畢業(yè)設(shè)計（論文）-五自由度工業(yè)機(jī)器人設(shè)計.doc

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1、中北大學(xué)2010屆畢業(yè)設(shè)計說明書1 緒論1.1 工業(yè)機(jī)器人簡介早在20世紀(jì)初，隨著機(jī)床、汽車等制造業(yè)的發(fā)展就出現(xiàn)了機(jī)械手。1913年美國福特汽車工業(yè)公司安裝了第一條汽車零件加工自動線，為了解決自動線、自動機(jī)的上下料與工件的傳送，采用了專用機(jī)械手代替人工上下料及傳送工件?？梢妼Ｓ脵C(jī)械手就是作為自動機(jī)、自動線的附屬裝置出現(xiàn)的?！肮I(yè)機(jī)器人”這種自動化裝置出現(xiàn)的比較晚。但是自從世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人問世之后，不同功能的機(jī)器人也相繼出現(xiàn)并且活躍在不同的領(lǐng)域，從天上到地下，從工業(yè)拓廣到 農(nóng)業(yè)、林、牧、漁，甚至進(jìn)入尋常百姓家。機(jī)器人的種類之多，應(yīng)用之廣，影響之深，是我們始料未及的。本課題所指的工業(yè)機(jī)器人，

2、或稱機(jī)器人操作臂、機(jī)器人臂、機(jī)械手等。從外形來看，它和人的手臂相似，是由一系列剛性連桿通過一系列柔性關(guān)節(jié)交替連接而成的開式鏈。這些連桿就像人的骨架，分別類似于胸，上臂和下臂，工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)相當(dāng)于人的肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)。操作臂的前端裝有末端執(zhí)行器或相應(yīng)的工具，也常稱為手或手爪。手爪是由兩個或多個手指所組成，手指可以“開”與“合”，實現(xiàn)抓去動作和細(xì)微操作。手臂的動作幅度一般較大，通常實現(xiàn)宏觀操作。工業(yè)機(jī)器人由主體、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個基本部分組成。主體即機(jī)座和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括臂部、腕部和手部，有的機(jī)器人還有行走機(jī)構(gòu)。大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人有 36個運(yùn)動自由度，其中腕部通常有13個運(yùn)動自由度；驅(qū)動系

3、統(tǒng)包括動力裝置和傳動機(jī)構(gòu)，用以使執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動作；圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人示意圖控制系統(tǒng)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令信號，并進(jìn)行控制。由于工業(yè)機(jī)器人具有一定的通用性和適應(yīng)性，能適應(yīng)多品種中、小批量的生產(chǎn)，70年代起，常與數(shù)字控制機(jī)床結(jié)合在一起，成為柔性制造單元或柔性制造系統(tǒng)的組成部分。在工業(yè)生產(chǎn)中能代替人做某些單調(diào)、頻繁和重復(fù)的長時間作業(yè)，或是危險、惡劣環(huán)境下的作業(yè)，例如在沖壓、壓力鑄造、熱處理、焊接、涂裝、塑料制品成形、機(jī)械加工和簡單裝配等工序上，以及在原子能工業(yè)等部門中，完成對人體有害物料的搬運(yùn)或工藝操作。機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動、不

4、知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量比人手大等特點，因此，機(jī)械手已經(jīng)受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用，例如：（1） 機(jī)床加工工件的裝卸，特別是在自動化車床、組合機(jī)床上使用較為普編。（2） 在裝配作業(yè)中應(yīng)用廣泛，在電子行業(yè)中它用來裝配印制電路板， 在機(jī)械行業(yè)中它可以用來組裝零件。（3） 可在勞動條件差，單調(diào)重復(fù)易疲勞的工作環(huán)境工作，以代替人的勞動。（4） 可在危險場合下工作，如軍工品的裝卸、危險品級有還、及有害物的搬運(yùn)等。（5） 宇宙及海洋的開發(fā)。（6） 軍事工程及生物醫(yī)學(xué)方面的研究和試驗。1.2 世界機(jī)器人的發(fā)展國外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢：1. 工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高（高速

5、度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機(jī)價格不斷下降，平均單機(jī)價格從91年的103萬美元降至97年的65萬美元。2機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。3工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。4機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲

6、覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。5虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。6當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實驗室進(jìn)入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例。7機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應(yīng)

7、用的領(lǐng)域。1.3 我國工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展有人認(rèn)為，應(yīng)用機(jī)器人只是為了節(jié)省勞動力，而我國勞動力資源豐富，發(fā)展機(jī)器人不一定符合我國國情。這是一種誤解。在我國，社會主義制度的優(yōu)越性決定了機(jī)器人能夠充分發(fā)揮其長處。它不僅能為我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來高度的生產(chǎn)力和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且將為我國的宇宙開發(fā)、海洋開發(fā)、核能利用等新興領(lǐng)域的發(fā)展做出卓越的貢獻(xiàn)。我國的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運(yùn)動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人

8、；其中有130多臺套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，

9、對產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O(shè)計，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。我國的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000米水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種；在機(jī)器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，

10、以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。1.4 設(shè)計任務(wù)通過計算機(jī)PLC編程控制電機(jī)，使機(jī)械手按照預(yù)定的工作條件，完成旋轉(zhuǎn)、俯仰動作，完成理論方案的設(shè)計。運(yùn)用 AutoCAD軟件繪制裝配圖、部件圖、零件圖，編制PLC梯形圖。（1）機(jī)械手以機(jī)械臂計，總臂長度小于500mm，大臂長度小于350mm、小臂長度小于250mm。（2）機(jī)械手的驅(qū)動采用步進(jìn)電動機(jī)，電機(jī)功率小于100w，其電源應(yīng)為安全電源。（3）使用三菱公司的PLC軟件進(jìn)行編程，對機(jī)械手進(jìn)行控制。2 機(jī)械手結(jié)構(gòu)方案與機(jī)電結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計2.1 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)方案在制定機(jī)械手結(jié)構(gòu)的方案中，必須要設(shè)定機(jī)械手的主要技術(shù)指標(biāo)包括：（1）可搬重量；（2）

11、最終合成速度的最大值；（3）工作空間，其球體半徑；（4）重復(fù)定位精度；（5）機(jī)械手本體重量。根據(jù)機(jī)械手的技術(shù)指標(biāo)和總體方案進(jìn)行設(shè)計。本課題要求采用五自由度關(guān)節(jié)型機(jī)械，其總體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，它有旋轉(zhuǎn)臺、大臂、肘、小臂，手腕裝置組成，是一個具有五種動作的關(guān)節(jié)型機(jī)械手，并能夠模擬接近于人手臂的動作。機(jī)械手的坐標(biāo)可以采用簡單的關(guān)節(jié)型坐標(biāo)，因此對它的五種動作需要作一些規(guī)定：（1）機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)角度。由上向下看，相對旋轉(zhuǎn)臺的基準(zhǔn)線，順時針為正，逆時針為負(fù)，可在360度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)；（2）大臂的旋轉(zhuǎn)是相對于水平線，由水平位置向下旋轉(zhuǎn)為正，向上為負(fù)，在正負(fù)90度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)；（3）肘也是相對于水平線，由水平

12、位置向下旋轉(zhuǎn)為正，向上為負(fù)，在正負(fù)90度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)；（4）小臂相對于肘的軸線旋轉(zhuǎn)，順時針為正，逆時針為負(fù)，可在360度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)；（5）手腕相對于水平線，由水平位置向下旋轉(zhuǎn)為正，向上為負(fù)，在正負(fù)90度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)。對于所設(shè)計的機(jī)械手有五軸需要動作，其動作的方式可以單獨運(yùn)行，也可以組合或同時進(jìn)行。單獨運(yùn)行即旋轉(zhuǎn)臺先旋轉(zhuǎn)，而后大臂、肘分別進(jìn)行俯仰，然后小臂進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，到位后，手腕進(jìn)行運(yùn)動；也可以采用確定空間位置的關(guān)節(jié)和確定手腕姿態(tài)的運(yùn)動軸，同時進(jìn)行控制?？梢愿鶕?jù)需要由控制裝置來選擇控制方法。機(jī)械手的執(zhí)行采用步進(jìn)電機(jī)，選擇開環(huán)控制。由于有五個自由度，所以共需要五臺步進(jìn)電機(jī)。機(jī)械手的工作原理：機(jī)械手的運(yùn)動

13、由腰部傳動、上臂傳動、前臂傳動、肘部傳動和腕部傳動這五部分組成。腰部通過諧波減速器直接傳動。安裝在底座上的步進(jìn)電機(jī)的輸出，通過高速軸傳給波發(fā)生器，柔輪帶動底板使腰部繞回轉(zhuǎn)360度。上臂定在腰部的底板上，安裝在腰部上的步進(jìn)電機(jī)通過齒輪傳動帶動上臂進(jìn)行左右擺動，運(yùn)動，并且隨腰部一起轉(zhuǎn)動。肘部固定在上臂末端軸上，其驅(qū)動電機(jī)固定在大臂上通過錐齒輪傳動帶動小臂轉(zhuǎn)動。小臂固定在肘部的末端，通過一對錐齒輪實現(xiàn)其上下擺動，其步進(jìn)電機(jī)固定在肘部。腕部傳動驅(qū)動電機(jī)固定在小臂的末端，通過同步齒形帶傳動帶動手上下擺動。各個電機(jī)輸出軸上安裝有光電編碼器，進(jìn)行位置檢測，并將位置信號反饋到控制器輸入端，構(gòu)成伺服電機(jī)驅(qū)動回路

14、的閉環(huán)反饋控制。具體裝配圖，如圖2-2所示。圖2-2 機(jī)械手裝配圖2.2 機(jī)械手機(jī)電結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計2.2.1機(jī)械傳動系統(tǒng)為了能使機(jī)械手的臂轉(zhuǎn)動，所需要的最大轉(zhuǎn)矩是當(dāng)臂呈水平狀態(tài)（圖2-3）。機(jī)械傳動系統(tǒng)的各部分尺寸，按機(jī)械手工作空間的要求為準(zhǔn)。各部分重量的分配，原則上是在機(jī)械手傳動結(jié)構(gòu)和電機(jī)安放位置允許的條件下，離第一關(guān)節(jié)越遠(yuǎn)的部分。按其重量越輕越好、重心越靠近關(guān)節(jié)越好這兩個原則來分配各部分的重量。這些重量要求越小越好，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計上要考慮增加剛度。對于旋轉(zhuǎn)臺（即肩）的旋轉(zhuǎn)是使機(jī)械手整體旋轉(zhuǎn)，故電機(jī)要安裝在機(jī)械手的基座上。大、小臂都有一定的俯仰角度，這種機(jī)構(gòu)圖形的變化必然引起機(jī)械手在運(yùn)動中部

15、分重心位置的改變，必須考慮其重力負(fù)荷的平衡。因此，驅(qū)動大、小臂的電機(jī)均安裝在肩上，起著平衡臂的重量，也使電機(jī)的重心靠近第一關(guān)節(jié)。機(jī)械手所進(jìn)行的最終工作是反映在其手部末端即手腕的運(yùn)動上，這種運(yùn)動的實現(xiàn)是通過傳動鏈來獲得的。手部端點的重復(fù)定位精度是機(jī)械手設(shè)計中一個十分重要的指標(biāo)，它的實現(xiàn)主要依靠機(jī)械傳動鏈的精度和伺服系統(tǒng)的精度這兩個方面的因素。對于傳動系統(tǒng)，傳動鏈越短，越直接，精度自然越高，但實際上還必須有中間環(huán)節(jié)的傳動諧波減速齒輪具有可以實現(xiàn)大的減速比、結(jié)構(gòu)緊湊、自身重量輕的特點，這對于機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計是十分重要的，因為減速裝置重量的增加將嚴(yán)重地影響機(jī)器人的動力學(xué)特性。因此，在機(jī)械手模型傳動設(shè)計

16、中均采用齒輪傳動進(jìn)行速度的傳遞，即根據(jù)需要選擇合適的傳動比。2.2.2電機(jī)的選擇和設(shè)計機(jī)器人電動伺服驅(qū)動系統(tǒng)是利用各種電動機(jī)產(chǎn)生的力矩和力，直接或間接地驅(qū)動機(jī)器人本體以獲得機(jī)器人的各種運(yùn)動的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。對工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動的電動機(jī)，要求有最大功率質(zhì)量比和扭矩慣量比、高起動轉(zhuǎn)矩、低慣量和較寬廣且平滑的調(diào)速范圍。特別是像機(jī)器人末端執(zhí)行器（手爪）應(yīng)采用體積、質(zhì)量盡可能小的電動機(jī)，尤其是要求快速響應(yīng)時，伺服電動機(jī)必須具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，并且具有較大的短時過載能力。這是伺服電動機(jī)在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用的先決條件。目前，由于高起動轉(zhuǎn)矩、大轉(zhuǎn)矩、低慣量的交、直流伺服電動機(jī)在工業(yè)機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用，一般負(fù)載

17、1000N（相當(dāng)100kgf）以下的工業(yè)機(jī)器人大多采用電伺服驅(qū)動系統(tǒng)。所采用的關(guān)節(jié)驅(qū)動電動機(jī)主要是AC伺服電動機(jī)，步進(jìn)電動機(jī)和DC伺服電動機(jī)。其中，交流伺服電動機(jī)、直流伺服電動機(jī)、直接驅(qū)動電動均采用位置閉環(huán)控制，一般應(yīng)用于高精度、高速度的機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)中。步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)多適用于對精度、速度要求不高的小型簡易機(jī)器人開環(huán)系統(tǒng)中。交流伺服電動機(jī)由于采用電子換向，無換向火花，在易燃易爆環(huán)境中得到了廣泛的使用。機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動電動機(jī)的功率范圍一般為0.110kW。工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)中所采用的電動機(jī)，大致可細(xì)分為以下幾種：（1）交流伺服電動機(jī) 包括同步型交流伺服電動機(jī)及反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)等。 （2）直流伺

18、服電動機(jī) 包括小慣量永磁直流伺服電動機(jī)、印制繞組直流伺服電動機(jī)、大慣量永磁直流伺服電動機(jī)、空心杯電樞直流伺服電動機(jī)。 （3）步進(jìn)電動機(jī) 包括永磁感應(yīng)步進(jìn)電動機(jī)。速度傳感器多采用測速發(fā)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器；位置傳感器多用光電碼盤和旋轉(zhuǎn)變壓器。近年來，國外機(jī)器人制造廠家已經(jīng)在使用一種集光電碼盤及旋轉(zhuǎn)變壓器功能為一體的混合式光電位置傳感器，伺服電動機(jī)可與位置及速度檢測器、制動器、減速機(jī)構(gòu)組成伺服電動機(jī)驅(qū)動單元。機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)要求傳動系統(tǒng)間隙小、剛度大、輸出扭矩高以及減速比大，常用的減速機(jī)構(gòu)有： 1）RV減速機(jī)構(gòu)； 2）諧波減速機(jī)械； 3）擺線針輪減速機(jī)構(gòu)； 4）行星齒輪減速機(jī)械； 5）無側(cè)隙減速機(jī)構(gòu)；

19、6）蝸輪減速機(jī)構(gòu)； 7）滾珠絲杠機(jī)構(gòu)； 8）金屬帶齒形減速機(jī)構(gòu)； 9）球減速機(jī)構(gòu)。工業(yè)機(jī)器人電動機(jī)驅(qū)動原理如圖2-4所示。工業(yè)機(jī)器人電動伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)為三個閉環(huán)控制，即電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。目前國外許多電動機(jī)生產(chǎn)廠家均開發(fā)出與交流伺服電動機(jī)相適配的產(chǎn)品用戶根據(jù)自己所需功能側(cè)重不同而選擇不同的伺服控制方式，一般情況下，交流伺服驅(qū)動器，可通過對其內(nèi)部功能參數(shù)進(jìn)行人工設(shè)定而實現(xiàn)以下功能：1） 位置控制方式； 2） 速度控制方式；3） 轉(zhuǎn)矩控制方式；4） 位置、速度混合方式；5） 位置、轉(zhuǎn)矩混合方式；6） 速度、轉(zhuǎn)矩混合方式；7） 轉(zhuǎn)矩限制；8）位置偏差過大報警；9）速度PID參數(shù)設(shè)置；10）速

20、度及加速度前饋參數(shù)設(shè)置；11）零漂補(bǔ)償參數(shù)設(shè)置；12）加減速時間設(shè)置等。幾種電機(jī)驅(qū)動器1直流伺服電動機(jī)驅(qū)動器 直流伺服電動機(jī)驅(qū)動器多采用脈寬調(diào)制（PWM）伺服驅(qū)動器，通過改變脈沖寬度來改變加在電動機(jī)電樞兩端的平均電壓，從而改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。 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(qiáng)等特點，在工業(yè)機(jī)器人中常作為直流伺服電動機(jī)驅(qū)動器。2同步式交流伺服電動機(jī)驅(qū)動器 同直流伺服電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)相比，同步式交流伺服電動機(jī)驅(qū)動器具有轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動慣量比高、無電刷及換向火花等優(yōu)點，在工業(yè)機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。同步式交流伺服電動機(jī)驅(qū)動器通常采用電流型脈寬調(diào)制（PWM）相逆變器和具有電流環(huán)

21、為內(nèi)環(huán)、速度環(huán)為外環(huán)的多閉環(huán)控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)對三相永磁同步伺服電動機(jī)的電流控制。根據(jù)其工作原理、驅(qū)動電流波形和控制方式的不同，它又可分為兩種伺服系統(tǒng)： 1）矩形波電流驅(qū)動的永磁交流伺服系統(tǒng)。 2）正弦波電流驅(qū)動的永磁交流伺服系統(tǒng)。 采用矩形波電流驅(qū)動的永磁交流伺服電動機(jī)稱為無刷直流伺服電動機(jī)，采用正弦波電流驅(qū)動的永磁交流伺服電動機(jī)稱為無刷交流伺服電動機(jī)。3步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器 步進(jìn)電動機(jī)是將電脈沖信號變換為相應(yīng)的角位移或直線位移的元件，它的角位移和線位移量與脈沖數(shù)成正比。轉(zhuǎn)速或線速度與脈沖頻率成正比。在負(fù)載能力的范圍內(nèi)，這些關(guān)系不因電源電壓、負(fù)載大小、環(huán)境條件的波動而變化，誤差不長期積累，步進(jìn)電動

22、機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)可以在較寬的范圍內(nèi)，通過改變脈沖頻率來調(diào)速，實現(xiàn)快速起動、正反轉(zhuǎn)制動。作為一種開環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，在小型機(jī)器人中得到較廣泛的應(yīng)用。但由于其存在過載能力差、調(diào)速范圍相對較小、低速運(yùn)動有脈動、不平衡等缺點，一般只應(yīng)用于小型或簡易型機(jī)器人中。4直接驅(qū)動 所謂直接驅(qū)動（DD）系統(tǒng)，就是電動機(jī)與其所驅(qū)動的負(fù)載直接耦合在一起，中間不存在任何減速機(jī)構(gòu)。 同傳統(tǒng)的電動機(jī)伺服驅(qū)動相比， DD驅(qū)動減少了減速機(jī)構(gòu)，從而減少了系統(tǒng)傳動過程中減速機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的間隙和松動，極大地提高了機(jī)器人的精度，同時也減少了由于減速機(jī)構(gòu)的摩擦及傳送轉(zhuǎn)矩脈動所造成的機(jī)器人控制精度降低。而DD驅(qū)動由于具有上述優(yōu)點，所以機(jī)械剛性好，可

23、以高速高精度動作，且具有部件少、結(jié)構(gòu)簡單、容易維修、可靠性高等特點，在高精度、高速工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用中越來越引起人們的重視。 作為DD驅(qū)動技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是DD電動機(jī)及其驅(qū)動器。它應(yīng)具有以下特性： 1）輸出轉(zhuǎn)矩大：為傳統(tǒng)驅(qū)動方式中伺服電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的50100倍。 2）轉(zhuǎn)矩脈動小： DD電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動可抑制在輸出轉(zhuǎn)矩的510以內(nèi)。 3）效率：與采用合理阻抗匹配的電動機(jī)（傳統(tǒng)驅(qū)動方式下）相比， DD電動機(jī)是在功率轉(zhuǎn)換較差的使用條件下工作的。因此，負(fù)載越大，越傾向于選用較大的電動機(jī)。 目前，DD電動機(jī)主要分為變磁阻型和變磁阻混合型，有以下兩種結(jié)構(gòu)型式： l）雙定子結(jié)構(gòu)變磁阻型DD電動機(jī)； 2）中央定子

24、型結(jié)構(gòu)的變磁阻混合型DD電動機(jī)。5特種驅(qū)動器 1）壓電驅(qū)動器。眾所周知，利用壓電元件的電或電致伸縮現(xiàn)象已制造出應(yīng)變式加速度傳感器和超聲波傳感器，壓電驅(qū)動器利用電場能把幾微米到幾百微米的位移控制在高于微米級大的力，所以壓電驅(qū)動器一般用于特殊用途的微型機(jī)器人系統(tǒng)中。 2）超聲波電動機(jī)。6. 電機(jī)的選擇本課題中需要五臺電動機(jī)，根據(jù)上述電動機(jī)因考慮其指標(biāo)、模型的重量、尺寸等因素，選擇了一臺Kinco86系列步進(jìn)電機(jī)、四臺Kinco57系列三相步進(jìn)電動機(jī)（其中兩臺技術(shù)參數(shù)為3S57Q-04042,另兩臺技術(shù)參數(shù)為3S57Q-04056），分別驅(qū)動臂旋轉(zhuǎn)以及大、小臂俯仰、旋轉(zhuǎn)和手腕的俯仰活動它們的主要參數(shù)

25、如下表:型 號技術(shù)參數(shù)電機(jī)慣量(kg.cm )保持扭距(Nm)電機(jī)長度（mm）最大負(fù)載（N）Kinco86系 列2S86Q-051801.44.580220Kinco57系 列3S57Q-040420.10.54275Kinco57系 列3S57Q-040560.31.056563 有關(guān)機(jī)械手的計算3.1設(shè)計分析手臂運(yùn)動由提升重物的豎直運(yùn)動與帶動重物旋轉(zhuǎn)的水平回轉(zhuǎn)運(yùn)動組成。手臂自重相對于重物來說. 對手臂強(qiáng)度計算的影響較小，可不作考慮，因此，設(shè)計時僅考慮重物的作用。手臂受力如圖3-1 所示。3.1.1抗拉強(qiáng)度條件如圖3-1所示，手臂N點處受到最大拉應(yīng)力是，由彎矩M產(chǎn)生的拉應(yīng)力與向心力F產(chǎn)生的應(yīng)

26、力組成。其中=，式中，W為抗彎截面系數(shù)，僅與截面形狀、尺寸有關(guān)。對于外徑D內(nèi)徑為 d的圓環(huán)截面有：W=1-() （1）M=GL （2） =A為手臂橫截面積（m）,A=()-()=(2DT-T) （3）F=mL （4） 根據(jù)抗拉強(qiáng)度條件有：=+ （5）將式(1)、(2)、(3)、(4)及已知數(shù)據(jù)代入(5),取g=10m/s（下同），計算整理得：120D-970D+34D-6.4LD03.1.2抗剪強(qiáng)度條件手臂N點處所受的剪應(yīng)力最大。因圓環(huán)截面壁厚T遠(yuǎn)小于外徑d，故最大剪應(yīng)力為:=2據(jù)抗剪強(qiáng)度條件有：=2 （6）將已知數(shù)據(jù)代入式（6），計算整理得：D0.2(cm)3.1.3 剛度條件如圖3-1所示

27、，受力分析得,M點處撓度最大。據(jù)剛度條件:= （7）式中， E為材料的彈性模量（GPa）；I為截面慣性矩（cm）,I= （8）將式（8 ）及已知數(shù)據(jù)代入式（7），計算整理得： 30D +18D-0.64L03.1.4結(jié)構(gòu)尺寸限制D2TL10(cm)3.2機(jī)械手的位置控制3.2.1 機(jī)械手幾何模型設(shè)計了一種五自由度機(jī)械手用于小型工業(yè)。該機(jī)械手的主要任務(wù)是，在給定點抓取柱狀物，從一個位置送至另一位置。該機(jī)械手幾何模型如圖3-2所示。其中，l為肩關(guān)節(jié)偏航自由度， 2為肩關(guān)節(jié)俯仰自由度，3為肘關(guān)節(jié)偏航自由度為， 4為腕關(guān)節(jié)偏航自由度，5為腕關(guān)節(jié)俯仰自由度。l、l分別為機(jī)械手上、下臂的長度，l為腕關(guān)節(jié)中

28、心到抓手中心的距離。3.2.2機(jī)械手運(yùn)動學(xué)模型1 運(yùn)動學(xué)方程假定機(jī)械手伸直狀態(tài)下所處位置為停止位置，根據(jù)D-H方法建立各坐標(biāo)系，如圖3-1所示；相應(yīng)的各連桿及關(guān)節(jié)的參數(shù)如表（一）。表（一）連 桿/（）adcossin136000102180l0-103180l0-10436000105180l0-10將參數(shù)代入D-H齊次變換矩陣得：T= （1）T= （2）T= （3）T= （4）T= （5）式中，T( i=1，2，5)為機(jī)械手兩相鄰連桿間第i個桿坐標(biāo)系相對于第i一1個桿坐標(biāo)系的齊次變換矩陣。將式(1)(5)相乘可得末端抓手坐標(biāo)系Oxyz相對于參考坐標(biāo)系Oxyz的齊次變換矩陣為:T= TTTTT

29、= （6） 式中： （7） （8） （9） （10） （11）式(6)即機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)方程。R=為旋轉(zhuǎn)變換矩陣,p=(p p p) 為平移變換矩陣。當(dāng)已知各關(guān)節(jié)變量的值時，可根據(jù)式(6)求出當(dāng)前的末端抓手的位置和姿態(tài)。2 逆運(yùn)動學(xué)問題在實際控制中，規(guī)定末端抓手的運(yùn)動軌跡，并從中得到每一時刻末端抓手在基座坐標(biāo)系中的位置表達(dá)式，即已知的是式(6)，要反求出相應(yīng)時刻各關(guān)節(jié)變量的表達(dá)式。根據(jù)式(1)(5)求出相應(yīng)的逆矩陣T(i=1，2，5)，依次左乘末端抓手的位置矩陣T ，得到方程組(12)： （12）聯(lián)立運(yùn)動學(xué)方程(1)(6)和方程組(12)可以求出各關(guān)節(jié)變量 (i=1，2，5)的解析解，這一組解具

30、有不唯一性，根據(jù)關(guān)節(jié)的作業(yè)要求、防止碰撞障礙物、防止受到機(jī)械約束等實際情況，可以得到各關(guān)節(jié)變量(i=1，2，5)的一組范圍: （13）在約束(13)的限制下可以得到逆運(yùn)動學(xué)問題的一組唯一解。3 微分關(guān)系 在機(jī)械手的運(yùn)動控制中，速度控制是必不可少的，所以有必要求出機(jī)械手各關(guān)節(jié)速度與末端抓手速度的關(guān)系。通常的方法是先求出機(jī)械手的雅可比矩陣J,再求出逆雅可比矩陣J，即可解出機(jī)械手各關(guān)節(jié)速度的解析式。設(shè)機(jī)械手關(guān)節(jié)速度向量為： （14）式中 (i：1，2，5)為關(guān)節(jié)變量的角速度，同時設(shè)末端抓手在基座坐標(biāo)系中的廣義速度向量為：= （15） 式中, ，分別為線速度和角速度分向量，用雅可比矩陣將式(14)，(

31、15)聯(lián)系起來即為機(jī)械手各關(guān)節(jié)角速度的解析式： （16）因所討論的機(jī)械手只有5個自由度，對應(yīng)的雅可比矩陣不是方陣，所以相應(yīng)的逆雅可比矩陣是一個廣義逆矩陣：J （17）式(17)的求取比較繁瑣，而且在工作空間的某些位置上，JJ變?yōu)槠娈愱?，無法求逆。所以，采用對逆運(yùn)動學(xué)解直接進(jìn)行微分的方法來得到關(guān)于的解析式。對于三角函數(shù)表達(dá)式，可以導(dǎo)出：(1) sin和cos的表達(dá)式時，有：d=cosd(sin)-sind(cos) (18) (2) 當(dāng)已知tan= 時，有:d= (19) 在求解逆運(yùn)動學(xué)方程解的過程中，不難得到各關(guān)節(jié)變量的三角函數(shù)表達(dá)式，再利用式(18)、(19)可以迅速求得關(guān)于的解析式。3.3

32、機(jī)械手的部分零件的設(shè)計及校核對機(jī)械手的主要零件進(jìn)行設(shè)計和校核，由于本課題中涉及的零件較多，計算時就以諧波減速器和大臂中的零件為例。其它部分的零件計算類似方法可以算出。3.3.1 諧波減速器的設(shè)計【25】1、結(jié)構(gòu)型式的選擇 根據(jù)設(shè)計要求：傳動比大、結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力大和傳動效率高。按照表23-1選?。簞傒哹固定、波發(fā)生器H輸入和柔輪g輸出的單級雙波傳動的結(jié)構(gòu)型式，其傳動簡圖如表23-1中的圖1所示。2、確定柔輪和剛輪的齒數(shù) 按照傳動比公式（23-9） 即可得柔輪的齒數(shù)zg為 剛輪齒數(shù)zb為 3、選取柔輪和剛輪的材料 根據(jù)對柔輪的強(qiáng)度和抗疲勞性的要求，由表26-3中選取柔輪的材料為30CrMnSi

33、A合金鋼（），剛輪的材料為45號剛（）。4、初步確定嚙合模數(shù)m按照設(shè)計公式（26-3）計算嚙合模數(shù)m，即 已知zg=200和T2=800Nm;根據(jù)諧波傳動的工作情況、載荷性質(zhì)和傳動要求，以及所選用的材料，現(xiàn)選?。狠d荷系數(shù)K=1.35，許用比壓pp=60N/mm2, 和ch=1.5代入上式可得其嚙合模數(shù)m為0.644mm現(xiàn)取模數(shù)m=0.8mm,符合表25-2中的標(biāo)準(zhǔn)值。5、選取柔輪和剛輪的結(jié)構(gòu)型式和計算其幾何參數(shù) 按照該諧波齒輪減速起的使用要求：結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、運(yùn)動精度高和效率高等。選取分體式筒形柔輪（見圖29-2）、環(huán)形內(nèi)齒剛輪（圖24-12（a）和凸輪式波發(fā)生器（圖24-20），且選取該

34、凸輪輪廓線形狀為標(biāo)準(zhǔn)橢圓（圖24-21）。柔輪的幾何參數(shù)：柔輪分度圓直徑 dg=mzg=0.8x200=160mm柔輪齒圈厚度 現(xiàn)取柔輪壁厚=2mm。柔輪殼體厚度 柔輪齒寬度 柔輪輪轂凸緣長度 柔輪長度 柔輪筒底凸緣直徑 柔輪輪齒過度圓角半徑 剛輪幾何參數(shù)： 剛輪分度圓直徑 剛輪齒圈壁厚 取剛輪外圓直徑 6、計算諧波傳動的嚙合參數(shù)和幾何尺寸 采用 25-3中所介紹的方法和公式（25-13）(25-23),計算其嚙合參數(shù)和幾何尺寸如下：徑向變形系數(shù) 式中 jmax最大間隙，jmax=jT+j0 因為，最大扭矩i=100和m=0.8mm。則得所以，即有其徑向變形系數(shù)為 則得柔輪的最大徑向變形量w0

35、為 柔輪的變位系數(shù) 剛輪的變位系數(shù) 0 柔輪的嚙入深度系數(shù) 即得柔輪的嚙入深度hn為 因嚙入深度系數(shù)，則可滿足傳遞動力的要求。柔輪齒根圓直徑dfg=dg-2m(ha*+c*-xg)選取：和（因模數(shù)m1mm）,則得 柔輪內(nèi)圓直徑 柔輪中性圓直徑 柔輪齒頂圓直徑 由圖25-2查得：，代入上式得且應(yīng)驗算下列條件 即 剛輪齒頂圓直徑 剛輪齒根圓直徑 按25-3中的公式（25-22a）和（25-22b）可得 制造中心距 插齒刀齒頂圓直徑則得 mm 再按公式（25-23）檢驗徑向間隙 即 上述驗算結(jié)果表明：柔輪與剛輪不會產(chǎn)生齒頂干涉。7、選取波發(fā)生器的結(jié)構(gòu)型式和計算其幾何尺寸 根據(jù)該諧波機(jī)構(gòu)的傳動性能要求

36、：傳動精度高、承載能力大、傳動效率高和輸入轉(zhuǎn)速較高以及制造精確等，現(xiàn)選用凸輪式波發(fā)生器。該波發(fā)生器的凸輪輪廓系選取標(biāo)準(zhǔn)橢圓的。其凸輪輪廓線方程為公式（24-31） 式中 從長軸開始的轉(zhuǎn)角； a凸輪橢圓的長半軸 柔性軸承的最大總徑向間隙，=0.066mm；柔性軸承內(nèi)徑d=120mm; b凸輪橢圓的短半軸 8、計算柔性軸承的幾何參數(shù)和壽命根據(jù)柔輪內(nèi)徑dr=159.65mm,按表24-1可得其柔性軸承的幾何參數(shù)為軸承外徑 D=160mm軸承內(nèi)徑 d=120mm徑向間隙 =0.0200.046mm鋼球直徑 d=14.228mm鋼球數(shù)目 z=21軸承寬度 B=24mm按照24-3中的有關(guān)公式，可得軸承外

37、圈滾道直徑 軸承內(nèi)圈滾道直徑 軸承內(nèi)、外圈厚度 9、柔輪的疲勞強(qiáng)度驗算 按公式（26-21）驗算柔輪的疲勞強(qiáng)度，即 式中 現(xiàn)選取：正應(yīng)力幅按公式（26-26）計算，即 選取系數(shù)和柔輪材料的彈性模量,則得 平均應(yīng)力 剪切應(yīng)力幅和平均剪切應(yīng)力幅為 式中，剪切應(yīng)力按公式（26-27）計算，即 選取Cr=0.478,且有柔輪的計算長度為 則得 由扭矩產(chǎn)生的剪切應(yīng)力按公式（26-28）計算 選取系數(shù)Kpr=1.6,且知：Tg=800Nm，則得 所以 已知：柔輪材料的玩去疲勞極限為和剪切疲勞極限為，則可得 和 所以 可見，柔輪滿足疲勞強(qiáng)度條件。再按公式（26-29）計算柔輪的承載能力，即式中 TgTg=8

38、00Nm柔輪的額定扭矩。10、諧波齒輪機(jī)構(gòu)的傳動效率計算按表27-1中的公式（3）計算其傳動效率，即 先計算損失系數(shù) 按公式（27-25）計算系數(shù) 取 。已知：，即得 則得損失系數(shù)為 所以，該諧波機(jī)構(gòu)的效率為 可見，該諧波齒輪減速器的傳動效率較高，滿足設(shè)計要求。諧波減速器的裝配圖如圖3-3. 圖3-3 諧波減速器裝配圖3.3.2 軸上的鍵校核1、與聯(lián)軸器配合的的鍵：與聯(lián)軸器配合的軸的尺寸為10mm，材料為45號鋼，其上有開有2 6的普通平鍵A 型的鍵槽。工作時由此鍵傳遞轉(zhuǎn)矩，對其進(jìn)行強(qiáng)度校核：=式中， 鍵連接時工作表面的擠壓應(yīng)力，MPa；T轉(zhuǎn)矩，N m m；d 軸的直徑，mm；l鍵的接觸長度，

39、mm;K鍵與輪轂的接觸高度，mm；許用擠壓應(yīng)力，MPa。帶入數(shù)據(jù)計算得：=33.333MPa200MPa，故滿足設(shè)計要求。2、與齒輪1 配合的鍵：與齒輪配合的普通平鍵鍵的尺寸為39。對其校核=8.23MPa200MPa，故滿足設(shè)計要求。3.3.3大臂中齒輪的設(shè)計機(jī)構(gòu)中的齒輪是開式齒輪，設(shè)計過程如下：（1）選擇材料和熱處理方式：為了使機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)緊湊，齒輪的傳動比為1：1.26，小齒輪的材料選用40Cr，大齒輪選用45，表面調(diào)質(zhì)處理，硬度HBS217-255。 得 630MPa。（2）許用應(yīng)力計算：=式中， 許用彎曲應(yīng)力； 齒輪材料的彎曲疲勞強(qiáng)度基本值； Y 抗彎強(qiáng)度計算的壽命系數(shù)；Y相對齒根圓角

40、敏感系數(shù)；Y相對表面狀況系數(shù)；Y 抗彎強(qiáng)度計算的尺寸系數(shù)；S F min 彎曲強(qiáng)度最小安全系查圖表計算各參數(shù)值： 630MPa，Y 2.5， Y 1，Y 0.9，Y X 1.0， S F min 1.25。計算得：=1134MPa（3）計算齒輪上的作用力：分度圓上的圓周力為：F=F= Ftan=111.11tan20=40.44N（4）按彎曲疲勞強(qiáng)度計算：m12.6式中，m齒輪模數(shù)；K載荷系數(shù)；T1 齒輪傳遞的額定轉(zhuǎn)矩；Y 復(fù)合齒形系數(shù)；齒寬系數(shù)；z齒數(shù)；許用彎曲應(yīng)力。查圖表計算各參數(shù)值，K=1.4，T180N m g ,Y FS 3.73，10， z 19，1134MPa，計算得：m12.6

41、=12.6考慮傳動形式為開式，應(yīng)增大齒輪得模數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)化后選擇齒輪的模數(shù)為m=2 精度為6級。（5）計算彎曲應(yīng)力：=式中， 計算彎曲應(yīng)力；F t 分度圓上圓周力；b齒寬；m模數(shù)；K使用系數(shù)；K 動載荷系數(shù)；K齒向載荷分布系數(shù)；K齒間載荷分布系數(shù)；Y 復(fù)合齒形系數(shù)；Y 抗彎強(qiáng)度計算的重合度與螺旋角系數(shù)。查圖表計算各參數(shù)值： F t 111.11N，b=11，m=2, K=1, K 1.05， K1.394，K1.1， Y 3.73，Y0.75。帶入公式計算得：= =22.75MPa,符合設(shè)計的要求。（6）計算齒輪的主要幾何尺寸： d=mz=219=38.00mmd= d+2m=38+22=42.0

42、0mmd=d-2.5m=38-2.52=33.00mma=1/2( d+d)=1/2(38+48)=43小齒輪的零件圖如3-4所示 圖3-4 小齒輪零件圖大齒輪的設(shè)計計算與上同，符合設(shè)計要求。3.3.4 軸的設(shè)計此軸是大臂中重要的零件，其上布置有主動齒輪和支撐的軸承。其結(jié)構(gòu)尺寸要滿足彎曲和扭轉(zhuǎn)的要求。a)軸的材料選45鋼，調(diào)質(zhì)處理硬度HBS217-255。其機(jī)械性能查表，得，=650MPa，360 MPa，270 MPa， 155 MPa，許用疲勞應(yīng)力 190MPa。b)、軸上力的計算：齒輪上的徑向力、圓周力為：F=F= Ftan=111.11tan20=40.44NN1 = N 2=36.7

43、5N ，阻力矩2 M 1 =M2 = 0.5N m，重力N 3 =20 N m，主動力矩M 0 =1N m。計算作用于軸水平=面上的力，由力學(xué)知識可得：R=53.90NR=57.21N計算作用于軸的豎直面上的力，由力學(xué)知識可得：R=6.98NR=N計算彎矩， M=36.7526.8-2013.4-40.4413=0.187NmM=2013.4+40.4413.8-36.7526.8=0.160Nm齒輪處：M=36.7513.8-36.7513-200.4=0.021Nm計算扭矩：T=T=T=0.5Nm計算當(dāng)量彎矩，M=A 點處：M(A)=0.354Nm齒輪作用集中處： M(F)=0.301Nm

44、B 點處：M(B)= =0.340Nmc)、軸的尺寸計算：按許用彎曲應(yīng)力計算軸頸：d=10=2.650mm考慮軸的結(jié)構(gòu)及軸上零件的定位，取軸頸為 dmin =10mmd)、校核軸的強(qiáng)度：齒輪作用處的當(dāng)量彎矩最大，對其進(jìn)行強(qiáng)度校核：=4.328MPa S ，故該軸截面是安全得的。軸的零圖如3-4所示：圖3-4 軸的零件圖3.3.5 軸上的軸承的選取及校核由設(shè)計計算可得兩處支撐力不大，有一定的軸向力，因此選擇深溝球軸承，型號為6002，采用ZL-1 通用鋰基潤滑脂潤滑。其基本額定動載荷 C r 5.58KN，基本額定靜載荷C0r2.85KN。預(yù)期使用壽命L h 10000h。對軸承受力分析計算：F

45、=F=因B軸承的徑向力較大，故只需對B軸承進(jìn)行校合因其所受的軸向力相對徑向力很小，故只需考慮徑向力對軸承的影響。軸承的當(dāng)量動載荷：P=XF+XF=157.52=57.52N壽命計算：L=式中， L 10h基本額定壽命；C基本額定動載荷；P當(dāng)量動載荷；f t 溫度系數(shù)；n轉(zhuǎn)速；壽命指數(shù)。帶入數(shù)據(jù)計算，得：L=15976h大于10000h，滿足設(shè)計要求。額定靜載荷校核計算：C式中， C 額定靜載荷；S 安全系數(shù)； P 當(dāng)量動載荷。C=2.85kN, 滿足設(shè)計要求。其它軸承照此計算符合要求。4 機(jī)械手的plc控制4.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則與步驟 4.1.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則 在

46、設(shè)計PLC控制系統(tǒng)時，應(yīng)遵循以下基本原則： n 最大限度地滿足控制要求 充分發(fā)揮PLC功能，最大限度地滿足被控對象的控制要求，是設(shè)計中最重要的一條原則。設(shè)計人員要深入現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)查研究，收集資料。同時要注意和現(xiàn)場工程管理和技術(shù)人員及操作人員緊密配合，共同解決重點問題和疑難問題。n 保證系統(tǒng)的安全可靠 保證PLC控制系統(tǒng)能夠長期安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，是設(shè)計控制系統(tǒng)的重要原則。n 力求簡單、經(jīng)濟(jì)、使用與維修方便 在滿足控制要求的前提下，一方面要注意不斷地擴(kuò)大工程的效益，另一方面也要注意不斷地降低工程的成本。不宜盲目追求自動化和高指標(biāo)。n 適應(yīng)發(fā)展的需要 適當(dāng)考慮到今后控制系統(tǒng)發(fā)展和完善的需要。4.1

47、.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的步驟 1）分析被控對象并提出控制要求 詳細(xì)分析被控對象的工藝過程及工作特點，了解被控對象機(jī)、電、液之間的配合，提出被控對象對PLC控制系統(tǒng)的控制要求，確定控制方案，擬定設(shè)計任務(wù)書。2）確定輸入輸出設(shè)備 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，確定系統(tǒng)所需的全部輸入設(shè)備（如：按紐、位置開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)及各種傳感器等）和輸出設(shè)備（如：接觸器、電磁閥、信號指示燈及其它執(zhí)行器等），從而確定與PLC有關(guān)的輸入/輸出設(shè)備，以確定PLC的I/O點數(shù)。3）選擇PLC PLC選擇包括對PLC的機(jī)型、容量、I/O模塊、電源等的選擇4）分配I/O點并設(shè)計PLC外圍硬件線路分配I/O點：畫出PLC的I/O點與輸入

48、/輸出設(shè)備的連接圖或?qū)?yīng)關(guān)系表。PLC外圍硬件線路：畫出系統(tǒng)其它部分的電氣線路圖，包括主電路和未進(jìn)入PLC的控制電路等。由PLC的I/O連接圖和PLC外圍電氣線路圖組成系統(tǒng)的電氣原理圖。到此為止系統(tǒng)的硬件電氣線路已經(jīng)確定。5）程序設(shè)計程序設(shè)計：1.控制程序；2.初始化程序；3.檢測、故障診斷和顯示等程序；4.保護(hù)和連鎖程序。模擬調(diào)試：根據(jù)產(chǎn)生現(xiàn)場信號的方式不同，模擬調(diào)試有硬件模擬法和軟件模擬法兩種形式。6）硬件實施設(shè)計控制柜和操作臺等部分的電器布置圖及安裝接線圖；設(shè)計系統(tǒng)各部分之。間的電氣互連圖；根據(jù)施工圖紙進(jìn)行現(xiàn)場接線，并進(jìn)行詳細(xì)檢查；由于程序設(shè)計與硬件實施可同時進(jìn)行，因此PLC控制系統(tǒng)的設(shè)

49、計周期可大大縮短7）聯(lián)機(jī)調(diào)試聯(lián)機(jī)調(diào)試是將通過模擬調(diào)試的程序進(jìn)一步進(jìn)行在線統(tǒng)調(diào)。聯(lián)機(jī)調(diào)試過程應(yīng)循序漸進(jìn)，從PLC只連接輸入設(shè)備、再連接輸出設(shè)備、再接上實際負(fù)載等逐步進(jìn)行調(diào)試。如不符合要求，則對硬件和程序作調(diào)整。通常只需修改部份程序即可。全部調(diào)試完畢后，交付試運(yùn)行。經(jīng)過一段時間運(yùn)行，如果工作正常、程序不需要修改，應(yīng)將程序固化到EPROM中，以防程序丟失。8）整理和編寫技術(shù)文件技術(shù)文件包括設(shè)計說明書、硬件原理圖、安裝接線圖、電氣元件明細(xì)表、PLC程序以及使用說明書等。本課題選用FX系列。FX系列是日本三菱公司后期的產(chǎn)品。三菱公司的可編程控制器分為F、F1、F2、FX2、FX0、FX0N、FX2C、F

50、X1N和FX q2N幾個系列。其系統(tǒng)配置靈活多便，它具有各種點數(shù)及各種輸出類型（繼電器、晶體管、晶閘管）的擴(kuò)展單元及擴(kuò)展模塊，要與基本單元自由混合配置，使系統(tǒng)有極高的靈活程度。FX的應(yīng)用領(lǐng)域包括：通用機(jī)械、汽車制造、立體倉庫、機(jī)床與工具、過程控制、控制與裝置儀表、紡織機(jī)械、包裝機(jī)械、控制設(shè)備制造、專用機(jī)械 。 多種級別(功能逐步升級)的CPU，種類齊全的通用功能的模板，使用戶能根據(jù)需要組合成不同的專用系統(tǒng)。當(dāng)控制系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大或變得更加復(fù)雜時，不必投入很多費(fèi)用。FX可編程控制器采用模塊化設(shè)計，性能范圍寬廣的不同模板可靈活組合，擴(kuò)展十分方便。任何時候只要適當(dāng)?shù)脑黾右恍┠０?，便能使系統(tǒng)升級和充分滿足

51、本課題的需要。 4.2 機(jī)械手的基本參數(shù)機(jī)器人是一種最先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng), 是實現(xiàn)柔性自動化中最典型的機(jī)電一體化裝置。機(jī)器人主要由控制箱和機(jī)械手兩大部分組成, 通過對控制器進(jìn)行編程控制, 由光電閉環(huán)伺服回路引導(dǎo)機(jī)械手末端手爪, 可以實現(xiàn)手爪對體的抓取和釋放。該機(jī)器人是關(guān)節(jié)型的機(jī)器人, 結(jié)構(gòu)簡單, 且全部采用開放式結(jié)構(gòu)。機(jī)械手具有5個自由度, 皆由步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動。我們采用新的控制器( PLC) , 同時編制控制程序, 從而實現(xiàn)起功能。由5個電機(jī)控制的機(jī)械手,如圖4-1所示，可使手爪在其工作范圍內(nèi)運(yùn)動到達(dá)任意位置。手爪位置矢量r0 可由機(jī)械手的各臂的長度和各關(guān)節(jié)的角度計算出來。被抓取的物體的位置矢量r

52、2 可以表示為:r2 = r0 (1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6) + r1 (x ,y ,z , l)其中;n ( n = 1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6) 為第n 個關(guān)節(jié)的角;x ,y ,z 為手爪的方位坐標(biāo); l 為手爪到目標(biāo)位置的距離。原始數(shù)據(jù)：S軸360度回轉(zhuǎn)，L軸左右擺動，U軸上下擺動，R軸回轉(zhuǎn)，B軸上下擺動。技術(shù)要求：1）總臂長度小于500mm 2）電機(jī)功率小于100w 3）L軸小于350mm 4）R軸小于250mm系統(tǒng)工作時, 各光電編碼器輸出一系列與電動機(jī)轉(zhuǎn)動角度信號相對應(yīng)的脈沖信號, 經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路將序列脈沖電壓信號轉(zhuǎn)換為PLC可以接收的開關(guān)信號, 在PLC 內(nèi)部經(jīng)過計數(shù)

53、器計數(shù)后得到每一個電機(jī)實際的轉(zhuǎn)角信號, 運(yùn)行PLC控制程序, 獲得所需輸出, 再通過外電路由PLC 的輸出信號來控制電動機(jī)正反轉(zhuǎn)的啟動及停止, 以實現(xiàn)規(guī)定的機(jī)械手的動作。4.3 機(jī)械手的控制器根據(jù)機(jī)器人機(jī)械手控制的特點, 我們采用了日本三菱公司生產(chǎn)的可編程序控制器作為機(jī)器人的控制器, 這種控制器具有40個輸入點、40個輸出點。滿足機(jī)械手5個步進(jìn)電機(jī)位置測量及控制的要求。系統(tǒng)控制的電路如圖4-2 所示。包括4 部分: 光電編碼器、輸入接口電路、PLC、輸出接口電路。位置檢測與輸入接口電路位置反饋信號是通過光電編碼器而得到, 每個步進(jìn)電機(jī)輸出軸上都裝有光電編碼器, 通過它實現(xiàn)光電脈沖轉(zhuǎn)換及對電機(jī)的

54、轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測, 光電編碼器主要是由控制電路板、紅外光電耦合器及遮光盤組成, 紅外光電耦合器為塑封雙列直插式結(jié)構(gòu), 固定于槽形框內(nèi), 遮光盤固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上, 遮光盤為5孔均勻圓周分布的金屬盤。光電編碼器原理電路圖如圖4-2 所示。其中, R3 用于調(diào)節(jié)發(fā)光二極管的工作電流,以保證發(fā)光二極管發(fā)出的紅外光具有足夠的強(qiáng)度。R1、R2 用于調(diào)節(jié)A、B 相的光敏接收管的工作電流,以確保光耦合器件正常工作。當(dāng)總線通電時, 光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)出不可見紅外線光, 通過旋轉(zhuǎn)的遮光盤的通孔而被光敏器件接收, 光敏器件兩端由截止變?yōu)閷?dǎo)通, 兩端電壓發(fā)生相應(yīng)變化, 從A、B 輸出脈沖信號。光電碼盤旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生6 個相位差為30。的A、B 兩相6 個脈沖。正、反向測速A、B 兩相脈沖波形如圖4-3 所示。從A、B 輸出的脈沖信號為電平信號, 不能直接連接到PLC 的輸入端。還要經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路將電平信號轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號, 再送入PLC 輸入端。圖2 中IC、R4、T1 就是為此而設(shè)計的計數(shù)接口電路。IC 是一個異或門, 將兩路脈沖