機器人的微用步進電機畢業(yè)設(shè)計

1、<p><b>　　畢業(yè)項目</b></p><p><b>　　2012 屆</b></p><p>　　畢業(yè)項目任務(wù)書（個人表）</p><p>　　系部： 機電工程系 </p><p><b>　　續(xù)表：</b></p><

2、p><b>　　摘要</b></p><p>　　工業(yè)機器人一般由手臂、手腕、驅(qū)動系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、控制器、傳感器等組成。機器人手臂有六個自由度。手腕是機器人手臂與主架的連接機構(gòu)。驅(qū)動系統(tǒng)為機器人各運動部件提供力、力矩、速度、加速度。測量系統(tǒng)用于機器人運動的位移測量?？刂破饔糜诳刂茩C器人各部件的位置、速度、加速度，使機器人手臂以給定速度沿給定軌跡到達目標點。</p><

3、;p>　　在這個項目中我主要完成了步進電機結(jié)構(gòu)的介紹，還有在工業(yè)機器人使用當中的一些參數(shù)的計算，最后就是提到對步進電機的發(fā)展趨勢以及日常維修與保養(yǎng)。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 自由度 力矩 速度 控制器 驅(qū)動系統(tǒng) </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　一、緒論9</b

4、></p><p><b>　　1.1 引言9</b></p><p>　　1.2 課題研究的背景和意義9</p><p>　　1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀9</p><p>　　1.4本論文研究的主要內(nèi)容10</p><p>　　二 、工業(yè)機器人關(guān)節(jié)本體結(jié)構(gòu)設(shè)計11</p>

5、<p>　　2.1 工業(yè)機器人的工作對象、任務(wù)及性能11</p><p>　　2.2工業(yè)機器人關(guān)節(jié)的基本參數(shù)確定11</p><p>　　2.3本體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計12</p><p>　　三、 關(guān)節(jié)整體的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計13</p><p>　　3.1關(guān)節(jié)的驅(qū)動方案13</p><p>　　1.方案一

6、：液壓驅(qū)動系統(tǒng)13</p><p>　　2.方案二：步進電機驅(qū)動系統(tǒng)14</p><p>　　3.2 關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)確定15</p><p>　　1.承受工作負載的啟動轉(zhuǎn)矩15</p><p>　　2.步進電機轉(zhuǎn)動角范圍確定和脈沖數(shù)計算15</p><p>　　3.電機轉(zhuǎn)速的確定和脈沖頻率計算16<

7、/p><p>　　3.3 步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計16</p><p>　　1.步進電機運動控制系統(tǒng)組成16</p><p>　　2.步進電機工作原理17</p><p>　　3.步進電機特性及主要技術(shù)指標17</p><p>　　3.4傳動件之間的定位裝配19</p><p>　　3.5傳動

8、件的消隙20</p><p>　　四、微用步進電機使用和保養(yǎng)21</p><p>　　4.1步進電機的使用說明21</p><p>　　4.2步進電機的故障分析22</p><p>　　4.3步進電機的保養(yǎng)23</p><p>　　五、 總結(jié)與展望24</p><p><b&

9、gt;　　5.1總結(jié)24</b></p><p><b>　　5.2展望24</b></p><p><b>　　參考文獻25</b></p><p>　　六、 致 謝26</p><p><b>　　一、緒論</b></p><p&g

10、t;<b>　　1.1 引言</b></p><p>　　隨著人們生活水平的提高，用戶對產(chǎn)品的外觀質(zhì)量提出了越來越高的要求。然而以傳統(tǒng)的動力系統(tǒng) (油壓方式)已經(jīng)不能滿足工業(yè)的需求，遠遠不能夠現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展速度。因此國外企業(yè)都投入了大量的科研資金來研究 新的動力系統(tǒng)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)動力，且不斷提高機器人的精度，從而提高了產(chǎn)出品的質(zhì)量，滿足不同場合的實際需要。同時還可以避免由于精度不夠帶來的一些不良后

11、果。</p><p>　　國內(nèi)許多大企業(yè)也投入了大量的經(jīng)費來研究工業(yè)機器人關(guān)節(jié)微用步進電機系統(tǒng)，但和國外的系統(tǒng)技術(shù)及其工程應(yīng)用水平相比還有一定差距，因此我花了大量的時間用于研究國外產(chǎn)品，但是，國內(nèi)加工制造企業(yè)的自動化程度普遍不高，尤其是中小型企業(yè)的自動化程度就更不高了，這就導(dǎo)致我們不能與國外及接軌和良好的兼容。所以我們必須從根本上解決此類問題。自主創(chuàng)新、借鑒、應(yīng)用步進電機動力系統(tǒng)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機器人關(guān)節(jié)動力系統(tǒng)。&

12、lt;/p><p>　　因此，必須從國內(nèi)加工業(yè)的實際情況出發(fā)，研究開發(fā)性能指標技術(shù)水平能夠既滿足國內(nèi)加工業(yè)實際情況，也能完美和國外接軌的可靠性高、操作靈活簡便及易維修的工業(yè)機器人關(guān)節(jié)微用步進電機系統(tǒng)。這樣既滿足國內(nèi)加工制造企業(yè)不同層次的實際需要。同時保證了機器人系統(tǒng)的精度。因此，在設(shè)計階段就應(yīng)該認真考慮影響機器人關(guān)節(jié)活動精度的因素，選擇合適的步進電機，還有設(shè)計準確的關(guān)節(jié)活動模型，從而才能滿足工業(yè)的需要。</p&

13、gt;<p>　　1.2 課題研究的背景和意義</p><p>　　油壓動力系統(tǒng)在工作過程中，將產(chǎn)生大量的難以處理的污垢，嚴重影響日常清理，并造成了嚴重的污染。同時油壓動力系統(tǒng)的控制不夠精確，難以控制，遠遠影響到工人們的作業(yè)。</p><p>　　因此，為了避免傳統(tǒng)的方式帶來的一切不利因素，提高產(chǎn)品質(zhì)量，滿足現(xiàn)代化工廠的需求，實現(xiàn)工業(yè)作業(yè)的真正自動化，國內(nèi)外許多大企業(yè)都投入了

14、大量的科研經(jīng)費來研究機器人關(guān)節(jié)的動力系統(tǒng)，使機器人自動化便于控制和操作。</p><p>　　國內(nèi)許多大企業(yè)也投入了大量的經(jīng)費來研究工業(yè)機器人關(guān)節(jié)微用步進電機系統(tǒng)，但和國外的系統(tǒng)技術(shù)及其工程應(yīng)用水平相比還有一定差距，因此我花了大量的時間用于研究國外產(chǎn)品，但是，國內(nèi)加工制造企業(yè)的自動化程度普遍不高，尤其是中小型企業(yè)的自動化程度就更不高了，這就導(dǎo)致我們不能與國外及接軌和良好的兼容。所以我們必須從根本上解決此類問題。自

15、主創(chuàng)新、借鑒、應(yīng)用步進電機動力系統(tǒng)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機器人關(guān)節(jié)活動動力系統(tǒng)。</p><p>　　因此，必須從國內(nèi)加工業(yè)的實際情況出發(fā)，研究開發(fā)性能指標技術(shù)水平能夠既滿足國內(nèi)加工業(yè)實際情況，也能完美和國外接軌的可靠性高、操作靈活簡便及易維修的工業(yè)機器人關(guān)節(jié)微用步進電機系統(tǒng)。這樣既滿足國內(nèi)加工制造企業(yè)不同層次的實際需要。同時保證了機器人系統(tǒng)的精度。因此，在設(shè)計階段就應(yīng)該認真考慮影響機器人關(guān)節(jié)活動精度的因素，選擇合適的步進

16、電機，還有設(shè)計準確的關(guān)節(jié)活動模型，來滿足現(xiàn)代化工廠的生產(chǎn)需要。</p><p>　　1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　自從上個世紀60年代初，國外就開始了對用于工業(yè)機器人動力系統(tǒng)進行了研究，直到上個世紀60年代末才成功研制了一種滿足現(xiàn)代化工廠的機器人動力系統(tǒng)。從此這項技術(shù)領(lǐng)域在國外研究和開發(fā)應(yīng)用十分迅速。上個世紀80年代初，許多工業(yè)比較發(fā)達的國家，用于產(chǎn)品制造的機器人動力系統(tǒng)已到

17、達普及的階段，被廣泛的應(yīng)用于高精度的產(chǎn)品加工場合。</p><p>　　隨著國外技術(shù)不斷地研究，用于高精度產(chǎn)品生產(chǎn)的機器人得到越來越廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，許多大型企業(yè)的廠房生產(chǎn)線都開始著手于新技術(shù)的研發(fā)，實現(xiàn)作業(yè)的自動化。現(xiàn)階段國外機器人關(guān)節(jié)動力系統(tǒng)主要是:</p><p>　　1.在機器人結(jié)構(gòu)研究方面，機型主要是關(guān)節(jié)型，而且普遍應(yīng)用CAD等現(xiàn)代方法來進行本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計、仿真和制造。</

18、p><p>　　2、在機器人控制技術(shù)研究方面，主要由計算機控制，大量采用了編程技術(shù)，基于PC的開放結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)也正在快速發(fā)展。</p><p>　　3、在機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動技術(shù)研究方面，廣泛應(yīng)用步進電機驅(qū)動。</p><p>　　4、在其他方面研究，大量使用各種新型傳感器，通用模塊化編程語言也被廣泛使用，信息處理大大提高。</p><p>　　然而，

19、我國對機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動的研究比較晚，最近十幾年我國才開始了此方面的研究，但是我國高科技領(lǐng)域技術(shù)的研究和開發(fā)運用發(fā)展十分迅速，已經(jīng)掌握了機器人本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計、仿真和制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(xué)分析和軌跡規(guī)劃技術(shù)以及在工作空間分析技術(shù)，縮短了同國外技術(shù)研究和應(yīng)用的差距，基本上達到了國外80年代中后期的技術(shù)水平?，F(xiàn)階段我國研究的現(xiàn)狀主要是：</p><p>　　1、在機器人驅(qū)動的基礎(chǔ)技術(shù)方面，對它的運動學(xué)

20、、動力學(xué)分析與綜合、運動控制算法、編程語言、離線編程技術(shù)進行了深入的研究，開發(fā)新理念驅(qū)動裝置。</p><p>　　2、在機器人結(jié)構(gòu)研究方面，機型主要是關(guān)節(jié)型，而且普遍應(yīng)用CAD等現(xiàn)代方法來進行本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計、仿真和制造。</p><p>　　3、在機器人控制技術(shù)研究方面，多CPU分級分層控制的控制裝置已被開發(fā)出來，也掌握了驅(qū)動系統(tǒng)、控制軟件和離線編程技術(shù)設(shè)計。</p>&l

21、t;p>　　4、在機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動技術(shù)研究方面，也廣泛應(yīng)用步進電機驅(qū)動。但是總的看來，與國外技術(shù)及其工程應(yīng)用水平還存在一定的差距。</p><p>　　1.4本論文研究的主要內(nèi)容</p><p>　　在查閱了大量的有關(guān)機器人微用步進電機研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，根據(jù)課題的研究目標，本論文“關(guān)節(jié)型機器人微用步進電機設(shè)計”對該機器人的本體結(jié)構(gòu)進行研究，將主要完成以下幾個方面的工作：</p&g

22、t;<p>　?。?）根據(jù)該機器人的工作對象、任務(wù)及性能要求，參考國內(nèi)外機器人的先進機型，確定該機器人的基本技術(shù)參數(shù)，并對該機器人的本體結(jié)構(gòu)布局以及整機轉(zhuǎn)動系統(tǒng)進行設(shè)計。</p><p>　?。?）根據(jù)機器人的相關(guān)參數(shù)，算出步進電機的額定電壓和額定電流。</p><p>　?。?）選擇改機器人的本體結(jié)構(gòu)材料以及手腕轉(zhuǎn)動系統(tǒng)中轉(zhuǎn)動零件的型號，利用模塊化設(shè)計的思想，利用AutoC

23、AD軟件繪制出手腕結(jié)構(gòu)的裝配圖及各零件的零件圖，完成本體結(jié)構(gòu)的詳細設(shè)計。</p><p>　　二 、工業(yè)機器人關(guān)節(jié)本體結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　2.1 工業(yè)機器人的工作對象、任務(wù)及性能</p><p>　　1.工作對象：國內(nèi)眾多中小企業(yè)不同層次用戶需進行不同精度的磨具加工，需要適應(yīng)流水線化生產(chǎn)。</p><p>　　2.工作任務(wù)：將機器人

24、安裝在固定的工作臺上，可以根據(jù)流水線上的產(chǎn)品對其進行自動加工。</p><p>　　3.性能要求：根據(jù)該機器人的工作對象及任務(wù)，要求改裝后的機器人手腕要靈活，能夠在工作空間內(nèi)自由運動，具有防爆功能，能夠長時間連續(xù)穩(wěn)定可靠地工作，并具有光滑的流線型外表面，電源線、控制線和氣管線能從大小臂和手腕內(nèi)部穿過，使電源線、控制線和氣管線不易損壞。同時，機器人的軌跡精度及速度穩(wěn)定性也要滿足實際應(yīng)用的要求。</p>

25、<p>　　2.2工業(yè)機器人關(guān)節(jié)的基本參數(shù)確定</p><p>　　在機器人本體結(jié)構(gòu)總體設(shè)計過程中，關(guān)鍵的問題之一就是確定基本技術(shù)參數(shù)（自由度、有效負載、運動精度、可達空間和靈巧工作空間、運動特性、動態(tài)特性和經(jīng)濟性指標等）和結(jié)構(gòu)參數(shù)（桿長、偏距、轉(zhuǎn)角范圍等）。因此，本文將根據(jù)該機器人工作對象，設(shè)定結(jié)構(gòu)參數(shù)初值，又根據(jù)結(jié)構(gòu)上的限制進行圓整，最后所確定的基本技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)。</p>&l

26、t;p><b>　　工業(yè)機器人基本參數(shù)</b></p><p>　　2.3本體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計</p><p><b>　　1.本機關(guān)節(jié)構(gòu)形</b></p><p><b>　　圖1</b></p><p>　　2.支撐臂的布局設(shè)計</p><p>&

27、lt;b>　　圖2</b></p><p>　　3.動作臂的布局設(shè)計</p><p><b>　　圖3</b></p><p><b>　　動作臂1</b></p><p><b>　　圖4 </b></p><p><b>

28、;　　動作臂2</b></p><p>　　三、 關(guān)節(jié)整體的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　3.1關(guān)節(jié)的驅(qū)動方案</p><p>　　1.方案一、液壓驅(qū)動系統(tǒng)</p><p><b>　?。?）優(yōu)點</b></p><p>　?、凫`活：密閉液體是最靈活的動力源，具有優(yōu)秀的力轉(zhuǎn)移性能。

29、利用管道和軟管取代機械部件可以排除布局問題。</p><p>　　②可以放大極小的力，可以移動和控制大得多的力。平穩(wěn)液壓系統(tǒng)在運行過程中平穩(wěn)和安靜。振動保持在最小程度。</p><p><b>　?。?）缺點</b></p><p>　　①需要良好的維護保養(yǎng)由于液壓部件是精密部件并在高壓力之下使用，因此需要良好的維護保養(yǎng)，以防止生銹、腐蝕、污垢

30、、油變質(zhì)等等，所以必須保持清潔和使用適當?shù)囊簤河汀?lt;/p><p><b>　　液壓部件</b></p><p>　?、谝簤合到y(tǒng)中有許多部件?；狙b置是泵和執(zhí)行元件。泵連續(xù)將油推出，并把機械能轉(zhuǎn)變成壓力能和動能。執(zhí)行元件是把液壓能重新轉(zhuǎn)換成工作所需機械能的系統(tǒng)部件。除了泵和執(zhí)行元件之外，液壓系統(tǒng)的連續(xù)操作當需要以下部件。</p><p><

31、;b>　　油 箱：貯存油</b></p><p>　　閥 門：控制油的流量和流動方向，或限制壓力連接管路：連接系統(tǒng)的各個部件。讓我們看一下極為簡易的液壓系統(tǒng)。如圖5</p><p><b>　　圖5</b></p><p>　　2.方案二、步進電機驅(qū)動系統(tǒng)</p><p>　　（1）步進電機所占比重和發(fā)

32、展趨勢</p><p><b>　　圖6</b></p><p>　　從 圖6步進電機所占電機比重，可以看出它的重要性，已經(jīng)在慢慢取代傳統(tǒng)電機。</p><p><b>　　圖7</b></p><p>　　從圖7可以看出步進電機的每年的增長量，其發(fā)展速度之快，令人瞠目結(jié)舌，幾乎每年都在翻倍，這就是

33、它的優(yōu)勢，它的地位。</p><p><b>　?。?）優(yōu)點</b></p><p>　?、倏梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。</p><p>　?、诓竭M電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為100％)的特點，廣泛應(yīng)用于各種

34、開環(huán)控制。</p><p>　　③步進電機具有轉(zhuǎn)矩大、慣性小、響應(yīng)頻率高等優(yōu)點，因此具有瞬間起動與急速停止的優(yōu)越特性</p><p>　?、芡ǔ２恍枰答伨湍軐ξ灰苹蛩俣冗M行精確控制，輸出的轉(zhuǎn)角或位移精度高，誤差不會積累；控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，與數(shù)字設(shè)備兼容，價格便宜。因此，雖然直流電機伺服系統(tǒng)、交流電機伺服系統(tǒng)在計算機控制系統(tǒng)中被普遍地使用，但步進電機仍廣泛用于簡易數(shù)控機床、送料機構(gòu)、儀器、

35、儀表等領(lǐng)域。</p><p><b>　?。?）缺點</b></p><p>　?、偃绻刂撇划斎菀桩a(chǎn)生共振。 　　   ②難以運轉(zhuǎn)到較高的轉(zhuǎn)速。</p><p>　?。?）步進電機驅(qū)動部件</p><p>　?、僮冾l信號源：變頻信號源是一個脈沖頻率能由幾Hz到幾十kHz連續(xù)變化的脈沖信號發(fā)生器，

36、常見的有多諧振蕩器和單結(jié)晶體器構(gòu)成的弛張振蕩器，它們都是通過調(diào)節(jié)R和C的大小，以改變充放電的時間常數(shù)，得到各種頻率的脈沖信號。</p><p>　　②脈沖分配器：脈沖分配器又稱環(huán)形分配器，它根據(jù)運行指令按一定的邏輯關(guān)系分配脈沖，通過功率放大器加到步進電機的各相繞組，使步進電機按一定的方式運行，并實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制和定位。脈沖分配器的功能可以用硬件來實現(xiàn)，也可以用軟件來實現(xiàn)。</p><p>　

37、　③功率放大器：功率放大器又稱驅(qū)動電路，其作用是將脈沖發(fā)生器的輸出脈沖進行功率放大，給步進電機相繞組提供足夠的電流，驅(qū)動步進電機正常工作。對功率放大器的要求包括：能提供足夠的幅值；前后沿較陡的勵磁電流；功耗小、效率高、運行穩(wěn)定可靠、便于維修而且成本低。</p><p>　　3.2 關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)確定</p><p>　　1.承受工作負載的啟動轉(zhuǎn)矩</p><p>

38、　　此機器人靜態(tài)轉(zhuǎn)矩為1N m，假設(shè)c為2，轉(zhuǎn)子有40個齒，且為三相變磁阻步進電機，可知：Tsm=1N m </p><p>　　Tst= Tsm cos（180 /mc）=1 cos（30 ）</p><p>　　=/2 N m </p><p>　　2.步進電機轉(zhuǎn)動角范圍確定和脈沖數(shù)計算</p><p>　　此機器人步進電

39、機轉(zhuǎn)角有兩個范圍（-180— +180）和 (+0—+90)，要達到此轉(zhuǎn)角范圍所需脈沖個數(shù)？</p><p>　　=360 /mzc=360/34O2=1.5</p><p>　　因為步距角為1.5，所以轉(zhuǎn)180 所需120個脈沖。</p><p>　　3.電機轉(zhuǎn)速的確定和脈沖頻率計算</p><p>　　此機器人步進電機的轉(zhuǎn)速為2r/min

40、，要求通電脈沖頻率為多少？</p><p>　　因為 n=60 f/mzc=f/6</p><p>　　所以 f=（mzcn）/60=(34022)/60=8 HZ</p><p>　　3.3 步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　1.步進電機運動控制系統(tǒng)組成</p><p>　　步進電機控制系統(tǒng)是一種開環(huán)控

41、制系統(tǒng)。它的組成包括運動控制軟件、脈沖分配器、驅(qū)動電路、步進電機及傳動裝置等，如圖7</p><p>　　微型計算機中的運動控制軟件通過程序編譯，產(chǎn)生運動指令，它包括脈沖信號和轉(zhuǎn)向信號。脈沖分配器接收運動指令后，轉(zhuǎn)換成合適順序的脈沖序列，滿足繞組相數(shù)以及相序的要求。然后，脈沖序列經(jīng)過驅(qū)動電路，進行功率放大，依次供給電動機各相繞組足夠的脈沖電流，以驅(qū)動按其給定方向和速度產(chǎn)生步進運動。電動機轉(zhuǎn)動一步，通過滾珠絲杠驅(qū)動

42、工作臺前進每一個基本長度單位。</p><p><b>　　圖7</b></p><p>　　2.步進電機工作原理</p><p>　　如圖8所示，如果先使A相繞組通電，其相應(yīng)的定子與轉(zhuǎn)子之間就會產(chǎn)生磁吸力，使轉(zhuǎn)子的1、3兩個齒與定子的A相磁極對奇。然后A相斷電，再使B相繞組通電并使該磁極產(chǎn)生磁通，由圖2看到其轉(zhuǎn)子的2、4齒與B相磁極靠的最近，

43、于是轉(zhuǎn)子就按反時針轉(zhuǎn)了30度。這樣，2、4齒就和B相磁極對齊。如果按ABCA……的順序通電，轉(zhuǎn)子就按反時針方向一步步轉(zhuǎn)動，每一步的角度成為步距角。</p><p><b>　　圖8</b></p><p>　　實際上，步距角越小，意味著所能達到的位置精度越高，通常步距角為1.5-0.75度，為此需要將轉(zhuǎn)子做成多齒的，定子的磁極上也制成小齒，兩種小齒的齒寬和齒距相等。如

44、圖所示，當一相定子磁極的小齒與轉(zhuǎn)子的齒對齊時，其他兩相磁極的小齒都與轉(zhuǎn)子的齒錯過一個角度，按照相序，后一相比前一相錯過的角度大。由上述可知，步進電機步距角公式為：</p><p>　　=360 /mzc （z:轉(zhuǎn)子齒數(shù) m：相數(shù)）</p><p>　　3.步進電機特性及主要技術(shù)指標</p><p><b>　?。?）靜態(tài)運行特性</b>

45、;</p><p><b>　　圖9</b></p><p>　　靜態(tài)運行特性主要指距角特性。距角特性是在不改變控制繞組通電狀況下，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的關(guān)系。步進電機的電磁轉(zhuǎn)矩是由于磁路磁阻隨轉(zhuǎn)子位置變化而產(chǎn)生的，進而磁鏈也是隨轉(zhuǎn)子位置變化的。如圖9表示了由步進電機的一對定子極和一對轉(zhuǎn)子齒組成的變磁組系統(tǒng)。磁路磁阻是變化的，因為當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，改變磁路中的氣息。有歐姆定

46、律，有下列關(guān)系式：</p><p>　　=iN/R （：氣隙磁通 iN：電磁鐵的勵磁安）</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速公式</b></p><p>　　n=60 f/mzc=f/6</p><p>　?。?）單脈沖運行特性</p><p><b>　　圖10</b

47、></p><p>　　當步進電機輸入脈沖時，電動機從一種通電狀態(tài)切換到另一種通電狀態(tài)不引起失步的區(qū)域，稱為穩(wěn)定區(qū)域，如圖10，設(shè)初始狀態(tài)的距角特性為曲線0，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定平衡點為0，輸入一個脈沖后，距角特性變?yōu)榍€1，轉(zhuǎn)子的新的穩(wěn)定平衡點為1。顯然，只有當轉(zhuǎn)子起始位置位于ab之間，才有可能使其平衡點由0向1運動。區(qū)間ab即為步進電機空載時的穩(wěn)定區(qū)域。r為裕量角。且裕量角越大穩(wěn)定性越好。</p>&

48、lt;p>　　r=180 - 360 /mc</p><p>　　Tst=Tsm cos（180/mc） （Tst：最大負載轉(zhuǎn)矩 Tsm：靜態(tài)轉(zhuǎn)矩）</p><p><b>　　4.脈沖分配器</b></p><p>　　脈沖分配器是步進電機數(shù)控系統(tǒng)的重要組成部分。它的作用是把輸入脈沖按一定的邏輯關(guān)系轉(zhuǎn)換為合適的脈沖序列，然

49、后通過驅(qū)動器加到步進電機的相繞組上，使步進電機按一定的方式工作。脈沖分配器可以由邏輯電路硬件實現(xiàn)，也可以通過邏輯代數(shù)運算由軟件實現(xiàn)。</p><p>　　5.步進電機的驅(qū)動器</p><p>　　步進電機驅(qū)動的組成包括變頻信號源、脈沖分配器和功率放大器3部分，如圖11所示。</p><p><b>　　圖11</b></p>&l

50、t;p>　　（1）單脈沖方式：脈沖輸入信號CP，方向信號DIR,當DIR =0，來一個CP脈沖，電機正向轉(zhuǎn)動一步；當DIR=1，來一個CP脈沖，電機反向轉(zhuǎn)動一步。</p><p>　　（2）雙脈沖方式：驅(qū)動器有兩路信號控制，一路為正向脈沖信號CW,電動機正轉(zhuǎn)。而另一路為反向控制信號CCW，電機反轉(zhuǎn)。</p><p>　　3.4傳動件之間的定位裝配</p><p&g

51、t;　　工業(yè)機器人的各旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍都是有限的，當各旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸運動到行程終點時，由于慣性的原因，各旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸的運動不能立即停止，而有向前繼續(xù)運動的趨勢，降低了工業(yè)機器人的精度。因此，在進行該工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，就有必要根據(jù)各旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸的運動范圍，采用適當?shù)亩ㄎ环椒?，使各旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸運動到行程終點時，得到合理的定位。本項目組設(shè)計的工業(yè)機器人的腰部、臂部以及手腕偏擺采用機械檔塊定位，手腕俯仰和翻滾采用閉環(huán)伺服定位系統(tǒng)進行定位，其機械

52、檔塊定位結(jié)構(gòu)原理如圖12所示。</p><p><b>　　圖12</b></p><p>　　2.關(guān)節(jié)固定件 3.定位卡環(huán) 4.定位螺栓 5.諧波減速器 6.關(guān)節(jié)運動部件</p><p>　　由圖12可知，該工業(yè)機器人的機械檔塊定位結(jié)構(gòu)是在基座上設(shè)置機械檔塊，而在要不旋轉(zhuǎn)上設(shè)置定位螺釘，實現(xiàn)對腰部的定位；在小臂結(jié)構(gòu)的相應(yīng)位置上設(shè)置兩個集

53、資額檔塊，而在大臂和手腕偏擺關(guān)節(jié)運動到行程終點時，卡環(huán)檔塊擋住在螺栓固定桿件的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)臂部和手腕偏擺關(guān)節(jié)運動的定位。</p><p><b>　　3.5傳動件的消隙</b></p><p>　　在工業(yè)器人的制造及裝配過程中，工業(yè)機器人的轉(zhuǎn)動機構(gòu)間會產(chǎn)生間隙。同時，為適應(yīng)熱膨脹，也要給工業(yè)機器人的轉(zhuǎn)動機構(gòu)間留出間隙。這些間隙是不可避免的，但隨著工業(yè)機器人運行時間的增加

54、，轉(zhuǎn)動機構(gòu)中零部件的磨損加大，將產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)動機構(gòu)間隙，嚴重影響了工業(yè)機器人的位姿精度。因此為了提高工業(yè)器人的位姿精度，在進行工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計的階段，就必須考慮設(shè)計出相應(yīng)的調(diào)整機構(gòu)來定時調(diào)整轉(zhuǎn)動機構(gòu)間的間隙。</p><p>　　根據(jù)該工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)布局以及整機轉(zhuǎn)動系統(tǒng)方案，本文將采取提高工業(yè)機器人的制造和轉(zhuǎn)配精度、設(shè)計科調(diào)整轉(zhuǎn)動間隙的機構(gòu)和設(shè)置對稱布置，對手腕偏擺和俯仰轉(zhuǎn)冬季構(gòu)中設(shè)置了可調(diào)整兩帶輪中心距

55、的安裝結(jié)構(gòu)來減小間隙。此外，還對改工業(yè)機器人旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)中使用的軸承采取預(yù)緊的方式來減小間隙等。</p><p>　　四、微用步進電機使用和保養(yǎng)</p><p>　　4.1步進電機的使用說明</p><p><b>　　1.步進電機的選擇</b></p><p>　　步進電機有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成

56、。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。</p><p><b>　　（1）步距角的選擇</b></p><p>　　電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率（當量）換算到電機軸上，每個當量電機應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機的步距角應(yīng)等于或小于此角度。一般采用二相0.9度/1.8度的電機和細分驅(qū)動器就可。</p><p>&

57、lt;b>　?。?）靜力矩的選擇</b></p><p>　　步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電

58、機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸）</p><p><b>　　（3）電流的選擇</b></p><p>　　靜力矩一樣的電機，由于電流參數(shù)不同，其運行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流（參考驅(qū)動電源、及驅(qū)動電壓）。</p><p><b>　　2.應(yīng)用中的注意點</b></p><

59、p>　?。?）步進電機應(yīng)用于低速場合---每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)，（0.9度時6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機功率大、效率高。</p><p>　?。?）步進電機最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大。</p><p>　?。?）轉(zhuǎn)動慣量大的負載應(yīng)選擇大機座號電機。</p><p>　

60、?。?）高精度時，應(yīng)通過機械減速、提高電機速度,或采用高細分數(shù)的驅(qū)動器來解決，不過其整個系統(tǒng)的價格較貴，生產(chǎn)廠家少，其被淘汰的說法是外行話。</p><p>　　（5）電機不應(yīng)在振動區(qū)內(nèi)工作，如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。</p><p>　?。?）電機在600PPS（0.9度）以下工作，應(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來驅(qū)動。</p><p>　?。?/p>

61、7）應(yīng)遵循先選電機后選驅(qū)動的原則。</p><p><b>　　3.其他說明</b></p><p>　　有關(guān)低頻振動、升降速、機械共振、工作往復(fù)運動的誤差、平面圓弧X、Y插補誤差以及其他問題，可根據(jù)具體情況解決。不同廠家的電機在設(shè)計、使用材料及加工工藝方面差別很大，選用步進電機應(yīng)注重可靠性而輕性能、重品質(zhì)而輕價格。最好采用同一生產(chǎn)廠家的控制器、驅(qū)動器和電機。<

62、/p><p>　　4.2步進電機的故障分析</p><p>　　電動機機械常見故障的分析和處理 </p><p>　　1．定、轉(zhuǎn)子鐵芯的損壞和變形主要由以下幾個方面原因造成。</p><p>　?。?）軸承過度磨損或裝配不良，造成定、轉(zhuǎn)子相擦，使鐵芯表面損傷，進而造成硅鋼片間短路，電機鐵損增加，使電動機溫升過高，這時應(yīng)用細銼等工具去除毛刺，消除硅

63、鋼片短接，清除干凈后涂上絕緣漆，并加熱烘干。 </p><p>　?。?）拆除舊繞組時用力過大，使倒槽歪斜向外張開。此時應(yīng)用小嘴鉗、木榔頭等工具予以修整，使齒槽復(fù)位，并在不好復(fù)位的有縫隙的硅鋼片間加入青殼紙、膠木板等硬質(zhì)絕緣材料。 </p><p>　?。?）因受潮等原因造成鐵芯表面銹蝕，此時需用砂紙打磨干凈，清理后涂上絕緣漆。 </p><p>　　（4）因繞組接

64、地產(chǎn)生高熱燒毀鐵芯或齒部?？捎描徸踊蚬蔚兜裙ぞ邔⑷鄯e物剔除干凈，涂上絕緣漆烘干。</p><p>　?。?）鐵芯與機座間結(jié)合松動，可擰緊原有定位螺釘。若定位螺釘失效，可在機座上重鉆定位孔并攻絲，旋緊定位螺釘。 </p><p>　　2.軸承故障檢修：轉(zhuǎn)軸通過軸承支撐轉(zhuǎn)動，是負載最重的部分，又是容易磨損的部件。 </p><p>　?。?）故障檢查 :運行中檢查，滾動

65、軸承缺油時，會聽到骨碌骨碌的聲音，若聽到不連續(xù)的梗聲，可能是軸承鋼圈破裂。軸承內(nèi)混有沙土等雜物或軸承零件有輕度磨損時，會產(chǎn)生輕微的雜音。 </p><p>　　（2）拆卸后檢查：先察看軸承滾動體、內(nèi)外鋼圈是否有破損、銹蝕、疤痕等，然后用手捏住軸承內(nèi)圈，并使軸承擺平，另一只手用力推外鋼圈，如果軸承良好，外鋼圈應(yīng)轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，轉(zhuǎn)動中無振動和明顯的卡滯現(xiàn)象，停轉(zhuǎn)后外鋼圈沒有倒退現(xiàn)象，否則說明軸承已不能再用了。左手卡住外圈，

66、右手捏住內(nèi)鋼圈，用力向各個方向推動，如果推動時感到很松，就是磨損嚴重。 </p><p>　　3.故障修理：軸承外表面上的銹斑可用00號砂紙擦除，然后放入汽油中清洗；或軸承有裂紋、內(nèi)外圈碎裂或軸承過度磨損時，應(yīng)更換新軸承。更換新軸承時，要選用與原來型號相同的軸承。 </p><p><b>　　4.轉(zhuǎn)軸故障檢修 </b></p><p>　?。?/p>

67、1）軸彎曲:若彎曲不大，可通過磨光軸徑、滑環(huán)的方法進行修復(fù)；若彎曲超過0.2mm，可將軸放于壓力機下，在拍彎曲處加壓矯正，矯正后的軸表面用車床切削磨光；如彎曲過大則需另換新軸。 </p><p>　?。?）軸頸磨損:軸頸磨損不大時，可在軸頸上鍍一層鉻，再磨削至需要尺寸；磨損較多時，可在軸頸上進行堆焊，再到車床上切削磨光；如果軸頸磨損過大時，也在軸頸上車削2-3mm，或?qū)⑻淄渤脽崽自谳S頸上，然后車削到所需尺寸。 &

68、lt;/p><p>　?。?）軸裂紋或斷裂 :軸的橫向裂紋深度不超過軸直徑的10%-15%，縱向裂紋不超過軸長的10%時，可用堆焊法補救，然后再精車至所需尺寸。若軸的裂紋較嚴重，就需要更換新軸。 </p><p>　?。?）機殼和端蓋的檢修:機殼和端蓋若有裂紋應(yīng)進行堆焊修復(fù)若遇到軸承鏜孔間隙過大，造成軸承端蓋配合過松，一般可用沖子將軸承孔壁均勻打出毛刺激性，然后再將軸承打入端蓋，對于功率較大的

69、電動機，也可采用鑲補或電鍍的方法最后加工出軸承所需要的尺寸。</p><p>　　4.3步進電機的保養(yǎng)</p><p>　　電機的定期維護和保養(yǎng)</p><p>　　為了保證電機正常工作，除了按操作規(guī)程正常使用、運行過程中注意正常監(jiān)視和維護外，還應(yīng)該進行定期檢查，做好電機維護保養(yǎng)工作。這樣可以及時消除一些毛病，防止故障發(fā)生，保證電機安全可靠地運行。定期維護的時間間隔

70、可根據(jù)電機的形式考慮使用環(huán)境決定。</p><p>　　定期維護的內(nèi)容如下:</p><p>　　1、清擦電機。及時清除電機機座外部的灰塵、油泥。如使用環(huán)境灰塵較多，最好每天清掃一次。</p><p>　　2、檢查和清擦電機接線端子。檢查接線盒接線螺絲是否松動、燒傷。</p><p>　　3、檢查各固定部分螺絲，包括地腳螺絲、端蓋螺絲、軸承蓋

71、螺絲等。將松動的螺母擰緊。</p><p>　　4、檢查傳動裝置、檢查皮帶輪或聯(lián)軸器有無魄力、損壞，安裝是否牢固；皮帶及其聯(lián)結(jié)扣是否完好。</p><p>　　5、電機的啟動設(shè)備，也要及時清擦外部灰塵，擦拭觸頭，檢查各接線部位是否有燒傷痕跡，接地線是否良好。</p><p>　　6、軸承的檢查與維護。軸承在使用一段時間后應(yīng)該清洗，更換潤滑脂或潤滑油。清洗和換油的時間

72、，應(yīng)隨電機的工作情況，工作環(huán)境，清潔程度，潤滑劑種類而定，一般每工作3-6個月，應(yīng)該清洗一次，重新?lián)Q潤滑脂。油溫較高時，或者環(huán)境條件差、灰塵較多的電機要經(jīng)常清洗、換油。</p><p>　　7、絕緣情況的檢查。絕緣材料的絕緣能力因干燥程度不同而異，所以檢查電機繞組的干燥是非常重要的。電機工作環(huán)境潮濕、工作間有腐蝕性氣體等因素存在，都會破壞電絕緣。最常見的是繞組接地故障，即絕緣損壞，使帶電部分與機殼等不應(yīng)帶電的金屬

73、部分相碰，發(fā)生這種故障，不僅影響電機正常工作，還會危及人身安全。所以，電機在使用中，應(yīng)經(jīng)常檢查絕緣電阻，還要注意查看電機機殼接地是否可靠。</p><p>　　8、除了按上述幾項內(nèi)容對電機進行定期維護外，運行一年后要大修一次。大修的目的在于，對電機進行一次徹底、全面的檢查、維護，增補電機缺少、磨損的元件，徹底消除電機內(nèi)外的灰塵、污物，檢查絕緣情況，清洗軸承并檢查其磨損情況。發(fā)現(xiàn)問題，及時處理。</p>

74、<p>　　一般來說，只要使用正確，維護得當，發(fā)現(xiàn)故障及時處理，電機的工作壽命是很長的。</p><p><b>　　五、 總結(jié)與展望</b></p><p><b>　　5.1總結(jié)</b></p><p>　　本論文是在查閱了國內(nèi)外有關(guān)工業(yè)機器人研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，參考國內(nèi)外工業(yè)機器人的先進機型，

75、根據(jù)本課題的研究目標，對該工業(yè)機器人的本體結(jié)構(gòu)布局和轉(zhuǎn)動系統(tǒng)進行了設(shè)計，選擇了該工業(yè)機器人的本體結(jié)構(gòu)材料已經(jīng)手腕轉(zhuǎn)動系統(tǒng)中轉(zhuǎn)動零件型號，利用模塊化設(shè)計的思想，在Pro/E環(huán)境下對手腕結(jié)構(gòu)的三個模塊進行了設(shè)計，并對各個虛擬裝配模塊及整機虛擬裝配樣機進行了體積干涉檢測，全文主要完成了以下幾個方面的工作：</p><p>　　1.根據(jù)課題的研究目標以及該工業(yè)機器人的工作對象、工業(yè)任務(wù)和性能要求，參考國內(nèi)外工業(yè)機器人的先

76、進機型，確定了該工業(yè)機器人的基本技術(shù)參數(shù)，并對該工業(yè)機器人的本體結(jié)構(gòu)布局以及整機轉(zhuǎn)動系統(tǒng)進行了設(shè)計。</p><p>　　2.選擇了該工業(yè)機器人的本體結(jié)構(gòu)材料以及手腕轉(zhuǎn)動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動零件的型號，利用模塊設(shè)計的思想，將該工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)分成六大塊，并在Pro/E環(huán)境下對手腕結(jié)構(gòu)模塊進行了設(shè)計裝配，完成了該工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)的虛擬裝配及全局干涉檢測，并對各個虛擬裝配模塊及整機虛擬裝配樣機進行了體積干涉檢測。 </

77、p><p><b>　　5.2展望</b></p><p>　　本論文先對該六自由度關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人的本體結(jié)構(gòu)和整機轉(zhuǎn)動系統(tǒng)進行了設(shè)計，分析了該六自由度關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人的運動學(xué)，在Pro/E環(huán)境下對該六自由度關(guān)節(jié)型機器人的本體結(jié)構(gòu)進行了詳細的設(shè)計，并完成了整機的虛擬裝配和全局干涉檢測，完成了本體結(jié)構(gòu)的詳細設(shè)計，為該六自由度關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人物理樣機的制造奠定了基礎(chǔ)。但是，由

78、于本項目研究內(nèi)容的復(fù)雜性，本論文的研究內(nèi)容還存在一些不足之處，在此提出有待于以后深入的研究。</p><p>　　1.本文采用了臂、腕分離法求解出了運動學(xué)方程，但由于該機器人本體結(jié)構(gòu)的限制，關(guān)節(jié)變量不能在360度范圍內(nèi)運動。因此，該工業(yè)機器人運動學(xué)方程中，有些解是不能實現(xiàn)的，本文沒有根據(jù)“多移動小關(guān)節(jié)，少移動大關(guān)節(jié)”的原則，選擇出可能最滿意的一組。</p><p>　　2.引起工業(yè)機器人位

79、姿誤差的因素很多，對由負載力、加速力、自重等動態(tài)因素是如何引起該工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)動態(tài)誤差的以及控制系統(tǒng)的誤差本文沒有進行分析，由于位姿誤差分析的目的是要掌握各誤差源對工業(yè)機器人末端的位姿精度，但本文沒有完成誤差補償?shù)倪@部分工作。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　1、趙長德主編， <<機電一體化系統(tǒng)設(shè)計>> ，

80、 機械工程出版社， 2007年版 </p><p>　　2、陳錫璞主編， <<工程經(jīng)濟>>， 機械工程出版社， 2000年版 </p><p>　　3、徐建俊主編， <<電機與電氣控制>>， 機械工業(yè)出版社， 2008年版 </p&

81、gt;<p>　　4、張偉林主編， <<電氣控制與PLC綜合應(yīng)用技術(shù)>>， 人民郵電出版社， 2009年版 </p><p>　　5、徐 兵主編， <<機械裝配技術(shù)>>， 中國輕工業(yè)出版社， 2009年版</p><p><b>　　六、 致 謝</b></p&

82、gt;<p>　　在此我要感謝xx老師對我的指導(dǎo)，老師給我指出了正確的設(shè)計方向，使我加深了對知識的理解，老師的督促使我一直把畢業(yè)設(shè)計放在心里，保證按質(zhì)按量的完成，使我能夠順利的完成畢業(yè)論文。在我的學(xué)業(yè)和論文的研究工作中無不傾注著老師們辛勤的汗水和心血。老師的嚴謹治學(xué)態(tài)度、淵博的知識、無私的奉獻精神使我深受啟迪。從尊敬的導(dǎo)師身上，我不僅學(xué)到了扎實、寬廣的專業(yè)知識，也學(xué)到了做人的道理。在此我要向我的導(dǎo)師致以最衷心的感謝和深深的