【正文】 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(wú)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 ； 49 圖 31 它擁有垂直手臂的上升、下降，水平伸縮缸 /的前伸、后縮，以及執(zhí)行手爪的夾緊、張開(kāi)三個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 本設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)采用定量泵供油，由溢流閥 V1 來(lái)調(diào)定系統(tǒng)壓力。 油液的凈化裝置是液壓源中不可缺的元件。 47 速度控制通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)。 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(wèn)題。 46 3 理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 活塞式平衡需要配備有專門(mén)的液壓或氣動(dòng)裝置，系統(tǒng)復(fù)雜，因此造價(jià)高，設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試都增加了難度，但是平衡效果好。 彈簧平衡機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、工作可靠、平衡效果好、易維修，因此應(yīng)用廣泛。 機(jī)器人手臂的平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型和球坐標(biāo)型機(jī)器人可以通過(guò)合理布局，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得手臂本身可能達(dá)到平衡。 43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。 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)。 （ 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。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。 步進(jìn)電機(jī) 換成轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)角與脈沖數(shù)成正比，輸出力矩也較大 無(wú)轉(zhuǎn)租，由永磁體構(gòu)成轉(zhuǎn)子磁極 統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人；開(kāi)環(huán)控制 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(chǎng) 嚴(yán)格 同步；從低度到高速，定子繞組可通過(guò)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(chǎng)，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)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(chǎng)合 交流PWM 變頻調(diào)速器 （ 1）直流電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器 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。 40為了提高機(jī)器人的傳動(dòng)精度，國(guó)外近幾年開(kāi)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(wàn)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 。 工業(yè)機(jī)器人大多數(shù)采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。再啟動(dòng)時(shí)，事先打開(kāi)鎖緊機(jī)構(gòu)。 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(kāi)關(guān)發(fā)訊。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(zhǎng)應(yīng)大于這個(gè)數(shù)值。 38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。 多數(shù)情況下使用氣缸（直線氣缸或擺動(dòng)氣缸）。 動(dòng)三聯(lián)件 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)。氣源部分包括空氣壓縮控制裝置目前多數(shù)選用可編程控制器（ PLC）。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(jiǎn)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。 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(guò)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)。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。 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)。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。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 。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。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)。 系統(tǒng)。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。大多數(shù)電機(jī)后面需安裝精密的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。適用于中、小負(fù)荷的機(jī)器人中采用。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。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)。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(lái)減速和增大扭矩。 在機(jī)器人中鏈傳動(dòng)多用于腕傳動(dòng)上，為了減輕機(jī)器人末端的重量，一般都將腕關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在小臂后端或大臂關(guān)節(jié)處。同步帶具有傳動(dòng)比準(zhǔn)確、傳動(dòng)效率高（可達(dá) 98%）、節(jié)能效果好；能吸振、噪聲低、不需要潤(rùn)滑；傳動(dòng)平穩(wěn)，能高速傳動(dòng)（可達(dá) 40m/s）、傳動(dòng)比可達(dá) 10，結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，故在機(jī)器人中使用很多。 由于滾珠絲杠傳動(dòng)返行程不能自鎖；因此在用于垂直方向傳動(dòng)時(shí)，須附加自鎖機(jī)構(gòu)或制 動(dòng)裝置。 絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)分為普通絲杠（滑動(dòng)摩擦）和滾珠絲杠（滾動(dòng)摩擦），前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、制造成本低，具有自鎖能力；但是摩擦阻力矩大、傳動(dòng)效率低（ 30%~40%）。 螺旋傳動(dòng)及絲杠螺母，它主要是用來(lái)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)變換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?？蛇x用新型的諧波齒輪傳動(dòng)。 （ 2） 對(duì)于變負(fù) 載的傳動(dòng)齒輪系統(tǒng)的各級(jí)傳動(dòng)比最好采用不可約的比數(shù)，避免同期嚙合以降低噪音和振動(dòng)。 利用該原則設(shè)計(jì)的齒輪系統(tǒng)要使換算到電動(dòng)機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小，各級(jí)傳動(dòng)比也是按照“先小后大”的次序分配，以使其結(jié)構(gòu)緊湊。設(shè)齒輪傳動(dòng)中各級(jí)齒輪的轉(zhuǎn)角誤差換算到末級(jí)輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為 max?? ，則 )(1m ax / knni k i?? ??? ?? （ 21） 式中： k?? 第 k 個(gè)齒輪所具有的轉(zhuǎn)角誤差； )(kni 第 k 個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)軸至 n 級(jí)輸出軸的傳動(dòng)比。當(dāng)計(jì)算出傳動(dòng)比后，為使減速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，滿足動(dòng)態(tài)性能和提高傳動(dòng)精度的要求，要對(duì)各級(jí)傳動(dòng)比進(jìn)行合理的分配，原則如下： a．輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則。齒輪 傳動(dòng)比應(yīng)滿足驅(qū)動(dòng)部件與負(fù)載之間的位移及轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的匹配要求，其輸入電動(dòng)機(jī)為高轉(zhuǎn)速，低轉(zhuǎn)矩，而輸出則為低轉(zhuǎn)速，高轉(zhuǎn)矩。 27 ，如采取消除傳動(dòng)間隙、減少支承變形等 措施。 ，動(dòng)摩擦力應(yīng)是盡可能小的正斜率， 若為負(fù)斜率則易產(chǎn)生爬行，精度降低，壽命減小。 26機(jī)器人所采用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與一般機(jī)械的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相類似。手爪的具體結(jié)構(gòu)形式如圖25 所示： 設(shè)計(jì)具體采用方案 結(jié)合具體的工作情況，本設(shè)計(jì)采用連桿杠桿式的手爪。 這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿 使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運(yùn)動(dòng)，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式可實(shí)現(xiàn)手爪的力與位置控制。由于氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)價(jià)格較低，所以氣動(dòng)夾持器在工業(yè)中應(yīng)用較為普遍。 機(jī)器人夾持器的運(yùn)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)方式 機(jī)器人夾持器及機(jī)器人手爪。用計(jì)算機(jī)控制最方便的是電氣式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。從工業(yè)實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，應(yīng)著重開(kāi)發(fā)各種專用的、高效率的機(jī)器人末端執(zhí)行器，加之以末端執(zhí)行器的快速更換裝置，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人多種作業(yè)功能，而不主張用一個(gè)萬(wàn)能的末端執(zhí)行器去完成多種作業(yè)。因此，要求機(jī)器人末端執(zhí)行器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。 在設(shè)計(jì)機(jī)器人末端執(zhí)行器時(shí)，應(yīng)注意以下問(wèn)題； 。 加工用末端執(zhí)行器是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機(jī)器人附加裝置，用來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的加工作業(yè)。 水平液壓缸支承板手臂手爪聯(lián)結(jié)梁執(zhí)行手爪 圖 24 手爪聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu) 機(jī)械手末端執(zhí)行器（手爪）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)械手末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)要求 機(jī)器人末端執(zhí)行器是安裝在機(jī)器人手腕上用來(lái)進(jìn)行某種操作或作業(yè)的附加裝置。 設(shè)計(jì)具體采用方案 通過(guò)對(duì)數(shù)控機(jī)床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機(jī)床加工的具體形式及對(duì)機(jī)械手上下料作業(yè)時(shí)的 具體要求，在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下提高安全和可靠性，為使機(jī)械手的結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，降低控制的難度，本設(shè)計(jì)手腕不增加自由度，實(shí)踐證明這是完全能滿足作業(yè)要求的， 3 個(gè)自由度來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的上下料完全足夠。 ，因此，要有標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)接法蘭，結(jié)構(gòu)上要便于裝卸末端執(zhí)行器。為了減輕機(jī)器人在滿足作業(yè)要求的前提下，應(yīng)使自由度數(shù)盡可能的少。 機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 ，應(yīng)根據(jù)作業(yè)需要來(lái)設(shè)計(jì)。 量，各個(gè)導(dǎo)桿均采用空心結(jié)構(gòu)。因此手臂液壓缸的設(shè) 計(jì)原則是缸的直徑取得大一點(diǎn)（在整體結(jié)構(gòu)允許的情況下），再進(jìn)行強(qiáng)度的較核。直線運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)一 般是氣動(dòng)傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)以及電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)。 ，以減小機(jī)械間隙所造成的運(yùn)動(dòng)誤差。目前，在國(guó)外，也在研究用碳纖維復(fù)合材料制造機(jī)器人手臂。 作空間的形狀和大小與機(jī)器人手臂的長(zhǎng)度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍有密切的關(guān)系。在進(jìn)行機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)時(shí)，要遵循下述原則； ；相互垂直的軸應(yīng)盡可能相交于一 點(diǎn)，這樣可以使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆運(yùn)算簡(jiǎn)化，有利于機(jī)器人的控制。因?yàn)辇X輪傳動(dòng)存 在著齒側(cè)間隙，影響傳動(dòng)精度，故采用一級(jí)齒輪傳動(dòng)，采用大的傳動(dòng)比（大于 10），同時(shí)為了減小機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)，齒輪采用高強(qiáng)度、高硬度的材料，高精度加工制造， 設(shè)計(jì)具體采用方案 腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)形式要么是電機(jī)通過(guò)減速機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，要么是通過(guò)擺動(dòng)液壓缸或液壓馬達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)，目前的趨勢(shì)是用前者。 、調(diào)整。 15它是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)部分全部安裝在腰座上，它承受了機(jī)器人的全部重量。該機(jī)械手在工作中需要3 種運(yùn)動(dòng) ,其中手臂的伸縮和立柱升降為兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng) ,另一個(gè)為手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) ,綜合考慮，機(jī)械手自由度數(shù)目取為 3，坐標(biāo)形式選擇圓柱坐標(biāo)形式，即一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度兩個(gè)移動(dòng)自由度，其特點(diǎn)是 :結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單 ,手臂運(yùn)動(dòng)范圍大 ,且有較高的定位準(zhǔn)確度。 關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。相對(duì)機(jī)器人本體尺寸，其工作空間比較大。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。因此，為了實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)空間，直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié) 構(gòu)尺寸要比其他類型的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。 12 自動(dòng)控制、機(jī)械系統(tǒng)仿真等知識(shí) 盡可能多的綜合運(yùn)用到設(shè)計(jì)中，使得經(jīng)過(guò)本次設(shè)計(jì)對(duì)大學(xué)階段的知識(shí)得到鞏固和強(qiáng)化，同時(shí)也考慮個(gè)人能力水平和時(shí)間的客觀實(shí)際，充分發(fā)揮個(gè)人能動(dòng)性，腳踏實(shí)地，實(shí)事求是的做好本次設(shè)計(jì)。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原則是：以任務(wù)書(shū)所要求的具體設(shè)計(jì)要求為根本設(shè)計(jì)目標(biāo)，充分考慮機(jī)械手工作的環(huán)境和工藝流程的具體要求。 智能化機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)。 本機(jī)械手主要與數(shù)控車床（數(shù)控銑床，加工中心等）組合最終形成生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程（上料、加工、下料）的自動(dòng)化、無(wú)人化。 目前，在國(guó) 內(nèi)很多工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機(jī)床裝卸工件仍由人工完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低。當(dāng)工件變更時(shí)，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對(duì)路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要。 8 機(jī)械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ..............................................50 機(jī)械手控制主程序流程圖 ................................