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1、自動焊接機械手設計 1 緒論 1.1 技術(shù)概述 工業(yè)機器人由操作機（機械本體）、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。 機器人技術(shù)是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術(shù)，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。 機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長

2、和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務性設備，也是先進制造技術(shù)領域不可缺少的自動化設備。 1.2 現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢 國外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢： (1)工業(yè)機器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10．3萬美元降至97年的6．5萬美元。 (2）機械結(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、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模

3、塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。 (3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化；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、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行環(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)中已有成熟應用。 (5)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作

4、者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 (6)當代遙控機器人系統(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器人的人機交互控制，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)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。 (7)機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”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用的領域。 我國的工業(yè)機器人從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器人操作機的設計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟

5、件設計技術(shù)、運動學和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；其中有130多臺套噴漆機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)模應用，弧焊機器人已應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應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；機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；在應用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約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器人產(chǎn)業(yè)，當前我國的機器人生產(chǎn)都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規(guī)格多、批量小、零

6、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)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。 我國的智能機器人和特種機器人在“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器人，6000米水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種；在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術(shù)的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎。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)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應用方面則

7、剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，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，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。 1.3 “十五”目標及主要研究內(nèi)容 1.3.1目標 中國工業(yè)機器人現(xiàn)在的總裝機量約為1200臺，其中國產(chǎn)機器人占有量約為1/3，即400多臺。與世界機器人總裝機臺數(shù)75萬臺相比，中國總裝機量僅占萬分之十六。對中國這樣一個12億人口的大國來說，差距是很明顯的。裝機數(shù)量少，說明了我國的工業(yè)化程度與工業(yè)發(fā)達國家的差距大。因為工業(yè)機器人的誕生和應用發(fā)展是以工業(yè)生產(chǎn)高度自動化和柔性化為大背景的。除數(shù)量外，差距還表現(xiàn)在已有的機器人的利用率不高，

8、以進口的弧焊機器人為例，據(jù)調(diào)查，完全正常運轉(zhuǎn)，充分發(fā)揮效益效益的只占1/3；另外1/3處于負荷不滿或不能安全正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)，原因是生產(chǎn)管理及使用維護存在不合理現(xiàn)象或問題；還有1/3不能正常使用，這是由于機器人質(zhì)量問題或缺乏備件，以及請不起外方維修人員造成的。機器人應用效果不理想，直接影響了用戶使用更多機器人的信心。 我國有組織有計劃地發(fā)展機器人事業(yè)，應該說是從“七五”期間的科研攻關(guān)及實施“863計劃”開始的，經(jīng)過十幾年來的研制、生產(chǎn)、應用，從縱向看，有了長足的進步。目前在一些機種方面，如噴涂機器人、弧焊機器人、點焊機器人、搬運機器人、裝配機器人、特種機器人(水下、爬壁、管道、遙控等機器人)，基

9、本掌握了機器人操作機的設計制造技術(shù)，解決了控制，驅(qū)動系統(tǒng)的設計和配置、軟件的設計和編制等關(guān)鍵技術(shù)，還掌握了自動化噴漆線、弧焊自動線(工作站)及其周邊配套設備的全線自動通信、協(xié)調(diào)控制技術(shù)；在基礎元件方面，諧波減速器、機器人焊接電源、焊縫自動跟蹤裝置也有了突破；于此同時造就了一支具有一定水平的技術(shù)隊伍。無疑，從技術(shù)方面來說，我國的機器人技術(shù)在世界機器人界已有一席之地，奠定了獨立自主發(fā)展中國機器人事業(yè)的基礎；從社會經(jīng)濟角度來看，我國機器人技術(shù)的發(fā)展，為中、外機器人產(chǎn)品打開中國市場準備了物質(zhì)和人員條件。 根據(jù)國內(nèi)外機器人發(fā)展的經(jīng)驗、現(xiàn)狀及近幾年的動態(tài)，結(jié)合當前國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展的具體情況，“十五”期間機器

10、人技術(shù)應重點開展智能機器人、機器人化機械及其相關(guān)技術(shù)的開發(fā)及應用；開展以機器人為基礎的重組裝配系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)的開發(fā)研究及加強多傳感器融合及決策、控制一體化技術(shù)及應用的研究。重點解決我國已研制應用多年的示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人的產(chǎn)業(yè)化前期關(guān)鍵技術(shù)，大力推進其產(chǎn)業(yè)化進程，力爭在“十五”末期實現(xiàn)噴涂、焊接、裝配等機器人的產(chǎn)業(yè)化。 1.3.2主要研究內(nèi)容 （1）示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究 ①關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機器人產(chǎn)品標準化、通用化、模塊化、系列化設計。 ②柔性仿形噴涂機器人開發(fā)：柔性仿形復合機構(gòu)開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)，整機安全防爆、防護技術(shù)開發(fā)，高速

11、噴杯噴涂工藝研究。 ③焊接機器人（把弧焊與點焊機器人作為負載不同的一個系列機器人，可兼作弧焊、點焊、搬運、裝配、切割作業(yè)）產(chǎn)品的標準化、通用化、模塊化、 系列化設計。 ④弧焊機器人用激光視覺焊縫跟蹤裝置的開發(fā)：激光發(fā)射器的選用，CCD成象系統(tǒng)，視覺圖象處理技術(shù)，視覺跟蹤與機器人協(xié)調(diào)控制。 ⑤焊接機器人的離線示教編程及工作站系統(tǒng)動態(tài)仿真。 ⑥電子行業(yè)用裝配機器人產(chǎn)品標準化、通用化、模塊化、系列化設計。 ⑦批量生產(chǎn)機器人所需的專用制造、裝配、測試設備和工具的研究開發(fā)。 （2）智能機器人開發(fā)研究 ①遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成和控制策略研究 包括建模－遙控機器人模型，人行為模型，人控制

12、動態(tài)建模，圖形仿真建模，虛擬工具和虛擬傳感器建模；以人為主體的人機共享規(guī)劃與控制；局部自治控制；多傳感融合技術(shù)；雙向力反應控制；知識庫的建立，學習與推理方法；人機交互的高級控制技術(shù)；虛擬現(xiàn)實（VR）控制與真實世界控制的相互關(guān)系；監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。 ②智能移動機器人的導航和定位技術(shù)研究 包括導航和定位系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；在結(jié)構(gòu)環(huán)境或非結(jié)構(gòu)環(huán)境中導航和定位方法研究；感知系統(tǒng)的傳感器和信息處理系統(tǒng)的構(gòu)成；根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)建立環(huán)境模型的方法；模糊邏輯的推理方法用于移動機器人導航的研究。 ③面向遙控機器人的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng) 包括人機交互圖形生成及其程序設計；遙控機器人（載體和機械手）幾何動態(tài)圖形建模；遙控操

13、作環(huán)境圖形建模；遙控機器人操作與數(shù)據(jù)的獲??；虛擬傳感器及基于虛擬傳感器的雙向力反應、反饋控制；面向任務的虛擬工具；基于虛擬現(xiàn)實的遙控操作的理論與方法；基于VR模型操作和真實世界操作的可切換、相容性和可交換性；VR監(jiān)控系統(tǒng)。 ④人機交互環(huán)境建模系統(tǒng) 包括CAD建模中的人機交互技術(shù)；求知模型工件的反示過程中的交互技術(shù)；機器人與環(huán)境的布局及功能驗證中的交互技術(shù)；傳感器數(shù)據(jù)處理中的交互技術(shù)；機器人標定、運動學建模、動力學建模中的交互技術(shù)。 ⑤基于計算機屏幕的多機器人遙控技術(shù) 包括三維立體視覺建模；模型的計算機顯示；遙控機器人模型的控制；人機接口；網(wǎng)絡通訊。 （3）機器人化機械研究開發(fā) ①并

14、聯(lián)機構(gòu)機床（VMT）與機器人化加工中心（RMC）開發(fā)研究 包括VMT與RMC智能化結(jié)構(gòu)實現(xiàn)技術(shù)；VMT與RMC關(guān)鍵傳動實現(xiàn)技術(shù)；VMT與RMC加工、裝配、擺放、涂膠、檢測作業(yè)技術(shù)；VMT與RMC監(jiān)控檢測技術(shù)開發(fā)；VMT與MRC智能化開式CMC控制系統(tǒng)開發(fā)；系統(tǒng)軟件和應用軟件開發(fā)；智能化機構(gòu)、材料機電一體化技術(shù)；作業(yè)狀態(tài)變量智能化傳感技術(shù)；機電一體化的多功能及靈巧作業(yè)終端；通用智能化開式CNC控制硬軟件系統(tǒng)；并聯(lián)機構(gòu)運動學及動力學理論；RMC智能控制理論；VMT與RMC典型應用工程開發(fā)。 ②機器人化無人值守和具有自適應能力的多機遙控操作的大型散料輸送設備 包括散料輸送系統(tǒng)監(jiān)控和遙控操作的傳

15、感器融合和配置技術(shù)；采用智能傳感器的現(xiàn)場總線技術(shù)；機器人運動規(guī)劃在等量堆取料、自主操作中的應用；基于廣域網(wǎng)的遠程實時通訊；具有監(jiān)測和管理功能的故障診斷系統(tǒng)。 （4）以機器人為基礎的重組裝配系統(tǒng) ①開放式模塊化裝配機器人 包括通用要素的提?。粚Ｓ眉藴驶?；裝配機器人模塊CAD設計；通用主流計算機構(gòu)造的控制器；人機界面方式；網(wǎng)絡功能。 ②面向機器人裝配的設計技術(shù) 包括數(shù)字化裝配與CAD集成技術(shù)；產(chǎn)品機器人化裝配規(guī)劃生成技術(shù)；產(chǎn)品可裝配性模糊評價。 ③機器人柔性裝配系統(tǒng)設計技術(shù) 其中單元技術(shù)：供料系統(tǒng)智能化設計、末端執(zhí)行器快速執(zhí)行、物流傳輸及其控制與通訊；集成技術(shù)：柔性裝配線仿真軟件、

16、管理系統(tǒng)。 ④可重構(gòu)機器人柔性裝配系統(tǒng)設計技術(shù) 開展基于任務和環(huán)境的動態(tài)重構(gòu)機器人柔性裝配系統(tǒng)理論研究；系統(tǒng)基于自治體（Agent）的分布式控制技術(shù)及系統(tǒng)各單元體間的協(xié)作規(guī)劃。 ⑤裝配力覺、視覺技術(shù) 包括高精度、高集成化六維腕力傳感技術(shù)；視覺識別與定位技術(shù)。 ⑥智能裝配策略及其控制 包括裝配 狀態(tài)實時檢測和監(jiān)控；裝配順序和路徑智能規(guī)劃及控制技術(shù)。 （5）多傳感器信息融合與配置技術(shù) ①機器人的傳感器配置和融合技術(shù)在水泥生產(chǎn)過程控制和污水處理自動控制系統(tǒng)中的應用 包括面向工藝過程的多傳感器融合和配置技術(shù)；采用智能傳感器的現(xiàn)場總線技術(shù)；面向工藝要求的新型傳感器研制。 ②機電一

17、體化智能傳感器 包括具有感知、自主運動、自清污（自調(diào)整、自適應）的機電一體化傳感器研究；面向工藝要求的運動機構(gòu)設計、實現(xiàn)檢測和清污的自主運動；調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)；機器人機構(gòu)和控制技術(shù)在傳感器設計中的應用 1.4．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段及途徑： 根據(jù)不完全統(tǒng)計,我國擁有點焊機器人集成系統(tǒng)的廠家約20余家。這些焊接機器人集成系統(tǒng),全部是進口的。包括:igm、Cloos、ABB、及3K等廠家的產(chǎn)品。設備購置費用很高，應用卻不理想。 1.4.1應用的具體情況如下： 1）幾條焊接機器人柔性生產(chǎn)線，全部不能實現(xiàn)設計功能。較好的生產(chǎn)線，做單機使用；應用較差的生產(chǎn)線，差到千余萬元的設備

18、，一次沒有應用。 2）焊接機器人單機也沒有達到設計要求。 1.4.2焊接機器人應用效果不良的原因 1）在工藝設計中，對設備選型沒有深入研究，以為機器人是“萬能”的。選擇的焊件，幾十點甚至百點焊點，即使機器人具有起始點尋找和跟蹤能力，由于待焊焊點的偏差，機器人在完成焊接20-30%，或者40-50%焊接后，夾持的焊槍就可能偏離焊點了。有這樣一個設計，要求用一條機器人柔性焊接生產(chǎn)線，完成推土機幾個大焊件的焊接，這幾乎是不可能的。 2）焊坯制造精度低。焊接的前序，存在兩個問題：一是下料精度低，達不到要求；二是組對精度低。由于切割下料的熱變形，焊件的板坯誤差較大。下道工序又在低精度的搭焊模上組

19、對，制坯。這樣，生產(chǎn)的焊坯，其待焊焊點的互換性很差，滿足不了示教精度要求。筆者目睹，其主梁6條主要待焊焊點的間隙，大小相差10mm之多。進口的機器人，就在車間里，沒法使用。 本課題擬在焊接機器人現(xiàn)有基礎上對其的機械部分進行適當合理的調(diào)整，在市場需求和性價比高的前提下，采用目前先進的步進（伺服）電機、位置檢測裝置、先進的設 計理念等使其更能為其完全實行自動化奠定基礎。 自動焊接設備的焊接執(zhí)行部件，擬采用旋轉(zhuǎn)副驅(qū)動方式。因旋轉(zhuǎn)副摩擦力小于移動副摩擦力，運動靈活，可以靈活改變焊槍的姿態(tài)，更適用于全方位自動焊接。驅(qū)動同樣的焊接執(zhí)行部件，電動機功率可以減小，進而減輕焊接機頭的質(zhì)量。焊槍位置傳感器盡

20、量安裝在末級減速軸上，直接檢測焊槍的位置和姿態(tài)。這樣的安裝方式，不存在國內(nèi)外全自動焊接設備通過間接方式檢測焊槍位置的問題，控制精度更高。全自動焊機設備上的存儲器，存儲焊點跟蹤控制程序和部分焊接參數(shù)，更多的焊接參數(shù)存儲在焊接電源內(nèi)，以利于發(fā)揮焊接電源生產(chǎn)廠家的技術(shù)優(yōu)勢。 對焊槍的驅(qū)動擬采用步進電機。步進電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖信號轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動的電磁執(zhí)行元件，它本身所特有的高精度、無漂移、無累計誤差等優(yōu)點，使他成為目前機電一體化產(chǎn)品中，唯一能使用開環(huán)控制技術(shù)的伺服和執(zhí)行的元件。目前，高精度步進電機驅(qū)動技術(shù)已十分成熟，且具有控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、成本低廉的優(yōu)點。步進電機不是電壓控制型元件

21、，而是頻率型控制元件。步進電機轉(zhuǎn)動的快慢、角度決定于數(shù)字脈沖信號的頻率。即使放大器的“零漂移”使控制信號的幅度改變，也不會改變步進電機的轉(zhuǎn)速。而采用計算機產(chǎn)生的控制信號是很穩(wěn)定的。因此，擬采用步進電機，以使焊槍的位移更準確。 2焊接機械手設計的總體構(gòu)想 2.1 焊接機械手的組成 所謂焊接機器人，一般指6軸機器人本體，夾持重量為6kg，也就有6個自由度：X，Y，Z用于定位，偏轉(zhuǎn)l)角用于定向，能夠沿著三維曲線運動，到達任意角度的任意位置；另外，還包括一套控制系統(tǒng)和焊接系統(tǒng)（焊接電源、焊槍、焊接軟件系統(tǒng)等）。為完成一項點焊機器人工程，除需要點焊機器人以外，還需要使用的后邊設備。點焊機器人與周

22、邊設備組成的系統(tǒng)，稱點焊機器人集成系統(tǒng)。 經(jīng)濟型點焊機器人主要應用在焊點分布簡單，焊接工作量大，焊接勞動強度大、焊接環(huán)境惡劣的工作。一般焊接機器人要求周邊設備的傳動精度偏高。 圖2.1 自動焊接設備的結(jié)構(gòu) 整機結(jié)構(gòu)：自動焊接設備由焊接機頭、行走環(huán)行導軌、控制系統(tǒng)組成，結(jié)構(gòu)上個為一體。（如上圖2.1） 控制系統(tǒng)：包括微型計算機（或筆記本電腦）和控制箱，微型計算機由朱基、鍵盤、顯示器、輸入設備、輸入輸出接口等組成；控制箱由輸入輸出接口電路、功率驅(qū)動電路和焊槍位置控制的各種模板組成。 焊槍位置控制：采用焊槍位置信號、送死控制模板、弧壓控制模板、機械電弧擺動模板等實現(xiàn)焊槍位置的控制。

23、在管道全方位自動焊接時，生產(chǎn)工人需要跟隨焊接機頭對焊槍位置作適當?shù)恼{(diào)整。 焊槍作業(yè)方式: 焊接電源：控制焊接工藝參數(shù)的旋鈕、按鍵都集中在控制盒或焊接機頭上，通過旋鈕、按鍵操作改變焊接工藝參數(shù)，因此，弧焊電源是一個專用的焊接電源。 對成熟焊接工藝的繼承和再現(xiàn)：焊接執(zhí)行部件是焊接機頭，其在焊接過程中應作多種復合遠動，是焊槍保持一定的姿態(tài)。但受焊接機頭運動自由度的限制，不易實現(xiàn)多種的復合遠動。因此，焊接工藝參數(shù)的制定需要工藝試驗，一般采用分段法，需要生產(chǎn)工人跟隨焊接機頭對焊槍位置作適當?shù)恼{(diào)整，對成熟焊接工藝的繼承和再現(xiàn)性差。 2.2 總體方案的確定 所謂的方案，就是為了實現(xiàn)某種運動而專門

24、對裝置本身作出的總體實現(xiàn)思路和具體的實踐內(nèi)容。 機械手系統(tǒng)總體方案的內(nèi)容包括：系統(tǒng)運動方式的確定，伺服系統(tǒng)的選擇，執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動方式的確定，計算機系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。應根椐設計任務和要求提出系統(tǒng)的總體方案，對方案進行總體分析和論證，最后確定總體方案。 系統(tǒng)運動方式的確定： 焊接機械手按運動方式已經(jīng)由題目歸定好了，選用5軸聯(lián)動式。 伺服系統(tǒng)的選擇： 旋轉(zhuǎn)、擺動機構(gòu)采用開環(huán)控制系統(tǒng)，選用快速步進電機。開環(huán)控制系統(tǒng)無檢測元件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，造價低，調(diào)整和維修都容易。 執(zhí)行機構(gòu)傳動方式的確定： 為保證系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性，在設計機械傳動裝配時，應考慮以下幾點： （1）盡量采用

25、低摩擦的傳動和導向元件。 （2）盡量消除傳動間隙。 （3）縮短傳動鏈。縮短傳動鏈可以提高系統(tǒng)的傳動剛度，減小傳動誤差?？梢圆捎妙A緊以提高系統(tǒng)的傳動剛度。例如，在絲杠的兩支承端軸向固定，并加預緊拉伸的結(jié)構(gòu)等來提高傳動剛度。 2.2.1總體布局的確定 總體布局就是解決裝置各個部件間的相對運動和相對位置，并使裝置有一個協(xié)調(diào)完美的造型。 總體布局的依據(jù)：工件尺寸、形狀、重量、加工方法及工藝要求。 本課程設計的題目為5軸機械手，其運動機構(gòu)為擺動機構(gòu)及其減速機構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)。其總體布局有如下圖2.2 裝置的總體布局要通過聯(lián)系尺寸來體現(xiàn)，聯(lián)系尺寸也是結(jié)構(gòu)設計的關(guān)鍵。初步確定的聯(lián)系尺寸是個部件的設

26、計依據(jù)，并通過部件的設計，還應對聯(lián)系尺寸進行必要的修改，最后確定裝配總圖。 聯(lián)系尺寸包括： (1).機械手的外型尺寸，長寬高，及個部分的輪廓尺寸。 (2).各部件的連結(jié)、配合和相關(guān)位置尺寸。 (3).移動部件的行程和極限位置，調(diào)整位置。 (4).驅(qū)動裝置和控制器以及執(zhí)行器的位置和間距等。 圖2.2 運動簡圖如下: 圖2.3 2.2.2設計的具體步驟 選定總體方案后，初確定執(zhí)行件的材料、大小或型號，計算出步進電機的最大輸出轉(zhuǎn)矩，選擇步進電機的型號。由電機的輸出轉(zhuǎn)矩來校核執(zhí)行件的強度，并最后 確定其基本尺寸的大小。 選定執(zhí)行件的支撐件并進行強度校核或壽命計算。其它

27、一些輔助支承、固定、連接件等，都可查手冊進行選擇。 關(guān)于轉(zhuǎn)動慣量的計算參閱了《理論力學》第五版下冊95頁，強度校核參閱《材料力學》和《機械設計》第三版，選取步進電機參閱了《機電傳動控制》第三版359頁 減速機構(gòu)的確定：擬采用少齒差行星齒輪減速器。少齒差傳動包括漸開線少齒差、擺線少齒差、圓弧少齒差、活齒少齒差傳動等。H型星輪減速器（JB/T 8712-1998）代替原混合少齒差星輪減速器屬于少齒差漸開線行星輪傳動，具有體積小，承載能力高，傳動比寬、密，效率高，壽命長，傳動平穩(wěn)，允許高速輸入的特點。 工作條件：輸入轉(zhuǎn)速28B型以下≤3000r/min, 40B型以下≤1800r/min, 4

28、5B型以下≤1000r/min, Y型以下≤1500r/min;公稱轉(zhuǎn)矩2.107—588kNm;傳動功率0.25—2000kW;工作溫度-40--45℃，低于0℃時，啟動前潤滑油應預熱，高于45℃時采用降溫措施。 錐齒輪或連桿的設計可參閱《機械設計》的相關(guān)內(nèi)容，進行設計。然后將擺臂和減速齒輪的轉(zhuǎn)動慣量折算成驅(qū)動電機輸出軸的負載慣量，由其轉(zhuǎn)動慣量計算出電機輸出軸的負載轉(zhuǎn)矩。根據(jù)負載轉(zhuǎn)矩選取驅(qū)動電機的型號。 微機控制系統(tǒng)硬件部分設計： 首先繪制出系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖，然后選擇中央外理單元CPU的類型，再根據(jù)CPU的特點，依最小系統(tǒng)和控制電路的需要，設計出它的外部擴展電路。例如外部擴展I/

29、O電路、檢測電路、轉(zhuǎn)換電路及驅(qū)動電路等，并選擇控制電路中各個電氣元件的參數(shù)和型號。繪制出完整的電氣原理圖。 軟件的設計：畫出程序流程圖，包括總的程序流程圖、控制電機的控制子程序流程圖和中斷報務子程序流程圖。 確定系統(tǒng)脈沖當量：脈沖當量是步進電機驅(qū)動的機械手上的移動部件，在每一個進給脈沖發(fā)出后，其相對位移量。脈沖當量的大小是由機械手的精度確定的。本設計的脈沖當量是 0.1mm。 在絲杠螺母副的傳動系統(tǒng)中，系統(tǒng)中的脈沖當量 與步進電機的步距角 、絲杠螺距 t(mm)及系統(tǒng)傳動比 i之間的關(guān)系為 (3-1) 1.確定控制電機 1).數(shù)控裝置對伺服系統(tǒng)的基本要求是輸出能夠迅速而精確的響應輸

30、入的變化。具體的說有以下幾點： (1).穩(wěn)定性：伺服系統(tǒng)在其工作范圍內(nèi)應是穩(wěn)定的。 (2).精度：伺服系統(tǒng)能在比較經(jīng)濟的情況下達到給定的精度。 (3).快速響應：系統(tǒng)輸出響應速度要盡可能的快。 (4).靈敏度：系統(tǒng)對參數(shù)的變化靈敏度要小，就是說系統(tǒng)性能應下受參數(shù)的變化的影響。 (5).抗干撓能力：系統(tǒng)應有很好的抵抗外部負載干撓和環(huán)境噪聲影響的能力。 由于機械手的工作情況，所選取的伺服電機應該具有的基本特點是： 調(diào)速范圍寬，伺服電機應滿足調(diào)速要求。 負載特性硬，在調(diào)速范圍內(nèi)電機應有足夠的驅(qū)動力矩。 動態(tài)響應快。 2)步進電機的選擇 (1).步進電機的類型的確定 數(shù)控

31、伺服系統(tǒng)中常用的步進電機有快速步進電機和功率步進電機。快速步進電機的輸出轉(zhuǎn)距一般為：0.007NM---4NM?？梢杂脕砜刂菩⌒偷臄?shù)控裝置。功率步進電機的輸出轉(zhuǎn)距一般為：5NM---40NM。可以直接用來驅(qū)動大型的數(shù)控裝置。 此外，按勵磁相數(shù)可分為三相、四相、五相、六相等。相數(shù)越多步距角越小，但結(jié)構(gòu)也越復雜。在選擇步進電機時，首先要確定步進電機的類型。 (2).步進電機步距角的選擇 步進電機的步距角β是步進電機的主要性能指標之一。不同的場合 ，對步距角大小的要求不同。它的大小直接影響著步進電機的啟動和運行頻率，因此在選擇步進電機時，應使其步距角β小于或等于系統(tǒng)對步進電機最小轉(zhuǎn)角的要求，

32、 即，步距角應滿足 (3-2) 式中， -----傳動比 ------負載要求的最小位移量，（或稱之為脈沖當量，即每一個脈沖所對應的負載軸的位移增量）。 (3).最大靜轉(zhuǎn)矩 負載轉(zhuǎn)矩和最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為 (3-3) 為保證步進電機在系統(tǒng)中正常工作，還必須滿足 式中 -----步進電機啟動轉(zhuǎn)矩 -----最大負載轉(zhuǎn)矩 通常取 =/(0.3----0.5) (3-4) (4).負載啟動頻率： 步進電機的負載啟動頻率由下式計算 式中 ------系統(tǒng)中移動部件的最大啟動速度 -----系統(tǒng)脈沖當量 只要負載啟動頻率不大于允許的最大啟動頻率即可。 (5

33、).最大運行頻率的確定 由于步進電機在運行時，驅(qū)動力矩隨著頻率的增加而下降，因而必須按工作時的負載力矩T從“運行矩頻特性曲線”中查出最大運行頻率(Hz)。假設系統(tǒng)在工作負載情況下的最大速度為(m/min)，系統(tǒng)脈沖當量為 (mm)，則步進電機在工作負載情況下的最大允許工作頻率 為： = (3-5) 2.3 傳動和執(zhí)行件的選擇 2.3.1絲杠螺母副 (1).主要確定絲杠的外徑d，及長度，選擇螺紋的類型，牙型角β，計算出螺紋中徑d2，螺紋升角φ，定出螺距P，求出螺紋導程S?？捎孟率竭M行計算 螺紋升角φ： (3-6) 式中 ----螺紋數(shù)，一般取 =1 ----螺距 導程 則

34、 再利用下式計算出絲杠的質(zhì)量，以及螺母的質(zhì)量。 (2). 電動機啟動、加速時的負載扭矩 通過下式計算出電動機啟動、加速時的負載扭矩： (3-7) 式中 --- ----絲杠的轉(zhuǎn)動慣量 (3-8) 此公式也用來計算齒輪等圓形零件的轉(zhuǎn)動慣量 ------由電機軸到絲杠一級齒輪減速器的傳動比， -----絲杠上的齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 -----絲杠啟動的角加速度 -----電機軸上齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 -----電機啟動的角加速度 -----螺母作用在絲杠上的扭矩 其中， =/ 式中 -----螺母的線加速度 =S -----螺母與絲杠間的磨擦系數(shù)，一般取=0

35、.1---0.3 還要計算出夾緊力對絲杠的扭矩： (3-9) 式中 F------夾緊力 將折算到電機軸上去： (3).絲杠及軸類零件的強度校核： 軸類零件的強度校核可以依據(jù)下式來進行計算 (3-10) (3-11) 式中 ------軸傳遞的功率（kW） ------扭應力(MPa) -----軸的抗扭截面系數(shù)() ------軸的轉(zhuǎn)速(r/min) C-------常數(shù)，見表3-2 -----許用應力(MPa)，見表3-2 -----零件中的最小直徑(mm) T--------軸承受的轉(zhuǎn)矩,T=P*9.55*1000000/n 表2.1 軸常用的幾種材

36、料的及C值 軸的材料 Q235，20 35 45 40Cr,35SiMn, 38SiMnMo,2Cr13 /MPa 12—20 20—30 30—40 40---52 C 160—135 135--118 118—106 106---98 2.3.2齒輪、齒條、蝸輪、蝸桿 (1).關(guān)于齒輪、齒條、蝸輪、蝸桿的設計，在《機械設計》第三版中有詳細的說明，其中主要是確定它的幾個重要的參數(shù)，如齒輪、齒條的分度圓直徑、齒頂高等；蝸輪的分度圓直徑、喉圓直徑、齒根圓直徑等。在選出電機后，還需要對這些傳動件和運動件進行校核。 (2).多級變速機構(gòu)轉(zhuǎn)動慣量的折算 在選擇擺

37、動機構(gòu)的驅(qū)動電機時，需要將擺臂、轉(zhuǎn)塔、各級齒輪（或蝸輪）及其輪軸（或蝸桿）的轉(zhuǎn)動慣量折算到電機軸上。轉(zhuǎn)動慣量的折算： (3-12) 式中 -----擺臂相對于腰部的轉(zhuǎn)動慣量 -----腰部的轉(zhuǎn)動慣量 -----與腰部相連的軸及其上的轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)動慣量 -----次級輪軸及其上的齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 -----電動機軸上的齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 式中 為擺臂的長度 -----軸1的質(zhì)量，為半徑 -----軸1上的齒輪質(zhì)量，為 齒輪半徑 以后的各級轉(zhuǎn)動輪軸的轉(zhuǎn)動慣量的計算方法，與的算法相同。上式是在不考慮機械效率的情況下進行的折算。若要考慮機械效率，則應在減速比(如)中增加機械效率

38、 因子（詳見第四章的相關(guān)部分）。 2.3.3滾動軸承 滾動軸承的類型、尺寸和公差等級均已制定有國家標準，在機械設計中只需根據(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（一般軸徑的設計要先由計算的強度來確定基本尺寸，再根據(jù)GB/T2822-81來選取標準尺寸，也可以根據(jù)標準件如軸承等決定）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)

39、下面的經(jīng)驗公式來計算。 軸承的壽命： (3-13) 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。，查標準件手冊的軸承部分即可以得到 n------軸承轉(zhuǎn)速 當量動載荷 (3-14) 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3-3 -----軸向載荷系數(shù)，查表3-3 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，應引入載荷性質(zhì)的系數(shù)（表2.1），因此軸承的當量動載荷計算公式為 (3-15) 表2.

40、2 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 1.0---1.2 輕度沖擊的運轉(zhuǎn) 機床、起重機、傳動裝置、風機、造紙機等 1.2---1.5 劇烈沖擊、振動的運轉(zhuǎn) 破碎機、軋鋼機、振動篩、工程機械等 1.5---3.0 2.4 設計實例和典型計算 表2.3 設計任務與要求 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 有效工作半徑0.8m， 重復定位精度0.5mm。 19 1.3 1.3 39 23 其機械結(jié)構(gòu)，如圖2-1

41、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計： 1).執(zhí)行機構(gòu)的設計 (1).選取絲杠的材料：調(diào)制45鋼， 直徑：d=32mm， 長：L=550mm， 導程：10；鋼球直徑：6.35;絲杠外徑：30.3；軸徑：24.3;循環(huán)圈數(shù)：4 螺紋升角： 式3-6 取 n=5, P=4, 則&n (2).電動機的負載力矩 式3-7 取 絲杠的轉(zhuǎn)動慣量： =0.000104462 式3-8 j2=m小臂l小臂2/3+2=40x(0.67-0.09+0.2)2/3+40x(0.444-0.2)2=10.493 j3=

42、3.147 取絲杠的最高轉(zhuǎn)速為 設電機可在 0.1s內(nèi)達到最大速度，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 =/(0.3----0.5) 式3-4 式中 故 =/(0.3----0.5)=(0.0184---0.031)NM 步進電機的步距角： 式3-2 = 式3-1 t=S, i=28, ==1.28 查手冊，選?。?0BYG550A型步進電機。從而小臂驅(qū)動電機選擇90BYG55

43、0A足夠。 3).絲杠的強度校核 絲杠的強度可用公式3-10來進行校核， 取 C=110 n=1360=780r/min 功率 P=Tn/9550000 T=0.0311000=196Nmm 絲杠最小直徑： =17.35901mm 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《機械設計》第九章，設計錐齒輪如下： 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3-12， 增

44、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=J0 I0=i1=i2 查表4-3，得 則， = 可知電機的負載轉(zhuǎn)矩： 由此，再參照式3-1和3-2算出步矩角，可選擇步進電機110BYG550B 5)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130BYG250E 3 機械手驅(qū)動電機的優(yōu)化選擇 3.1 前言 我們針對機械行業(yè)的需要,采用步進電機驅(qū)動,設計制造了一種HJ（焊接） 型六自由度、全電動、連續(xù)軌跡示教、

45、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用

46、,但人們同時發(fā)現(xiàn)步進電機(指原來的反應式電機) 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. 36,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,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

47、產(chǎn)品。但是控制器則由于應用是五花八門的,很難做出一種控制器能滿足各方面應用要求。生產(chǎn)廠家為了控制器能適應更多應用面,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。

48、3.2步進電機的介紹 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 3.2.1步進電機的基本工作原理. 步進電機分三種：永磁式（PM） ，反應式（VR） 和混合式（HB） 永磁式步進一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度； 反應式步進一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達國家8

49、0年代已被淘汰； 混合式步進是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。這種步進電機的應用最為廣泛。 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，結(jié)合圖3.1的結(jié)構(gòu)示意圖進行敘述 圖3.1 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：當有一相繞組被激勵時，磁通從正相齒，經(jīng)過軟鐵芯的轉(zhuǎn)

50、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15。若是D相被激勵，如圖1中的(c)，則轉(zhuǎn)子為順時針轉(zhuǎn)過15。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15。電機步長(步距角)是步進電機的主要性能指標之一，不同的應用場合，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)

51、)，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15，表示電機轉(zhuǎn)一圈需要24步。 3.2.2混和步進電機的工作原理： 在實際應用中，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。或者接成兩個三端形式，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3.2步進電機接線圖 圖3所示的電路為四相混和型步進電機晶體

52、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。 表3.1 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

53、源下。這時需串一個6W、6Ω的電阻。 3.2.3保持轉(zhuǎn)矩（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，當人們說2N.m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進電機。 3.2.4步進電機低速轉(zhuǎn)動時振動和噪聲缺點的克服方法 一般可采用以下方案來克服： A.如步進電機正好工作在共振區(qū)，可通過改變減速比等機械傳動避開共振區(qū)； 　　B.

54、采用帶有細 peng分功能的驅(qū)動器，這是最常用的、最簡便的方法； 　　C.換成步距角更小的步進電機，如三相或五相步進電機； 　　D.換成交流伺服電機，幾乎可以完全克服震動和噪聲，但成本較高； E.在電機軸上加磁性阻尼器，市場上已有這種產(chǎn)品，但機械結(jié)構(gòu)改變較大 3.2.5步進電機驅(qū)動器的直流供電電源 A.電壓的確定 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)速和響應要求來選擇。如果電機工作轉(zhuǎn)速較高或響應要求較快，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

55、驅(qū)動器。 B.電流的確定 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 的1.1～1.3倍；如果采用開關(guān)電源，電源電流一般可取I 的1.5～2.0倍。 當脫機信號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。 3.3 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

56、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 的011 模式把其中一個通道作為D/ F (數(shù)

57、值/ 頻率) 變換器用。用晶振產(chǎn)生一個固定頻率fc ,寫入分頻數(shù)據(jù)ki 后輸出的頻率fM ,如公式(1) 所示。將此輸出頻率經(jīng)光隔、驅(qū)動送至電機驅(qū)動器,則電機速度將由寫入的ki 決定,這就實現(xiàn)了速度控制。將此頻率加到另一計數(shù)通道,讓該通道工作在000 模式。起動電機前,寫入要走的步數(shù),則等電機走完規(guī)定步數(shù), 公式Fm= Fc/ Ki (1 ) ΔT= Fc/ Kt (2 ) 該通道輸出端電平由低跳高,用此信號通知CPU 停機,這就實現(xiàn)了位置控制。在示教采樣和再現(xiàn)控制時都需要一個定時脈沖(采樣信號) ,我們用8253 第三個通道,讓它工作在010 模式,寫入時間常數(shù)kt ,輸入基準時鐘fc

58、,則其輸出端就能定時發(fā)出脈沖,定時時間△t 如公式(2) 所示。 圖3.3 加減速控制流程 3.3.1 加/ 減速控制 速度控制中加/ 減速控制是最基本的控制。HJ機器人在各關(guān)節(jié)確定自身運動的坐標原點及自檢運行中都要用到加減速控制,但對加/ 減速過程中速度曲線并無嚴格要求。電機由靜止到達設定的最大速度所需的時間或者說加速度,是由調(diào)試確定的。加速度太大,關(guān)節(jié)起停時會造成大的機械沖擊,甚至電機不能克服慣性而失步; 加速度太小, 則完成指定的運動會耗費太多時間加速策略有二種:線性加/ 減速控制和等步距加/ 減速控制。前者規(guī)定從加速開始,每一加速周期令電機速度遞增相同的增量△f ;后者則要求

59、每一加速周期電機走過相同的步數(shù)。等步距控制的優(yōu)點,在于加/ 減速過程中電機走的步數(shù)可以非常準確地計算,這一點對于帶加/ 減速的位置控制非常重要。但從電機要克服的慣性力來看,線性加速方案好些,調(diào)試也較為方便。HJ 中采用線性加/減速控制。線性加/ 減速的控制曲線如圖3 所示,設定初速為f1(為敘述方便,在本章中將頻率稱為速度,實際上二者差一比例系數(shù)即步距角。在圖3.4中f1 = 0) ,末速為f2。設定速度變化的 .n臺階數(shù)n ,加速定時周期△t ,每一個定時周期就使電機速度有一個恒定的增量△f :f = (f2 - f1) / n - - - - - (3)其中n = 加速過程臺階數(shù)。減速控

60、制也類似,只是△f 為負值。在HJ 中,加減速定時周期是由8031 的T0 計數(shù)器和T0 中斷來實現(xiàn)的。 圖3.4 線性加速控制曲線 T 0 設置在8位重裝定時器方式,時間常數(shù)設為150(因T0 為加計數(shù)器,實際寫入時用- 150) ,另設一個軟件計數(shù)單元,此軟件計數(shù)器的初值設置為4 ,T0 每次中斷使軟件計數(shù)器減1 ,減到0 時正好大約是1ms (1/ 1024 秒) 。加速定時初始周期△t0 為: △t0 = 150X4X12/ f SYS = 600X12/ 7372. 8KHz= 1/ 1. 024(ms) 其中f SYS = 7372. 8KHz ,是PT601 關(guān)節(jié)控

61、制器的時鐘。每一關(guān)節(jié)另設一個加速度系數(shù)a (取整數(shù)) ,作為關(guān)節(jié)控制參數(shù),通過調(diào)試由人工確定并寫入?yún)?shù)表。加速控制時軟件計數(shù)單元的實際初值為4a ,T0 每次中斷使軟件計數(shù)器減1 ,減到0 時使電機頻率加一個△f ,并恢復初值。加速控制總臺階數(shù)n 設置為64 , △f 設置為(fmax - f0) / n ,則經(jīng)過t = (600 * 12 * a * 64/ f sys) 秒,電機完成加速控制流程。因為軟件計數(shù)單元為一個字節(jié),最大值= 256 ,故要求4a ≤256 即a ≤64 ,且a ≠0。加減速控制過程如圖4 所示。 3.3.2位置控制 步進電機的位置控制是指要求電機從當前位置轉(zhuǎn)過

62、一個給定的步數(shù)。電機不丟步時這一控制的實質(zhì),就是要求精確地發(fā)出定量的步進脈沖。例如,機器人再現(xiàn) 工作時收到起動信號后,要走到示教時給出的初始作業(yè)位置,就要用到位置控制。 如果不帶加/ 減速控制,位置控制是很容易實現(xiàn)的。將發(fā)給電機的脈沖,用一個計數(shù)通道計數(shù),到數(shù)后通知CPU 停發(fā)脈沖就是了。但是這種不帶加/ 減速的位置控制,除非速度特別低,否則會在起停時造成機械沖擊和失步。圖6示出了帶加減速控制的速度曲線,此曲線跟t軸間包含的面積正比于電機走過的步數(shù)S ∑。顯然,電機走的總步數(shù)S ∑由三部份構(gòu)成:加速階段電機走的步數(shù)、勻速階段電機走的步數(shù)和減速階段電機走的步數(shù)。若加速度和減速度相等,則加速段和減速段走的步數(shù)相等,并記作Sa 。當給定初速f 1(在圖3.5 中f 1 = 0) 和終速f 2 ,以及加/ 減速時間確定后,Sa 就是確定值。可能出現(xiàn)三種情況: 1) 給定的電機步數(shù)S ∑> 2Sa :這就是圖6 的情況,電機將出現(xiàn)勻速階段。 圖3.5位置控制速度曲線 2) 給定的電機步數(shù)S ∑= 2Sa : 則剛好加速完畢立即進入減速。參見圖3.6。 圖3.6無勻速階段的位置控制 3) 給定的電機步數(shù)S ∑< 2Sa : 則不等到電機加速完畢即轉(zhuǎn)入減速。如圖7 所示。所以帶加/ 減速的位置控制,首先要算出加/ 減速階段電機將走過的步數(shù)Sa