【文章內(nèi)容簡介】 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 17 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 有刷繞組永磁直流伺服電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)動(dòng)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(fù)載波動(dòng)對(duì)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(dòng)、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(dòng)器，SCR 變壓驅(qū)動(dòng)器 18 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變頻調(diào)速器 （ 1）直流電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器 19 直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器目前多采用脈沖寬度調(diào)制（ PWM）伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(jī)電樞兩端的平均電壓，從而改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種伺服驅(qū)動(dòng)器一般由電流內(nèi)環(huán)和速度外環(huán)組成。末級(jí)采用大功率三極管構(gòu)成橋式開關(guān)電路。 PWM 伺服驅(qū)動(dòng)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(diǎn)。目前已廣泛應(yīng)用于各類數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人及其它機(jī)電一體化產(chǎn)品中用做直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。 （ 2）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 步進(jìn)電機(jī)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(dòng)及調(diào)速要求改變頻率、以控制步進(jìn)電機(jī)。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)。它的作用是把脈沖發(fā)生器送來的一系列脈沖信號(hào)按照一定的循環(huán)規(guī)律依次分配給各繞組，以使步進(jìn)電機(jī)按著一定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)。 功率放大器的作用是將環(huán)行分配器輸出的毫安級(jí)電流放大成安培級(jí)電流以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。目前功率放大器多采用高低壓驅(qū)動(dòng)電路。這種電路有高、低壓二組電源。當(dāng)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(dāng)達(dá)到步進(jìn)電機(jī)額定電流時(shí)僅以低電壓給各相繞組供電。高電壓加入的時(shí)間長短由控制電路來實(shí)現(xiàn)。 設(shè)計(jì)具體采用方案 具體到本設(shè)計(jì)，在分析了具體工作要求后，綜合考慮各個(gè)因素。機(jī)械手腰部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要一定的定位控制精度，故采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)；因?yàn)椴捎靡簤簣?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(dòng)；機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在工件是板料，使用氣流負(fù)壓式吸盤 .采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng) . 系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)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(dá)，前者實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，后者實(shí)現(xiàn)回 20 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。二者的特點(diǎn)及適用場合見表 31： 表 31 名 稱 特 點(diǎn) 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(duì)稱 往返不對(duì)稱的直線運(yùn)動(dòng)，差動(dòng)連接可實(shí)現(xiàn)快進(jìn) 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(dòng)缸 單葉片式小于 360 雙葉片式小于 180 小于 360 的擺動(dòng)； 小于 180 的擺動(dòng) 齒輪馬達(dá) 結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜 高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 葉片馬達(dá) 體積小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小 高速低轉(zhuǎn)矩、動(dòng)作靈敏的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 擺線齒輪馬達(dá) 體積小、輸出轉(zhuǎn)局大 低速、小功率大轉(zhuǎn)矩的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 軸向柱塞馬達(dá) 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速范圍寬 大 轉(zhuǎn)矩的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 徑向柱塞馬達(dá) 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(yùn)動(dòng) 本設(shè)計(jì)因?yàn)闄C(jī)械手的形式為圓柱坐標(biāo)形式，具有 3 個(gè)自由度，一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)移動(dòng)自由度。同時(shí)考慮機(jī)械手的工作載荷和工作現(xiàn)場環(huán)境對(duì)機(jī)械手布局以及定位精度的具體要求以及計(jì)算機(jī)的控制的因素，腰部的回轉(zhuǎn)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，剩下的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)均為直線運(yùn)動(dòng)。因此，機(jī)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(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 擬定液壓執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)控制回路 液壓執(zhí)行元件確定后，其運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)。對(duì)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(shí)現(xiàn)所要求的動(dòng)作。對(duì)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(shí)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(shí)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(jì)的方向控制采用電磁換向閥來實(shí)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(shí)現(xiàn)。 液壓源系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 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(shí)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(jìn)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(duì)溫升的要求，還要考慮加熱、冷卻等措施。 本設(shè)計(jì)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(duì)循環(huán)的液壓油進(jìn)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(jì)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(yùn)動(dòng)速度和結(jié)構(gòu)尺寸。 根據(jù)機(jī)構(gòu)的工作情況液壓缸所受的總機(jī)械載荷為 bfsfmw FFFFFF ????? （ 31） 式中， wF 為外加的載荷，因?yàn)樗椒綗o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(jì)算 tvgGFm ???? （ 32） 式中， G 為液壓缸所要移動(dòng)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(dòng)或制動(dòng)時(shí)間，一般為 ，取 將各值帶入上式，得： mF = （ 2） sfF 的計(jì)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(cè)取 = aMP ； 23 1A 為進(jìn)油工作腔有效面積； 啟動(dòng)時(shí)： ?sfF 565N 運(yùn)動(dòng)時(shí)： ?sfF =283N （ 3） fF 的計(jì)算 機(jī)械手水平方向上有兩個(gè)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(jī)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(jì)算得： fF =98N （ 4） bF 的計(jì)算 回油背壓形成的阻力按下式計(jì)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(dòng)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(jī)械載荷為 NF 1088? 。 針對(duì)本設(shè)計(jì)是一個(gè)機(jī)械手的特點(diǎn)考慮，機(jī)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(jìn)行液壓缸缸徑的選擇，以盡量優(yōu)先保證機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)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(jì)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(shí)現(xiàn)。經(jīng)過仔細(xì)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?yàn)樯炜s缸的作用主要是實(shí)現(xiàn)伸縮直線運(yùn)動(dòng)這個(gè)運(yùn)動(dòng)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)