【正文】 輸出力矩不大 轉(zhuǎn)子直徑小，慣量小 適用于對快速性要求嚴格而負載力矩不大的場合 直流 PWM 伺服驅(qū)動器 SCR變壓驅(qū)動器 有刷繞組永磁直流伺服電動機 轉(zhuǎn)動慣量小，快速響應(yīng)性能好；轉(zhuǎn)子無鐵損，效率高；換向性能好，壽命長；負載波動對轉(zhuǎn)速影響小，輸出力矩平穩(wěn) 無鐵心，具有軸向平面間隙 可頻繁起制動、正反轉(zhuǎn)工作，響應(yīng)迅速，適用于機器人，數(shù)控等 直流 PWM 伺服驅(qū)動器，SCR 變壓驅(qū)動器 學士學位論文 21 大慣量 永磁直流伺服電動機 輸出力矩大，轉(zhuǎn)矩波動小，機械特性硬度大，可以長時間工作在堵轉(zhuǎn)條件下 又稱力矩電機，其轉(zhuǎn)子較粗 適用于驅(qū)動力矩較大的場合，因可不用齒輪傳動，消除了齒輪間隙 直流 PWM 伺服驅(qū)動器，SCR 變壓驅(qū)動器 反應(yīng)步進電機 將電脈沖信號直接轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)角與脈沖數(shù)成正比，輸出力矩也較大 電機轉(zhuǎn)子無轉(zhuǎn)租，由永磁體構(gòu)成轉(zhuǎn)子磁極 用于數(shù)字系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，如數(shù)控機床、機器人；開環(huán)控制 直流 PWM 伺服驅(qū)動器 SCR變壓驅(qū)動器 同步交流伺服電動機 轉(zhuǎn)速與定子繞組所建立的旋轉(zhuǎn)磁場嚴格同步；從低度到高速，定子繞組 可通過大電流，可頻繁起、制動 轉(zhuǎn)子由永久磁鐵做成，定子有三相，轉(zhuǎn)子比較細 主要用于中小容量的伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，如數(shù)控、機器人等系統(tǒng)中 交流 PWM 變頻調(diào)速器 異步交流伺服電動機 轉(zhuǎn)速永遠低于定子繞組所建立的旋轉(zhuǎn)磁場，容量大 定子由對稱三相繞組組成， 用于數(shù)控機床主軸等容量大的場合 交流 PWM 變頻調(diào)速器 表 驅(qū)動電機 學士學位論文 22 （ 1）直流電機伺服驅(qū)動器 直流伺服電機驅(qū)動器目前多采用脈沖寬度調(diào)制（ PWM）伺服驅(qū)動器。這種伺服驅(qū)動器一般由電流內(nèi)環(huán)和速度外環(huán)組成。 PWM 伺服驅(qū)動器具有調(diào)速范圍寬、低速特性好，響應(yīng)快、效率高、過載能力強等特點。 （ 2）步進電機驅(qū)動器 步進電機的控制裝置主要包括脈沖發(fā)生器，環(huán)行分配器和功率放大器等幾部分組成。環(huán)行分配器是控制步進電機各繞組按一定的次序通過的環(huán)節(jié)。功率放大器的作用是將環(huán)行分配器輸出的毫安級電流放大成安培級電流以驅(qū)動步進電機。這種電路有高、低壓二組電源。而當達到步進電機額定電流時僅以低電壓給各相繞組供電。 設(shè)計方案 具體到本設(shè)計，在分析了具體 工作要求后，綜合考慮各個因素。因此，要求水平手臂具有伺服定位能力，故采用電液伺服液壓缸進行驅(qū)動。 學士學位論文 24 液壓執(zhí)行元件 液壓執(zhí)行元件 大體分為液壓缸和液壓馬達，前者實現(xiàn)直線運動，后者實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。同時考慮機械手的工作載荷和工作現(xiàn)場環(huán)境對機械手布局以及定位精度的具體要求以及計算機的控制的因素，腰部的回轉(zhuǎn)用電機驅(qū)動實現(xiàn)，剩下的兩個運動均為直線運動。 液壓執(zhí)行元件運動控制回路 液壓執(zhí)行元件確定后，其運動方向和運動速度的控制是液壓回路的核心問題。對于一般中小流量的液壓系統(tǒng)，通過換向閥的有機組合來實現(xiàn)所要求的動作。 速度控制通過改變液壓執(zhí)行元件輸入或輸出的流量或者利用密封空間的容積變化來實現(xiàn)。 ［ 2］ 本設(shè)計的方向控制采用電磁換向閥來實現(xiàn)，而速度的控制主要采用節(jié)流調(diào)速，主要方式是采用比較簡單的節(jié)流閥來實現(xiàn)。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)一般用定量泵供油，在無其他輔助油源的情況下，液壓泵的供油量要大于系統(tǒng)的需油量，多余的油經(jīng)溢流閥流回油箱，溢流閥同時起到控制并穩(wěn)定油源壓力的作用。 油液的凈化裝置是液壓源中不可缺的元件。為防止系統(tǒng)中雜質(zhì)流回油箱，可在回油路上設(shè)置磁過濾器。 ［ 11］ 本設(shè)計的液壓系統(tǒng)采用定量泵供油，由溢流閥 V1 來調(diào)定系統(tǒng)壓力。 繪制液壓系統(tǒng)圖 本機械手的液壓系統(tǒng)圖如圖 所示，它擁有垂直手臂的上升、下降，水平伸縮缸 /的前伸、后縮，以及執(zhí)行手爪的夾緊、張開三個執(zhí)行機構(gòu)。 考慮 到手爪的工作要求輕緩抓取、迅速松開，系統(tǒng)采用了節(jié)流效果不等的兩個單向節(jié)流閥。 另外，由于機械手垂直升降缸在工作時其下降方向與負荷重力作用方向一致，下降時有使運動速度加快的趨勢，為使運動過程的平穩(wěn)，同時盡量減小沖擊、振動，保證系統(tǒng)的安全性，采用 V2 構(gòu)成的平衡回路相升降油缸下腔提供一定的排油背壓，以平衡重力負載。壓力決定于外載荷，流量取決于液壓執(zhí)行元件的運動速度和結(jié)構(gòu)尺寸。 手爪要能抓起工件必須滿足： GkkkN 321? （式 ） 式中， N 為所需夾持力； 1k 安全系數(shù)，通常取 ~2； 2k 為動載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響可按 gak ??12 估算， a 為機械手在搬運工件過程的加速度 2/sm ， 2/ sma? ， g 為重力 加速度； 3k 方位系數(shù)，查表選取 13?k ； G 被抓持工件的重量 30kg ； 帶入數(shù)據(jù)，計算得： NN 120? ； 理論驅(qū)動力的計算： ?? ?12 NRbp （式 ） 式中， p 為液壓缸所需理論驅(qū)動力； b 為夾緊力至回轉(zhuǎn)支點的垂直距離； R 為扇形齒輪分度圓半徑； N 為手指夾緊力； ? 齒輪傳動機構(gòu)的效率，此處選為 ； 其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計算得： NFc 920? 而液壓缸的工作驅(qū)動力是由缸內(nèi)油壓提供的，故有 APFc ?? （式 ） 式中， P 為液壓缸工作油壓； A 為活塞截面積； 經(jīng)計算，所需的油壓約為： MPa3 確定 針對本設(shè)計是一個機械手的特點考慮，機械手系統(tǒng)的剛度及其穩(wěn)定性是很重要的。至于液壓缸 的工作壓力和缸的工作速度，放在液壓系統(tǒng)設(shè)計階段，通過外部的液壓回路、采用合適的調(diào)速回路和元件來實現(xiàn)。 水平伸縮液壓缸參數(shù) 表 : 缸內(nèi)徑 mm 壁厚 mm 桿直徑 mm 行程 mm 工作壓力 MPa 60 10 25 400 1 表 水平伸縮液壓缸參數(shù) 因為伸縮缸的作用主要是實現(xiàn)伸縮直線運動這個運動形式，在其軸向上并不承受顯性的工作載荷（因為手爪夾持工件，受力方向為垂直方向），軸向主要是克服摩擦力矩，其所受的載荷主要是徑向載荷，載荷性質(zhì)為彎矩，使其產(chǎn)生彎曲變形。同時具有比較大的彎矩和比較長的行程，這對液壓缸的穩(wěn)定性和剛度問題有較高的要求。為了達到這個目的，設(shè)計中采用了兩個導向桿，以滿足長行程活塞桿的穩(wěn)定性和導向問題。 垂直液壓缸參數(shù) 表 : 缸內(nèi)徑 mm 壁厚 mm 桿直徑 mm 行程 mm 工作壓力 MPa 60 10 25 100 1 表 垂直液壓缸參數(shù) 因為垂直液壓缸所承受的載荷方式既有一定的軸向載荷，又存在著比較大的傾 覆力矩（由加工工件的重力引起的）。這里同樣采用了導向桿機構(gòu)，圍繞垂直升降缸設(shè)置四根導桿，較好的解決了這一問題。因此液壓缸壁厚強度滿足要求。 計算和選擇液壓元件 （ 1）確定液壓泵的實際工作壓力 p ???? 11 pppp （式 ） 學士學位論文 34 式中， 1p 計算工作壓力，前以定為 MPa4 ； ??1p 對于進油路采用調(diào)速閥的系統(tǒng)， 可估為（ ~） MPa ，這里取為 1MPa 。 vAq ???max 經(jīng)計算得 maxq = min/L 帶入上式得 m i n/45 Lq p ??? （ 3）確定液壓泵電機的功率 ????? 602 maxqpP p工 （式 ） 式中， maxq 為最大運動速度下所需的流量，同前，取為 min/L ； p 液壓泵實際工作壓力， 5MPa ； ? 為液壓泵總效率，取為 ； 帶入數(shù)據(jù)計算得： 工P = 。這部分在考慮具體的作業(yè)時 根據(jù)詳細的要求再結(jié)合具體學士學位論文 35 情況進行詳細，這里暫從略。下面進行具體的計算。 學士學位論文 38 將其帶入上式，得： ；kWP ? ；kWPa ? 啟動時間 mssta ?? ； 制動時間 mstd 3? ； 折算到電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩為： ?LT mKN? 。下圖為 110BYG550BSAKRMA0301 型步進電機 矩頻特性曲線和相關(guān)技術(shù)參數(shù)。； 其中步距角 ，同時因為腰部齒輪傳動比為 1： 120，步進電機經(jīng)過減速后傳遞到回轉(zhuǎn)軸，回轉(zhuǎn)軸實際的步距角將為電機實際 步距角 的 1/120（理論上），雖然實際上存在著間隙和齒輪傳動非線性誤差，實際回轉(zhuǎn)軸的最小步距角也仍然是很小的，故其精度是相當高的，完全能滿足機械手上下料的定位精度要求。其中，垂直升降和水平伸縮有液壓實現(xiàn)驅(qū)動。其中，升降分別由雙線圈的兩位電磁閥控制，例如，當下降電磁閥通電時，機械手下降；當下降電磁閥 斷電時，機械手下降停止。而水平方向的伸縮主要由電液伺服閥、伺服驅(qū)動器、感應(yīng)式位移傳感器構(gòu)成的回路進行調(diào)節(jié)控制。液壓缸由單線圈的電磁閥（夾緊電磁閥）來控制，當線圈不通電時，液壓缸不工作，當線圈通電時，液壓缸工作沖程，手爪張開，液壓缸工作回程，手爪閉合。同時，從工件料架上抓取工件時，也要先判斷料架上有無工件可取。 當數(shù)控機床加工完一個工件時，發(fā)送下料命令給機械手，機械手接到命令后， PLC 馬上輸出脈沖驅(qū)動機械手逆時針轉(zhuǎn)動，當轉(zhuǎn)過 90 度到位后， PLC停止輸出脈沖，機械手停止轉(zhuǎn)動； —— → 下降電磁閥通電，同時手爪液壓缸電磁閥也通電，機械手下降且張開手爪，下降到位后碰到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止且手爪夾緊，夾緊已加工好的工件； —— →機床卡盤松開； —— → 機械手開始前伸，將工件從機床上取出，準備運走； —— → 上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電 磁閥斷電，上升停止； —— → PLC 輸出高速脈沖，驅(qū)動機械手順時針轉(zhuǎn)動，當轉(zhuǎn)過 90 度到位后， PLC 停止輸出脈沖，機械手停止轉(zhuǎn)動； —— → 下降電磁閥通電，機械手下降，下降到位后碰到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止； —— → 接著手爪液壓缸電磁閥通電，手爪張學士學位論文 41 開，放下工件準備離開； —— → 接著上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止同時手爪也閉合復原； —— → 接著機械手水平手臂開始后縮，準備回原點，當后縮到位時，后縮停止，機械手回到原點，一個上下料過程結(jié)束； —— → 機械手在原點等待命令，準備下一個工作循環(huán)。 機械手操作面板布置 操作面板布置如圖所示。 ：就是用按鈕作機械手的每一步運動進行單獨的控制。當選擇逆轉(zhuǎn) /順轉(zhuǎn)按鈕時，按下啟動按鈕，機械手順時針轉(zhuǎn)動，而按下停止按鈕時，機械手逆時針轉(zhuǎn)動。 圖 機械手操作方式 ：機械手從原點開始，按下啟動按鈕，機械手的動作將自動的、連續(xù)的周期性循環(huán)。 控制器 選型 機械手控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計上考慮到機械手工作的穩(wěn)定性、可靠性以及各種控制元件連接的靈活性和方便性，控制器選擇有極高可靠性、專門面向惡劣的工業(yè)環(huán)境設(shè)計開發(fā)的工業(yè)控制器 PLC，選擇在國內(nèi)應(yīng)用較多的西門子 S7200 型 PLC，見圖 。 圖 SIEMENS SIMATIC S700 PLC 該機集成 14 輸入 /10 輸出共 24 個數(shù)字量 I/O 點。 16K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。 1 個 RS485 通訊 /編程口，具有 PPI 通訊協(xié)議、 MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。是具有較強控制能力的控制器。 為了減少 PLC 的 I/O 點數(shù)，以伺服放大器作為閉環(huán)的比較點。 PLC 將上位機輸入的給定信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，輸出至伺服放大器，由伺服放大器作為閉環(huán)比較點，組成模擬控制系統(tǒng)，如圖 所示。 ［ 12］ 圖 控制系統(tǒng) PLC 外部接線設(shè)計 為適應(yīng)水平手臂液壓缸的伺服定位的控制要求，利用西門子 SIMATIC S7200 （ CPU224） PLC，考慮到位移傳感器和伺服放大器工作采用的都為模擬量，故增加一個模擬量輸出模塊 EM232，鑒于伺服放大器和位移傳感器的輸入要求， PLC 的模擬量采用 10V~ +10V 輸入輸出，各輸入輸出點及其接線如圖 所示。 具體程序代碼，包括主程序 MAIN，自動操作子程序 SBR0，手動工作子程序 SBR1，機械手中斷服務(wù)程序 INT_0。 學士學位論文 47 結(jié)論 本設(shè)計通過對機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)大學本科四年所學知識進行整合，完成一個特定功能、滿足特殊要求的數(shù)控機床上下料機械手的設(shè)計，比較好地體現(xiàn)機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平、實踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具