机器人的微用步进电机毕业设计doc.docx
《机器人的微用步进电机毕业设计doc.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机器人的微用步进电机毕业设计doc.docx（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
机器人的微用步进电机毕业设计doc
电IVT-REJX-50》
苏州工业园区职业技术学院
毕业项目
2012届
IVT-REJX-51
苏州工业园区职业技术学院
毕业项目任务书（个人表）
系部：
机电工程系
毕业项目类别：
工业案例
毕业项目名称：
机器人的微用步进电机
校内指导教师：
彭芳
职称：
讲师/工程师
类别：
专职
校外指导老师：
职称：
类别：
学生：
赵凯强
专业：
机电
班级：
机电09304班
1、毕业项目的主要任务及目标
任务:
结合工作实际及学校所学内容简单大体阐述一种工业机器人关节结构的微用步进电机选型及其参数计算。
目标:
1.据该机器人的工作对象、任务及性能要求，参考国内外机器人的先进机型，确定该机器人的基本技术参数，实现技术上的突破。
2．根据机器人的相关参数，算出步进电机的额定电压和额定电流。
实现经济上的节约。
3．根据机器人的本体结构材料以及手腕转动系统中转动零件的型号，利用模块化设计的思想，利用AutoCAD审查零件的有关尺寸、结构、视图、材料实现结构上的合理性。
2、毕业项目的主要内容
续表：
主要参考文献
1、赵长德主编，<<机电一体化系统设计>>,机械工程出版社，2007年版
2、陈锡璞主编，<<工程经济>>，机械工程出版社，2000年版
3、徐建俊主编，<<电机与电气控制>>，机械工业出版社，2008年版
4、张伟林主编，<<电气控制与PLC综合应用技术>>，人民邮电出版社，2009年版
5、徐兵主编，<<机械装配技术>>，中国轻工业出版社，2009年版
4、进度安排
毕业项目各阶段任务
起止日期
1．毕业项目的主题选择
2011-10-22—2011-10-29
2．毕业项目资料的搜集
2011-11-5—2011-11-10
3．毕业项目初稿的完成
2011-11-10—2012-02-20
4．对毕业项目的修改
2012-02-25—2012-03-5
5．依据导师建议再次修改
2012-03-10—2012-03-25
6.最终完成
2012-4-15
诚信声明
本人郑重声明：
所呈交的毕业项目报告/论文《机器人的微用步进电机》是本人在指导老师的指导下，独立研究、写作的成果。
论文中所引用是他人的无论以何种方式发布的文字、研究成果，均在论文中以明确方式标明。
本声明的法律结果由本人独自承担。
作者签名：
年月日
摘要
工业机器人一般由手臂、手腕、驱动系统、测量系统、控制器、传感器等组成。
机器人手臂有六个自由度。
手腕是机器人手臂与主架的连接机构。
驱动系统为机器人各运动部件提供力、力矩、速度、加速度。
测量系统用于机器人运动的位移测量。
控制器用于控制机器人各部件的位置、速度、加速度，使机器人手臂以给定速度沿给定轨迹到达目标点。
在这个项目中我主要完成了步进电机结构的介绍，还有在工业机器人使用当中的一些参数的计算，最后就是提到对步进电机的发展趋势以及日常维修与保养。
关键词：
自由度力矩速度控制器驱动系统
一、绪论
1.1引言
随着人们生活水平的提高，用户对产品的外观质量提出了越来越高的要求。
然而以传统的动力系统（油压方式）已经不能满足工业的需求，远远不能够现代工业发展速度。
因此国外企业都投入了大量的科研资金来研究新的动力系统来代替传统动力，且不断提高机器人的精度，从而提高了产出品的质量，满足不同场合的实际需要。
同时还可以避免由于精度不够带来的一些不良后果。
国内许多大企业也投入了大量的经费来研究工业机器人关节微用步进电机系统，但和国外的系统技术及其工程应用水平相比还有一定差距，因此我花了大量的时间用于研究国外产品，但是，国内加工制造企业的自动化程度普遍不高，尤其是中小型企业的自动化程度就更不高了，这就导致我们不能与国外及接轨和良好的兼容。
所以我们必须从根本上解决此类问题。
自主创新、借鉴、应用步进电机动力系统来代替传统的机器人关节动力系统。
因此，必须从国内加工业的实际情况出发，研究开发性能指标技术水平能够既满足国内加工业实际情况，也能完美和国外接轨的可靠性高、操作灵活简便及易维修的工业机器人关节微用步进电机系统。
这样既满足国内加工制造企业不同层次的实际需要。
同时保证了机器人系统的精度。
因此，在设计阶段就应该认真考虑影响机器人关节活动精度的因素，选择合适的步进电机，还有设计准确的关节活动模型，从而才能满足工业的需要。
1.2课题研究的背景和意义
油压动力系统在工作过程中，将产生大量的难以处理的污垢，严重影响日常清理，并造成了严重的污染。
同时油压动力系统的控制不够精确，难以控制，远远影响到工人们的作业。
因此，为了避免传统的方式带来的一切不利因素，提高产品质量，满足现代化工厂的需求，实现工业作业的真正自动化，国内外许多大企业都投入了大量的科研经费来研究机器人关节的动力系统，使机器人自动化便于控制和操作。
国内许多大企业也投入了大量的经费来研究工业机器人关节微用步进电机系统，但和国外的系统技术及其工程应用水平相比还有一定差距，因此我花了大量的时间用于研究国外产品，但是，国内加工制造企业的自动化程度普遍不高，尤其是中小型企业的自动化程度就更不高了，这就导致我们不能与国外及接轨和良好的兼容。
所以我们必须从根本上解决此类问题。
自主创新、借鉴、应用步进电机动力系统来代替传统的机器人关节活动动力系统。
因此，必须从国内加工业的实际情况出发，研究开发性能指标技术水平能够既满足国内加工业实际情况，也能完美和国外接轨的可靠性高、操作灵活简便及易维修的工业机器人关节微用步进电机系统。
这样既满足国内加工制造企业不同层次的实际需要。
同时保证了机器人系统的精度。
因此，在设计阶段就应该认真考虑影响机器人关节活动精度的因素，选择合适的步进电机，还有设计准确的关节活动模型，来满足现代化工厂的生产需要。
1.3国内外研究现状
自从上个世纪60年代初，国外就开始了对用于工业机器人动力系统进行了研究，直到上个世纪60年代末才成功研制了一种满足现代化工厂的机器人动力系统。
从此这项技术领域在国外研究和开发应用十分迅速。
上个世纪80年代初，许多工业比较发达的国家，用于产品制造的机器人动力系统已到达普及的阶段，被广泛的应用于高精度的产品加工场合。
随着国外技术不断地研究，用于高精度产品生产的机器人得到越来越广泛的发展和应用，许多大型企业的厂房生产线都开始着手于新技术的研发，实现作业的自动化。
现阶段国外机器人关节动力系统主要是:
1.在机器人结构研究方面，机型主要是关节型，而且普遍应用CAD等现代方法来进行本体结构的设计、仿真和制造。
2、在机器人控制技术研究方面，主要由计算机控制，大量采用了编程技术，基于PC的开放结构控制系统也正在快速发展。
3、在机器人关节驱动技术研究方面，广泛应用步进电机驱动。
4、在其他方面研究，大量使用各种新型传感器，通用模块化编程语言也被广泛使用，信息处理大大提高。
然而，我国对机器人关节驱动的研究比较晚，最近十几年我国才开始了此方面的研究，但是我国高科技领域技术的研究和开发运用发展十分迅速，已经掌握了机器人本体结构的设计、仿真和制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学分析和轨迹规划技术以及在工作空间分析技术，缩短了同国外技术研究和应用的差距，基本上达到了国外80年代中后期的技术水平。
现阶段我国研究的现状主要是：
1、在机器人驱动的基础技术方面，对它的运动学、动力学分析与综合、运动控制算法、编程语言、离线编程技术进行了深入的研究，开发新理念驱动装置。
2、在机器人结构研究方面，机型主要是关节型，而且普遍应用CAD等现代方法来进行本体结构的设计、仿真和制造。
3、在机器人控制技术研究方面，多CPU分级分层控制的控制装置已被开发出来，也掌握了驱动系统、控制软件和离线编程技术设计。
4、在机器人关节驱动技术研究方面，也广泛应用步进电机驱动。
但是总的看来，与国外技术及其工程应用水平还存在一定的差距。
1.4本论文研究的主要内容
在查阅了大量的有关机器人微用步进电机研究现状的基础上，根据课题的研究目标，本论文“关节型机器人微用步进电机设计”对该机器人的本体结构进行研究，将主要完成以下几个方面的工作：
（1）根据该机器人的工作对象、任务及性能要求，参考国内外机器人的先进机型，确定该机器人的基本技术参数，并对该机器人的本体结构布局以及整机转动系统进行设计。
（4）根据机器人的相关参数，算出步进电机的额定电压和额定电流。
（5）选择改机器人的本体结构材料以及手腕转动系统中转动零件的型号，利用模块化设计的思想，利用AutoCAD软件绘制出手腕结构的装配图及各零件的零件图，完成本体结构的详细设计。
二、工业机器人关节本体结构设计
2.1工业机器人的工作对象、任务及性能
1.工作对象：
国内众多中小企业不同层次用户需进行不同精度的磨具加工，需要适应流水线化生产。
2.工作任务：
将机器人安装在固定的工作台上，可以根据流水线上的产品对其进行自动加工。
3.性能要求：
根据该机器人的工作对象及任务，要求改装后的机器人手腕要灵活，能够在工作空间内自由运动，具有防爆功能，能够长时间连续稳定可靠地工作，并具有光滑的流线型外表面，电源线、控制线和气管线能从大小臂和手腕内部穿过，使电源线、控制线和气管线不易损坏。
同时，机器人的轨迹精度及速度稳定性也要满足实际应用的要求。
2.2工业机器人关节的基本参数确定
在机器人本体结构总体设计过程中，关键的问题之一就是确定基本技术参数（自由度、有效负载、运动精度、可达空间和灵巧工作空间、运动特性、动态特性和经济性指标等）和结构参数（杆长、偏距、转角范围等）。
因此，本文将根据该机器人工作对象，设定结构参数初值，又根据结构上的限制进行圆整，最后所确定的基本技术参数和结构参数。
工业机器人基本参数
自由度
6
有效负载
6kg
本体质量
110kg
重复定位精度
1mm
关节变量范围
底座回转
-180
—+180
肘部俯仰
+0
—+90
手腕俯仰
+0
—+90
关节最高转速
底座回转
2r/min
肘部俯仰
2r/min
手腕俯仰
2r/min
关节最大转矩
底座回转
0.866N
m
肘部俯仰
0.866N
m
手腕俯仰
0.866N
m
2.3本体结构布局设计
1.本机关节构形
图1
2.支撑臂的布局设计
图2
3.动作臂的布局设计
图3
动作臂1
图4
动作臂2
三、关节整体的驱动系统设计
3.1关节的驱动方案
1.方案一、液压驱动系统
（1）优点
①灵活：
密闭液体是最灵活的动力源，具有优秀的力转移性能。
利用管道和软管取代机械部件可以排除布局问题。
②可以放大极小的力，可以移动和控制大得多的力。
平稳液压系统在运行过程中平稳和安静。
振动保持在最小程度。
（2）缺点
①需要良好的维护保养由于液压部件是精密部件并在高压力之下使用，因此需要良好的维护保养，以防止生锈、腐蚀、污垢、油变质等等，所以必须保持清洁和使用适当的液压油。
液压部件
②液压系统中有许多部件。
基本装置是泵和执行元件。
泵连续将油推出，并把机械能转变成压力能和动能。
执行元件是把液压能重新转换成工作所需机械能的系统部件。
除了泵和执行元件之外，液压系统的连续操作当需要以下部件。
油箱：
贮存油
阀门：
控制油的流量和流动方向，或限制压力连接管路：
连接系统的各个部件。
让我们看一下极为简易的液压系统。
如图5
图5
2.方案二、步进电机驱动系统
（1）步进电机所占比重和发展趋势
图6
从图6步进电机所占电机比重，可以看出它的重要性，已经在慢慢取代传统电机。
图7
从图7可以看出步进电机的每年的增长量，其发展速度之快，令人瞠目结舌，几乎每年都在翻倍，这就是它的优势，它的地位。
（2）优点
①可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
②步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度为100％）的特点，广泛应用于各种开环控制。
③步进电机具有转矩大、惯性小、响应频率高等优点，因此具有瞬间起动与急速停止的优越特性
④通常不需要反馈就能对位移或速度进行精确控制，输出的转角或位移精度高，误差不会积累；控制系统结构简单，与数字设备兼容，价格便宜。
因此，虽然直流电机伺服系统、交流电机伺服系统在计算机控制系统中被普遍地使用，但步进电机仍广泛用于简易数控机床、送料机构、仪器、仪表等领域。
（3）缺点
①如果控制不当容易产生共振。
②难以运转到较高的转速。
（4）步进电机驱动部件
①变频信号源：
变频信号源是一个脉冲频率能由几Hz到几十kHz连续变化的脉冲信号发生器，常见的有多谐振荡器和单结晶体器构成的弛张振荡器，它们都是通过调节R和C的大小，以改变充放电的时间常数，得到各种频率的脉冲信号。
②脉冲分配器：
脉冲分配器又称环形分配器，它根据运行指令按一定的逻辑关系分配脉冲，通过功率放大器加到步进电机的各相绕组，使步进电机按一定的方式运行，并实现正反转控制和定位。
脉冲分配器的功能可以用硬件来实现，也可以用软件来实现。
③功率放大器：
功率放大器又称驱动电路，其作用是将脉冲发生器的输出脉冲进行功率放大，给步进电机相绕组提供足够的电流，驱动步进电机正常工作。
对功率放大器的要求包括：
能提供足够的幅值；前后沿较陡的励磁电流；功耗小、效率高、运行稳定可靠、便于维修而且成本低。
3.2关节驱动系统参数确定
1.承受工作负载的启动转矩
此机器人静态转矩为1N
m，假设c为2，转子有40个齿，且为三相变磁阻步进电机，可知：
Tsm=1N
m
Tst=Tsm
cos（180
/mc）=1
cos（30
）
=
/2N
m
2.步进电机转动角范围确定和脉冲数计算
此机器人步进电机转角有两个范围（-180
—+180
）和（+0
—+90
），要达到此转角范围所需脉冲个数？
=360
/mzc=360
/3
4O
2=1.5
因为步距角为1.5
，所以转180
所需120个脉冲。
3.电机转速的确定和脉冲频率计算
此机器人步进电机的转速为2r/min，要求通电脉冲频率为多少？
因为n=60f/mzc=f
/6
所以f=（mzc
n）/60=（3
40
2
2）/60=8HZ
3.3步进电机控制系统设计
1.步进电机运动控制系统组成
步进电机控制系统是一种开环控制系统。
它的组成包括运动控制软件、脉冲分配器、驱动电路、步进电机及传动装置等，如图7
微型计算机中的运动控制软件通过程序编译，产生运动指令，它包括脉冲信号和转向信号。
脉冲分配器接收运动指令后，转换成合适顺序的脉冲序列，满足绕组相数以及相序的要求。
然后，脉冲序列经过驱动电路，进行功率放大，依次供给电动机各相绕组足够的脉冲电流，以驱动按其给定方向和速度产生步进运动。
电动机转动一步，通过滚珠丝杠驱动工作台前进每一个基本长度单位。
图7
2.步进电机工作原理
如图8所示，如果先使A相绕组通电，其相应的定子与转子之间就会产生磁吸力，使转子的1、3两个齿与定子的A相磁极对奇。
然后A相断电，再使B相绕组通电并使该磁极产生磁通，由图2看到其转子的2、4齿与B相磁极靠的最近，于是转子就按反时针转了30度。
这样，2、4齿就和B相磁极对齐。
如果按ABCA……的顺序通电，转子就按反时针方向一步步转动，每一步的角度成为步距角。
图8
实际上，步距角越小，意味着所能达到的位置精度越高，通常步距角为1.5-0.75度，为此需要将转子做成多齿的，定子的磁极上也制成小齿，两种小齿的齿宽和齿距相等。
如图所示，当一相定子磁极的小齿与转子的齿对齐时，其他两相磁极的小齿都与转子的齿错过一个角度，按照相序，后一相比前一相错过的角度大。
由上述可知，步进电机步距角公式为：
=360
/mzc（z:
转子齿数m：
相数）
3.步进电机特性及主要技术指标
（1）静态运行特性
图9
静态运行特性主要指距角特性。
距角特性是在不改变控制绕组通电状况下，电磁转矩与转子转角的关系。
步进电机的电磁转矩是由于磁路磁阻随转子位置变化而产生的，进而磁链也是随转子位置变化的。
如图9表示了由步进电机的一对定子极和一对转子齿组成的变磁组系统。
磁路磁阻是变化的，因为当转子转动时，改变磁路中的气息。
有欧姆定律，有下列关系式：
=iN/R
（
：
气隙磁通iN：
电磁铁的励磁安）
转速公式
n=60f/mzc=f
/6
（2）单脉冲运行特性
图10
当步进电机输入脉冲时，电动机从一种通电状态切换到另一种通电状态不引起失步的区域，称为稳定区域，如图10，设初始状态的距角特性为曲线0，转子稳定平衡点为
0，输入一个脉冲后，距角特性变为曲线1，转子的新的稳定平衡点为
1。
显然，只有当转子起始位置位于ab之间，才有可能使其平衡点由
0向
1运动。
区间ab即为步进电机空载时的稳定区域。
r为裕量角。
且裕量角越大稳定性越好。
r=180
-360
/mc
Tst=Tsm
cos（180
/mc）（Tst：
最大负载转矩Tsm：
静态转矩）
4.脉冲分配器
脉冲分配器是步进电机数控系统的重要组成部分。
它的作用是把输入脉冲按一定的逻辑关系转换为合适的脉冲序列，然后通过驱动器加到步进电机的相绕组上，使步进电机按一定的方式工作。
脉冲分配器可以由逻辑电路硬件实现，也可以通过逻辑代数运算由软件实现。
5.步进电机的驱动器
步进电机驱动的组成包括变频信号源、脉冲分配器和功率放大器3部分，如图11所示。
图11
（1）单脉冲方式：
脉冲输入信号CP，方向信号DIR,当DIR=0，来一个CP脉冲，电机正向转动一步；当DIR=1，来一个CP脉冲，电机反向转动一步。
（2）双脉冲方式：
驱动器有两路信号控制，一路为正向脉冲信号CW,电动机正转。
而另一路为反向控制信号CCW，电机反转。
3.4传动件之间的定位装配
工业机器人的各旋转关节的转动范围都是有限的，当各旋转关节轴运动到行程终点时，由于惯性的原因，各旋转关节轴的运动不能立即停止，而有向前继续运动的趋势，降低了工业机器人的精度。
因此，在进行该工业机器人本体结构设计时，就有必要根据各旋转关节轴的运动范围，采用适当的定位方法，使各旋转关节轴运动到行程终点时，得到合理的定位。
本项目组设计的工业机器人的腰部、臂部以及手腕偏摆采用机械档块定位，手腕俯仰和翻滚采用闭环伺服定位系统进行定位，其机械档块定位结构原理如图12所示。
图12
2.关节固定件3.定位卡环4.定位螺栓5.谐波减速器6.关节运动部件
由图12可知，该工业机器人的机械档块定位结构是在基座上设置机械档块，而在要不旋转上设置定位螺钉，实现对腰部的定位；在小臂结构的相应位置上设置两个集资额档块，而在大臂和手腕偏摆关节运动到行程终点时，卡环档块挡住在螺栓固定杆件的转动，实现臂部和手腕偏摆关节运动的定位。
3.5传动件的消隙
在工业器人的制造及装配过程中，工业机器人的转动机构间会产生间隙。
同时，为适应热膨胀，也要给工业机器人的转动机构间留出间隙。
这些间隙是不可避免的，但随着工业机器人运行时间的增加，转动机构中零部件的磨损加大，将产生更大的转动机构间隙，严重影响了工业机器人的位姿精度。
因此为了提高工业器人的位姿精度，在进行工业机器人本体结构设计的阶段，就必须考虑设计出相应的调整机构来定时调整转动机构间的间隙。
根据该工业机器人的结构布局以及整机转动系统方案，本文将采取提高工业机器人的制造和转配精度、设计科调整转动间隙的机构和设置对称布置，对手腕偏摆和俯仰转冬季构中设置了可调整两带轮中心距的安装结构来减小间隙。
此外，还对改工业机器人旋转关节中使用的轴承采取预紧的方式来减小间隙等。
四、微用步进电机使用和保养
4.1步进电机的使用说明
1.步进电机的选择
步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。
一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。
（1）步距角的选择
电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。
电机的步距角应等于或小于此角度。
一般采用二相0.9度/1.8度的电机和细分驱动器就可。
（2）静力矩的选择
步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。
静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。
单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。
直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行只要考虑摩擦负载。
一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）
（3）电流的选择
静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）。
2.应用中的注意点
（1）步进电机应用于低速场合---每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666PPS），最好在1000-3000PPS（0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机功率大、效率高。
（2）步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。
（3）转动惯量大的负载应选择大机座号电机。
（4）高精度时，应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少，其被淘汰的说法是外行话。
（5）电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。
（6）电机在600PPS（0.9度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。
（7）应遵循先选电机后选驱动的原则。
3.其他说明
有关低频振动、升降速、机械共振、工作往复运动的误差、平面圆弧X、Y插补误差以及其他问题，可根据具体情况解决。
不同厂家的电机在设计、使用材料及加工工艺方面差别很大，选用步进电机应注重可靠性而轻性能、重品质而轻价格。
最好采用同一生产厂家的控制器、驱动器和电机。
4.2步进电机的故障分析
电动机机械常见故障的分析和处理
1．定、转子铁芯的损坏和变形主要由以下几个方面原因造成。
（1）轴承过度磨损或装配不良，造成定、转子相擦，使铁芯表面损伤，进而造成硅钢片间短路，电机铁损增加，使电动机温升过高，这时应用细锉等工具去除毛刺，消除硅钢片短接，清除干净后涂上绝缘漆，并加热烘干。
（2）拆除旧绕组时用力过大，使倒槽歪斜向外张开。
此时应用小嘴钳、木榔头等工具予以修整，使齿槽复位，并在不好复位的有缝隙的硅钢片间加入青壳纸、胶木板等硬质绝缘材料。
（3）因受潮等原因造成铁芯表面锈蚀，此时需用砂纸打磨干净，清理后涂上绝缘漆。
（4）因绕组接地产生高热烧毁铁芯或齿部。
可用凿子或刮刀等工具将熔积物剔除干净，涂上绝缘漆烘干。
（5）铁芯与机座间结合松动，可拧紧原有定位螺钉。
若定位螺钉失效，可在机座上重钻定位孔并攻丝，旋紧定位螺钉。
2.轴承故障检修：
转轴通过轴承支撑转动，是负载最重的部分，
升级会员 