【某机器人末端快换装置主体结构设计分析案例5700字】

I某机器人末端快换装置主体结构设计分析案例1.1引言本课题的新颖点在使用电磁铁与永磁体相配合来提供动力。目前现有产品，绝大多数是使用气动或液动，因此，无法在例如太空中等特殊环境使用。就现有拥有电磁系统的快换机构，也基本都使用电磁铁，需要持续通电供能，无法做到节约能源和断电保护，所以需要在电磁系统结构上有所创新，才能达到只需在切换状态时提供电能和断电保护等目标。本章将提出三种不同的含电磁铁和永磁体的快换机构，分析其各自的工作原理，并通过等效磁路等方法，对各种方案的输出力进行分析比较，给出相应的使用环境。1.2方案一：电永磁与弹簧配合上轭铁下轭铁永磁铁非导磁垫片线圈架（电磁铁）1.2.1整体结构上轭铁下轭铁永磁铁非导磁垫片线圈架（电磁铁）图3-1方案一整体结构图本方案在电磁铁下方加装了永磁体，通过弹簧配合和往线圈正反通断24V电流，可实现衔铁的上下移动。当衔铁向上移动时会将定位钢球向外推出，从而达到定位连接的目的。1.2.2工作原理下面分析工作原理。（1）快换机构处于未连接状态(衔铁闭合在下端)，当线圈不带电，衔铁闭合在下端时，此时的对接机构正处于衔铁收回未对接的状态，如图3-2所示，其中红色线路为永磁所产生的磁通路径。因为弹簧的弹力衔铁芯保持在回收状态，此时在轭铁中永磁通道具有两个闭合的回路，在上部工作气隙处永磁通道产生沿轴向向上的吸力，在下半部分衔铁的下端的非工作气隙处永磁通产生沿径向的吸力。图3-2线圈未通电（断开）图3-3线圈通电（断开）当线圈加上正向脉冲，由此产生电磁通量时，其电磁通量方向如图3-3中的外部蓝色虚线所示。其一方面在上半部分气隙中产生同向的轴向吸力，增大了上端面的轴向吸力，另一方面在下半部分产生反方向轴向磁通，减少了非工作空气的磁通量，使非工作气间隙的径向吸力减小。上部分工作气隙处的吸力在电磁铁线圈通电过程中大于下端的弹簧所产生的抵抗移动的力时，衔铁开始向上移动并最终在上端闭合，衔铁的作用力使得钢球锁紧机构中的钢球向外运动，从而使快换机构从未连接状态转换为锁紧状态。此时永磁体所产生的磁通主要通过上端的工作气隙。线圈停止通电，衔铁靠永磁体固定在上端位置。(2)快换机构处于连接状态(衔铁闭合在上端)当线圈不带电，衔铁稳定吸合在上轭铁端面时，由图3-4所示的红色虚线表示永磁体所产生的磁通的路线，因为此时工作气隙在上半部分间隙约等于0，故永磁铁通过衔铁的上端面处的磁通提供了较大的吸合力，其远大于弹簧产生的向下的弹力。快换机构处于稳固连接状态。图3-4线圈未通电（连接）图3-5线圈通电（连接）此时线圈通入反向电流，由此产生电磁通量时，其电磁通量方向如图3-5中的外部蓝色虚线所示。其在上半部分气隙中产生反向的轴向吸力，减弱了上端面的轴向吸力。在通电过程中，上部分工作气隙处的磁通在电磁铁线圈通电过程中与永磁体的磁通相抵消，弹簧所产生的大于上端面磁通的吸力时，衔铁开始向下移动并最终停留在下端起始位置，衔铁的向下运动时所产生的摩擦作用力使得钢球锁紧机构中的钢球向内收回，从而使快换机构从锁紧状态转换为断开状态。线圈停止通电，衔铁主要靠弹簧的弹力固定在下端位置。1.2.3设计计算由于电工纯铁的磁阻远小于气隙，所以在近似计算时可以忽略轭铁所产生的磁阻。此时可以将永磁体等效成为一个磁势和一个磁阻的叠加状态，所以可以建立等效磁路模型，如图3-6所示图3-6等效磁路图根据上图所示的等效磁路模型，可以列出以下回路方程组:R式中：F、R0IW为线圈通电所产生的磁势;Φ1、ΦR1R2R3化简上式得：Φ通过上半部分的工作气隙处的磁通即为Φ1P=S式中RXx、RXs分别为衔铁上端面最细处半径和最粗处半径,θ把Φ1的化简式代入PP=永磁体的等效磁势与等效磁阻为:F式中，hy为永磁体的厚度，Hc为永磁矫顽力，μm对于扇形永磁体，计算等效磁阻时需使用微元法，如图3-7所示。图3-7扇形永磁体微元法示意图取极小微元drdθd该微元的磁导为：dΛ=该微元的磁阻为：dR=由此可求得永磁体的等效磁阻：R式中，RYw为扇形永磁体的最外缘半径，R1.2.4计算结果本方案需要在下轭铁与永磁体之间和永磁铁与线圈架之间各增加一个厚度为2mm的非导磁垫片。经过选择，本方案所使用的永磁体材料为钕铁硼，其牌号N35SH,轭铁等软磁材料选用电工纯铁DT4E。尺寸与材料的参数列于表2-1中。表2-1参数列表名称符号数值单位永磁矫顽力H909456A永磁导磁率μ1.3188×Wb永磁剩磁B1.2T永磁厚度l12mm永磁内径D20mm永磁外径D32mm扇形永磁角度α85∘永磁块数n4个衔铁锥形上表面直径D6mm衔铁锥形下表面直径D18mm衔铁锥形极面高度h6mm衔铁极面面积S1.199×m衔铁总行程∆6mm线圈线径r0.4mm线圈电阻R1.2Ω线圈匝数W300圈永磁体的厚度与角度等变化可大幅影响输出力，但不能为了使初始力增大而大幅增加永磁体厚度，其厚度需要与线圈大小和匝数、轭铁的最大磁通密度等相配合。经过对比计算，最终选用厚度为12mm的85°扇形永磁体4块呈360°均匀分布。当线圈通入电压为24V时，由以上公式计算出吸力数值如表2-2所示：表2-2计算结果位移(mm)0123456受力(N)31.5541.7164.51104.67198.44511.163275.56当令计算式中线圈电流数值为0，并且令工作气隙为0时，可得出衔铁吸合在上端时的保持力为320.94N，满足预设的设计要求。1.2.5方案总结此方案适合小型机械臂，快换接头尺寸较小；此方案可以实现只在连接或断开时需要电能，节能高效且在突然断电情况下不会断开连接，具有较高安全性；但此方案对弹簧弹力的选择具有较高要求，需选择弹力稍大于衔铁自重的弹簧。1.3方案二：双向电永磁1.1.1整体结构图3-8方案二整体结构体方案二是在方案一的基础上设计而成，其核心也是由电磁铁和永磁体相互配合形成叠加或抵消的磁通，从而通过上下部分吸力的差值来驱动铁芯的上下移动。本方案在上下各半部分之间加入了一片磁阻材料制作的垫片。方案一适合机械臂载荷较小且不会受到较大冲击载荷的情况，而方案二能达到双向稳定高输出。1.1.2工作原理（1）快换机构处于未连接状态(衔铁闭合在下端)图3-9线圈未通电（断开）图3-10线圈已通电（断开）当线圈不带电，衔铁在下端面闭合时，此时的对接机构正处于衔铁收回未对接的状态，如图所示为永磁的磁通路径。其永磁通道具有两个独立的回路，如虚线所示，在上部工作气隙处永磁通道产生沿轴向向上的磁通，在下部工作气隙处永磁通道产生沿轴向向下的磁通。由于下端面工作气隙比上端面工作气隙小得多，所以下端面所受到的吸力远大于上端面永磁磁通所产生的吸力，衔铁所受到的合外力向下，使其保持在下端闭合状态。当线圈通入正向电流，由此产生电磁通量时，其电磁通量方向如图3-10中的外部蓝色虚线所示。一方面上部线圈在上部分工作气隙中产生同向的轴向磁通，增大了上端面的轴向吸力，另一方面下部线圈在下部分工作气隙中产生方向相对的轴向磁通，在抵消下减弱了下端面的的轴向磁通，使其轴向吸力减弱。上部分工作气隙处的吸力在电磁铁线圈通电过程中大于下端工作气隙处的吸力时，衔铁开始向上移动并最终在上端闭合，衔铁的作用力使得钢球锁紧机构中的钢球向外运动，从而使快换机构从未连接状态转换为锁紧状态。此时永磁体所产生的磁通主要通过上工作气隙。线圈停止通电，衔铁靠永磁体固定在上端位置。(2)快换机构处于连接状态(衔铁闭合在上端)当线圈不带电，衔铁在上端闭合时，由图的虚线表示永磁铁所产生的磁通的走向，因为上半部分气隙为0，故上端面永磁磁通所产生吸力远大于下端面永磁磁通所产生的吸力，衔铁所受到的合外力向上，使其保持在上端闭合状态。快换机构处于稳固连接状态。图3-11线圈未通电（闭合）图3-12线圈已通电（闭合）此时线圈通入反向电流，由此产生电磁通量时，其电磁通量方向如图3-12中的外部蓝色虚线所示。其在上半部分气隙中产生反向的轴向磁通，减弱了上端面的轴向吸力。在通电过程中，上部分工作气隙处的磁通在电磁铁线圈通电过程中与永磁体的磁通相抵消，与此同时下方的是相互叠加的状态，此时合力方向向下，移动中衔铁的向下运动时所产生的摩擦作用力使得钢球锁紧机构中的钢球向内收回，从而使快换机构从锁紧状态转换为断开状态。线圈停止通电，衔铁靠永磁体固定在下端位置。1.2.3设计计算根据方案结构，画出等效磁路图如图3-13所示图3-13等效磁路图图中：FmFmIW为线圈通电后所产生的磁势;R11R21R12R22RuRd由于电工纯铁的电阻率远小于气隙产生的磁阻且电工纯铁磁导率为非线性的，所以近似计算时忽略电工纯铁所产生的磁阻。根据图3-13的等效磁路图，可以近似列出磁通的回路方程：RR由于本方案中的工作气隙处的总位移比较小，只有5mm，所以在近似计算时可以采用麦克斯韦电磁力公式。由此可得衔铁在轴向所受的总力为：P=1.2.4计算结果其他计算步骤和方案一相同，永磁铁材料选用钕铁硼，其牌号N35SH,轭铁和衔铁外圈等软磁材料选用电工纯铁DT4E。永磁铁选用12mm厚扇形永磁铁上下各8块，线圈采用0.4mm铜线。在衔铁向上运动时需要使磁通ϕ5本方案需要锁紧时共位移5mm，经过计算后，吸力特征如下表所示：表2-2计算结果位移(mm)012345受力(N)58.12N82.93N139.24N251.79N712.24N3965.58N当线圈掉电后中心衔铁轴向分别受到向上和向下两个方向的吸合外力，相减可得保持力为308.92N。1.2.5方案总结方案一和方案二为了实现只在改换状态时需要电能的目标，采用了永磁体和电磁铁相互配合的方案。为了去掉方案一底部的弹簧，来提高设计方案的稳定性和使用寿命，并避免弹簧在使用过程中弹性发生变化，实现双向的稳定高效移动，从而设计了方案二结构。但方案二的体积、重量和造价远大于方案一，输出力和锁紧力并没有太大提升，故方案二不适用于机械臂载荷较小的情况。1.4方案三：直接吸附永磁体方案三采用直接吸附零件的设计思路，在吸附零件时不需要电能的供应，节能高效，可以配合其他机械手工作，吸附一些细小零件。1.4.1整体结构图3-13电永磁铁图3-14电永磁铁截面图本方案采用四个小型电永磁铁，其通入脉冲电流可改变其性态。每个电永磁体由两个圆柱形磁体构成，材料分别为铝镍钴（AlNiCo5）和NdBFe，两个磁体外形都为直径4.76mm，长9.53mm。磁体两端两个相同的半圆形零件由低碳钢加工而成。图3-15电永磁铁排列图图3-16整体图缠绕的电磁线圈是为了产生足够强的磁场，使AlNiCo磁体达到饱和。故使用200匝AWG40的导线。该方案的工作面为直径为42mm的圆形区域，其外壳为铝制，工作面由8个半圆形槽，电永磁体装配后磁极会插入槽中。电永磁体由胶水固定在工作面后方，但不承重。1.4.2工作原理本方案用来直接吸附一些铁、镍、钴等材质的圆环状或钉状细小零件，搭配下一章所设计的圆盘使用，可解决手爪类夹持器无法夹持细小类零件的情况。方案核心为一种电永磁体，由两根柱状永磁体上缠绕着线圈组成。两根柱状永磁体都有相同的剩余磁化强度，但其中一个矫顽力相对较低(通过暴露在磁场中可以改变极化)，而另一个矫顽力较高(需要更强的磁场来改变极化)。在需要改变这个磁铁的性态时，可通过线圈中的一个短脉冲电流来改变，适当大小的电流会产生只改变低矫顽力磁铁磁极的磁场，当低矫顽力磁铁磁极改变，与另一磁铁磁极相同时则对外表现为吸附状态，当两者磁极方向相反时，两块磁铁之间则会形成完整磁路，对外表现为无磁力，不吸附。一旦设置好，可实现吸附时不需要电能的提供，只在改变状态时需要电能。1.4.3输出力分析磁体两端半圆形零件的下表面积对输出磁力的强度有至关重要的影响。其每个单位面积的磁力与磁通密度的平方成正比。因此，减小极面积会增大对加持力，但最高只能达到低碳钢的磁通饱和密度(1.5T)。由此，根据永磁体的直径和永磁材料平均磁通密度(NdBFe和AlNiCo均为1.38T)，可得出低碳钢件的最小接触面积为32.7mm21.4.4电气设计驱动电路:本方案中的的四个电永磁铁是由五个半桥阵列驱动的，需要6A的电流来改变磁铁性态。如图所示，每个磁铁的一侧连接到