三軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械臂伺服運(yùn)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

...wd......wd......wd...三軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械臂伺服運(yùn)動(dòng)機(jī)械構(gòu)造設(shè)計(jì)〔摘要〕機(jī)械手臂是目前在機(jī)械人技術(shù)領(lǐng)域中得到最廣泛實(shí)際應(yīng)用的自動(dòng)化機(jī)械裝置，在工業(yè)制造、醫(yī)學(xué)治療、娛樂服務(wù)、軍事、半導(dǎo)體制造以及太空探索等領(lǐng)域都能見到它的身影。盡管它們的形態(tài)各有不同，但它們都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是能夠承受指令，準(zhǔn)確地定位到三維〔或二維〕空間上的某一點(diǎn)進(jìn)展作業(yè)。根據(jù)構(gòu)造形式的不同，機(jī)械手臂可分為多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂，直角坐標(biāo)系機(jī)械手臂、球坐標(biāo)系機(jī)械手臂，極坐標(biāo)機(jī)械手臂，柱坐標(biāo)機(jī)械手臂等。本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械手臂為直角坐標(biāo)系機(jī)械手臂，其由三個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過運(yùn)動(dòng)控制卡實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，可以實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)，分別為X移動(dòng)，Y移動(dòng)，Z移動(dòng)。手臂的運(yùn)動(dòng)由三個(gè)絲杠螺母副完成，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，螺母副移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。關(guān)鍵詞機(jī)械手臂三軸聯(lián)動(dòng)三個(gè)自由度Abstract IIMechanicalarmiscurrentlythemostwidelypracticalapplicationinthefieldofrobottechnologyinautomationmachinery,industrialmanufacturing,medicaltreatment,entertainmentservices,military,semiconductormanufacturingandotherareasofspaceexplorationcanseeitsshadow.Despitetheirmorphologyvary,buttheyallhaveonecommoncharacteristic,thatisabletoacceptinstruction,preciselypositionedtocarryoutoperationsatapointthree(ortwo-dimensional)space.Accordingtothedifferentstructure,mechanicalarmcanbedividedintomulti-jointrobot,Cartesiancoordinatesrobot,sphericalcoordinatesrobot,polarcoordinaterobot,cylindricalcoordinatesrobotarmandthelike.ThisarticleisdesignedasCartesianrobotmanipulatorarm,whichisdrivenbythreeservomotors,motioncontrolthroughmotioncontrolcard,youcanachievethree-axis,respectively,XMobile,Ymovement,Zmove.Armmovementconsistsofthreescrewnutiscompleted,servomotordrivescrewrotation,nutmove,inordertoachievethreedegreesoffreedomofmovement.KeywordsMechanicalarmAxislinkageThreedegreesoffreedom第1章 緒論 11.1 研究背景 隨著科技的開展，工業(yè)自動(dòng)化程度不斷提高，機(jī)械臂廣泛用于各種制造行業(yè)中，但對于機(jī)械臂在工業(yè)的應(yīng)用來說，大局部時(shí)候并不需要機(jī)械臂具有六個(gè)自由度，其中的一個(gè)或幾個(gè)即可滿足工業(yè)需求，由于三軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械臂具有三個(gè)自由度，根本上可以滿足制造行業(yè)中以空間任意一點(diǎn)為目標(biāo)位置的運(yùn)動(dòng)要求，故三軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械臂在工業(yè)自動(dòng)化上的運(yùn)用最為廣泛。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國際上對于機(jī)械臂的開發(fā)、研制和應(yīng)用已有近50年歷史，目前，以日、韓、美、法、德等為代表的許多國家的機(jī)械臂產(chǎn)業(yè)日趨成熟和完善，其所生產(chǎn)的機(jī)械臂已成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備在全球得到廣泛應(yīng)用。國外機(jī)械臂技術(shù)由于起步較早，根基雄厚，技術(shù)先進(jìn)，市場占有率高。同國外相比，中國的機(jī)械臂技術(shù)起步較晚，經(jīng)過“七五〞、“八五〞、“九五〞三個(gè)階段，中國機(jī)械臂從無到有，從小到大，開展迅速，一批國產(chǎn)機(jī)械臂已服務(wù)于國內(nèi)諸多企業(yè)的生產(chǎn)線上，一批機(jī)械臂技術(shù)的研究人才也涌現(xiàn)出來，一些相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)已掌握了機(jī)械臂的一些關(guān)鍵技術(shù)，某些技術(shù)已到達(dá)了或接近國際先進(jìn)水平，中國機(jī)械臂在世界機(jī)械臂領(lǐng)域已占有一席之地，而且中國是一個(gè)巨大的機(jī)械臂消費(fèi)市場，行業(yè)市場也處于開展壯大中。機(jī)械臂技術(shù)在制造業(yè)應(yīng)用范圍越來越廣，其標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的程度越來越高，功能也越來越強(qiáng)，正向著成套技術(shù)和裝備的方向開展。1.3 研究目的和意義面對工業(yè)4.0時(shí)代機(jī)械臂的巨大市場，機(jī)械臂技術(shù)的開展和革新也變得尤為重要，由于三軸聯(lián)動(dòng)直角坐標(biāo)系機(jī)械臂構(gòu)造簡單、用途廣泛，市場份額最大，所以對其技術(shù)的研究最具市場價(jià)值。在機(jī)械制造行業(yè)中，對于機(jī)械臂技術(shù)研究的意義可概括如下，一、在生產(chǎn)過程中，機(jī)械臂可應(yīng)用于傳送材料，裝卸工件，更換刀具以及裝配機(jī)器，可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化程度，降低勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)本錢。二、在特殊工作空間如高溫、高壓、噪聲、狹小空間等工作場合中，人工操作存在一些隱患甚至人工根本不可能完成，而通過機(jī)械臂的應(yīng)用可以局部或全部代替工人安全的完成作業(yè)，改善了勞動(dòng)條件，在一些簡單、重復(fù)、笨重的操作中，通過機(jī)械臂的應(yīng)用，可以防止由于疲勞或者疏忽而造成生產(chǎn)事故。三、通過機(jī)械臂的應(yīng)用，首先可以直接減少人力，而且由于機(jī)械臂可以連續(xù)工作，使得生產(chǎn)工作有節(jié)奏的進(jìn)展。綜上所述，加速開發(fā)和應(yīng)用機(jī)械臂，是機(jī)械工業(yè)開展的必然趨勢。1.4 論文研究內(nèi)容第一章緒論簡單介紹研究背景，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，研究的目的和意義。第二章方案確定，提出兩種設(shè)計(jì)方案，最后選擇采用絲杠螺母副的直角坐標(biāo)系機(jī)械手臂。第三章電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，分析運(yùn)動(dòng)情況，選擇適宜的伺服電機(jī)。第四章機(jī)械構(gòu)造設(shè)計(jì)，對整個(gè)機(jī)械臂上選要安裝的零部件進(jìn)展設(shè)計(jì)選型。第五章基于CREO的設(shè)計(jì)與裝配，將所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂的零部件采用CREO繪制，并將所繪制的零部件進(jìn)展模擬裝配第2章方案確定2.1 方案的設(shè)想面對機(jī)械臂的巨大的應(yīng)用市場，開發(fā)一種構(gòu)造簡單，可以滿足工業(yè)根本應(yīng)用機(jī)械臂有很大的市場前景，而且對于工業(yè)應(yīng)用來說，三自由度直角坐標(biāo)系機(jī)械手臂應(yīng)用最為廣泛。直角坐標(biāo)系機(jī)械手臂可以由單軸機(jī)械手臂組合而成。單軸機(jī)械手臂作為一個(gè)組件在工業(yè)中應(yīng)用廣泛。故本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂整體構(gòu)造可以由三個(gè)單軸機(jī)械臂組合而成，我們設(shè)想了兩種方案，兩種方案的根本構(gòu)造形式相似，主要區(qū)別在于機(jī)械臂的執(zhí)行元件不同。方案一：此方案執(zhí)行原件為氣缸，每個(gè)單軸機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)由一個(gè)氣缸完成，通過三個(gè)氣缸的組裝，組裝成一個(gè)具有三個(gè)自由度的直角坐標(biāo)系機(jī)械臂，三個(gè)氣缸可以由一個(gè)氣泵供氣，每個(gè)氣缸都裝有一個(gè)閥門，閥門由伺服電機(jī)控制氣缸的進(jìn)氣速度和進(jìn)氣量，三個(gè)伺服電機(jī)可以通過運(yùn)動(dòng)控制卡來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。方案二：此方案的執(zhí)行元件為絲杠螺母副，每個(gè)單軸機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)由一個(gè)絲杠螺母副完成，通過對三個(gè)絲杠螺母副的組裝，組裝成一個(gè)具有三個(gè)自由度的直角坐標(biāo)系機(jī)械臂，每個(gè)絲杠螺母副均由一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過運(yùn)動(dòng)控制卡對伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角的控制，實(shí)現(xiàn)最終的運(yùn)動(dòng)控制。2.2 方案確實(shí)定綜合比擬上述兩種方案，我們發(fā)現(xiàn)第二種的構(gòu)造比擬好。方案一使用氣缸雖然執(zhí)行機(jī)構(gòu)的構(gòu)造會(huì)更緊湊，但是由于需要額外使用氣泵、閥門等關(guān)鍵零部件，故造價(jià)高，而且氣缸不適合承受較大徑向力的場合，氣缸進(jìn)出氣較難控制，且運(yùn)動(dòng)精度低。相比方案一，方案二的單軸機(jī)械臂雖然體積稍大，但造價(jià)有大幅降低，運(yùn)動(dòng)控制精度顯著提高，在載荷分布上也更為合理。2.3 本章小結(jié)通過以上對兩種方案的比擬和分析，綜合市場方面因素，最終我們選擇采用方案二，用使用絲杠螺母副的單軸機(jī)械臂來組裝成具有三個(gè)自由度的直角坐標(biāo)系機(jī)械臂?？傮w方案確定之后，進(jìn)展機(jī)構(gòu)各部件的設(shè)計(jì)和選擇。第3章電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)由于本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂采用三個(gè)單軸機(jī)械臂組合安裝完成，三個(gè)單軸機(jī)械臂的構(gòu)造類似，本文中只對X向的單軸機(jī)械臂進(jìn)展計(jì)算選型，其余兩個(gè)進(jìn)展類比設(shè)計(jì)，本文中不做過多表達(dá)。3.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)要求〔1〕機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)需要有較大的調(diào)速范圍，最好能夠?qū)崿F(xiàn)無級變速?！?〕電機(jī)應(yīng)該選用偏大的功率，雖然本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂目的是安裝攝像頭進(jìn)展掃描攝像，不需要高功率電機(jī)，但為了保證機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的可靠性，應(yīng)該采用稍微偏大功率的電機(jī)?！?〕電機(jī)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性要好，電機(jī)的升降速時(shí)間要短，調(diào)速時(shí)需要運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，換向可以進(jìn)展自動(dòng)加減速控制。〔4〕機(jī)械臂的主軸需要有較高的回轉(zhuǎn)精度，主軸部件需要具有良好的抗振性和足夠的剛度，也需要具有較好的熱穩(wěn)定性，即要求主軸的軸向和徑向尺寸隨溫度的變化要小，而且傳動(dòng)鏈要短。3.2電機(jī)選型由于本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂尾端只需要安裝一個(gè)攝像頭進(jìn)展掃描攝像，而且本機(jī)械臂體積小，質(zhì)量輕，所需要的電機(jī)功率不必要太大，但為了保證運(yùn)動(dòng)的可靠性，適中選取偏大功率的電機(jī)即可，Ｘ向單軸機(jī)械臂所選取的電機(jī)為松下公司所生產(chǎn)的的ＭＳＭＤ０４２Ｇ１Ｕ型伺服電機(jī)，額定功率為０．４ＫＷ，額定轉(zhuǎn)速為３０００ｒ／ｍｉｎ。本章小結(jié)通過對電機(jī)的選型，以及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過運(yùn)動(dòng)卡同時(shí)控制三個(gè)伺服電機(jī)驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是否滿足三軸聯(lián)動(dòng)的設(shè)計(jì)要求，進(jìn)而完成電氣局部的設(shè)計(jì)。第4章機(jī)械構(gòu)造設(shè)計(jì)4.1單軸機(jī)械臂構(gòu)造特點(diǎn)單軸機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)在動(dòng)作上除了由運(yùn)動(dòng)控制卡的控制外，在機(jī)械構(gòu)造方面還應(yīng)具有響應(yīng)速度快、精度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)〔有引用〕下面主要對單軸機(jī)械臂的機(jī)械構(gòu)造特點(diǎn)進(jìn)展討論：〔1〕傳動(dòng)剛度高本文所研究的單軸機(jī)械臂采用絲杠螺母副作為執(zhí)行部件，絲杠螺母副以及其支撐部件的剛度決定了整個(gè)機(jī)械臂的傳動(dòng)剛度。如果剛度缺乏，加上摩擦阻力的作用，會(huì)導(dǎo)致機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生爬行現(xiàn)象或反向死區(qū)，傳動(dòng)的準(zhǔn)確性會(huì)受到影響。通過合理的選擇絲桿尺寸，縮短傳動(dòng)鏈、對絲杠螺母副及其支撐部件等預(yù)緊均可以有效的提高傳動(dòng)剛度。(2)高諧振為了提高機(jī)械臂的抗振性，其機(jī)械構(gòu)件應(yīng)具有適宜的阻尼和較高的固有頻率，通常要求機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率應(yīng)為伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)固有頻率的2~3倍〔3〕低摩擦機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)要求平穩(wěn)，能夠快速響應(yīng)且定位準(zhǔn)確，那么就需要減少運(yùn)動(dòng)件所受的摩擦阻力，在機(jī)械臂中普遍采用特性優(yōu)良的滾珠絲杠螺母副?！?〕低慣性由于機(jī)械臂的特殊工作環(huán)境，所以經(jīng)常需要啟停、變速和換向，如果機(jī)械臂的傳動(dòng)裝置慣量太大，會(huì)使負(fù)載增大并會(huì)降低傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。因此在強(qiáng)度與剛度足夠的前提下，應(yīng)該盡可能使各傳動(dòng)元件的體積變小，同時(shí)減少各運(yùn)動(dòng)部件的重量，從而到達(dá)運(yùn)動(dòng)部件能夠?qū)χ噶羁焖夙憫?yīng)的要求。〔5〕無間隙機(jī)械臂的進(jìn)給系統(tǒng)存在反向運(yùn)動(dòng)死區(qū)的另一個(gè)主要因素是機(jī)械間隙，因此對于傳動(dòng)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)都需要采用消除間隙的構(gòu)造措施，這些環(huán)節(jié)包括：絲杠螺母副、聯(lián)軸器、軸承以及其他支撐部件等。4.2滾珠絲杠的選擇與安裝方式的選擇4.2.1滾珠絲杠特點(diǎn)在單軸機(jī)械臂上，滾珠絲杠副將伺服電機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，滾珠絲杠螺母副的特點(diǎn)是：〔1〕傳動(dòng)效率高，滾珠絲杠副相比于傳統(tǒng)螺紋絲杠副，以滾珠在絲杠與螺母之間的滾動(dòng)傳遞力和運(yùn)動(dòng)取代了絲杠和螺母直接作用的方式，即以極小的滾動(dòng)摩擦取代傳統(tǒng)絲杠的滑動(dòng)摩擦，使得傳動(dòng)效率提高，一般為η=0.92～0.98，整個(gè)傳動(dòng)副所需要的驅(qū)動(dòng)力矩只有滑動(dòng)絲杠的1/3左右，摩擦發(fā)熱也得到大幅降低?！?〕定位精度高由于滾珠絲杠副發(fā)熱率低。溫升小以及在加工過程中對絲杠采取預(yù)拉伸并預(yù)緊消除軸向間隙等措施，使?jié)L珠絲杠副定位精度高且重復(fù)定位精度高?！?〕傳動(dòng)可逆性滾珠絲杠副相比于滑動(dòng)絲杠沒有粘滯摩擦，故在傳動(dòng)過程中不會(huì)出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，而且滾珠絲杠可以將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，也可以將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，兩種運(yùn)動(dòng)方式均可以傳遞相應(yīng)的動(dòng)力〔4〕同步性能好由于滾珠絲杠副能夠順滑運(yùn)轉(zhuǎn)，軸向間隙可以消除以及制造的一致性，當(dāng)采用多套滾珠絲杠副方案驅(qū)動(dòng)多個(gè)一樣部件或統(tǒng)一裝置時(shí)，均可以很好地進(jìn)展同步工作?！?〕使用壽命長由于滾珠絲杠滾道的外表硬度，材料的選擇以及滾道形狀的準(zhǔn)確性等方面都加以嚴(yán)格控制，從而使得滾珠絲杠副的實(shí)際壽命遠(yuǎn)相比于滑動(dòng)絲杠高很多。但是滾珠絲杠副也存在一些缺點(diǎn)，如制造本錢高，不能自鎖，垂直安裝時(shí)需有平衡裝置等〔有引用〕4.2.2安裝方式分類滾珠絲杠副作為一種以滾動(dòng)作為傳動(dòng)方式的關(guān)鍵傳動(dòng)元件，在各種需要傳動(dòng)和定位的機(jī)構(gòu)中應(yīng)用廣泛，其對機(jī)構(gòu)的影響也十分重要。同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，滾珠絲杠采用何種安裝方式，對整個(gè)機(jī)構(gòu)的工作效果也會(huì)產(chǎn)生影響，根據(jù)不同的具體應(yīng)用情況，滾珠絲杠副可以采用的不同的安裝方式。滾珠絲杠副所承受的載荷主要是軸向的，其所承受的徑向載荷主要是臥式絲杠的自重。在安裝時(shí)，螺母座的孔與工作螺母之間應(yīng)保證配合良好，并且孔與端面應(yīng)該保證垂直度。這時(shí)選擇軸承需要根據(jù)載荷的方向和大小，軸承配置和安裝的形式還與絲桿的長短有關(guān)，如果絲桿較短，采用單支撐構(gòu)造，如果絲桿較長，則需采用雙支撐構(gòu)造。每種安裝方式〔即支撐方式〕有其各自的特點(diǎn)，中選取安裝方式時(shí)，在考慮實(shí)際工作要求〔如傳動(dòng)速度、定位精度、扭矩和推理情況等〕的前提下，也要結(jié)合所選擇的滾珠絲杠副型號規(guī)格，只有兩個(gè)因素綜合考慮，才能實(shí)現(xiàn)理想的工作狀況。由文獻(xiàn)[19，20]可知“滾珠絲杠副的安裝方式也可以叫做滾珠絲杠副的支撐形式〞，安裝方式通常有兩大類，一類是絲杠旋轉(zhuǎn)，另一種是螺母旋轉(zhuǎn)，兩大類共包括五種典型的安裝方式，安裝方式的不同會(huì)影響滾珠絲杠副所容許的回轉(zhuǎn)速度以及所能夠承受軸向載荷。安裝方式應(yīng)該根據(jù)工況適中選擇，具體安裝方式下文會(huì)詳細(xì)介紹，為了方便比擬安裝方式的穩(wěn)定性，引入“穩(wěn)定性系數(shù)fk〞來表征絲杠旋轉(zhuǎn)類的每種安裝方式的穩(wěn)定性，fk數(shù)值越大則表示該安裝方式越穩(wěn)定，對于螺母旋轉(zhuǎn)類由于其受力模型不同，校驗(yàn)體系也不同，故不能模型化比擬。所以本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂選用絲杠旋轉(zhuǎn)類。4.2.3絲杠旋轉(zhuǎn)類安裝形式1.“固定—固定〞型：fk=4本安裝方式適用于高精度、高轉(zhuǎn)速的場合。該方式兩端分別裝有一對軸承來約束徑向和軸向自由度，所受載荷由兩組軸承副共同承當(dāng)。也可以是兩端的軸承組承受反向預(yù)緊拉伸力，從而提高絲杠的傳動(dòng)剛度。在一些定位要求較高的場合，甚至可以通過受力情況和絲杠運(yùn)動(dòng)發(fā)熱變形趨勢來準(zhǔn)確設(shè)定目標(biāo)行程的補(bǔ)償量，從而進(jìn)一步提高定位精度?！肮潭ā潭è曅鸵步小半p推—雙推〞型。在實(shí)際情況中，由于徑向力的存在，所以幾乎不能用兩個(gè)推力軸承來作為固定端。而且此安裝方式機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，調(diào)整也較為困難，因此僅在定位要求很高的場合時(shí)才采用“固定—固定〞型，其構(gòu)造簡圖如下。圖３-1“固定—固定〞型2.“固定—游動(dòng)〞型：fk=2本安裝方式適用于高精度、中轉(zhuǎn)速的場合，該方式一端由一對軸承約束徑向和軸向自由度，而另一端由一個(gè)軸承來約束徑向自由度，所承受的載荷只由一對軸承副承當(dāng)，而游動(dòng)的單個(gè)軸承用來防止懸臂撓度，并且能夠消除由運(yùn)動(dòng)發(fā)熱產(chǎn)生的應(yīng)力，“固定—游動(dòng)〞型也叫做“雙推—支撐〞型。此安裝方式構(gòu)造簡單，應(yīng)用廣泛，效果良好。其構(gòu)造簡圖如下。圖３-2“固定—游動(dòng)〞型3.“支承—支承〞型：fk=1本安裝方式適用于中精度、中轉(zhuǎn)速的場合，該方式兩端分別裝一個(gè)軸承，分別承受單方向的軸向力和徑向力，兩個(gè)軸承分別單獨(dú)承當(dāng)某一方向的力。由于其力的支撐點(diǎn)隨著受力的方向變化，故而其定位可控性較低。此安裝方式形式構(gòu)造簡單，受力情況較差，應(yīng)用較少。其構(gòu)造簡圖如下。圖３-3“支承—支承〞型4.“固定—自由〞型：fk=0.25本安裝方式適用于中精度、低轉(zhuǎn)速的場合。該方式一端裝有一對軸承來約束徑向和軸向自由度，而另一端則處于自由狀態(tài)，這一對軸承副承當(dāng)所有載荷，并且需要抑制絲杠水安全裝時(shí)的重力〔以及絲杠回轉(zhuǎn)時(shí)的離心力〕所造成的彎矩?！肮潭ā杂扫曅陀袝r(shí)也叫做“雙推—自由〞型，此安裝方式構(gòu)造簡單，雖然受力情況差，但在低轉(zhuǎn)速、小行程的場合也經(jīng)常使用。其構(gòu)造簡圖如下。圖4-4“固定—自由〞型綜合考慮四種安裝方式安裝時(shí)的方便程度及其對精度的影響，本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂選擇的安裝方式是：“固定—游動(dòng)〞型安裝方式，其所允許的轉(zhuǎn)速以及到達(dá)的精度符合我們的設(shè)計(jì)要求。4.3X方向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.3.1根本導(dǎo)程在X向進(jìn)給系統(tǒng)的單軸機(jī)械臂中，絲杠與伺服電機(jī)直接通過聯(lián)軸器鏈接，傳動(dòng)比為，工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度需要到達(dá)，伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為，那么絲杠的轉(zhuǎn)速也取３０００ｒ／ｍｉｎ，則可求得絲杠的根本導(dǎo)程4.3.2滾珠絲杠的選擇計(jì)算1承載能力選擇.計(jì)算作用于絲杠軸向最大動(dòng)載荷，然后根據(jù)值選擇絲杠副型號。(4-1)式中——滾珠絲杠壽命系數(shù)〔單位106轉(zhuǎn)〕，普通機(jī)械為5000~10000、數(shù)控機(jī)床及其他機(jī)電一體化設(shè)備及儀器裝置為15000，航空機(jī)械為1000，取?！d荷系數(shù)〔平穩(wěn)或輕度沖擊時(shí)為1.0~1.2，中等沖擊時(shí)為1.2~1.5，較大沖擊或振動(dòng)是為1.5~2.5〕；取?！捕认禂?shù)〔時(shí)為1.0，等于55時(shí)為1.11，等于52.5時(shí)為1.35，等于50時(shí)為1.56，等于45時(shí)為2.40〕；取。——最大工作載荷，由于此機(jī)械臂的所承受的載荷即抑制自重而運(yùn)動(dòng)，取則可由公式(4-1)求得軸向最大動(dòng)載荷初步選用SFU01604—4型滾珠絲杠，其主要參數(shù)為：根本導(dǎo)程；鋼球直徑；絲杠內(nèi)徑；外徑，額定動(dòng)負(fù)載，螺母外徑，螺母長度。2.壓桿穩(wěn)定性核算〔4-2〕式中——實(shí)際承受載荷的能力，N；——壓桿穩(wěn)定的支撐系數(shù)〔雙推—雙推式為4，單推——單推式為1，雙推——簡直式為2，雙推——自由式為0.25〕，取；E——鋼的彈性模量，??；I——滾珠絲杠底徑的抗彎截面慣性矩，；K——壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.5~4，??；——絲杠的工作長度，取計(jì)算，代入式4-2中得，所以壓桿穩(wěn)定性核算合格。3剛度的驗(yàn)算滾珠絲杠在軸向力的作用下，將產(chǎn)生伸長或縮短，在扭矩的作用下將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)而影響絲杠導(dǎo)程的變化，從而影響傳動(dòng)精度及定位精度，故應(yīng)驗(yàn)算滿載時(shí)的變形量。其驗(yàn)算公式如下：滾珠絲杠在工作負(fù)載F和扭矩T共同作用下，所引起的每一導(dǎo)程的變形量為：〔只考慮拉伸時(shí)〕式中——工作負(fù)載，；——根本導(dǎo)程，；E——鋼的彈性模量，；A——絲杠的最小橫截面積，cm2，，則T——扭矩，N·cm，；為絲杠的傳動(dòng)效率，取，則I——絲杠底徑的抗彎截面慣性矩，代入以上數(shù)據(jù)，可得則每一米彈性變形所允許的根本導(dǎo)程誤差值為，而此絲杠精度標(biāo)準(zhǔn)中，允許誤差為，故該滾珠絲杠滿足剛度要求。4.3.3支撐軸承選型由于滾珠絲杠會(huì)受到一定的軸向力，所以支撐軸承應(yīng)該選用角接觸球軸承，本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂選用的角接觸球軸承為7032C，在市場上較為常見，價(jià)格低廉，購置方便。4.4Y、Z方向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)對于Ｙ、Ｚ方向單軸機(jī)械臂，相比于Ｘ方向單軸機(jī)械臂來說，其移動(dòng)部件的重量和所受的力都比Ｘ方向的小，所以在Y、Z方向上，可以選取與X向一樣的絲杠和支撐軸承，但在伺服電機(jī)選型上，為了降低本錢，可以選取與X向一樣系列，額定轉(zhuǎn)速一樣，但比X向功率低的型號。對于有裝配調(diào)整的零件，需要另行設(shè)計(jì)來滿足裝配要求。對于Y、Z方向的進(jìn)給，因移動(dòng)部件的重量和所受的力都比X方向的小，為了減少設(shè)計(jì)部件的數(shù)量和加工的要求，此方向的可選用與X方向一樣的絲杠、電機(jī)和軸承及其他零件，但對于有裝配調(diào)整的零件還需另行設(shè)計(jì)以滿足要求。4.5導(dǎo)軌的選型計(jì)算4.5.1導(dǎo)軌的形式及選擇導(dǎo)軌是支撐和限制運(yùn)動(dòng)部件按給定的運(yùn)動(dòng)要求和規(guī)定的運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)，它是滾珠絲杠副運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中必不可少的一個(gè)局部，在很大程度上會(huì)決定單軸機(jī)械臂的剛度、精度和精度保持性。常用的導(dǎo)軌副種類很多，按其接觸面的摩擦性質(zhì)可以分為滾動(dòng)導(dǎo)軌、滑動(dòng)導(dǎo)軌、流體介質(zhì)摩擦導(dǎo)軌等。下面著重介紹三種。1.直線滾動(dòng)導(dǎo)軌滾動(dòng)導(dǎo)軌作為滾動(dòng)摩擦副的一類，具有很多優(yōu)點(diǎn)，摩擦系數(shù)小，運(yùn)動(dòng)靈活；動(dòng)靜摩擦系數(shù)根本一樣，因而啟動(dòng)阻力小，而不宜產(chǎn)生爬行；可以預(yù)緊，剛度高；壽命長，精度高；潤滑方便，可以采用脂潤滑，一次裝填，長期使用；由專業(yè)廠生產(chǎn)，可以外購選用。但也存在一些缺點(diǎn)：導(dǎo)軌面與滾動(dòng)體是點(diǎn)接觸或線接觸，所以抗振性差。接觸應(yīng)力大；對導(dǎo)軌的外表硬度、外表形狀精度和滾動(dòng)體的尺寸精度要求高，假設(shè)滾動(dòng)體的直徑不一致，導(dǎo)軌外表有上下，會(huì)使運(yùn)動(dòng)部件傾斜，產(chǎn)生振動(dòng)，影響運(yùn)動(dòng)精度；構(gòu)造復(fù)雜，制造困難，本錢較高；對臟物比擬敏感，必須有良好的防護(hù)裝置。2.液體靜壓導(dǎo)軌由于液體靜壓導(dǎo)軌的工作面完全處于純液體的摩擦下，因此工作時(shí)的摩擦系數(shù)非常低，約為；速度與負(fù)載不會(huì)限制導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)，且低速移動(dòng)均勻，沒有爬行現(xiàn)象，由于液體的吸振作用，使得導(dǎo)軌的抗振性好；同時(shí)擁有良好的剛性，且承載能力大；由于摩擦發(fā)熱少，導(dǎo)軌的溫升也小。但是液體靜壓導(dǎo)軌也有缺點(diǎn)，由于液體靜壓導(dǎo)軌安裝了一套液壓系統(tǒng)；所以其構(gòu)造復(fù)雜，本錢高；油膜的厚度也很難保持一個(gè)恒定值。在一些大、重型設(shè)備上多使用液體靜壓導(dǎo)軌。3.滑動(dòng)導(dǎo)軌滑動(dòng)導(dǎo)軌構(gòu)造簡單、制造方便、剛度好且抗振性高，常見的導(dǎo)軌截面形狀，有三角形〔分對稱、不對稱兩類〕、矩形、燕尾形及圓形四種，每種截面形狀的滑動(dòng)導(dǎo)軌又有不同的特點(diǎn)，每一種截面形狀又分為凸形和凹形兩類。凸形導(dǎo)軌不易積存切屑等臟物，也不易儲(chǔ)存潤滑油，宜在低速下工作，凹形導(dǎo)軌則相反，可用于告訴，但必須有良好的防護(hù)裝置，以防切屑等臟物落入導(dǎo)軌。根據(jù)機(jī)械臂的構(gòu)造和設(shè)計(jì)要求，X向單軸機(jī)械臂選擇直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，Y向和Z向單軸機(jī)械臂選擇燕尾形滑動(dòng)導(dǎo)軌。4.5.2載荷計(jì)算1.計(jì)算載荷直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副可以承受上下、左右四方向的力，還可以承受左右扭轉(zhuǎn)、前后翻轉(zhuǎn)和平面扭轉(zhuǎn)三種扭矩。在選用時(shí)，需要對其受力狀態(tài)〔包括水平、豎直、側(cè)臥等〕，以及受力構(gòu)造〔受力點(diǎn)與支撐點(diǎn)之間所產(chǎn)生的扭矩〕和啟停時(shí)所產(chǎn)生的慣性力等進(jìn)展受力分析，還需要對整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中受力變化對導(dǎo)向系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響進(jìn)展評估。由文獻(xiàn)[23]可知載荷的選取圍繞單個(gè)滑座所受的合力進(jìn)展(靜態(tài)受力分析按照理論力學(xué)常規(guī)計(jì)算)，通常根據(jù)載荷在行程內(nèi)的變化分段核算，假設(shè)某個(gè)滑座在總行程L〔〕內(nèi)的段內(nèi)所受的載荷分別為〔KN〕則計(jì)算載荷為對于載荷呈線性變化的情況，可簡化成對于載荷呈全波正弦曲線變化的情況，可簡化成對于載荷呈半波正弦曲線變化的情況，可簡化成對于同時(shí)承受扭矩M(Nm)負(fù)載的情況，式中——載荷合力，N；——滑座的額定靜載荷，N；——對應(yīng)方向的額定扭矩，。由于本機(jī)械臂的設(shè)計(jì)目的主要是攜帶攝像頭進(jìn)展掃描攝像，那么其所承受載荷近似為一個(gè)恒定載荷，應(yīng)選用公，，選擇GGB16BA型直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，，長度520mm，導(dǎo)軌副尺寸，，滑塊尺寸，，，，，，，。2.計(jì)算額定壽命對于滾珠直線導(dǎo)軌副，其壽命衡量標(biāo)準(zhǔn)為：在允許的工作環(huán)境內(nèi)，使其所承受的負(fù)載等于額定動(dòng)載荷C〔KN〕，連續(xù)導(dǎo)向行程到達(dá)50KM〔基準(zhǔn)行程壽命〕時(shí)有95%〔基準(zhǔn)可靠度〕不產(chǎn)生材料疲勞破壞。滾珠直線導(dǎo)軌副的額定行程壽命L為：式中：L——額定壽命〔km〕;——額定動(dòng)載荷〔KN〕，；P——當(dāng)量動(dòng)載荷〔kN〕；——指數(shù)，當(dāng)滾動(dòng)體為滾珠時(shí)，；當(dāng)為滾柱時(shí)，；K——額定壽命單位〔km〕，滾珠時(shí)，；滾柱時(shí)，；——硬度系數(shù)；HRC58為基準(zhǔn)硬度，低于HRC58時(shí)額定動(dòng)載荷銳減。通常滾珠直線導(dǎo)軌副的硬度為HRC58，故取。——溫度系數(shù)，取，見表4-1：表4-1工作溫度(℃)≤100>10～150>150～200>200～2501.000.900.730.60——接觸系數(shù)，取，見表4-2：表4-2每根導(dǎo)軌上的滑座個(gè)數(shù)123451.000.810.720.660.61——精度系數(shù)，取，見表4-3：表4-3精度等級23451.01.00.90.9——載荷系數(shù)，取，見表4-4：表4-4工作條件無外部沖擊和振動(dòng)，速度≤15m/min無明顯沖擊和振動(dòng)，速度>(15～60)m/min有外部沖擊或振動(dòng)，速度>60m/min1.0～1.51.5～2.02.0～3.5代入以上數(shù)據(jù)，由公式得當(dāng)行程的長度已定時(shí)，滾珠直線導(dǎo)軌副的額定壽命為式中：——壽命時(shí)間〔h〕；L——額定壽命〔km〕,；l——行程長度(m)，；n——每分鐘往返次數(shù)，??；代入以上數(shù)據(jù)，得4.5.3安裝本卷須知1.導(dǎo)軌在螺釘緊固狀態(tài)下進(jìn)展線性檢測和調(diào)整，使導(dǎo)軌呈直線狀態(tài)；2.兩根或兩根以上平行使用時(shí)需檢測和調(diào)整平行度和等高；3.接長導(dǎo)軌安裝時(shí)需使對接端的編號一樣，任何情況下均需防止滑座脫出導(dǎo)軌；4.保證充分的潤滑，在高速(≥15m/min)時(shí)建議使用N32潤滑油(20號機(jī)械油)，在低速(<15m/min)時(shí)建議使用鋰基潤滑脂；5.在開放工況下建議采用防護(hù)罩整體防護(hù)。本章小結(jié)根據(jù)設(shè)計(jì)要求對典型零部件進(jìn)展了設(shè)計(jì)，在考慮工況的同時(shí)，對所設(shè)計(jì)零部件的壽命以及可靠性進(jìn)展驗(yàn)算，配合伺服電機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡完成預(yù)期的運(yùn)動(dòng)要求。第五章基于Creo設(shè)計(jì)與裝配5.1軟件介紹Creo是美國PTC公司于2010年10月推出CAD設(shè)計(jì)軟件包。Creo是整合了PTC公司的三個(gè)軟件Pro/Engineer的參數(shù)化技術(shù)、CoCreate的直接建模技術(shù)和ProductView的三維可視化技術(shù)的新型CAD設(shè)計(jì)軟件包，是PTC公司閃電方案所推出的第一個(gè)產(chǎn)品。Creo是一個(gè)整合Pro/ENGINEER、CoCreate和ProductView三大軟件并重新分發(fā)的新型CAD設(shè)計(jì)軟件包，針對不同的任務(wù)應(yīng)用將采用更為簡單化子應(yīng)用的方式，所有子應(yīng)用采用統(tǒng)一的文件格式。Creo目的在于解決CAD系統(tǒng)難用及多CAD系統(tǒng)數(shù)據(jù)共用等問題。圖5-1Creo初始界面5.2殼體的建模殼體主要通過屢次拉伸操作完成建模，由于殼體上裝有眾多零件，故殼體的設(shè)計(jì)應(yīng)該注意零件安裝位置的設(shè)定，使零件安裝不發(fā)生干預(yù)，并且安裝合理可靠。翻開Creo軟件，選擇新建命令，選擇類型為零件，子類型為實(shí)體，并輸入零件名稱keti，取消勾選使用默認(rèn)模板，選擇確定。操作界面如圖5-2所示。圖5-2新建零件命令操作界面在彈出的文件選項(xiàng)對話框中〔如圖5-3所示〕，選擇模板類型為mmns_part_solid，即為實(shí)體模型設(shè)計(jì)，選擇確定。圖5-3“新文件選項(xiàng)〞對話框然后進(jìn)入建模主界面，主界面設(shè)計(jì)采用瀑布式菜單。非常明朗，〔如圖5-4所示〕。圖5-4建模主界面殼體設(shè)計(jì)需要屢次拉伸操作，選擇拉伸操作，進(jìn)入拉伸界面，直接在模型樹框里點(diǎn)擊TOP平面，軟件自動(dòng)跳到草繪界面，即可開場草繪操作，如圖5-5所示。圖5-5草繪操作界面進(jìn)入草繪界面后，首先點(diǎn)擊草繪視圖按鈕，定向草繪平面使其與屏幕平行，然后繪制如以下圖的拉伸截面，如圖5-6所示。圖5-6草繪截面草繪完成后，點(diǎn)擊確定按鈕，退出草繪界面，輸入拉伸長度800mm，其他按鈕狀態(tài)默認(rèn)，選擇完成，退出拉伸界面，初次拉伸的實(shí)體完成，如圖5-7所示。圖5-7拉伸實(shí)體接著需要在殼體上進(jìn)展拉伸去除一些材料，來減輕質(zhì)量并提高強(qiáng)度。在上一步驟所繪制實(shí)體的根基上，選擇拉伸選項(xiàng)，選擇一側(cè)端面作為基準(zhǔn)平面，草繪視圖。如圖5-8所示。圖5-8以端面為基準(zhǔn)草繪截面草繪完成后，點(diǎn)擊確定按鈕，退出草繪界面，輸入拉伸長度800mm，點(diǎn)擊去除材料按鈕，選擇完成，退出拉伸界面，第二次拉伸實(shí)體完成，直接點(diǎn)擊陣列按鈕選取以方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，選取截面一條邊為方向，數(shù)目框輸入8，間距框輸入5，如圖5-9所示。,圖5-9陣列步驟中實(shí)體狀態(tài)點(diǎn)擊完成陣列步驟，將陣列內(nèi)容選住，點(diǎn)擊鏡像按鈕，點(diǎn)擊RIGHT平面作為鏡像平面，完成鏡像，此步驟完成后的實(shí)體模型端面如圖5-10所示。圖5-10鏡像后實(shí)體模型端面此后，仍需要屢次拉伸、陣列、鏡像以及倒圓角和倒角等步驟來完成實(shí)體模型，包括確定電機(jī)、底座、導(dǎo)軌、絲杠座和端蓋等零部件安裝位置，以及確定各部件安裝時(shí)所需螺紋孔位置和深度。最終完成殼體的實(shí)體建模如圖5-11所示。圖5-11殼體實(shí)體5.3絲杠的建模在機(jī)械設(shè)計(jì)手冊中，絲杠屬于非標(biāo)件，但國內(nèi)外絲杠生產(chǎn)的大型企業(yè)已經(jīng)具有了本企業(yè)的一套標(biāo)準(zhǔn)，本文所繪制的絲杠并不能完全符合企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，只是在整體構(gòu)造上與實(shí)際絲杠并無區(qū)別，絲杠主要通過一次拉伸和一次螺旋掃描完成，下面對絲杠的繪制進(jìn)展簡述。首先通過拉伸選項(xiàng)，拉伸出直徑為16mm，長度為610mm的圓柱體，如圖5-12所示。圖5-12絲杠圓柱模型接著選擇掃描欄目下的螺旋掃描選項(xiàng)，點(diǎn)擊參考選項(xiàng)，在螺旋掃描輪廓下點(diǎn)擊編輯，進(jìn)入草繪界面，繪制螺旋掃描輪廓后點(diǎn)擊確定按鈕，回到螺旋掃描界面，再次點(diǎn)擊產(chǎn)考選項(xiàng)，在旋轉(zhuǎn)軸一欄點(diǎn)擊拾取圓柱中軸為旋轉(zhuǎn)軸，在截面方向設(shè)置上選擇穿過旋轉(zhuǎn)軸，完成螺旋掃描參考選項(xiàng)設(shè)置。如圖5-13所示。圖5-13螺旋掃描參考選項(xiàng)設(shè)置接著點(diǎn)擊創(chuàng)立或編輯掃描截面，進(jìn)入草繪界面，在螺旋掃描輪廓起點(diǎn)處繪制掃描截面，繪制完成后點(diǎn)擊確定按鈕，點(diǎn)擊移除材料按鈕，在間距框內(nèi)輸入間距值為4，選擇右旋方向，即點(diǎn)擊使用右手定則，點(diǎn)擊確定按鈕完成絲杠繪制，絲杠實(shí)體模型如圖5-14所示。圖5-14絲杠實(shí)體模型5.4整體裝配首先新建文件對X向單軸機(jī)械臂進(jìn)展裝配，使其成為一個(gè)裝配體，接著再新建文件進(jìn)展整體裝配，完成整個(gè)機(jī)械臂的裝配。下面對本小節(jié)進(jìn)展詳細(xì)表達(dá)。選擇新建命令，選擇類型為裝配，子類型為設(shè)計(jì)，并輸入裝配體名稱為Xxiang，取消勾選使用默認(rèn)模板，選擇確定。操作界面如圖5-15所示。圖5-15新建裝配命令操作界面在彈出的文件選項(xiàng)對話框中〔如圖5-16所示〕，選擇模板類型為mmns_asm_design，即為裝配體設(shè)計(jì)，選擇確定。圖5-16“新文件選項(xiàng)〞對話框點(diǎn)擊組裝按鈕，插入各個(gè)零部件，通過線與線、面與面之間的配合關(guān)系等進(jìn)展組裝，實(shí)現(xiàn)X向單軸機(jī)械臂的裝配。圖5-17為單軸機(jī)械臂未安裝頂蓋的內(nèi)部構(gòu)造圖。圖5-17X向單軸機(jī)械臂內(nèi)部構(gòu)造圖再裝配上頂蓋，完成整個(gè)X向單軸機(jī)械臂的裝配，如圖5-18所示。圖5-18X向單軸機(jī)械臂再次新建一個(gè)裝配體文件，將所有零部件依次插入進(jìn)展裝配，裝配必須按照設(shè)計(jì)要求來進(jìn)展，如果發(fā)現(xiàn)有配合誤差，還需要從新翻開零件對零件進(jìn)展調(diào)整，來符合裝配要求，完成整體裝配。三軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械手臂伺服運(yùn)動(dòng)機(jī)械構(gòu)造如圖5-19所示。圖5-19三軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械手臂三維模型本章小結(jié)根據(jù)設(shè)計(jì)思路對所有的零部件進(jìn)展了繪制，繪制完成后進(jìn)展了裝配，在裝配過程中由于設(shè)計(jì)時(shí)未進(jìn)展細(xì)致的零件位置布局，導(dǎo)致在裝配過程中存在一些零件的裝配誤差較大。在裝備過程需要翻開進(jìn)展重新調(diào)整繪制，最終合理的完成三維建模局部。結(jié)論三軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械手臂在工業(yè)自動(dòng)化的應(yīng)用越來越廣泛，包括抓取、搬運(yùn)、攝像、焊接等多種工作場合，隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來，機(jī)械手臂也會(huì)將會(huì)迎來巨大的市場。本設(shè)計(jì)通過對機(jī)械臂的整體機(jī)械構(gòu)造以及根本運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，完成了整個(gè)計(jì)算設(shè)計(jì)并且對其進(jìn)展了基于Creo的建模。整體設(shè)計(jì)完成的工作主要包括以下幾個(gè)方面：首先提出兩種根本設(shè)計(jì)方案進(jìn)展比擬，包括液壓方案和絲杠方案，綜合比擬后采用以絲杠作為傳動(dòng)件的方案。對電機(jī)進(jìn)展選型，并對三軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)展了簡單設(shè)計(jì)，包括運(yùn)動(dòng)控制卡以及運(yùn)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。對機(jī)械構(gòu)造進(jìn)展詳細(xì)設(shè)計(jì)，包括絲杠、導(dǎo)軌、軸承等零部件，并對其剛度、壽命以及可靠性等進(jìn)展驗(yàn)算。對整體機(jī)構(gòu)進(jìn)展三維建模，驗(yàn)證設(shè)計(jì)思路，并對后期的制作、加工等提供技術(shù)參考。本三軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械手臂通過labview下的程序控制，采用固高公司生產(chǎn)的運(yùn)動(dòng)控制卡使得三個(gè)方向的單軸機(jī)械臂伺服電機(jī)在轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等方面到達(dá)控制，實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)。附錄一AHeavyDutyServoMotorDesigninRobotApplicationsChi-ShengChen2,Ton-TaiPan1,2,HuihuaKennyChiang1,Ping-LinFan2,Joe-AirJiang31.InstituteofBiomedicalEngineering,NationalYang-MingUniversity,Taipei,Taiwan2.DepartmentofElectricalEngineering,Kuang-WuInstituteofTechnology,Taipei,Taiwan3.DepartmentofBio-industrialMechatronicsEngineering,NationalTaiwanUniversity,Taipei,TaiwanAbstractThispaperpresentsadesignprocedureofaheavy-dutyservomotorforrobotapplications.Theconventionalremotecontrol(R/C)servoisaningeniousdevicethatallowsremote,proportionalactuationofmechanismsbythesimplemovementofaleverofarobot.BecauseofthecontrolofaconventionalR/Cservomotoriseasyandthecostofitislessexpensive,theR/Cservosareusedinwidespreadareas.However,anR/Cservomotoroutputslesstorquethanrequiredinmanyapplicationssuchasrobotsdesignandhightorquerequirementforremotecontrolcarsorplanes.Thus,amotorwithhightorque,whichiseasytocontrol,isfavorable.Inthispaper,aDCgearmotorisusedasthecontrolledmotorandapotentiometerwasattachedontheoutputshaftasapositionfeedbacksensor.TheproposedheavydutyR/Cservomotorwastestedwithamono-stablemulti-vibrator,whichgenerates0.5to2.5mspulsewidthmodulation(PWM)signalstodrivethemotor.ResultsofthisstudydemonstratethataheavydutyR/CservomotorcanprovidemoretorqueinrobotapplicationthanthecommercialR/Cservomotors.Keywords:Remotecontrolmotor,pulsewidthmodulation,heavyduty,servomotor.I.IntroductionInrobotcontrolapplications,designersusuallyselecteitherDCservomotororbrushlessservomotorastheactuatortodriveeachjoint.Bothkindsofservomotorsareexpensivebecausethecomplexityofthedriversystem.Moreover,severalservomotorsareneededinamulti-jointsrobotdesignandwillmakethedesignedrobottooexpensivetopracticalusage.TheR/Cservoisaself-containedrotationalpositioningassemblyoriginallydesignedtocontrolanR/Caircraftorboat.TheR/CservoismadeupofaDCmotor,ProceedingsofInternationalSymposiumonAutomationandMechatronicsofAgriculturalandBioproductionSystems,Vol.2，gearreduction,outputshaftwithpositionfeedback,andacontrolpersonalcomputerboardallbuiltintoasmallrectangularenclosure.TheR/CservomotorcanbecontrolledwithaPWMsignalrangingfrom0.5to2.5mstorotatetheshaftfrom–90degreesto90degrees.ArobotjointdrivenbysuchanR/Cservomotoristheneasytocontrol.ArobotcontrolsystemcanproperlycontrolthesemotorsbysendingappropriatePWMsignalstoeachjoint.However,mostoftheR/Cservomotorsonmarketarenotqualifiedforhightorqueapplicationsbecausethetorqueavailableisusuallylowerthan5kg-cm.Moreover,mostofthegearboxesoftheR/Cservomotoraremadeofplasticgear,easilyresultingindamageofthegearsduetoheavyload.Therefore,aheavydutyR/Cservomotor,withatorquemorethan20kg-cmandametal-madegearbox,isattractivetoarobotdesignerforpracticalusage.Inthispaper,wepresentahightorqueservomotorcontrolledwithaPWMsignalsoastobeusedinahighloadoranadversecircumstances.Fig.1Systemconfigurationofaheavy-dutyservomotor.II.DesignSchemeThesystemconfigurationoftheheavy-dutyservomotorisillustratedinFig.1.Acarbon-brushDCgearmotorisusedasthecontrolledmotor.Forthepurposeofincreasingmotortorque,agearboxwithasuitablegearreductionratioisneeded.Themotorandthegearboxaretermedasmotorassembly.Ontheotherhand,apotentiometerwasattachedonoutputshaftofthegearboxasapositionfeedbacksensor.AstheDCmotorrotates,theresistanceofthepotentiometervariesaccordinglytoavaluecorrespondingtotheshaftpositionofthemotorassembly.ForthecompatibilitywithanR/Cservo-motorthatiscontrolledwithPWMsignal,theshaftpositionoftheproposedheavy-dutyservomotorisalsocontrolledbyaPWMsignalinthisdesign.ThecontrollerisadedicatedcircuitforgeneratingaproperPWMsignalwhencontrollingtheshaftpositionoftheservomotor.Eachpartofthesystemisdiscussedinmoredetailsbelow.(A).MotorassemblyADCcarbon-brushmotorwitharatedvoltageof24voltsandaratedtorqueof62g-cmisusedasthecontrolledmotor.Thismotorcanrotateataspeedabout5000rpmundertheratedvoltage;agearboxwithareductionratio1/200isattachedfromtheoutputshaftoftheDCmotor,whichresultinginanoutputtorqueandratedspeedof6kg-cmand28rpm,respectively.Aprecisionpotentiometerwasadoptedasapositionsensorforfeedback.However,thepotentiometerisdifferentfromageneral-purposevariableresistor;theoriginalshaftattachedtothewiperwasremoved.Asaresultofthisspecialdesign,apotentiometerwithaninnerdiameterof5mmisobtained.Theouterdiameterofthegearboxshaftis5mm,whichisthesameastheinnerdiameterofthepotentiometer,sothatthepotentiometercanfirmlyattachtotheDCmotorassemblyandservesasapositionfeedbacksensorofthemotor.TheappearanceofthemotorassemblywasshowninFig.2,inwhichgearsinsidethegearboxaremadeofmetalmaterialsandfilledwithlubricatingoilsothatthisassemblycanbeusedinheavy-dutyapplications.Fig.2Acarbon-brushtypeDCmotorandgearboxassembly.(B).PWMmoduleTheconventionalR/CservomotorsarecontrolledbyaPWMsignal.Inthispaper,wealsoadoptPWMsignalasthepositioncommandfortheheavy-dutyservomotor,keepingthecompatibilityofthePWMcommandprotocolforbothconventionalR/Cservomotorsandthisdesignedservomotors.TheR/CservomotoriscontrolledbyaPWMsignal,whichcandirectthemotortoadesiredpositionaccordingtothewidthofthepulse.TheshaftpositionsoftheR/CservomotorandthecorrespondingrequiredpulsewidthsareillustratedinFig.3.Witha0.5msto2.5mspulsewidth,theR/Cservomotorcanrotatefrom–90degreesto+90degreesclockwise[1].Fig.3Servomotorshaftpositionandcorrespondingrequiredpulsewidths.R/Cservosarefairlysophisticateddevicesthatincorporatepositionfeedbackwithagoaltoprovideprecisepositioncontrol.Innormalusage,theycomparethe0.5-2.5ms,50Hzinputpulsesignalwithaninternallinearpulsegeneratorcontrolledbythefeedbackservopositionpotentiometer.Thedifferenceinpulsewidth,theerrorsignal,isthenamplifiedwithapulsestretcherthatprovidestheservocontrolgain.ThepulsestretcheroutputdrivestheservomotorthroughanH-bridgecircuittoclosetheservoloop.TheconfigurationofthePWMmoduleisdepictedinFig.4.Fig.4ConfigurationofthePWMmodule.AlthoughitisnotdifficulttodesignaPWMbasedfeedbackcontrolsystem,aspecialpurposedesignedICismorefavorablethatalargecircuitboardcanbeavoided.Weadoptedanup-to-dateintegratedcircuitM51660LfromMitsubishiasthePWMcontrollerfortheheavy-dutyservomotor[2].M51660Lwasusedtodetecttheresistancevariationofthefeedbackpotentiometerandthusgenerateapulsewidthcorrespondingtomotorpositionasafeedbacksignal.AfeedbacksignalwascomparedwithPWMpositioncommandatthesummingpointofthepositioncontrolsystem.Finally,anerrorsignalwasoutputfromthesummingpointtodrivetheoutputstageandthemotorwasdriveninadirectiontoreducethepositionerror.Thisdedicatedchipalsofeaturesasmalloutline,lessdiscretecomponentsaswellaslowcost.However,M51660Lprovidesacurrentlessthan100mA,whichisfarbelowtherequirementforaheavy-dutyservomotorthatthecurrentofthemotorwindingsmaybeuptoseveralamperes.Therefore,acurrentamplifierisnecessarytodriveahighcurrentmotor.Amotorshouldrotateineitherclockwiseorcounterclockwisedirectionaccordingtowhetherthepositionerrorsubtractedfrompositioncommandandsensorfeedbackispositiveornegative.Generally,anH-bridgeisadoptedasanoutputstageofthecurrentamplifierfortheabove-mentionedpurpose.Whendiscretecomponentsareusedindesigningthecurrentamplifier,atleastfourpowertransistorsandalotofresistorsarerequired,resultingintheneedsofnotonlymanycircuitboardspacebutalsoseveralcountsofheatsink.AbipolardrivingchipL298fromSGSThomsonisusedasanalternativetoavoidthosedrawbackswhendiscretecomponentsareused,thennodiscretecomponentsarerequiredandonlyasmallseat-sinkisneeded[3].EachL298consistsoftwoH-bridgesandeachbridgecanprovidesacurrentupto2amperes.IfweconnecttheoutputterminalsofthesetwoH-bridgesinparallel,theoutputcurrentwillbedoubled.Inotherwords,thedesignedcurrentamplifiercanprovideacurrentupto4amperesforthewindingsofheavy-dutyservomotors.WithM51660LinadditiontoL298,acomplicatedpositionfeedbackcontrolsystemissimplifiedandresultsinacompactmodule.III.ResultsFortestingthedesignedservomotor,apowersupplyaswellasaPWMpulsegeneratorisnecessary.Sincetheratedvoltageofthecarbon-brushDCmotoris24volts,avoltageregulatorisneededtoregulatethe24Vtoa5Vlogicsupplysothatthesystemcanoperatewithasinglevoltageinsteadofdualvoltagesupply.Moreover,althoughaproperPWMcommandcanbegeneratedfromamicro-controller,suchasAT89C2051fromATMEL[4],amoresimplecircuitusingatimerchipLM555canprovideanadjustablepulsedurationrangingfrom0.5msto2.5mssoastotesttheheavy-dutyservomotor.Fig.5depictsa555timerforgeneratingPWMpulses.Theequationsforthe555timeraresimpleandeasytouse.Theequations(1)and(2)areshownasfollows.〔1〕〔2〕SinceRsisvariable,thetimethesignalishighwillvaryfrom0.5to2.5ms,thetimingvaluesarecloseenoughtoworkwithjustaboutanyservos.Fig.5A555timerforgeneratingPWMpulses.Toverifythepositioningcontrolability,boththeconventionalR/Cservoandthisdesignedheavy-dutyservoaretestedwiththementioned555timercircuit.Theoutputshaftofeachtestedmotoriscoupledwithanindividualangleindicator.IfthePWMcommandinputterminalofbothmotorsareconnecttogethertoa555PWMcommandoutput,bothmotorswillreceivethesameanglecommand.AdigitaloscilloscopeisusedtomonitorthepulsewidthofthePWMcommand.ThevariableresistorofthePWMgeneratorisadjustedgraduallyandthepulsewidthrangesfrom0.5to2.5ms,whichcanbemonitoredfromtheoscilloscope,andbothmotorsrotatetothecorrespondingangleaccordingtothepulsewidthofthePWMcommand.Ontheotherhand,properpulsewidthwasappliedtotesttheresponseofthepositionfeedbackofdifferentanglessuchasextremeleft,extremerightandcenterposition.Ittakesabout0.7secondsfortheheavy-dutyservotorotatefromextremelefttocenteredposition,longerthanthatofaconventionalR/Cservo,whichisabout0.2seconds.IV.DiscussionInthedesignofthemotorandgearboxassembly,approximatediameterofoutputshaftmustundercarefullyconsiderationsinceapotentiometerwithaninnerdiameterisnotanindustrialstandardcomponent.Inthisexperiment,thepotentiometerwithinnerdiameterisobtainedbymodifyinganelectronicvariableresistorandthemodificationisnotaneasywork.Forthepurposeofmassproduction,thiskindofpotentiometersmustbeavailablefromthemarketormustbespeciallydesigned.Althoughthecircuitrycanbeachievedinmanyways,weuseacriterionofminimalcomponentcountstodesignthisprototypeandresultsinanimplementationofjusttwocomponents,M51660LandL298.Thisprototyperequirestwovoltages,24Vforthemotorand5Vforthelogic.Forthesimplicityofthepowersupply,asinglepowersupplyisconsidered.Themotorratedvoltageishigherthanthelogicsupplyinmostcircumstancesuchas24voltsinthiscase.Therefore,theprototypewasimbeddedwithavoltageregulatortoregulatethemotorratedvoltagetologic5volts.Regardingthestepresponse,a90degreesstepcommandwasissuedandthemotorrotatetoitsrequiredpositionwithminimalovershoot.Theproposeddriverhasalongerrisetime,0.7seconds,incomparisonwithaconventionalR/Cservosinceitshigherreductionratedesigningearbox.However,thisdrawbackcanbesolvedwhenafasterresponseDCmotorisadoptedoramoresophisticatedcontrolalgorithm,suchasproportionalandderivative(PD),isadoptedinthedesignoftheservocontrolloop.V.ConclusionInthispaper,wepresentaheavy-dutyservomotorforroboticapplications.BecausethedrivingcapacityoftheoutputH-bridgeisupto4amperes,anindustrialDCmotorwithahigherwindingcurrentandhighertorquecanbeincorporatedwiththisdriverandservesasapowerfuldrivingdeviceinagriculturalaswellasindustrialautomation.Additionally,sincetheproposedservomotorisequippedwiththewear-resistinggeartrains,itisdurablethanconventionalR/Cservomotorwhenusedinheavyloadcircumstances.Testingonpositioningaccuracywasalsoconducted;theproposedservomotorcanrotatetoadesiredpositiononcethePWMpositioningcommandwasreceived.ResultsonthisstudyalsodemonstratethataheavydutyR/CservomotorcanprovidemoretorqueinrobotapplicationthanthecommercialR/Cservomotors.References[1]DarrenSawicz,“HobbyServoFundamentals〞,pp.1-10,Hitec,USA,2001.[2]MitsubishiSemiconductor,“M51660LRCservoControllerDatasheet〞,pp.3-4,Japan,2001.[3]STintelligentICDataBook,pp.1-13,USA,2000.[4]