手工毯槍刺機(jī)械手模擬裝置設(shè)計(jì).doc

手工毯槍刺機(jī)械手模擬裝置設(shè)計(jì)手工毯槍刺機(jī)械手模擬裝置設(shè)計(jì)姜林,丁彩紅(東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,上海200051)DesignofRobothandtuftSimulatorJIANGLln,DINGCaihong(CollegeofMechanicalEngineering,DonghuaUniversity,Shanghai200051,China)摘要:圍繞手工毯槍刺機(jī)械手的關(guān)鍵技術(shù),進(jìn)行了槍刺機(jī)械手模擬試驗(yàn)臺(tái)裝置的設(shè)計(jì)和計(jì)算,完成了機(jī)械手X,y,Z方向移動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì),該模擬試驗(yàn)臺(tái)已用于機(jī)械手控制系統(tǒng)和地毯花型轉(zhuǎn)換軟件系統(tǒng)的調(diào)試.關(guān)鍵詞:手工毯;槍刺機(jī)械手;滾珠絲桿中圖分類號(hào):TH13文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):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(zhǎng)周期使其在地毯市場(chǎng)份額中占據(jù)量很小,但手工毯圖案編織的靈活性和多樣性卻還是機(jī)織地毯無(wú)法比擬的1,尤其在工藝毯領(lǐng)域.如果能夠提高手工毯織造的機(jī)械化和智能化程度,那勢(shì)必將極大地推動(dòng)手工毯行業(yè)的發(fā)展,更好地保持和提升手工毯市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力.收稿日期:201001一O5機(jī)械與電子32010(5)1槍刺機(jī)械手的關(guān)鍵技術(shù)手工槍刺地毯形成前后需要經(jīng)過(guò)圖案設(shè)計(jì),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(jī)械手的設(shè)計(jì)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(jù)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(jī)械手要模擬手或刺槍的工作方式,驅(qū)動(dòng)刺針將絨紗刺入胚布,形成絨頭或絨圈.機(jī)械設(shè)計(jì)包括機(jī)械手支座(身體)和末端執(zhí)行器(手)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).實(shí)現(xiàn)X,y,Z方向的直線運(yùn)動(dòng)和Z方向的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).所以,槍刺機(jī)械手實(shí)際上是一個(gè)4軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)器人.槍刺機(jī)械手的關(guān)鍵技術(shù)有:槍刺機(jī)械手末端執(zhí)行器(Z軸)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì);起絨技術(shù)研究;多自由度機(jī)械手連續(xù)軌跡控制技術(shù);地毯圖像設(shè)計(jì)和識(shí)別技術(shù)研究;地毯花型圖案的轉(zhuǎn)換與處理技術(shù).2槍刺機(jī)械手模擬裝置設(shè)計(jì)2.1刺針機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)槍刺機(jī)械手模擬試驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)化了機(jī)械手末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu),只實(shí)現(xiàn)刺針的往復(fù)運(yùn)動(dòng)(Z方向),而沒(méi)有刺針的回轉(zhuǎn);且用一根水彩筆來(lái)代替刺針,通過(guò)彩筆在胚布的點(diǎn)擊來(lái)模擬刺針的針眼,如圖1所示.圖1刺針機(jī)構(gòu)?31?雖然從工藝上來(lái)說(shuō)這種機(jī)構(gòu)是無(wú)法加工出地毯的,但是其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,安裝方便,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手控制系統(tǒng)和地毯花型轉(zhuǎn)換軟件系統(tǒng)的調(diào)試.刺針的運(yùn)動(dòng)是重復(fù)往返運(yùn)動(dòng),因此利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)帶動(dòng)水彩筆運(yùn)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)刺針的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,其中曲柄圓盤(pán)與電機(jī)輸出軸直接相連作為驅(qū)動(dòng)件,導(dǎo)軌作為滑塊的導(dǎo)向構(gòu)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(zhǎng)度一絨高大小.為了使槍刺機(jī)械手可加工高低絨地毯,因此在曲柄圓盤(pán)中設(shè)計(jì)了2個(gè)孔對(duì)應(yīng)2種曲柄,長(zhǎng)度分別為8mm和12mm.2.2x和y方向的運(yùn)動(dòng)性能分析X,y軸負(fù)責(zé)的是對(duì)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(diǎn)集構(gòu)成的,并不是連續(xù)的輪廓邊緣線而是一組離散點(diǎn).也就是說(shuō)在地毯上呈現(xiàn)的圖案輪廓都由長(zhǎng)度相同的折線段組成,每一段線段的長(zhǎng)度就等于針距的大小,因此當(dāng)針距確定時(shí)刺針運(yùn)動(dòng)的步長(zhǎng)(step)也就固定.對(duì)于X,y方向的控制來(lái)說(shuō),只要利用步長(zhǎng)方向角便可計(jì)算出x,y方向的運(yùn)動(dòng)的距離,根據(jù)脈沖當(dāng)量的大小,即可計(jì)算出電機(jī)相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度從而使刺針正確移動(dòng)到指定的位置.當(dāng)刺針在Xy平面內(nèi)移動(dòng)一個(gè)步長(zhǎng)時(shí),刺針應(yīng)保證沒(méi)有刺人胚布中,否則將損壞胚布同時(shí)還會(huì)造成影響設(shè)備的正常運(yùn)行,設(shè)刺針往返運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期為T(mén),那么T/2時(shí)間內(nèi)刺針是不在胚布中的,因此刺針在Xy平面內(nèi)移動(dòng)一個(gè)步長(zhǎng)的時(shí)間t_step應(yīng)小于2,由此可以計(jì)算得到,當(dāng)針?biāo)僖籲eedle:12針/秒時(shí),<(1/v_needle)/21000<41.7ms(1)總的來(lái)說(shuō),在X,y方向上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是運(yùn)動(dòng)(ms),然后停止Tt(ms),如此重復(fù)啟停運(yùn)動(dòng).2.3傳動(dòng)部件設(shè)計(jì)與分析考慮到系統(tǒng)經(jīng)常啟停,同時(shí)要保證位置定位準(zhǔn)確.因?yàn)闈L珠絲杠絲母間無(wú)間隙,直線運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),尤其在頻繁換向時(shí)無(wú)需間隙補(bǔ)償,同時(shí)滾珠絲杠絲母問(wèn)摩擦力很小,轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)非常輕松適合電機(jī)經(jīng)常作啟停運(yùn)動(dòng)控制口,故選擇滾珠絲杠作為傳動(dòng)件,而水平的慣性力.絲杠由轉(zhuǎn)動(dòng)到停止這一時(shí)間段里,工作臺(tái)在y軸方向的運(yùn)行最大距離為一個(gè)步長(zhǎng)(當(dāng)步長(zhǎng)方向與y方向的夾角為0時(shí),y軸方向運(yùn)行的距離最大),工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可分為:加速,勻速和減速3個(gè)階段,完成這一運(yùn)動(dòng)的時(shí)間41.7ms,取t一40ms,令加速段和減速段時(shí)間同為ta一10ms.那么我們可以求出工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)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(tái)與刺針機(jī)構(gòu)的質(zhì)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(jù)耐磨性校核公式:.8廝參數(shù),可根據(jù)相應(yīng)的機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查詢得到,由式(3)計(jì)算可知中徑d.遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求值,所以滿足要求.而x方向的軸向力主要是加速度產(chǎn)生的慣性力,因此一am,其中為支撐架的質(zhì)量總和,約為24kg,所以一319.2N.由式(3)計(jì)算可知x軸絲杠也完全符合設(shè)計(jì)要求.滾珠絲杠副的軸向變形將引起絲杠導(dǎo)程發(fā)生變化,從而影響定位的精度和運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性,所以需要對(duì)絲杠進(jìn)行剛度校核4.設(shè)E,G分別為與絲杠材料有關(guān)的彈性模量和切邊模量,可通過(guò)查表獲得;A,-廠分別為與絲杠內(nèi)徑d相關(guān)的截面積和極慣性矩;F為工作負(fù)載.滾珠絲杠在工作負(fù)載和轉(zhuǎn)矩的共同作用下引起每個(gè)導(dǎo)程的變形量A/(m)為,:Al麗PhF+(4)由于刺針在工作過(guò)程中受到的反作用力很小,因此x,y軸的工作負(fù)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(duì)X軸方向校核即可,FFax;319.2N.轉(zhuǎn)矩T產(chǎn)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(zhǎng)度上彈性變形所引起導(dǎo)程誤差為:一,ZL一(5)機(jī)械與電子2010(5)式中z絲杠工作長(zhǎng)度,11000mm由式(5)可得AL=4.95btm.系統(tǒng)的傳動(dòng)精度為0.1mm,可見(jiàn)L遠(yuǎn)小于系統(tǒng)傳動(dòng)精度的一半,所以剛度滿足要求.2.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)地毯加工的精度不需要很高,因此采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制足以滿足加工精度要求.步進(jìn)電機(jī)在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中可分為啟動(dòng)一停止區(qū)和變速區(qū),工作在啟動(dòng)一停止區(qū)這個(gè)范圍內(nèi),步進(jìn)電機(jī)可以不失步直接停止和再啟動(dòng)5,或者反向轉(zhuǎn)動(dòng).而工作在變速區(qū)范圍內(nèi)步進(jìn)電機(jī)則不能直接停止,啟動(dòng)或者改變轉(zhuǎn)向,但是在變速區(qū)步進(jìn)電機(jī)可以獲得更高的轉(zhuǎn)速6.考慮到槍刺機(jī)械手在工作過(guò)程中頻繁啟動(dòng)并且要快速達(dá)到負(fù)載的定位,同時(shí)又要充分利用步進(jìn)電機(jī)的各種性能,所以在y軸方向的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)初選為23H2800lEA,由步距角=1.8.,系統(tǒng)傳動(dòng)比k:=:1:l,可步/,由式(6)可得Ti一4.61N?m>1.3,所以電機(jī)在啟動(dòng)一停止區(qū)工作時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速定位,需要在變速區(qū)工作來(lái)實(shí)現(xiàn)快速定位.設(shè)步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)一停止區(qū)內(nèi)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速為時(shí),<1.3N?1TI,那么機(jī)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(dòng)一停止區(qū)內(nèi)電機(jī)啟動(dòng)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(jìn)行加速,根據(jù)移動(dòng)距離的不變性,可以求出電機(jī)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(jī)可提供的最大扭矩肯定不會(huì)小于1.3N?m.所以加速控制是否可行只需驗(yàn)證在變速區(qū)負(fù)載力矩是否小于1.3N?m.在加速控制時(shí)負(fù)載力矩的大小為:TJ1(Ao.,/AT)-FTz(8)cc,一最高轉(zhuǎn)速一啟動(dòng)轉(zhuǎn)速;丁為加速時(shí)間=10ms.通過(guò)計(jì)算可得T一0.632N?m<1,所以符合要求.X軸方向電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí),由于是水平運(yùn)動(dòng)且有滑動(dòng)導(dǎo)軌支撐負(fù)載,因此在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)方案時(shí)負(fù)載重力和摩擦力所產(chǎn)生的力矩可忽略不計(jì).具體設(shè)計(jì)與計(jì)算的方法可參考y軸電機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì).3結(jié)束語(yǔ)槍刺機(jī)械手模擬試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)是根據(jù)槍刺地毯加工的特點(diǎn),設(shè)計(jì)Z軸方向的刺針機(jī)構(gòu)來(lái)模擬刺針的往復(fù)運(yùn)動(dòng),同時(shí)考慮到機(jī)械手頻繁的啟停運(yùn)動(dòng)對(duì)傳動(dòng)構(gòu)件所帶來(lái)的運(yùn)動(dòng)沖擊將影響傳動(dòng)件的正常工作,所以針對(duì)這一問(wèn)題對(duì)主要的傳動(dòng)件絲杠進(jìn)行的強(qiáng)度校核,保證了絲杠運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和準(zhǔn)確性.在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制中實(shí)現(xiàn)了負(fù)載快速定位,同時(shí)避免了步進(jìn)電機(jī)因?yàn)檫^(guò)載而產(chǎn)生的失步現(xiàn)象.參考文獻(xiàn):E13朱小紅.中國(guó)機(jī)制地毯行業(yè)蓬勃發(fā)展IN.中國(guó)紡織報(bào),2007一O4.2鄭堤.機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)EM-.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.E33濮良貴,紀(jì)明