武汉理工大学
硕士学位论文
非完整多关节机械手动力学特性的研究
姓名:何鹏
申请学位级别:硕士
专业:机械电子工程
指导教师:谭跃刚
20070501
按照这一思想,我们设计了摩擦圆盘运动分解合成机构M,如图2.3所示。
图2-3摩擦圆盘运动合成分解机构
图中的圆盘和架子都可绕轴I旋转,在轮架的支撑下各轮子可绕轴II旋转,同时轮子也绕自身的转动轴III转动。设整个系统除了轮子和圆盘接触点处仅有滚动摩擦外,其他各运动副的摩擦忽略不计。在图2.3所示的运动传递机构中,当某个轮子有自身转动(即绕轴III转动)时,在滚动摩擦的作用下,通过圆盘的转动就将带动另一个轮子的自身转动,且自身转动之间的转动比关系显然与架子和轮架的转动有关。另一方面,当圆盘有转动时,在滚动摩擦作用下,将带动各轮子的自身转动,圆盘与各轮子的转动比关系也受控于架子和轮架的转动。因此,这种摩擦圆盘运动分解合成机构既能以圆盘的转动为主动运动,也可以轮子的自身转动为主动运动,即可实现转动运动的可逆传递,并且在架子和轮架的转动控制下,这种可逆运动传递关系是可改变的。
§2-1-2现有机械手结构模型的改进设计
在两个伺服电机驱动的前提下,设计一个四关节的机械手臂。在给定每个关节转角的初始值和最终值时,通过控制两个电机的转速,并且经过一段时间的运动,机械手的每个关节都能从初始值运动到指定的最终值。这样就实现了欠驱动多关节机械手的控制。为了能达到这个设计目标,基于非完整约束的特性我们采用了摩擦圆盘运动分解机构(图2-3),并在这个基础上我们首先设计了如下方案。
方案一的主要传递关系示意图如图2.4所示:
图2.10柱齿轮和锥齿轮传动
B.传递误差的控制
在新的模型中,由于两个关节之间的传动经过了两次摩擦传动,因此速度的传动的精度受到了一定的影响,为了能够保证两个关节间的速度传递的精确,减少传递过程中的传递误差,在关节轴运动关系的传递上采用了同步带传动,确保关节轴的运动速度与前一关节的控制转速相同。如图2.11所示。
图2.1l前一关节通过带传动控制后一关节轴线的转角
C.圆盘和转盘之间有效摩擦力的解决
在设计中,摩擦轮与摩擦盘之间有效的接触以获得适当的摩擦力是一个关键(如图2.12所示)。否则,机构问的运动就无法有效、可靠和准确的传递。因此设计时采取了两方面的措施:
图2.12摩擦轮与摩擦盘
在以前的设计中,摩擦轮与摩擦盘之间采用了橡皮垫圈,通过改变摩擦轮与摩擦盘之间的摩擦系数来增加接触表面的摩擦力。但是在多次运动之后,中间的橡皮圈就会过渡疲劳而出现松弛的现象,很大程度上影响了传动精度。所以本文中采用的经过特制材料制成的氮化硅陶瓷摩擦轮,如图2.12所示。
为了保证摩擦轮与摩擦盘之间的紧密接触,还需要在接触面上施加一定的正压力,因此在摩擦盘上选用了碟形弹簧。但是摩擦轮与的接触摩擦盘之间的正压力如果太小就会使得摩擦力太小而不足以驱动下面的关节,正压力太大,则会使得摩擦轮与摩擦盘接触过紧甚至卡死,无法传动。为了使各个关节摩擦轮与摩擦盘之间的正压力都适当,必须对其进行调节。这个调节是通过调整碟形弹簧的片数以及其变形量来实现的。
D.同轴度问题
设计中的另一个关键是保证每个关节轴线的同轴度,即保证滚轮与盘的接触点必须都在关节轴线两端的连线上,如图2.13所示。如果同轴度不能保证,那么当关节转过一定的角度时,轮与盘接触点与盘中心线之间的距离就会发生变化,公式(3.3)中÷的值也会随之变化,不仅如此,还会使摩擦轮在摩擦盘上
代
产生很大的滑动。这样就影响了正常的传动,使得传动比值无法控制。
为了能够保证关节的同轴度,我们主要采取了:
A、提高滚轮轴的加工精度,保证各轴长度相等。对侧板上固定螺钉孔的设置定了很高的加工精度。螺钉采用锥头螺钉,加强其定位性能。
B、基座和各个关节上下扳进行配合加工,保证关节上下轴承中心在一条线