【文章內(nèi)容簡介】 若要考慮機械效率，則應(yīng)在減速比(如)中增加機械效率 因子（詳見第四章的相關(guān)部分）。滾動軸承的類型、尺寸和公差等級均已制定有國家標(biāo)準，在機械設(shè)計中只需根據(jù)工作條件選擇合適的軸承類型，尺寸和公差等級等，并進行軸承的組合結(jié)構(gòu)設(shè)計。按滾動軸承承受載荷的作用方向，常用軸承可分為三類，即徑向接觸軸承、向心角接觸球軸承和軸向接觸軸承。在機械手的設(shè)計中，通常使用角接觸球軸承、圓錐滾子軸承或深溝球軸承和推力球軸承的組合件。選擇軸承要根據(jù)它所支承的軸的粗度（一般軸徑的設(shè)計要先由計算的強度來確定基本尺寸，再根據(jù)GB/T282281來選取標(biāo)準尺寸，也可以根據(jù)標(biāo)準件如軸承等決定）來決定的，選定軸承后，還要進行軸承的壽命計算，可以根據(jù)下面的經(jīng)驗公式來計算。軸承的壽命： (313)式中 基本額定壽命(r) 壽命指數(shù)，球軸承的=3，滾子軸承的=10/3 C=1時，軸承所承受的動載荷，也稱之為基本額定動載荷。，查標(biāo)準件手冊的軸承部分即可以得到 n軸承轉(zhuǎn)速當(dāng)量動載荷 (314)式中 軸承承受的徑向荷 軸承承受的軸向載荷 徑向載荷系數(shù)，查表33軸向載荷系數(shù)，查表33在實際計算中，考慮機械工作中的沖擊、振動對機械受載的影響，應(yīng)引入載荷性質(zhì)的系數(shù)（），因此軸承的當(dāng)量動載荷計算公式為 (315) 載荷性質(zhì)系數(shù)載荷性質(zhì)機械舉例載荷性質(zhì)系數(shù)平穩(wěn)運轉(zhuǎn)或輕微沖擊電動機、空調(diào)機、水泵等輕度沖擊的運轉(zhuǎn)機床、起重機、傳動裝置、風(fēng)機、造紙機等劇烈沖擊、振動的運轉(zhuǎn)破碎機、軋鋼機、振動篩、工程機械等 設(shè)計實例和典型計算 設(shè)計任務(wù)與要求活動要求腰部轉(zhuǎn)速r/min大臂m/s小臂m/s手腕旋轉(zhuǎn)r/min手腕擺動r/min。193923其機械結(jié)構(gòu)，如圖21所示：以大臂的電機選擇為例 首先取絲杠長550mm，其上螺紋長200mm，下面開始進行具體的設(shè)計：1).執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計(1).選取絲杠的材料：調(diào)制45鋼，直徑：d=32mm， 長：L=550mm，導(dǎo)程：10；鋼球直徑：。絲杠外徑：；軸徑：。循環(huán)圈數(shù)：4螺紋升角： 式36取 n=5, P=4,則 (2).電動機的負載力矩 式37取 絲杠的轉(zhuǎn)動慣量： = 式38j2=m小臂l小臂2/3+2=40x(+)2/3+40x()2=j3=取絲杠的最高轉(zhuǎn)速為 設(shè)電機可在 ，所以角加速度： 螺母的加速度： 螺母的慣性力： 螺母對絲杠的轉(zhuǎn)矩： 摩擦系數(shù)，可查表得所以加速階段的電機輸出轉(zhuǎn)矩為 2).選取電動機電動機的型號主要靠其啟動階段的負載扭矩來決定，由公式 =/() 式34式中 故 =/()=()NM步進電機的步距角： 式32 = 式31 t=S, i=28, ==176。查手冊，選?。?0BYG550A型步進電機。從而小臂驅(qū)動電機選擇90BYG550A足夠。3).絲杠的強度校核絲杠的強度可用公式310來進行校核， 取 C=110 n=1360=780r/min功率 P=Tn/9550000 T=1000=196Nmm絲杠最小直徑： =絲杠的強度足夠了，且考慮結(jié)構(gòu)和工藝的要求，取 。4).錐齒輪傳動參照《機械設(shè)計》第九章，設(shè)計錐齒輪如下：材料：調(diào)制45鋼。模數(shù)為： 齒輪1齒數(shù)：齒輪1分度圓直徑：齒輪1齒寬：齒輪2齒數(shù)：齒輪2分度圓直徑：齒輪2齒寬：齒輪1質(zhì)量： 齒輪2質(zhì)量： 等效轉(zhuǎn)動慣量的折算通過公式312， 增加機械效率因子，變換公式如下：算到電機軸的轉(zhuǎn)動慣量： 式中， 車輪的轉(zhuǎn)動慣量設(shè)連桿輪質(zhì)量為： 則 ，為連桿輪的半徑電機軸上的齒輪的轉(zhuǎn)動慣量，J2=J3=J0I0=i1=i2查表43，得 則， =可知電機的負載轉(zhuǎn)矩： 由此，再參照式31和32算出步矩角，可選擇步進電機110BYG550B5)其余類似部件的選擇如上述計算過程。 腰部旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機選用130BYG250E3 機械手驅(qū)動電機的優(yōu)化選擇 前言我們針對機械行業(yè)的需要,采用步進電機驅(qū)動,設(shè)計制造了一種HJ（焊接） 型六自由度、全電動、連續(xù)軌跡示教、空間關(guān)節(jié)型機器人(以下簡稱HJ機器人或HJ) ,用于點焊、弧焊等焊接行業(yè),可取代焊接工人的高強度機械勞動,使他們從惡劣的工作環(huán)境中解脫出來,同時又可消除焊接作業(yè)中人為的不穩(wěn)定因素,提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。當(dāng)今直流伺服系統(tǒng)非常普及,而交流伺服系統(tǒng)正在迅猛發(fā)展,我們卻反其道而行之,選用似乎古老的步進電機系統(tǒng)來開發(fā)機器人,未免顯得過時。但也許這是一條符合中國國情的即經(jīng)濟又實用的技術(shù)路線。從技術(shù)經(jīng)濟的角度來講,之所以選用步進電機是由HJ 機器人的用途、伺服系統(tǒng)的特性、步進電機技術(shù)的進步和控制系統(tǒng)的開發(fā)成本等諸多因素共同決定的。步進電機作為三大電伺服之一,在十多年前隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展曾一度獲得廣泛應(yīng)用,但人們同時發(fā)現(xiàn)步進電機(指原來的反應(yīng)式電機) 存在很多難以克服的弊病,如輸出特性(矩頻特性) 很軟,高頻易丟步,低頻易共振。直到混合式步進電機以及基于交流逆變和PWM恒流控制的驅(qū)動器的出現(xiàn),步進電機的種種弊病才得到克服。近年來步進電機及其驅(qū)動有了長足的發(fā)展。開始是五相混合式,步距角0. 36176。,近來是二相(也可說四相) 帶微步驅(qū)動的系統(tǒng), 細分數(shù)已做到50800 步/ 轉(zhuǎn)甚至更高。國內(nèi)外多家公司均推出了品種相當(dāng)齊全的電機、驅(qū)動器和控制器系列產(chǎn)品。這三者中,電機的通用性最強,所以也最早形成系列產(chǎn)品。其次是驅(qū)動器,原則上只要額定電流、相數(shù)、相電感相當(dāng),不同型號的驅(qū)動器都可用,因此驅(qū)動器現(xiàn)在也有系列產(chǎn)品。但是控制器則由于應(yīng)用是五花八門的,很難做出一種控制器能滿足各方面應(yīng)用要求。生產(chǎn)廠家為了控制器能適應(yīng)更多應(yīng)用面,有的在控制器里裝有許多軟件,供用戶選用,有的做成多種功能模塊供用戶選擇組裝。盡管如此,面對某一具體應(yīng)用項目開發(fā)時,仍然會產(chǎn)生“要用的不夠,不用的又太多”的感覺,成本也較高。所以我們采取的辦法是,電機和驅(qū)動器采購標(biāo)準化產(chǎn)品,而控制器則根據(jù)機器人的需要自行開發(fā)。眾所周知,步進電機的工作原理是,給一個驅(qū)動脈沖,電機走一步。電機的角位移正比于(乘以步距角) 所給的脈沖數(shù),而電機的速度正比于脈沖頻率。所以對步進電機的控制,歸根結(jié)底是對脈沖數(shù)的控制即位置控制和對脈沖頻率的控制即速度控制。步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。通俗一點講：當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進角）。您可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的.步進電機分三種：永磁式（PM） ，反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）永磁式步進一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小， 或15度；反應(yīng)式步進一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達國家80年代已被淘汰；混合式步進是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相： 。這種步進電機的應(yīng)用最為廣泛。步進電機有兩種基本的形式：可變磁阻型和混和型。步進電機的基本工作原理， 四相可變磁阻型步進電機結(jié)構(gòu)示意圖圖1是一種四相可變磁阻型的步進電機結(jié)構(gòu)示意圖。這種電機定子上有八個凸齒，每一個齒上有一個線圈。線圈繞組的連接方式，是對稱齒上的兩個線圈進行反相連接，如圖中所示。八個齒構(gòu)成四對，所以稱為四相步進電機。它的工作過程是這樣的：當(dāng)有一相繞組被激勵時，磁通從正相齒，經(jīng)過軟鐵芯的轉(zhuǎn)子，并以最短的路徑流向負相齒，而其他六個凸齒并無磁通。為使磁通路徑最短，在磁場力的作用下，轉(zhuǎn)子被強迫移動，使最近的一對齒與被激勵的一相對準。在圖1(a)中A相是被激勵，轉(zhuǎn)子上大箭頭所指向的那個齒，與正向的A齒對準。從這個位置再對B相進行激勵，如圖1中的(b)，轉(zhuǎn)子向反時針轉(zhuǎn)過15176。若是D相被激勵，如圖1中的(c)，則轉(zhuǎn)子為順時針轉(zhuǎn)過15176。下一步是C相被激勵。因為C相有兩種可能性：A—B—C—D或A—D—C—B。一種為反時針轉(zhuǎn)動；另一種為順時針轉(zhuǎn)動。但每步都使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動15176。電機步長(步距角)是步進電機的主要性能指標(biāo)之一，不同的應(yīng)用場合，對步長大小的要求不同。改變控制繞組數(shù)(相數(shù))或極數(shù)(轉(zhuǎn)子齒數(shù))，可以改變步長的大小。它們之間的相互關(guān)系，可由下式計算：　　Lθ＝360 PN　　　式中：Lθ為步長；P為相數(shù)；N為轉(zhuǎn)子齒數(shù)。在圖1中，步長為15176。，表示電機轉(zhuǎn)一圈需要24步。：在實際應(yīng)用中，最流行的還是混和型的步進電機。但工作原理與圖1所示的可變磁阻型同步電機相同。但結(jié)構(gòu)上稍有不同。例如它的轉(zhuǎn)子嵌有永磁鐵。激勵磁通平行于X軸。一般來說，這類電機具有四相繞組，有八個獨立的引線終端，如圖2a所示?；蛘呓映蓛蓚€三端形式，如圖2b所示。每相用雙極性晶體管驅(qū)動，并且連接的極性要正確。圖3所示的電路為四相混和型步進電機晶體管驅(qū)動電路的基本方式。它的驅(qū)動電壓是固定的。表1列出了全部步進開關(guān)的邏輯時序。值得注意的是，電機步進為1—2—3—4的順序。在同一時間，有兩相被激勵。但是1相和2相，3相和4相絕對不能同時激勵。四相混和型步進電機，有一特點很有用處。它可以用半步方式驅(qū)動。就是說，在某一時間，步進角僅前進一半。用單個混合或用雙向開關(guān)即可實現(xiàn)，這種邏輯時序由表2列出。四相混和型步進電機，也能工作于比額定電壓高的情況。這可以用串聯(lián)電阻進行降壓。因為1相和2相，3相和4相是不會同時工作的，所以每對僅一個降壓電阻，串接在圖3中的X和Y點之間。因此額定電壓為6V的步進電機，就可以工作在12V的電源下。這時需串一個6W、6Ω的電阻。（HOLDING TORQUE）指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化， 所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。比如。一般可采用以下方案來克服：，可通過改變減速比等機械傳動避開共振區(qū)；　　，這是最常用的、最簡便的方法；　　，如三相或五相步進電機；　　，幾乎可以完全克服震動和噪聲，但成本較高；，市場上已有這種產(chǎn)品，但機械結(jié)構(gòu)改變較大混合式步進電機驅(qū)動器的供電電源電壓一般是一個較寬的范圍（比如IM483的供電電壓為12～48VDC），電源電壓通常根據(jù)電機的工作轉(zhuǎn)速和響應(yīng)要求來選擇。如果電機工作轉(zhuǎn)速較高或響應(yīng)要求較快，那么電壓取值也高，但注意電源電壓的紋波不能超過驅(qū)動器的最大輸入電壓，否則可能損壞驅(qū)動器。供電電源電流一般根據(jù)驅(qū)動器的輸出相電流I來確定。如果采用線性電源，電源電流一般可取I ～；如果采用開關(guān)電源，電源電流一般可取I ～。當(dāng)脫機信號FREE為低電平時，驅(qū)動器輸出到電機的電流被切斷，電機轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)（脫機狀態(tài)）。在有些自動化設(shè)備中，如果在驅(qū)動器不斷電的情況下要求直接轉(zhuǎn)動電機軸（手動方式），就可以將FREE信號置低，使電機脫機，進行手動操作或調(diào)節(jié)。手動完成后，再將FREE信號置高，以繼續(xù)自動控制。 步進電機的控制邏輯HJ(焊接)機器人各關(guān)節(jié)均用步進電機驅(qū)動,由Intel8031 單片機控制。8031 可直接跟Intel 8253 可編程定時/ 計數(shù)器芯片接口。8253 內(nèi)含三個16 位減1 計數(shù)通道。每個通道結(jié)構(gòu)相同,都有一個輸CLK,一個輸出端OU T 和一個門控端GATE。每個通道有六種工作模式可選用。其中011 模式是將輸入端脈沖分頻后輸出方波,分頻系數(shù)是可寫入的。范圍為2 OFFFEH(65534D) 。010 模式與011 模式相仿,只是輸出不是方波,而是負脈沖,脈寬為輸入信號的周期。000 模式類似減1 計數(shù)器,當(dāng)輸入一個脈沖時,事先用軟件寫入的計數(shù)值減1 ,減到0 ,再給一個脈沖就溢出,這時其輸出腳電平變高。HJ就利用8253