堆码机器人手臂的虚拟设计与仿真论文

I 本 科 毕 业 设 计（论 文） (2010 届 ) 题 目 堆码机器人手臂的虚拟设计与仿真 学 院 轻工学院 专 业 包装工程 班 级 学 号 学生姓名 指导教师 完成日期 I 堆码机器人手臂的虚拟设计与仿真 摘 要： 在实现包装工艺过程中，往往需要将物品整齐、规则地摆放成 货垛，此作业我们称为堆码。由于堆码劳动强度大，它就可能使产品质量不稳定，而且工人经常要举起成品，所以它也是最易受伤的工作之一。即使劳动力便宜、不计工人受伤或停工的花费，自动包装和堆码还是有它的优势，它能改善产品质量，因为它可以减少破包和加快袋装包的分发。 堆码机器人作为一种物料运输 设备，通过更换其手臂抓手可以实现对不同货物的码垛和拆跺。 针对物流自动化行业中对箱包高速码垛的需求 ,并依据搬运机器人的性能要求 ,设计了一种四自由度的堆码机器人。重点分析了堆码机器人的运动学研究 , 规划了运动路径 ,进行了图形仿真 ,验证了运动轨迹的正确性。 关键词 : 机械手； 堆码 ；仿真；结构设计； 伺服 电机 he of s i （ In of it to We As is it is of to a if is of or It it of of of as a be on uo by In of in a on of of of to a of of . 录 1 绪论 . 1 器手的应用与发展 . 1 码机器人的发展与前景 . 3 发堆码机器人的可行性 . 5 码机器人的市场需求 . 5 . 5 2 堆码机器人手臂的总体设计方案 . 6 码机器人手臂的构成 . 6 行机构 . 6 动机构 . 7 制系统 . 5 构布置要求及平稳性与定位精度 . 5 构布置要求 . 5 位精度 . 6 码机器人手臂设计的研究内容 . 9 3 堆码机器人手臂执行部分的结构设计 . 7 部 . 7 部要求 . 7 指夹紧力的计算 . 12 动力的计算 . 8 部结构的设计图 . 12 腕设计 . 11 臂 设计 . 12 臂连杆机构的运动分析 . 13 座的设计 . 16 4 堆码机器人的驱动部分 和控制系统 . 16 服电动机 . 16 服电动机的分类 . 17 流伺服马达 . 17 流伺服马达 . 17 码机器人采用的交流伺服电动机 . 17 气控制原理设计 . 18 制方案的确定 . 19 作系统及微控制器的选择 . 19 制方式的选择 . 19 5 堆码机器人的运动模式及仿真 . 21 码机器人的运动模式 . 21 码机器人的仿真 . 25 致 谢 . 1 参考文献 . 1 1 1 绪论 器手最显著的特点 1） 可编程。 生产自动化的进一步发展是柔性自动化。机器手可随其工作环境变化的需要而再编程，因此它在小批量多品 种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用，是柔性制造系统 (的一个重要组成部分 。 2) 拟人化。 机器手在控制上有电脑。此外，智能化机器手还有许多类似人类的 “生物传感器”，如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器功能等 自适应能力。 3)通用性。 除了专门设计的专用机器手外，一般机器手在执行不同的作业任务时具有较好的通用性。比如，更换机器手手部末端操作器 (手爪、工具等 )便可执行不同的作业任务。 4)机电一体化。 机器手技 术涉及的学科相当广泛，但是归纳起来是机械学和微电子技术的应用，特别是计算机技术的应用密切相关。 因此，机器手技术的发展必将带动其它技术的发展，机器手技术的发展和应用水平也可以从一个方面验证一个国家科学技术和工业技术的发展和水平 。 械 手的应用与发展 在发达国家，机器手己广泛地应用于工业、国防、科技、生活等各个领域。产业部门应用最多的当推汽车工业和电子工业，在金属加工、塑料成型、机械制造等行业也有普遍应用，并逐渐向纤维加。食品工业、家用产品制造等行业发展。 焊接作业包括点焊和弧焊，是机器手 用得最多的作业之一。传统的点焊机虽然可以 2 减轻人的劳动强度，焊接质量也较好，但它适宜少品种大批量的生产环境，其夹具和焊枪位置不能随零件的改变而变化，而点焊机器手可通过重新编程来调整空间点位，满足不同零件的需要，故特别适宜于小批量多品种的生产环境。弧焊作业由于其焊缝多为空间复杂曲线，故多由人工完成，连续轨迹控制的机器手可以胜任此任务，故广泛用于各种复杂结构和容器的焊接 。 。 喷漆作业由于环境恶劣，国外大量使用了机器手，挪威生产的 机器手为关节式， 6自由度，电液或全电动伺服驱动，采用示教再现方式，既可实行点位控制 ，也可实行连续轨迹控制。 搬运物料的作业包括为机床上下料，为自动生产线转运工件，搬运机器手和数控机床一起组成柔性加工系统，一条柔性生产线可配置几台至十几台搬运机器手，典型的搬运机器手是 机器手用于装配作业是随着视觉系统的发展而发展起来的，电子工业用得最多，主要用在电路板的装配上，还有电动机、发动机部件、阀门等产品的装配。 装配机器手，有 6个自由度，关节式，直流伺服电机驱动，微机控制点位或连续轨迹，用 言示教编程，其手腕机构具有顺应性，可克服装配中的误差。 国外的航空航天工业中应用机器手也十分广泛，如铆接装配作业就大量使用了机器手，此外如电气插头的装配，发动机风扇外壳和高压涡轮的焊接，飞机座舱盖和风挡钻孔作业，飞机机身和垂直尾翼钻孔，都采用了机器手。某些飞机机身、机舱的喷漆作业，发动机零部件等离子喷涂也采用了机器手。在空间开发中，航天飞机上收放卫星的机器手是加拿大 国 划，发射了两个火星探测器海盗 ，它们也是一种机器手，在火星上采集样品，作各种实验，并能将实验结果发回地球。 在海洋开发方面，美国曾用 900米深的海底打捞一颗因 挪威卑尔根公司生产的一种水下机器手，可在水下 600米处作业，装有电视摄 3 像机，可收集海底标本，切割石油管道和缆索等。 在放射性环境中，如在核电站里，机器手可用来检查、修复管道、阀门等，如日本东芝公司研制的一种蛇形机器手，具有八个关节， 可以在狭小的空间里操作，臂长达 顶端装有电视摄像机。 在军事方面，机器手 己用于侦察、布雷、排除爆炸物、装填弹药等。在建筑中，己有一种爬壁机器手可用来修理墙面，擦洗窗户。此外还有摘果实、挤牛奶、剪羊毛、清理垃圾、监护病人的机器手等。 总之，机器手的应用面相当广泛，机器手的工作特点是在计算机控制下离开人的干预进行各项工作。用机器手代替人，可以使人摆脱高温、有毒、粉尘、振动、放射性、强噪音等恶劣环境，而去从事机器手的监控、维护等工作，使工作性质发生了变化，减轻了劳动强度，同时也改善了就业结构 。机器手工作抗干扰能力强，一心一意按所编程序工作，动作精度、重复精度高，因此能保证和提高产品质量。解决多品种小批量生产的自动化问题二随着人民生活水平的提高，人们要求提供更丰富更多样的产品。因此，用传统的生产方式难以满足人们的需求，当前柔性制造系统的飞速发展正是适应了这种发展趋势，而机器手是柔性系统中不可缺少的提高劳动生产率的关键设各。与人相比，机器手有一个最大的特点 :不知疲倦、不需要休息，在合宜的条件下，可以连续工作，因此可以大大地提高劳动生产率。机器手对于改善劳动条件、减少安全事故 ，减少人受危险环境的伤 害等方面都有显著的效果。 【 1】 。 码 机器人的发展与前景 机械手是近年来发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电了工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新科研成果，代表了机电一体化的最高成就，是目前科技发展最活跃的领域之一。工业机械手的性能，要求不断提高工作精度和作业速度，增加机构的自由度，提高通用性和灵活性，同时还要求降低成本，控制简单，安全可靠。因此，工业机械手的研究处于机械手研究的前沿 4 现在有很多个原因，包括包装的种类、工厂环境和客户 需求等将 堆码 变成包装工厂里一块难啃的骨头。 为了克服这些困难， 堆码 设备的各个方面都在发展改进，包括从机械手到操纵它的软件。 最近市场上对灵活性的需求不断增长，这一个趋势已经影响到了包装的多个方面，生产线的后段也不例外。零售客户，尤其是那些具有影响力的如沃尔玛一样的大型超市，经常需要定制一些随机货盘，但是他们不得不定制每一个货盘，而货盘的形式只是偶尔会有重复。而且这类随机的货盘的高效生产是比较困难的。 对于随机货盘来说， 堆码 机器人是唯一的选择。尽管如此，机器人装载也面临比较多的问题，如果要以较高的速度进行生产，将更加困难重重。 一个处理随机装载的机器人 堆 码 机需要特殊的软件，通过软件，机器人 堆码 机与生产线的其他部分相连接，这是个巨大的进步。 一个用来建造随机货盘的机器人能集成进工厂的仓库管理系 统 。理想上，它会成为 前段，与仓库软件一起协调工作，来生产混合货盘。精密的软件同样能够满足对立即可上架货盘的需求。一般来说，这就意味着产品 堆码 好后，部分或者全部一次包装容器的标签都必须是朝外的。 机器人 堆码 设备还是另外一个苛刻应 用的选择：冷冻仓库内 堆码 。在消费商品包装领域，在一个冷冻仓库内处理箱子是最困难的工作之一。工人们不得不频繁地交替工作来保持身体暖和，这就间接 的降低了工作效率并提高了劳动力成本。 在冰冻环境下，自动化的随机存取式 堆码 机并不是正确选择，因为大多数自动化随机存取 堆码 机都使用在冷库里会结冰的压缩空气管。而与自动化 堆码 机相比， 堆码 机器人的尺寸更紧凑，由于冷冻仓库中的空间十分宝贵，因此这点显得尤为重要。尽管如此，机器人在冷冻仓库中的应 用也存在着一些问题。现在，一些供应商开始为冷冻仓库设计特殊的 堆码 机器人。 在采用 堆码 机器人的时候，还要考虑一个重要的事情，就是机器人怎样抓住一个产品。 真空抓手是最常见的机械臂臂端工具（ 相对来说，它们价格便宜，易于 操作，而且能够有效装载大部分负载物。但是在一些特定的应用中，真空抓手也会遇到问题，例 如表面多孔的基质，内容物为液体的软包装，或者表面不平整的包装等 。 2 5 图 1码机器人堆码过程 发堆码机器人的可行性 码 机器人的市场需 求 目前，在通货膨胀、人力成本逐渐升高的经济背景下，从现有国内啤酒、饮料工业的发展趋势来看，机器人需求量将相当可观。业界已给出高度的评价和关注。据有关数据显示，市场每年的需求在 150 台套以上。每年可为啤酒、饮料包装 行业增加产 值 可带动相关产业链同步发展，又对推进社会进步和科技创新具有着 深远 社会意义。我国啤酒、饮料行业有数百家生产厂家、数千条 20,000 瓶 /小时和数百条 40,000 瓶/小时包装生产线。大部分生产线是人工 堆码 库，工人劳动强度大，工伤事故 率高，增加了啤酒、饮料企业的生产管理成本。近年来，一些大型啤酒 饮料企业 、 特别是新建工厂，开始购置 堆码 设备，需求量增长幅度较大。 近几年，啤酒、饮料、乳品等食品行业经历了前所未有的高速增长，然而随着原料、包装、物流、营销、人力等 成本的不断上涨，国内外对节能环保要求的提高以及产业集团化、规模化和国际化进程的加快，啤酒、饮料、乳品等食品企业正面临着成本控 6 制和产品升级换代的挑战。同时消费者对产品质量和多样化的要求越来越高，生产工艺和设备革新也势在必行。新技术、新设备、新材料不仅可帮助企业根据各自的需求和企业文化开发个性化的产品和包装，而且可以降低原材料、设备和生产能耗等成本，增加企业的产品竞争力。 3 2 堆码机器人手臂的 总体设计方案 码机器人手臂 的构成 堆码机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。 它是一种 多自 由度的 关节式串联机器人，其机械系统主要由 4 个关节部分组成 ,能实现 4 种运动 :基座 旋转、 连杆结构的手臂结构前后和上下运动 、 手腕回转运动 与手爪的伸缩和抓取运动 并全部由交流伺服电机驱动。 行机构 1）手部 手部安装在 手臂的前端，手臂的内孔装有传动轴，可把动作传给手腕，以转动、伸曲手腕，开闭手指。 机械手手部打的构造系模仿人的手指，分为无关节、固定关 节和自由关节三种。手指的数量又可分为二指、三指、四指等，其中二指 用的最多。可根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作的需要。 2）手臂 手 臂有无关节臂和有关节臂之分。目前采用的手臂几乎都是无关节臂。多关节臂还处在研究阶段。手臂的作用是引导手指准确的抓住工件，并运送到所需的位置上。为了使机械手能够准确的工作，手臂的三个自由度都需要精确的定位。总括机械手的运动，离不开直线移动和转动两种。 3）躯干 7 躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的支架。 动机构 机械手的驱动机构主要有三种：液压驱动、气压驱动、电机驱动 。 液压驱动输出的功率很大，压力范围为 50制精度较高，可以无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制。而且液压驱动的 相应速度很高，适用重 载和低速驱动，但是液压元件成本较高。维修方便，但对油环环境温度有 一定的要求。 气动驱动输出的功率也比较大，压力范围为 48是控制精度低，低速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制。排气时有噪音适用中小负载驱动，但成本低且维修比较方便。 电机驱动输出的功率较液压和气动较小一点，但控制精度较高，能精确定位，反应灵敏，可以实现高速、高精度的连续轨迹控制，但控制系统复杂。适用中小负载、要求精度较高的机械，但是成本高，维修也非常的复杂。 本文设计的堆码机械人采用的是伺服电动机驱动 。 制系统 机械手系统的各种动作 ,是通过对可编程控制器 (编程实现的 。 统通过接口电路的传感器 ,提取抓子的开合状态信号、伸缩臂的位置信号和回转臂的转角信号等输入至 经由 理后 ,由伺服电机驱动 ,完成机械手的相关动作 。 控制系统的控制方式主要是手动控制方式 ， 系统具有手动操作一次后可被存储重复操作的功能 ,即机械手的每个关节的任意一次动作都可被存储起来 。 只要没有新的动作 ,机械手将重复存储的动作 ,这可大 大减轻劳动者的劳动强度。 堆码机器人 控制的要素 包括工作顺序、到达位置、动作时间 、运动速度和加速度等。这些都要通过设计计算及分析思考，查找资料来具体确定。 8 构布置要求及平稳性与定位精度 构布置要求 机械手工作中运动速度较高，在结构布置上应保证运动平稳，这样可提高机械手使用的可靠性，并可延长使用寿命，在结构上要注意以下几点： 1） 臂部要防止偏重 通常臂部处于悬臂的工作状态，在设计臂部、手部结构时要尽量使其总的重心在支撑中心，防止对支撑中心的偏重。偏重将会产生附加的弯矩引起立柱和导向的变形，工作中引起导向装置不均匀的磨损。在回转运动中偏重对回转轴附加有动压力 ，其方向不断的变化，特别是高速及速度突然变化时更为明显，这将引起机械手的振动，严重时会造成卡死。防止偏重过大可采取的措施如下： 尽量减少偏心载荷。 臂部平衡。 应加强导向支撑，尽力减轻偏重对运动的影响。 2） 加强臂部刚度 选取臂部结构时要注意各个方向的刚度。提高臂部刚度是减少手部颤动的关键，有利于提高定位精度。臂部的刚度决定于臂部的结构和导向形式。 3） 改进缓冲装置和提高配合精度 机械手缓冲装置是保证运动平 稳和减少振动的主要措施。冲击有两种：一种是机械冲击，它是臂 部运动中与定位装置相撞而产生，用可靠缓冲装置来消除。另一种是驱动 系统动作时产生的冲击。这种 冲击作用于管路之中，仍会引起机械手振动，要靠改进驱动 系统设计来 解决。 位精度 提高部件的配合精度，减少间隙都有利于运动平稳。 在生产中要求机械手工作速度快，运动平稳，定位精度高。应注意其影响因素，设计合理结构，以满足要求： 9 1） 惯性力的影响 机械手速度突变，加（减）速度不连续，会产生巨大惯性冲击力，致使工件滑移，部件松动，零件破裂。定位时，大的减 速度使臂部往复振动，直接降低定位精度。因此，应根据机械手的运动特性，选择适宜的控制系统，使加（减）速度按所需的运动规律变化。同时，在保证刚度前提下减轻机械手运动部件的重量。 2） 结构刚度的影响 零件结构刚性低，配合间隙大以及整机固有频率低时，受较小惯性冲击就发生振动，不但降低定位精度，而且降低机械寿命。应选择合理结构，提高机械手固有频率以及承受惯性载荷的能力。 3） 定位方法的影响 常用定位方法中电气开关定位的精度最低，伺服定位较高，机械挡块定位精度最高。 4） 控制系统的影响 电控系统误差，阀类泄露，检测元件 失灵，挡块偏移等都会降低定位精度。 5） 驱动源的影响 液压、气压、电压和油温波动都会降低平稳性及定位精度，必要时，用蓄能器、稳压器等稳定压力和电压，用加热器冷却器控制油温。 码机器人手臂设计的研究内容 1） 机械手执行部分对具体夹取物品时可靠性，受力情况。 2） 机械手各个关节的结构设计与运动学分析。 3） 伺服电机的工作 原理。 4） 整个机械手的组装分析，机构装配图的生成，零部件图纸的绘制以及模型的仿真设计。 【 4】 3 堆码机器人手臂 执行部分 的 结构 设计 爪 机械手的手部是用来抓持工件（或工具 ）的部件。手部抓持工件的迅速、准确和牢靠程度都将直接影响到机械手的工作性能，它是机械手的关键部件之一。 机械手手爪是 10 整个机械手的执行部分，在现代工业中，机械手已广泛用 于各行各业，因此对机械手手爪的要求也更高了，其主要表现为 手爪的结构和夹紧力方面，即进行对各种工件的抓取任务，因此对不同的工件就需要设计不同的手爪与之配备 。 图 3种各样的机械手爪 部要求 1）手指应具有足够的夹紧力。在考虑手指的夹紧力时，除考虑工件的重量外，还应考虑工件在传送过程中产生的惯性力和震动等影响，以保证夹持牢靠。 2）各构件要有足够的刚度和 强度。 3）构件要简单，修理方便。 4）应尽可能结构紧凑。使之重量轻，动作灵活。 11 持器的选用 技术要求 ： 1）必须有足够的夹持力和所需的夹持位置精度； 2） 结构要简单，且紧凑，重量轻，能完成多种作业 1、 楔块杠杆式回转型夹持器 其特点：结构简单，但夹紧力较小，不宜夹大小范围变化很大的工件，适用于轻载场合 2、滑槽杠杆式回转型夹持器 其特点：结构尺寸大，并且在各点的夹紧力大小都不相同。 3、连杆杠杆式回转型夹持器 其特点 可以产生较大的夹紧力，但钳爪张卡角小，毛坯尺寸公差对夹紧力的影响较大。 4、左右旋丝杆平移型夹持器 其特点：结构复杂，零件加工精度高。 5、 齿轮齿条平行连杆式平移型夹持器。 其特点：推力平均，结构简单，夹紧力较大，特别应用于对体积变化范围较大的工件。 根据上述两点比较，并对机械手给定的参数及工作条件进行分析比较，选用齿轮齿条平行连杆式平移型夹持器，由于工件为圆柱型零件，因 此选用圆弧型定位块 。 12 图 3种机械手夹持器 指 夹持器的夹紧力计算 321 夹紧方位系数1K 2K 惯性力影响系数 2K 3K 安全系数 根据经验公式 一般取 3K =G 工件重量 (公斤 ) 公斤10G 321 = 部结构的设计 图 由图 3结构简图我们可以得知，机械手手部主要是由两个滑块机构组成，驱动系统 带动连接机械手的手部的轴向运动，两个滑块机构将轴向的运动转变为机械手的开和闭。然后运用手爪上的夹取机构来夹取目标 物体，达到目的。 13 图 3手部结构简图 手部夹取物品的方案已经确定，我们具体的分析一下在夹取过程中手部具体的部件的具体的运动形式。由图 3们可以很简单的看出，连接手指的轴做着轴向的运动，滑块随着轴向的运动沿着滑槽做着运动，而手指则是围绕连接着手指的中心点做着摆动。此一系列的运动合在一起就完成了机械手的夹取运动。 14 图 3手部运动简图 分析手部在夹取物品时 的稳定性，我们要对机械手手指夹取物品时的受力做一个分析。由下图 3取装置的受力图）可知，忽略摩擦力和其他的一些阻力，手部 在夹取物品时物品受到的力主要有接触力 物体自己的重力 G。由图中的受力图进行受力分析： 水平合力为零： （ （ 3） 0 (3垂直合力为零： （ 2 ） （ 4） G (3根据对称性原理可知： 2 (34 (3由上式可得： (3 15 图 夹取装置的受力图 腕设计 经过仔细的研究 设计 ,确定了手腕关节的结构 ,尺寸和驱动方式 ,其主要采用两条同步齿形带和三个圆锥齿轮传动来完成手腕关节旋转 ,俯仰两个自由度的动作 ,具体设计如下： 5腕驱动电机的选择： 计算手腕所受的转矩 M 通过对手爪自重的估算 ,算出 计算转矩 M： 5腕受力分析： 手腕部分是一个重要的中间环节 。 16 其主要受到物体的重力和手爪的自重 。 G 夹持物体的重力 N 手爪本身的重力 M 电机对手腕的作用力矩 计算手腕所受的转矩 M 通过对手爪自重的估算 ,算出 6 臂设计 电机 皮带轮 电机 电机 皮带轮 图 3码 机器人的机械结构简图 臂连杆机构的运动分析 建立坐标方程 17 图 堆码机器人 吊臂连杆的机构简图。其中支点 X 轴丝杆上的滑块和连杆 铰接点 ,当支点 X 轴伺服电机的驱动下沿着水平方向运动时 ,吊臂抓手所在的支点 相应的水平和上下运动。支点 Y 轴丝杆上的滑块和连杆 铰接点 ,当支点 Y 轴伺服电机的驱动下沿着垂直 方向运动时 ,吊臂抓手所在的支点 相应的上下和水平运动。 【 7】 图 3臂连杆机构简图 (其中 定义 1 与 2 支点的运动输入坐标变 量为 点 ， 11= ( 3 9 )=0点 , 220 ( 3 - 1 0 ) 则其余各支点的坐标可以表示为 点 , 3333c o s ( 3 - 1 1 )s i nx x 点 , 4444c o s ( 3 - 1 2 )s i l y 点 , 5 6 5 3 4 35 6 5 3 4 3/ ( ) ( 3 - 1 3 )/ ( )x l l x x xy l l y y y 式中 , 各杆的长度 ,为连杆 X 轴负方向的夹角。 点的运动方程由勾股关系可得 2 2 23 4 3 4 5( ) ( ) ( 3 1 4 )x x y y l 将式 (3 (3入式 (3 18 2 2 2 24352 2 2 243()a r c s i n a r c c o s ( 3 - 1 5 )2 ( )l l y x yl l x y x 由式 (3(3以推导出 点的运动方程为 5 6 5 6 5 4 3 35 6 3 6 5 4 3 3( / 1 ) / ( ) c o s ( 3 - 1 6 )( / ) / ( ) s i n ? x l l x l l l l ly l l y l l l l l 由式 (3以看出 ,吊臂连杆机构是 2 输入 2 输出非线性系统 ,所以吊臂抓手 的位置、速度变化相当复杂。当 X 轴伺服电机驱动支点 水平运动时 ,支点 水平运动 (化 )的同时 ,通过附带的因子 做相应的运动 ;当 Y 轴伺服电机驱动支 点 垂直运动时 ,支点 垂直运动 (化 )的同时 ,通过附带的因子 做相应的运动。这种附带的运动容易引起吊臂抓手的振动 ,加剧机械磨损。 臂连杆参数的优化设计 由 于附带因子 度变化的非线性 ,而由 点的运动方程看出 ,附带因子前有一常数项 ,因此 ,通过优化常数项中各连杆 长度参数来减少这种附带运动 ,是本优化设计的出发点。设计变量为 L=l3 l4 l5 (3为了使 Y 轴伺服电机做垂直运动 时 ,位置的变化对吊臂抓手的水平方向的附带运动影响达到最小 ,可以将 程对 y 求导 ,并使导数最小 , y 的变化对 附带运动影响最小 ,由此得到 1 组目标函数 5 6 5 4 3 3m i n ( ) / ( ) s i nx dx l l l l ld y d y 且 |)| 0 (3为了使 X 轴伺服电机做水平运动时 ,位置的变化对吊臂抓手的垂直方向的附带运动影响达到最小 ,可以将 程对 x 求导 ,并使导数最小 , x 的变化对 附带运动影响最小 ,由此得到另一组目标函数 19 5 6 5 4 3 3m i n ( ) / ( ) c o sy dy l l l l ld x d x 且 |)| 0 (3根据实际经验可以给出所有设计变量初时定域 i=0 Gi=0, i=3,4,5,6 (3由式 (3 (3得 ,当满足常数项 l6/(,附带速度变化关系式)=0,)=0,都达到最小值。这时 , X 轴伺服电机做水平运动时 ,位置的变化对吊臂抓手的垂直方向的附带影响达到最小为 0,即没有影响 ; Y 轴伺服电机做垂直运动时 ,位置的变化对吊臂抓手的水平方向的附带影响达到最小为 0,即没有影响。此时 ,式 (3以转化为 2 个独立的线性函数 l6/)x (3l6/ (3X 伺服电机的运动只是使吊臂抓手做水平方向 的运动 ,运动的线性放大系数为l6/, Y 伺服电机的运动只是使吊臂抓手做垂直方向的运动 ,运动的线性放大系数为 伺服电机做匀速运动时 ,吊臂抓手也做匀速运动 ,附带的运动为零 ,吊臂抓手的振动达到最小 ,运动平稳 ,机械磨损最小。此时 ,我们把 l6/( 称为吊臂连杆机构设计的优化关系式。 【 8】 座 的设计 腰部底座关节机械结构图如图 示。腰部底座运动是藉由底部的伺服电机来控制空心轴 ,进而使机实现腰部旋转 ,并且经实验证明 :底部基座及法兰的构设计可以降低机械关节动时的工作噪音 ,而通常被 运的物品只需要从一个位置移到另一个位置 上 ,绕垂于水平方向的轴旋转以调整放置方向 ,所以此结构满现场工作的需求。 20 图 部底座关节机械结构图 4 堆码机器人的 驱动部分 和控制系统 服电动机 用作自动控制装置中 执行元件 的 微特电机 。又称执行电动机。其功能是将电信号转换成转轴的角位移或角速度。伺服：一词源于希腊 语 “奴隶 ”的意思。人们想把 “伺服机构 ”当个得心应手的驯服工具，服从控制信号的要求而动作。在讯号来到之前，转子静止不动；讯号来到之后，转子立即转动；当讯号消失，转子能即时自行停转。由于它的“伺服 ”性能，因此而得名。 21 图 4服电动机 /驱动器 服电动机的分类 一般分为直流伺服和交流伺服 . 流伺服马达 优点 :精确的速度控制 ,转矩速度特性很硬 ,原理简单、使用方便 ,价格优势 缺点 :电刷换向 ,速度限制 ,附加阻力 ,产生磨损微粒 (对于无尘室 ) 应用： 直流 伺服电机的特性较交流伺服电机硬。通常应用于功率稍大的系统中，如随动系统中的位置控制等。 流伺服马达 优点 :良好的速度控制特性，在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡 ;高效率， 90%以上，不发热 ;高速控制 ;高精确位置控制（取决于何种编码器） ;额定运行区域内，实现恒力矩 ;低噪音 ;没有电刷的磨损，免维护 ;不产生磨损颗粒、没有火花，适用于无尘间、易暴环境惯量低 ; 22 缺点 :控制较复杂 ,驱动器参数需要现场调整 数整定 ,需要更多的连线 应用： 交流伺服电机的输出功率一般为 ，电源频率分 50400多种。它的应用很广泛，如用在各种自动控制、自动记录等系统中 码机器人采用的 交流伺服电动机 堆码 机器人的四个