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1、自動焊接機(jī)械手設(shè)計 1 緒論 1.1 技術(shù)概述 工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)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(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)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(jī)器人技術(shù)是綜合了計算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。 機(jī)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(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)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(jī)器的進(jìn)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(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。 1.2 現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢 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10．3萬美元降至97年的6．5萬美元。 (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

3、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

4、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)用的領(lǐng)域。 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

5、件設(shè)計技術(shù)、運動學(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、搬運等機(jī)器人；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

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(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

7、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，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。 1.3 “十五”目標(biāo)及主要研究內(nèi)容 1.3.1目標(biāo) 中國工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)在的總裝機(jī)量約為1200臺，其中國產(chǎn)機(jī)器人占有量約為1/3，即400多臺。與世界機(jī)器人總裝機(jī)臺數(shù)75萬臺相比，中國總裝機(jī)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(jī)數(shù)量少，說明了我國的工業(yè)化程度與工業(yè)發(fā)達(dá)國家的差距大。因為工業(yè)機(jī)器人的誕生和應(yīng)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(jī)器人的利用率不高，

8、以進(jìn)口的弧焊機(jī)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(fù)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(hù)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(jī)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(jī)器人應(yīng)用效果不理想，直接影響了用戶使用更多機(jī)器人的信心。 我國有組織有計劃地發(fā)展機(jī)器人事業(yè)，應(yīng)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(yīng)用，從縱向看，有了長足的進(jìn)步。目前在一些機(jī)種方面，如噴涂機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、點焊機(jī)器人、搬運機(jī)器人、裝配機(jī)器人、特種機(jī)器人(水下、爬壁、管道、遙控等機(jī)器人)，基

9、本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計制造技術(shù)，解決了控制，驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計和配置、軟件的設(shè)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(shè)備的全線自動通信、協(xié)調(diào)控制技術(shù)；在基礎(chǔ)元件方面，諧波減速器、機(jī)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(jī)器人技術(shù)在世界機(jī)器人界已有一席之地，奠定了獨立自主發(fā)展中國機(jī)器人事業(yè)的基礎(chǔ)；從社會經(jīng)濟(jì)角度來看，我國機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，為中、外機(jī)器人產(chǎn)品打開中國市場準(zhǔn)備了物質(zhì)和人員條件。 根據(jù)國內(nèi)外機(jī)器人發(fā)展的經(jīng)驗、現(xiàn)狀及近幾年的動態(tài)，結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的具體情況，“十五”期間機(jī)器

10、人技術(shù)應(yīng)重點開展智能機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械及其相關(guān)技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)用；開展以機(jī)器人為基礎(chǔ)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(qiáng)多傳感器融合及決策、控制一體化技術(shù)及應(yīng)用的研究。重點解決我國已研制應(yīng)用多年的示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化前期關(guān)鍵技術(shù)，大力推進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，力爭在“十五”末期實現(xiàn)噴涂、焊接、裝配等機(jī)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(jī)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(jī)器人產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計。 ②柔性仿形噴涂機(jī)器人開發(fā)：柔性仿形復(fù)合機(jī)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(jī)安全防爆、防護(hù)技術(shù)開發(fā)，高速

11、噴杯噴涂工藝研究。 ③焊接機(jī)器人（把弧焊與點焊機(jī)器人作為負(fù)載不同的一個系列機(jī)器人，可兼作弧焊、點焊、搬運、裝配、切割作業(yè)）產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、 系列化設(shè)計。 ④弧焊機(jī)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(jī)器人協(xié)調(diào)控制。 ⑤焊接機(jī)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(jī)器人產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計。 ⑦批量生產(chǎn)機(jī)器人所需的專用制造、裝配、測試設(shè)備和工具的研究開發(fā)。 （2）智能機(jī)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(jī)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(jī)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(yīng)控制；知識庫的建立，學(xué)習(xí)與推理方法；人機(jī)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(jī)器人的導(dǎo)航和定位技術(shù)研究 包括導(dǎo)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(dǎo)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(jī)器人導(dǎo)航的研究。 ③面向遙控機(jī)器人的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng) 包括人機(jī)交互圖形生成及其程序設(shè)計；遙控機(jī)器人（載體和機(jī)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(jī)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(yīng)、反饋控制；面向任務(wù)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(jī)交互環(huán)境建模系統(tǒng) 包括CAD建模中的人機(jī)交互技術(shù)；求知模型工件的反示過程中的交互技術(shù)；機(jī)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(jī)器人標(biāo)定、運動學(xué)建模、動力學(xué)建模中的交互技術(shù)。 ⑤基于計算機(jī)屏幕的多機(jī)器人遙控技術(shù) 包括三維立體視覺建模；模型的計算機(jī)顯示；遙控機(jī)器人模型的控制；人機(jī)接口；網(wǎng)絡(luò)通訊。 （3）機(jī)器人化機(jī)械研究開發(fā) ①并

14、聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)床（VMT）與機(jī)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(yīng)用軟件開發(fā)；智能化機(jī)構(gòu)、材料機(jī)電一體化技術(shù)；作業(yè)狀態(tài)變量智能化傳感技術(shù)；機(jī)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(jī)構(gòu)運動學(xué)及動力學(xué)理論；RMC智能控制理論；VMT與RMC典型應(yīng)用工程開發(fā)。 ②機(jī)器人化無人值守和具有自適應(yīng)能力的多機(jī)遙控操作的大型散料輸送設(shè)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(jī)器人運動規(guī)劃在等量堆取料、自主操作中的應(yīng)用；基于廣域網(wǎng)的遠(yuǎn)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(jī)器人為基礎(chǔ)的重組裝配系統(tǒng) ①開放式模塊化裝配機(jī)器人 包括通用要素的提取；專用件標(biāo)準(zhǔn)化；裝配機(jī)器人模塊CAD設(shè)計；通用主流計算機(jī)構(gòu)造的控制器；人機(jī)界面方式；網(wǎng)絡(luò)功能。 ②面向機(jī)器人裝配的設(shè)計技術(shù) 包括數(shù)字化裝配與CAD集成技術(shù)；產(chǎn)品機(jī)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(jī)器人柔性裝配系統(tǒng)設(shè)計技術(shù) 其中單元技術(shù)：供料系統(tǒng)智能化設(shè)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(jī)器人柔性裝配系統(tǒng)設(shè)計技術(shù) 開展基于任務(wù)和環(huán)境的動態(tài)重構(gòu)機(jī)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(jī)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(yīng)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(jī)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(yīng)）的機(jī)電一體化傳感器研究；面向工藝要求的運動機(jī)構(gòu)設(shè)計、實現(xiàn)檢測和清污的自主運動；調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)；機(jī)器人機(jī)構(gòu)和控制技術(shù)在傳感器設(shè)計中的應(yīng)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(jī)器人集成系統(tǒng)的廠家約20余家。這些焊接機(jī)器人集成系統(tǒng),全部是進(jìn)口的。包括:igm、Cloos、ABB、及3K等廠家的產(chǎn)品。設(shè)備購置費用很高，應(yīng)用卻不理想。 1.4.1應(yīng)用的具體情況如下： 1）幾條焊接機(jī)器人柔性生產(chǎn)線，全部不能實現(xiàn)設(shè)計功能。較好的生產(chǎn)線，做單機(jī)使用；應(yīng)用較差的生產(chǎn)線，差到千余萬元的設(shè)備

18、，一次沒有應(yīng)用。 2）焊接機(jī)器人單機(jī)也沒有達(dá)到設(shè)計要求。 1.4.2焊接機(jī)器人應(yīng)用效果不良的原因 1）在工藝設(shè)計中，對設(shè)備選型沒有深入研究，以為機(jī)器人是“萬能”的。選擇的焊件，幾十點甚至百點焊點，即使機(jī)器人具有起始點尋找和跟蹤能力，由于待焊焊點的偏差，機(jī)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(shè)計，要求用一條機(jī)器人柔性焊接生產(chǎn)線，完成推土機(jī)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(dá)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(jìn)口的機(jī)器人，就在車間里，沒法使用。 本課題擬在焊接機(jī)器人現(xiàn)有基礎(chǔ)上對其的機(jī)械部分進(jìn)行適當(dāng)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(jìn)的步進(jìn)（伺服）電機(jī)、位置檢測裝置、先進(jìn)的設(shè) 計理念等使其更能為其完全實行自動化奠定基礎(chǔ)。 自動焊接設(shè)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(jī)功率可以減小，進(jìn)而減輕焊接機(jī)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(shè)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(jī)設(shè)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(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)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(jī)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(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)不是電壓控制型元件

21、，而是頻率型控制元件。步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。而采用計算機(jī)產(chǎn)生的控制信號是很穩(wěn)定的。因此，擬采用步進(jìn)電機(jī)，以使焊槍的位移更準(zhǔn)確。 2焊接機(jī)械手設(shè)計的總體構(gòu)想 2.1 焊接機(jī)械手的組成 所謂焊接機(jī)器人，一般指6軸機(jī)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(dá)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(jī)器人工程，除需要點焊機(jī)器人以外，還需要使用的后邊設(shè)備。點焊機(jī)器人與周

22、邊設(shè)備組成的系統(tǒng)，稱點焊機(jī)器人集成系統(tǒng)。 經(jīng)濟(jì)型點焊機(jī)器人主要應(yīng)用在焊點分布簡單，焊接工作量大，焊接勞動強(qiáng)度大、焊接環(huán)境惡劣的工作。一般焊接機(jī)器人要求周邊設(shè)備的傳動精度偏高。 圖2.1 自動焊接設(shè)備的結(jié)構(gòu) 整機(jī)結(jié)構(gòu)：自動焊接設(shè)備由焊接機(jī)頭、行走環(huán)行導(dǎo)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(jī)（或筆記本電腦）和控制箱，微型計算機(jī)由朱基、鍵盤、顯示器、輸入設(shè)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(jī)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(jī)頭對焊槍位置作適當(dāng)?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(jī)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(jī)頭，其在焊接過程中應(yīng)作多種復(fù)合遠(yuǎn)動，是焊槍保持一定的姿態(tài)。但受焊接機(jī)頭運動自由度的限制，不易實現(xiàn)多種的復(fù)合遠(yuǎn)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(jī)頭對焊槍位置作適當(dāng)?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(jī)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(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動方式的確定，計算機(jī)系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。應(yīng)根椐設(shè)計任務(wù)和要求提出系統(tǒng)的總體方案，對方案進(jìn)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(jī)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(jī)構(gòu)采用開環(huán)控制系統(tǒng)，選用快速步進(jìn)電機(jī)。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(jī)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(shè)計機(jī)械傳動裝配時，應(yīng)考慮以下幾點： （1）盡量采用

25、低摩擦的傳動和導(dǎo)向元件。 （2）盡量消除傳動間隙。 （3）縮短傳動鏈?？s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(yù)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(yù)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(shè)計的題目為5軸機(jī)械手，其運動機(jī)構(gòu)為擺動機(jī)構(gòu)及其減速機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)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(shè)計的關(guān)鍵。初步確定的聯(lián)系尺寸是個部件的設(shè)

26、計依據(jù)，并通過部件的設(shè)計，還應(yīng)對聯(lián)系尺寸進(jìn)行必要的修改，最后確定裝配總圖。 聯(lián)系尺寸包括： (1).機(jī)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(shè)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(jìn)電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩，選擇步進(jìn)電機(jī)的型號。由電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩來校核執(zhí)行件的強(qiáng)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(jìn)行強(qiáng)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(jìn)行選擇。 關(guān)于轉(zhuǎn)動慣量的計算參閱了《理論力學(xué)》第五版下冊95頁，強(qiáng)度校核參閱《材料力學(xué)》和《機(jī)械設(shè)計》第三版，選取步進(jìn)電機(jī)參閱了《機(jī)電傳動控制》第三版359頁 減速機(jī)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(yīng)預(yù)熱，高于45℃時采用降溫措施。 錐齒輪或連桿的設(shè)計可參閱《機(jī)械設(shè)計》的相關(guān)內(nèi)容，進(jìn)行設(shè)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(jī)輸出軸的負(fù)載慣量，由其轉(zhuǎn)動慣量計算出電機(jī)輸出軸的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩選取驅(qū)動電機(jī)的型號。 微機(jī)控制系統(tǒng)硬件部分設(shè)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(shè)計出它的外部擴(kuò)展電路。例如外部擴(kuò)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(shè)計：畫出程序流程圖，包括總的程序流程圖、控制電機(jī)的控制子程序流程圖和中斷報務(wù)子程序流程圖。 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量：脈沖當(dāng)量是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的機(jī)械手上的移動部件，在每一個進(jìn)給脈沖發(fā)出后，其相對位移量。脈沖當(dāng)量的大小是由機(jī)械手的精度確定的。本設(shè)計的脈沖當(dāng)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(dāng)量 與步進(jìn)電機(jī)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(jī) 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(yīng)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(yīng)是穩(wěn)定的。 (2).精度：伺服系統(tǒng)能在比較經(jīng)濟(jì)的情況下達(dá)到給定的精度。 (3).快速響應(yīng)：系統(tǒng)輸出響應(yīng)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(yīng)下受參數(shù)的變化的影響。 (5).抗干撓能力：系統(tǒng)應(yīng)有很好的抵抗外部負(fù)載干撓和環(huán)境噪聲影響的能力。 由于機(jī)械手的工作情況，所選取的伺服電機(jī)應(yīng)該具有的基本特點是： 調(diào)速范圍寬，伺服電機(jī)應(yīng)滿足調(diào)速要求。 負(fù)載特性硬，在調(diào)速范圍內(nèi)電機(jī)應(yīng)有足夠的驅(qū)動力矩。 動態(tài)響應(yīng)快。 2)步進(jìn)電機(jī)的選擇 (1).步進(jìn)電機(jī)的類型的確定 數(shù)控

31、伺服系統(tǒng)中常用的步進(jìn)電機(jī)有快速步進(jìn)電機(jī)和功率步進(jìn)電機(jī)?？焖俨竭M(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)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(fù)雜。在選擇步進(jìn)電機(jī)時，首先要確定步進(jìn)電機(jī)的類型。 (2).步進(jìn)電機(jī)步距角的選擇 步進(jìn)電機(jī)的步距角β是步進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo)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(jìn)電機(jī)的啟動和運行頻率，因此在選擇步進(jìn)電機(jī)時，應(yīng)使其步距角β小于或等于系統(tǒng)對步進(jìn)電機(jī)最小轉(zhuǎn)角的要求，

32、 即，步距角應(yīng)滿足 (3-2) 式中， -----傳動比 ------負(fù)載要求的最小位移量，（或稱之為脈沖當(dāng)量，即每一個脈沖所對應(yīng)的負(fù)載軸的位移增量）。 (3).最大靜轉(zhuǎn)矩 負(fù)載轉(zhuǎn)矩和最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為 (3-3) 為保證步進(jìn)電機(jī)在系統(tǒng)中正常工作，還必須滿足 式中 -----步進(jìn)電機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩 -----最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩 通常取 =/(0.3----0.5) (3-4) (4).負(fù)載啟動頻率： 步進(jìn)電機(jī)的負(fù)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(dāng)量 只要負(fù)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(jìn)電機(jī)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(fù)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(shè)系統(tǒng)在工作負(fù)載情況下的最大速度為(m/min)，系統(tǒng)脈沖當(dāng)量為 (mm)，則步進(jìn)電機(jī)在工作負(fù)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(dǎo)程S?？捎孟率竭M(jìn)行計算 螺紋升角φ： (3-6) 式中 ----螺紋數(shù)，一般取 =1 ----螺距 導(dǎo)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(jī)啟動、加速時的負(fù)載扭矩 通過下式計算出電動機(jī)啟動、加速時的負(fù)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(jī)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(jī)軸上齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 -----電機(jī)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(jī)軸上去： (3).絲杠及軸類零件的強(qiáng)度校核： 軸類零件的強(qiáng)度校核可以依據(jù)下式來進(jìn)行計算 (3-10) (3-11) 式中 ------軸傳遞的功率（kW） ------扭應(yīng)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(yīng)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(shè)計，在《機(jī)械設(shè)計》第三版中有詳細(xì)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(jī)后，還需要對這些傳動件和運動件進(jìn)行校核。 (2).多級變速機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動慣量的折算 在選擇擺

37、動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)械效率的情況下進(jìn)行的折算。若要考慮機(jī)械效率，則應(yīng)在減速比(如)中增加機(jī)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(biāo)準(zhǔn)，在機(jī)械設(shè)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(jìn)行軸承的組合結(jié)構(gòu)設(shè)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(jī)械手的設(shè)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(shè)計要先由計算的強(qiáng)度來確定基本尺寸，再根據(jù)GB/T2822-81來選取標(biāo)準(zhǔn)尺寸，也可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)件如軸承等決定）來決定的，選定軸承后，還要進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)件手冊的軸承部分即可以得到 n------軸承轉(zhuǎn)速 當(dāng)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(jī)械工作中的沖擊、振動對機(jī)械受載的影響，應(yīng)引入載荷性質(zhì)的系數(shù)（表2.1），因此軸承的當(dāng)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(jī)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(jī)、空調(diào)機(jī)、水泵等 1.0---1.2 輕度沖擊的運轉(zhuǎn) 機(jī)床、起重機(jī)、傳動裝置、風(fēng)機(jī)、造紙機(jī)等 1.2---1.5 劇烈沖擊、振動的運轉(zhuǎn) 破碎機(jī)、軋鋼機(jī)、振動篩、工程機(jī)械等 1.5---3.0 2.4 設(shè)計實例和典型計算 表2.3 設(shè)計任務(wù)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(fù)定位精度0.5mm。 19 1.3 1.3 39 23 其機(jī)械結(jié)構(gòu)，如圖2-1

41、所示：以大臂的電機(jī)選擇為例 首先取絲杠長550mm，其上螺紋長200mm，下面開始進(jìn)行具體的設(shè)計： 1).執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計 (1).選取絲杠的材料：調(diào)制45鋼， 直徑：d=32mm， 長：L=550mm， 導(dǎo)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(jī)的負(fù)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(shè)電機(jī)可在 0.1s內(nèi)達(dá)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(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為 2).選取電動機(jī) 電動機(jī)的型號主要靠其啟動階段的負(fù)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(jìn)電機(jī)的步距角： 式3-2 = 式3-1 t=S, i=28, ==1.28 查手冊，選?。?0BYG550A型步進(jìn)電機(jī)。從而小臂驅(qū)動電機(jī)選擇90BYG55

43、0A足夠。 3).絲杠的強(qiáng)度校核 絲杠的強(qiáng)度可用公式3-10來進(jìn)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(qiáng)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(jī)械設(shè)計》第九章，設(shè)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(jī)械效率因子，變換公式如下： 算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動慣量： 式中， -----車輪的轉(zhuǎn)動慣量 設(shè)連桿輪質(zhì)量為： 則 ，為連桿輪的半徑 -----電機(jī)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(jī)的負(fù)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(jìn)電機(jī)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(jī)選用130BYG250E 3 機(jī)械手驅(qū)動電機(jī)的優(yōu)化選擇 3.1 前言 我們針對機(jī)械行業(yè)的需要,采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動,設(shè)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(jī)器人(以下簡稱HJ機(jī)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(qiáng)度機(jī)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(dāng)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(jìn)電機(jī)系統(tǒng)來開發(fā)機(jī)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(jì)又實用的技術(shù)路線。從技術(shù)經(jīng)濟(jì)的角度來講,之所以選用步進(jìn)電機(jī)是由HJ 機(jī)器人的用途、伺服系統(tǒng)的特性、步進(jìn)電機(jī)技術(shù)的進(jìn)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(jìn)電機(jī)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(yīng)用

46、,但人們同時發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)(指原來的反應(yīng)式電機(jī)) 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(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)的種種弊病才得到克服。近年來步進(jìn)電機(jī)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(xì)分?jǐn)?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(dāng)齊全的電機(jī)、驅(qū)動器和控制器系列產(chǎn)品。這三者中,電機(jī)的通用性最強(qiáng),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(dāng),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(yīng)用是五花八門的,很難做出一種控制器能滿足各方面應(yīng)用要求。生產(chǎn)廠家為了控制器能適應(yīng)更多應(yīng)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(yīng)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(jī)和驅(qū)動器采購標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品,而控制器則根據(jù)機(jī)器人的需要自行開發(fā)。眾所周知,步進(jìn)電機(jī)的工作原理是,給一個驅(qū)動脈沖,電機(jī)走一步。電機(jī)的角位移正比于(乘以步距角) 所給的脈沖數(shù),而電機(jī)的速度正比于脈沖頻率。所以對步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)的介紹 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進(jìn)角）。您可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的 3.2.1步進(jìn)電機(jī)的基本工作原理. 步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM） ，反應(yīng)式（VR） 和混合式（HB） 永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度 或15度； 反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國家8

49、0年代已被淘汰； 混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。 步進(jìn)電機(jī)有兩種基本的形式：可變磁阻型和混和型。步進(jìn)電機(jī)的基本工作原理，結(jié)合圖3.1的結(jié)構(gòu)示意圖進(jìn)行敘述 圖3.1 四相可變磁阻型步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 圖1是一種四相可變磁阻型的步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。這種電機(jī)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(jìn)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(jìn)電機(jī)。 它的工作過程是這樣的：當(dāng)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(fù)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(qiáng)迫移動，使最近的一對齒與被激勵的一相對準(zhǔn)。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(zhǔn)。從這個位置再對B相進(jìn)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(jī)步長(步距角)是步進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo)之一，不同的應(yīng)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(jī)轉(zhuǎn)一圈需要24步。 3.2.2混和步進(jìn)電機(jī)的工作原理： 在實際應(yīng)用中，最流行的還是混和型的步進(jìn)電機(jī)。但工作原理與圖1所示的可變磁阻型同步電機(jī)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(jī)具有四相繞組，有八個獨立的引線終端，如圖2a所示?；蛘呓映蓛蓚€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(jìn)電機(jī)接線圖 圖3所示的電路為四相混和型步進(jìn)電機(jī)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(jìn)開關(guān)的邏輯時序。 表3.1 值得注意的是，電機(jī)步進(jìn)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(jìn)電機(jī)，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(jìn)角僅前進(jìn)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(jìn)電機(jī)，也能工作于比額定電壓高的情況。這可以用串聯(lián)電阻進(jìn)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(jìn)電機(jī)，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(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說2N.m的步進(jìn)電機(jī)，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進(jìn)電機(jī)。 3.2.4步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)正好工作在共振區(qū)，可通過改變減速比等機(jī)械傳動避開共振區(qū)； 　　B.

54、采用帶有細(xì) 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(jìn)電機(jī)，如三相或五相步進(jìn)電機(jī)； 　　D.換成交流伺服電機(jī)，幾乎可以完全克服震動和噪聲，但成本較高； E.在電機(jī)軸上加磁性阻尼器，市場上已有這種產(chǎn)品，但機(jī)械結(jié)構(gòu)改變較大 3.2.5步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的直流供電電源 A.電壓的確定 混合式步進(jìn)電機(jī)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(jī)的工作轉(zhuǎn)速和響應(yīng)要求來選擇。如果電機(jī)工作轉(zhuǎn)速較高或響應(yīng)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(dāng)脫機(jī)信號FREE為低電平時，驅(qū)動器輸出到電機(jī)的電流被切斷，電機(jī)轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)（脫機(jī)狀態(tài)）。在有些自動化設(shè)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(jī)軸（手動方式），就可以將FREE信號置低，使電機(jī)脫機(jī)，進(jìn)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(jìn)電機(jī)的控制邏輯 HJ(焊接)機(jī)器人各關(guān)節(jié)均用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動,由Intel8031 單片機(jī)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(fù)脈沖,脈寬為輸入信號的周期。000 模式類似減1 計數(shù)器,當(dāng)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(jī)驅(qū)動器,則電機(jī)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(jī)前,寫入要走的步數(shù),則等電機(jī)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(jī),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(zhǔn)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(jī)器人在各關(guān)節(jié)確定自身運動的坐標(biāo)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(yán)格要求。電機(jī)由靜止到達(dá)設(shè)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(jī)械沖擊,甚至電機(jī)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(jī)速度遞增相同的增量△f ;后者則要求

59、每一加速周期電機(jī)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(jī)走的步數(shù)可以非常準(zhǔn)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(jī)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(shè)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(shè)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(jī)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(fù)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(shè)置在8位重裝定時器方式,時間常數(shù)設(shè)為150(因T0 為加計數(shù)器,實際寫入時用- 150) ,另設(shè)一個軟件計數(shù)單元,此軟件計數(shù)器的初值設(shè)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(shè)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(jī)頻率加一個△f ,并恢復(fù)初值。加速控制總臺階數(shù)n 設(shè)置為64 , △f 設(shè)置為(fmax - f0) / n ,則經(jīng)過t = (600 * 12 * a * 64/ f sys) 秒,電機(jī)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(jìn)電機(jī)的位置控制是指要求電機(jī)從當(dāng)前位置轉(zhuǎn)過

62、一個給定的步數(shù)。電機(jī)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(jìn)脈沖。例如,機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)走過的步數(shù)S ∑。顯然,電機(jī)走的總步數(shù)S ∑由三部份構(gòu)成:加速階段電機(jī)走的步數(shù)、勻速階段電機(jī)走的步數(shù)和減速階段電機(jī)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(dāng)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?？赡艹霈F(xiàn)三種情況: 1) 給定的電機(jī)步數(shù)S ∑> 2Sa :這就是圖6 的情況,電機(jī)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(jī)步數(shù)S ∑= 2Sa : 則剛好加速完畢立即進(jìn)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(jī)步數(shù)S ∑< 2Sa : 則不等到電機(jī)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(jī)將走過的步數(shù)Sa