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世界最新機械設(shè)計理念
來源:中國科技期刊
摘要:根據(jù)目前國內(nèi)外設(shè)計學(xué)者進行機械產(chǎn)品設(shè)計時的主要思維特點，將產(chǎn)品方案的設(shè)計方法概括為系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)模塊化、基于產(chǎn)品特征知識和智能。這幾種方法的特點及其相互間的有機聯(lián)系，提出產(chǎn)品方案設(shè)計計算機實現(xiàn)的努力方向。
關(guān)鍵詞：機械產(chǎn)品方案設(shè)計方法發(fā)展趨勢
設(shè)計文件是將語義設(shè)計網(wǎng)作為設(shè)計工具，在其開發(fā)的活性語義設(shè)計網(wǎng)ASK中，采用結(jié)點和線條組成的網(wǎng)絡(luò)描述設(shè)計，結(jié)點表示元件化的單元(如設(shè)計任務(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)點間不同的語義關(guān)系，由此為設(shè)計過程中的所有活動和結(jié)果預(yù)先建立模型，使早期設(shè)計要求的定義到每一個結(jié)構(gòu)的具體描述均可由關(guān)系間的定義表達，實現(xiàn)了計算機輔助設(shè)計過程由抽象到具體的飛躍。
系統(tǒng)化設(shè)計方法
系統(tǒng)化設(shè)計方法的主要特點是：將設(shè)計看成由若干個設(shè)計要素組成的一個系統(tǒng)，每個設(shè)計要素具有獨立性，各個要素間存在著有機的聯(lián)系，并具有層次性，所有的設(shè)計要素結(jié)合后，即可實現(xiàn)設(shè)計系統(tǒng)所需完成的任務(wù)。
系統(tǒng)化設(shè)計思想于70年代由德國學(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)計的一般模式，倡導(dǎo)設(shè)計工作應(yīng)具備條理性。德國工程師協(xié)會在這一設(shè)計思想的基礎(chǔ)上，制訂出標準VDI2221技術(shù)系統(tǒng)和產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計方法。
1. 將用戶需求作為產(chǎn)品功能特征構(gòu)思、結(jié)構(gòu)設(shè)計和零件設(shè)計、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)目標和作業(yè)控制規(guī)程的方法。
2. 將產(chǎn)品看作有機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)計過程劃分成功能需求層次、實現(xiàn)功能要求的概念層次和產(chǎn)品的具體設(shè)計層次。同時采用了生命系統(tǒng)圖符抽象地表達產(chǎn)品的功能要求，形成產(chǎn)品功能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
3. 將機械設(shè)計中系統(tǒng)科學(xué)的應(yīng)用歸納為兩個基本問題：一是把要設(shè)計的產(chǎn)品作為一個系統(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)計過程看成一個系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)計目標，正確、合理地確定設(shè)計中各個方面的工作和各個不同的設(shè)計階段。
由于每個設(shè)計者研究問題的角度以及考慮問題的側(cè)重點不同，進行方案設(shè)計時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)計方法。
4. 設(shè)計元素法
用五個設(shè)計元素（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”，認為一個產(chǎn)品的五個設(shè)計元素值確定之后，產(chǎn)品的所有特征和特征值即已確定。我國亦有設(shè)計學(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)計劃分成輔助方法和信息交換兩個方面，利用Nijssen信息分析方法可以采用圖形符號、具有內(nèi)容豐富的語義模型結(jié)構(gòu)、可以描述集成條件、可以劃分約束類型、可以實現(xiàn)關(guān)系間的任意結(jié)合等特點，將設(shè)計方法解與信息技術(shù)進行集成，實現(xiàn)了設(shè)計過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”法
將產(chǎn)品的方案設(shè)計分成“構(gòu)思”和“設(shè)計”兩個階段?！皹?gòu)思”階段的任務(wù)是尋求、選擇和組合滿足設(shè)計任務(wù)要求的原理解?！霸O(shè)計”階段的工作則是具體實現(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(機械運動簡圖)。方案的“設(shè)計”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、位置和傳動參數(shù)間相互關(guān)系的若干種簡圖，把設(shè)計專家憑直覺設(shè)計的方法做了形式化的描述，形成了有效地應(yīng)用現(xiàn)有知識的方法，并將其應(yīng)用于“構(gòu)思”和“設(shè)計”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，并借用鍵合圖表達元件的功能解，希望將基于功能的模型與鍵合圖結(jié)合，實現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)的自動生成和功能結(jié)構(gòu)與鍵合圖之間的自動轉(zhuǎn)換，尋求由鍵合圖產(chǎn)生多個設(shè)計方案的方法。
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或幾個模塊化的基本結(jié)構(gòu)，通過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，甚至是一個系統(tǒng)。
本結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有標準化的接口(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)濟化，具有互換性、相容性和相關(guān)性。我國結(jié)合軟件構(gòu)件技術(shù)和CAD技術(shù)，將變形設(shè)計與組合設(shè)計相結(jié)合，根據(jù)分級模塊化原理，將加工中心機床由大到小分為產(chǎn)品級、部件級、組件級和元件級，并利用專家知識和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)計為目錄作為選擇變異機械結(jié)構(gòu)的工具，提出將設(shè)計的解元素進行完整的、結(jié)構(gòu)化的編排，形成解集設(shè)計目錄。并在解集設(shè)計目錄中列出評論每一個解的附加信息，非常有利于設(shè)計工程師選擇解元素。
網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，異地協(xié)同設(shè)計與制造，以及從用戶對產(chǎn)品的功能需求→設(shè)計→加工→裝配→成品這一并行工程的實現(xiàn)成為可能。但是，達到這些目標的重要前提條件之一，就是實現(xiàn)產(chǎn)品方案設(shè)計效果的三維可視化。為此，不僅三維圖形軟件、智能化設(shè)計軟件愈來愈多地應(yīng)用于產(chǎn)品的方案設(shè)計中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)以及多媒體、超媒體工具也在產(chǎn)品的方案設(shè)計中初露鋒芒。目前，德國等發(fā)達國家正著力于研究超媒體技術(shù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標準STEP，以及標準虛擬現(xiàn)實造型語言上基于虛擬環(huán)境的標準交換格式)在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用。
機械產(chǎn)品的方案設(shè)計正朝著計算機輔助實現(xiàn)、智能化設(shè)計和滿足異地協(xié)同設(shè)計制造需求的方向邁進，由于產(chǎn)品方案設(shè)計計算機實現(xiàn)方法的研究起步較晚，目前還沒有成熟的、能夠達到上述目標的方案設(shè)計工具軟件。作者認為，綜合運用文中四種類型設(shè)計方法是達到這一目標有效途徑。雖然這些方法的綜合運用涉及的領(lǐng)域較多，不僅與機械設(shè)計的領(lǐng)域知識有關(guān)，而且還涉及到系統(tǒng)工程理論、人工智能理論、計算機軟硬件工程、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等各方面的領(lǐng)域知識，但仍然是產(chǎn)品方案設(shè)計必須努力的方向。國外在這方面的研究已初見成效，我國設(shè)計學(xué)者也已意識到CAD技術(shù)與國際交流合作的重要性，及其應(yīng)當采取的措施。
基于產(chǎn)品特征知識設(shè)計方法的主要特點是：用計算機能夠識別的語言描述產(chǎn)品的特征及其設(shè)計領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗，建立相應(yīng)的知識庫及推理機，再利用已存儲的領(lǐng)域知識和建立的推理機制實現(xiàn)計算機輔助產(chǎn)品的方案設(shè)計。
機械系統(tǒng)的方案設(shè)計主要是依據(jù)產(chǎn)品所具有的特征，以及設(shè)計領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗進行推量和決策，完成機構(gòu)的型、數(shù)綜合。欲實現(xiàn)這一階段的計算機輔助設(shè)計，必須研究知識的自動獲取、表達、集成、協(xié)調(diào)、管理和使用。為此，國內(nèi)外設(shè)計學(xué)者針對機械系統(tǒng)方案設(shè)計知識的自動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。
基于步進電機的四自由度機械手設(shè)計與控制（單片機控制） 47
摘 要
機械手是在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的使用，經(jīng)常被用來對工件進行水平、垂直地移位，是現(xiàn)在自動化生產(chǎn)中不可缺少的設(shè)備。特別是在自動化程度高的工廠，不但提高了整體生產(chǎn)的精度，也大大提高了機械生產(chǎn)的效率，對現(xiàn)代化機械發(fā)展是有很大意義的。
本文所闡述的機械手共有4個自由度，分別是夾緊工件、機械手腕的旋轉(zhuǎn)、手臂的伸出與縮回、機身的旋轉(zhuǎn)和升降，基本滿足了工業(yè)生產(chǎn)線上傳遞工件并進行定位的需要，它的控制系統(tǒng)采用單片機進行控制，得益于單片機成熟的應(yīng)用技術(shù)、低廉的價格，以及穩(wěn)定的開發(fā)平臺，工作人員可以很直觀地通過按鈕進行操作。
關(guān)鍵詞：機械手，單片機，步進電機
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國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 1
1.3 本論文主要任務(wù) 3
2 機械手的總體設(shè)計 5
2.1機械手的組成 5
2.2機械手設(shè)計參數(shù) 5
2.3機械手坐標系 6
2.4機械手控制系統(tǒng) 6
2.5小結(jié) 6
3 機械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 7
3.1手部機構(gòu) 7
3.2 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算 8
3.3 主要尺寸的確定 9
3.4 氣缸結(jié)構(gòu)設(shè)計 14
3.5步進電機的計算與選型 14
3.6步進電機性能校核 16
3.7小結(jié) 16
4 機械手手臂機構(gòu)的設(shè)計 17
4.1機械手手臂的結(jié)構(gòu) 17
4.2機械手手臂電機的計算與選型 17
4.3小結(jié) 23
5 機械手腰部和基座結(jié)構(gòu)設(shè)計 24
5.1機械手腰部和基座的結(jié)構(gòu) 24
5.2機械手腰部的步進電機的計算與選型 24
5.3步進電動機的性能校核 26
5.4機械手底座的步進電機的計算與選型 27
5.5步進電動機的性能校核 29
5.6小結(jié) 30
6 機械手控制系統(tǒng)設(shè)計 31
6.1驅(qū)動器 31
6.2接線圖 37
6.3步進電機原理 37
6.4單片機的選用 39
6.5控制原理圖 39
6.6機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 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，機械手也越來越多的被應(yīng)用。在機械工業(yè)中，鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機械加工、裝配、檢驗、噴漆、電鍍等工種都有應(yīng)用的實理。其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工作中也均有所應(yīng)用[1]。
在機械工業(yè)中，應(yīng)用機械手的意義可以概括如下：
（1）以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度
應(yīng)用機械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。
（2）以改善勞動條件，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合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應(yīng)用機械手即可部分或部分代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。
在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工作，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)用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機械手，以減少人力和更準確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產(chǎn)[2]。
綜上所述，有效的應(yīng)用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
1.2.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。它的結(jié)構(gòu)是：機體上安裝一個回轉(zhuǎn)長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓取，放下機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。
1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為Unimate（即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標通用機械手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司,專門生產(chǎn)工業(yè)機械手。
1962年美國機械制造公司也實驗成功一種叫Vewrsatran機械手。該機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎(chǔ)。
1978年美國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)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國機械制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。
聯(lián)邦德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。
日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進兩種機械手后大力從事機械手的研究。
前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應(yīng)用機械手，至1977年底，其中一半是國產(chǎn)，一半是進口。
目前，工業(yè)機械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進行控制；改進的方向主要是降低成本和提高精度。
第二代機械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，是機械手具有感覺機能。
第三代機械手則能獨立完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(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)。
機械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。
機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。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物品的主從式操作手也常稱為機械手。
隨著加工行業(yè)在我國的迅速發(fā)展，各行各業(yè)的自動化裝備水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常常配有機械手，以提高生產(chǎn)效率，代替工人完成惡劣環(huán)境下危險、繁重的勞動。
目前，機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生產(chǎn)工序;?機械加工行業(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)這類工作的搬運機械手為研究對象，針對本文作者參與的工業(yè)取料用直角坐標機械手控制系統(tǒng)軟、硬件進行了介紹和分析。
目前市場上常見的工業(yè)取料直角坐標機械手主運動臂的控制方式主要采用液壓或氣壓驅(qū)動。這種控制策略的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)易于控制。但缺點是系統(tǒng)定位靠設(shè)定接近開關(guān)的位置來實現(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)過程的自動化。
國內(nèi)機械手工業(yè)，鐵路工業(yè)中首先在單機、專機上采用機械手上下料，減輕工人的勞動強度。
1.2.2 發(fā)展趨勢
目前工業(yè)機械手主要用于機床加工、鑄造、熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面還是不能滿足工業(yè)發(fā)展的需要。
在國內(nèi)主要是逐步擴大應(yīng)用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機械手的同時，相應(yīng)的發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合機械手等。將機械手各運動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構(gòu)以及根據(jù)不同類型的加緊機構(gòu)，設(shè)計成典型的通用機構(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構(gòu)，即可組成不同用途的機械手。既便于設(shè)計制造，有便于更換工件，擴大應(yīng)用范圍。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機械手的作業(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、視覺等性能的機械手，并考慮與計算機連用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。
在國外機械制造業(yè)中工業(yè)機械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。
此外，國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。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，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。
視覺功能即在機械手上安裝有電視照相機和光覺測距儀（即距離傳感器）以及微型計算機。工作是電視照相機將物體形象變成視頻信號，然后送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機械手進行工作。
觸覺功能即是在機械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機械手首先伸出手指尋找工作，通過安裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過裝在手指內(nèi)的敏感元件來控制，達到自動調(diào)整握力的大小。總之，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展機械手裝配作業(yè)的能力也將進一步提高。
更重要的是將機械手、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）介紹了機械手的背景和意義；
（2）介紹了機械手的總體框架；
（3）詳細描述了機械手的總體研究方案；
（4）基于單片機完成了對機械手硬件部分的設(shè)計與完成。
2 機械手的總體設(shè)計
2.1 機械手的組成
手部機構(gòu)
機 械 手
機械系統(tǒng)
控制系統(tǒng)
執(zhí)行機構(gòu)
手臂機構(gòu)
腰部機構(gòu)
驅(qū)動機構(gòu)
步進電機驅(qū)動
單片機控制
圖2-1機械手的組成
它主要由機械系統(tǒng)(執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu))、控制系統(tǒng)組成。
執(zhí)行機構(gòu)：執(zhí)行機構(gòu)是機械手完成抓取工件，實現(xiàn)各種運動所必需的機械部件，它包括手部、腕部、手臂、機身等。
（1）手部：又稱手爪或抓取機構(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荷，并把它傳遞到預(yù)定的位置。
（4） 機身：是支承手臂的部件，其作用是帶動臂部自轉(zhuǎn)、升降或俯仰運動。
A. 驅(qū)動系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力，并驅(qū)動其動力的裝置。常用的
機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電傳動。
B. 控制系統(tǒng)：通過對驅(qū)動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進行工作，當發(fā)生錯誤或故障時,發(fā)出報警信號[4-5]。
2.2 機械手設(shè)計參數(shù)
機械手（重復(fù)）定位精度：±0.5mm；
機械手最大抓重：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（采用步進電機控制）每工步旋轉(zhuǎn)角度：30度（最大轉(zhuǎn)度：30度每秒）；
手臂上下移動距離為：20cm（最大速度10cm/s）；
手臂前后移動距離為：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 機械手坐標系
本課題的機械手的坐標系采用極坐標系設(shè)計[5]。
圖2-2機械手坐標系
2.4 機械手控制系統(tǒng)
本課題采用單片機控制器對機械手進行控制，根據(jù)機械手的工作流程編制出單片機程序，預(yù)定工作流程如圖2-3所示。
歸零
物料盤轉(zhuǎn)一個工步
手臂伸出
手臂向下
手指夾緊
手臂向上
支座順時針轉(zhuǎn)
手臂向下
手指松開
手臂向上
圖2-3機械手循環(huán)動作流程圖
2.5 小結(jié)
本章節(jié)對機械手進行了總體介紹，對機械手的總體方案進行了詳細介紹。對各個自由度的動作和實現(xiàn)作了詳細的說明，根據(jù)設(shè)計綜合參數(shù)確定設(shè)計方案，介紹了基于極坐標機械手的特點和原理。
3 機械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1 手部機構(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構(gòu)[4]。其機構(gòu)由圖3-1所示。
圖3-1機械手手部
3.1.1 手指的形狀和分類
夾持式是最常見的一種。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作，手指可分為一支點回轉(zhuǎn)型，二支點回轉(zhuǎn)型和移動型(或稱直進型)，其中以二支點回轉(zhuǎn)型為基本型式。當二支點回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉(zhuǎn)型手指；同理，當二支點回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當移動型手指夾持直徑變化的零件時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)計時考慮的幾個問題
（1）具有足夠的握力(即夾緊力)
在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。
（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。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。
（3） 保證工件準確定位
為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。
（4） 具有足夠的強度和剛度
手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，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） 考慮被抓取對象的要求
根據(jù)機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點， 兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計成V型。
3.2 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算
本課題氣動機械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖3-1所示：
手部驅(qū)動力的計算：
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，；
-動態(tài)運動時產(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)的傳動示意圖3-1，其驅(qū)動力為:
(3-2)
所以：
（3）實際驅(qū)動力:
(3-3)
因為傳力機構(gòu)為齒輪齒條傳動，故取，并取。若被抓取工件的為勻速取時，則:
所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為345N。
3.3 主要尺寸的確定
（1） 氣缸工作壓力的確定
由《液壓傳動與氣壓傳動》表3-1取氣缸工作壓力
表3-1 氣壓負載常用的工作壓力
負載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活塞桿產(chǎn)生推力，活塞右行時活塞桿產(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；
氣缸工作時的總阻力與眾多因素有關(guān)，如運動部件慣性力、背壓阻力、密封處摩擦力等。以上因素可以載荷率的形式計入公式，如要求氣缸的靜推力和靜拉力，則在計入載荷率后：
(3-6) (3-7)
計入載荷率就能保證氣缸工作時的動態(tài)特性。若氣缸動態(tài)參數(shù)要求較高；且工作頻率高，其載荷率一般取，速度高時取小值，速度低時取大值。若氣缸動態(tài)參數(shù)要求一般，且工作頻率低，基本是勻速運動，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
查機械設(shè)計手冊圓整，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
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算:
(3-9)
式中：
- 缸筒壁厚，mm；
- 氣缸內(nèi)徑，mm；
- 氣缸試驗壓力，一般取（Pa）；
-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L計算
活塞桿的位移量為：
S (3-10)
氣缸（活塞）行程與其使用場合及工作機構(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，尤其用于夾緊等機構(gòu)。為保證夾緊效果，必須按計算行程多加10-20mm的行程余量。
(3-11)
故查有關(guān)手冊圓整為
（5） 校核
A. 活塞桿穩(wěn)定性的驗算：
當活塞桿的長度較小時，可以只按強度條件校核計算活塞桿直徑有:
(3-12)
其中，[]，
則:
所以滿足實際設(shè)計要求。
B. 氣缸推力驗算：
=
=
由以上計算可知氣壓缸能產(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，因此計算值比實際值偏小，設(shè)計時要根據(jù)具體情況加以修正。
(3-14)
（7）氣缸進排口的計算
氣缸的進排氣口當量直徑的大小與氣缸的耗氣量有關(guān)，除特殊情況外，一般氣缸的進氣口、排氣口尺寸相同。氣缸進排氣口當量直徑用下式計算：
(3-15)
式中：
-工作壓力下氣缸的耗氣量，；
-空氣流經(jīng)進排氣口的速度，一般??；
把計算出來的氣缸進排氣口當量直徑進行圓整后，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， 45號鋼密度為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
（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，對于雙頭螺栓和螺栓連接，一般是四根螺栓，但是對于工作壓力高于時，一定要校核螺栓強度，必要時增加螺栓數(shù)量，例如6根[8]。
查閱機械手冊，選擇拉桿式螺栓連接，采用4根螺栓。該結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，易于裝卸。由于工作壓力小于，故無須校核螺栓強度。
（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、選擇和使用密封裝置，對保證氣缸的正常工作非常重要。
對密封元件的要求如下：
A. 密封性好，耐磨損，使用壽命長。
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、無氣泡、雜質(zhì)、凹凸等缺陷。
E. 結(jié)構(gòu)簡單，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)比較簡單，目前使用的范圍較廣。故采用O型密封圈。
3.5 步進電機的計算與選型
（1） 初選電機為45BF3-3A,參數(shù)如表3-2所示[9]。
表3-2電機參數(shù)
型號
相數(shù)
相電流
步距角
最大靜轉(zhuǎn)矩
空載啟動頻率
空載運行頻率
轉(zhuǎn)動慣量
A
度
N.m
Hz
Hz
Kg.cm^2
45BF3-3A
3
2
1.5
0.196
3000
27000
0.015
（2） 計算加在步進電機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量
為了使手部能夠進行360度旋轉(zhuǎn)，因此在手部一側(cè)裝上步進電機，初選步進電機型號為45BF3-3A,查表得該型號電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量=0.015kg.,
氣缸的轉(zhuǎn)動慣量=0.65 kg.。
=+=0.665 kg. (3-17)
（3） 計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上能夠的等效負載轉(zhuǎn)矩
分快速空載運動和承受最大工作負載兩種情況進行計算。
快速空載啟動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩
由式=可知，是快速空載啟動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩。
根據(jù)式 =，考慮縱向鏈的總效率，計算快速空載啟動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩：
=* (3-19)
—對應(yīng)縱向空載最快移動速度的步進電動機最高轉(zhuǎn)速；
—步進電動機有靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需要的時間；
其中：
—空載最快移動速度，為2000r/min；
—步進電動機步矩叫角，為1.5度；
—脈沖當量，=0.025mm/脈沖。
將以上各式帶入式 (3-20)
算得=333。
設(shè)步進電動機由景致到加速至轉(zhuǎn)速所需時間=0.4s，傳動鏈總效率=0.7；
則由式=* (3-21)
求得=8.28*,因此=8.28*
（4） 步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定
考慮到步進電動機采用的是開環(huán)控制，當電網(wǎng)電壓減低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)來選擇步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮到安全系數(shù)。這里取安全系數(shù)K=4，則步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： 4=3.3*
對于前面預(yù)選的45BF3-3A行步進電動機，由表可知，其最大靜轉(zhuǎn)矩=0.196，可見完全滿足式4的要求。
綜上所述，這里選用45BF3-3A步進電動機，可以滿足設(shè)計要求。
3.6 步進電機性能校核
（1） 最快空載移動時電動機運行頻率校核
最快空載移動速度=2000mm/min，對應(yīng)的電動機運行頻率=222Hz。查表的45BF3-3A的極限運行頻率為27000Hz，可見沒有超出范圍。
（2） 啟動頻率的計算
已知電動機轉(zhuǎn)軸上的總慣量=0.665kg，電動機轉(zhuǎn)子自身的轉(zhuǎn)動慣量=0.015kg，查<<機電一體化課程設(shè)計指導(dǎo)書>>表4-3可知電動機轉(zhuǎn)軸不帶任何負載時的最高空載啟動頻率=27000Hz。則由式可以求出步進電動機克服慣性負載的啟動頻率為：
=4010Hz。
上式說明，要想保證步進電動機啟動時不失步，任何時候的啟動頻率都必須小于4010Hz。實際上，在采用軟件升降時，啟動頻率選得很低，通常只有100Hz（即100脈沖/s）。
綜上所述，這里橫向進給系統(tǒng)選用45BF3-3A步進電動機，可以滿足設(shè)計要求[10]。
3.7 小結(jié)
本章節(jié)對機械手手部進行了詳細的設(shè)計，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、剛度強度校核、被抓取對象的考慮等設(shè)計，具體闡述了在此過程中機構(gòu)的詳細設(shè)計思路，進行了大量的夾緊力和外形尺寸的計算。還進行了步進電機的選型和校核。
4 機械手手臂機構(gòu)的設(shè)計
4.1 機械手手臂的結(jié)構(gòu)
通過安裝在末端上的步進電機以及連接軸帶動滾珠絲杠，從而實現(xiàn)末端執(zhí)行機構(gòu)的前后運動。機械手手臂的機構(gòu)圖如圖4-1所示。
圖4-1機械手手臂
4.2 機械手手臂電機的計算與選型
（1） 初選電機為90BYG2502，參數(shù)如表4-1所示[10]。
表4-1電機參數(shù)
型號
相數(shù)
相電流
步距角
最大靜轉(zhuǎn)矩
空載啟動頻率
空載運行頻率
轉(zhuǎn)動慣量
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)電機以及末端執(zhí)行機構(gòu)
負載重量 W=1kg
最大行程 Smax=200mm
快速進給速度 Vmax=100mm/s
加減速時間常數(shù) t=0.15s
預(yù)期壽命 Lh=30000h
直線運動導(dǎo)程摩擦系數(shù) =0.02
電機轉(zhuǎn)速 Nmax=600r/min
A. 設(shè)定螺距
根據(jù)電機的最大轉(zhuǎn)速與快速進給速度
B. 計算基本動態(tài)額定負載
各動作模式下的軸向負載的計算
a. 加速時，
加速度
軸向負載 =3.5N
b. 勻速時
軸向負載
c. 減速時
軸向負載
表4-1 各動作模式1次循環(huán)所需的時間（s）
動作模式
A
B
C
共需時間
所需時間
0.3s
1.4s
0.3s
2s
表4-2螺距為10的負載條件
動作模式
A
B
C
軸向負載（N）
3.5
0.8
1.9
轉(zhuǎn) 速
300
600
300
所需時間比例
15%
70%
15%
根據(jù)表4-2負載條件計算軸向品均負載Pm與平均轉(zhuǎn)速Nm
(4-5)
計算所需基本動態(tài)額定負載C
根據(jù)預(yù)期壽命，扣除停止時間后的凈運行使用壽命（預(yù)計夾緊 1s 上下運動5s）
將運行系數(shù)帶入公式中得
因此選擇FL2004絲杠
C. 容許屈曲載荷，危險速度計算
研討絲杠軸全場L 與危險速度Nc 屈曲載荷 Pk
L=最大行程+螺母長度+余量+末端尺寸
=280mm
下面就屈曲載荷進行討論，設(shè)負載作用點間距：
式中：
：開始引起壓曲的負載；
： 負載作用點間距；
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）；
說明容許軸向負載充分滿足使用條件
由于電機速度比較慢，肯定安全 ，需校核危險速度
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)動電機
A. 傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計算
a. 電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量
=4kg.
b. 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量的折算
c. 手臂轉(zhuǎn)動慣量的折算
工作臺是移動部件，其移動質(zhì)量折算到滾珠絲杠軸上的轉(zhuǎn)動慣量可按下式進行計算：
式中，為絲杠導(dǎo)程（cm）；為工作臺質(zhì)量（kg）。
所以：
d. 中間軸轉(zhuǎn)動慣量的折算
e. 聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動慣量
f. 系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計算
B. 驗算矩頻特性
步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩是指電機的定位轉(zhuǎn)矩，從附件中查得。步進電機的名義啟動轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為：
查得＝0.707。所以，
步進電機空載啟動是指電機在沒有外加工作負載下的啟動。步進電機所需空載啟動力矩可按下式計算：
式中：為空載啟動力矩（N.cm）；
為空載啟動時運動部件由靜止升速到最大快進速度，折算到電機軸上的加速力矩（N.cm）；
為空載時折算到電機軸上的摩擦力矩（N.cm）；
有關(guān)的各項力矩值計算如下：
a. 加速力矩
式中：為傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量；
為電機最大角加速度；
為與運動部件最大快進速度對應(yīng)的電機最大轉(zhuǎn)速；
t為運動部件從靜止啟動加速到最大快進速度所需的時間，
為運動部件最大快進速度；
為初選步進電機的步距角；
為脈沖當量。
b. 空載摩擦力矩
見《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》公式（2-34）P35
式中：為運動部件的總重量；
為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；
為傳動系數(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)緊時的傳動效率，現(xiàn)?。?.9。
所以，步進電機所需空載啟動力矩：
初選電機型號應(yīng)滿足步進電機所需空載啟動力矩小于步進電機名義啟動轉(zhuǎn)矩，即
從上式可知電機初步滿足要求。
C. 啟動矩頻特性校核
步進電機啟動有突跳啟動和升速啟動。突跳啟動很少使用。升速啟動是步進電機從靜止狀態(tài)開始逐漸升速，在零時刻，啟動頻率為零。在一段時間內(nèi)，按一定的升速規(guī)律升速。啟動結(jié)束時，步進電機達到了最高運行速度。
90BYG250C矩特性圖4-2中，可查得：
圖4-2電機特性曲線
縱向：空載啟動力矩＝對應(yīng)的允許啟動頻率。步進電機90BYG2502啟動頻率，
所以所選電機不會丟步。
D. 運行矩頻特性校核
步進電機的最高快進運行頻率可按下式計算：
式中：為運動部件最大快進速度。算得。
快進力矩的計算公式：
見《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》公式（2-37）P37
式中： 為附加摩擦力矩， 為快進時，折算到電機軸上的摩擦力矩。算得：
。
從90BYG2502運行矩頻特性圖中，可知：
快進力矩＝對應(yīng)的允許快進頻率；
所以,所用的電機都滿足快速進給運行矩頻特性要求。
綜上所述，所選用的步進電機90BYG2502符合要求，可以使用[10]。
4.3 小結(jié)
本章節(jié)涉及了機械手臂的設(shè)計，進行了步進電機的選型和校核，根據(jù)給定參數(shù)，對機械手臂的工作狀態(tài)進行了校核，并分類討論了步進電機在加速、勻速和減速時的各個工作狀態(tài)。
5 機械手腰部和基座結(jié)構(gòu)設(shè)計
5.1 機械手腰部和基座的結(jié)構(gòu)
在腰部安裝步進電機，使手臂能夠上下擺動以實現(xiàn)上下運動的目的。底座安裝步進電機，是旋轉(zhuǎn)底座能夠90度轉(zhuǎn)動。結(jié)構(gòu)如圖5-1所示。
圖5-1機械手腰部
5.2 機械手腰部的步進電機的計算與選型
（1） 初選電機為PK296A1-SG9，電機的參數(shù)如表5-1所示。
表5-1電機參數(shù)
型號
相數(shù)
相電流
步距角
最大靜轉(zhuǎn)矩
空載啟動頻率
空載運行頻率
轉(zhuǎn)動慣量
A
度
N.m
Hz
Hz
Kg.cm^2
PK296A1-SG9
2
4.0
0.9
6
1800
20000
4
（2） 計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量Jeq
已知：
初選的縱向步進電動機型號為PK296A1-SG9，從表查的該型號電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。
加上配重大約=10kg
則工作臺的轉(zhuǎn)動慣量=
則加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上能夠的總轉(zhuǎn)動慣量為：
=+=4+2.45=6.45
（3） 計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上能夠的等效負載轉(zhuǎn)矩
快速空載啟動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩
由式=,機轉(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，計算快速空載啟動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩：
=*
—對應(yīng)空載最快移動速度的步進電動機最高轉(zhuǎn)速。
—步進電動機有靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需要的時間。
其中：
—空載最快移動速度，任務(wù)書指定為6000mm/min；
—步進電動機步矩叫角，為；
—脈沖當量，=0.025mm/脈沖。
將以上各式帶入式，算得=600。
設(shè)步進電動機由景致到加速至轉(zhuǎn)速所需時間=0.4s，縱向傳動鏈總效率=0.7；
則由式=*
求得=0.145，所以=0.145
（4） 步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定
考慮到步進電動機采用的是開環(huán)控制，當電網(wǎng)電壓減低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)來選擇步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮到安全系數(shù)。這里取安全系數(shù)K=4，則步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： 4=0.58
對于前面預(yù)選的PK296A1-SG9步進電動機，由表可知，其最大靜轉(zhuǎn)矩=6，可見完全滿足式4的要求。
5.3 步進電動機的性能校核
（1） 最快工進速度時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核
最快工進速度=600mm/min，脈沖當量=0.025mm/脈沖，由式求出電動機對應(yīng)的運行頻率=600/（60*0.025）Hz400Hz。從90BYG2502的運行矩頻特性可以看出，在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩19，遠遠大于最大工作負載轉(zhuǎn)矩=0.145，滿足要求。
（2） 最快空載移動時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核
最快空載移動速度6000mm/min，仿照式求出電動機對應(yīng)的運行頻率6000/（60*0.025）Hz4000 Hz。在此頻率下電動機的輸出轉(zhuǎn)矩=20，大于快速空載啟動時的負載轉(zhuǎn)矩=0.145，滿足要求。
（3） 最快空載移動時電動機運行頻率校核
最快空載移動速度=6000mm/min，對應(yīng)的電動機運行頻率=4000Hz。查表的90BYG2502的極限運行頻率為20000Hz，可見沒有超出范圍。
（4） 啟動頻率的計算
已知電動機轉(zhuǎn)軸上的總慣量=，電動機轉(zhuǎn)子自身的轉(zhuǎn)動慣量=，查表4-5可知電動機轉(zhuǎn)軸不帶任何負載時的最高空載啟動頻率=1800Hz。則由式可以求出步進電動機克服慣性負載的啟動頻率為： =1113.64Hz。
上式說明，要想保證步進電動機啟動時不失步，任何時候的啟動頻率都必須小于1113.64Hz。實際上，在采用軟件升降時，啟動頻率選得很低，通常只有100Hz（即100脈沖/s）。
綜上所述，這里縱向進給系統(tǒng)選用PK296A1-SG9步進電動機，可以滿足設(shè)計要求。
5.4 機械手底座的步進電機的計算與選型
（1） 初選電機為110BYG3502
表5-2電機參數(shù)
型號
相數(shù)
相電流
步距角
最大靜轉(zhuǎn)矩
空載啟動頻率
空載運行頻率
轉(zhuǎn)動慣量
A
度
N.m
Hz
Hz
Kg.cm^2
110BYG3502
3
3
0.6
16
2700
30000
15
（2） 計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量
已知：
初選的縱向步進電動機型號為110BYG3502，從表查的該型號電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量=15。
加上配重和腰部大約=137kg
則轉(zhuǎn)動慣量=61.82
則加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上能夠的總轉(zhuǎn)動慣量為：
=+=15+61.82=76.82
（3） 計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上能夠的等效負載轉(zhuǎn)矩
快速空載啟動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩
由式=，電機轉(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，計算快速空載啟動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩：
=*
—對應(yīng)空載最快移動速度的步進電動機最高轉(zhuǎn)速。
—步進電動機有靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需要的時間。
其中：
—空載最快移動速度，任務(wù)書指定為7500mm/min；
—步進電動機步矩叫角，為；
—脈沖當量，=0.025mm/脈沖。
將以上各式帶入式，算得=500。
設(shè)步進電動機由景致到加速至轉(zhuǎn)速所需時間=0.4s，縱向傳動鏈總效率=0.7；
則由式=*
求得=1.436，所以=1.436
（4） 步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定
考慮到步進電動機采用的是開環(huán)控制，當電網(wǎng)電壓減低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)來選擇步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮到安全系數(shù)。這里取安全系數(shù)K=4，則步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： 4=5.744
對于前面預(yù)選的110BYG3502步進電動機，由表可知，其最大靜轉(zhuǎn)矩=16，可見完全滿足式4的要求。
5.5 步進電動機的性能校核
（1） 最快工進速度時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核
最快工進速度=500mm/min，脈沖當量=0.025mm/脈沖，由式求出電動機對應(yīng)的運
頻率=500/（60*0.025）Hz333Hz。從110BYG3502的運行矩頻特性可以看出，在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩19 ，遠遠大于最大工作負載轉(zhuǎn)矩=1.436，滿足要求。
（2） 最快空載移動時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核
最快空載移動速度7500mm/min，仿照式求出電動機對應(yīng)的運行頻率7500/（60*0.025）Hz5000 Hz。在此頻率下電動機的輸出轉(zhuǎn)矩=20，大于快速空載啟動時的負載轉(zhuǎn)矩=1.436，滿足要求[11]。
（3） 最快空載移動時電動機運行頻率校核
最快空載移動速度=7500mm/min，對應(yīng)的電動機運行頻率=5000Hz。查表的110BYG3502的極限運行頻率為30000Hz，可見沒有超出范圍。
（4） 啟動頻率的計算
已知電動機轉(zhuǎn)軸上的總慣量=76.82，電動機轉(zhuǎn)子自身的轉(zhuǎn)動慣量=15，查表4-5可知電動機轉(zhuǎn)軸不帶任何負載時的最高空載啟動頻率=2700Hz。則由式可以求出步進電動機克服慣性負載的啟動頻率為： =1091.3Hz。
上式說明，要想保證步進電動機啟動時不失步，任何時候的啟動頻率都必須小于1091.3Hz。實際上，在采用軟件升降時，啟動頻率選得很低，通常只有100Hz（即100脈沖/s）。
綜上所述，這里縱向進給系統(tǒng)選用110BYG3502步進電動機，可以滿足設(shè)計要求。
5.6 小結(jié)
本章節(jié)涉及了機械手腰部和基座的結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要進行步進電機的計算與選型，步進電機正常運行時各項參數(shù)的校核。
6 機械手控制系統(tǒng)設(shè)計
本課題的機械手的控制部分采用單片機控制步進電機和氣缸來實現(xiàn)的。
6.1 驅(qū)動器
通過步進電機的相數(shù)，電壓，電流，頻率等參數(shù)進行選擇驅(qū)動器。分別選出驅(qū)動器的型號為兩個HB306S和兩個HB205S驅(qū)動器[12]。
6.1.1 HB306S驅(qū)動器
圖6-1HB306S驅(qū)動器
（1） 特點
2 AC24～50V或DC36～70V電源供電
2 最大6A相電流輸出
2 采用交流伺服電機的電流控制方式，精確正弦電流輸出，使步進電機各項運行性能指標接近交流伺服電機
2 驅(qū)動器性能對電機的依賴性極小，不同參數(shù)電機均可獲得優(yōu)異性能
2 具備多種細分模式，特殊細分要求可定制
2 具備脫機（FREE）控制信號
2 電機位置停電記憶
2 靜止時自動半電流鎖定
2 輸入輸出信號光電隔離
（2） 適配電機
此驅(qū)動器能與57、86、90BYG系列三相混合式步進電機相配合。
（3） 輸入輸出端子
表6-1輸入輸出端子
端子標記
功能
說明
CP+
步進脈沖信號正輸入端
光耦開通沿有效，最小脈寬2us
CP-
步進脈沖信號負輸入端
DIR+
方向控制信號正輸入端
光耦關(guān)斷時為正轉(zhuǎn)，開通時為反轉(zhuǎn)
DIR-
方向控制信號負輸入端
FREE+
脫機控制信號正輸入端
光耦開通時輸出電流為0，電機無鎖定轉(zhuǎn)矩
FREE-
脫機控制信號負輸入端
POWER
電源指示
電源正常時發(fā)光管亮(紅色)
TIMING
相原點指示
相原點時發(fā)光管亮(綠色)
ERROR
故障指示
驅(qū)動器故障時發(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：信號輸入腳內(nèi)部光耦和電阻適合于5V信號，非5V信號請在外部加相應(yīng)電阻?
（4） 信號設(shè)置
表6-2信號設(shè)置
開關(guān)位置（DIP1）
信號設(shè)置
0
CP+/CP-為正轉(zhuǎn)脈沖信號，DIR+/DIR-為反轉(zhuǎn)脈沖信號
1
CP+/CP-為脈沖信號，DIR+/DIR-為方向信號（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） 細分設(shè)置
表6-4細分設(shè)置
開關(guān)位置（DIP5 6 7 8）
細分設(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：撥動開關(guān)“ON”時為“0”；細分設(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)動器
圖6-3HB205S驅(qū)動器
（1） 特點
2 AC24～50V或DC36～70V電源供電
2 最大6A相電流輸出
2 采用交流伺服電機的電流控制方式，精確正弦電流輸出，使步進電機各項運行性能指標接近交流伺服電機
2 驅(qū)動器性能對電機的依賴性極小，不同參數(shù)電機均可獲得優(yōu)異性能
2 具備多種細分模式，特殊細分要求可定制
2 具備脫機（FREE）控制信號
2 電機位置停電記憶
2 輸入輸出信號光電隔離
（2） 適配電機
本驅(qū)動器與57、75、86、90BYG系列兩相混合式步進電機相配合。
（3） 輸入輸出端子
表6-5輸入輸出端子
端子標記
功能
說明
CP+
步進脈沖/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)斷時正轉(zhuǎn)，開通時反轉(zhuǎn)
正/反脈沖模式見“信號設(shè)置”
CP-
步進脈沖/正向脈沖負輸入端
CW+
方向信號/反向脈沖正輸入端
CW-
方向信號/反向脈沖負輸入端
FRE+
脫機控制信號正輸入端
光耦開通時輸出電流為0，電機無鎖定轉(zhuǎn)矩
FRE-
脫機控制信號負輸入端
ERR-C
故障信號正輸出端
光耦副邊集電極開路輸出（50V/20mA）。驅(qū)動器故障時ERR-C腳和ERR-E間三極管開通
ERR-E
故障信號負輸出端
COM
信號公共端
C