电机速度有一个恒定的增量△f :f = (f2 - f1) / n - - - - - (3)其中n = 加速过程台阶数。减速控制也类似,只是△f 为负值。在HJ 中,加减速定时周期是由8031 的T0 计数器和T0 中断来实现的。
图3.4 线性加速控制曲线
T 0 设置在8位重装定时器方式,时间常数设为150(因T0 为加计数器,实际写入时用- 150) ,另设一个软件计数单元,此软件计数器的初值设置为4 ,T0 每次中断使软件计数器减1 ,减到0 时正好大约是1ms (1/ 1024 秒) 。加速定时初始周期△t0 为:
△t0 = 150X4X12/ f SYS = 600X12/ 7372. 8KHz= 1/ 1. 024(ms) 其中f SYS = 7372. 8KHz ,是PT601 关节控制器的时钟。每一关节另设一个加速度系数a (取整数) ,作为关节控制参数,通过调试由人工确定并写入参数表。加速控制时软件计数单元的实际初值为4a ,T0 每次中断使软件计数器减1 ,减到0 时使电机频率加一个△f ,并恢复初值。加速控制总台阶数n 设置为64 , △f 设置为(fmax - f0) / n ,则经过t = (600 * 12 * a * 64/ f sys) 秒,电机完成加速控制流程。因为软件计数单元为一个字节,最大值= 256 ,故要求4a ≤256 即a ≤64 ,且a ≠0。加减速控制过程如图4 所示。 3.3.2位置控制
步进电机的位置控制是指要求电机从当前位置转过一个给定的步数。电机不丢步时这一控制的实质,就是要求精确地发出定量的步进脉冲。例如,机器人再现 工作时收到起动信号后,要走到示教时给出的初始作业位置,就要用到位置控制。
如果不带加/ 减速控制,位置控制是很容易实现的。将发给电机的脉冲,用一个计数通道计数,到数后通知CPU 停发脉冲就是了。但是这种不带加/ 减速的位置控制,除非速度特别低,否则会在起停时造成机械冲击和失步。图6示出了带加减速控制的速
度曲线,此曲线跟t轴间包含的面积正比于电机走过的步数S ∑。显然,电机走的总步数S ∑由三部份构成:加速阶段电机走的步数、匀速阶段电机走的步数和减速阶段电机走的步数。若加速度和减速度相等,则加速段和减速段走的步数相等,并记作Sa 。当给定初速f 1(在图3.5 中f 1 = 0) 和终速f 2 ,以及加/ 减速时间确定后,Sa 就是确定值。可能出现三种情况:
1) 给定的电机步数S ∑> 2Sa :这就是图6 的情况,电机将出现匀速阶段。
图3.5位置控制速度曲线
2) 给定的电机步数S ∑= 2Sa : 则刚好加速完毕立即进入减速。参见图3.6。
图3.6无匀速阶段的位置控制
3) 给定的电机步数S ∑< 2Sa : 则不等到电机加速完毕即转入减速。如图7 所示。所以带加/ 减速的位置控制,首先要算出加/ 减速阶段电机将走过的步数Sa 。
算出Sa 后,判断出三种情况:
(1) S ∑> 2 Sa (图6) :要找到电机走到b 点的步数S2 ,把S2 置入步计数器。电机经过加速、匀速,走完S2步时由步计数器通知CPU 开始减速。
(2) S ∑≤2 Sa (图7) :把1/ 2 S ∑置入计数器,在加减速控制过程中( T0 定时中断服务程序中) ,同时检测该计数器的状态,一旦发现计数到0 ,不等加速台阶走完立即结束加速进入减速,并将1/ 2 S ∑再次置入计数器。
3.3.3 轨迹再现控制
对于连续轨迹示教机器人,执行机构的轨迹再现控制是关键技术之一。首先要找出轨迹再现的数学模型,其次才能考虑如何实现。轨迹再现的数学模型及控制原理如图6 所示,其中S 以脉冲数计。设△t 为示教过程中任一采样周期,其空间位移增量为△S。再现这一小段空间轨迹,意味着要求电机在△t 时间里走过△S 步,也就是在此时间内要发给步进电机的指令脉冲频率为:
fm =Δs/Δt=fc/ki或ki =(fc/Δs)·Δt
根据HJ 采用的硬件, △t 本身也是基准频率用Kt 分频得到的,即 Δt
=ki/fc
由此可知, 此时间段内要写入电机控制通道的分频系数为:ki =kt/Δs
这就是HJ中轨迹再现的步进电机控制数学模型,式中△S 是第i + 1 点跟第i 点的位移差分。若△S <0 ,则电机反转。若△S = 0 ,则意味着该段时间内电机不转动,控制停发步进脉冲。可以看出,在所采用的硬件条件下,轨迹控制的数学模型非常简洁。即使在8 位机条件下也完全可实现实时运算、实时控制。运算所需时间不超过2ms。远比采样周期短!
图3.7示教采样时的轨迹曲线
4.轴承使用的关键问题及解决方案
4.1腰部、腕部、大臂旋转处滑动轴承的选择
4.1.1.各类轴承的特点是选择轴承的基础
轴承在工作中所受载荷的大小、方向和性质是选择轴承的主要依据。 A. 根据载荷的大小选择轴承
1）载荷冲击大的选用滚子轴承 2）较轻或中等载荷时，选用球轴承
B. 根据载荷方向
1）纯轴向载荷，较小载荷时，选推力球轴承 较大载荷时，选推力滚予轴承
2）纯径向载荷，较大载荷时选向心滚子轴承 一般载荷时，选向心球轴承
3）同时承受径向和轴向载荷，选角接触球轴承，以径向主时，选用圆锥滚于轴
承，且一般成对使用。
轴向载荷很大时，选组合轴承
C. 根据载荷性质
冲击振动载荷，宜选用滚子轴承 强烈径向冲击载荷，选螺旋滚子轴承
D. 根据轴的转速
①高速时应优先选用球轴承
直径系列：宜选超轻、特轻、轻系列 ②速度较低时，应选用滚子轴承 低速重载，宜选重、特重系列 ③推力轴承只适用于低速
高速时，采用向心推力轴承
④每种型号的轴承都规定了极限转速 它受温升限制
适当加大轴承径向间隙 采取冷却措施
E. 调心性能要求
跨度大，刚度小的轴的支承；同心度差的轴承
F. 安装拆卸要求
轴承座非剖分；或在长大轴上，采用1:12的圆锥孔内圈轴承
G. 经济性要求
球轴承比滚子轴承价格低 取决精度等级
H. 外型尺寸
4.1.2轴承游隙的选择
滚动轴承的径向游隙系指一个套圈固定不动，而另一个套圈在垂直于轴承轴线方向，由一个极端位置移动到另一个极端位置的移动量。轴承游隙的选择正确与否，对机械运转精度、轴承寿命、摩擦阻力、温升、振动与噪声等都有很大的影响。如对向心轴承游隙的选择过小时，则会使承受负荷的滚动体个数增多，接触应力减小，运转较平稳，但是，摩擦阻力会增大，温升也会提高。反之，则接触应力增大，振动大，
而摩擦阻力减小，温升低。因此，根据轴承使用条件，选择最合适的游隙值，具有十分重要的意义。选事实上轴承游隙时，必须充分考虑下列几种主要因素：
（1）轴承与轴和外壳孔配合的松紧会导致轴承游隙值的变化。一般轴承安装后会使游隙值缩小；
（2）轴承在机构运转过程中，由于轴与外壳的散热条件的不同，使内圈和外圈之间产生温度差，从而会导致游隙值的缩小；
（3）由于轴与外壳材料因膨胀系数不同，会导致游隙值的缩小或增大。 4.1.3滑动轴承的选择
滑动轴承材料包括轴颈材料和轴瓦材料，轴颈材料通常就是轴的材料，比较简单，绝大多数都是采用钢。用作滑动轴承轴瓦的材料品种繁多，有金属材料、粉末冶金材料和非金属材料。动、静压轴承，不完全油膜轴承一般都采用金属材料，干摩擦轴承常用非金属材料，水润滑轴承常用橡胶。用作轴瓦的金属材料有铸铁和锡基、铅基及铝基轴承合金。
1.1对滑动轴承轴瓦材料的要求 1）摩擦相容性
摩擦时轴瓦材料和轴颈材料不发生粘附的性能。影响摩擦副相容性的材料因素是： ? 匹配材料在冶金上构成合金的难易程度 ? 与润滑剂的亲和能力 ? 无润滑时的摩擦因数 ? 微观组织 ? 热导率
? 表面能和氧化膜的特性 2）顺应性
轴瓦材料靠表层的弹塑性变形来补偿滑动表面初始配合不良的性能。材料弹性模量低，则顺应性好。
3）嵌入性
轴瓦材料容许硬质颗粒嵌入而减轻刮伤或磨粒磨损的性能。对金属材料而言，硬度和弹性模量低者嵌入性就好。非金属材料却不一定好。
4）耐磨性
轴瓦材料抵抗磨损的能力。在规定的摩擦条件下，耐磨性可以用磨损率或磨损度的倒数来表示。
5）抗疲劳性
轴瓦材料在动载荷作用下抗疲劳破坏的性能。在使用温度下，材料的强度、冲击强度、硬度和组织的均匀性对抗疲劳性是十分重要的。磨合性、嵌入性好的材料，通常抗疲劳性低。
6）耐蚀性
轴瓦和轴颈材料抵抗介质腐蚀的性能。润滑油氧化产生的酸性物质、挤压添加剂等，都会腐蚀轴承材料，所以即使不在腐蚀环境中工作，也需要重视轴承材料的耐蚀性。
7）磨合性
在磨合过程中减少轴颈或轴瓦圆柱度误差、同轴度误差、表面粗糙度，使接触均匀，从而降低摩擦力、磨损率的能力。
8）耐气蚀性