【正文】 50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。 程的平穩(wěn)，同時(shí)盡量減小沖擊、振動(dòng)，保證系統(tǒng)的安全性，采用溢流閥構(gòu)成的平衡回路相升降油缸下腔提供一定的排油背壓，以平衡重力負(fù)載。 另外，由于機(jī)械手垂直升降缸在工作時(shí)其下降方向與負(fù)荷重力作用方向一致，下降時(shí)有使運(yùn)動(dòng)速度加快的趨勢(shì)，為使運(yùn)動(dòng)過 其中，泵由三相交流異步電動(dòng)機(jī) M 拖動(dòng)；考慮到手爪的工作要求輕緩抓取、迅速松開，系統(tǒng)采用了節(jié)流效果不等的兩個(gè)調(diào)速閥。 48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。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。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。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。 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。 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。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)。 方向控制是用換向閥或是邏輯控制單元來實(shí)現(xiàn)。因此，機(jī)械手的水平手臂和垂直手臂都采用單活塞桿液壓缸，來實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)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。二者的特點(diǎn)及適用場(chǎng)合見表 31： 表 31 名 稱 特 點(diǎn) 適 用 場(chǎng) 合 雙活塞桿液壓缸 雙向?qū)ΨQ 雙向工作的往復(fù)場(chǎng)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(jiǎn)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(jiǎn)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) 45若實(shí)際工作中平衡結(jié)果不滿足，則設(shè)置彈簧平衡機(jī)構(gòu)進(jìn)行平衡。用于配重平衡、彈簧平衡滿足不了工作要求的場(chǎng)合。 活塞式平衡系統(tǒng)有液壓和氣動(dòng)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(dòng)平衡系統(tǒng)，具有很好的阻尼作用， 但體積比較大。 一般在機(jī)器人手臂的不平衡力矩比較小的情況下采用這種平衡機(jī)構(gòu)。關(guān)節(jié)機(jī)器人手臂一般都需要平衡裝置，以減小驅(qū)動(dòng)器的負(fù)荷， 同時(shí)縮短啟動(dòng)時(shí)間。 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(shí)現(xiàn)，即手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張開和閉合。 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)；同時(shí)考慮隨著機(jī)床加工的工件的不同，水平手臂伸出長(zhǎng)度是不同的。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，故采用步高電壓加入的時(shí)間長(zhǎng)短由控制電路來實(shí)現(xiàn)。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。目前功率放大器多采用高低壓驅(qū)動(dòng)電路。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)。 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)。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)。末級(jí)采用大 功率三極管構(gòu)成橋式開關(guān)電路。 壓，從而改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。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 41 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(chǎng)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(zhǎng)；負(fù)載波動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)速影響小，輸出力矩平穩(wěn)。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 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。伺服電動(dòng)機(jī)可與測(cè)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。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)。 39 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。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。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。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)。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(zhǎng)也要相應(yīng)縮短。 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)。 開關(guān)動(dòng)作發(fā)訊，進(jìn)行位置檢測(cè)。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。為實(shí)現(xiàn)端部緩沖，要選用雙向端點(diǎn)位置緩沖的氣缸。直線氣缸分單動(dòng)式和雙動(dòng)式兩類。 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。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。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。 37 由總壓縮空氣站提供。在易燃、易爆的場(chǎng)合下可采用氣動(dòng)邏輯元件組成控制裝置。 5mm。 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。 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)。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)。 36 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)。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。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。 （ 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?jī)?chǔ)備。 （ 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。 機(jī)器人實(shí)現(xiàn)有限點(diǎn)位的控制。 這類機(jī)器人屬非伺服控制的機(jī)器人，在只有簡(jiǎn)單搬運(yùn)作業(yè)功能的機(jī)器人中，常常采用簡(jiǎn)易的邏輯控制裝置或可編程控制器對(duì)容積調(diào)速系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)特性不如前者，但效率高。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)。 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。 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。點(diǎn)焊、弧焊機(jī)器人多采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 ，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)。 34一般情況下： （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)。 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。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。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。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。 具有速度快，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便、價(jià)格低等特點(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。這三類基本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下。 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。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。故不需要中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，這既簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，同時(shí)又提高了精度。 32其缺點(diǎn)是帶輪較大、安裝面積大、加速度不宜太高。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)。 鋼帶傳動(dòng)的特點(diǎn)是鋼帶與帶輪間接觸面積大，是無間隙傳動(dòng)、摩擦阻力大，無滑動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、運(yùn)行可靠、噪聲低，驅(qū)動(dòng)力矩大、壽命長(zhǎng)，鋼帶無蠕變、傳動(dòng)效率高。其主要缺點(diǎn)是安裝精度要求高、中心距要求嚴(yán)格，同時(shí)具有一定的蠕變性。為保證帶和帶輪作無滑動(dòng)的同步傳動(dòng)，齒形帶采用了承載后無彈性變形的高強(qiáng)力材料，無彈性滑動(dòng)，以保證節(jié)距不變。 31但是預(yù)加載荷會(huì)使?jié)L珠絲杠壽命下降，所以，預(yù)加載荷不應(yīng)超過工作載荷的 1/3。在選用滾珠絲杠要考慮以下幾項(xiàng)指標(biāo)： （ 1）滾珠絲杠的精度等級(jí)； （ 2）滾珠絲杠的傳動(dòng)間隙允許值和預(yù)加載荷的期望值； （ 3）載荷條件（靜、動(dòng)載荷）以及載荷允許值； （ 4）滾珠絲杠的工作壽命； （ 5）滾珠絲杠的臨界轉(zhuǎn)速； （ 6）滾珠絲杠的剛度； 減小滾珠絲杠空回行程的方法，多是采用雙螺母結(jié)構(gòu)，使螺母與絲杠之間有一定的預(yù)加載荷。使用壽命長(zhǎng)；而且同步性好，使用可靠、潤(rùn)滑簡(jiǎn)單，因此滾珠絲杠在機(jī)器人中應(yīng)用很多。后者雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高，但是其最大的優(yōu)點(diǎn)是摩擦阻力矩小、傳動(dòng)效率高（ 92%~98%），其運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性好，靈活度高。 的，如螺旋壓力機(jī)、千斤頂?shù)?；有以傳遞運(yùn)動(dòng)為主的，如機(jī)床 工作臺(tái)的進(jìn)給絲杠。螺旋傳動(dòng)有傳遞能量為主諧波齒輪傳動(dòng)與少齒差行星齒輪傳動(dòng)十分相似，它是依靠柔性齒輪產(chǎn)生的可控變形波引起齒間的相對(duì)錯(cuò)齒來傳遞動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)的，故諧波齒輪傳動(dòng)與一般的齒輪傳動(dòng)具有本質(zhì)上的差別。 諧波齒輪傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小重量輕，傳動(dòng)比大（幾十到幾百），傳動(dòng)精度高、回程誤差小、噪音低、傳動(dòng)平穩(wěn)，承載能力強(qiáng)、效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于相當(dāng)大大傳動(dòng)比、并且要求傳動(dòng)精度與傳動(dòng)效率高，傳動(dòng)平穩(wěn)以及體積小重量輕時(shí)。 （ 3） 對(duì)于提高傳動(dòng)精度和減小回程誤差為主的傳動(dòng)齒輪系統(tǒng)，按總轉(zhuǎn)角誤差最小原則；對(duì)于增速傳動(dòng)，由于增速時(shí)容易破壞傳動(dòng)齒輪系工作的平穩(wěn)性，應(yīng)在開始幾級(jí)就增速，并且要求每級(jí)增速比最好大于 1:3，以有利于增加輪系的剛度，減小傳動(dòng)誤差。 按最小等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和總轉(zhuǎn)角誤差最小的原則來處理。 具體而言有幾點(diǎn)： （ 1） 對(duì)要求運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，起停頻繁和動(dòng)態(tài)性能好的伺服系統(tǒng)， b．等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小原則。 則四級(jí)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的各級(jí)齒輪的轉(zhuǎn)角誤差（ 1?? 、 2?? 、 ...、8?? ）換算到末級(jí)輸出軸上的總轉(zhuǎn)角 誤差為 84 7643 54432 321m a x ????????? ????????????????? iiiiiii （ 22） 由此可知總轉(zhuǎn)角誤差主要取決于最末級(jí)齒輪的轉(zhuǎn)角誤差和傳動(dòng)比的大小。 輪的加工誤差、安裝誤差及回轉(zhuǎn)誤差對(duì)輸出轉(zhuǎn)角精度的影響。 為了提高齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度，各級(jí)傳動(dòng)比應(yīng)按“先小后大”的原則分配，以便降低齒 （ 2） 各級(jí)傳動(dòng)比的最佳 分配原則。故齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)要有足夠的剛度，還要求其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量盡量小，以便在獲得同一加速度時(shí)所需的轉(zhuǎn)矩小，即在同一驅(qū)動(dòng)功率時(shí)，其加速度響應(yīng)