【正文】 。因為這種萬能的執(zhí)行器的 結(jié)構(gòu)復雜且造價昂貴。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)動接一般工業(yè)機器人手爪，多為雙指手爪。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。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。 24通常與彈簧聯(lián)合使用。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。 25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。 在設(shè)計機器人的傳動機構(gòu)時要注意以下問題： ，要求機器人各運動部件的重量要輕，慣量要小。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。 ，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。 工業(yè)機器人常用的傳動機構(gòu)形式 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。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(yīng)最大。 為了提高齒輪傳動系統(tǒng)的運動精度，各級傳動比應(yīng)按“先小后大”的原則分配，以便降低齒 則四級齒輪傳動系統(tǒng)的各級齒輪的轉(zhuǎn)角誤差（ 1?? 、 2?? 、 ...、8?? ）換算到末級輸出軸上的總轉(zhuǎn)角 誤差為 84 7643 54432 321m a x ????????? ????????????????? iiiiiii （ 22） 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。 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)， （ 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(yīng)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。 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。螺旋傳動有傳遞能量為主后者雖然結(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。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(yù)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(yù)加載荷。 31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。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。 32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。這三類基本驅(qū)動系統(tǒng)的主要特點如下。 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(yīng)用較多。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。一般情況下： （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)。 ，要求具有點位和軌跡控制功能，需采用伺服驅(qū)動系統(tǒng)。 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(yīng)用到現(xiàn)在，已在工業(yè)機器人中獲得了廣泛的應(yīng)用。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)。 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 （ 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。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。 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。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。 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。在易燃、易爆的場合下可采用氣動邏輯元件組成控制裝置。 37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。直線氣缸分單動式和雙動式兩類。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。 開關(guān)動作發(fā)訊，進行位置檢測。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(yīng)縮短。根據(jù)要求和條件，如果選用無接觸感應(yīng)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(yīng)用比較理想。 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。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(yīng)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(yīng)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。 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。 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(yīng) 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(yīng)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)。其電源電壓為固定不變值，由大功率三極管作為開關(guān)元件，以固定的開關(guān)頻率動作，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電樞兩端的平均電末級采用大 功率三極管構(gòu)成橋式開關(guān)電路。 脈沖發(fā)生器可以按照起、制動及調(diào)速要求改變頻率、以控制步進電機。目前功率放大器多采用高低壓驅(qū)動電路。高電壓加入的時間長短由控制電路來實現(xiàn)。 進電機驅(qū)動來實現(xiàn)；因為采用液壓執(zhí)行缸來做水 平手臂和垂直手臂，故大小臂均采用液壓驅(qū)動；同時考慮隨著機床加工的工件的不同，水平手臂伸出長度是不同的。關(guān)節(jié)機器人手臂一般都需要平衡裝置，以減小驅(qū)動器的負荷， 同時縮短啟動時間。 用于配重平衡、彈簧平衡滿足不了工作要求的場合。 45 徑向柱塞馬達 轉(zhuǎn)速低，結(jié)構(gòu)復雜，輸出轉(zhuǎn)矩大 低速大轉(zhuǎn)矩回轉(zhuǎn)運動 本設(shè)計因為機械手的形式為圓柱坐標形式，具有 3 個自由度，一個轉(zhuǎn)動，兩個移動自由度。 方向控制是用換向閥或是邏輯控制單元來實現(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。 液壓源系統(tǒng)的設(shè)計 液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)完全由液壓源來提供，液壓源的核心是液壓泵。一般泵的入口要裝粗濾油器，進入系統(tǒng)的油液根據(jù)要求，通過精 濾油器再次過濾。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濾器，而在油泵的出口安裝精過濾器對循環(huán)的液壓油進行凈化。 其中，泵由三相交流異步電動機 M 拖動；考慮到手爪的工作要求輕緩抓取、迅速松開，系統(tǒng)采用了節(jié)流效果不等的兩個調(diào)速閥。 程的平穩(wěn)，同時盡量減小沖擊、振動，保證系統(tǒng)的安全性，采用溢流閥構(gòu)成的平衡回路相升降油缸下腔提供一定的排油背壓，以平衡重力負載。 50壓力決定于外載荷，流量取決于液壓執(zhí)行元件的運動速度和結(jié)構(gòu)尺寸。 另外，由于機械手垂直升降缸在工作時其下降方向與負荷重力作用方向一致，下降時有使運動速度加快的趨勢，為使運動過 48根據(jù)液壓設(shè)備所處的環(huán)境及對溫升的要求，還要考慮加熱、冷卻等措施。容積調(diào)速系統(tǒng)多用變量泵供油，用安全閥來限定系統(tǒng)的最高壓力。 對高壓大流量的系統(tǒng)，多采用插裝閥與先導控制閥的邏輯組合來實現(xiàn)。因此，機械手的水平手臂和垂直手臂都采用單活塞桿液壓缸，來實現(xiàn)直線往復運動。二者的特點及適用場合見表 31： 表 31 名 稱 特 點 適 用 場 合 雙活塞桿液壓缸 雙向?qū)ΨQ 雙向工作的往復場合 單活塞桿液壓缸 有效工作面積大、 雙向不對稱 往返不對稱的直線運動，差動連接可實現(xiàn)快進 柱塞缸 結(jié)構(gòu)簡單 單向工作，靠重力或其它外力返回 擺動缸 單葉片式小于 360 雙葉片式小于 180 小于 360 的擺動； 小于 180 的擺動 齒輪馬達 結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜 高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩的 回轉(zhuǎn)運動 葉片馬達 體積小、轉(zhuǎn)動慣量小 高速低轉(zhuǎn)矩、動作靈敏的回轉(zhuǎn)運動 擺線齒輪馬達 體積小、輸出轉(zhuǎn)局大 低速、小功率大轉(zhuǎn)矩的回轉(zhuǎn)運動 軸向柱塞馬達 運動平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速范圍寬 大轉(zhuǎn)矩的回轉(zhuǎn)運動 若實際工作中平衡結(jié)果不滿足，則設(shè)置彈簧平衡機構(gòu)進行平衡。 活塞式平衡系統(tǒng)有液壓和氣動兩種：液壓平衡系統(tǒng)平衡力大，體積小，有一定的阻尼作用；氣動平衡系統(tǒng)，具有很好的阻尼作用， 但體積比較大。一般在機器人手臂的不平衡力矩比較小的情況下采用這種平衡機構(gòu)。 而手爪的張開和夾緊通過液壓柱塞缸活塞與中間齒輪和扇形齒輪配合來實現(xiàn)，即手爪在柱塞缸推力作用下通過活塞桿端部齒條、中間齒輪及扇形齒輪使手指張開和閉合。機械手腰部的旋轉(zhuǎn)運動需要一定的定位控制精度，故采用步當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。它的作用是把脈沖發(fā)生器送來的一系列脈沖信號按照一定的循環(huán)規(guī)律依次分配給各繞組，以使步進 電機按著一定的規(guī)律運動。目前已廣泛應(yīng)用于各類數(shù)控機床、工業(yè)機器人及其它機電一體化產(chǎn)品中用做直流伺服電機的驅(qū)動。 壓，從而改變了電機的轉(zhuǎn)速。 41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 21： 表 21 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 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。 39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。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。 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。無接觸感應(yīng)式氣缸目前在氣動系統(tǒng)中已獲得廣泛的應(yīng)用，這種氣缸在活塞上裝有永久磁鐵的磁環(huán)，通過磁感應(yīng)，使在氣缸外面安裝的非接觸 磁性接近為實現(xiàn)端部緩沖，要選用雙向端點位置緩沖的氣缸。 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。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(shè)備需要配置相應(yīng)供氣量的氣源設(shè)備。 由總壓縮空氣站提供。 5mm。 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)。 36根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)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。 （ 4） 液壓源應(yīng)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。 機器人實現(xiàn)有限點位的控制。容積調(diào)速系統(tǒng)，動態(tài)特性不如前者，但效率高。 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。點焊、弧焊機器人多采用電動驅(qū)動系統(tǒng)。 34 工業(yè)機器人驅(qū)動系統(tǒng)的選擇原則 設(shè)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。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。 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。 機械手驅(qū)動 系統(tǒng)的設(shè)計 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。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