机械手-基于dsp控制的三坐标点胶机器人步进电机驱动的设计-论文

机械手-基于dsp控制的三坐标点胶机器人步进电机驱动的设计-论文内容摘要：

滚珠丝杠的使用寿命 T=15000h，代入 60 60 /10L nT ，得丝杠寿命系数： 0L =2700（ 610 r）。 取载荷系数  ，滚道硬度为 60HRC 时，取硬度系数 Hf =，代入下式，求得最大动载荷： 3 0 3 3 .4Q w H mF L f f F N （ 34） 式中： 0L —— 丝杠寿命系数， 60 60 /10L nT ； wf —— 载荷系数，取 ； Hf —— 硬度系数，取 ； mF —— 最大工作载荷，取 2N。 （ 3）初选型号 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程， X、 Y 轴选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的 G 系列 16043 型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为 16mm，导程为 4mm，循环滚珠为 3 圈  1 列，精度等级取 5 级，额定动载荷为4612N，大于 QF 满足要求。 基于 DSP控制的三坐标点胶机器人（步进电机驱动）的设计 10 （ 4）传动效率  的计算 将公称直径 0 16d mm ，导程 4hP mm ，代入  0a r c ta n /hPd  （ 35） 得丝杠螺旋升角 045539。 。 将摩擦角 1039。  ，代入  ta n / ta n    （ 36） 得传动效率 91%。 （ 5）刚度的验算 1）滑台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推 — 单推”的方式 [6]。 由（ 37）计算丝杠在工作载荷 mF 作用下产生的拉 /压变形量：  51 / ( ) 2 0 3 1 0 / 2 . 1 1 0 1 3 4 0 . 0 0 0 0 2m a E S m mF      （ 37） 式中： a—— 丝杠左右支承的中心距离，约为 310mm； E—— 钢的弹性模量，取 10 MPa ； wD —— 滚珠直径，取 ； 2d —— 丝杠底径，取 ； S—— 丝杠截面积， 222 / 4 134S d mm。 2）根据公式  0 /3wdDZ   ，求得单圈滚珠数 Z=18；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数  列数为 3 1，代入公式： ZZ圈数  列数，得滚珠总数量 Z =54。 丝杠预紧时，取轴向预紧力 /3YJ mFF  =。 则求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量：2  。 因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的 1/3，所以实际变形量可减少一半 ，取2  。 3） 将以上算出的 1 和 2 代入 12  ，求得丝杠总变形量 m。 本设计中，丝杠的有效行程为 250mm。 5 级精度滚珠丝杠行程偏差允许达到 12 m ，可见丝杠刚度足够。 基于 DSP控制的三坐标点胶机器人（步进电机驱动）的设计 11 （ 6）压杆稳定性校核 22KKmf EIFFKa （ 38） 取支撑系数 kf =1；由丝杠底径 2d =，求得截面惯性矩 442 / 64 14 44 .8 mmId  ；压杆稳定安全系数 K 取 3；滚动螺母至轴向固定处的距离 a 取最大值 320mm。 代入式中，得临界载荷： 9737k NF  ，故丝杠不会失稳。 综上所述，初选的滚 珠丝杠满足要求。 步进电动机的计算与选型 （ 1）步距角的选择 步进电动机具有固定分辨率，如每转 24 步，步距角为 176。 采用小步距角分几步来完成一定增量运动的优点是：运行时的过冲量小，振荡不明显，精度高。 选用时应权衡系统的精度和速度要求，选择一种合适的标准步距角，对直线进给驱动的装置，步距角 β由系统所要求的脉冲当量 p ， 丝杠螺距 t 和变比 i 确定 [7]，按公式进行计算： 0 0 0360 3 6 0 0 . 0 1 0 . 94pti    式中： p —— 脉冲当量 ，取 ； t—— 丝杠螺距 ，取 4mm； i—— 变比 ，取 1。 （ 2）负载力矩的计算 负载力矩是指传送装置上与负载接触部分所受到的摩擦力矩。 步进电机驱动过程中始终需要此力矩。 负载力矩根据传动装置和物体的重量的不同而不同。 1） 计算加在步进电机转动轴上的总转动惯量 eqJ 已知：滚珠丝杠的公称直径 0 16mmd  ，总长 L=276mm，导程 hP =4mm，材料密度33/ 5 10 kg cm  ；移动部件总重力 G=400N。 算得各个零部件的转动惯量如下： 滚珠丝杠的转动惯量 : 2 20 .3 48s mDJ kg cm   （ 39） 基于 DSP控制的三坐标点胶机器人（步进电机驱动）的设计 12 托板折算到丝杠上的转动惯量 22( ) 0 .4 22 hw PJ m kg cm   （ 310） 初选步进电机型号为 BS57HB5603，由深圳白山机电公司生产，步距角整步为 ，半步为。 该型号的步进电机转子的转动惯量 kg cmJ 。 则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：   21. 06e q m w sJ J J k g c mJ      （ 311） 式中： mJ —— 步进电机转子的转动惯量 cm ； sJ —— 滚珠丝杠的转动惯量，取 cm ； mJ —— 托板折算到丝杠上的转动惯量，取 cm。 2） 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 eqT 分快速空载和承受最大工作负载种情况进行计算。 I） 快速 空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩 1eqT 1eqT 包括三部分：一部分是快速空载起动时折算到电机转轴上的最大加速转速maxaT ；一部分是移动部件运动时折算到电动机轴上的摩擦转矩 fT ；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩 0T ，因为滚珠丝杠传动效率很高， 0T相对于 maxaT 和 fT ，可以忽略不计。 则有： 1 maxeq a fTTT  （ 312） 考虑到传动链的总效率，计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩： m a x2 160 eq ma aJnT t  （ 313） 式中 mn —— 对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为 r/min； at —— 步进电动机由静止到加速至 mn 转速所需时间，单位为 s。 基于 DSP控制的三坐标点胶机器人（步进电机驱动）的设计 13 其中： max360m vn  （ 314） 式中 maxv —— 空载最快移 动速度，任务书指定 X、 Y 轴为 9000mm/min；  —— 步进电机步距角，预选电动机为 ；  —— 脉冲当量，本设计 /mm 脉冲。 将以上各值代入上式，算得 X、 Y 轴： mn =2250mm/min。 步进电动机由静止到加速至 mn 转速所需的时 t=，链总效率 。 则求得： 4m a x 2 1 . 0 6 2 2 5 0 1 0 0 . 0 96 0 0 . 4 0 . 7a N m N mT       移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：  2zhf F G PiT   （ 315） 式中： —— 导轨的摩擦因数，滚动导轨取 ； zF —— 垂直方向的铣削力，空载时取 0； —— 传动链总效率，取。 得：  0 . 0 0 5 0 4 0 0 0 . 0 0 4 0 . 0 0 1 82 0 . 7 1f NmT      最后求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩： 1 m a x a fT T N mT     （ 316） II） 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 2eqT 包括三个部分：一部分是折算到电动 机转轴上的最大工作负载转矩 tT ；一部分是移动部件运动时折算到电机轴上的摩擦转矩 fT ；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电机转轴上附加摩擦转矩 0T ， 0T 相对于 fT 和 tT 小，可以忽略不计。 则有： 2eq t fTTT  （ 317） 基于 DSP控制的三坐标点胶机器人（步进电机驱动）的设计 14 垂直方向承受最大工作负载情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：   0 . 0 0 5 4 0 0 0 . 0 0 4 0 . 0 0 1 82 2 0 . 7 1zhf F G PT N mi        最后，求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩为： 2 t f NmT T T    经过上式计算后，得到加在步进电机转轴上的最大等效负载转矩应为：  12, 0 .0 9 2m a xe q e q e qT T N mT  （ 3） 步进电动机最大静转矩的选定 考 虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。 因此，根据 eqT 来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。 本例中安全系数 k 取 4，则步进电动机的最大静转矩应满足： m a x 4 4 92 68j e qT T N m     上述初选的步进电机型号为 BS57HB5603，查得该型号电动机的最大静转矩maxjT =。 可见，满足要求。 （ 4） 步进电动机的性能校核 1）最快工进速度时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快工进速度 X、 Y 轴 m ax 1 450 0 / m inV mm ，则电动机对应的运行频率  m a x 1 4 5 0 0 / 6 0 0 .0 1 7 5 0 0f H z H z  ，在此频率下，电动机的输出转矩约为maxT  ，大于最大工作负载转矩 2eqT  ，满足要求。 2）空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快空载移动速度 m ax 900 0 / m inV mm ，对应的运行频率：  m a x 90 00 / ( 60 0. 01 ) 15 00 0f H z H z  。 在此频率下，电动机的输出转矩max N m，大于快速空载起动时的负载转矩 1eqT =  ，满足要求。 3）最快空载移动时电动机运行 频率校核 基于 DSP控制的三坐标点胶机器人（步进电机驱动）的设计 15 与最快空载移动速度 m ax 900 0 / m inV mm 对应的电动机运行频率为 maxf =15000Hz。 BS57HB5603 电动机的空载运行频率可达 30000Hz，可见没有超出上限。 4）启动频率的计算 已知电动机转轴 eqJ = cm ，电动机转子的转动惯量 kg cmJ ，电动机转轴不带任何负载时的空载启 动频率 2700qf Hz ，则可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率： 12681/qLe q mff H zJJ （ 318） 上式说明，要想保证步进电机起动时不失步，任何时候的启动频率都必须小于1268Hz。 实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有 100Hz。 综上所述，本例中工作台的进给传动选用 BS57HB5603 步进电动机，安全 [8]。 表 32 BSHB366 参数 步进驱动器的选择 步进电机功率驱动器将 DSP输出的控制脉冲放大到几十～上百伏特、 几安～十几安的驱动能力。 一般 D。