機(jī)械手畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告

1、簡易小型直角坐標(biāo)機(jī)械手1 機(jī)械手1.1 機(jī)械手的定義機(jī)械手是模仿著人手的動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手”。1.2 機(jī)械手的作用生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率；可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的應(yīng)用。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強(qiáng)，僅為某臺(tái)機(jī)床的上下料裝置，是附屬

2、于該機(jī)床的專用機(jī)械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，使用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快地改變工作程序，適用性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的應(yīng)用。1.3 機(jī)械手的分類及特點(diǎn)工業(yè)機(jī)械手的種類很多，關(guān)于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動(dòng)方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類。機(jī)械手可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種:（1）專用機(jī)械手它是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。專用機(jī)械手具有動(dòng)作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn)，適用于大批量的自動(dòng)化生產(chǎn)的自動(dòng)換

3、刀機(jī)械手，如自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)線的上、下料機(jī)械手和加工中心。（2）通用機(jī)械手它是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械手。在性能范圍內(nèi)，其動(dòng)作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨(dú)立的。通用機(jī)械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動(dòng)化的生產(chǎn)。通用機(jī)械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以“開一關(guān)”式控制定位，只能是點(diǎn)位控制，伺服型可以是點(diǎn)位的，也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制，伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，一般的伺服型通用機(jī)械手屬于數(shù)控類型。（1）液壓傳動(dòng)機(jī)械手是以液壓的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是

4、:抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏。但對密封裝置要求嚴(yán)格，不然油的泄漏對機(jī)械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機(jī)械手采用電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機(jī)械手的通用性擴(kuò)大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴(yán)格，成本高。（2）氣壓傳動(dòng)機(jī)械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)

5、行工作。（3）機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手即由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手。它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手，其動(dòng)力是由工作機(jī)械傳遞的。它的主要特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，用于工作主機(jī)的上、下料。動(dòng)作頻率大，但結(jié)構(gòu)大，動(dòng)作程序不可變。（4）電力傳動(dòng)機(jī)械手即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的械手，因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度快和行程長，維護(hù)和使用方便。此類機(jī)械手目前還不多，但有發(fā)展前途。1.4 機(jī)械手的自由度自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的主要參數(shù)，每一個(gè)構(gòu)件相對于固定坐標(biāo)系所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)稱為自由度。每一個(gè)構(gòu)件相對

6、于固定坐標(biāo)系最多可以有六個(gè)自由度即沿X,Y,Z三個(gè)方向獨(dú)立的往復(fù)運(yùn)動(dòng)和繞X,Y,Z軸的三個(gè)獨(dú)立的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。按機(jī)械手所具有的主運(yùn)動(dòng)和輔助運(yùn)動(dòng)來分析其自由度。手臂和立柱的運(yùn)動(dòng)稱為主運(yùn)動(dòng)。因?yàn)樗芨淖儽蛔ト」ぜ目臻g位置。手腕和手指的運(yùn)動(dòng)稱為輔助運(yùn)動(dòng)。因?yàn)槭滞蟮倪\(yùn)動(dòng)只能改變被抓取工件的方位（即姿勢），而手指的夾放動(dòng)作不能改變工件的位置和方位，故它不計(jì)為自由度數(shù)，其他運(yùn)動(dòng)均計(jì)為自由度數(shù)。手指可作開合（即夾緊和放松）運(yùn)動(dòng)；手腕可作回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動(dòng)等運(yùn)動(dòng)；手臂可做前后伸縮、升降（或上下擺動(dòng)即仰俯）和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；立柱橫向移動(dòng)。也有的機(jī)械手整機(jī)具有行走機(jī)構(gòu)。上述各種運(yùn)動(dòng)可根據(jù)機(jī)械手的需求來選擇，設(shè)計(jì)機(jī)械手時(shí)

7、首先要確定被抓取工件所在的空間位置，及將工件搬運(yùn)到規(guī)定的位置時(shí)所需的運(yùn)動(dòng)（不包括手指開閉動(dòng)作），在大多數(shù)情況下是少于六個(gè)自由度的，專用機(jī)械手只有2-4個(gè)自由度，而通用機(jī)械手是3-6個(gè)自由度。自由度數(shù)越多，可以完成的動(dòng)作越復(fù)雜，通用性越強(qiáng)，應(yīng)用范圍也越廣，但是相應(yīng)地帶來了技術(shù)難度大，控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高和維修困難。自由度數(shù)少，通用性差，但技術(shù)上容易達(dá)到，結(jié)構(gòu)簡單，使用和維修均方便。1.5 坐標(biāo)形式1.5.1 直角坐標(biāo)式其手臂的運(yùn)動(dòng)系有由三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)所組成。它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，定位精度高，適用于主機(jī)位置成行排列的場合。但是由于占地面積大而工作范圍小以及靈活性差，限制了它的使用范圍。圖1.

8、1 直角坐標(biāo)式1.5.2 圓柱坐標(biāo)式其手臂的運(yùn)動(dòng)系由兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所組成（沿X軸伸縮，沿Z軸的升降，和繞Z軸的回轉(zhuǎn)），占地面積小而活動(dòng)范圍大，結(jié)構(gòu)較簡單，并能達(dá)到較高的定位精度，因此應(yīng)用較廣泛。但沿Z軸方向運(yùn)動(dòng)的最低位置受到限制，故不能抓取地面上的物件。圖1.2 圓柱坐標(biāo)式1.5.3 球坐標(biāo)式其手臂的運(yùn)動(dòng)系由一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)所組成（即沿X軸的伸縮，繞Y軸的仰俯和繞Z軸的回轉(zhuǎn)），這種手臂仰俯去抓取地面上的物件，且常常設(shè)有手腕上下擺動(dòng)，使其手部保持水平位置或其他狀態(tài)。這種形式的機(jī)械手具有動(dòng)作靈活，占地面積小而工作范圍大等特點(diǎn)，它適合于沿伸縮方向向外作業(yè)的傳動(dòng)形式。但手臂擺角誤差會(huì)

9、將手部中心誤差放大。圖1.3 球坐標(biāo)式1.5.4 關(guān)節(jié)式其手臂的運(yùn)動(dòng)類似人的手臂可以作幾個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。它由大小兩臂和立柱等組成，大小兩臂之間的聯(lián)接為肘關(guān)節(jié)，大臂與立柱之間的聯(lián)接為肩關(guān)節(jié)，各關(guān)節(jié)均由鉸鏈構(gòu)成以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，手臂的運(yùn)動(dòng)系由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所組成，即大臂的仰俯，小臂的仰俯和大臂的回轉(zhuǎn)。它的特點(diǎn)是工作范圍大，動(dòng)作靈活，能抓取靠近機(jī)座的物件，并能繞過機(jī)體和工作主機(jī)之間的障礙物去抓取物體，此為其它形式的機(jī)械手不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。圖1.4 關(guān)節(jié)坐標(biāo)式1.6 驅(qū)動(dòng)方式機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式是驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置。常用的有液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、電力傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)等四種形式。本設(shè)計(jì)的手臂部分用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)

10、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)運(yùn)行要求足夠功率的電脈沖信號按一定的順序分配到各相繞組。為了實(shí)現(xiàn)這種驅(qū)動(dòng)，要求有脈沖分配和功率放大功能的專門驅(qū)動(dòng)電源，驅(qū)動(dòng)電源和步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)有機(jī)的整體，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能是電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電源二者配合所反映的綜合效果。環(huán)形分配器的功能是將控制脈沖按規(guī)定方式分配給步進(jìn)電機(jī)；功率放大器的功能是將環(huán)形分配器的輸出信號進(jìn)行放大，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。手腕的驅(qū)動(dòng)有液壓馬達(dá)、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)、齒輪傳動(dòng)等。手部的驅(qū)動(dòng)有活塞桿驅(qū)動(dòng)液壓缸、氣壓缸，手指驅(qū)動(dòng)電磁鐵，真空吸附式手部的真空泵，真空發(fā)生器等。液壓與氣壓型的驅(qū)動(dòng)裝置的形式一般有雙向作用與單相作用活塞桿式兩種。 (a)雙向作用缸(b)單作用缸

11、常開式 (c)單作用缸常閉式圖1.5 驅(qū)動(dòng)裝置1.7 控制方式有分散式順序控制器、用繼電器組成的步進(jìn)式順序控制器、 常用的邏輯部件及電路有計(jì)數(shù)器、譯碼器與步進(jìn)器、集成脈沖電路、顯示裝置、步進(jìn)電機(jī)的控制脈沖分配器。2 機(jī)械手的設(shè)計(jì)2.1 手臂的設(shè)計(jì)（1）滾珠絲杠在機(jī)械手臂中采用滾珠絲杠，這是因?yàn)闈L珠絲杠得摩擦力很小且運(yùn)動(dòng)響應(yīng)速度快。由于滾珠絲杠的螺旋槽里放置了許多滾珠，絲杠在傳動(dòng)過程中所受的是滾動(dòng)摩擦力。摩擦力較小，因此傳動(dòng)效率高，同時(shí)可消除低速運(yùn)動(dòng)時(shí)的爬行現(xiàn)象；在裝配時(shí)施加一定的預(yù)緊力，可消除回差。如圖所示，滾珠絲杠里的滾珠從鋼套管中出來，進(jìn)入經(jīng)過研磨的導(dǎo)槽，轉(zhuǎn)動(dòng)2-3圈以后，返回鋼套管。滾珠

12、絲杠的傳動(dòng)效率可以達(dá)到90%，所以只需要用極小的驅(qū)動(dòng)力，并采用較小的驅(qū)動(dòng)連接件，就能傳遞運(yùn)動(dòng)。通常使用兩個(gè)背靠背的雙螺母對滾珠絲杠進(jìn)行預(yù)加載，以消除絲桿和螺母之間的間隙、提高運(yùn)動(dòng)精度。(2) 同步帶傳動(dòng)同步帶傳動(dòng)是綜合了普通帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)的一種新型傳動(dòng)。它在帶的工作面及帶輪外周上均制有嚙合齒，通過帶齒與輪齒作嚙合傳動(dòng)。為保證帶和帶輪作無滑差的同步傳動(dòng)，其帶采用了承載后無彈性變形的高強(qiáng)力材料，以保證帶的節(jié)距不變。它具有傳動(dòng)比準(zhǔn)確、傳動(dòng)效率高、能吸振、噪聲低、傳動(dòng)平穩(wěn)、能高速傳動(dòng)、維修保養(yǎng)方便等優(yōu)點(diǎn)，使用范圍較廣。缺點(diǎn)是安裝精度要求高、中心距要求嚴(yán)格，具有一定的蠕變性。（3）齒輪齒條傳動(dòng)通常齒

13、條是固定不動(dòng)的。當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒輪軸連同拖板沿齒條方向做直線運(yùn)動(dòng)。這樣，齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)就轉(zhuǎn)換成拖板的直線運(yùn)動(dòng)。拖板是由導(dǎo)桿或?qū)к壷蔚?。該裝置的回差較大。2.1.2 臂部設(shè)計(jì)要求工業(yè)機(jī)器人的臂部由大臂、小臂（或多臂）所組成，一般具有2-3個(gè)自由度，即伸縮、回轉(zhuǎn)、仰俯或升降。臂部總質(zhì)量較大，受力一般較復(fù)雜。在運(yùn)動(dòng)時(shí)，直接承受腕部、手部和工件的靜、動(dòng)載荷，尤其高速運(yùn)動(dòng)時(shí)將產(chǎn)生較大的慣性力（力矩），引起沖擊，影響定位準(zhǔn)確性。作用是支撐手部和腕部，改變手部空間位置，部分零件的重量直接影響著臂部結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度。根據(jù)運(yùn)動(dòng)形式，抓取自由度，運(yùn)動(dòng)精度要滿足下列要求。1手臂應(yīng)具有足夠的承載能力和剛度 2 導(dǎo)向

14、性好 3 重量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要小 4 運(yùn)動(dòng)要平穩(wěn)、定位精度要高。2.2 手腕的設(shè)計(jì)2.2.1 手腕的執(zhí)行方式工業(yè)機(jī)器人的腕部是連接手部與臂部的部件，起支撐手部的作用。機(jī)器人一般具有6個(gè)自由度才能使手部達(dá)到目標(biāo)位置和期望姿態(tài)。為使手部能處于空間任何方向，要求手腕能實(shí)現(xiàn)對空間3個(gè)坐標(biāo)軸X,Y,Z的轉(zhuǎn)動(dòng)，既具有回轉(zhuǎn)、仰俯、偏轉(zhuǎn)。（1）單自由度手腕有回轉(zhuǎn)、仰俯、偏轉(zhuǎn)、平移四種執(zhí)行方式。（一） 雙自由度手腕執(zhí)行（三）三自由度手腕執(zhí)行圖六 手腕執(zhí)行方式2.3 手部的設(shè)計(jì)圖2.2.1 手腕的自由度(2) 兩、三自由度手腕兩自由度手腕和三自由度手腕主要是用單自由度手腕的這四種執(zhí)行方式進(jìn)行排列與組合得到的。形式多種

15、多樣。2.3 手指的執(zhí)行方式( a ) 內(nèi)撐式( b ) 外夾式( c ) 平移外夾式( d ) 勾托式( e ) 彈簧式( f ) 氣吸式( g ) 磁吸式2.3.2 手掌的執(zhí)行方式幾種典型的手部結(jié)構(gòu)（1）回轉(zhuǎn)型滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)（2）筒夾內(nèi)漲式手部結(jié)構(gòu)（3）移動(dòng)型齒輪齒條式手部結(jié)構(gòu)（4）移動(dòng)型的雙連桿式手部結(jié)構(gòu)2.4 手臂設(shè)計(jì)的基本方案2.4.1 執(zhí)行方式的確定 滾珠絲杠副2.4.2 確定傳動(dòng)形式滾珠絲杠有螺母固定、絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)并移動(dòng)，絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)、螺母移動(dòng)，螺母轉(zhuǎn)動(dòng)、絲杠移動(dòng)，絲杠固定、螺母轉(zhuǎn)動(dòng)并移動(dòng)這四種方式。本設(shè)計(jì)主要考慮用絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)、螺母移動(dòng)。3 單軸驅(qū)動(dòng)器單軸驅(qū)動(dòng)器的種類主要涉及絲杠的導(dǎo)程

16、，直徑，和最大有效行程。表3.1 單軸驅(qū)動(dòng)器的基本參數(shù)TYPE 導(dǎo)程(mm) 絲杠直徑(mm) 最大有效行程(mm)LX20 1/5 6 136LX26 2/5 8 217LX30 5/10 10 529LX45 10/20 15 497每一種類中有三種形式 標(biāo)準(zhǔn)型 蓋板型 無支架型LX系列的四大特征 1 滑塊上設(shè)有定位孔，提高了組裝性能（僅限蓋板型） 2 采用精密磨削的滾珠絲杠，施加預(yù)壓實(shí)現(xiàn)靜音和高精度。3 采用連體式滑塊結(jié)構(gòu)降低了滑臺(tái)高度，最適合省空間設(shè)計(jì)。4 底座上設(shè)有2個(gè)定位孔，提高了重復(fù)定位性能。LX系列根據(jù)潤滑分為 標(biāo)準(zhǔn)潤滑脂 低塵潤滑脂 帶潤滑裝置MX（標(biāo)準(zhǔn)潤滑脂）根據(jù)精密度分為

17、 高精密級 緊密級命名方式是 TYPE 導(dǎo)程 精密級 潤滑方式 如LX2602PG單軸驅(qū)動(dòng)器的構(gòu)成零件 底座（滑軌） 滑塊 馬達(dá)支架 支撐側(cè)軸承座 擋塊 精密滾珠絲杠（磨削）(均有材質(zhì) 表面處理 硬度的要求規(guī)格表主要描述滑塊數(shù) 馬達(dá)附件 有效行程 安裝孔尺寸有效行程對相同底座總長的不同潤滑方式的單軸驅(qū)動(dòng)器是不同的。安裝孔尺寸有A、P、B。有效行程L=A+P*(等分?jǐn)?shù)-1)+B.(3.1)其中馬達(dá)附件有步進(jìn)馬達(dá)T型、伺服馬達(dá)A型，E型、無支架型F型、無附件型N型，A型的每一型都有自己不同的法蘭規(guī)格，每一型可選用兩三種不同功率的馬達(dá)型號，T型的每一型都有自己不同的法蘭規(guī)格，每一型可選用2相，5相，

18、任意角步進(jìn)的馬達(dá)型號。其中F型沒有附件。其中前兩型有表面處理與附件安裝螺絲的標(biāo)準(zhǔn)要求。還有傳感器發(fā)訊塊與附件安裝夾具，它們的構(gòu)成零件與傳感器滑軌都有適用的標(biāo)準(zhǔn)。對于單軸驅(qū)動(dòng)器還有精度基準(zhǔn)供參考。單軸驅(qū)動(dòng)器對不同滑塊數(shù)的容許靜負(fù)載、靜力矩，相同底座總長的單軸驅(qū)動(dòng)器在不同的潤滑方式的滑塊有不同重量，相同底座總長的單軸驅(qū)動(dòng)器對應(yīng)不同潤滑方式的滑塊有不同的慣性矩，還有相同的LX系列的不同類型對有相同底座總長的單軸驅(qū)動(dòng)器的最高轉(zhuǎn)速。在設(shè)計(jì)選型的過程中都要求校核，不能超標(biāo)。4 步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)和閉環(huán)控制4.1 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)主要特點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)精確定位、精確位移，且無積累誤差。這是因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)受輸入脈沖控制

19、，其位移量是斷續(xù)的，總的位移量嚴(yán)格等于輸入的指令脈沖數(shù)或其平均轉(zhuǎn)速嚴(yán)格正比于數(shù)量輸入指令脈沖的頻率。4.2 開環(huán)控制如果能準(zhǔn)確控制輸入指令脈沖的數(shù)量或頻率，就能夠完成精確的位置與速度控制，無須系統(tǒng)的反饋，形成所謂開環(huán)系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)，由控制器、脈沖分配器、驅(qū)動(dòng)電路及步進(jìn)電機(jī)四部分組成。圖4.1 步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)控制控制器主要分單片機(jī)控制，微機(jī)控制，單片機(jī)與微機(jī)聯(lián)合控制。 微機(jī)控制主要分串行控制與并行控制。開環(huán)控制的主要特點(diǎn)是速度控制，因?yàn)樗木戎饕Q于步距角的精度和負(fù)載狀況。所以開環(huán)控制常常采用加減速定位控制方式，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率要比連續(xù)運(yùn)行頻率小，所以開環(huán)系統(tǒng)的脈沖指令頻率，只有小

20、于電動(dòng)機(jī)的極限頻率電動(dòng)機(jī)才能成功啟動(dòng)。如果電機(jī)的工作頻率總是低于極限啟動(dòng)頻率，當(dāng)然不會(huì)失步。但沒有充分發(fā)揮電機(jī)的潛力，工作速度太低。4.3 閉環(huán)控制4.3.1 采用閉環(huán)控制的目的對于不同的電機(jī)或者同一種電機(jī)不同的負(fù)載，很難找到通用的加減速規(guī)律，控制系統(tǒng)是無法預(yù)測和監(jiān)視的。在某些運(yùn)行速度范圍寬、負(fù)載大小變化頻繁的場合，步進(jìn)電機(jī)很容易失步，使整個(gè)系統(tǒng)趨于失控。因此使提高步進(jìn)電機(jī)的性能指標(biāo)受到限制。另外，對于高精度的控制系統(tǒng)，采用開環(huán)控制往往滿足不了精度的要求。因此，必須在控制回路中增加反饋環(huán)節(jié)，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖4.2 步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制4.3.2 閉環(huán)控制的原理與優(yōu)點(diǎn)閉環(huán)控制是直接或間接地檢測

21、轉(zhuǎn)子的位置和速度，然后通過反饋和適當(dāng)?shù)奶幚?，自?dòng)給出驅(qū)動(dòng)的脈沖串。采用閉環(huán)控制，不僅可以獲得更加精確的位置控制和高得多、平穩(wěn)得多的轉(zhuǎn)速，而且可以在步進(jìn)電機(jī)的許多其他領(lǐng)域內(nèi)獲得更大的通用性。它與開環(huán)系統(tǒng)相比多了一個(gè)由位置傳感器組成的反饋環(huán)節(jié)4.3.3 閉環(huán)控制的分類主要用PLC來控制。有核步法、延遲時(shí)間法、帶位置傳感器的閉環(huán)控制系統(tǒng)等。4.3.4 PLC控制的特點(diǎn)為適應(yīng)工業(yè)環(huán)境使用，與一般控制裝置相比較，PLC機(jī)有以下特點(diǎn)：可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。工業(yè)生產(chǎn)對控制設(shè)備的可靠性要求：平均故障間隔時(shí)間長 故障修復(fù)時(shí)間（平均修復(fù)時(shí)間）。任何電子設(shè)備產(chǎn)生的故障，通常為兩種 1 偶發(fā)性故障。由于外界惡劣環(huán)境

22、如電磁干擾、超高溫、超低溫、過電壓、欠電壓、振動(dòng)等引起的故障。2 永久性故障。由于元器件不可恢復(fù)的破壞而引起的故障。如果能限制偶發(fā)性故障的發(fā)生條件，如果能使PLC在惡劣環(huán)境中不受影響或能把影響的后果限制在最小范圍，使PLC在惡劣條件消失后自動(dòng)恢復(fù)正常，這樣就能提高平均故障間隔時(shí)間。硬件措施：主要模塊均采用大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路，大量開關(guān)動(dòng)作由無觸點(diǎn)的電子存儲(chǔ)器完成，I/O系統(tǒng)設(shè)計(jì)有完善的通道保護(hù)和信號調(diào)理電路。屏蔽對電源變壓器、CPU、編程器等主要部件，采用導(dǎo)電、導(dǎo)磁良好的材料進(jìn)行屏蔽，以防外界干擾。 濾波對供電系統(tǒng)及輸入線路采用多種形式的濾波，如LC或型濾波網(wǎng)絡(luò)，以消除或抑制高頻干擾，也削

23、弱了各種模塊之間的相互影響。 電源調(diào)整與保護(hù)對微處理器這個(gè)核心部件所需的+5V電源，采用多級濾波，并用集成電壓調(diào)整器進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)交流電網(wǎng)的波動(dòng)和過電壓、欠電壓的影響。 隔離在微處理器與I/O電路之間，采用光電隔離措施，有效地隔離I/O接口與CPU之間電的聯(lián)系，減少故障和誤動(dòng)作；各I/O口之間亦彼此隔離。 采用模塊式結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)有助于在故障情況下短時(shí)修復(fù)。一旦查出某一模塊出現(xiàn)故障，能迅速更換，使系統(tǒng)恢復(fù)正常工作；同時(shí)也有助于加快查找故障原因。軟件措施：有極強(qiáng)的自檢及保護(hù)功能。故障檢測軟件定期地檢測外界環(huán)境，如掉電、欠電壓、鋰電池電壓過低及強(qiáng)干擾信號等。以便及時(shí)進(jìn)行處理。 信息保護(hù)與恢復(fù)當(dāng)偶發(fā)

24、性故障條件出現(xiàn)時(shí)，不破壞PLC內(nèi)部的信息。一旦故障條件消失，就可恢復(fù)正常，繼續(xù)原來的程序工作。所以，PLC在檢測到故障條件時(shí)，立即把現(xiàn)狀態(tài)存入存儲(chǔ)器，軟件配合對存儲(chǔ)器進(jìn)行封閉，禁止對存儲(chǔ)器的任何操作，以防存儲(chǔ)信息被沖掉。設(shè)置警戒時(shí)鐘WDT（看門狗）如果程序每循環(huán)執(zhí)行時(shí)間超過了WDT規(guī)定的時(shí)間，預(yù)示了程序進(jìn)入死循環(huán)，立即報(bào)警。加強(qiáng)對程序的檢查和校驗(yàn)一旦程序有錯(cuò)，立即報(bào)警，并停止執(zhí)行。對程序及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行電池后備停電后，利用后備電池供電，有關(guān)狀態(tài)及信息就不會(huì)丟失。通用性強(qiáng)，控制程序可變，使用方便。 PLC品種齊全的各種硬件裝置，可以組成能滿足各種要求的控制系統(tǒng)，用戶不必自己再設(shè)計(jì)和制作硬件裝置。用

25、戶在硬件確定以后，在生產(chǎn)工藝流程改變或生產(chǎn)設(shè)備更新的情況下，不必改變PLC的硬設(shè)備，只需改編程序就可以滿足要求。因此，PLC除應(yīng)用于單機(jī)控制外，在工廠自動(dòng)化中也被大量采用。功能強(qiáng)，適應(yīng)面廣，現(xiàn)代PLC不僅有邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、順序控制等功能，還具有數(shù)字和模擬量的輸入輸出、功率驅(qū)動(dòng)、通信、人機(jī)對話、自檢、記錄顯示等功能。既可控制一臺(tái)生產(chǎn)機(jī)械、一條生產(chǎn)線，又可控制一個(gè)生產(chǎn)過程。編程簡單，容易掌握。目前，大多數(shù)PLC仍采用繼電控制形式的“梯形圖編程方式”。既繼承了傳統(tǒng)控制線路的清晰直觀，又考慮到大多數(shù)工廠企業(yè)電氣技術(shù)人員的讀圖習(xí)慣及編程水平，所以非常容易接受和掌握。梯形圖語言的編程元件的符號和表達(dá)

26、方式與繼電器控制電路原理圖相當(dāng)接近。通過閱讀PLC的用戶手冊或短期培訓(xùn)，電氣技術(shù)人員和技術(shù)工很快就能學(xué)會(huì)用梯形圖編制控制程序。同時(shí)還提供了功能圖、語句表等編程語言。PLC在執(zhí)行梯形圖程序時(shí)，用解釋程序?qū)⑺g成匯編語言然后執(zhí)行（PLC內(nèi)部增加了解釋程序）。與直接執(zhí)行匯編語言編寫的用戶程序相比，執(zhí)行梯形圖程序的時(shí)間要長一些，但對于大多數(shù)機(jī)電控制設(shè)備來說，是微不足道的，完全可以滿足控制要求。減少了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及施工的工作量。由于PLC采用了軟件來取代繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等器件，控制柜的設(shè)計(jì)安裝接線工作量大為減少。同時(shí)，PLC的用戶程序可以在實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試，更減少了

27、現(xiàn)場的調(diào)試工作量。并且，由于PLC的低故障率及很強(qiáng)的監(jiān)視功能，模塊化等等，使維修也極為方便。體積小、重量輕、功耗低、維護(hù)方便。PLC是將微電子技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備的產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)緊湊，堅(jiān)固，體積小，重量輕，功耗低。并且由于PLC的強(qiáng)抗干擾能力，易于裝入設(shè)備內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。以三菱公司的F1-40M型PLC為例：其外型尺寸僅為305110110mm，重量2.3kg，功耗小于25VA；而且具有很好的抗振、適應(yīng)環(huán)境溫、濕度變化的能力?，F(xiàn)在三菱公司又有FX系列PLC，與其超小型品種F1系列相比：面積為47%,體積為36%，在系統(tǒng)的配置上既固定又靈活，輸入輸出可達(dá)24128點(diǎn)。5 手部握

28、力的計(jì)算手指握緊工件時(shí)所需要的力稱為握力（夾緊力）。握力的大小與被夾緊的工件的重量、重心位置以及夾持工件的方位有關(guān)，我們把握力假想為作用與工件接觸面的對稱平面內(nèi)，并設(shè)兩力大小相等，方向相反，以N表示。鉗爪式手部握力的計(jì)算，必須根據(jù)手指和工件的形狀、手指夾持工件時(shí)的不同的方位進(jìn)行分析。圖5.1 手指的握力式中N代表握力，G代表工件的重力，f代表摩擦系數(shù)，b代表手指與手掌的關(guān)節(jié)到被抓取物件的重心的距離，代表手指的張開角度，代表手指與工件之間的摩擦角。圖中均已水平與垂直兩種方式作比較。圖5.2 手指的握力當(dāng)工件重量、手指指形、工件的形狀和加持的方位確定后，即可借助上表查出握力計(jì)算方法，可求出驅(qū)動(dòng)力的大小。為了考慮工件在傳送過程中產(chǎn)生的慣性力、振動(dòng)以及傳力機(jī)構(gòu)效率的影響，其實(shí)際的驅(qū)動(dòng)力P實(shí)應(yīng)按照下式計(jì)算：P實(shí)=P*K1*K2/ .(5.1)-手部的機(jī)械效率，一般?。?.85-0.95）K