机电一体化系统设计与综合.doc

第七章　机电一体化系统设计与综合 一．执行机构与驱动元件　　1．直线输出型执行机构的驱动　　(1)直线驱动元件直接驱动　　由直线型驱动元件直接驱动负载实现直线驱动。如：直线步进电机、阀控油缸、气缸可以直接驱动负载，产生直线运动。　　(2)转动型驱动元件实现的直线运动驱动　　转动型驱动元件经过一定传动装置将其转动变换成直线运动实现直线驱动。常用的驱动方式有：电机丝杠螺母机构，电机齿轮齿条(齿形带)机构，电机驱动的连杆机构。 图7.1电机齿轮齿条(齿形带)机构 图7.2 电机丝杠螺母机构图 图7.3 同步齿形带机构 2．转动输出型驱动机构　　由转动输出型驱动元件直接或者通过减速器驱动负载，实现负载的转动运动。驱动元件即可以使用回转驱动元件，也可以使用直线型驱动元件。回转型驱动元件主要有电机、气压或液压马达等。 图7.4 图7.5 图7.6 例7.1 要将一台C20型普通车床改造成经济型数控制车床，要求纵向进给重复定位精度为，最大进给力为。试选择驱动方式。 例图 7.1 　　解：在普通机床的数控改造中，多采用图示的电机、齿轮、滚珠丝杠传动机构、设齿轮的齿数分别为,,丝杠的导程为t,丝杠直径为d。　　(1) 电机上的负载力矩为 设，t=4mm (2)电机的转角精度计算 从定位精度和驱动力矩来看，选用步进电机和直流伺服电机驱动都能满足要求。直流电机要采用闭环伺服控制，需要位置反馈传感器，成本要比采用步进电机高得多，对经济型数控车床在满足指标要求的前提下，应优先选择成本低的驱动方案，因此选用步进电机控制更合理。可选择步距角0.36(的步进电机。 例7.2 已知一多关节式喷漆机器人，决定其位置空间的三个自由度分布如图所示，具有腰回转，垂直臂俯仰和水平臂俯仰三个自由度，要求确定执行机构方案和驱动方案。 例图 7.2 　　解:这种结构的机器人有两种常用执行机构。一种是转动输型执行机构，电机通过齿轮减速器驱动机器人的关节。另一种是直线输出型执行机构，由直线液压缸驱动关节转动，两种执行机构的结构原理如下图所示。 例图7.3 两种执行机构的结构原理图 　　转动型执行机构称为方案(a)，腰关节直接与驱动器输出轴耦合，水平臂和垂直臂的驱动器以对称形式分别安装在肩关节的两侧，通过齿形带分别与肩关节和肘关节耦合。这种结构方案的特点是三个电机都安装在基座上，可以减小机器人的负荷及负载惯量，快速性好，缺点是结构较复杂，成本较高。　　直线液压缸驱动方案称为方案(b)。三个驱动器都为直线输出型，通过连杆机构将驱动器的直线位移转换为关节的转角。这种方案的优点是结构比较简单，缺点是驱动机构把直线位移转换到转角的过程存在非线性。 二、驱动方式与传感器　　1．基本原则　　传感器的选择不仅要考虑对其静态特性，动态特性的要求，还要考虑驱动元件的类型，驱动元件与执行机构的传动方式等。 　　2．实例分析　　例7.3 机器人某关节的角度范围为，采用直流电机伺服驱动，要求角度测量精度为，试选择传感器。　　解: 依题意，传感器分辨率为　　　　　　　　　　　　　　　　　因为，角度范围，选择电位计和光电编码器都能满足测量要求。　　选用光电编码器，设光电编码器的每转脉冲数为n,则其角度测量精度为 考虑到计算误差、控制误差等因素，选择n=2000的光电编码器，具体选用——增量式光电编码器，其性能指标如下：　　(1)脉冲数：2000　　(2)信号形式：A，B两相正交信号　　(3)最高允许转速：5000rpm　　(4)使用寿命：100000小时　　选择测量方案： 图7.4 低速轴测量方案 图7.5 高速轴测量方案 当传感器安装在电机轴上时，在同样测量精度下，传感器的脉冲数为　　当减速器的传动比为i=200时，n′=9。选择n′=10即可满足测量要求。　　由于每转脉冲数很少，自行设计加工一个简单的光电编码器就能满足使用要求，也可选用市场上的光电码盘产品，如Maxon公司就生产专门与直流电机配套的光电编码器，脉冲数有100，200，500三种。选用n=100的光电编码器，测量角度测量精度为。 　　 Maxon Encoder的性能指标如下：　　(1)型号：HDES100　　(2)脉冲数：100　　(3)信号形式：A，B，两相正交信号　　(4)最高允许转速：5000rpm　　(5)使用寿命：100000小时 例7.4 已知某绳驱动式并联机器人，负载由多根张紧的绳来驱动，要求对每根绳的位置做精确控制，试选择驱动方案和传感器。 解：　　选择驱动方案：　　实现绳的位移控制主要有三种方案。 方案1：电机通过控制绳在滚筒上转过的角度实现绳位移的控制。 例图 7.4 方案一原理图 方案2：