基于S7-200plc機(jī)械手設(shè)計(jì)

基于S7-200plc機(jī)械手設(shè)計(jì),基于,S7,200,plc,機(jī)械手,設(shè)計(jì) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 44 頁(yè) 共 44 頁(yè) 1 緒論 1.1 選題背景 機(jī)器人是一種具有抓取和移動(dòng)自動(dòng)生產(chǎn)過(guò)程中使用的零件的功能的自動(dòng)裝置。它是機(jī)械化和自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中開(kāi)發(fā)的一種新型裝置。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)已成為高新技術(shù)領(lǐng)域迅速發(fā)展的新興技術(shù)。它進(jìn)一步推動(dòng)了機(jī)器人的發(fā)展，使機(jī)器人取得了較好的成績(jī)。有機(jī)結(jié)合機(jī)械化和自動(dòng)化。機(jī)器人的使用越來(lái)越廣泛。在機(jī)械工業(yè)中，它們可用于零件的裝??配，工件的裝卸和裝卸，尤其適用于自動(dòng)數(shù)控機(jī)床和組合機(jī)床。目前，機(jī)械手已經(jīng)發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC的重要組成部分。機(jī)床與機(jī)械手共同構(gòu)成了柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，適用于中小批量生產(chǎn)，可節(jié)省巨大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，適應(yīng)性強(qiáng)[1]。工件更換時(shí)，靈活的生產(chǎn)系統(tǒng)可以很容易地更換，這將有助于公司不斷更新適銷(xiāo)品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要。目前，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)水平與其在國(guó)內(nèi)外的工程應(yīng)用還存在一定距離。應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平較低。機(jī)械手的研發(fā)直接影響到中國(guó)自動(dòng)化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)兩方面來(lái)看。考慮它是非常必要的。因此，進(jìn)行機(jī)器人研究和設(shè)計(jì)是非常有意義的。 1.2 設(shè)計(jì)目的 本設(shè)計(jì)將機(jī)械設(shè)計(jì)制造與自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)本科學(xué)習(xí)四年的知識(shí)結(jié)合起來(lái)，完成數(shù)控機(jī)床裝卸機(jī)器人特定功能和特殊要求的設(shè)計(jì)。能更好地體現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)制造和自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實(shí)踐操作能力和專(zhuān)業(yè)精神和態(tài)度具有較強(qiáng)的針對(duì)性和明確的實(shí)施目標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。 該機(jī)械手主要與數(shù)控車(chē)床（數(shù)控銑床，加工中心等）配套組成生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)加工（上料，加工，生產(chǎn)）的自動(dòng)化和無(wú)人化過(guò)程。目前中國(guó)制造業(yè)迅速發(fā)展，越來(lái)越多的資金流向制造業(yè)，越來(lái)越多的制造商加入了制造業(yè)。這種設(shè)計(jì)可應(yīng)用于加工車(chē)間地板，以滿足數(shù)控機(jī)床和加工中心加工過(guò)程中工件的安裝和卸載要求，從而降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了加工輔助時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)率。 1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢(shì) 目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)機(jī)器人和機(jī)械手的研究已成為研究熱點(diǎn)。 其研究現(xiàn)狀和總體趨勢(shì)如下[2]： （1）機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化和可重構(gòu)性發(fā)展。例如，關(guān)節(jié)模塊中伺服電機(jī)，減速器和檢測(cè)系統(tǒng)的三位一體化;聯(lián)合機(jī)器人模塊和鏈接模塊被用于以整理的方式構(gòu)造整個(gè)機(jī)器人機(jī)器。 （2）工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)朝向基于PC的開(kāi)放式控制器發(fā)展，易于規(guī)范化和網(wǎng)絡(luò)化;設(shè)備集成度提高，控制柜小巧緊湊，采用模塊化結(jié)構(gòu);系統(tǒng)的可靠性大大提高。易于操作和維護(hù)。 （3）傳感器在機(jī)器人中的作用日益重要。除傳統(tǒng)位置，速度和加速度等傳感器外，視覺(jué)和力傳感器等傳感器也用于組裝和焊接機(jī)器人。遠(yuǎn)程機(jī)器人使用視覺(jué)，聲音和力量感知，觸摸等多傳感器融合技術(shù)進(jìn)行決策控制;多傳感器融合配置技術(shù)已成為智能機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。 （4）傳感器在機(jī)器人中的作用越來(lái)越重要。除傳統(tǒng)的位置，速度和加速度等傳感器外，傳感器（如視覺(jué)和力傳感器）還用于組裝和焊接機(jī)器人。遠(yuǎn)程機(jī)器人使用視覺(jué)，聲音和力量感知，觸摸等多傳感器融合技術(shù)進(jìn)行決策控制;多傳感器融合配置技術(shù)已成為智能機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。 （5）用于焊接，搬運(yùn)，裝配和切割的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化，通用化，模塊化和系列化;離線教學(xué)編程和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真。 一般來(lái)說(shuō)，通常有兩個(gè)方向：第一個(gè)是機(jī)器人，多傳感器，多控制器，先進(jìn)控制算法和復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng)的智能化;第二個(gè)與生產(chǎn)和加工有關(guān)，以滿足相對(duì)具體的要求。工業(yè)機(jī)器人的任務(wù)主要是采用高性價(jià)比的模塊，滿足工作要求，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)，簡(jiǎn)單，可靠，大量工業(yè)控制器，市場(chǎng)化，模塊化的組件。 1.4 設(shè)計(jì)原則 本畢業(yè)設(shè)計(jì)的原則是：以任務(wù)書(shū)所要求的具體設(shè)計(jì)要求為基本設(shè)計(jì)目標(biāo)，充分考慮機(jī)器人工作環(huán)境和工藝流程的具體要求。在滿足工藝要求的基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)潔，盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的通用部件，以降低成本，提高可靠性。根據(jù)科學(xué)經(jīng)濟(jì)和滿足生產(chǎn)要求的設(shè)計(jì)原則，我們也將這種設(shè)計(jì)的特點(diǎn)作為畢業(yè)設(shè)計(jì)。盡可能應(yīng)用大學(xué)所學(xué)的知識(shí)，如機(jī)械設(shè)計(jì)，機(jī)械原理，液壓，氣動(dòng)，電氣傳動(dòng)與控制，傳感器，可編程控制器（PLC）知識(shí)，電子技術(shù)，自動(dòng)控制和機(jī)械系統(tǒng)仿真等。通過(guò)這種設(shè)計(jì)來(lái)鞏固和加強(qiáng)大學(xué)階段的知識(shí)，并考慮到個(gè)人能力的水平。和時(shí)間的客觀現(xiàn)實(shí)，充分發(fā)揮個(gè)人流動(dòng)性，腳踏實(shí)地，實(shí)事求是的精神，做好這一設(shè)計(jì)。 2 設(shè)計(jì)方案的論證 2.1 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì) 2.1.1 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的類(lèi)型 工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) [3]中分別描述了各種結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特征。 （1）直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 如圖2-1（a）所示，笛卡爾機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)由三個(gè)相互垂直的線性運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。由于線性運(yùn)動(dòng)很容易實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)位置控制，因此笛卡爾機(jī)器人可能會(huì)達(dá)到非常高的位置。精度（μm）。然而，與機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸相比，這個(gè)笛卡爾機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間相對(duì)較小。因此，為了達(dá)到一定的運(yùn)動(dòng)空間，笛卡爾坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他類(lèi)型的機(jī)器人。 笛卡爾坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間是空間長(zhǎng)方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人主要用于裝配作業(yè)和運(yùn)輸作業(yè)。直角坐標(biāo)機(jī)器人有三種類(lèi)型的結(jié)構(gòu)：懸臂，龍門(mén)和起重機(jī)。 （2）圓柱坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)通過(guò)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)線性運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，如圖2-1（b）所示。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，精度準(zhǔn)確。它經(jīng)常用于處理操作。它的工作空間是一個(gè)圓柱形空間。 （3）球坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 球坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)線性運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，如圖2-1（c）所示。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但其精度不是很高。主要用于處理作業(yè)。它的工作空間是一個(gè)球形空間。 （4）鉸接式機(jī)器人結(jié)構(gòu) 多關(guān)節(jié)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)通過(guò)三個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，如圖2-1（d）所示。多關(guān)節(jié)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對(duì)于機(jī)器人的體型而言，其工作空間相對(duì)較大。這種機(jī)器人廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，如焊接，噴漆，搬運(yùn)，裝配等操作，被廣泛應(yīng)用于這類(lèi)機(jī)器人中。 關(guān)節(jié)式機(jī)器人有兩種類(lèi)型：水平關(guān)節(jié)和垂直關(guān)節(jié)。 (a) 直角坐標(biāo)型 (b) 圓柱坐標(biāo)型 (c) 球坐標(biāo)型 (d) 關(guān)節(jié)型 圖2-1 四種機(jī)器人坐標(biāo)形式 2.1.2 設(shè)計(jì)具體采用方案 圖2-2 機(jī)械手工作布局圖 具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求搬運(yùn)的加工工件的質(zhì)量達(dá)30KG，且長(zhǎng)度達(dá)500MM，同時(shí)考慮到數(shù)控機(jī)床布局的具體形式及對(duì)機(jī)械手的具體要求，考慮在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，以減小成本、提高可靠度。該機(jī)械手在工作中需要3種運(yùn)動(dòng),其中手臂的伸縮和立柱升降為兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng),另一個(gè)為手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),綜合考慮，機(jī)械手自由度數(shù)目取為3，坐標(biāo)形式選擇圓柱坐標(biāo)形式，即一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度兩個(gè)移動(dòng)自由度，其特點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,手臂運(yùn)動(dòng)范圍大,且有較高的定位準(zhǔn)確度。機(jī)械手工作布局圖如圖2-2所示。 2.2 機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 進(jìn)行了機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)后，就要針對(duì)機(jī)械手的腰部、手臂、手腕、末端執(zhí)行器 等各個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。 2.2.1 機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 工業(yè)機(jī)器人腰座，就是圓柱坐標(biāo)機(jī)器人，球坐標(biāo)機(jī)器人及關(guān)節(jié)型機(jī)器人的回轉(zhuǎn)基座。它是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)部分全部安裝在腰座上，它承受了機(jī)器人的全部重量[4]。在設(shè)計(jì)機(jī)器人腰座結(jié)構(gòu)時(shí)，要注意以下設(shè)計(jì)原則： (1) 腰座要有足夠大的安裝基面，以保證機(jī)器人在工作時(shí)整體安裝的穩(wěn)定性。 (2) 腰座要承受機(jī)器人全部的重量和載荷，因此，機(jī)器人的基座和腰部軸及軸承的結(jié)構(gòu)要有足夠大的強(qiáng)度和剛度，以保證其承載能力。 (3) 機(jī)器人的腰座是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它對(duì)機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)精度影響最大，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意腰部軸系及傳動(dòng)鏈的精度與剛度的保證。 (4) 腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)要有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝置，它包括驅(qū)動(dòng)器（電動(dòng)、液壓及氣動(dòng)）及減速器。驅(qū)動(dòng)裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動(dòng)器。 (5) 腰部結(jié)構(gòu)要便于安裝、調(diào)整。腰部與機(jī)器人手臂的聯(lián)結(jié)要有可靠的定位基準(zhǔn)面，以保證各關(guān)節(jié)的相互位置精度。要設(shè)有調(diào)整機(jī)構(gòu)，用來(lái)調(diào)整腰部軸承間隙及減速器的傳動(dòng)間隙。 (6) 為了減輕機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部分的慣量，提高機(jī)器人的控制精度，一般腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部分的殼體是由比重較小的鋁合金材料制成，而不運(yùn)動(dòng)的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成。 2.2.2 設(shè)計(jì)具體采用方案 腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)形式要么是電機(jī)通過(guò)減速機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，要么是通過(guò)擺動(dòng)液壓缸或液壓馬達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)，目前的趨勢(shì)是用前者。因?yàn)殡妱?dòng)方式控制的精度能夠很高，而且結(jié)構(gòu)緊湊，不用設(shè)計(jì)另外的液壓系統(tǒng)及其輔助元件?？紤]到腰座是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對(duì)機(jī)械手的最終精度影響大，故采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[5]。一般電機(jī)都不能直接驅(qū)動(dòng)，考慮到轉(zhuǎn)速以及扭矩的具體要求，采用大傳動(dòng)比的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行減速和扭矩的放大。因?yàn)辇X輪傳動(dòng)存在著齒側(cè)間隙，影響傳動(dòng)精度，故采用一級(jí)齒輪傳動(dòng)，采用大的傳動(dòng)比（大于100），同時(shí)為了減小機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)，齒輪采用高強(qiáng)度、高硬度的材料，高精度加工制造，盡量減小因齒輪傳動(dòng)造成的誤差。腰座具體結(jié)構(gòu)如圖2-3所示： 圖2-3 腰座結(jié)構(gòu)圖 2.3 機(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.3.1 機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)要求 機(jī)器人手臂的作用，是在一定的載荷和一定的速度下，實(shí)現(xiàn)在機(jī)器人所要求的工作空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)[6]。在進(jìn)行機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)時(shí)，要遵循下述原則； （1）機(jī)器人手臂的關(guān)節(jié)軸應(yīng)盡可能平行;盡可能相互垂直的軸應(yīng)該相交。這可以簡(jiǎn)化機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的正向和反向操作，并促進(jìn)機(jī)器人的控制。 （2）機(jī)器人手臂的尺寸應(yīng)符合機(jī)器人工作空間的要求。工作空間的形狀和大小與機(jī)器人手臂的長(zhǎng)度和手臂關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)范圍密切相關(guān)。然而，機(jī)器人手臂末端的空間沒(méi)有考慮到機(jī)器人手腕的空間姿勢(shì)要求。如果特別要求機(jī)器人手腕姿勢(shì)，則手臂末端可達(dá)到的空間小于不考慮手腕姿態(tài)的上述工作空間。 （3）為了提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和控制精度，有必要盡可能地減少結(jié)構(gòu)和材料上的手臂重量，同時(shí)確保機(jī)器人手臂具有足夠的強(qiáng)度和剛度。力爭(zhēng)選擇高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，通常采用高強(qiáng)度鋁合金制造機(jī)器人手臂。目前，在國(guó)外，碳纖維復(fù)合材料機(jī)器人手臂的研發(fā)也在進(jìn)行中。碳纖維復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度高，抗振性好，比重小（其比重相當(dāng)于鋼的1/4，相當(dāng)于鋁合金的2/3），但價(jià)格昂貴，穩(wěn)定性和復(fù)雜性高在表現(xiàn)。在形狀工件的加工過(guò)程中仍然存在問(wèn)題，尚未在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。目前最有效的方法是使用有限元方法來(lái)優(yōu)化機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)。減少機(jī)器人手臂的重量，同時(shí)確保所需的強(qiáng)度和剛度。 （4）機(jī)器人各關(guān)節(jié)的軸承間隙應(yīng)盡可能小，以減少機(jī)械間隙引起的運(yùn)動(dòng)誤差。因此，每個(gè)接頭應(yīng)具有可靠和易于調(diào)節(jié)的軸承間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。 （5）機(jī)器人手臂應(yīng)該盡可能平衡其關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸線，這對(duì)于減少電機(jī)負(fù)載和提高機(jī)器人手臂的響應(yīng)速度是非常有利的[7]。在設(shè)計(jì)機(jī)器人手臂時(shí)，應(yīng)盡量使用安裝在機(jī)器人上的機(jī)電組件和設(shè)備的重量，以減少機(jī)器人手臂的不平衡重量。如有必要，應(yīng)設(shè)計(jì)平衡機(jī)構(gòu)來(lái)平衡手臂的不平衡重量。 （6）機(jī)器人手臂必須考慮各關(guān)節(jié)的限位開(kāi)關(guān)和具有一定緩沖能力的機(jī)械限位塊，以及驅(qū)動(dòng)裝置，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等部件的安裝。 2.3.2 設(shè)計(jì)具體采用方案 機(jī)械手臂（臂架）和懸臂（臂架）的垂直運(yùn)動(dòng)是線性運(yùn)動(dòng)。直線運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)一般通過(guò)氣動(dòng)傳動(dòng)，液力傳動(dòng)和電動(dòng)滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)?？紤]到運(yùn)輸工件的重量，考慮到機(jī)械手的動(dòng)態(tài)性能，運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和安全性以及更高的要求，考慮到加工工件的質(zhì)量為30KG，這是一個(gè)中等重量的重量對(duì)手臂的剛度。綜合考慮，兩臂是由液壓驅(qū)動(dòng)。通過(guò)液壓缸的直接驅(qū)動(dòng)，液壓缸不僅是一個(gè)驅(qū)動(dòng)元件，而且是一個(gè)運(yùn)動(dòng)部件，無(wú)需設(shè)計(jì)額外的執(zhí)行器。而且，液壓缸通過(guò)簡(jiǎn)單的控制實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng) ，輕松實(shí)現(xiàn)智能控制。 由于液壓系統(tǒng)可以提供很大的驅(qū)動(dòng)力，所以結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力和強(qiáng)度相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵是機(jī)器人的穩(wěn)定性和剛度。因此，懸臂缸的設(shè)計(jì)原理是，缸的直徑應(yīng)該較大（如果整體結(jié)構(gòu)允許），然后比較缸的強(qiáng)度。 同時(shí)，由于控制和具體工作的要求，機(jī)械臂的臂結(jié)構(gòu)不能太大。如果只能通過(guò)增加液壓缸的內(nèi)徑來(lái)增加操縱臂的剛度，則不能滿足系統(tǒng)剛度要求。因此，在設(shè)計(jì)中增加了一個(gè)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，在小臂上增加兩根導(dǎo)桿，與活塞桿一起形成等邊三角形橫截面，以增加其剛性。四個(gè)導(dǎo)桿被添加到大臂形成一個(gè)規(guī)則的四邊形布局。為了減少質(zhì)量，每個(gè)導(dǎo)桿采用中空結(jié)構(gòu)。通過(guò)增加導(dǎo)桿，可以顯著提高機(jī)械手的剛度和穩(wěn)定性，并且可以更好地解決結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性問(wèn)題。 2.4 機(jī)械手腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)器人的手臂運(yùn)動(dòng)（包括腰座的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)），給出了機(jī)器人末端執(zhí)行器在其工作空間中的運(yùn)動(dòng)位置，而安裝在機(jī)器人手臂末端的手腕，則給出了機(jī)器人末端執(zhí)行器在其工作空間中的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)[8]。機(jī)器人手腕是機(jī)器人操作機(jī)的最末端，它與機(jī)器人手臂配合運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)安裝在手腕上的末端執(zhí)行器的空間運(yùn)動(dòng)軌跡與運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，完成所需要的作業(yè)動(dòng)作。 2.4.1 機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 （1）機(jī)器人手腕的自由度數(shù)應(yīng)根據(jù)工作需要設(shè)計(jì)。機(jī)器人手腕的自由度越多，每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度越大，機(jī)器人手腕的靈活性越高，機(jī)器人對(duì)工作的適應(yīng)性越強(qiáng)。然而，自由度的增加將不可避免地使手腕的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，機(jī)器人的控制更加困難，并且成本將會(huì)增加。因此，手腕的自由度應(yīng)根據(jù)實(shí)際操作要求來(lái)確定。在滿足操作要求的前提下，自由度應(yīng)盡可能小。典型的機(jī)器人手腕的自由度為2?3，一部分需要更多的自由度，另一部分機(jī)器人手腕不需要自由度，操作所需的任務(wù)只能通過(guò)動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)的手臂和腰部。因此，為了分析具體問(wèn)題，考慮機(jī)器人的各種布局，鍛煉計(jì)劃，并選擇符合要求的最簡(jiǎn)單的解決方案[9]。 （2）機(jī)器人手腕安裝在機(jī)器人手臂的末端。在設(shè)計(jì)機(jī)器人的手腕時(shí)，應(yīng)減小機(jī)器人手腕的重量和體積，以使結(jié)構(gòu)緊湊。為了減輕機(jī)器人手腕的重量，腕機(jī)構(gòu)的駕駛員采用單獨(dú)的變速器。手腕驅(qū)動(dòng)器通常安裝在手臂上而不是直接驅(qū)動(dòng)，并由高強(qiáng)度鋁合金制成。 （3）機(jī)器人的手腕應(yīng)與末端執(zhí)行器相關(guān)聯(lián)。因此，需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的連接法蘭，并且末端執(zhí)行器在結(jié)構(gòu)上易于處理。 （4）機(jī)器人的手腕機(jī)構(gòu)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度以保證力量和運(yùn)動(dòng)的傳遞。 （5）應(yīng)提供可靠的傳動(dòng)間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以減少間隙并提高傳動(dòng)精度。 （6）關(guān)節(jié)的腕軸旋轉(zhuǎn)被限定為限位開(kāi)關(guān)，為了防止因超限引起的機(jī)械損傷而設(shè)定硬限位。 2.4.2 設(shè)計(jì)具體采用方案 通過(guò)對(duì)數(shù)控機(jī)床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機(jī)床加工的具體形式及對(duì)機(jī)械手上下料作業(yè)時(shí)的具體要求，在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下提高安全和可靠性，為使機(jī)械手的結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，降低控制的難度，本設(shè)計(jì)手腕不增加自由度，實(shí)踐證明這是完全能滿足作業(yè)要求的，3個(gè)自由度來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的上下料完全足夠。具體的手腕（手臂手爪聯(lián)結(jié)梁）結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2-4。 圖2-4 手爪聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu) 2.5 機(jī)械手末端執(zhí)行器（手爪）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.5.1 機(jī)械手末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)要求 機(jī)器人末端執(zhí)行器是安裝在機(jī)器人手腕上以執(zhí)行某些操作或工作的附加設(shè)備。機(jī)器人末端執(zhí)行器的種類(lèi)很多，以適應(yīng)機(jī)器人不同的操作和操作要求[10]。末端執(zhí)行器可以分為運(yùn)輸，加工和測(cè)量。 輸送用末端執(zhí)行器是指用于夾持或吸附被搬運(yùn)物的各種夾持裝置。 用于加工的末端執(zhí)行器是具有諸如噴槍?zhuān)妇妫拜?，銑刀等的加工工具的機(jī)器人附件，并且用于相應(yīng)的加工操作。 用于測(cè)量的末端執(zhí)行器是配備有用于測(cè)量和檢查操作的測(cè)量頭或傳感器的附加裝置。 設(shè)計(jì)機(jī)器人末端執(zhí)行器時(shí)，應(yīng)注意以下問(wèn)題; （1）機(jī)器人末端執(zhí)行器是根據(jù)機(jī)器人的操作要求而設(shè)計(jì)的。隨著新的末端執(zhí)行器的出現(xiàn)，可以添加新的機(jī)器人應(yīng)用程序。因此，根據(jù)操作需要和人們的想象力創(chuàng)造的新機(jī)器人末端執(zhí)行器將繼續(xù)擴(kuò)展機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。 （2）機(jī)器人末端執(zhí)行器的重量，被抓住物體的重量以及操作力的總和。機(jī)器人允許的載荷力。因此，要求機(jī)器人末端執(zhí)行器體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊。 （3）機(jī)器人末端執(zhí)行器的全能性和特異性是矛盾的。通用末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，甚至難以實(shí)施。例如，人形萬(wàn)能機(jī)器人的靈巧手尚未投入實(shí)際使用。目前，用于生產(chǎn)的仍然是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性低的機(jī)器人末端執(zhí)行器。從工業(yè)的實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，我們應(yīng)該專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)各種專(zhuān)用，高效率的機(jī)器人末端執(zhí)行器，再加上一個(gè)用于末端執(zhí)行器的快速切換裝置，以實(shí)現(xiàn)各種機(jī)器人工作功能，而不是聲稱具有通用性末端執(zhí)行器。完成各種操作。由于這種通用型執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴。 （4）普遍性和多功能性是兩個(gè)概念。普遍性是指多能量，多功能性是指有限的末端效應(yīng)器，可以應(yīng)用于不同的機(jī)器人。這就需要末端執(zhí)行器具有標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械接口（如法蘭）來(lái)標(biāo)準(zhǔn)化和制造末端執(zhí)行器。 （5）機(jī)器人末端執(zhí)行器應(yīng)易于安裝和維護(hù)，并且易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。電子控制器最方便的是電動(dòng)執(zhí)行器。因此，工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行器的主流是電氣，其次是液壓和氣動(dòng)（在驅(qū)動(dòng)接口中需要增加電動(dòng)液壓或電氣轉(zhuǎn)換）[11]。 2.5.2 機(jī)器人夾持器的運(yùn)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)方式 機(jī)器人夾持器及機(jī)器人手爪。一般工業(yè)機(jī)器人手爪，多為雙指手爪。按手指的運(yùn)動(dòng)方式，可分為回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型，按夾持方式來(lái)分，有外夾式和內(nèi)撐式兩種[12]。機(jī)器人夾持器（手爪）的驅(qū)動(dòng)方式主要有三種： (1) 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式 這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是用電磁閥來(lái)控制手爪的運(yùn)動(dòng)方向，用氣流調(diào)節(jié)閥來(lái)調(diào)節(jié)其運(yùn)動(dòng)速度。由于氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)價(jià)格較低，所以氣動(dòng)夾持器在工業(yè)中應(yīng)用較為普遍。另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動(dòng)手爪的抓取運(yùn)動(dòng)具有一定的柔順性，這一點(diǎn)是抓取動(dòng)作十分需要的。 (2) 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)手爪應(yīng)用也較為廣泛。這種手爪，一般采用直流伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，并需要減速器以獲得足夠大的驅(qū)動(dòng)力和力矩。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式可實(shí)現(xiàn)手爪的力與位置控制。但是，這種驅(qū)動(dòng)方式不能用于有防爆要求的條件下，因?yàn)殡姍C(jī)有可能產(chǎn)生火花和發(fā)熱。 (3) 液壓驅(qū)動(dòng)方式 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)剛度大，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)位置控制。 2.5.3 機(jī)器人夾持器的典型結(jié)構(gòu) (1) 楔塊杠桿式手爪 利用楔塊與杠桿來(lái)實(shí)現(xiàn)手爪的松、開(kāi)，來(lái)實(shí)現(xiàn)抓取工件。 (2) 滑槽式手爪 當(dāng)活塞向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑槽通過(guò)銷(xiāo)子推動(dòng)手爪合并，產(chǎn)生夾緊動(dòng)作和夾緊力，當(dāng)活塞向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，手爪松開(kāi)。這種手爪開(kāi)合行程較大，適應(yīng)抓取大小不同的物體。 (3) 連桿杠桿式手爪 這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運(yùn)動(dòng)，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián)合使用。 (4) 齒輪齒條式手爪 這種手爪通過(guò)活塞推動(dòng)齒條，齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開(kāi)動(dòng)作 (5) 平行杠桿式手爪 采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，因此不需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運(yùn)動(dòng)，比帶有導(dǎo)軌的平行移動(dòng)手爪的摩擦力要小很多[13]。 2.5.4 設(shè)計(jì)具體采用方案 結(jié)合具體的工作情況，本設(shè)計(jì)采用連桿杠桿式的手爪。驅(qū)動(dòng)活塞往復(fù)移動(dòng)，通過(guò)活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條使手指張開(kāi)或閉合。手指的最小開(kāi)度由加工工件的直徑來(lái)調(diào)定。本設(shè)計(jì)按照工件的直徑為50mm來(lái)設(shè)計(jì)。手爪的具體結(jié)構(gòu)形式如圖2-5所示： 圖2-5 手爪的結(jié)構(gòu)形式 2.6 機(jī)械手的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 2.6.1 工業(yè)機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題 機(jī)器人是由多個(gè)葉柵和關(guān)節(jié)組成的多自由度空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)[14]。除了直驅(qū)機(jī)器人之外，機(jī)器人的連桿和關(guān)節(jié)都由驅(qū)動(dòng)器通過(guò)各種機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。機(jī)器人使用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)類(lèi)似于通用機(jī)械的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。常用的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有螺旋傳動(dòng)，齒輪傳動(dòng)，正時(shí)皮帶傳動(dòng)和高速皮帶傳動(dòng)。由于傳動(dòng)部件直接影響機(jī)器人的精度，穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力，所以應(yīng)設(shè)計(jì)和選型以滿足傳動(dòng)間隙小，精度高，摩擦力小，體積小，重量輕，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，響應(yīng)速度快，傳動(dòng)力矩大等特點(diǎn)，高諧振頻率以及與伺服電機(jī)等其他部件的動(dòng)態(tài)性能相匹配的傳動(dòng)部件。 在設(shè)計(jì)機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，請(qǐng)注意以下問(wèn)題： （1）為了提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和控制精度，要求機(jī)器人每個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的重量輕，慣性小。因此，機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，體積小。 （2）傳動(dòng)鏈和運(yùn)動(dòng)副應(yīng)采用間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以減少反向回風(fēng)造成的運(yùn)動(dòng)誤差。 （3）系統(tǒng)傳動(dòng)部件的靜摩擦力應(yīng)盡可能小。動(dòng)摩擦力應(yīng)該是一個(gè)盡可能小的正斜率。如果是負(fù)斜率，則容易產(chǎn)生爬行，精度降低，壽命縮短。因此，使用低摩擦阻力的傳動(dòng)部件和導(dǎo)向支撐部件，如滾珠絲杠副，滾動(dòng)導(dǎo)軌支撐等。 （4）縮短傳輸鏈條，提高傳輸和支持的剛性。例如，使用預(yù)緊方法增加滾珠絲杠副和滾動(dòng)導(dǎo)向副的傳動(dòng)和支撐剛度;直接使用高轉(zhuǎn)矩，寬速直流或交流伺服電機(jī)和電線連接螺母和螺母以減少中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu);螺桿的支撐設(shè)計(jì)采用軸向預(yù)載或預(yù)緊支撐結(jié)構(gòu)。 （5）選擇最佳傳動(dòng)比以獲得更高的系統(tǒng)分辨率，降低與執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸等效的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并盡可能提高加速度。 （6）減少反向死區(qū)誤差，如采取措施消除傳動(dòng)間隙，減少軸承變形。 （7）在阻尼比適當(dāng)?shù)那闆r下，機(jī)械部分共振時(shí)，系統(tǒng)阻尼越大，最大振幅越小，衰減越快;但較大的阻尼也會(huì)增加系統(tǒng)的無(wú)功和反轉(zhuǎn)誤差。誤差增加，精度降低。因此，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的阻尼應(yīng)該適合設(shè)計(jì)[15]。 2.6.2 工業(yè)機(jī)器人常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)形式 （1）齒輪傳動(dòng) 機(jī)器人中的普通齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括圓柱齒輪，錐齒輪，諧波齒輪，擺線齒輪和蝸輪。 機(jī)器人系統(tǒng)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問(wèn)題 （a）齒輪傳動(dòng)比和齒輪比的最佳選擇。齒輪傳動(dòng)部件是扭矩轉(zhuǎn)換器，速度控制器和轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)換器。伺服系統(tǒng)的齒輪減速器是變矩器。傳動(dòng)比應(yīng)滿足驅(qū)動(dòng)部件和負(fù)載之間的位移，扭矩和速度的匹配要求。輸入電機(jī)為高速低轉(zhuǎn)矩，輸出為低速高轉(zhuǎn)矩。因此，齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)必須具有足夠的剛度，并且其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)盡可能小，使得獲得相同加速度時(shí)所需的轉(zhuǎn)矩較小，即當(dāng)使用相同的驅(qū)動(dòng)功率時(shí)，加速度響應(yīng)為最大。齒輪的嚙合間隙將導(dǎo)致變速器的死區(qū)（涉及）。如果死區(qū)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，則系統(tǒng)可能不穩(wěn)定，系統(tǒng)通常會(huì)產(chǎn)生低頻振蕩。因此，盡可能使用齒隙小，精度高的齒輪。為了盡可能降低制造成本，有必要采用調(diào)整齒側(cè)間隙的方法來(lái)消除或減小嚙合間隙，從而提高了傳動(dòng)精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 （b）各級(jí)傳動(dòng)比最佳分配原則。在計(jì)算出傳動(dòng)比后，為了使減速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，滿足動(dòng)態(tài)性能，提高傳動(dòng)精度，有必要合理分配各級(jí)傳動(dòng)比。原則如下： （c）輸出軸角度誤差的最小原則[16]。為了提高齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度，各級(jí)傳動(dòng)比應(yīng)根據(jù)“先大后小”的原則進(jìn)行分配，以減少齒輪加工誤差，安裝誤差和旋轉(zhuǎn)誤差的影響對(duì)輸出旋轉(zhuǎn)角度的精度。設(shè)齒輪傳動(dòng)中各級(jí)齒輪的轉(zhuǎn)角誤差換算到末級(jí)輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為，則 （2-1） 式中：-----第個(gè)齒輪所具有的轉(zhuǎn)角誤差； -----第個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)軸至n級(jí)輸出軸的傳動(dòng)比。 則四級(jí)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的各級(jí)齒輪的轉(zhuǎn)角誤差（、、...、）換算到末級(jí)輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為 （2-2） 由此可知總轉(zhuǎn)角誤差主要取決于最末級(jí)齒輪的轉(zhuǎn)角誤差和傳動(dòng)比的大小。因此，在設(shè)計(jì)中最末兩級(jí)的傳動(dòng)比應(yīng)取大一些，并盡量提高其加工精度。 (d) 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小原則。利用該原則設(shè)計(jì)的齒輪系統(tǒng)要使換算到電動(dòng)機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小，各級(jí)傳動(dòng)比也是按照“先小后大”的次序分配，以使其結(jié)構(gòu)緊湊。 具體而言有幾點(diǎn)： （a）對(duì)于需要平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，頻繁啟動(dòng)和停止以及良好的動(dòng)態(tài)性能的伺服系統(tǒng)，應(yīng)處理最小等效慣性和總旋轉(zhuǎn)角度誤差最小化的原則。 （b）建議在變速器齒輪系統(tǒng)的齒輪比的所有階段使用不可約比率，以避免同時(shí)嚙合以減少噪音和振動(dòng)。 （c）對(duì)于增加傳動(dòng)精度和減少回程誤差的傳動(dòng)齒輪系統(tǒng)，采用最小化總轉(zhuǎn)角誤差的原則;對(duì)于增速傳動(dòng)，由于在增速過(guò)程中易損壞傳動(dòng)齒輪系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)該在前幾級(jí)。為了提高輪系的剛性，降低傳動(dòng)誤差，需要提高轉(zhuǎn)速，并且要求每級(jí)增速比大于1：3。 （d）對(duì)于傳動(dòng)比較大的齒輪系，固定軸和行星齒輪系統(tǒng)通常需要組合成一個(gè)混合齒輪系。對(duì)于較大的傳動(dòng)比，以及所需的傳動(dòng)精度和傳動(dòng)效率，傳動(dòng)平穩(wěn)，體積小，重量輕?？梢允褂眯碌闹C波齒輪傳動(dòng)。 （2）諧波齒輪傳動(dòng) 諧波齒輪傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，傳動(dòng)比大（數(shù)十到數(shù)百），傳動(dòng)精度高，回程誤差小，噪音低，傳動(dòng)平穩(wěn)，承載能力強(qiáng)，效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)。因此，它被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。諧波齒輪傳動(dòng)非常類(lèi)似于行星齒輪傳動(dòng)，齒間差異很小。它依靠由柔性齒輪產(chǎn)生的可控變形波來(lái)促使齒之間的相對(duì)齒部傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)。因此，諧波齒輪傳動(dòng)和普通齒輪傳動(dòng)有著本質(zhì)的區(qū)別。 （3）螺絲傳動(dòng) 螺旋傳動(dòng)和螺母，主要用于將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。螺旋輸送具有主要的能量傳遞，例如螺旋壓力機(jī)，千斤頂?shù)?主要是為了移動(dòng)機(jī)臺(tái)，例如機(jī)臺(tái)的進(jìn)給螺桿。 螺母?jìng)鲃?dòng)分為普通螺絲（滑動(dòng)摩擦）和滾珠絲杠（滾動(dòng)摩擦），前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工容易，制造成本低，具有自鎖能力;但摩擦阻力，扭矩，傳動(dòng)效率低（30％?40％）。雖然后者結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，但其最大優(yōu)點(diǎn)是摩擦力矩小，傳動(dòng)效率高（92％?98％），運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，靈活性高。通過(guò)預(yù)緊，可消除間隙并提高傳動(dòng)剛度;進(jìn)給精度和重復(fù)定位精度都很高。使用壽命長(zhǎng);同步性好，使用可靠，潤(rùn)滑簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，所以機(jī)器人使用滾珠絲杠。由于滾珠絲杠的回位運(yùn)動(dòng)不能自鎖，所以在用于垂直傳動(dòng)時(shí)，需要安裝自鎖機(jī)構(gòu)或制動(dòng)裝置[17]。在選擇滾珠絲杠時(shí)要考慮以下指標(biāo)： （a）滾珠絲杠的精度等級(jí); （b）滾珠絲杠傳動(dòng)間隙的允許值和預(yù)壓的期望值; （c）負(fù)載條件（靜態(tài)，動(dòng)態(tài)負(fù)載）和允許的負(fù)載值; （d）滾珠絲杠的工作壽命; （e）滾珠絲杠的臨界轉(zhuǎn)速; （f）滾珠絲杠的剛性; 減少滾珠絲杠返回行程的方法大多為雙螺母結(jié)構(gòu)，使螺母與螺桿之間存在一定的預(yù)緊力。這消除了驅(qū)動(dòng)間隙并提高了驅(qū)動(dòng)精度和剛度。但是，預(yù)加載會(huì)縮短滾珠絲杠的使用壽命。因此預(yù)緊力不應(yīng)超過(guò)工作載荷的1/3。 （4）同步帶傳動(dòng) 同步帶傳動(dòng)是結(jié)合普通帶傳動(dòng)和鏈輪鏈傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)的新型傳動(dòng)裝置。它在皮帶的工作表面和皮帶輪的外圓周上具有嚙合的齒，并通過(guò)嚙合傳動(dòng)與齒嚙合。為了確保皮帶和皮帶輪同步而不滑動(dòng)，齒形皮帶采用高強(qiáng)度材料，在加載后不會(huì)彈性變形，并且不會(huì)彈性滑動(dòng)以確保間距不變。同步帶傳動(dòng)比精確，傳動(dòng)效率高（達(dá)98％），節(jié)能效果好，吸振，噪音低，無(wú)需潤(rùn)滑，傳動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)高速（最高40m / s），傳動(dòng)比可達(dá)到10由于其結(jié)構(gòu)緊湊，維修方便，因此性能穩(wěn)定。 2.6.3 設(shè)計(jì)具體采用方案 具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)檫x用了液壓缸作為機(jī)械手的水平手臂和垂直手臂，由于液壓缸實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，它既是關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，又是動(dòng)力元件。故不需要中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，這既簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，同時(shí)又提高了精度。而機(jī)械手腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，必須采用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)減速和增大扭矩。經(jīng)分析比較，選擇圓柱齒輪傳動(dòng)，為了保證比較高的精度，盡量減小因齒輪傳動(dòng)造成的誤差；同時(shí)大大增大扭矩，同時(shí)較大的降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，以使機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，動(dòng)態(tài)性能好。這里只采用一級(jí)齒輪傳動(dòng)，采用大的傳動(dòng)比（大于100），齒輪采用高強(qiáng)度、高硬度的材料，高精度加工制造。 2.7 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2.7.1 機(jī)器人各類(lèi)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn) 工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，按動(dòng)力源分為液壓、氣動(dòng)和電動(dòng)三大類(lèi)。根據(jù)需要也可這三種基本類(lèi)型組合成復(fù)合式的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[18]。這三類(lèi)基本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下。 (1) 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 由于液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)，它具有動(dòng)力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機(jī)器人。但是，液壓系統(tǒng)需要進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換（電能轉(zhuǎn)換成液壓能），速度控制多數(shù)情況下采用節(jié)流調(diào)速，效率比電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)低，液壓系統(tǒng)的液體泄露會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，工作噪音也較高。 (2) 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 具有速度快，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便、價(jià)格低等特點(diǎn)。適用于中、小負(fù)荷的機(jī)器人中采用。但是因難于實(shí)現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機(jī)器人中，如在上、下料和沖壓機(jī)器人中應(yīng)用較多。 (3) 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 由于低慣量、大轉(zhuǎn)矩的交、直流伺服電機(jī)及其配套的伺服驅(qū)動(dòng)器（交流變頻器、直流脈沖寬度調(diào)制器）的廣泛采用，這類(lèi)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在機(jī)器人中被大量采用。這類(lèi)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，使用方便，噪聲較低，控制靈活。大多數(shù)電機(jī)后面需安裝精密的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。直流有刷電機(jī)不能直接用于要求防爆的工作環(huán)境中，成本上也較其他兩種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高。但因?yàn)檫@類(lèi)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)比較突出，因此在機(jī)器人中被廣泛的使用。 2.7.2 工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇原則 設(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇，要根據(jù)機(jī)器人的用途、作業(yè)要求、機(jī)器人的性能規(guī)范、控制功能、維護(hù)的復(fù)雜程度、運(yùn)行的功耗、性價(jià)比以及現(xiàn)有的條件等綜合因素加以考慮。在注意各類(lèi)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，綜合上述各因素，充分論證其合理性、可行性、經(jīng)濟(jì)性及可靠性后進(jìn)行最終的選擇[19]。一般情況下： (1) 物料搬運(yùn)（包括上下料）使用的有限點(diǎn)位控制的程序控制機(jī)器人，重負(fù)荷的選擇液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，中等負(fù)荷的可選電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，輕負(fù)荷的可選氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。沖壓機(jī)器人多采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 (2) 用于點(diǎn)焊和弧焊及噴涂作業(yè)的機(jī)器人，要求具有點(diǎn)位和軌跡控制功能，需采用伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。只有采用液壓或電動(dòng)伺服系統(tǒng)才能滿足要求。點(diǎn)焊、弧焊機(jī)器人多采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。重負(fù)荷的任意點(diǎn)位控制的點(diǎn)焊及搬運(yùn)機(jī)器人選用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 2.7.3 機(jī)器人液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 自1962年以來(lái)，液壓系統(tǒng)一直被用于世界上第一臺(tái)機(jī)器人，并已廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人。目前，盡管在中等負(fù)載的工業(yè)機(jī)器人中使用大量電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，但在簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的重型工業(yè)機(jī)器人和噴涂機(jī)器人中使用液壓系統(tǒng)仍占有很大比例。 液壓系統(tǒng)在機(jī)器人中的作用是通過(guò)電液轉(zhuǎn)換元件放大控制信號(hào)的功率，控制液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)的方向，位置和速度，然后根據(jù)給定的控制機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在大多數(shù)情況下，液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)采用線性液壓缸或回轉(zhuǎn)馬達(dá)，并且很少使用連續(xù)旋轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)。在工業(yè)機(jī)器人中，中等和低功率液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用于節(jié)流速度控制和高功率音量控制系統(tǒng)。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)特性好，但效率低。體積速度控制系統(tǒng)比前者具有較小的動(dòng)態(tài)特性，但效率很高。機(jī)器人液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括程序控制和伺服控制。 （1）程控機(jī)器人液壓系統(tǒng) 這種類(lèi)型的機(jī)器人是一個(gè)非伺服控制的機(jī)器人。在具有簡(jiǎn)單傳輸功能的機(jī)器人中，通常使用簡(jiǎn)單的邏輯控制設(shè)備或可編程控制器來(lái)控制機(jī)器人在有限的位置。這類(lèi)機(jī)器人的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面： （a）液壓缸設(shè)計(jì)：在確保密封性能的前提下，盡量使用橡膠和氟塑料密封件的組合，以減少摩擦阻力，延長(zhǎng)液壓缸壽命。 （b）定位點(diǎn)的緩沖和制動(dòng)：由于機(jī)器人手臂的慣性力矩較大，因此必須在定位點(diǎn)之前添加緩沖和制動(dòng)機(jī)構(gòu)或鎖定裝置。 （c）建議在大慣性運(yùn)動(dòng)軸的液壓缸兩側(cè)安裝安全保護(hù)回路，以防止由于碰撞過(guò)載而損壞機(jī)械結(jié)構(gòu)。 （d）應(yīng)將蓄能器添加到液壓源中，以便同時(shí)移動(dòng)或加速多個(gè)運(yùn)動(dòng)軸以提供瞬時(shí)能量?jī)?chǔ)備。 （2）伺服控制機(jī)器人液壓系統(tǒng) 帶點(diǎn)控制和連續(xù)軌跡控制的工業(yè)機(jī)器人需要使用電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電液轉(zhuǎn)換和功率放大部件包括電液伺服閥，電液比例閥和電液脈沖閥。上述類(lèi)型的閥件和液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)可以組合形成電液伺服馬達(dá)，電液伺服缸，電液步進(jìn)馬達(dá)，電液步進(jìn)缸和液壓旋轉(zhuǎn)伺服執(zhí)行器和其他電動(dòng)液壓伺服動(dòng)力機(jī)構(gòu)。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要，電液伺服馬達(dá)和電液伺服缸可以分離或組合成一體。如果是單獨(dú)的連接方式，則需要盡可能縮短連接管，這樣可以減小伺服閥與液壓機(jī)構(gòu)之間的管道體積，從而提高液壓固有頻率。 在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，常用的電液伺服動(dòng)力機(jī)構(gòu)是電液伺服缸和電液伺服回轉(zhuǎn)馬達(dá)，也可以采用電液液壓步進(jìn)馬達(dá)。液壓旋轉(zhuǎn)致動(dòng)器是安裝在旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的轉(zhuǎn)子中的旋轉(zhuǎn)滑閥或由伺服馬達(dá)，步進(jìn)馬達(dá)或比例電磁體驅(qū)動(dòng)的連續(xù)旋轉(zhuǎn)馬達(dá)。機(jī)電反饋用于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的電動(dòng)液壓運(yùn)動(dòng)，伺服機(jī)構(gòu)[20]。它可以安裝在機(jī)器人手臂和腕關(guān)節(jié)上進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)。它既是一個(gè)聯(lián)合機(jī)制，也是一個(gè)受力要素。 2.7.4 機(jī)器人氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 氣動(dòng)機(jī)器人使用壓縮空氣作為動(dòng)力源。它們通常從工廠的壓縮空氣站引入機(jī)器人的工作位置，并且還可以建立一個(gè)小型空氣源系統(tǒng)。氣動(dòng)機(jī)器人具有氣源使用方便，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，移動(dòng)靈活快速，操作安全可靠，操作維修方便等特點(diǎn)，適合在惡劣環(huán)境下工作。因此，它們?cè)谟卸净蚋邷貤l件下運(yùn)行，如沖壓，注塑和壓鑄。 ，儀器和輕工業(yè)中的機(jī)床裝卸，中小型零件的運(yùn)輸和自動(dòng)裝配，食品包裝運(yùn)輸，電子產(chǎn)品交付，自動(dòng)對(duì)接，自動(dòng)化彈藥生產(chǎn)等，已經(jīng)獲得了很多應(yīng)用。 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在許多情況下用于小型和中型機(jī)器人，用于兩點(diǎn)或限點(diǎn)控制。這種類(lèi)型的機(jī)器人主要是圓柱坐標(biāo)系和直角坐標(biāo)系或兩者的組合; 3-5個(gè)自由度;負(fù)載小于200N;速度為300-1000mm / s;重復(fù)性為+/- 0.1-0。 5mm處。大多數(shù)控制設(shè)備目前使用可編程邏輯控制器（PLC）。在易燃，易爆場(chǎng)合可由氣動(dòng)邏輯元件組成控制裝置[21]。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常由以下部件組成。 （1）空氣供應(yīng)由整個(gè)壓縮空氣站提供。氣源包括空氣壓縮機(jī)，儲(chǔ)氣罐，氣水分離器，壓力調(diào)節(jié)器，過(guò)濾器等。如果沒(méi)有壓縮空氣站的條件，相應(yīng)供氣的供氣設(shè)備可以根據(jù)機(jī)器人配置，其他氣動(dòng)設(shè)備。 （2）氣動(dòng)三聯(lián)機(jī)組由三部分組成：分水器，調(diào)壓器和先導(dǎo)油器。它可以是單獨(dú)的類(lèi)型或三重類(lèi)型。在大多數(shù)情況下，使用三重組裝類(lèi)型結(jié)構(gòu)。無(wú)論是從壓縮空氣站還是單獨(dú)的來(lái)源供應(yīng)氣動(dòng)三元組都是必須的。盡管無(wú)潤(rùn)滑油缸可以在沒(méi)有油霧器的情況下使用，但在正常情況下，建議在油道上安裝油霧器，以減少油缸摩擦并延長(zhǎng)使用壽命。 （3）氣動(dòng)閥氣動(dòng)閥有多種類(lèi)型。在工業(yè)機(jī)器人的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，常用的閥門(mén)包括電磁閥，節(jié)流閥和減壓閥。 （4）氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)大多數(shù)情況下使用氣缸（直線氣缸或擺動(dòng)氣缸）。直線氣缸分為單作用和雙作用兩種類(lèi)型。除單個(gè)單作用氣缸（如手爪機(jī)構(gòu)上使用的氣缸）外，其中大多數(shù)使用雙作用氣缸。為了實(shí)現(xiàn)最終緩沖，使用雙向端點(diǎn)緩沖氣缸。根據(jù)設(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)的結(jié)構(gòu)要求確定氣缸的結(jié)構(gòu)形式和與機(jī)器人機(jī)構(gòu)的連接（如法蘭連接，鉸接尾部，前部或中部鉸鏈，螺紋連接或鉸接活塞桿等）。缸的內(nèi)徑，行程大小可以根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)態(tài)分析來(lái)計(jì)算。 為了確保氣缸的密封要求，同時(shí)盡可能減少摩擦，密封材料應(yīng)該是橡膠和氟化塑料密封環(huán)的組合。非接觸式感應(yīng)缸已被廣泛用于氣動(dòng)系統(tǒng)。這些氣缸在活塞上裝有永久磁鐵的磁環(huán)，通過(guò)磁感應(yīng)，安裝在氣缸外部的非接觸磁性接近開(kāi)關(guān)用于位置檢測(cè)。 。除了直筒外，機(jī)器人中還有更多限制角度的擺動(dòng)筒。這種擺動(dòng)缸主要用于腕部機(jī)構(gòu)。 （5）制動(dòng)器氣動(dòng)機(jī)器人的定位問(wèn)題在很大程度上取決于如何實(shí)現(xiàn)停車(chē)制動(dòng)。缸體活塞的運(yùn)動(dòng)速度允許達(dá)到1.5m / s。如果以1m / s的速度計(jì)算汽缸，則以70ms的更長(zhǎng)關(guān)閉時(shí)間測(cè)量電磁閥，然后汽缸活塞的兩個(gè)止擋之間的距離大約為70mm。步長(zhǎng)應(yīng)該大于此值。對(duì)于小流量電磁閥，吸入的關(guān)閉時(shí)間較短，停止點(diǎn)的步長(zhǎng)應(yīng)相應(yīng)縮短。因此，對(duì)于機(jī)器人的單一自由度，停止點(diǎn)的數(shù)量可達(dá)6-9個(gè)。為了增加定位點(diǎn)的數(shù)量，除了使用多位置氣缸外可采用制動(dòng)方式：背壓制動(dòng)，制動(dòng)制動(dòng)裝置。 （6）限位器氣動(dòng)機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)軸的制動(dòng)和定位點(diǎn)可由編程器發(fā)送，或由限位開(kāi)關(guān)發(fā)送。 根據(jù)要求和條件，如果使用非接觸式感應(yīng)缸，限位開(kāi)關(guān)是非接觸式接近開(kāi)關(guān)。 該開(kāi)關(guān)的反射時(shí)間小于20ms，非常適合用于機(jī)器人。 當(dāng)氣缸活塞移動(dòng)到定位點(diǎn)時(shí)，為保證定位精度，需要鎖定移動(dòng)軸。 常用的限位機(jī)構(gòu)是由電磁閥控制的氣缸，以驅(qū)動(dòng)鎖定機(jī)構(gòu)（插鎖，滑塊等）鎖定機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)。 重新啟動(dòng)時(shí)，需提前打開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)。 2.7.5 機(jī)器人電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 多年來(lái)，為機(jī)器人數(shù)控機(jī)床和其他自動(dòng)機(jī)器開(kāi)發(fā)的眾多類(lèi)型的伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器為機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的更新創(chuàng)造了條件。由于機(jī)器人應(yīng)用了高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，高轉(zhuǎn)矩和低慣性的交流和直流電機(jī)，大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人通常使用電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。其驅(qū)動(dòng)原理框圖如下： 用于機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)大致可以分為以下幾種：小慣量永磁直流伺服電機(jī)，電刷繞組永磁直流伺服電機(jī)，大慣量永磁直流伺服電機(jī)（力矩電機(jī)），無(wú)功步進(jìn)電機(jī)電機(jī)，同步交流伺服電機(jī)，異步交流伺服電機(jī)。 大多數(shù)速度傳感器使用測(cè)速發(fā)電機(jī)，大多數(shù)位置傳感器使用光學(xué)編碼器。伺服電機(jī)可與測(cè)速發(fā)電機(jī)，光電編碼器，制動(dòng)器和減速器組合，實(shí)現(xiàn)多個(gè)或所有組合的部分組合，形成伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元。為了提高機(jī)器人的傳動(dòng)精度，近年來(lái)開(kāi)發(fā)了國(guó)外直驅(qū)電機(jī)，并將多級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器組合在一起。這種旋轉(zhuǎn)變壓器每轉(zhuǎn)可以達(dá)到400,000到600,000個(gè)脈沖。此直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)（DD驅(qū)動(dòng)電機(jī)已用于裝配機(jī)器人中，用于快速和高精度定位。 （1）機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)的選擇 機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的選擇應(yīng)根據(jù)使用的機(jī)器人，功能，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合各類(lèi)電動(dòng)機(jī)自身的特點(diǎn)，性能，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性價(jià)比等綜合考慮。根據(jù)機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)軸計(jì)算出的電機(jī)轉(zhuǎn)速，負(fù)載額定轉(zhuǎn)矩，加減速特性，額定功率，加速度等參數(shù)計(jì)算電機(jī)模型[22]。有關(guān)各類(lèi)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)主要特點(diǎn)及性能、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、用途及使用范圍、適用的驅(qū)動(dòng)器見(jiàn)表2-1： 表2-1 名 稱 主要特點(diǎn)及性能 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 用途及使用范圍 驅(qū)動(dòng)器 小慣量直流永磁伺服電動(dòng)機(jī) 電機(jī)的慣量小，理論加速度大，快速反應(yīng)性好，低速性好，調(diào)速比可達(dá)1：10e4范圍，但低速輸出力矩不大， 轉(zhuǎn)子直徑小，慣量小 適用于對(duì)快速性要求嚴(yán)格而負(fù)載力矩不大的場(chǎng)合 直流PWM伺服驅(qū)動(dòng)器SCR變壓驅(qū)動(dòng)器 有刷繞組永磁直流伺服電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，快速響應(yīng)性能好；轉(zhuǎn)子無(wú)鐵損，效率高；換向性能好，壽命長(zhǎng)；負(fù)載波動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)速影響小，輸出力矩平穩(wěn)。 無(wú)鐵心，具有軸向平面間隙 可頻繁起制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)工作，響應(yīng)迅速，適用于機(jī)器人，數(shù)控等 直流PWM伺服驅(qū)動(dòng)器，SCR變壓驅(qū)動(dòng)器 大慣量永磁直流伺服電動(dòng)機(jī) 輸出力矩大，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，機(jī)械特性硬度大，可以長(zhǎng)時(shí)間工作在堵轉(zhuǎn)條件下 又稱力矩電機(jī)，其轉(zhuǎn)子較粗 適用于驅(qū)動(dòng)力矩較大的場(chǎng)合，因可不用齒輪傳動(dòng)，消除了齒輪間隙 直流PWM伺服驅(qū)動(dòng)器，SCR變壓驅(qū)動(dòng)器 表2-1 續(xù)表 反應(yīng)步進(jìn)電機(jī) 將電脈沖信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)角與脈沖數(shù)成正比，輸出力矩也較大 電機(jī)轉(zhuǎn)子無(wú)轉(zhuǎn)租，由永磁體構(gòu)成轉(zhuǎn)子磁極 用于數(shù)字系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人；開(kāi)環(huán)控制 直流PWM伺服驅(qū)動(dòng)器SCR變壓驅(qū)動(dòng)器 同步交流伺服電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)速與定子繞組所建立的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)嚴(yán)格同步；從低度到高速，定子繞組可通過(guò)大電流，故起、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不降低，可頻繁起、制動(dòng) 轉(zhuǎn)子由永久磁鐵做成，定子有三相，轉(zhuǎn)子比較細(xì) 主要用于中小容量的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，如數(shù)控、機(jī)器人等系統(tǒng)中 交流PWM變頻調(diào)速器 異步交流伺服電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)速永遠(yuǎn)低于定子繞組所建立的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，容量大，價(jià)格低 定子由對(duì)稱三相繞組組成， 用于數(shù)控機(jī)床主軸等容量大的場(chǎng)合 交流PWM變頻調(diào)速器 (2) 機(jī)器人電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)器 (a) 直流電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器 直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器目前多采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）伺服驅(qū)動(dòng)器。其電源電壓為固定不變值，由大功率三極管作為開(kāi)關(guān)元件，以固定的開(kāi)關(guān)頻率動(dòng)作，但其脈沖寬度可以隨電路控制而改變，改變了脈沖寬度也就可以改變加在電機(jī)電樞兩端的平均電壓，從而改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種伺服驅(qū)動(dòng)器一般由電流內(nèi)環(huán)和速度外環(huán)組成。末級(jí)采用大功率三極管構(gòu)成橋式開(kāi)關(guān)電路。 PWM伺服驅(qū)動(dòng)器具有調(diào)速范圍寬、低速特性好，響應(yīng)快、效率高、過(guò)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。目前已廣泛應(yīng)用于各類(lèi)數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人及其它機(jī)電一體化產(chǎn)品中用做直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。 (b) 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 步進(jìn)電機(jī)的控制裝置主要包括脈沖發(fā)生器，環(huán)行分配器和功率放大器等幾部分組成。 脈沖發(fā)生器可以按照起、制動(dòng)及調(diào)速要求改變頻率、以控制步進(jìn)電機(jī)。環(huán)行分配器是控制步進(jìn)電機(jī)各繞組按一定的次序通過(guò)的環(huán)節(jié)。它的作用是把脈沖發(fā)生器送來(lái)的一系列脈沖信號(hào)按照一定的循環(huán)規(guī)律依次分配給各繞組，以使步進(jìn)電機(jī)按著一定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)。 功率放大器的作用是將環(huán)行分配器輸出的毫安級(jí)電流放大成安培級(jí)電流以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。目前功率放大器多采用高低壓驅(qū)動(dòng)電路。這種電路有高、低壓二組電源。當(dāng)繞組剛通電瞬間讓繞組接通高電壓，從而使各相電流迅速建立。而當(dāng)達(dá)到步進(jìn)電機(jī)額定電流時(shí)僅以低電壓給各相繞組供電。高電壓加入的時(shí)間長(zhǎng)短由控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。 2.7.6 設(shè)計(jì)具體采用方案 具體到本設(shè)計(jì)，在分析了具體工作要求后，綜合考慮各個(gè)因素。機(jī)械手腰部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要一定的定位控制精度，故采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)；因?yàn)椴捎靡簤簣?zhí)行缸來(lái)做水平手臂和垂直手臂，故大小臂均采用液壓驅(qū)動(dòng)；同時(shí)考慮隨著機(jī)床加工的工件的不同，水平手臂伸出長(zhǎng)度是不同的。因此，要求水平手臂具有伺服定位能力，故采用電液伺服液壓缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 而手爪的張開(kāi)和夾緊通過(guò)液壓柱塞缸活塞與中間齒輪和扇形齒輪配合來(lái)實(shí)現(xiàn)，即手爪在柱塞缸推力作用下通過(guò)活塞桿端部齒條、中間齒輪及扇形齒輪使手指張開(kāi)和閉合。 2.8 機(jī)器人手臂的平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型和球坐標(biāo)型機(jī)器人可以通過(guò)合理布局，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得手臂本身可能達(dá)到平衡[23]。關(guān)節(jié)機(jī)器人手臂一般都需要平衡裝置，以減小驅(qū)動(dòng)器的負(fù)荷，同時(shí)縮短啟動(dòng)時(shí)間。 2.8.1 機(jī)器人平衡機(jī)構(gòu)的形式 通常，機(jī)器人所采用的平衡機(jī)構(gòu)主要有以下幾種： (1) 配重平衡機(jī)構(gòu) 這種平衡裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，平衡效果好，易于調(diào)整，工作可靠，但增加了機(jī)器人手臂的慣量與關(guān)節(jié)軸的載荷。一般在機(jī)器人手臂的不平衡力矩比較小的情況下采用這種平衡機(jī)構(gòu)。 (2) 彈簧平衡機(jī)構(gòu) 彈簧平衡機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、工作可靠、平衡效果好、易維修，因此應(yīng)用廣泛。 (3) 活塞推桿平衡機(jī)構(gòu) 活塞式平衡系統(tǒng)有液壓和氣動(dòng)兩種：液壓平衡系統(tǒng)平衡力大，體積小，有一定的阻尼作用；氣動(dòng)平衡系統(tǒng)，具有很好的阻尼作用，但體積比較大?；钊狡胶庑枰鋫溆袑?zhuān)門(mén)的液壓或氣動(dòng)裝置，系統(tǒng)復(fù)雜，因此造價(jià)高，設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試都增加了難度，但是平衡效果好。用于配重平衡、彈簧平衡滿足不了工作要求的場(chǎng)合。 2.8.2 設(shè)計(jì)具體采用的方案 因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)機(jī)械手采用圓柱坐標(biāo)型的結(jié)構(gòu)，而且在手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及整個(gè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)和布局中都重點(diǎn)考慮了機(jī)械手手臂的平衡問(wèn)題，通過(guò)合理布局，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得手臂本身盡可能達(dá)到平衡。若實(shí)際工作中平衡結(jié)果不滿足，則設(shè)置彈簧平衡機(jī)構(gòu)進(jìn)行平衡。 3 理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算 3.1 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 3.1.1 確定液壓系統(tǒng)基本方案 液壓執(zhí)行元件大體分為液壓缸和液壓馬達(dá)，前者實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，后者實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。二者的特點(diǎn)及適用場(chǎng)合見(jiàn)表3-1： 表3-1 名 稱 特 點(diǎn) 適 用 場(chǎng) 合 雙活塞桿液壓缸 雙向?qū)ΨQ 雙向工作的往復(fù)場(chǎng)合 單活塞桿液壓缸 有效工作面積大、 雙向不對(duì)稱 往返不對(duì)稱的直線運(yùn)動(dòng)，差動(dòng)連接可實(shí)現(xiàn)快進(jìn) 柱塞缸 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 單向工作，靠重力或其它外力返回 擺動(dòng)缸 單葉片式小于360 雙葉片式小于180 小于360的擺動(dòng)； 小于180的擺動(dòng) 齒輪馬達(dá) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜 高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 葉片馬達(dá) 體積小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小 高速低轉(zhuǎn)矩、動(dòng)作靈敏的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 擺線齒輪馬達(dá) 體積小、輸出轉(zhuǎn)局大 低速、小功率大轉(zhuǎn)矩的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 軸向柱塞馬達(dá) 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速范圍寬 大轉(zhuǎn)矩的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 徑向柱塞馬達(dá) 轉(zhuǎn)速低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，輸出轉(zhuǎn)矩大 低速大轉(zhuǎn)矩回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 本設(shè)計(jì)因?yàn)闄C(jī)械手的形式為圓柱坐標(biāo)形式，具有3個(gè)自由度，一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)移動(dòng)自由度。同時(shí)考慮機(jī)械手的工作載荷和工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)機(jī)械手布局以及定位精度的具體要求以及計(jì)算機(jī)的控制的因素，腰部的回轉(zhuǎn)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，剩下的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)均為直線運(yùn)動(dòng)。因此，機(jī)械手的水平手臂和垂直手臂都采用單活塞桿液壓缸，來(lái)實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)[24]。 3.1.2 擬定液壓執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)控制回路 液壓執(zhí)行元件確定后，其運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度的控制是液壓回路的核心問(wèn)題。 方向控制是用換向閥或是邏輯控制單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于一般中小流量的液壓系統(tǒng)，通過(guò)換向閥的有機(jī)組合來(lái)實(shí)現(xiàn)所要求的動(dòng)作。對(duì)高壓大流量的系統(tǒng)，多采用插裝閥與先導(dǎo)控制閥的邏輯組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。 速度控制通過(guò)改變液壓執(zhí)行元件輸入或輸出的流量或者利用密封空間的容積變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。相應(yīng)的調(diào)速方式有節(jié)流調(diào)速、容積調(diào)速以及二者結(jié)合的容積節(jié)流調(diào)速。 本設(shè)計(jì)的方向控制采用電磁換向閥來(lái)實(shí)現(xiàn)，而速度的控制主要采用節(jié)流調(diào)速，主要方式是采用比較簡(jiǎn)單的節(jié)流閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。 3.1.3 液壓源系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)完全由液壓源來(lái)提供，液壓源的核心是液壓泵。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)一般用定量泵供油，在無(wú)其他輔助油源的情況下，液壓泵的供油量要大于系統(tǒng)的需油量，多余的油經(jīng)溢流閥流回油箱，溢流閥同時(shí)起到控制并穩(wěn)定油源壓力的作用。容積調(diào)速系統(tǒng)多用變量泵供油，用安全閥來(lái)限定系統(tǒng)的最高壓力。 油液的凈化裝置是液壓源中不可缺的元件。一般泵的入口要裝粗濾油器，進(jìn)入系統(tǒng)的油液根據(jù)要求，通過(guò)精濾油器再次過(guò)濾。為防止系統(tǒng)中雜質(zhì)流回油箱，可在回油路上設(shè)置磁過(guò)濾器。根據(jù)液壓設(shè)備所處的環(huán)境及對(duì)溫升的要求，還要考慮加熱、冷卻等措施。 本設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)采用定量泵供油，由溢流閥V1來(lái)調(diào)定系統(tǒng)壓力。為了保證液壓油的潔凈，避免液壓油帶入污染物，故在油泵的入口安裝粗過(guò)濾器，而在油泵的出口安裝精過(guò)濾器對(duì)循環(huán)的液壓油進(jìn)行凈化。 3.1.4 繪制液壓系統(tǒng)圖 該機(jī)器人的液壓系統(tǒng)圖如圖3-1所示。 它有上下垂直的手臂，水平伸縮式氣瓶的前后卷收器，以及三個(gè)執(zhí)行器，用于抓取和打開(kāi)氣爪。其中，泵由三相交流異步電動(dòng)機(jī)M驅(qū)動(dòng);系統(tǒng)壓力由安全閥V1設(shè)定; 1DT的收益和損失決定了電源的輸入和消除?？紤]到夾具的工作需要溫和抓握和快速釋放，系統(tǒng)使用兩個(gè)具有不同節(jié)流效果的單向節(jié)流閥。當(dāng)5DT通電時(shí)，工作流體通過(guò)節(jié)流閥V5進(jìn)入柱塞缸，以實(shí)現(xiàn)抓爪的輕柔抓握;當(dāng)6DT斷電時(shí)，工作流體進(jìn)入柱塞缸并且機(jī)爪快速釋放。另外，由于機(jī)械手垂直升降油缸與負(fù)載的作用方向相同，所以機(jī)械手的向下運(yùn)動(dòng)方向有加速運(yùn)動(dòng)速度的趨勢(shì)。為了使運(yùn)動(dòng)過(guò)程穩(wěn)定，沖擊和振動(dòng)被最小化，并保證了系統(tǒng)的安全性。 V2的使用由相位提升缸下腔的平衡構(gòu)成，以提供一定 的回油壓力來(lái)平衡重力負(fù)荷。 圖3-1 機(jī)械手的液壓系統(tǒng)原理圖 3.1.5 確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù) 液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)是壓力和流量，他們是設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)，選擇液壓元件的主要依據(jù)。壓力決定于外載荷，流量取決于液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度和結(jié)構(gòu)尺寸。 (1) 計(jì)算液壓缸的總機(jī)械載荷 根據(jù)機(jī)構(gòu)的工作情況液壓缸所受的總機(jī)械載荷為 （3-1） 式中 -----為外加的載荷，因?yàn)樗椒綗o(wú)外載荷，故為0； ------為活塞上所受的慣性力； ------為密封阻力； ------為導(dǎo)向裝置的摩擦阻力； ------為回油被壓形成的阻力。 (a) 的計(jì)算 （3-2） 式中 ------為液壓缸所要移動(dòng)的總重量，取為100KG； ------為重力加速度， ； ------為速度變化量； ------啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)間，一般為0.01～0.5，取0.2s 將各值帶入上式，得：=1.02 (b) 的計(jì)算 （3-3） 式中 -----克服液壓缸密封件摩擦阻力所需空載壓力，如該液壓缸工作壓力<16 ，查相關(guān)手冊(cè)取=0.2 ； ------為進(jìn)油工作腔有效面積。 啟動(dòng)時(shí)： 565N 運(yùn)動(dòng)時(shí)： =283N (c) 的計(jì)算 機(jī)械手水平方向上有兩個(gè)導(dǎo)桿，內(nèi)導(dǎo)桿和外導(dǎo)套之間的摩擦力為 （3-4） 式中 ------為機(jī)械手和所操作工件的總重量，取為100KG； ------為摩擦系數(shù)，取f=0.1。 帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得： =98 (d) 的計(jì)算 回油背壓形成的阻力按下式計(jì)算 （3-5） 式中 -----為回