【正文】 驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動機械手執(zhí)行機構(gòu)運動的動力裝置，通常由動力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。 (3)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息 (如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間 )，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 機械手的分類 機械手的種類很多，關(guān)于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。專用機械 手具有動作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大 批量的自動化生產(chǎn)，如自動機床、自動線的上、下料機械手和 “加口工中心 ”附屬的自動換刀機械手。在規(guī)格性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和 控制系統(tǒng)是獨立的。 通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種 :簡易型以 “開一關(guān) ”式控制定位，只能是點位控制 : 伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，可以是點位的，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，一般的伺服型通用機械手屬于數(shù)控 類 型。其主要特點是 :抓重可達幾 百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。若機械 手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是 電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴(yán)格，成本高。其主要特點是 :介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速， 結(jié)構(gòu)簡單，成本低。 機械傳動機械手 即由機械傳動機構(gòu) (如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構(gòu)等 )驅(qū)動的機械手。它的主要特點是運動準(zhǔn)確可靠，動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。 電力傳動機械手 9 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機 、直線電機或功率步進電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，故機械結(jié)構(gòu)簡單。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。 連續(xù)軌跡控制 它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設(shè)定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn) 平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 國外機器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢 : 工業(yè)機器人性能不斷提高 (高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修 )，而單機價格不斷下降，平均單機價格從 91 年的 萬美元降至 97 年的 65 萬美元。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化 :由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機 。 工業(yè)機器人控制系 統(tǒng)向基于 PC 機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化 。 機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制 。 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作 業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。美國發(fā)射到火星上的 “索杰納 ”機器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例。從 94 年美國開發(fā)出 “虛擬軸機床 ”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。其中有 130 多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近 30 條自動噴漆生產(chǎn)線 (站 )上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機器人己應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。在應(yīng)用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約 200 臺，約 占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程 .我國的智能機器人和特種機器人在 “863”計劃的支持下，也取得了不少成果。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應(yīng)用方面 11 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在 “十五 ”后期立于世界先進行列之中。設(shè)計機械手的原則是 :充分分析作業(yè)對象(工件 )的作業(yè)技術(shù)要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結(jié)構(gòu)及運行控制的要求盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡化設(shè)計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制 .本次設(shè)計的機械手是桶裝水碼垛機械手，是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動作程序的自動搬運 或操作設(shè)備，動作強度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。 驅(qū)動方式選取 下表 為各種驅(qū)動方式的比較： 表 驅(qū)動方式的比較 內(nèi)容 驅(qū)動方式 液壓驅(qū)動 氣動驅(qū)動 電機驅(qū)動 機械傳動 輸出功 率 很大，壓力范圍為50～ 140Pa 大，壓力范圍為 48～60Pa，最大可達 Pa 較大 不太大 控制性能 利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)連 續(xù)軌跡控制 不易控制，難以實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制 控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜 控制精度高，反應(yīng)靈敏 響應(yīng)速 度 很高 較高 很高 很高 結(jié)構(gòu)性能及體結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率 /質(zhì)量伺服電動機易于標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動機一般需配置結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，結(jié)構(gòu)性能好，傳動平穩(wěn)，但體積大 13 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 積 率 /質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較大 比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較小 減速 裝置，除 DD 電動機外，難以直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)緊湊，無密封問題 安全性 防爆性能較好，用液壓油作傳動介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危險 防爆性能好，高于1000kPa(10 個大氣壓 )時應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性 設(shè)備自身無爆炸和火災(zāi)危險，直流有刷電動機換向時有火花，對環(huán)境的防爆性能較差 比較安全 對環(huán)境的影 響 液壓系統(tǒng)易漏油，對環(huán)境有污染 排氣時有噪聲 無 工作時有噪音 在工業(yè)機器人中應(yīng)用范圍 適用于重載、低速驅(qū)動，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機器人、點焊機器人和托運機器人 適 用于中小負載驅(qū)動、精度要求較低的有限點位過程控制機器人，如沖壓機器人本體的氣動平衡及裝配機器人氣動夾具 適用于中小負載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機器人，如 AC伺服噴涂機器人、點焊機器人、弧焊機器人、裝配機器人等 適用于中小負載，它的主要特點是運動準(zhǔn)確可靠，動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。 成 本 液壓組件成本較高 成本低 成本高 一般 維修及使用 方便 方便 較復(fù)雜 方便 機器人驅(qū)動系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點，通常對機器人的驅(qū)動系統(tǒng)的要求有 ： 驅(qū)動系統(tǒng)的質(zhì)量盡可能要輕，單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率也要高； 反應(yīng)速度要快，即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動慣量比要大，能夠進行頻繁地起、制動，正、反轉(zhuǎn)切換； 驅(qū)動盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要??； 安全可靠； 操作和維護方便； 對環(huán)境無污染，噪聲要??； 經(jīng)濟上合理，尤其要盡量減少占地面積。 機械手類型的選取 機械手屬于空間機構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)上的原因運動副通常只有轉(zhuǎn)動副和移動副。這些關(guān)節(jié)中，凡是單獨驅(qū)動的稱主動關(guān)節(jié)，反之則是從動關(guān)節(jié)。一般來說運動鏈的自由度和手部運動的自由度在數(shù)目上是相等的。前 3 個關(guān)節(jié)具有 3 個自由度，功能是確定手部的空間位置。所以這 3 個關(guān)節(jié)和聯(lián)接他們的桿件構(gòu)成的機構(gòu)被稱為姿態(tài)機構(gòu)。操作機可根據(jù)前 3 個關(guān)節(jié)不同的運動組合形式進行分類。其前 3 個關(guān)節(jié)為移動關(guān)節(jié)，運動型式如圖 22 所示。 圓柱坐標(biāo)型機械手 圓柱型坐標(biāo)機械手是通過兩個移動副和一個轉(zhuǎn)動副來實現(xiàn)手部的空間位置變化 ,如圖 23 所示。該種機械手機構(gòu)簡單，便于幾何計算，通常用于搬運機械手。一般是腰關(guān)節(jié)可繞 z 軸轉(zhuǎn)動，大臂可在 zx 平面俯仰，小臂可伸縮運動。 關(guān)節(jié)型機械手 關(guān)節(jié)型機械手是模擬人的上臂而構(gòu)成的。它利用順序的三次圓弧運動來改變手的空間位置 ，其機構(gòu)特點是結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小，相對的工作空間大，還能繞過基座周圍的一些障礙物。 PNMA、 CINCINNATI T MOTOMAN、 ABB、 KUKA 等名牌機器人都采用這種形式的機械手。 機械手主要技術(shù)參數(shù) （ 1） 工件重量 機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用液壓方式驅(qū)動，抓取力大，查閱相關(guān)機械手的設(shè)計參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實際情況，本設(shè)計設(shè)計抓取的工件 質(zhì)量為 38公斤。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要求，設(shè)計速度過低限制了它的使用范圍。具體技術(shù)參數(shù)如下表所示： 表 機械手基本參數(shù) 動作形態(tài) 垂直關(guān)節(jié)型 自由度 5 可搬質(zhì)量 38kg 位置重復(fù)精度 ? 1mm 動 作 范 圍 腰部旋轉(zhuǎn) 300176。 小臂擺動 140176。 最 大 速 度 腰部旋轉(zhuǎn) 110176。/s 小臂擺動 110176。/s 16 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 3 手部和腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 機械手的手部是用來抓持工件的部件，將直接影響到機械手的工作性能，它是工業(yè)機械手的關(guān)鍵部件之一。它的大小不僅與工件的尺寸有關(guān)，而且應(yīng)注意手部接 近工件的運動路線及其方位的影響。 （ 1） 夾緊方案的確定 機械手夾持器有很多方式，包括滑槽杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器、連桿杠桿回轉(zhuǎn)型夾持器、齒輪齒條平行連桿平移式夾持器、左右旋絲桿平移型夾持器、內(nèi)撐式連桿杠桿夾持器等。壓力決定于外載荷，流量取決于液壓執(zhí)行組件的運動速度和結(jié)構(gòu)尺寸。 18 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 所以： ei f+ F = 9 8 + 1 0 2 + 0 = 2 0 0F F F?? （ 5）夾緊力 Fn 和驅(qū)動力 Fp 的關(guān)系 如圖 25 所示，當(dāng)驅(qū)動器推桿往上運動時，兩滑塊向中間收攏，產(chǎn)生夾緊力，夾緊力 NF 和驅(qū)動力 PF 的關(guān)系： 2 cosPN FRF L ?? (326) 式中， NF 手部夾緊力 PF 液壓缸驅(qū)動力 R 齒輪分度圓半徑，為 75mm L 連桿長 度 ,為 200mm ?連桿與豎直方向的夾角 當(dāng) PF 和 RL 一定時， NF 將隨 ? 增大而增大，當(dāng) =0? 時夾緊力為最小值。一般來說，加緊力必須克服工件的重力所產(chǎn)生的靜載荷（慣性力或慣性力矩）以使工件保持可靠的加緊狀態(tài)。PF 的計算 根據(jù)驅(qū)動力和夾緊力之間的關(guān)系式： 2 cosPN FRF L ?? (328) 當(dāng) ? 為連桿與豎直方向的夾角，當(dāng) ? 為 0 時，夾緊力最小，即當(dāng) ? 為 0 能夾緊工件，則其它時候均能夾緊。PF 要大于理論計算值，考慮手爪的機械效率 ? ，一般取 ～ ，此處取 ，則： 4 7 6 8 0 . 9 5 2 9 739。根據(jù)力平衡原理，單 向作用液壓缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其公式為 : zt FFPDF ??? 421 ? (329) 式中 : 1F 活塞桿上的推力， N tF 彈簧反作用力， N 20 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 zF 液壓缸工作時的總阻力， N P 液壓缸工作壓力， Pa 彈簧反作用按下式計算 : )1( sGF ft ?? (330) nDGdGf 31418? (331) 式中 : fG 彈簧剛度， N