【文章內容簡介】 環(huán)境） 下較普通機械手（如：行程開關定位順序控制） 有明顯的優(yōu)勢 。 第 5 頁 第 2章 硬件設計 機械手夾持結構 夾緊機構 —— 手 爪 機械手 手爪是用來抓取工件的部件。 其構造模仿人的手指，分為無關節(jié)、固定關節(jié)和自由關節(jié)三種。手指數量又可分為二指、三指、四指等，其中以二指用得較多?？筛鶕A持對象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應操作。 手爪抓 取 工件時 應具有 迅速 性 、靈活 性 、準確 性 和可靠 性 。 設計過程中應 根據需要對機械手 的 運行速度、加速度、夾持物體重量、慣性 和沖擊力、開口尺寸進行校核，且 能夠自鎖 ，防止斷電 或設備故障 造成被抓物掉落。 結構 假定被夾持工件 為有凹槽回轉體，且自重不超過機械手允許安全負載，作以下結構設計 ① 。 圖 機械手手爪示 意圖 ① 此方案未進行具體參數校核，結構 僅適用于部分工作環(huán)境 。 第 6 頁 工作 理論 ： 杠桿原理 、胡克定律 及安培定律。 工作方式：機械手的夾緊與放松由電磁線圈控制。 若 線圈得電， 手臂端產生磁力矩，當磁力矩大于彈簧被壓縮所產生的力矩時，手臂吸合，手爪張開 ； 若線圈失電，手臂端無 磁力矩，機械手手爪將在彈簧預壓縮力所產生的力矩作用下，保持夾緊狀態(tài) ， 實現自鎖 功能， 避免因 偶然斷電導致 被抓物掉落。 特點：最小夾持半徑可調，設定夾持點半徑 ， 可減小 夾緊力 對夾持物 表 面的破壞。由于夾緊的為鋼性工件，為了提高安全性能，防止損壞工件，我們可以在夾緊部分加上一層橡膠，這樣可以通過增大工件和手指之間的摩擦系數來增加安全性．通過橡膠的彈性變形來緩沖對工件的沖擊，可以減輕乃至消除對工件的損壞 。 機械手軀干 組成 機械手軀干包括立柱、機座、手臂及手腕四部分。 立柱 是 支撐手臂帶動它升降、擺動和移動的機構，立柱與機座相聯可固定在地面上、機床設備上、或者懸掛在橫梁上，可固定在行走機座上 。本設計中機座為落地固定式機座。 機座是支撐機械手全部重量的構建，對其結構的要求是剛性好、占地面積小、操作方便和造型美觀。 手臂是機械手的主要部分，它支持手腕、手指和工件使他們運動的機構。 手臂應承載能力大、剛性好、自重輕、靈活 、位置精度高、通用性強等特點。主要結構有伸縮式和關節(jié)式，本文優(yōu)選伸縮式。 傳動定位機構 1） 手臂直線運動的結構 手臂直線運動的結構，基本上是由驅動機構和導向裝置組成。文中選用步進電機作為動力，故選用絲杠螺母機構或齒輪齒條機構?，F就兩者作以下分析： ? 絲杠螺母機構：位移較準確、降速比大，運平穩(wěn)、無噪音、易自鎖，但高精度的絲杠制造比較困難，傳動效率低。矩形、梯形螺紋結構，因傳動力大，應用廣泛。滾珠絲 桿效率高，但成本高。 ? 齒輪齒條機構：傳動效率高，速度快、無自鎖。一般用于機械手的傳動機構，不作為定位機構。 第 7 頁 為滿足自鎖要求，優(yōu)先選用絲杠螺母機構。 2） 手臂回轉機構 由于采用步進電機作為驅動元件，回轉機構相對簡單，成本相對較低?？芍苯硬捎谬X輪減速以實現回轉。 圖 機械手機構圖 第 8 頁 傳動系統 傳動方式 電氣傳動使利用電動機直 接驅動執(zhí)行機構，以獲得機械手的各種運動。 采用步進電機驅動，機械手的位移和運動速度，可由電控系統發(fā)出脈沖信號數量及脈沖信號頻率來控制。步進電機能夠達到比較高的重復定位精度。 步進電機及其驅動器 步進電動機 (stepping motor)是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度 (稱為“步距角” )，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速 度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機 ，利用其沒有積累誤差 (精度為 100%)的特點，廣泛應用于各種開環(huán)控制。 步進電動機分為機電式及磁電式兩種基本類型。 機電式步進電動機由鐵心、線圈、齒輪機構等組成。螺線管線圈通電時將產生磁力，推動其鐵心心子運動，通過齒輪機構使輸出軸轉動一角度，通過抗旋轉齒輪使輸出轉軸保持在新的工作位置；線圈再通電，轉軸又轉動一角度，依次進行步進運動。 磁電式步進電動機主要有永磁式、反應式和永磁感應子式 3 種形式。 永磁式步進電動機由四相繞組組成。 A 相繞組通電 時，轉子磁鋼將轉向該相繞組所確定的磁場方向 。A 相斷電、 B 相繞組通電時，就產生一個新的磁場方向，這時，轉子就轉動一角度而位于新的磁場方向上，被激勵相的順序決定了轉子運動方向。永磁式步進電動機消耗功率較小，步矩角較大。缺點是起動頻率和運行頻率較低。 反應式步進電動機在定、轉子鐵心的內外表面上設有按一定規(guī)律分布的相近齒槽，利用這兩種齒槽相對位置變化引起磁路磁阻的變化產生轉矩。這種步進電動機步矩角可做到 1176?！?15176。，甚至更小，精度容易保證，起動和運行頻率較高，但功耗較大，效率較低。 永磁感應子式步進電動機又稱混合式 步進電動機。是永磁式步進電動機和反應式步進電動機兩者的結合，并兼有兩者的優(yōu)點。 步進電動機的驅動電源由變頻脈沖信號源、脈沖分配器及脈沖放大器組成，由此驅動電源向電機繞組提供脈沖電流。步進電動機的運行性能決定于電機與驅動電源間的良 第 9 頁 好配合。 選擇步進電機時，首先要保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率。而在選用功率步進電機時，首先要計算機械系統的負載轉矩，電機的矩頻特性能滿足機械負載并有一定的余量保證其運行可靠。在實際工作過程中，各種頻率下的負載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內。一般地說最大靜力矩 maxMj 大的電機，負載力矩大。 選擇步進電機時，應使步距角和機械系統匹配，這樣可以得到 設備 所需的脈沖當量。在機械傳動過程中為了使得有更小的脈沖當量，一是可以改變絲桿的導程，二是可以通過步進電機的細分驅動來完成。但細分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由電機的固有特性所決定。 選擇功率步進電機時，應當估算機械負載的負載慣量和 設備 要求的啟動頻率，使之與步進電機的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿足快速移動的需要。 選擇步進電機需要進行以下計算 ： 1） 計算齒 輪的減速比 ， 根據所要求脈沖當量，齒輪減速比 i 計算如下 ： ???360Si ? （式 ） 式中 : φ 步進電機的步距角（ o/脈沖） S 絲桿螺距（ mm) Δ(mm/脈沖） 2） 計算工作臺，絲桿以及齒輪折算至電機軸上的慣量 tJ 。 ???????? ??????????221 221 ?sgWJJiJJ St （ 式 ） 式中 ： tJ 折算至電機軸上的慣量 ( 2scmKg ?? ) 1J 、 2J 齒輪慣量 ( 2scmKg ?? ) sJ 絲桿慣量 ( 2scmKg ?? ) W工作臺重量（ N） S 絲桿螺距（ cm） 3） 計算電機輸出的總力矩 M tfa MMMM ??? （式 ） 第 10 頁 ? ? ????? T nJJM tma （式 ） 式中 ： aM 電機啟動加速力矩（ mN? ) mJ 、 tJ 電機自身慣量與負載慣量 ( 2scmKg ?? ) n電機所需達到的轉速（ r/min） T電機升速時間（ s） 2102 ????? isWuM f ?? （ 式 ） 式中 ： fM 導軌摩擦折算至電機的轉矩（ mN? ) u摩擦系數 η傳遞效率 2102 ??? ispM tt ?? （ 式 ） 式中 ： tM 切削力折算至電機力矩（ mN? ) tp 最大切削力（ N） 4） 負載起動頻率估算。數控系統控制電機的啟動頻率與負載轉矩和慣量有很大關系，其估算公式為 ： 21011?????????????????mtitfqqJJMMMff （ 式 ） 式中 ： qf 帶 載起動頻率（ Hz） 0qf 空載起動頻率 （ Hz） iM 起動頻率下由矩頻特性決定的電機輸出力矩（ mN? ) 5） 若負載參數無法精確確定 ， 則可按021qq ff ?進行估算 。 運行的最高頻率與升速時間的計算。由于電機的輸出力矩隨著頻率的升高而下降，因此在最高頻率 時，由矩頻特性的輸出力矩應能驅動負載，并留有足夠的余量。 6） 負載力矩和最大靜力矩 maxM 。負載力矩可按 （ 式 ）和 （ 式 ）計算，電 第 11 頁 機在最大進給速度時，由矩頻特性決定的電機輸出力矩要大于 fM 與 tM 之和，并留有余量。一般來說， fM 與 tM 之和應小于（ ～ ) maxM . 步進電機和交流伺服電機是運動控制系統中最常用的兩種執(zhí)行電動機。在電機選型過程中，必須 首先計算出負載通過機械傳動系統對電機軸的折算扭矩 折T ，下面就幾中常見的機械傳動方式介紹折算扭矩 折T 的計算過程。絲杠螺母傳動 ： ???????? ?? bTFtiT ??21折 （ mN? ） （ 式 ） mgFF ??? 0 （ N） （ 式 ） ? 42HS003 兩相混合式步進電機 ① 技術指標： 工作環(huán)境： 10176。C +55176。C（溫度） 絕緣電阻： 500V DC 100M? Min 軸向間隙： 徑向跳動： Max 溫 升： 75176。C Max 絕緣強度： B 圖 機械手步進電動機 表 42HS003 步進電機 電氣技術數據 電機型號 相數 步距角 相電流 驅動 電壓 最大 靜轉矩 相電阻 相電感 重量 配套驅動器 17HS001 2 176。 A DC24 V Nm Ω mH kg ST2HB02X ① 數據來源于北京 張前蘇電子科技有限 公司 地址： 北京市海淀區(qū)清河永泰園 13 樓 309 網 站 : 電話： 01061802338 第 12 頁 圖 步進電機安裝尺寸（毫米） 圖 步進電機接線圖 表 步進電動機力矩測試 力矩測試數據 配套驅動器 ST2HB02X 電流 電壓 DC 28V 4 細分 轉速(r/min) 50 100 150 250 350 450 600 轉矩（ Nm） 第 13 頁 ? ST2HB02X 驅動器 ① ST2HB02X 驅動器采用 MicrosChip 芯片，采用新型的雙極性恒相流驅動技術，實現最大 64 細分高性能驅動，適合驅動 2A 以下 42 系列， 57 系列兩相混合式步進電機。廣泛應用于各種數控機床，紡織機械，繞線機，噴繪機，疲勞試驗機等用戶希望低成本，低振動，高精度，高速度的場合。 產品特點 : ☆ 工作電壓范圍寬 10V～ 40V 直流供電 ☆ H 橋雙極恒相流驅動 ☆ 最大 2A 的八種輸出電流可選 ☆ 最大 128 細分的七種細分模式可選 ☆ 輸入信號光電隔離 ☆ 提供節(jié)能的自動半