嵌入式輕型作業(yè)臂

嵌入式輕型作業(yè)臂摘要：在工業(yè)化進(jìn)程當(dāng)中，為了操作與控制的機(jī)械化，已經(jīng)研制出了工業(yè)化的機(jī)器人，主要是一個由多方面構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，例如電子與電氣，以及液壓氣動，包括機(jī)械等等，在其工作當(dāng)中必須盡可能的避免故障等出現(xiàn)，否則失去效用的話，將會導(dǎo)致難以預(yù)計(jì)的損失。針對這一狀況，將對其中所存在的缺陷與問題進(jìn)行全面的研究與分析，確定其可操作性，因此在這篇文章當(dāng)中，就其嵌入式輕型作業(yè)比的設(shè)計(jì)以及相關(guān)計(jì)算過程進(jìn)行具體分析。關(guān)鍵詞：機(jī)器人；作業(yè)臂；輕型

目錄1引言 42輕型臂的指標(biāo)選擇 42.1輕型臂的設(shè)計(jì)指標(biāo) 42.2輕型臂的構(gòu)型選擇 42.3輕型臂的基本桿件參數(shù)的確定 62.3.1臂桿長度的確定 62.3.2關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍和運(yùn)動空間的確定 82.3.3關(guān)節(jié)的定位精度的確定 102.4可編程序控制器簡介 122.4.1PLC的結(jié)構(gòu) 122.4.2PLC的特點(diǎn) 132.4.3PLC的主要功能 152.4.4PLC的經(jīng)濟(jì)分析 162.4.5PLC發(fā)展?fàn)顩r及趨勢 163輕型臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 173.1機(jī)械臂控制系統(tǒng)構(gòu)件概述 173.1.1步進(jìn)電機(jī) 173.1.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器 173.1.3伺服電機(jī) 193.1.4伺服放大器 203.1.4傳感器 223.1.4直流電機(jī)驅(qū)動單元 233.2機(jī)械臂的動作實(shí)現(xiàn)過程 233.3PLC程序設(shè)計(jì) 253.3.1I/O點(diǎn)數(shù)的確定及PLC類型的選擇 253.3.2PLC的I/O分配 263.3.3編程指令的選擇 273.3.4PLC程序的設(shè)計(jì) 273.4PLC程序的調(diào)試 273.4.1PLC控制的安裝與布線 283.4.2機(jī)械臂控制系統(tǒng)的外部接線圖 293.4.3機(jī)械臂控制程序的調(diào)試 294模塊化關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 294.1關(guān)節(jié)驅(qū)動器的選型 304.2關(guān)節(jié)傳動比設(shè)計(jì) 314.3同步帶傳動的設(shè)計(jì) 314.4行星傳動的設(shè)計(jì) 314.5諧波傳動的設(shè)計(jì) 324.6制動器的選型 325輕型臂系統(tǒng)的電氣連接 335.1關(guān)節(jié)內(nèi)部中心孔走線 335.2輕型臂的整體結(jié)構(gòu) 345.3本章小結(jié) 35參考文獻(xiàn) 36致謝 381引言在這篇文章里，主要針對于規(guī)定的設(shè)計(jì)指標(biāo)，根據(jù)以下幾個層次進(jìn)行相關(guān)的分析。首先，關(guān)于嵌入式輕型工作臂這一主體，介紹其構(gòu)型，以及基本的構(gòu)件參數(shù)；其次，根據(jù)其在目前所要求的相關(guān)特征，進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的方案設(shè)計(jì)；接著，通過以上設(shè)計(jì)的方案，進(jìn)行主要核心裝置的設(shè)計(jì)與分析，例如關(guān)節(jié)驅(qū)動器，以及傳動裝置等等。2輕型臂的指標(biāo)選擇2.1輕型臂的設(shè)計(jì)指標(biāo)在本人的研究中，主要是針對于輕型機(jī)械臂的基本特征，再加上手爪系統(tǒng)的相關(guān)原理設(shè)計(jì)，完成其可折疊的相應(yīng)屬性。在下面的表格當(dāng)中，就是進(jìn)行設(shè)計(jì)的基本指標(biāo)，作為整個設(shè)計(jì)當(dāng)中的依據(jù)存在。表2-1用戶設(shè)計(jì)指標(biāo)Tab.2-1Customer’sdesignindex指標(biāo)分類指標(biāo)項(xiàng)目具體要求構(gòu)型自由度數(shù)目4個臂桿2個尺寸完全伸展長度約1.5m可達(dá)工作空間以基座為中心，半徑約1.5m的1/4球體精度重復(fù)定位精度<±4mm重量輕型臂重量<=10kg手爪重量<=0.5Kg末端負(fù)載1kg功率整機(jī)功率不超過55W2.2輕型臂的構(gòu)型選擇在上面的表格當(dāng)中，我們得知其輕型臂的相應(yīng)設(shè)計(jì)，需要有著四個自由度。通常來說，如果這些運(yùn)動組件出現(xiàn)串聯(lián)的情況時，就可以將關(guān)節(jié)的數(shù)量，與自由度的數(shù)量進(jìn)行對等，也就意味著這個設(shè)計(jì)當(dāng)中一共需要四個關(guān)節(jié)存在。根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)原理得知，如果需要四個自由度，那么必須有最后一個關(guān)節(jié)主要負(fù)責(zé)末端的執(zhí)行器，盡可能的確定其應(yīng)有的狀態(tài)，除此之外，還要要求他們的軸線，與腕關(guān)節(jié)的原點(diǎn)相互交叉，然后剩下的關(guān)節(jié)就用來確定這個原點(diǎn)在什么地方。一般來說，機(jī)械臂的設(shè)計(jì)方法主要有很多，不同的方法得到的結(jié)構(gòu)組成也不一樣，而這一種就是利用定位結(jié)構(gòu)，以及手腕等加以構(gòu)成，并且，借助于機(jī)器人學(xué)的相關(guān)理論，能夠清楚其封閉的運(yùn)動狀況。事實(shí)上，這與大多數(shù)的運(yùn)動學(xué)構(gòu)型沒有什么不同。根據(jù)以上的設(shè)計(jì)規(guī)則，我們可以將與之對應(yīng)的機(jī)械臂進(jìn)行以下的分類，主要有笛卡爾型，以及圓柱坐標(biāo)型，包括球面坐標(biāo)型，等等。另外，在相應(yīng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，對于其運(yùn)動的范圍也有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)其要求，在以上的各個類型中挑出合適可行性強(qiáng)的幾種，主要有球面坐標(biāo)型，以及關(guān)節(jié)型這兩種。關(guān)于前三個關(guān)節(jié)的作用原理，這兩種機(jī)械臂的運(yùn)動形式，分別為移動、移動、移動，以及轉(zhuǎn)動、轉(zhuǎn)動、轉(zhuǎn)動。圖2圖2-1輕型臂構(gòu)型Fig.2-1Configuration對于這一種類型的機(jī)械臂，一般情況下，主要有腰關(guān)節(jié)——大臂繞豎直軸旋轉(zhuǎn)，肩關(guān)節(jié)——大臂相對于水平面俯仰，肘關(guān)節(jié)——小臂相對于水平面俯仰且關(guān)節(jié)軸線通常平行于肩關(guān)節(jié)，和位于操作臂末端的腕關(guān)節(jié)組成。針對于腕關(guān)節(jié)的構(gòu)型設(shè)計(jì)，如果需要四個自由度，那么必須有最后一個關(guān)節(jié)主要負(fù)責(zé)末端的執(zhí)行器，盡可能的確定其應(yīng)有的狀態(tài)，然后剩下的關(guān)節(jié)就用來確定這個原點(diǎn)在什么地方，這也就意味著其自身只具備著一個自由度。根據(jù)以上的用戶設(shè)計(jì)指標(biāo)的相關(guān)要求，為了達(dá)到可折疊性的目的，對其運(yùn)動形式的選擇，主要集中于俯仰模式。另外對于其軸線的要求，也是要與肘關(guān)節(jié)相互平行?？偟膩碚f，針對于四個自由度的設(shè)計(jì)指標(biāo)，主要得出在上圖中的構(gòu)型，即旋轉(zhuǎn)、俯仰、俯仰與俯仰。2.3輕型臂的基本桿件參數(shù)的確定2.3.1臂桿長度的確定對于臂桿的設(shè)計(jì)要求，其數(shù)量為兩個，每一個的整體長度主要為1.5m左右，另外，還必須有著一定的可折疊性，因此需要盡可能的滿足以下的幾個要求，即：(2-1)在式(2-1)中：為大臂長度，為小臂長度，為末端手爪長度。具體情況有下面兩個圖加以展示。圖2-2處于完全展開狀態(tài)的幾何構(gòu)型 圖2-3處于折疊狀態(tài)的幾何構(gòu)型Fig.2-2ConfigurationwhenfullydeployedFig.2-3Configurationwhenpuckered針對于臂桿長度的設(shè)計(jì)，首先將關(guān)節(jié)的角度排除在外，要想達(dá)到以上的設(shè)計(jì)要求，對于其工作空間的情況，也需要加以滿足。然而，在這之中，由于其長度的不一樣，使得設(shè)計(jì)當(dāng)中的可操作度，即，主要計(jì)算為，（在非冗余狀態(tài)下，主要通過來加以計(jì)算）存在著很大的影響。為了達(dá)到更大的操作空間，通常會將這個值調(diào)整的更大一些，使得設(shè)計(jì)更加規(guī)范與完美。針對于這一方面，需要就其中的連桿長度，進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)與優(yōu)化。因此，根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)情況，建立了相應(yīng)的幾何模型，如下圖所示。圖2-4輕型臂幾何模型Fig.2-4GeometricalmodelofLWR關(guān)于手爪末端點(diǎn)的設(shè)計(jì)，在相應(yīng)的坐標(biāo)系，也就是中，主要體現(xiàn)為(2-2)在式(2-2)中：為大臂旋轉(zhuǎn)角度，為大臂俯仰角度，為小臂俯仰角度，為末端手爪俯仰角度，為手爪的姿態(tài)。針對于上面的公式，通過求導(dǎo)可以得出(2-3)按照雅克比矩陣的定義，得到，該四自由度輕型臂的雅克比矩陣。(2-4)該式可轉(zhuǎn)換為：因此，得出其設(shè)計(jì)的可操作度主要為(2-5)借助于Matlab這一相應(yīng)的計(jì)算軟件，針對于設(shè)計(jì)中的可操作度，可以進(jìn)一步的得出其最大值，首先將，，的最初設(shè)計(jì)值范圍，加以適當(dāng)?shù)脑O(shè)定。包括對其連桿長度的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，加以掌握，進(jìn)行全面的計(jì)量。在進(jìn)行迭代一千次過后，得知其如下圖的具體結(jié)果。圖2-5當(dāng)前最佳變量值圖2-6變量之間平均差異由以上的結(jié)果可知，進(jìn)行迭代計(jì)算之后，mm，mm，mm，取其整值之后，主要是mm，mm，mm。2.3.2關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍和運(yùn)動空間的確定確定了連桿長度之后，對于關(guān)節(jié)的相關(guān)設(shè)計(jì)就需要納入進(jìn)程，主要為其轉(zhuǎn)動的規(guī)模設(shè)計(jì)，以及其運(yùn)動空間的設(shè)計(jì)，根據(jù)該設(shè)計(jì)的相應(yīng)指標(biāo)，主要有以下兩個要求：第一，盡可能的確保其可折疊性，能夠全部打開。第二，必須超過其運(yùn)動空間設(shè)計(jì)的最低值。具體情況如下圖所示。 圖2-7運(yùn)動空間平面圖 圖2-8運(yùn)動空間立體圖關(guān)于運(yùn)動空間的設(shè)計(jì)，需要符合以下的幾個要求：(2-6)式中：，為（）的最大范圍，以及最小范圍。按照上面的相關(guān)要求，對于其運(yùn)動規(guī)模的最初值設(shè)定，主要由以下所示。(2-7)那么，對于其運(yùn)動空間的設(shè)計(jì)，對應(yīng)如下。圖2-9運(yùn)動空間XOZ平面圖 圖2-10運(yùn)動空間XOY平面圖2.3.3關(guān)節(jié)的定位精度的確定在進(jìn)行輕型臂設(shè)計(jì)的過程中，對于其末端的要求，還需要一定的定位精度，針對于各個關(guān)節(jié)，進(jìn)行綜合的考慮之后，由表2-1可知，其誤差不能夠超過十毫米，進(jìn)行重復(fù)操作時，也不能夠超過四毫米的誤差。由于整體的直接設(shè)計(jì)很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，因此要化整為零，逐個的進(jìn)行設(shè)計(jì)。對于每一個關(guān)節(jié)，如果出現(xiàn)一樣的定位精度，或者是相應(yīng)的誤差，即，這也就表明以軸線為主，其關(guān)節(jié)的微動轉(zhuǎn)動值，主要是，接下來，根據(jù)機(jī)器人微動理論求解各個關(guān)節(jié)的定位誤差。針對于以上的分析，建立出D-H關(guān)節(jié)坐標(biāo)系，其中的具體參數(shù)設(shè)置，主要通過下表展示出來。表2-2D-H表2-2D-H參數(shù)Tab.2-2D-Hparameter關(guān)節(jié)變量范圍1090°0-150o~150o27160°00o~150o36430°0-120o~180o42000°0-120o~180o圖2-11D-H坐標(biāo)系分析圖因此，對其末端的設(shè)計(jì)，在基座坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣為，其中，(2-8)若第個關(guān)節(jié)繞關(guān)節(jié)軸線即旋轉(zhuǎn)，則相對于前一個關(guān)節(jié)，該關(guān)節(jié)的微動變換矩陣為(2-9)此時，輕型臂的末端相對于基座坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣變?yōu)?2-10)式(2-10)展開時，忽略了含有微動矩陣相乘的高次項(xiàng)。所以，(2-11)將式(2-9)代入式(2-11)后，得(2-12)式(2-12)中，圖2-12關(guān)節(jié)微動與手爪末端微動如圖2-12所示，手爪末端微動量為。通過在Matlab中計(jì)算得出，若為定值，當(dāng)時，取最大值，此時，這就是由于關(guān)節(jié)的定位誤差引起的輕型臂末端的定位誤差。所以，設(shè)計(jì)指標(biāo)中輕型臂末端的重復(fù)定位精度±4mm,相當(dāng)于關(guān)節(jié)的相對定位精度為±4/52.941≈±0.0756o。這里作保守的估算，確定設(shè)計(jì)時關(guān)節(jié)的重復(fù)定位精度為±0.05o。2.4可編程序控制器簡介關(guān)于可編程序邏輯控制器的了解，根據(jù)其英文名稱的首字母，將其簡稱為PLC，其設(shè)計(jì)思路主要來源于最初的繼電器，按照其相應(yīng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的延伸設(shè)計(jì)，通過不停的改進(jìn)，以及相應(yīng)的優(yōu)化，進(jìn)而得出目前的微型控制體系。2.4.1PLC的結(jié)構(gòu)根據(jù)其設(shè)計(jì)原理可知，其構(gòu)成與微型的計(jì)算機(jī)沒有什么區(qū)別，主要是利用各種復(fù)雜的硬件，以及相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。前者主要有中央微處理器，也就是CPU，再加上存儲器，以及輸入輸出組件，包括電源、編程器，以及其他的相關(guān)單元，等等，借助于總線的作用，經(jīng)過一定的拼接得以組成[9]。主要設(shè)計(jì)簡圖如下所示。外設(shè)外設(shè)I/O接口輸出部件存儲器EPROM微處理器運(yùn)算器控制器電源輸入部件I/O擴(kuò)展接口I/O擴(kuò)展單元受控元件輸入信號外部設(shè)備圖2-1PLC結(jié)構(gòu)簡圖對于后者的設(shè)計(jì)，主要有兩個部分，首先是系統(tǒng)的固化程序，這是在PLC設(shè)計(jì)中必定會存在且不可替代的一個一個產(chǎn)品，主要負(fù)責(zé)其正常的操作，以及運(yùn)行，通常都是來源于其制造商，然后將其存儲在相應(yīng)的存儲器內(nèi)。其次，就是用戶下載程序，顧名思義，就是由用戶提供，其按照整個工作的實(shí)際情況，進(jìn)行相應(yīng)的編寫。通過他們兩個的有效組合，進(jìn)而成為了一個可以正常工作的PLC系統(tǒng)，并且缺一不可。2.4.2PLC的特點(diǎn)可編程序邏輯控制器簡稱PLC，它的主要核心部件是一種類似于微機(jī)處理器的中央處理單元，因此它相當(dāng)于專門用作自動化控制的計(jì)算機(jī)。從當(dāng)前其發(fā)展來看，也是相當(dāng)?shù)膹V泛，在進(jìn)行機(jī)械臂的設(shè)計(jì)時，不管是國外，還是在國內(nèi)，都會經(jīng)常的加以應(yīng)用，尤其是隨著智能化機(jī)器的不斷發(fā)展，再加上對于控制容量的要求，其應(yīng)用更是廣受重視，經(jīng)過相應(yīng)的歸納，得知其優(yōu)勢主要有以下幾個方面。1、靈活且通用與以往的繼電器控制相比，PLC的出現(xiàn)最為顯著的就是是整個系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)變得更加的靈活，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的固定化操作，每套系統(tǒng)只對應(yīng)一種設(shè)備，使得當(dāng)其中的一個環(huán)節(jié)出問題，或者是需要調(diào)整優(yōu)化時，就需要翻天覆地的拆除，不管是人力，還是物力與時間，都是非常大的一個消耗。但是現(xiàn)在應(yīng)用了PLC之后，主要是將相關(guān)的程序存儲在自身內(nèi)置的存儲芯片上，根據(jù)用戶存儲在芯片中的程序進(jìn)行控制，如果遇到控制對象改變或者工藝流程改進(jìn)的話，不需要將整個系統(tǒng)拆除，只需要將相應(yīng)的線接好然后根據(jù)需要編寫控制程序即可。除此之外，當(dāng)進(jìn)行相關(guān)的改進(jìn)，或者是調(diào)整時，再也不需要整體的拆除修改，一般就是對其對應(yīng)的編程進(jìn)行操作就可以，這也就表明了該控制器的靈便屬性。2、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)在工業(yè)化進(jìn)程當(dāng)中，人們普遍關(guān)注的就是機(jī)械臂自身的可靠程度，以及其相應(yīng)的抗干擾能力，這是對于他們而言非常重要的一個衡量標(biāo)準(zhǔn)，同時它不僅關(guān)系到整個生產(chǎn)過程中的安全性，同時也與工作人員的安全非常緊密，因此，在進(jìn)行控制系統(tǒng)的應(yīng)用與設(shè)計(jì)時，必定會考慮其對于惡劣環(huán)境，以及復(fù)雜情況的應(yīng)對能力。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，其在PLC設(shè)備的應(yīng)用上也是非常的成熟，與以往的繼電器控制系統(tǒng)相比，因?yàn)槲㈦娮釉?，以及芯片的使用，所以比起半?dǎo)體元件，有著非常顯著地可靠程度。除此之外，為了達(dá)到相應(yīng)的目標(biāo)，對于控制系統(tǒng)的研制，不管是在硬件層面，還是在軟件層面，都使用了非常有效的抗干擾措施，進(jìn)而使得其能夠抵抗各種惡劣的環(huán)境，保持正常的工作。3、操作比較簡便為了確保每個使用者能夠快速的掌握其控制系統(tǒng)的應(yīng)用，所以在進(jìn)行PLC的編程設(shè)計(jì)時，通常會使用比較便于理解的語言，例如他們非常熟悉的梯形圖，以及一些功能助記符等。這樣的話，他們就沒有必要因?yàn)橐褂眠@一機(jī)械臂的編程控制，而去拼命的學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)的相關(guān)知識。工程師編好的程序也能十分清晰直觀的展現(xiàn)在使用者面前，只需要將操作說明書寫清楚，操作人員經(jīng)短期的學(xué)習(xí)就可以使用。4、功能比較強(qiáng)大當(dāng)前，人們對于PLC的編程設(shè)計(jì)時，也賦予了其非常強(qiáng)大的各種功能，在以往的繼電器控制系統(tǒng)中，主要有計(jì)時、計(jì)數(shù)，以及步進(jìn)等等，但現(xiàn)代化的應(yīng)用當(dāng)中還有比較強(qiáng)大的轉(zhuǎn)換功能，包括對于數(shù)字的計(jì)量，以及相應(yīng)的處理，包括在整個生產(chǎn)過程當(dāng)中的通信，以及監(jiān)督與控制。所以，不管是對于開關(guān)量，還是針對模擬量，包括兩者的混合，都可以進(jìn)行良好的控制。對于PLC的應(yīng)用，不僅能夠控制其相應(yīng)的對象，同時也能對整套生產(chǎn)線進(jìn)行控制，還能實(shí)現(xiàn)本地設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控等多種復(fù)雜的任務(wù)。5、體積小、重量輕和易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化由于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)需要應(yīng)用大量的繼電器等元件，所以也就造成了整個系統(tǒng)中，不管是其體積，還是相應(yīng)的重量，都難以去進(jìn)行縮減。但是，PLC的應(yīng)用非常好的改變了這一點(diǎn)，因?yàn)槲㈦娮釉氖褂?，使得這兩方面都慢慢的縮減。除此之外，因?yàn)槭轻槍τ诠I(yè)化的控制，所以在機(jī)構(gòu)以及實(shí)際應(yīng)用上，包括其體積上，都通過特殊的調(diào)整與優(yōu)化，進(jìn)而達(dá)到了相應(yīng)的目的。并且，其可靠性程度，以及抗干擾能力都達(dá)到了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，能夠在工業(yè)化生產(chǎn)中進(jìn)行最為廣泛的應(yīng)用。然而，我們也不能夠否認(rèn)，在PLC的應(yīng)用當(dāng)中也有著非常多的缺陷，例如價格高，與單片機(jī)相比，還有研發(fā)使用上的弊端，并且不一樣的制造商，對于其程序的設(shè)計(jì)都不相同，意味著其通用性還需要進(jìn)一步的改進(jìn)。2.4.3PLC的主要功能隨著工業(yè)自動化的不斷發(fā)展，PLC控制系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)得到非常迅速且廣泛的發(fā)展，并且其在計(jì)算機(jī)集成制造中也有著非常重要的價值?？偟膩碚f，其主要功能基本分為以下幾個部分。第一，可以進(jìn)行多樣化的控制；第二，對于所需要的數(shù)據(jù)，能夠進(jìn)行收集，以及相應(yīng)的存儲，包括進(jìn)一步的處理；第三，就是對于網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的應(yīng)用；第四，針對于輸入輸出接口的設(shè)計(jì)，可以進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)理；第五，除了人機(jī)交互的應(yīng)用之外，還有編程與調(diào)試的相應(yīng)功能。現(xiàn)代化PLC的設(shè)計(jì)，不僅在于重量，還是對于體積，包括功能消耗，都在不斷改進(jìn)，硬件價格也逐漸走低，雖然在配套軟件上價格較高，但是各廠商為了使自己的產(chǎn)品推廣開也都地自己的軟件價格進(jìn)行了較大幅度的調(diào)整。除此之外，在進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)的過程當(dāng)中，由于PLC的應(yīng)用，能夠盡可能的減少時間的消耗。隨著時代的進(jìn)步，為了盡可能的滿足社會發(fā)展的需要，對于PLC產(chǎn)品的研發(fā)也將會投入更多的精力與人力、物力，使其快速的發(fā)展[11]。2.4.4PLC的經(jīng)濟(jì)分析首先，針對于工業(yè)生產(chǎn)的相關(guān)成本，根據(jù)其相應(yīng)的影響因素，進(jìn)行整體的考慮分析。在控制系統(tǒng)的整個發(fā)展過程當(dāng)中，一共可以分為三種階段，一是利用繼電器進(jìn)行控制，二是利用半導(dǎo)體的相應(yīng)器件，三就是現(xiàn)代化的PLC控制系統(tǒng)的研發(fā)。但是，就其價格的考慮，必定是PLC更高一些，但是在可靠程度，以及抗干擾能力上，我們選擇這一控制系統(tǒng)有著非常明顯的優(yōu)勢。其次，就是對其相關(guān)的設(shè)計(jì)，以及生產(chǎn)所需要的周期，進(jìn)行時間上的考察。實(shí)際上，這是一個非常重要的指標(biāo)，因?yàn)樗枰闹芷谠蕉?，就能夠盡早的進(jìn)行生產(chǎn)，也就意味著獲得的經(jīng)濟(jì)效益也就能夠提早。除此之外，在進(jìn)行安裝，以及調(diào)試的過程當(dāng)中，也希望生產(chǎn)能夠同時進(jìn)行，增加的流程也要在之前的基礎(chǔ)上施工，因?yàn)楣I(yè)生產(chǎn)中時間就是金錢，使用PLC就能輕松實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。毫無疑問，就憑借這一點(diǎn)，PLC就可稱為工業(yè)領(lǐng)域中的佼佼者。而且這些功能都是在傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)中無法實(shí)現(xiàn)的。使用PLC無需要對原有的布線進(jìn)行大量改造，主要在程序上進(jìn)行調(diào)整就可以完成，也就是說按照新的工藝流程對PLC程序重新進(jìn)行設(shè)計(jì)和編寫就能夠?qū)ιa(chǎn)線進(jìn)行改造。2.4.5PLC的發(fā)展現(xiàn)狀與潛力分析隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，關(guān)于PLC控制系統(tǒng)的發(fā)展也不斷的滿足工業(yè)化生產(chǎn)的各種需求，首先，就是其微小型趨勢的發(fā)展，不僅對于體積與重量有著非常顯著的縮減，在生產(chǎn)周期上也能夠大大的減少，價格越來越低的同時，其所具備的功能也越來越多。其次，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進(jìn)步，其網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用，以及自身的可靠程度，包括兼容性等等，都在不斷的進(jìn)步[12]。關(guān)于其大型網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展這一方面，當(dāng)前通常是借助于DCS系統(tǒng)的參與，使得其向集散控制系統(tǒng)這一趨勢下進(jìn)發(fā)。這樣的話，其自身的通信能力就能夠得到進(jìn)一步的提升。對于多功能的應(yīng)用，主要是自身的調(diào)整功能，以及步進(jìn)與多樣化的控制功能在不斷的擴(kuò)展。3輕型臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案3.1機(jī)械臂控制系統(tǒng)構(gòu)件概述本課題設(shè)計(jì)使用的是校研究室啤酒生產(chǎn)線機(jī)械臂抓瓶裝箱環(huán)節(jié)的三自由度機(jī)械臂。機(jī)械臂使用滾珠絲桿、滑桿、氣缸、氣夾等部件按照相應(yīng)的功能進(jìn)行組裝來組成；除了各種電機(jī)元件之外，還有放大器、傳感器，以及等多種實(shí)物裝置。3.1.1步進(jìn)電機(jī)關(guān)于步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)，主要運(yùn)用的是二相八拍混合式，對于整體的制動情況，有著非常好的使用效果。除此之外，為了保證整體動作的協(xié)調(diào)穩(wěn)定性，對于滾珠絲桿，以及滑桿的使用也非常的普遍。其在使用過程當(dāng)中，能夠盡可能的減少體積所占面積，包括在起動，以及運(yùn)行上，都能夠達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)，甚至更高，以及其他的各種優(yōu)勢。具體的串聯(lián)電路連接情況將通過下圖展示。圖3-1步進(jìn)電機(jī)電氣接線圖3.1.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器通過以上的步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)，可以將其驅(qū)動器分為以下幾個部分，即電源的輸入，以及信號的輸入與輸出等，其相關(guān)的各種參數(shù)設(shè)置主要有下面的幾個表格加以展示。對其與PLC的連接也可以根據(jù)以下的圖，進(jìn)行相應(yīng)的連接，通過對其的應(yīng)用，能夠更加的便于對該電機(jī)加以掌控，包括轉(zhuǎn)向以及速度等。關(guān)于電源的設(shè)置，主要是借助于控制面板上的改模塊加以了解，當(dāng)輸入供電信號為+24伏時，對于限流電阻的設(shè)計(jì)，也可以通過圖3-2加以對照。對于其光耦的開合，主要是借助于輸出點(diǎn)，來加以適當(dāng)?shù)目刂?，也就是PLC輸出線圈的作用，當(dāng)其得電的時候，整個電路是聯(lián)通的，低電平得以有效的輸出，光耦開啟；相對應(yīng)的，在其失電的時候，其中的晶體管的連接被斷開，也就表明著光耦即將閉合。表3-1電氣規(guī)格說明最小值典型值最大值供電電壓（V）182440均值輸出電流（A）0.2111.50邏輯輸入電流（m）61530步進(jìn)脈沖響應(yīng)頻率（kH）——100脈沖低電平時間（μs）5—1表3-2電流設(shè)定電流值SW1SW2SW30.21AOFFONON0.42AONOFFON0.63AOFFOFFON0.84AONONOFF1.05A0FFONOFF1.26AONOFFOFF1.50AOFFOFFOFF表3-3細(xì)分設(shè)定細(xì)分倍數(shù)步數(shù)/圈（1.8Ｏ整步）SW4SW5SW61200ONONON2400OFFONON4800ONOFFON81600OFFOFFON163200ONONOFF326400OFFONOFF6412800OFFONOFF由外部確定動態(tài)改細(xì)分/禁止工作OFFOFFOFF表3-4接線信號描述信號功能PUL脈沖信號：上升沿有效，每當(dāng)脈沖由低變高時電機(jī)走一步DIR方向信號：用于改變電機(jī)轉(zhuǎn)向，TTL平驅(qū)動OPTO光耦驅(qū)動電源ENA使能信號：禁止或允許驅(qū)動器工作，低電平禁止GND直流電源地+V直流電源正極，典型值+24VA+電機(jī)A相A-電機(jī)A相B+電機(jī)B相B-電機(jī)B相圖3-2PLC控制器與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器連接及工作原理圖3.1.3伺服電機(jī)關(guān)于伺服電機(jī)的了解，主要是針對于相應(yīng)的伺服系統(tǒng)，進(jìn)一步的進(jìn)行其相關(guān)元件的控制，除了自身所具備的發(fā)動機(jī)屬性之外，還可以作為間接的變速裝置加以運(yùn)用。既能夠掌握所需要的速度，同時也可以精確的對其位置進(jìn)行控制，其作用原理主要是對于電壓信號的轉(zhuǎn)變，根據(jù)其得到的轉(zhuǎn)矩，以及相應(yīng)的轉(zhuǎn)速來加以作用。因?yàn)檩斎胄盘柕目刂?，使得其工作的速度能夠得到很大的改善，在進(jìn)行應(yīng)用時，具備著非常高的線性度，以及比較小的時間常數(shù)等等。一般來說，主要有直流，以及交流這兩種形式。不管是哪一種，在沒有信號電壓時，其轉(zhuǎn)動現(xiàn)象也不會出現(xiàn)，并且，根據(jù)轉(zhuǎn)矩的不斷增加，其轉(zhuǎn)動的速度也在緩慢的降低。3.1.4伺服放大器實(shí)際上，伺服放大器的作用，也是針對于伺服電機(jī)而言，通過自身驅(qū)動器的屬性加以控制，進(jìn)而得到更加高進(jìn)度的相應(yīng)定位。通常情況下，其使用方式主要有三種，分別是對于位置，以及速度，包括力矩的控制。在現(xiàn)代化的傳動技術(shù)當(dāng)中，還是比較高端的。在整個伺服系統(tǒng)當(dāng)中，對于伺服驅(qū)動器主要有以下幾方面的要求。首先，其速度的調(diào)適范圍要足夠的寬；其次，對于定位的精度要求，要盡可能的達(dá)到高的標(biāo)準(zhǔn)；接著，除了保證自身的傳動剛性之外，在進(jìn)行速度轉(zhuǎn)變時，還需要保證一定的穩(wěn)定性。最后，該驅(qū)動的響應(yīng)能力，需要足夠的快速，也就是在指令信號發(fā)出之后，能夠快速的響應(yīng)，這是由于數(shù)控系統(tǒng)的相關(guān)要求，通過保證足夠的加減加速度，進(jìn)而在時間與誤差上，能夠盡可能的降低。然后，在其保證比較低的速度時，能夠保持比較大的轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而具備比較強(qiáng)的過載能力。最后，就是其能夠保證足夠的可靠程度，在工作的過程當(dāng)中，比較的穩(wěn)定，當(dāng)面對各種復(fù)雜的情況時，能夠具備強(qiáng)悍的抗干擾能力。另外，對于伺服電機(jī)的應(yīng)用，也需要達(dá)到以下的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。首先，不管是處于最低的速度，還是最高的速度，其運(yùn)轉(zhuǎn)都能夠保持正常的水平，尤其是前者，當(dāng)處于比最小值更低的情況時，仍需要達(dá)到平穩(wěn)的運(yùn)行。除此之外，在轉(zhuǎn)矩上，也要盡可能的保證比較小的波動。其次，對于自身的過載能力的保持，因?yàn)榈退俅筠D(zhuǎn)矩的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，使得其時間上需要足夠的長。對于直流伺服電機(jī)而言，其在短短的幾分鐘內(nèi)，即使超過4到6倍的過載，也不會造成該電機(jī)的損壞。接著，針對于快速響應(yīng)力這一方面，應(yīng)該保證比較小的轉(zhuǎn)動慣量，以及比較大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，除此之外，不管是時間常數(shù)，還是電機(jī)的啟動電壓，都要盡可能的小。最后，在進(jìn)行頻繁多次的使用時，要具備比較強(qiáng)的承受能力。3.1.4傳感器在這篇文章的機(jī)械臂設(shè)計(jì)中，關(guān)于傳感器的分類，主要有兩種，其一是接近開關(guān)；其二是行程開關(guān)。對于前者的使用，主要是針對于基座與氣夾，憑借其上金屬塊地點(diǎn)的改變，利用正反轉(zhuǎn)限位，從而使其旋轉(zhuǎn)角度得到相應(yīng)的改變。對于后者的使用，主要是針對于機(jī)械臂而言，當(dāng)其進(jìn)行伸縮，或者是升降額時候，借助于該開關(guān)地點(diǎn)的改變，進(jìn)而使得橫軸與豎軸的運(yùn)動空間發(fā)生一定的變化。圖3-3接近開關(guān)工作原理圖3.1.4直流電機(jī)驅(qū)動單元由上面的敘述得知，電機(jī)通常分為兩種，分別為直流電機(jī)，以及交流電機(jī)。對于前者的驅(qū)動單元的了解，主要是用于控制其轉(zhuǎn)動過程的方向，借助于繼電器的閉合作用來加以實(shí)行。在進(jìn)行使用的過程中，無論是輸入端IN，還是輸出端OUT，都需要保證有效的低電平。其連接原理，以及電平之前的轉(zhuǎn)換板原理，都通過下面的圖可以得知。圖3-4電平轉(zhuǎn)換板原理圖3.2機(jī)械臂的動作實(shí)現(xiàn)過程在整個機(jī)械臂的運(yùn)轉(zhuǎn)過程當(dāng)中，其動作的控制主要有兩個組件負(fù)責(zé)，即步進(jìn)電機(jī)，以及直流電機(jī)。通過下面的圖3-5，我們能夠了解其整體的結(jié)構(gòu)。對于前者的使用，主要是借助于驅(qū)動器的存在加以控制，要想使其按照預(yù)定的目的工作，必須具備對應(yīng)的脈沖輸入，包括轉(zhuǎn)向信號等的輸出。不管是其升降工作，還是伸縮運(yùn)轉(zhuǎn)，都是利用其正反轉(zhuǎn)來進(jìn)行相應(yīng)的控制。其中，無論是基座，還是氣夾，都是利用繼電器的閉合，使得其運(yùn)行的方向可以實(shí)現(xiàn)。關(guān)于其伸縮動作的開展，主要是利用一個單線圈的作用，利用電磁閥的控制，使得其可以通斷電，進(jìn)而確保機(jī)械臂的正常放松，以及夾緊等動作的完成[13]。其動作進(jìn)行主要的工作原理將由圖3-6加以展示。首先，需要啟動這一機(jī)械臂的工作按鈕，打開電源之后，確保其復(fù)位完全才能夠開始后續(xù)的八步循環(huán)操作。第一，如果出現(xiàn)其不在原點(diǎn)的情況時，需要借助于PLC控制系統(tǒng)的作用，通過輸入一定的信號，使其傳遞給驅(qū)動器，進(jìn)而使得步進(jìn)電機(jī)完成相應(yīng)的反轉(zhuǎn)，從而機(jī)械臂的橫軸開始完成后縮動作。第二，完成之后其就會與后限位開關(guān)相觸，緊接著再次輸入相關(guān)的信號，使得步進(jìn)電機(jī)完成相應(yīng)的正轉(zhuǎn)，從而機(jī)械臂開始完成上升這一動作。第三，然后，其就會與上限位開關(guān)相互接觸，使得之前的動作被阻礙，進(jìn)而使其回到最初的原點(diǎn)。這時，憑借著主機(jī)的作用，通過脈沖信號，以及相應(yīng)的電平信號的輸入，使其傳遞給驅(qū)動器，進(jìn)而使得步進(jìn)電機(jī)完成再次的反轉(zhuǎn)，從而機(jī)械臂開始完成下降這一動作。第四，當(dāng)其進(jìn)行到一定的位置之后，就會和下限位開關(guān)相互碰觸，使得這一動作結(jié)束，這時與氣夾相連的電磁器開始斷開電路，使得機(jī)械臂開始完成夾緊這一動作。之后，憑借著主機(jī)的作用，通過脈沖信號的輸入，使其傳遞給驅(qū)動器，進(jìn)而使得步進(jìn)電機(jī)完成再次的正轉(zhuǎn)，從而機(jī)械臂開始完成上升這一動作。其達(dá)到頂端之后，就會與上限位開關(guān)相互接觸，進(jìn)而結(jié)束這一動作。緊接著就是以同樣的步驟完成機(jī)械臂的前伸、下降，以及放松、上升，再到后縮、下降，進(jìn)而再次的回到原點(diǎn)，這就是整個的循環(huán)動作的結(jié)束[14]。圖3-5機(jī)械臂結(jié)構(gòu)示意圖X軸后限位X軸后限位X軸前限位原點(diǎn)夾緊放松Y軸下限位Y軸上限位上升前伸下降后縮上升下降圖3-6機(jī)械臂的動作示意圖3.3PLC程序設(shè)計(jì)3.3.1I/O點(diǎn)數(shù)的確定及PLC類型的選擇關(guān)于這次機(jī)械臂研究的應(yīng)用，主要是針對于啤酒的生產(chǎn)，從而達(dá)到實(shí)物的教學(xué)目的。因此，對于PLC的設(shè)計(jì)，主要是利用晶體管輸出這一類型，這樣的話，就可以在同一時間內(nèi)，使得兩路脈沖信號得以輸出，使其傳遞給相應(yīng)的驅(qū)動器，達(dá)到其對應(yīng)的控制作用。通常來說，整個系統(tǒng)中不管是輸入，還是輸出點(diǎn)的設(shè)計(jì)，都是比較少的，前者只需要十一個，后者只要求九個，并且需要具備一定的考慮空間。綜合合一考慮，對于主機(jī)的選擇，主要是比利時的LM-3106A，一共有十四個輸入點(diǎn)以及十個輸出點(diǎn)。3.3.2PLC的I/O分配在整個機(jī)械臂的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，按照其動作的相關(guān)要求，以及進(jìn)行實(shí)物教學(xué)所需要的相應(yīng)指導(dǎo)，對于主機(jī)中I/O之間的分配，將通過下表加以展示。表3-5PLC的I/O分配表名稱輸入名稱輸出右限位1I0.4步進(jìn)電機(jī)PULO1.1右限位2I0.3步進(jìn)電機(jī)DIRO1.0右限位3I0.1步進(jìn)電機(jī)ENAO0.7左限位I0.5伺服電機(jī)方向O0.2下限位I1.1伺服電機(jī)使能O0.4上限位I1.2伺服電機(jī)脈沖O0.3步進(jìn)限位I1.3夾瓶氣動閥O0.5啟動按鈕I0.0直流電機(jī)+O0.1復(fù)位按鈕I0.2直流電機(jī)-O0.03.3.3編程指令的選擇總的來說，對于機(jī)械臂編程的設(shè)計(jì)指令的選擇，主要有以下幾個方案。第一，主要是利用保停電路的作用。不僅操作較為規(guī)范，同時也能夠方便讀者的閱讀，并及時的了解其中的缺陷。第二，主要是借助于轉(zhuǎn)換的作用，通過利用其基本原則，進(jìn)行嚴(yán)格的對照，進(jìn)而完成相應(yīng)的編程，尤其是那些比較復(fù)雜的梯形圖的編制，能夠起到非常顯著的作用。第三，就是利用步進(jìn)梯形指令，即STL，進(jìn)而完成相應(yīng)的編程。它不僅彌補(bǔ)了第一種方式的缺陷，同時能夠保證其順序的方便性。經(jīng)過相應(yīng)的論證之后，從而得出針對于這篇文章中的設(shè)計(jì)，最為合適的還是第三種方式。3.3.4PLC程序的設(shè)計(jì)相關(guān)機(jī)構(gòu)圖主要通過附錄加以具體的展示。3.4PLC程序的調(diào)試一般情況下，對于PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要是針對于工業(yè)化的生產(chǎn)，所以并不要求什么特別的措施，就能夠加以應(yīng)用。然而，我們不能夠否認(rèn)，當(dāng)遇到比較復(fù)雜的情況，或者是比較糟糕的環(huán)境，等等一些意外的情況時，都會使得這一系統(tǒng)的正常工作受到一定程度的影響。針對于這一狀況，對于該系統(tǒng)的調(diào)試工作，必須給予足夠的關(guān)注與重視。3.4.1PLC控制的安裝與布線首先，是關(guān)于輸入接線，主要遵循以下的幾方面原則。第一，其長度最好在三十米之內(nèi)。當(dāng)然，遇到特殊的復(fù)雜情況時，為了保證足夠的壓降，能夠適當(dāng)?shù)难娱L一點(diǎn)。第二，不管是輸出線路，還是輸入線路，都不能夠?qū)烧吖餐褂?，必須要?dú)立開來。第三，當(dāng)進(jìn)行串接的過程當(dāng)中，需要借助于普通的二極管的作用，從而增強(qiáng)其抗干擾能力。其次，就是對于電源的接線。一般說來，在PLC控制系統(tǒng)當(dāng)中，主要的干擾因素就是來自于電源。針對這個方面，對于PLC而言，為了保證自身的可靠程度，所需要做的就是使用那些電壓波動范圍比較小的，以及其波形畸變也比較小的電源。因?yàn)橐ＷC自身足夠的抗干擾能力，所以需要從以下幾個方面加以改進(jìn)。第一，其供電線路必須獨(dú)立開來，盡可能的遠(yuǎn)離那些大功率的用電設(shè)備，以及干擾能力比較強(qiáng)的設(shè)施。第二，其供電回路的選擇，通常可以使用隔離變壓器，以及借助于晶體管的作用，等等合適的設(shè)備。在這一設(shè)計(jì)當(dāng)中，我們所采用的抗干擾設(shè)備，主要有兩種，一是隔離變壓器，另一個就是交流穩(wěn)壓器。對于后者的使用，以在實(shí)際工作中的最大需求容量為準(zhǔn)，通常在計(jì)算的時候，可以超過其30個百分比，進(jìn)而使得自身的穩(wěn)壓功能得到很好的發(fā)揮[16]。最后，就是針對于接地的考慮。一般來說，盡可能的保證接地操作的準(zhǔn)確性，主要是為了生產(chǎn)過程盡量的避免電壓沖擊，從而確保整個操作的安全性，當(dāng)然最好其抗干擾能力也要比較好一些?？偠灾?，其接地系統(tǒng)的不斷完善對于PLC的正常運(yùn)轉(zhuǎn)有著非常顯著的作用。除了直接接地之外，還有浮地，以及電容接地這兩種。在本文的設(shè)計(jì)當(dāng)中，主要是以高速度低的電平為主，因此選擇第一種方式最為適合，除此之外，為了提高其保護(hù)效率，同時3.4.2機(jī)械臂控制系統(tǒng)的外部接線圖相關(guān)的外部電氣接線圖主要通過附錄5加以具體的展示。3.4.3機(jī)械臂控制程序的調(diào)試為了驗(yàn)證機(jī)械臂的可操作程度，進(jìn)行程序的相關(guān)調(diào)試有著非常重要的作用，能夠幫助我們及時的發(fā)現(xiàn)其中所存在的問題，并得以完整的解決。其中主要的就是對于梯形圖指令沒有一個比較良好的掌握，因此出現(xiàn)了不少的失誤，再加上自身的一些弊端，使得在進(jìn)行調(diào)試的過程當(dāng)中，不能夠完整的完成其動作的展開，并不符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。但是，吃一塹長一智，只要進(jìn)行細(xì)致認(rèn)真的研究與分析，最終我們解決掉了所有的問題，使其能夠良好的運(yùn)行。4模塊化關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在進(jìn)行輕型臂的設(shè)計(jì)當(dāng)中，對于其自身的重量，以及所具備的負(fù)載能力有著一定的標(biāo)準(zhǔn)，對于前者，主要限制在十千克之內(nèi)，其中末端手爪的重要必須保證在0.5千克之內(nèi)，其負(fù)載能力也需要比2千克要大。針對于這些要求，在本文的設(shè)計(jì)當(dāng)中，主要做出以下的假設(shè)。假設(shè)1：輕型臂的各部分重量如下，腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)重量相同，為1kg；肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)重量相同，為0.9kg；大臂重量為0.5kg；小臂重量為0.4kg；末端手爪重量為0.5kg；末端負(fù)載為1kg。假設(shè)2：各個關(guān)節(jié)的重心在各自的旋轉(zhuǎn)軸線上；大臂和小臂在長度方向截面相同且質(zhì)量均勻，即其重心在幾何中心上；末端操作器與負(fù)載的重心重合；末端操作器與腕關(guān)節(jié)的重心在水平方向的距離為120mm。圖4-1關(guān)節(jié)受力簡圖由上圖可知，當(dāng)整個機(jī)器全部的得以伸展的時候，使其處于穩(wěn)定的速度，一直到處于水平的方向，經(jīng)過一系列的計(jì)量得知，其在肩關(guān)節(jié)與肘關(guān)節(jié)中，所能夠承受的轉(zhuǎn)矩分別為，以及，其具體情況由下表所示。表4-1所計(jì)算的各關(guān)節(jié)力矩腰關(guān)節(jié)肩關(guān)節(jié)肘關(guān)節(jié)腕關(guān)節(jié)水平方向關(guān)節(jié)力矩61.6Nm61.6Nm26.1Nm26.1Nm關(guān)節(jié)承受最大力矩67.8Nm67.8Nm28.7Nm28.7Nm4.1關(guān)節(jié)驅(qū)動器的選型根據(jù)該機(jī)械臂的負(fù)載能力，經(jīng)過詳細(xì)的考慮之后，對于電動驅(qū)動器的選擇，主要以直流無刷電機(jī)為主。這是因?yàn)槠渥陨淼目煽砍潭缺容^高，同時具備著較高的效率以及抗噪能力比較強(qiáng)，等諸多的優(yōu)勢，就連自身的成本消耗，以及控制的復(fù)雜程度都是比較的低，能夠保證自身操作的準(zhǔn)確性。在進(jìn)行輕型臂的設(shè)計(jì)當(dāng)中，對于其自身的整體功率，也必須符合一定的標(biāo)準(zhǔn)，也就是在55瓦之內(nèi)，這也就意味著，對于無刷直流電機(jī)的使用，必須保證其在要求之內(nèi)。根據(jù)本研究的整體設(shè)計(jì)考慮，一共需要有四個電機(jī)，按照其對應(yīng)的功耗能力，綜合其他的一些耗能組件，因此對于電機(jī)的要求一般要處于13瓦之內(nèi)。針對于這一分析，在其型號的選擇上，由瑞士Maxon公司的開發(fā)的EC-max系列無刷直流電機(jī)比較符合本文的要求。4.2關(guān)節(jié)傳動比設(shè)計(jì)針對于這一文章當(dāng)中的傳動機(jī)構(gòu)，首先假定其總的效率，主要為，這也就表明著其中的各個關(guān)節(jié)，其整體的減速比，主要為。經(jīng)過一系列的計(jì)算之后，得到具體情況如下。表4-2所計(jì)算的各關(guān)節(jié)傳動比腰關(guān)節(jié)肩關(guān)節(jié)肘關(guān)節(jié)腕關(guān)節(jié)傳動機(jī)構(gòu)總減速比113951139569746974根據(jù)相應(yīng)的方案設(shè)計(jì)，對于傳動機(jī)構(gòu)的挑選，主要有以下幾個部分。4.3同步帶傳動的設(shè)計(jì)在這篇文章的研究當(dāng)中，對于關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的考慮，主要以第四個方案為主，其中需要借助于一個同步的帶傳動裝置，主要是用以將直流無刷電機(jī)的輸出軸，使其與行星的減速器的輸入軸加以相應(yīng)的連接，因此，選擇了出自于SDP/SI公司的相應(yīng)設(shè)備。其中腰關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的同步帶型號分別為A6G16M040030和A6G16M035030，基準(zhǔn)長度為81mm和71mm。腰關(guān)節(jié)帶輪的型號為A6A15M020MXL10，主從帶輪的齒數(shù)都為20；肘關(guān)節(jié)帶輪型號為A6A15M017MXL08，主從帶輪的齒數(shù)都為17。本文的同步帶傳動效率。4.4行星傳動的設(shè)計(jì)根據(jù)這一個方案可以得知，關(guān)于行星傳動的設(shè)計(jì)，主要以從動帶輪為主。在這篇文章的設(shè)計(jì)當(dāng)中，選擇了來自Maxon公司的減速器，其型號分別為GP16A-134777，以及GP16A-110322，其對應(yīng)的減速比為24:1，以及19:1,最大額定轉(zhuǎn)矩都為0.15N·m，都采用脂潤滑，最大傳低效率都為81%。圖4-2圓錐齒輪傳動 圖4-3冠齒輪傳動為了保證對于運(yùn)動方向的掌握，在設(shè)計(jì)當(dāng)中，對于齒輪傳動的選擇也需要加以考慮。一般情況下，主要有圓錐形的，以及冠型的這兩者。與后者相比，前者自身有著非常多的弊端，例如其傳動效率低，在安裝過程中，也需要更多的時間與精力。因此，選擇后者作為傳動方式對于本文的研究是比較合適的。不僅有著比較高的傳動效率，通?？梢苑€(wěn)定在大約98個百分比。主要選擇的是來自于瑞士的ASSAG公司，為Cylkro這一系列。其中，主動齒輪和從動齒輪的齒數(shù)分別為13和65，模數(shù)為0.5。4.5諧波傳動的設(shè)計(jì)諧波減速器由于具有傳動比大（單級減速比為50-300），以及足夠穩(wěn)定的傳動效率，包括其精度等都能夠得以高質(zhì)量的保證。不僅具備非常高的承載能力，還有其他的各種優(yōu)點(diǎn)，因此其應(yīng)用也是較為廣泛的。根據(jù)相關(guān)的方案標(biāo)準(zhǔn)，在這一設(shè)計(jì)當(dāng)中，對于其選擇，主要是來源于德國的HarmonicDrive公司，其為HFUS系列，對于中心孔走線有著非常大的幫助。關(guān)于腰關(guān)節(jié)，以及肘關(guān)節(jié)的型號，分別為HFUS-17-100-2A-GR，以及HFUS-14-100-2A-GR-SP，其所對應(yīng)的最大的平均轉(zhuǎn)矩，主要為39Nm，以及11Nm，減速比都為100:1，并且都采用油潤滑。計(jì)算表明，25oC溫度下，兩種諧波減速器的傳動的效率約。4.6制動器的選型對于制動器的使用，主要是為了保證機(jī)器停止之后，不會出現(xiàn)繼續(xù)轉(zhuǎn)動的情況，因此，在本文的設(shè)計(jì)當(dāng)中，主要選用相應(yīng)機(jī)器的是來自于Autotronics公司，即為BF-4電磁制動器，其最小的制動轉(zhuǎn)矩為74.1mNm，可以同時滿足兩種關(guān)節(jié)的電機(jī)的制動要求。產(chǎn)品數(shù)據(jù)表明，在28V電壓下，該制動器可以在7ms內(nèi)將電機(jī)抱死。5輕型臂系統(tǒng)的電氣連接5.1關(guān)節(jié)內(nèi)部中心孔走線針對于走線的設(shè)計(jì)，在本文的研究當(dāng)中，主要以中心孔走線為主。為了方便大家的了解，在這里用圖5-1展示了腰關(guān)節(jié)對于這一走線方式的應(yīng)用。a)正視圖b)俯視圖圖5-1關(guān)節(jié)中心孔走線在整個的控制系統(tǒng)當(dāng)中，對于電氣的連接主要分為以下的幾個部分，首先是關(guān)節(jié)之間；其次，是關(guān)節(jié)與基座之間，即如圖5-3（a）所示；然后是其與臂桿之間，包括其與手爪之間等等。為了保證其調(diào)試過程的有效與便利性，應(yīng)該盡量的避免使用那些傳統(tǒng)的插座。a)腰關(guān)節(jié)與基座c)肘關(guān)節(jié)的電氣連接b)肩關(guān)節(jié)的電氣連接d)腕關(guān)節(jié)的電氣連接圖5-2基于彈簧插針的系統(tǒng)電氣連接圖5-3系統(tǒng)電氣走線示意圖5.2輕型臂的整體結(jié)構(gòu)通過下面的兩個表格，能夠得知該輕型臂的整體結(jié)構(gòu)，包括其折疊，以及相應(yīng)的伸展這兩個狀態(tài)，以及其在實(shí)際運(yùn)作當(dāng)中，基本的運(yùn)動空間。表5-1輕型臂的折疊與伸展?fàn)顟B(tài)折疊狀態(tài)伸展?fàn)顟B(tài)主視圖俯視圖表5-2輕型臂的實(shí)際運(yùn)動空間主視圖（XOZ平面）俯視圖（XOY平面）運(yùn)動空間5.3結(jié)論在這篇文章當(dāng)中，在進(jìn)行輕型臂的設(shè)計(jì)過程中，主要以用戶的基本要求作為設(shè)計(jì)的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)所在，主要分為以下幾個部分。首先，確定其構(gòu)型為關(guān)節(jié)式，以及臂桿的長度，與其他的各項(xiàng)指標(biāo)。根據(jù)目前現(xiàn)存的相關(guān)設(shè)計(jì)，以及相應(yīng)的理論知識，對其設(shè)計(jì)方案進(jìn)行介紹，第一，就是整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；第二，就是對于速度與轉(zhuǎn)矩之間的傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；第三，就是對于輸入輸出的設(shè)計(jì)；第四，就是其內(nèi)部的電氣走線設(shè)計(jì)；第五，就是對于機(jī)電集成，以及智能化的傳感設(shè)計(jì)。其次，對于模塊式關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)，先粗略的估算其相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，根據(jù)其相應(yīng)的類型，針對各個傳動結(jié)構(gòu)，進(jìn)行針對性的研制，包括其自身的相關(guān)構(gòu)件。然后，對于其基座，以及臂桿等，包括其他的一些相關(guān)連接組件進(jìn)行全面的分析。除此之外，為了保證其控制的溫和型，對于關(guān)節(jié)力矩傳感器也進(jìn)行了相應(yīng)的參與，利用其自身的良好屬性，以及比較高的可靠程度，使得整體的過載能力可以得到很顯著的提升。最后，針對于電氣走線的設(shè)計(jì)，借助于電氣接口板，以及相關(guān)的中心孔結(jié)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的目的。參考文獻(xiàn)