【文章內容簡介】 本敏感的普通工業(yè)和民用場合。 無刷電機體積小，重量輕，出力大，響應快，速度高，慣量小，轉動平滑，力矩穩(wěn)定?？刂茝碗s，容易實現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機免維護，效率很高，運行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境。交流伺服電機也是無刷電機，分為同步和異步電機，目前運動控制中一般都用同步電機，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉動速度低，且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩(wěn)運行的應用。 伺服電機內部的轉子是永磁鐵，驅動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉子在此磁場的作用下轉動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅動器，驅動器根據(jù)反饋值與目標值進行比較，調整轉子轉動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。 什么是伺服電機？有幾種類型？工作特點是什么？ 答：伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉現(xiàn)象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降， 請問交流伺服電機和無刷直流伺服電機在功能上有什么區(qū)別？ 答：交流伺服要好一些，因為是正弦波控制，轉矩脈動小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比較簡單，便宜。 永磁交流伺服電動機 20世紀80年代以來，隨著集成電路、電力電子技術和交流可變速驅動技術的發(fā)展，永磁交流伺服驅動技術有了突出的發(fā)展，各國著名電氣廠商相繼推出各自的交流伺服電動機和伺服驅動器系列產品并不斷完善和更新。交流伺服系統(tǒng)已成為當代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，使原來的直流伺服面臨被淘汰的危機。90年代以后，世界各國已經商品化了的交流伺服系統(tǒng)是采用全數(shù)字控制的正弦波電動機伺服驅動。交流伺服驅動裝置在傳動領域的發(fā)展日新月異。永磁交流伺服電動機同直流伺服電動機比較，主要優(yōu)點有： ⑴無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護和保養(yǎng)要求低。 ⑵定子繞組散熱比較方便。 ⑶慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性。 ⑷適應于高速大力矩工作狀態(tài)。 ⑸同功率下有較小的體積和重量。 自從德國MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年漢諾威貿易博覽會上正式推出MAC永磁交流伺服電動機和驅動系統(tǒng)，這標志著此種新一代交流伺服技術已進入實用化階段。到20世紀80年代中后期，各公司都已有完整的系列產品。整個伺服裝置市場都轉向了交流系統(tǒng)。早期的模擬系統(tǒng)在諸如零漂、抗干擾、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，尚不能完全滿足運動控制的要求，近年來隨著微處理器、新型數(shù)字信號處理器（DSP）的應用，出現(xiàn)了數(shù)字控制系統(tǒng)，控制部分可完全由軟件進行，分別稱為永磁交流伺服系統(tǒng)。 到目前為止，高性能的電伺服系統(tǒng)大多采用永磁同步型交流伺服電動機，控制驅動器多采用快速、準確定位的全數(shù)字位置伺服系統(tǒng)。典型生產廠家如德國西門子、美國科爾摩根和日本松下及安川等公司。 日本安川電機制作所推出的小型交流伺服電動機和驅動器，其中D系列適用于數(shù)控機床（最高轉速為1000r/min，～），R系列適用于機器人（最高轉速為3000r/min，～）。之后又推出M、F、S、H、C、G 六個系列。20世紀90年代先后推出了新的D系列和R系列。由舊系列矩形波驅動、8051單片機控制改為正弦波驅動、80C、154CPU和門陣列芯片控制，力矩波動由24％降低到7％，并提高了可靠性。這樣，只用了幾年時間形成了八個系列（～6kW）較完整的體系，滿足了工作機械、搬運機構、焊接機械人、裝配機器人、電子部件、加工機械、印刷機、高速卷繞機、繞線機等的不同需要。 以生產機床數(shù)控裝置而著名的日本法奴克（Fanuc）公司，在20世紀80年代中 期也推出了S系列（13個規(guī)格）和L系列（5個規(guī)格）的永磁交流伺服電動機。L系列 有較小的轉動慣量和機械時間常數(shù)，適用于要求特別快速響應的位置伺服系統(tǒng)。 日本其他廠商，例如：三菱電動機（HCKFS、HCMFS、HCSFS、HCRFS和HCUFS系列）、東芝精機（SM系列）、大隈鐵工所(BL系列）、三洋電氣（BL系列）、立石電機（S系列）等眾多廠商也進入了永磁交流伺服系統(tǒng)的競爭行列。 德國力士樂公司（Rexroth）的Indramat分部的MAC系列交流伺服電動機共有7個機座號92個規(guī)格。 德國西門子（Siemens）公司的IFT5系列三相永磁交流伺服電動機分為標準型和短型兩大類，共8個機座號98種規(guī)格。據(jù)稱該系列交流伺服電動機與相同輸出力矩的直流伺服電動機IHU系列相比，重量只有后者的1/2，配套的晶體管脈寬調制驅動器6SC61系列，最多的可供6個軸的電動機控制。 德國寶石（BOSCH）公司生產鐵氧體永磁的SD系列（17個規(guī)格）和稀土永磁的SE系列（8個規(guī)格）交流伺服電動機和Servodyn SM系列的驅動控制器。 美國著名的伺服裝置生產公司Gettys曾一度作為Gould 電子公司一個分部（Motion Control Division），生產M600系列的交流伺服電動機和A600 系列的伺服 驅動器。后合并到AEG，恢復了Gettys名稱，推出A700全數(shù)字化的交流伺服系統(tǒng)。 美國AB（ALLENBRADLEY）公司驅動分部生產1326型鐵氧體永磁交流伺服電動機和1391型交流PWM伺服控制器。電動機包括3個機座號共30個規(guī)格。 .（Industrial Drives）是美國著名的科爾摩根（Kollmorgen）的工業(yè)驅動分部，曾生產BR2BR3BR510 三個系列共41個規(guī)格的無刷伺服電動機和BDS3型伺服驅動器。自1989年起推出了全新系列設計的（Goldline）永磁交流伺服電動機，包括B（小慣量）、M（中慣量）和EB（防爆型）三大類，有60、80五種機座號，每大類有42個規(guī)格，全部采用釹鐵硼永磁材料，～，～。配套的驅動器有BDS4（模擬型）、BDS5（數(shù)字型、含位置控制）和Smart Drive（數(shù)字型）三個系列，最大連續(xù)電流55A。Goldline系列代表了當代永磁交流伺服技術最新水平。 愛爾蘭的Inland原為Kollmorgen在國外的一個分部，現(xiàn)合并到AEG，以生產直流伺服電動機、直流力矩電動機和伺服放大器而聞名。生產BHT1100、2200、3300三種機座號共17種規(guī)格的SmCo永磁交流伺服電動機和八種控制器。 法國Alsthom集團在巴黎的Parvex工廠生產LC系列（長型）和GC系列（短型） 交流伺服電動機共14個規(guī)格，并生產AXODYN系列驅動器。 原蘇聯(lián)為數(shù)控機床和機器人伺服控制開發(fā)了兩個系列的交流伺服電動機。其中By系列采用鐵氧體永磁，有兩個機座號，每個機座號有3種鐵心長度，各有兩種繞組數(shù)據(jù)，共12個規(guī)格，連續(xù)力矩范圍為7～。2ДBy系列采用稀土永磁，6個機座號17個規(guī)格，～，配套的是3ДБ型控制器。 近年日本松下公司推出的全數(shù)字型MINAS系列交流伺服系統(tǒng)，其中永磁交流伺服電動機有MSMA系列小慣量型，～5kW，共18種規(guī)格；中慣量型有MDMA、MGMA、MFMA三個系列，～，共23種規(guī)格,～5kW，有7種規(guī)格。 韓國三星公司近年開發(fā)的全數(shù)字永磁交流伺服電動機及驅動系統(tǒng)，其中FAGA交流伺服電動機系列有CSM、CSMG、CSMZ、CSMD、CSMF、CSMS、CSMH、CSMN、CSMX多種型號，功率從15W～5kW。 現(xiàn)在常采用（Powerrate）這一綜合指標作為伺服電動機的品質因數(shù)，衡量對比各種交直流伺服電動機和步進電動機的動態(tài)響應性能。功率變化率表示電動機連續(xù)（額定）力矩和轉子轉動慣量之比。 按功率變化率進行計算分析可知， 的Goldline系列為最佳，德國Siemens的IFT5系列次之。 如何選擇步進電機和伺服電機可重構機器人要求每個模塊重量輕，體積小，這樣方便拆卸。但無論怎么減小尺寸，帶動每個模塊運動所需要的轉矩依然是很大的，盡管可以通過諧波減速器和齒輪減速進行轉矩放大，但是需要的電機轉矩依然很大，這就要求所選的電機要有輸出轉矩大，重量輕，體積小等優(yōu)點。而普通的異步電機或者直流電機，他們的質量和體積都很大，故得選擇特殊的電機。經過不斷的查閱和篩選，最后確定了選擇安川伺服電機，這種電機無論在質量，還是體積，都能滿足可重構機器人的輕便的要求，還有它所輸出的轉矩和普通的異步電機的差不多，所以選用這種電機。對于如何選擇伺服電機和步進電機我查了一個表格對比，給了我很大啟示，這里給大家一個表示出來。如表31.由表可見，伺服電機有很多優(yōu)點，我所研究的可重構機器人主要是演示可重構的概念，能初步提起5Kg的物體，而且技術要求重復定位精度為177。，原因是：平滑性性好，有反饋環(huán)節(jié)，可達到工作要求。表31電機選擇表格步進電機系統(tǒng)伺服電機系統(tǒng)力矩范圍 中小力矩（一般在20Nm以下）小中大，全范圍速度范圍低（一般在2000RPM以下，大力矩電機小于1000RPM）高（可達5000RPM）,直流伺服電機更可達1~2萬轉/分控制方式主要是位置控制多樣化智能化的控制方式，位置/轉速/轉矩方式平滑性低速時有振動（但用細分型驅動器則可明顯改善）好，運行平滑精度一般較低，細分型驅動時較高高（具體要看反饋裝置的分辨率矩頻特性高速時，力矩下降快力矩特性好，特性較硬過載特性過載時會失步可3~10倍過載（短時反饋方式大多數(shù)為開環(huán)控制，也可接編碼器，防止失步閉環(huán)方式，編碼器反饋編碼器類型光電型旋轉編碼（增量型/絕對值型）旋轉變壓器型響應速度一般快耐振動好一般價格便宜較貴 具體電機的選擇我所選擇的是安川伺服電機，該電機重量小，輸出轉矩大。腰部模塊的電機：要帶動前面模塊的運動，該模塊所需提供的轉矩為 是角加速度，該模塊的輸出角速度為w=60176。/s，則=T=560Nm，所以此處選擇SGMAH08AAA41電機這個電機的曲線是比較剛性的，輸出轉矩T=，功率P=，轉速n=3000r/min定位模塊所需轉矩T=,故選擇SGMAH04AAA41電機，經過齒輪和同步帶減速，這個電機完全能滿足這個轉矩的輸出。該電機輸出轉矩T=，功率P=，轉速n=3000r/min手腕和手抓處所需的最大轉矩T=40Nm，故選SGMAH01AAA41因為這幾處的要求的轉矩比較小，該電機可以滿足要求。該電機輸出轉矩T=，功率P=，轉速n=3000r/min 諧波減速器的選擇 諧波減速器的選擇原則與電機的選擇一樣，要求重量小，體積小，經過查閱和選擇，決定選用日本Harmonic公司制造的SHG系列的諧波減速器。諧波減速器有三種類型：三大件型，2UJ組件型，2UH組件型。 三大件型三大件型即只有剛輪，柔輪和波發(fā)生器，輸入輸出端得自己根據(jù)需要自己設計。如圖31所示。圖31 三大件型 2UH組件型2UH型諧波減速器是通過空心軸輸入，法蘭面輸出。諧波減速器為主動，柔輪固定，剛輪輸出。如圖32所示。圖32 2UH組件型 2UJ組件型2UJ型稀薄減速器是通過軸輸入，法蘭面輸出。諧波減速器為主動，柔輪固定，剛輪輸出。如圖33所示。圖33 2UJ組件型 根據(jù)設計要求，最后決定用2UJ型諧波減速器。 具體型號選擇腕部和手抓部分的電機的輸出轉矩為T=，選擇諧波減速器的減速比為100，減速器輸出的轉矩為T=150=,故選擇SHG201002UJSP減速器，該減速器的允許輸出轉矩為52Nm。定位模塊的電機的輸出轉矩為T=，選擇諧波減速器的減速比為100，減速器輸出的轉矩為T=150=,故選擇SHG321002UJSP減速器，該減速器的允許輸出轉矩為178Nm。腰部模塊的電機的輸出轉矩為T=，選擇諧波減速器的減速比為100，減速器輸出的轉矩為T=150=302Nm,故選擇SHG401002UJSP減速器，該減速器的允許輸出轉矩為345Nm。 基本模塊組合之后的構型表達 第一種構型如圖34和35所示，這是由模塊連接組合出來的第一種構型，最下面是一個底座，用來調節(jié)機器人的高度。接著是一個回轉模塊，相當于腰部。接著有兩個定位模塊，二者的輸出方向相互垂直。三自由度的手腕由一個回轉模塊加一個兩自由度的手腕構成，最后是機器人的末端執(zhí)行器，本文選擇了一個比較常見的抓手，通過雙向螺紋與螺母的配合來實現(xiàn)手抓的張合。，負載為5Kg，重復定位誤差≦。這種構型主要是把三個定位機構的三個自由度完全的展現(xiàn)出來，這個構型的總裝圖我已經畫在了圖紙上。 圖34 第一種構型（正視）圖35 第一種構型（俯視） 圖37 第二種構型（俯視）圖36第二種構型（正視） 如圖36和圖37所示，這個構型是對高處的物體進行操作的時候要用的情況，而且這個構型也是對轉矩最大情況，電機的校核就是用這個構型來校核的，所以這個構型也是一個典型的構型。，負載5Kg，重復定位誤差≦。 本章小結基于前一章所確定的機器人的具體結構，本章對機器人的動力裝置進行了具體的選擇，包括步進電機和伺服電機，還有幾種伺服電機的選擇，最后基于模塊化機器人輕便的要求，選擇了安川伺服電機。其次，根據(jù)所選擇的電機的型號和輸出轉矩，選擇了日本Harmonic公司生產的諧波減速器，并且基于自身結構的需要，確定了諧波減速器的具體類型和型號。最后，本章確定了機器人的兩種具體構型。下一章將對機器人的手腕和手抓機構進行具體的設計，包括結構設計和具體的參數(shù)計算。第4章 手腕和手抓的設計第4章 手腕和手抓的設計 手腕的設計 手腕的要求機器人手腕【