【正文】 .........................................46 控制器的選型 ......................................................47 控制系統(tǒng)原理分析 ..................................................48 I/O 地址分配 ......................................................50 機(jī)械手能代替人類完成危險、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動強(qiáng) 度，提高勞動生產(chǎn)力。目前，機(jī)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。因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計是非常有意義的。 9本設(shè)計能夠應(yīng)用到加工工廠車間，滿足數(shù)控機(jī)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(qiáng)度，節(jié)約加工輔助時間，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力。 C．機(jī)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(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)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(jìn)行決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)成為 總的來說，大體是兩個方向：其一是機(jī)器人的智能化，多傳感器、多控制器，先進(jìn)的控制算法，復(fù)雜的機(jī)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(wù)的工業(yè)機(jī)器人，主要采用性價比高的模塊，在滿足工作要求的基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場化、模塊化的元件。本著科學(xué)經(jīng)濟(jì)和滿足生產(chǎn)要求的設(shè)計原則，同時也考慮本次設(shè)計是畢業(yè)設(shè)計的特點，將大學(xué)期間所學(xué)的知識，如機(jī)械設(shè)計、機(jī)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)、各結(jié)構(gòu)形式 及其相應(yīng)的特點，分別介紹如下。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(biāo)機(jī)器人有可能達(dá)到很高的位置精度（μ m 級）。直角坐標(biāo)機(jī)器人主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。 3. 球坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 球坐標(biāo)機(jī)器人的空間運動是由兩個回轉(zhuǎn)運動和一個直線運動來實現(xiàn)的，如圖 。 4. 關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu) 關(guān)節(jié)型機(jī)器人的空間運動是由三個回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)的，如圖。 13 14 機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計 進(jìn)行了機(jī)械手的總體 設(shè)計后，就要針對機(jī)械手的腰部、手臂、手腕、末端執(zhí)行器等各個部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。 ，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。 ，它包括驅(qū)動器（電動、液壓及氣動）及減速器。要設(shè)有調(diào)整機(jī)構(gòu)，用來調(diào)整腰部軸承間隙及減速器的傳動間隙?？紤]到腰座是機(jī)器人的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對機(jī)械手的最終精度影響大，故采用電機(jī)驅(qū)動來實現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運動。 盡量減小因齒輪傳動造成的誤差。工 ，應(yīng)在保證機(jī)器人手臂有足夠強(qiáng)度和剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量。目前比較有效的辦法是用有限元法進(jìn)行機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。 ，這對減小電機(jī)負(fù)載和提高機(jī)器人手臂運動的響應(yīng)速度是非常有利的。 定緩沖能力的機(jī)械限位塊，以及驅(qū)動裝置，傳動機(jī)構(gòu)及其它元件的安裝。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(shè)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(jī)的控制。因此，在設(shè)計時另外增設(shè)了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，小臂增設(shè)了兩個導(dǎo)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(shè)了四個導(dǎo)桿，成正四邊形布置，為減小質(zhì) 機(jī)械手腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計 機(jī)器人的手臂運動（ 包括腰座的回轉(zhuǎn)運動），給出了機(jī)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(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動姿態(tài)。但是，自由度的增加，也必然會使腕部 結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，機(jī)器人的控制更困難，成本也會增加。因此，要具體問題具體分析，考慮機(jī)器人的多種布局，運動方案，選擇滿足要求的最簡單的方案。 腕部的重量，腕部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動器采用分離傳 動。 ，以減小空回間隙，提高傳動精度。 末端執(zhí)行器可分為搬運用、加工用和測 量用等。 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(jī)器人末端執(zhí)行器，將不斷的擴(kuò)大機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。萬能末端執(zhí)行器在結(jié)構(gòu)上很復(fù)雜，甚至很難實現(xiàn)，例如，仿人的萬能機(jī)器人靈巧手，至今尚未實用化。 ，萬能性是指一機(jī)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(jī)器人，這就要求末端執(zhí)行器要有標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械接口（如法蘭），使末端執(zhí)行器實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和積木化。 23 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。 電動驅(qū)動手爪應(yīng)用也較為廣泛。 液壓驅(qū)動系統(tǒng)傳動剛度大，可實現(xiàn)連續(xù)位置控制。 當(dāng)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(dāng)活塞向后運動時，手爪松開。 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。手指的最小開度由加工工件的直徑 來調(diào)定。 圖 25 機(jī)械手末端執(zhí)行手爪結(jié)構(gòu)圖 機(jī)械手的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計 工業(yè)機(jī)器人傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計應(yīng)注意的問題 機(jī)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(jī)構(gòu)。由于傳動部件直接影響著機(jī)器人的精度、穩(wěn)定性 和快速響應(yīng)能力，因此，應(yīng)設(shè)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(yīng)速度快、傳遞轉(zhuǎn)矩大、諧振頻率高以及與伺服電動機(jī)等其它環(huán)節(jié)的動態(tài)性能相匹配等要求的傳動部件。因此，機(jī)器人的傳動機(jī)構(gòu)要力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，體積小。 ，提高傳動與支承剛度，如用預(yù)緊的方法提高滾珠絲杠副和滾動導(dǎo)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(jī)直接與絲杠螺母副連接，以減小中間傳動機(jī)構(gòu)；絲杠的支承設(shè)計采用兩端軸向預(yù)緊或預(yù)拉伸支承結(jié)構(gòu)等。故在設(shè)計時要使傳動機(jī)構(gòu)的阻尼合適。 機(jī)器人系統(tǒng)中齒輪傳動設(shè)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。 28因此，在設(shè)計中最末兩級的傳動比應(yīng)取大一些，并盡量提高其加工精度。 29 （ 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。故在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。 30通過預(yù)緊，能消除間隙、提高傳動剛度；進(jìn)給精度和重復(fù)定位精度高。這樣可以消除傳動間隙，提高傳動精度與剛度。 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。同步帶帶輪齒形有梯形齒形和圓弧齒形。 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。 設(shè)計具體采用方案 具體到本 設(shè)計，因為選用了液壓缸作為機(jī)械手的水平手臂和垂直手臂，由于液壓缸實現(xiàn)直接驅(qū)動，它既是關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，又是動力元件。這里只采用一級齒輪傳動，采用大的傳動比（大于 10），齒輪采用高強(qiáng)度、高硬度的材料，高精度加工制造。 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(yīng)高、易于實現(xiàn)直接驅(qū)動等特點。 33 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(jī)器人中被大量采用。但因為這類驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)點比較突出，因此在機(jī)器人中被廣泛的使用。沖壓機(jī)器人多采用氣動驅(qū)動只有采用液壓或電動伺服系統(tǒng)才能滿足要求。目前，雖然在中等負(fù)荷以下的工業(yè)機(jī)器人中大量采用電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，但是在簡易經(jīng)濟(jì)型、重 型的工業(yè)機(jī)器人和噴涂機(jī)器人中采用液壓系統(tǒng)的還仍然占有很大的比例。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，動態(tài)特性好，但是效率低。 35 （ 3） 對慣量比較大的運動軸的液壓缸兩側(cè)最好加設(shè)安全保護(hù)回路，防止因碰撞過載而損壞機(jī) 械結(jié)構(gòu)。由以上各類閥件與液壓動力機(jī)構(gòu)可組成電 液伺服馬達(dá)，電 液伺服液壓缸，電 液步進(jìn)馬達(dá)，電 液步進(jìn)液壓缸，液壓回轉(zhuǎn)伺服執(zhí)行器（ RSARotory Serve Actuator）等各種電 液伺服動力機(jī)構(gòu)。液它既是關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，又是動力元件。這類機(jī)器人多是圓柱坐標(biāo)型和直角坐標(biāo)型或二者的組合型結(jié)構(gòu)； 35 個自由度；負(fù)荷在 200N 以下；速度 3001000mm/s；重復(fù)定位精度為 +/。氣動驅(qū)動系統(tǒng)大體由以下幾部分組成。 機(jī)，儲氣罐，氣水分離器，調(diào)壓器，過濾器等。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。除個別用單動式氣缸外（如手爪機(jī)構(gòu)上用的），多數(shù)采用雙動氣缸。 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)。除了直線氣缸外，機(jī)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(jī)構(gòu)上。因此對機(jī)器人一個單自由度而言，停點數(shù)目最多69 個。當(dāng)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。由于高起動力矩、大轉(zhuǎn)矩低慣量的交、直流電機(jī)在機(jī)器人中的應(yīng)用，因此一般情況下，負(fù)重在 100kg 以下的 速度傳感器多數(shù)用的是測速發(fā)電機(jī)，位置傳感器多數(shù)用光電編碼器。根據(jù)機(jī)器人各運動軸所計算的、要求電機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)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(jī)型號。 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(yīng)迅速，適用于機(jī)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(jī) 輸出力矩大，轉(zhuǎn)矩波動小，機(jī)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(jī)，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 21 續(xù)表 反應(yīng) 將 電 脈 沖 信 號 直接 轉(zhuǎn) 電機(jī)轉(zhuǎn)子 用于數(shù)字系 直流 42 PWM 伺服驅(qū)動器具有調(diào)速范圍寬、低速特性好，響應(yīng)快、效率高、過載能力強(qiáng)等特點。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的環(huán)節(jié)。這種電路有高、低壓二組電源。 設(shè)計具體采用方案 具體到本設(shè)計，在分析了具體工作要求后，綜合考慮各個因素。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。 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： 這種平衡裝置結(jié)構(gòu)簡單，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。 44 設(shè)計具體采用的方案 因為本設(shè)計機(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)計以及整個機(jī)械手的設(shè)計和布局中都重點考慮了機(jī)械手手臂的平衡問題，通過合理布局，優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)，使得手臂本身盡可能達(dá)到平衡。 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)，前者實現(xiàn)直線運動，后者實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。同時考慮機(jī)械手的工作載荷和工作現(xiàn)場環(huán)境對機(jī)械手布局以及定位精度的具體要求以及計算機(jī)的控制的因素，腰部的回轉(zhuǎn)用電機(jī)驅(qū)動實現(xiàn)，剩下的兩個運動均為直線運動。對于一般中小流量的液壓系統(tǒng)，通過換向閥的有機(jī)組合來實現(xiàn)所要求的動作。 本設(shè)計的方向控制采用電磁換向閥來實現(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單的節(jié)流閥來實現(xiàn)。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)一般用定量泵供油，在無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，溢流閥同時起到控制并穩(wěn)定油源壓力的作用。為防止系統(tǒng)中雜質(zhì)流回油箱，可在回油路上設(shè)置磁過濾器。 繪制液壓系統(tǒng)圖 本 機(jī) 械 手 的 液 壓 系 統(tǒng) 圖 如 圖 31 所 示 ，實現(xiàn)快速進(jìn)油，和回油包壓，實現(xiàn)手爪的輕緩抓緊；當(dāng)失電時，工作液體進(jìn)入柱塞缸中，實現(xiàn)手爪迅速松開。 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)計液壓系統(tǒng)，選擇液壓元件的主要依據(jù)。 v? 為速度變化量； t? 啟動或制動時間，一般為 ~ ，取 將各值帶入上式，得： mF = N （ 2） sfF 的計算 1ApF fsf ??? （ 33） 式中， fp? 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 aMP ，查相關(guān)手冊取 = aMP ； 1A 為進(jìn)油工作腔有效面積； 啟動時： ?sfF 565N 運動時： ?sfF =283N （ 3） fF 的計算 機(jī)械手水平方向上有兩個導(dǎo)桿，內(nèi)導(dǎo)桿和外導(dǎo)套之間的摩擦力為