工业机械手液压控制设计(六)

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第五章行走装置的组成及结构设计
5.1 行走装置的组成
行走装置主要由执行件、传递件、驱动件及控制系统四大部分组成。
5.1.1 执行件
本设计选用驱动件驱动传递件——齿轮、链轮传动，通过齿轮传动降低转速，通过链轮传动带动小车运动，从而实现小车的行走。
传动可分为齿轮传动、带传动和链传动
齿轮传动的传递功率和速度的范围很广，传动比准确、可靠，传动效率高，工作可靠，寿命长，结构紧凑，圆周速度及功率范围广，但制造和安装精度要求较高，不能缓冲，无过载保护，低精度时噪声大。由于高速级转速较快，功率较高，由于齿轮具有上述优点，考虑通过齿轮的传动达到降速的目的。
带传动虽然结构简单，制作成本低，传动平稳，噪声小，能缓冲吸震，有过载保护作用，但由于是摩擦传动，传动比不恒定，传动效率低，外廓尺寸较大，带的使用寿命较短。
与带传动相的链传动无弹性滑动和打滑现象，工作可靠，具有准确的平均传动比，传动效率较高，在传动相同功率的情况下，结构较为紧凑，链条张紧力小，作用于链轮轴的力也较小，故链传动能够在低速重载的条件下使用。与齿轮传动相比，链传动制造和安装精度要求较低，在远距离传动中，链传动的结构简单而轻便。链传动的主要缺点是不能保持恒定的瞬时传动比，传动中有周期性的重载荷和啮合冲击，不适合载荷变化很大和急速反向转动的场合。而在本课题工作要求中，载荷变化很小，且是小车慢速前进，并非急速反向转动。
因此行走装置中的运动传递在本设计中选用齿轮传动和链轮传动。
按照齿轮传动的工作条件可分为开式齿轮传动、半开式齿轮传动和闭式齿轮传动。
开式齿轮传动，如在农业机械、建筑机械及其它简单机械中，齿轮完全暴露，外界杂物容易侵入，不能保证良好的润滑，传动的安装精度较低，只宜用于低速传动。
半开式齿轮传动装有简单的防护罩，也有油池，但不能严密防止外界杂物侵入，润滑不良。
闭式齿轮传动，如汽车、现代机床上所采用的，齿轮封闭在严密的箱体内，保证良好的润滑，各轴的安装精度及系统的刚度都比较高，能保证良好的啮合精度。
所以本课题中的齿轮传动才用闭式齿轮传动。
链传动对各种恶劣工作条件的适应性较强，在机械制造业中应用很广，主要用于工作可靠传动中心距较大的场合。
链传动按照用途可分为传动链、起重链和牵引链。
起重链和牵引链用于起重运输机械，在一般机械传动中常用的是传动链。传动链的主要类型有滚子链和齿型链。滚子链结构简单，成本较低应用广泛。因此本设计采用滚子链。
5.1.2 驱动件
驱动件主要有四种：气动驱动、电气驱动、机械驱动和液压驱动。其中以液压、气动用的最多，占90%以上；电动、机械驱动用的较少。
气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。一般采用4-6个大气压，个别的达到8-10个大气压。它的优点是气源方便，维护简单，成本低。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。
液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。

第六章机械手的控制系统
6.1 控制系统的介绍
本机械手采用平面关节型机械手为例子。平面关节型机械手是应用最广泛的机械手类型之一，既可以用于实际生产，又可以用于教学实验和科学研究。它能够使人直观地了解机器人结构组成、动作原理等，所以开发设计和研究平面关节型机械手具有最广泛的实际意义和应用前景。（见图1.1）
其机械手的控制系统是LM629，　LM629是美国国家半导体公司生产的可编程全数字运动控制芯片，它具有32位的位置、速度和加速度寄存器，内置PID算法，其参数可以修改；支持实时读取和设定速度、加速度以及位置等运动参数，内置的梯形图发生器能够自动生成速度曲线，平稳地加速、减速；支持增量式光电码盘的4倍频输入；芯片的主频为6MHz和8MHz。因此，本文采用LM629和PIC16F877构成机械手的伺服控制系统。
6.2 控制系统的工作原理
基于LM629芯片和PIC16F877单片机构成的单个关节直流电机伺服驱动系统如图6.1所示。

、

图6.1 控制系统原理

运动芯片LM629通过8位数据线和6根控制线与单片机PIC16F877的I/O口相连。单片机通过数据线向LM629发送位置或速度命令、设定PID调节参数，并从LM629中读取速度、加速度等数值。LM629输出的脉宽调制幅度信号和方向信号直接驱动L298N，经过功率放大后驱动直流电机。增量式光电编码器提供半闭环控制所需的反馈信号(A、B、IN),梯形图发生器计算出位置或速度模式下所需控制的运动轨迹。PIC16F877为LM629提供加速度、速度和目标位置量,在每个采样周期用这些值来计算出新的命令和位置给定值,将其作为指令值。由增量式光电编码器检测电机的实际位置,其输出信号经过LM629四倍频后进行解码,形成位置反馈值。指令值与反馈值的差值作为数字PID校正环节的输入。通过数字调节器PID计算，LM629输出脉宽调制信号PWMM和方向信号PWMS用于控制功率芯片L298N,进而驱动电机运动到指定的位置。LM629在进行位置控制的同时，还对速度进行控制。LM629在接受到主机送来的位置信号后，按梯形图生成加速、匀速、减速的速度曲线，曲线与坐标横轴所包围的面积就是指定的位置。PID算法中的比例、积分和微分系数有时需要进行修改，因此将它们存储在单片机的E2PROM中。单片机和PC机通过无线发射和接收模块进行串行通信。
6.3 控制系统的程序
我介绍的是LM629的程序,程序的主要过程是想让机械手由原位→机械手前伸→机械手上升→机械手抓取并夹紧→机械手后退→机械手前进（小车）→小车停止→机械手左转90°→机械手前伸→机械手松开→机械手后退（小车）→机械手下降→机械手右转90°→小车后退→退至原位
程序开始首先将工序控制寄存器R2清零，将工序模拟显示灯清零即将P1口清零。然后在程序段STA检测P2口的输入情况，如果某一位假设P2.2为高电平，就转到该位对应的按键所控制的下一段程序NEXT2处执行，先调用一延时10ms子程序，然后重新判断该位是否还为高电平，否，就返回STA重新检测，是，就继续执行下一步，判断该为是否变为低电平，否，就在此等待松键，是，就将该加工方法的工序模拟信号所在的表格标号TAB2送查表基址DPTR，然后转到主程序端LOOP执行。

主程序清单如下：
ORG   0000H
           LJMP MAIN
           ORG 0030H
      MAIN:MOV R2,#00H           ；将工序控制寄存器零
           MOV P1,#00H           ；将P1口清零
           MOV R0,#00H           ；将寄存器R0清零
       STA: JB P2.0,NEXT1         ；判断哪个按键被按下就
           JB P2.1,NEXT2           转到应程序段处执行
           JB P2.2,NEXT3
           JB P2.3,NEXT4
           JB P2.4,NEXT5
           LJMP STA
     NEXT1:LCALL DLS10MS         ；调用延时10ms子程序
           JNB P2.0, STA         ；P2.0=0就返回重新判断
           JB P2.0, $            ；P2.0=1等待松键
           MOV DPTR, #TAB1        ；将表首址给查表基址DPTR
           LJMP LOOP             ；转到LOOP程序段
     NEXT2:LCALL DLS10MS
           JNB P2.1, STA
           JB P2.1, $
           MOV DPTR, #TAB2
           LJMP LOOP
NEXT3:LCALL DLS10MS
           JNB P2.2, STA
           JB P2.2, $
           MOV DPTR, #TAB3
           LJMP LOOP
     NEXT4:LCALL DLS10MS
           JNB P2.3,STA
           JB P2.3,$
           MOV DPTR,#TAB4
           LJMP LOOP
     NEXT5:LCALL DLS10MS
           JNB P2.4,STA
           JB P2.4,$
           MOV DPTR,#TAB5
           LJMP LOOP
      LOOP:MOV A,R2         ；将R2的值给A
      MOVC A,@A+DPTR        ；查表将查出的值送到A中
      MOV P1,A              ；将A中的数送P1口输出
      INC R2                ；R2自加一
      MOV 79H,R2            ；将R2的值送输出缓冲79H
      PUSH DPH              ；保护现场
      PUSH DPL
      LCALL DISP            ；调用数码显示子程序
      LCALL DLS5S           ；调用延时5s子程序
      POP DPL               ；恢复现场
      POP DPH
      CJNE R2,#08H,LOOP     ；八步未完成就返回LOOP
      JB P2.5,MAIN          ；停止按钮按下就返回MAIN
      MOV R2,#00H           ；将R2清零
       LJMP LOOP             ；转到LOOP

第七章设计体会
通过这次毕业设计使我加深了对过去所学知识的理解，真正懂得了如何把松散的知识有机的结合起来，并灵活运用，并且在老师和同学的帮助下让我懂得了如何去面对设计方案，如何下手，应该从哪些方面去考虑问题。
懂得考虑问题时应该由浅入深，从简到易。在分析问题时应该先抓住重点，然后再考虑其他细节。知道什么是主要的，什么是次要的。当我做机械手的设计时，首先考虑自动控制，其次才考虑手动控制。在考虑自动控制时又先考虑的是机械手要完成哪些动作，应该如何实现。从而经过仔细思考确定设计方案。
    遇到问题时，千万不能慌，应当保持大脑清醒，不急不躁，通过查找资料逐一解决问题。
做毕业设计时很重要的一点就是要学会自己查找资料。通过经常翻翻参考书籍，有目的的选择自己想要的东西，拓宽一下自己的思路，找到解决问题的方法，使自己在做设计的时候有更多的选择。
总之，通过这次毕业设计使我受益非浅。我感谢学校给我这次锻炼机会，使我在踏上社会，工作岗位之前又给了我一次很好的磨练。
再次感谢所有支持和帮助过我的领导、老师、同学们。

第八章参考文献
1.吴宗泽. 机械设计.    第2版. 北京: 中央广播电视大学出版社 ,1998
2.卢颂峰. 机械设计课程设计手册. 第1版. 北京:中央广播电视大学出版社 , 1998
3.左健民. 液压与气动传动. 第2版. 北京:机械工业出版社,2006
4.齐占庆. 机床电气控制技术. 第2版. 北京: 机械工业出版社, 2004
5.杨长能, 张兴毅. 可编程序控制器基础及应用. 第1版. 重庆:重庆大学出版社，1998
6.杨黎明. 机械零件设计手册. 第1版. 北京: 国防工业出版社,1986
7.罗洪量. 机械原理课程设计指导书. 第2版. 北京: 高等教育出版社,1986
8.JJ.杰克（美）. 机械与机构的设计原理. 第1版. 北京: 机械工业出版社，1985
9.乔东凯. 机械手及其应用. 第2版. 北京:机械工业出版社,1998
10.黄崇林. 液压元件样本.   第2版. 北京: 机械工业部 ,2001
11.曲忠萍. 液压系统设计简明手册.第1版. 北京: 机械工业出版社,2001

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