簡易機械手的設(shè)計

1、時磊忖呎 機電液綜合課程設(shè)計 簡易機械手的設(shè)計 學(xué)校: 學(xué)院：機械與動力工程學(xué)院 班級：機制09-1班 指導(dǎo)教師： 組員： 組長： 時磊5說- 目錄 第1章緒論1 1.1機械手概述1 1.2機械手的設(shè)計目的4 1.3機械手的設(shè)計內(nèi)容5 1.4機械手的分類及其在生產(chǎn)中的應(yīng)用 6 1.5機械手的應(yīng)用意義9 1.6機械手的技術(shù)發(fā)展方向 10 第2章設(shè)計方案的論證11 2.1 機械手的總體設(shè)計 11 2.2機械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計 12 2.3機械手手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計 12 2.4工業(yè)機器人腕部的結(jié)構(gòu) 14 2.5機械手末端執(zhí)行器（手爪）的結(jié)構(gòu)設(shè)計 15 2.6機械手的機械傳動機構(gòu)的設(shè)計仃 2.7機械手驅(qū)動系

2、統(tǒng)的設(shè)計 18 第3章理論分析和設(shè)計計算26 3.1液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計計算26 3.2電機選型有關(guān)參數(shù)計算35 第4章控制系統(tǒng)的設(shè)計 38 4.1單片機控制系統(tǒng)選擇38 4.2單片機控制程序39 4.3機械手的工藝流程41 第5章機械手總成及零件圖42 總結(jié)44 參考文獻45 第1章緒論 時需Sr彳 1.1機械手的概述 機械手主要由手部、運動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工 件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而 有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構(gòu)，使手部完成各種 轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿

3、 勢。運動機構(gòu)的 升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。為 了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有 6個自由度。自由度是機 械手設(shè)計 的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù) 雜。一般專用機械手有23個自由度?？刂葡到y(tǒng)是通過對機械手每個自由度的 電機的控制，來完成特定動作。同時接收傳感器反饋的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控 制?？刂葡到y(tǒng)的核心通常是由單片機或 dsp等微控制芯片構(gòu)成，通過對其編程實 現(xiàn)所要功能。 機械手通常常機床或其他機器的附加裝置， 如在自動機床或自動生產(chǎn)線上裝 卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作 裝置需要

4、由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱 為機械手。機械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善 熱、累等勞動條件。機械手的機械結(jié)構(gòu)采用滾珠絲桿、滑桿、等機械器件組成； 電氣方面有交流電機、變頻器、傳感器、等電子器件組成。該裝置涵蓋了可編程 控制技術(shù)，位置控制技術(shù)、檢測技術(shù)等，是機電一體化的典型代表儀器之一。機 械手是在機械化、自動化生產(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)特別是電子計算機的廣泛應(yīng)用，機器人的研制和生產(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)，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好 地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合

5、。 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為突出的主題。隨著工業(yè)現(xiàn)代 化的進一步發(fā)展，自動化已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)中的重要支柱，無人車間、無人生產(chǎn)流 水線等等，已經(jīng)隨處可見。同時，現(xiàn)代生產(chǎn)中，存在著各種各樣的生產(chǎn)環(huán)境，如 高溫、放射性、有毒氣體、有害氣體場合以及水下作業(yè)等，這些惡劣的生產(chǎn)環(huán)境 不利于人工進行操作。 時需Sr彳 工業(yè)機械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新的技術(shù)，是現(xiàn)代控制理論與 工業(yè)生產(chǎn)自動化實踐相結(jié)合的產(chǎn)物，并以成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重 要組成部分。工業(yè)機械手是提高生產(chǎn)過程自動化、 改善勞動條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量 和生產(chǎn)效率的有效手段之一。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶

6、有放射性和 污染的場合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定 的效果，受到機械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。 專用機械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今已進入以通用機械手為標(biāo)志的時代。由 于通用機械手的應(yīng)用和發(fā)展，進而促進了智能機器人的研制。智能機器人涉及的 知識內(nèi) 容，不僅包括一般的機械、液壓、氣動等基礎(chǔ)知識，而且還應(yīng)用一些電 子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、計算技術(shù)、無線電控制、仿生學(xué)和假肢工藝等， 因此它是一項 綜合性較強的新技術(shù)。目前國內(nèi)外對發(fā)展這一新技術(shù)都很重視， 幾十年來，這項技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍， 設(shè)計在不斷地修改，品種在不 斷地增加，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷地擴大。 早在4

7、0年代，隨著原子能工業(yè)的發(fā)展，已出現(xiàn)了模擬關(guān)節(jié)式的第一代機械 手。 5060年代即制成了傳送和裝卸工件的通用機械手和數(shù)控示教再現(xiàn)型機械 手。這種機械手也稱第二代機械手。如尤尼曼特（Un imate）機械手即屬于這種類 型。 6070年代，又相繼把通用機械手用于汽車車身的點焊和沖壓生產(chǎn)自動線 上，亦即是第二代機械手這一新技術(shù)進入了應(yīng)用階段。 80-90年代，裝配機械手處于鼎盛時期，尤其是日本。 90年代機械手在特殊用途上有較大的發(fā)展，除了在工業(yè)上廣泛應(yīng)用外，農(nóng)、 林、礦業(yè)、航天、海洋、文娛、體育、醫(yī)療、服務(wù)業(yè)、軍事領(lǐng)域上有較大的應(yīng)用。 90年代以后，隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)

8、展，機 械手技術(shù)也得到飛速的多元化發(fā)展。 總之，目前機械手的主要經(jīng)歷分為三代： 第一代機械手主要是靠人工進行控制，控制方式為開環(huán)式，沒有識別能力； 改進的方向主要是將低成本和提高精度；第二代機械手設(shè)有電子計算機控制系 統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把接收到 時磊忖呎 的信息反饋，使機械手具有感覺機能；第三代機械手能獨立完成工作過程中的任 務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性系統(tǒng) FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造單元 FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。 1.

9、2機械手的設(shè)計目的 工業(yè)機械手設(shè)計是機械制造、機械設(shè)計和機械電子工程等專業(yè)的一個重要教 學(xué)環(huán)節(jié)，是學(xué)完技術(shù)基礎(chǔ)課及有關(guān)專業(yè)課以后的一次專業(yè)課程內(nèi)容得綜合設(shè)計 時需Sr彳 通過設(shè)計提高學(xué)生的機械分析與綜合能力、 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的能力、機電液一體化 系統(tǒng)設(shè)計的能力，掌握實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的設(shè)計方法。通過這一環(huán)節(jié)要求達到： （1）通過設(shè)計，把握有關(guān)課程（機構(gòu)分析與綜合、機械原理、機械設(shè)計、 液壓與氣壓傳動技術(shù)、自動控制理論、測試技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、微型計算機原理及 應(yīng)用、自動化機械設(shè)計等）中所獲得的理論知識在實際中綜合地加以運用，是這 些知識得到鞏固和發(fā)展，并使理論知識和生產(chǎn)密切的結(jié)合起來。因此，工業(yè)機械

10、 手的設(shè)計是有關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課以后的綜合性的專業(yè)課程設(shè)計。 （2）工業(yè)機械手設(shè)計是機械設(shè)計及制造專業(yè)和機械電子工程專業(yè)的學(xué)生一 次比較完整的機電一體化的整機設(shè)計。 通過設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生獨立的機械整機設(shè)計 能力，樹立正確的設(shè)計思路，掌握機電一體化機械產(chǎn)品設(shè)計的基本方法和步驟， 為自動化機械設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)。 （3）通過設(shè)計，使學(xué)生能熟練地應(yīng)用有關(guān)參考資料、計算圖表、手冊、圖 冊及規(guī)范，熟悉有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和部分標(biāo)準(zhǔn)，以完成一個工業(yè)技術(shù)人員在機械整機 設(shè)計方面所必須具備的基本技能訓(xùn)練。 （4）由于機械手設(shè)計工作量比較大，為使學(xué)生在短時間內(nèi)得到完整訓(xùn)練， 同學(xué)以小組為單位，分工合作共同完成此次機械手

11、設(shè)計任務(wù)，這樣既節(jié)省了時間， 有解決了量大，時間緊的矛盾，同時最大限度的培養(yǎng)了學(xué)生分工協(xié)作完成大型設(shè) 計的能力。 1.3機械手的設(shè)計內(nèi)容 1.3.1機械手的方案論證 根據(jù)國內(nèi)外同類產(chǎn)品現(xiàn)狀，設(shè)計課題方案。 1.3.2機械手的總體設(shè)計 在方案論證的基礎(chǔ)上進行機械手的總體設(shè)計，并繪制總體布局圖 時磊忖呎 133驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計 根據(jù)機械手的特點，選用舍黨的驅(qū)動方式，根據(jù)總體設(shè)計要求進行電機選型。 進行電機選型相關(guān)計算。進行驅(qū)動系統(tǒng)零部件的選型和設(shè)計。繪制驅(qū)動系統(tǒng)布局 圖。 1.3.4控制系統(tǒng)的設(shè)計 確定機械手的控制方式并進行控制系統(tǒng)的控制與編程。繪制控制系統(tǒng)布局 圖。 1.3.5傳感與測試系統(tǒng)的設(shè)計

12、 進行控制與驅(qū)動系統(tǒng)的傳感與測試系統(tǒng)的設(shè)計。 1.3.6機械本體設(shè)計 進行機械本體零部件設(shè)計，繪制總體和零件圖。 1.4機械手的分類及其在生產(chǎn)中的應(yīng)用 1.4.1機械手的分類 （1）油田鉆柱操作機械手 本產(chǎn)品由山東科技大學(xué)研發(fā)而成，主要用于鉆井時的鉆桿、鉆鋌等的裝、卸 工作。操作機械手設(shè)計有兩個，一個坐落在一層臺井口旁邊 2米左右處，簡稱 為下手；一個坐落在二層臺上的中心臺上，簡稱為上手。下手的腰部回轉(zhuǎn)角度 昌20最大伸縮距離為5.7米，有5個運動關(guān)節(jié)，在手臂做伸縮運動時,手部保 持水平平動。 上手的腰部回轉(zhuǎn)角度為310 最大伸縮距離2800mm上手有9 個運動關(guān)節(jié)，手臂做伸縮運動時，手部保持

13、水平平動。機械手采用手動比例閥 控制下的液壓控制方式。機械手可以完成的操作對象參數(shù)為：鉆柱高 30 m； 鉆桿重量為：40 Kg/m，總重1200 Kg；鉆鋌(七英寸直徑)重量為：180 Kg /m，總重 5400 Kg。 (2) 硬臂式助力機械手 硬臂式助力機械手與氣動平衡吊和軟索式助力機械手一樣都具有全行程 “漂浮”功能，區(qū)別是在有扭矩產(chǎn)生的情況下無法使用氣動平衡吊或是軟索式助 力機械手， 而必須選用硬臂式助力機械手。比如在工件重心遠離臂懸掛點，或 是工件需要翻轉(zhuǎn)或傾斜情況下，必須選用硬臂式助力機械手，還有在廠房高度有 限情況下，可以選用硬臂式助力機械手。 硬臂式助力機械手可以實現(xiàn)提升最大

14、 500Kg的工件，半徑最大可以達到 3000mm,提升高度 最大2500mm。根據(jù)起吊工件重量不同，應(yīng)選擇符合最大工 件重量的最小型號的機器，如果我們用最大負載200Kg的機械手來搬運30Kg的 工件，那么操 作性能肯定不好，感覺很笨重。配有儲氣罐，可在斷氣情況下繼 續(xù)使用一個循環(huán)，同時會報警，提醒操作者，在氣壓下降到一定程度，啟動自鎖 功能，防止工件下降。并設(shè)有安全系統(tǒng)，在搬運過程中或是工件沒有被放置在安 全表面時，操作者不能釋放工件。上海永乾制造的助力機械手(含硬臂式、軟 索式)還可以在用戶現(xiàn)場氣壓不足的情況下，增加增壓泵，可以使設(shè)備運行更加 平穩(wěn)。配合各種非標(biāo)夾具，硬臂式助力機械手可以

15、實現(xiàn)起吊各種形狀的工件。 安裝形式可以是地面固定、懸掛固定或是導(dǎo)軌移動。 (3) 軟索式機械手 軟索式機械手的功能與氣動平衡吊類似， 具有全行程的“漂浮”功能，但是 提升位移比氣動平衡吊要小，最大只有3000mm,而且最大負載只有450Kg。配 有儲氣罐，可在斷氣情況下繼續(xù)使用一個循環(huán)，同時會報警，提醒操作者。配 合各種非標(biāo)夾具，軟索式助力機械手可以實現(xiàn)起吊各種形狀的工件。安裝形式可 以固定地面或懸掛固定使用，不能使用導(dǎo)軌式。 (4) T型助力機械手 區(qū)別于硬臂式助力機械手的是 T型助力機械手沒有雙關(guān)節(jié)機械臂，它的前 后左右位移靠導(dǎo)軌來實現(xiàn)。由于 T型助力機械手沒有機械臂，因而它比硬臂式 顯得

16、小巧，更適合于操作空間狹小的場合。 T型助力機械手的最大負載要比硬臂式小，只有 200Kg，但提升高度可以根 據(jù)客戶要求設(shè)計，而且搬運范圍要比硬臂式大的多。配有儲氣罐，可在斷氣情 況下繼續(xù)使用一個循環(huán)，同時會報警，提醒操作者，在氣壓下降到一定程度，啟 動自鎖功能，防止工件下降。并設(shè)有安全系統(tǒng)，在搬運過程中或是工件沒有被放 置在安全表面時，操作者不能釋放工件。配合各種非標(biāo)夾具，硬臂式助力機械 手可以實現(xiàn)起吊各種形狀的工件。安裝形式為導(dǎo)軌移動。 1.4.2機械手在生產(chǎn)中的應(yīng)用 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為突出的主題。在機械工業(yè) 中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機床是大批量生產(chǎn)自

17、動化的有效辦法， 程控機床、數(shù)控機床、加工中心等自動化機械是有效解決多品種小批量生產(chǎn)自動 化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，有 待于進一步實現(xiàn)機械化。據(jù)資料介紹，美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75%是 小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在 50件以下，零件真正在機床上 加工的時間僅占零件生產(chǎn)時間的 5%。從這里可看出，裝卸、搬運等工序機械化 的迫切性，工業(yè)機 械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。機械手可在空 間抓放物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動化生產(chǎn)， 廣泛應(yīng)用于柔性自動線。國內(nèi)外機械工業(yè)、鐵路部門中機搬運械手主要應(yīng)用于以 下

18、幾方面： 1熱加工方面的應(yīng)用 熱加工是高溫、危險的笨重體力勞動，很久以來就要求實現(xiàn)自動化。為了提 高工作效率，和確保工人的人身安全，尤其對于大件、少量、低速和人力所不能 勝任的作業(yè)就更需要采用機械手操作。 2. 冷加工方面的應(yīng)用 冷加工方面機械手主要用于柴油機配件以及軸類、盤類和箱體類等零件 單機加工時的上下料和刀具安裝等。進而在程序控制、數(shù)字控制等機床上應(yīng) 時磊5說- 用，成為設(shè)備的一個組成部分。最近更在加工生產(chǎn)線、自動線上應(yīng)用，成為 機床、設(shè)備上下工序聯(lián)接的重要于段。 3. 拆修裝方面 拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動較多的部門之一，促進了機械手的發(fā) 展。目前國內(nèi)鐵路工廠、機務(wù)段等部門，已

19、采用機械手拆裝三通閥、鉤舌、分解 制動 缸、裝卸軸箱、組裝輪對、清除石棉等，減輕了勞動強度，提高了拆修裝 的效率。近年還研制了一種客車車內(nèi)噴漆通用機械手，可用以對客車內(nèi)部進行連 續(xù)噴漆，以 改善勞動條件，提高噴漆的質(zhì)量和效率。 近些年，隨著計算機技術(shù)、電子技術(shù)以及傳感技術(shù)等在機械手中越來越多的 應(yīng)用，工業(yè)機械手已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中提高勞動生產(chǎn)率的重要因素。機械手雖然 目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動、 不知疲勞、不怕危 險、抓舉重物的力量比人手大等特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并 越來越廣泛地得到了應(yīng)用，例如： (1) 機床加工工件的裝卸，特別是在自動化車床、組合機

20、床上使用較為普遍。 (2) 在裝配作業(yè)中應(yīng)用廣泛，在電子行業(yè)中它可以用來裝配印制電路板，在機械 行業(yè)中它可以用來組裝零部件。 (3) 可在勞動條件差，單調(diào)重復(fù)易子疲勞的工作環(huán)境工作，以代替人的勞動。 (4) 可在危險場合下工作，如軍工品的裝卸、危險品及有害物的搬運等。 (5) 宇宙及海洋的開發(fā)。 (6) 軍事工程及生物醫(yī)學(xué)方面的研究和試驗。 1.5機械手的應(yīng)用意義 在機械工業(yè)中，機械手的應(yīng)用意義可以概括如下: 1可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度 應(yīng)用機械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的 裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實現(xiàn)工業(yè) 生產(chǎn)機械化和自

21、動化的步伐。 2可以改善勞動條件、避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪 聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直接 操作是有危險或根本不可能的。而應(yīng)用機械手即可部分或全部代替人安全地完 成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動條件。在一些動作簡單但又重復(fù)作業(yè)的操作中， 以機械手 代替人手進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 3可以減少人力，便于有節(jié)奏地生產(chǎn) 應(yīng)用機械手代替人手進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng) 用機械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床和 綜合加工自動生產(chǎn)線上，目前幾乎都設(shè)有機械手，以減少人

22、力和更準(zhǔn)確地控制生 產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進行生產(chǎn)。 1.6機械手的技術(shù)發(fā)展方向 目前國內(nèi)工業(yè)機械于主要用于機床加工、 鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、 性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。 因此，國內(nèi)主要是逐步擴大機械手應(yīng) 用范圍，重點發(fā)展鑄鍛、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件 在應(yīng)用專用機械手的同時，相應(yīng)地發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制示教式機 時需Sr彳 械手、計算機控制機械手和組合式機械手等。將機械手各運動構(gòu)件，如伸縮、擺 動、升降、橫移、俯仰等機構(gòu)，以及適于不同類型的夾緊機構(gòu)，設(shè)計成典型的通 用機構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不用的典型部件，即可組成各種不同 用

23、途的機械手。既便于設(shè)計制造，又便于改換工作，擴大了應(yīng)用的范圍。同時要 提高精度，減少沖擊，定位精確，以更好地發(fā)揮機械手的作用。此外還應(yīng)大力 研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能地機械手，并考慮于計算 機聯(lián)用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。 在國外機械制造業(yè)中，工業(yè)機械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機床、 模鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)中，它可按照事先制定的作業(yè)程序 完成規(guī)定的操作，但是還不具備任何傳感反饋能力，不能應(yīng)付外界的變化。如 發(fā)生某些偏離時，就將引起零部件甚至機械手本身的損壞。 為此，國外機械手的 發(fā)展趨勢是大 力研制具有某些智能的機械手，使其擁有

24、一定的傳感能力，能反 饋外界條件的變化，做出相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍些偏差時，即能更正，并自 行檢測，重點是研究 視覺功能和觸覺功能。視覺功能即在機械手上安裝有電視 照相機和光學(xué)測距儀（即距離傳感器）以及衛(wèi)星計算機。工作時，電視照相機將 物體形象變成視頻信號，然后傳送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色 和方位，并發(fā)出指令控制機械手進行工作。 觸覺功能即在機械手上安裝有觸覺反 饋控制裝置。工作時機械手先伸出手指尋找工件，通過裝在手指內(nèi)的壓力敏感元 件產(chǎn)生觸感作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小可通過裝在手指內(nèi)側(cè) 的壓力敏感元件來控制，達到自動調(diào)整握力的大小。總之，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展，

25、 機械手的裝配作業(yè)的能力將進一步提高。到 1995年，全世界約有50%勺汽車由 機械手裝配?，F(xiàn)今機械手的發(fā)展更主要的是將機械手和柔性制造系統(tǒng)以及柔性制 造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。 第2章設(shè)計方案的論證 2.1機械手的總體設(shè)計 2.1.1機械手總體結(jié)構(gòu)的類型 時磊忖呎 .圓柱坐標(biāo)機器人結(jié)構(gòu) 圓柱坐標(biāo)機器人的空間運動是用一個回轉(zhuǎn)運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的。這種機 器人構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。 2.1.2設(shè)計具體采用方案 圖2-2 具體到本設(shè)計，設(shè)計取搬運的加工工件的質(zhì)量達 30KG,且長度達500MM， 同時考慮到數(shù)控

26、機床布局的具體形式及對機械手的具體要求，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。該機械手在工作中 需要2種運動，其中手臂的伸縮直線運動，另一個為手臂的回轉(zhuǎn)運動，綜合考慮，機 械手自由度數(shù)目取為2，坐標(biāo)形式選擇圓柱坐標(biāo)形式，即一個轉(zhuǎn)動自由度一個移 動自由度，其特點是：結(jié)構(gòu)比較簡單，手臂運動范圍大，且有較高的定位準(zhǔn)確度。機 械手工作布局圖如圖2-2所示。 2.2機械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計 2.1設(shè)計具體采用方案 腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動形式要么是電機通過減速機構(gòu)來實現(xiàn)，要么是通過擺動液壓缸或 液壓馬達來實現(xiàn)，目前的趨勢是用前者。因為電動方式控制的精度能夠很高， 而 且結(jié)構(gòu)緊湊，不用

27、設(shè)計另外的液壓系統(tǒng)及其輔助元件。 2.3機械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.3.1機械手手臂的設(shè)計要求 機器人手臂的作用，是在一定的載荷和一定的速度下，實現(xiàn)在機器人所要求 的工作空間內(nèi)的運動。在進行機器人手臂設(shè)計時，要遵循下述原則； 1. 應(yīng)盡可能使機器人手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應(yīng)盡可能相交于 一點，這樣可以使機器人運動學(xué)正逆運算簡化，有利于機器人的控制。 2. 機器人手臂的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)滿足機器人工作空間的要求。工作空間的形狀和 大小與機器人手臂的長度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍有密切的關(guān)系。但機器人手臂末 端工作空間并沒有考慮機器人手腕的空間姿態(tài)要求，如果對機器人手腕的姿態(tài)提 出具體的要求，則其手臂末

28、端可實現(xiàn)的空間要小于上述沒有考慮手腕姿態(tài)的工作 空間。 3. 為了提高機器人的運動速度與控制精度，應(yīng)在保證機器人手臂有足夠強度 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 度的輕質(zhì)材料，通常選用高強度鋁合金制造機器人手臂。目前，在國外，也在研 究用碳纖維復(fù)合材料制造機器人手臂。碳纖維復(fù)合材料抗拉強度高，抗振性好， 比重小（其比重相當(dāng)于鋼的1/4,相當(dāng)于鋁合金的2/3），但是，其價格昂貴，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)實際中 推廣應(yīng)用。目前比較有效的辦法是用有限元法進行機器人手臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。 在保證所需強度與剛度的情況下，減輕

29、機器人手臂的重量。 4. 機器人各關(guān)節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機械間隙所造成的運動誤 差。因此，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)整機構(gòu)。 5. 機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， 這對減小電機負 載和提高機器人手臂運動的響應(yīng)速度是非常有利的。 在設(shè)計機器人的手臂時，應(yīng) 盡可能利用在機器人上安裝的機電元器件與裝置的重量來減小機器人手臂的不 平衡重量，必要時還要設(shè)計平衡機構(gòu)來平衡手臂殘余的不平衡重量。 6. 機器人手臂在結(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 械限位塊，以及驅(qū)動裝置，傳動機構(gòu)及其它元件的安裝。 2.3.2設(shè)計具體采用方案 機械手的垂直手臂（

30、大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸縮運動都為直線運 動。直線運動的實現(xiàn)一般是氣動傳動，液壓傳動以及電動機驅(qū)動滾珠絲杠來實現(xiàn)。 考慮到搬運工件的重量較大，考慮加工工件的質(zhì)量預(yù)計達 30KG，屬中型重量， 同時考慮到機械手的動態(tài)性能及運動的穩(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)動均選擇液壓驅(qū)動方式，通過液壓缸的直接驅(qū)動， 液壓缸既是驅(qū)動元件，又是執(zhí)行運動件，不用再設(shè)計另外的執(zhí)行件了；而且液壓 缸實現(xiàn)直線運動，控制簡單，易于實現(xiàn)計算機的控制。因為液壓系統(tǒng)能提供很大 的驅(qū)動力，因此在驅(qū)動力和結(jié)構(gòu)的強度都是比較容易實現(xiàn)的， 關(guān)鍵是機械手運動 的穩(wěn)定性和剛度的滿足。因此手臂液壓缸的

31、設(shè)計原則是缸的直徑取得大一點（在 整體結(jié)構(gòu)允許的情況下），再進行強度的較核。 2.4機械手腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計 機器人的手臂運動（包括腰座的回轉(zhuǎn)運動），給出了機器人末端執(zhí)行器在其工作空間中 的運動位置，而安裝在機器人手臂末端的手腕，則給出了機器人末端執(zhí)行器在其工作空間中 的運動姿態(tài)。機器人手腕是機器人操作機的最末端，它與機器人手臂配合運動，實現(xiàn)安裝在 手腕上的末端執(zhí)行器的空間運動軌跡與運動姿態(tài)，完成所需要的作業(yè)動作。 2.4設(shè)計具體采用方案 通過對數(shù)控機床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機床加工的具體形式 及對機械手上下料作業(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，為使機械手的結(jié)構(gòu)

32、盡量簡單，降低控制的難度，本設(shè)計手腕不增加自由 度，1個自由度來實現(xiàn)機床的上下料。 2.5機械手末端執(zhí)行器（手爪）的結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.5.1機械手末端執(zhí)行器的設(shè)計要求 機器人末端執(zhí)行器是安裝在機器人手腕上用來進行某種操作或作業(yè)的附加 裝置。機器人末端執(zhí)行器的種類很多，以適應(yīng)機器人的不同作業(yè)及操作要求。 末 端執(zhí)行器可分為搬運用、加工用和測量用等。 搬運用末端執(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器人附加裝 置，用來進行相應(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，用來進行測量及檢驗 作業(yè)。 在設(shè)計機器人末

33、端執(zhí)行器時，應(yīng)注意以下問題； 1. 機器人末端執(zhí)行器是根據(jù)機器人作業(yè)要求來設(shè)計的。一個新的末端執(zhí)行器 的出現(xiàn)，就可以增加一種機器人新的應(yīng)用場所。 因此，根據(jù)作業(yè)的需要和人們的 時器忖呎 想象力而創(chuàng)造的新的機器人末端執(zhí)行器，將不斷的擴大機器人的應(yīng)用領(lǐng)域。 2. 機器人末端執(zhí)行器的重量、被抓取物體的重量及操作力的總和機器人容許 的負荷力。因此，要求機器人末端執(zhí)行器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。 3. 機器人末端執(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，甚至很難實現(xiàn)，例如，仿人的萬能機器人靈巧手，至今尚未實用化。目 前，能用于生產(chǎn)的還是那些結(jié)構(gòu)簡單、萬能性不強的機器人末端執(zhí)行器。從

34、工業(yè) 實際應(yīng)用出發(fā)，應(yīng)著重開發(fā)各種專用的、高效率的機器人末端執(zhí)行器，加之以末 端執(zhí)行器的快速更換裝置，以實現(xiàn)機器人多種作業(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)。因為這種萬能的執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且造價昂貴。 4. 通用性和萬能性是兩個概念，萬能性是指一機多能，而通用性是指有限的 末端執(zhí)行器，可適用于不同的機器人，這就要求末端執(zhí)行器要有標(biāo)準(zhǔn)的機械接口， 使末端執(zhí)行器實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和積木化。 5. 機器人末端執(zhí)行器要便于安裝和維修， 易于實現(xiàn)計算機控制。用計算機控 制最方便的是電氣式執(zhí)行機構(gòu)。因此，工業(yè)機器人執(zhí)行機構(gòu)的主流是電氣式， 其 次是液壓式和氣壓式。 2.5.2機器人夾持器的運動和

35、驅(qū)動方式 機器人夾持器及機器人手爪。一般工業(yè)機器人手爪，多為雙指手爪。按手指 的運動方式，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。 機器人夾持器（手爪）的驅(qū)動方式主要有三種 1. 氣動驅(qū)動方式這種驅(qū)動系統(tǒng)是用電磁閥來控制手爪的運動方向， 用氣 流調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)其運動速度。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。另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動手爪的抓取運動具有一 定的柔順性，這一點是抓取動作十分需要的。 2. 電動驅(qū)動方式電動驅(qū)動手爪應(yīng)用也較為廣泛。這種手爪，一般采用 直流伺服電機或步進電機，并需要減速器以獲得足夠大的驅(qū)動力和力矩。電動驅(qū) 動方式可實現(xiàn)

36、手爪的力與位置控制。但是，這種驅(qū)動方式不能用于有防爆要求的 條件下，因為電機有可能產(chǎn)生火花和發(fā)熱。 2.5.3機器人夾持器的結(jié)構(gòu) 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）運動，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。 2.5.4設(shè)計具體采用方案 液壓驅(qū)動活塞往復(fù)移動，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)計按照工件的直徑 為50mm來設(shè)計。 2.6機械手的機械傳動機構(gòu)的設(shè)計 設(shè)計具體采用方案 具體到本設(shè)計，因為選用了液壓缸作為機械手的水平手臂， 液壓缸實現(xiàn)直接

37、驅(qū)動，它既是關(guān)節(jié)機構(gòu)，又是動力元件。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。而機械手腰部的回轉(zhuǎn)運動采用步進電機驅(qū)動， 必須采用 傳動機構(gòu)來減速和增大扭矩。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。這里只采用外部增加減速箱驅(qū) 動大齒輪，齒輪采用高強度、高硬度的材料，高精度加工制造。 時需Sr彳 2.7機械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計 2.7.1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。根據(jù)需要 也可這三種基本類型組合成復(fù)合式的驅(qū)

38、動系統(tǒng)。這三類基本驅(qū)動系統(tǒng)的主要特點 如下。 1. 液壓驅(qū)動系統(tǒng) 由于液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)，它具有動力大、力（或力矩）與慣量 比大、快速響應(yīng)高、易于實現(xiàn)直接驅(qū)動等特點。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。但是，液壓系統(tǒng)需要進行能量轉(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，效率比電動驅(qū)動系統(tǒng)低， 液壓系統(tǒng)的液體泄露會對環(huán)境產(chǎn)生污染，工作噪音也較高。 2. 氣動驅(qū)動系統(tǒng) 具有速度快，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維修方便、價格低等特點。適用于中、小負荷 的機器人中采用。但是因難于實現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機器人中，如在 上、下料和沖壓機器人中應(yīng)用較多 3.

39、 電動驅(qū)動系統(tǒng) 由于低慣量、大轉(zhuǎn)矩的交、直流伺服電機及其配套的伺服驅(qū)動器（交流變頻 器、直流脈沖寬度調(diào)制器）的廣泛采用，這類驅(qū)動系統(tǒng)在機器人中被大量采用。 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。大多數(shù)電機后 面需安裝精密的傳動機構(gòu)。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。 但因為這類驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)點比較突出，因此在機 器人中被廣泛的使用。 2.7.2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。在注

40、意各類驅(qū)動系統(tǒng)特點的基礎(chǔ)上，綜合上述各因素， 充分論證其合理性、可行性、經(jīng)濟性及可靠性后進行最終的選擇。一般情況下： 1.物料搬運（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)。沖壓機器人多采用氣動驅(qū)動系統(tǒng)。 2.用于點焊和弧焊及噴涂作業(yè)的機器人， 要求具有點位和軌跡控制功能，需 采用伺服驅(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。點焊、弧焊機 器人多采用電動驅(qū)動系統(tǒng)。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)。 2.7.3機器人液壓驅(qū)動系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)自1962年在世界上第一臺機器人中應(yīng)用

41、到現(xiàn)在，已在工業(yè)機器 人中獲得了廣泛的應(yīng)用。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。 液壓系統(tǒng)在機器人中所起的作用是通過電-液轉(zhuǎn)換元件把控制信號進行功 率放大，對液壓動力機構(gòu)進行方向、位置、和速度的控制，進而控制機器人手臂 按給定的運動規(guī)律動作。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。在工業(yè)機器人中，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)。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，動態(tài)特性好，但是 效率低。容積調(diào)速系統(tǒng)，動態(tài)特性不如前者，但效率高。機

42、器人液壓驅(qū)動系統(tǒng)包 括程序控制和伺服控制兩類。 1. 程序控制機器人的液壓系統(tǒng) 這類機器人屬非伺服控制的機器人，在只有簡單搬運作業(yè)功能的機器人 中，常常采用簡易的邏輯控制裝置或可編程控制器對機器人實現(xiàn)有限點位的控 制。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。 （2）定位點的緩沖與制動：因為機器人手臂的運動慣量比較大，在定位點 前要加緩沖與制動機構(gòu)或鎖定裝置。 （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)。 （4）液壓源應(yīng)該加蓄能器，以利

43、于多運動軸同時動作或加速運動提供瞬時 能量儲備。 2伺服控制機器人的液壓系統(tǒng) 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)。其電-液轉(zhuǎn)換和功率放大元件有電-液伺服閥，電-液比例閥，電-液脈沖閥 等。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（RSA-Rotory Serve Actuator）等各種電-液伺服動力機構(gòu)。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的需要，電-液伺服馬達和 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構(gòu)間的管道

44、容積，以 增大液壓固有頻率。 在機器人的驅(qū)動系統(tǒng)中，常用的電-液伺服動力機構(gòu)是電-液伺服液壓缸和 電-液伺服擺動馬達，也可以用電-液步進馬達。液壓回轉(zhuǎn)執(zhí)行器是一種由伺服電 機，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)。它可安裝 在機器人手臂和手腕的關(guān)節(jié)上，實現(xiàn)直接驅(qū)動。它既是關(guān)節(jié)機構(gòu)，又是動力元件。 2.7.4機器人氣動驅(qū)動系統(tǒng) 氣動機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器人 作業(yè)位置，也可以單獨建立小型氣源系統(tǒng)。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、

45、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。 氣動驅(qū)動系統(tǒng)在多數(shù)情況下是用于實現(xiàn)兩位式的或有限點位控制的中、小 機器人中的。這類機器人多是圓柱坐標(biāo)型和直角坐標(biāo)型或二者的組合型結(jié)構(gòu)；3-5 個自由度；負荷在 200N以下；速度300-1000mm/s；重復(fù)定位精度為+/-0.1-0。 5mm?？刂蒲b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 采用氣動邏輯元件組成控制裝置。氣動驅(qū)動系統(tǒng)大

46、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，儲氣罐，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，可以按機器人及配 套的其他氣動設(shè)備需要配置相應(yīng)供氣量的氣源設(shè)備。 2. 氣動三聯(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 站供氣還是用單獨的氣源，氣動三聯(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. 氣動閥氣動閥的種類很多，在工業(yè)機器人的氣動驅(qū)動系統(tǒng)中， 常用的 閥件有電磁氣閥、節(jié)流調(diào)

47、速閥、減壓閥等。 4. 氣動執(zhí)行機構(gòu) 多數(shù)情況下使用氣缸（直線氣缸或擺動氣缸）。直線氣 缸分單動式和雙動式兩類。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。為實現(xiàn)端部緩沖，要選用雙向端點位置緩沖的氣缸。 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， 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。氣缸的內(nèi)徑， 行程大小可根據(jù)對機器人的運動分析和動力分析進行計算。 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)。無接觸感應(yīng)式氣缸目前在氣動系統(tǒng)中已獲得廣泛的 時磊5說- 應(yīng)用，這種氣缸在

48、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)動作發(fā)訊， 進行位置檢測。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。 5. 制動器氣動機器人的定位問題很大程度上是如何實現(xiàn)停點的制動。氣 缸活塞的運動速度容許達1.5m/s,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。對于小流量的電磁氣閥，吸合關(guān)閉時間較小，停點的步長也 要相應(yīng)縮短。因此對機器人一個單自由度而言，停點數(shù)目最多6-9個。為增加定 位點數(shù)，除采用多位置氣缸外可采用制動的

49、方法還有：反壓制動，制動裝置制動。 6. 限位器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。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)是無接觸接近開關(guān)，這種開關(guān)的反映時間小于20ms，在機器人中應(yīng)用比 較理想。當(dāng)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。常 用的限位機構(gòu)是由電磁閥控制的氣缸帶動鎖緊機構(gòu)（插鎖，滑塊等）將機器人運 動機構(gòu)鎖定。再啟動時，事先打開鎖緊機構(gòu)。 2.7.5機器人電動驅(qū)動系統(tǒng) 這些年來，針對機器人，數(shù)控機床等自動機械而開發(fā)的各種類型的伺服電 動機及伺服驅(qū)動器的大量出現(xiàn)，為機器人驅(qū)動系統(tǒng)的更新創(chuàng)造了條件。由于

50、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)。其驅(qū)動原理方塊圖如下 所示： 在機器人驅(qū)動系統(tǒng)中應(yīng)用的電動機大致可分為如下類型： 小慣量永磁直流 伺服電動機，有刷繞組永磁直流伺服電動機， 大慣量永磁直流伺服電動機（力矩 電機），反應(yīng)式步進電機，同步式交流伺服電動機，異步式交流伺服電動機。 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。伺服 電動機可與測速發(fā)電機、光電編碼器、制動器、減速器相結(jié)合，實現(xiàn)部分組合、 由幾種組合或全部組合，形成伺服電動機驅(qū)動單元。為了提高機器人的傳動精度， 國外近幾年開發(fā)

51、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40-60萬個脈沖，這種直接驅(qū)動的電機（DD驅(qū)動電機）在快速 時需Sr彳 高精度定位的裝配機器人中已經(jīng)得到應(yīng)用。 1.機器人驅(qū)動系統(tǒng)電機的選擇 機器人的驅(qū)動系統(tǒng)電機的選擇要根據(jù)機器人的用途、功能、結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合各 類電機自身的特點、性能、結(jié)構(gòu)特點以及性能價格比等綜合考慮進行。 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。有關(guān)各類驅(qū)動電動機主要特點及性能、結(jié)構(gòu)特點、 用途及使用范圍、適用的驅(qū)動器見表 2-1： 表2-1 名 稱 主要特點及性能 結(jié)構(gòu)特點 用

52、途及使用 范圍 驅(qū)動器 小慣 量直流 永磁伺 服電動 機 電機的慣量小，理論加速 度大，快速反應(yīng)性好，低速 性好，調(diào)速比可達 1: 10e4 范圍，但低速輸出力矩不 大， 轉(zhuǎn)子直徑 小,慣量小 適用于對快 速性要求嚴(yán)格 而負載力矩不 大的場合 直流 PWM伺服 驅(qū)動器 SCR變壓 驅(qū)動器 有刷 繞組永 磁直流 伺服電 動機 轉(zhuǎn)動慣量小，快速響 應(yīng)性能好；轉(zhuǎn)子無鐵損， 效率咼；換向性能好， 壽命長；負載波動對轉(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、正反 轉(zhuǎn)工作，響 應(yīng)迅速，適 用于機器 人，數(shù)控等 直流 PWM司服 驅(qū)動器， SCR變壓 驅(qū)動器 大慣 量永磁

53、 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司服 驅(qū)動器， SCR變壓 驅(qū)動器 表2-1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司服 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(yán)格同 步；從低度到咼速，定 子繞組

54、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，谷量大，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 2. 機器人電動驅(qū)動系統(tǒng)伺服驅(qū)動器 (1)直流電機伺服驅(qū)動器 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。其電 源電壓為固定不變值，由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

55、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電 樞兩端的平均電壓，從而改變了電機的轉(zhuǎn)速。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。末級采用大功率三極管構(gòu)成橋式開關(guān)電路。 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。目前已廣泛應(yīng)用于各類數(shù)控機床、 工業(yè)機器人及其它機電一體化 產(chǎn)品中用做直流伺服電機的驅(qū)動。 (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。 脈沖發(fā)生器可以按照起、制動及調(diào)速要求改變頻率、以控制步進電機。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)。它的作用是把

56、脈沖發(fā) 生器送來的一系列脈沖信號按照一定的循環(huán)規(guī)律依次分配給各繞組，以使步進電 機按著一定的規(guī)律運動。 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。目前功率放大器多采用高低壓驅(qū)動電路。 這種電路有高、低壓 二組電源。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。而 當(dāng)達到步進電機額定電流時僅以低電壓給各相繞組供電。高電壓加入的時間長短 由控制電路來實現(xiàn)。 2.7.6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。機械手腰 部的旋轉(zhuǎn)運動需要一定的定位控制精度，故采用步進電機驅(qū)動來實現(xiàn)；因為采用 液壓執(zhí)行缸來做水平手臂，故

57、大小臂均采用液壓驅(qū)動；同時考慮隨著機床加工的 工件的不同，水平手臂伸出長度是不同的。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行驅(qū)動。 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 現(xiàn)，即手爪在柱塞缸推力作用下通過活塞桿端部齒條、中間齒輪及扇形齒輪使手 指張開和閉合。 時磊忖呎 第3章理論分析和設(shè)計計算 3.1液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計計算 3.1.1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，前者實現(xiàn)直線運動，后者實現(xiàn)回 轉(zhuǎn)運動。二者的特點及適用場合見表 3-1： 表3-1 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

58、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 小于360的擺動； 雙葉片式小于180 小于180的擺動 齒輪馬達 結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜 咼轉(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(biāo)形式，具有 2個自由度，一

59、個轉(zhuǎn)動，1 個移動自由度。同時考慮機械手的工作載荷和工作現(xiàn)場環(huán)境對機械手布局以及定 位精度的具體要求以及計算機的控制的因素， 腰部的回轉(zhuǎn)用電機驅(qū)動實現(xiàn)，剩下 的兩個運動均為直線運動。因此，機械手的水平手臂采用單活塞桿液壓缸， 來實 現(xiàn)直線往復(fù)運動。 3.1.2擬定液壓執(zhí)行元件運動控制回路 液壓執(zhí)行元件確定后，其運動方向和運動速度的控制是液壓回路的核心問 題。 方向控制是用換向閥或是邏輯控制單元來實現(xiàn)。 對于一般中小流量的液壓系 統(tǒng)，通過換向閥的有機組合來實現(xiàn)所要求的動作。 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)。 速度控制通過改變液壓執(zhí)行元件輸入或輸出的流量或者利用密封

60、空間的 容積變化來實現(xiàn)。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。 本設(shè)計的方向控制采用電磁換向閥來實現(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單的節(jié)流閥來實現(xiàn)。 3.1.3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。節(jié)流調(diào) 速系統(tǒng)一般用定量泵供油，在無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，溢流閥同時起到控制并穩(wěn)定油源壓 力的作用。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。 時磊5說- 油液的凈化裝置是液壓源中不可缺的元件。 一般泵的入口要裝粗濾油器，進 入系統(tǒng)的