定位系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)論文

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1染液自動(dòng)配液系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足系統(tǒng)的剛度和穩(wěn)定性，選擇3軸XX'YZ型拱架機(jī)器人結(jié)構(gòu)，

1.1XY直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)方式和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于XY平臺(tái)要求大行程、高速、精確、平穩(wěn)定位，因此自動(dòng)配液機(jī)的x軸及y軸采用同步帶柔性驅(qū)動(dòng)，如圖3所示。同步帶柔性驅(qū)動(dòng)方式相對(duì)于剛性傳動(dòng)定位系統(tǒng)，具有傳動(dòng)平穩(wěn)、沖擊小、無(wú)需潤(rùn)滑、噪聲小、傳動(dòng)距離遠(yuǎn)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，主要用于對(duì)加速度和速度要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合。雖然同步帶的彈性可減少?zèng)_擊，但同時(shí)也帶來(lái)定位誤差和振動(dòng)問(wèn)題，如何有效抑制系統(tǒng)定位誤差，充分發(fā)揮柔性驅(qū)動(dòng)直線定位技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，成為本文需要解決的主要問(wèn)題之一。一般同步帶按照中心距大小和帶輪尺寸設(shè)計(jì)選擇同步帶基準(zhǔn)長(zhǎng)度，然后將環(huán)形同步帶安裝在兩個(gè)帶輪上。在此設(shè)計(jì)中為保持同步帶張緊力和便于在支撐軌道型材安裝，同步帶有接頭而兩端用壓板同滑塊連接，以便于安裝和調(diào)節(jié)。同步帶在位于型材兩端托架上的兩個(gè)同步帶輪之間進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。一個(gè)帶輪安裝在電機(jī)上，另一個(gè)則安裝在張緊裝置上。同步帶帶動(dòng)滑塊在導(dǎo)軌上移動(dòng)，滑塊支撐在滾珠導(dǎo)軌上，同步帶縱向穿過(guò)支撐導(dǎo)軌的異型鋁合金型材。

1.2運(yùn)動(dòng)平臺(tái)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)

低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)就是當(dāng)導(dǎo)軌作低速運(yùn)動(dòng)或微量進(jìn)給時(shí)，應(yīng)保證運(yùn)動(dòng)始終平穩(wěn)不出現(xiàn)“爬行”現(xiàn)象。數(shù)控工作臺(tái)的位移量是以脈沖當(dāng)量作為它的最小單位，它常以極低的速度運(yùn)動(dòng)，這是要求工作臺(tái)對(duì)數(shù)控裝置發(fā)出的指令要做出準(zhǔn)確響應(yīng)，這與運(yùn)動(dòng)件之間的摩擦特性有直接的關(guān)系。滾動(dòng)導(dǎo)軌的靜摩擦力較小，而且還由于潤(rùn)滑油的作用，使它們的摩擦力隨運(yùn)動(dòng)速度的提高而增大，這就有效地避免了低速爬行現(xiàn)象，從而提高工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和定位精度。但滾動(dòng)導(dǎo)軌抗振性較差、對(duì)防護(hù)要求較高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造比較困難、成本較高。

1.3工作頭夾持手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照移液管夾持手的工作流程，要求夾持手到達(dá)母液瓶位置下降，下夾持手夾持住母液瓶里的吸管，上夾持手夾持住活塞吸取一定的母液，然后帶動(dòng)吸管整體上移到脫離母液瓶，移動(dòng)到計(jì)量區(qū)，夾持手推動(dòng)吸管活塞將母液按配方劑量注入到染料瓶里，然后回到母液區(qū)，將吸管放回到的原來(lái)的位置。手爪通常是由手指、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，其結(jié)構(gòu)要根據(jù)作業(yè)對(duì)象的大小形狀和位姿等幾何條件以及重量、硬度、表面質(zhì)量等物理?xiàng)l件來(lái)綜合考慮,同時(shí)還要考慮手爪與被抓物體接觸后產(chǎn)生的約束和自由度等問(wèn)題。設(shè)計(jì)擺動(dòng)式夾持器，夾持手左右手爪為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)氣缸驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)將移液管夾持住。將活塞連桿手爪和移液管外殼手爪設(shè)計(jì)為一體，當(dāng)氣缸動(dòng)作時(shí)兩個(gè)手爪同時(shí)動(dòng)作，方便快捷。在工作的時(shí)候手指只有兩個(gè)工作位置，采用氣壓驅(qū)動(dòng)能夠快速達(dá)到工作位置，節(jié)約時(shí)間。

2柔性同步帶驅(qū)動(dòng)定位動(dòng)態(tài)分析

在該系統(tǒng)中，電機(jī)的運(yùn)動(dòng)通過(guò)同步帶傳輸?shù)揭苿?dòng)裝置。在嚙合齒之間必須有足夠的間隙，以確保運(yùn)動(dòng)的流暢，沒(méi)有干涉，但這種間隙的存在導(dǎo)致滯后現(xiàn)象的產(chǎn)生和噪音。當(dāng)運(yùn)動(dòng)方向改變時(shí)，在外部激勵(lì)支配下動(dòng)力傳輸齒產(chǎn)生脫離和微小滑移。這一現(xiàn)象的結(jié)果是帶慢慢滑移直到下一對(duì)齒進(jìn)入嚙合。

3試驗(yàn)測(cè)量裝置

柔性同步帶定位系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)誤差特性，彈性變形的影響和間隙的影響，對(duì)于彈性變形所引起的誤差，采用兩個(gè)編碼器分別測(cè)量主動(dòng)輪和從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速。為精確控制移動(dòng)負(fù)載的加速或減速，本試驗(yàn)裝置采用線性坐標(biāo)測(cè)量裝置（CMM），結(jié)合高分辨率刻線尺搭建模型來(lái)驗(yàn)證模型預(yù)期的性能。在系統(tǒng)中使用了常規(guī)的控制器PC104PMAC卡，為確定傳動(dòng)系統(tǒng)引起的位置誤差，采用位置測(cè)量的基本旋轉(zhuǎn)編碼器（PE）以和高分辨率刻線尺（LS）的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。控制電機(jī)速度按照梯形路徑輸入，疊加獲得定位誤差圖形（ΔX=XLS-XPE）。ΔX包含與支承元件（如抗摩軸承、軸承軸）等相關(guān)的幾何和運(yùn)動(dòng)誤差，如前所述定位誤差具有延時(shí)滯后的特點(diǎn)，具有相當(dāng)?shù)闹貜?fù)性。

4結(jié)束語(yǔ)

由于染液自動(dòng)配液系統(tǒng)工作區(qū)域較大，工作頭的運(yùn)動(dòng)為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)形式，對(duì)精度和效率的要求高，要求小的沖擊或殘余振動(dòng)，故采用拱架機(jī)器人作為主體結(jié)構(gòu)，為補(bǔ)償同步帶定位誤差，建立定位系統(tǒng)的物理模型，并搭建試驗(yàn)裝置測(cè)量定位誤差，為更好的設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)提供依據(jù)。

作者：趙鎮(zhèn)宏 蔣秀明 單位：天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院