【文章內容簡介】 完成。為提高控制精度，伺服系統(tǒng)采用位置控制模式。 課題基本參數的確定 手部負重： 10Kg（抓取物體的形狀為正六柱體，密度） 抓放升降旋轉平移 15 自由度 數： 2 個，沿 Z 軸上下移動，繞 Z 軸轉動，機座可沿 X 軸直線往復移動 坐標形式：圓柱坐標 手臂運動參數： 旋轉半徑： 800mm 上下行程： 800 ~ 1500mm 升降速度：小于或等于 400 /mms 回轉角度： 00~ 回轉速度：小于或等于 80 /mm s 機座（ X 軸）運行參數： 行程： 0 ~1012mm 速度：小于或等于 400 /mms 定位方式：閉環(huán)伺服定位 重復定位精度： ? 驅動方式：交流伺服電機， 電磁方式 控制方式：可編程序控制器（ PLC） 手部結構設計 手部機構是機械手直接與工件、工具等接觸的部件，它能模仿人手的部分功能，根據被抓去工件、工具等的形狀、尺寸、重量、易碎性、表面粗糙度的不同，工業(yè)中使用多種形式的手部機構，如鉗爪式、磁吸式等。而鉗爪式手部機構是最常見的形式之一，手爪有兩個、三個或多 個，其中兩個的最多。抓取共工件方式有外卡式和內撐式，本文采用外卡式機械機構。 在設計時還要考慮以下問題。在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應該考慮在操作過程中所產生的慣性力和震動，以保證工件不致于產生松動或脫落。兩手指張開與閉合的兩個極限位置的夾角應該保證工件能順利進入或脫開。根據工件形狀選取相應的手指形狀以便準確抓取。機械手指還應有足夠的強度和剛度，并且耐高溫，以防折斷和彎曲，盡量使結構簡單緊湊，自重輕。 16 本課題機械手手指結構如圖 所示，抓取工件重量10G Kg? ，其中 120B mm? ， 24R mm? ， V 型手指的角度02 120?? ，摩擦系數 ? ，根 據手指夾持工件方位，可得握力計算公式 算公式 圖 機械手手指示意圖 代入 解得 25( )NN? ，其驅動力大小 代入解得 245( )PN? ，實際驅動力 傳力機構采用 齒輪齒條傳動，取 =? ， 1K ? ，若 抓取工件的最大加速度取 a3g? 時，則 0 .5 ta n ( )N fG ??? ? ??2BPNR?12PKKP ??實 際2K 1 4ag? ? ? 17 所以 因此，夾持工件時所需加緊的驅動力為 1563N 。 所以，電磁線圈最小驅動力大于夾緊時的驅動力。選擇驅動能力為 2500N 的電磁線圈作為抓手驅動器。 機械手移動基座設計 基座設計 機械手底座由機座滑塊、導軌、交流伺服電機等組成，機 座采用滾珠絲桿傳動，它可將回轉運動轉化成直線運動，或將直線運動轉化為回轉運動的理想裝置 ，其示意結構圖如圖 所示 。圖 基座傳動結構圖 滾珠絲桿由螺桿、 螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉運動轉化成直線運動，這是滾珠螺絲的進一步延伸和發(fā)展，這項發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動動作變成滑動動作。由于具有很小的摩擦阻力 兼具高精度、可逆性和高效率等特點 ，滾珠絲杠被廣泛應用于各種工業(yè)設備和精密儀器。 滾珠絲杠與滑動絲杠相比驅動力為三分之一， 由于 滾珠絲杠副 的絲杠軸與絲杠螺母之間有很多滾珠在做滾動運動 ， 所以1 .5 6P = 2 4 5 = 1 5 6 3 ( N )0 .9 5??實 際 18 能得到較高的 運動效率。與過去的滑動絲杠副相比驅動力矩達到 三分之一 以下 ， 即達到同樣運動結果所需的動力為使用滾動絲杠副的 三分之一，因此， 在 節(jié)能 方面很有幫助。利用滾珠運動 ， 啟動力矩極小 ， 不會出現滑動運動那樣的爬行現象 ， 能保證實現精確的微進給。滾珠絲杠副可以加予壓 力，由于予壓力可使軸向 間隙 達到負值 ， 進而得到較高的剛性 。同時， 滾珠絲杠由于運動效率高、發(fā)熱小 ， 所以可實現高速進給運動。 基座伺服電機選型 機座伺服電機容量選擇。滾珠絲杠基本參數確定為：機身 與負載 部分總質量 30AW Kg? ，滾珠絲杠的長度 ? ，滾珠絲杠直徑 ? ，滾珠絲杠螺距 ? ，滾珠絲杠效率?? ，移動距離 ? ，聯(lián)軸器慣量 6210 10CJ Kg m??? ，移動速度 max /V m s? ，加速度 2max 0. 50 0 /a m s? 。 以下為計算主過程： 滾珠絲桿質量 負載部分慣量 預選松下交流伺服電機 MSME 系列 ，則 2 23 0 .0 27 .9 1 0 3 .1 4 1 .2 0 0222 .9 7 7 [ ]DWL BBBKg?? ?? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ???? ?????222222421841 30 8 4 4 41 10 [ ]APL C B C W DWBJ J J J B BKg m???? ? ? ? ? ??? ? ? ? ????420 .3 3 1 0MJ Kg m??? 19 慣量比 若選用 750W ，則 42J 0 .0 7 5 1 0M Kg m??? ， 其 慣 量 比 為 。 轉速 最長加速時間 m a x m a x/ / V a s? ? ?，最長減速時間 t s?? ，勻速時間 移動轉矩 加速時轉矩 由于 adtt? ，同理可得，減速時轉矩 6[ ]daT T N m?? 。 已知最大轉矩 m a x [ ]adT T T N m? ? ?。 查表附錄一， 額定轉矩 。所以 ， max N m? 。 根據以上計算，轉矩有較大的余量，慣量比也在適當范圍內，選擇 MSME 系列的 伺服電機是正確的。 再根據松下電機說明書，選擇電機電壓規(guī)格 200V，旋轉編碼器選擇增量式，選擇直軸、無制動器和有油封的電機結構，則該電機型號為MSME152G1S。 44/ 4 . 5 4 1 1 0 / 0 . 3 3 1 0 1 3 . 7 6 3 0LMJJ ??? ? ? ? ?倍 倍m a xN / 0 . 4 0 0 / 0 . 0 2 [ / ]2 0 6 0 [ / m in ] 1 2 0 0 [ / m in ] 2 0 0 0 [ / m in ]PV B r sr r r??? ? ? ?m a x2 2 1 . 0 1 2( ) 2 ( 0 . 8 0 . 8 ) 2 1 . 7 30 . 4 0 0b a dLt t t sV ?? ? ? ? ? ? ? ? ?0 .0 2T ( ) ( 0 .1 9 .8 3 0 0 )2 2 0 .91 .0 4 0 [ ]Pf B g W FBNm????? ? ? ? ? ???44( ) 2 [ / ]( 41 10 3 10 ) 2 20 16 [ ]LMafaJ J N r sTTtNm????????? ? ? ? ?? 20 升降系統(tǒng)機構設計 升降機構設計 在當今的工程實際中，對于垂直升降機構的應用已經十分廣泛，常見的有“剪叉式”和“伺服電機 +滾珠絲杠”方式，不過由于使用場合、提升要求達到的精度以及垂直方向上空間的限制的要求不同，兩種驅動方式也有很大的差異。滾珠絲杠副是由絲杠、螺母、滾珠等零件組成的機械元件，其作用是將旋轉旋轉運圖 升降結構示意圖 動轉換成 直線運動。滾珠絲杠副具有傳動效率高、磨損小、運動平衡、無爬行現象，傳動精度高等優(yōu)點。它是傳統(tǒng)滑動絲杠的進一步延伸拓展，滾珠絲杠因優(yōu)良的摩擦特性使其廣泛應用于各種工業(yè)設備、精密儀器?！八欧姍C +滾珠絲杠 +滾動直線導軌”驅動主要用于環(huán)境潔凈為 100 級、垂直方向上空間尺寸受限制且精度要求較高的場合。 升降機構安裝在密閉的箱子里面，其中是潔凈度為 100 級的手臂托板絲桿伺服電機滑動導軌 21 環(huán)境，箱子中內部凈高 1600mm ，需要在里面實現提升有效行程為 800 ~ 1500mm，才能把 物體送達指定位置。因此，選用“伺服電機 +滾珠絲杠”最為適宜。升降結構主要由交流伺服電機、渦輪蝸桿減速器、托板、連接塊、滾珠絲杠、直線滾動導軌等組成。機械手小臂固定在托板上面，由于絲杠僅能承受軸向力，為了避免偏載對絲杠的彎矩，設計兩根滾珠直線導軌并固定在滾珠絲杠的兩側，同時為了防止絲杠在運動中卡死現象，使連接塊與托板不剛性連接且留有微量間隙。絲杠傳動帶動托板上下運動，從而帶動機械手的上下運動，以達到升降的目的。 升降伺服電機選型 升降機構伺服電機的選型，拖動總質量為 15BW Kg? ，滾珠絲杠長度為 ? ，滾珠絲杠直徑為 ? ，滾珠絲杠螺距 ? ，滾珠絲杠傳動效率 ?? ，移動距離 ? ，聯(lián)軸器慣量 6210 10CJ Kg m??? ， 加速度 2max /a m s? ，移動速度為 max /V m s? 。 計算主要過程如下： 滾珠絲杠質量 負載部分慣量 預選松下 MSME750W 交流伺服電機，則 420 .3 3 1 0MJ Kg m??? 慣量比 2 3 ( ) 10 ( ) [ ]DWL BBBKg??? ? ? ? ? ? ? ? ??2222 2 242184 ( ) / 8 ( 15 ) / 4 10 [ ]BPL C B C W DWBJ J J J B BK g m????? ? ? ? ? ?? ? ? ? ???44/ 7 10 / 3 10 7 30LMJJ ??? ? ? ? ?倍 倍 22 轉速 加速時間 加速升降高度 由于 2 ? ，減速時間 datt? 勻速運行時間 移動轉矩 加速時轉矩 由于 adtt? ，同理可得，減速時轉 矩 3[ ]daT T N m?? ， 已知最大轉矩 m a x [ ]adT T T N m? ? ?。 查表附錄一， 750W 額定轉矩 。所以 max N m? 。 根據以上計算，轉矩有較大的余量，慣量比也在適當范圍內，選擇 MSME 系列的 750W 伺服電機是 可行 的。 再根據松下電機說明書，選擇伺服電機型號為 MSME082G1S。 m a x / 0 .4 / 0 .0 2 2 0 [ / ] 1 2 0 0 [ / m in] 3 0 0 0 [ / m in]PN V B r s r r? ? ? ? ?m a xm a x0 .4 0 .8[ ]0 .5a Vtsa? ? ?22m a x11 0 . 5 0 . 8 0 . 1 6 [ ]22aah a t m? ? ? ? ?m a x2 0 . 7 2 0 . 1 6 0 . 9 5 [ ]0 . 4ab LhtsV? ??? ? ?0 .0 2T ( ) ( 0 .1 9 .8 1 5 2 9 .8 )2 2 0 .90 .1 0 9 [ ]Pf B g W m gBNm????? ? ? ? ? ? ???44( ) 2 [ / ]( 7 10 3 10 ) 2 20 53 [ ]LMafaJ J N r sTTtNm????????? ? ? ? ?? 23 3 機械手電氣控制系統(tǒng)設計 伺服電機及驅動器簡介 交流伺服電機 交流伺服電動機的結構主要可分為兩部分，即定子部分和轉子部分。其中定子的結構與旋轉變壓器的定子基本相同，在定子鐵心中也安放著空間互成 90 度電角度的兩相繞組。其中一組為 勵磁繞組，另一組為控制繞組， 交流伺服電動機使用時， 勵磁 繞組兩端施加恒定的 勵磁 電壓 Uf，控制繞組兩端施加控制電壓 Uk。當定子繞組加上電壓后，伺服電動機很快就會轉動起來。 通入勵磁繞組及控制繞組的電流在電機內產生一個旋轉磁場，旋轉磁場的轉向決定了電機的轉 向，當任意一個繞組上所加的電壓反相時，旋轉磁場的方向就發(fā)生改變，電機的方向也發(fā)生改變。 為了在電機內形成一個圓形旋轉磁場，要求 勵磁 電壓 Uf 和控制電壓 UK 之間應有 90 度的相位差，常用的方法有：利用三相電源的相電壓和線電壓構成 90 度的移相 ； 利用三相電源的任意線電壓；采用移相網絡 ； 在激磁相中串聯(lián)電容器 。 交流伺服電動機的轉速能隨著控制電壓的變化在寬廣的范圍內連續(xù)調節(jié)，整個運行范圍內的機械特性接近線性，以保證伺服電機運行的穩(wěn)定性，并有利于提高控制系統(tǒng)的動態(tài)精度。伺服電機還具有無“自轉”現象，即當控制電壓為零時，電 機立即停止運轉，并且其機電時間常數比較小，動態(tài)響應快速，堵轉轉動力矩大，轉動慣量小等特點。因此，在控制系統(tǒng)中常被作為執(zhí)行元件。 對交流伺服電機的而言， 從最低速到最高速電機都能平穩(wěn)運轉，轉矩波動要小，尤其在低速如 ，仍有平穩(wěn)的速度而無爬行現象。電機應具有大的較長時間的過載能力， 24 以滿足低速大轉矩的要求。一般直流伺服電機要求在數分鐘內過載 4～ 6 倍而不損壞