焊接机械手

自动焊接机械手设计

1 绪论

1.1 技术概述

工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。

机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。

机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。

1.2 现状及国内外发展趋势

国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：

(1)工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10．3万美元降至97年的6．5万美元。

(2）机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。

(3)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

(4)机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。

(5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。

(6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。

(7)机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。

我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中

有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模化设计，积极推进产业化进程。

我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。

1.3 “十五”目标及主要研究内容

1.3.1目标

中国工业机器人现在的总装机量约为1200台，其中国产机器人占有量约为1/3，即400多台。与世界机器人总装机台数75万台相比，中国总装机量仅占万分之十六。对中国这样一个12亿人口的大国来说，差距是很明显的。装机数量少，说明了我国的工业化程度与工业发达国家的差距大。因为工业机器人的诞生和应用发展是以工业生产高度自动化和柔性化为大背景的。除数量外，差距还表现在已有的机器人的利用率不高，以进口的弧焊机器人为例，据调查，完全正常运转，充分发挥效益效益的只占1/3；另外1/3处于负荷不满或不能安全正常运转状态，原因是生产管理及使用维护存在不合理现象或问题；还有1/3不能正常使用，这是由于机器人质量问题或缺乏备件，以及请不起外方维修人员造成的。机器人应用效果不理想，直接影响了用户使用更多机器人的信心。

我国有组织有计划地发展机器人事业，应该说是从“七五”期间的科研攻关及实施“863计划”开始的，经过十几年来的研制、生产、应用，从纵向看，有了长足的进步。目前在一些机种方面，如喷涂机器人、弧焊机器人、点焊机器人、搬运机器人、装配机器人、特种机器人(水下、爬壁、管道、遥控等机器人)，基本掌握了机器人操作机的设计制造技术，解决了控制，驱动系统的设计和配置、软件的设计和编制等关键技术，还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线(工作站)及其周边配套设备的全线自动通信、协调控制技术；在基础元件方面，谐波减速器、机器人焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了突破；于此同时造就了一支具有一定水平的技术队伍。无疑，从技术方面来说，我国的机器人技术在世界机器人界已有一席之地，奠定了独立自主发展中国机器人事业的基础；从社会经济角度来看，我国机器人技术的发展，为中、外机器人产品打开中国市场准备了物质和人员条件。

根据国内外机器人发展的经验、现状及近几年的动态，结合当前国内经济发展的具体情况，“十五”期间机器人技术应重点开展智能机器人、机器人化机械及其相关技术的开发及应用；开展以机器人为基础的重组装配系统及其相关技术的开发研究及加强多传感器融合及决策、控制一体化技术及应用的研

究。重点解决我国已研制应用多年的示教再现型工业机器人的产业化前期关键技术，大力推进其产业化进程，力争在“十五”末期实现喷涂、焊接、装配等机器人的产业化。

1.3.2主要研究内容

（1）示教再现型工业机器人产业化技术研究

①关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计。

②柔性仿形喷涂机器人开发：柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发，整机安全防爆、防护技术开发，高速喷杯喷涂工艺研究。

③焊接机器人（把弧焊与点焊机器人作为负载不同的一个系列机器人，可兼作弧焊、点焊、搬运、装配、切割作业）产品的标准化、通用化、模块化、系列化设计。

④弧焊机器人用激光视觉焊缝跟踪装置的开发：激光发射器的选用，CCD成象系统，视觉图象处理技术，视觉跟踪与机器人协调控制。

⑤焊接机器人的离线示教编程及工作站系统动态仿真。

⑥电子行业用装配机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计。

⑦批量生产机器人所需的专用制造、装配、测试设备和工具的研究开发。

（2）智能机器人开发研究

①遥控加局部自主系统构成和控制策略研究

包括建模－遥控机器人模型，人行为模型，人控制动态建模，图形仿真建模，虚拟工具和虚拟传感器建模；以人为主体的人机共享规划与控制；局部自治控制；多传感融合技术；双向力反应控制；知识库的建立，学习与推理方法；人机交互的高级控制技术；虚拟现实（VR）控制与真实世界控制的相互关系；监控系统的结构。

②智能移动机器人的导航和定位技术研究

包括导航和定位系统的系统结构；在结构环境或非结构环境中导航和定位方法研究；感知系统的传感器和信息处理系统的构成；根据传感器数据建立环境模型的方法；模糊逻辑的推理方法用于移动机器人导航的研究。

③面向遥控机器人的虚拟现实系统

包括人机交互图形生成及其程序设计；遥控机器人（载体和机械手）几何动态图形建模；遥控操作环境图形建模；遥控机器人操作与数据的获取；虚拟传感器及基于虚拟传感器的双向力反应、反馈控制；面向任务的虚拟工具；基于虚拟现实的遥控操作的理论与方法；基于VR模型操作和真实世界操作的可切换、相容性和可交换性；VR监控系统。

④人机交互环境建模系统

包括CAD建模中的人机交互技术；求知模型工件的反示过程中的交互技术；机器人与环境的布局及功能验证中的交互技术；传感器数据处理中的交互技术；机器人标定、运动学建模、动力学建模中的交互技术。

⑤基于计算机屏幕的多机器人遥控技术

包括三维立体视觉建模；模型的计算机显示；遥控机器人模型的控制；人机接口；网络通讯。（3）机器人化机械研究开发

①并联机构机床（VMT）与机器人化加工中心（RMC）开发研究

包括VMT与RMC智能化结构实现技术；VMT与RMC关键传动实现技术；VMT与RMC加工、装配、摆放、涂胶、检测作业技术；VMT与RMC监控检测技术开发；VMT与MRC智能化开式CMC控制系统开发；系统软件和应用软件开发；智能化机构、材料机电一体化技术；作业状态变量智能化传感技术；机电一体化的多功能及灵巧作业终端；通用智能化开式CNC控制硬软件系统；并联机构运动学及动力学理论；RMC智能控制理论；VMT与RMC典型应用工程开发。

②机器人化无人值守和具有自适应能力的多机遥控操作的大型散料输送设备

包括散料输送系统监控和遥控操作的传感器融合和配置技术；采用智能传感器的现场总线技术；机器人运动规划在等量堆取料、自主操作中的应用；基于广域网的远程实时通讯；具有监测和管理功能的故障诊断系统。

（4）以机器人为基础的重组装配系统

①开放式模块化装配机器人

包括通用要素的提取；专用件标准化；装配机器人模块CAD设计；通用主流计算机构造的控制器；人机界面方式；网络功能。

②面向机器人装配的设计技术

包括数字化装配与CAD集成技术；产品机器人化装配规划生成技术；产品可装配性模糊评价。

③机器人柔性装配系统设计技术

其中单元技术：供料系统智能化设计、末端执行器快速执行、物流传输及其控制与通讯；集成技术：柔性装配线仿真软件、管理系统。

④可重构机器人柔性装配系统设计技术

开展基于任务和环境的动态重构机器人柔性装配系统理论研究；系统基于自治体（Agent）的分布式控制技术及系统各单元体间的协作规划。

⑤装配力觉、视觉技术

包括高精度、高集成化六维腕力传感技术；视觉识别与定位技术。

⑥智能装配策略及其控制

包括装配状态实时检测和监控；装配顺序和路径智能规划及控制技术。

（5）多传感器信息融合与配置技术

①机器人的传感器配置和融合技术在水泥生产过程控制和污水处理自动控制系统中的应用

包括面向工艺过程的多传感器融合和配置技术；采用智能传感器的现场总线技术；面向工艺要求的新型传感器研制。

②机电一体化智能传感器

包括具有感知、自主运动、自清污（自调整、自适应）的机电一体化传感器研究；面向工艺要求的运动机构设计、实现检测和清污的自主运动；调节控制系统；机器人机构和控制技术在传感器设计中的应用

1.4．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段及途径：

根据不完全统计,我国拥有点焊机器人集成系统的厂家约20余家。这些焊接机器人集成系统,全部是进口的。包括:igm、Cloos、ABB、及3K等厂家的产品。设备购置费用很高，应用却不理想。

1.4.1应用的具体情况如下：

1）几条焊接机器人柔性生产线，全部不能实现设计功能。较好的生产线，做单机使用；应用较差的生产线，差到千余万元的设备，一次没有应用。

2）焊接机器人单机也没有达到设计要求。

1.4.2焊接机器人应用效果不良的原因

1）在工艺设计中，对设备选型没有深入研究，以为机器人是“万能”的。选择的焊件，几十点甚至百点焊点，即使机器人具有起始点寻找和跟踪能力，由于待焊焊点的偏差，机器人在完成焊接20-30%，或者40-50%焊接后，夹持的焊枪就可能偏离焊点了。有这样一个设计，要求用一条机器人柔性焊接生产线，完成推土机几个大焊件的焊接，这几乎是不可能的。

2）焊坯制造精度低。焊接的前序，存在两个问题：一是下料精度低，达不到要求；二是组对精度低。由于切割下料的热变形，焊件的板坯误差较大。下道工序又在低精度的搭焊模上组对，制坯。这样，生产的焊坯，其待焊焊点的互换性很差，满足不了示教精度要求。笔者目睹，其主梁6条主要待焊焊点的间隙，大小相差10mm之多。进口的机器人，就在车间里，没法使用。

本课题拟在焊接机器人现有基础上对其的机械部分进行适当合理的调整，在市场需求和性价比高的前提下，采用目前先进的步进（伺服）电机、位置检测装置、先进的设计理念等使其更能为其完全实行自动化奠定基础。

自动焊接设备的焊接执行部件，拟采用旋转副驱动方式。因旋转副摩擦力小于移动副摩擦力，运动灵活，可以灵活改变焊枪的姿态，更适用于全方位自动焊接。驱动同样的焊接执行部件，电动机功率可以减小，进而减轻焊接机头的质量。焊枪位置传感器尽量安装在末级减速轴上，直接检测焊枪的位置和姿态。这样的安装方式，不存在国内外全自动焊接设备通过间接方式检测焊枪位置的问题，控制精度更高。全自动焊机设备上的存储器，存储焊点跟踪控制程序和部分焊接参数，更多的焊接参数存储在焊接电源内，以利于发挥焊接电源生产厂家的技术优势。

对焊枪的驱动拟采用步进电机。步进电机是一种能将数字输入脉冲信号转换为旋转运动的电磁执行元件，它本身所特有的高精度、无漂移、无累计误差等优点，使他成为目前机电一体化产品中，唯一能使用开环控制技术的伺服和执行的元件。目前，高精度步进电机驱动技术已十分成熟，且具有控制系统结构简单、工作可靠、成本低廉的优点。步进电机不是电压控制型元件，而是频率型控制元件。步进电机转动的快慢、角度决定于数字脉冲信号的频率。即使放大器的“零漂移”使控制信号的幅度改变，也不会改变步进电机的转速。而采用计算机产生的控制信号是很稳定的。因此，拟采用步进电机，以使焊枪的位移更准确。

2焊接机械手设计的总体构想

2.1 焊接机械手的组成

所谓焊接机器人，一般指6轴机器人本体，夹持重量为6kg，也就有6个自由度：X，Y，Z用于定位，偏转(yaw)角，俯仰(pitch)角和旋转(roll)角用于定向，能够沿着三维曲线运动，到达任意角度的任意位置；另外，还包括一套控制系统和焊接系统（焊接电源、焊枪、焊接软件系统等）。为完成一项

点焊机器人工程，除需要点焊机器人以外，还需要使用的后边设备。点焊机器人与周边设备组成的系统，称点焊机器人集成系统。

经济型点焊机器人主要应用在焊点分布简单，焊接工作量大，焊接劳动强度大、焊接环境恶劣的工作。一般焊接机器人要求周边设备的传动精度偏高。

。

图2.1

自动焊接设备的结构

整机结构：自动焊接设备由焊接机头、行走环行导轨、控制系统组成，结构上个为一体。（如上图2.1）

控制系统：包括微型计算机（或笔记本电脑）和控制箱，微型计算机由朱基、键盘、显示器、输入设备、输入输出接口等组成；控制箱由输入输出接口电路、功率驱动电路和焊枪位置控制的各种模板组成。

焊枪位置控制：采用焊枪位置信号、送死控制模板、弧压控制模板、机械电弧摆动模板等实现焊枪位置的控制。在管道全方位自动焊接时，生产工人需要跟随焊接机头对焊枪位置作适当的调整。

焊枪作业方式:

焊接电源：控制焊接工艺参数的旋钮、按键都集中在控制盒或焊接机头上，通过旋钮、按键操作改变焊接工艺参数，因此，弧焊电源是一个专用的焊接电源。

对成熟焊接工艺的继承和再现：焊接执行部件是焊接机头，其在焊接过程中应作多种复合远动，是焊枪保持一定的姿态。但受焊接机头运动自由度的限制，不易实现多种的复合远动。因此，焊接工艺参数的制定需要工艺试验，一般采用分段法，需要生产工人跟随焊接机头对焊枪位置作适当的调整，对成熟焊接工艺的继承和再现性差。

2.2 总体方案的确定

所谓的方案，就是为了实现某种运动而专门对装置本身作出的总体实现思路和具体的实践内容。

机械手系统总体方案的内容包括：系统运动方式的确定，伺服系统的选择，执行机构的结构及传动方式的确定，计算机系统的选择等内容。应根椐设计任务和要求提出系统的总体方案，对方案进行总体分析和论证，最后确定总体方案。

系统运动方式的确定：

焊接机械手按运动方式已经由题目归定好了，选用5轴联动式。

伺服系统的选择：

旋转、摆动机构采用开环控制系统，选用快速步进电机。开环控制系统无检测元件，系统结构简单，

造价低，调整和维修都容易。

执行机构传动方式的确定：

为保证系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装配时，应考虑以下几点：

（1）尽量采用低摩擦的传动和导向元件。

（2）尽量消除传动间隙。

（3）缩短传动链。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动误差。可以采用预紧以提高系统的传动刚度。例如，在丝杠的两支承端轴向固定，并加预紧拉伸的结构等来提高传动刚度。

2.2.1总体布局的确定

总体布局就是解决装置各个部件间的相对运动和相对位置，并使装置有一个协调完美的造型。

总体布局的依据：工件尺寸、形状、重量、加工方法及工艺要求。

本课程设计的题目为5轴机械手，其运动机构为摆动机构及其减速机构和旋转机构。其总体布局有如下图2.2

装置的总体布局要通过联系尺寸来体现，联系尺寸也是结构设计的关键。初步确定的联系尺寸是个部件的设计依据，并通过部件的设计，还应对联系尺寸进行必要的修改，最后确定装配总图。

联系尺寸包括：

(1).机械手的外型尺寸，长宽高，及个部分的轮廓尺寸。

(2).各部件的连结、配合和相关位置尺寸。

(3).移动部件的行程和极限位置，调整位置。

(4).驱动装置和控制器以及执行器的位置和间距等。

图2.2

运动简图如下:

图2.3

2.2.2设计的具体步骤

选定总体方案后，初确定执行件的材料、大小或型号，计算出步进电机的最大输出转矩，选择步进电机的型号。由电机的输出转矩来校核执行件的强度，并最后确定其基本尺寸的大小。

选定执行件的支撑件并进行强度校核或寿命计算。其它一些辅助支承、固定、连接件等，都可查手册进行选择。

关于转动惯量的计算参阅了《理论力学》第五版下册95页，强度校核参阅《材料力学》和《机械

设计》第三版，选取步进电机参阅了《机电传动控制》第三版359页

减速机构的确定：拟采用少齿差行星齿轮减速器。少齿差传动包括渐开线少齿差、摆线少齿差、圆弧少齿差、活齿少齿差传动等。H 型星轮减速器（JB/T 8712-1998）代替原混合少齿差星轮减速器属于少齿差渐开线行星轮传动，具有体积小，承载能力高，传动比宽、密，效率高，寿命长，传动平稳，允许高速输入的特点。

工作条件：输入转速28B 型以下≤3000r/min, 40B 型以下≤1800r/min, 45B 型以下≤1000r/min, Y 型以下≤1500r/min;公称转矩2.107—588kNm;传动功率0.25—2000kW;工作温度-40--45℃，低于0℃时，启动前润滑油应预热，高于45℃时采用降温措施。

锥齿轮或连杆的设计可参阅《机械设计》的相关内容，进行设计。然后将摆臂和减速齿轮的转动惯量折算成驱动电机输出轴的负载惯量，由其转动惯量计算出电机输出轴的负载转矩。根据负载转矩选取驱动电机的型号。

微机控制系统硬件部分设计：

首先绘制出系统电气控制的结构框图，然后选择中央外理单元CPU 的类型，再根据CPU 的特点，依最小系统和控制电路的需要，设计出它的外部扩展电路。例如外部扩展I/O 电路、检测电路、转换电路及驱动电路等，并选择控制电路中各个电气元件的参数和型号。绘制出完整的电气原理图。

软件的设计：画出程序流程图，包括总的程序流程图、控制电机的控制子程序流程图和中断报务子程序流程图。

确定系统脉冲当量：脉冲当量是步进电机驱动的机械手上的移动部件，在每一个进给脉冲发出后，其相对位移量。脉冲当量的大小是由机械手的精度确定的。本设计的脉冲当量是 0.1mm 。

在丝杠螺母副的传动系统中，系统中的脉冲当量

)(mm p δ与步进电机的步距角 )(οb θ、丝杠螺距

t(mm)及系统传动比 i 之间的关系为

t i p p θδ360=

(3-1)

1.确定控制电机 1).数控装置对伺服系统的基本要求是输出能够迅速而精确的响应输入的变化。具体的说有以下几点：

(1).稳定性：伺服系统在其工作范围内应是稳定的。

(2).精度：伺服系统能在比较经济的情况下达到给定的精度。

(3).快速响应：系统输出响应速度要尽可能的快。

(4).灵敏度：系统对参数的变化灵敏度要小，就是说系统性能应下受参数的变化的影响。

(5).抗干挠能力：系统应有很好的抵抗外部负载干挠和环境噪声影响的能力。

由于机械手的工作情况，所选取的伺服电机应该具有的基本特点是：

? 调速范围宽，伺服电机应满足调速要求。

? 负载特性硬，在调速范围内电机应有足够的驱动力矩。

? 动态响应快。

2)步进电机的选择

(1).步进电机的类型的确定

数控伺服系统中常用的步进电机有快速步进电机和功率步进电机。快速步进电机的输出转距一般为：0.007NM---4NM 。可以用来控制小型的数控装置。功率步进电机的输出转距一般为：5NM---40NM 。可以直接用来驱动大型的数控装置。

此外，按励磁相数可分为三相、四相、五相、六相等。相数越多步距角越小，但结构也越复杂。在选择步进电机时，首先要确定步进电机的类型。

(2).步进电机步距角的选择

步进电机的步距角β是步进电机的主要性能指标之一。不同的场合，对步距角大小的要求不同。它的大小直接影响着步进电机的启动和运行频率，因此在选择步进电机时，应使其步距角β小于或等于系统对步进电机最小转角的要求，

即，步距角应满足

min θβi ≤ (3-2)

式中， i -----传动比

m in θ------负载要求的最小位移量，（或称之为脉冲当量，即每一个脉冲所对应的负载轴的位移增量）。

(3).最大静转矩m ax /s T

负载转矩和最大静转矩的关系为 max /)5.03.0(s l T T ---= (3-3)

为保证步进电机在系统中正常工作，还必须满足

max /L st T T >

式中 st T -----步进电机启动转矩

max /L T -----最大负载转矩

通常取

st T =max /L T /(0.3----0.5) (3-4) (4).负载启动频率q f ：

步进电机的负载启动频率由下式计算 )(100060Hz V f p t q ?=

σ

式中 t V ------系统中移动部件的最大启动速度

p σ-----系统脉冲当量

只要负载启动频率不大于允许的最大启动频率即可。

(5).最大运行频率的确定

由于步进电机在运行时，驱动力矩随着频率的增加而下降，因而必须按工作时的负载力矩T 从“运行矩频特性曲线”中查出最大运行频率m ax f (Hz)。假设系统在工作负载情况下的最大速度为

m ax V (m/min)，

系统脉冲当量为 p σ(mm)，则步进电机在工作负载情况下的最大允许工作频率

m ax f 为： m ax f =)(100060max Hz V p ?σ (3-5)

2.3 传动和执行件的选择

2.3.1丝杠螺母副

(1).主要确定丝杠的外径d ，及长度，选择螺纹的类型，牙型角β，计算出螺纹中径d2，螺纹升角φ，定出螺距P ，求出螺纹导程S 。可用下式进行计算

螺纹升角φ： 2tan d nP

πφ= (3-6)

式中 n ----螺纹数，一般取 n =1

P ----螺距

导程 nP S =

则 2arctan d P

πφ=

再利用下式计算出丝杠的质量1m ，以及螺母的质量2m 。

钢ρπl d m 42

1=

33/108.7m kg ?=钢ρ

(2). 电动机启动、加速时的负载扭矩

通过下式计算出电动机启动、加速时的负载扭矩： 113221])(1

[M J J J i M +++=αα (3-7)

式中 1J -------丝杠的转动惯量

2

1121r m J = (3-8)

此公式也用来计算齿轮等圆形零件的转动惯量

i ------由电机轴到丝杠一级齿轮减速器的传动比，

2J -----丝杠上的齿轮的转动惯量

2α-----丝杠启动的角加速度

3J -----电机轴上齿轮的转动惯量

1α-----电机启动的角加速度

1M -----螺母作用在丝杠上的扭矩

其中， 2α=1α/i

2)(tan 2221d f a m M +=φ

式中 2a -----螺母的线加速度

2a =2αS f -----螺母与丝杠间的磨擦系数，一般取f =0.1---0.3

还要计算出夹紧力对丝杠的扭矩： 2)(tan 2

2d f F M +=φ (3-9)

式中 F------夹紧力

将2M 折算到电机轴上去：

i M M /2`= (3).丝杠及轴类零件的强度校核：

轴类零件的强度校核可以依据下式来进行计算 336min ][2.01055.9n

P C n P d t =?≥τ (3-10) ][2.01055.93min 6

t T t d n P W T ττ?≈= (3-11)

式中 P ------轴传递的功率（kW ）

t τ------扭应力(MPa)

T W -----轴的抗扭截面系数(3mm )

n ------轴的转速(r/min)

C-------常数，见表3-2

][t τ-----许用应力(MPa)，见表3-2

min d -----零件中的最小直径(mm)

T--------轴承受的转矩,T=P*9.55*1000000/n

表2.1 轴常用的几种材料的][

τ及C 值

2.3.2齿轮、齿条、蜗轮、蜗杆

(1).关于齿轮、齿条、蜗轮、蜗杆的设计，在《机械设计》第三版中有详细的说明，其中主要是确定它的几个重要的参数，如齿轮、齿条的分度圆直径、齿顶高等；蜗轮的分度圆直径、喉圆直径、齿根圆直径等。在选出电机后，还需要对这些传动件和运动件进行校核。

(2).多级变速机构转动惯量的折算

在选择摆动机构的驱动电机时，需要将摆臂、转塔、各级齿轮（或蜗轮）及其轮轴（或蜗杆）的转动惯量折算到电机轴上。转动惯量的折算：

n n n n n J i i J i i J i i J i i i J J +??+?+?+?+?=433221210 (3-12)

式中 0J -----摆臂相对于腰部的转动惯量

1J -----腰部的转动惯量

2J -----与腰部相连的轴及其上的转筒的转动惯量

3J -----次级轮轴及其上的齿轮的转动惯量

n J -----电动机轴上的齿轮的转动惯量 2

0031l m J =

)(212'1'211r m r m J += 式中 ，m 摆臂的总质量----0l 为摆臂的长度

1m -----轴1的质量，r 为半径

'

1m -----轴1上的齿轮质量，'r 为齿轮半径

以后的各级转动轮轴的转动惯量的计算方法，与1J 的算法相同。上式是在不考虑机械效率的情况下进行的折算。若要考虑机械效率，则应在减速比(如n i i i ?21)中增加机械效率 η因子（详见第四章的相

关部分）。

2.3.3滚动轴承

滚动轴承的类型、尺寸和公差等级均已制定有国家标准，在机械设计中只需根据工作条件选择合适的轴承类型，尺寸和公差等级等，并进行轴承的组合结构设计。

按滚动轴承承受载荷的作用方向，常用轴承可分为三类，即径向接触轴承、向心角接触球轴承和轴向接触轴承。

在机械手的设计中，通常使用角接触球轴承、圆锥滚子轴承或深沟球轴承和推力球轴承的组合件。选择轴承要根据它所支承的轴的粗度（一般轴径的设计要先由计算的强度来确定基本尺寸，再根据GB/T2822-81来选取标准尺寸，也可以根据标准件如轴承等决定）来决定的，选定轴承后，还要进行轴承的寿命计算，可以根据下面的经验公式来计算。

轴承的寿命： ε)(60106010610610p h F C n L n L == (3-13)

式中 10L -----基本额定寿命(610r)

ε------寿命指数，球轴承的ε=3，滚子轴承的ε=10/3

C------10L =1时，轴承所承受的动载荷，也称之为基本额定动载荷。o C C =，

查标准件手册的轴承部分即可以得到O C

n------轴承转速

当量动载荷 A R p YF XF F += (3-14)

式中 R F ----轴承承受的径向荷

A F ----轴承承受的轴向载荷

X ----径向载荷系数，查表3-3

Y -----轴向载荷系数，查表3-3

在实际计算中，考虑机械工作中的冲击、振动对机械受载的影响，应引入载荷性质的系数

p f （表2.1），因此轴承的当量动载荷计算公式为

)(A R p P YF XF f F += (3-15)

表2.2 载荷性质系数f

其机械结构，如图2-1所示：以大臂的电机选择为例

首先取丝杠长550mm ，其上螺纹长200mm ，下面开始进行具体的设计：

1).执行机构的设计

(1).选取丝杠的材料：调制45钢，

直径：d=32mm ，

长：L=550mm ，

导程：10；钢球直径：6.35;丝杠外径：30.3；轴径：24.3;循环圈数：4

螺纹升角φ：

2tan d nP πφ= 式3-6 取 n=5, P=4,

则 ?===48.62810arctan arctan 2ππφd P

(2).电动机的负载力矩

113221])(1[M J J J i M +++=αα 式3-7

取 28=i

丝杠的转动惯量： 21121r m J ==0.0001044622kgms 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=3.147

取丝杠的最高转速为 s r n /13=

设电机可在 0.1s 内达到最大速度，所以

角加速度： 秒弧度/168.82==n πα

螺母的加速度： 233/0245.0103168.810s m nS a =??=?=-=

螺母的惯性力： N a m F 002205.022==

螺母对丝杠的转矩： 22210035.02

)(tan kgms d f F M =+=φ f -----摩擦系数，可查表得

所以加速阶段的电机输出转矩为

NM M M M 00918.012=+=

2).选取电动机

电动机的型号主要靠其启动阶段的负载扭矩来决定，由公式

st T =max /L T /(0.3----0.5) 式3-4

式中 M T L =max /

故 st T =max /L T /(0.3----0.5)=(0.0184---0.031)NM

步进电机的步距角： min θβi ≤ 式3-2

m in θ=it p

δ360 式3-1

t=S, i=28, mm p 1.0=δ

m in θ=it p

δο360=1.28°

查手册，选取：90BYG550A 型步进电机。从而小臂驱动电机选择90BYG550A 足够。

3).丝杠的强度校核

丝杠的强度可用公式3-10来进行校核，

336min ][2.01055.9n P C n P d t =?≥τ

取 C=110

n=13×60=780r/min

功率 P=Tn/9550000

T=0.031×1000=196Nmm

丝杠最小直径： 336min ][2.01055.9n

P C n P d t =?≥τ=17.35901mm

丝杠的强度足够了，且考虑结构和工艺的要求，取 mm d 24min =。

4).锥齿轮传动

参照《机械设计》第九章，设计锥齿轮如下：

材料：调制45钢。

模数为： 5.1=m

齿轮1齿数：251=z

齿轮1分度圆直径：mm m z d 5.3711==

齿轮1齿宽：mm b 51=

齿轮2齿数：25125212===x i z z

齿轮2分度圆直径：mm m z d 5.3722==

齿轮2齿宽：mm b 52=

齿轮1质量： kg b d m 043.0412

13==钢ρπ

齿轮2质量： kg

b d m 043.042222==钢ρπ

等效转动惯量的折算

通过公式3-12， n n n n n J i i J i i J i i J i i i J J +??+?+?+?+?=433221210 增加机械效率因子，变换公式如下：

算到电机轴的转动惯量： 32222121121210J i J i i J i i J J +++=ηηηηη

式中， 0

J -----车轮的转动惯量

设连杆轮质量为： kg m 39.00=

则 22000001248.021kgms r m J ==，0r 为连杆轮的半径

1J -----电机轴上的齿轮的转动惯量，23000018.0kgms J = J2=J3=J0

I 0=i 1=i 2

查表4-3，得 95.0,7.021==ηη

则， 32222121121210J i J i i J i i J J +++=ηηηηη=200509.0kgms

可知电机的负载转矩：

NM T J T 084.21=+=α

由此，再参照式3-1和3-2算出步矩角，可选择步进电机110BYG550B

5)其余类似部件的选择如上述计算过程。

腰部旋转驱动电机选用130BYG250E

3 机械手驱动电机的优化选择

3.1 前言

我们针对机械行业的需要,采用步进电机驱动,设计制造了一种HJ（焊接）型六自由度、全电动、连续轨迹示教、空间关节型机器人(以下简称HJ机器人或HJ) ,用于点焊、弧焊等焊接行业,可取代焊接工人的高强度机械劳动,使他们从恶劣的工作环境中解脱出来,同时又可消除焊接作业中人为的不稳定

因素,提高产品的质量和生产效率。当今直流伺服系统非常普及,而交流伺服系统正在迅猛发展,我们却反其道而行之,选用似乎古老的步进电机系统来开发机器人,未免显得过时。但也许这是一条符合中国国情的即经济又实用的技术路线。从技术经济的角度来讲,之所以选用步进电机是由HJ 机器人的用途、伺服系统的特性、步进电机技术的进步和控制系统的开发成本等诸多因素共同决定的。步进电机作为三大电伺服之一,在十多年前随着数字技术的发展曾一度获得广泛应用,但人们同时发现步进电机(指原来的反应式电机) 存在很多难以克服的弊病,如输出特性(矩频特性) 很软,高频易丢步,低频易共振。直到混合式步进电机以及基于交流逆变和PWM恒流控制的驱动器的出现,步进电机的种种弊病才得到克服。近年来步进电机及其驱动有了长足的发展。开始是五相混合式,步距角0. 36°,近来是二相(也可说四相) 带微步驱动的系统, 细分数已做到50800 步/ 转甚至更高。国内外多家公司均推出了品种相当齐全的电机、驱动器和控制器系列产品。这三者中,电机的通用性最强,所以也最早形成系列产品。其次是驱动器,原则上只要额定电流、相数、相电感相当,不同型号的驱动器都可用,因此驱动器现在也有系列产品。但是控制器则由于应用是五花八门的,很难做出一种控制器能满足各方面应用要求。生产厂家为了控制器能适应更多应用面,有的在控制器里装有许多软件,供用户选用,有的做成多种功能模块供用户选择组装。尽管如此,面对某一具体应用项目开发时,仍然会产生“要用的不够,不用的又太多”的感觉,成本也较高。所以我们采取的办法是,电机和驱动器采购标准化产品,而控制器则根据机器人的需要自行开发。众所周知,步进电机的工作原理是,给一个驱动脉冲,电机走一步。电机的角位移正比于(乘以步距角) 所给的脉冲数,而电机的速度正比于脉冲频率。所以对步进电机的控制,归根结底是对脉冲数的控制即位置控制和对脉冲频率的控制即速度控制。

3.2步进电机的介绍

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的

3.2.1步进电机的基本工作原理.

步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）

永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；

反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；

混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。

步进电机有两种基本的形式：可变磁阻型和混和型。步进电机的基本工作原理，结合图3.1的结构示意图进行叙述

图3.1 四相可变磁阻型步进电机结构示意图

图1是一种四相可变磁阻型的步进电机结构示意图。这种电机定子上有八个凸齿，每一个齿上有一个线圈。线圈绕组的连接方式，是对称齿上的两个线圈进行反相连接，如图中所示。八个齿构成四对，所以称为四相步进电机。

它的工作过程是这样的：当有一相绕组被激励时，磁通从正相齿，经过软铁芯的转子，并以最短的路径流向负相齿，而其他六个凸齿并无磁通。为使磁通路径最短，在磁场力的作用下，转子被强迫移动，使最近的一对齿与被激励的一相对准。在图1(a)中A相是被激励，转子上大箭头所指向的那个齿，与正向的A齿对准。从这个位置再对B相进行激励，如图1中的(b)，转子向反时针转过15°。若是D相被激励，如图1中的(c)，则转子为顺时针转过15°。下一步是C相被激励。因为C相有两种可能性：A —B—C—D或A—D—C—B。一种为反时针转动；另一种为顺时针转动。但每步都使转子转动15°。电机步长(步距角)是步进电机的主要性能指标之一，不同的应用场合，对步长大小的要求不同。改变控制绕组数(相数)或极数(转子齿数)，可以改变步长的大小。它们之间的相互关系，可由下式计算：Lθ＝360 P×N

式中：Lθ为步长；P为相数；N为转子齿数。在图1中，步长为15°，表示电机转一圈需要24步。

3.2.2混和步进电机的工作原理：

在实际应用中，最流行的还是混和型的步进电机。但工作原理与图1所示的可变磁阻型同步电机相同。但结构上稍有不同。例如它的转子嵌有永磁铁。激励磁通平行于X轴。一般来说，这类电机具有四相绕组，有八个独立的引线终端，如图2a所示。或者接成两个三端形式，如图2b所示。每相用双极性晶体管驱动，并且连接的极性要正确。

图3.2步进电机接线图

图3所示的电路为四相混和型步进电机晶体管驱动电路的基本方式。它的驱动电压是固定的。表1列出了全部步进开关的逻辑时序。

表3.1

值得注意的是，电机步进为1—2—3—4的顺序。在同一时间，有两相被激励。但是1相和2相，3相和4相绝对不能同时激励。

四相混和型步进电机，有一特点很有用处。它可以用半步方式驱动。就是说，在某一时间，步进角仅前进一半。用单个混合或用双向开关即可实现，这种逻辑时序由表2列出。

四相混和型步进电机，也能工作于比额定电压高的情况。这可以用串联电阻进行降压。因为1相和2相，3相和4相是不会同时工作的，所以每对仅一个降压电阻，串接在图3中的X和Y点之间。因此额定电压为6V的步进电机，就可以工作在12V的电源下。这时需串一个6W、6Ω的电阻。

3.2.3保持转矩（HOLDING TORQUE）

指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。

3.2.4步进电机低速转动时振动和噪声缺点的克服方法

一般可采用以下方案来克服：

A.如步进电机正好工作在共振区，可通过改变减速比等机械传动避开共振区；

B.采用带有细分功能的驱动器，这是最常用的、最简便的方法；

C.换成步距角更小的步进电机，如三相或五相步进电机；

D.换成交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本较高；

E.在电机轴上加磁性阻尼器，市场上已有这种产品，但机械结构改变较大

3.2.5步进电机驱动器的直流供电电源

A.电压的确定

混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围（比如IM483的供电电压为12～48VDC），电源电压通常根据电机的工作转速和响应要求来选择。如果电机工作转速较高或响应要求较快，那么电压取值也高，但注意电源电压的纹波不能超过驱动器的最大输入电压，否则可能损坏驱动器。

B.电流的确定

供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流I来确定。如果采用线性电源，电源电流一般可取I 的1.1～1.3倍；如果采用开关电源，电源电流一般可取I 的1.5～2.0倍。

当脱机信号FREE为低电平时，驱动器输出到电机的电流被切断，电机转子处于自由状态（脱机状态）。在有些自动化设备中，如果在驱动器不断电的情况下要求直接转动电机轴（手动方式），就可以将FREE信号置低，使电机脱机，进行手动操作或调节。手动完成后，再将FREE信号置高，以继续自动控制。

3.3 步进电机的控制逻辑

HJ(焊接)机器人各关节均用步进电机驱动,由Intel8031 单片机控制。8031 可直接跟Intel 8253

可编程定时/ 计数器芯片接口。8253 内含三个16 位减1 计数通道。每个通道结构相同,都有一个输CLK,一个输出端OU T 和一个门控端GATE。每个通道有六种工作模式可选用。其中011 模式是将输入端脉冲分频后输出方波,分频系数是可写入的。范围为2 - OFFFEH(65534D) 。010 模式与011 模式相仿,只是输出不是方波,而是负脉冲,脉宽为输入信号的周期。000 模式类似减1 计数器,当输入一个脉冲时,事先用软件写入的计数值减1 ,减到0 ,再给一个脉冲就溢出,这时其输出脚电平变高。HJ就利用8253 的011 模式把其中一个通道作为D/ F (数值/ 频率) 变换器用。用晶振产生一个固定频率fc ,写入分频数据ki 后输出的频率fM ,如公式(1) 所示。将此输出频率经光隔、驱动送至电机驱动器,则电机速度将由写入的ki 决定,这就实现了速度控制。将此频率加到另一计数通道,让该通道工作在000 模式。起动电机前,写入要走的步数,则等电机走完规定步数, 公式Fm= Fc/ Ki (1 )

ΔT= Fc/ Kt (2 )

该通道输出端电平由低跳高,用此信号通知CPU 停机,这就实现了位置控制。在示教采样和再现控制时都需要一个定时脉冲(采样信号) ,我们用8253 第三个通道,让它工作在010 模式,写入时间常数kt ,输入基准时钟fc ,则其输出端就能定时发出脉冲,定时时间△t 如公式(2) 所示。

图3.3 加减速控制流程

3.3.1 加/ 减速控制

速度控制中加/ 减速控制是最基本的控制。HJ机器人在各关节确定自身运动的坐标原点及自检运行中都要用到加减速控制,但对加/ 减速过程中速度曲线并无严格要求。电机由静止到达设定的最大速度所需的时间或者说加速度,是由调试确定的。加速度太大,关节起停时会造成大的机械冲击,甚至电机不能克服惯性而失步; 加速度太小, 则完成指定的运动会耗费太多时间加速策略有二种:线性加/ 减速控