【正文】 形式，以增大抗彎截面模量，也大大增加了液壓缸的工作剛度。 因此，在水平伸縮缸的設(shè)計上，一是增大其抗彎能力，二是通過合理的結(jié)構(gòu)布局設(shè)計，使其具有盡量大的剛度。而且因為機械手要求具有一定的柔性，水平液壓缸活塞桿要求具有比較大的工作行程 。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)。 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。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。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。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。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。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 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)。 方向 控制是用換向閥或是邏輯控制單元來實現(xiàn)。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。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。 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。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 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。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。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。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， 16 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(fù)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， 15 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。一般情況下： （包括上下料）使用的有限點位控制的程序控制機器人，重負荷的選擇液壓驅(qū)動系統(tǒng)，中等負荷的可選電機驅(qū)動系統(tǒng)，輕負荷的可選氣動驅(qū)動系統(tǒng)。 工業(yè)機器人驅(qū)動系統(tǒng)的選擇原則 設(shè)計機器人時，驅(qū)動系統(tǒng)的選擇，要根據(jù)機器人的用途、作業(yè)要求、機器人的性能規(guī)范、控制功能 、維護的復(fù)雜程度、運行的功耗、性價比以及現(xiàn)有的條件等綜合因素加以考慮。直流有刷電機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)動系統(tǒng)高。這類驅(qū)動系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，使用方便，噪聲較低，控制靈活。但是因難于實現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機器人中。 13 具有速度快，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維修方便、價格低等特點。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機器人。這三類基本驅(qū)動系統(tǒng)的主要 特點如下。 機械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計 機器人各類驅(qū)動系統(tǒng)的特點 工業(yè)機器人的驅(qū)動系統(tǒng)，按動力源分為液壓、氣動和電動三大類。經(jīng)分析比較，選擇圓柱齒輪傳動，為了保證比較高的精度，盡量減小因齒輪傳動造成的誤差；同時大大增大扭矩，同時較大的降低電機轉(zhuǎn)速，以使機械手的運動平穩(wěn)，動態(tài)性能好。故不需要中間傳動機構(gòu)，這既簡化了結(jié)構(gòu)，同時又提高了精度。其缺點是帶輪較大、安裝面積大、加速度不宜太高。由于電機距離被傳動的腕關(guān)節(jié)較遠，故采用精密套筒滾子鏈來傳動。 鋼帶傳動的特點是鋼帶與帶輪間接觸面積大，是無間隙傳動、摩擦阻力大，無滑動，結(jié)構(gòu)簡單緊湊、運行可靠、噪聲低，驅(qū)動力矩大、壽命長，鋼帶無蠕變、傳動效率高。其主要缺點是安裝精度要求高、中心距要求嚴格，同時具有一定的蠕變性。為保證帶和帶輪作無滑動的同步傳動，齒形帶采用了承載后無彈性變形的 高強力材料，無彈性滑動，以保證節(jié)距不變。但是預(yù)加載荷會使?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指標： （ 1）滾珠絲杠的精度等級； （ 2）滾珠絲杠的傳動間隙允許值和預(yù)加載荷的期望值； （ 3）載荷條件（靜、動載荷）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；而且同步性好，使用可靠、潤滑簡單，因此滾珠絲杠在機器人中應(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)點是摩擦阻力 11 矩小、傳動效率高（ 92%~98%），其運動平穩(wěn)性好，靈活度高。螺旋傳動有傳遞能量為主的，如螺旋壓力機、千斤頂?shù)?；有以傳遞運動為主的，如機床工作臺的進給絲杠。諧波齒輪傳動與少齒差行星齒輪傳動十分相似，它是依靠柔性齒輪產(chǎn)生的可控變形波引起齒間的相對錯齒來傳遞動力與運動的，故諧波齒輪傳動與一般的齒輪傳動具有本質(zhì)上的差別。 諧波齒輪傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小重量輕，傳動比大（幾十到幾百），傳動精度高、回程誤差小、噪音低、傳動平穩(wěn)，承載能力強、效率高等一系列優(yōu)點。對于相當大大傳動比、并且要求傳動精度與傳動效率高，傳動平穩(wěn)以及體積小重量輕時。 （ 3）對于提高傳動精度和減小回程誤差為主的傳動齒輪系統(tǒng)，按總轉(zhuǎn)角誤差最小原則；對 于增速傳動，由于增速時容易破壞傳動齒輪系工作的平穩(wěn)性，應(yīng)在開始幾級就增速，并且要求每級增速比最好大于 1:3，以有利于增加輪系的剛度，減小傳動誤差。 具體而言有幾點： （ 1）對要求運動平穩(wěn)，起停頻繁和動態(tài)性能好的伺服系統(tǒng)，按最小等效轉(zhuǎn)動慣量和總轉(zhuǎn)角誤差最小的原則來處理。 b．等效轉(zhuǎn)動慣量最小原則。 （ 2）各級傳動比的最佳分配原則。故齒輪傳動系統(tǒng)要有足夠的剛度，還要求其轉(zhuǎn)動慣量盡量小，以便在獲得同一加速度時所需的轉(zhuǎn)矩小，即在同一驅(qū)動功率時，其加速度響應(yīng)最大。齒輪傳動部件是轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的變換器用于伺服系統(tǒng)的齒輪減速器是一個力矩變換器。 機械手的機械傳動機構(gòu)的設(shè)計 在機器人中常用的齒輪傳動機構(gòu)有圓柱齒輪，圓錐齒輪，諧波齒輪，擺線針輪及蝸輪蝸桿傳動等。 同時，因為控制和具體工作的要求，通過增設(shè)導(dǎo)桿，能顯著提高機械手的運動剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性的問題。 9