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1、數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手設(shè)計(jì) 專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班級：10專升本 姓名：張超 緒言 1數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手設(shè)計(jì)介紹 7 1.1設(shè)計(jì)目的 7 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢 7 1.3設(shè)計(jì)原則 8 2設(shè)計(jì)方案的論證 10 2.1機(jī)械手的總體設(shè)計(jì) 10 2.1.1機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的類 10 2.1.2設(shè)計(jì)具體采用方案 12 2.2機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 12 2.2.1機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 13 2.2.2設(shè)計(jì)具體采用方案 13 2.3機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 14 2.3.1機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)要求 16 2.3.2設(shè)計(jì)具體采用方案 16 2.4工業(yè)機(jī)器人腕部的

2、結(jié)構(gòu) 17 2.4.1機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 18 2.4.2設(shè)計(jì)具體采用方案 18 2.5機(jī)械手末端執(zhí)行器（手爪）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19 2.5.1機(jī)械手末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)要求 20 2.5.2機(jī)器人夾持器的運(yùn)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)方式 21 2.5.3機(jī)器人夾持器的典型結(jié)構(gòu) 22 2.5.4設(shè)計(jì)具體采用方案 22 2.6機(jī)械手的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 23 2.6.1工業(yè)機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題 23 2.6.2工業(yè)機(jī)器人常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)形式 27 2.6.3設(shè)計(jì)具體采用方案 28 2.7機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 28 2.7.1機(jī)器人各類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn) 29 2.7.2工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)

3、系統(tǒng)的選擇原則 29 2.7.3機(jī)器人液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 31 2.7.4機(jī)器人氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 33 2.7.5機(jī)器人電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 36 2.7.6設(shè)計(jì)具體采用方案 36 2.8機(jī)器人手臂的平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 37 2.8.1機(jī)器人平衡機(jī)構(gòu)的形式 37 2.8.2設(shè)計(jì)具體采用的方案 38 3理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算 38 3.1液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 38 3.1.1確定液壓系統(tǒng)基本方案 39 3.1.2擬定液壓執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)控制回路 39 3.1.3液壓源系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 40 3.1.4繪制液壓系統(tǒng)圖 41 3.1.5確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù) 46 3.1.6計(jì)算和選擇液壓元件 48 3.

4、1.7液壓系統(tǒng)性能的驗(yàn)算 48 3.2電機(jī)選型有關(guān)參數(shù)計(jì)算 48 3.2.1有關(guān)參數(shù)的計(jì)算 51 3.2.2電機(jī)型號的選擇 52 4機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 52 4.1機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 4.1.1機(jī)械手工藝過程與控制要求 52 4.1.2 機(jī)械手的作業(yè)流程 53 4.1.3機(jī)械手操作面板布置 54 4.1.4控制器的選型 55 4.1.5控制系統(tǒng)原理分析 56 4.1.6 PLC外部接線設(shè)計(jì) 57 4.1.7 I/O地址分配 58 4.2機(jī)械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 59 4.2.1機(jī)械手控制主程序流程圖 59 4.2.2機(jī)械手控制程序設(shè)計(jì) 59 5技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

5、61 結(jié)論 致謝 參考文獻(xiàn) 附錄1 附錄2 通過對機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)大學(xué)本科兩年的所學(xué)知識(shí)進(jìn)行整 合，對工業(yè)機(jī)械手各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)和功能的論述和分析，設(shè)計(jì)了一種圓柱坐 標(biāo)形式的數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手。重點(diǎn)針對機(jī)械手的腰座、手臂、手爪等各 部分機(jī)械結(jié)構(gòu)以及機(jī)械手控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。具體進(jìn)行了機(jī)械手的 總體設(shè)計(jì)，腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，機(jī)械手腕部的結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)，末端執(zhí)行器（手爪）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)械手的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，機(jī)械 手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。同時(shí)對液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析和計(jì)算。基 于PLC對機(jī)械手的控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入細(xì)致的設(shè)計(jì)，通過對機(jī)械手作業(yè)的工 藝過

6、程和控制要求的分析，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的硬件電路，同時(shí)編制了機(jī)械手 的控制程序。設(shè)計(jì)達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。 關(guān)鍵詞： 機(jī)械手；PLC ；液壓伺服定位； 電液系統(tǒng)； 沈陽大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） No 4 Abstract In tegrate the kno wledge of the past four years? of un dergraduate course of Machi ne, discuss and an alysis the each parta nd fun cti on of man ipulator; desig n a kind of cyli nderica

7、l coord in ate manipulator used to pack and unioad work piece for CNC machine tools. In particular, made the detailed desig n about base, arm, and end effector and the con trol system etc. in cludi ng Total desig n, waist?s con structi on desig n, the arm?s con struct ion desig n, the wrist?s con st

8、ruct ion desig n, the end effector?s con strut ion desig n, and the drive system of man ipulator. At the same time, an alysis and compute thehydraulic pressure system and control system. Deeply desigthe man ipulator?sco ntrol system, which basedo n PLC. After an alysis about the craft process and th

9、e requests of the manipulator, the hardware circuit and the control program of the man ipulator the n is desig ned. In a word, the desig n of the man ipulator has come to the an ticipa nt object. Keywords: Manipulator； PLC ； Hydraulic servo control ； Electro hydraulic system 沈陽大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） No 5

10、緒 言 機(jī)械手是在自動(dòng)化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動(dòng)工件功能的自 動(dòng)化裝置，它是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近 年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已 成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā) 展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手能代替 人類完成危險(xiǎn)、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)力。機(jī) 械手越來越廣泛的得到了應(yīng)用，在機(jī)械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工 件的搬運(yùn)、裝卸，特別是在自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更普遍。目前， 機(jī)械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS和柔性

11、制造單元FMC中一個(gè)重要組成 部分。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個(gè)柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它 適應(yīng)于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適 應(yīng)性很強(qiáng)。當(dāng)工件變更時(shí)，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新 適銷對路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場競爭的需要。而目前我國 的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模 和產(chǎn)業(yè)化水平低，機(jī)械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動(dòng)化生產(chǎn)水平的提 高，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計(jì) 是非常有意義的。 1數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手 1.1設(shè)計(jì)目的 本設(shè)計(jì)通過對機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自

12、動(dòng)化專業(yè)大學(xué)本科四年的所學(xué)知識(shí)進(jìn) 行整合，完成一個(gè)特定功能、特殊要求的數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)，能 夠比較好地體現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實(shí)踐 動(dòng)手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強(qiáng)的針對性和明確的實(shí)施目標(biāo)，能夠 實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。 目前，在國內(nèi)很多工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機(jī)床裝卸工件仍由人工完成，勞 動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低。為了提高生產(chǎn)加工的工作效率 ，降低成本，并使生產(chǎn)線 發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)，適應(yīng)現(xiàn)代自動(dòng)化大生產(chǎn)，針對具體生產(chǎn)工藝，利用機(jī)器 人技術(shù)，設(shè)計(jì)用一臺(tái)裝卸機(jī)械手代替人工工作，以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。 本機(jī)械手主要與數(shù)控車床（數(shù)控銑床，加工中心等）組合最終形成

13、生產(chǎn) 線，實(shí)現(xiàn)加工過程（上料、加工、下料）的自動(dòng)化、無人化。目前，我國的 制造業(yè)正在迅速發(fā)展，越來越多的資金流向制造業(yè)，越來越多的廠商加入到 制造業(yè)。本設(shè)計(jì)能夠應(yīng)用到加工工廠車間，滿足數(shù)控機(jī)床以及加工中心的加 工過程安裝、卸載加工工件的要求，從而減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約加工輔助 時(shí)間，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力。 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢 目前，在國內(nèi)外各種機(jī)器人和機(jī)械手的研究成為科研的熱點(diǎn)，其研究的 現(xiàn)狀和大體趨勢如下： A .機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減 速機(jī)、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(jī)器人 整機(jī) B .工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向

14、基于 PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo) 準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大 大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 C .機(jī)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(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)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(jìn)行決策控制； 多傳感器融合配置技術(shù)成為智能化機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。 D. 關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機(jī)器人產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、 模塊化、系列化設(shè)計(jì)；柔性仿形噴涂機(jī)器人開發(fā)，柔性仿形復(fù)合機(jī)構(gòu)開發(fā)， 仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)； E. 焊

15、接、搬運(yùn)、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、 通用化、 模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真。 總的來說，大體是兩個(gè)方向：其一是機(jī)器人的智能化，多傳感器、多控 制器，先進(jìn)的控制算法，復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系， 滿足相對具體的任務(wù)的工業(yè)機(jī)器人，主要采用性價(jià)比高的模塊，在滿足工作 要求的基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場 化、模塊化的元件。 1.4設(shè)計(jì)原則 在設(shè)計(jì)之前，必須要有一個(gè)指導(dǎo)原則。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原則是：以 任務(wù)書所要求的具體設(shè)計(jì)要求為根本設(shè)計(jì)目標(biāo)，充分考慮機(jī)械手工作的環(huán)境 和工藝流程的具體要求。在滿足工藝要求的基

16、礎(chǔ)上，盡可能的使結(jié)構(gòu)簡練， 盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用元配件，以降低成本，同時(shí)提高可靠性。 本著科學(xué)經(jīng)濟(jì)和滿足生產(chǎn)要求的設(shè)計(jì)原則，同時(shí)也考慮本次設(shè)計(jì)是畢業(yè)設(shè)計(jì) 的特點(diǎn)，將大學(xué)期間所學(xué)的知識(shí)，如機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、液壓、氣動(dòng)、電 氣傳動(dòng)及控制、傳感器、可編程控制器（PLC）、電子技術(shù)、自動(dòng)控制、機(jī)械 系統(tǒng)仿真等知識(shí)盡可能多的綜合運(yùn)用到設(shè)計(jì)中，使得經(jīng)過本次設(shè)計(jì)對大學(xué)階 段的知識(shí)得到鞏固和強(qiáng)化，同時(shí)也考慮個(gè)人能力水平和時(shí)間的客觀實(shí)際，充 分發(fā)揮個(gè)人能動(dòng)性，腳踏實(shí)地，實(shí)事求是的做好本次設(shè)計(jì)。 沈陽大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） No 9 2設(shè)計(jì)方案的論證 2.1機(jī)械手的總體設(shè)計(jì) 2.1.1機(jī)

17、械手總體結(jié)構(gòu)的類型 工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié) 構(gòu)，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下。 1?直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 直角坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，如 圖a2-1。由于直線運(yùn)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機(jī)器人 有可能達(dá)到很高的位置精度（am級）。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空 間相對機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。因此，為了實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)空 間，直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。 直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人主要用于 裝配作業(yè)及搬

18、運(yùn)作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。 2?圓柱坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn) 的，如圖2-1.b。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。 其工作空間是一個(gè)圓柱狀的空間。 3.球坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 球坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的， 如圖2-1.C。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬 運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)類球形的空間。 4.關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu) 關(guān)節(jié)型機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，如圖 2-1.d。關(guān)節(jié)型 機(jī)器人動(dòng)作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。

19、相對機(jī)器人本體尺寸，其工作空 間比較大。此種機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配 等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機(jī)器人。 關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。 .. a直甫坐標(biāo)型 u b ■圓柱坐標(biāo)型 匚球坐標(biāo)型 咄關(guān)節(jié)型 圖2-1四種機(jī)器人坐標(biāo)形式 2.1.2設(shè)計(jì)具體采用方案 機(jī)床丫 裝/■卻工 件位趕 取/送二 V 件位置 耒加工 搖受揀 已抑工 工件 作工件 工件物址自動(dòng)取 工件 丄件運(yùn)輸托盤 機(jī)械手工作布局圖 圖2-2 具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求搬運(yùn)的加工工件的質(zhì)量達(dá) 30KG，且長度達(dá)

20、 500MM，同時(shí)考慮到數(shù)控機(jī)床布局的具體形式及對機(jī)械手的具體要求，考慮 在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量簡化結(jié)構(gòu)，以減小成本、提高可靠度。 該機(jī)械手在工作中需要3種運(yùn)動(dòng),其中手臂的伸縮和立柱升降為兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng) 另一個(gè)為手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，綜合考慮，機(jī)械手自由度數(shù)目取為 3,坐標(biāo)形式選 擇圓柱坐標(biāo)形式，即一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度兩個(gè)移動(dòng)自由度，其特點(diǎn)是 ：結(jié)構(gòu)比較簡 單，手臂運(yùn)動(dòng)范圍大，且有較高的定位準(zhǔn)確度。機(jī)械手工作布局圖如圖2-2所示。 2.2機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 進(jìn)行了機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)后，就要針對機(jī)械手的腰部、手臂、手腕、末 端執(zhí)行器等各個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。 2.2.1機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要

21、求 工業(yè)機(jī)器人腰座，就是圓柱坐標(biāo)機(jī)器人，球坐標(biāo)機(jī)器人及關(guān)節(jié)型機(jī)器人 的回轉(zhuǎn)基座。它是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)部分全部安裝在 腰座上，它承受了機(jī)器人的全部重量。在設(shè)計(jì)機(jī)器人腰座結(jié)構(gòu)時(shí)，要注意以 下設(shè)計(jì)原則： 1?腰座要有足夠大的安裝基面，以保證機(jī)器人在工作時(shí)整體安裝的穩(wěn)定 性。 2?腰座要承受機(jī)器人全部的重量和載荷， 因此，機(jī)器人的基座和腰部軸及 軸承的結(jié)構(gòu)要有足夠大的強(qiáng)度和剛度，以保證其承載能力。 3?機(jī)器人的腰座是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它對機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)精度 影響最大，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意腰部軸系及傳動(dòng)鏈的精度與剛度的保 證。 4?腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)要有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)

22、裝置，它包括驅(qū)動(dòng)器（電動(dòng)、液壓及氣 動(dòng)）及減速器。驅(qū)動(dòng)裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動(dòng)器。 5?腰部結(jié)構(gòu)要便于安裝、調(diào)整。腰部與機(jī)器人手臂的聯(lián)結(jié)要有可靠的定位 基準(zhǔn)面，以保證各關(guān)節(jié)的相互位置精度。要設(shè)有調(diào)整機(jī)構(gòu)，用來調(diào)整腰部軸 承間隙及減速器的傳動(dòng)間隙。 6?為了減輕機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部分的慣量， 提高機(jī)器人的控制精度，一般腰部回 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部分的殼體是由比重較小的鋁合金材料制成，而不運(yùn)動(dòng)的基座是用鑄 鐵或鑄鋼材料制成。 222設(shè)計(jì)具體采用方案 腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)形式要么是電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，要么是通過擺動(dòng) 液壓缸或液壓馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)，目前的趨勢是用前者。因?yàn)殡妱?dòng)方式控制的精度 能夠很高，而且

23、結(jié)構(gòu)緊湊，不用設(shè)計(jì)另外的液壓系統(tǒng)及其輔助元件?？紤]到 腰座是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對機(jī)械手的最終精度影響大，故采用電機(jī) 驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。一般電機(jī)都不能直接驅(qū)動(dòng)，考慮到轉(zhuǎn)速以及扭 矩的具體要求，采用大傳動(dòng)比的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行減速和扭矩的放大。因?yàn)?齒輪傳動(dòng)存在著齒側(cè)間隙，影響傳動(dòng)精度，故采用一級齒輪傳動(dòng)，采用大的 傳動(dòng)比（大于100）,同時(shí)為了減小機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)，齒輪采用高強(qiáng)度、高 硬度的材料，高精度加工制造，盡量減小因齒輪傳動(dòng)造成的誤差。腰座具體 結(jié)構(gòu)如圖2-3所示： 圖2-3腰座結(jié)構(gòu)圖 2.3機(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.3.1機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)要求 機(jī)器人手臂的作用

24、，是在一定的載荷和一定的速度下，實(shí)現(xiàn)在機(jī)器人所 要求的工作空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。在進(jìn)行機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)時(shí)，要遵循下述原則； 1?應(yīng)盡可能使機(jī)器人手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行； 相互垂直的軸應(yīng)盡可能相交 于一點(diǎn)，這樣可以使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆運(yùn)算簡化，有利于機(jī)器人的控制。 2?機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)滿足機(jī)器人工作空間的要求。 工作空間的形狀 和大小與機(jī)器人手臂的長度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍有密切的關(guān)系。但機(jī)器人 手臂末端工作空間并沒有考慮機(jī)器人手腕的空間姿態(tài)要求，如果對機(jī)器人手 腕的姿態(tài)提出具體的要求，則其手臂末端可實(shí)現(xiàn)的空間要小于上述沒有考慮 手腕姿態(tài)的工作空間。 3?為了提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度與控制精度， 應(yīng)在

25、保證機(jī)器人手臂有足夠強(qiáng) 度和剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量。力求選 用高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料，通常選用高強(qiáng)度鋁合金制造機(jī)器人手臂。目前，在國 外，也在研究用碳纖維復(fù)合材料制造機(jī)器人手臂。碳纖維復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度 高，抗振性好，比重?。ㄆ浔戎叵喈?dāng)于鋼的1/4,相當(dāng)于鋁合金的2/3）,但是, 其價(jià)格昂貴，且在性能穩(wěn)定性及制造復(fù)雜形狀工件的工藝上尚存在問題，故 還未能在生產(chǎn)實(shí)際中推廣應(yīng)用。目前比較有效的辦法是用有限元法進(jìn)行機(jī)器 人手臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在保證所需強(qiáng)度與剛度的情況下，減輕機(jī)器人手臂 的重量。 4?機(jī)器人各關(guān)節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機(jī)械間隙所造成的運(yùn)動(dòng)誤 差。因此，

26、各關(guān)節(jié)都應(yīng)有工作可靠、便于調(diào)整的軸承間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)。 5?機(jī)器人的手臂相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡， 這對減小電機(jī) 負(fù)載和提高機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度是非常有利的。在設(shè)計(jì)機(jī)器人的手臂 時(shí)，應(yīng)盡可能利用在機(jī)器人上安裝的機(jī)電元器件與裝置的重量來減小機(jī)器人 手臂的不平衡重量，必要時(shí)還要設(shè)計(jì)平衡機(jī)構(gòu)來平衡手臂殘余的不平衡重量。 6?機(jī)器人手臂在結(jié)構(gòu)上要考慮各關(guān)節(jié)的限位開關(guān)和具有一定緩沖能力的 機(jī)械限位塊，以及驅(qū)動(dòng)裝置，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及其它元件的安裝。 2.3.2設(shè)計(jì)具體采用方案 機(jī)械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸縮運(yùn)動(dòng)都為直 線運(yùn)動(dòng)。直線運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)一般是氣動(dòng)傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)以及

27、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲 杠來實(shí)現(xiàn)?？紤]到搬運(yùn)工件的重量較大， 考慮加工工件的質(zhì)量達(dá)30KG，屬中 型重量，同時(shí)考慮到機(jī)械手的動(dòng)態(tài)性能及運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，安全性，對手臂的 剛度有較高的要求。綜合考慮，兩手臂的驅(qū)動(dòng)均選擇液壓驅(qū)動(dòng)方式，通過液 壓缸的直接驅(qū)動(dòng)，液壓缸既是驅(qū)動(dòng)元件，又是執(zhí)行運(yùn)動(dòng)件，不用再設(shè)計(jì)另外 的執(zhí)行件了；而且液壓缸實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，控制簡單，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的控制。 因?yàn)橐簤合到y(tǒng)能提供很大的驅(qū)動(dòng)力，因此在驅(qū)動(dòng)力和結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度都是比 較容易實(shí)現(xiàn)的，關(guān)鍵是機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和剛度的滿足。因此手臂液壓缸 的設(shè)計(jì)原則是缸的直徑取得大一點(diǎn)（在整體結(jié)構(gòu)允許的情況下） ，再進(jìn)行強(qiáng)度 的較核。 同時(shí)，因?yàn)榭刂?/p>

28、和具體工作的要求，機(jī)械手的手臂的結(jié)構(gòu)不能太大，若 僅僅通過增大液壓缸的缸徑來增大剛度，是不能滿足系統(tǒng)剛度要求的。因此， 在設(shè)計(jì)時(shí)另外增設(shè)了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，小臂增設(shè)了兩個(gè)導(dǎo)桿，與活塞桿一起構(gòu)成等 邊三角形的截面形式，盡量增加其剛度；大臂增設(shè)了四個(gè)導(dǎo)桿，成正四邊形 布置，為減小質(zhì)量，各個(gè)導(dǎo)桿均采用空心結(jié)構(gòu)。通過增設(shè)導(dǎo)桿，能顯著提高 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)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。 2.4機(jī)械手腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)器人的手臂運(yùn)動(dòng)（包括腰座的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)），給出了機(jī)器人末端執(zhí)行器在 其工作空間中的運(yùn)動(dòng)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(dòng)姿態(tài)。機(jī)器人手腕

29、是機(jī)器人操作機(jī)的最 末端，它與機(jī)器人手臂配合運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)安裝在手腕上的末端執(zhí)行器的空間運(yùn) 動(dòng)軌跡與運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，完成所需要的作業(yè)動(dòng)作。 2.4.1機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 1.機(jī)器人手腕的自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)作業(yè)需要來設(shè)計(jì)。機(jī)器人手腕自由度數(shù) 目愈多，各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度愈大，則機(jī)器人腕部的靈活性愈高，機(jī)器人對對 作業(yè)的適應(yīng)能力也愈強(qiáng)。但是，自由度的增加，也必然會(huì)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(huì)增加。因此，手腕的自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際 作業(yè)要求來確定。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。一 般的機(jī)器人手腕的自由度數(shù)為 2至3個(gè)，有的需要更多的自由度，而有的機(jī) 器人手腕不需要

30、自由度，僅憑受臂和腰部的運(yùn)動(dòng)就能實(shí)現(xiàn)作業(yè)要求的任務(wù)。 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(dòng)方案，選擇滿足 要求的最簡單的方案。 2?機(jī)器人腕部安裝在機(jī)器人手臂的末端， 在設(shè)計(jì)機(jī)器人手腕時(shí)，應(yīng)力求減 少其重量和體積，結(jié)構(gòu)力求緊湊。為了減輕機(jī)器人腕部的重量，腕部機(jī)構(gòu)的 驅(qū)動(dòng)器采用分離傳動(dòng)。腕部驅(qū)動(dòng)器一般安裝在手臂上，而不采用直接驅(qū)動(dòng)， 并選用高強(qiáng)度的鋁合金制造。 3?機(jī)器人手腕要與末端執(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 要便于裝卸末端執(zhí)行器。 4?機(jī)器人的手腕機(jī)構(gòu)要有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證力與運(yùn)動(dòng)的傳遞。 5?要設(shè)有可靠的傳動(dòng)間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，以減小空回間隙，

31、提高傳動(dòng)精度。 6?手腕各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)要有限位開關(guān)， 并設(shè)置硬限位，以防止超限造成機(jī)械 損壞。 2.4.2設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)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(gè)自由度來實(shí)現(xiàn)機(jī)床的 上下料完全足夠。具體的手腕（手臂手爪聯(lián)結(jié)梁）結(jié)構(gòu)見圖 2-4。 水平液壓缸支承板 手臂手 爪聯(lián)結(jié) 圖2-4手爪聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu) 2.5機(jī)械手末端執(zhí)行器（手爪）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.5.1機(jī)械手末端

32、執(zhí)行器的設(shè)計(jì)要求 機(jī)器人末端執(zhí)行器是安裝在機(jī)器人手腕上用來進(jìn)行某種操作或作業(yè)的附 加裝置。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。末端執(zhí)行器可分為搬運(yùn)用、加工用和測量用等。 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。 加工用末端執(zhí)行器是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機(jī)器人 附加裝置，用來進(jìn)行相應(yīng)的加工作業(yè)。 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)。 在設(shè)計(jì)機(jī)器人末端執(zhí)行器時(shí)，應(yīng)注意以下問題； 1?機(jī)器人末端執(zhí)行器是根據(jù)機(jī)器人作業(yè)要求來設(shè)計(jì)的。 一個(gè)新的末端執(zhí)行 器的出現(xiàn)，就可以增加一種機(jī)器人新的

33、應(yīng)用場所。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。 2?機(jī)器人末端執(zhí)行器的重量、被抓取物體的重量及操作力的總和機(jī)器人容 許的負(fù)荷力。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。 3?機(jī)器人末端執(zhí)行器的萬能性與專用性是矛盾的。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。目前，能用于生產(chǎn)的還是那些結(jié)構(gòu)簡單、萬能性不強(qiáng)的機(jī)器人末端執(zhí)行 器。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(gè)

34、萬能的末端執(zhí)行器去完成多種作業(yè)。因?yàn)檫@種萬能的執(zhí)行器的 結(jié)構(gòu)復(fù)雜且造價(jià)昂貴。 4?通用性和萬能性是兩個(gè)概念，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。 5?機(jī)器人末端執(zhí)行器要便于安裝和維修， 易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。用計(jì)算機(jī) 控制最方便的是電氣式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因此，工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主流是電氣 式，其次是液壓式和氣壓式（在驅(qū)動(dòng)接口中需要增加電-液或電-氣變換環(huán)節(jié)）。 2.5.2機(jī)器人夾持器的運(yùn)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)方式 機(jī)器人夾持器及機(jī)器人手爪。一般工業(yè)機(jī)器人手爪，多為雙指手爪。按 手指的運(yùn)動(dòng)方

35、式，可分為回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型，按夾持方式來分，有外夾式和內(nèi) 撐式兩種。 機(jī)器人夾持器（手爪）的驅(qū)動(dòng)方式主要有三種 1?氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式 這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是用電磁閥來控制手爪的運(yùn)動(dòng)方向， 用 氣流調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)其運(yùn)動(dòng)速度。由于氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)價(jià)格較低，所以氣動(dòng)夾持 器在工業(yè)中應(yīng)用較為普遍。另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動(dòng)手爪的抓取 運(yùn)動(dòng)具有一定的柔順性，這一點(diǎn)是抓取動(dòng)作十分需要的。 2?電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)手爪應(yīng)用也較為廣泛。這種手爪，一般采 用直流伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，并需要減速器以獲得足夠大的驅(qū)動(dòng)力和力矩。 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式可實(shí)現(xiàn)手爪的力與位置控制。但是，這種驅(qū)動(dòng)方式不能用于有 防爆要求的條件下，因?yàn)殡姍C(jī)

36、有可能產(chǎn)生火花和發(fā)熱。 3?液壓驅(qū)動(dòng)方式 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)剛度大，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)位置控制。 2.5.3機(jī)器人夾持器的典型結(jié)構(gòu) 1?楔塊杠桿式手爪 利用楔塊與杠桿來實(shí)現(xiàn)手爪的松、開，來實(shí)現(xiàn)抓取工件。 2?滑槽式手爪 當(dāng)活塞向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑槽通過銷子推動(dòng)手爪合并，產(chǎn)生夾緊動(dòng)作和夾緊 力，當(dāng)活塞向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應(yīng)抓取大小 不同的物體。 3?連桿杠桿式手爪 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(dòng)， 由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián) 合使用。 4?齒輪齒條式手爪 這種手爪通過活塞推動(dòng)齒條，齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)

37、，產(chǎn)生手爪的夾緊與松 開動(dòng)作。 5?平行杠桿式手爪 采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，因此不需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平 行運(yùn)動(dòng)，比帶有導(dǎo)軌的平行移動(dòng)手爪的摩擦力要小很多。 2.5.4設(shè)計(jì)具體采用方案 結(jié)合具體的工作情況，本設(shè)計(jì)采用連桿杠桿式的手爪。驅(qū)動(dòng)活塞往復(fù)移 動(dòng)，通過活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條使手指張開或閉合。手指的 最小開度由加工工件的直徑來調(diào)定。 本設(shè)計(jì)按照工件的直徑為50mm來設(shè)計(jì) 手爪的具體結(jié)構(gòu)形式如圖2-5所示： 沈陽大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） No 22 2.6機(jī)械手的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 2.6.1工業(yè)機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題 機(jī)器人是由多

38、級聯(lián)桿和關(guān)節(jié)組成的多自由度的空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。除直接驅(qū) 動(dòng)型機(jī)器人以外，機(jī)器人各聯(lián)桿及各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)都是由驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過各種機(jī)械 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的。機(jī)器人所采用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與一般機(jī)械的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相類 似。常用的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有螺旋傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、同步帶傳動(dòng)、高速帶 傳動(dòng)等。由于傳動(dòng)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(jì)和選擇滿足傳動(dòng)間隙小，精度高，低摩擦、體積小、重量輕、 運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)等其它 環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)性能相匹配等要求的傳動(dòng)部件。 在設(shè)計(jì)機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)要注意以下問題： 1?為了提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度及控制精度， 要求機(jī)器人各

39、運(yùn)動(dòng)部件的重量 要輕，慣量要小。因此，機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)要力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，體積 小。 2?在傳動(dòng)鏈及運(yùn)動(dòng)副中要采用間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)， 以減小反向空回所造成的運(yùn) 動(dòng)誤差。 3?系統(tǒng)傳動(dòng)部件的靜摩擦力應(yīng)盡可能小，動(dòng)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。因此，要采用低摩擦 阻力的傳動(dòng)部件和導(dǎo)向支承部件，如滾珠絲杠副、滾動(dòng)導(dǎo)向支承等。 4?縮短傳動(dòng)鏈，提高傳動(dòng)與支承剛度，如用預(yù)緊的方法提高滾珠絲杠副和 滾動(dòng)導(dǎo)軌副的傳動(dòng)和支承剛度；采用大扭矩、寬調(diào)速的直流或交流伺服電機(jī) 直接與絲杠螺母副連接，以減小中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；絲杠的支承設(shè)計(jì)采用兩端軸 向預(yù)緊或預(yù)拉伸支承結(jié)構(gòu)

40、等。 5?選用最佳傳動(dòng)比，以達(dá)到提高系統(tǒng)分辨率、減少等效到執(zhí)行元件輸出軸 上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，盡可能提咼加速能力。 6?縮小反向死區(qū)誤差，如采取消除傳動(dòng)間隙、減少支承變形等措施。 7?適當(dāng)?shù)淖枘岜?，機(jī)械零件產(chǎn)生共振時(shí)，系統(tǒng)的阻尼越大，最大振幅就越 小，且衰減越快；但大阻尼也會(huì)使系統(tǒng)的失動(dòng)量和反轉(zhuǎn)誤差增大，穩(wěn)態(tài)誤差 增大，精度降低。故在設(shè)計(jì)時(shí)要使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的阻尼合適。 262工業(yè)機(jī)器人常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)形式 1?齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 在機(jī)器人中常用的齒輪傳動(dòng)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(dòng)等。 機(jī)器人系統(tǒng)中齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)的一些問題 （1）齒輪傳動(dòng)形式及其傳動(dòng)比的最佳匹配

41、選擇。齒輪傳動(dòng)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(gè)力矩變換器。齒輪傳 動(dòng)比應(yīng)滿足驅(qū)動(dòng)部件與負(fù)載之間的位移及轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的匹配要求，其輸入電 動(dòng)機(jī)為高轉(zhuǎn)速，低轉(zhuǎn)矩，而輸出則為低轉(zhuǎn)速，高轉(zhuǎn)矩。故齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)要有 足夠的剛度，還要求其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量盡量小，以便在獲得同一加速度時(shí)所需的轉(zhuǎn) 矩小，即在同一驅(qū)動(dòng)功率時(shí)，其加速度響應(yīng)最大。齒輪的嚙合間隙會(huì)造成傳 動(dòng)死區(qū)（失動(dòng)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(dòng)精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

42、沈陽大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） No 24 (2) 各級傳動(dòng)比的最佳分配原則。當(dāng)計(jì)算出傳動(dòng)比后，為使減速系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)緊湊，滿足動(dòng)態(tài)性能和提高傳動(dòng)精度的要求，要對各級傳動(dòng)比進(jìn)行合理的 分配，原則如下： a.輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則。為了提高齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度，各級 傳動(dòng)比應(yīng)按 先小后大”的原則分配，以便降低齒輪的加工誤差、安裝誤差及回 轉(zhuǎn)誤差對輸出轉(zhuǎn)角精度的影響。設(shè)齒輪傳動(dòng)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.「max，則 (2-1) n 匚= max 二 -k / Lkn ) i z1 式中：厶k -----第k個(gè)齒輪所具有的轉(zhuǎn)角誤差； i(kn)-----第k

43、個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)軸至n級輸出軸的傳動(dòng)比。 則四級齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的各級齒輪的轉(zhuǎn)角誤差(.「1、厶八…、厶8 )換算 到末級輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為 丄」」3「5 .— 7 .- i i3i4 i4 (2-2) 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(dòng)比的大 小。因此，在設(shè)計(jì)中最末兩級的傳動(dòng)比應(yīng)取大一些，并盡量提高其加工精度 b.等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小原則。利用該原則設(shè)計(jì)的齒輪系統(tǒng)要使換算到電動(dòng) 機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小，各級傳動(dòng)比也是按照 先小后大”的次序分配，以 使其結(jié)構(gòu)緊湊。 具體而言有幾點(diǎn)： (1) 對要求運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，起停頻繁和動(dòng)態(tài)性能好的伺服系統(tǒng)，按最小等效 轉(zhuǎn)動(dòng)慣

44、量和總轉(zhuǎn)角誤差最小的原則來處理。 （2） 對于變負(fù)載的傳動(dòng)齒輪系統(tǒng)的各級傳動(dòng)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(dòng)。 （3） 對于提高傳動(dòng)精度和減小回程誤差為主的傳動(dòng)齒輪系統(tǒng)，按總轉(zhuǎn)角 誤差最小原則；對于增速傳動(dòng)，由于增速時(shí)容易破壞傳動(dòng)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(dòng)誤差。 （4） 對以比較大傳動(dòng)比傳動(dòng)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。對于相當(dāng)大大傳動(dòng)比、并且要求傳動(dòng)精度與傳動(dòng)效率高， 傳動(dòng)平穩(wěn)以及體積小重量輕時(shí)。可選用新型的諧波齒輪傳動(dòng)。 2?諧波齒輪傳動(dòng) 諧波

45、齒輪傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小重量輕，傳動(dòng)比大（幾十到幾百） ， 傳動(dòng)精度高、回程誤差小、噪音低、傳動(dòng)平穩(wěn)，承載能力強(qiáng)、效率高等一系 列優(yōu)點(diǎn)。故在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。諧波齒輪傳動(dòng)與少齒差行 星齒輪傳動(dòng)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(cuò)齒來傳遞動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)的，故諧波齒輪傳動(dòng)與一般的齒輪傳動(dòng)具有本質(zhì)上的 差別。 3?螺旋傳動(dòng) 螺旋傳動(dòng)及絲杠螺母，它主要是用來將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅?線運(yùn)動(dòng)變換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。螺旋傳動(dòng)有傳遞能量為主的，如螺旋壓力機(jī)、千斤 頂?shù)?；有以傳遞運(yùn)動(dòng)為主的，如機(jī)床工作臺(tái)的進(jìn)給絲杠。 絲杠螺母傳動(dòng)分為普通絲杠（滑動(dòng)摩擦）和滾珠絲杠（滾

46、動(dòng)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(dòng)效率低（30%~40%）。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(diǎn) 是摩擦阻力矩小、傳動(dòng)效率高（92%~98%）,其運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性好，靈活度高。通 過預(yù)緊，能消除間隙、提高傳動(dòng)剛度；進(jìn)給精度和重復(fù)定位精度高。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(jī)器人中應(yīng)用 很多。由于滾珠絲杠傳動(dòng)返行程不能自鎖；因此在用于垂直方向傳動(dòng)時(shí)，須 附加自鎖機(jī)構(gòu)或制動(dòng)裝置。在選用滾珠絲杠要考慮以下幾項(xiàng)指標(biāo)： （1） 滾珠絲杠的精度等級； （2） 滾珠絲杠的傳動(dòng)間隙允許值和預(yù)加載荷的期望值； （3

47、） 載荷條件（靜、動(dòng)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。這樣可以消除傳動(dòng)間隙，提高傳動(dòng)精度與剛度。但是 預(yù)加載荷會(huì)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 4?同步帶傳動(dòng) 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，通過帶齒與輪齒作嚙合傳動(dòng)。 為保證帶和帶輪作無滑動(dòng)的同步傳動(dòng)，齒形帶采用了承載后無彈性變形的高 強(qiáng)力材料，無彈性滑動(dòng)，以保證節(jié)距不變。

48、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。其主要缺點(diǎn)是安裝精度要求高、中心距要求嚴(yán)格，同 時(shí)具有一定的蠕變性。同步帶帶輪齒形有梯形齒形和圓弧齒形。 5?鋼帶傳動(dòng) 鋼帶傳動(dòng)的特點(diǎn)是鋼帶與帶輪間接觸面積大，是無間隙傳動(dòng)、摩擦阻力 大，無滑動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡單緊湊、運(yùn)行可靠、噪聲低，驅(qū)動(dòng)力矩大、壽命長，鋼 帶無蠕變、傳動(dòng)效率高。 6?鏈傳動(dòng) 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)

49、處。由于電機(jī)距離被傳動(dòng)的 腕關(guān)節(jié)較遠(yuǎn)，故采用精密套筒滾子鏈來傳動(dòng)。 7.鋼絲繩輪傳動(dòng) 鋼絲繩輪傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動(dòng)剛度大、結(jié)構(gòu)柔軟，成本較低等優(yōu)點(diǎn)。 其缺點(diǎn)是帶輪較大、安裝面積大、加速度不宜太高。 263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。故不需要中間 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，這既簡化了結(jié)構(gòu)，同時(shí)又提高了精度。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)來減速和增大扭矩。經(jīng)分析比較，選 擇圓柱齒輪傳動(dòng)，為了保證比較高的精度，盡量減小因齒輪傳動(dòng)造成的誤差； 同時(shí)大大增大扭矩，同時(shí)較大

50、的降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，以使機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，動(dòng) 態(tài)性能好。這里只采用一級齒輪傳動(dòng)，采用大的傳動(dòng)比（大于 100），齒輪采 用高強(qiáng)度、高硬度的材料，高精度加工制造。 2.7機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2.7.1機(jī)器人各類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn) 工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，按動(dòng)力源分為液壓、氣動(dòng)和電動(dòng)三大類。根據(jù) 需要也可這三種基本類型組合成復(fù)合式的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這三類基本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的 主要特點(diǎn)如下。 1. 液壓驅(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)咼、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)。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。但是，液壓系統(tǒng)需要進(jìn)行能

51、 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)對環(huán)境產(chǎn)生污染，工作噪音也較高。 2. 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 具有速度快，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維修方便、價(jià)格低等特點(diǎn)。適用于中、小 負(fù)荷的機(jī)器人中采用。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。 3. 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 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，這類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在機(jī)器人中被大 量采用。這類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，使用方便，噪聲較低，控制靈活。 大多數(shù)電機(jī)后面需安裝精密的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。直

52、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(dòng)系統(tǒng)高。但因?yàn)檫@類驅(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。 2.7.2工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇原則 設(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)，驅(qū)動(dòng)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(jià)比以及現(xiàn) 有的條件等綜合因素加以考慮。在注意各類驅(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。 一般情況下： 1. 物料搬運(yùn)（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(dòng)系統(tǒng)，中等負(fù)荷的可選電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，輕負(fù)荷的可

53、選氣動(dòng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。沖壓機(jī)器人多采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 2. 用于點(diǎn)焊和弧焊及噴涂作業(yè)的機(jī)器人，要求具有點(diǎn)位和軌跡控制功能， 需采用伺服驅(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。點(diǎn)焊、 弧焊機(jī)器人多采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。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)。 2.7.3機(jī)器人液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)自1962年在世界上第一臺(tái)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。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。 液壓系統(tǒng)在機(jī)器人中所起的作用是通過電-液

54、轉(zhuǎn)換元件把控制信號進(jìn)行功 率放大，對液壓動(dòng)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(dòng)規(guī)律動(dòng)作。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。在工業(yè)機(jī)器人中，中、小功率的液 壓驅(qū)動(dòng)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)。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng), 動(dòng)態(tài)特性好，但是效率低。容積調(diào)速系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)特性不如前者，但效率高。 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。 1?程序控制機(jī)器人的液壓系統(tǒng) 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。這類機(jī)器人的

55、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。 （2） 定位點(diǎn)的緩沖與制動(dòng)：因?yàn)闄C(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)慣量比較大，在定位 點(diǎn)前要加緩沖與制動(dòng)機(jī)構(gòu)或鎖定裝置。 （3） 對慣量比較大的運(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 因碰撞過載而損壞機(jī)械結(jié)構(gòu)。 （4） 液壓源應(yīng)該加蓄能器，以利于多運(yùn)動(dòng)軸同時(shí)動(dòng)作或加速運(yùn)動(dòng)提供瞬 時(shí)能量儲(chǔ)備。 2?伺服控制機(jī)器人的液壓系統(tǒng) 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)。其電-液轉(zhuǎn)換和功率放大元件有電-液伺服閥，電-液比例閥，

56、電-液脈 沖閥等。由以上各類閥件與液壓動(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（RSA-Rotory Serve Actuator）等各種電-液伺服動(dòng)力機(jī)構(gòu)。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要，電-液伺服 馬達(dá)和電-液伺服液壓缸可以是分離式，也可以是組合成為一體。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。 在機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，常用的電-液伺服動(dòng)力機(jī)構(gòu)是電-液伺服液壓缸和 電-液伺服擺動(dòng)馬達(dá)，也可以用電-液步進(jìn)馬達(dá)。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)

57、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(dòng)。它既是關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)， 又是動(dòng)力元件。 2.7.4機(jī)器人氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 氣動(dòng)機(jī)器人采用壓縮空氣為動(dòng)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)。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

58、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。 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)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。這類機(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)；3-5個(gè)自由度；負(fù)荷在200N以下；速度300-1000mm/s重復(fù)定位精度為 +/-0.1-0。5mm。控制裝置目前多數(shù)選用可編程控制器（PLC）。在易燃、易爆 的場合下可采用氣動(dòng)邏輯元件組成控制裝置。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)大體由以下幾部 分組成 1?氣源 由總壓縮空氣站提供。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，過濾器等。如果沒有壓縮空氣站的條件，可以按機(jī)器人 及配套的其他氣動(dòng)設(shè)備需要配置相應(yīng)

59、供氣量的氣源設(shè)備。 2?氣動(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)。不論是由壓 縮空氣站供氣還是用單獨(dú)的氣源，氣動(dòng)三聯(lián)件是必備的。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。 3?氣動(dòng)閥 氣動(dòng)閥的種類很多，在工業(yè)機(jī)器人的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中， 常用 的閥件有電磁氣閥、節(jié)流調(diào)速閥、減壓閥等。 4?氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 多數(shù)情況下使用氣缸（直線氣缸或擺動(dòng)氣缸）。直線 氣缸分單動(dòng)式和雙動(dòng)式兩類。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。為實(shí)

60、現(xiàn)端部緩沖，要選用雙向端點(diǎn)位置緩沖的氣缸。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。氣缸的內(nèi)徑，行程大小可根據(jù)對機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)力分析進(jìn)行計(jì)算。 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)。無接觸感應(yīng)式氣缸目前在氣動(dòng)系統(tǒng)中已獲得 廣泛的應(yīng)用，這種氣缸在活塞上裝有永久磁鐵的磁環(huán)，通過磁感應(yīng)，使在氣 缸外面安裝的非接觸磁性接近開關(guān)動(dòng)作發(fā)訊，進(jìn)行位置檢測。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) 5?制動(dòng)

61、器 氣動(dòng)機(jī)器人的定位問題很大程度上是如何實(shí)現(xiàn)停點(diǎn)的制動(dòng)。 氣缸活塞的運(yùn)動(dòng)速度容許達(dá)1.5m/s，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)的步長應(yīng)大于這個(gè)數(shù)值。對于小流量的電磁氣閥，吸合關(guān)閉時(shí)間較小，停 點(diǎn)的步長也要相應(yīng)縮短。因此對機(jī)器人一個(gè)單自由度而言，停點(diǎn)數(shù)目最多 6-9 個(gè)。為增加定位點(diǎn)數(shù)，除采用多位置氣缸外可采用制動(dòng)的方法還有：反壓制 動(dòng)，制動(dòng)裝置制動(dòng)。 6.限位器 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，或由限位開關(guān)發(fā)訊。根據(jù)要求和條件，如果選用無接觸感應(yīng)式氣缸， 其限位開關(guān)是

62、無接觸接近開關(guān)，這種開關(guān)的反映時(shí)間小于 20ms,在機(jī)器人中 應(yīng)用比較理想。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。常用的限位機(jī)構(gòu)是由電磁閥控制的氣缸帶動(dòng)鎖緊機(jī)構(gòu)（插鎖，滑塊 等）將機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)鎖定。再啟動(dòng)時(shí)，事先打開鎖緊機(jī)構(gòu)。 2.7.5機(jī)器人電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 這些年來，針對機(jī)器人，數(shù)控機(jī)床等自動(dòng)機(jī)械而開發(fā)的各種類型的伺服 電動(dòng)機(jī)及伺服驅(qū)動(dòng)器的大量出現(xiàn)，為機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的更新創(chuàng)造了條件。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)。其驅(qū)動(dòng) 原理方塊圖如下所示： 在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系

63、統(tǒng)中應(yīng)用的電動(dòng)機(jī)大致可分為如下類型：小慣量永磁直 流伺服電動(dòng)機(jī)，有刷繞組永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)，大慣量永磁直流伺服電動(dòng)機(jī) （力矩電機(jī)），反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，同步式交流伺服電動(dòng)機(jī)，異步式交流伺服電 動(dòng)機(jī) 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。伺 服電動(dòng)機(jī)可與測速發(fā)電機(jī)、光電編碼器、制動(dòng)器、減速器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)部分 組合、由幾種組合或全部組合，形成伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)單元。為了提高機(jī)器人 的傳動(dòng)精度，國外近幾年開發(fā)了直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)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)40-60萬個(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。

64、 1. 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)的選擇 機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)的選擇要根據(jù)機(jī)器人的用途、功能、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 結(jié)合各類電機(jī)自身的特點(diǎn)、性能、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及性能價(jià)格比等綜合考慮進(jìn)行。 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。有關(guān)各類驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)主要特 點(diǎn)及性能、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、用途及使用范圍、適用的驅(qū)動(dòng)器見表 2-1： 表2-1 名 稱 主要特點(diǎn)及性能 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 用途及使用 范圍 驅(qū)動(dòng)器 小 慣量直 流永磁 伺服電 動(dòng)機(jī) 電機(jī)的慣量小，理論加速 度大，快速反應(yīng)性好，低速性 好，調(diào)速比可達(dá)1: 10e4范圍， 但低速輸出

65、力矩不大， 轉(zhuǎn)子直徑 小，慣量小 適用于對快 速性要求嚴(yán)格而 負(fù)載力矩不大的 場合 直流 PWM伺服 驅(qū)動(dòng)器SCR 變壓驅(qū)動(dòng)器 有 刷繞組 永磁直 流伺服 電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，快速響應(yīng)性 能好；轉(zhuǎn)子無鐵損，效率高； 換向性能好，壽命長；負(fù)載波 動(dòng)對轉(zhuǎn)速影響小，輸出力矩平 穩(wěn)。 無鐵心， 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，可以長時(shí)間 工作在堵轉(zhuǎn)條件下 又稱力矩 電機(jī)，其轉(zhuǎn)子 較粗 適用于

66、驅(qū)動(dòng) 力矩較大的場 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2-1續(xù)表 反 應(yīng)步進(jìn) 電機(jī) 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(jī)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(jī)床、 機(jī)器人；開環(huán)控 制 直流 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)磁場嚴(yán)格同步；從低度到 高速，定子繞組可通過大電流， 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， 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 定子有二相， 轉(zhuǎn)子比較細(xì) 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，機(jī)構(gòu)簡單， 容量大，價(jià)格低 定子由對 稱三相繞組組 成， 用于數(shù)控機(jī) 床主軸等容量大 的場合 交流 PWM變頻 調(diào)速器 2. 機(jī)器人電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)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