三自由度机械手设计【全套6张cad图纸和毕业论文】

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关键词：: 自由度机械手设计全套 cad 图纸以及毕业论文

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三自由度机械手设计
摘要
在工业上，自动控制系统有着广泛的应用，如工业自动化机床控制，计算机系统，机器人等。而工业机器人是相对较新的电子设备，它正开始改变现代化工业面貌。机械手是机器人的操作机，是机器人完成各种任务的执行机构。
本文主要针对生产线上的自动化设计了一个三自由度搬运机械手，实现生产的自动化。减轻了工人的劳动强度，提高了劳动生产率。
该机械手采用电机驱动，实现了伸缩、升降、旋转等动作。为了现实这些动作，采用部件设计，分别实现这些动作。比如了为实现伸缩这个动作，设计了一个水平伸缩机构。PLC把各个部件的独立运动协调起来，形成了一个有规则运动系统。各个部件的联接，先铸造出一个合格的机械本体，把各个部件安装在机械本体上，形成一个机器。控制系统采用PLC控制。
关键词： PLC；三自由度；工业机器人。

A design of three degree Manipulator
Abstract
Industrially, voluntarily control system has extensive application, such as automation machine tool control, computer systems and robotics. Industrial robots are relatively new electromechanical devices that are beginning to change the appearance of modern industry.
Manipulator is the operation of the robot, it is the actuator of robot complete various tasks. This paper has designed a four free degrees carry manipulator for the automation on production line, realize the automation of production. it alleviated the labour strength of worker, it raised labor productivity.
This manipulator drives with motor, have realized to stretch out and draw back , rise to fall , spin , clip etc. the achievement of these movements. Design with parts, realizes these movements. For example to realization flex movement, have designed a horizontal telescoping mechanism. PLC coordinates the independent sport of every parts, formed a regular sport system. The coupling of every parts, casting makes a acceptable mechanical body, Install every parts in mechanical body, become a machine. Control system adopts PLC control, Program compiles with T .
Key words: PLC；three degrees of freedom；Industrial robot

目录
摘要 i
Abstract ii
目录 I
第一章绪论 1
第二章滚珠丝杠螺母副的选型 3
第一节提升机构滚珠丝杠副的计算及选型 3
一、计算进提升率引力 3
二、计算最大动负载 4
三、滚珠丝杠螺母副的选型 5
四、传动效率的计算 6
五、刚度验算 6
第二节伸缩机构滚珠丝杠副的计算及选型 8
一、计算进伸缩率引力Fm 8
二、计算最大动负载C 8
三、滚珠丝杠螺母副的选型 9
四、传动效率的计算 9
五、刚度验算 9
第三章齿轮传动比的设计计算 11
第一节提升机构齿轮箱传动比计算 11
第二节伸缩机构齿轮箱传动比计算 11
第三节涡轮蜗杆传动的设计计算 12
一、面接触疲劳强度设计 12
二、涡轮蜗杆的主要参数和几何尺寸设计 14
三、齿根弯曲疲劳强度的校核 14
四、精度等级公差和表面粗糙度的确定 15
第四章电机的计算和选型 16
第一节步进电机概述 16
一、感应子式步进电机特点 16
二、驱动控制系统组成 16
第二节步进电机的计算及选型 17
一、提升机构步进电机的计算及选型 17
二、伸缩机构步进电机的计算及选型 21
第三节涡轮蜗杆电机的计算及选型 25
一、电机的计算及选型 25
二、联轴器的计算及选型 25
第五章接近开关及限位开关的选型 27
第一节接近开关的工作原理及选型 27
一、接近开关概述 27
二、接近开关的选型 29
第二节限位开关的工作原理及选型 30
第六章机械手PLC控制系统设计 32
第一节 PLC的基本概念 32
一、 PLC产生和发展过程 32
二、 PLC的应用领域 33
三、 PLC的发展趋势 34
四、 PLC的特点 35
五、 PLC的分类 36
第二节 PLC的工作原理 37
一、梯形图编辑 38
二、梯形图的格式 39
三、 PLC梯形图编程格式的特点 39
第三节 PLC的选型及PLC外部接线图设计 39
结论 41
致　　谢 42
参考文献 43
附录一 44
附录二 58

第一章绪论
工业机器人是机械技术、电子技术与计算机技术有机结合在一起形成的一种机电一体化的产品，从其诞生起就受到人们的关心与重视。经过几十年的发展，目前工业机器人技术已经很成熟。工业机器人已从最初在解决劳动密集型工业中单调、重复的体力劳动发展到满足制造业自动化规模生产需要的工作。其应用领域不断扩大，从最初主要应用于汽车工业发展到现在涉及制造业的各个行业。目前我国国民经济的快速发展，先进制造业已进入一个新的发展阶段。
随着经济全球化和我国加入WTO，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际竞争的局面。如何适应快速变化的国内外市场需求，如何以高质量、低成本、快速反应的手段在市场中取得生存和发展，已是我国企业不容回避的问题，这些问题为工业机器人的应用提供了大的市场需求，促使中国工业机器人的应用市场日趋成熟。近几年来，国外著名的工业机器人制造厂商纷纷加大了在我国的投资和应用技术的投入，对我国的国产工业机器人产业的发展带来了严峻的挑战。我国政府非常重视机器人技术的发展，从“七五”科技攻关及实施863 计划开始，就有计划地组织和发展工业机器人事业，经过20多年的研制和应用，目前在工业机器人的一

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内容简介：: 三自由度机械手设计摘要在工业上，自动控制系统有着广泛的应用，如工业自动化机床控制，计算机系统，机器人等。而工业机器人是相对较新的电子设备，它正开始改变现代化工业面貌。机械手是机器人的操作机，是机器人完成各种任务的执行机构。本文主要针对生产线上的自动化设计了一个三自由度搬运机械手，实现生产的自动化。减轻了工人的劳动强度，提高了劳动生产率。该机械手采用电机驱动，实现了伸缩、升降、旋转等动作。为了现实这些动作，采用部件设计，分别实现这些动作。比如了为实现伸缩这个动作，设计了一个水平伸缩机构。PLC把各个部件的独立运动协调起来，形成了一个有规则运动系统。各个部件的联接，先铸造出一个合格的机械本体，把各个部件安装在机械本体上，形成一个机器。控制系统采用PLC控制。关键词： PLC；三自由度；工业机器人。A design of three degree ManipulatorAbstract Industrially, voluntarily control system has extensive application, such as automation machine tool control, computer systems and robotics. Industrial robots are relatively new electromechanical devices that are beginning to change the appearance of modern industry.Manipulator is the operation of the robot, it is the actuator of robot complete various tasks. This paper has designed a four free degrees carry manipulator for the automation on production line, realize the automation of production. it alleviated the labour strength of worker, it raised labor productivity.This manipulator drives with motor, have realized to stretch out and draw back , rise to fall , spin , clip etc. the achievement of these movements. Design with parts, realizes these movements. For example to realization flex movement, have designed a horizontal telescoping mechanism. PLC coordinates the independent sport of every parts, formed a regular sport system. The coupling of every parts, casting makes a acceptable mechanical body, Install every parts in mechanical body, become a machine. Control system adopts PLC control, Program compiles with T .Key words: PLC；three degrees of freedom；Industrial robot 72目录摘要iAbstractii目录I第一章绪论1第二章滚珠丝杠螺母副的选型3第一节提升机构滚珠丝杠副的计算及选型3一、计算进提升率引力3二、计算最大动负载4三、滚珠丝杠螺母副的选型5四、传动效率的计算6五、刚度验算6第二节伸缩机构滚珠丝杠副的计算及选型8一、计算进伸缩率引力Fm8二、计算最大动负载C8三、滚珠丝杠螺母副的选型9四、传动效率的计算9五、刚度验算9第三章齿轮传动比的设计计算11第一节提升机构齿轮箱传动比计算11第二节伸缩机构齿轮箱传动比计算11第三节涡轮蜗杆传动的设计计算12一、面接触疲劳强度设计12二、涡轮蜗杆的主要参数和几何尺寸设计14三、齿根弯曲疲劳强度的校核14四、精度等级公差和表面粗糙度的确定15第四章电机的计算和选型16第一节步进电机概述16一、感应子式步进电机特点16二、驱动控制系统组成16第二节步进电机的计算及选型17一、提升机构步进电机的计算及选型17二、伸缩机构步进电机的计算及选型21第三节涡轮蜗杆电机的计算及选型25一、电机的计算及选型25二、联轴器的计算及选型25第五章接近开关及限位开关的选型27第一节接近开关的工作原理及选型27一、接近开关概述27二、接近开关的选型29第二节限位开关的工作原理及选型30第六章机械手PLC控制系统设计32第一节 PLC的基本概念32一、 PLC产生和发展过程32二、 PLC的应用领域33三、 PLC的发展趋势34四、 PLC的特点35五、 PLC的分类36第二节 PLC的工作原理37一、梯形图编辑38二、梯形图的格式39三、 PLC梯形图编程格式的特点39第三节 PLC的选型及PLC外部接线图设计39结论41致谢42参考文献43附录一44附录二58第一章绪论工业机器人是机械技术、电子技术与计算机技术有机结合在一起形成的一种机电一体化的产品，从其诞生起就受到人们的关心与重视。经过几十年的发展，目前工业机器人技术已经很成熟。工业机器人已从最初在解决劳动密集型工业中单调、重复的体力劳动发展到满足制造业自动化规模生产需要的工作。其应用领域不断扩大，从最初主要应用于汽车工业发展到现在涉及制造业的各个行业。目前我国国民经济的快速发展，先进制造业已进入一个新的发展阶段。随着经济全球化和我国加入WTO，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际竞争的局面。如何适应快速变化的国内外市场需求，如何以高质量、低成本、快速反应的手段在市场中取得生存和发展，已是我国企业不容回避的问题，这些问题为工业机器人的应用提供了大的市场需求，促使中国工业机器人的应用市场日趋成熟。近几年来，国外著名的工业机器人制造厂商纷纷加大了在我国的投资和应用技术的投入，对我国的国产工业机器人产业的发展带来了严峻的挑战。我国政府非常重视机器人技术的发展，从“七五”科技攻关及实施863 计划开始，就有计划地组织和发展工业机器人事业，经过20多年的研制和应用，目前在工业机器人的一些机种方面，如喷漆机器人、焊接机器人、搬运机器人、装配机器人和特种机器人都有了长足的进步，基本掌握了工业机器人的设计制造技术和机器人应用中单元和生产线的设计、制造技术，有了一支具有一定水平的技术队伍，奠定了我国独立自主发展机器人产业的基础。但是，我国工业机器人在总体技术上与国外先进水平相比还有很大差距，仅相当于国外九十年代中期的水平。目前工业机器人的生产规模仍然不大，多数是单件小批生产，关键配套的单元部件和器件始终处于进口状态，工业机器人的性价比较低。我国整体装备制造水平不高，制约了我国工业机器人产业的形成和实现规模化的发展。尽管中国工业机器人的需求在逐年增加，但要能为用户提供高质价廉的工业机器人商品，目前在我国尚有较长的路程。首先为了促进中国工业机器人产业的发展，必须在以市场需求为主的前提下，国家在政策上鼓励企业在技术投入和技术改造方面应用国产工业机器人。同时转变现有的机制，建立以适应市场经济所需的工业机器人的产业基地。其次，在国家的科技发展规划中，应继续对工业机器人的研究开发和应用关键、基础部件的研究和产品化给予支持，形成产品和自动化制造装备同步协调发展的新局面。第三，结合我国的国情，加强我国工业机器人应用工程的开发，使之与国民经济的发展密切相结合。经过近十年的努力，我国在工业机器人应用工程的开发方面已具有相当的实力，已有一支了解企业的需求，能开发出符合实际使用条件应用工程，成本低，服务及时，具备与国外公司的竞争能力，因此加强工业机器人应用工程的开发，并围绕应用工程的需要进行工业机器人新产品的开发，使之具有一定的规模化生产能力，这样可以促进我国企业的技术进步和提高竞争力，同时工业机器人的应用也可形成具有一定规模的产业。如果说20 世纪90 年代机床创新的最大成就是发明并联机床的话，那么当今工业机器人在机床上的应用已成为发展的一大趋向。机器人与机床相结合，以往主要是解决工件自动上下料搬运问题，致使机床得以无人化24 小时连续运转。如擅长专机制作的意大利COMAU 公司，他们比较成熟地将缸体及缸盖生产线中的零件搬运，设计成由机器人完成。当然，对工件的抛光打磨、清洗及其它脏、累活也是机器人表现的舞台。去年9 月在汉诺威EMO2005 展览会上，工业机器人的应用非常抢眼，而且它应用的领域也在扩大。然而在这次CCMT2006 展览会上，值得一机器人应用是当今机床发展的一大趋向提的是1 号馆W 1 - 9 1 6 意大利意沃乐EVOLUT 公司，这个欧洲最大的机器人应用与集成公司，他们的一台DC-5 机器人修边、倒角装置特别引人注目。该机器人可以装夹工具对主轴上零件修边去毛刺，甚至机器人可以加装动力源用刀具对零件进行加工，因此它已将机械人传统的搬运、喷漆、焊接工作范围扩展到了金属切削及抛光领域。工作单元还可以配备各种上料方式：如带视频装置可抓取随机摆放的工件，或以旋转台摆放，或以传送带摆放等等。DC-5 工作单元可以处理的最大负荷为120/150kg。适宜加工的金属材料为铝镁合金、铜、铅、铸铁等。可以代替至少四个工人的工作量。3 D 编程软件将以往8 小时编程时间缩减为15 分钟，为小批量多品种的工件提供最好的解决方案。意沃乐公司除此以外最常涉足的领域还有用于压铸单元、车、铣中心单元、复合机床单元、零件抛光单元上的各种机械人应用等等。随着社会的不断发展和进步，势必劳动力的成本将越来越高，对环保及安全的要求将越来越严，所以工业机器人的应用必将与时俱进。而且，由机器人干出的工件，譬如说打磨，其零件的一致性肯定比人工来得好，因此欧洲有些名牌汽车制造商甚至对某些零件的某些工步，规定必须由机器人来操作。由此看来，工业机器人在机床上的应用会将越来越广。第二章滚珠丝杠螺母副的选型滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择结构类型，确定滚珠循环方式，滚珠丝杠副的预紧方式。结构类型确定以后，再计算和确定其他技术参数，包括：公称直径d0,导程，滚珠丝杠的工作圈数，列数，精度等级等。滚珠的循环方式可分为外循环和内循环两大类，外循环又分为螺旋槽式和插管式。滚珠丝杠副的预紧方法有：双螺母垫片式预紧，双螺母螺纹式预紧，双螺母齿差式预紧，单螺母变导程预紧，以及过盈预紧等。滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。这一发展的深刻意义如同滚动轴承对滑动轴承所带来得改变一样。滚珠丝杠副因优良的摩擦特性使其广泛的运用于各种工业设备、精密仪器、精密数控机床。尤其是近年来，滚珠丝杠副作为数控机床直线驱动执行单元，在机床行业得到广泛运用，极大的推动了机床行业的数控化发展。这些都取决于其具有以下几个方面的优良特性：由于滚珠丝杠副运转顺滑、消除轴向间隙以及制造的一致性，采用多套滚珠丝杠副方案驱动同一装置或多个相同部件时，可获得很好的同步工作。传动效率高、定位精度高、传动可逆性、使用寿命长、同步性能好第一节提升机构滚珠丝杠副的计算及选型一、计算进提升率引力作用在丝杠上的提升率引力主要包括工作在上升时移动件的重量及其作用在导轨上的摩擦力。因而其数值大小和导轨的型式有关。Fm（N）计算公式如下：矩形导轨：燕尾形导轨：三角形或综合导轨：式中重力在各方向上的分力；水平工作台重力；考虑颠覆力矩影响的实验系数在正常情况下，可取以下数值：矩形导轨燕尾三角形或综合导轨上列摩擦系数均是指滑动导轨。设计的铣床自动装卸料机械手的最大抓取重量为2，机械手伸缩机构总重量，水平机构工作台重量，提升机构工作臂重量。显然在最底点上升时丝杠受力最大，此时此设计中选用矩形导轨 = =二、计算最大动负载选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象，这个轴向负载的最大值即称为滚珠丝杠能承受的最大动负载C，可用下式计算：式中寿命，为转为一个单位，丝杠转速，用下式计算为最大负载条件下的进给速度；丝杠的导程，；使用寿命，一般；运转系数，见表表运转系数运转状态运转系数无冲击运转 1.01.2 一般运转 1.21.5 有冲击运转 1.52.5该设计的最大负载条件下的进给速度为，丝杠导程初选，运转状态为一般运转，三、滚珠丝杠螺母副的选型查阅数控机床课程设计指导书附录A 表3可采用 1列圈外循环螺纹预紧滚珠丝杠副，额定动载荷为8800N，可满足要求，选定精度等级为3级。四、传动效率的计算滚珠丝杠螺母副的传动效率：式中丝杠螺旋长升角；摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数，其摩擦角约等于。 =五、刚度验算先画出提升机构丝杠支承方式草图如图1-2所示。最大牵引力为570.76N，支承间距为，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负载的。图1-1提升机构系统计算简图（一）丝杠拉伸或压缩变形量查数控机床课程设计指导书图4-6，根据，查出，可算出：由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍，其实际变形量（）为：（二）滚珠与螺纹滚道间的接触变形查数控机床课程设计指导书图4-7，系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量：因进行了预紧，（三）支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形采用8102推力球轴承，滚动体直径 =4.763，滚动体数量=12，上式中轴承所受轴向载荷轴承滚动体数目轴承滚动体直径因施加预紧力，故根据以上计算小于定位精度。第二节伸缩机构滚珠丝杠副的计算及选型一、计算进伸缩率引力Fm作用在丝杠上的伸缩率引力主要包括工作在伸缩移动件的重量及其作用在导轨上的摩擦力。式中为滑动摩擦系数，二、计算最大动负载C选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象，这个轴向负载的最大值即称为滚珠丝杠能承受的最大动负载C，可用下式计算：式中寿命，为转为一个单位，丝杠转速，用下式计算为最大负载条件下的进给速度；丝杠的导程，；使用寿命，一般；运转系数，见表该设计的最大负载条件下的速度为，丝杠导程初选，运转状态为一般运转，三、滚珠丝杠螺母副的选型可采用，1列圈外循环螺纹预紧滚珠丝杠副，额定动载荷为395N，可满足要求，选定精度等级为3级。四、传动效率的计算滚珠丝杠螺母副的传动效率：式中丝杠螺旋长升角；摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数，其摩擦角约等于。 =五、刚度验算先画出提升机构丝杠支承方式草图如图1-2所示。1-2伸缩机构丝杠计算草图最大牵引力为14.7N，支承间距为，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负载的。由于牵引力很小无需进行刚度验算。表1-1及滚珠丝杠几和参数名称符号螺纹滚道公称直径 2010导程54接触角钢球直径（mm）3175滚道法面半径1651偏心距0045螺纹升角螺杆螺杆外径194螺杆内径16788螺杆接触直径16835螺母螺母螺纹直径23212螺母内径 20635第三章齿轮传动比的设计计算第一节提升机构齿轮箱传动比计算已经确定提升机构脉冲当量，滚珠丝杠导程，初选步进电机步距角，可计算出传动比可选定齿轮齿数为：第二节伸缩机构齿轮箱传动比计算已经确定提升机构脉冲当量，滚珠丝杠导程，初选步进电机步距角，可计算出传动比可选定齿轮齿数为：表2-1 传动齿轮几何参数齿数242520121506020分度圆4850402430012040齿顶圆5254442830412444齿根圆4345351910511535齿宽20201212202020中心距9864420 160第三节涡轮蜗杆传动的设计计算选择普通圆柱蜗杆的渐开线蜗杆（ZI），该蜗杆的传递功率不大，速度中等，故蜗杆材料用45钢，因希望效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为4555HRC，蜗轮用铸锡磷青铜ZCuSn10P1，金属模铸造，为节约贵重有色金属，仅齿圈用青铜制造，而轮芯用灰铸铁HT100制造。一、面接触疲劳强度设计根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再校核齿根弯曲疲劳强度。传动中心距式（2.1）1）确定作用在蜗轮上的转矩按=1，单头蜗杆的效率为估取效率，则式（2.2）2）确定载荷系数K因工作载荷较稳定，故取载荷分布不均匀系数=1，选取系数=1，由于转速不高，冲击不大，可取动载荷系数=1.05，则：K= 式（2.3）3)确定弹性影响系数因选取的是铸锡磷青铜蜗轮和钢蜗杆相配，故=4)确定接触系数先假设蜗杆分度圆直径和传动中心距的比值，查得=2.95）确定许用接触应力根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCuSn10P1，金属模铸造，蜗杆螺旋面齿面硬度45HRC，查得蜗轮的基本许用应力=268 假设寿命=12000h，则应力循环次数为：式（2.4）寿命系数：式（2.5）则：式（2.6）6）计算中心距：= 式（2.7）取，因，故取模数，蜗杆分度圆直径=这时，0.35（满足假设）二、涡轮蜗杆的主要参数和几何尺寸设计表 2.1计算项目计算过程结果蜗杆轴向齿距=直径系数分度圆导程角齿顶圆直径齿根圆直径蜗杆轴向齿厚蜗杆齿数蜗轮变位系数蜗轮齿数蜗轮分度圆直径蜗轮喉圆直径蜗轮齿根圆直径蜗轮咽喉母圆半径蜗轮齿宽三、齿根弯曲疲劳强度的校核式（2.8）当量齿数：式（2.9）据，查得齿形系数=2.72螺旋角系数：式（2.10）许用弯曲应力查手册得ZCuSn10P1制造的蜗轮的基本许用弯曲应力寿命系数：式（2.11）式（2.12）式（2.13），所以弯曲强度是满足的。四、精度等级公差和表面粗糙度的确定考虑到所设计的蜗杆传动属于动力传动，属于通用机械减速器，从GB/T 10089 1988圆柱蜗杆、蜗轮精度中选择8级精度，侧隙种类为f，标注为8f。然后由有关手册查得要求的公差项目及表面粗糙度，在零件图中标出。第四章电机的计算和选型第一节步进电机概述步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。一、感应子式步进电机特点感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行。（必须采用双极电压驱动），而反应式电机则不能如此。例如：四相，八相运行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现其条件为C=,D=.一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一般直接接为二相，而功率大一点的电机，为了方便使用，灵活改变电机的动态特点，往往将其外部接线为八根引线（四相），这样使用时，既可以作四相电机使用，可以作二相电机绕组串联或并联使用。二、驱动控制系统组成步进电机的运行要有一电子装置进行驱动, 这种装置就是步进电机驱动器, 它是把控制系统发出的脉冲信号,加以放大以驱动步进电机。步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比，控制步进脉冲信号的频率，可以对电机精确调速；控制步进脉冲的个数，可以对电机精确定位。典型的步进电机驱动控制系统主要由三部分组成： 1. 步进控制器，由单片机实现。 2驱动器，把单片机输出的脉冲加以放大，以驱动步进电机。 3步进电机。现以三相六拍为例：步序控制位 C B A 控制模型 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 A 1 1 1 1 1 0 0 1 F9H AB 1 1 1 1 1 0 1 1 FBH B 1 1 1 1 1 0 1 0 FAH BC 1 1 1 1 1 1 1 0 FEH C 1 1 1 1 1 1 0 0 FCH CA 1 1 1 1 1 1 0 1 FDH 以上为步进电机正转时的控制顺序及数学模型。因此，步进驱动控制器实际上就是按上述的控制方式所规定的顺序送脉冲序列，即可实现驱动步进电机三相六拍方式的转动。输入顺序脉冲序列的速率就是步进电机的速率。使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。平均电流越大电激励矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的的驱动方式，到目前为止，驱动方式一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。第二节步进电机的计算及选型一、提升机构步进电机的计算及选型（一）等效转动惯量计算计算简图见图1-3。传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量可由下式进行计算：式中步进电机转子转动惯量；，齿轮，的转动惯量；滚珠丝杠转动惯量；参考数控机床，初选反应式步进电机，该步进电机转子的转动惯量代入上式： = 考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题。满足惯量匹配的要求。（二）电机力矩的计算机械手在不同的工况下，所需转动力矩不同，下面分别按各阶段进行计算。1 快速空载起动力矩。在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下：上式中传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量电机最大角加速度电机最大转速运动部件最大快进速度脉冲当量（）步进电机步距角运动部件从停止起动加速到最大速度所需时间起动加速时间摩擦力矩上式中导轨的摩擦力导轨摩擦系数运动部件总重量齿轮降速比，按计算传动链总效率，一般取折算到电机上的摩擦力矩附加摩擦力矩式中滚珠丝杠预加负载，一般取，为进给率引力滚珠丝杠导程滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取折算到电机轴上的轴向负载力矩式中进给方向的最大抗力上述三项合计： 2 快速起动所需力矩 3 最大负载所需力矩从上面计算可以看出，三钟工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据。从数控机床课程设计指导书表4-24查出，当步进电机为五相十拍时最大静力矩=按此静力矩从表4-23查出，最大静转距为，大于所需最大静转矩，可作为选定型号。二、伸缩机构步进电机的计算及选型（一）等效转动惯量计算计算简图见图1-3。传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量可由下式进行计算：式中步进电机转子转动惯量；，齿轮，的转动惯量；滚珠丝杠转动惯量；参考数控机床，初选反应式步进电机，该步进电机转子的转动惯量代入上式： = 考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题。满足惯量匹配的要求。（二）电机力矩的计算机械手在不同的工况下，所需转动力矩不同，下面分别按各阶段进行计算。1、快速空载起动力矩。在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下：上式中传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量电机最大角加速度电机最大转速运动部件最大快进速度脉冲当量（）步进电机步距角运动部件从停止起动加速到最大速度所需时间起动加速时间摩擦力矩上式中导轨的摩擦力导轨摩擦系数运动部件总重量齿轮降速比，按计算传动链总效率，一般取折算到电机上的摩擦力矩附加摩擦力矩式中滚珠丝杠预加负载，一般取，为进给率引力滚珠丝杠导程滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取折算到电机轴上的轴向负载力矩 =0上述三项合计： 2、快速起动所需力矩 3、最大负载所需力矩从上面计算可以看出，三钟工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据。从数控机床课程设计指导书表4-24查出，当步进电机为三相六拍时最大静力矩=按此静力矩从表4-23查出，最大静转距为，大于所需最大静转矩，可作为选定型号。第三节涡轮蜗杆电机的计算及选型一、电机的计算及选型根据输入转速，选择额定转速为960r/min的电作为动力源。电动机功率为：式（1.2）式中：ni =4r/min，效率蜗杆传动部分为0.75，联轴器为0.992，由此可得。选择电机型号和参数见表1.1。表 1.1型号额定功率/KW满载转速/（r/min）堵转转矩最大转矩质量/KG额定转矩额定转矩Y132S-639602.02.063 电机轴直径为。其他参数为：电流7.23A，效率0.83，功率因数，转子转动惯量蜗杆传动的传动比iw已知机构输入转速ni=4r/min，根据机构特性，可知转速为20r/min，已选择驱动电机转速为960r/min，则选蜗轮蜗杆的传动比为48。电机轴与蜗杆处联轴器的选择二、联轴器的计算及选型为了隔离振动和冲击，选用弹性套柱销联轴器。公称转矩式（1.3）由手册查得 ,故得计算转矩为式（1.4）1）型号的选择从GB4323-84中查得TL4型弹性套柱销联轴器的许用转矩为125N.m，许用最大转速为4600r/min，轴径为，考虑到联轴器联接的电机轴为28mm，蜗杆联接端为30mm，故适用。（联轴器效率为0.992）。TL4型弹性套柱销联轴器参数及外形如图1.5和表1.2所示。图 1.5表 1.2型号公称转矩Tn/(Nm)许用转速n/(r/min)轴孔直径d1、d2、dz轴孔长度DA 35质量m/kg转动惯量I/(kgm2)第五章接近开关及限位开关的选型第一节接近开关的工作原理及选型一、接近开关概述电感式接近开关由三大部分组成：振荡器、开关电路及放大输出电路。振荡器产生一个交变磁场。当金属目标接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式之检测目的接近传感器可以在不与目标物实际接触的情况下检测靠近传感器的金属目标物。根据操作原理，接近传感器大致可以分为以下三类：利用电磁感应的高频振荡型，使用磁铁的磁力型和利用电容变化的电容型。（一）高频振荡型接近传感器的工作原理电感式接近传感器由高频振荡、检波、放大、触发及输出电路等组成。振荡器在传感器检测面产生一个交变电磁场，当金属物体接近传感器检测面时，金属中产生的涡流吸收了振荡器的能量，使振荡减弱以至停振。振荡器的振荡及停振这二种状态，转换为电信号通过整形放大转换成二进制的开关信号，经功率放大后输出。下面为详细介绍：1、通用型接近传感器的工作原理图41振荡电路中的线圈L（如图41）产生一个高频磁场。当目标物接近磁场时，由于电磁感应在目标物中产生一个感应电流（涡电流）。随着目标物接近传感器，感应电流增强，引起振荡电路中的负载加大。然后，振荡减弱直至停止。传感器利用振幅检测电路检测到振荡状态的变化，并输出检测信号。振幅变化的程度随目标物金属种类的不同而不同，因此检测距离也随目标物金属的种类不同而不同。2、所有金属型传感器的工作原理所有金属型传感器基本上属于高频振荡型。和普通型一样，它也有一个振荡电路，电路中因感应电流在目标物内流动引起的能量损失影响到振荡频率。目标物接近传感器时，不论目标物金属种类如何，振荡频率都会提高。传感器检测到这个变化并输出检测信号。3、有色金属型传感器工作原理有色金属传感器基本上属于高频振荡型。它有一个振荡电路，电路中因感应电流在目标物内流动引起的能量损失影响到振荡频率的变化。当铝或铜之类的有色金属目标物接近传感器时，振荡频率增高；当铁一类的黑色金属目标物接近传感器时，振荡频率降低。如果振荡频率高于参考频率，传感器输出信号。（二）主要技术参数二、接近开关的选型目前市场上的主要产品有以下几中：在本设计中我们选用XL-LJM8短圆圆柱电感式接近开关。第二节限位开关的工作原理及选型行程开关又称限位开关，用于控制机械设备的行程及限位保护。在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。行程开关广泛用于各类机床和起重机械，用以控制其行程、进行终端限位保护。在电梯的控制电路中，还利用行程开关来控制开关轿门的速度、自动开关门的限位，轿厢的上、下限位保护。目前市场上的主要产品及安装尺寸如下：在本设计中伸缩机构限位开关我们选用交叉滚轮柱塞型接近开关，提升机构限位开关我们选用滚轮连杆型限位开关。第六章机械手PLC控制系统设计第一节 PLC的基本概念可编程控制器，简称PLC(Programmable Logic Controller)，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。1987年国际电工委员会(International Electrical Committee)颁布的 PLC标准草案中对 PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”一、 PLC产生和发展过程现代社会要求生产厂家对市场的需求做出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。老式的继电器控制系统已无法满足这一要求，迫使人们去寻找一种新的控制装置取而代之。1968年，美国通用汽车公司(GM)为适应汽车型号的不断翻新，想寻找一种能减少重新设计控制系统和接线、降低成本、缩短时间的措施，并设想把计算机功能的完备、灵活通用和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程，使不熟悉计算机的人也能方便地使用。1969年美国数字设备公司(DEC)研制出了世界上第1台PLC，并在GM公司的汽车自动装配线上首次使用，获得成功。从此，这项新技术便迅速发展起来。1971年日本从美国引进了该项新技术，很快就研制出了日本第1台PLC。19731974年，西德和法国也相继研制出了自己的第1台PLC。中国从1974年开始研制，1977年应用于工业生产。限于当时的元器件条件和计算技术的发展水平，早期的PLC主要由分立元件和小规模集成电路组成。19691973年是PLC的初创时期。在这个时期，PLC从有触点不可编程的硬接线顺序控制器发展成为小型机的无触点可编程逻辑控制器，可靠性比以往的继电器控制系统有较大提高，灵活性也有所增强。其主要功能限于逻辑运算、计时、计数和顺序控制，CPU由中小规模集成电路组成，存储器为磁芯存储器。19741977年是PLC的发展中期。在这个时期，由于8位单片CPU和集成存储器芯片的出现，PLC得到了迅速发展和完善，并逐步趋向系列化和实用化，普遍应用于工业生产过程控制。PLC除了原有功能外，又增加了数值运算、数据的传递和比较、模拟量的处理和控制等功能，可靠性进一步提高，开始具备自诊断功能。1978-1983年，PLC进入成熟阶段。这个时期，微型计算机行业已出现了16位CPU，MCS一51系列单片机也由Intel公司推出，使PLC也开始朝着大规模、高速度和高性能方向发展，PLC的生产量在国际上每年以30%的递增量迅速增长。在结构上，PLC除了采用微处理器及EPROM，EEPROM，CMCS RAM 等LSI电路外，还向多微处理器发展，使PLC的功能和处理速度大大提高；PLC的功能又增加了浮点运算、平方、三角函数、相关数、查表、列表、脉宽调制变换等，初步形成了分布式可编程控制器的网络系统，具有通讯功能和远程IO处理能力，编程语言较规范和标准化。此外自诊断功能及容错技术发展迅速，使PLC系统的可靠性得到了进一步提高。1984年后，PLC的规模更大，存储器的容量又提高了1个数量级(最高可达896 K)，有的PLC已采用了32位微处理器，多台PLC可与大系统一起连成整体的分布式控制系统，在软件方面有的已与通用计算机系统兼容。编程语言除了传统的梯形图、流程图语句表外，还有用于算术的BASIC语言、用于机床控制的数控语言等。在人机接口方面，采用了现实信息等更多直观的CRT，完全代替了原来的仪表盘，使用户的编程和操作更加方便灵活。PLC的I/O模块一方面发展自带微处理器的智能I/O模块，另一方面也注意增大I/O点数，以适应控制范围的增大和在系统中使用A/D，D/A通讯及其他特殊功能模件的需要。同时，各PLC生产厂家还注意提高I/O的密集度，生产高密度的I/O模块，以节省空间，降低系统的成本。二、 PLC的应用领域目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。（一）开关量逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，他取代传统的继电器电路，可实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线和电镀流水线等。（二）模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量和数字量之间的AD转换和D/A转换。PLC厂家都生产配套了A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。（三）运动控制PLC可以用于圆周运动和直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/0模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块，可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人和电梯等场合。（四）闭环过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC通过模拟量I/O模块实现模拟量与数字量之间的A/D，D/A转换，并对模拟量进行闭环PID控制，可用PID子程序来实现，也可使用专用的PID模块。当控制过程中任一个变量出现偏差时，PLC就按PID的算法计算出正确的输出去控制生产过程，使变量保持在定值上。PLC的模拟量控制功能已经广泛应用于塑料挤压成型机、加热炉、热处理炉、锅炉等设备，还广泛地应用于轻工、化工、机械、冶金、电力和建材等行业。（五）定时记数控制PLC具有定时记数控制功能，能保证控制系统所要求的定时和延时以及记数，它可提供十个甚至几百个计时器和计数器，其计时的时间、计数值可以由用户在编写程序时设定，也可由操作员在工业现场通过编程器进行设定。（六）顺序控制实现顺序控制，可以用移位寄存器和步进指令编写程序，也可采用规定的用于顺序控制的标准化语言顺序功能图编写程序，使得PLC实现按事件或输入状态的顺序控制。（七）数据处理现代的PLC具有数学运算、数据传递、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以与存贮在存储器中的参考值比较，也可以用通讯功能传送到别的智能装置，或将其打印制表。数据处理一般用在大、中型控制系统，如柔性制造系统、过程控制系统等。（八）通信和联网PLC具有通信功能，因此PLC可单机控制，也可多机控制；可对远程IO进行控制，又能实现PLC与PLC，PLC与计算机之间的通信；可实现“集中管理，分散控制”，是实现工厂自动化的理想控制器。目前PLC与PLC的通讯网络是各厂家专用的。PLC与计算机之间的通讯，一些PLC生产厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协议靠拢。三、 PLC的发展趋势随着微电子技术、计算机技术和通讯技术的不断发展，PLC的结构和功能不断改进，生产厂家不断推出功能更强的PLC新产品，平均35 a更新换代1次。PLC的发展有2个重要趋势：向体积更小、速度更快、功能更强、价格更低的微型化发展，以适应复杂单机、数控机床和工业机器人等领域的控制要求，实现机电一体化；向大型化、复杂化、多功能、分散型、多层分布式工厂全自动网络化方向发展。例如：美国GE公司推出的Genettwo工厂全自动化网络系统，不仅具有逻辑运算、计时、计数等功能，还具有数值运算、模拟量控制、监控、计算机接口、数据传递等功能，而且还能进行中断控制、智能控制、过程控制、远程控制等。该系统配置了GEBASIC语言，向上能与上位计算机进行数据通讯，向下不仅能直接控制CNC数控机床、机器人，还可通过下级PLC去控制执行机构。在操作台上如果配备该公司的Factory Master数据采集和分析系统，Viewaster彩色图像系统，则管理、控制整个工厂十分方便。智能I/O模块是以微处理器为基础的功能部件。它们的CPU 与PLC的主CPU 并行工作，占用主机CPU 的时间很少，有利于提高PLC的扫描速度。智能模块主要有模拟量I/O、PID回路控制、通信控制、机械运动控制等，高速计数、中断输入、BASIC和C语言组件等。智能I/O的应用，使过程控制功能增强。某些PLC的过程控制还具有自适应、参数自整定功能，使调试时间减少，控制精度提高。目前，个人计算机主要用作PLC的编程器、操作站或人机接口终端，其发展是使PLC具备计算机的功能。大型PLC采用功能很强的微处理器和大容量存贮器，将逻辑控制、模拟量控制、数学运算和通讯功能紧密结合在一起。这样，PLC与个人计算机、工业控制计算机、集散控制系统在功能和应用方面相互渗透，使控制系统的性能价格比不断提高。PLC的通讯联网功能使PLC与PLC之间，PLC与计算机之间交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制，形成分布控制系统。改善和发展新的编程语言、高性能的外部设备和图形监控技术构成的人机对话技术，除梯形图、流程图、专用语言指令外，还增加了BASIC语言的编程功能和容错功能。如：双机热备、自动切换I/O、双机表决(当输入状态与PLC逻辑状态比较出错时，自动断开该输出)、I/O三重表决(对I/O状态进行软硬件表决，取2台相同的)等，以满足极高可靠性要求。厂家在对硬件与编程工具不断升级的同时，日益向制造自动化协议(MAP)靠拢，并使PLC的基本部件(In输入输出模块、接线端子、通讯协议、编程语言和编程工具等)的技术规范化、标准化，使不同产品互相兼容、易于组网，以真正方四、 PLC的特点（一）通用性强，控制程序可变，具有很好的柔性由于PLC产品的系列化和模块化，PLC配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。当控制对象的硬件配置确定以后，就可通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。在生产工艺流程改变或生产设备更新时，不必改变PLC的硬设备，只需改变程序就可满足要求。因此，除单机控制外，PLC在柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)、以至工厂自动化(FA)中被大量采用。（二）可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。大多数用户都将可靠性作为选择PLC的首要条件。针对PLC是专为在工业环境下应用而设计的，故采取了一系列硬件和软件抗干扰措施。硬件方面，隔离是抗干扰的主要措施之一。PLC的输入、输出电路一般用光电耦合器来传递信号，使外部路与CPU之间无电路联系，有效地抑制了外部干扰源PLC的影响，同时，还可以防止外部高电压窜入CPU模块。滤波是抗干扰的另一主要措施，在PLC的电源电路和IO模块中，设置了多种滤波电路，对高频干扰信号有良好的抑制作用。故障时可及时发出警报信息。软件方面，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。采用以上抗干扰措施后，整个系统将具有极高的可靠性一般PLC平均无故障时间高达45万小时。（三）功能性强，适应面广现代PLC不仅具有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，而且还具有 AD和DA转换、数值运算、数据处理等功能。因此，它既可对开关量进行控制，也可对模拟量进行控制，既可控制1台生产机械、1条生产线，也可控制1个生产过程。PLC还具有通讯联络功能，可与上位计算机构成分布式控制系统，实现遥控功能。（四）编程方法简单，容易掌握 PLC配备有易于接受和掌握的梯形图语言。该语言编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。这样，懂得继电器和计算机的人就易于编程；同时也为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。（五）控制系统的设计、安装、调试和维修方便PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等部件，控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。PLC的用户程序大都可以在实验室模拟调试，调试好后再将PLC控制系统安装到生产现场，进行联机统调。在维修方面，PLC的故障率很低，且有完善的诊断和实现功能，一旦PLC外部的输入装置和执行机构发生故障，就可根据 PLC上发光二极管或编程器上提供的信息，迅速查明原因。若是PLC本身问题，则可更换模块，迅速排除故障，维修极为方便。（六) 体积小、质量小、功耗低由于PLC是将微电子技术应用于工业控制设备的新型产品，因而结构紧凑，坚固，体积小，质量小，功耗低，而且具有很好的抗震性和适应环境温度、湿度变化的能力。因此，PLC很容易装入机械设备内部，是实现机电一体化较理想的控制设备。（七）价格低廉随着集成电路芯片功能的提高、价格的降低，可编程控制器硬件的价格也一直不断地在下降。根据市场统计，国外小型PLC平均每一个IO点为(1218)美元，中型PLC折算每个IO点为(1830)美元，大型PLC折算每个IO点为 (3070)美元。虽然PLC的软件价格在系统中所占的比重在不断提高，但由于缩短了整个工程项目的设计、编程和投运费用以及缩短了整个投运周期，因此使用PLC的总造价是低廉的，而且还呈不断下降的趋势。五、 PLC的分类 PLC生产厂家及产品很多，为便于用户对一个已知应用来讲选择最合适的PLC，厂商通常通过杂志或其他途径，定期地将不同功能与特性的PLC列表进行比较，表中的内容大体有：总I/O点数，最多开关量IO点数，最多模拟量IO点数，继电器梯形逻辑图，高级语言，PID功能，远动控制，文件编制功能，数据总线，接口类型，扫描速度，存储器类型与容量，以及CPU类型与工艺等。为适应用户的不同应用要求，很多厂家均开发生产了相互有关连的系列产品，为区别PLC的综合特性，通常以下述两种办法分类。（一）按I/O点数容量分类一般而言，处理的I/O点数多，则控制关席比较复杂，用户要求的程序存储器容量比较大，要求PLC指令及其他功能比较多，指令执行的过程比较快等。按PLC的输入、输出点数的多少可分为以下三类。小型机：IO总点数一般在256点以下，用户程序的存储量在4K字左右。现在高性能PLC还具有一定的通信能力和少量的模拟量处理能力。这类PLC的特点是价格低廉，体积小巧，适合于控制单台设备和开发机电一体化产品。典型的小型机有SIEMENS公司的S7200系列、OMRON公司的CPM2A系列和MIT-SUBISH公司的FX系列等整体式PLC产品。中型机：IO总点数在2562048点之间，用户程序的存储量在8K字左右。中型PLC不仅具有开关量和模拟量的控制功能，还具有更强的数字计算能力，他的通信功能和模拟量处理能力更强大。其指令比小型机更丰富，实用于复杂的逻辑控制系统以及连续生产线的过程控制场合。典型的中型机有SIEMENS公司的S7300系列、OMRON公司的C200H系列、AB公司的SLC500系列等模块式PLC产品。大型机：IO 总点数在2048点以上，用户程序的存储量在16K字以上。大型PLC与工业控制计算机性能相当，它具有计算、控制和调节的功能，还具有强大的网络结构和通信联网能力。它的监视系统采用CRT显示，能够表示过程的动态流程，记录各种曲线，PID调节参数等；它配备多种智能板，构成仪态多功能系统。典型的中型机有SIEMENS公司的S7400系列、OMRON公司的CVMI系列、AB公司的SLC5/05等系列PLC产品。下述两个方面应注意：一是微型 PLC的产量增长迅速，占领了整 PLC市场的25。主要使用于不连续IO状况，不需在通信与其它先进功能，如应用于单台机床控制等场所；二是随着PLC技术的不断发展，划分PLC规模的IO点数的界限不断向上增移。这是由于PLC的结构没计是为了适应各种用户需要，通常是设计成可扩展性的，并且随着微电子技术与通信技术的发展，处理机的性能及其通信能力也在不断扩大所造成的。（二）按硬件结构形式分1、整体式整体式结构的特点是将PLC的基本部件，如CPU板、输入板、输出板、电源板等紧凑地安装在一个标准机壳内，构成一个整体，组成PLC的一个基本单元或扩展单元。基本单元上设有扩展端口，通过扩展电缆与扩展单元相连，配有许多专用的特殊模块，如模拟量输入/输出模块、热电耦模块、热电阻模块、通信模块等，以构成PLC的不同配置。整体式结构紧凑，体积小，价格低，安装方便。小型PLC一般为整体式结构，如西门子的S7200系列，三菱公司的FX1 FX2 等。2、模块式模块式结构的PLC是由一些模块单元构成，这些模块包括CPU模块、输入输出模块、电源模块和各种功能模块等，把这些模块插在框架或基板上即可。各模块功能是独立的，外形尺寸是统一的，可根据需要灵活配置。模块式结构的PLC价格较高，大中型的PLC一般采用这种结构。如西门子的S7300、S7400系列。3、叠装式此种结构用的很少，一般为特定的情况而生产。如三菱公司的FX2N系列PLC吸收了整体式和模块式的优点，它的基本单元、扩展单元和扩展模块等高等宽，但是长度不同。它们不用基板，仅用扁平电缆连接，紧密排装后组成一个长方体，输入输出点数配置灵活。第二节 PLC的工作原理PLC有两种基本的工作状态，即运行状态（RUN）与停止状态（STOP）状态。PLC在运行(RUN)工作模式时，反复不停地重复执行图所示的5个阶段的任务；在停止(STOP)工作模式时，只执行上面两个阶段任务。PLC这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式，或称为扫描循环(Scan CYc1e)。在内部处理阶段，PLC完成硬件自检测和将监控定时器复位等内部工作。在通信服务阶段，PLC处理与计算机、编程器和别的智能装置的通信。响应通信命令，更新编程器的显示内容。在PLC的存储器中设置了一片区域，用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器(见图2)。 PLC梯形图中其他的编程元件也有对应的映像存储区，它们统称为元件映像寄存器。在输入处理阶段，PLC将外部输入电路的接通断开状态读入并输入映像寄存器。外部输入电路接通时，对应的输入映像寄存器为1状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点接通，常闭触点断开，反之亦反。在程序执行阶段，即使外部输入电路的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。 PLC的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中顺序排列。在没有跳转指令时，CPU从第一条指令开始，逐条顺序地执行用户程序，直到用户程序结束。执行指令时，从元件映像寄存器中将有关编程元件的01状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，最后的运算结果写入到线圈或输出类指令对应的元件映像寄存器中(见图6-1)。因此，各编程元件的映像寄存器（输入映像寄存器除外）的内容随着程序的执行而变化。在输出处理阶段，CPU将所有输出映像寄存器的值送到输出模块。梯形图中某一输出继电器的线圈 “通电”时，对应的输出映像寄存器为1状态，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作，反之亦反。PLC的梯形图程序就是这样通过输入、输出映象寄存器与外部输入电路和外部负载联系起来的。扫描过程 PLC的外部接线图与梯形图图6-1执行程序时，读写的是输入输出映象寄存器的值，而不是直接对实际的IO点进行操作，这样做有以下好处： 1、程序执行阶段的输入值是固定的，程序执行完后再用输出映象寄存器的值更新输出点，使系统的运行稳定。 2、用户程序读写IO映象寄存器比读写IO点快得多，这样可以提高程序的执行速度。 3、扫描工作方式具有较好的抗干扰能力，在一个扫描周期中，输入处理仅占极少部分时间，在大部分时间内，干扰信号不会被采集进PLC。可编程控制器是专为工业控制而开发的装置。PLC多采用下列适合其领域的编程语言表达式。各个厂家的编程语言(包括梯形图、命令语句等)的表达形式虽不一致，但其原理大同小异。一、梯形图编辑梯形图表达式是在原电器控制系统中常用的接触器、继电器梯形图基础上演变而来的，它与电气操作原理图相呼应，它形象、直观和实用，为广大电气技术人员所熟知，是PLC的主要编程语言。PLC梯形图编程使用的是内部继电器、定时计算器等。都是由软件实现的，使用方便，修改灵活，是原电器控制的继电器梯形图的硬件接线无法比拟的。二、梯形图的格式每个梯形图网络由多个梯级组成，每个输出元素可构成一个梯级，每个梯级可由多个支路组成，通常每个支路可容纳l1个编程元素。最右边的元素必须是输出元素。在梯形图编程时，只有在一个梯级编制完整后才能继续后面的程序编制。PLC的梯形图从上至下按行绘制，两侧的竖线类似电器控制图的电源线，称作(BUS BAR)，每一行从左至右，左侧安排输人接点，输入接点不论是外部的按钮、行程开关，还是继电器触点，在图形符号上只用常开“”和常闭“”，而不计其物理属性。在梯形图中每个编程元素应按一定的规则加标字母数字串，不同的编程元素常用不同的字母符号和一定的数字串来表示。三、 PLC梯形图编程格式的特点1、梯形图格式中的继电器不是物理继电器，每个继电器和输入接点均为存储器中的一位，相应位 l”态，表示继电器线圈通电或常闭接点断开；2、梯形图中流过的电流不是物理电流，而是“概念”电流。是用户程序解算中满足输出执行条件的形象表示方式。“概念”电流只能从左向右流动；3、梯形图中的继电器接点可在编制用户程序时无限引用，既可常开又可常闭；4、梯形图中用户逻辑解算结果，马上可为后面用户程序的解算所利用；5、梯形图中输入接点和输出线圈不是物理接点和线圈，用户程序的解算是根据PLC内IO映象区每位的状态，而不是解算时现场开关的实际状态；6、输出线圈只对应输出映象区的相应位，不能用该编程元素直接驱动现场机构，该位的状态必须通过IO模板上对应的输出单元才能驱动现场执行机构。第三节 PLC的选型及PLC外部接线图设计本设计的机械手有三个自由度，分别用两个步进电机来驱动提升机构和伸缩机构，用一个直流电机来完成腰部的旋转动作，在提升机构中用两个限位开关来限制机械手的上下运动边界，伸缩机构中同样也是用两限位开关来限制机械手的前后运动边界，在腰部分别用两个接近开关来限制正反转的极限角度，所以PLC的输入点数有6个，两个步进电机分别用两个步进电机驱动器控制，直流电机用直流电机控制器控制，手抓的夹紧和张开用一个电磁阀控制，所以PLC有7个输出点，I/O总数是13，我们选用三菱公司控制系统原理如图所示结论本设计的机械手有三个自由度，分别用两个步进电机来驱动提升机构和伸缩机构，用直流电机来完成腰部的旋转动作，在提升机构中用两个限位开关来限制机械手的上下运动边界，伸缩机构中同样也是用两限位开关来限制机械手的前后运动边界，在腰部用两个接近开关来限制正反转的极限角度，所以PLC的输入点数有6个，两个步进电机分别用两个步进电机驱动器控制，直流电机用个直流电机控制器控制，手抓的夹紧和张开用一个电磁阀控制通过这次毕业设计，使我认识到自己以前在学习中的不足，进而查漏补缺，对前面的内容有了新的认识和提高，特别是在指导老师白老师的帮助下，才得以完成了本次毕业设计。在这次毕业设计，我认识到要完整地完成一次设计不能有半点马虎和侥幸心理。每一个小的细节都得经过精心的选择，不懂的，不会的，要及时查手册，尽量选用标准件，对于结构方面要多请教老师。这次最大的收获是：在动手之前要经过一番仔细的思考，只有这样才会不至于画了又改，才能更有效的利用时间；其次是自己开始认识到手册的重要性，开始自己认为只要结构不干涉就好了，经过老师的一番指导，使我认识到自己的这种错误思想，因为即使是一个小小的螺钉也会让设计从头再来。我们应当认真做好每一个小的细节，平时多思考，尽量使自己的结构安全可靠，不仅在设计中是这样，生活中也是这样。我们就要走向工作岗位，很可能我们将来就是各行各业的设计人员，假如我们不注意那些小的细节，那么不仅会造成国家财产损失，更有可能对人的生命造成威胁。我们即将走向社会，把毕业设计作为我们走向社会的一次很好的锻炼，认真做好它，将来不管干什么都得：“认认真真做事，做好每件事”。做一个对得起自己和别人的人。致谢在完成本设计之际，首先向尊敬的导师致以衷心的感谢。本设计是在老师的精心指导、热情鼓励和支持下完成的。在整个课题的设计过程中，老师严谨的治学态度，高深的学术造诣和诲人不倦的精神，时刻激励着我，令学生受益无穷。在做毕业设计的这几个月中，我从老师的耐心指导中获得了许多帮助，也学到了很多知识，令学生感激不尽。同时也感谢大学四年来，所有老师对我辛勤的教导，大学是我人生中最重要的一段经历，在这其中我不仅从老师们那里学到了非常多的知识，老师们的奉献精神也令学生在以后的人生中不断受到激励。在此谨表示我对所有老师的崇高敬意和衷心的感谢。感谢大学四年来所有同学和朋友的帮助，我们一起学习、一起生活、共同进步。共同留下了许多美好回忆。参考文献1 龚振帮.机器人机械设计M.北京:电子工业出版社,1995.2 袁任光.可编程序控制器（PLC）应用技术与实例.广州：华南理工大学出版社.20033 熊有伦.机器人技术基础.武汉：华中科技大学出版社.19964 郁汉琪，郭健. 可编程序控制器原理及应用.北京：中国电力出版社.20045 王兆义. 可编程控制器教程.北京：机械工业出版社.19936 丁炜，魏孔平. 可编程控制器在工业控制中的应用.北京：化学工业出版社.20047 成大先. 机械设计手册M.北京:机械工业出版社,20028 吴宗泽,罗圣国.机械设计课程设计手册第二版M.北京:高等教育出版社,1999.9 廖念钊,莫雨松,李硕根,杨兴骏.互换性与技术测量第四版M.北京:中国计量出版社,2000.10 陈锦昌,刘就女,刘林.计算机工程制图.广州:华南理工大学出版社,1999.11 冯辛安,黄玉美,杜君文.机械制造装备设计M.北京:机械工业出版社,2004.12 周伯英.工业机器人设计M.北京:机械工业出版社,1995.13 濮良贵，纪名刚.机械设计M.北京:高等教育出版社,1995.附录一附录二机电一体化14(2004)821834 一个带有速度估算和摩擦补偿的直接驱动机械手的精确低速运动控制G. Liu a,*, A.A. Goldenberg b, Y. Zhang b 航空航天工程，Ryerson大学，维多利亚350号多伦多，Ont.，加拿大M5B 2K3机器人学和自动化实验室，多伦多Kings学院路多伦多大学，多伦多，Ont.，加拿大M5S 3G8摘要除了方案鲁棒性和自适应性，一个机器人机械手的精确低速运动控制还需要精确的位置及速度测量和关节处的摩擦补偿。然而，精确的速度测量和摩擦补偿仍然是挑战性的研究任务，尤其对于十分缓慢的运动。在本文中，作者提出了一种简单而有效的方法就是从采样的增量式编码器脉冲序列中估计速度。然后把这个应用于在所提出的以分解为基础的摩擦补偿方法的实验调查中。直接驱动机械手的实验结果证明可以在存在显著的关节摩擦的前提下进行低速的精确运动控制。 2004年Elsevier有限公司版权所有关键词：精确的运动控制；速度估算；摩擦补偿；鲁棒的控制；以分解为基础的控制绪论直接驱动机械手的低速精确运动控制依赖于精确的位置及速度测量和关节处的摩擦补偿，还有控制配置的强大和自适应性。然而精确的速度测量与估算和摩擦补偿仍然是具有挑战性的研究课题，尤其对于十分缓慢的运动。在执行摩擦补偿时速度测量是至关重要的问题，不仅 *相应的作者。电话号码： +1-416-979-5000;传真： +1-416-979-5056.电子邮件地址： gjliu ryerson.ca ( G。 Liu )。0957-4158/$ -参见前面问题_ 2004年Elsevier有限公司版权所有。以模型为基础的摩擦前馈补偿需要摩擦补偿，而且在大多数的反馈补偿中也需要摩擦补偿。速度测量噪音当被反馈增量扩大时，能激励未减速的高阶动力。对于速度测量，发电机类的转数计和以编码器为基础进行速度测量的电子产品在商业上是可供使用的，但是因为噪音和低分辨率他们经常不能在低速下提供令人满意的输出。在文献中，人们提出从位置测量中估算速度的各种方法，其中最典型的是光学编码器的输出。最简单的速度估算方法是欧拉逼近，它通过区分最后两个采样位置的差值然后把它除以采样周期。当位置被精确采样时，诸如在我们的实验中使用了激光动态的校准器，欧拉逼近给出了最简单和最有效速度估算。然而，采用增量式编码器脉冲序列，采样位置因为采样和编码器的制作公差包含随机误差，它会导致在使用欧拉逼近时速度估算会出现大的偏差，尤其是在采样周期短和关节速度低的情况下。为了减少速度估算误差，一种有效的方法是在运用欧拉逼近之前向后追踪一些步骤以增加位置增量。在这种补救措施能稳定速度评估的同时，它也造成在评估速度时的时间延迟。为了平衡速度估算中的噪音水平和时间延迟向后的步数必须细心选择。在文献6中，人们通过使用一个每转有655，360个脉冲的编码器实验发现追踪三步对于频率为2500HZ的采样率是最好的。在文献 5 中，人们建议后向的步骤数应该被调整以使之可以适应各种速度，还有人为了速度评估提出了一段离散时间适应开窗口的方法。在文献 2 中速度估算建议在高斯分配位置取样误差的假设下使用卡尔曼过滤位置测量方法。在文献7 8中为了使用工厂的全动态方程人们还引出了一些非线性的观测量。最近，在文献9中报道了一种基于模糊逻辑的速度测量器，并有实验的检验结果。另一个低速运动控制中的关键问题是摩擦补偿，这是这几十年来在包括机器人机械手在内的机械系统运动控制中的一个重要的研究课题1。大多数在摩擦补偿上的研究工作被集中于两个主要的问题：摩擦建模和控制合成。在文献 3 中提出了一种动态的态变数摩擦模型，而在文献 4,16 中发展了若干种基于这种态变数模型适应摩擦补偿的方法。在文献 10 中，一种以分解为基础的控制方法被应用于从在文献1提出的著名的摩擦模型中衍生出来的线性化参数的摩擦模型进而提出以分解为基础的摩擦补偿方法。在这摩擦补偿方案中，模拟不确定性摩擦已被划分成为参数的不确定性和非参数的不确定性。当一个鲁棒的补偿装置处理非参数的模拟的不确定性时，一个自适应控制器被设计弥补参数的摩擦模型不确定性。全面的控制器保证了系统误差的统一和根本的有界性。在文献 10 中报告计算机仿真时，实验的结果是不可用的。在计算机仿真中，关节的速度我们假定能精确测量。在现在的工作中，有人提出了一种简单而有效的方法就是从采样的增量式编码器脉冲序列中估计速度。以增量式编码器采样数据的物理特征为基础，所提出的速度估算方法允许用户调节评估精度和时间延迟。为了评价所提出实验性的方法，我们使用了激光动态校准器来获得直接驱动机器人关节处的精确速度，这些然后被用作所提到的速度估算方法的参考。进而，把提出的速度评估方法应用于所提出的以分解为基础的摩擦补偿方法的实验中。在有显著的关节摩擦前提下使用一个光学增量式编码器的实验结果显示直接驱动机器手在低速下可以精确控制运动。本文其余的篇幅被组织如下：第二部分描述所提出的速度评价方法。第三部分概述了所提出的以分解为基础的摩擦补偿方法。第四部分陈述了实验的装置和实验比较结果.第五部分是结论。2.速度评估编码器和发动机的制造商通常会以说明书的形式提供每转的脉冲总数，N相应的编码器分辨率是，符合时。编码器的输出对于一个特定的编码器来说速度估算的特性受编码器分辨率的制约。最好的速度估算方法是将编码器的输出充分利用。同时，一种好的速度评价方法应该提供一种手段允许用户在精度和时间延迟之间调节折衷。对于一个分辨率为R的增量式编码器，位置q（t）通过采样周期T采样，而时间kT中的离散的采样位置设为如果编码器输出信号脉冲序列以稳定的周转速度被均匀的分发，与有关的位置误差可表达为对于一段时间和j k，和相应的位置片断我们有因此鉴于在时间片断上的平均速度；有式中使用抽样数据评估v，我们从式（5）有如果我们将速度评估分辨率定义为一旦编码器的分辨率R和采样周期T固定它将是一个常量式(6)将被重写为我们从式(8)中能看出平均速度评估的绝对准确度能随着向后的步骤数j的减少而增加。然而很有可能相对误差会比实践中的绝对精度更加让人关心。我们评估速度的相对准确度被定义为由于抽样的位置之间的区别能表达为在Sj是一个整数的地方，它的计算结果是编码器脉冲数介于和之间，从式（9）中，我们有式( 11 )清楚地表明相对准确度rj能被步数sj限制。假定指定的相对准确度rj，相应的sj能被计算为例如，为了把相对精确度限制在以内， a不得不向后追踪至少101个脉冲。对于基于上述分析的评估速度，最后的步骤是确定符合编码器脉冲数sj的步数j。由于向后的步数j依赖于运动速度，更多编码器脉冲将高速产生。在低速下，为了得到相同的脉冲数不得不向后追踪更多步骤，一个简单的检索算法如下图。（1能等同数字j）。然而，应该注意当关节不动或以极限低的速度运动时，向后的步骤数j可能不被识别或者无穷大。为了解决这问题，我们建议对于j最大限度限制m。也就是。自然的，这约束同时也限制了相对精确度rj,例如一旦m被选定rj将不能任意小。基于上述的分析，所提出的速度评价方法被总结如下：步骤1：确定编码器分辨率R。步骤2：规定最大相对准确度rj。步骤3：计算满足式( 12 )的相应的脉冲数sj。步骤4：选择最大的向后步骤数m.步骤5：跟随图中的步骤，确定实时需要的满足( 10 )或被最大数m限制的向后步骤数j，然后计算速度评估。图1.速度评价过程。如下评论证实所提出的速度估算方法的适用性：评论1.所提出的速度评价方法考虑到相对估算准确度rj，还有相应在实时确定的向后步骤数，适应运动的自动加速。评论2.在实践中最大相对准确度rj和最大向后步骤数m可能被尝试误差调节以使取得最好的性能。评论3.在上述的分析中，增量式编码器脉冲序列假定被平均地分发。在实践中，因为制造误差，实际的编码器分辨率，它等于一个较低的编码器分辨率。3.以分解为基础的摩擦补偿从理论上讲，既然未减速的低速摩擦是明显有界的，那么一个鲁棒的控制器能弥补低速摩擦。然而，为了取得高精确度高的反馈是必要的，这总被包括未减速的高阶动力及传感器测量噪音在内的硬件问题限制。在实践中鲁棒控制设计的关键是取得带有最小反馈值的理想性能 12 。在文献 10 中，一种摩擦补偿方案被在文献 12 14 中发展的以分解为基础的控制设计方法所综合。以分解为基础的系统模型和控制方法的基本原理是在不同物理类型的不确定参数和变量之间加以区别，考虑每一个具体的物理特性时，为他们中每一个确定一个单独的补偿量。这种方法提倡用最合适和高效的方法处理每种类型中的不确定因素。包括比例积分微分，鲁棒，通用性，和以传感器为基础的控制方法。全面的控制器是在这些补偿量的协同和综合中产生的。在所提出的摩擦补偿方案中，都应用了自适应控制和鲁棒的控制技术，他们在处理模型不确定性时是相互补充的。既然现在工作的重点是摩擦补偿，我们用数学建模考虑一个单关节机械手：M代表惯性常量，分别代表加速，速度和位置。B指示粘性摩擦系数。 Fc代表干摩擦相关参数。 Fs代表静摩擦相关参数。Fs是相应Stribeck作用的一个正的参数。代表摩擦，和其它摩擦模拟误差的从属位置，而setT是激励输入。符号功能被定义为动态模型被阐明包括干摩擦，静摩擦，Stribeck影响，位置从属和其它有界干扰。在这模型里，在文献 1 中讨论的摩擦的记忆和静摩擦增量假定可以忽略。为着重于摩擦补偿，惯性M假定精确已知。摩擦模拟参数，B； Fc，Fs，和没有精确已知，他们不一定是衡量。然而，他们名义价值被确定作为理线常量。 B，Fc，Fs，和的名义价值分别地指定为和。非参数的摩擦周期限定为是一个和位置和速度相关的已知常量。假定Fs和的名义价值接近他们的实际价值，我们在名义参数价值和下线性化Stribeck作用。通过忽略高阶命令行，得到一个线性化的模型在更紧凑中形式中，式( 16 )可重写成式中同时，参数的模型不确定性P被定义为为了结合变量参数的模型不确定性补偿，P被分解为式中Pc是一个未知的常矢量，而Pv包含被限制如下的可变元素：控制目标是综合特定的光滑理想轨线qd（t）进行精确追踪的一种控制方案。位置和速度的追踪误差被定义为进而，一个混合的追踪误差被定义为式中是位置常量对于追踪命令轨线的控制任务，一种名义控制被定义为式中量a被定义为运用以分解为基础的控制设计方法，考虑了常量的不确定因素和的一个大的补偿量定义了一个自适应的补偿量。全面的控制法则被综合为式中补偿量和被定义如下式中k是稳态控制增量式中对于，和是正的控制参数式中e是为了能取得较好的追踪结果而被调节的另一个正的控制参数。在 10 中已证明，追踪误差以被一致地限制在( 26)(29 )中定义的控制法则内，同时，可变参数的不确定性确定了追踪误差的上下限，不确定性参数的稳态部分也同样影响着非参数的不确定性和控制参量。4.实验用一台取样时期为1ms的PC计算机控制一台直接驱动机械手来执行所提出的摩擦补偿和速度评价方法实验。实验装置如图2所示.机械手用装在每一关节处的直接驱动支流电机促动。实验目的，两个关节之一被固定，另一个被控制以各种各样的速度移动。马达的光学增量式编码器每转产生1,024,000个脉冲。4.1.速度的测量和估算对于实验的评价，为了使估算生效确定所提出的速度估算方法的精度是很重要的，为了获得更高的精度一个有说服力的方法是引进一台高精度的客观的速度测量装置。为了这目的，一种激光动态校准器被集成到实验系统中。用定制的接口模块和实时软件，激光校准器提供位置增量的精确测量，这些同时也储存在实验的数据文件中。有了激光校准器的高精度位置测量，评价速度可以从编码器的输出信号中计算机械手关节处的角速度。在实验中，机械手关节被控制在以各种各样的速度移动。从增量式编码器和激光校准器中的读取位置，还有发动机驱动器中的电子微分器产生的速度信号，储存在数据文件中用MATLAB进行分析。图2.直接驱动机械手和激光动态校准器实验的结果显示所提出的速度估算方法是有效的。估算出的速度和从激光动态校准器中计算出的平均速度非常接近。正如所预料的，估算出的速度相对从激光校准器上测量的实际速度有一段时间延迟。高速时时间延迟短，低速时时间延迟长。在低速的时候电动机驱动器提供的速度没有使用所建议的速度估算方法获得的速度来的准确。在高速时速度评估的结果比的上从在1kHz取样率的电子微分器上得到的结果。图3是使用实验数据进行所提出方法的低速评估结果，和与在电动机驱动器中使用激光动态校准器和电子微分器测量的速度进行的比较。图4显示具体的相对精度是如何影响速度估算结果的，如果在估算中选择了较高的相对精度，将会有一段较大的时间延迟。4.2.摩擦补偿文献17中的系统模型参数的名义价值和不确定范围是从基于使用在文献18中提到的激光校准器和文献14中的类似程序得到的实验数据上估算出来的。估算的参数如表1所示。控制目标是取得关节摩擦规线的高精度位置追踪。理想的参考规线被选择为式中A是用来改变参考规线的常量。对于rad，参考位置和速度如图5所示。不确定性范围是在实验结果的基础上估算出来的。以分解为基础的摩擦补偿方法能直观的调节以取得最好的追踪结果。控制参数，包括相对速度估算准确度rj，被尝试着调节以使在机械手没有出现大的震动时取得最好的追踪结果。表2中列出了主要控制参数。图6是以分解为基础摩擦补偿方法的位置追踪结果，图7是速度估算。从图7中我们可以发现当机器人关节反转时，实际的速度接近零，因为最大向后步骤数的限制速度估算将会带来较大的误差。因此位置的追踪误差也会随之增加。图7中出现的速度峰值时产生的相对较大速度估算噪音是图6中出现的相对较大位置估算噪音的直接结果。结合所提出的速度估算方法和摩擦补偿方案机械手已经可以完成精确运动控制。在实验期间，人们发现速度估算对追踪性能有重要的影响。高的反馈扩大了速度测量噪音从而刺激未减速的高阶动力。本文提出的速度估算方法允许较高的反馈，这反倒导致更精确的追踪。对于如表2所列的同样设置的控制参数，如果电子微分器输出或者简单的欧拉图3.速度评价结果低速运动。逼近用于速度测量，机械手将会产生严重的振动。为了不激发高阶动力，我们不得不

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