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世界最新機(jī)械設(shè)計(jì)理念 來(lái)源:中國(guó)科技期刊 摘要:根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)學(xué)者進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)的主要思維特點(diǎn)，將產(chǎn)品方案的設(shè)計(jì)方法概括為系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)模塊化、基于產(chǎn)品特征知識(shí)和智能。這幾種方法的特點(diǎn)及其相互間的有機(jī)聯(lián)系，提出產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的努力方向。 關(guān)鍵詞：機(jī)械產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)方法發(fā)展趨勢(shì) 設(shè)計(jì)文件是將語(yǔ)義設(shè)計(jì)網(wǎng)作為設(shè)計(jì)工具，在其開發(fā)的活性語(yǔ)義設(shè)計(jì)網(wǎng)ASK中，采用結(jié)點(diǎn)和線條組成的網(wǎng)絡(luò)描述設(shè)計(jì)，結(jié)點(diǎn)表示元件化的單元(如設(shè)計(jì)任務(wù)、功能、構(gòu)件或加工設(shè)備等)，線條用以調(diào)整和定義結(jié)點(diǎn)間不同的語(yǔ)義關(guān)系，由此為設(shè)計(jì)過(guò)程中的所有活動(dòng)和結(jié)果預(yù)先建立模型，使早期設(shè)計(jì)要求的定義到每一個(gè)結(jié)構(gòu)的具體描述均可由關(guān)系間的定義表達(dá)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)過(guò)程由抽象到具體的飛躍。 系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法 系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法的主要特點(diǎn)是：將設(shè)計(jì)看成由若干個(gè)設(shè)計(jì)要素組成的一個(gè)系統(tǒng)，每個(gè)設(shè)計(jì)要素具有獨(dú)立性，各個(gè)要素間存在著有機(jī)的聯(lián)系，并具有層次性，所有的設(shè)計(jì)要素結(jié)合后，即可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)所需完成的任務(wù)。 系統(tǒng)化設(shè)計(jì)思想于70年代由德國(guó)學(xué)者Pahl和Beitz教授提出，他們以系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)，制訂了設(shè)計(jì)的一般模式，倡導(dǎo)設(shè)計(jì)工作應(yīng)具備條理性。德國(guó)工程師協(xié)會(huì)在這一設(shè)計(jì)思想的基礎(chǔ)上，制訂出標(biāo)準(zhǔn)VDI2221技術(shù)系統(tǒng)和產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)方法。 1. 將用戶需求作為產(chǎn)品功能特征構(gòu)思、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和零件設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、作業(yè)控制等的基礎(chǔ)，從產(chǎn)品開發(fā)的宏觀過(guò)程出發(fā)，利用質(zhì)量功能布置方法，系統(tǒng)地將用戶需求信息合理而有效地轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品開發(fā)各階段的技術(shù)目標(biāo)和作業(yè)控制規(guī)程的方法。 2. 將產(chǎn)品看作有機(jī)體層次上的生命系統(tǒng)，并借助于生命系統(tǒng)理論，把產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程劃分成功能需求層次、實(shí)現(xiàn)功能要求的概念層次和產(chǎn)品的具體設(shè)計(jì)層次。同時(shí)采用了生命系統(tǒng)圖符抽象地表達(dá)產(chǎn)品的功能要求，形成產(chǎn)品功能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 3. 將機(jī)械設(shè)計(jì)中系統(tǒng)科學(xué)的應(yīng)用歸納為兩個(gè)基本問(wèn)題：一是把要設(shè)計(jì)的產(chǎn)品作為一個(gè)系統(tǒng)處理，最佳地確定其組成部分（單元）及其相互關(guān)系；二是將產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程看成一個(gè)系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，正確、合理地確定設(shè)計(jì)中各個(gè)方面的工作和各個(gè)不同的設(shè)計(jì)階段。 由于每個(gè)設(shè)計(jì)者研究問(wèn)題的角度以及考慮問(wèn)題的側(cè)重點(diǎn)不同，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)采用的具體研究方法亦存在差異。下面介紹一些具有代表性的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法。 4. 設(shè)計(jì)元素法 用五個(gè)設(shè)計(jì)元素（功能、效應(yīng)、效應(yīng)載體、形狀元素和表面參數(shù)）描述“產(chǎn)品解”，認(rèn)為一個(gè)產(chǎn)品的五個(gè)設(shè)計(jì)元素值確定之后，產(chǎn)品的所有特征和特征值即已確定。我國(guó)亦有設(shè)計(jì)學(xué)者采用了類似方法描述產(chǎn)品的原理解。 5. 圖形建模法 研制的“設(shè)計(jì)分析和引導(dǎo)系統(tǒng)”KALEIT，用層次清楚的圖形描述出產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)及其相關(guān)的抽象信息，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能關(guān)系的圖形化建模，以及功能層之間的聯(lián)接。 將設(shè)計(jì)劃分成輔助方法和信息交換兩個(gè)方面，利用Nijssen信息分析方法可以采用圖形符號(hào)、具有內(nèi)容豐富的語(yǔ)義模型結(jié)構(gòu)、可以描述集成條件、可以劃分約束類型、可以實(shí)現(xiàn)關(guān)系間的任意結(jié)合等特點(diǎn)，將設(shè)計(jì)方法解與信息技術(shù)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)過(guò)程中不同抽象層間信息關(guān)系的圖形化建模。 6. “構(gòu)思”—“設(shè)計(jì)”法 將產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)分成“構(gòu)思”和“設(shè)計(jì)”兩個(gè)階段?！皹?gòu)思”階段的任務(wù)是尋求、選擇和組合滿足設(shè)計(jì)任務(wù)要求的原理解。“設(shè)計(jì)”階段的工作則是具體實(shí)現(xiàn)構(gòu)思階段的原理解。 將方案的“構(gòu)思”具體描述為：根據(jù)合適的功能結(jié)構(gòu)，尋求滿足設(shè)計(jì)任務(wù)要求的原理解。即功能結(jié)構(gòu)中的分功能由“結(jié)構(gòu)元素”實(shí)現(xiàn)，并將“結(jié)構(gòu)元素”間的物理聯(lián)接定義為“功能載體”，“功能載體”和“結(jié)構(gòu)元素”間的相互作用又形成了功能示意圖(機(jī)械運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖)。方案的“設(shè)計(jì)”是根據(jù)功能示意圖，先定性地描述所有的“功能載體”和“結(jié)構(gòu)元素”，再定量地描述所有“結(jié)構(gòu)元素”和聯(lián)接件(“功能載體”)的形狀及位置，得到結(jié)構(gòu)示意圖。Roper，H.利用圖論理論，借助于由他定義的“總設(shè)計(jì)單元(GE)”、“結(jié)構(gòu)元素(KE)”、“功能結(jié)構(gòu)元素(FKE)”、“聯(lián)接結(jié)構(gòu)元素(VKE)”、“結(jié)構(gòu)零件(KT)”、“結(jié)構(gòu)元素零件(KET)”等概念，以及描述結(jié)構(gòu)元素尺寸、位置和傳動(dòng)參數(shù)間相互關(guān)系的若干種簡(jiǎn)圖，把設(shè)計(jì)專家憑直覺(jué)設(shè)計(jì)的方法做了形式化的描述，形成了有效地應(yīng)用現(xiàn)有知識(shí)的方法，并將其應(yīng)用于“構(gòu)思”和“設(shè)計(jì)”階段。 7. 鍵合圖法 將組成系統(tǒng)元件的功能分成產(chǎn)生能量、消耗能量、轉(zhuǎn)變能量形式、傳遞能量等各種類型，并借用鍵合圖表達(dá)元件的功能解，希望將基于功能的模型與鍵合圖結(jié)合，實(shí)現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)的自動(dòng)生成和功能結(jié)構(gòu)與鍵合圖之間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，尋求由鍵合圖產(chǎn)生多個(gè)設(shè)計(jì)方案的方法。 提倡在產(chǎn)品功能分析的基礎(chǔ)上，將產(chǎn)品分解成具有某種功能的一個(gè)或幾個(gè)模塊化的基本結(jié)構(gòu)，通過(guò)選擇和組合這些模塊化基本結(jié)構(gòu)組建成不同的產(chǎn)品。這些基本結(jié)構(gòu)可以是零件、部件，甚至是一個(gè)系統(tǒng)。 本結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有標(biāo)準(zhǔn)化的接口(聯(lián)接和配合部)，并且是系列化、通用化、集成化、層次化、靈便化、經(jīng)濟(jì)化，具有互換性、相容性和相關(guān)性。我國(guó)結(jié)合軟件構(gòu)件技術(shù)和CAD技術(shù)，將變形設(shè)計(jì)與組合設(shè)計(jì)相結(jié)合，根據(jù)分級(jí)模塊化原理，將加工中心機(jī)床由大到小分為產(chǎn)品級(jí)、部件級(jí)、組件級(jí)和元件級(jí)，并利用專家知識(shí)和CAD技術(shù)將它們組合成不同品種、不同規(guī)格的功能模塊，再由這些功能模塊組合成不同的加工中心總體方案。 以設(shè)計(jì)為目錄作為選擇變異機(jī)械結(jié)構(gòu)的工具，提出將設(shè)計(jì)的解元素進(jìn)行完整的、結(jié)構(gòu)化的編排，形成解集設(shè)計(jì)目錄。并在解集設(shè)計(jì)目錄中列出評(píng)論每一個(gè)解的附加信息，非常有利于設(shè)計(jì)工程師選擇解元素。 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，異地協(xié)同設(shè)計(jì)與制造，以及從用戶對(duì)產(chǎn)品的功能需求→設(shè)計(jì)→加工→裝配→成品這一并行工程的實(shí)現(xiàn)成為可能。但是，達(dá)到這些目標(biāo)的重要前提條件之一，就是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)效果的三維可視化。為此，不僅三維圖形軟件、智能化設(shè)計(jì)軟件愈來(lái)愈多地應(yīng)用于產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及多媒體、超媒體工具也在產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)中初露鋒芒。目前，德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家正著力于研究超媒體技術(shù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)STEP，以及標(biāo)準(zhǔn)虛擬現(xiàn)實(shí)造型語(yǔ)言上基于虛擬環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)交換格式)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。 機(jī)械產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)正朝著計(jì)算機(jī)輔助實(shí)現(xiàn)、智能化設(shè)計(jì)和滿足異地協(xié)同設(shè)計(jì)制造需求的方向邁進(jìn)，由于產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法的研究起步較晚，目前還沒(méi)有成熟的、能夠達(dá)到上述目標(biāo)的方案設(shè)計(jì)工具軟件。作者認(rèn)為，綜合運(yùn)用文中四種類型設(shè)計(jì)方法是達(dá)到這一目標(biāo)有效途徑。雖然這些方法的綜合運(yùn)用涉及的領(lǐng)域較多，不僅與機(jī)械設(shè)計(jì)的領(lǐng)域知識(shí)有關(guān)，而且還涉及到系統(tǒng)工程理論、人工智能理論、計(jì)算機(jī)軟硬件工程、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等各方面的領(lǐng)域知識(shí)，但仍然是產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)必須努力的方向。國(guó)外在這方面的研究已初見(jiàn)成效，我國(guó)設(shè)計(jì)學(xué)者也已意識(shí)到CAD技術(shù)與國(guó)際交流合作的重要性，及其應(yīng)當(dāng)采取的措施。 基于產(chǎn)品特征知識(shí)設(shè)計(jì)方法的主要特點(diǎn)是：用計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的語(yǔ)言描述產(chǎn)品的特征及其設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)和經(jīng)驗(yàn)，建立相應(yīng)的知識(shí)庫(kù)及推理機(jī)，再利用已存儲(chǔ)的領(lǐng)域知識(shí)和建立的推理機(jī)制實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)。 機(jī)械系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)主要是依據(jù)產(chǎn)品所具有的特征，以及設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推量和決策，完成機(jī)構(gòu)的型、數(shù)綜合。欲實(shí)現(xiàn)這一階段的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，必須研究知識(shí)的自動(dòng)獲取、表達(dá)、集成、協(xié)調(diào)、管理和使用。為此，國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)學(xué)者針對(duì)機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)知識(shí)的自動(dòng)化處理做了大量的研究工作，采用的方法可歸納為下述幾種。 基于步進(jìn)電機(jī)的四自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)與控制（單片機(jī)控制） 47 摘 要 機(jī)械手是在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的使用，經(jīng)常被用來(lái)對(duì)工件進(jìn)行水平、垂直地移位，是現(xiàn)在自動(dòng)化生產(chǎn)中不可缺少的設(shè)備。特別是在自動(dòng)化程度高的工廠，不但提高了整體生產(chǎn)的精度，也大大提高了機(jī)械生產(chǎn)的效率，對(duì)現(xiàn)代化機(jī)械發(fā)展是有很大意義的。 本文所闡述的機(jī)械手共有4個(gè)自由度，分別是夾緊工件、機(jī)械手腕的旋轉(zhuǎn)、手臂的伸出與縮回、機(jī)身的旋轉(zhuǎn)和升降，基本滿足了工業(yè)生產(chǎn)線上傳遞工件并進(jìn)行定位的需要，它的控制系統(tǒng)采用單片機(jī)進(jìn)行控制，得益于單片機(jī)成熟的應(yīng)用技術(shù)、低廉的價(jià)格，以及穩(wěn)定的開發(fā)平臺(tái)，工作人員可以很直觀地通過(guò)按鈕進(jìn)行操作。 關(guān)鍵詞：機(jī)械手，單片機(jī)，步進(jìn)電機(jī) ABSTRACT Manipulator in industrial production is widely used in the movement of the work piece along the horizontal, vertical direction.It is now indispensable to the automated production equipment. The manipulator not only improves the accuracy of the overall production,but also greatly improves the efficiency of the machinery,especially in highly automated factories.Manipulator’s application is beneficial to the development of modern machinery. Manipulator described in this paper has four degrees of freedom for fixing the work piece, rotaing the mechanical wrist, extending and retracting the arm, as well as rotating and lifting the body. Thus, the needs of the transmission and locating of the work piece in the product line are basicly satisfied line to meet the industrial need to orient the work piece. Its control system adopts the microcomputer control. In terms of the application of SCM mature technology, low price, and a stable development platform, the manipulator can be operated very intuitively through pushing buttons. Key words: manipulator, SCM, stepping motor 目 錄 1 緒論 1 1.1課題的意義 1 1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 1 1.3 本論文主要任務(wù) 3 2 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì) 5 2.1機(jī)械手的組成 5 2.2機(jī)械手設(shè)計(jì)參數(shù) 5 2.3機(jī)械手坐標(biāo)系 6 2.4機(jī)械手控制系統(tǒng) 6 2.5小結(jié) 6 3 機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7 3.1手部機(jī)構(gòu) 7 3.2 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 8 3.3 主要尺寸的確定 9 3.4 氣缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14 3.5步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型 14 3.6步進(jìn)電機(jī)性能校核 16 3.7小結(jié) 16 4 機(jī)械手手臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 17 4.1機(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu) 17 4.2機(jī)械手手臂電機(jī)的計(jì)算與選型 17 4.3小結(jié) 23 5 機(jī)械手腰部和基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 24 5.1機(jī)械手腰部和基座的結(jié)構(gòu) 24 5.2機(jī)械手腰部的步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型 24 5.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核 26 5.4機(jī)械手底座的步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型 27 5.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核 29 5.6小結(jié) 30 6 機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 31 6.1驅(qū)動(dòng)器 31 6.2接線圖 37 6.3步進(jìn)電機(jī)原理 37 6.4單片機(jī)的選用 39 6.5控制原理圖 39 6.6機(jī)械手控制程序流程圖 40 6.7小結(jié) 43 7 結(jié)論 44 參考文獻(xiàn) 45 致謝 46 1 緒論 1.1 課題的意義 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手也越來(lái)越多的被應(yīng)用。在機(jī)械工業(yè)中，鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機(jī)械加工、裝配、檢驗(yàn)、噴漆、電鍍等工種都有應(yīng)用的實(shí)理。其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國(guó)防工業(yè)等工作中也均有所應(yīng)用[1]。 在機(jī)械工業(yè)中，應(yīng)用機(jī)械手的意義可以概括如下： （1）以提高生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化程度 應(yīng)用機(jī)械手有利于實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化的程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。 （2）以改善勞動(dòng)條件，避免人身事故 在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或其他毒性污染以及工作空間狹窄的場(chǎng)合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的，而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或部分代替人安全的完成作業(yè)，使勞動(dòng)條件得以改善。 在一些簡(jiǎn)單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 （3）可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn) 應(yīng)用機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床的綜合加工自動(dòng)線上，目前幾乎都沒(méi)有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進(jìn)行工作生產(chǎn)[2]。 綜上所述，有效的應(yīng)用機(jī)械手，是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢(shì)。 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 1.2.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 機(jī)械手首先是從美國(guó)開始研制的。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，頂部裝有電磁塊的工件抓取，放下機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。 1962年，美國(guó)聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為Unimate（即萬(wàn)能自動(dòng)）。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲(chǔ)裝置。不少球坐標(biāo)通用機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬(wàn)能自動(dòng)公司,專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。 1962年美國(guó)機(jī)械制造公司也實(shí)驗(yàn)成功一種叫Vewrsatran機(jī)械手。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國(guó)外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。 1978年美國(guó)Unimate公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國(guó)機(jī)械制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。 聯(lián)邦德國(guó)KnKa公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。 日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。自1969年從美國(guó)引進(jìn)兩種機(jī)械手后大力從事機(jī)械手的研究。 前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應(yīng)用機(jī)械手，至1977年底，其中一半是國(guó)產(chǎn)，一半是進(jìn)口。 目前，工業(yè)機(jī)械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進(jìn)行控制；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算控制系統(tǒng)，具有視覺(jué)、觸覺(jué)能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺(jué)到的信息反饋，是機(jī)械手具有感覺(jué)機(jī)能。 第三代機(jī)械手則能獨(dú)立完成工作過(guò)程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)。 機(jī)械手的種類，按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。 機(jī)械手通常用作機(jī)床或其他機(jī)器的附加裝置，如在自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒(méi)有獨(dú)立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險(xiǎn)物品的主從式操作手也常稱為機(jī)械手。 隨著加工行業(yè)在我國(guó)的迅速發(fā)展，各行各業(yè)的自動(dòng)化裝備水平越來(lái)越高，現(xiàn)代化加工車間，常常配有機(jī)械手，以提高生產(chǎn)效率，代替工人完成惡劣環(huán)境下危險(xiǎn)、繁重的勞動(dòng)。 目前，機(jī)械手常用于完成的工作有:注塑工業(yè)中用于從模具中快速抓取制品并將制品傳送到下一個(gè)生產(chǎn)工序;?機(jī)械加工行業(yè)中用于取料、送料;?澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。本文以能夠?qū)崿F(xiàn)這類工作的搬運(yùn)機(jī)械手為研究對(duì)象，針對(duì)本文作者參與的工業(yè)取料用直角坐標(biāo)機(jī)械手控制系統(tǒng)軟、硬件進(jìn)行了介紹和分析。 目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的工業(yè)取料直角坐標(biāo)機(jī)械手主運(yùn)動(dòng)臂的控制方式主要采用液壓或氣壓驅(qū)動(dòng)。這種控制策略的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)易于控制。但缺點(diǎn)是系統(tǒng)定位靠設(shè)定接近開關(guān)的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)，定位精度低，而一旦用戶要求改變?nèi)×瞎ぷ黝愋?，必須重新調(diào)節(jié)各液壓或氣壓缸的定位開關(guān)，以適應(yīng)新的工作任務(wù)，不利于生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化。 國(guó)內(nèi)機(jī)械手工業(yè)，鐵路工業(yè)中首先在單機(jī)、專機(jī)上采用機(jī)械手上下料，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。 1.2.2 發(fā)展趨勢(shì) 目前工業(yè)機(jī)械手主要用于機(jī)床加工、鑄造、熱處理等方面，無(wú)論數(shù)量、品種和性能方面還是不能滿足工業(yè)發(fā)展的需要。 在國(guó)內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄造、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合機(jī)械手等。將機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)以及根據(jù)不同類型的加緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，所以便根據(jù)不同的作業(yè)要求選擇不同類型的基加緊機(jī)構(gòu)，即可組成不同用途的機(jī)械手。既便于設(shè)計(jì)制造，有便于更換工件，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。同時(shí)要提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機(jī)械手的作業(yè)。 此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺(jué)、視覺(jué)等性能的機(jī)械手，并考慮與計(jì)算機(jī)連用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。 在國(guó)外機(jī)械制造業(yè)中工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機(jī)床、橫鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來(lái)完成規(guī)定的操作。 此外，國(guó)外機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)是大力研制具有某種智能的機(jī)械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時(shí)，即能更正并自行檢測(cè)，重點(diǎn)是研究視覺(jué)功能和觸覺(jué)功能。目前已經(jīng)取得一定成績(jī)。 視覺(jué)功能即在機(jī)械手上安裝有電視照相機(jī)和光覺(jué)測(cè)距儀（即距離傳感器）以及微型計(jì)算機(jī)。工作是電視照相機(jī)將物體形象變成視頻信號(hào)，然后送給計(jì)算機(jī)，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機(jī)械手進(jìn)行工作。 觸覺(jué)功能即是在機(jī)械手上安裝有觸覺(jué)反饋控制裝置。工作時(shí)機(jī)械手首先伸出手指尋找工作，通過(guò)安裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺(jué)作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過(guò)裝在手指內(nèi)的敏感元件來(lái)控制，達(dá)到自動(dòng)調(diào)整握力的大小?？傊S著傳感技術(shù)的發(fā)展機(jī)械手裝配作業(yè)的能力也將進(jìn)一步提高。 更重要的是將機(jī)械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)[3]。 1.3 本論文主要任務(wù) 本論文主要完成的任務(wù)如下： （1）介紹了機(jī)械手的背景和意義； （2）介紹了機(jī)械手的總體框架； （3）詳細(xì)描述了機(jī)械手的總體研究方案； （4）基于單片機(jī)完成了對(duì)機(jī)械手硬件部分的設(shè)計(jì)與完成。 2 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì) 2.1 機(jī)械手的組成 手部機(jī)構(gòu) 機(jī) 械 手 機(jī)械系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 手臂機(jī)構(gòu) 腰部機(jī)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 單片機(jī)控制 圖2-1機(jī)械手的組成 它主要由機(jī)械系統(tǒng)(執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu))、控制系統(tǒng)組成。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)械手完成抓取工件，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)所必需的機(jī)械部件，它包括手部、腕部、手臂、機(jī)身等。 （1）手部：又稱手爪或抓取機(jī)構(gòu)，它直接抓取工件或夾具。 （2） 腕部：又稱手腕，是連接手部和臂部的部件，其作用是調(diào)整或改變手部的工作方位。 （3）手臂：是支承腕部的部件，作用是承受工件的負(fù)荷，并把它傳遞到預(yù)定的位置。 （4） 機(jī)身：是支承手臂的部件，其作用是帶動(dòng)臂部自轉(zhuǎn)、升降或俯仰運(yùn)動(dòng)。 A. 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動(dòng)力，并驅(qū)動(dòng)其動(dòng)力的裝置。常用的 機(jī)械傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)和電傳動(dòng)。 B. 控制系統(tǒng)：通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作，當(dāng)發(fā)生錯(cuò)誤或故障時(shí),發(fā)出報(bào)警信號(hào)[4-5]。 2.2 機(jī)械手設(shè)計(jì)參數(shù) 機(jī)械手（重復(fù)）定位精度：±0.5mm； 機(jī)械手最大抓重：1kg； 工件尺寸：直徑約2～3cm，圓柱形，材料是鐵質(zhì)； 支座旋轉(zhuǎn)角度為：90度（最大速度：90度每秒）； 物料盤（采用步進(jìn)電機(jī)控制）每工步旋轉(zhuǎn)角度：30度（最大轉(zhuǎn)度：30度每秒）； 手臂上下移動(dòng)距離為：20cm（最大速度10cm/s）； 手臂前后移動(dòng)距離為：20cm（最大速度10cm/s）； 手指開合角度為：60度（最大速度60度每秒），手爪旋轉(zhuǎn)角度為360度。 2.3 機(jī)械手坐標(biāo)系 本課題的機(jī)械手的坐標(biāo)系采用極坐標(biāo)系設(shè)計(jì)[5]。 圖2-2機(jī)械手坐標(biāo)系 2.4 機(jī)械手控制系統(tǒng) 本課題采用單片機(jī)控制器對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制，根據(jù)機(jī)械手的工作流程編制出單片機(jī)程序，預(yù)定工作流程如圖2-3所示。 歸零 物料盤轉(zhuǎn)一個(gè)工步 手臂伸出 手臂向下 手指夾緊 手臂向上 支座順時(shí)針轉(zhuǎn) 手臂向下 手指松開 手臂向上 圖2-3機(jī)械手循環(huán)動(dòng)作流程圖 2.5 小結(jié) 本章節(jié)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行了總體介紹，對(duì)機(jī)械手的總體方案進(jìn)行了詳細(xì)介紹。對(duì)各個(gè)自由度的動(dòng)作和實(shí)現(xiàn)作了詳細(xì)的說(shuō)明，根據(jù)設(shè)計(jì)綜合參數(shù)確定設(shè)計(jì)方案，介紹了基于極坐標(biāo)機(jī)械手的特點(diǎn)和原理。 3 機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 手部機(jī)構(gòu) 本課題中采用夾持式手部結(jié)構(gòu)，由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等，課題中采用齒輪齒條式的傳力機(jī)構(gòu)[4]。其機(jī)構(gòu)由圖3-1所示。 圖3-1機(jī)械手手部 3.1.1 手指的形狀和分類 夾持式是最常見(jiàn)的一種。其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式。按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種；按模仿人手手指的動(dòng)作，手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型(或稱直進(jìn)型)，其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無(wú)窮小時(shí)，就變成了一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指；同理，當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的手指長(zhǎng)度變成無(wú)窮長(zhǎng)時(shí)，就成為移動(dòng)型?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動(dòng)型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動(dòng)型手指夾持直徑變化的零件時(shí)不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件[5]。 3.1.2 設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問(wèn)題 （1）具有足夠的握力(即夾緊力) 在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。 （2）手指間應(yīng)具有一定的開閉角 兩手指張開與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對(duì)于移動(dòng)型手指只有開閉幅度的要求。 （3） 保證工件準(zhǔn)確定位 為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。 （4） 具有足夠的強(qiáng)度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。 （5） 考慮被抓取對(duì)象的要求 根據(jù)機(jī)械手的工作需要，通過(guò)比較，我們采用的機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點(diǎn)， 兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計(jì)成V型。 3.2 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 本課題氣動(dòng)機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖3-1所示： 手部驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算： 其工件重量G=1公斤，V形手指的角度，，摩擦系數(shù)為。 （1）根據(jù)手爪類別,計(jì)算夾緊力。 圖3-2手爪 如圖3-2所示，采用摩擦鎖緊方式，故受力分析得： (3-1) 式中： -工件質(zhì)量，； -重力加速度，； -動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的加速度，； -安全系數(shù)； -V型手爪張開的角度，； -氣爪夾頭與工件的摩擦因素；由于手爪與工件材料都采用45鋼，查表得 所以： = （2） 根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)示意圖3-1，其驅(qū)動(dòng)力為: (3-2) 所以： （3）實(shí)際驅(qū)動(dòng)力: (3-3) 因?yàn)閭髁C(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動(dòng)，故取，并取。若被抓取工件的為勻速取時(shí)，則: 所以?shī)A持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)力為345N。 3.3 主要尺寸的確定 （1） 氣缸工作壓力的確定 由《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》表3-1取氣缸工作壓力 表3-1 氣壓負(fù)載常用的工作壓力 負(fù)載F/N <5000 5000～10000 10000～20000 20000～30000 30000～50000 >50000 工作壓力p/MPa <0.8～1 1.5～2 2.5～3 3～4 4～5 >5～7 （2） 氣缸內(nèi)徑和活塞桿直徑的確定 本課題設(shè)計(jì)的氣缸屬于雙向作用氣缸。 單活塞桿雙作用氣缸是使用最為廣泛的一種普通氣缸。因其只在活塞一側(cè)有活塞桿，所以壓縮空氣作用在活塞兩側(cè)的有效面積不等?；钊笮袝r(shí)活塞桿產(chǎn)生推力，活塞右行時(shí)活塞桿產(chǎn)生拉力。 (3-4) (3-5) 式中： - 活塞桿上的推力，N； -活塞桿的拉力，N； - 氣缸工作時(shí)的總阻力，N； - 氣缸工作壓力，Pa； -活塞直徑，m； -活塞桿直徑，m； 氣缸工作時(shí)的總阻力與眾多因素有關(guān)，如運(yùn)動(dòng)部件慣性力、背壓阻力、密封處摩擦力等。以上因素可以載荷率的形式計(jì)入公式，如要求氣缸的靜推力和靜拉力，則在計(jì)入載荷率后： (3-6) (3-7) 計(jì)入載荷率就能保證氣缸工作時(shí)的動(dòng)態(tài)特性。若氣缸動(dòng)態(tài)參數(shù)要求較高；且工作頻率高，其載荷率一般取，速度高時(shí)取小值，速度低時(shí)取大值。若氣缸動(dòng)態(tài)參數(shù)要求一般，且工作頻率低，基本是勻速運(yùn)動(dòng)，其載荷率可取。 由以上分析得雙向作用氣缸的直徑: (3-8) 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)圓整，得D=40mm 由,可得活塞桿直徑: 圓整后，取活塞桿直徑d=12mm （3） 缸筒壁厚和外徑的設(shè)計(jì) 缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計(jì)算: (3-9) 式中： - 缸筒壁厚，mm； - 氣缸內(nèi)徑，mm； - 氣缸試驗(yàn)壓力，一般?。≒a）； -氣缸工作壓力 （Pa）； -缸筒材料許用應(yīng)力（Pa）； 本課題手爪夾緊氣缸缸筒材料采用為:鋁合金ZL106,[]=3MPa 將己知數(shù)據(jù)代入式(3-9)，則壁厚為: 取，則缸筒外徑為: （4）手部活塞桿行程長(zhǎng)L計(jì)算 活塞桿的位移量為： S (3-10) 氣缸（活塞）行程與其使用場(chǎng)合及工作機(jī)構(gòu)的行程比有關(guān)。多數(shù)情況下不應(yīng)使用滿行程，以免活塞與缸蓋相碰撞，尤其用于夾緊等機(jī)構(gòu)。為保證夾緊效果，必須按計(jì)算行程多加10-20mm的行程余量。 (3-11) 故查有關(guān)手冊(cè)圓整為 （5） 校核 A. 活塞桿穩(wěn)定性的驗(yàn)算： 當(dāng)活塞桿的長(zhǎng)度較小時(shí)，可以只按強(qiáng)度條件校核計(jì)算活塞桿直徑有: (3-12) 其中，[]， 則: 所以滿足實(shí)際設(shè)計(jì)要求。 B. 氣缸推力驗(yàn)算： = = 由以上計(jì)算可知?dú)鈮焊啄墚a(chǎn)生的推力大于夾緊工件所需的推力。所以該氣缸滿足要求。 （6）耗氣量的計(jì)算 氣缸的耗氣量與缸徑、行程、工作頻率和從換向閥到氣缸的連接管路容積（死容積）有關(guān)，氣缸每分鐘消耗的壓縮空氣流量為： (3-13) 式中： -氣缸缸徑，m； -活塞桿直徑，m； -活塞行程，m； -氣缸活塞每分鐘往復(fù)次數(shù)； 此公式未考慮氣缸內(nèi)的死容積，因此計(jì)算值比實(shí)際值偏小，設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)具體情況加以修正。 (3-14) （7）氣缸進(jìn)排口的計(jì)算 氣缸的進(jìn)排氣口當(dāng)量直徑的大小與氣缸的耗氣量有關(guān)，除特殊情況外，一般氣缸的進(jìn)氣口、排氣口尺寸相同。氣缸進(jìn)排氣口當(dāng)量直徑用下式計(jì)算： (3-15) 式中： -工作壓力下氣缸的耗氣量，； -空氣流經(jīng)進(jìn)排氣口的速度，一般?。? 把計(jì)算出來(lái)的氣缸進(jìn)排氣口當(dāng)量直徑進(jìn)行圓整后，按照GB/T 14038—93<<氣缸氣口螺紋>>選擇合適的氣口螺紋[7]。故， （8） 手爪部分總質(zhì)量估算 (3-16) 其中：手爪部分和活塞桿材料采用45鋼，缸筒和端蓋連接材料采用鋁合金ZL106 查相關(guān)手冊(cè)， 45號(hào)鋼密度為7.85 ZL106的密度為 2.73 手爪部分總質(zhì)量約為 3.4 氣缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （1） 缸筒和缸蓋的連接 缸筒與缸蓋的連接形式主要有拉桿式螺栓連接、螺釘式、鋼筒螺紋、卡環(huán)等，對(duì)于雙頭螺栓和螺栓連接，一般是四根螺栓，但是對(duì)于工作壓力高于時(shí)，一定要校核螺栓強(qiáng)度，必要時(shí)增加螺栓數(shù)量，例如6根[8]。 查閱機(jī)械手冊(cè)，選擇拉桿式螺栓連接，采用4根螺栓。該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工，易于裝卸。由于工作壓力小于，故無(wú)須校核螺栓強(qiáng)度。 （2）活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu) 活塞桿與活塞的常用連接形式分整體結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)。組合式結(jié)構(gòu)又分為螺紋連接、半環(huán)連接和錐銷連接[6]。 該氣缸選擇螺紋連接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝卸方便，應(yīng)用較多。 （3） 密封 氣缸密封的好壞，直接影響氣缸的性能和使用壽命，正確設(shè)計(jì)、選擇和使用密封裝置，對(duì)保證氣缸的正常工作非常重要。 對(duì)密封元件的要求如下： A. 密封性好，耐磨損，使用壽命長(zhǎng)。 B. 穩(wěn)定性好，不易膨脹和收縮，難于溶解，不易老化及軟化。 C. 摩擦力小。 D. 密封件表面平整、光滑、無(wú)氣泡、雜質(zhì)、凹凸等缺陷。 E. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。 O型密封圈工作可靠，靜摩擦因素大，活塞的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，目前使用的范圍較廣。故采用O型密封圈。 3.5 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型 （1） 初選電機(jī)為45BF3-3A,參數(shù)如表3-2所示[9]。 表3-2電機(jī)參數(shù) 型號(hào) 相數(shù) 相電流 步距角 最大靜轉(zhuǎn)矩 空載啟動(dòng)頻率 空載運(yùn)行頻率 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 A 度 N.m Hz Hz Kg.cm^2 45BF3-3A 3 2 1.5 0.196 3000 27000 0.015 （2） 計(jì)算加在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 為了使手部能夠進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)，因此在手部一側(cè)裝上步進(jìn)電機(jī)，初選步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為45BF3-3A,查表得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=0.015kg., 氣缸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=0.65 kg.。 =+=0.665 kg. (3-17) （3） 計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上能夠的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 分快速空載運(yùn)動(dòng)和承受最大工作負(fù)載兩種情況進(jìn)行計(jì)算。 快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 由式=可知，是快速空載啟動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩。 根據(jù)式 =，考慮縱向鏈的總效率，計(jì)算快速空載啟動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩： =* (3-19) —對(duì)應(yīng)縱向空載最快移動(dòng)速度的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速； —步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需要的時(shí)間； 其中： —空載最快移動(dòng)速度，為2000r/min； —步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步矩叫角，為1.5度； —脈沖當(dāng)量，=0.025mm/脈沖。 將以上各式帶入式 (3-20) 算得=333。 設(shè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由景致到加速至轉(zhuǎn)速所需時(shí)間=0.4s，傳動(dòng)鏈總效率=0.7； 則由式=* (3-21) 求得=8.28*,因此=8.28* （4） 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 考慮到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用的是開環(huán)控制，當(dāng)電網(wǎng)電壓減低時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)來(lái)選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)，需要考慮到安全系數(shù)。這里取安全系數(shù)K=4，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： 4=3.3* 對(duì)于前面預(yù)選的45BF3-3A行步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，由表可知，其最大靜轉(zhuǎn)矩=0.196，可見(jiàn)完全滿足式4的要求。 綜上所述，這里選用45BF3-3A步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，可以滿足設(shè)計(jì)要求。 3.6 步進(jìn)電機(jī)性能校核 （1） 最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核 最快空載移動(dòng)速度=2000mm/min，對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率=222Hz。查表的45BF3-3A的極限運(yùn)行頻率為27000Hz，可見(jiàn)沒(méi)有超出范圍。 （2） 啟動(dòng)頻率的計(jì)算 已知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總慣量=0.665kg，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=0.015kg，查<<機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書>>表4-3可知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)的最高空載啟動(dòng)頻率=27000Hz。則由式可以求出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的啟動(dòng)頻率為： =4010Hz。 上式說(shuō)明，要想保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)不失步，任何時(shí)候的啟動(dòng)頻率都必須小于4010Hz。實(shí)際上，在采用軟件升降時(shí)，啟動(dòng)頻率選得很低，通常只有100Hz（即100脈沖/s）。 綜上所述，這里橫向進(jìn)給系統(tǒng)選用45BF3-3A步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，可以滿足設(shè)計(jì)要求[10]。 3.7 小結(jié) 本章節(jié)對(duì)機(jī)械手手部進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，包括夾持器的選擇、夾緊力的大小、手爪張開的角度、工件的定位精度、剛度強(qiáng)度校核、被抓取對(duì)象的考慮等設(shè)計(jì)，具體闡述了在此過(guò)程中機(jī)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)思路，進(jìn)行了大量的夾緊力和外形尺寸的計(jì)算。還進(jìn)行了步進(jìn)電機(jī)的選型和校核。 4 機(jī)械手手臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 4.1 機(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu) 通過(guò)安裝在末端上的步進(jìn)電機(jī)以及連接軸帶動(dòng)滾珠絲杠，從而實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的前后運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手手臂的機(jī)構(gòu)圖如圖4-1所示。 圖4-1機(jī)械手手臂 4.2 機(jī)械手手臂電機(jī)的計(jì)算與選型 （1） 初選電機(jī)為90BYG2502，參數(shù)如表4-1所示[10]。 表4-1電機(jī)參數(shù) 型號(hào) 相數(shù) 相電流 步距角 最大靜轉(zhuǎn)矩 空載啟動(dòng)頻率 空載運(yùn)行頻率 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 A 度 N.m Hz Hz Kg.cm^2 90BYG2502 2 4.0 0.9 6 1800 20000 4 （2） 滾珠絲杠的選擇 根據(jù)電機(jī)以及末端執(zhí)行機(jī)構(gòu) 負(fù)載重量 W=1kg 最大行程 Smax=200mm 快速進(jìn)給速度 Vmax=100mm/s 加減速時(shí)間常數(shù) t=0.15s 預(yù)期壽命 Lh=30000h 直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)程摩擦系數(shù) =0.02 電機(jī)轉(zhuǎn)速 Nmax=600r/min A. 設(shè)定螺距 根據(jù)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速與快速進(jìn)給速度 B. 計(jì)算基本動(dòng)態(tài)額定負(fù)載 各動(dòng)作模式下的軸向負(fù)載的計(jì)算 a. 加速時(shí)， 加速度 軸向負(fù)載 =3.5N b. 勻速時(shí) 軸向負(fù)載 c. 減速時(shí) 軸向負(fù)載 表4-1 各動(dòng)作模式1次循環(huán)所需的時(shí)間（s） 動(dòng)作模式 A B C 共需時(shí)間 所需時(shí)間 0.3s 1.4s 0.3s 2s 表4-2螺距為10的負(fù)載條件 動(dòng)作模式 A B C 軸向負(fù)載（N） 3.5 0.8 1.9 轉(zhuǎn) 速 300 600 300 所需時(shí)間比例 15% 70% 15% 根據(jù)表4-2負(fù)載條件計(jì)算軸向品均負(fù)載Pm與平均轉(zhuǎn)速Nm (4-5) 計(jì)算所需基本動(dòng)態(tài)額定負(fù)載C 根據(jù)預(yù)期壽命，扣除停止時(shí)間后的凈運(yùn)行使用壽命（預(yù)計(jì)夾緊 1s 上下運(yùn)動(dòng)5s） 將運(yùn)行系數(shù)帶入公式中得 因此選擇FL2004絲杠 C. 容許屈曲載荷，危險(xiǎn)速度計(jì)算 研討絲杠軸全場(chǎng)L 與危險(xiǎn)速度Nc 屈曲載荷 Pk L=最大行程+螺母長(zhǎng)度+余量+末端尺寸 =280mm 下面就屈曲載荷進(jìn)行討論，設(shè)負(fù)載作用點(diǎn)間距： 式中： ：開始引起壓曲的負(fù)載； ： 負(fù)載作用點(diǎn)間距； E： 楊氏模量； I： 絲杠軸最小慣性矩 ； n： 由絲杠的支撐方法決定的系數(shù) 單推—單推 n=1 雙推—簡(jiǎn)支 n=2(選用) 雙推—雙推 n=4 雙推—自由 n=0.25 式中： ：屈曲載荷； ： 安全系數(shù)（0.5）； 說(shuō)明容許軸向負(fù)載充分滿足使用條件 由于電機(jī)速度比較慢，肯定安全 ，需校核危險(xiǎn)速度 D. 最終選型結(jié)果： 適合的滾珠絲杠的形式為：FL2004 （3） 校核驅(qū)動(dòng)電機(jī) A. 傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 a. 電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 =4kg. b. 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算 c. 手臂轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算 工作臺(tái)是移動(dòng)部件，其移動(dòng)質(zhì)量折算到滾珠絲杠軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可按下式進(jìn)行計(jì)算： 式中，為絲杠導(dǎo)程（cm）；為工作臺(tái)質(zhì)量（kg）。 所以： d. 中間軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算 e. 聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 f. 系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 B. 驗(yàn)算矩頻特性 步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是指電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩，從附件中查得。步進(jìn)電機(jī)的名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為： 查得＝0.707。所以， 步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)是指電機(jī)在沒(méi)有外加工作負(fù)載下的啟動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩可按下式計(jì)算： 式中：為空載啟動(dòng)力矩（N.cm）； 為空載啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件由靜止升速到最大快進(jìn)速度，折算到電機(jī)軸上的加速力矩（N.cm）； 為空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩（N.cm）； 有關(guān)的各項(xiàng)力矩值計(jì)算如下： a. 加速力矩 式中：為傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 為電機(jī)最大角加速度； 為與運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度對(duì)應(yīng)的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速； t為運(yùn)動(dòng)部件從靜止啟動(dòng)加速到最大快進(jìn)速度所需的時(shí)間， 為運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度； 為初選步進(jìn)電機(jī)的步距角； 為脈沖當(dāng)量。 b. 空載摩擦力矩 見(jiàn)《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式（2-34）P35 式中：為運(yùn)動(dòng)部件的總重量； 為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)； 為傳動(dòng)系數(shù)總效率，?。?.9； 為滾珠絲杠的基本導(dǎo)程。 c. 附加摩擦力矩 式中：為滾珠絲杠預(yù)緊力；為滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，現(xiàn)?。?.9。 所以，步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩： 初選電機(jī)型號(hào)應(yīng)滿足步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩小于步進(jìn)電機(jī)名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即 從上式可知電機(jī)初步滿足要求。 C. 啟動(dòng)矩頻特性校核 步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)有突跳啟動(dòng)和升速啟動(dòng)。突跳啟動(dòng)很少使用。升速啟動(dòng)是步進(jìn)電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)開始逐漸升速，在零時(shí)刻，啟動(dòng)頻率為零。在一段時(shí)間內(nèi)，按一定的升速規(guī)律升速。啟動(dòng)結(jié)束時(shí)，步進(jìn)電機(jī)達(dá)到了最高運(yùn)行速度。 90BYG250C矩特性圖4-2中，可查得： 圖4-2電機(jī)特性曲線 縱向：空載啟動(dòng)力矩＝對(duì)應(yīng)的允許啟動(dòng)頻率。步進(jìn)電機(jī)90BYG2502啟動(dòng)頻率， 所以所選電機(jī)不會(huì)丟步。 D. 運(yùn)行矩頻特性校核 步進(jìn)電機(jī)的最高快進(jìn)運(yùn)行頻率可按下式計(jì)算： 式中：為運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度。算得。 快進(jìn)力矩的計(jì)算公式： 見(jiàn)《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式（2-37）P37 式中： 為附加摩擦力矩， 為快進(jìn)時(shí)，折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩。算得： 。 從90BYG2502運(yùn)行矩頻特性圖中，可知： 快進(jìn)力矩＝對(duì)應(yīng)的允許快進(jìn)頻率； 所以,所用的電機(jī)都滿足快速進(jìn)給運(yùn)行矩頻特性要求。 綜上所述，所選用的步進(jìn)電機(jī)90BYG2502符合要求，可以使用[10]。 4.3 小結(jié) 本章節(jié)涉及了機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)，進(jìn)行了步進(jìn)電機(jī)的選型和校核，根據(jù)給定參數(shù)，對(duì)機(jī)械手臂的工作狀態(tài)進(jìn)行了校核，并分類討論了步進(jìn)電機(jī)在加速、勻速和減速時(shí)的各個(gè)工作狀態(tài)。 5 機(jī)械手腰部和基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5.1 機(jī)械手腰部和基座的結(jié)構(gòu) 在腰部安裝步進(jìn)電機(jī)，使手臂能夠上下擺動(dòng)以實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)的目的。底座安裝步進(jìn)電機(jī)，是旋轉(zhuǎn)底座能夠90度轉(zhuǎn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)如圖5-1所示。 圖5-1機(jī)械手腰部 5.2 機(jī)械手腰部的步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型 （1） 初選電機(jī)為PK296A1-SG9，電機(jī)的參數(shù)如表5-1所示。 表5-1電機(jī)參數(shù) 型號(hào) 相數(shù) 相電流 步距角 最大靜轉(zhuǎn)矩 空載啟動(dòng)頻率 空載運(yùn)行頻率 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 A 度 N.m Hz Hz Kg.cm^2 PK296A1-SG9 2 4.0 0.9 6 1800 20000 4 （2） 計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jeq 已知： 初選的縱向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為PK296A1-SG9，從表查的該型號(hào)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 加上配重大約=10kg 則工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量= 則加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上能夠的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： =+=4+2.45=6.45 （3） 計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上能夠的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 由式=,機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩則有= 根據(jù)式 =，考慮縱向鏈的總效率，計(jì)算快速空載啟動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩： =* —對(duì)應(yīng)空載最快移動(dòng)速度的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速。 —步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需要的時(shí)間。 其中： —空載最快移動(dòng)速度，任務(wù)書指定為6000mm/min； —步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步矩叫角，為； —脈沖當(dāng)量，=0.025mm/脈沖。 將以上各式帶入式，算得=600。 設(shè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由景致到加速至轉(zhuǎn)速所需時(shí)間=0.4s，縱向傳動(dòng)鏈總效率=0.7； 則由式=* 求得=0.145，所以=0.145 （4） 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 考慮到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用的是開環(huán)控制，當(dāng)電網(wǎng)電壓減低時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)來(lái)選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)，需要考慮到安全系數(shù)。這里取安全系數(shù)K=4，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： 4=0.58 對(duì)于前面預(yù)選的PK296A1-SG9步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，由表可知，其最大靜轉(zhuǎn)矩=6，可見(jiàn)完全滿足式4的要求。 5.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核 （1） 最快工進(jìn)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 最快工進(jìn)速度=600mm/min，脈沖當(dāng)量=0.025mm/脈沖，由式求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率=600/（60*0.025）Hz400Hz。從90BYG2502的運(yùn)行矩頻特性可以看出，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩19，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.145，滿足要求。 （2） 最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 最快空載移動(dòng)速度6000mm/min，仿照式求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率6000/（60*0.025）Hz4000 Hz。在此頻率下電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩=20，大于快速空載啟動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.145，滿足要求。 （3） 最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核 最快空載移動(dòng)速度=6000mm/min，對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率=4000Hz。查表的90BYG2502的極限運(yùn)行頻率為20000Hz，可見(jiàn)沒(méi)有超出范圍。 （4） 啟動(dòng)頻率的計(jì)算 已知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總慣量=，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=，查表4-5可知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)的最高空載啟動(dòng)頻率=1800Hz。則由式可以求出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的啟動(dòng)頻率為： =1113.64Hz。 上式說(shuō)明，要想保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)不失步，任何時(shí)候的啟動(dòng)頻率都必須小于1113.64Hz。實(shí)際上，在采用軟件升降時(shí)，啟動(dòng)頻率選得很低，通常只有100Hz（即100脈沖/s）。 綜上所述，這里縱向進(jìn)給系統(tǒng)選用PK296A1-SG9步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，可以滿足設(shè)計(jì)要求。 5.4 機(jī)械手底座的步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型 （1） 初選電機(jī)為110BYG3502 表5-2電機(jī)參數(shù) 型號(hào) 相數(shù) 相電流 步距角 最大靜轉(zhuǎn)矩 空載啟動(dòng)頻率 空載運(yùn)行頻率 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 A 度 N.m Hz Hz Kg.cm^2 110BYG3502 3 3 0.6 16 2700 30000 15 （2） 計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 已知： 初選的縱向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為110BYG3502，從表查的該型號(hào)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=15。 加上配重和腰部大約=137kg 則轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=61.82 則加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上能夠的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： =+=15+61.82=76.82 （3） 計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上能夠的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 由式=，電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩，則有= 根據(jù)式 =，考慮縱向鏈的總效率，計(jì)算快速空載啟動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩： =* —對(duì)應(yīng)空載最快移動(dòng)速度的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速。 —步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需要的時(shí)間。 其中： —空載最快移動(dòng)速度，任務(wù)書指定為7500mm/min； —步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步矩叫角，為； —脈沖當(dāng)量，=0.025mm/脈沖。 將以上各式帶入式，算得=500。 設(shè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由景致到加速至轉(zhuǎn)速所需時(shí)間=0.4s，縱向傳動(dòng)鏈總效率=0.7； 則由式=* 求得=1.436，所以=1.436 （4） 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 考慮到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用的是開環(huán)控制，當(dāng)電網(wǎng)電壓減低時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)來(lái)選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)，需要考慮到安全系數(shù)。這里取安全系數(shù)K=4，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： 4=5.744 對(duì)于前面預(yù)選的110BYG3502步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，由表可知，其最大靜轉(zhuǎn)矩=16，可見(jiàn)完全滿足式4的要求。 5.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核 （1） 最快工進(jìn)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 最快工進(jìn)速度=500mm/min，脈沖當(dāng)量=0.025mm/脈沖，由式求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn) 頻率=500/（60*0.025）Hz333Hz。從110BYG3502的運(yùn)行矩頻特性可以看出，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩19 ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩=1.436，滿足要求。 （2） 最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 最快空載移動(dòng)速度7500mm/min，仿照式求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率7500/（60*0.025）Hz5000 Hz。在此頻率下電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩=20，大于快速空載啟動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩=1.436，滿足要求[11]。 （3） 最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核 最快空載移動(dòng)速度=7500mm/min，對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率=5000Hz。查表的110BYG3502的極限運(yùn)行頻率為30000Hz，可見(jiàn)沒(méi)有超出范圍。 （4） 啟動(dòng)頻率的計(jì)算 已知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總慣量=76.82，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=15，查表4-5可知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)的最高空載啟動(dòng)頻率=2700Hz。則由式可以求出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的啟動(dòng)頻率為： =1091.3Hz。 上式說(shuō)明，要想保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)不失步，任何時(shí)候的啟動(dòng)頻率都必須小于1091.3Hz。實(shí)際上，在采用軟件升降時(shí)，啟動(dòng)頻率選得很低，通常只有100Hz（即100脈沖/s）。 綜上所述，這里縱向進(jìn)給系統(tǒng)選用110BYG3502步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，可以滿足設(shè)計(jì)要求。 5.6 小結(jié) 本章節(jié)涉及了機(jī)械手腰部和基座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型，步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)各項(xiàng)參數(shù)的校核。 6 機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本課題的機(jī)械手的控制部分采用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)和氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 6.1 驅(qū)動(dòng)器 通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)，電壓，電流，頻率等參數(shù)進(jìn)行選擇驅(qū)動(dòng)器。分別選出驅(qū)動(dòng)器的型號(hào)為兩個(gè)HB306S和兩個(gè)HB205S驅(qū)動(dòng)器[12]。 6.1.1 HB306S驅(qū)動(dòng)器 圖6-1HB306S驅(qū)動(dòng)器 （1） 特點(diǎn) 2 AC24～50V或DC36～70V電源供電 2 最大6A相電流輸出 2 采用交流伺服電機(jī)的電流控制方式，精確正弦電流輸出，使步進(jìn)電機(jī)各項(xiàng)運(yùn)行性能指標(biāo)接近交流伺服電機(jī) 2 驅(qū)動(dòng)器性能對(duì)電機(jī)的依賴性極小，不同參數(shù)電機(jī)均可獲得優(yōu)異性能 2 具備多種細(xì)分模式，特殊細(xì)分要求可定制 2 具備脫機(jī)（FREE）控制信號(hào) 2 電機(jī)位置停電記憶 2 靜止時(shí)自動(dòng)半電流鎖定 2 輸入輸出信號(hào)光電隔離 （2） 適配電機(jī) 此驅(qū)動(dòng)器能與57、86、90BYG系列三相混合式步進(jìn)電機(jī)相配合。 （3） 輸入輸出端子 表6-1輸入輸出端子 端子標(biāo)記 功能 說(shuō)明 CP+ 步進(jìn)脈沖信號(hào)正輸入端 光耦開通沿有效，最小脈寬2us CP- 步進(jìn)脈沖信號(hào)負(fù)輸入端 DIR+ 方向控制信號(hào)正輸入端 光耦關(guān)斷時(shí)為正轉(zhuǎn)，開通時(shí)為反轉(zhuǎn) DIR- 方向控制信號(hào)負(fù)輸入端 FREE+ 脫機(jī)控制信號(hào)正輸入端 光耦開通時(shí)輸出電流為0，電機(jī)無(wú)鎖定轉(zhuǎn)矩 FREE- 脫機(jī)控制信號(hào)負(fù)輸入端 POWER 電源指示 電源正常時(shí)發(fā)光管亮(紅色) TIMING 相原點(diǎn)指示 相原點(diǎn)時(shí)發(fā)光管亮(綠色) ERROR 故障指示 驅(qū)動(dòng)器故障時(shí)發(fā)光管亮(紅色) A A相輸出 ? B B相輸出 ? C C相輸出 ? AC40V 電源輸入 額定電壓AC40V（AC24～50V或DC36V～70V），3A 注：信號(hào)輸入腳內(nèi)部光耦和電阻適合于5V信號(hào)，非5V信號(hào)請(qǐng)?jiān)谕獠考酉鄳?yīng)電阻? （4） 信號(hào)設(shè)置 表6-2信號(hào)設(shè)置 開關(guān)位置（DIP1） 信號(hào)設(shè)置 0 CP+/CP-為正轉(zhuǎn)脈沖信號(hào)，DIR+/DIR-為反轉(zhuǎn)脈沖信號(hào) 1 CP+/CP-為脈沖信號(hào)，DIR+/DIR-為方向信號(hào)（電平控制） （5） 電流設(shè)置 表6-3電流設(shè)置 開關(guān)位置（DIP2 3 4） 輸出電流（峰值,單位：A） 000 6.0 001 5.5 010 5.0 011 4.5 100 4.0 101 3.5 110 3.0 111 2.5 （6） 細(xì)分設(shè)置 表6-4細(xì)分設(shè)置 開關(guān)位置（DIP5 6 7 8） 細(xì)分設(shè)置（拍/齒） 脈沖數(shù)/圈 0000 240 12000 0001 200 10000 0010 160 8000 0011 120 6000 0100 100 5000 0101 80 4000 0110 60 3000 0111 50 2500 1000 48 2400 1001 40 2000 1010 30 1500 1011 24 1200 1100 20 1000 1101 12 600 1110 10 500 1111 6 300 注：撥動(dòng)開關(guān)“ON”時(shí)為“0”；細(xì)分設(shè)置可根據(jù)用戶要求定制 （7） 硬件連接 圖6-2硬件連接 6.1.2 HB205S驅(qū)動(dòng)器 圖6-3HB205S驅(qū)動(dòng)器 （1） 特點(diǎn) 2 AC24～50V或DC36～70V電源供電 2 最大6A相電流輸出 2 采用交流伺服電機(jī)的電流控制方式，精確正弦電流輸出，使步進(jìn)電機(jī)各項(xiàng)運(yùn)行性能指標(biāo)接近交流伺服電機(jī) 2 驅(qū)動(dòng)器性能對(duì)電機(jī)的依賴性極小，不同參數(shù)電機(jī)均可獲得優(yōu)異性能 2 具備多種細(xì)分模式，特殊細(xì)分要求可定制 2 具備脫機(jī)（FREE）控制信號(hào) 2 電機(jī)位置停電記憶 2 輸入輸出信號(hào)光電隔離 （2） 適配電機(jī) 本驅(qū)動(dòng)器與57、75、86、90BYG系列兩相混合式步進(jìn)電機(jī)相配合。 （3） 輸入輸出端子 表6-5輸入輸出端子 端子標(biāo)記 功能 說(shuō)明 CP+ 步進(jìn)脈沖/正向脈沖正輸入端 脈沖+方向模式下： 1）? 脈沖光耦開通沿有效，最小脈寬2us 2）? 方向光耦關(guān)斷時(shí)正轉(zhuǎn)，開通時(shí)反轉(zhuǎn) 正/反脈沖模式見(jiàn)“信號(hào)設(shè)置” CP- 步進(jìn)脈沖/正向脈沖負(fù)輸入端 CW+ 方向信號(hào)/反向脈沖正輸入端 CW- 方向信號(hào)/反向脈沖負(fù)輸入端 FRE+ 脫機(jī)控制信號(hào)正輸入端 光耦開通時(shí)輸出電流為0，電機(jī)無(wú)鎖定轉(zhuǎn)矩 FRE- 脫機(jī)控制信號(hào)負(fù)輸入端 ERR-C 故障信號(hào)正輸出端 光耦副邊集電極開路輸出（50V/20mA）。驅(qū)動(dòng)器故障時(shí)ERR-C腳和ERR-E間三極管開通 ERR-E 故障信號(hào)負(fù)輸出端 COM 信號(hào)公共端 C