【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(shù)的確定 手部負(fù)重： 10Kg（抓取物體的形狀為正六柱體，密度） 抓放升降旋轉(zhuǎn)平移 15 自由度 數(shù)： 2 個(gè)，沿 Z 軸上下移動(dòng)，繞 Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)座可沿 X 軸直線往復(fù)移動(dòng) 坐標(biāo)形式：圓柱坐標(biāo) 手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)： 旋轉(zhuǎn)半徑： 800mm 上下行程： 800 ~ 1500mm 升降速度：小于或等于 400 /mms 回轉(zhuǎn)角度： 00~ 回轉(zhuǎn)速度：小于或等于 80 /mm s 機(jī)座（ X 軸）運(yùn)行參數(shù)： 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(fù)定位精度： ? 驅(qū)動(dòng)方式：交流伺服電機(jī)， 電磁方式 控制方式：可編程序控制器（ PLC） 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 手部機(jī)構(gòu)是機(jī)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(jù)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(jī)構(gòu)，如鉗爪式、磁吸式等。而鉗爪式手部機(jī)構(gòu)是最常見(jiàn)的形式之一，手爪有兩個(gè)、三個(gè)或多 個(gè)，其中兩個(gè)的最多。抓取共工件方式有外卡式和內(nèi)撐式，本文采用外卡式機(jī)械機(jī)構(gòu)。 在設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮以下問(wèn)題。在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)該考慮在操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和震動(dòng)，以保證工件不致于產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。兩手指張開與閉合的兩個(gè)極限位置的夾角應(yīng)該保證工件能順利進(jìn)入或脫開。根據(jù)工件形狀選取相應(yīng)的手指形狀以便準(zhǔn)確抓取。機(jī)械手指還應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度，并且耐高溫，以防折斷和彎曲，盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，自重輕。 16 本課題機(jī)械手手指結(jié)構(gòu)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(shù) ? ，根 據(jù)手指夾持工件方位，可得握力計(jì)算公式 算公式 圖 機(jī)械手手指示意圖 代入 解得 25( )NN? ，其驅(qū)動(dòng)力大小 代入解得 245( )PN? ，實(shí)際驅(qū)動(dòng)力 傳力機(jī)構(gòu)采用 齒輪齒條傳動(dòng)，取 =? ， 1K ? ，若 抓取工件的最大加速度取 a3g? 時(shí)，則 0 .5 ta n ( )N fG ??? ? ??2BPNR?12PKKP ??實(shí) 際2K 1 4ag? ? ? 17 所以 因此，夾持工件時(shí)所需加緊的驅(qū)動(dòng)力為 1563N 。 所以，電磁線圈最小驅(qū)動(dòng)力大于夾緊時(shí)的驅(qū)動(dòng)力。選擇驅(qū)動(dòng)能力為 2500N 的電磁線圈作為抓手驅(qū)動(dòng)器。 機(jī)械手移動(dòng)基座設(shè)計(jì) 基座設(shè)計(jì) 機(jī)械手底座由機(jī)座滑塊、導(dǎo)軌、交流伺服電機(jī)等組成，機(jī) 座采用滾珠絲桿傳動(dòng)，它可將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的理想裝置 ，其示意結(jié)構(gòu)圖如圖 所示 。圖 基座傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖 滾珠絲桿由螺桿、 螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，這是滾珠螺絲的進(jìn)一步延伸和發(fā)展，這項(xiàng)發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動(dòng)動(dòng)作變成滑動(dòng)動(dòng)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(diǎn) ，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器。 滾珠絲杠與滑動(dòng)絲杠相比驅(qū)動(dòng)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(dòng)運(yùn)動(dòng) ， 所以1 .5 6P = 2 4 5 = 1 5 6 3 ( N )0 .9 5??實(shí) 際 18 能得到較高的 運(yùn)動(dòng)效率。與過(guò)去的滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩達(dá)到 三分之一 以下 ， 即達(dá)到同樣運(yùn)動(dòng)結(jié)果所需的動(dòng)力為使用滾動(dòng)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(yùn)動(dòng) ， 啟動(dòng)力矩極小 ， 不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)那樣的爬行現(xiàn)象 ， 能保證實(shí)現(xiàn)精確的微進(jìn)給。滾珠絲杠副可以加予壓 力，由于予壓力可使軸向 間隙 達(dá)到負(fù)值 ， 進(jìn)而得到較高的剛性 。同時(shí)， 滾珠絲杠由于運(yùn)動(dòng)效率高、發(fā)熱小 ， 所以可實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 基座伺服電機(jī)選型 機(jī)座伺服電機(jī)容量選擇。滾珠絲杠基本參數(shù)確定為：機(jī)身 與負(fù)載 部分總質(zhì)量 30AW Kg? ，滾珠絲杠的長(zhǎng)度 ? ，滾珠絲杠直徑 ? ，滾珠絲杠螺距 ? ，滾珠絲杠效率?? ，移動(dòng)距離 ? ，聯(lián)軸器慣量 6210 10CJ Kg m??? ，移動(dòng)速度 max /V m s? ，加速度 2max 0. 50 0 /a m s? 。 以下為計(jì)算主過(guò)程： 滾珠絲桿質(zhì)量 負(fù)載部分慣量 預(yù)選松下交流伺服電機(jī) 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(zhuǎn)速 最長(zhǎng)加速時(shí)間 m a x m a x/ / V a s? ? ?，最長(zhǎng)減速時(shí)間 t s?? ，勻速時(shí)間 移動(dòng)轉(zhuǎn)矩 加速時(shí)轉(zhuǎn)矩 由于 adtt? ，同理可得，減速時(shí)轉(zhuǎn)矩 6[ ]daT T N m?? 。 已知最大轉(zhuǎn)矩 m a x [ ]adT T T N m? ? ?。 查表附錄一， 額定轉(zhuǎn)矩 。所以 ， max N m? 。 根據(jù)以上計(jì)算，轉(zhuǎn)矩有較大的余量，慣量比也在適當(dāng)范圍內(nèi)，選擇 MSME 系列的 伺服電機(jī)是正確的。 再根據(jù)松下電機(jī)說(shuō)明書，選擇電機(jī)電壓規(guī)格 200V，旋轉(zhuǎn)編碼器選擇增量式，選擇直軸、無(wú)制動(dòng)器和有油封的電機(jī)結(jié)構(gòu)，則該電機(jī)型號(hào)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 在當(dāng)今的工程實(shí)際中，對(duì)于垂直升降機(jī)構(gòu)的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，常見(jiàn)的有“剪叉式”和“伺服電機(jī) +滾珠絲杠”方式，不過(guò)由于使用場(chǎng)合、提升要求達(dá)到的精度以及垂直方向上空間的限制的要求不同，兩種驅(qū)動(dòng)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(jī)械元件，其作用是將旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)圖 升降結(jié)構(gòu)示意圖 動(dòng)轉(zhuǎn)換成 直線運(yùn)動(dòng)。滾珠絲杠副具有傳動(dòng)效率高、磨損小、運(yùn)動(dòng)平衡、無(wú)爬行現(xiàn)象，傳動(dòng)精度高等優(yōu)點(diǎn)。它是傳統(tǒng)滑動(dòng)絲杠的進(jìn)一步延伸拓展，滾珠絲杠因優(yōu)良的摩擦特性使其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備、精密儀器。“伺服電機(jī) +滾珠絲杠 +滾動(dòng)直線導(dǎo)軌”驅(qū)動(dòng)主要用于環(huán)境潔凈為 100 級(jí)、垂直方向上空間尺寸受限制且精度要求較高的場(chǎng)合。 升降機(jī)構(gòu)安裝在密閉的箱子里面，其中是潔凈度為 100 級(jí)的手臂托板絲桿伺服電機(jī)滑動(dòng)導(dǎo)軌 21 環(huán)境，箱子中內(nèi)部?jī)舾?1600mm ，需要在里面實(shí)現(xiàn)提升有效行程為 800 ~ 1500mm，才能把 物體送達(dá)指定位置。因此，選用“伺服電機(jī) +滾珠絲杠”最為適宜。升降結(jié)構(gòu)主要由交流伺服電機(jī)、渦輪蝸桿減速器、托板、連接塊、滾珠絲杠、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌等組成。機(jī)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(duì)絲杠的彎矩，設(shè)計(jì)兩根滾珠直線導(dǎo)軌并固定在滾珠絲杠的兩側(cè)，同時(shí)為了防止絲杠在運(yùn)動(dòng)中卡死現(xiàn)象，使連接塊與托板不剛性連接且留有微量間隙。絲杠傳動(dòng)帶動(dòng)托板上下運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)機(jī)械手的上下運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到升降的目的。 升降伺服電機(jī)選型 升降機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)的選型，拖動(dòng)總質(zhì)量為 15BW Kg? ，滾珠絲杠長(zhǎng)度為 ? ，滾珠絲杠直徑為 ? ，滾珠絲杠螺距 ? ，滾珠絲杠傳動(dòng)效率 ?? ，移動(dòng)距離 ? ，聯(lián)軸器慣量 6210 10CJ Kg m??? ， 加速度 2max /a m s? ，移動(dòng)速度為 max /V m s? 。 計(jì)算主要過(guò)程如下： 滾珠絲杠質(zhì)量 負(fù)載部分慣量 預(yù)選松下 MSME750W 交流伺服電機(jī)，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(zhuǎn)速 加速時(shí)間 加速升降高度 由于 2 ? ，減速時(shí)間 datt? 勻速運(yùn)行時(shí)間 移動(dòng)轉(zhuǎn)矩 加速時(shí)轉(zhuǎn)矩 由于 adtt? ，同理可得，減速時(shí)轉(zhuǎn) 矩 3[ ]daT T N m?? ， 已知最大轉(zhuǎn)矩 m a x [ ]adT T T N m? ? ?。 查表附錄一， 750W 額定轉(zhuǎn)矩 。所以 max N m? 。 根據(jù)以上計(jì)算，轉(zhuǎn)矩有較大的余量，慣量比也在適當(dāng)范圍內(nèi)，選擇 MSME 系列的 750W 伺服電機(jī)是 可行 的。 再根據(jù)松下電機(jī)說(shuō)明書，選擇伺服電機(jī)型號(hào)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(jī)械手電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)介 交流伺服電機(jī) 交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)主要可分為兩部分，即定子部分和轉(zhuǎn)子部分。其中定子的結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)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(lì)磁繞組，另一組為控制繞組， 交流伺服電動(dòng)機(jī)使用時(shí)， 勵(lì)磁 繞組兩端施加恒定的 勵(lì)磁 電壓 Uf，控制繞組兩端施加控制電壓 Uk。當(dāng)定子繞組加上電壓后，伺服電動(dòng)機(jī)很快就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。 通入勵(lì)磁繞組及控制繞組的電流在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向決定了電機(jī)的轉(zhuǎn) 向，當(dāng)任意一個(gè)繞組上所加的電壓反相時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向就發(fā)生改變，電機(jī)的方向也發(fā)生改變。 為了在電機(jī)內(nèi)形成一個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，要求 勵(lì)磁 電壓 Uf 和控制電壓 UK 之間應(yīng)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(gòu)成 90 度的移相 ； 利用三相電源的任意線電壓；采用移相網(wǎng)絡(luò) ； 在激磁相中串聯(lián)電容器 。 交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速能隨著控制電壓的變化在寬廣的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)的機(jī)械特性接近線性，以保證伺服電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，并有利于提高控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度。伺服電機(jī)還具有無(wú)“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，即當(dāng)控制電壓為零時(shí)，電 機(jī)立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)，并且其機(jī)電時(shí)間常數(shù)比較小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快速，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小等特點(diǎn)。因此，在控制系統(tǒng)中常被作為執(zhí)行元件。 對(duì)交流伺服電機(jī)的而言， 從最低速到最高速電機(jī)都能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)要小，尤其在低速如 ，仍有平穩(wěn)的速度而無(wú)爬行現(xiàn)象。電機(jī)應(yīng)具有大的較長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)載能力， 24 以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。一般直流伺服電機(jī)要求在數(shù)分鐘內(nèi)過(guò)載 4～ 6 倍而不損壞