【文章內容簡介】 扭矩，同時較大的降低電機轉速，以使機械乎的 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。 機械手驅動系統(tǒng)的設計 工業(yè)機器人的驅動系統(tǒng)，按動力源分為液壓、氣動和電動三大類。根據需要也可這三種基本類型組合成復合式的驅動系統(tǒng)。這三類基本驅動系統(tǒng)的主要特點如下。 山于液壓技術是一種比較成熟的技術，它具有動力大、力 (或力矩 )與慣量比大、快速響應高、易于實現(xiàn)直接驅動等特點。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)需要進行能量轉換 (電能轉換成一種機床上下料機械手設計 13 液壓能 )，速度控制多數(shù)情況下采用節(jié)流調速，效率比電動驅動系統(tǒng)低，液壓系統(tǒng)的液體泄露會對環(huán)境產生污染，工作噪音也較高。 具有速度快，系統(tǒng)結構簡單，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。 由于低慣量、大轉矩的交、直流伺服電機及其配套的伺服驅動器 (交流變頻器、直流脈沖寬度調制器 )的廣泛采用，這類驅動系統(tǒng)在機器人 中被大量采用。這類驅動系統(tǒng)不需要能量轉換，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。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動系統(tǒng)高。但因為這類驅動系統(tǒng)優(yōu)點比較突出，因此在機器人中被廣泛的使用。 工業(yè)機器人驅動系統(tǒng)的選擇原則 設計機器人時，驅動系統(tǒng)的選擇，要根據機器人的用途、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、經濟性及可靠性后進行最終的選擇。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動系統(tǒng)，中等負荷的可選電機驅動系統(tǒng)，輕負荷的可選氣動驅動系統(tǒng)。沖壓機器人多采用氣動驅動系統(tǒng)。 ，要求具有點位和軌跡控制功能，需采用伺服驅動系統(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動系統(tǒng)。 機器人液壓驅動系統(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動系統(tǒng)，但是在簡易經濟型、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一液轉換元件把控制信號進行功率放大，對液壓動力機構進行方向、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。液壓動力機構多數(shù)情況下采用直線液壓缸或擺動馬達，連續(xù)回轉的液壓馬達用得很少。在工業(yè)機器人中，中、小功率的液壓驅動系統(tǒng)用節(jié)流調速的為多，大功率 的用容積調速系統(tǒng)。節(jié)流調速系統(tǒng)，動態(tài)特性好，但是效率低。容積調速系統(tǒng)，動態(tài)特性不如前者，但效率高。機器人液壓驅動系統(tǒng)包括程序控制和伺服控制兩類。 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 : (I)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，在定位點前要加一種機床上下料機械手設計 14 緩沖與制動機構或鎖定裝置。 (3)對慣量比較大的運動軸的液壓缸兩側最好加設安全保護回路，防止因碰撞過載而損壞機械結構。 (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。 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 液伺服驅動系統(tǒng)。其電一液轉換和功率放大元件有電一液伺服閥，電 液比例閥，電一液脈沖閥等。由以上各類閥件與液壓動力機構可組成電一液伺服馬達，電一液伺服液壓缸，電一液步進馬達， 電一液步進液壓缸，液壓回轉伺服執(zhí)行器 (RSARotory Serve Actuator)等各種電 液伺服動力機構。根據結構設計的需要，電一液伺服馬達和電一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問的管道容積，以增大液壓固有頻率。 在機器人的驅動系統(tǒng)中，常用的電一液伺服動力機構是電一液伺服液壓缸和電一液伺服擺動馬達，也可以用電一液步進馬達。液壓回轉執(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 馬達轉子內的一個回轉滑閥，通過機械反饋，驅動轉子運動的一種電一液伺服機構。它可安裝在機器人手臂和手腕的關節(jié)上，實現(xiàn)直接驅動。它既是關節(jié)機構，又是動力元件。 機器人氣動驅動系統(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，電子產品輸送、自動插接，彈藥生產自動化等方面獲得大量應用。 氣動驅動系統(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構 。35 個自由度 。負荷在 200N 以下 。速度 3001000mm/s。重復定位精度為 +/ 5mm?？刂蒲b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。氣動驅動系統(tǒng)大體由以下幾部分組成。 。氣源部分包括空氣 壓縮機，儲氣罐，氣水分離器，調壓器，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各需要配置相應供氣量的氣源設備。 ，調壓器，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)組裝式結構。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。 ，在工業(yè)機器人的氣動驅動系統(tǒng)中，常用的閥件有電磁氣閥、節(jié) 流調速閥、減壓閥等。 (直線氣缸或擺動氣缸 )。直線氣缸分單 式和雙動式兩類。除個別用單動式氣缸外 (如手爪機構上用的 )，多數(shù)采用雙動氣缸。一種機床上下料機械手設計 15 為實現(xiàn)端部緩沖，要選用雙向端點位置緩沖的氣缸。氣缸的結構形式以及與機器人機構的連接方式 (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結構要求而定。氣缸的內徑，行程大小可根據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上。 。氣缸活塞的運動速度容許達 ，如果氣缸以 1 m/s 的速度計算，電磁氣閥以較大關閉時間 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 69 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。 ，可由編程器發(fā)指令，或由限位開關發(fā)訊。根據要求和條件，如果選用無接觸感應式氣缸，其限位開關是無接觸接近開關，這種開關的反映時間小于 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。常用的限位機構是由電磁閥控制的氣缸帶動鎖緊機構 (插鎖，滑塊等 )將機 器人運動機構鎖定。再啟動時，事先打開鎖緊機構。 機器人電動驅動系統(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動器的大量出現(xiàn)，為機器人驅動系統(tǒng)的更新創(chuàng)造了條件。由于高起動力矩、大轉矩低慣量的交、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)采用電動驅動系統(tǒng)。其驅動原理方塊圖如下所示 : 在機器人驅動系統(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)了直接驅動電動機，并將多級旋轉變壓器組合在一起，這種旋轉變壓器每轉可達 4060 萬個脈沖，這種直接驅動的電機 (DD 驅動電機 )在快速高精度定位的裝配機器人中已經得到應用。 機器人的驅動系統(tǒng) 電機的選擇要根據機器人的用途、功能、結構特點，結合各類電機自身的特點、性能、結構特點以及性能價格比等綜合考慮進行。根據機器人各運動軸所計算的、要求電機的轉速、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。有關各類驅動電動機主要特點及性能、結構特點、用途及使用范圍、適用的驅動器見表 21: 一種機床上下料機械手設計 16 一種機床上下料機械手設計 17 (I)直流電機伺服驅動器 直流伺服電機驅動器目前多采用脈沖寬度調制 (PWM)伺服驅動器。其電源電壓為固定不變值，山大功率三極管作為開關元件，以固定的 開關頻率動作，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壓，從而改變了電機的轉速。這種伺服驅動器一般由電流內環(huán)和速度外環(huán)組成末級采用大功率三極管構成橋式開關電路。 PWM 伺服驅動器具有調速范圍寬、低速特性好，響應快、效率高、過載能力強等特點。目前已廣泛應用于各類數(shù)控機床、工業(yè)機器人及其它機電一體化產品中用做直流伺服電機的驅動。 (2)步進電機驅動器 步進電機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 及調速要求改變頻率、以控制步進電機。環(huán)行分配器是控制步進電機各繞組按一定的次序通過的環(huán)節(jié)。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。 功率放大器的作用是將環(huán)行分配器輸出的毫安級電流放大成安培級電流以驅動步進電機。目前功率放大器多采用高低壓驅動電路這種電路有高、低壓二組電源。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。而當達到步進電機額定電流時僅以低電壓給各相繞組供電。高電壓加入的時間長短山控制一種機床上下料機械手設計 18 電路來實現(xiàn)。 設計具 體采用方案 具體到本設計，在分析了具體工作要求后，綜合考慮各個因素。機械手腰部的旋轉運動需要一定的定位控制精度，故采用步進電機驅動來實現(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。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行驅動。 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)，即乎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 開和閉合。 機器人手臂的平衡機 構設計 直角坐標型、圓柱坐標型和球坐標型機器人可以通過合理布局，優(yōu)化設計結構，使得手臂木身可能達到平衡。關節(jié)機器人手臂一般都需要平衡裝置，以減小驅動器的負荷，同時縮短啟動時間。 通常，機器人所采用的平衡機構主要有以下幾種 : 這種平衡裝置結構簡單，平衡效果好，易于調整，工作可靠，但增加了機器人手臂的慣量與關節(jié)軸的載荷。一般在機器人乎臂的不平衡力矩比較小的情況下采用這種平衡機構。 彈簧平衡機構，機構簡單、造價低、工作可靠 、平衡效果好、易維修，因此應用廣泛。 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。活塞式平衡需要配備有專門的液壓或氣動裝置，系統(tǒng)復雜，因此造價高，設計、安裝和調試都增加了難度，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合。 設計具體采用的方案 因為本設計機械手采用圓柱坐標型的結構，而且在手臂的結構設計以及整個機械手的設計和布局中都重點考慮了機械手手