[優(yōu)秀畢業(yè)論文]執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真

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1、學(xué)士學(xué)位論文末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真摘要IAbstractII第1章 緒論11.1 課題背景11.1.1 引言11.1.2 背景需求21.2 設(shè)計(jì)的主要研究內(nèi)容4第2章 航天器捕獲系統(tǒng)的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)52.1 總體結(jié)構(gòu)與主要工作構(gòu)件52.1.1 總體結(jié)構(gòu)52.1.2 機(jī)構(gòu)組件及功能82.2 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)主動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)概述8第3章 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的選擇93.1 工作原理93.2 電機(jī)及選擇103.2.1 步距角的選擇103.2.2 靜力矩的選擇103.2.3 電流的選擇113.2.4 步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)113.2.5 力矩與功率換算11第4章 測控系統(tǒng)134.1 測控系統(tǒng)組成134.2 總體設(shè)計(jì)及待解

2、決的問題134.3 電子測控系統(tǒng)134.4 計(jì)算系統(tǒng)144.5 電機(jī)控制系統(tǒng)14第5章 絲杠的選擇175.1 進(jìn)給滾珠絲杠副的軸向剛度175.2 套筒的剛度185.2.1 單套筒軸向剛度185.2.2 帶預(yù)壓載荷的雙套筒軸向剛度185.3 支承軸承的剛度195.4 套筒及軸承支承部件的剛度205.5 進(jìn)給滾珠絲杠副的扭轉(zhuǎn)剛度20第6章 大平臺(tái)位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)及其工作原理236.1 大平臺(tái)位資調(diào)整機(jī)構(gòu)236.2 被動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)概述236.3 對(duì)接機(jī)構(gòu)工作原理23結(jié)論25致謝26參考文獻(xiàn)27附錄28外文文獻(xiàn)及翻譯28千萬不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”

3、。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行- I -第1章 緒論1.1 課題背景1.1.1 引言隨著21世紀(jì)世界航天事業(yè)的迅速發(fā)展和對(duì)太空探索的不斷深入，未來將有大量的空間任務(wù)需要人類來完成，如衛(wèi)星捕獲回收、在軌裝配維修、科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷的照料等空間技術(shù)逐漸受到各國關(guān)注，各航天大國試圖通過發(fā)展上述技術(shù)擺脫有限的運(yùn)載能力對(duì)大型空間設(shè)施建設(shè)的制約、增強(qiáng)航天器的在軌自持能力和延長航大器的在軌壽命。在軌捕獲技術(shù)是在軌服務(wù)（On-Orbit Servicing）技術(shù)當(dāng)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。在軌捕獲（OOC，On-Orbit Capture）技術(shù)是指在有人或無人參與的情況下對(duì)空間目標(biāo)實(shí)施抓捕的技

4、術(shù)。早在20世紀(jì)70，80年代，隨著航天任務(wù)的不斷拓展，1984年美國首次以航天飛機(jī)為在軌平臺(tái)，在宇航員參與的情況下，利用空間機(jī)械臂RMS成功捕獲回收故障狀態(tài)的“太陽峰年”衛(wèi)星，這標(biāo)志著在軌捕獲技術(shù)首次應(yīng)用到在軌服務(wù)領(lǐng)域。此后美國多次以航天飛機(jī)為平臺(tái)、以空間機(jī)械臂為捕獲手段完成了一系列衛(wèi)星捕獲及釋放任務(wù)?？臻g機(jī)械臂作為捕獲裝置，具有適應(yīng)微重力、高溫差、高輻射太空環(huán)境的作業(yè)能力。航天飛機(jī)的機(jī)械臂還承擔(dān)了多次外太空精確操縱任務(wù)。例如，將航天飛機(jī)有效載荷施放進(jìn)入預(yù)定軌道，幫助航天員對(duì)發(fā)生故障的航天器進(jìn)行維修等。在國際空間站上，它可以幫助宇航員完成大型空間結(jié)構(gòu)的搬運(yùn)和組裝，協(xié)助完成航天飛機(jī)與空間站的對(duì)

5、接和分離，營救與釋放軌道衛(wèi)星以及在軌補(bǔ)充燃料或處理有害物體，完成日常維護(hù)、修理和檢查任務(wù)等。隨著航天任務(wù)的增多，各國航天機(jī)構(gòu)逐漸意識(shí)到在軌捕獲是在軌服務(wù)的一項(xiàng)重要技術(shù)基礎(chǔ)，即對(duì)于大多數(shù)在軌服務(wù)操作而言，首先要解決操作目標(biāo)的抓捕問題。當(dāng)前在軌捕獲技術(shù)仍然是航天高技術(shù)領(lǐng)域當(dāng)中的一項(xiàng)極具前瞻性和挑戰(zhàn)性的課題。國內(nèi)外好多航天科研單位和機(jī)構(gòu)對(duì)此技術(shù)表現(xiàn)出高度的關(guān)注，并且已經(jīng)開始對(duì)相關(guān)技術(shù)及應(yīng)用前景進(jìn)行探討論證，在軌捕獲技術(shù)已經(jīng)成為航天高技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。機(jī)器人手爪研究的關(guān)鍵在于：安全可靠性、自適應(yīng)性和更高的智能。安全可靠性研究確保整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)工作萬無一失，因此，要求其手爪結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)要簡單化。

6、對(duì)于艙外專用手爪，需要設(shè)計(jì)機(jī)械柔順結(jié)構(gòu)彌補(bǔ)自由飛行機(jī)器人控制系統(tǒng)精度誤差，吸收存在的微小位置和角度偏差，有利于自動(dòng)對(duì)接或捕獲目標(biāo)。對(duì)于服務(wù)機(jī)器人手爪，需要提高通用性，使得手爪具備適應(yīng)各種被抓物體形狀的能力。由于受到遙操作通訊大延時(shí)和限量影響，手爪智能化研究可以提高手爪決策的本地化，減少通訊量，減少地面干預(yù)，減少出錯(cuò)的可能性。機(jī)器人手爪的未來發(fā)展具有以下幾個(gè)趨勢：1）小型化，集成化技術(shù)的發(fā)展；目前手爪的體積和重量是制約手爪應(yīng)用的一個(gè)重要的指標(biāo)，如何縮小手爪的尺寸和重量是擺在世人面前的一個(gè)重要研究內(nèi)容。2）仿生技術(shù)的發(fā)展；制造出像人手一樣的機(jī)器人手爪是研究人員不懈的追求，因此無論是驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)系統(tǒng)，

7、還是制造類皮膚傳感器，人們都試圖從仿生的角度進(jìn)行模擬，比如對(duì)于皮膚傳感器的模擬，對(duì)于人工肌肉的模擬等 。3）主動(dòng)信息獲取技術(shù)的發(fā)展；機(jī)器人傳感器的研究正從被動(dòng)感知向著主動(dòng)感知的轉(zhuǎn)變，被動(dòng)感知的信息是局部的信息，而盲人對(duì)環(huán)境信息的感受是通過手臂，大腦記憶等協(xié)同完成的，從而使人們認(rèn)識(shí)到主動(dòng)式的感知過程是一種更好地獲取外部環(huán)境和內(nèi)部信息的方式。4）信息的融合技術(shù)的發(fā)展。為發(fā)展我國的載人航天工程并最終實(shí)現(xiàn)建立基本的空間有人平臺(tái)，進(jìn)行空間天地觀測、空間科學(xué)與技術(shù)試驗(yàn)，以及建立天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)和建造載人空間站的目標(biāo)，亟需對(duì)航天器捕獲系統(tǒng)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行深入研究。可靠的設(shè)計(jì)和充分的地面試驗(yàn)驗(yàn)證是航天器捕獲系

8、統(tǒng)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)安全性與可靠性的保證。在研究中，立足于國內(nèi)，適當(dāng)引進(jìn)國外研制航天器捕獲系統(tǒng)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)是一種較經(jīng)濟(jì)有效的模式。1.1.2 背景需求隨著航天技術(shù)的發(fā)展，空間對(duì)接技術(shù)得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，其中對(duì)連接在兩個(gè)航天器的機(jī)械對(duì)接機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的技術(shù)要求也越來越高，同時(shí)也增加了對(duì)接機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性。根據(jù)航天器對(duì)接的不同用途,有多種不同形式的對(duì)接機(jī)構(gòu)。而與對(duì)接機(jī)構(gòu)特點(diǎn)相匹配的對(duì)接方式有兩種：一種是直接捕獲與對(duì)接方式，稱為在軌對(duì)接，另一種是先?？亢笥蓹C(jī)械臂抓獲(捕獲)，然后依靠機(jī)械臂幫助實(shí)現(xiàn)對(duì)接。在近30多年的空間開發(fā)歷史中,人類最偉大的壯舉是阿波羅計(jì)劃的實(shí)施。1969年7月20日,阿波羅

9、11號(hào)的阿姆斯特朗成為第一位在月球表面留下腳印的地球人。 美國NASA從1981年4月哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)起飛開始,共試飛多次,完成了各種試驗(yàn)任務(wù)。在這些試驗(yàn)中雖然航天飛機(jī)機(jī)械手系統(tǒng)(SRSM)或載人操縱部件(MMU)都和空間機(jī)器人相差很遠(yuǎn),只不過是宇航員艙外活動(dòng)(EVA)的輔助手段而已。但是NASA所進(jìn)行的這些試驗(yàn)對(duì)將來空間機(jī)器人應(yīng)完成的任務(wù)、性能,尤其對(duì)空間機(jī)器人和人的分工及未來發(fā)展方向指明了方向。自1981年美國初次完成航天飛機(jī)試飛行以來,已經(jīng)完成了各種空間試驗(yàn)和作業(yè),不但成功地捕獲了故障衛(wèi)星,而且進(jìn)行維修后重新投放使用。同時(shí)通過試驗(yàn),為在軌道上建造永久性基地即空間站打下了基礎(chǔ)。但必須認(rèn)識(shí)

10、到宇宙空間所具有的強(qiáng)幅射線、超真空、高溫差、微重力等惡劣環(huán)境,這些環(huán)境對(duì)人類來說是無法生存的。因此,宇航員的作業(yè)具有一定的危險(xiǎn)性,在艙外作業(yè)效率無法保證。要想順利地開發(fā)空間資源,不采用空間機(jī)器人技術(shù)是很難實(shí)現(xiàn)的。末端執(zhí)行器是一種自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、多功能、多自由度的操作機(jī)，是能搬運(yùn)物料、工件或操作工具以及完成其他各種作業(yè)的高精密機(jī)電一體化設(shè)備。工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器裝在操作機(jī)手腕的前端，是直接實(shí)現(xiàn)操作功能的機(jī)構(gòu)。末端執(zhí)行器因用途不同而結(jié)構(gòu)各異，一般可分為三大類：機(jī)械夾持器、特種末端執(zhí)行器、萬能手(或靈巧手)。下面僅以機(jī)械夾持器為例作為介紹。機(jī)械夾持器它是工業(yè)機(jī)器人中最常用的一種末端執(zhí)行器。機(jī)械

11、夾持器具備的基本功能：首先它應(yīng)具有夾持和松開的功能。夾持器夾持工件時(shí)，應(yīng)有一定的力約束和形狀約束，以保證被夾工件在移動(dòng)、停留和裝入過程中不改變姿態(tài)。當(dāng)需要松開工件時(shí)，應(yīng)完全松開。另外，它還應(yīng)保證工件夾持姿態(tài)的幾何偏差在給定的公差帶內(nèi)。分類和結(jié)構(gòu)形式機(jī)械夾持器常用壓縮空氣作動(dòng)力源，經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)手指的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)手指夾持工件時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡的不同，機(jī)械夾持器分為：圓弧開合型。在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下，手指指端的運(yùn)動(dòng)軌跡為圓弧。采用凸輪機(jī)構(gòu)，連桿機(jī)構(gòu)作為傳動(dòng)件。夾持器工作時(shí)，兩手指繞支點(diǎn)作圓弧運(yùn)動(dòng)，同時(shí)對(duì)工件進(jìn)行夾緊和定心。這類夾持器對(duì)工件被夾持部位的尺寸有嚴(yán)格要求，否則可能會(huì)造成工件狀態(tài)失常；圓弧平行開合型。這

12、類夾持器兩手指工作時(shí)作平行開合運(yùn)動(dòng)，而指端運(yùn)動(dòng)軌跡為一圓弧。采用平行四邊形傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)手指的平行開合的兩種情況，其中機(jī)構(gòu)在夾持時(shí)指端前進(jìn)，機(jī)構(gòu)在夾持時(shí)指端后退；直線平行開合型。這類夾持器兩手指的運(yùn)動(dòng)軌跡為直線，且兩指夾持面始終保持平行。采用凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩手指的平行開合，在各指的滑動(dòng)塊上開有斜形凸輪槽，當(dāng)活塞桿上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過裝在其末端的滾子在凸輪槽中運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手指的平行夾持運(yùn)動(dòng)。采用齒輪齒條機(jī)構(gòu)，當(dāng)活塞桿末端的齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，手指上的齒條作直線運(yùn)動(dòng)，從而使兩手指平行開合，以夾持工件。隨著“神州七號(hào)”宇宙飛船的成功發(fā)射，我國下一步的航天計(jì)劃是實(shí)現(xiàn)太空對(duì)接和未來空間站的搭建等目標(biāo)，這些任務(wù)的實(shí)

13、現(xiàn)都將借助于在軌捕獲系統(tǒng)，而捕獲系統(tǒng)的作業(yè)能力和作業(yè)效率依賴于捕獲系統(tǒng)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)作業(yè)能力的大小，例如空間機(jī)械臂末端操作器。抓取可靠、環(huán)境適應(yīng)性好、控制簡單、自適應(yīng)性強(qiáng)、自主能力高是衡量捕獲系統(tǒng)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)水平的重要標(biāo)志。性能優(yōu)良的捕獲系統(tǒng)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)可靠、快速和精確地抓取。研究和開發(fā)一個(gè)性能優(yōu)良的捕獲系統(tǒng)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。1.2 設(shè)計(jì)的主要研究內(nèi)容本設(shè)計(jì)作為末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括：1、末端執(zhí)行器主動(dòng)對(duì)接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；2、末端執(zhí)行器被動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；3、末端執(zhí)行器抓取機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；4、末端執(zhí)行器固定機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；5、末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)將對(duì)末端執(zhí)行器的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行

14、全方面設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)配有部分三維圖，以便詳細(xì)了解末端執(zhí)行器本體各零件和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程。最后提供的有：pro/e三維圖，AutoCAD工程圖。第2章 航天器捕獲系統(tǒng)的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)2.1 總體結(jié)構(gòu)與主要工作構(gòu)件2.1.1 總體結(jié)構(gòu)對(duì)接機(jī)構(gòu)是面向小型在軌服務(wù)航天器設(shè)計(jì)的新型對(duì)接機(jī)構(gòu)，方案參考了日本用于載人航天器的ETS一對(duì)接機(jī)構(gòu)，對(duì)接整體機(jī)構(gòu)如圖2-1所示，由主動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)（其結(jié)構(gòu)如圖2-2所示）和被動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)（其結(jié)構(gòu)如圖2-3所示）兩個(gè)部分構(gòu)成，分別安裝于主動(dòng)捕獲飛行器和被動(dòng)飛行器上，通過星上導(dǎo)航系統(tǒng)和姿軌控系統(tǒng)的輔助作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)接過程中的速度緩沖，初始偏差補(bǔ)償，目標(biāo)捕獲，拉緊校正，安全鎖定，兩星分離的

15、功能，幫助完成飛行器在軌自主對(duì)接。其中主動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)由負(fù)責(zé)完成捕獲任務(wù)的閉鎖機(jī)構(gòu)，V型導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，彈簧阻尼緩沖支撐平臺(tái)機(jī)構(gòu)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，減速裝置及其他功能單元等組成，被動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)由矩形框等組成。一個(gè)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)通?？捎蓹C(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和測控系統(tǒng)等部分組成。其中執(zhí)行系統(tǒng)是末端操作器抓取或釋放被捕獲機(jī)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)末端操作器動(dòng)作的系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是為執(zhí)行系統(tǒng)的各個(gè)部件提供動(dòng)力的系統(tǒng)，有氣動(dòng)、液壓、電動(dòng)和機(jī)械等形式?？刂葡到y(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照預(yù)定的要求而運(yùn)動(dòng)。控制系統(tǒng)包括位置檢測裝置和程序控制兩部分，通常采用點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制兩種方式。驅(qū)動(dòng)部分示意圖如圖2-4所示。圖2-1 整體系統(tǒng)

16、示意圖圖2-2 主動(dòng)系統(tǒng)示意圖圖2-3 被動(dòng)系統(tǒng)示意圖圖2-4驅(qū)動(dòng)部分示意圖2.1.2 機(jī)構(gòu)組件及功能該末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要組件有三大部分：主動(dòng)捕獲系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、捕獲機(jī)構(gòu)末端。其組件具體部件及功能見表2-1。表 2-1 機(jī)構(gòu)組件及功能名 稱主要包含部件基本功能主動(dòng)捕獲機(jī)構(gòu)錐形平臺(tái)傳遞動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)閉鎖爪閉鎖爪完成捕獲任務(wù)立柱保證錐形平臺(tái)只能進(jìn)行上下的直線運(yùn)動(dòng)V型導(dǎo)向溝槽在錐形平臺(tái)上，限制閉鎖爪的運(yùn)動(dòng)位置驅(qū)動(dòng)組件驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)捕獲動(dòng)力源捕獲機(jī)構(gòu)末端扭轉(zhuǎn)彈簧調(diào)整捕獲機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度與機(jī)械臂接口完成捕獲機(jī)構(gòu)與機(jī)械臂的連接2.2 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)主動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)概述直接捕獲是通過“主動(dòng)捕獲系統(tǒng)”實(shí)現(xiàn)的?！爸鲃?dòng)捕獲

17、系統(tǒng)”實(shí)際上是采用一種新型三叉式對(duì)接機(jī)構(gòu)，可以伸出抓住被動(dòng)捕獲系統(tǒng)，對(duì)接部件包括主動(dòng)部件與被動(dòng)部件兩個(gè)部分，主動(dòng)部分與被服務(wù)航天器主結(jié)構(gòu)固連，被動(dòng)部分與在軌更換模塊連接。在軌模塊更換鎖緊釋放機(jī)構(gòu)主動(dòng)部分主要由閉鎖爪、導(dǎo)向輪、滾珠絲杠、錐形機(jī)構(gòu)、鉸接盤、直線導(dǎo)軌、驅(qū)動(dòng)裝置、制動(dòng)器、電路斷接器、液路斷接器、壓點(diǎn)開關(guān)等組成。為了保證閉鎖爪在鎖爪狀態(tài)下能夠可靠張開，在鎖爪與鉸接盤的鉸接位置設(shè)置有扭簧，以此提供鎖爪張開的扭矩。閉鎖爪呈120角設(shè)置在大的平臺(tái)的周邊上，與平臺(tái)鉸鏈，平臺(tái)的中部是錐形機(jī)構(gòu)，上面開有溝槽，閉鎖爪的末端鑲嵌在溝槽里，從而保證了溝槽和錐形機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)運(yùn)行，錐形機(jī)構(gòu)的中央帶有螺紋，其與下

18、面的絲杠組成運(yùn)動(dòng)副，絲杠下端連有減速器和步進(jìn)電機(jī)，憑借減速器，利用滾珠絲杠和直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向裝置使轉(zhuǎn)動(dòng)變換成平動(dòng)，帶動(dòng)錐形槽上下移動(dòng)，錐形機(jī)構(gòu)和閉鎖爪產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，促使閉鎖爪進(jìn)行閉合，從而完成與被接機(jī)構(gòu)的對(duì)接。第3章 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的選擇3.1 工作原理驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)裝置組成，驅(qū)動(dòng)裝置是驅(qū)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號(hào)，借助于動(dòng)力元件使機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作。它輸入的是電信號(hào)，輸出的是線、角位移量。常用的驅(qū)動(dòng)方式主要有電機(jī)傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)和氣壓傳動(dòng)。氣動(dòng)式速度快、成本低、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單而且有較高的重復(fù)定位精度；液壓式臂力大，定位精度高，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制，但是容易漏油，造成污染。電力驅(qū)動(dòng)裝置

19、主要有步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)等，電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)：(1)體積小，重量輕；(2)控制電路設(shè)計(jì)較容易；(3)控制性能好，快速響應(yīng)能力強(qiáng)；(4)力矩輸出較小，負(fù)載能力較弱；(5)無污染?？紤]到末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作環(huán)境等各種限制條件，本設(shè)計(jì)選用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置。步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能正常工作，驅(qū)動(dòng)器就是為步進(jìn)電機(jī)分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制器，雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)

20、電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到

21、調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn)，使其在速度、位置等控制領(lǐng)域控制變的非常的簡單，并廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。步進(jìn)電機(jī)具有自身的特色，主要有以下幾點(diǎn)：(1)可以使用數(shù)字信號(hào)直接進(jìn)行開環(huán)控制，整個(gè)系統(tǒng)具有非常好的性價(jià)比；(2)位移與輸入脈沖信號(hào)數(shù)相對(duì)應(yīng)，而且步距誤差不會(huì)累積，可以組成結(jié)構(gòu)較為簡單而又具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)，當(dāng)然也可以組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，以滿足更高精度的需求；(3)電機(jī)本體部件少，無刷化，可靠性高；(4)電機(jī)易于啟動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)及變速，響應(yīng)快；(5)停止時(shí)，能自鎖；(6) 速度可以在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，一臺(tái)控制器可以控制幾

22、臺(tái)步進(jìn)電機(jī)同步運(yùn)行。選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率。而在選用功率步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先要計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的矩頻特性能滿足機(jī)械負(fù)載并有一定的余量保證其運(yùn)行可靠。在實(shí)際工作過程中，各種頻率下的負(fù)載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)。一般地說最大靜力矩Mjmax大的電機(jī)，負(fù)載力矩大。 應(yīng)使步距角和機(jī)械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到機(jī)床所需的脈沖當(dāng)量。在機(jī)械傳動(dòng)過程中為了使得有更小的脈沖當(dāng)量，一是可以改變絲桿的導(dǎo)程，二是可以通過步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)來完成。但細(xì)分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由電機(jī)的固有特性所決定。3.2 電機(jī)及選擇綜上可知，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制性能好，可以

23、精確地控制電樞轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速，有良好的緩沖走位性能，適用于運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜、要求動(dòng)作精度高和程序復(fù)雜的末端執(zhí)行系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定下來了。3.2.1 步距角的選擇 電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機(jī)）、0.9度/1.8度（二、四相電機(jī)）、1.5度/3度（三相電機(jī)）等。3.2.2 靜力矩的選擇 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的

24、靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動(dòng)時(shí)（一般由低速）時(shí)二種負(fù)載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長度便能確定下來（幾何尺寸）3.2.3 電流的選擇 靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流（參考驅(qū)動(dòng)電源、及驅(qū)動(dòng)電壓） 綜上所述選擇電機(jī)一般應(yīng)遵循的步驟如圖3-1所示。圖3-1 電機(jī)選擇示意圖3.2.4 步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二

25、相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機(jī)的步距角為0.9/1.8、三相的為0.75/1.5、五相的為0.36/0.72 。在沒有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來滿足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，則相數(shù)將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。3.2.5 力矩與功率換算步進(jìn)電機(jī)一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下：P=M=2n/60P=2nM/60 其中P為功率單位為瓦，為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉(zhuǎn)速，M為力矩單位為牛頓米P=2fM/400(半步工作） 其中f為每秒

26、脈沖數(shù)（簡稱PPS)第4章 測控系統(tǒng)4.1 測控系統(tǒng)組成末端執(zhí)行器的測控系統(tǒng)即為對(duì)運(yùn)行中的航天器（運(yùn)載火箭、人造地球衛(wèi)星、宇宙飛船和其他空間飛行器）進(jìn)行跟蹤、測量和控制的大型電子系統(tǒng)。航天測控系統(tǒng)包括以下各種系統(tǒng)：跟蹤測量系統(tǒng)：跟蹤航天器，測定其彈道或軌道；遙測系統(tǒng)：測量和傳送航天器內(nèi)部的工程參數(shù)和用敏感器測得的空間物理參數(shù)；遙控系統(tǒng)：通過無線電對(duì)航天器的姿態(tài)、軌道和其他狀態(tài)進(jìn)行控制。前3個(gè)系統(tǒng)，由地面的和裝在航天器上的兩部分電子設(shè)備組成。計(jì)算系統(tǒng)：用于彈道、軌道和姿態(tài)的確定和實(shí)時(shí)控制中的計(jì)算；時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)：為整個(gè)測控系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻和時(shí)標(biāo)；顯示記錄系統(tǒng)：顯示航天器遙測、彈道、軌道和其他參數(shù)及

27、其變化情況，必要時(shí)予以打印記錄；通信、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)：作為各種電子設(shè)備和通信網(wǎng)絡(luò)的中間設(shè)備，溝通各個(gè)系統(tǒng)之間的信息，以實(shí)現(xiàn)指揮調(diào)度。4.2 總體設(shè)計(jì)及待解決的問題末端執(zhí)行器測控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)屬于電子系統(tǒng)工程問題。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來說，首先考慮的是航天任務(wù)的要求，可以針對(duì)某一個(gè)任務(wù)，也可以兼顧多個(gè)任務(wù)，從較長遠(yuǎn)的發(fā)展要求來設(shè)計(jì)。末端執(zhí)行器測控系統(tǒng)的中心問題是從地面和航天器整體出發(fā)，實(shí)現(xiàn)信息獲取，即將航天器的飛行和工作數(shù)據(jù)發(fā)回地面，并用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算、決策和實(shí)時(shí)反饋來控制航天器飛行的軌道和姿態(tài)。因此，在總體設(shè)計(jì)中必須解決的問題有：全系統(tǒng)所要具備的功能和實(shí)現(xiàn)這些功能的手段;測控站布局的合理性;控制的適時(shí)性和靈

28、活性；各種設(shè)備的性能、速度和精度；長期工作的可靠性；最低的投資和最短的建成時(shí)間。4.3 電子測控系統(tǒng)跟蹤測量、遙測和遙控系統(tǒng)是整個(gè)測控系統(tǒng)的基本部分。電子測控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以對(duì)航天器全天候跟蹤，而且有較好的靈活性和足夠的精度。從系統(tǒng)工程的角度來看，對(duì)航天器跟蹤測量所得的數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算，可給出彈道、軌道或位置的信息；而遙測所提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理、分析可給出航天器的狀態(tài)信息；它們都是系統(tǒng)中反饋回路的重要信息源。遙控則是控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 電子測量和控制系統(tǒng)的地面部分，必須與裝在航天器上的電子設(shè)備相配合才能完成測控任務(wù)。對(duì)于測量，航天器上必須有相應(yīng)的信標(biāo)機(jī)或應(yīng)答機(jī)，它們發(fā)回地面跟蹤和測速用的射頻

29、信號(hào)，應(yīng)答機(jī)還發(fā)回測距信息。對(duì)于遙測，航天器上必須有檢測各種參數(shù)的傳感器和發(fā)送這些參數(shù)的射頻發(fā)射機(jī)。對(duì)于遙控，航天器上必須有指令接收機(jī)。因此，航天器上的和地面的兩部分電子設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該結(jié)合起來統(tǒng)一考慮。 為了提高測量的精確性和擴(kuò)大信息的傳輸量，測控設(shè)備所用的無線電頻率大部分已經(jīng)提高到微波波段。為了減少航天器上電子設(shè)備的重量、體積，特別是要減少天線的數(shù)目，將各種測控功能適當(dāng)?shù)鼐C合在一個(gè)統(tǒng)一的射頻載波上是一個(gè)重要的發(fā)展。這種系統(tǒng)稱為微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)。中國研制的微波統(tǒng)一測控系統(tǒng),靈活多用,可進(jìn)行單站或多站測量。4.4 計(jì)算系統(tǒng)計(jì)算系統(tǒng)是整個(gè)測控系統(tǒng)的核心。各個(gè)測控站和各個(gè)設(shè)備都可用自己的計(jì)算機(jī)來處

30、理本站和本機(jī)的數(shù)據(jù)，但大數(shù)據(jù)量的計(jì)算以及根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析和做出控制決策等，一般都要集中到測控中心來做。因此，在測控中心應(yīng)裝有容量大、速度高的計(jì)算機(jī)，并能雙工工作以保證可靠性。在主機(jī)前端則可采用較小的計(jì)算機(jī)來進(jìn)行數(shù)據(jù)的編輯、選擇和預(yù)處理。主機(jī)的計(jì)算結(jié)果，一方面輸入顯示系統(tǒng)加以顯示，以便指揮控制人員能據(jù)此作出決策；另一方面也可以由計(jì)算機(jī)在人的監(jiān)視下進(jìn)行自動(dòng)分析、決策，直接選擇控制參數(shù)，通過遙控信道發(fā)出指令。這些計(jì)算、分析、人-機(jī)對(duì)話和決策,都須依靠計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。因此，編制適當(dāng)?shù)能浖?jīng)過演練確認(rèn)其正確性，定型后并在實(shí)際中使用，是測控系統(tǒng)在航天器發(fā)射和管理中的一項(xiàng)十分重要的工作。4.5

31、電機(jī)控制系統(tǒng)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法主要有模擬控制方式及數(shù)字控制方式，其中數(shù)字控制方式又可分為小規(guī)模數(shù)字電路控制電路、單片機(jī)控制電路以及專用邏輯電路等控制方式。模擬控制方式的控制精度較低，抗干擾能力差，且不易用計(jì)算機(jī)控制。因此現(xiàn)在步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要利用數(shù)字控制方式。但是小規(guī)模數(shù)字電路控制電路的體積較大，而專用邏輯電路的價(jià)格又偏高，而單片機(jī)芯片體積小、兼容性強(qiáng)、高速度、低價(jià)格、低工作電壓、低功耗等特點(diǎn)，使單片機(jī)成為驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制單元，所以基于單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)控制精度高、運(yùn)行穩(wěn)定，在控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖如圖4-1所示。圖4-1 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖步進(jìn)

32、電機(jī)控制系統(tǒng)中有兩個(gè)重要電路：脈沖分配電路和驅(qū)動(dòng)電路。脈沖分配電路有兩個(gè)輸入信號(hào)：步進(jìn)脈沖和轉(zhuǎn)相控制。脈沖分配電路在步進(jìn)脈沖和轉(zhuǎn)向控制信號(hào)的共同作用下產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，此激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路送至步進(jìn)電機(jī)，控制步進(jìn)電機(jī)向某一方向轉(zhuǎn)動(dòng)，此激勵(lì)信號(hào)的頻率決定了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。驅(qū)動(dòng)電路的主要作用是實(shí)現(xiàn)功率放大。一般脈沖分配器輸出的驅(qū)動(dòng)能力是有限的，它不可能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，而要經(jīng)過一級(jí)功率放大。檢測裝置的作用是實(shí)時(shí)檢測末端操作器的運(yùn)動(dòng)及工作情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定信息進(jìn)行比較后，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，以保證末端操作器的動(dòng)作符合預(yù)定的要求。作為檢測裝置的傳感器大致可以分為兩類：一類是內(nèi)部信息傳感器

33、，用于檢測末端操作器各部分的內(nèi)部狀況，如閉鎖機(jī)構(gòu)的位置、速度、加速度等，并將所測得的信息作為反饋信號(hào)送至控制器，形成閉環(huán)控制。另一類是外部信息傳感器，用于獲取有關(guān)末端操作器的作業(yè)對(duì)象及外界環(huán)境等方面的信息，以使末端操作器的動(dòng)作能適應(yīng)外界情況的變化，使之達(dá)到更高層次的自動(dòng)化，甚至使機(jī)器人具有某種“感覺”，向智能化發(fā)展，例如視覺、聲覺等外部傳感器給出工作對(duì)象、工作環(huán)境的有關(guān)信息，利用這些信息構(gòu)成一個(gè)大的反饋回路，從而將大大提高末端操作器的工作精度。末端執(zhí)行器機(jī)器視覺單元的機(jī)械部分由兩個(gè)CMOS攝像頭和1 個(gè)“一”字線型激光發(fā)生器組成。攝像頭(A)安裝于末端執(zhí)行器固定平臺(tái)正下方，其光軸與末端執(zhí)行器前

34、進(jìn)方向一致,主要負(fù)責(zé)被動(dòng)捕捉物體的探測及其姿態(tài)的判斷；攝像頭(B )安裝于固定平臺(tái)側(cè)面，其光軸與攝像頭(A)的光軸在空間中成30夾角,主要負(fù)責(zé)目標(biāo)與末端執(zhí)行器之間距離的判斷;激光管安裝于固定平臺(tái)的正上方，其軸線與攝像頭(A)的軸線平行，負(fù)責(zé)為機(jī)器視覺系統(tǒng)提供測量基準(zhǔn)。在工作過程中，首先由攝像頭(A)捕獲末端執(zhí)行器的前方圖像,判斷被動(dòng)捕捉物體在平面上的位置和姿態(tài)。當(dāng)末端執(zhí)行器的位姿被調(diào)整到與被動(dòng)捕捉物體正對(duì)時(shí)，激光發(fā)生器將激光線打在被動(dòng)捕捉物體上。攝像頭(B )捕獲被動(dòng)捕捉物體上的激光束，并根據(jù)幾何光學(xué)測距原理計(jì)算出被動(dòng)捕捉物體被激光束照射位置的距離，為系統(tǒng)提供末端執(zhí)行器前進(jìn)方向的導(dǎo)航信息，至此

35、機(jī)器視覺系統(tǒng)完成一次導(dǎo)航任務(wù)。在末端執(zhí)行器接近目標(biāo)的過程中，此任務(wù)可多次重復(fù)，以保證末端執(zhí)行器的工作精度。第5章 絲杠的選擇5.1 進(jìn)給滾珠絲杠副的軸向剛度cyYsz- 15 -5.2 i m 為了提高數(shù)控機(jī)床及精密機(jī)械的定位精度和傳動(dòng)精度，除了正確設(shè)計(jì)、選擇進(jìn)給系統(tǒng)的各個(gè)部件，精確計(jì)算其強(qiáng)度、穩(wěn)定性和驅(qū)動(dòng)力矩外，還要對(duì)精密滾珠絲杠副在承受載荷下的剛度進(jìn)行驗(yàn)算，以確保其安全、可靠、穩(wěn)定工作。 (5-1)|#_IA N 進(jìn)給滾珠絲杠副軸向剛度表示滾珠絲杠副及其支承部件抵抗其軸向彈性變形的能力。用彈簧常數(shù)K1表示，按式(5-1)計(jì)算K1=F/1式中：K1進(jìn)給滾珠絲杠副傳動(dòng)系統(tǒng)軸向剛度，N/m F施

36、加于進(jìn)給絲杠的軸向負(fù)載，N 1進(jìn)給滾珠絲杠副軸向彈性位移，m KS絲杠軸向剛度，N/m ) KN 套筒組件軸向剛度，N/m KB支承軸承軸向剛度，N/mKH 套筒支架及軸承支架軸向剛度，N/m 絲杠軸向剛度計(jì)算：k 雙推支承安裝絲杠的軸向剛度，采用雙推支承方式安裝絲杠時(shí)，絲杠的軸向剛度隨載荷作用點(diǎn)至雙推支承端的距離變化而改變。其最小剛度KS按式(5-2)計(jì)算 (5-2)D,3Kx 式中A絲杠的斷面積，mm2，A=d2/4 （d為螺紋小徑，mm）； VVMC E絲杠材料的彈性模量，對(duì)于鋼材 E=2.07105MPa；KlgUz La載荷作用點(diǎn)距雙推支承的最大距離。 iHQ4 5.3 套筒的剛度為

37、與多數(shù)生產(chǎn)廠家產(chǎn)品樣本名稱統(tǒng)一，本文仍沿用 套筒剛度這一名稱。套筒剛度實(shí)為套筒組件的剛度，包括滾珠和絲杠、 套筒螺紋滾道的軸向剛度。 8 dwW 9;g;E% 根據(jù)赫茲接觸理論，滾珠和螺紋滾道間的軸向彈性變形量N按式(5-3)計(jì)算 bIXD(5y （m） (5-3)%D49A-R 式中滾珠的接觸角，（） F軸向載荷，Nd0滾珠直徑，mmZ每圈有效載荷滾珠數(shù)Z=Dm/(d0cos)Dm 套筒公稱直徑，mm 螺旋升角，（） 5.3.1 單套筒軸向剛度進(jìn)給滾珠絲杠副為單 套筒時(shí)，如果軸向工作載荷等于30動(dòng)額定載荷Ca，其剛度KN=0.8K1（K1為產(chǎn)品樣本尺寸表中給出的剛度值）；如果軸向載荷不等于3

38、0動(dòng)額定載荷Ca時(shí)，其軸向剛度按式(5-4)計(jì)算 -Dwe,N2 (5-4)5.3.2 帶預(yù)壓載荷的雙套筒軸向剛度當(dāng)預(yù)壓載荷Fao=0.1Ca時(shí)，其剛度KN按下式計(jì)算 _6-DdB f;f&GI KN=0.8K1 1-RIN;U8 Q6n8,2* 當(dāng)Fao0.1Ca時(shí)，剛度KN按式(5-5)計(jì)算X7SSTcA (5-5)5.4 支承軸承的剛度KB 不加預(yù)壓載荷時(shí)，軸承軸向剛度按式(5-6)計(jì)算KB=F/B (5-6)式中F軸向載荷，N B軸承軸向彈性位移量，m施加預(yù)壓載荷時(shí)，軸承軸向剛度計(jì)算公式見式(5-7)bre6SP KB=3Fao/ao (5-7)式中Fao軸向預(yù)壓載荷，N ao在預(yù)壓載

39、荷作用下，軸向彈性位移，m 各種軸承的軸向彈性位移量B計(jì)算公式如下： J15$P8J ;Y16I#?;Kh 自動(dòng)調(diào)心滾珠軸承計(jì)算如式(5-8)dnTXx*I: (5-8)9a_(_gS 圓錐滾柱軸承計(jì)算如式(5-9) 3!B3C(g (5-9)?|Mmz 止推滾珠軸承計(jì)算如式(5-10) (5-10)8C 式中接觸角，（）;Q加于軸承一個(gè)滾動(dòng)體上的載荷，N; d0軸承滾動(dòng)體的直徑，mm;l軸承滾柱的有效接觸長度，mm; Z軸承滾動(dòng)體個(gè)數(shù)。5.5 套筒及軸承支承部件的剛度KH套筒支架的剛度，已在套筒剛度計(jì)算時(shí)乘以系數(shù)0.8計(jì)入。軸承安裝部件的剛度可通過采用高剛度支承部件解決。 Q84KU8?d;

40、+be 5.6 進(jìn)給滾珠絲杠副的扭轉(zhuǎn)剛度 影響進(jìn)給滾珠絲杠副扭轉(zhuǎn)變形的主要因素是絲杠。下面僅就絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行討論。絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度是指絲杠抵抗扭轉(zhuǎn)變形的能力，其計(jì)算公式見(5-11) qd) (5-11)I3 xF$ 式中KT絲杠扭轉(zhuǎn)剛度，N.mm/rad Y) t%62 扭轉(zhuǎn)角，rad 4pGU4 進(jìn)給滾珠絲杠副的傳動(dòng)剛度 gPi_+- 此角折算成滾珠絲杠副的軸向變形量如式(5-12)Uk2q,2 (5-12)7eQaB 式中t滾珠絲杠導(dǎo)程，mm XuE-Uh 7=Dyu 故滾珠絲杠副總的軸向變形如式(5-13)v1=X=H (5-13) (r4VIlap 由1/K=/F可得 ;H& （m

41、）eeZysCy+DY 式中K進(jìn)給滾珠絲杠副傳動(dòng)剛度，N/m rk|(BA 9VE;I:NO3 由于21，所以計(jì)算絲杠扭轉(zhuǎn)剛度KT時(shí)，x取以下數(shù)值 P$DAi （雙推-支撐） （雙推-雙推）V型導(dǎo)向結(jié)構(gòu)底端距離基座頂部h高設(shè)計(jì)為100mm。捕捉過程中兩星相對(duì)逼近速度為=105mm/s。取=10mm/s，考慮到目標(biāo)星上的DMH與DML的V型結(jié)構(gòu)接觸后，速度有所下降，初定 =10mm/s。設(shè)螺套豎直移動(dòng)速度為，則捕捉時(shí)間=；螺套移動(dòng)時(shí)間；=，即=，=求解=1.58mm/s。根據(jù)手冊，選取公稱直徑=50mm，基本導(dǎo)程=10mm=110mm,L=150mm。螺紋滾道法面截形為距形的滾珠絲杠。由于轉(zhuǎn)速低

42、，受力不大，選擇材料Q235或45號(hào)鋼。驅(qū)動(dòng)電機(jī)選取由于絲杠導(dǎo)程=10mm，螺套豎直移動(dòng)速度=1.58mm/s,取=1mm/s,則絲杠轉(zhuǎn)速n=0.1r/s由題目要求，選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，同時(shí)考慮到結(jié)構(gòu)的緊湊性以及重量要求，根據(jù)手冊，選擇90BYG5501型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。第6章 大平臺(tái)位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)及其工作原理6.1 大平臺(tái)位資調(diào)整機(jī)構(gòu)大平臺(tái)的位姿調(diào)整單元是大平臺(tái)與主動(dòng)捕捉裝置連接的過渡單元，由一對(duì)齒輪、兩個(gè)支架、電機(jī)和法蘭組成，分別通過法蘭和支架將大平臺(tái)和主動(dòng)捕捉裝置相連。其中一個(gè)齒輪通過支架上的軸與另一支架固連。當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)齒輪運(yùn)動(dòng)時(shí)，支架以及與之相連的大平臺(tái)其它部分將繞另一支架上的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)大平臺(tái)

43、與被動(dòng)捕捉物體面之間夾角的調(diào)節(jié)。6.2 被動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)概述被動(dòng)裝置由卡盤、彈簧阻尼器定位銷等組成，卡盤成V形分布在平臺(tái)的周邊上，呈120角。為了保證閉鎖爪在鎖爪狀態(tài)下能夠可靠張開，在鎖爪與鉸接盤的鉸接位置設(shè)置有扭簧，以此提供鎖爪張開的扭矩。閉鎖爪呈120角設(shè)置在大的平臺(tái)的周邊上，與平臺(tái)鉸鏈，平臺(tái)的中部是錐形機(jī)構(gòu)，上面開有溝槽，閉鎖爪的末端鑲嵌在溝槽里，從而保證了溝槽和錐形機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)運(yùn)行，錐形機(jī)構(gòu)的中央帶有螺紋，其與下面的絲杠組成運(yùn)動(dòng)副，絲杠下端連有減速器和步進(jìn)電機(jī)，憑借減速器，利用滾珠絲杠和直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向裝置使轉(zhuǎn)動(dòng)變換成平動(dòng)，帶動(dòng)錐形槽上下移動(dòng)，錐形機(jī)構(gòu)和閉鎖爪產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，促使閉鎖爪進(jìn)行閉合，從而完

44、成與被接機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。6.3 對(duì)接機(jī)構(gòu)工作原理從主動(dòng)捕捉物體和被動(dòng)捕捉物體在到達(dá)逼近區(qū)域(相對(duì)距離在10m 以內(nèi))主動(dòng)捕捉裝置開始逼近。通過大平臺(tái)位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)調(diào)整主動(dòng)捕捉物體與被動(dòng)捕捉物體之間的位置情況，同時(shí)兩物體進(jìn)一步逼近，在兩物體相距530mm時(shí)閉鎖爪開始閉合，此時(shí)處在固定平臺(tái)下方的電機(jī)開始工作，將運(yùn)動(dòng)傳遞給絲杠，從而帶動(dòng)錐形機(jī)構(gòu)向下移動(dòng)，在錐形平臺(tái)的移動(dòng)過程中，閉合爪由于錐形平臺(tái)的溝槽的限制，開始逐步閉合，被動(dòng)捕捉物體與主動(dòng)捕捉物體進(jìn)一步靠近，直到電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，閉鎖爪將被動(dòng)捕捉裝置牢牢鎖住。在軌模塊更換包括失效（或故障）模塊的取出和新模塊的插入兩個(gè)過程，二者互為逆過程。對(duì)于在軌模塊更換銷緊

45、釋放機(jī)構(gòu)，以在軌模塊更換插入銷緊過程為例：首先服務(wù)航天器上的機(jī)械手抓持更換模塊插入被服航天器上相應(yīng)的安裝方孔中，被更換模塊在機(jī)械手的作用下逐漸接近鎖緊機(jī)構(gòu)的主動(dòng)部分；當(dāng)鎖緊機(jī)構(gòu)主動(dòng)部分上的壓點(diǎn)開關(guān)被鎖緊機(jī)構(gòu)被動(dòng)部分上的彈簧阻尼器觸發(fā)后，鎖緊機(jī)構(gòu)主動(dòng)部分開始動(dòng)作，電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，錐形平臺(tái)做直線運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)鎖爪收攏卡入被動(dòng)部分卡盤上卡槽實(shí)現(xiàn)初步定位；絲杠繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，鎖爪將被更換模塊拉近，通過定位銷實(shí)現(xiàn)精確定位以便于電路、液路斷接器插合，直到鎖緊機(jī)構(gòu)被動(dòng)部分與主動(dòng)部分拉緊貼合后，電機(jī)停轉(zhuǎn)，制動(dòng)器制動(dòng)以保持必要的鎖緊力。千萬不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印?！敖Y(jié)論”以前的所有正文內(nèi)容都要編寫在此行

46、之前。結(jié)論本次設(shè)計(jì)歷史三個(gè)月，按照方案計(jì)劃，完成了以下任務(wù)：一、掌握末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理，確定末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)方案；二、末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算；三、熟悉三維建模軟件，完成末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的三維建模；四、繪制末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的二維工程圖；五、末端執(zhí)行器各機(jī)構(gòu)的PROE建模，并生成裝配體，實(shí)現(xiàn)仿真動(dòng)畫。致謝本次設(shè)計(jì)是在導(dǎo)師孫永國老師的親自指導(dǎo)下完成的，歷時(shí)三個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)也隨著這篇論文的完成終于劃上了一個(gè)句號(hào)。孫老師在工作的百忙之中給了我耐心的指導(dǎo)和關(guān)懷，使我在畢設(shè)期間的學(xué)習(xí)和論文工作得以順利開展,值此之際,我要向?qū)O老師表示衷心的感謝,感謝孫老師對(duì)我的辛勤培養(yǎng)、鼓勵(lì)和幫助。孫老

47、師廣博的知識(shí),兢兢業(yè)業(yè)的工作作風(fēng),嚴(yán)謹(jǐn)求學(xué)的治學(xué)態(tài)度和力求創(chuàng)新的開拓精神都使我受益匪淺嚴(yán)以律己、寬以待人的崇高風(fēng)范,樸實(shí)無華、平易近人的人格魅力更是給我留下了深刻印象。在此,我要給孫老師送去我誠摯的祝福,祝愿敬愛的溫老師身體健康、工作順利、桃李滿天下。還要感謝我的家人和朋友,他們?yōu)槲业某砷L傾注了心血和期望,是他們的愛和鼓勵(lì)支持我順利地完成學(xué)業(yè),并將繼續(xù)伴隨我在今后的求學(xué)和工作道路上,在此向他們表示深深的謝意。最后,感謝評(píng)審、評(píng)議委員會(huì)的各位專家、教授,感謝您們在百忙之中參加我們的答辯會(huì),并給予建議和指導(dǎo),謝謝你們！參考文獻(xiàn)1 原魁.工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢.人民工業(yè)出版社，2007:45562

48、 張楊林.國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人市場及發(fā)展趨勢.大眾科技，2006:23373 劉遠(yuǎn)江.中國工業(yè)機(jī)器人市場調(diào)查.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2005:10144 邱志惠.AutoCAD實(shí)例教程.機(jī)械工業(yè)出版社，2002:1051125 吳宇澤主編機(jī)械設(shè)計(jì)清華大學(xué)出版社，2001:19326 沈偉. 機(jī)械零件.天津科技出版社，2007，（2）:55737 王平. 機(jī)械原理.人民教育出版社，2005，（4）:21388 李立斌主編機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)基礎(chǔ).國防科技大學(xué)出版社，2002:981179 Saeed B.Niku .機(jī)器人學(xué)到導(dǎo)論.電子工業(yè)出版社，2004:92510 John J.Craig.機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論.機(jī)械

49、工業(yè)出版社，2006:11911 James R. Machine Design.Delmar Pubilshers，1991:6794 附錄外文文獻(xiàn)及翻譯作 者Arvidsson譯 名阿維德森國 籍瑞典原文出處FOREIGN PATENT DOCUMENTS (國外專利文獻(xiàn))The technology of end effector.The end effector is a type of mechantronics equipment which synthesizes the last research achievement of engine and precision engi

50、ne, micro-electronics and computer, automation control and drive, sensor and message dispose and artificial intelligence and so on. With the development of economic and the demand for automation control, robot technology is developed quickly and all types of the robots products are come into being.

51、The practicality use of robot products not only solves the problems which are difficult to operate for human being, but also advances the industrial automation program. At present, the research and development of robot involves several kinds of technology and the robot system configuration is so com

52、plex that the cost at large is high which to a certain extent limit the robot abroad use. To development economic practicality and high reliability robot system will be value to robot social application and economy development.With the rapid progress with the control economy and expanding of the mod

53、ern cities, the let of sewage is increasing quickly: With the development of modern technology and the enhancement of consciousness about environment reserve, more and more people realized the importance and urgent of sewage disposal. Active bacteria method is an effective technique for sewage dispo

54、sal，The lacunaris plastic is an effective basement for active bacteria adhesion for sewage disposal. The abundance requirement for lacunaris plastic makes it is a consequent for the plastic producing with automation and high productivity. Therefore, it is very necessary to design a manipulator that

55、can automatically fulfill the plastic holding.With the analysis of the problems in the design of the plastic holding manipulator and synthesizing the robot research and development condition in recent years, a economic scheme is concluded on the basis of the analysis of mechanical configuration, tra

56、nsform system, drive device and control system and guided by the idea of the characteristic and complex of mechanical configuration, electronic, software and hardware. In this article, the mechanical configuration combines the character of direction coordinate and the arthrosis coordinate which can

57、improve the stability and operation flexibility of the system. The main function of the transmission mechanism is to transmit power to implement department and complete the necessary movement. In this transmission structure, the screw transmission mechanism transmits the rotary motion into linear mo

58、tion. Worm gear can give vary transmission ratio. Both of the transmission mechanisms have a characteristic of compact structure. The design of drive system often is limited by the environment condition and the factor of cost and technical lever. The step motor can receive digital signal directly an

59、d has the ability to response outer environment immediately and has no accumulation error, which often is used in driving system. In this driving system, open-loop control system is composed of stepping motor, which can satisfy the demand not only for control precision but also for the target of economic and practicality. On this basis，the analysis of stepping motor in power calculating and style selecting is also given. The analysis of kinematics and dynamics for object holding manipulator is