖壓機器人[3]。比如：KUKA 公司的 KR-P 系列機器人，圖 1.2 為 KR120-2P 機器人，該機器人最大工作范圍達 3500mm，負荷 120kg，附加負荷 50kg；ABB 公司研制的沖壓機器人 IRB 6660，，該機器人工作范圍為 3100mm，承載能力達 130kg。
圖1.1 TUKA搬運機器人
中國的工業(yè)機器人設(shè)計、生產(chǎn)水平與世界其他先進國家比較起來仍然有較大差距，隨著傳統(tǒng)的功能型工業(yè)機器人越來越成熟，各國科學家正逐漸將具有完全自主能力的、擬人化的智能機器人做為下一步的研究重點。特別是對于機器人手臂的研究，是現(xiàn)階段研究的熱點。德國KUKA公司研制的重負載工業(yè)機器人在極端的鑄造環(huán)境中可以安全有效、精確的移動極為沉重的物件，并保持一定的速度；德國GTA公司生產(chǎn)的巷道支護設(shè)備AMG5000、AMG5001/5002、SKM 88 FH等，均有部分設(shè)計模塊與工業(yè)機器人相關(guān)，特別是類機器人手臂的設(shè)計應(yīng)用相當廣泛。因為現(xiàn)今工業(yè)機器人智能化越來越高，所以機器人的設(shè)計不斷向模塊化發(fā)展，設(shè)計制造分工合作顯得越來越重要。
近幾十年，工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了開環(huán)控制、閉環(huán)位置控制、自適應(yīng)控制等階段[4-5]。下一代的控制系統(tǒng)要求更快的實時響應(yīng)來應(yīng)對不可預知的人類參與以及突發(fā)性安全問題。現(xiàn)在，閉環(huán)硬件系統(tǒng)主要由微處理器進行控制，例如DSP 和 RISC控制器[6]等。
應(yīng)用上，雖然現(xiàn)在絕大多數(shù)的工業(yè)機器人控制系統(tǒng)依然是基于PC技術(shù)開發(fā)[7]，但是，隨著嵌入式處理器性能的提高，這些領(lǐng)域的應(yīng)用將會逐漸被嵌入式系統(tǒng)所取代。例如，隨著ARM處理器的迅速發(fā)展，很多原先運行在PC機和其他專用硬件設(shè)備上的實時軟件已被移植到ARM處理器上。 CNC控制器也正在被嵌入式系統(tǒng)所取代[8-9]，因為這樣可以減少硬件成本和增加系統(tǒng)的可靠性
1.3設(shè)計完成的工作和創(chuàng)新點
完成的工作：
表1.1完成工作清單
機械部分
控制部分
1、圖紙：總裝圖 A0
回轉(zhuǎn)支承組件 A1
機械臂組件 A1
升降支撐組件 A1
升降滑塊組件 A2
芯軸 A2
伸縮臂滑塊 A2
小齒輪 A3
總計 3.4張A0
1、圖紙：
電氣原理圖 A1
控制器原理圖 A3
PCB圖 A4
總計 0.7張A0
2、硬件部分：
電源電路、通信電路選型
控制器電路設(shè)計
3、軟件部分：
uC/OS_II操作系統(tǒng)移植、
觸摸屏控制程序、復位程序、五路脈沖輸出、示教程序編寫
2、其他：三維實體總裝圖
三維動畫
本設(shè)計創(chuàng)新點在于：
（1）將32位嵌入式處理器STM32ZET6和嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II引入到單臂沖壓機器人的控制當中，取代了傳統(tǒng)的PC、PLC控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力且大大降低了成本。
（2）利用FLASH斷電數(shù)據(jù)保持的特性，開發(fā)出簡易的示教控制系統(tǒng)，提高了沖壓機器人的環(huán)境適應(yīng)能力。
1.3.1機械本體
主要劃分為：底部框架組件設(shè)計、回轉(zhuǎn)支承組件設(shè)計、升降支撐組件設(shè)計、機械臂組件設(shè)計、升降滑塊組件設(shè)計等五個部分。
①底部框架組件設(shè)計：包括腳輪托架和底部框架的設(shè)計。設(shè)計過程主要包括底部框架組件的外型設(shè)計，材料選型以及計算校核等。
②回轉(zhuǎn)支承組件設(shè)計：包括電機托板、定位立柱、支撐板、支撐套、上下端蓋、芯軸以及非標墊圈的設(shè)計。設(shè)計過程主要包括回轉(zhuǎn)支承組件的外型設(shè)計，材料選型以及計算校核等。
③升降支撐組件設(shè)計：包括側(cè)板、定位板、限位柱、蓋板、電機過渡支撐、緊固套、非標墊圈的設(shè)計。設(shè)計過程主要包括升降支撐組件的外型設(shè)計，材料選型以及計算校核等。
④機械臂組件設(shè)計：包括壓塊、伸縮臂滑塊、限位托架、法蘭座、前后端支撐板、軸承支座、固定側(cè)板、軸承端蓋、絲杠支撐端定位板、絲杠固定端定位板、電機支撐板、同步帶芯軸、手指轉(zhuǎn)接盤、非標墊圈的設(shè)計。設(shè)計過程主要包括機械臂組件的外型設(shè)計，材料選型以及計算校核等。
⑤升降滑塊組件設(shè)計：包括升降滑塊、滑塊后端蓋、齒輪緊固套、滑塊軸承止動環(huán)、滑塊前端蓋、非標齒輪、齒輪限位套、滑塊軸、非標墊圈的設(shè)計。設(shè)計過程主要包括升降滑塊組件的外型設(shè)計，材料選型以及計算校核等。
⑥電機選型設(shè)計：根據(jù)負載情況選擇合適的伺服電機。一共有五個，包括回轉(zhuǎn)電機、升降電機、機械臂伸縮電機、吸盤轉(zhuǎn)動電機、機械臂回轉(zhuǎn)電機。
1.3.2嵌入式控制系統(tǒng)
主要劃分為硬件系統(tǒng)設(shè)計和軟件系統(tǒng)設(shè)計兩部分：
嵌入式實時控制系統(tǒng)硬件研發(fā),包括電源電路、控制器電路、 通信電路：
表1.2系統(tǒng)硬件電路劃分及其功能簡介
電路名稱
功能簡介
電源電路
負責將市電（220V）轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的3.3V電壓為控制器供電,該部分電路包括：變壓器電路，橋式整流電路、集成穩(wěn)壓電路。
控制器電路
整個系統(tǒng)的核心，主要包括STM32ZET6芯片、晶振、電源輸入、管腳輸出、復位電路等部分。
通信電路
提供單片機與觸摸屏交互的接口，主要由ALIENTEK TFTLCD模塊組成。
嵌入式實時控制系統(tǒng)軟件研發(fā)，采用嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II模塊化設(shè)計方法，提高系統(tǒng)的實時性和擴展性，分為五個模塊：uC/OS_II操作系統(tǒng)、觸摸屏控制程序、復位程序、5路脈沖輸出、示教功能。
表1.3系統(tǒng)硬件電路劃分及其功能簡介
軟件模塊名稱
功能簡介
研究重點
uC/OS_II操作系統(tǒng)
負責任務(wù)調(diào)度。
操作系統(tǒng)在STM32ZET6環(huán)境下的移植。
觸摸屏控制程序
通過觸摸屏進行參數(shù)的設(shè)定，完成示教功能。
該部分主要包括為觸摸屏底層驅(qū)動和應(yīng)用層調(diào)用程序的編寫。
復位程序
控制機械手回到原點。
當位置傳感器檢測到機械手指定位置信息時將觸發(fā)控制器外部中斷，然后，由中斷程序進行復位。
五路脈沖輸出
伺服電機采用位置控制，控制器通過向伺服驅(qū)動器發(fā)送5路脈沖來分別控制5個伺服電機。
向伺服驅(qū)動器發(fā)送5路脈沖
示教功能
使機器具有一定的記憶性，達到示教功能
將設(shè)置好的參數(shù)，存入到STM32片內(nèi)的FLASH中，下次運行時自動裝載
本設(shè)計創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
（1）綜合采用32位嵌入式處理器的主控單元和μC/OS-II模塊化編程思想，提高了沖壓機器人的快速響應(yīng)能力且大大降低了成本。
（2）利用FLASH斷電數(shù)據(jù)不易失的特性，將設(shè)置好的運行參數(shù)保存在STM32內(nèi)部FLASH中，這樣在下次啟動時即可直接運行設(shè)置好的參數(shù)，從而避免了重復設(shè)置，實現(xiàn)示教功能。從而大大提高了沖壓機器人的環(huán)境適應(yīng)能力。
1.4存在的問題及后續(xù)設(shè)計展望
存在問題及后續(xù)展望從機械本體和控制系統(tǒng)兩方面展開敘述：
本設(shè)計借鑒許多已有設(shè)備的連接、傳動以及功能實現(xiàn)方式，將他們結(jié)合在一起，難免會出現(xiàn)配合上的問題。再設(shè)計計算得過程中，由于設(shè)計結(jié)構(gòu)的不對稱性，在建立力學模型尋找中心時會出現(xiàn)不精確的情況，使計算顯得略微粗糙。
機械本體的設(shè)計采用過多的非標件導致制造成本過高，圖紙工作量太大。另外由于缺乏經(jīng)驗，機械上有很多地方可以精簡改進，比如升降滑塊組件由于對空間考慮不夠?qū)е略趯嶋H安裝電機時比較麻煩。
控制系統(tǒng)的設(shè)計雖然主體功能均能夠?qū)崿F(xiàn)，但是，觸摸屏界面設(shè)計較為單一，操作上不夠智能化；代碼不夠精簡，有些地方存在重復代碼導致運行效率下降。
1.5論文總體結(jié)構(gòu)
本設(shè)計將分為六個章節(jié)進行討論。
第一章 分析了沖壓機器人的發(fā)展現(xiàn)狀并簡單介紹了本文設(shè)計的設(shè)計思路、主要內(nèi)容以及研究意義。
第二章 對整體設(shè)計方案及各部分功能以及設(shè)計的思路進行了介紹。
第三章 對機械本體的各關(guān)鍵部位進行了的選型與必要的校核。
第四章 主要從硬件設(shè)計和軟件系統(tǒng)設(shè)計兩方面對沖壓機器人的控制系統(tǒng)進行了詳細的介紹。
第五章 總結(jié)了本文主要研究的內(nèi)容及解決的問題，并提出存在的不足。
2 總體方案設(shè)計
圖2.1 總體設(shè)計方案
該設(shè)計總體設(shè)計方案如圖2.1所示，將整體分塊解決，對于該單臂機械手系統(tǒng)，將其分成兩個模塊。首先對機械本體進行設(shè)計，然后對其控制系統(tǒng)進行設(shè)計，最后進行聯(lián)合調(diào)試。
2.1系統(tǒng)總體簡介
針對該單臂機器人想要實現(xiàn)的功能，對該設(shè)備進行了CAXA三維建模，如圖2.2所示，模型由底部框架組件、回轉(zhuǎn)支承組件、升降支撐組件、機械臂組件、升降滑塊5部分組成。各部分協(xié)調(diào)配合工作，實現(xiàn)單臂機械手在兩個沖壓工位之間的工件搬運功能。
工作過程：啟動運行，機械手回到初始位置，然后按照設(shè)定程序，先從一號工位吸取工件，然后，機身回轉(zhuǎn)至二號工位，吸盤放下工件，進行沖壓，再次吸取工件，然后將工件放在成品處，循環(huán)進行下一次動作。
期間，通過觸摸屏可以實時控制各電機，實現(xiàn)行程和速度的調(diào)節(jié)，并將相應(yīng)參數(shù)存入片內(nèi)FLASH，使下次運行時直可接運行上次設(shè)置好的參數(shù)，實現(xiàn)示教功能。
當按下復位鍵時，機械手向右轉(zhuǎn)動，碰到行程開關(guān)時停止。
當按下暫停鍵時，系統(tǒng)保留當前運行參數(shù)并停止，再次按下暫停鍵，系統(tǒng)繼續(xù)運行。
圖2.2 CAXA三維模型
圖中：1—升降支撐組件，2—機械臂組件，3—底部框架組件，4—回轉(zhuǎn)支撐組件，5—升降滑塊組件。
2.2機械本體各部分設(shè)計方案及功能介紹
2.2.1機械臂組件
機械臂組件三維模型如圖2.3所示，該部分主要由絲杠組件、手指轉(zhuǎn)接盤、側(cè)板組成，其功能是實現(xiàn)機器臂沿某一方向的伸出運動，本質(zhì)上是一個絲杠傳動的直線運動裝置，伸出功能的實現(xiàn)是靠絲杠連接的的伺服電機實現(xiàn)的。
圖2.3 機械臂組件
2.2.2回轉(zhuǎn)支承組件
回轉(zhuǎn)支撐組件三維模型如圖2.4所示，該部分主要由電機托板、定位立柱、支撐板、支撐套、上下端蓋、芯軸組成，其功能是實現(xiàn)整個機器人手臂沿某一方向的回轉(zhuǎn)運動，回轉(zhuǎn)功能的實現(xiàn)是靠回轉(zhuǎn)支撐組件下的伺服電機實現(xiàn)的
圖2.4回轉(zhuǎn)支撐組件
2.2.3升降支撐組件
升降支撐組件三維模型如圖2.5所示，該部分功能是將機械臂及升降滑塊組件實現(xiàn)整體升降運動，其功能是靠圖2.5下部電機帶動滾珠絲杠實現(xiàn)的，升降滑塊組件通過兩限位柱上的直線軸承以及絲杠組件固定。
圖2.5升降支撐組件
2.2.4升降滑塊組件
升降滑塊組件三維模型如圖2.6所示，該部分功能是將升降支撐組件及升降滑塊組件連接在一起并通過電機時機械臂組件實現(xiàn)軸向轉(zhuǎn)動，其功能是一級齒輪實現(xiàn)的，升降滑塊組件通過兩限位柱上的直線軸承以及絲杠組件固定。
圖2.6 升降滑塊組件
2.2.5 底部框架組件
底部框架組件三維模型如圖2.7所示，該部分用于固定回轉(zhuǎn)支撐組件和升降支撐組件，控制部分也將被安裝在這里，由鋁型材、角鋼、T型螺栓、法蘭螺母、腳輪托架、腳輪直接搭建而成。
圖2.7底部框架組件
2.3控制系統(tǒng)設(shè)計方案
2.3.1嵌入式系統(tǒng)硬件
① 使用電子設(shè)計自動化軟件altium designer10進行原理圖繪制并生成PCB板。
② 電源電路和通信電路通過外購滿足。
2.3.2嵌入式系統(tǒng)軟件
① μC/OS-II操作系統(tǒng)：將UC/OS_II移植到STN32ZET6硬件平臺，需要修改：os_cpu.h、os_cpu_a.asm和os_cpu.c三個文件。
② 觸摸屏控制：采用廣州星翼電子科技有限公司開發(fā)的ALIENTEK TFT LCD模塊。通過軟件模擬SPI完成觸摸屏與STM32的信息交互。
③ 復位功能：采用STM32 IO口外部中斷實現(xiàn)， STM32F103ZET6總共只有112個IO，除去RTC晶振占用的2個IO，剩下的每個IO都可以作為外部中斷的中斷輸入口。當機械手到達指定位置時，位置傳感器觸發(fā)STM32指定管腳，引發(fā)外部中斷，程序立即跳轉(zhuǎn)到中斷處理程序控制輸出管腳輸出指定數(shù)量的脈沖以實現(xiàn)復位功能。
④ 5路脈沖輸出：采用定時器中斷觸發(fā)GPIO口翻轉(zhuǎn)實現(xiàn)。
⑤ 示教功能：將觸摸屏調(diào)節(jié)好的參數(shù)直接存入到STM32片內(nèi)FLASH中，當系統(tǒng)再次運行時，直接調(diào)用FLASH中存儲的參數(shù)，實現(xiàn)示教功能。
2.4本章小結(jié)
本章主要介紹了該單臂機械手系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，將整個系統(tǒng)分為機械本體和控制系統(tǒng)兩個大模塊，并依次對每個系統(tǒng)的設(shè)計方案及功能進行了的介紹，但每一模塊之間的連接關(guān)系及連接方式有的沒有具體介紹，在下文中將會做出詳細講解。
3 關(guān)鍵部位的選型與校核
3.1回轉(zhuǎn)支撐組件部分
3.1.1電機M1及其減速機的選型與校核
計算依據(jù)——《伺服電機應(yīng)用技術(shù)》顏嘉男編著[10]
①計算電機負載的轉(zhuǎn)動慣量
使用CAXA三維實體設(shè)計2013計算各組件相對于電機軸 的轉(zhuǎn)動慣量，具體方法如下：
a、進入CAXA實體設(shè)計界面，將局部坐標y軸與電機軸重合。
b、依次選中各零件，在其“屬性參數(shù)”中設(shè)置零件的密度或直接鍵入質(zhì)量數(shù)值。
c、完成前兩步之后，依次選中各組件，單擊“工具”T “物性計算”T “慣性矩”T“使用局部坐標系統(tǒng)”T “計算”，即可求得該組件相對于電機軸的轉(zhuǎn)動慣量Iyy。
得到結(jié)果如下：
機械臂組件 （包含最大搬運質(zhì)量3kg）
升降支撐組件
升降滑塊組件
回轉(zhuǎn)芯軸
回轉(zhuǎn)部聯(lián)軸器
將所得轉(zhuǎn)動慣量之和折算到電機軸上得電機負載轉(zhuǎn)動慣量：
n —減速機減速比，預選定為50
—減速機相對于電機軸的轉(zhuǎn)動慣量，預定為300 kg×mm2
—電機軸負載轉(zhuǎn)矩，kg×mm2
②預選電機M1型號
由《伺服電機應(yīng)用技術(shù)》169頁說明知：
一般情況下，所選電機慣量應(yīng)大于1/10 負載慣量
查閱《松下A5電機產(chǎn)品手冊》,將電機型號初步選擇為：MSME152GCH
表3.1 MSME152GCH參數(shù)表
③電機最大轉(zhuǎn)矩校驗
a、電機M1加速轉(zhuǎn)矩計算公式：
式中： Ta —加速轉(zhuǎn)矩，N×m
JL —電機軸負載轉(zhuǎn)矩，kg×mm2
JM —電機轉(zhuǎn)動慣量，kg×mm2
N0—電機轉(zhuǎn)速，rmin
tpsa—加速時間，取1.5s
帶值得：
b、電機M1減速轉(zhuǎn)矩計算：
式中： —減速轉(zhuǎn)矩，N×m
—減速時間，取1.5s
代值得：
c、折算到電機軸上的運行負載轉(zhuǎn)矩：
式中：—運行負載轉(zhuǎn)矩，N×m
—摩擦因子
—，35mm
—計算效率,此處取0.8
—推力球軸承所受的正壓力，N
正壓力：
式中：—最大設(shè)計負荷質(zhì)量， kg
—機械臂組件質(zhì)量，kg
—滑塊組件質(zhì)量，kg
—升降支撐組件質(zhì)量，kg
質(zhì)量同樣由CAXA實體設(shè)計2013“物性計算”得到，方法從略。
得：m0=3kg , m1=16kg, m2=10kg, m3=35kg
代值得： G負= 640 N
由《中國機械設(shè)計大典》江西科技出版社 表20.1-29查得:
推力球軸承 = 0.0013
將上述數(shù)值代入得：
T0 =0.0013×640×0.035×2π 0.8= 0.23 N×m
由a、b、c知最大轉(zhuǎn)矩：
Tmax = T0 + Ta = 0.37 + 0.23 = 0.6 N×m
所選電機的瞬時最大轉(zhuǎn)矩為14.3 N×m > 0.6 N×m，故最大轉(zhuǎn)矩校驗合格。
④連續(xù)瞬間轉(zhuǎn)矩校驗
分析單臂機器人工況可知，其整體回轉(zhuǎn)角度為60°
可得電機M1實際運行曲線如圖3.1：
1500
0 0.5 1 t(s)
圖3.1電機M1實際運行曲線
所以，連續(xù)瞬間轉(zhuǎn)矩計算公式
（1）
式中：—加速時的轉(zhuǎn)矩，N×m
Tma = Tmax= 0.6 N×m
—減速時的轉(zhuǎn)矩，N×m
Tmd= 0.37 - 0.23 = 0.14 N×m
—保持轉(zhuǎn)矩，N×m
TCH=0 N×m
—保持時間，0 s
—M1運行時間，1 s
代值得： Tms= 0.62×0.5+0.142×0.5 = 0.69 N×m
所選電機的額定轉(zhuǎn)矩為4.77 N×m > 0.69 N×m，故連續(xù)瞬時負載轉(zhuǎn)矩校驗合格。
綜合③、④知：預選電機MSME152GCH 滿足要求。
⑤減速器的選擇
根據(jù)電機M1尺寸及減速比選擇適配減速機為: AB142-050-52-P2
該減速器轉(zhuǎn)動慣量：257 kg×mm2<300 kg×mm2 (預定值)，故不影響電機校驗結(jié)果。
3.1.2推力球軸承靜載荷校核
計算依據(jù)——《機械設(shè)計》程志紅著[11]
預定推力球軸承型號為5100型 55
其基本參數(shù)如下：
額定靜載荷 33.8 KN
額定動載荷 89.2KN
極限轉(zhuǎn)速 2800r/min
因為對于基本不轉(zhuǎn)動或轉(zhuǎn)速極低的軸承，其主要失效形式為產(chǎn)生過大的塑性變形，故結(jié)合本推力球軸承工作條件知只需要對其進行額定靜載荷校驗。
校驗公式： （2）
式中：?0 —軸承額定靜載荷，KN
S0 —軸承靜強度安全系數(shù)
P0 —當量靜載荷，KN
查表10-8可知， S0 取1.0
分析知：P0 = ( i=13mi +m0 )×g × S0 =（16+10+35+3）×10×1.0=640 N15.22 mm 所以，滿足要求。
3.2.2電機M4選型與校核
①計算電機M1負載的轉(zhuǎn)動慣量
式中：—
—
—適配聯(lián)軸器相對于電機M4軸的轉(zhuǎn)動慣量，
—
由CAXA計算得 : JL2=28.8 kg×mm2 JL3 =7.5 kg×mm2
JL1=W×(V20πN)2= W×(?S20π)2
式中： W — 物體質(zhì)量，kg
W=11.14 kg
?S—mm
?S=Ph=10mm
V —直線運動物體的速度，mm/min
N —伺服電機的旋轉(zhuǎn)速度，r/min
代入值得：
JL1=11.14×(1020π)2 = 0.28 ×10-4 kg×m2
所以， JL=（0.28+0.29+0.075）× 10-4 = 0.645 × 10-4 kg×m2
②預選電機M4
按照1/10 負載慣量預選電機，查閱《松下A5電機產(chǎn)品手冊》
初選電機型號為：MSMD022G1S
表3.3 MSMD022G1S參數(shù)表
③最大轉(zhuǎn)矩校驗
加速轉(zhuǎn)矩： （13）
折算到電機軸上的運行負載轉(zhuǎn)矩：
T0=F??S 2π×103×h
F =μW?g+F0+Fc
式中： Fc —運動軸方向的作用力，N ，受力分析知為0 N
—運動部分向桌面的擠壓力，N，受力分析知為0 N
h—驅(qū)動部分的效率,此處取0.8
μ—摩擦系數(shù)，取0.1
—伺服電機每轉(zhuǎn)動一周時，直線物體的移動量，mm
?S=Ph=10mm
代值得： F =0.1×11.14×10+0+0 = 11.14 N
T0=11.14×10 2π×103×0.8= 0.02 N×m
電機所受最大轉(zhuǎn) Tmax = T0 + Ta = 0.02 + 0.08 = 0.1 N×m
所選電機的瞬時最大轉(zhuǎn)矩為1.91N×m > 0.1 N×m，故最大轉(zhuǎn)矩校驗合格。
④連續(xù)瞬間轉(zhuǎn)矩校驗
（14）
所選電機的額定轉(zhuǎn)矩為0.64N×m > 0.072 N×m，故連續(xù)瞬時負載轉(zhuǎn)矩校驗合格。
綜合③、④知：預選電機MSMD022G1S 滿足要求。
3.3升降支撐組件部分
3.3.1絲杠2的選型與計算
①初算導程
Ph ≥ Vmaxnmax （15）
由設(shè)計要求，得：
Vmax = 20000 mmmin
nmax = 3000 rmin
代入（20）式得： Ph ≥ 6.7 mm
結(jié)上表3.2，預選滾珠軸承基本導程 Ph =10 mm , 公稱直徑 d0 =25 mm
則滑塊最大速度：Vmax= Ph ? nmax =10 mmr×3000rmin = 0.5 ms
②絲杠當量載荷計算值
加速力：Fup=m0 +m1 +m2×（aMAX+g）=(16+10+3)×10+2=348N
減速力：Fdn= m0 +m1 +m2×g = (16+10+3) × 10= 290 N
Fmax= Fup Fmin = Fdn
所以， Fm = 13 (2×348+290) = 328.7 N
③絲杠當量轉(zhuǎn)速計算值
nm = 12 (nmax+ nmin) = 12 (3000+ 0) = 1500r/min
④額定動載荷
Cam= fw ? Fm (60nmLh)13100 fa ?fc
式中：Cam—額定動載荷，N
fw —載荷性質(zhì)系數(shù)，由表“載荷性質(zhì)系數(shù)fw ” 取1.3
fa? —精度系數(shù)，由表“精度系數(shù)fa” 取0.9
fc —可靠性系數(shù)，由表“可靠性系數(shù)fc” 取0.62
Lh —預期工作壽命，h ,取29200 h (十年，每年按365天計，每天工作8小時) 代入值得： Cam= 1.3×328.7×(60×1500×29200)13100× 0.9× 0.62
= 10178N
⑤估算滾珠絲杠副底徑
d2m=a F0Lδm =0.078290×0.15×(591×1.1+12)×3 = 22.7mm
前預選定 d0=25mm >22.7 mm 所以，滿足要求。
3.4升降滑塊組件部分
3.4.1電機M3及其減速機的選型與校核
①計算電機負載的轉(zhuǎn)動慣量
同樣，有CAXA三維實體設(shè)計“物性計算”功能得出機械臂組件、滑塊軸、大齒輪相對于滑塊軸中心線的轉(zhuǎn)動慣量分別為76261 kg×mm2、209 kg×mm2、761 kg×mm2
鎖緊卡圈，小齒輪相對于電機M3軸的轉(zhuǎn)動慣量分別為2.04 kg×mm2、48kg×mm2。
齒輪傳動比為2，減速機減速比為5。
所以，總負載慣量：
J=76261+209+761(2×5)2 + (2.04+48)52
=7.14 × 10-4 kg×m2
②預選電機M3
預選電機型號為：MSMD042G1S
說明：由下表可知，MSMD042G1S 轉(zhuǎn)子慣量 0.26×10-4 kg×m2 。大于1/10 負載慣量，但依然滿足電機參數(shù)表中“對應(yīng)轉(zhuǎn)子慣量的推薦負載慣量比”（30倍以下）所以，可用。
表3.4 MSMD042G1S參數(shù)表
③最大轉(zhuǎn)矩校驗
加速轉(zhuǎn)矩： Ta= (JL + JM ) × N09.55 × 104 × tpsa =7.14+0.26×30009.55 × 104 × 1 = 0.23 N×m
運行負載轉(zhuǎn)矩：Tf = (m1+m5) ?g ?μ?R
式中： Tf —運行負載轉(zhuǎn)矩， N×m
R —軸承半徑，18mm
μ —摩擦系數(shù)，取0.2
m5 —滑塊軸質(zhì)量，1.6 kg
代值得：Tf = (m1+m5) ?g ?μ?R
=(16+1.6)×10×0.02×18×10-3=0.064 N×m
最大轉(zhuǎn)矩： Tmax = Tf + Ta = 0.23 + 0.064 = 0.3 N×m
所選電機的瞬時最大轉(zhuǎn)矩為3.8N×m > 0.3 N×m，故最大轉(zhuǎn)矩校驗合格。
④連續(xù)瞬間轉(zhuǎn)矩校驗
= 0.24N×m
所選電機的額定轉(zhuǎn)矩為1.2N×m > 0.24 N×m，故連續(xù)瞬時負載轉(zhuǎn)矩校驗合格。
綜合③、④知：預選電機MSMD042G1S 滿足要求。
說明：由于同級相近規(guī)格型號的價格也相近，成本增加不多；若規(guī)格參數(shù)較充裕，機構(gòu)修改時可減少更換電機的可能。所以，本說明書中所有電機均選用較大規(guī)格的。
3.4.2齒輪校核
計算依據(jù)——《機械設(shè)計》程志紅著
①設(shè)計說明：
1、所設(shè)計為開式齒輪,開式齒輪主要失效形式為疲勞折斷和齒面磨損，目前只能進行彎曲疲勞強度計算，并將模數(shù)增加10%~20%的辦法來考慮磨損的影響。
2、初選定齒輪參數(shù)：
表3.5初選齒輪參數(shù)表
齒輪
材料
m
z
d（mm）
b（mm）
α
da
等級
大齒輪
45鋼調(diào)質(zhì)
2
48
96
12
20°
100
6級
小齒輪
45鋼調(diào)質(zhì)
2
48
48
12
20°
52
6級
②現(xiàn)對齒輪彎曲疲勞強度計算：
齒輪彎曲疲勞強度校核公式:
（16）
式中：γsa — 應(yīng)力修正系數(shù)。
γ? — 重合度系數(shù)，γ?=0.25+ 0.75/?
γfa —齒形系數(shù)。
b —齒寬，mm
d —分度圓直徑，mm
—載荷系數(shù)
T—主動齒傳遞的名義轉(zhuǎn)