【正文】 用于垂直方向傳動(dòng)時(shí)，須附加自鎖機(jī)構(gòu)或制 動(dòng)裝置。這樣可以消除傳動(dòng)間隙，提高傳動(dòng)精度與剛度。 同步帶傳動(dòng)是綜合了普通帶傳動(dòng) 和鏈輪鏈條傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)的一種新型傳動(dòng)，它在帶的工作面及帶輪外周上均制有嚙合齒，通過(guò)帶齒與輪齒作嚙合傳動(dòng)。同步帶具有傳動(dòng)比準(zhǔn)確、傳動(dòng)效率高（可達(dá) 98%）、節(jié)能效果好；能吸振、噪聲低、不需要潤(rùn)滑；傳動(dòng)平穩(wěn)，能高速傳動(dòng)（可達(dá) 40m/s）、傳動(dòng)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(dòng)多用于腕傳動(dòng)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(dòng)電機(jī)安裝在小臂后端或大臂關(guān)節(jié)處。 鋼絲繩輪傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)剛度大、結(jié)構(gòu)柔軟，成本較低等優(yōu)點(diǎn)。 設(shè)計(jì)具體采用方案 具體到本 設(shè)計(jì)，因?yàn)檫x用了液壓缸作為機(jī)械手的水平手臂和垂直手臂，由于液壓缸實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，它既是關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，又是動(dòng)力元件。而機(jī)械手腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，必須采用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)減速和增大扭矩。這里只采用一級(jí)齒輪傳動(dòng)，采用大的傳動(dòng)比（大于 10），齒輪采用高強(qiáng)度、高硬度的材料，高精度加工制造。根據(jù)需要也可這三種基本類(lèi)型組合成復(fù)合式的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 由于液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)，它具有動(dòng)力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)。但是，液壓系統(tǒng)需要進(jìn)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(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)低，液壓系統(tǒng)的液體泄露會(huì)對(duì)環(huán)境 產(chǎn)生污染，工作噪音也較高。 33適用于中、小負(fù)荷的機(jī)器人中采用。 由于低慣量、大轉(zhuǎn)矩的交、直流伺服電機(jī)及其配套的伺服驅(qū)動(dòng)器（交流變頻器、直流脈沖寬度調(diào)制器）的廣泛采用，這類(lèi)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在機(jī)器人中被大量采用。大多數(shù)電機(jī)后面需安裝精密的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。但因?yàn)檫@類(lèi)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)比較突出，因此在機(jī)器人中被廣泛的使用。在注意各類(lèi)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)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(jì)性及可靠性后進(jìn)行最終的選擇。沖壓機(jī)器人多采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng) 系統(tǒng)。只有采用液壓或電動(dòng)伺服系統(tǒng)才能滿足要求。重負(fù)荷的任意點(diǎn)位控制的點(diǎn)焊及搬運(yùn)機(jī)器人選用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。目前，雖然在中等負(fù)荷以下的工業(yè)機(jī)器人中大量采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，但是在簡(jiǎn)易經(jīng)濟(jì)型、重 型的工業(yè)機(jī)器人和噴涂機(jī)器人中采用液壓系統(tǒng)的還仍然占有很大的比例。液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)多數(shù)情況下采用直線液壓缸或擺動(dòng)馬達(dá)，連續(xù)回轉(zhuǎn)的液壓馬達(dá)用得很少。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)特性好，但是效率低。機(jī)器人液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括程序控制和伺服控制兩類(lèi) 。 35這類(lèi)機(jī)器人的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要重視以下方面： （ 1） 液壓缸設(shè)計(jì)：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。 （ 3） 對(duì)慣量比較大的運(yùn)動(dòng)軸的液壓缸兩側(cè)最好加設(shè)安全保護(hù)回路，防止因碰撞過(guò)載而損壞機(jī) 械結(jié)構(gòu)。 具有點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制功能的工業(yè)機(jī)器人，需要采用電 液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。由以上各類(lèi)閥件與液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)可組成電 液伺服馬達(dá)，電 液伺服液壓缸，電 液步進(jìn)馬達(dá)，電 液步進(jìn)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(dòng)力機(jī)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(jī)構(gòu)間的管道容積，以增大液壓固有頻率。液 壓回轉(zhuǎn)執(zhí)行器是一種由伺服電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)或比例電磁鐵帶動(dòng)的一個(gè)安放在擺動(dòng)馬達(dá)或連續(xù)回轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)子內(nèi)的一個(gè)回轉(zhuǎn)滑閥，通過(guò)機(jī)械反饋，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的一種電 液伺服機(jī)構(gòu)。它既是關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，又是動(dòng)力元件。由于氣動(dòng)機(jī)器人具有氣源使用方便、不污染環(huán)境、動(dòng)作靈活迅速、工作安全可靠、操作維修簡(jiǎn)便以及適宜在惡劣環(huán)境下工作等特點(diǎn)，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(jī)床上、下料，儀表及輕工行業(yè)中、小型零件的輸送和自動(dòng)裝配等作業(yè)，食品包裝及運(yùn)輸，電子產(chǎn)品輸送、自動(dòng)插接，彈藥生產(chǎn)自動(dòng)化等方面獲得大量應(yīng)用。這類(lèi)機(jī)器人多是圓柱坐標(biāo)型和直角坐標(biāo)型或二者的組合型結(jié)構(gòu)； 35 個(gè)自由度；負(fù)荷在 200N 以下；速度 3001000mm/s；重復(fù)定位精度為 +/?？刂蒲b置目前多數(shù)選用可編程控制器（ PLC）。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)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(chǔ)氣罐，氣水分離器，調(diào)壓器，過(guò)濾器等。 動(dòng)三聯(lián)件 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)。雖然用無(wú)潤(rùn)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。 多數(shù)情況下使用氣缸（直線氣缸或擺動(dòng)氣缸）。除個(gè)別用單動(dòng)式氣缸外（如手爪機(jī)構(gòu)上用的），多數(shù)采用雙動(dòng)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(jì)機(jī)器人時(shí)根據(jù)結(jié)構(gòu)要求而定。 為了確保氣缸的密封要求，同時(shí)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)。 38除了直線氣缸外，機(jī)器人中用得比較多還有有限角擺動(dòng)氣缸，這種擺動(dòng)缸多用于手腕機(jī)構(gòu)上。氣缸活塞的運(yùn)動(dòng)速度容許達(dá) ，如果氣缸以1m/s 的速度計(jì)算，電磁氣閥以較大關(guān)閉時(shí)間 70ms 計(jì)，那么氣缸活塞兩個(gè)停點(diǎn)的距離約為 70mm，兩個(gè)停點(diǎn)的步長(zhǎng)應(yīng)大于這個(gè)數(shù)值。因此對(duì)機(jī)器人一個(gè)單自由度而言，停點(diǎn)數(shù)目最多69 個(gè)。 氣動(dòng)機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)軸的制動(dòng)和定位點(diǎn)到位發(fā)訊，可由編程器發(fā)指令，或由限位開(kāi)關(guān)發(fā)訊。當(dāng)氣缸活塞運(yùn)動(dòng)到定位點(diǎn)時(shí)，為保證定位精度，需要將運(yùn)動(dòng)軸鎖緊。再啟動(dòng)時(shí)，事先打開(kāi)鎖緊機(jī)構(gòu)。由于高起動(dòng)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(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 速度傳感器多數(shù)用的是測(cè)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(dòng)精度，國(guó)外近幾年開(kāi)發(fā)了直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，并將多級(jí)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(wàn)個(gè)脈沖，這種直接驅(qū)動(dòng)的電機(jī)（ DD 驅(qū)動(dòng)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(dòng)軸所計(jì)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(hào)。 40 無(wú)鐵心，具有軸向平面間隙 可頻繁起制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)工作，響應(yīng)迅速，適用于機(jī)器人，數(shù)控等 直流PWM 伺服驅(qū)動(dòng)器， SCR變壓驅(qū)動(dòng)器 大慣量永磁直流伺服電動(dòng)機(jī) 輸出力矩大，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，機(jī)械特性硬度大，可 以 長(zhǎng) 時(shí) 間工 作 在 堵轉(zhuǎn)條件下 又稱(chēng)力矩電機(jī)，其轉(zhuǎn)子較粗 適用于驅(qū)動(dòng)力矩較大的場(chǎng)合，因可不用齒輪傳動(dòng)，消除了齒輪間隙 直流PWM 伺服驅(qū)動(dòng)器， SCR變壓驅(qū)動(dòng)器 表 21 續(xù)表 反應(yīng) 將 電 脈 沖 信 號(hào) 直接 轉(zhuǎn) 電機(jī)轉(zhuǎn)子 用于數(shù)字系 直流 步進(jìn)電機(jī) 換成轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)角與脈沖數(shù)成正比，輸出力矩也較大 無(wú)轉(zhuǎn)租，由永磁體構(gòu)成轉(zhuǎn)子磁極 統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人；開(kāi)環(huán)控制 PWM 伺服驅(qū)動(dòng)器 SCR變壓驅(qū)動(dòng)器 同步交流伺服電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn) 速 與 定 子 繞 組所 建立 的 旋 轉(zhuǎn) 磁 場(chǎng) 嚴(yán)格 同步；從低度到高速，定子繞組可通過(guò)大電流，故 起 、 制 動(dòng) 轉(zhuǎn) 矩不 降低，可頻繁起、制動(dòng) 轉(zhuǎn)子由永久磁鐵做成，定子有三相，轉(zhuǎn)子比較細(xì) 主要用于中小容量的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，如數(shù)控、機(jī)器人等系統(tǒng)中 交流PWM 變頻調(diào)速器 異步交流伺服電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn) 速 永 遠(yuǎn) 低 于 定子 繞組所建立的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，容量大，價(jià)格低 定子由對(duì)稱(chēng)三相繞組組成， 用于數(shù)控機(jī)床主軸等容量大的場(chǎng)合 交流PWM 變頻調(diào)速器 （ 1）直流電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器 直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器目前多采用脈沖寬度調(diào)制（ PWM）伺服驅(qū)動(dòng)器。 42這種伺服驅(qū)動(dòng)器一般由電流內(nèi)環(huán)和速度外環(huán)組成。 PWM 伺服驅(qū)動(dòng)器具有調(diào)速范圍寬、低速特性好，響應(yīng)快、效率高、過(guò)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。 （ 2）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(guò)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(jí)電流放大成安培級(jí)電流以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。這種電路有高、低壓二組電源。而當(dāng)達(dá)到步進(jìn)電機(jī)額定電流時(shí)僅以低電壓給各相繞組供電。 設(shè)計(jì)具體采用方案 具體到本設(shè)計(jì)，在分析了具體工作要求后，綜合考慮各個(gè)因素。 43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(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 機(jī)器人手臂的平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型和球坐標(biāo)型機(jī)器人可以通過(guò)合理布局，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得手臂本身可能達(dá)到平衡。 機(jī)器人平衡機(jī)構(gòu)的形式 通常，機(jī)器人所采用的平衡機(jī)構(gòu)主要有以下幾種： 這種平衡裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，平衡效果好，易于調(diào)整，工作可靠，但增加了機(jī)器人手臂的慣量與關(guān)節(jié)軸的載荷。 彈簧平衡機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、工作可靠、平衡效果好、易維修，因此應(yīng)用廣泛。 44活塞式平衡需要配備有專(zhuān)門(mén)的液壓或氣動(dòng)裝置，系統(tǒng)復(fù)雜，因此造價(jià)高，設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試都增加了難度，但是平衡效果好。 設(shè)計(jì)具體采用的方案 因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)機(jī)械手采用圓柱坐標(biāo)型的結(jié)構(gòu)，而且在手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及整個(gè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)和布局中都重點(diǎn)考慮了機(jī)械手手臂的平衡問(wèn)題，通過(guò)合理布局，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得手臂本身盡可能達(dá)到平衡。 3 理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 確定液壓系統(tǒng)基本方案 液壓執(zhí)行元件大體分為液壓缸和液壓馬達(dá)，前者實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，后者實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 46同時(shí)考慮機(jī)械手的工作載荷和工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)機(jī)械手布局以及定位精度的具體要求以及計(jì)算機(jī)的控制的因素，腰部的回轉(zhuǎn)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，剩下的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)均為直線運(yùn)動(dòng)。 擬定液壓執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)控制回路 液壓執(zhí)行元件確定后，其運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度的控制是液壓回路的核心問(wèn)題。對(duì)于一般中小流量的液壓系統(tǒng)，通過(guò)換向閥的有機(jī)組合來(lái)實(shí)現(xiàn)所要求的動(dòng)作。 速度控制通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)。 本設(shè)計(jì)的方向控制采用電磁換向閥來(lái)實(shí)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(jiǎn)單的節(jié)流閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。 47節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)一般用定量泵供油，在無(wú)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(shí)起到控制并穩(wěn)定油源壓力的作用。 油液的凈化裝置是液壓源中不可缺的元件。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(guò)濾器。 本設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)采用定量泵供油，由溢流閥 V1 來(lái)調(diào)定系統(tǒng)壓力。 繪制液壓系統(tǒng)圖 本 機(jī) 械 手 的 液 壓 系 統(tǒng) 圖 如 圖 31 所 示 ， 圖 31 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(kāi)三個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)快速進(jìn)油，和回油包壓，實(shí)現(xiàn)手爪的輕緩抓緊；當(dāng)失電時(shí)，工作液體進(jìn)入柱塞缸中，實(shí)現(xiàn)手爪迅速松開(kāi)。 49 確定液壓系統(tǒng)的主 要參數(shù) 液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)是壓力和流量，他們是設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)，選擇液壓元件的主要依據(jù)。 根據(jù)機(jī)構(gòu)的工作情況液壓缸所受的總機(jī)械載荷為 bfsfmw FFFFFF ????? （ 31） 式中， wF 為外加的載荷，因?yàn)樗椒綗o(wú)外載荷，故為 0； mF 為活塞上所受的慣性力； sfF 為密封阻力； fF 為導(dǎo)向裝置的摩擦阻力； bF 為回油被壓形成的阻力； （ 1） mF 的計(jì)算 tvgGFm ???? （ 32） 式中， G為液壓缸所要移動(dòng)的總重 量，取為 100KG； g 為重力加速度， 2/ sm ； v? 為速度變化量； t? 啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)間，一般為 ~ ，取 將各值帶入上式，得： mF = N （ 2） sfF 的計(jì)算 1ApF fsf ??? （ 33） 式中， fp? 克服液壓缸密封件摩擦阻力所需空載壓力，如該液壓缸工作壓力 16 aMP ，查相關(guān)手冊(cè)取 = aMP ； 1A 為進(jìn)油工作腔有效面積； 啟動(dòng)時(shí)： ?sfF 565N 運(yùn)動(dòng)時(shí)： ?sfF =283N （ 3） fF 的計(jì)算 機(jī)械手水平方向上有兩個(gè)導(dǎo)桿，內(nèi)導(dǎo)桿和外導(dǎo)套之間的摩擦力為