【文章內容簡介】 磨損小、運動平衡、無爬行現(xiàn)象，傳動精度高等優(yōu)點。它是傳統(tǒng)滑動絲杠的進一步延伸拓展，滾珠絲杠因優(yōu)良的摩擦特性使其廣泛應用于各種工業(yè)設備、精密儀器?！八欧姍C+滾珠絲杠+滾動直線導軌”驅動主要用于環(huán)境潔凈為100級、垂直方向上空間尺寸受限制且精度要求較高的場合。升降機構安裝在密閉的箱子里面，其中是潔凈度為100級的環(huán)境，箱子中內部凈高，需要在里面實現(xiàn)提升有效行程為，才能把物體送達指定位置。因此，選用“伺服電機+滾珠絲杠”最為適宜。升降結構主要由交流伺服電機、渦輪蝸桿減速器、托板、連接塊、滾珠絲杠、直線滾動導軌等組成。機械手小臂固定在托板上面，由于絲杠僅能承受軸向力，為了避免偏載對絲杠的彎矩，設計兩根滾珠直線導軌并固定在滾珠絲杠的兩側，同時為了防止絲杠在運動中卡死現(xiàn)象，使連接塊與托板不剛性連接且留有微量間隙。絲杠傳動帶動托板上下運動，從而帶動機械手的上下運動，以達到升降的目的。 升降伺服電機選型 升降機構伺服電機的選型，拖動總質量為，滾珠絲杠長度為，滾珠絲杠直徑為，滾珠絲杠螺距，滾珠絲杠傳動效率，移動距離，聯(lián)軸器慣量，加速度，移動速度為。計算主要過程如下：滾珠絲杠質量負載部分慣量預選松下MSME交流伺服電機，則 慣量比轉速加速時間加速升降高度由于，減速時間勻速運行時間移動轉矩加速時轉矩由于，同理可得，減速時轉矩，已知最大轉矩。查表附錄一，750W額定轉矩。所以。根據(jù)以上計算，轉矩有較大的余量，慣量比也在適當范圍內，選擇MSME系列的伺服電機是可行的。再根據(jù)松下電機說明書，選擇伺服電機型號為MSME082G1S。3 機械手電氣控制系統(tǒng)設計 伺服電機及驅動器簡介 交流伺服電機交流伺服電動機的結構主要可分為兩部分，即定子部分和轉子部分。其中定子的結構與旋轉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。其中一組為勵磁繞組，另一組為控制繞組， 交流伺服電動機使用時，勵磁繞組兩端施加恒定的勵磁電壓Uf，控制繞組兩端施加控制電壓Uk。當定子繞組加上電壓后，伺服電動機很快就會轉動起來。 通入勵磁繞組及控制繞組的電流在電機內產生一個旋轉磁場，旋轉磁場的轉向決定了電機的轉向，當任意一個繞組上所加的電壓反相時，旋轉磁場的方向就發(fā)生改變，電機的方向也發(fā)生改變。 為了在電機內形成一個圓形旋轉磁場，要求勵磁電壓Uf和控制電壓UK之間應有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成90度的移相；利用三相電源的任意線電壓；采用移相網絡；在激磁相中串聯(lián)電容器。交流伺服電動機的轉速能隨著控制電壓的變化在寬廣的范圍內連續(xù)調節(jié)，整個運行范圍內的機械特性接近線性，以保證伺服電機運行的穩(wěn)定性，并有利于提高控制系統(tǒng)的動態(tài)精度。伺服電機還具有無“自轉”現(xiàn)象，即當控制電壓為零時，電機立即停止運轉，并且其機電時間常數(shù)比較小，動態(tài)響應快速，堵轉轉動力矩大，轉動慣量小等特點。因此，在控制系統(tǒng)中常被作為執(zhí)行元件。對交流伺服電機的而言，從最低速到最高速電機都能平穩(wěn)運轉，轉矩波動要小，仍有平穩(wěn)的速度而無爬行現(xiàn)象。電機應具有大的較長時間的過載能力，以滿足低速大轉矩的要求。一般直流伺服電機要求在數(shù)分鐘內過載4～6倍而不損壞。為了滿足快速響應的要求，電機應有較小的轉動慣量和大的堵轉轉矩，并具有盡可能小的時間常數(shù)和啟動電壓。同時電機還應能承受頻繁啟、制動和反轉。本文采用松下交流伺服電機A5 MSME系列產品。該系列產品它具有小型化設計，通過對通過對驅動器進行最佳熱分析實現(xiàn)小型化，與過去相比，體積75%，重量80% ，使用薄模具鋼板的新沖片工藝，大幅度降低鐵損，電機長度縮短(過去的70%)。方便備貨與維護采用電流分級法，一款驅動器適配多款電機，并且增加了高速超小慣量電機以適應更多場合。它還具有良好的速度控制特性，在整個速度區(qū)內可實現(xiàn)平滑控制，幾乎無振蕩。效率可達到90%以上，發(fā)熱量低。高速、高精確的位置控制，并且在額定運行區(qū)域內，能實現(xiàn)恒力矩。低噪音，沒有電刷的磨損，免維護。不產生磨損顆粒、沒有火花，適用于無塵間、易暴環(huán)境，性價比較高。 伺服電機結構 伺服控制器伺服驅動器又稱為“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用來控制伺服電機的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達，屬于伺服系統(tǒng)的一部分，主要應用于高精度的定位系統(tǒng)。一般是通過位置、速度和力矩三種方式對伺服馬達進行控制，實現(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位，目前是傳動技術的高端產品。 松下伺服驅動器A5目前主流的伺服驅動器均采用數(shù)字信號處理器（DSP）作為控制核心，伺服驅動器可以實現(xiàn)比較復雜的控制算法，實現(xiàn)數(shù)字化、網絡化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設計的驅動電路，IPM內部集成了驅動電路，同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護電路，在主回路中還加入軟啟動電路，以減小啟動過程對驅動器的沖擊。功率驅動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進行整流，得到相應的直流電。經過整流好的三相電或市電，再通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來驅動三相永磁式同步交流伺服電機。功率驅動單元的整個過程可以簡單的說就是ACDCAC的過程。整流單元（ACDC）主要的拓撲電路是三相全橋不控整流電路。伺服進給系統(tǒng)的要求調速范圍寬、定位精度高并且有足夠的傳動剛性和高的速度穩(wěn)定性，同時還應具有快速響應，無超調。為了保證生產率和加工質量，除了要求有較高的定位精度外，伺服驅動器還要求有良好的快速響應特性，即要求跟蹤指令信號的響應要快，因為數(shù)控系統(tǒng)在啟動、制動時，要求加、減加速度足夠大，縮短進給系統(tǒng)的過渡過程時間，減小輪廓過渡誤差。伺服控制器可低速大轉矩，過載能力強。一般來說，在短時間內可以過載4～6倍而不損壞。它可靠性高，要求數(shù)控機床的進給驅動系統(tǒng)可靠性高、工作穩(wěn)定性好，具有較強的溫度、濕度、振動等環(huán)境適應能力和很強的抗干擾的能力。本論文選用松下伺服驅動器A5系列E型產品。該系列產品采用獨特算法，使速度頻率響應提高2倍，達到500HZ，定位超調整定時間縮短為以往產品的四分之一。還具有共振抑制和控制功能，可涵蓋機械的剛性不足，從而實現(xiàn)高速定位。A5系列產品具有全閉環(huán)控制功能，通過外接高精度的光柵尺，構成全閉環(huán)控制，進一步提高系統(tǒng)精度。它還具有一系列方便使能的功能，內設有頻率解析功能（FFT），從而可檢測出機械的共振點，便于系統(tǒng)調整。驅動器上配有RS48RS32C通信接口，上位控制器可同時控制多達16個軸。驅動器可選配多種編碼器，有普通型、高精度型和特殊型之分，因此，適用范圍比較廣。 機械手電氣系統(tǒng)設計主電路主要有漏電斷路器（RCD）、配線斷路器（MCCB）、噪音濾波器（NF）、電磁接觸器（MC）、電抗器（L）、伺服驅動器、交流伺服電機等組成。漏電斷路器主要是當電路中漏電電流超過預定值時能自動動作的開關。常用的漏電斷路器分為電壓型和電流型兩類，而電流型又分為電磁型和電子型兩種。 漏電斷路器還可用于防止人身觸電，應根據(jù)直接接觸和間接接觸兩種觸電防護的不同要求來選擇。同時為了保護電源線路，需要配置與電源容量相匹配的配線斷路器，以作為過電流保護裝置。加入噪音濾波器是為了防止外部噪音進入驅動器電源線路，也降低驅動器對外部線路的噪音干擾。電磁接觸器是為接通或斷開驅動器的主電源，且嚴禁將其用于電機的運轉和停止操作。電抗器可抑制浪涌電流，在大功率電力電子電路中，合閘瞬間，往往產生一個很大的沖擊電流（浪涌電流），浪涌電流雖然作用時間短，但峰值卻很大。比如，電弧爐、大型軋鋼機，大型開關電源，UPS電源，變頻器等，開機浪涌電流往往超過正常工作電流的100倍以上。在輸入側串接電抗器，能有效的抑制這種浪涌電流。同時還可以抑制諧波電流， 系統(tǒng)主線路接線圖應用，我們的電網中增加了大量的非線性負載，比如，AC－DC電源，UPS，變頻器等，它們都是以開關方式工作的。這些以開關方式工作的用電設備，往往變成了諧波電流的發(fā)生源，“污染”電網，使電網電壓波形畸變。諧波的危害之一便是中心線過載發(fā)熱燃燒。電抗器的接入，能有效抑制諧波污染。伺服驅動器上BB3之間通常保持短路狀態(tài)。該系列伺服驅動器對電源電壓等級要求比較寬泛，可在170V~250V 之間正常運行。當閉合漏電斷路器，電源經過噪音濾波器濾波，再經過熔斷器FU2，伺服驅動器控制電源馬上得電，其電源指示燈點亮。此時，按下啟動按鈕ON時，電磁接觸器MC線圈得電，其常開觸點閉合，并進入自保持狀態(tài)，為不致使控制線路因浪涌電流而出現(xiàn)故障，再加一個浪涌吸收器并聯(lián)在MC兩端。常開觸電閉合后，電源再經過電抗器后就直接進入驅動器的主回路。若斷開伺服驅動器主回路，只需按一下常閉開關OFF，電磁接觸器線圈失電，常開觸點由原來的閉合轉換成斷開狀態(tài)，同時，控制線路中的自保持解鎖，伺服驅動器主電路失電。若機械手系統(tǒng)發(fā)生故障，則常閉觸點ALM處于斷開狀態(tài)，同樣可使伺服驅動器主電路斷電，來確保系統(tǒng)故障不進一步擴大。伺服驅動器主電路輸出端U、V和W三個接線端子分別接入伺服電機線纜的紅、白、黑三線，電機上的綠皮線與伺服控制器 系統(tǒng)運行框圖接地螺釘相連接，為防止觸電，再將驅動器上的接地線端子與控制盤的地線進行連接。驅動器上的外置再生放電電阻接線端子B3與B2短路，NC端子懸空。，從圖中可以看出，PLC處于機械手系統(tǒng)的核心部位。既與上位機進行時時通訊，可監(jiān)控整個機械手系統(tǒng)運行狀態(tài)，又是控制三個伺服驅動器、位置控制器的主控元件，并且還控制手部抓取電磁閥等。驅動器主電路就直接掛接伺服電機，而編碼器將電機轉速反饋給驅動器，以達到精確位置控制目的。由于是三軸控制，參照松下《位置控制單元用戶手冊》和《交流伺服馬達驅動器系列使用說明書》，選擇產品如下表3－1所示。表31 松下選型產品類別伺服驅動器位置控制器伺服電機基座系統(tǒng)MDDHT5540AFPG432MSME152G1S**升降系統(tǒng)MDDHT3520AFPG432MSME082G1S**搖臂系統(tǒng)MDDHT5540AFPG432MSME102G1S**三軸上所選用產品僅功率不一致外，其他大體相同。因此，驅動部分電氣連接以基座系統(tǒng)為例。位置控制器上的順時、逆時針脈沖指令輸出分別連接到伺服驅動器A5上的指令脈沖輸入，位置控制的原點輸入接到驅動器的Z相輸出，當驅動器輸出高電平，說明目標位置已達到原點。偏差計數(shù)器清零輸出端與驅動器的計數(shù)器清零相連接，位置控制器由晶體管輸出，當偏差計數(shù)器清零指令下達時，晶體管基極為高電平，晶體管導通，同時集電極為低電平，驅動器輸入端光耦（發(fā)光二極管）導通，計數(shù)器清零指令就進入到驅動器內部，再經過內部電路相關處理，完成該任務。位置控制器上的原點接近輸入與基座上的原點附近傳感器相連接， 位置單