【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 Z16)圖 關(guān)節(jié) 3 傳動(dòng)簡(jiǎn)圖關(guān)節(jié) 4關(guān)節(jié) 4 的傳動(dòng)分兩級(jí)，都為直齒輪傳動(dòng)，關(guān)節(jié)傳輸路線:關(guān)節(jié) 4 電機(jī)→Z 17/Z18→軸 →Z 19/Z20→軸（關(guān)節(jié) 4）關(guān)節(jié)輸出軸轉(zhuǎn)速n4 =n4 機(jī) （Z 17/Z18)(Z19/Z20)關(guān)節(jié) 5關(guān)節(jié) 5 的傳動(dòng)分兩級(jí)，前一級(jí)為直齒輪傳動(dòng)，后一級(jí)為錐齒輪傳動(dòng)，關(guān)節(jié)傳輸路線:關(guān)節(jié) 5 電機(jī)→Z 21/Z22→軸 →Z 23/Z24軸（關(guān)節(jié) 5）關(guān)節(jié)輸出軸轉(zhuǎn)速n5 =n5 機(jī) （Z 21/Z22)(Z23/Z24)(Z25/Z26)圖 關(guān)節(jié) 5 傳動(dòng)簡(jiǎn)圖 各關(guān)節(jié)傳動(dòng)比看表 ：表 各關(guān)節(jié)傳動(dòng)比關(guān)節(jié) 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角 關(guān)節(jié)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)角 轉(zhuǎn)動(dòng)比 i1 （由結(jié)構(gòu)測(cè)得） 2 90? ? 3 45? ? 4 （見(jiàn)注） 5 90? 3510? 39注：關(guān)節(jié) 4 轉(zhuǎn)角 90?，第一級(jí)齒輪輸出 12 轉(zhuǎn)角是 ?1 其傳動(dòng)比 i2 為第一級(jí)齒輪傳動(dòng)比。測(cè)試數(shù)據(jù)為 i2=?/360?，i 1=z17/z18=105/13=,所以i=i1*i2=*≈。表 為選定的各個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)型號(hào)及其相關(guān)參數(shù)。 表 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)電機(jī)參數(shù) 腰部轉(zhuǎn)動(dòng) 大臂擺動(dòng) 小臂擺動(dòng) 手腕轉(zhuǎn)動(dòng) 手腕擺動(dòng)型號(hào) VRDM368 VRDM368 VRDM368 VRDM366 VRDM366相電流 保持轉(zhuǎn)矩 m m m m m工作扭矩 m m m m m空載啟動(dòng)速度 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 步進(jìn)電機(jī)相電壓分為325VAC 和155VAC 兩種，電機(jī)每轉(zhuǎn)的步數(shù)可任意設(shè)置為：200、400、500、1000、2024000、5000、10000步/轉(zhuǎn)。 手指驅(qū)動(dòng)缸的設(shè)計(jì)和選定根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)要求選擇氣缸的類型夾鉗式手部的驅(qū)動(dòng)裝置較多采用往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的單桿活塞氣動(dòng)缸。氣缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)夾鉗式手部的杠桿，使夾鉗式手部的手指完成張合的動(dòng)作。而吸盤(pán)式手部的驅(qū)動(dòng)裝置較多采用真空泵，通過(guò)真空泵使吸盤(pán)式手部的內(nèi)腔形成真空，與外界產(chǎn)生壓力差，把工件吸起。因?yàn)楸緳C(jī)械手要求共用夾鉗式和吸盤(pán)式結(jié)構(gòu)的手部，如果分別用兩種不同的驅(qū)動(dòng)裝置的話，不但增加成本，而且使結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，違背了教學(xué)用機(jī)械手設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則，因此驅(qū)動(dòng)裝置必須做到用一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置就能驅(qū)動(dòng)這兩種結(jié)構(gòu)的手部。氣缸的設(shè)計(jì)和受力分析 手部的驅(qū)動(dòng)部件采用兩氣缸串聯(lián)的形式（如圖 所示）。當(dāng)選用夾鉗式手部結(jié)構(gòu)時(shí)，換向閥 B 左位。當(dāng)換向閥 A 左位時(shí)，氣體推動(dòng)氣缸 A 的活塞向左運(yùn)動(dòng)，體推動(dòng)氣缸 B 的活塞向左運(yùn)動(dòng)，從而使連接夾鉗式手部的活塞運(yùn)動(dòng)，使手指產(chǎn)生一個(gè)張開(kāi)的動(dòng)作。當(dāng)換向閥右左位時(shí)，氣體推動(dòng)氣缸 A 的活塞向右運(yùn)動(dòng)，氣缸 A 的杠桿推動(dòng)氣缸 B 的活塞向右運(yùn)動(dòng)，從而使連接夾鉗式手部的活塞運(yùn)動(dòng)，使手指產(chǎn)生一個(gè)夾緊的動(dòng)作。當(dāng)選用吸盤(pán)式手部結(jié)構(gòu)時(shí)，開(kāi)始換向閥 B 右位，換向閥 A 左位，氣體推動(dòng)氣缸 A 的活塞向左運(yùn)動(dòng)，體推動(dòng)氣缸 B 的活塞向左運(yùn)動(dòng)，把氣缸 B 右端的氣體排出。然后換向閥 B 右位，換向閥 A 右位，氣體推動(dòng)氣缸 A 的活塞向右運(yùn)動(dòng)，氣缸 A 的杠桿推動(dòng)氣缸 B 的活塞向右運(yùn)動(dòng)，使氣缸 B 的右端氣缸形成真空，從而形成壓力差，把工件吸起。GKFN321?gaK??12圖 手部驅(qū)動(dòng)氣缸示意圖夾鉗式手部驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算手部尺寸如圖 所示，a=20,b=50,α=30 ?,2θ=120 ?。工件移動(dòng)速度為 ，達(dá)到最高速度的響應(yīng)時(shí)間為 ，工件重力為 3N。手指對(duì)工件的夾緊力 式中 K 1——安全系數(shù)，通常取 ——2； K2——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。K 2 可近似按下式估算其中 a——運(yùn)載工件時(shí)重力方向的最大上升加速度； g——重力加速度vmax——運(yùn)載工件時(shí)重力方向的最大上升速度；——系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時(shí)間。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)選?。豁憈K3——方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進(jìn)行選定；G——被抓取工件所受重力。設(shè) K1= ???ga K3=代入公式得： .??? N算αFabcos把已知條件代入得： ????取 η= ??計(jì) 算實(shí) 際氣缸直徑 D 的確定 ??P4)d(422?實(shí) 際F?設(shè)活塞直徑 d=,氣缸工作壓力為 ，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 。Pa5108.?Pa510???mPDN ?????????????????夾鉗式手部驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 ）響計(jì) 算 g/1(maxtvGF??響tamx? (N3???）計(jì) 算 取 η= .?計(jì) 算實(shí) 際 氣缸直徑 D 的確定 ???P42)d(42?實(shí) 際F? 設(shè)活塞直徑 d=,氣缸工作壓力為 ，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 。Pa5108.?Pa510??? mPFDN 55???????????????????? 根據(jù)兩種手部手部結(jié)構(gòu)的計(jì)算以及 SDA 薄型氣缸系列的種類， 取 D=12mm，即 d=6mm。 表 Sda12x8 基本參數(shù)缸徑（mm） 12流體 空氣動(dòng)作形式 雙動(dòng)保證耐壓力 最高使用壓力 最低使用壓力 環(huán)境和流體溫度 0176。C～70176。C活塞速度 50～500mm/s潤(rùn)滑 不需要行程誤差 0～250+10251～500+10接口管徑 M5*8第 3 章 機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)本機(jī)械手分別采用五臺(tái)步進(jìn)電機(jī)和兩個(gè)寸連的薄型氣缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。因此需要對(duì)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分別進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中具有控制精度高(可精確到 1 度以下)、可靠性高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，所以其應(yīng)用非常普遍，尤其隨著混合式步進(jìn)電機(jī)的產(chǎn)生和應(yīng)月，步進(jìn)電機(jī)的輸出功率和力矩不斷增加，而成本價(jià)格不斷降低，為步進(jìn)電機(jī)的推廣和應(yīng)用打下了良好基礎(chǔ)，PLC 作為一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)具有良好的控制能力。 PLC 對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制PLC 控制步進(jìn)電機(jī)常用的形式有普通用 PLC 控制和 PLC 專用步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊控制等兩種。模塊式控制方式具有控制可靠性高的優(yōu)點(diǎn):而普通型通用步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，具有 PLC 系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，易于推廣應(yīng)用?？紤]到本機(jī)械手是教學(xué)用機(jī)械手，普通型通用步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)不僅價(jià)格便宜，更重要的是它比步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊更利于學(xué)生對(duì) PLC 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的了解，所以本設(shè)計(jì)采用普通用 PLC 控制方式。 小型可編程控制器為非模塊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，無(wú)專用的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊，而且一般輸入輸出響應(yīng)速度較慢，不能同時(shí)滿足步進(jìn)電機(jī)高分辨率的控制精度和進(jìn)給速度對(duì)應(yīng)的高頻脈沖處理的要求。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可利用 PL C 的高速計(jì)數(shù)器與外置電路配合使用。小型 PLC 控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖如圖 所示，圖中脈沖信號(hào)發(fā)生電路用以產(chǎn)生步進(jìn)脈沖信號(hào)，其頻率按步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給速度的要求設(shè)計(jì)，步進(jìn)量采用步進(jìn)脈沖計(jì)數(shù)法進(jìn)行控制，具體做法是利用 PL C 的高速脈沖輸人端(其響應(yīng)頻率可 達(dá) 2KH z 以上)和高速脈沖計(jì)數(shù)器對(duì)進(jìn)給脈沖計(jì)數(shù)，按脈沖的個(gè)數(shù)控制進(jìn)給量。 圖 PLC 控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖整個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)包括 4 部分，分別是可編程控制器（PLC） 、脈沖分配器、功率放大器以及步進(jìn)電機(jī)。 脈沖分配器的選擇 脈沖分配器是時(shí)序邏輯電路的一種，它接受脈沖發(fā)生器的控制脈沖信號(hào)，輸出按一定時(shí)序排列的多路電路電平信號(hào)，通常電機(jī)的脈沖分配器為環(huán)形分配器，即時(shí)序按環(huán)形移位封閉排列。脈沖分配器的工作方式是步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)、拍數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)、正反轉(zhuǎn)等要求有關(guān)。脈沖分配器可以由分立元件組成數(shù)字電路，但較復(fù)雜、可靠性差。目前，脈沖分配器大多數(shù)采用專用集成電路組成，已完成各種脈沖分配方式。本機(jī)械手選用的是一款比較簡(jiǎn)單的脈沖分配器——PMM8713。 圖 PMM8713 原理圖 PMM8713 具有把時(shí)鐘脈沖分配給三相或四相的功能，有六鐘通電狀態(tài)可供選擇（三相三種，四相三種)。該電路采用 cmos 鋁柵工藝結(jié)構(gòu)，輸入端與標(biāo)準(zhǔn)cmos 兼容，而且均采用施密特整形電路；輸出端驅(qū)動(dòng)力不低于 20ma，同時(shí)還將控制器的狀態(tài)變成檢測(cè)信號(hào)輸出。 圖 PMM8713 外形 圖各管腳功 能如下: 1 腳(Cu)—正轉(zhuǎn)時(shí)鐘脈沖輸入端。當(dāng)該端有脈沖輸人時(shí)，那么在輸出端Φ 1~Φ 4將有正轉(zhuǎn)脈沖序列輸出。 2 腳(C D )—反轉(zhuǎn)時(shí)鐘脈沖輸入端。當(dāng)該端有脈沖輸入時(shí)，那么在輸出端Φ 1~Φ 4將有反轉(zhuǎn)脈沖序列輸出。 3 腳(C K）—正/反轉(zhuǎn)時(shí)鐘脈沖輸入端。 4 腳(U/D）—正/反轉(zhuǎn)控制端。 2 與 4 腳構(gòu)成本電路的一兩種時(shí)鐘脈沖輸人模式，前者采用正反轉(zhuǎn)兩種脈沖分別輸人，后者則僅需要一個(gè)脈沖輸入，正反轉(zhuǎn)用一開(kāi)關(guān)控制。兩者不能同時(shí)使用，如采用 腳輸人時(shí)鐘脈沖，則端 3 腳應(yīng)接低電平。如采用端 3,4輸人模式，則端 1,2 應(yīng)接低電平。 6 腳(E A,EB)—?jiǎng)?lì)磁切換控制。當(dāng) EA,EB同時(shí)為低電平“0”時(shí)，輸出為雙勵(lì)磁方式。當(dāng) EA,EB為不同電平時(shí)，輸出為單勵(lì)磁方式。當(dāng) EA,En 同為高電平“1”時(shí)，愉出為 12 雙勵(lì)磁方式。7 腳(Φ C)—三相/四相控制。該端為低電平“0”時(shí)，為三相輸出。高電平“1”時(shí)，為四相輸出。8 腳(Uss)—電源接地端。9 腳( )—復(fù)位端。將輸出復(fù)位到初始狀態(tài)。R1013 腳（Φ 4~Φ 1)一相輸出端。輸出端驅(qū)動(dòng)能力不低于 20mA。14 腳(E M)—?jiǎng)?lì)磁方式檢測(cè)輸出。15 腳(C O)—時(shí)鐘脈沖檢測(cè)輸出。16 腳(U DD)—電源端(十 4 ——十 18V )。 功率放大電路的設(shè)計(jì) 動(dòng)器也稱為功率放大器。由于從環(huán)形分配器來(lái)的脈沖電流只有幾毫安，而步進(jìn)電機(jī)繞組需要很大的電流(一般為 110 A )，才足以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。一般采用功率放大器將環(huán)形分配器送來(lái)的脈沖電流進(jìn)行放大，且功率放大器的負(fù)載為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的繞組，是感性負(fù)載，故與一般功率放大器相比，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)使用的功率驅(qū)動(dòng)器有其特殊性，如電感較大會(huì)影響快速性、感性負(fù)載會(huì)帶來(lái)功率管保護(hù)問(wèn)題等?？梢?jiàn)，功率放大電路的性能對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能影響很大。驅(qū)動(dòng)電路的核心問(wèn)題是如何提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的快速性和平穩(wěn)性。步進(jìn)電機(jī)的功率放大電路分為 4 種，單電壓限流型驅(qū)動(dòng)電路、高低壓切換型驅(qū)動(dòng)電路、斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路、調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)電路。由于本教學(xué)用機(jī)械手的要求，因此選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易維修的單電壓限流型驅(qū)動(dòng)電路。圖 所示是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一相的驅(qū)動(dòng)電路,L 是電動(dòng)機(jī)繞組，晶體管 VT 可以認(rèn)為是一個(gè)無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，它的理想工作狀態(tài)應(yīng)使電流流過(guò)繞組 L 的波形盡可能接近矩形波但電感線圈中的電流不能突變，接通電源后繞組中的電流按指數(shù)規(guī)律上升，其時(shí)間常數(shù) ，須經(jīng) 3 時(shí)間后才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)電流(L 為繞組電rL/???感，r 為(繞組電阻)。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組本身的電阻很小(零點(diǎn)幾歐)，所以，時(shí)間常數(shù)很大，從而嚴(yán)重影響電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)頻率。為了減小時(shí)間常數(shù)，在勵(lì)磁繞組中串以電阻 R，這樣，時(shí)間常數(shù) 就大)/(RrL???大減小，縮短了繞組中電流上升的過(guò)渡過(guò)程，從而提高了工作速度。在電阻 R 兩端并聯(lián)電容 C，是由于電容上的電壓不能突變，在繞組由截止到導(dǎo)通的瞬間，電源電壓全部降落在繞組上，使電流上升更快，所以，電容 C 又稱為加速電容。二極管 V 在晶體管 VT 截止時(shí)起續(xù)流和保護(hù)作用，以防止晶體管截止瞬間繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)造成管子擊穿，串聯(lián)電阻 RD使電流下降更快，從而使繞組電流波形后沿變陡。