第5章 机械手的定位与平稳性

5.1 常用的定位方式

    机械挡块定位是在行程终点设置机械挡块。当机械手经减速运行到终点时，紧靠挡块而定位。

若定位前已减速，定位时驱动压力未撤除，在这种情况下，机械挡块定位能达到较高的重复精度。一般可高于±0.5mm，若定位时关闭驱动油路而去掉工作压力，这时机械手可能被挡块碰回一个微小距离，因而定位精度变低。

5.2 影响平稳性和定位精度的因素

    机械手能否准确地工作，实际上是一个三维空间的定位问题，是若干线量和角量定位的组合。在许多较简单情况下，单个量值可能是主要的。影响单个线量或角量定位误差的因素如下：

1、定位方式

    不同的定位方式影响因素不同。如机械挡块定位时，定位精度与挡块的刚度和碰接挡块时的速度等因素有关。

2、定位速度

    定位速度对定位精度影响很大。这是因为定位速度不同时，必须耗散的运动部件的能量不同。通常，为减小定位误差应合理控制定位速度，如提高缓冲装置的缓冲性能和缓冲效率，控制驱动系统使运动部件适时减速。

3、精度

    机械手的制造精度和安装调速精度对定位精度有直接影响。

4、刚度

    机械手本身的结构刚度和接触刚度低时，因易产生振动，定位精度一般较低。

5、运动件的重量

    运动件的重量包括机械手本身的重量和被抓物的重量。运动件重量的变化对定位精度影响较大。通常，运动件重量增加时，定位精度降低。因此，设计时不仅要减小运动部件本身的重量，而且要考虑工作时抓重变化的影响。

6、驱动源

    液压、气压的压力波动及电压、油温、气温的波动都会影响机械手的重复定位精度。因此，采用必要的稳压及调节油温措施。如用蓄能器稳定油压，用加热器或冷却器控制油温，低速时，用温度、压力补偿流量控制阀控制。

7、控制系统

    开关控制、电液比例控制和伺服控制的位置控制精度是个不相同的。这不仅是因为各种控制元件的精度和灵敏度不同，而且也与位置反馈装置的有无有关。

本课题所采用的定位精度为机械挡块定位

5.3 机械手运动的缓冲装置

    缓冲装置分为内缓冲和外缓冲两种形式。内缓冲形式有油缸端部缓冲装置和缓冲回路等。外缓冲形式有弹性机械元件和液压缓冲器。内缓冲的优点是结构简单，紧凑。但有时安置位置有限；外缓冲的优点是安置位置灵活，简便，缓冲性能好调等，但结构较庞大。

    本课题所采用的缓冲装置为油缸端部缓冲装置。

    当活塞运动到距油缸端盖某一距离时能在活塞与端盖之间形成一个缓冲室。利用节流的原理使缓冲室产生临时背压阻力，以使运动减速直至停止，而避免硬性冲击的装置，称为油缸端部缓冲装置。

    在缓冲行程中，节流口恒定的，称为恒节流式油缸端部缓冲装置。

    设计油缸端部恒节流缓冲装置时，amax（最大加速度）、Pmax（缓冲腔最大冲击压力）和Vr（残余速度）三个参数是受工作条件限制的。通常采用的办法是先选定其中一个参数，然后校验其余两个参数。步骤如下：

1、选择最大加速度

    通常，amax值按机械手类型和结构特点选取，同时要考虑速度与载荷大小。对于重载低速机械手，- amax取5m/s2以下，对于轻载高速机械手，-amax取5～10 m/s2

2、计算沿运动方向作用在活塞上的外力F

水平运动时：

                  F=PSA-Ff           （5-1）

                   =0.25×103×π×3.62-7

=138N

3、计算残余速度Vr

Vr=VO/         （5-2）   

          =0.1/0.64=0.15m/s

第6章 机械手的控制

    工业机械手的电气控制系统相当于人的大脑，它指挥机械手的动作并协调机械手与生产系统之间的关系。机械手的工作顺序、应达到的位置，如手臂上下移动、伸缩、回转及摆动、手腕上下、左右摆动和回转、手指的开闭动作，以及各个动作曲的时间、速度等，都是在控制系统酌的指挥下，通过每一运动部件沿各坐标轴的动作按照预先定好的程序来实现的。

    一般机械设备的控制系统，多着眼于自身运动的控制，而机械手的控制系统更注意本部与操作对象的关系。因此，对于机械手的控制系统来说，无论多么高级的系统，如果不能按要求把工件传送到指定的位置，都是毫无意义的。           

控制系统的结构一股分为开环系统和闭环系统两种结构。闭环控制系统也叫反馈控制系统，是一种不断把给定值和各控制量进行比较，使其偏差为零的控制系统。而开环控制系统，即使有局部的小的图环存在，但主要控制且是不用反馈控制的。对比两者，通常闭环系统的抵抗外部干扰和系统中主要单元的特性变化(参数变化）和能力强，而开环系统较弱。

6.1 常用行程控制传感器

    在机械手电气控制系统中，检测机构有着重要的作用。检测是为进行比较和判断提供依据，是操作和控制的基础。对于通用机械手，要求其行程范围可以任意调整，能进行时序控制，为确保行程准确无误，首先要解决位置检测的问题。

    机械手位置检测传动元件有：

    1、模拟式  将位移量变成模拟量(电流、电压、电阻等)进行测量，这种检测元件成本较低，使用条件不严格。如行程开关、电位器、差动变压器、旋转变压器等。

    2、数字式  检测元件输出数字信号，便于存储、运算和控制，其制造安装精度要求高。

    将位移变换为数字量的传统方法，是先将位移变换为电信号的模拟量，然后再将模拟量变换为数字量，由于这种方法受模拟式传感器和模——数转换器变换精度的限制，测量精度不高，因此目前广泛应用的是直接变换法。

    采用直接变换的数字式传感器有两种：

    （1）增量式位移传感器，它把位移轮换成脉冲，根据脉冲当量转换为单位位移，进而增式位移。如感应同步器等。

（2）绝对位移传感器，它直接把位移变成代码，例如编码器。

6.1.1 行程开关

    这种开关又称限位开关，立要用于将机械位移转变为电信号，控制驱动电动机的运行状态，或控制有关电磁阀动作，从而实现机械手的定位或进行行程控制。行程开关由微型开关、操作机构(撞头、推杆)及外壳组成，通常是将它与固定式成可调式挡块配合使用，利用装在机城手运动部件上的挡块，触动操作机构，使微型开关触头闭合或断开。

6.1.2 接近开关

    主要利用接近体(铁磁体)与检测线圈间的电磁感应作用来检测位置，是一种无触点行程开关，其作用原理如图6—4。它由感应头、振荡器、开关电路及输出器等组成。当机机手运动部分的铁磁体接近感应头时，出于感应作用，使振荡器线路参数发生改变而停振，电流增大，开关电路导通，按通外电路。接近开关具有定位精度高(几十微米)、操作频率高(每秒几十次至几百次)、寿命长、耐冲击振动、耐潮湿、体积小等一系列优点。按近开关，除上述的电磁型外，还有电容式、舌簧开关型(物体通过时，磁路闭合产生磁吸引力作用)等都属于无触点开关。

6.1.3 电位器

    图6.1所示手臂的行程由一个给定电位器给定。在运动过程中，手臂带动另一个检测电位器一起运动。该电位器输出一个大小与位移成比例的电压信号，当手臂到达某一位置时，检测电位器就将信号发给比较器与给定电位器的给定信号进行比较，然后发出差值电信号，经放大器放大后，驱动执行元件。当手臂到达要求位置时，检测电位信号和给定值一致，手臂运动即停止。

    当闭合时，和分别加至差分放大器的两个输入端，若兄，则放大器有输出，并经功率放大后驱动执行机构(如电磁阀、伺服阀或比例调速阀)，使手臂运动，从而转动，一直到为止。控制、、的接通，即可获得不同方向的运动。

电阻式电位器的电阻丝采用温度系数小、电阻率高的耐磨合金制造，为了进—步扩大检测范围，最好选用精密多圈电位器。电位器的结构简单，输出信号大，可测直线和角度位移，使用方便，价格低。共缺点是分辨率不高，放大器和执行机构等有一定的“死区”，因而其控制精度不高（)。

 

图 6-1  电位器行程检测原理图

6.1.4 旋转变压器

    旋转变压器是一种输出电压随转角变化的检测元件，旋转变压器(又称分解器)的基本结构和线绕转子感应电动机相似，由定子和转子组成。定子相当于变压器一次侧，有两组相互垂直的线圈，转子为二次侧。当定子线圈通以交流电流时，转子线圈中便产生感应电动势。感应电动势的大小等于两定子线圈各单独作用时，所产生的感应电动势之和(或差)。一个定子线圈单独作用时所产生的感应电势与转子线圈相对于定子线圈的位置有关。当转子线圈平行于定子线圈时，定子线圈的磁通全部与转子线圈交链，感应电势最大。垂直时，磁通不交链，感应电势为零。两线圈轴线相交成角时，交链磁通等于平行于转子轴线的那个分量，因此感应电势和交角的余弦成正比。

    旋转变压器是一种交流励磁型的角度检测器，精度可高达。

6.1.5 编码器

    编码器又称“码盘”，可以直接把被测转角换成相应的代码，有电刷接触式码盘、光电码盘和电磁式码盘。其基本原理是一致的，现以电刷接触式码盘为例予以说明。

    电刷接触式码盘，由一套分开的扇片轨道和电刷组成。当码盘转动时，电刷输出端产生二进位数码电信号。图示为四位二进数码盘，每转一圈输出十六个信号，因此，分辨能力为。如果将码盘细分，增加扇片和码道，如四圈增为五圈，即为五位二进制数输出，其分辨能力为。

6.2 本设计采用的控制方法

    本机械手要求随具有接近到位附近缓冲，控制部分采用可编程控制器进行点位控制，其手臂具有伸缩的功能，手腕具有回转功能。各运动副均是液压执行机构，使用开关换向阀控制运动方向，用节流阀缓冲，调速阀调速。

位置检测元件采用电位器，因此，在每个运动副的运动部件相应安装了位置传感电位器。分别采集机身上下伸缩、手臂伸缩和手腕回转的即时电位信号。经由各自的差分放大器放大并与示教整定的电位信号量比较，由差分放大器输出，再经放大驱动执行机构(电磁阀)，使各运动副作相应的运动。操作者可以编写或选调编定的程序，输入可编程控制器进行控制。

第7章 机械手Solidworks三维造型

    首先我要对Solidworks进行介绍一下，它是一种先进的，智能化的参变量式CAD设计软件，在业界被称为“3D机械设计方案的领先者”，易学易用，界面友好，功能强大，在机械制图和结构设计领域，掌握和使用Solidworks已经成为最基本的技能之一。

    与传统的2D机械制图相比，参变量式CAD设计软件具有许多优越性，是当代机械制图设计软件的主流和发展方向。传统的CAD设计通常是按照一定的比例关系，从正视，侧视，俯视等角度，根据投影，透视效果逐步绘出所需要的各个单元，然后标注相应尺寸，这就要求制图和看图人员都必须具备良好的绘图和三维空间想象能力。如果标注尺寸发生变化，几何图形的尺寸不会同步变更；如果改变了几何图行，其标注尺寸也不会发生变化，还要重新绘制，标注，因此绘图工作相当繁重。

    参变量式CAD设计软件，是参数式和变量式的统称。在绘制完草图后，可以加入尺寸等数值限制条件和其他几何限制条件，让草图进入完全定义状态，这就是参数式模式。由于软件自动加入了关联属性，如果修改了标注尺寸，几何图形的尺寸就会同步更新。也可以暂时不充分的限制条件，让草图处于欠定义状态，这就是变量式操作模态。

    Solidworks模形由零件，装配体和工程图等文件组成，没有生成零件之前的图纸称为草图。由2D，3D草图直接生成3D模形和工程图时，如果修改了草图的标注尺寸，其3D模形和工程图会同步更新；相反，如果修改了工程图的标注尺寸，其3D模形和草图也会同步更新。软件使用起来非常方便，大大减少了设计人员的工作量，提高了工作效率。

    通常，从打开一个零件文件或建立一个新零件文件开始，绘制草图、生成基体特征、然后在模型上添加更多的特征，生成零件。也可以从其他软件导入曲面或几何实体开始，编辑特征，生成零件和装配体工程图。这是常用的设计方法，也就是自下而上的设计方法。

    草图绘制从零件文件开始，对于一个新的产品设计，要首先建立零件文件。

    由于零件、装配体及工程图的相关性，所以当其中一个视图改变时，其他两个视图也会自动改变。

    SolidWorks2006允许自定义功能,选择菜单栏中的“工具”-“选择”命令,可以显示.定义”系统选项”和”文件属性”选项卡.

    SolidWorks2006可以自动保存工作.自动恢复功能可以自动保存零件,装配体或工程图文件的信息,在系统死机时不会丢失数据.如果设定此选项,则选择”工具”_”选项”菜单命令.在”系统选项”选项卡上,单击”备份”选项,选择”每(n)次更改后,自动恢复信息”复选框,然后设定信息自动保存前应发生的变更次数.

    SolidWorks2006具有很强的文件交换功能,可以输入,输出数十种文件格式,可以与AutoCAD，pro/ENGINEER,Solid Edge,CAM等软件很方便地进行文件交换。

    SolidWorks2004在草图绘制模式及工程图中提供显示网格线和捕捉网格线功能。可将网格线与模型边线对齐，还可捕捉到角度。网格线和捕捉功能在SolidWorks2004中不太使用，因为SolidWorks是参变量软件，尺寸和几何关系已提供了所需的精度。

7.1 上手爪造型

7.1.1 上手爪的几何造型结构简析

从图7-1可看出手爪为一个拉伸长出的基体板，其端面五段直线、一段圆弧、一个导向槽和一个圆构成封闭的草图，并对其拉伸基体，然后再创建根除草图。切除实体，可依据以下的顺序进行建模。

图7-1  上手爪

7.1.2 创建上手爪

草图绘制

1、启动Solidworks后，单击“标准”工具栏上的“新建”（）命令按钮，或选择“文件”——“新建”菜单命令，打开“新建Solidworks文件”对话框如图7-2所示。

图7-2  新建Solidworks文件对话框

2、单击“零件”图标（或单击“高级”按钮，进入Tutrial窗口，然后选择“零件”图标）。

3、单击“确定”按钮，这时就会创建一个新的零件文件。

首先要绘制草图，然后拉伸生成零件的基体特征。由于该草图是减速器正箱体，为了保证对称，要先绘制中心线，然后利用中心线镜向草图。

4、在Feture.Manager设计树中选择前视基准面。

5、单击草图绘制工具栏的“草图绘制”（）命令按钮，此时在前视基准面上打开一张草图。

6、单击草图绘制工具栏上的“中心线”（）命令按钮，将指针移到草图原点处。当指针变为点时，表示指针正位于原点上。单击鼠标左键，向上移动指针，生成中心线如图7-3所示。

图7-3  绘制中心线

7、单击草图绘制工具栏上的“直线”（）命令按钮，或选择“工具”——“草图绘制实体”—“直线”菜单命令，须绘制如图7-4草图。指针形变笔形。单击放置第一点，然后拖动拉出第一段，第二段（或直接绘制一个矩行）

图7-4  上手爪草图绘制

8、单击草图绘制工具栏上的“圆”（）命令按钮，或选择“工具”——“草图绘制工具”——“圆”菜单命令， 绘制圆和圆孤。

9、草图为蓝色：表示欠定义，因此可以自由调动形状和大小。

10、单击标准工具栏的选择命令。选择上手爪的直线，双击此直线上的尺寸可以任意改变它的数值，按其上手爪的零件图写入正确的尺寸。

拉伸基体特征

通过拉伸所绘制的草图来生成基体的操作步骤如下：

（1）单击“特征”工具栏上的“拉伸凸台基体”（）命令按钮，拉伸PropertyManager出现。

（2）在“方向1”组框中，执行如下操作。

将终止条件设置为“给定深度”。设置深度为52mm。可使用方向键或直接输入数值来增加数值。图形区域中显示拉伸的预览。

（3）单击确定按钮，生成拉伸。新特征“拉伸1”出现在Feature Manager设计树中和图形区域如图7-5。

图7-5  拉伸基体

（4）单击Feature Manager设计树中“拉伸1”旁的加号，用于拉伸特征的“草图1”现已列在特征的下面。

（5）单击标准工具栏上的保存命令按钮，在“文件名”文本框中键入“上手爪”，单击“保存”按钮。

（6）选中拉伸表面，单击草图绘制工具栏的“草图绘制”（）命令按钮，此时在拉伸表面上打开一张草图如图7-6所示。

图7-6  拉伸表面草图

（7）单击“特征”工具栏上的“切除凸台基体”（）命令按钮，切除PropertyManager出现。

（8）在“方向1”组框中，执行如下操作。

将终止条件设置为“给定深度”。设置深度为33mm。可使用方向键或直接输入数值来增

加数值。图形区域中显示拉伸的预览。

单击确定按钮，生成切除。新特征“切除1”出现在Feature Manager设计树中和图形区域如图7-7

图7-7  切除凸台基体

（9）同理挖两个圆柱如图7-8所示

图7-8  上手爪

7.2 螺栓的绘制

1、新建一个文件，并将其命名为“螺纹。Sldprt”.

2、调出模板库特征以建立派生螺栓。如图7-9所示.

在一个空白文件中依次选择菜单“工具“/”FeaturePalatte”命令。将弹出“FeaturePalatte”窗口，切换到“安装目录data＼palette parts＼Hardware”下，按住鼠标左键，将法兰螺栓拖到空白文件的图形区域，弹出一样询问对话框询问是否建立一个派生零件。单击”是“按扭，绘图区出现了一个法兰螺栓。

图7-9  派生螺栓

3、编辑特征管理器中箭头的“flange.bolt”名称，在弹出的快捷菜单中选择“关联中编辑”命令，该调色板特征分解为所包含的单个特征。右击“Thread Cut”的名称，在弹出的快捷键菜单中选择“编辑草图”命令，将值为0.05mm的尺寸D1修改为1.30mm,并单击确定“命令按扭.” 如图7-10所示

图7-10  螺栓

4、添加螺纹主体

（1） 绘制截面草图

以plane2为草绘平面,绘制等边三角行草图,作为螺纹扫描是截面.按住[ctrl]键并单击其中的两条边,在属性管理器中单击”相等约束”按扭,再另外选两条边,并添加同样的约束.三角形边长为1.5mm.其中一边与螺纹圆柱体纵剖面边线重合,且该边的一个端点与梯面的投影线重合. 如图7-11所示

图7-11  螺纹截面草图

（2）绘制螺旋线基圆

以阶梯面为草绘平面,绘制一个阶梯面与螺纹圆柱面的交线圆重合的圆,此圆控制着螺旋线的直经.

（3）添加基准轴

    单击基准轴按扭或依次选择菜单 “插入”/“参考几何体”/“基准轴”命令；将弹出基准轴属性管理器，然后在绘图区域选择螺纹圆柱面，此时面〈1〉出现在基准轴对话框中的所选项目中，选择定义方式为“圆柱/圆锥面”，单击“确定”按扭，生成基准轴。

（4）添加螺旋线

选取步骤2）中所绘制的草图圆，依次选择菜单“插入”/“曲线”/“螺旋线”/“涡壮线”命令，将弹出“螺旋线”对话框，选择定义方式为“螺  距   和圈数”，螺距改为1.50mm，圈数为19,起始角度为0°,选中顺时针旋转，单击“确定”按扭，生成螺旋线。如图7-12所示

图7-12  生成螺旋线

（6） 添加扫描特征

在特征工具栏中单击“扫描”按扭或依次选择菜单“插入”/“凸台”/“扫描”命令，将弹出扫描特征属性管理器在图形区域分别选取步骤1）和4） 中。方向和扭转类型选择随路径变化，单击“确定”按扭；螺纹生成。

5、添加螺纹尾段

（1） 添加基准面

在参考几何体工具栏中单击“基准面”按钮或依次选择菜单“插入”/“参考几何体”/“基准面”命令，将弹出基准面属性管理器，在其中选择两面夹角，其值为45，选择Plane3和Axisl，单击“确定”按钮生成基准面。

（2） 添加第二截面

     在上一步生成的基准面上绘制等腰三角形，其底边与螺纹圆柱的生命，高为0.65mm，底边的一个端点与曙纹底部的螺旋线重合。如图7-13所示

图7-13  第二截面

（3）添加第三截面

采用与前两步类似的方法，绘制草图，该草图为一点，其所在平面与Plane3成90度角如图7-14所示。

图7-14  第三截面

（4）添加放样特征

依次选择图形区域中3个截面，单击“确定”按钮，螺纹一端的放样特征生成。

采用上述步骤在螺纹的另一端生成螺纹过渡放样特征；最终得到一个完整的法兰螺栓。

 

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