【文章內(nèi)容簡介】 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)上。 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 ，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(yīng)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(yīng)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。 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(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。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)。 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(yīng)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(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。 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 17 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 4060 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(yīng)用。 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 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 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)。 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，適用于機器人，數(shù)控等 直流 PWM伺服驅(qū)動器，SCR 變壓驅(qū)動器 18 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 21續(xù)表 反應(yīng)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，定子有三相，轉(zhuǎn)子比較細 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 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 （ 1）直流電機伺服驅(qū)動器 19 直流伺服電機驅(qū)動器目前多采用脈沖寬度調(diào)制（ PWM）伺服驅(qū)動器。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壓，從而改變了電機的轉(zhuǎn)速。這種伺服驅(qū)動器一般由電流內(nèi)環(huán)和速度外環(huán)組成。末級采用大功率三極管構(gòu)成橋式開關(guān)電路。 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、過載能力強等特點。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。 （ 2）步進電機驅(qū)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(diào)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(qū)動步進電機。目前功率放大器多采用高低壓驅(qū)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由控制電路來實現(xiàn)。 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。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；機械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 在工件是板料，使用氣流負壓式吸盤 .采用氣動驅(qū)動 . 系統(tǒng)設(shè)計計算 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，前者實現(xiàn)直線運動，后者實現(xiàn)回 20 轉(zhuǎn)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(fù)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 徑向柱塞馬達 轉(zhuǎn)速低，結(jié)構(gòu)復(fù)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。同時考慮機械手的工作載荷和工作現(xiàn)場環(huán)境對機械手布局以及定位精度的具體要求以及計算機的控制的因素，腰部的回轉(zhuǎn)用電機驅(qū)動實現(xiàn)，剩下的兩個運動均為直線運動。因此，機械手的水平手臂和垂直手臂都采用單活塞桿 21 液壓缸，來實現(xiàn)直線往復(fù)運動。 擬定液壓執(zhí)行元件運動控制回路 液壓執(zhí)行元件確定后，其運動方向和運動速度的控制是液壓回路的核心問題。 方向 控制是用換向閥或是邏輯控制單元來實現(xiàn)。對于一般中小流量的液壓系統(tǒng)，通過換向閥的有機組合來實現(xiàn)所要求的動作。對高壓大流量的系統(tǒng)，多采用插裝閥與先導(dǎo)控制閥的邏輯組合來實現(xiàn)。 速度控制通過改變液壓執(zhí)行元件輸入或輸出的流量或者利用密封空間的容積變化來實現(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。 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)。 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。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。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。 油液的凈化裝置是液壓源中不可缺的元件。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。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。 本設(shè)計的液壓系統(tǒng)采用定量泵供油，由溢流閥 V1 來調(diào)定系統(tǒng)壓力。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。 22 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)。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。 根據(jù)機構(gòu)的工作情況液壓缸所受的總機械載荷為 bfsfmw FFFFFF ????? （ 31） 式中， wF 為外加的載荷，因為水平方無外載荷，故為 0； mF 為活塞上所受的慣性力； sfF 為密封阻力； fF 為導(dǎo)向裝置的摩擦阻力； bF 為回油被壓形成的阻力； （ 1） mF 的計算 tvgGFm ???? （ 32） 式中， G 為液壓缸所要移動的總重量，取為 100KG； g 為重力加速度， 2/ sm ； 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 = （ 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 ； 23 1A 為進油工作腔有效面積； 啟動時： ?sfF 565N 運動時： ?sfF =283N （ 3） fF 的計算 機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 fGFf ?? （ 34） 式中， G 為機械手和所操作工件的總重量，取為 100KG； f 為摩擦系數(shù)，取 f=； 帶入數(shù)據(jù)計算得： fF =98N （ 4） bF 的計算 回油背壓形成的阻力按下式計算 2ApF bb ?? （ 35） 式中， bp 為回油背壓，一般為 aMP aMP ，取 = aMP 2A 為有桿腔活塞面積，考慮兩邊差動比為 2； 將各值帶入上式有， NFb 424? 分析液壓缸各工作階段受力情況，作用在活塞上的總機械載荷為 NF 1088? 。 針對本設(shè)計是一個機械手的特點考慮，機械手系統(tǒng)的剛度及其穩(wěn)定性是很重要的。因此，先從剛度角度進行液壓缸缸徑的選擇，以盡量優(yōu)先保證機械手的結(jié)構(gòu)和運動的穩(wěn)定性、安全性。至于液壓缸的工作壓力和缸的工作速度，放在液壓系統(tǒng)設(shè)計階段，通過外部的液壓回路、采用合適的調(diào)速回路和元件來實現(xiàn)。經(jīng)過仔細分析，綜合考慮各方面的因素，初步確定各液壓缸的基本參數(shù)如下； 24 表 33 水平伸縮液壓缸參數(shù) 缸內(nèi)徑 mm 壁厚 mm 桿直徑 mm 行程 mm 工作壓力 MPa 60 10 25 400 1 因為伸縮缸的作用主要是實現(xiàn)伸縮直線運動這個運動形式，在其軸向上并不承受顯性的工作載荷，軸向主要是克服摩擦力矩，其所受的載荷主要是徑向載荷，載荷性質(zhì)