【正文】 均采用空心結(jié)構(gòu)。 機(jī)械手腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計 機(jī)器人的手臂運(yùn)動 (包括腰座的回轉(zhuǎn)運(yùn)動 )，給出了機(jī)器人末端 執(zhí)行器在其工作空問中的運(yùn) 動位置，而安裝 在機(jī)器人手臂末端的手腕，則給出了機(jī)器人末端執(zhí)行器在其工作空間中的運(yùn)動姿態(tài)。 . 1 機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求 ，應(yīng)根據(jù)作業(yè)需要來設(shè)計。但是，自由度的增加，也必然會使腕部結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，機(jī)器人的控制更困難，成本也會增加。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。因此，要具體問題具體分析，考慮機(jī)器人的多種布局，運(yùn)動方案，選擇滿足要求的最簡單的方案。為了減輕機(jī)器人腕部的重量 .腕部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動器采用分離傳動。 要與末端執(zhí)行器相聯(lián)，因此，要有標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)接法蘭，結(jié)構(gòu)上要便于裝卸 端執(zhí)行器。 ，以減小空回間隙，提高傳動精度。 設(shè)計具體采用方案 通過對數(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機(jī)械手上下料作業(yè)時的具體要求，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)盡量簡單，降低控制的難度，本設(shè)計手腕不增加自由度，實(shí)踐證明這是完全能滿足作業(yè)要求的， 3 個自山度來實(shí)現(xiàn)機(jī)床的上下料完全足夠。機(jī)器人末端執(zhí)行器的種類很多，以適應(yīng)機(jī)器人的不同作業(yè)及操作要求。 搬運(yùn)用末端執(zhí)行器是指各種夾持裝置，用來抓取或吸附被搬運(yùn)的物體。 測量用末端執(zhí)行器是裝有測量頭或傳感器的附加裝置，用來進(jìn)行測量及檢驗(yàn)作業(yè)。 。因此，根據(jù)作業(yè)的需要和人們的想象力而創(chuàng)造的新的機(jī)器人末端執(zhí)行器，將不斷的擴(kuò)大機(jī)器人 的應(yīng)用領(lǐng)域。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。萬能末端執(zhí)行器在結(jié)構(gòu)上很復(fù)雜，甚至很難實(shí)現(xiàn)，例如，仿人的萬能機(jī)器人靈巧手，至今尚未實(shí)用化。從工業(yè)實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，應(yīng)著重開發(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，而不主張用一個萬能的末 端執(zhí)行器去完成多種作業(yè)。 ，萬能性是指一機(jī)多能，而通用性是指有限的末端執(zhí)行器，可適用于不同的機(jī)器人，這就要求末端執(zhí)行器要有標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械接口(如法蘭 )，使末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和積木化。用計算機(jī)控制最方便的是電氣式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 機(jī)器人夾持器的運(yùn)動和驅(qū)動方式 機(jī)器人夾持器及機(jī)器人手爪。按手指的運(yùn)動方式，可分為回轉(zhuǎn)型和移動型，按夾持方式來分，有外夾式和內(nèi)撐式兩種。由于氣動驅(qū)動系統(tǒng)價格較低，所以氣動夾持器在工業(yè)中應(yīng)用較為普遍。 。電動驅(qū)動方式可實(shí)現(xiàn)手爪的力與位置控制。 ，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)位置控制。 當(dāng)活塞向前運(yùn)動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產(chǎn)生夾緊動作和夾緊力，當(dāng)活塞向后運(yùn)動時，手爪松開。 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，山于杠桿的力放大作用，這種乎爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。 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。 一種機(jī)床上下料機(jī)械手設(shè)計 9 設(shè)計具體采用方案 結(jié)合具體的工作情況，本設(shè)計采用連桿杠桿式的手爪。手指的最小開度由加工工件的直徑來調(diào)定。手爪的具體結(jié)構(gòu)形式如圖 25所示 ： 圖 25機(jī)械手末端執(zhí)行手爪結(jié)構(gòu)圖 機(jī)械手的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的設(shè) 計 機(jī)器 人是山多級聯(lián)桿和關(guān)節(jié)組成的多自由度的空間運(yùn)動機(jī)構(gòu)。機(jī)器人所采用的傳動機(jī)構(gòu)與一般機(jī)械的傳動機(jī)構(gòu)相類似。山于傳動部件直接影響著機(jī)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(yùn)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(jī)等其它環(huán)節(jié)的動態(tài)性能相匹配等要求的傳動部件。因此，機(jī)器人的傳動機(jī)構(gòu)要力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，體積小。 ，動摩擦力應(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。 ，提高傳動與支承剛度，如用預(yù)緊的方法提高滾珠絲杠副和滾動導(dǎo)軌副的傳動和支承剛度 。絲杠的支承設(shè)計采用兩端軸向預(yù)緊或預(yù)拉伸支承結(jié)構(gòu)等。 ，如采取消除傳動問隙、減少支承變形等措施。但大阻尼也會使系統(tǒng)的失動量和反轉(zhuǎn)誤差增大，穩(wěn)態(tài)誤差增大，精度降低。 工業(yè)機(jī)器人常用的傳動機(jī)構(gòu)形式 1 齒輪傳動機(jī)構(gòu) 在機(jī)器人中常用的齒輪傳動機(jī)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。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。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。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。當(dāng)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(jìn)行合理的分配，原則如下 : 。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 式中 : 一第 k 個齒輪所具有的轉(zhuǎn)角誤差 。 則四級齒輪傳動系統(tǒng)的各級齒輪的轉(zhuǎn)角誤差 ( ) 換算到末級輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為 一種機(jī)床上下料機(jī)械手設(shè)計 11 (22) 由此可知總轉(zhuǎn)角誤差主要取決于最末級齒輪的轉(zhuǎn)角誤差和傳動比的 大小。 。 具體而言有兒點(diǎn) : (1)對要求運(yùn)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。 (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 。 (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?？蛇x用新型的諧波齒輪傳動。故在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。 螺旋傳動及絲杠螺母，它主要是用來將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變 換為直線運(yùn)動或?qū)⒅本€運(yùn)動變換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。有以傳遞運(yùn)動為主的，如機(jī)床工作臺的進(jìn)給絲杠。但是摩擦阻力矩大、傳動效率低(30%40%)。通過預(yù)緊，能消除間隙、提高傳動剛度 。使用壽命長 。 由于滾珠絲杠傳動返 程不能自鎖 。在選用滾珠絲杠要考慮以下兒項(xiàng)指標(biāo) : (1)滾珠絲杠的精度等級 。 (3)載荷條件 (靜、動載荷 )以及載荷允許值 。 一種機(jī)床上下料機(jī)械手設(shè)計 12 (5)滾珠絲杠的臨界轉(zhuǎn)速 。 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。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. 同步帶傳動是綜合了普通帶傳動和鏈輪鏈條傳動優(yōu)點(diǎn)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。同步帶具有傳動比準(zhǔn)確、傳動效率高 (可達(dá) 98%)、節(jié)能效果好 。傳動平穩(wěn)，能高速傳動 (可達(dá) 40m/s),傳動比可達(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。同步帶帶輪齒形有梯形齒形和圓弧齒形。 在機(jī)器人中鏈傳動多用于腕傳動上，為了減輕機(jī)器人末端的重量，一般都將腕關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)安裝在小臂后端或大臂關(guān)節(jié)處。 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(diǎn)。 具體到本設(shè)計，因?yàn)檫x用了液壓缸作為機(jī)械乎的水平乎臂和垂直手臂，由于液壓缸實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動，它既是關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，又是動力元 件。而機(jī)械手腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，必須采用傳動機(jī)構(gòu)來減速和增大扭矩。同時大大增大扭矩，同時較大的降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，以使機(jī)械乎的 運(yùn)動平穩(wěn)，動態(tài)性能好。 機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計 工業(yè)機(jī)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。這三類基本驅(qū)動系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下。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。 具有速度快，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維修方便、價格低等特點(diǎn)。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。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。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)動系統(tǒng)高。 工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)的選擇原則 設(shè)計機(jī)器人時，驅(qū)動系統(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、性價比以及現(xiàn)有的條件等綜合因素加以考慮。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)動系統(tǒng)，中等負(fù)荷的可選電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，輕負(fù)荷的可選氣動驅(qū)動系統(tǒng)。 ，要求具有點(diǎn)位和軌跡控制功能，需采用伺服驅(qū)動系統(tǒng)。點(diǎn)焊、弧焊機(jī)器人多采用電動驅(qū)動系統(tǒng)。 機(jī)器人液壓驅(qū)動系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)自 1962 年在 世界上第一臺機(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。 液壓系統(tǒng)在機(jī)器人中所起的作用是通過電一液轉(zhuǎn)換元件把控制信號進(jìn)行功率放大，對液壓動力機(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)動規(guī)律動作。在工業(yè)機(jī)器人中，中、小功率的液壓驅(qū)動系統(tǒng)用節(jié)流調(diào)速的為多，大功率 的用容積調(diào)速系統(tǒng)。容積調(diào)速系統(tǒng)，動態(tài)特性不如前者，但效率高。 這類機(jī)器人屬非伺服控制的機(jī)器人，在只有簡單搬運(yùn)作業(yè)功能的機(jī)器人中，常常采用簡易的邏輯控制裝置或可編程控制器對機(jī)器人實(shí)現(xiàn)有限點(diǎn)位的控制。 (2)定位點(diǎn)的緩沖與制動 :因?yàn)闄C(jī) 器人手臂的運(yùn)動慣量比較大，在定位點(diǎn)前要加一種機(jī)床上下料機(jī)械手設(shè)計 14 緩沖與制動機(jī)構(gòu)或鎖定裝置。 (4)液壓源應(yīng)該加蓄能器，以利于多運(yùn)動軸同時動作或加速運(yùn)動提供瞬時能量儲備。其電一液轉(zhuǎn)換和功率放大元件有電一液伺服閥，電 液比例閥，電一液脈沖閥等。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的需要，電一液伺服馬達(dá)和電一液伺服液壓缸可以是分離式，也可以是組合成為一體。 在機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)中，常用的電一液伺服動力機(jī)構(gòu)是電一液伺服液壓缸和電一液伺服擺動馬達(dá)，也可以用電一液步進(jìn)馬達(dá)。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。 機(jī)器人氣動驅(qū)動系統(tǒng) 氣動機(jī)器人采用壓縮空氣為動力源，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)。 氣動驅(qū)動系統(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。35 個自由度 。速度 3001000mm/s。控制裝置目前多數(shù)選用可編程控制器 (PLC)。氣動驅(qū)動系統(tǒng)大體由以下幾部分組成。氣源部分包括空氣 壓縮機(jī)，儲氣罐，氣水分離器，調(diào)壓器，過濾器等。 ，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)。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。 (直線氣缸或擺動氣缸 )。除個別用單動式氣缸外 (如手爪機(jī)構(gòu)上用的 )，多數(shù)采用雙動氣缸。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)計機(jī)器人時根據(jù)結(jié)構(gòu)要求而定。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)。除了直線氣缸外，機(jī)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(jī)構(gòu)上。氣缸活塞的運(yùn)動速度容許達(dá) ，如果氣缸以 1 m/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(diǎn)的距離約為 70mm，兩個停點(diǎn)的步長應(yīng)大于這個數(shù)值。因此對機(jī)器人一個單自由度而言，停點(diǎn)數(shù)目最多 69 個。 ，可由編程器發(fā)指令，或由限位開關(guān)發(fā)訊。當(dāng)氣缸活塞運(yùn)動到定位點(diǎn)時，為保證定位精度，需要將運(yùn)動軸鎖緊。再啟動時，事先打開鎖緊機(jī)構(gòu)。由于高起動力矩、大轉(zhuǎn)矩低慣量的交、直流電機(jī)在機(jī)器人中的應(yīng)用，因此一般情況下，負(fù)重在100kg 以下的工業(yè)機(jī)器人大多數(shù)采用電動驅(qū)動系統(tǒng)。 速度傳感器多數(shù)用的是測速發(fā)電機(jī)，位置傳感器多數(shù)用光電編碼器。為了提高機(jī)器人的傳動精度，國外近幾年開發(fā)了直接驅(qū)動電動機(jī)，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(dá) 4060 萬個脈沖，這種直接驅(qū)動的電機(jī) (DD 驅(qū)動電機(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。根據(jù)機(jī)器人各運(yùn)動軸所計算的、要求電機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)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(jī)型號。其電源電壓為固定不變值，山大功率三極管作為開關(guān)元件，以固定的 開關(guān)頻率動作，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)電樞兩端的平均電壓，從而改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 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(qiáng)等特點(diǎn)。 (2)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器 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。環(huán)行分配器是控制步進(jìn)電機(jī)各繞組按一定的次序通過的環(huán)節(jié)。 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(jìn)電機(jī)。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。高電壓加入的時間長短山控制一種機(jī)床上下料機(jī)械手設(shè)計 18 電路來實(shí)現(xiàn)。機(jī)械手腰部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動需要一定的定位控制精度，故采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動來實(shí)現(xiàn) 。同時考慮隨著機(jī)床加工的工件的不同，水平手臂伸出長度是不同的。 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)，即乎爪在柱塞缸推力作用下通過活塞