（机械电子工程专业论文）用于组合式桥架机器人的小型直线驱动模块的设计.pdf

摘要 摘要 组合式桥架机器人( 国外称之为g a n t r yr o b o t ) 是由三个相互垂直的直线驱动 单元分别作x 向移动、y 向移动和z 向移动的单元组合而成。由于构成这种机器 人的三个相互垂直的直线驱动单元在结构和功能上都具有相似性，从模块化设计 的观点来看，这种机器人非常适合于进行模块化的设计。只要开发出适用于组合 式桥架机器人用的小型直线驱动单元，就能从根本上解决长期以来组合式桥架机 器人在设计和制造上品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、 成本高等缺点，有利于增强机器人设计与制造的柔性化。可见对组合式桥架机器 人小型直线驱动模块技术的研究有着很现实的技术经济价值。 本课题的主要任务是研究并开发适用于组合式桥架机器人用的小型直线驱动 模块单元。在论文的开始两章，介绍了国内外小型直线驱动模块研究的现状以及 模块化设计的理论。接着在后面章节依次介绍了如下部分：小型直线驱动模块的 方案论证；方案确定好以后，借助于实用化的c a d 软件m e c h a n i c a ld e s k t o p 即 m d t 对直线驱动单元进行了基于特征的三维实体模型的参数化设计，并对所设计 的直线驱动单元的部分关键零件进行了有限元分析；其次，针对用小型直线驱动 模块搭建的一个用于雕刻用途的台式样机的x 轴进行了关于小型直线驱动模块重 复定位精度的理论分析；最后，通过自行设计的测试系统软、硬件实现了被测模 块的运动控制，并借助于测试仪表获得关于小型直线驱动模块重复定位精度的实 验数据，使论文做到了理论分析与实验相结合。 本论文研究的特点主要有以下几个方面： 1 ) 将模块化的理论与具体的应用相结合，从而提出了本课题的研究对象一一小型 直线驱动模块，并在设计中将模块化与参数化设计方法的相结合。 2 ) 用有限元分析软件对设计的机架进行了应力、应变分析，从而在设计阶段就能 发现设计的缺陷，大大提高了工程设计的速度，打破了传统设计方法的思维方式， 符合现代设计方法的潮流。 3 ) 尝试着采用先进的微机版c a d 软件一- - m e c h a n i c a ld e s k t o p ( 简称m d t ) 进行 三维实体的参数化设计。这种价格适中的微机版c a d 软件成功的应用为中小型企 业实现设计的无图纸化提供了范例。 4 ) 本课题的研究对小型直线驱动模块的产业化来说具有一定的技术参考价值。 关键词：组合式桥架机器人、直线驱动模块、参数化设计 a b s 拄a c c a b s t r a c t c o m b i n a t i o ng a n t r yr o b o ti sat y p i c a le l e c t r o m e c h a n i c a lp r o d u c t s ，a n dw i d e l y u s e di nm a n yk i n d so ft r a d e f o re x a m p l e ，a u t o m o b i l ep r o d u c i n g ，m a c h i n ea n de l e c t r o n a s s e m b l y l i n ea n ds oo n c o m b i n a t i o ng a n t r yr o b o ti sm a d eu do ft h r e ev e r t i c a ld r i v e rm o d u l a re a c ho t h e r w h i c ha r exd i r e c t i o nm o d u l a r , yd i r e c t i o nm o d u l a ra n dzd i r e c t i o nm o d u l a r f r o mt h e v i e wo fp o i n to fm o d u l a r , t h i sk i n do fr o b o ti ss u i t a b l ef o rt h ed e s i g nm e t h o do fm o d u l a r b e c a u s et h e c o n f i g u r a t i o na n df u n c t i o no fd i r e c t i o nm o d u l a ri s s i m i l a r i fw ec a n d e v e l o pt h er e c o n f i g u r a t i o nm i n i t y p el i n e a rd r i v e rm o d u l a r , w e c a nr e s o l v et h ed i f f i c u l t y t h a tt h e r ea r et o om a n y s p e c i f i c a t i o n s ，l o ws t a n d a r dp a r t s ，t o ol o n gc y c l e o f o u t p u t ，h i g h p r i c ea n ds oo n s ow e t h i n kt h er e s e a r c ht om i n i t y p el i n e a rd r i v e rm o d u l a ri sw o r t h 1 nt l l i sp a p e la u t h o rf i r s ti n t r o d u c e sm e d e v e l o p m e n t o ft h el i n e a rd r i v e rm o d u l a r a n dt h et h i n k i n go fm o d u l a rd e s i g n ，i n c l u d ei t sc o n c e p t ，i t sc h a r a c t e r sa n di t sm e t h o d n e x td i s c u s st h ec r i t i c a lt e c h n o l o g ya b o u tm i n i t y p el i n e a rm o d u l a r a f t e rt h a tc r e a t3 d p a r a m e t r i cm o d e l i nm d t p l a t f o r ma n dc a r r y o u ta n a l y s et ot h ef r a m e b yf e a f o rm d t l a t e ro np e r f o r mp r e c i s i o na n a l y s et ot h em o d u l a ra n dt e s tm o d u l a rb yd e v e l o p m e n t c o n t r o ls y s t e mi n c l u d i n gs o f t w a r ea n dh a r d w a r e g e n e r a ls p e a k i n g ，t h er e s e a r c hm e t h o do fl i n e rd r i v e rm o d u l a ri sw o r t ht o p o p u l a r i z e e s p e c i a l l y , i ti sv e r ys i g n i f i c a t i v et om a n y m e d i u ma n ds m a l lc o m p a n y t h e m e t h o dc a nf e m a r k a b l ee n h a n c et h e i re f f i c i e n c yo fi n n o v a t i n gn e w p r o d u c t s k e y w o r d s ：c o m b i n a t i o ng a n t r y r o b o tl i n e a rd r i v e rm o d u l a r p a r a m e t e rd e s i g n l i 上海大学硕士研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d u 脏t h e s i so fs h a n g h a iu n e r s r i y 第一章前言 1 1 引言1 1 】1 2 】 组合式桥架机器人( 国外称之为g a n t r yr o b o t ) 是由三个相互垂直的直线驱 动单元分别作x 向移动、y 向移动和z 向移动的单元组合而成。这种机器人广泛的 应用于轻工、电子等自动化生产线上来实现零件或产品的拾取、装配、搬运等形 式的作业。 组合式桥架机器人最大的特点是在组成结构上都是由功能和结构相似的相互 垂直的直线驱动单元构成。组合式桥架机器人的构成很容易让人联想到中国古代 四大发明之一的活字印刷。受此启发，只要开发出构成组合式桥架机器人的一系 列直线驱动单元，在需要这种机器人时只要根据需要选用不同型号的直线驱动单 元，然后把这些单元搭配起来，配以通用的控制系统就可以得到一个具有高定位 精度，结构简洁的桥架式机器人。因此，研究并开发多系列不同型号的直线驱动 单元就成了开发组合式桥架机器人的关键问题所在。 1 2 国内外研究状况：【3 】 4 1 1 5 】【6 】【7 】 目前，随着我国轻工、电子行业的不断发展壮大，对高速、高重复定位精度 的组合式桥架机器人的需求正日益增加。但纵观国内市场，虽然有生产这种机器 人的厂家，但都是应客户要求为客户临时定做的产品，完全没有从满足市场的角 度出发，来设计、开发具有通用性、模块化、系列化的直线驱动单元，以满足客 户多样的要求。 相比之下，国外的一些工业发达国家，从市场的角度出发，已经开发出了具 有系列化、通用化的小型直线驱动模块产品。考虑到便于装配，这些公司开发的 驱动模块都具有良好的电气接口和专门的连接部件。客户只需要根据自己的需求 选定所要求的各个方向的直线驱动模块，就能搭建出自己所需的组合式桥架机器 人。根据收集的资料来看，目前已经形成产业化的企业主要有日本的i a i 株式会 社、韩国的大滓( d a s a t e c h ) 系统股份有限公司等。其中i a i 株式会社开发的单 轴直线驱动单元就有i s 、d s 、a s 、c r 四个系列，而每一系列又有若干型号，几乎 覆盖了用户所有的要求。韩国的大津( d a s a t e c h ) 系统股份有限公司除了丌发普 通系列化的模块外，还开发了高性能的高端产品，基于直线电机的d l m 系列直线 驱动单元。 此外还有一些企业，虽然公司的主要产品不是这种小型直线系列模块，但也 丌发了系列化的产品，而且其性能也很优越，这样的公司主要有美国( p a r k e r h a n n i f i n ) 派克汉尼汾、美国贝赛德( b a y s i d e ) 运动集团、w a r n e r 电气公司、 上海大学硕士研究生毕业论文 n ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n w e r s y i n d u s t r i a ld e v i c e s 公司、台湾的h i w i n 公司等。 下面的图表列出了上述公司开发的小型直线驱动模块的性能指标和产品外 韩国大津股份有限公司开发的d r m 系列的直线驱动模块 表1 1 系列机构宽行程( n l f f l )额定速度 重复定位电机功 ( m m )( m m s )精度( m m )率( w ) b r m 6 06 0l o o 4 0 05 0 0o 0 2i 0 0 d r m 8 08 02 0 0 1 0 0 05 0 0 、1 0 0 0o 0 21 0 0 d r m l 3 01 3 02 0 0 1 0 0 05 0 0 、1 0 0 0o 0 22 0 0 d r m l 6 0 1 6 02 0 0 1 5 0 05 0 0 、1 0 0 00 0 24 0 0 d r m 2 0 02 0 0 2 0 0 2 0 0 05 0 0 、1 0 0 0o 0 26 0 0 图l 一1 2 日本i a i 株式会社开发的i s 系列直线驱动模块 表i 一2 尺寸轴丝杠导程电机( w )行程( m m )速度定位精度( m m ) ( m m ) ( m s ) t ( 最小型)x 6 、1 2 6 01 0 0 4 0 0 6 0 0 0 0 2 ( 0 0 5 ) x 4 、8 、1 66 01 0 0 6 0 08 0 0 0 0 2 s ( 小型) y4 、8 、1 66 01 0 0 4 0 08 0 00 0 2 z4 、86 01 0 0 3 0 04 0 00 0 2 m ( 中型) x5 、1 0 、2 01 0 01 0 0 1 0 0 01 0 0 00 0 2 ( y ) 1 0 、2 02 0 08 0 0 2 0 0 01 0 0 0o0 2 z5 、1 01 0 0 ( 2 0 0 )1 0 0 1 0 0 05 0 00 ，0 2 l ( 人型)x 1 0 、2 0 2 0 0 ( 4 0 0 )1 0 0 1 2 0 01 0 0 000 2 2 02 0 0 ( 4 0 0 )1 0 0 0 2 5 0 0 1 0 0 0 o 0 2 y1 0 、2 02 0 0 ( 4 0 0 )1 0 0 1 2 0 01 0 0 00 0 2 z1 02 0 0 ( 4 0 0 )1 0 0 1 2 0 05 0 0o 0 2 上海大学硕士研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d u 舳t h e s i so fs i l k n g h a iu n i v e r s r r y 图1 2 上述直线驱动模块是国外发展的具有产业化的、广泛适用性的产品系列。此 外，为了满足一些特殊用户的需要，比如对速度和精度等有特殊要求的应用方面， 有些公司又开发了一些具有特色的直线驱动模块( 或平台) ，象同时具有高速、高 精度基于直线电机的直线驱动模块，和具有超高精度的亚微米、纳米重复定位精 度的定位平台等。 3 贝赛德运动集团开发的m 1 5 0 系列高精度直线驱动模块和高精度定位平台 表i - - 3 、 行程最大速度最大加速度 重复定位精精度( u 日) ( m )( n s )( m s 2 )度( u m ) m 1 5 03 0 03 0 01 5 0 0985 2 5 ( 2 7 ) m i s o r( m 1 5 0 * 4 0 0 )( 4 0 0 ) ( - 1 1 5 0 d ) m 1 5 06 0 0 6 0 01 2 0 09 853 5 m 1 5 08 0 08 0 01 0 0 0 9 8 54 0 ( 4 6 ) ( m 1 5 吐1 0 0 0 ) ( 1 0 0 0 ) m 1 5 0 l3 0 03 0 03 0 0 0421 0 m 1 5 0 l ( m 1 5 0 l 4 0 0 )( 4 0 0 ) m 1 5 0 l6 0 06 0 03 0 0 0 4 z1 2 ( m 1 5 0 l 8 0 0 ) ( 8 0 0 ) 上海大学硕十研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s 订y 4 美国派克汉尼汾开发基于直线电机的直线驱动模块 性能指标如下： 最高速度：3 0 0 0 m m s ： 最高加速度：5 g ； 最大行程：3 米； 位置精度：可达l u m 。 5 贝赛德运动集团开发基于直线电机和陶瓷电机的高精度定位平台 从收集的资料显示，该公司生产的以下两款基于直线驱动模块的定位平台代 表了目前业界的较高水平。 图1 5 具有亚微米重复定位精度的基于直线电机驱动的定位平台 上海大学硕士研究生毕业论文 t i ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n l v e r s r r y 图1 6 具有纳米重复定位精度的基于陶瓷电机驱动的定位平台 为了充分发挥自己产品的性能，这些公司在开发小型直线驱动模块的本体时， 还开发了用于自己产品相配套的控制器。如日本i a i 公司开发的超级s e l 控制器。 这种控制器不仅可以通过其特有的s e l 语言编写控制程序而且可以实现网络通讯， 从而大大提高了产品的适用性，并且便于实现网络化管理；韩国大津公司开发的 多轴机器人控制器，同样具有编程功能，而且内置了运动控制卡，能有效的改善 其小型直线模块的高速驱动性能。 以上就是当前大陆以外的企业发展小型直线驱动模块的情况，目前国内还没 有专业的生产厂家。尽管国内有些公司也推出所谓自己的产品，如苏州众和电子 推出了基于直线驱动模块的各种机器人，象电脑硅片切割机、冲切机等，但实质 上他们是美国派克汉尼汾公司在中国地区的一个代理商，他们并不生产直线驱动 模块，仅仅是把国外现成的模块拿来集成而已。但中国并不缺少代理商，缺少的 是具有自主知识产权的技术开发商。从中可以看出，国内在这方面的差距还是很 大的，但面对差距我们并不是无为的。通过分析构成小型直线驱动模块的关键技 术，可以看出，开发小型直线驱动模块的技术和组成其整体的零部件，国内已经 有了一定的基础。因此我们当前的任务是立足国内现有的技术水平来开发我们自 己的产品，从而迎头赶上，开创并形成一定的产业基地，来满足当前我国对组合 式桥架机器人的需求。 1 3 本课题的来源及性能指标 1 3 1 课题的研究内容 本课题是我系已经验收合格的国家8 6 3 课题“g a n t r y 型机器人模块化设计” 方向的拓展，主要研究用于组合式桥架机器人的小型直线驱动功能模块。目前， 本课题属于国家科技部的科技型中小企业技术创新基金项目。 从国外的情况以及实际应用的需求，课题的主要任务是研究具有实用意义的 高精度( 并兼顾实现高速度) 的小型直线驱动模块，并利用先进的c a d 软件对直 线驱动模块进行参数化设计和对设计的模型进行相应的分析和实验。 1 3 2 性能指标 上海大学硕士研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d u 舳t 旺s i so fs h a n g h a iu n e r s 一r 通过对比国外同类产品的技术指标，并根据我们目前所具备的科研条件及相 关技术的现有水平，拟达到的技术指标如下： 重复定位精度：0 0 2 m m 0 0 5 r a m 速度：0 4 5 m m i t l ( 可选指标) 1 4 小结 本章主要介绍了构成组合式桥架机器人的直线驱动单元模块国内外发展状 况，同时提出了本课题的研究内容和拟达到的性能指标。 上海大学硕士研究生毕业论文 t 旺p o s t g r a d u a t e t h e s i so fs h a n g h a lu n i v e r s r r y 第二章模块化设计的方法 2 1 引言 在对小型直线驱动模块进行系统的设计以前，有必要向读者介绍一下模块这 一概念。下面将在这一章对模块及模块化的设计方法进行具体的介绍，从而使读 者了解模块化设计在小型直线驱动单元研究中的指导意义。 本章首先讨论了模块化设计的思想和方法，具体包括模块化的概念、模块化 的特点、模块化设计的具体步骤、模块体系的建立方法以及模块化与c a d 的关系。 总的来说，模块化设计就是从系统观点出发，研究产品( 或系统) 的构成形 式，用分解和组合的方法，建立模块体系，并运用模块组合成产品( 或系统) 的 全过程，这种方法符合互换性、通用性的规则，设计的模块化产品一般具有标准 化、参数化和系列化的特点。 2 2 模块化及模块的概念1 8 1 1 9 】 模块化的概念应用在工程设计领域的历史并不长，但实际上，人们在很早以 前就开始在生产中有意或无意的应用模块化方法。例如我国古代四大发明之一的 活字印刷术，就是用字模的组合进行排版：先制作活字字模系统，捡字排版，印 刷完成后拆版，活字字模保存，下次再拿来使用。这就是一个“化整为零，再化 零为整”的过程。在日常生活中，我们也可以经常看到模块化的影子。比如组合 家具，就是将单独的家具作成可以拼接的模块，选择不同的模块，采用不同的组 合方式，可以构成不同的家具系统。 模块化是适应新产业革命形式、满足时代对多样性需求的一种极有前途的设 计方法，特别是以产品的多样化为由而形成的多品种小批量生产条件下，为取得 良好的经济效益开辟了一条新路。目前，在国外工业发达国家，模块化设计已取 得了显著的经济效益，在我国也已引起了广泛的重视。但是，由于我国在这方面 推广的力度不大，加上技术力量的薄弱，模块化设计技术并没有得到普遍的应用。 现在研究模块化设计方法，尤其是它的应用，将有很大的实际意义。 2 2 1 模块化的定义 关于模块化的定义，目前在国内外的文献中有各种各样的说法。根据我国模块 化理论专家童时中的定义，所谓模块化，就是为了取得最佳效益，从系统观点出 发，研究产品( 或系统的构成形式) ，用分解和组合的方法，建立模块体系，并运 用模块组合成产品( 或系统) 的全过程。从而揭示了模块化的如下含义： 1 ) 模块化的宗旨是效益 模块化是时代的需要，模块化的意图和最终目标，就是为了满足人们对多样 上海大学硕士研究生毕业论文 t 【ep o s t g r a d u t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s 兀y 化的需求和适应激烈的市场竞争，在多品种、小批量的生产方式下，实现最佳的 效益和质量。 2 ) 模块化的对象是产品( 或系统) 的构成 模块化不是研究和解决某一孤立的产品( 或系统) 的设计或构成的问题，而 是解决某类( 产品) 系统的最佳构成形式问题，即系统由标准化的模块组合而成。 由于模块化的对象是“系统”，因而运用系统工程的原理和方法，是开展模块化的 基本原则。 3 ) 模块化的主要方法是系统的分解和组合 模块化的产品( 或系统) 是由标准的模块组成的。模块如何产生，能否有效 地组合成产品( 系统) ，产品( 系统) 的分解和组合的技巧和运用水平，是模块化 的核心问题。 4 ) 模块化的目标是建立模块系统和对象系统 模块化活动的目标或产物有两个，即形成模块系统和模块化的产品系统。建 立模块系统是实施模块设计的前提，形成模块化产品( 系统) 则是模块化的最终 归宿。没有明确的模块化产品( 系统) 这一目标，则模块系统的建立是盲目的； 没有成系列的模块体系，则模块化仅是空谈。 2 2 2 模块的定义 模块化的基础是模块，所谓模块，就是可组合成系统的、具有某种确定功能和 接口结构的、典型的通用独立单元。 这个定义揭示了模块的如下特征： 1 ) 模块是可组合成系统的独立单元 模块是系统的组成部分。用模块可以组合成新的系统，也易于从系统中分离、 拆卸和更换；模块是构成系统的单元，离开了系统模块就失去其使用价值；用模 块可以组合成( 新) 系统，即系统本身是组合式结构。模块可以作为一个单元从 系统拆卸、取出和更换。 2 ) 模块具有确定的功能 模块虽是系统的组成部分，但它不是对系统任意分割的产物，它具有明确的 特定功能，这一功能不依附于其它功能而能独立地存在，并不受其它功能的干扰。 这种特定功能可以是系统按物理性能分解而得到的功能部件。没有确定功能的单 元不能算是模块。它作为一个单独的设计单元( 部件) ，而分头并行进行设计，可 以单独制造、甚至预制、储备，以供急需及维修之用：当由专业厂制造时，则成 为单独的商品：对模块的功能及性能可以单独进行检验、调试、测试和试验。 3 ) 模块是一种标准单元 模块结构具有典型性、通用性和兼容性，并往往可构成系列。这正是模块与 一般部件的区别。或者说模块具有标准化的属性。 上海大学硕士研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d ) u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i x e r s r r y 模块是通过对同类产品功能和结构的分析而分解出来的，是运用标准化中简 化和统一化方法而得出的具有典型性的部件，这个典型性正是模块具有广泛通用 性的基础。某些模块不仅通用于某些相似的产品，并可通用于某类产品或其它领 域的产品。模块的通用性通常体现在：互换性和兼容性上。模块的通用性是通过 其接口的标准化或通用化实现的。模块还常常按照系列化原理，使其功能和结构 形成系列，以满足不同规格、不同容量产品的需要。 4 ) 模块具有能组合成系统的接口 模块具有能传递功能，能组成系统的接口结构。设计和制造模块的目的是为 了用它来组合成系统。系统是一个有序的整体，各模块既有相对独立的功能，又 互有联系，模块经过有机结合而构成系统，模块间这种共享界面( 结合处) 就是 接口，接口的作用就是传递功能。模块通过接口进行串联、并联、辐射状或网状 连接而构成具有一定功能的系统。在模块化( 产品) 系统中，模块间接口的拂调 与匹配，是组成系统并保证系统正常运行的重要环节，接口是否良好将直接影响 到系统的质量和效率。 解决接口的途径有二：一是将接口结构作为模块的组成部分之一，在组装成 系统时通过连接件( 如紧固件、接插件、电缆等) 进行连接：二是设计辅助接口 模块，作为增强模块化系统的组成部分之一。只具有独立功能，但无接口结构的 单元，不能算是模块，只能算是产品，因为它不能构成系统。 2 3 模块化设计与c a d 9 】【1 0 l 【1 1 1 【1 2 】1 1 3 】【1 4 】【1 5 】 2 3 1 c a d 对模块化设计的意义 模块化产品设计的最终形式可分为三种： r ) 计算机仿真加工、虚拟制造； 2 ) 生成输出生产加工所需的图纸； 3 ) 经过c a p p c a m 处理直接在数控机床上加工成形。 模块化产品一般具有标准化、参数化和系列化的特点。对模块往往要进行 参数化设计，以便在设计要求变动时能自动更新模块的结构图。此外，通用模块 的设计、标准模块的选用、产品的模块化组合、模块的更新与改型、新模块的补 充也离不开c a d 技术，都需要c a d 软件的支持。利用c a d 软件建立模块的c a d 模 型、图形库、参数化的数据库，依靠计算机对模块进行管理、仿真和评价。因此 模块化设计离不开c a d ，c a d 可以大大提高模块化设计的效率、提高设计的质量、 降低成本、缩短设计周期。 2 3 2 模块化设计对c a d 软件的要求 从模块化设计过程、方法、特点以及设计结果出发，模块化设计对c a d 软件有 如下一些基本要求： 1 ) 有较强的三维实体建模与零部件装配约束功能： 上海大学硕士研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d u t et h e s i so fs l g h a iu n l v e r s r r y 2 ) 具有较强的绘图功能，能自动生成两维图，且两维图要与三维模型能够实现双 向关联，即任何一方的改动都会引起另一方的同步变化； 3 ) 系统便于用户定制，支持多样的二次开发手段，功能强大； 4 ) 支持多种数据交换格式和接口，便于调用其它相关软件进行数据处理和交换。 如有限元分析等； 5 ) 良好的开放式体系结构，拥有功能强大、数量众多的相关的支撑软件。如机构 运动动态仿真、c a p p c a m ，虚拟加工等。 2 3 3 三维c a d 软件m d t5 0 m d t5 0 ( m e c h a n i c a ld e s k t o p ) 是a u t o d e s k 公司在a u t o c a d2 0 0 0 版本基 础上利用o b j e c ta r x 技术开发的机械设计平台。m d t 是基于特征的参数化三维实 体造型软件，是融二维绘图和三维实体造型于一体的机械设计平台。包括参数化 实体造型，n u r b s 曲面造型，基于约束的零部件装配及干涉检查，二维与三维双向 关联绘图等功能。m d t 中的尺寸标注既可以是常量也可以是变量。当采用变量标注 时，设计完以后，可以将零部件设计时所使用的尺寸变量以后缀名为p r m 的文本 文件的格式输出，便于用户修改以实现参数化的设计。 更为重要的是，m d t 不仅仅只是一个三维实体软件，1 9 9 6 年a u t o d e s k 公司宣 布了在m d t 基础上与a n s y s 、g e n i u s 等八家专业软件公司结成了m a i ( m e c h a n i c a l a p p l i c a t i o ni n i t i a t i v e ) 战略同盟。m a i 战略同盟的形成，使基于m d t 的应用软 件开发能够在统一的开发指导原则下，采用基于m d t 的用户界面、开发环境和实 体数据结构，为c a d c a e c a m 的无缝集成提供了一体化的解决方案，形成了一个 以a u t o d e s k 为核心的强大的c a d c a e c a m 软件开发阵营。例如m s c 公司的动态仿 真软件w o r k i n gm o d a lm o t i o n 和有限元分析软件w o r k i n gm o d a lf e a 都专门开发 了f o rm d t 版本，对于用m d t 设计的零部件可以直接进行处理，实现了与m d t 的 无缝接口。 鉴于以上分析，本课题将选用m d t 作为课题的模块化、参数化设计的工具软 件。如何使用m d t 进行参数化的具体设计以及如何利用m d t 的应力分析软件对模 型进行应力分析将在后面的章节具体论述。 2 4 本章小结 本章前半部分介绍了模块化设计方法的概念以及模块化设计的意义，后半部 分从模块化和c a d 之间的关系出发，介绍了当前c a d 软件的发展情况，并确定在 课题的设计中采用先进的c a d 软件m d t 来实现小型直线驱动模块的三维参数化设 计。 l o 上海大学硕士研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n r v e r s 兀y 第三章小型直线驱动模块的方案论证 3 1 引言 小型直线驱动模块是典型的机电一体化产品，同时也是一个多技术多学科的 模块化集成系统。目前小型直线驱动模块的研究正向着高速、高精度方向发展， 对它的研究涉及到机械本体的结构设计和强、刚度分析，滚珠丝杠副，直线轴承、 导轨及支承，电机及驱动控制等。图3 1 是一个典型的小型直线驱动模块的结构 图。下面将从以下几个方面进行方案论证。 图3 1 一个典型的小型直线驱动模块结构图 3 2 方案论证 3 2 1 主体机架1 5 】【1 8 】【1 9 】 机架是直线驱动模块的关键组成部分，要求所设计的机架本体有足够的强度 和刚度，只要保证机架在一定的载荷范围内其变形不至于影响到固定在机架上两 导轨间的平行度。另外，机架的结构设计还应朝着有利于实现驱动模块小型化的 方向发展，以及模块产品外形美观、便于密封等要求出发。 目前机架的材料一般大都采用铝合金，使用铝合金一方面便于加工，另一方 面其强度、刚度也符合要求而且同样体积条件下的重量轻。目前市面上见到的机 架可以分为两种类型：兼作导轨作用的机架和仅提供导轨安装位置的机架。前一 种是在机架的两个支撑壁内侧面加工出导槽( 如图3 2 所示) ，这样对机架的加 工工艺及材料都有很高的要求，目前只有同本的i a i 株式会社采用。后一种又分 上海大学硕士研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d u a 兀! t h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s 兀y 为两种形式：一种是导轨安装在机架的上部( 如图3 3 所示) ，另一种是导轨安 装在机架的底部( 如图3 4 所示) 。由于后种机架两种安装形式的结构简单， 成本低、工艺性好，是目前多数直线驱动单元所采用的方式，这样的结构有利于 降低机架制造的工艺技术指标，符合实际的需要。 图3 2 兼作导轨作用机架的截面示意图 图3 3 导轨安装在机架上部 图3 4 导轨安装在机架底部 上述三种形式的机架单从承载效果来看，图3 4 中显示的机架显然是最好的。 上海大学硕士研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s r r y 重心低，机架在载荷作用下变形小，且变形对两导轨的影响小。另外，这种机架 成型简单，加工面少，经济成本低。但这种结构限制了设计的小型化。 图3 2 的机架形式复杂，加工要求高。但这种结构的承载刚性好，最重要的 是这种结构有利于产品设计的小型化，而且外形精美，符合市场的审美要求。目 前，广泛应用在日本i h i 株式会社的产品中，该公司己为这种结构申请了专利。 图3 3 的机架应该说是一种折中方案，结构简单，加工面少，有利于小型化， 经济性好，外形还可以做的更加精致。从承载性能上来看，在同样条件下这种机 架的承载能力稍差一些，但设计时只要适当加大两支承壁的厚度这种不足仍然可 以克服。 从上面的分析可以看出，采用图3 3 和图3 4 的机架无论从成本还是工艺 加工的可行性方面都是比较容易实现的。因此在小型直线驱动模块产业化的前期 开发过程中应该采用上述两种机架形式。但从研究的角度来看，图3 2 的机架形 式应该作为目前研究的重点，在第四章参数化设计部分对图3 2 的机架形式进行 了基于特征的三维参数化实体造型，并对三维实体模型进行了有限元分析。 3 2 2 导轨的安装【5 l 【1 8 】【1 9 】 对于图3 3 和3 4 的机架形式，可以采用圆导轨也可以采用方导轨，其中 圆导轨安装结构示意图如图3 5 所示。一般说来方导轨导向精度和承载效果要好 于圆导轨，但在轻载的情况下，采用圆导轨也可以达到很好的效果，而且价格也 便宜。 图3 5 圆导轨安装结构示意图 对于图3 2 的机架结构，由于导向方式采用的是导槽结构，无须导轨，其结 构形式如图3 6 所示。这种结构实际上可以看作是导轨和滑块运动形式的对调。 在通常的情况下，导轨固定，滑块运动，载物台固定在滑块上；而导槽的结构正 好反过来，与载物台做成一体的导轨移动，而充当滑块的导槽与机架一体成为固 定件。从图3 6 的示意图可以看出，这种结构从机架到与载物台作成一体的导轨 都是比较复杂的，目前只有r 本i a i 的产品应用了这样的设计形式，从而大大减 小了小型直线驱动模块的体积。从研究的角度来看这应该是研究的重点形式。 上海大学硕士研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so f s h a n g h a iu n r v e r s 丌y 图3 6 基于导槽结构形式的导轨结构示意图 3 2 3 电机的选择【1 8 】【1 9 】t 2 0 l 【2 1 l 电机的选取决定了直线驱动模块本身的技术指标和搭建后机器人整体控制系 统的难易。可以选择的电机类型有步进电机、交流伺服电机、直线电机等。 对于步进电机来说，由于步进电机本身性能的特点，一般比较适合用在对速 度要求不是很高的低速直线驱动模块中。由于步进电机的行程与步进脉冲具有一 一对应的关系，只要保证步进电机运行不失步，其控制系统常常采用开环控制就 可以达到很高的重复定位精度。另外，随着步进电机技术的发展，一些高性能步 进电机的出现，使得步进电机的应用范围更大，在一些高速场合一样可以看到步 进电机的身影，缺点是价格一般较高。 一般说来交流伺服电机则具有很好的速度特性。由于交流伺服电机的运转速 度与电流的大小有关，调速性能很好，在工业控制领域得到广泛的应用。但交流 伺服系统一般是闭环控制，系统比较复杂。为了实现定位要求，必须引入各种形 式的位移传感器，常用的有旋转编码盘等。 直线步进电机是旋转步进电机的另一种形式，但性能很好，一般常用在要求 高速、高精度的高档直线驱动模块上。以上就是直线驱动模块可以采用的电机类 型，在开发不同性能的直线驱动模块时，电机的选择决定了整个系统最后能达到 的技术性能指标。 在课题的研究中，选用了步进电机作为小型直线驱动模块驱动电机，由于控 制步进电机的脉冲数和步进电机的行走步数一一对应，只要保证步进电机在启动 和停止阶段不失步，就可以达到一定范围内的定位精度要求，因此控制系统可以 上海大学硕士研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d u 胍t h e s l s0 fs l a n g h a iu n e r s r r y 采用开环控制，这样可以大大简化控制系统开发的难度。 3 2 4 控制系统1 1 8 1 1 9 】【2 0 】1 2 l 】 控制系统设计的好坏关系到桥架式机器人工作的平稳性、灵活性和准确性的 问题。一个具有针对性的控制器，能大大降低用户使用的技术难度。 一般来说，考虑到自身产品的应用范围，大多数有实力的公司都会有针对性 的开发面向特定应用领域的控制器。目前几大直线驱动模块的生产商都生产了与 自己产品配套的适用于工业领域的控制器。如日本i h i 公司为其模块开发了d s 和 超级s e l 两款控制器；韩国大滓公司也开发了适合于自己模块的系列化控制器， 来满足工业控制中的控制要求。 小型直线驱动模块的应用领域主要在自动化流水线上用来实现机械手的快速 移动和定位，控制工艺简单。因此对于用在工业环境中的小型直线驱动模块来说， 采用p l c 作为控制器基本可以满足需要。对于工业环境下的控制器而言，着重强 调的是控制的可靠性，对其灵活性的要求倒在其次。另外，p l c 不适合用于数据的 处理工作。因此，当我们强调控制器的灵活性，并要求进行数据的处理时，往往 采用以单片机为核心的控制系统。而专门用于完成数据处理任务的数字信号处理 器( d s p ) 的出现，使得必须由单片机处理的数据大大减少，从而把单片机解放出 来，这样更能够发挥单片机控制的灵活性。例如，目前国内市场上各种以小型直 线驱动模块搭建的雕刻机所采用的控制器，大都是以单片机为核心的控制系统。 这主要是因为在雕刻时控制系统需要进行大量的计算和数据处理。到底采用那种 控制系统与小型直线驱动模块的应用领域有关。 在后面章节的测试实验中，笔者自行开发了个基于单片机控制的测试系统， 用来控制雕刻机上的一个轴即一个小型直线驱动模块来完成实验测试。 3 2 5 直接驱动f 1 8 】【1 9 】【2 2 】【2 3 】 为了把电机的旋转运动转化为负载需要的直线运动，需要借助于丝杠把电机 的扭矩转化为沿丝杠方向的轴向推力，从而推动负载沿导轨的直线方向运动。为 了实现这种运动的转换，需要把丝杠和电机连接起来。 根据收集的资料显示，在小型直线驱动模块的设计中广泛采用的是直接驱动 ( d i r e c td r i v e ) 的连接方式。所谓直接驱动( d d ) ，就是电机与其所驱动的负载 直接耦合在一起，中间不存在任何过渡的传动机构。直接驱动具有机械刚性好， 可以高速高精度动作，且具有部件少、结构简单、容易维修、可靠性高等特点。 在小型直线驱动模块的设计中，直接驱动就是要把电机和滚珠丝杠直接连接 起来。这种连接一般采用刚性联轴器，较为高级的形式是滚珠丝杠同电机转子做 成一个整体。如同本i a i 公司开发的直线驱动模块，其电机转子就是同丝杠做成 一体的，但这需要较高的技术要求，不是一般企业所能做到的。因此，在课题的 设计中电机和丝杠的联接采用的是刚性联轴器。 上海大学硕士研究生毕业论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs l a n g h a iu n e r s r r y 3 2 6 滚珠丝杠f 1 8 】【2 1 】【2 4 l 2 5 】 z 6 】1 2 7 2 8 】【2 9 】 滚珠丝杠也称球轴承螺杆或循环滚珠螺杆等，其结构包括螺杆、螺帽、循环器 及钢珠。滚珠丝杠同传统的螺杆相比，由于丝杠和螺母之间的接触为滚动接触， 这使得其传动效率高达9 5 以上，而所需要的扭矩只有普通传动螺杆的1 3 ，因此 可以轻易的将直线运动转换成回转运动。 由于滚珠丝杠副具有高效率、高精度、高刚度等特点，被广泛应用于机电、 航天、航空、核工业等领域。现在，滚珠丝杠副已成为机械传动与定位的重要部 件。滚珠丝杠作为现代工业必不可少的传动部件，以它优良的性能可以胜任大多 数要求高速、高精度传动的场合。纵观滚珠丝杠的技术发展过程，滚珠丝杠副的 功能从最初的“敏捷省能传动”到“精密定位”，再从“大导程高速驱动”到“精 密高速型”。目前其性能已经有了质的飞跃。围绕滚珠丝杠副技术的发展，工程技 术人员作了大量的工作；提出了许多种消除滚珠丝杠副正反向运动时产生间隙的 方法，以及通过施加预压力增加丝杠的刚性，通过不同的支撑方式改善丝杠的性 能等。下面将对这些方法予以介绍。 3 2 6 1 滚珠丝杠螺母副背隙的产生原因及消除方法 对于没有经过特别消隙处理的滚珠丝杠螺母副而言，滚珠与丝杠间的接触形式 可以用图3 7 所示的齿面接触来近似代替，由于螺纹间有侧向间隙，反向运动时 有空行程，这样会降低滚珠丝杠的定位精度和轴向刚度。如图3 7 所示，当丝杠 正转带动螺母正向运动时，丝杠与螺母间的接触面是一个方向上的齿面接触，另 一面则存在背隙；当丝杠反转运动时，由于背隙的存在，使得反向运动不能被马 上响应，从而导致定位误差的产生。 图3 7 丝杠螺母副啮合示意图 为了消除背隙存在对滚珠丝杠副定位精度的影响，下面是一些常见的方法： 1 使用双圆弧面消除背隙 如图3 - - 8 所示，( a ) 是典型的滚珠丝杠滚道接触形式，这种接触形式称为半 圆弧面接触。在传动的过程中，由于背隙的存在，反向运动时会有空行程。对于 这种接触形式，为了消除背隙的影响，需要采用下面介绍的双螺母结构。图(