【正文】 ，計算得： ；理論驅(qū)動力的計算： （37）式中，為柱塞缸所需理論驅(qū)動力；為夾緊力至回轉(zhuǎn)支點的垂直距離；為扇形齒輪分度圓半徑；為手指夾緊力；齒輪傳動機構(gòu)的效率，；其他同上。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。另外，由于機械手垂直升降缸在工作時其下降方向與負荷重力作用方向一致，下降時有使運動速度加快的趨勢，為使運動過程的平穩(wěn)，同時盡量減小沖擊、振動，保證系統(tǒng)的安全性，采用V2構(gòu)成的平衡回路相升降油缸下腔提供一定的排油背壓，以平衡重力負載。 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)流效果不等的兩個單向節(jié)流閥。 本機械手的液壓系統(tǒng)圖如圖31所示，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、張開三個執(zhí)行機構(gòu)。 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。油液的凈化裝置是液壓源中不可缺的元件。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。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)。 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)。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。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。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。第3章 理論分析和設(shè)計計算液壓執(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)回轉(zhuǎn)運動。因為本設(shè)計機械手采用圓柱坐標型的結(jié)構(gòu)，而且在手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及整個機械手的設(shè)計和布局中都重點考慮了機械手手臂的平衡問題，通過合理布局，優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)，使得手臂本身盡可能達到平衡?；钊狡胶庑枰鋫溆袑ｉT的液壓或氣動裝置，系統(tǒng)復雜，因此造價高，設(shè)計、安裝和調(diào)試都增加了難度，但是平衡效果好。彈簧平衡機構(gòu)，機構(gòu)簡單、造價低、工作可靠、平衡效果好、易維修，因此應(yīng)用廣泛。通常，機器人所采用的平衡機構(gòu)主要有以下幾種： 這種平衡裝置結(jié)構(gòu)簡單，平衡效果好，易于調(diào)整，工作可靠，但增加了機器人手臂的慣量與關(guān)節(jié)軸的載荷。 機器人手臂的平衡機構(gòu)設(shè)計 直角坐標型、圓柱坐標型和球坐標型機器人可以通過合理布局，優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)，使得手臂本身可能達到平衡。因此，要求水平手臂具有伺服定位能力，故采用電液伺服液壓缸進行驅(qū)動。 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。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。這種電路有高、低壓二組電源。 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。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)。（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。 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。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。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。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。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。 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。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)。再啟動時，事先打開鎖緊機構(gòu)。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。 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。因此對機器人一個單自由度而言，停點數(shù)目最多69個。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。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。 為了確保氣缸的密封要求，同時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)。氣缸的結(jié)構(gòu)形式以及與機器人機構(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)計機器人時根據(jù)結(jié)構(gòu)要求而定。除個別用單動式氣缸外（如手爪機構(gòu)上用的），多數(shù)采用雙動氣缸。 多數(shù)情況下使用氣缸（直線氣缸或擺動氣缸）。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。 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機，儲氣罐，氣水分離器，調(diào)壓器，過濾器等。氣動驅(qū)動系統(tǒng)大體由以下幾部分組成。控制裝置目前多數(shù)選用可編程控制器（PLC）。這類機器人多是圓柱坐標型和直角坐標型或二者的組合型結(jié)構(gòu)；35個自由度；負荷在200N以下；速度3001000mm/s；重復定位精度為+/。由于氣動機器人具有氣源使用方便、不污染環(huán)境、動作靈活迅速、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，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)，機床上、下料，儀表及輕工行業(yè)中、小型零件的輸送和自動裝配等作業(yè)，食品包裝及運輸，電子產(chǎn)品輸送、自動插接，彈藥生產(chǎn)自動化等方面獲得大量應(yīng)用。它既是關(guān)節(jié)機構(gòu)，又是動力元件。液壓回轉(zhuǎn)執(zhí)行器是一種由伺服電機，步進電機或比例電磁鐵帶動的一個安放在擺動馬達或連續(xù)回轉(zhuǎn)馬達轉(zhuǎn)子內(nèi)的一個回轉(zhuǎn)滑閥，通過機械反饋，驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動的一種電液伺服機構(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構(gòu)間的管道容積，以增大液壓固有頻率。由以上各類閥件與液壓動力機構(gòu)可組成電液伺服馬達，電液伺服液壓缸，電液步進馬達，電液步進液壓缸，液壓回轉(zhuǎn)伺服執(zhí)行器（RSARotory Serve Actuator）等各種電液伺服動力機構(gòu)。具有點位控制和連續(xù)軌跡控制功能的工業(yè)機器人，需要采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)。（3）對慣量比較大的運動軸的液壓缸兩側(cè)最好加設(shè)安全保護回路，防止因碰撞過載而損壞機械結(jié)構(gòu)。這類機器人的液壓系統(tǒng)設(shè)計要重視以下方面：（1）液壓缸設(shè)計：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。機器人液壓驅(qū)動系統(tǒng)包括程序控制和伺服控制兩類。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，動態(tài)特性好，但是效率低。液壓動力機構(gòu)多數(shù)情況下采用直線液壓缸或擺動馬達，連續(xù)回轉(zhuǎn)的液壓馬達用得很少。目前，雖然在中等負荷以下的工業(yè)機器人中大量采用電機驅(qū)動系統(tǒng)，但是在簡易經(jīng)濟型、重型的工業(yè)機器人和噴涂機器人中采用液壓系統(tǒng)的還仍然占有很大的比例。重負荷的任意點位控制的點焊及搬運機器人選用液壓驅(qū)動系統(tǒng)。只有采用液壓或電動伺服系統(tǒng)才能滿足要求。沖壓機器人多采用氣動驅(qū)動系統(tǒng)。在注意各類驅(qū)動系統(tǒng)特點的基礎(chǔ)上，綜合上述各因素，充分論證其合理性、可行性、經(jīng)濟性及可靠性后進行最終的選擇。但因為這類驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)點比較突出，因此在機器人中被廣泛的使用。大多數(shù)電機后面需安裝精密的傳動機構(gòu)。由于低慣量、大轉(zhuǎn)矩的交、直流伺服電機及其配套的伺服驅(qū)動器（交流變頻器、直流脈沖寬度調(diào)制器）的廣泛采用，這類驅(qū)動系統(tǒng)在機器人中被大量采用。適用于中、小負荷的機器人中采用。但是，液壓系統(tǒng)需要進行能量轉(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，效率比電動驅(qū)動系統(tǒng)低，液壓系統(tǒng)的液體泄露會對環(huán)境產(chǎn)生污染，工作噪音也較高。由于液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)，它具有動力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實現(xiàn)直接驅(qū)動等特點。根據(jù)需要也可這三種基本類型組合成復合式的驅(qū)動系統(tǒng)。這里只采用一級齒輪傳動，采用大的傳動比（大于100），齒輪采用高強度、高硬度的材料，高精度加工制造。而機械手腰部的回轉(zhuǎn)運動采用步進電機驅(qū)動，必須采用傳動機構(gòu)來減速和增大扭矩。 設(shè)計具體采用方案 具體到本設(shè)計，因為選用了液壓缸作為機械手的水平手臂和垂直手臂，由于液壓缸實現(xiàn)直接驅(qū)動，它既是關(guān)節(jié)機構(gòu)，又是動力元件。鋼絲繩輪傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動剛度大、結(jié)構(gòu)柔軟，成本較低等優(yōu)點。在機器人中鏈傳動多用于腕傳動上，為了減輕機器人末端的重量，一般都將腕關(guān)節(jié)驅(qū)動電機安裝在小臂后端或大臂關(guān)節(jié)處。同步帶帶輪齒形有梯形齒形和圓弧齒形。同步帶具有傳動比準確、傳動效率高（可達98%）、節(jié)能效果好；能吸振、噪聲低、不需要潤滑；傳動平穩(wěn)，能高速傳動（可達40m/s）、傳動比可達10，結(jié)構(gòu)緊湊、維護方便等優(yōu)點，故在機器人中使用很多。 同步帶傳動是綜合了普通帶傳動和鏈輪鏈條傳動優(yōu)點的一種新型傳動，它在帶的工作面及帶輪外周上均制有嚙合齒，通過帶齒與輪齒作嚙合傳動。這樣可以消除傳動間隙，提高傳動精度與剛度。由于滾珠絲杠傳動返行程不能自鎖；因此在用于垂直方向傳動時，須附加自鎖機構(gòu)或制動裝置。通過預緊，能消除間隙、提高傳動剛度；進給精度和重復定位精度高。絲杠螺母傳動分為普通絲杠（滑動摩擦）和滾珠絲杠（滾動摩擦），前者結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、制造成本低，具有自鎖能力；但是摩擦阻力矩大、傳動效率低（30%~40%）。螺旋傳動及絲杠螺母，它主要是用來將旋轉(zhuǎn)運動變換為直線運動或?qū)⒅本€運動變換為旋轉(zhuǎn)運動。故在工業(yè)機器人系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。可選用新型的諧波齒輪傳動。（4）對以比較大傳動比傳動的齒輪系，往往需要將定軸輪系和行星輪系結(jié)合為混合輪系。（2）對于變負載的傳動齒輪系統(tǒng)的各級傳動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。利用該原則設(shè)計的齒輪系統(tǒng)要使換算到電動機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量最小，各級傳動比也是按照“先小后大”的次序分配，以使其結(jié)構(gòu)緊湊。因此，在設(shè)計中最末兩級的傳動比應(yīng)取大一些，并盡量提高其加工精度。設(shè)齒輪傳動中各級齒輪的轉(zhuǎn)角誤差換算到末級輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為，則 （21）式中：第個齒輪所具有的轉(zhuǎn)角誤差；第個齒輪的轉(zhuǎn)軸至n級輸出軸的傳動比。當計算出傳動比后，為使減速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，滿足動態(tài)性能和提高傳動精度的要求，要對各級傳動比進行合理的分配，原則如下：a．輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則。齒輪的嚙合間隙會造成傳動死區(qū)（失動量），若該死區(qū)是閉環(huán)系統(tǒng)中，則可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，常使系統(tǒng)產(chǎn)生低頻振蕩，因此要盡量采用齒側(cè)間隙小，精度高的齒輪；為盡量降低制造成本，要采用調(diào)整齒側(cè)間隙的方法來消除或減小嚙合間隙，從而提高傳動精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。齒輪傳動比應(yīng)滿足驅(qū)動部件與負載之間的位移及轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的匹配要求，其輸入電動機為高轉(zhuǎn)速，低轉(zhuǎn)矩，而輸出則為低轉(zhuǎn)速，高轉(zhuǎn)矩。機器人系統(tǒng)中齒輪傳動設(shè)計的一些問題（1）齒輪傳動形式及其傳動比的最佳匹配選擇。故在設(shè)計時要使傳動機構(gòu)的阻尼合適。，如采取消除傳動間隙、減少支承變形等措施。，提高傳動與支承剛度，如用預緊的方法提高滾珠絲杠副和滾動導軌副的傳動和支承剛度；采用大扭矩、寬調(diào)速的直流或交流伺服電機直接與絲杠螺母副連接，以減小中間傳動機構(gòu)；絲杠的支承設(shè)計采用兩端軸向預緊或預拉伸支承結(jié)構(gòu)等。，動摩擦力應(yīng)是盡可能小的正斜率，若為負斜率則易產(chǎn)生爬行，精度降低，壽命減小。因此，機器人的傳動機構(gòu)要力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，體積小。由于傳動部件直接影響著機器人的精度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力，因此，應(yīng)設(shè)計和選擇滿足傳動間隙小，精度高，低摩擦、體積小、重量輕、運動平穩(wěn)、響應(yīng)速度快、傳遞轉(zhuǎn)矩大、諧振頻率高以及與伺服電動機等其它環(huán)節(jié)的動態(tài)性能相匹配等要求的傳動部件。機器人所采用的傳動機構(gòu)與一般機械的傳動機構(gòu)相類似。手爪的具體結(jié)構(gòu)形式如圖25所示：圖25機械手末端執(zhí)行手爪結(jié)構(gòu)圖機器人是由多級聯(lián)桿和關(guān)節(jié)組成的多自由度的空間運動機構(gòu)。手指的最小開度由加工工件的直徑來調(diào)定。 結(jié)合具體的工作情況，本設(shè)計采用連桿杠桿式的手爪。這種手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動作。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