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1、自動(dòng)焊接機(jī)械手設(shè)計(jì) 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(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動(dòng)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(dòng)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(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)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(jì)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(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。 機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)

2、和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)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(zhǎng)時(shí)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(shuō)它也是機(jī)器的進(jìn)化過(guò)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(dòng)化設(shè)備。 1.2 現(xiàn)狀及國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì) 國(guó)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì)： (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(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的10．3萬(wàn)美元降至97年的6．5萬(wàn)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(cè)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(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。 (3)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開(kāi)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(jiàn)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(jué)、力覺(jué)等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)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(shí)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(guò)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(jué)來(lái)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國(guó)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(shí)例。 (7)機(jī)器人化機(jī)械開(kāi)始興起。從94年美國(guó)開(kāi)發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來(lái)，這種新型裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開(kāi)拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。 我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開(kāi)始起步，在國(guó)家的支持下，通過(guò)“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(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟

5、件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)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(kāi)發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)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(lái)看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如：可靠性低于國(guó)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(guó)外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)已安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬(wàn)分之四。以上原因主要是沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)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(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零

6、部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、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(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。 我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計(jì)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(wú)纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開(kāi)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(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、聲覺(jué)等基礎(chǔ)技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用上開(kāi)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(kāi)發(fā)應(yīng)用方面則

7、剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)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?jī)?nèi)容 1.3.1目標(biāo) 中國(guó)工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)在的總裝機(jī)量約為1200臺(tái)，其中國(guó)產(chǎn)機(jī)器人占有量約為1/3，即400多臺(tái)。與世界機(jī)器人總裝機(jī)臺(tái)數(shù)75萬(wàn)臺(tái)相比，中國(guó)總裝機(jī)量?jī)H占萬(wàn)分之十六。對(duì)中國(guó)這樣一個(gè)12億人口的大國(guó)來(lái)說(shuō)，差距是很明顯的。裝機(jī)數(shù)量少，說(shuō)明了我國(guó)的工業(yè)化程度與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的差距大。因?yàn)楣I(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(dòng)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(yùn)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(yùn)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(wèn)題；還有1/3不能正常使用，這是由于機(jī)器人質(zhì)量問(wèn)題或缺乏備件，以及請(qǐng)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(guó)有組織有計(jì)劃地發(fā)展機(jī)器人事業(yè)，應(yīng)該說(shuō)是從“七五”期間的科研攻關(guān)及實(shí)施“863計(jì)劃”開(kāi)始的，經(jīng)過(guò)十幾年來(lái)的研制、生產(chǎn)、應(yīng)用，從縱向看，有了長(zhǎng)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(diǎn)焊機(jī)器人、搬運(yùn)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(jì)制造技術(shù)，解決了控制，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和配置、軟件的設(shè)計(jì)和編制等關(guān)鍵技術(shù)，還掌握了自動(dòng)化噴漆線、弧焊自動(dòng)線(工作站)及其周邊配套設(shè)備的全線自動(dòng)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(dòng)跟蹤裝置也有了突破；于此同時(shí)造就了一支具有一定水平的技術(shù)隊(duì)伍。無(wú)疑，從技術(shù)方面來(lái)說(shuō)，我國(guó)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(dú)立自主發(fā)展中國(guó)機(jī)器人事業(yè)的基礎(chǔ)；從社會(huì)經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，我國(guó)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，為中、外機(jī)器人產(chǎn)品打開(kāi)中國(guó)市場(chǎng)準(zhǔn)備了物質(zhì)和人員條件。 根據(jù)國(guó)內(nèi)外機(jī)器人發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)狀及近幾年的動(dòng)態(tài)，結(jié)合當(dāng)前國(guó)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(diǎn)開(kāi)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(kāi)發(fā)及應(yīng)用；開(kāi)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(kāi)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(diǎn)解決我國(guó)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(zhēng)在“十五”末期實(shí)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?jī)?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(jì)。 ②柔性仿形噴涂機(jī)器人開(kāi)發(fā)：柔性仿形復(fù)合機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，整機(jī)安全防爆、防護(hù)技術(shù)開(kāi)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(diǎn)焊機(jī)器人作為負(fù)載不同的一個(gè)系列機(jī)器人，可兼作弧焊、點(diǎn)焊、搬運(yùn)、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(jì)。 ④弧焊機(jī)器人用激光視覺(jué)焊縫跟蹤裝置的開(kāi)發(fā)：激光發(fā)射器的選用，CCD成象系統(tǒng)，視覺(jué)圖象處理技術(shù)，視覺(jué)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(dòng)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(jì)。 ⑦批量生產(chǎn)機(jī)器人所需的專用制造、裝配、測(cè)試設(shè)備和工具的研究開(kāi)發(fā)。 （2）智能機(jī)器人開(kāi)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(dòng)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(shí)庫(kù)的建立，學(xué)習(xí)與推理方法；人機(jī)交互的高級(jí)控制技術(shù)；虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）控制與真實(shí)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(dòng)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(dòng)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(shí)系統(tǒng) 包括人機(jī)交互圖形生成及其程序設(shè)計(jì)；遙控機(jī)器人（載體和機(jī)械手）幾何動(dòng)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(shí)的遙控操作的理論與方法；基于VR模型操作和真實(shí)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(guò)程中的交互技術(shù)；機(jī)器人與環(huán)境的布局及功能驗(yàn)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(yùn)動(dòng)學(xué)建模、動(dòng)力學(xué)建模中的交互技術(shù)。 ⑤基于計(jì)算機(jī)屏幕的多機(jī)器人遙控技術(shù) 包括三維立體視覺(jué)建模；模型的計(jì)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(kāi)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(kāi)發(fā)研究 包括VMT與RMC智能化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)技術(shù)；VMT與RMC關(guān)鍵傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)；VMT與RMC加工、裝配、擺放、涂膠、檢測(cè)作業(yè)技術(shù)；VMT與RMC監(jiān)控檢測(cè)技術(shù)開(kāi)發(fā)；VMT與MRC智能化開(kāi)式CMC控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)；系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件開(kāi)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(kāi)式CNC控制硬軟件系統(tǒng)；并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)理論；RMC智能控制理論；VMT與RMC典型應(yīng)用工程開(kāi)發(fā)。 ②機(jī)器人化無(wú)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(chǎng)總線技術(shù)；機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(shí)時(shí)通訊；具有監(jiān)測(cè)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(kāi)放式模塊化裝配機(jī)器人 包括通用要素的提??；專用件標(biāo)準(zhǔn)化；裝配機(jī)器人模塊CAD設(shè)計(jì)；通用主流計(jì)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(jì)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(píng)價(jià)。 ③機(jī)器人柔性裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù) 其中單元技術(shù)：供料系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)、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(jì)技術(shù) 開(kāi)展基于任務(wù)和環(huán)境的動(dòng)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(jué)、視覺(jué)技術(shù) 包括高精度、高集成化六維腕力傳感技術(shù)；視覺(jué)識(shí)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(shí)時(shí)檢測(cè)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(guò)程控制和污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 包括面向工藝過(guò)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(chǎng)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(yùn)動(dòng)、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(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和清污的自主運(yùn)動(dòng)；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(jì)中的應(yīng)用 1.4．本課題要研究或解決的問(wèn)題和擬采用的研究手段及途徑： 根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),我國(guó)擁有點(diǎn)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(gòu)置費(fèi)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(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)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(wàn)元的設(shè)備

18、，一次沒(méi)有應(yīng)用。 2）焊接機(jī)器人單機(jī)也沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)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(jì)中，對(duì)設(shè)備選型沒(méi)有深入研究，以為機(jī)器人是“萬(wàn)能”的。選擇的焊件，幾十點(diǎn)甚至百點(diǎn)焊點(diǎn)，即使機(jī)器人具有起始點(diǎn)尋找和跟蹤能力，由于待焊焊點(diǎn)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(diǎn)了。有這樣一個(gè)設(shè)計(jì)，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(gè)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(gè)問(wèn)題：一是下料精度低，達(dá)不到要求；二是組對(duì)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(duì)，制坯。這樣，生產(chǎn)的焊坯，其待焊焊點(diǎn)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(diǎn)的間隙，大小相差10mm之多。進(jìn)口的機(jī)器人，就在車間里，沒(méi)法使用。 本課題擬在焊接機(jī)器人現(xiàn)有基礎(chǔ)上對(duì)其的機(jī)械部分進(jìn)行適當(dāng)合理的調(diào)整，在市場(chǎng)需求和性價(jià)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(cè)裝置、先進(jìn)的設(shè) 計(jì)理念等使其更能為其完全實(shí)行自動(dòng)化奠定基礎(chǔ)。 自動(dòng)焊接設(shè)備的焊接執(zhí)行部件，擬采用旋轉(zhuǎn)副驅(qū)動(dòng)方式。因旋轉(zhuǎn)副摩擦力小于移動(dòng)副摩擦力，運(yùn)動(dòng)靈活，可以靈活改變焊槍的姿態(tài)，更適用于全方位自動(dòng)焊接。驅(qū)動(dòng)同樣的焊接執(zhí)行部件，電動(dòng)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(jí)減速軸上，直接檢測(cè)焊槍的位置和姿態(tài)。這樣的安裝方式，不存在國(guó)內(nèi)外全自動(dòng)焊接設(shè)備通過(guò)間接方式檢測(cè)焊槍位置的問(wèn)題，控制精度更高。全自動(dòng)焊機(jī)設(shè)備上的存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)焊點(diǎn)跟蹤控制程序和部分焊接參數(shù)，更多的焊接參數(shù)存儲(chǔ)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(shì)。 對(duì)焊槍的驅(qū)動(dòng)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(hào)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電磁執(zhí)行元件，它本身所特有的高精度、無(wú)漂移、無(wú)累計(jì)誤差等優(yōu)點(diǎn)，使他成為目前機(jī)電一體化產(chǎn)品中，唯一能使用開(kāi)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(dòng)技術(shù)已十分成熟，且具有控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。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(dòng)的快慢、角度決定于數(shù)字脈沖信號(hào)的頻率。即使放大器的“零漂移”使控制信號(hào)的幅度改變，也不會(huì)改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。而采用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的控制信號(hào)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(jì)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(gè)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(yùn)動(dòng)，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(xiàng)點(diǎn)焊機(jī)器人工程，除需要點(diǎn)焊機(jī)器人以外，還需要使用的后邊設(shè)備。點(diǎn)焊機(jī)器人與周

22、邊設(shè)備組成的系統(tǒng)，稱點(diǎn)焊機(jī)器人集成系統(tǒng)。 經(jīng)濟(jì)型點(diǎn)焊機(jī)器人主要應(yīng)用在焊點(diǎn)分布簡(jiǎn)單，焊接工作量大，焊接勞動(dòng)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(dòng)精度偏高。 圖2.1 自動(dòng)焊接設(shè)備的結(jié)構(gòu) 整機(jī)結(jié)構(gòu)：自動(dòng)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(gè)為一體。（如上圖2.1） 控制系統(tǒng)：包括微型計(jì)算機(jī)（或筆記本電腦）和控制箱，微型計(jì)算機(jī)由朱基、鍵盤(pán)、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(dòng)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(hào)、送死控制模板、弧壓控制模板、機(jī)械電弧擺動(dòng)模板等實(shí)現(xiàn)焊槍位置的控制。

23、在管道全方位自動(dòng)焊接時(shí)，生產(chǎn)工人需要跟隨焊接機(jī)頭對(duì)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(guò)旋鈕、按鍵操作改變焊接工藝參數(shù)，因此，弧焊電源是一個(gè)專用的焊接電源。 對(duì)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(guò)程中應(yīng)作多種復(fù)合遠(yuǎn)動(dòng)，是焊槍保持一定的姿態(tài)。但受焊接機(jī)頭運(yùn)動(dòng)自由度的限制，不易實(shí)現(xiàn)多種的復(fù)合遠(yuǎn)動(dòng)。因此，焊接工藝參數(shù)的制定需要工藝試驗(yàn)，一般采用分段法，需要生產(chǎn)工人跟隨焊接機(jī)頭對(duì)焊槍位置作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，對(duì)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(shí)現(xiàn)某種運(yùn)動(dòng)而專門

24、對(duì)裝置本身作出的總體實(shí)現(xiàn)思路和具體的實(shí)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(yùn)動(dòng)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(dòng)方式的確定，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。應(yīng)根椐設(shè)計(jì)任務(wù)和要求提出系統(tǒng)的總體方案，對(duì)方案進(jìn)行總體分析和論證，最后確定總體方案。 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定： 焊接機(jī)械手按運(yùn)動(dòng)方式已經(jīng)由題目歸定好了，選用5軸聯(lián)動(dòng)式。 伺服系統(tǒng)的選擇： 旋轉(zhuǎn)、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)采用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，選用快速步進(jìn)電機(jī)。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)無(wú)檢測(cè)元件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，調(diào)整和維修都容易。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式的確定： 為保證系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性，在設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)裝配時(shí)，應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)： （1）盡量采用

25、低摩擦的傳動(dòng)和導(dǎo)向元件。 （2）盡量消除傳動(dòng)間隙。 （3）縮短傳動(dòng)鏈。縮短傳動(dòng)鏈可以提高系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度，減小傳動(dòng)誤差?？梢圆捎妙A(yù)緊以提高系統(tǒng)的傳動(dòng)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(lái)提高傳動(dòng)剛度。 2.2.1總體布局的確定 總體布局就是解決裝置各個(gè)部件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和相對(duì)位置，并使裝置有一個(gè)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(jì)的題目為5軸機(jī)械手，其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為擺動(dòng)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(guò)聯(lián)系尺寸來(lái)體現(xiàn)，聯(lián)系尺寸也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。初步確定的聯(lián)系尺寸是個(gè)部件的設(shè)

26、計(jì)依據(jù)，并通過(guò)部件的設(shè)計(jì)，還應(yīng)對(duì)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(zhǎng)寬高，及個(gè)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(dòng)部件的行程和極限位置，調(diào)整位置。 (4).驅(qū)動(dòng)裝置和控制器以及執(zhí)行器的位置和間距等。 圖2.2 運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如下: 圖2.3 2.2.2設(shè)計(jì)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(hào)，計(jì)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(hào)。由電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩來(lái)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(jì)算。其它

27、一些輔助支承、固定、連接件等，都可查手冊(cè)進(jìn)行選擇。 關(guān)于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算參閱了《理論力學(xué)》第五版下冊(cè)95頁(yè)，強(qiáng)度校核參閱《材料力學(xué)》和《機(jī)械設(shè)計(jì)》第三版，選取步進(jìn)電機(jī)參閱了《機(jī)電傳動(dòng)控制》第三版359頁(yè) 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(dòng)包括漸開(kāi)線少齒差、擺線少齒差、圓弧少齒差、活齒少齒差傳動(dòng)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(kāi)線行星輪傳動(dòng)，具有體積小，承載能力高，傳動(dòng)比寬、密，效率高，壽命長(zhǎng)，傳動(dòng)平穩(wěn)，允許高速輸入的特點(diǎn)。 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(dòng)功率0.25—2000kW;工作溫度-40--45℃，低于0℃時(shí)，啟動(dòng)前潤(rùn)滑油應(yīng)預(yù)熱，高于45℃時(shí)采用降溫措施。 錐齒輪或連桿的設(shè)計(jì)可參閱《機(jī)械設(shè)計(jì)》的相關(guān)內(nèi)容，進(jìn)行設(shè)計(jì)。然后將擺臂和減速齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算成驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸的負(fù)載慣量，由其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)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(dòng)電機(jī)的型號(hào)。 微機(jī)控制系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)： 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(diǎn)，依最小系統(tǒng)和控制電路的需要，設(shè)計(jì)出它的外部擴(kuò)展電路。例如外部擴(kuò)展I/

29、O電路、檢測(cè)電路、轉(zhuǎn)換電路及驅(qū)動(dòng)電路等，并選擇控制電路中各個(gè)電氣元件的參數(shù)和型號(hào)。繪制出完整的電氣原理圖。 軟件的設(shè)計(jì)：畫(huà)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(bào)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(dòng)的機(jī)械手上的移動(dòng)部件，在每一個(gè)進(jìn)給脈沖發(fā)出后，其相對(duì)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(jì)的脈沖當(dāng)量是 0.1mm。 在絲杠螺母副的傳動(dòng)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(dòng)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(duì)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(shuō)有以下幾點(diǎn)： (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(duì)參數(shù)的變化靈敏度要小，就是說(shuō)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(diǎn)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(dòng)力矩。 動(dòng)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?lái)控制小型的數(shù)控裝置。功率步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)距一般為：5NM---40NM?？梢灾苯佑脕?lái)驅(qū)動(dòng)大型的數(shù)控裝置。 此外，按勵(lì)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(shí)，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(chǎng)合 ，對(duì)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(dòng)和運(yùn)行頻率，因此在選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，應(yīng)使其步距角β小于或等于系統(tǒng)對(duì)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(dòng)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(gè)脈沖所對(duì)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(dòng)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(dòng)頻率： 步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載啟動(dòng)頻率由下式計(jì)算 式中 ------系統(tǒng)中移動(dòng)部件的最大啟動(dòng)速度 -----系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 只要負(fù)載啟動(dòng)頻率不大于允許的最大啟動(dòng)頻率即可。 (5

33、).最大運(yùn)行頻率的確定 由于步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)力矩隨著頻率的增加而下降，因而必須按工作時(shí)的負(fù)載力矩T從“運(yùn)行矩頻特性曲線”中查出最大運(yùn)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(dòng)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(zhǎng)度，選擇螺紋的類型，牙型角β，計(jì)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(jì)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(jì)算出絲杠的質(zhì)量，以及螺母的質(zhì)量。 (2). 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、加速時(shí)的負(fù)載扭矩 通過(guò)下式計(jì)算出電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、加速時(shí)的負(fù)載扭矩： (3-7) 式中 --- ----絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (3-8) 此公式也用來(lái)計(jì)算齒輪等圓形零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ------由電機(jī)軸到絲杠一級(jí)齒輪減速器的傳動(dòng)比， -----絲杠上的齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 -----絲杠啟動(dòng)的角加速度 -----電機(jī)軸上齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 -----電機(jī)啟動(dòng)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(jì)算出夾緊力對(duì)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(lái)進(jìn)行計(jì)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(jiàn)表3-2 -----許用應(yīng)力(MPa)，見(jiàn)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(jì)，在《機(jī)械設(shè)計(jì)》第三版中有詳細(xì)的說(shuō)明，其中主要是確定它的幾個(gè)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(duì)這些傳動(dòng)件和運(yùn)動(dòng)件進(jìn)行校核。 (2).多級(jí)變速機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算 在選擇擺

37、動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，需要將擺臂、轉(zhuǎn)塔、各級(jí)齒輪（或蝸輪）及其輪軸（或蝸桿）的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到電機(jī)軸上。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算： (3-12) 式中 -----擺臂相對(duì)于腰部的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 -----腰部的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 -----與腰部相連的軸及其上的轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 -----次級(jí)輪軸及其上的齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 -----電動(dòng)機(jī)軸上的齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 式中 為擺臂的長(zhǎng)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(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)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(jiàn)第四章的相關(guān)部分）。 2.3.3滾動(dòng)軸承 滾動(dòng)軸承的類型、尺寸和公差等級(jí)均已制定有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，在機(jī)械設(shè)計(jì)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(jí)等，并進(jìn)行軸承的組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 按滾動(dòng)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(jì)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(jì)要先由計(jì)算的強(qiáng)度來(lái)確定基本尺寸，再根據(jù)GB/T2822-81來(lái)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(lái)決定的，選定軸承后，還要進(jìn)行軸承的壽命計(jì)算，可以根據(jù)

39、下面的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)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(shí)，軸承所承受的動(dòng)載荷，也稱之為基本額定動(dòng)載荷。，查標(biāo)準(zhǔn)件手冊(cè)的軸承部分即可以得到 n------軸承轉(zhuǎn)速 當(dāng)量動(dòng)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(shí)際計(jì)算中，考慮機(jī)械工作中的沖擊、振動(dòng)對(duì)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(dòng)載荷計(jì)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(yùn)轉(zhuǎn)或輕微沖擊 電動(dòng)機(jī)、空調(diào)機(jī)、水泵等 1.0---1.2 輕度沖擊的運(yùn)轉(zhuǎn) 機(jī)床、起重機(jī)、傳動(dòng)裝置、風(fēng)機(jī)、造紙機(jī)等 1.2---1.5 劇烈沖擊、振動(dòng)的運(yùn)轉(zhuǎn) 破碎機(jī)、軋鋼機(jī)、振動(dòng)篩、工程機(jī)械等 1.5---3.0 2.4 設(shè)計(jì)實(shí)例和典型計(jì)算 表2.3 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 活動(dòng)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(dòng) 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(zhǎng)550mm，其上螺紋長(zhǎng)200mm，下面開(kāi)始進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)： 1).執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) (1).選取絲杠的材料：調(diào)制45鋼， 直徑：d=32mm， 長(zhǎng)：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(dòng)機(jī)的負(fù)載力矩 式3-7 取 絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)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(dòng)機(jī) 電動(dòng)機(jī)的型號(hào)主要靠其啟動(dòng)階段的負(fù)載扭矩來(lái)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(cè)，選?。?0BYG550A型步進(jìn)電機(jī)。從而小臂驅(qū)動(dòng)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(lái)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(dòng) 參照《機(jī)械設(shè)計(jì)》第九章，設(shè)計(jì)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(dòng)慣量的折算 通過(guò)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(dòng)慣量： 式中， -----車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(jì)算過(guò)程。 腰部旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用130BYG250E 3 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)電機(jī)的優(yōu)化選擇 3.1 前言 我們針對(duì)機(jī)械行業(yè)的需要,采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),設(shè)計(jì)制造了一種HJ（焊接） 型六自由度、全電動(dòng)、連續(xù)軌跡示教、

45、空間關(guān)節(jié)型機(jī)器人(以下簡(jiǎn)稱HJ機(jī)器人或HJ) ,用于點(diǎn)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(dòng),使他們從惡劣的工作環(huán)境中解脫出來(lái),同時(shí)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(lái)開(kāi)發(fā)機(jī)器人,未免顯得過(guò)時(shí)。但也許這是一條符合中國(guó)國(guó)情的即經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的技術(shù)路線。從技術(shù)經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)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(kāi)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(shí)發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)(指原來(lái)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(dòng)器的出現(xiàn),步進(jìn)電機(jī)的種種弊病才得到克服。近年來(lái)步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)有了長(zhǎng)足的發(fā)展。開(kāi)始是五相混合式,步距角0. 36,近來(lái)是二相(也可說(shuō)四相) 帶微步驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng), 細(xì)分?jǐn)?shù)已做到50800 步/ 轉(zhuǎn)甚至更高。國(guó)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(dòng)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(dòng)器,原則上只要額定電流、相數(shù)、相電感相當(dāng),不同型號(hào)的驅(qū)動(dòng)器都可用,因此驅(qū)動(dòng)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(duì)某一具體應(yīng)用項(xiàng)目開(kāi)發(fā)時(shí),仍然會(huì)產(chǎn)生“要用的不夠,不用的又太多”的感覺(jué),成本也較高。所以我們采取的辦法是,電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器采購(gòu)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(kāi)發(fā)。眾所周知,步進(jìn)電機(jī)的工作原理是,給一個(gè)驅(qū)動(dòng)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(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制,歸根結(jié)底是對(duì)脈沖數(shù)的控制即位置控制和對(duì)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(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（及步進(jìn)角）。您可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)您可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)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(diǎn)。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(gè)凸齒，每一個(gè)齒上有一個(gè)線圈。線圈繞組的連接方式，是對(duì)稱齒上的兩個(gè)線圈進(jìn)行反相連接，如圖中所示。八個(gè)齒構(gòu)成四對(duì)，所以稱為四相步進(jìn)電機(jī)。 它的工作過(guò)程是這樣的：當(dāng)有一相繞組被激勵(lì)時(shí)，磁通從正相齒，經(jīng)過(guò)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(gè)凸齒并無(wú)磁通。為使磁通路徑最短，在磁場(chǎng)力的作用下，轉(zhuǎn)子被強(qiáng)迫移動(dòng)，使最近的一對(duì)齒與被激勵(lì)的一相對(duì)準(zhǔn)。在圖1(a)中A相是被激勵(lì)，轉(zhuǎn)子上大箭頭所指向的那個(gè)齒，與正向的A齒對(duì)準(zhǔn)。從這個(gè)位置再對(duì)B相進(jìn)行激勵(lì)，如圖1中的(b)，轉(zhuǎn)子向反時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)15。若是D相被激勵(lì)，如圖1中的(c)，則轉(zhuǎn)子為順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)15。下一步是C相被激勵(lì)。因?yàn)镃相有兩種可能性：A—B—C—D或A—D—C—B。一種為反時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；另一種為順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。但每步都使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)15。電機(jī)步長(zhǎng)(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(chǎng)合，對(duì)步長(zhǎng)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(zhǎng)的大小。它們之間的相互關(guān)系，可由下式計(jì)算： 　　Lθ＝360 PN　　　 式中：Lθ為步長(zhǎng)；P為相數(shù)；N為轉(zhuǎn)子齒數(shù)。在圖1中，步長(zhǎng)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(shí)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(lì)磁通平行于X軸。一般來(lái)說(shuō)，這類電機(jī)具有四相繞組，有八個(gè)獨(dú)立的引線終端，如圖2a所示?；蛘呓映蓛蓚€(gè)三端形式，如圖2b所示。每相用雙極性晶體管驅(qū)動(dòng)，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(dòng)電路的基本方式。它的驅(qū)動(dòng)電壓是固定的。表1列出了全部步進(jìn)開(kāi)關(guān)的邏輯時(shí)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(shí)間，有兩相被激勵(lì)。但是1相和2相，3相和4相絕對(duì)不能同時(shí)激勵(lì)。 四相混和型步進(jìn)電機(jī)，有一特點(diǎn)很有用處。它可以用半步方式驅(qū)動(dòng)。就是說(shuō)，在某一時(shí)間，步進(jìn)角僅前進(jìn)一半。用單個(gè)混合或用雙向開(kāi)關(guān)即可實(shí)現(xiàn)，這種邏輯時(shí)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?yàn)?相和2相，3相和4相是不會(huì)同時(shí)工作的，所以每對(duì)僅一個(gè)降壓電阻，串接在圖3中的X和Y點(diǎn)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(shí)需串一個(gè)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(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(shí)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(shuō)2N.m的步進(jìn)電機(jī)，在沒(méi)有特殊說(shuō)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(dòng)時(shí)振動(dòng)和噪聲缺點(diǎn)的克服方法 一般可采用以下方案來(lái)克服： A.如步進(jìn)電機(jī)正好工作在共振區(qū)，可通過(guò)改變減速比等機(jī)械傳動(dòng)避開(kāi)共振區(qū)； 　　B.

54、采用帶有細(xì) peng分功能的驅(qū)動(dòng)器，這是最常用的、最簡(jiǎn)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(dòng)和噪聲，但成本較高； E.在電機(jī)軸上加磁性阻尼器，市場(chǎng)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(dòng)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(dòng)器的供電電源電壓一般是一個(gè)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(lái)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(guò)驅(qū)動(dòng)器的最大輸入電壓，否則可能損壞

55、驅(qū)動(dòng)器。 B.電流的確定 供電電源電流一般根據(jù)驅(qū)動(dòng)器的輸出相電流I來(lái)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(kāi)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(hào)FREE為低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)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(dòng)化設(shè)備中，如果在驅(qū)動(dòng)器不斷電的情況下要求直接轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)軸（手動(dòng)方式），就可以將FREE信號(hào)置低，使電機(jī)脫機(jī)，進(jìn)行手動(dòng)操作或調(diào)節(jié)。手動(dòng)完成后，再將FREE信號(hào)置高，以繼續(xù)自動(dòng)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(dòng),由Intel8031 單片機(jī)控制。8031 可

56、直接跟Intel 8253 可編程定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器芯片接口。8253 內(nèi)含三個(gè)16 位減1 計(jì)數(shù)通道。每個(gè)通道結(jié)構(gòu)相同,都有一個(gè)輸CLK,一個(gè)輸出端OU T 和一個(gè)門控端GATE。每個(gè)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(xiě)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(hào)的周期。000 模式類似減1 計(jì)數(shù)器,當(dāng)輸入一個(gè)脈沖時(shí),事先用軟件寫(xiě)入的計(jì)數(shù)值減1 ,減到0 ,再給一個(gè)脈沖就溢出,這時(shí)其輸出腳電平變高。HJ就利用8253 的011 模式把其中一個(gè)通道作為D/ F (數(shù)

57、值/ 頻率) 變換器用。用晶振產(chǎn)生一個(gè)固定頻率fc ,寫(xiě)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(dòng)送至電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,則電機(jī)速度將由寫(xiě)入的ki 決定,這就實(shí)現(xiàn)了速度控制。將此頻率加到另一計(jì)數(shù)通道,讓該通道工作在000 模式。起動(dòng)電機(jī)前,寫(xiě)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(hào)通知CPU 停機(jī),這就實(shí)現(xiàn)了位置控制。在示教采樣和再現(xiàn)控制時(shí)都需要一個(gè)定時(shí)脈沖(采樣信號(hào)) ,我們用8253 第三個(gè)通道,讓它工作在010 模式,寫(xiě)入時(shí)間常數(shù)kt ,輸入基準(zhǔn)時(shí)鐘fc

58、,則其輸出端就能定時(shí)發(fā)出脈沖,定時(shí)時(shí)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(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)原點(diǎn)及自檢運(yùn)行中都要用到加減速控制,但對(duì)加/ 減速過(guò)程中速度曲線并無(wú)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(shí)間或者說(shuō)加速度,是由調(diào)試確定的。加速度太大,關(guān)節(jié)起停時(shí)會(huì)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(yùn)動(dòng)會(huì)耗費(fèi)太多時(shí)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(kāi)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(guò)相同的步數(shù)。等步距控制的優(yōu)點(diǎn),在于加/ 減速過(guò)程中電機(jī)走的步數(shù)可以非常準(zhǔn)確地計(jì)算,這一點(diǎn)對(duì)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(lái)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(shí)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(tái)階數(shù)n ,加速定時(shí)周期△t ,每一個(gè)定時(shí)周期就使電機(jī)速度有一個(gè)恒定的增量△f :f = (f2 - f1) / n - - - - - (3)其中n = 加速過(guò)程臺(tái)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(shí)周期是由8031 的T0 計(jì)數(shù)器和T0 中斷來(lái)實(shí)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(shí)器方式,時(shí)間常數(shù)設(shè)為150(因T0 為加計(jì)數(shù)器,實(shí)際寫(xiě)入時(shí)用- 150) ,另設(shè)一個(gè)軟件計(jì)數(shù)單元,此軟件計(jì)數(shù)器的初值設(shè)置為4 ,T0 每次中斷使軟件計(jì)數(shù)器減1 ,減到0 時(shí)正好大約是1ms (1/ 1024 秒) 。加速定時(shí)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(shí)鐘。每一關(guān)節(jié)另設(shè)一個(gè)加速度系數(shù)a (取整數(shù)) ,作為關(guān)節(jié)控制參數(shù),通過(guò)調(diào)試由人工確定并寫(xiě)入?yún)?shù)表。加速控制時(shí)軟件計(jì)數(shù)單元的實(shí)際初值為4a ,T0 每次中斷使軟件計(jì)數(shù)器減1 ,減到0 時(shí)使電機(jī)頻率加一個(gè)△f ,并恢復(fù)初值。加速控制總臺(tái)階數(shù)n 設(shè)置為64 , △f 設(shè)置為(fmax - f0) / n ,則經(jīng)過(guò)t = (600 * 12 * a * 64/ f sys) 秒,電機(jī)完成加速控制流程。因?yàn)檐浖?jì)數(shù)單元為一個(gè)字節(jié),最大值= 256 ,故要求4a ≤256 即a ≤64 ,且a ≠0。加減速控制過(guò)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(guò)

62、一個(gè)給定的步數(shù)。電機(jī)不丟步時(shí)這一控制的實(shí)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(shí)收到起動(dòng)信號(hào)后,要走到示教時(shí)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(shí)現(xiàn)的。將發(fā)給電機(jī)的脈沖,用一個(gè)計(jì)數(shù)通道計(jì)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(huì)在起停時(shí)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(guò)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(shí)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(jiàn)圖3.6。 圖3.6無(wú)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(guò)的步數(shù)Sa