（机械制造及其自动化专业论文）基于注塑机的三伺服机械手的研究与开发.pdf

五邑大学硕士学位论文 摘要 随着注塑工业的快速发展，对工厂自动化程度要求越来越高。现有的注塑机专 用全气动机械手、单伺服机械手等已经不能很好地满足用户的需求。多轴伺服机械 手已经成为注塑机机械手新的发展方向。本文以注塑机专用三轴伺服机械手为研究 对象。根据注塑机机械手的结构特点，设计制造出三轴伺服机械手样机。针对机械 手模型，利用有限元的方法进行分析优化，找出最佳结构。采用触摸屏与运动控制 器相结合的方式，开发出三伺服机械手的控制系统。 应用有限元分析软件对三伺服注塑机械手进行了静力特性、模态、谐响应、瞬 态等分析，根据分析结果对机械手进行改良设计，使机械手结构趋于最优。 通过计算的方式给出了伺服电机的容量选择的方法。确定了三伺服机械手在位 置控制方式下的硬件接线方式及伺服电机的参数调整的方法。应用伺服电机调试软 件，现场对所设计的三伺服机械手的伺服电机进行了调试。通过实验的方式，提取 了伺服电机实际动作波形并进行了比较分析，进而对电机性能进行了优化。 使用w e i n v i e w 的m t 8 0 8 0 触摸屏开发出了三伺服机械手的人机界面。确定 了三伺服机械手人机界面的总体结构。针对人机界面的核心部分一示教功能的开发 进行了详细的分析。并利用宏开发出了触摸屏新的实用功能。 利用t r i o 运动控制器m c 2 0 6 开发出三伺服机械手的运动控制系统。分析了机 械手自动运行的流程。分析了运动控制系统的部分主程序的功能。对机械手原点回 归方式进行了分析与讨论，改进了机械手的动作安全性能。 关键词：三伺服机械手；有限元；触摸屏；运动控制器；原点回归 6 五邑大学硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n j e c t i o nm o l d i n gi n d u s t r y ，t h e r ei sa ni n c r e a s i n g d e m a n df o rf a c t o r i e s a u t o m a t i o nd e g r e e e x i s t i n gi n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n ed e d i c a t e d m a n i p u l a t o r ss u c ha sp n e u m a t i c - w i d em a n i p u l a t o ra n ds i n g l e - s e r v or o b o ta r en ol o n g e r w e l lp o s i t i o n e dt om e e tu s e r s n e e d m u l t i a x i ss e r v or o b o th a sb e c o m ead i r e c t i o nf o rt h e f u t u r ed e v e l o p m e n to fi n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n er o b o t t h eo b j e c to fs t u d yo ft h i sp a p e r i st h r e e a x i ss e r v oi n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n ed e d i c a t e dm a n i p u l a t o r ap r o t o t y p eo f t h r e e a x i ss e r v or o b o ti s d e s i g n e d a n dm a n u f a c t u r e da c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c so fi n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n em a n i p u l a t o r t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di s u s e df o rt h ea n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no ft h em a n i p u l a t o rm o d e li no r d e rt oi d e n t i f yt h e b e s ts t r u c t u r e t h ec o m b i n a t i o no ft o u c h s c r e e na n dm o t i o nc o n t r o l l e ri su s e dt od e v e l o p t h ec o n t r o ls y s t e mo ft h et h r e es e r v om a n i p u l a t o r t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r eh a sb e e na p p l i e df o rt h ea n a l y s i so ft h et h r e e s e r v oi n j e c t i o nm o l d i n gr o b o ts u c ha ss t a t i cf e a t u r e ，m o d a l ，h a r m o n i cr e s p o n s ea n d t r a n s i e n ta n a l y s i s i na c c o r d a n c ew i t ht h er e s u l t s ，i m p r o v e m e n th a sb e e nc a r r i e do u tt o t h er o b o t sd e s i g n ，s oa st oo p t i m i z et h em a n i p u l a t o r ss t r u c t u r e c a l c u l a t i o nh a sl e dt ot h em e t h o df o rs e l e c t i n gt h ec a p a c i t yo ft h es e r v om o t o r t h e h a r d w a r ec o n n e c t i o nm o d eo ft h et h r e es e r v om a n i p u l a t o ru n d e rp o s i t i o nc o n t r o la n dt h e a d j u s t m e n to ft h es e r v om o t o r sp a r a m e t e r sh a v ea l s ob e e ni d e n t i f i e d w i t hs e r v om o t o r d e b u g g i n gs o f t w a r e ，o n s i t ed e b u g g i n gh a sb e e nd o n et ot h es e r v om o t o rd e s i g n e df o rt h e t h r e es e r v om a n i p u l a t o r t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t ，t h ea c t u a lm o t i o nf o r mo ft h es e r v o m o t o rh a sb e e ne x t r a c t e da n dac o m p a r a t i v ea n a l y s i sb e e nc a r r i e do u ts oa st oo p t i m i z e t h ef u n c t i o no ft h em o t o r t o u c hp a n em t 8 0 8 0o fw e i n v i e wh a sb e e nu s e dt od e v e l o pam a n m a c h i n e i n t e r f a c ef o rt h et h r e es e r v om a n i p u l a t o r t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo fh u m a n - m a c h i n e i n t e r f a c eo ft h et h r e es e r v om a n i p u l a t o rh a sb e e ni d e n t i f i e d ad e t a i l e da n a l y s i sh a s c a r r i e do u t ，a i m e da tt h ec o r eo ft h em a n - m a c h i n ei n t e r f a c e t h ed e v e l o p m e n to ft h e i n s t r u c t i o nf u n c t i o n a n dn e wt o u c h s c r e e nu t i l i t yf u n c t i o n sh a v ea l s ob e e nd e v e l o p e d 7 五邑大学硕士学位论文 t r i om o t i o nc o n t r o l l e rm c 2 0 6h a sb e e nu s e dt od e v e l o pt h em o t i o nc o n t r o ls y s t e m o ft h et h r e es e r v om a n i p u l a t o r t h ef l o wo ft h em a n i p u l a t o r sa u t o m a t i cm o v e m e n th a s b e e na n a l y z e da n dt h ef u n c t i o no fp a r to ft h em a i np r o g r a m so ft h em o t i o nc o n t r o ls y s t e m b e e ne x p l a i n e d a n a l y s i sa n dd i s c u s s i o nh a v em a d eo i lt h eo r i g i nr e g r e s s i o nm e t h o do f t h er o b o ti no r d e rt oi m p r o v et h es a f e t yp e r f o r m a n c eo ft h em a n i p u l a t o r k e yw o r d s ：t h r e es e r v om a n i p u l a t o r ，f i n i t ee l e m e n t ，t o u c hp a n e l ，m o t i o nc o n t r o l l e r , o r l g mr e g r e s s i o n 8 本人声明 我声明，本论文及其研究工作由本人在导师指导下独立完成，完成论文所用的 一切资料均己在参考文献中列出。 作者：王龙 签字：三在 2 0 0 9 年3 月2 8 日 五邑大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 工业机械手及注塑机专用机械手发展 1 1 1 工业机械手的发展过程 机械手是能够模仿人手和手臂的功能，按固定程序抓取、搬运物件或操作工具 的自动装置。它可以部分或全部代替人力，从事一些单调、繁重的重复性劳动，实 现生产的机械化和自动化，能在有害环境中操作得以保护人身安全，当前正广泛用 于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。n 3 工业机械手是近代自动控制领域当中出现的一项新技术。并成为现代机械制造 生产系统中的一个重要的组成的部分。机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日 益为人们所认识：其一、它能部分代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求， 遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机 具进行焊接和装配。从而大大地改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加 快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到各先进工业国家的重视，投入 大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性 污染的场合，应用更为广泛。在我国，近年来也有较快的发展，并取得一定的效果， 受到机械工业的重视。乜吲1 机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立 的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操 作。它的特点是具备机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。 第二类是需要人工操作的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作 机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机械手来进行探测月球等。工 业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专用机械手，主要附属于自动机 床或自动线上，用于解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外称 为”m e c h a n i c a lh a n d , 它是为主机服务的，由主机驱动。 1 1 2 注塑机专用机械手的介绍 随着注塑设备迅速发展，注塑机已经广泛应用于建筑、包装、电器电子、农业、 汽车及交通业、轻工业、石油化学工业、机械工业、国防工业等国民经济各个部门 9 五邑大学硕士学位论文 及人们生活的各个领域，显示出极为重要的作用。现代化的注塑机都配有机械手， 机械手是能够模仿人体手臂的部分功能，可以对注塑产品进行自动取出，使其按照 预定要求对产品进行堆叠、排列及摆放。机械手是专门为注塑机设计开发的自动化 生产设备，它可以减轻工人繁重的体力劳动、改善劳动条件保证安全生产，提高生 产效率，在增强企业的市场竞争力等方面起到极其重要的作用。注塑机安装机械手 将是注塑机行业的一个新趋势，有着广阔的发展前景。因此研究多轴注塑机械手有 着十分重要的意义，具有巨大的市场价值及实际意义。n 1 1 2 1 生产同类产品的时候，注塑机注射及成型的时间基本固定，因此注塑机的效率 取决于产品的取出时间，每一次的开模完成到下一次合模完成的时间决定了注塑机 的工作效率，机械手取出产品的时间越短，注塑机的效率越高。 早在2 0 世纪8 0 年代，国外许多国家就开始开发研制注塑机械手，目前国外的 注塑机械手开发日趋成熟，机械手控制系统也多种多样，主要品牌有日本有信、 a n g e l 、s t a r 、哈模等，其中s t a r 和a n g e l 在日资企业比较常见，由于价格比较昂 贵，因此在一些国内的中小企业当中很难见到。在国内的机械手行业当中，主要品 牌有：台湾精锐广用、浙江伟力、浙江世控、广东天行等。 注塑机械手的种类繁多，根据驱动原件来分，主要有以下几种类型： 1 、悬臂式：采用机械气动控制，价格便宜，市场价格不到万元，控制相对简单。 2 、全气动横走式：机械手的横行部、引拔部、手臂上下行均采用气缸控制，为 了增加产品的可靠行，在第一轴的横行部分，一般用无杆气缸，但是气动控制容易 受到气压等因素影响，一般用在精度要求不高的小型注塑机上面，同时全气动横走 式价格相对低廉，因此应用较广。 3 、单轴伺服横走式：由于采用气缸控制，容易受到气体压力的影响，在精度和 可靠性方面相对来说较差，为了提高精度，增加可靠性，横出部分采用伺服电机进 行定位，以达到更高的精度。 4 、三轴伺服，为了进一步提高机械手的可靠性，提高产品的取出成功率，一些 厂家开发了三轴伺服的机械手，这种机型可靠程度相对较高，运行稳定，在未来的 市场上有着广阔的发展前景。 5 、五轴和七轴机械手，根据模具及产品的需要，并针对一些大型的注塑机，一 些产品生产厂家陆续开始使用五伺服以上的高端机械手，机械手拥有两条手臂，每 条手臂的上下及迸退均采用伺服电机进行控制，一些产品取出后还需要机械手进 1 0 五邑大学硕士学位论文 行一系列的处理，例如一个餐盒的取出，取出之后必须在温度没下降太多之前将餐 盖部分进行反复折弯处理，待恢复到室温以后，产品的韧性好，如果在室温下进行 折弯，产品容易断裂，这样就要采用高端机械手进行后续处理。在国内仅有精锐广 用、伟力、威猛等几家机械手厂家可以生产五伺服以上机械手。也有一些厂家采用 p l c 控制达到三伺服的水平，但是p l c 开发出的系统相对来说功能比较单一，系统 开发完成后，必须按照既定的程序进行修改，用户无法增加一些特殊的动作，系统 无法将动作储存，不适合长期使用。 1 2 论文的主要工作 1 2 1 课题来源 本课题是某注塑机专用机械手公司的一个实际开发项目，此项目的研究目的是 开发设计出用于卧式x x x 注塑机配套使用的三轴伺服机械手，包括机械部分及控制 部分。此项目选用松下的伺服电机为机械手的动力源，用三维设计软件 p r o e n g i n e e r 作为机械手设计软件，设计装配出机械手的实体。控制系统采用英国 t r i o 公司运动控制器配合伟伦的触摸屏m t 8 0 8 0 进行开发，设计出高品质的人机界 面，以提高产品的整体质量。 1 2 2 论文研究的意义 随着注塑机行业的发展，对注塑机机械手需求量大大增加。对于机械手的设计 与改良迫在眉睫，特别是多轴伺服机械手在国内需求量不断提高，在国内，能够生 产多轴伺服机械手的厂家少之又少，多轴伺服机械手的市场主要由国外品牌所占 据。因此开发设计自主知识产权的的多轴伺服机械手具有十分重要的意义。 1 2 3 论文研究的主要内容 本文主要就三伺服机械手的机械结构分析及控制系统设计进行分析讨论，从现 有的机械手出发，通过三维软件p r o e n g i n e e r 设计并加工出三伺服机械手实体，通 过多轴运动控制器配合触摸屏进行三伺服机械手控制器的研发。设计制作出一台完 整的三伺服机械手，本论文研究的具体内容包括： 1 、通过三维设计软件p r o e n g i n e e r ，参考国内常用的机械手机械结构，设计 装配出三伺服机械手的三维模型。应用有限元数值分析软件p a t r a n 对所设计的三 伺服注塑机械手进行数值仿真分析。针对实际工况，对机械手的模型进行静力特性 五邑大学硕士学位论文 分析、模态分析、谐响应分析、瞬态分析，并对机械手进行优化分析，根据优化分 析的结果，对机械手的结构进行了改良。并再次分析了优化后的机械手模型，经过 对比发现，优化后的机械手的特性有明显的提高。 2 、通过计算的方式给出了伺服电机的容量选择的方法。确定了三伺服机械手在 位置控制方式下的硬件接线方式及伺服电机的参数调整的方法。应用伺服电机调试 软件，现场对所设计的三伺服机械手的伺服电机进行了调试。通过实验的方式，提 取了伺服电机实际动作波形进行了比较分析，进而对电机性能进行了优化。 3 、使用w e i n v i e w 的m t 8 0 8 0 触摸屏开发出了三伺服机械手的人机界面。确 定了三伺服机械手人机界面的总体结构。针对人机界面的核心部分一示教功能的开 发进行了详细的分析。并利用宏开发出了触摸屏新的实用功能。 4 、利用t r i o 运动控制器m c 2 0 6 开发出三伺服机械手的运动控制系统，分析了 机械手自动运行的流程。并介绍了运动控制系统的部分主程序的功能。对机械手原 点回归方式进行了分析与讨论，改进了机械手的动作安全性能。 1 3 本章小结 本章在查阅大量国内外文献资料的基础上，综述了注塑机机械手的发展及研究 现状，介绍了多轴伺服机械手的应用及现状。阐明了本课题的研究意义和主要研究 内容。 1 2 五邑大学硕士学位论文 第二章基于p a t r a n 的三伺服机械手的有限元分析 注塑机机械手在机械设计及控制系统设计方面都要求做到稳定可靠。本章首先 利用三维软件p r o e n g in e e r 设计h 三伺服机械手模型并利用有限元的方法对三伺 服机械手模型进行了静力分析、模态分析、谐响应分析，并针对实际工况分析了机 械手的瞬态动力学特性。根据有限元计算结果进行对比分析，优化了三伺服机械手 结构模型。 2 1 三伺服机械手机械模型介绍 根据现有的全气动、单伺服机械手，参考国内及国外的多轴伺服机械手，通过 p r o e n g i n e e r 建立了二维机械手的模型。如图2 一l 所示 图2 - 1 机械手结构示意图 f ig21s c h e m a t l c a l a d ig r a mo ft h em a n ip u l 8 t o t 2 2 三伺服机械手有限元分析 221 机械手静力特性分析 静力分析可以用来计算结构受到固定不变载荷作用的应力、应变太小：它不考 虑惯性和阻尼影响。针对机械手实际_ t 作状况，将机械手运动到各轴最人位移处 1 3 五邑大学硕士学位论文 并在机械手简化模型的侧姿部施加竖直向下的1 0 0 牛顿的力，模拟机械手的实际工 作状况。如图2 - 2 所示。 图2 - 2 机械手应变云图 f i g 22m a n i p u ia t o rc o n t in g e n c yc io u d = ；：= 裟：= 二：一 囤2 - 3 机械手应力云图 f i g 2 3m a n ip u la t o rs t r e s sc o u d 如图所示，机械手的引拔梁、手臂从动粱前端节点处的位移较大，最大值为 03 4 2 m m 。引拔粱与炮管前端连接部位的应力值最大，为o2 6 m p a 。由此可以得出， 机械手在承受静力载荷的情况下，位移值和应力值较小，经过实地测试，能够满足 实际工作要求。 22 2 机械手振动模态分析计算 对所设计的样机进行振动模态分析，以确定机械手机械结构的固有频率和振型， 潮潞测斌涠国滢浏 k l m h*jh 五邑大学硕士学位论文 避免机器在工作时发生共振，同时为分析结构动态响应和其他动力特性提供理论依 据。 机械手一般工作在低阶频率下，因此在对结构进行模态分析时，未求出全部固 有频率和振型，重点考虑机械手系统的低阶频率，给出了前四阶振型图。 j _ _ _ _ _ - _ _ - _ - - - - - _ _ - - - _ - 撵 -正o l _ l - e _ z 1 日t t _ _ - - _ l “卜阶横杏振型( b e 阶模态振型 ( c ) 三阶模态摄型( d ) 四阶模态振型 图24 机械手模态分析结果固 f i g 2 4m a n i p u ia t o rn o d a ia n a i y s i sf g u f e 机械手工作在低阶，吲此只针对机械手的前l o 阶振型进行计算 表2 一t 机械手振型表 t a b l e21m a n l p u ia t o rs h a p et a b ie 阶数同有频率( h z ) 振型 一阶引拔粱绕z 方向摆动 二阶 引拔粱绕x 方向摆动 三阶 1 55 5 5引拔粱绕y 方向摆动 四阶 炮管绕y 方向拦动 五阶 3 08 7 5 引拔桨绕y 方向捏动 五邑大学硕士学位论文 六阶 3 36 6 7 炮管绕x 方向摆动 七阶 6 56 0 3 手臂绕z 方向摆动 八阶手臂绕x 方向摆动 九阶 手臂绕y 方向扭转 十阶基座绕z 方向扭转 由模态分析的结果可知，引拨粱是引起机械手在低频时振动的主要原因。因此 在对机械手优化过程中，要对引拔粱进行重新设计，以提高机械手的整体机械性能。 2 23 机械手谐响应分析 谐响应分析可阻预测机械手结构的持续动力特性，从而验证三伺服机械手的设 计能否成功的克服共振、疲劳等现象，从而避免受迫振动引起的不良效果。 根据三伺服机械手的实际工况，对其进行扫频分析，在机械手侧姿部加载水平 1 0 0 牛顿的激励频率变化范围为o 5 0 赫兹。得到从动粱振幅随频率的变化规律。 图2 - 5 机械手谐响应曲线 f g 25m a np u ia t o rh a r m o n i cr e s p o n s ec u r v o 由图24 当外载荷的频率为1 3 赫兹左右，这时比较接近与机械手的前三阶固有 频率，在此范围内机械手振动最大，因此在机械手工作的过程中应避免承受13 h z 左右的频率，防止机械手在振动过程中产品掉落。 2 24 机械手瞬态动力学分析 对机械手在吸盘动作过程进行了有限元仿真分析计算，得到了机械手吸取产品 室的动力学响应曲线。对机械手侧姿部施加如图2 - 6 所示的随时间变化的载荷。来 模拟产品取出的过程。 五邑大学硕士学位论文 提取侧姿部 i 前飞 圄2 - 6 瞬态分析时间关系曲线 f ig2 6 lr a n s ie n ta n a l y s ft h et i u r v e 圈2 7x 方向位移 f ig2 7xd lr e c t i o nd l s d i a c e m e n t 匡面亘互墨西圈_ 三盈噩三习l t ji ；ji ；。jj i 。一j l l j 二二三三互! ： 图2 - - 8y 方向位移 f i e2 8yd ir e c t i o nd ls p la n t h 邑大学硕士学位论文 暖2 - 9z 方向位移 f lg2 9 zd ir e c t io rd is p i a c e m er t t 由于机械手吸盘从模腔取出时问较短，此过程可以看作是对机械手施加了冲击 载荷，因此侧姿帮三个方向的位移都是波动的。从有限元的仿真结果看，三个方向 的位移均达到6 m m 以上。变形较大，需要进行设计改进。 2 3 机械手结构韵改进 根据前人“1 的研究，采用变密度法可以有效地提高机械手的机械特性，因此借 鉴前人的优化方法与优化结果1 ，将机械手引拔粱的结构改进如下。 固2 - 1 0z 引拔粱结构改进 f i g21 0 $ t u b b sp rl m e r t ol 呻r o v et h eb e a ms t r u c t 231 机槭手静力特性分析 对优化后的机械手进行静力特性分析，同样施加221 节对机械手进行静力分 析时相同的载荷，得到节点的应变和等效应力云图。 五邑大学硕士学位论文 固2 1 1 机械手应变云图 f i g 2 1 1m a n ip u i a t orc o i l t n g e n e yc i o u d 图2 - 1 2 机械手应力云图 f 】g 21 2m a n 。p uj a t ors t r e s sc i o u d 如图所示，机械手的引拔粱、手臂从动粱前端节点处的位移较大，最大值为 03 5 1 m m 。引拔粱与炮管前端连接部位的应力值最大，为02 6 5 m p a 。与优化前的结 果相比较，没有太大的变化，因此可以满足实际工作要求。 五邑大学硕士学位论文 232 机械手瞬态动力学分析 利用p a t r a n 对侧姿部施加如224 节图2 - 6 所示的随时间变化的载荷。来模 拟机械手侧姿部产品取出过程。 圈2 - 14x 方向位移 图2 - 1 5y 方向位移 f i g 2 1 5yd ir e c t i o nd is d ia c e m e n t 图2 - 1 6z 方向位移 fg21 6zd ir c c t l o nd is p ia c e m e n t 五邑大学硕士学位论文 经过对比两次实验结果发现，三个方向的位移不同程度的降低了2 0 左右，机 械手在工作过程中的性能有了明显的提高。 233 机械手振动模态分析计算 利州p a t p n 软件对优化后的机械手进行模态分析，并列出前4 阶的* 点振幅云图。 墨_ _ 口_ 墨_ _ - _ _ _ _ - 啊墨环_ z j 霸_ 目_ i 口正_ _ - - _ 旺墨一z 置 l l j - “量：门_ 。i i ( cj 三$ 濮寿扳坠 ( d ，四肼棋番振型 图2 - 17 机械手模态分析结果图 f i g2 ”m a n ip u l a t o rm o d a ia n a iy s is f ie u r e 通过模态分析，我们得到优化后前1 0 阶固有频率 表2 - 2 机械手振型表 t a b ie2 2m a n ip u i a t o rs h a p et a b ie 阶数一阶 二阶 = 阶四阶五盼 芄阶 七阶八阶九阶十衍 叛军 与优化前的模态相比较，可以看出各阶频率的振型变化不大，但是低阶固有频 率的数值变大。机械手的特性有所提高。”。 综上所述通过对机械手结构的优化其性能有明显的改善，特别是瞬态动力学 五邑大学硕士学位论文 分析处变化较明显( 见2 2 4 节与2 3 2 节数据) 。这对机械手的设计有着重要的指 导意义。 2 4 本章小结 本章通过有限元的方法对三伺服机械手进行了静力学分析、模态分析、谐响应 分析及瞬态分析，找出模型的不足之处，并对模型进行了优化，通过对比发现，优 化后的模型的瞬态特性变化明显，使机械手机械性能得到了很大的提高。 五邑大学硕士学位论文 第三章机械手伺服电机的选择与应用 伺服电机的选型及调试直接影响着机械手的整体性能。伺服电机容量不足，机 械手长时间工作会出现过载；伺服电机容量过太，影响机械手性能的发挥；伺服调 试的不好，机械手动作不协调、不稳定，达不到理想的控制效果。 本章讨论伺服电机容量选择及调试问题。给出了适用于各个品牌伺服电机的容 量选择的计算方法，通过试验的方式获得机械手伺服电机在工作过程中的运动曲线， 针对伺服电机不稳定的情况加以分析，对伺服电机的参数进行调整，使伺服电机稳 定可靠。 3 1 容量选择计算概述 伺服电机的选型往往是依靠选型软件选择的，但是每一品牌的伺服电机都对应 着一款伺服选型软件，这样就制约着伺服电机型号的合理选择，用户必须将伺服电 机选型软件完全弄懂，同时配合实际的伺服电机使用经验才能正确选择，因此，给 出通用的计算的方法来进行伺服电机的容量选型，以增加伺服电机选择的灵活性显 得很有意义。 31 1 容量选择计算的项目 1 ) 负载惯性矩( 机械系统的惯性矩) 。 2 ) 负载转矩( 驱动机械所需要的转矩) 。 3 ) 加速减速时间。 4 ) 运转模式。 由于无法测定系统惯性矩和负载转矩。由机械手的机械组成计算出近似值。本 次计算将以三伺服机械手的横行部分伺服电机的容量j j u 以分析。 囤3 - 1 伺服机构 五邑大学硕士学位论文 3 1 2 容量选择计算的次序 由机械构成计算负载惯性矩。 由机械构成计算负载转矩。 临时选定电机容量。 确认最短加速减速时间。指定时间时，计算必要的加速减速转矩。 由运行模式绘制转矩特性曲线。 由转矩特性曲线计算出实际转矩。 如果实际转矩( t r m s ) 比额定转矩( t r ) 小，则可按指定的运行模式运转。 计算再生电力，必要是选择再生电阻器。 在可能范围内，重新审定机械规格。 5 6 8 图3 - 2流程图 f i g 3 2f l o w c h a r t 2 4 l 2 3 4 五邑大学硕士学位论文 3 1 3 伺服电机容量的计算 w 、w 1 ：可动部分重量；w 2 配重重量；：摩擦系数：g l ：减速比；b p 丝杆 螺距( m m ) 1 、饲服的最大移动速度v 机械手移动最大速度受两个因素影响， ( 1 ) 、同步带轮的齿数及齿距。此数值越大机械手移动的越快。 ( 2 ) 、减速机减速比，减速比越小机械手速度越快。乜3 3 小惯量伺服电机额定转速一般为2 5 0 0 3 0 0 0 f f m i n ，中惯量以上额定转速约为 15 0 0 2 0 0 0 r m i n 。 本次开发所选横行部减速机及皮带轮参数如下： 选用精锐广用减速机，减速比1 ：1 0 ，同步轮齿数2 0 ，选用进口德国麦高迪同步 带齿距1 0 m m ，选用松下品牌伺服电机。 小惯量伺服电机：y = ( 3 0 0 0 ，6 0 ) ( 2 0 1 0 ) 击= 1 0 0 0 m m j = 1 m s 中大惯量伺服电机：v = ( 2 0 0 0 6 0 ) ( 2 0 x 1 0 ) 亩2 6 6 7 r a m s - - 0 6 6 7 m s 由于本次开发的机械手属于中型机械手，主要安装对象为中型注塑机，对速度要 求不高，根据上述计算，选用1 ：1 0 减速比的减速机完全符合要求。 负载对电机轴的惯性矩j ，计算 1 ) 、对电机轴换算的负载惯性矩( j 。) 三伺服机械手的横行部有几种结构： 滚珠丝杆，横行部由滚珠丝杆及直线导轨组成。这个时候不动部分的负载对 电机轴的负载惯性矩主要是滚珠丝杆带来的，可以按照常规的实心圆柱的负载惯性 矩计算公式进行计算，。 1 )(： 1 j 图3 - 3 实心圆柱 五邑大学硕士学位论文 f ig3 3g o lh m n l 为缝杆的长度，d 为丝杆的直径。 j = 止= i w ( 而d ) 2 = “3 p 2l 矿l 1 d 4 w = 了气矿l “面d ) 2 同步带，横行部由同步带、带轮及直线导轨组成。由同步带负载产生的对电机 轴换算的负载惯性矩相对可动部分对电机轴的负载惯性矩，可以忽略不计，因此此 处取值为j 。= 0 。 2 1 、假定可动部分对电机轴换算的负载惯性矩为，通过p r o e 软件，对机械装 配体的质量进行计算得到运动部分的总质量为9 8 千克。 、i 图3 - 4 可动部分示意图 f ig3 4m o v in ge ie m e n t 一去筹】2 x 甜 w ：为可动部分总重量( 千克) ； d ：小齿轮直径( m m ) 链轮直径( m m ) g l ：减速比( 无单位) j 2 = ( 去而b p ) 2 甜 部分 五邑大学硕士学位论文 硼( 去蒜0 0 0 ) 2 ( o ) 22 刀l 、7 = 9 9 2 x 1 0 一 姆m 2 综上，负载对电机轴换算的负载惯性矩 以= n ，：= = 9 9 2 1 0 1 幻m 2 3 、对电机换算的负载转矩( 乏) 瓦= 芈( 詈丽1 ) g l ，在计算垂直轴即机械手手臂部分的对电机换算的 负载转矩时，应按照如下公式进行计算。 上升时( 垂直)：瓦= ( ( , a + t ) w l - w 2 ) x 9 8 1 7 7 下降时 ( 垂直) ： 瓦= ( ( b - 1 ) w i - w 2 ) 9 8 1 7 7 停止时( 垂直) ：瓦= ( w l w 2 ) x 9 8 1 (垒焉1)glgl2 1 0 ( 一一) 、 j 由机械设计手册查得皮带的传动效率为o 。9 3 0 9 8 ，这里取1 7 = 0 9 5 直线导轨的摩 擦系数由t h k 直线导轨使用手册差得= o 1 得到 瓦= ( 0 1 x 9 8 + 0 ) x 9 8 1 9黑隐- 2 z r 0o94nm2 。 ；, r x 0 9 1 0 0 0 1 0 4 、 容量选择条件 瓦s 瓦x 0 9乏= 2 9 4 n m j j l 厶x 5 j l = 9 9 2 x 1 0 4 i 姆m 2 5 、伺服电机容量的临时选择 根据上述伺服电机容量选择条件，临时选定松下的lk w 中惯量伺服电机 m h m a l 0 2 p 1 c 驱动器型号为m d d d t 3 5 3 0 。 。= 6 。1 7 x 1 0 一 姆臃27 ，不= 4 。s i n m i ，疋c = 1 4 4 1 】 6 、确认考虑负载条件的最短加速减速时间( t 。c ) f 一( 歹m + j l ) x 2 r c x n k r 面嘉瓦厂 ：( 6 1 7 x 1 0 、- a + 9 9 2 、x 1 0 - a ) 2 z t x 2 0 0 0 6 0 ( 1 4 4 2 9 4 1 加速减速时闻为o 0 5 秒时的加速减速转矩 2 7 = 0 0 2 7 s l 己 g g x 上坶 h f 好 d 一2 d 一2 五邑大学硕士学位论文 耻譬畿产母鲤堕篙竽i - 2 9 4 = 9 6 8 m 9 6 8 n m l 1 4 4 n m 】，因此选择的伺服电机的最大转矩满足要求 7 、运行模式 由运行模式，绘制出输出转矩特性曲线 吐度 特铑 s ) 图3 - 5 转矩特- 陛曲线 f i g 3 5t h et r o q u ec h a r a c t e r i s t i cc u r v e 8 、实效转矩( k ) ，为输出转矩的时间平均值，根据实际动作过程中，动作测试 时单独伺服的周期设定为0 ，5 s ，则实际转矩值为： 乙= f 9 6 8 2 o 0 5 + ( 2 9 4 2 o 0 5 ) 1 + 9 6 8 2 o 0 5 2 v 五厂_ 一 = 4 4 【】 4 4 】 4 8 额定转矩，因此可以用指定的运行模式进行连续运转。 9 、选择结果乙 疋时，重新审核以下项目 在允许范围内将加减速时间加长。 当旋转速度有余量时，加大减速比。 加大电机容量。 当升降机械停止时间长时，加机械制动。 在高频率运转时，尽量加大尽速比，减小惯性矩。心3 3 通过以上计算，得到的结果是选用松下中惯量伺服电机m d m a l 0 2 p 1 g 。这种 计算方法灵活，适用性较广。 3 2 伺服电机的应用 通过对机械手电气部分的安装调试，发现伺服电机的稳定性决定着伺服电机的 总体性能，诸如惯量比、位置增益、加减速时间等必须要准确调整，否则伺服电机 容易产生振、过载等问题。这是目前注塑机机械手普遍存在的问题，影响了机械手 使用的效果。 本次开发选用伺服电机的位置控制方式来驱动伺服电机，具有定位准确、抗干扰 能力强等优点。 3 2 1 位置方式下伺服的硬件连接 三伺服的机械手采用伺服的位置控制方式驱动电机，以松下1 0 0 0 w 的伺服电机 m d m a l 0 2 p 1 g 为例，具体的硬件接线方式如下： 五邑大学硕士学位论文 图3 6 伺服电机硬件连接图 f i g 3 6s e r v om o t o rc o n n e c t i o nd ia g r a m 根据所采用的伺服控制系统，对伺服电机位置控制下的信号点加以简化，具体接 线点为： 伺服电源：7 、2 4伺服使能：2 9 伺服报警：3 6 、3 7指令脉冲禁止： 3 3 行程限位：8 、9差分脉冲输入：4 4 、4 5 、4 6 、4 7 反馈脉冲输出：2 1 、2 2 、4 8 、4 9 、2 3 、2 4 、2 5 伺服电机的脉冲输入方式一般具有集电极开路方式及差分脉冲输入方式。集电 极开路脉冲控制方式易于受到外界干扰，一般应用与短线驱动，能够接受的脉冲频 率较低，松下为5 0 0 k p p s ；差分脉冲输入方式抗干扰能力强，一般用于长线驱动， 五邑大学硕士学位论文 松下伺服能够接受的脉冲频率为2 m p p s 。3 3 号引脚指令脉冲禁止一般用于伺服电机 报警或是伺服系统急停情况下，将3 3 脚的低电平断捧则伺服电机禁止外界的脉冲输 入，伺服电机处于停止状态。8 、9 脚行程限位触点可根据需要进行连接，8 、9 脚接 到低电平则伺服电机在外界电路连接好的情况下可以根据指令脉冲进行旋转，但8 、 9 脚如果是不连接低电平则伺服电机不旋转，必须设置参数只0 4 = 1 ，将行程限位设 置为无效，否则伺服电机无动作。 3 2 2 伺服电机的参数调节 根掘机械手现场的实际情况，对伺服电机驱动器的参数进行适当的调整，可以 提高设备的稳定性及可靠性，由于机械系统采用皮带传动方式，机械刚性相对较低， 在采用松下伺服驱动器的自动调谐功能后，机械振动相对较大，需要手动调节伺服 系统的p i d 参数，同时要根据系统的控制要求适当调整电子齿轮比，以达到使用要 求 需要调整及设定的伺服参数如下： 1 ) 、位置环增益参数p r l o 、p r l 8 位置环增益k p 是交流伺服系统的基本性能指标之一，通常伺服系统的位置环增益 k p 越大，伺服系统的位置跟随误差愈小，响应越快。系统稳态运行时，位置环增益 满足以下公式：稳态随动误差= 速度v 位置环增益k p ，位置环增益k p 设置越大系统 的位置偏差越小，跟随性越好，定位时间就越短，系统的响应也越快，因此在系统 不产生震荡的前提下，应尽可能加大位置环增益k p ，但不应超过机械系统的固有频 率。 2 ) 、速度环增益参数p r l l 、p r l 9 及速度积分补偿参数p r l 2 、p r l a 速度环增益k v 主要用以决定速度回路的反应速度，在机械系统不产生震动的前提 下，速度环增益k v 的值设置的越大，伺服系统的响应速度就越快。速度环增益k v 及速度积分补偿时间常数的设定值与机械系统负载惯量有着十分密切的关系，两者 满足以下关系 巧2 3 石五i 瓦 t i ：积分时间常数【s 】k v ：速度回路增益【h z 】 由上式，当负载惯量很大或机械系统容易出现震动时，回路积分时间参数必须 足够大，否则机械系统将会产生震动。 机械手在正常生产过程当中，伺服系统启动和停止比较频繁，对伺服电机的性 3 z 五邑大学硕士学位论文 能要求较高，如果伺服电机出现振动或震荡的情况，很容易发生产品掉落等不安全 状况，如果机械手控制系统保护措施不完善，很容易产生压模等事故，囡此必须先 调整好伺服电机，使伺服电机运转平