數(shù)控機床上下料機械手

數(shù)控機床上下料機械手設計專業(yè)：機械設計制造及其自動化班級：10專升本姓名：張超緒言1數(shù)控機床上下料機械手設計介紹71.1設計目的71.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢71.3設計原則82設計方案的論證102.1機械手的總體設計102.1.1機械手總體結(jié)構(gòu)的類102.1.2設計具體采用方案122.2機械手腰座結(jié)構(gòu)的設計122.2.1機械手腰座結(jié)構(gòu)的設計要求132.2.2設計具體采用方案132.3機械手手臂結(jié)構(gòu)的設計142.3.1機械手手臂的設計要求162.3.2設計具體采用方案162.4工業(yè)機器人腕部的結(jié)構(gòu)172.4.1機器人手腕結(jié)構(gòu)的設計要求182.4.2設計具體采用方案182.5機械手末端執(zhí)行器（手爪）的結(jié)構(gòu)設計192.5.1機械手末端執(zhí)行器的設計要求202.5.2機器人夾持器的運動和驅(qū)動方式212.5.3機器人夾持器的典型結(jié)構(gòu)222.5.4設計具體采用方案222.6機械手的機械傳動機構(gòu)的設計232.6.1工業(yè)機器人傳動機構(gòu)設計應注意的問題232.6.2工業(yè)機器人常用的傳動機構(gòu)形式272.6.3設計具體采用方案282.7機械手驅(qū)動系統(tǒng)的設計282.7.1機器人各類驅(qū)動系統(tǒng)的特點292.7.2工業(yè)機器人驅(qū)動系統(tǒng)的選擇原則292.7.3機器人液壓驅(qū)動系統(tǒng)312.7.4機器人氣動驅(qū)動系統(tǒng)332.7.5機器人電動驅(qū)動系統(tǒng)362.7.6設計具體采用方案362.8機器人手臂的平衡機構(gòu)設計372.8.1機器人平衡機構(gòu)的形式372.8.2設計具體采用的方案383理論分析和設計計算383.1液壓傳動系統(tǒng)設計計算383.1.1確定液壓系統(tǒng)基本方案393.1.2擬定液壓執(zhí)行元件運動控制回路393.1.3液壓源系統(tǒng)的設計403.1.4繪制液壓系統(tǒng)圖413.1.5確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)463.1.6計算和選擇液壓元件483.1.7液壓系統(tǒng)性能的驗算483.2電機選型有關(guān)參數(shù)計算483.2.1有關(guān)參數(shù)的計算513.2.2電機型號的選擇524機械手控制系統(tǒng)的設計524.1機械手控制系統(tǒng)硬件設計4.1.1機械手工藝過程與控制要求524.1.2 機械手的作業(yè)流程534.1.3機械手操作面板布置544.1.4控制器的選型554.1.5控制系統(tǒng)原理分析564.1.6 PLC外部接線設計574.1.7 I/O地址分配584.2機械手控制系統(tǒng)軟件設計594.2.1機械手控制主程序流程圖594.2.2機械手控制程序設計595技術(shù)經(jīng)濟分析61結(jié)論致謝參考文獻附錄1附錄2通過對機械設計制造及其自動化專業(yè)大學本科兩年的所學知識進行整 合，對工業(yè)機械手各部分機械結(jié)構(gòu)和功能的論述和分析，設計了一種圓柱坐 標形式的數(shù)控機床上下料機械手。重點針對機械手的腰座、手臂、手爪等各 部分機械結(jié)構(gòu)以及機械手控制系統(tǒng)進行了詳細的設計。具體進行了機械手的 總體設計，腰座結(jié)構(gòu)的設計，機械手手臂結(jié)構(gòu)的設計，機械手腕部的結(jié)構(gòu)設 計，末端執(zhí)行器（手爪）的結(jié)構(gòu)設計，機械手的機械傳動機構(gòu)的設計，機械 手驅(qū)動系統(tǒng)的設計。同時對液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行了理論分析和計算。基 于PLC對機械手的控制系統(tǒng)進行了深入細致的設計，通過對機械手作業(yè)的工 藝過程和控制要求的分析，設計了控制系統(tǒng)的硬件電路，同時編制了機械手 的控制程序。設計達到了設計的預期目標。關(guān)鍵詞：機械手；PLC ；液壓伺服定位； 電液系統(tǒng)；沈陽大學畢業(yè)設計（論文）No 4AbstractIn tegrate the kno wledge of the past four years? of un dergraduate course of Machi ne, discuss and an alysis the each parta nd fun cti on of man ipulator; desig n a kind of cyli nderical coord in ate manipulator used to pack and unioad work piece for CNC machine tools. In particular, made the detailed desig n about base, arm, and end effector and the con trol system etc. in cludi ng Total desig n, waist?s con structi on desig n, the arm?s con struct ion desig n, the wrist?s con struct ion desig n, the end effector?s con strut ion desig n, and the drive system of man ipulator. At the same time, an alysis and compute thehydraulic pressure system and control system. Deeply desigthe man ipulator?sco ntrol system, which basedo n PLC. After an alysis about the craft process and the requests of the manipulator, the hardware circuit and the control program of the man ipulator the n is desig ned. In a word, the desig n of the man ipulator has come to the an ticipa nt object.Keywords:Manipulator； PLC ； Hydraulic servo control ； Electro hydraulic system沈陽大學畢業(yè)設計（論文）No 5緒 言機械手是在自動化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，它是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近 年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產(chǎn)已 成為高技術(shù)領域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進了機械手的發(fā) 展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。機械手能代替 人類完成危險、重復枯燥的工作，減輕人類勞動強度，提高勞動生產(chǎn)力。機 械手越來越廣泛的得到了應用，在機械行業(yè)中它可用于零部件組裝，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機床、組合機床上使用更普遍。目前， 機械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS和柔性制造單元FMC中一個重要組成 部分。把機床設備和機械手共同構(gòu)成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它 適應于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適 應性很強。當工件變更時，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新 適銷對路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應市場競爭的需要。而目前我國 的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，應用規(guī)模 和產(chǎn)業(yè)化水平低，機械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產(chǎn)水平的提 高，從經(jīng)濟上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進行機械手的研究設計 是非常有意義的。1數(shù)控機床上下料機械手1.1設計目的本設計通過對機械設計制造及其自動化專業(yè)大學本科四年的所學知識進 行整合，完成一個特定功能、特殊要求的數(shù)控機床上下料機械手的設計，能 夠比較好地體現(xiàn)機械設計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實踐 動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強的針對性和明確的實施目標，能夠 實現(xiàn)理論和實踐的有機結(jié)合。目前，在國內(nèi)很多工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機床裝卸工件仍由人工完成，勞 動強度大、生產(chǎn)效率低。為了提高生產(chǎn)加工的工作效率 ，降低成本，并使生產(chǎn)線 發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)，適應現(xiàn)代自動化大生產(chǎn)，針對具體生產(chǎn)工藝，利用機器 人技術(shù)，設計用一臺裝卸機械手代替人工工作，以提高勞動生產(chǎn)率。本機械手主要與數(shù)控車床（數(shù)控銑床，加工中心等）組合最終形成生產(chǎn) 線，實現(xiàn)加工過程（上料、加工、下料）的自動化、無人化。目前，我國的 制造業(yè)正在迅速發(fā)展，越來越多的資金流向制造業(yè)，越來越多的廠商加入到 制造業(yè)。本設計能夠應用到加工工廠車間，滿足數(shù)控機床以及加工中心的加 工過程安裝、卸載加工工件的要求，從而減輕工人勞動強度，節(jié)約加工輔助 時間，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢目前，在國內(nèi)外各種機器人和機械手的研究成為科研的熱點，其研究的 現(xiàn)狀和大體趨勢如下：A .機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減 速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機B .工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于 PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標 準化、網(wǎng)絡化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大 大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。C .機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度 等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器 人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行決策控制； 多傳感器融合配置技術(shù)成為智能化機器人的關(guān)鍵技術(shù)。D. 關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機器人產(chǎn)品標準化、通用化、 模塊化、系列化設計；柔性仿形噴涂機器人開發(fā)，柔性仿形復合機構(gòu)開發(fā)， 仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)；E. 焊接、搬運、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機器人產(chǎn)品的標準化、 通用化、 模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統(tǒng)動態(tài)仿真?？偟膩碚f，大體是兩個方向：其一是機器人的智能化，多傳感器、多控 制器，先進的控制算法，復雜的機電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系， 滿足相對具體的任務的工業(yè)機器人，主要采用性價比高的模塊，在滿足工作 要求的基礎上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場 化、模塊化的元件。1.4設計原則在設計之前，必須要有一個指導原則。這次畢業(yè)設計的設計原則是：以 任務書所要求的具體設計要求為根本設計目標，充分考慮機械手工作的環(huán)境 和工藝流程的具體要求。在滿足工藝要求的基礎上，盡可能的使結(jié)構(gòu)簡練，盡可能采用標準化、模塊化的通用元配件，以降低成本，同時提高可靠性。本著科學經(jīng)濟和滿足生產(chǎn)要求的設計原則，同時也考慮本次設計是畢業(yè)設計 的特點，將大學期間所學的知識，如機械設計、機械原理、液壓、氣動、電 氣傳動及控制、傳感器、可編程控制器（PLC）、電子技術(shù)、自動控制、機械 系統(tǒng)仿真等知識盡可能多的綜合運用到設計中，使得經(jīng)過本次設計對大學階 段的知識得到鞏固和強化，同時也考慮個人能力水平和時間的客觀實際，充 分發(fā)揮個人能動性，腳踏實地，實事求是的做好本次設計。沈陽大學畢業(yè)設計（論文）No 92設計方案的論證2.1機械手的總體設計2.1.1機械手總體結(jié)構(gòu)的類型工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標結(jié)構(gòu)，圓柱坐標結(jié)構(gòu)，球坐標結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應的特點，分別介紹如下。1直角坐標機器人結(jié)構(gòu)直角坐標機器人的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的，如圖a2-1。由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標機器人 有可能達到很高的位置精度（am級）。但是，這種直角坐標機器人的運動空 間相對機器人的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。因此，為了實現(xiàn)一定的運動空 間，直角坐標機器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。直角坐標機器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標機器人主要用于 裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標機器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。2圓柱坐標機器人結(jié)構(gòu)圓柱坐標機器人的空間運動是用一個回轉(zhuǎn)運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1.b。這種機器人構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。 其工作空間是一個圓柱狀的空間。3.球坐標機器人結(jié)構(gòu)球坐標機器人的空間運動是由兩個回轉(zhuǎn)運動和一個直線運動來實現(xiàn)的， 如圖2-1.C。這種機器人結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高。主要應用于搬 運作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間。4.關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)型機器人的空間運動是由三個回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)的，如圖2-1.d。關(guān)節(jié)型機器人動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對機器人本體尺寸，其工作空 間比較大。此種機器人在工業(yè)中應用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配 等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機器人。關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。.a直甫坐標型ub 圓柱坐標型匚球坐標型 咄關(guān)節(jié)型圖2-1四種機器人坐標形式2.1.2設計具體采用方案機床丫裝/卻工件位趕取/送二V 件位置耒加工搖受揀已抑工工件作工件工件物址自動取工件丄件運輸托盤機械手工作布局圖圖2-2具體到本設計，因為設計要求搬運的加工工件的質(zhì)量達 30KG，且長度達500MM，同時考慮到數(shù)控機床布局的具體形式及對機械手的具體要求，考慮 在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量簡化結(jié)構(gòu)，以減小成本、提高可靠度。 該機械手在工作中需要3種運動,其中手臂的伸縮和立柱升降為兩個直線運動 另一個為手臂的回轉(zhuǎn)運動，綜合考慮，機械手自由度數(shù)目取為 3,坐標形式選 擇圓柱坐標形式，即一個轉(zhuǎn)動自由度兩個移動自由度，其特點是：結(jié)構(gòu)比較簡單，手臂運動范圍大，且有較高的定位準確度。機械手工作布局圖如圖2-2所示。 2.2機械手腰座結(jié)構(gòu)的設計進行了機械手的總體設計后，就要針對機械手的腰部、手臂、手腕、末端執(zhí)行器等各個部分進行詳細設計。2.2.1機械手腰座結(jié)構(gòu)的設計要求工業(yè)機器人腰座，就是圓柱坐標機器人，球坐標機器人及關(guān)節(jié)型機器人 的回轉(zhuǎn)基座。它是機器人的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，機器人的運動部分全部安裝在 腰座上，它承受了機器人的全部重量。在設計機器人腰座結(jié)構(gòu)時，要注意以 下設計原則：1腰座要有足夠大的安裝基面，以保證機器人在工作時整體安裝的穩(wěn)定性。2腰座要承受機器人全部的重量和載荷， 因此，機器人的基座和腰部軸及 軸承的結(jié)構(gòu)要有足夠大的強度和剛度，以保證其承載能力。3機器人的腰座是機器人的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它對機器人末端的運動精度 影響最大，因此，在設計時要特別注意腰部軸系及傳動鏈的精度與剛度的保 證。4腰部的回轉(zhuǎn)運動要有相應的驅(qū)動裝置，它包括驅(qū)動器（電動、液壓及氣 動）及減速器。驅(qū)動裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動器。5腰部結(jié)構(gòu)要便于安裝、調(diào)整。腰部與機器人手臂的聯(lián)結(jié)要有可靠的定位 基準面，以保證各關(guān)節(jié)的相互位置精度。要設有調(diào)整機構(gòu)，用來調(diào)整腰部軸 承間隙及減速器的傳動間隙。6為了減輕機器人運動部分的慣量， 提高機器人的控制精度，一般腰部回 轉(zhuǎn)運動部分的殼體是由比重較小的鋁合金材料制成，而不運動的基座是用鑄 鐵或鑄鋼材料制成。222設計具體采用方案腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動形式要么是電機通過減速機構(gòu)來實現(xiàn)，要么是通過擺動 液壓缸或液壓馬達來實現(xiàn)，目前的趨勢是用前者。因為電動方式控制的精度 能夠很高，而且結(jié)構(gòu)緊湊，不用設計另外的液壓系統(tǒng)及其輔助元件?？紤]到 腰座是機器人的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對機械手的最終精度影響大，故采用電機 驅(qū)動來實現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運動。一般電機都不能直接驅(qū)動，考慮到轉(zhuǎn)速以及扭 矩的具體要求，采用大傳動比的齒輪傳動系統(tǒng)進行減速和扭矩的放大。因為 齒輪傳動存在著齒側(cè)間隙，影響傳動精度，故采用一級齒輪傳動，采用大的 傳動比（大于100）,同時為了減小機械手的整體結(jié)構(gòu)，齒輪采用高強度、高 硬度的材料，高精度加工制造，盡量減小因齒輪傳動造成的誤差。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機械手手臂的結(jié)構(gòu)設計2.3.1機械手手臂的設計要求機器人手臂的作用，是在一定的載荷和一定的速度下，實現(xiàn)在機器人所 要求的工作空間內(nèi)的運動。在進行機器人手臂設計時，要遵循下述原則；1應盡可能使機器人手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行； 相互垂直的軸應盡可能相交 于一點，這樣可以使機器人運動學正逆運算簡化，有利于機器人的控制。2機器人手臂的結(jié)構(gòu)尺寸應滿足機器人工作空間的要求。工作空間的形狀和大小與機器人手臂的長度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍有密切的關(guān)系。但機器人 手臂末端工作空間并沒有考慮機器人手腕的空間姿態(tài)要求，如果對機器人手 腕的姿態(tài)提出具體的要求，則其手臂末端可實現(xiàn)的空間要小于上述沒有考慮 手腕姿態(tài)的工作空間。3為了提高機器人的運動速度與控制精度， 應在保證機器人手臂有足夠強 度和剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設法減輕手臂的重量。力求選 用高強度的輕質(zhì)材料，通常選用高強度鋁合金制造機器人手臂。目前，在國 外，也在研究用碳纖維復合材料制造機器人手臂。碳纖維復合材料抗拉強度 高，抗振性好，比重?。ㄆ浔戎叵喈斢阡摰?/4,相當于鋁合金的2/3）,但是, 其價格昂貴，且在性能穩(wěn)定性及制造復雜形狀工件的工藝上尚存在問題，故 還未能在生產(chǎn)實際中推廣應用。目前比較有效的辦法是用有限元法進行機器 人手臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計。在保證所需強度與剛度的情況下，減輕機器人手臂 的重量。4機器人各關(guān)節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機械間隙所造成的運動誤 差。因此，各關(guān)節(jié)都應有工作可靠、便于調(diào)整的軸承間隙調(diào)整機構(gòu)。5機器人的手臂相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應盡可能在重量上平衡，這對減小電機負載和提高機器人手臂運動的響應速度是非常有利的。在設計機器人的手臂 時，應盡可能利用在機器人上安裝的機電元器件與裝置的重量來減小機器人 手臂的不平衡重量，必要時還要設計平衡機構(gòu)來平衡手臂殘余的不平衡重量。6機器人手臂在結(jié)構(gòu)上要考慮各關(guān)節(jié)的限位開關(guān)和具有一定緩沖能力的 機械限位塊，以及驅(qū)動裝置，傳動機構(gòu)及其它元件的安裝。2.3.2設計具體采用方案機械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸縮運動都為直 線運動。直線運動的實現(xiàn)一般是氣動傳動，液壓傳動以及電動機驅(qū)動滾珠絲 杠來實現(xiàn)?？紤]到搬運工件的重量較大， 考慮加工工件的質(zhì)量達30KG，屬中 型重量，同時考慮到機械手的動態(tài)性能及運動的穩(wěn)定性，安全性，對手臂的 剛度有較高的要求。綜合考慮，兩手臂的驅(qū)動均選擇液壓驅(qū)動方式，通過液 壓缸的直接驅(qū)動，液壓缸既是驅(qū)動元件，又是執(zhí)行運動件，不用再設計另外 的執(zhí)行件了；而且液壓缸實現(xiàn)直線運動，控制簡單，易于實現(xiàn)計算機的控制。因為液壓系統(tǒng)能提供很大的驅(qū)動力，因此在驅(qū)動力和結(jié)構(gòu)的強度都是比 較容易實現(xiàn)的，關(guān)鍵是機械手運動的穩(wěn)定性和剛度的滿足。因此手臂液壓缸 的設計原則是缸的直徑取得大一點（在整體結(jié)構(gòu)允許的情況下），再進行強度的較核。同時，因為控制和具體工作的要求，機械手的手臂的結(jié)構(gòu)不能太大，若 僅僅通過增大液壓缸的缸徑來增大剛度，是不能滿足系統(tǒng)剛度要求的。因此， 在設計時另外增設了導桿機構(gòu)，小臂增設了兩個導桿，與活塞桿一起構(gòu)成等 邊三角形的截面形式，盡量增加其剛度；大臂增設了四個導桿，成正四邊形 布置，為減小質(zhì)量，各個導桿均采用空心結(jié)構(gòu)。通過增設導桿，能顯著提高 機械手的運動剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性的問題。2.4機械手腕部的結(jié)構(gòu)設計機器人的手臂運動（包括腰座的回轉(zhuǎn)運動），給出了機器人末端執(zhí)行器在 其工作空間中的運動位置，而安裝在機器人手臂末端的手腕，則給出了機器 人末端執(zhí)行器在其工作空間中的運動姿態(tài)。機器人手腕是機器人操作機的最 末端，它與機器人手臂配合運動，實現(xiàn)安裝在手腕上的末端執(zhí)行器的空間運 動軌跡與運動姿態(tài)，完成所需要的作業(yè)動作。2.4.1機器人手腕結(jié)構(gòu)的設計要求1.機器人手腕的自由度數(shù)，應根據(jù)作業(yè)需要來設計。機器人手腕自由度數(shù) 目愈多，各關(guān)節(jié)的運動角度愈大，則機器人腕部的靈活性愈高，機器人對對 作業(yè)的適應能力也愈強。但是，自由度的增加，也必然會使腕部結(jié)構(gòu)更復雜，機器人的控制更困難，成本也會增加。因此，手腕的自由度數(shù)，應根據(jù)實際 作業(yè)要求來確定。在滿足作業(yè)要求的前提下，應使自由度數(shù)盡可能的少。一般的機器人手腕的自由度數(shù)為 2至3個，有的需要更多的自由度，而有的機 器人手腕不需要自由度，僅憑受臂和腰部的運動就能實現(xiàn)作業(yè)要求的任務。 因此，要具體問題具體分析，考慮機器人的多種布局，運動方案，選擇滿足 要求的最簡單的方案。2機器人腕部安裝在機器人手臂的末端，在設計機器人手腕時，應力求減少其重量和體積，結(jié)構(gòu)力求緊湊。為了減輕機器人腕部的重量，腕部機構(gòu)的 驅(qū)動器采用分離傳動。腕部驅(qū)動器一般安裝在手臂上，而不采用直接驅(qū)動， 并選用高強度的鋁合金制造。3機器人手腕要與末端執(zhí)行器相聯(lián)，因此，要有標準的聯(lián)接法蘭，結(jié)構(gòu)上要便于裝卸末端執(zhí)行器。4機器人的手腕機構(gòu)要有足夠的強度和剛度，以保證力與運動的傳遞。5要設有可靠的傳動間隙調(diào)整機構(gòu)，以減小空回間隙，提高傳動精度。6手腕各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動要有限位開關(guān)， 并設置硬限位，以防止超限造成機械 損壞。2.4.2設計具體采用方案通過對數(shù)控機床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機床加工的具體形式 及對機械手上下料作業(yè)時的具體要求，在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下提高安 全和可靠性，為使機械手的結(jié)構(gòu)盡量簡單，降低控制的難度，本設計手腕不 增加自由度，實踐證明這是完全能滿足作業(yè)要求的，3個自由度來實現(xiàn)機床的 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)見圖2-4。水平液壓缸支承板手臂手爪聯(lián)結(jié)圖2-4手爪聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)2.5機械手末端執(zhí)行器（手爪）的結(jié)構(gòu)設計2.5.1機械手末端執(zhí)行器的設計要求機器人末端執(zhí)行器是安裝在機器人手腕上用來進行某種操作或作業(yè)的附 加裝置。機器人末端執(zhí)行器的種類很多，以適應機器人的不同作業(yè)及操作要 求。末端執(zhí)行器可分為搬運用、加工用和測量用等。搬運用末端執(zhí)行器是指各種夾持裝置，用來抓取或吸附被搬運的物體。加工用末端執(zhí)行器是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機器人 附加裝置，用來進行相應的加工作業(yè)。測量用末端執(zhí)行器是裝有測量頭或傳感器的附加裝置，用來進行測量及 檢驗作業(yè)。在設計機器人末端執(zhí)行器時，應注意以下問題；1機器人末端執(zhí)行器是根據(jù)機器人作業(yè)要求來設計的。一個新的末端執(zhí)行器的出現(xiàn)，就可以增加一種機器人新的應用場所。因此，根據(jù)作業(yè)的需要和 人們的想象力而創(chuàng)造的新的機器人末端執(zhí)行器，將不斷的擴大機器人的應用 領域。2機器人末端執(zhí)行器的重量、被抓取物體的重量及操作力的總和機器人容 許的負荷力。因此，要求機器人末端執(zhí)行器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。3機器人末端執(zhí)行器的萬能性與專用性是矛盾的。萬能末端執(zhí)行器在結(jié)構(gòu) 上很復雜，甚至很難實現(xiàn)，例如，仿人的萬能機器人靈巧手，至今尚未實用 化。目前，能用于生產(chǎn)的還是那些結(jié)構(gòu)簡單、萬能性不強的機器人末端執(zhí)行 器。從工業(yè)實際應用出發(fā)，應著重開發(fā)各種專用的、高效率的機器人末端執(zhí) 行器，加之以末端執(zhí)行器的快速更換裝置，以實現(xiàn)機器人多種作業(yè)功能，而 不主張用一個萬能的末端執(zhí)行器去完成多種作業(yè)。因為這種萬能的執(zhí)行器的 結(jié)構(gòu)復雜且造價昂貴。4通用性和萬能性是兩個概念，萬能性是指一機多能，而通用性是指有限 的末端執(zhí)行器，可適用于不同的機器人，這就要求末端執(zhí)行器要有標準的機 械接口（如法蘭），使末端執(zhí)行器實現(xiàn)標準化和積木化。5機器人末端執(zhí)行器要便于安裝和維修， 易于實現(xiàn)計算機控制。用計算機 控制最方便的是電氣式執(zhí)行機構(gòu)。因此，工業(yè)機器人執(zhí)行機構(gòu)的主流是電氣 式，其次是液壓式和氣壓式（在驅(qū)動接口中需要增加電-液或電-氣變換環(huán)節(jié)）。 2.5.2機器人夾持器的運動和驅(qū)動方式機器人夾持器及機器人手爪。一般工業(yè)機器人手爪，多為雙指手爪。按 手指的運動方式，可分為回轉(zhuǎn)型和移動型，按夾持方式來分，有外夾式和內(nèi) 撐式兩種。機器人夾持器（手爪）的驅(qū)動方式主要有三種1氣動驅(qū)動方式這種驅(qū)動系統(tǒng)是用電磁閥來控制手爪的運動方向，用 氣流調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)其運動速度。由于氣動驅(qū)動系統(tǒng)價格較低，所以氣動夾持 器在工業(yè)中應用較為普遍。另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動手爪的抓取 運動具有一定的柔順性，這一點是抓取動作十分需要的。2電動驅(qū)動方式電動驅(qū)動手爪應用也較為廣泛。這種手爪，一般采用直流伺服電機或步進電機，并需要減速器以獲得足夠大的驅(qū)動力和力矩。 電動驅(qū)動方式可實現(xiàn)手爪的力與位置控制。但是，這種驅(qū)動方式不能用于有 防爆要求的條件下，因為電機有可能產(chǎn)生火花和發(fā)熱。3液壓驅(qū)動方式液壓驅(qū)動系統(tǒng)傳動剛度大，可實現(xiàn)連續(xù)位置控制。2.5.3機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實現(xiàn)手爪的松、開，來實現(xiàn)抓取工件。2滑槽式手爪當活塞向前運動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產(chǎn)生夾緊動作和夾緊 力，當活塞向后運動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應抓取大小 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）運動， 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活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動作。5平行杠桿式手爪采用平行四邊形機構(gòu)，因此不需要導軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運動，比帶有導軌的平行移動手爪的摩擦力要小很多。2.5.4設計具體采用方案結(jié)合具體的工作情況，本設計采用連桿杠桿式的手爪。驅(qū)動活塞往復移動，通過活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條使手指張開或閉合。手指的最小開度由加工工件的直徑來調(diào)定。本設計按照工件的直徑為50mm來設計手爪的具體結(jié)構(gòu)形式如圖2-5所示：沈陽大學畢業(yè)設計（論文）No 222.6機械手的機械傳動機構(gòu)的設計2.6.1工業(yè)機器人傳動機構(gòu)設計應注意的問題機器人是由多級聯(lián)桿和關(guān)節(jié)組成的多自由度的空間運動機構(gòu)。除直接驅(qū) 動型機器人以外，機器人各聯(lián)桿及各關(guān)節(jié)的運動都是由驅(qū)動器經(jīng)過各種機械 傳動機構(gòu)進行驅(qū)動的。機器人所采用的傳動機構(gòu)與一般機械的傳動機構(gòu)相類 似。常用的機械傳動機構(gòu)主要有螺旋傳動、齒輪傳動、同步帶傳動、高速帶 傳動等。由于傳動部件直接影響著機器人的精度、穩(wěn)定性和快速響應能力， 因此，應設計和選擇滿足傳動間隙小，精度高，低摩擦、體積小、重量輕、 運動平穩(wěn)、響應速度快、傳遞轉(zhuǎn)矩大、諧振頻率高以及與伺服電動機等其它 環(huán)節(jié)的動態(tài)性能相匹配等要求的傳動部件。在設計機器人的傳動機構(gòu)時要注意以下問題：1為了提高機器人的運動速度及控制精度， 要求機器人各運動部件的重量 要輕，慣量要小。因此，機器人的傳動機構(gòu)要力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，體積 小。2在傳動鏈及運動副中要采用間隙調(diào)整機構(gòu)，以減小反向空回所造成的運動誤差。3系統(tǒng)傳動部件的靜摩擦力應盡可能小，動摩擦力應是盡可能小的正斜 率，若為負斜率則易產(chǎn)生爬行，精度降低，壽命減小。因此，要采用低摩擦 阻力的傳動部件和導向支承部件，如滾珠絲杠副、滾動導向支承等。4縮短傳動鏈，提高傳動與支承剛度，如用預緊的方法提高滾珠絲杠副和 滾動導軌副的傳動和支承剛度；采用大扭矩、寬調(diào)速的直流或交流伺服電機 直接與絲杠螺母副連接，以減小中間傳動機構(gòu)；絲杠的支承設計采用兩端軸 向預緊或預拉伸支承結(jié)構(gòu)等。5選用最佳傳動比，以達到提高系統(tǒng)分辨率、減少等效到執(zhí)行元件輸出軸 上的等效轉(zhuǎn)動慣量，盡可能提咼加速能力。6縮小反向死區(qū)誤差，如采取消除傳動間隙、減少支承變形等措施。7適當?shù)淖枘岜?，機械零件產(chǎn)生共振時，系統(tǒng)的阻尼越大，最大振幅就越 小，且衰減越快；但大阻尼也會使系統(tǒng)的失動量和反轉(zhuǎn)誤差增大，穩(wěn)態(tài)誤差 增大，精度降低。故在設計時要使傳動機構(gòu)的阻尼合適。262工業(yè)機器人常用的傳動機構(gòu)形式1齒輪傳動機構(gòu)在機器人中常用的齒輪傳動機構(gòu)有圓柱齒輪，圓錐齒輪，諧波齒輪，擺 線針輪及蝸輪蝸桿傳動等。機器人系統(tǒng)中齒輪傳動設計的一些問題（1）齒輪傳動形式及其傳動比的最佳匹配選擇。齒輪傳動部件是轉(zhuǎn)矩、 轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的變換器用于伺服系統(tǒng)的齒輪減速器是一個力矩變換器。齒輪傳 動比應滿足驅(qū)動部件與負載之間的位移及轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的匹配要求，其輸入電 動機為高轉(zhuǎn)速，低轉(zhuǎn)矩，而輸出則為低轉(zhuǎn)速，高轉(zhuǎn)矩。故齒輪傳動系統(tǒng)要有 足夠的剛度，還要求其轉(zhuǎn)動慣量盡量小，以便在獲得同一加速度時所需的轉(zhuǎn) 矩小，即在同一驅(qū)動功率時，其加速度響應最大。齒輪的嚙合間隙會造成傳 動死區(qū)（失動量），若該死區(qū)是閉環(huán)系統(tǒng)中，則可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，常使系 統(tǒng)產(chǎn)生低頻振蕩，因此要盡量采用齒側(cè)間隙小，精度高的齒輪；為盡量降低 制造成本，要采用調(diào)整齒側(cè)間隙的方法來消除或減小嚙合間隙，從而提高傳 動精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。沈陽大學畢業(yè)設計（論文）No 24(2) 各級傳動比的最佳分配原則。當計算出傳動比后，為使減速系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)緊湊，滿足動態(tài)性能和提高傳動精度的要求，要對各級傳動比進行合理的 分配，原則如下：a.輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則。為了提高齒輪傳動系統(tǒng)的運動精度，各級 傳動比應按 先小后大”的原則分配，以便降低齒輪的加工誤差、安裝誤差及回 轉(zhuǎn)誤差對輸出轉(zhuǎn)角精度的影響。設齒輪傳動中各級齒輪的轉(zhuǎn)角誤差換算到末 級輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為.max，則(2-1)n匚= max 二 -k / Lkn )i z1式中：厶k -第k個齒輪所具有的轉(zhuǎn)角誤差；i(kn)-第k個齒輪的轉(zhuǎn)軸至n級輸出軸的傳動比。則四級齒輪傳動系統(tǒng)的各級齒輪的轉(zhuǎn)角誤差(.1、厶八、厶8 )換算到末級輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為丄35 . 7 .-ii3i4i4(2-2)由此可知總轉(zhuǎn)角誤差主要取決于最末級齒輪的轉(zhuǎn)角誤差和傳動比的大 小。因此，在設計中最末兩級的傳動比應取大一些，并盡量提高其加工精度b.等效轉(zhuǎn)動慣量最小原則。利用該原則設計的齒輪系統(tǒng)要使換算到電動機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量最小，各級傳動比也是按照 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：(1) 對要求運動平穩(wěn)，起停頻繁和動態(tài)性能好的伺服系統(tǒng)，按最小等效 轉(zhuǎn)動慣量和總轉(zhuǎn)角誤差最小的原則來處理。（2）對于變負載的傳動齒輪系統(tǒng)的各級傳動比最好采用不可約的比數(shù)， 避免同期嚙合以降低噪音和振動。（3）對于提高傳動精度和減小回程誤差為主的傳動齒輪系統(tǒng)，按總轉(zhuǎn)角 誤差最小原則；對于增速傳動，由于增速時容易破壞傳動齒輪系工作的平穩(wěn)性，應在開始幾級就增速，并且要求每級增速比最好大于1:3，以有利于增加輪系的剛度，減小傳動誤差。（4）對以比較大傳動比傳動的齒輪系，往往需要將定軸輪系和行星輪系 結(jié)合為混合輪系。對于相當大大傳動比、并且要求傳動精度與傳動效率高， 傳動平穩(wěn)以及體積小重量輕時。可選用新型的諧波齒輪傳動。2諧波齒輪傳動諧波齒輪傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小重量輕，傳動比大（幾十到幾百），傳動精度高、回程誤差小、噪音低、傳動平穩(wěn)，承載能力強、效率高等一系 列優(yōu)點。故在工業(yè)機器人系統(tǒng)中得到廣泛的應用。諧波齒輪傳動與少齒差行 星齒輪傳動十分相似，它是依靠柔性齒輪產(chǎn)生的可控變形波引起齒間的相對 錯齒來傳遞動力與運動的，故諧波齒輪傳動與一般的齒輪傳動具有本質(zhì)上的 差別。3螺旋傳動螺旋傳動及絲杠螺母，它主要是用來將旋轉(zhuǎn)運動變換為直線運動或?qū)⒅?線運動變換為旋轉(zhuǎn)運動。螺旋傳動有傳遞能量為主的，如螺旋壓力機、千斤 頂?shù)?；有以傳遞運動為主的，如機床工作臺的進給絲杠。絲杠螺母傳動分為普通絲杠（滑動摩擦）和滾珠絲杠（滾動摩擦），前者結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、制造成本低，具有自鎖能力；但是摩擦阻力矩大、傳動效率低（30%40%）。后者雖然結(jié)構(gòu)復雜、制造成本高，但是其最大的優(yōu)點 是摩擦阻力矩小、傳動效率高（92%98%）,其運動平穩(wěn)性好，靈活度高。通 過預緊，能消除間隙、提高傳動剛度；進給精度和重復定位精度高。使用壽 命長；而且同步性好，使用可靠、潤滑簡單，因此滾珠絲杠在機器人中應用 很多。由于滾珠絲杠傳動返行程不能自鎖；因此在用于垂直方向傳動時，須 附加自鎖機構(gòu)或制動裝置。在選用滾珠絲杠要考慮以下幾項指標：（1）滾珠絲杠的精度等級；（2）滾珠絲杠的傳動間隙允許值和預加載荷的期望值；（3）載荷條件（靜、動載荷）以及載荷允許值；（4）滾珠絲杠的工作壽命；（5）滾珠絲杠的臨界轉(zhuǎn)速；（6）滾珠絲杠的剛度；減小滾珠絲杠空回行程的方法，多是采用雙螺母結(jié)構(gòu)，使螺母與絲杠之 間有一定的預加載荷。這樣可以消除傳動間隙，提高傳動精度與剛度。但是 預加載荷會使?jié)L珠絲杠壽命下降，所以，預加載荷不應超過工作載荷的1/34同步帶傳動同步帶傳動是綜合了普通帶傳動和鏈輪鏈條傳動優(yōu)點的一種新型傳動， 它在帶的工作面及帶輪外周上均制有嚙合齒，通過帶齒與輪齒作嚙合傳動。 為保證帶和帶輪作無滑動的同步傳動，齒形帶采用了承載后無彈性變形的高 強力材料，無彈性滑動，以保證節(jié)距不變。同步帶具有傳動比準確、傳動效 率高（可達98%）、節(jié)能效果好；能吸振、噪聲低、不需要潤滑；傳動平穩(wěn)， 能高速傳動（可達40m/s）、傳動比可達10,結(jié)構(gòu)緊湊、維護方便等優(yōu)點，故 在機器人中使用很多。其主要缺點是安裝精度要求高、中心距要求嚴格，同 時具有一定的蠕變性。同步帶帶輪齒形有梯形齒形和圓弧齒形。5鋼帶傳動鋼帶傳動的特點是鋼帶與帶輪間接觸面積大，是無間隙傳動、摩擦阻力 大，無滑動，結(jié)構(gòu)簡單緊湊、運行可靠、噪聲低，驅(qū)動力矩大、壽命長，鋼 帶無蠕變、傳動效率高。6鏈傳動在機器人中鏈傳動多用于腕傳動上，為了減輕機器人末端的重量，一般 都將腕關(guān)節(jié)驅(qū)動電機安裝在小臂后端或大臂關(guān)節(jié)處。由于電機距離被傳動的 腕關(guān)節(jié)較遠，故采用精密套筒滾子鏈來傳動。7.鋼絲繩輪傳動鋼絲繩輪傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動剛度大、結(jié)構(gòu)柔軟，成本較低等優(yōu)點。其缺點是帶輪較大、安裝面積大、加速度不宜太高。263設計具體采用方案具體到本設計，因為選用了液壓缸作為機械手的水平手臂和垂直手臂，由于液壓缸實現(xiàn)直接驅(qū)動，它既是關(guān)節(jié)機構(gòu)，又是動力元件。故不需要中間 傳動機構(gòu)，這既簡化了結(jié)構(gòu)，同時又提高了精度。而機械手腰部的回轉(zhuǎn)運動 采用步進電機驅(qū)動，必須采用傳動機構(gòu)來減速和增大扭矩。經(jīng)分析比較，選 擇圓柱齒輪傳動，為了保證比較高的精度，盡量減小因齒輪傳動造成的誤差； 同時大大增大扭矩，同時較大的降低電機轉(zhuǎn)速，以使機械手的運動平穩(wěn)，動 態(tài)性能好。這里只采用一級齒輪傳動，采用大的傳動比（大于100），齒輪采用高強度、高硬度的材料，高精度加工制造。2.7機械手驅(qū)動系統(tǒng)的設計2.7.1機器人各類驅(qū)動系統(tǒng)的特點工業(yè)機器人的驅(qū)動系統(tǒng)，按動力源分為液壓、氣動和電動三大類。根據(jù) 需要也可這三種基本類型組合成復合式的驅(qū)動系統(tǒng)。這三類基本驅(qū)動系統(tǒng)的 主要特點如下。1. 液壓驅(qū)動系統(tǒng)由于液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)，它具有動力大、力（或力矩）與 慣量比大、快速響應咼、易于實現(xiàn)直接驅(qū)動等特點。適合于在承載能力大， 慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機器人。但是，液壓系統(tǒng)需要進行能 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 動驅(qū)動系統(tǒng)低，液壓系統(tǒng)的液體泄露會對環(huán)境產(chǎn)生污染，工作噪音也較高。2. 氣動驅(qū)動系統(tǒng)具有速度快，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維修方便、價格低等特點。適用于中、小 負荷的機器人中采用。但是因難于實現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機器人 中，如在上、下料和沖壓機器人中應用較多。3. 電動驅(qū)動系統(tǒng)由于低慣量、大轉(zhuǎn)矩的交、直流伺服電機及其配套的伺服驅(qū)動器（交流 變頻器、直流脈沖寬度調(diào)制器）的廣泛采用，這類驅(qū)動系統(tǒng)在機器人中被大 量采用。這類驅(qū)動系統(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)電機后面需安裝精密的傳動機構(gòu)。直流有刷電機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)動系統(tǒng)高。但因為這類驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu) 點比較突出，因此在機器人中被廣泛的使用。2.7.2工業(yè)機器人驅(qū)動系統(tǒng)的選擇原則設計機器人時，驅(qū)動系統(tǒng)的選擇，要根據(jù)機器人的用途、作業(yè)要求、機 器人的性能規(guī)范、控制功能、維護的復雜程度、運行的功耗、性價比以及現(xiàn) 有的條件等綜合因素加以考慮。在注意各類驅(qū)動系統(tǒng)特點的基礎上，綜合上 述各因素，充分論證其合理性、可行性、經(jīng)濟性及可靠性后進行最終的選擇。 一般情況下：1. 物料搬運（包括上下料）使用的有限點位控制的程序控制機器人，重負 荷的選擇液壓驅(qū)動系統(tǒng)，中等負荷的可選電機驅(qū)動系統(tǒng)，輕負荷的可選氣動 驅(qū)動系統(tǒng)。沖壓機器人多采用氣動驅(qū)動系統(tǒng)。2. 用于點焊和弧焊及噴涂作業(yè)的機器人，要求具有點位和軌跡控制功能， 需采用伺服驅(qū)動系統(tǒng)。只有采用液壓或電動伺服系統(tǒng)才能滿足要求。點焊、 弧焊機器人多采用電動驅(qū)動系統(tǒng)。重負荷的任意點位控制的點焊及搬運機器 人選用液壓驅(qū)動系統(tǒng)。2.7.3機器人液壓驅(qū)動系統(tǒng)液壓系統(tǒng)自1962年在世界上第一臺機器人中應用到現(xiàn)在，已在工業(yè)機器人中獲得了廣泛的應用。目前，雖然在中等負荷以下的工業(yè)機器人中大量采 用電機驅(qū)動系統(tǒng)，但是在簡易經(jīng)濟型、重型的工業(yè)機器人和噴涂機器人中采 用液壓系統(tǒng)的還仍然占有很大的比例。液壓系統(tǒng)在機器人中所起的作用是通過電-液轉(zhuǎn)換元件把控制信號進行功 率放大，對液壓動力機構(gòu)進行方向、位置、和速度的控制，進而控制機器人 手臂按給定的運動規(guī)律動作。液壓動力機構(gòu)多數(shù)情況下采用直線液壓缸或擺 動馬達，連續(xù)回轉(zhuǎn)的液壓馬達用得很少。在工業(yè)機器人中，中、小功率的液壓驅(qū)動系統(tǒng)用節(jié)流調(diào)速的為多，大功率的用容積調(diào)速系統(tǒng)。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng), 動態(tài)特性好，但是效率低。容積調(diào)速系統(tǒng)，動態(tài)特性不如前者，但效率高。 機器人液壓驅(qū)動系統(tǒng)包括程序控制和伺服控制兩類。1程序控制機器人的液壓系統(tǒng)這類機器人屬非伺服控制的機器人，在只有簡單搬運作業(yè)功能的機器人 中，常常采用簡易的邏輯控制裝置或可編程控制器對機器人實現(xiàn)有限點位的 控制。這類機器人的液壓系統(tǒng)設計要重視以下方面：（1）液壓缸設計：在確保密封性的前提下，盡量選用橡膠與氟化塑料組 合的密封件，以減小摩擦阻力，提高液壓缸的壽命。（2）定位點的緩沖與制動：因為機器人手臂的運動慣量比較大，在定位 點前要加緩沖與制動機構(gòu)或鎖定裝置。（3）對慣量比較大的運動軸的液壓缸兩側(cè)最好加設安全保護回路，防止 因碰撞過載而損壞機械結(jié)構(gòu)。（4）液壓源應該加蓄能器，以利于多運動軸同時動作或加速運動提供瞬 時能量儲備。2伺服控制機器人的液壓系統(tǒng)具有點位控制和連續(xù)軌跡控制功能的工業(yè)機器人，需要采用電-液伺服驅(qū) 動系統(tǒng)。其電-液轉(zhuǎn)換和功率放大元件有電-液伺服閥，電-液比例閥，電-液脈 沖閥等。由以上各類閥件與液壓動力機構(gòu)可組成電 -液伺服馬達，電-液伺服液 壓缸，電-液步進馬達，電-液步進液壓缸，液壓回轉(zhuǎn)伺服執(zhí)行器（RSA-Rotory Serve Actuator）等各種電-液伺服動力機構(gòu)。根據(jù)結(jié)構(gòu)設計的需要，電-液伺服 馬達和電-液伺服液壓缸可以是分離式，也可以是組合成為一體。如果是分離式的連接方式，要盡量縮短連接管路，這樣可以減少伺服閥到液壓機構(gòu)間的管道容積，以增大液壓固有頻率。在機器人的驅(qū)動系統(tǒng)中，常用的電-液伺服動力機構(gòu)是電-液伺服液壓缸和 電-液伺服擺動馬達，也可以用電-液步進馬達。液壓回轉(zhuǎn)執(zhí)行器是一種由伺服 電機，步進電機或比例電磁鐵帶動的一個安放在擺動馬達或連續(xù)回轉(zhuǎn)馬達轉(zhuǎn) 子內(nèi)的一個回轉(zhuǎn)滑閥，通過機械反饋，驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動的一種電-液伺服機構(gòu)。它可安裝在機器人手臂和手腕的關(guān)節(jié)上，實現(xiàn)直接驅(qū)動。它既是關(guān)節(jié)機構(gòu)， 又是動力元件。2.7.4機器人氣動驅(qū)動系統(tǒng)氣動機器人采用壓縮空氣為動力源，一般從工廠的壓縮空氣站引到機器 人作業(yè)位置，也可以單獨建立小型氣源系統(tǒng)。由于氣動機器人具有氣源使用 方便、不污染環(huán)境、動作靈活迅速、工作安全可靠、操作維修簡便以及適宜 在惡劣環(huán)境下工作等特點，因此它在沖壓加工、注塑及壓鑄等有毒或高溫條 件下作業(yè)，機床上、下料，儀表及輕工行業(yè)中、小型零件的輸送和自動裝配 等作業(yè)，食品包裝及運輸，電子產(chǎn)品輸送、自動插接，彈藥生產(chǎn)自動化等方 面獲得大量應用。氣動驅(qū)動系統(tǒng)在多數(shù)情況下是用于實現(xiàn)兩位式的或有限點位控制的中、 小機器人中的。這類機器人多是圓柱坐標型和直角坐標型或二者的組合型結(jié) 構(gòu)；3-5個自由度；負荷在200N以下；速度300-1000mm/s重復定位精度為 +/-0.1-0。5mm。控制裝置目前多數(shù)選用可編程控制器（PLC）。在易燃、易爆 的場合下可采用氣動邏輯元件組成控制裝置。氣動驅(qū)動系統(tǒng)大體由以下幾部 分組成1氣源由總壓縮空氣站提供。氣源部分包括空氣壓縮機，儲氣罐，氣水分離器，調(diào)壓器，過濾器等。如果沒有壓縮空氣站的條件，可以按機器人 及配套的其他氣動設備需要配置相應供氣量的氣源設備。2氣動三聯(lián)件由分水濾氣器，調(diào)壓器，油霧器三大件組成，可以是分離式，也可以是三聯(lián)組裝式的，多數(shù)情況下用三聯(lián)組裝式結(jié)構(gòu)。不論是由壓 縮空氣站供氣還是用單獨的氣源，氣動三聯(lián)件是必備的。雖然用無潤滑氣缸 可以不用油霧器，但是一般情況下，建議也在氣路上裝上油霧器，以減少氣 缸摩擦力，增加使用壽命。3氣動閥氣動閥的種類很多，在工業(yè)機器人的氣動驅(qū)動系統(tǒng)中， 常用的閥件有電磁氣閥、節(jié)流調(diào)速閥、減壓閥等。4氣動執(zhí)行機構(gòu)多數(shù)情況下使用氣缸（直線氣缸或擺動氣缸）。直線氣缸分單動式和雙動式兩類。除個別用單動式氣缸外（如手爪機構(gòu)上用的），多數(shù)采用雙動氣缸。為實現(xiàn)端部緩沖，要選用雙向端點位置緩沖的氣缸。氣 缸的結(jié)構(gòu)形式以及與機器人機構(gòu)的連接方式（如法蘭連接，尾部鉸接，前端 或中間鉸接，氣缸桿的螺紋連接或鉸接等）由設計機器人時根據(jù)結(jié)構(gòu)要求而 定。氣缸的內(nèi)徑，行程大小可根據(jù)對機器人的運動分析和動力分析進行計算。為了確保氣缸的密封要求，同時又要盡量降低摩擦力，密封材料要選用 橡膠和氟化塑料組合的密封環(huán)。無接觸感應式氣缸目前在氣動系統(tǒng)中已獲得 廣泛的應用，這種氣缸在活塞上裝有永久磁鐵的磁環(huán)，通過磁感應，使在氣 缸外面安裝的非接觸磁性接近開關(guān)動作發(fā)訊，進行位置檢測。除了直線氣缸 外，機器人中用得比較多還有有限角擺動氣缸，這種擺動缸多用于手腕機構(gòu)5制動器氣動機器人的定位問題很大程度上是如何實現(xiàn)停點的制動。氣缸活塞的運動速度容許達1.5m/s，如果氣缸以1m/s的速度計算，電磁氣閥 以較大關(guān)閉時間70ms計，那么氣缸活塞兩個停點的距離約為 70mm,兩個停 點的步長應大于這個數(shù)值。對于小流量的電磁氣閥，吸合關(guān)閉時間較小，停 點的步長也要相應縮短。因此對機器人一個單自由度而言，停點數(shù)目最多6-9個。為增加定位點數(shù)，除采用多位置氣缸外可采用制動的方法還有：反壓制 動，制動裝置制動。6.限位器氣動機器人各運動軸的制動和定位點到位發(fā)訊，可由編程器發(fā)指令，或由限位開關(guān)發(fā)訊。根據(jù)要求和條件，如果選用無接觸感應式氣缸， 其限位開關(guān)是無接觸接近開關(guān)，這種開關(guān)的反映時間小于20ms,在機器人中應用比較理想。當氣缸活塞運動到定位點時，為保證定位精度，需要將運動 軸鎖緊。常用的限位機構(gòu)是由電磁閥控制的氣缸帶動鎖緊機構(gòu)（插鎖，滑塊 等）將機器人運動機構(gòu)鎖定。再啟動時，事先打開鎖緊機構(gòu)。2.7.5機器人電動驅(qū)動系統(tǒng)這些年來，針對機器人，數(shù)控機床等自動機械而開發(fā)的各種類型的伺服 電動機及伺服驅(qū)動器的大量出現(xiàn)，為機器人驅(qū)動系統(tǒng)的更新創(chuàng)造了條件。由 于高起動力矩、大轉(zhuǎn)矩低慣量的交、直流電機在機器人中的應用，因此一般 情況下，負重在100kg以下的工業(yè)機器人大多數(shù)采用電動驅(qū)動系統(tǒng)。其驅(qū)動 原理方塊圖如下所示：在機器人驅(qū)動系統(tǒng)中應用的電動機大致可分為如下類型：小慣量永磁直 流伺服電動機，有刷繞組永磁直流伺服電動機，大慣量永磁直流伺服電動機（力矩電機），反應式步進電機，同步式交流伺服電動機，異步式交流伺服電動機速度傳感器多數(shù)用的是測速發(fā)電機，位置傳感器多數(shù)用光電編碼器。伺服電動機可與測速發(fā)電機、光電編碼器、制動器、減速器相結(jié)合，實現(xiàn)部分 組合、由幾種組合或全部組合，形成伺服電動機驅(qū)動單元。為了提高機器人 的傳動精度，國外近幾年開發(fā)了直接驅(qū)動電動機，并將多級旋轉(zhuǎn)變壓器組合 在一起，這種旋轉(zhuǎn)變壓器每轉(zhuǎn)可達40-60萬個脈沖，這種直接驅(qū)動的電機（DD 驅(qū)動電機）在快速高精度定位的裝配機器人中已經(jīng)得到應用。1. 機器人驅(qū)動系統(tǒng)電機的選擇機器人的驅(qū)動系統(tǒng)電機的選擇要根據(jù)機器人的用途、功能、結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合各類電機自身的特點、性能、結(jié)構(gòu)特點以及性能價格比等綜合考慮進行。根據(jù)機器人各運動軸所計算的、要求電機的轉(zhuǎn)速、負載額定力矩、加減速特 性、額定功率、加速功率等參數(shù)選擇電機型號。有關(guān)各類驅(qū)動電動機主要特 點及性能、結(jié)構(gòu)特點、用途及使用范圍、適用的驅(qū)動器見表 2-1：表2-1名稱主要特點及性能結(jié)構(gòu)特點用途及使用范圍驅(qū)動器小慣量直 流永磁 伺服電 動機電機的慣量小，理論加速 度大，快速反應性好，低速性 好，調(diào)速比可達1: 10e4范圍， 但低速輸出力矩不大，轉(zhuǎn)子直徑小，慣量小適用于對快 速性要求嚴格而 負載力矩不大的 場合直流PWM伺服 驅(qū)動器SCR變壓驅(qū)動器有 刷繞組 永磁直 流伺服 電動機轉(zhuǎn)動慣量小，快速響應性 能好；轉(zhuǎn)子無鐵損，效率高； 換向性能好，壽命長；負載波 動對轉(zhuǎn)速影響小，輸出力矩平 穩(wěn)。無鐵心， 具有軸向平面 間隙可頻繁起制 動、正反轉(zhuǎn)工作， 響應迅速，適用 于機器人，數(shù)控 等直流PWM伺服驅(qū)動器，SCR變壓驅(qū) 動器大 慣量永 磁直流 伺服電 動機輸出力矩大，轉(zhuǎn)矩波動小， 機械特性硬度大，可以長時間 工作在堵轉(zhuǎn)條件下又稱力矩 電機，其轉(zhuǎn)子 較粗適用于驅(qū)動 力矩較大的場 合，因可不用齒 輪傳動，消除了 齒輪間隙直流PWM伺服驅(qū)動器，SCR變壓驅(qū) 動器表2-1續(xù)表反 應步進 電機將電脈沖信號直接轉(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轉(zhuǎn)子 無轉(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)控機床、 機器人；開環(huán)控 制直流PWM伺服 驅(qū)動器SCR 變壓驅(qū)動器同 步交流 伺服電 動機轉(zhuǎn)速與定子繞組所建立的 旋轉(zhuǎn)磁場嚴格同步；從低度到 高速，定子繞組可通過大電流， 故起、制動轉(zhuǎn)矩不降低，可頻 繁起、制動轉(zhuǎn)子由永久磁鐵做成，主要用于中 小容量的伺服驅(qū) 動系統(tǒng)中，如數(shù) 控、機器人等系 統(tǒng)中交流PWM變頻調(diào)速器定子有二相， 轉(zhuǎn)子比較細異 步交流 伺服電 動機轉(zhuǎn)速永遠低于定子繞組所 建立的旋轉(zhuǎn)磁場，機構(gòu)簡單， 容量大，價格低定子由對 稱三相繞組組 成，用于數(shù)控機 床主軸等容量大 的場合交流PWM變頻調(diào)速器2. 機器人電動驅(qū)動系統(tǒng)伺服驅(qū)動器（1）直流電機伺服驅(qū)動器直流伺服電機驅(qū)動器目前多