Разработка макета промышленного манипулятора

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

В наше время невозможно себе представить производственный процесс без роботов манипуляторов. Области их применения огромны. Каждое действие робота рассчитывается в соответствии с заданным программным алгоритмом.

Большинство подобных механизмов снабжаются специальными устройствами, обеспечивающими захват предметов. Робот рука манипулятор на данный момент - наиболее современное и универсальное средство для совершения манипуляций с предметами. Способ захвата аналогичен человеческой руке и осуществляется механическими «пальцами». Однако такое устройство не подходит для перемещения предметов, имеющих плоскую поверхность.

Тема выпускной работы бакалавра является актуальной, так как промышленные роботы являются одним из компонентов автоматизированных производственных систем, которые позволяют улучшить качество изготавливаемых деталей и увеличить производительность труда. Их достоинством является:

- исключение воздействия вредных факторов на персонал на производствах с повышенной опасностью;

- возможность использования технологического оборудования в три-четыре смены, 365 дней в году;

- исключение влияния человеческого фактора на конвейерных производствах, а также при проведении монотонных работ, требующих высокой точности;

- повышение точности выполнения технологических операций и, как следствие, улучшение качества.

Целью данной выпускной работы бакалавра является разработка макета промышленного манипулятора.

Основными задачами для реализации целей являются:

- анализ технического задания;

- анализ методов построения манипуляторов;

- рассмотрение ряда аналогичных конструкций;

- анализ архитектуры автоматизированной системы;

- разработка конструкций манипулятора.

Решение данных задач позволит реализовать поставленные цели.

1. Анализ литературы по теме бакалаврской работы

1.1 Анализ технического задания

Основным заданием является проектирование и создание макета промышленного манипулятора, который способен перемещать металлический объект с конвейера весом не меньше 100 грамм.

Схема по которой должен перемещаться манипулятор изображена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Схема передвижения манипулятора

На рисунке 1.1 перечислены следующие элементы: 1 - Основание манипулятора; 2 - конвейер; 3 - объект перемещения; 4 - приемная площадка; 5 угол перемещения между плечом и рукой манипулятора; 6 - угол перемещения между основанием и плечом манипулятора; 7 - угол вращения манипулятора.

Исходными данными к выполнению бакалаврской работы являются:

- типовые схемы построения робота манипулятора;

- максимальный ток, который используется, равен 12V;

- объект манипулирования - металлический объект, движущийся на конвейере;

- масса поднимаемой металлической детали не менее 100 граммам;

- радиус рабочей зоны должен быть до 1 м;

- количество двигателей для приведения манипулятора в движения - три;

- угол перемещения между плечом и рукой манипулятора не меньше 90°;

- угол перемещения между основанием и плечом не меньше 90°;

- угол вращения не меньше 120°.

1.2 Анализ методов построения робота манипулятора

Манипулятор приводится в действие с помощью приводов, преобразующих первичную энергию в механическую и осуществляющих вращательное или поступательное движение, которое используется (прямо или косвенно) для приведения в действие вращательного или призматического сочленения.

Основные требования, предъявляемые к промышленным роботам манипуляторам. Все требования, которые предъявляет современная промышленность к техническому состоянию, функционалу роботов манипуляторов условно можно разделить на две большие категории: требования, характерные для любого промышленного оборудования, и специальные для манипуляторов.

От степени соответствия конструкции всем требованиям зависит срок ее службы, возможность эксплуатации в заданных условиях для решения указанных задач. Сюда же относят и степень ремонтопригодности.

Основные требования, в первую очередь - это возможность работать в заданном температурном режиме. В отношении промышленного оборудования - от -10 - 20 до +45 - 60 градусов по Цельсию. В некоторых случаях возникает потребность в расширении температурного интервала до -50 и +110 - 120 градусов.

Считается, что ни большая температура в виду возможности полноценного охлаждения, ни меньшая, благодаря возможности обогрева, автоматике не потребуется. «Слабым звеном» в этом отношении выступает промышленные микросхемы. Сложность заключается в недопустимости использования обычных способов охлаждения - вентиляторов, т.к. узлы с большим количеством подвижных частей являются наименее надежными (даже, если надежность каждой детали составляет 0,99 при наличии всего 10 таких деталей, общая надежность конструкции становится чуть более 0,9) [7].

Поэтому микросхемы станков и оборудования должны охлаждаться за счет естественной циркуляции воздуха (конвенции). Это одна из причин, по которой устройства не заключаются в монолитные коробы, хотя такой подход обеспечил бы надежную защиту внутренних элементов от попадания на них пыли и грязи извне. Конструкция должна быть максимально проста (в том числе за счет исключения из нее подвижных соединений, там, где это возможно).

Это повышает не только надежность, но и ремонтопригодность. Причем наиболее нагружаемые и наименее надежные детали должны обладать максимальной доступностью. Проблема в том, что при таком подходе эти элементы подвергаются повышенной опасности со стороны воздействия на них факторов окружающей среды. Микросхемы выполняются вибростойкими, способными выдерживать циклические нагрузки продолжительное время. Все это обеспечивает достаточную долгосрочность работы робота манипулятора.

Специальные требования, количество степеней свободы руки манипулятора соответствует возлагаемой на него задаче. Правило здесь простое - чем сложнее технологическая операция, выполняемая механизмом, чем сложнее геометрическая форма заготовки, тем больше степеней свободы должно быть у устройства. Это, безусловно, приводит к повышению стоимости оборудования. К тому же, чем сложнее конструкция, тем ниже ее ремонтопригодность, надежность. Сам механизм может выполняться стационарным (неподвижным) и движущимся (обычно по направляющим рельсам), монтироваться на полу, или к потолку.

Решение о расположении оборудования принимается в соответствии с типом решаемых задач. Современный механизм должен изготавливаться со съемным рабочим инструментом (захват, сварочный аппарат, циркулярная пила и т.д.), а бортовой компьютер, соответственно, легко и просто перепрограммироваться на решение новой технологической задачи.

Большинство современных промышленных роботов манипуляторов производится узкоспециализированными, предназначенными для решения ограниченного количества задач (в основном для одной технологической операцией, с возможностью адаптации рабочей программы под заданную обстановку, условия работы).

Промышленный робот манипулятор - оборудование, используемое на производстве, для решения одной единственной задачи. Если роботу предстоит выполнять несколько технологических операций, то легче выполнить его с несколькими руками, каждая из которых будет заниматься своим собственным делом. При этом все управления возлагается на единственный бортовой компьютер.

Для построения манипуляторов необходимо выбрать по какой кинематической схеме он будет работать. Кинематические схемы манипуляторов делятся на две группы. В первой группе используется принцип упорядоченного расположения звеньев и кинематических пар, причем всегда имеется, по крайней мере, одна пара кинематически связанных звеньев, обеспечивающая перенос рабочего органа в базовой плоскости. Использование еще одной степени подвижности кинематической схемы обеспечивает движение базовой плоскости в пространстве и образование обслуживаемого объема. Во второй группе кинематических схем используется произвольное расположение звеньев и кинематических пар, при этом движение, например в плоскости, может быть организовано использованием совместной работы не менее трех кинематических пар. При этом законы движения звеньев (даже при простых законах движения рабочего органа) оказываются очень сложными, поэтому эта группа кинематических схем получила наименьшее распространение.

Иногда для обслуживания операций, связанных с перестановкой деталей, их ориентации вообще не требуется. В таких случаях применяют манипуляторы роботов, имеющие три степени свободы, используемые только для транспортировки деталей. Таким является робот «Машинмэн» японской фирмы «Хирата» и др. Количество степеней свободы может быть уменьшено и за счет степеней, применяемых для переноса деталей. Например, для переноса деталей с одного транспортера на другой (перемещения деталей только в одной плоскости) достаточно двух степеней свободы.

При разработке конструкций роботов большое внимание уделяется выбору системы координат, в которой должно осуществляться перемещение руки. В конструкциях манипуляторов роботов отечественного и зарубежного производств используются прямоугольная, цилиндрическая и сферическая системы координат. Манипуляторы, работающие в прямоугольной системе координат, чаще всего представляют собою устройства, установленные в каретке, которая подвешена на направляющих под или над обслуживаемым оборудованием. Рука такого манипулятора может опускаться вниз, перемещаться относительно каретки в поперечном направлении и вместе с кареткой вдоль направляющих. Так выполнен робот «Электрохенд» японской фирмы «Фуджи электрик», «Уорк- мейт АСТ-1» также японской фирмы «Морита».

На рисунке 1.2 показана схема манипулятора с четырьмя степенями свободы, у которого рука с кистью имеет три степени свободы, перемещаясь в подвижной системе прямоугольных координат, связанной с поворотным столом. Четвертая степень свободы реализуется при повороте стола вокруг вертикальной оси. Пятым независимым движением является движение схвата. При осуществлении любых перемещений при остановленном поворотном столе деталь, удерживаемая схватом, не меняет своей ориентации в пространстве. Ориентация детали в горизонтальной плоскости меняется при повороте стола. Конструкция обеспечивает прямолинейное движение детали при установке ее в оборудование. Это качество становится особенно ценным при выполнении ряда операций, таких, например, как установка детали в патрон токарного станка и т.п.

В этом случае при перемещении детали по какой-либо иной траектории (например, по дуге окружности) требуется повышенная точность выполнения движения, либо применение специальных схватов, обеспечивающих некоторую свободу удержания детали по одной или двум координатам.

При осуществлении движения руки робота в цилиндрической системе координат ориентация детали в горизонтальной плоскости также изменяется, вследствие чего при необходимости восстановления первоначального положения детали оно корректируется поворотом кисти вокруг вертикальной оси.

Рисунок 1.2 - Схема робота манипулятора с четырьмя степенями свободы

На рисунке 1.2 перечислены следующие элементы: 1 - схват; 2 - кисть; 3 - рука; 4 - стол поворотный. До сих пор рассматривались манипуляторы, в которых рука (обычно трубчатого сечения) выполнялась как единое целое в виде стержня без шарниров. Однако в прямоугольной системе координат могут работать и так называемые рычажные манипуляторы, рука которых выполняется из нескольких соединенных шарнирно стержней. На рисунке 1.3 приведена схема одного из таких манипуляторов.

Рука состоит из соединенных шарнирно рычага. Последний несет кисть с механизмом схвата. Рычаг укреплен на кронштейне вертикального вала, вместе с которым рука поднимается и поворачивается вокруг вертикальной оси. При равной длине рычагов и таком передаточном механизме, который обеспечивает постоянно вертикальное положение биссектрисы угла между рычагами, кисть при раскрытии или складывании рычагов перемещается прямолинейно в горизонтальном направлении. Передаточным здесь может быть цепной или рычажный механизм.

На рисунке 1.4 изображена схема рычажного манипулятора робота, работающего в цилиндрической системе координат.

Рисунок 1.3 - Схема манипулятора робота, работающего в подвижной цилиндрической системе координат



Рисунок 1.4 - Схема рычажного манипулятора робота, работающего в цилиндрической системе координат

На рисунке 1.4 перечислены следующие элементы: координат1,2 - рычаг; 3 - кисть; 4 - схват; 5 - кронштейн вертикального вала.

В такой конструкции уменьшаются неиспользуемые зоны сзади манипулятора робота, поэтому он может быть установлен вплотную к стене или оборудованию. По приведенной схеме выполнена конструкция манипулятора робота 1ИВ-10.

1.3 Анализ аналогичных конструкций

На современных промышленных предприятиях особенную актуальность приобретает использование автоматизированных решений, внедрение новых технологий и устранение вредных факторов, влияющих на здоровье человека.

В связи с этим особую популярность завоевывают решения по автоматизации производства на базе промышленных роботов, позволяющих обеспечить полный цикл обработки с высокой производительностью и точностью, избежать перерывов и производственных ошибок, свойственных человеку.

Современный промышленный робот манипулятор в большинстве случаев применяется для замены ручного труда. Так, робот может использовать инструментальный захват для фиксации инструмента и осуществления обработки детали либо держать саму заготовку для того, чтобы подавать ее в рабочую зону на дальнейшую обработку.

Робот имеет ряд ограничений, таких как зона досягаемости, грузоподъемность, необходимость избежать столкновения с препятствием, необходимость предварительного программирования каждого движения. Но при его правильном применении и предварительном анализе работы системы робот способен обеспечить производство рядом преимуществ, повысить качество и эффективность рабочего процесса.

В качестве подобного промышленного манипулятора я выбрал манипулятор фирмы Fanuc из серии М-20iА. Технические характеристики которого занесены в таблицу 1.1.

Особенности и преимущества данного манипулятора заключаются в следующем.

Роботы серии M-20iA - это решение для следующих задач:

- обслуживание станков;

- обработка материалов, обслуживание ТПА;

- проклеивание и нанесение герметиков;

- обеспечивает высокую скорость для операций захвата и перемещения рабочих объектов;

- резка, шлифование и полировка, снятие заусенцев.

В таблице 1.1 занесены технические характеристики манипулятора М-20іА.

Таблица 1.1 - Технические характеристики манипулятора М-20iА

Модель	20iA
Контроллер	R-30iA
Управляемых осей	6
Грузоподъемность на кисти (кг)	20
Повторяемость (мм)	± 0,08
Полезная нагрузка (кг)	250
Радиус досягаемости (мм)	1811
Угол поворота (градус)	J1	340/370
	J2	260
	J3	458
	J4	400
	J5	360
	J6	900
Угловая скорость (градус/с)	J1	195
	J2	175
	J3	180
	J4	360
	J5	360
	J6	550
Момент силы J4 (Нм)/Момент инерции (кгм2)	44/1,04
Момент силы J5 (Нм)/Момент инерции (кгм2)	44/1,04
Момент силы J6 (Нм)/Момент инерции (кгм2)	22/0,28
Класс IP	Корпус IP54 стандартно (опционально IP55) запястье и рука J3 - IP67

Манипулятор М-20iА досягаемостью 1811 мм и грузоподъемностью 20 кг представлен на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 -Внешний вид манипулятора М-20iА

Лучшие показатели скорости и ускорения осей Высокая производительность при перемещении продуктов благодаря улучшенным показателям.

Лучшие в своем классе инерционные показатели:

- наибольшая грузоподъемность в своем сегменте - до 20 кг;

- идеальное решение для загрузки/разгрузки;

- высокий допустимый крутящий момент и инерция на запястье для сложных инструментов и операций монтажа;

- перемещение инструмента и изделия на высоких скоростях.

Интегрированные кабели и компактное поле запястье:

- полое запястье (диаметр 50 мм) и рука J3;

- самое компактное запястье в своем классе (радиус помех - 110 мм) облегчает доступ в ограниченные пространства;

- кабели и шланги проведены через руку J3 и запястья оси J6;

- внутренний кабельный пакет делает робота чрезвычайно простым в эксплуатации и обслуживании, обеспечивает долгий срок службы кабеля благодаря отсутствию риска контакта кабелей с внутренними частями обслуживаемого станка и максимальному диапазону вращения инструмента.

Единственное кабельное соединение между роботом и контроллером:

- быстрая и легкая установка;

- уменьшение количества запасных частей;

- упрощенное обслуживание.

Специально разработанное компактное запястье:

- облегчает доступ и работу в ограниченных пространствах;

- сокращает необходимость выхода из рабочей зоны для переориентации инструмента, увеличение производительности.

Пневматические и электрические соединения на оси J3:

- интегрированные разъемы исполнительного устройства от основания до оси J3;

- короткие соединения с инструментом на кисти;

- повышенная надежность соединения.

Размещение на полу, портале под углом и на стене:

- облегчает доступ к обслуживаемому станку;

- упрощенный доступ к зоне загрузки/разгрузки станка;

- позволяет максимально использовать рабочую зону робота;

- только при установке роботов под углом или на стене существуют ограничения.

Защита запястья и оси J4 по IP67:

- водонепроницаемое запястье может быть погружено в воду без повреждений;

- повышенная стойкость и надежность в пылезагруженной среде;

- может работать в среде с брызгами и в области литья материалов.

Возможность крепление дополнительного оборудования на оси J3. Монтаж контрольных клапанов захвата вблизи самого захвата ускоряет его реакцию.

Непосредственное соединение электродвигателя с редуктором:

- упрощенная механическая единица;

- снижен аварийный риск.

На рисунке 1.6 изображено монтажное основание M-20iA, размеры манипулятора M-20iA представлены на рисунке 1.8.

Рисунок 1.6 - Монтажное основание манипулятора М-20iA

На рисунке 1.7 - Изображен фланец запястья М-20iA



Рисунок 1.7 - Фланец запястья М-20iA

Рисунок - 1.8 Размеры манипулятора М-20iA

1.4 Постановка задач

Основной задачей данной бакалаврской работы является разработка и создание макета промышленного робота манипулятора типа рука. Манипулятор должен иметь как минимум 3 степени свободы.

Основные задачи:

- перемещение металлического объекта с движущегося конвейера, весом до 100 грамм;

- робот должен уметь работать автономно от человека, а так же иметь средство управления;

- манипулятор должен иметь орган взаимодействия с конвейером;

- робот должен избирать необходимый ему объект с движущегося конвейера и создавать конструкцию заданную программой.

Задачи, которые должны быть исполнены для выполнения поставленных целей:

- выбор материала, из которого будет создан манипулятор

- выбор типа захватного устройства

- выбор двигателей;

- разработка схема принципиальной;

- разработка и создание ПП для манипулятора.

2 Разработка структуры разрабатываемого макета

2.1 Разработка архитектуры автоматизированной системы

На рисунке 2.1 изображена структурная схема макета робота манипулятора.

Рисунок 2.1 - Структурная схема робота манипулятора

Элементы структурной схемы:

- CPU - микроконтроллер PIC16F876;

- М1 - сервопривод №1;

- М2 - сервопривод №2;

- М3 - сервопривод №3;

- Д1, Д2, Д3 , Д4 - датчики позиционирования;

- ЭМ - электромагнит.

Структурная схема представляет собой основные блоки манипулятора и связи между ними.

На рисунке 2.2 изображен алгоритм работы манипулятора.



Рисунок 2.2 - Алгоритм работы манипулятора

Микроконтроллер производит опрос входа управления, управление позиционированием и шаговыми двигателями.

Датчики позиционирования являются органом зрения манипулятора с их помощью осуществляется определение наличия объекта и избирается необходимый заданный программой объект. Так же при помощи оптопар осуществляется захват объекта вне зоны захвата на конвейере при его неисправной работе или при не доходе объекта до зоны захвата.

Первый двигатель предназначен для вращения платформы манипулятора вокруг своей оси. Второй двигатель служит для вертикального перемещения плеча манипулятора. Третий двигатель служит для вертикального перемещения руки манипулятора.

Электромагнит служит органом захвата манипулятора. Преимуществом электромагнитных захватов является большая сила притяжения на единицу площади, быстрота срабатывания и простота конструкции. К их недостаткам следует отнести возможность использования только для работы с деталями из магнитных материалов и наличие остаточного магнетизма на перемещаемых деталях.

Для реализации связи с внешними устройствами, а также с ПК служит последовательный порт RS-232.

2.2 Структура модуля управления

Управление манипулятора осуществляется двумя способами: первый это при помощи пульта управления управляется непосредственно человеком, второй это программный способ управление осуществляется автономно.

На рисунке 2.3 изображена функциональная схема модуля управления роботом манипулятором.



Рисунок 2.3 - Функциональная схема модуля управления роботом манипулятором

Блок микроконтроллера осуществляет работу управления электронными устройствами. Микроконтроллер программируется для соответствующей работы ПП и программного управления манипулятора в автономном режиме.

Блок световой индикаций осуществляет визуальную демонстрацию режима работы манипулятора. При этом отдельный цвет указывает на соответствующий режим работы манипулятора. Используются следующие цвета: красный, желтый, зеленый. Когда загорается зеленый цвет - это обозначает, что манипулятор исправлен и работает в нормальном режиме. При загораний желтого цвета - манипулятор работает в тестовом режиме, а когда загораний красного цвета - обозначает неисправность в работе манипулятора.

Блок взаимодействия с датчиками движения осуществляет связь между оптопарой и микроконтроллером, что в свою очередь обеспечивает их соответствующую работу по определению наличия объекта в зоне их досягаемости.

Блок взаимодействия с сервоприводами осуществляет связь между сервоприводами (двигателями манипулятора) и микроконтроллером. Благодаря этому манипулятор способен перемещаться в пространстве и перемещать объект манипулирования.

Блок звукового оповещения служит для подачи звукового сигнала в случае выхода из строя манипулятора или аварийной ситуации, а так же для повышения безопасности при перемещении объекта манипулирования с конвейера на приемную площадку осуществляется подача импульсного звукового сигнала.

Блок приемопередатчика (MAX 232) преобразовывает сигналы последовательного порта RS-232 в сигналы, пригодные для использования в цифровых схемах на базе ТТЛ или КМОП технологий. MAX232 работает приемопередатчиком и преобразует сигналы RX, TX, CTS и RTS.

3. Разработка конструкции манипулятора

3.1 Кинематическая схема манипулятора

При разработке конструкций роботов большое внимание уделяется выбору системы координат, в которой должно осуществляться перемещение руки. В конструкциях роботов манипуляторов отечественного и зарубежного производств используются прямоугольная, цилиндрическая и сферическая системы координат.

Данный манипулятор использует сферическую систему координат.

Кинематическая схема манипулятора изображена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Кинематическая схема манипулятора

На рисунке 3.1 перечислены следующие элементы: 1 - подвижная платформа; 2 - основание манипулятора; 3 - плечо манипулятора; 4 - рука манипулятора; 5 - ЗУ (электромагнит); б - угол вращения подвижной платформы; в - угол перемещения плеча манипулятора; г - угол перемещения руки манипулятора.

Основной задачей такой системы является перемещение схвата манипулятора в заданную точку пространства рабочей зоны робота (Xw, Yw, Zw). Эту задачу можно реализовать, воздействуя на величины углов поворота и перемещения в сочленениях манипулятора (б, в, г), с помощью сервоприводов.

3.2 Особенности конструкции

Особенностью проектируемого манипулятора является использования сервопривода в качестве двигателей манипулятора. Который так же является связующей частью между звеньями манипулятора.

Сервопривод позволяет точно управлять параметрами движения, в его состав входят датчики, которые фиксируют положения, скорость, усиление на валу, входит блок управления приводом (электронная схема или механическая система тяг). Автоматически поддерживающая необходимые параметры на датчике (и, соответственно, на устройстве) согласно заданному внешнему значению (положению ручки управления или численному значению от других систем). Проще говоря, сервопривод является "автоматическим точным исполнителем" - получая на вход значение управляющего параметра (в режиме реального времени), он "своими силами" (основываясь на показаниях датчика) стремится создать и поддерживать это значение на выходе исполнительного элемента.

Состав сервопривода:

- привод - например, электромотор с редуктором, или пневмо цилиндр;

- датчик обратной связи - например, датчик угла поворота выходного вала редуктора (энкодер);

- блок питания и управления (он же преобразователь частоты / сервоусилитель / инвертор / servodrive);

- вход/конвертер/датчик управляющего сигнала/воздействия (может быть в составе блока управления).

В таблице 3.1 перечислены характеристики сервоприводов из которых я выбрал подходящий для выполнения поставленных задач.

Таблица 3.1 Характеристики сервоприводов

Характеристики	Сервопривод
	SM-S3317M	SM-S4306B	SM-S4312M
Размер (мм)	31,3x16,3x28,5	42x20,5x39,5	42x20,5x39,5
усилие на валу (кг/см)	2,6 кг/см (4,8V) 2,9 кг/см (6,0V)	5,75 кг/см (4,8V) 6,64 кг/см (6,0V)	12,0 кг/см (4,8V) 12,98 кг/см (6,0V)
Скорость (сек/град.)	0,15 сек./60 град. (4,8v) 0,13 сек,/60 град. (6,0v)	0,18 сек./60 град. (4,8v) 0,16 сек./60 град. (6,0v)	0,18 сек./60 град. (4,8v) 0,16 сек./60 град. (6,0v)
Рабочее напряжение (V)	4,8V/6,0V	4,8V/6,0V	4,8V/6,0V
Вес (г.)	26	44	60

Исходя из данных таблицы для своего макета я выбрал сервопривод SM-S4312M так как у него самые высокие характеристики и он подходит по всем параметрам для выполнения поставленных задач.

4. Разработка схемы электрической принципиальной

4.1 Анализ элементной базы

Целью анализа является проверка соответствия параметров выбранных типов ЭРЭ условиям эксплуатации разрабатываемого устройства согласно технического задания (ТЗ): требованиям по климатическому исполнению, допустимым механическим воздействиям и надежности.

В качестве элементной базы в модуле применены ЭРЭ различных производителей.

В таблице 4.1 указаны эксплуатационные характеристики ЭРЭ.

Таблица 4.1 - Эксплуатационные характеристики ЭРЭ

Тип элемента	Кол-во элементов данного типа, шт.	Допустимые значения	Интенсивность отказов, 10-61/ч	Коэффициент нагрузки
		Температура окружающей среды, 0С	Относительная влажность воздуха, %	Механические воздействия
				Вибрации	Удары	Ускорения
				Диапазон частот, Гц	Амплитуда, м/с2	Амплитуда, м/с2	Амплитуда, м/с2
Резисторы С2-С23	13	-55…+125	97	1-500	18	150	100	0,2	0,5
Конденсаторы керамические	5	-60…+85	98	100-600	35	150	500	0,3	0,7
Конденсаторы ECR	1	-25…+85	98	1-500	7,5	12	50	0,2	0,6
Микроконтроллер PIC16F876	1	-40…+125	98	1-2000	55	75	150	0,3	0,6
Стабилизатор напряжения LM7805	1	-40…+125	97	1-100	50	60	100	0,3	0,7

Эксплуатационные характеристики выбранных типов ЭРЭ соответствуют требованиям ТЗ по климатическому исполнению и механическим воздействиям.

4.2 Описание работы схемы принципиальной

Схема электрической принципиальной изображена на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 - Схема элетрической принципиальной

Оптопары U1-U4 предназначены для определения наличия объекта в поле зрения манипулятора. В качестве оптопар использованы устройства СNY70. Резисторы R1 - R4 предназначены для включения светодиодов оптопар. Номинал резисторов выбран из следующих условий:

- падение напряжения на светодиоде - 2В;

- номинальный ток - 10мА;

- напряжение подаваемое на светодиод - 5В.

Из проведенного расчета номинал резисторов равен 300 Ом.

Выходы фототранзисторов подключены на входы микроконтроллера DD1 PIC16F876.

Резисторы R5 - R8 предназначены для подтягивания уровней на входах микроконтроллера к состоянию логической единицы.

Через транзистор VT1 на вход микроконтроллера подается сигнал от конвейера. Транзистор предназначен для защиты входа микроконтроллера от перегрузки.

На транзисторе VT2 собран усилитель для подключения к выходу микроконтроллера звукового излучателя.

Светодиоды HL1 - HL3 предназначены для индикации режима работы устройства. Они подключены через токоограничительные резисторы.

На микросхеме DА1 собран преобразователь интерфейса из уровней TTL в напряжения интерфейса RS232. Конденсаторы С1 - С5 предназначены для обеспечения правильной работы преобразователя. К разъему XP4 подключается кабель для соединения с ПК.

На микросхеме DA1 собран стабилизатор напряжения. На вход DA1 поступает напряжение 12В, а с выхода снимается напряжение 5В, которое необходимо для работы схемы.

К разъемам XP5 - XP7 подключены сервоприводы. К разъему XP5 подключен сервопривод, управляющий вращением подвижной платформы манипулятора.

К разъему XP6 подключен сервопривод, управляющий плечом манипулятора.

К разъему XP7 подключен сервопривод, управляющий рукой манипулятора.

5. Разработка конструкций модуля с печатным монтажом

5.1 Разработка печатного модуля

Размещение ЭРЭ основывается на критерии двух минимумов: минимума длины связей и минимума пересечений, при этом ЭРЭ устанавливаются на пересечениях линий координатной сетки.

Модуль в целом крепится к стойкам корпуса при помощи 2-х винтов.

Все элементы на плату устанавливаются согласно ГОСТ 29137-91, пропусканием выводов в монтажные отверстия с последующей пайкой припоем ПОС-61 ГОСТ 21931-76.

Размеры платы могут быть определены методом аналитической компоновки. Необходимую для размещения ЭРЭ на плате площадь рассчитываем по формуле:

,

где - площадь i-го электро-радио элемента, см2; - коэффициент заполнения площади платы (0,5); n- количество во элементов i-го типа.

Массогабаритные характеристики ЭРЭ приведены в таблице 5.1

Согласно данным таблицы 5.1 производим расчет площади печатной платы усилителя мощности по формуле:

Таблица 5.1 - Установочные характеристики конструктивных узлов

Типы элементов	Кол-во элементов данного типа	Установочная площадь одного элемента, мм2	Установочная площадь всех элементов, мм2	Масса одного элемента, г	Масса всех элементов, г
Резисторы C2-C29	13	19	247	0,15	1,95
Конденсатор керамический	5	18	90	0,8	4
Конденсатор электролитический	1	36	36	1,5	1,5
Транзистор BC548B	2	10	20	0,5	1
Диод 1N4148	1	47	47	0,15	0,3
Светодиод OSYL5111P	3	20	60	0.8	2.4
Кварц 20 MHz	1	40	40	2	2
Микроконтроллер PIC16F876	1	280	280	4	4
mc7805ct	1	171	171	1,5	1,5
MAX 232	1	168	168	3	3
Buzzer Magn	1	39	39	2	2
КРЕН5А	1	171	171	1,5	1,5
Разъем RS232	1	300	300	5	5
Штыревой соединитель PLS2-40	27	4	108	0.4	10.8
Всего			1717		47.2

Для того, чтобы поместить плату в стандартный корпус необходимо взять соотношение сторон равным 1:1. По значению рассчитанной площади определим стороны платы по формуле:

,

,

По ГОСТ 10317-79 сторона печатной платы должна быть кратной 2,5, а также с учетом запаса на трассировку и технологические зоны, выбираем длины сторон платы 100х70 мм, что удовлетворяет требованиям ТЗ.

Масса ЭРЭ в блоке рассчитывается по формуле:

,

где miе - сумма масс элементов, входящих в блок; mn - масса платы.

Массу платы , в свою очередь, можно приблизительно оценить по формуле:

,

где - длина, ширина и толщина платы, м; - плотность материала печатной платы (для текстолита ).

Масса печатной платы равна:

(кг),

Расчет массы всего модуля управления манипулятором:

(г).

Печатную плату будем изготавливать комбинированным методом. Произведем расчет печатной платы.

Шаг координатной сетки рассчитаем по формуле:

,

где t - ширина печатного проводника в мм, зависящая от тока; d - расстояние между печатными проводниками.

Ширину печатного проводника принимаем равной 0,90 мм, так как максимальное значение тока не велико (I=0,2 А).

Расстояние между проводниками принимаем равным 0,25 мм [4, с.302].

Тогда шаг координатной сетки будет равен

Ш = 0,9 + 0,25 = 1,24 (мм),

Следовательно, выбираем стандартный шаг координатной сетки 1,25 мм, что соответствует применяемой элементной базе.

Номинальное значение диаметра монтажного отверстия (для установки навесного элемента - резистора) рассчитаем по формуле:

где dЭ = 0,8 мм - максимальное значение диаметра вывода навесного элемента. r = 0,25мм - разность между минимальным значением диаметра отверстия и максимальным диаметром вывода устанавливаемого элемента; dHO = - 0,05мм - нижнее предельное отклонение номинального значения диаметра отверстия.

Номинальное значение ширины проводника определим по формуле:

где tМД =0,25 мм - минимально допустимая ширина проводника; ДtHO = - 0,05 мм - нижнее предельное отклонение ширины проводника.

Номинальное значение диаметра монтажного отверстия (для установки навесного элемента - конденсатора) рассчитаем по формуле:

Минимальный диаметр металлизированного отверстия рассчитаем по формуле:

где HП = 2 мм - толщина платы; г = 0,33 мм - отношение диаметра металлизированного отверстия к толщине платы.

В настоящее время наибольшее применение в качестве материала печатного основания используют стеклотекстолит и гетинакс.

Стеклотекстолит обладает большей механической прочностью по сравнению с гетинаксом, поэтому в качестве материала печатного основания используется стеклотекстолит фольгированный СФ-2-35-1,5 ГОСТ 10317-79.

Выводы

В аттестационной бакалаврской работе основное внимание уделено для создания макета промышленного манипулятор были выбраны материалы из которых он создан выбраны двигателя при помощи которых он перемещается в пространстве.

В первой части были проведен анализ технологического задания. Проведен анализ по методам построения манипулятора, требования к ним. Проанализированы аналогичные конструкции. Проведен анализ поставленных задач.

Во второй части была разработана архитектура автоматизированной системы макета робота манипулятора. Разработана структура модуля управления манипулятором. Так же приведен алгоритм работы промышленного манипулятора.

В третей части была разработана кинематическая которая показывает как перемещается в пространстве манипулятор. Так же описаны особенности конструкций проектируемого промышленного манипулятора.

В четвертой части была разработана схема электрической принципиальной, проведен анализ элементной базы, приведено описание работы схемы принципиальной.

В пятом разделе была разработана конструкция модуля с печатным монтажом.

робот микроконтроллер манипулятор сервопривод

Литература

1. Вукобратович, М. Неадаптивное и адаптивное управление манипуляционными роботами / Д. Стокич, Н. Кирчански, - М.: Мир, 1989.

2. Попов, Е. Управление роботами-манипуляторами. Изд. АН СССР, Техн. киберн., 1984.

3. Осьмаков, А. Технология и оборудование производства электрических машин / А.А. Осьмаков, 2003.

4. Отений Я.Н. Выбор и расчет захватных устройств промышленных роботов: Учебное пособие / П.В. Ольштынский, ВолгГТУ, Волгоград, 2000.

5. Корендясев, А.И. Теоретические основы робототехники. / Б.Л. Саламандра, Л.И Тывес, - М.: Наука, 2006.

6. Попов, Е.П. Письменный Г.В. Основы робототехники / Г.В. Письменный, М.: Высш. школа, 1990.

Размещено на Allbest.ru