【文章內(nèi)容簡介】 臂關(guān)節(jié)處。由于電機(jī)距離被傳動(dòng)的腕關(guān)節(jié)較遠(yuǎn)，故采用精密套筒滾子鏈來傳動(dòng)。 鋼絲繩輪傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動(dòng)剛度大、結(jié)構(gòu)柔軟，成本較低等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是帶輪較大、安裝面積大、加速度不宜太高。 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 。 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 機(jī)器人 各類驅(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。根據(jù)需要也可 這三種基本類型組合成復(fù)合式的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這三類基本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下。 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178。 19178。 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。 具有速度快，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，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。 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，這類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在機(jī)器人中被大量采用。這類驅(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。 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。一般情況下： （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)。 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)。 機(jī)器人 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)自 1962 年在世界上第一臺(tái)機(jī)器人中應(yīng)用到現(xiàn)在，已在工業(yè)機(jī)器人中獲得了廣泛的應(yīng)用。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(dòng)系統(tǒng)，但是在簡易經(jīng)濟(jì)型、重型的工178。 20178。 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。 液壓系統(tǒng)在機(jī)器人中所起的作用是通過電 液轉(zhuǎn)換 元件把控制信號(hào)進(jìn)行功率放大，對(duì)液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)進(jìn)行方向、位置、和速度的控制，進(jìn)而控制機(jī)器人手臂按給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律動(dòng)作。液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)多數(shù)情況下采用直線液壓缸或擺動(dòng)馬達(dá)，連續(xù)回轉(zhuǎn)的液壓馬達(dá)用得很少。在工業(yè)機(jī)器人中，中、小功率的液壓驅(qū)動(dòng)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(dòng)態(tài)特性好，但是效率低。容積調(diào)速系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)特性不如前者，但效率高。機(jī)器人液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括程序控制和伺服控制兩類。 這類機(jī)器人屬非伺服控制的機(jī)器人，在只有簡單搬運(yùn)作業(yè)功能的機(jī)器人中，常常采用簡 易的邏輯控制裝置或可編程控制器對(duì)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)有限點(diǎn)位的控制。這類機(jī)器人的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要重視以下方面： （ 1） 液壓缸設(shè)計(jì)：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(diǎn)的緩沖與制動(dòng)：因?yàn)闄C(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)慣量比較大，在定位點(diǎn)前要加緩沖與制動(dòng)機(jī)構(gòu)或鎖定裝置。 （ 3） 對(duì)慣量比較大的運(yùn)動(dòng)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)。 （ 4） 液壓源應(yīng)該加蓄能器，以利于多運(yùn)動(dòng)軸同時(shí)動(dòng)作或加速運(yùn)動(dòng)提供瞬時(shí)能量儲(chǔ)備。 具有點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制功能的工業(yè)機(jī)器人，需要采用電 液伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(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(jī)構(gòu)間的管道 容積，以增大液壓固有頻率。 在機(jī)器人的驅(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178。 21178。 液壓缸和電 液伺服擺動(dòng)馬達(dá)，也可以用電 液步進(jìn)馬達(dá)。液壓回轉(zhuǎn)執(zhí)行器是一種由伺服電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)或比例電磁鐵帶動(dòng)的一個(gè)安放在擺動(dòng)馬達(dá)或連續(xù)回轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)子內(nèi)的一個(gè)回轉(zhuǎn)滑閥，通過機(jī)械反饋，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的一種電 液伺服機(jī)構(gòu)。它可安裝在機(jī)器人手臂和手腕的關(guān)節(jié)上，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。 機(jī)器人 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 氣動(dòng)機(jī)器人采用壓縮空氣為動(dòng)力源，一般從工廠的壓縮空氣站引到機(jī)器人作業(yè)位置，也可以單獨(dú) 建立小型氣源系統(tǒng)。由于氣動(dòng)機(jī)器人具有氣源使用方便、不污染環(huán)境、動(dòng)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(diǎn)，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(jī)床上、下料，儀表及輕工行業(yè)中、小型零件的輸送和自動(dòng)裝配等作業(yè)，食品包裝及運(yùn)輸，電子產(chǎn)品輸送、自動(dòng)插接，彈藥生產(chǎn)自動(dòng)化等方面獲得大量應(yīng)用。 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在多數(shù)情況下是用于實(shí)現(xiàn)兩位式的或有限點(diǎn)位控制的中、小機(jī)器人中的。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(gè)自由度；負(fù)荷在 200N 以下；速度3001000mm/s；重復(fù)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(dòng)邏輯元件組成控制裝置。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 大體由以下幾部分 組成 。 由總壓縮空氣站提供。氣源部分包括空氣壓縮機(jī)，儲(chǔ)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(jī)器人及配套的其他氣動(dòng)設(shè)備需要配置相應(yīng)供氣量的氣源設(shè)備。 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(dú)的氣源，氣動(dòng)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。 氣動(dòng)閥的種類很多，在工業(yè)機(jī)器人的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)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。 多數(shù)情況下使用氣缸（直線氣缸或擺動(dòng)氣178。 22178。 缸）。直線氣缸分單動(dòng)式和雙動(dòng)式兩類。除個(gè)別用單動(dòng)式氣缸外（如手爪機(jī)構(gòu)上用的），多數(shù)采用雙動(dòng)氣缸。為實(shí)現(xiàn)端部緩沖，要選用雙向端點(diǎn)位置緩沖的氣缸。氣缸的結(jié)構(gòu)形式以及與機(jī)器人機(jī)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(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)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(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)力分析進(jìn)行計(jì)算。 為了確保氣缸的密封要求，同時(shí)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(yīng)式氣缸目前在氣動(dòng)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開關(guān)動(dòng)作發(fā)訊，進(jìn)行位置檢測。除了直線氣缸外，機(jī)器人中用得比較多還有有限角擺動(dòng)氣缸，這種擺動(dòng)缸多用于手腕機(jī)構(gòu)上。 氣動(dòng)機(jī)器人的定位問題很大程度上是如何實(shí)現(xiàn)停點(diǎn)的制動(dòng)。氣缸活塞的運(yùn)動(dòng)速度容許達(dá) ，如果氣缸以 1m/s 的速度計(jì)算，電磁氣閥以較大關(guān)閉時(shí)間 70ms 計(jì)，那么氣缸活塞兩個(gè)停點(diǎn)的距離約為 70mm，兩個(gè)停點(diǎn)的步長應(yīng)大于這個(gè)數(shù)值。對(duì)于小流量的電磁氣閥，吸合關(guān)閉時(shí)間較小，停點(diǎn)的步長也要相應(yīng)縮短。因此對(duì)機(jī)器人一個(gè)單自由度而言，停點(diǎn)數(shù)目最多 69 個(gè)。為增加定位點(diǎn)數(shù)，除采用多位置氣缸外可采用制動(dòng)的方法還有：反壓制動(dòng)，制動(dòng)裝置制動(dòng)。 氣動(dòng)機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)軸的制動(dòng)和定位點(diǎn)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(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(shí)間小于 20ms，在機(jī)器人中應(yīng)用比較理想。當(dāng)氣缸活塞運(yùn)動(dòng)到定位點(diǎn)時(shí)，為保證定位精度，需要將運(yùn)動(dòng) 軸鎖緊。常用的限位機(jī)構(gòu)是由電磁閥控制的氣缸帶動(dòng)鎖緊機(jī)構(gòu)（插鎖，滑 塊等）將機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)鎖定。再啟動(dòng)時(shí)，事先打開鎖緊機(jī)構(gòu)。 機(jī)器人 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 這些年來，針對(duì)機(jī)器人，數(shù)控機(jī)床等自動(dòng)機(jī)械而開發(fā)的各種類型的伺服電動(dòng)機(jī)及伺服驅(qū)動(dòng)器的大量出現(xiàn)，為機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的更新創(chuàng)造了條件。由于高起動(dòng)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 以下的工業(yè)機(jī)器178。 23178。 人大多數(shù)采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。其驅(qū)動(dòng)原理方塊圖如下所示： 在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用的電動(dòng)機(jī)大致可分為如下類型：小慣量永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)，有刷繞組永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)，大慣量永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)（力矩電機(jī)），反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，同步式交流伺服電動(dòng)機(jī)，異步式交流伺服電動(dòng)機(jī)。 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。伺服電動(dòng)機(jī)可與測速發(fā)電機(jī)、光電編碼器、制動(dòng)器、減速器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)部分組合、由幾種組合或全部組合 ，形成伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)單元。為了提高機(jī)器人的傳動(dòng)精度，國外近幾年開發(fā)了直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)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)可達(dá) 4060 萬個(gè)脈沖，這種直接驅(qū)動(dòng)的電機(jī)（ DD 驅(qū)動(dòng)電機(jī)）在快速高精度定位的裝配機(jī)器人中已經(jīng)得到應(yīng)用 。 機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)的選擇要根據(jù)機(jī)器人的用途、功能、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合各類電機(jī)自身的特點(diǎn)、性能、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及性能價(jià)格比等綜合考慮進(jìn)行。根據(jù)機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)軸所計(jì)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(hào)。有關(guān)各類 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 表 21： 表 21 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)載力矩不大的場合 直流PWM 伺服驅(qū)動(dòng)器 SCR變壓驅(qū)動(dòng)器 有刷繞組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，快速響應(yīng)性能好；轉(zhuǎn)子無鐵損，無鐵心，具有軸向平可頻繁起制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)直流PWM 伺178。 24178。 永磁直流伺服電動(dòng)機(jī) 效率高；換向性能好，壽命長；負(fù)載波動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)速影響小，輸出力矩 平穩(wěn)。 面間隙 工作，響應(yīng)迅速，適用于機(jī)器人，數(shù)控等 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 21 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)磁場嚴(yán)格同步；從低度到高速，定子繞組可通過大電流，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，機(jī)構(gòu)簡單，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合 交流PWM 變頻