工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)

第2章

工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)2.1工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的形態(tài)各異，但其本體都是由若干關(guān)節(jié)和連桿通過(guò)不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)械連接所組成的機(jī)械裝置。在工業(yè)機(jī)器人中，水平串聯(lián)結(jié)構(gòu)的機(jī)器人多用于3C行業(yè)的電子元器件安裝和搬運(yùn)作業(yè)，而并聯(lián)結(jié)構(gòu)的機(jī)器人多用于電子電工、食品藥品等行業(yè)的裝配和搬運(yùn)。這兩種結(jié)構(gòu)的機(jī)器人大多屬于高速、輕載工業(yè)機(jī)器人，其規(guī)格相對(duì)較少。而垂直串聯(lián)是工業(yè)機(jī)器人最典型的結(jié)構(gòu)，它被廣泛用于加工、搬運(yùn)、裝配、包裝。垂直串聯(lián)工業(yè)機(jī)器人的形式多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修、調(diào)整相對(duì)困難，本章以垂直串聯(lián)工業(yè)機(jī)器人為主進(jìn)行介紹。常用的串聯(lián)6軸關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。1-手部（末端執(zhí)行器）2-手腕3-臂部4-基座圖2-1工業(yè)機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)的工業(yè)機(jī)器人的全部伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器及其他機(jī)械傳動(dòng)部件均安裝于內(nèi)部，機(jī)器人外形簡(jiǎn)潔、防護(hù)性能好，機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)鏈短、傳動(dòng)精度高、剛性好。因此被廣泛用于中小型加工、搬運(yùn)、裝配、焊接、包裝領(lǐng)域，是小規(guī)格、輕量級(jí)工業(yè)機(jī)器人的典型結(jié)構(gòu)。它的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由基座、手臂、手部三大部分組成。2.1.1手部（末端執(zhí)行器）工業(yè)機(jī)器人手部的特點(diǎn)1．手部與手腕相連處可拆卸：根據(jù)夾持對(duì)象的不同，手部結(jié)構(gòu)會(huì)有差異，通常一個(gè)機(jī)器人配有多個(gè)手部裝置或工具，因此要求手部與手腕處的接頭具有通用性和互換性。2．手部是機(jī)器人末端操作器：可以是類(lèi)人的手爪，也可以是進(jìn)行專(zhuān)業(yè)作業(yè)的工具。3．手部的通用性比較差：機(jī)器人手部通常是專(zhuān)用的裝置。4．手部是一個(gè)獨(dú)立的部件：假如把手腕歸屬于手臂，那么機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的三大部分就是機(jī)身、手臂和手部。手部對(duì)于整個(gè)工業(yè)機(jī)器人來(lái)說(shuō)是完成作業(yè)好壞、作業(yè)柔性好壞的關(guān)鍵部件之一。工業(yè)機(jī)器人手部的分類(lèi)1.按用途可分為手爪和專(zhuān)用操作器。手爪：具有一定的通用性，它的主要功能是：抓住工件、握持工件、釋放工件。專(zhuān)用操作器：也稱(chēng)作工具，是進(jìn)行某種作業(yè)的專(zhuān)用工具，如機(jī)器人涂裝用噴槍、機(jī)器人焊接用焊槍等。圖2-2工業(yè)機(jī)器人手爪2.按夾持方式分類(lèi)可以分為外夾式、內(nèi)撐式和內(nèi)外夾持式三類(lèi)。3.按智能化分類(lèi)可以分為普通式手爪和智能化手爪兩類(lèi)。普通式手爪不具備傳感器。智能化手爪具備一種或多種傳感器，如力傳感器、觸覺(jué)傳感器及滑覺(jué)傳感器等。手爪與傳感器集成在一起成為智能化手爪。4.按工作原理可分為夾持類(lèi)手部和吸附類(lèi)手部。（1）夾持類(lèi)手部，通常又叫機(jī)械手爪。夾持類(lèi)手部除常用的夾鉗式外，還有脫鉤式和彈簧式。此類(lèi)手部按其手指夾持工件時(shí)的運(yùn)動(dòng)方式又可分為手指回轉(zhuǎn)型和指面平移型。夾鉗式是工業(yè)機(jī)器人最常用的一種手部形式，一般夾鉗式（圖2-3）由以下幾部分組成：手指、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置和支架，能通過(guò)手爪的開(kāi)閉動(dòng)作實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的夾持。圖2-3夾鉗式手部的組成1-手指2-傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3-驅(qū)動(dòng)裝置4-支架5-工件①手指：它是直接與工件接觸的構(gòu)件。手部松開(kāi)和夾緊工件，就是通過(guò)手指的張開(kāi)和閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一般情況下，機(jī)器人的手部只有兩個(gè)手指，少數(shù)有三個(gè)或多個(gè)手指。它們的結(jié)構(gòu)形式常取決于被夾持工件的形狀和特性（圖2-4）。（a）V型指（b）平面指（c）尖指（d）特形指圖2-4手指與被夾物件的形狀與特性關(guān)系表②傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：向手指?jìng)鬟f運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)夾緊和松開(kāi)動(dòng)作的機(jī)構(gòu)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)根據(jù)手指開(kāi)合的動(dòng)作特點(diǎn)可分為回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手部使用較多，其手指就是一對(duì)杠桿?；剞D(zhuǎn)型又分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)和多支點(diǎn)回轉(zhuǎn)。根據(jù)手爪夾緊是擺動(dòng)還是平動(dòng)，又可分為擺動(dòng)回轉(zhuǎn)型和平動(dòng)回轉(zhuǎn)型。平移型夾鉗式手部是通過(guò)手指的指面作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)或平面移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)張開(kāi)或閉合動(dòng)作的，常用于夾持具有平行平面的工件（如箱體等）。根據(jù)其結(jié)構(gòu)，可分為平面平行移動(dòng)機(jī)構(gòu)和直線往復(fù)移動(dòng)機(jī)構(gòu)兩種類(lèi)型。③驅(qū)動(dòng)裝置：它是向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力的裝置，按驅(qū)動(dòng)方式不同有液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)之分。④支架：使手部與機(jī)器人的腕或臂相聯(lián)接。（2）吸附類(lèi)手部：吸附類(lèi)手部有真空（氣吸）類(lèi)吸盤(pán)和磁力類(lèi)吸盤(pán)兩種。磁力類(lèi)吸盤(pán)主要有電磁吸盤(pán)和永磁吸盤(pán)兩種。真空類(lèi)吸盤(pán)主要是真空式吸盤(pán)，根據(jù)形成真空的原理可分為真空吸盤(pán)、流負(fù)壓吸盤(pán)和擠氣負(fù)壓吸盤(pán)三種。氣吸式手部是工業(yè)機(jī)器人常用的一種吸持工件的裝置。它由吸盤(pán)、吸盤(pán)架及進(jìn)排氣系統(tǒng)組成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、使用方便可靠且對(duì)工件表面沒(méi)有損傷、吸附力分布均勻等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于非金屬材料（或不可有剩磁材料）的吸附。使用氣吸式手部時(shí)要求工件上與吸盤(pán)接觸部位光滑平整、清潔，被吸工件材質(zhì)致密，沒(méi)有透氣空隙。氣吸式手部利用吸盤(pán)內(nèi)的壓力和大氣壓之間的壓力差而工作，按形成壓力差的方法，可分為真空氣吸、氣流負(fù)壓氣吸、擠壓排氣負(fù)壓氣吸。

真空吸附取料手（圖2-5）：真空吸附取料手在取料時(shí)，碟形橡膠吸盤(pán)與物體表面接觸，橡膠吸盤(pán)在邊緣既起到密封作用，又起到緩沖作用。然后真空抽氣，吸盤(pán)內(nèi)腔形成真空，吸取物料。放料時(shí)，管路接通大氣，失去真空，物體放下。為避免在取、放料時(shí)產(chǎn)生撞擊，有的還在支承桿上配有彈簧緩沖。圖2-5真空吸附取料手1-橡膠吸盤(pán)

2-固定環(huán)3-墊片4-支撐桿5-基板6-螺母氣流負(fù)壓吸附取料手（圖2-6）：氣流負(fù)壓吸附取料手是利用流體力學(xué)的原理，當(dāng)需要取物時(shí)，壓縮空氣高速流經(jīng)噴嘴，其出口處的氣壓低于吸盤(pán)腔內(nèi)的氣壓，于是腔內(nèi)的氣體被高速氣流帶走而形成負(fù)壓，完成取物動(dòng)作；當(dāng)需要釋放時(shí)，切斷壓縮空氣即可。圖2-6氣流負(fù)壓吸附取料手1-橡膠吸盤(pán)2-心套3-通氣螺釘4-支撐桿5-噴嘴6-噴嘴套擠壓排氣式取料手（圖2-7）：取料時(shí)吸盤(pán)壓緊物體，橡膠吸盤(pán)變形，擠出腔內(nèi)多余的空氣，取料手上升，靠橡膠吸盤(pán)的恢復(fù)力形成負(fù)壓，將物體吸住；釋放時(shí)，壓下拉桿3，使吸盤(pán)腔與大氣相連通而失去負(fù)壓。圖2-7擠壓排氣式取料手1-橡膠吸盤(pán)2-彈簧3-拉桿磁吸式手部是利用永久磁鐵或電磁鐵通電后產(chǎn)生的磁力來(lái)吸附工件的。磁吸式手部與氣吸式手部相同，不會(huì)破壞被吸收表面質(zhì)量，電磁吸盤(pán)如圖2-8所示。磁吸收式手部比氣吸收式手部?jī)?yōu)越的地方是：有較大的單位面積吸力，對(duì)工件表面粗糙度及通孔、溝槽等無(wú)特殊要求。圖2-8電磁吸盤(pán)2.1.2手臂手臂是工業(yè)機(jī)器人的主要執(zhí)行部件。手臂連接手部和基座，用來(lái)改變手腕和末端執(zhí)行器的空間位置。在工作中直接承受腕、手和工件的靜、動(dòng)載荷，自身運(yùn)動(dòng)又較多，故受力復(fù)雜。根據(jù)手臂的運(yùn)動(dòng)和布局、驅(qū)動(dòng)方式、傳動(dòng)和導(dǎo)向裝置的不同可分為：伸縮型臂部、轉(zhuǎn)動(dòng)伸縮型臂部、屈伸型臂部結(jié)構(gòu)，以及其他專(zhuān)用的機(jī)械傳動(dòng)臂部結(jié)構(gòu)。手臂主要包括大臂、小臂和腕部。腕部是聯(lián)接手臂和手部的結(jié)構(gòu)部件，它的主要作用是確定手部的作業(yè)方向，如圖2-9所示。因此它具有獨(dú)立的自由度，以滿足機(jī)器人手部完成復(fù)雜的姿態(tài)調(diào)整。小臂是連接大臂和手腕的中間體，小臂可以連同手腕及后端部件在大臂上運(yùn)動(dòng)，以改變手部的上下及前后位置。大臂是連接腰部和小臂的中間體，大臂可以連同小臂及后端部件在腰上運(yùn)動(dòng)，以改變手部的前后及上下位置。a）臂轉(zhuǎn)、腕擺、手轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)b）臂轉(zhuǎn)、雙腕擺、手轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)圖2-9腕部關(guān)節(jié)配置圖要確定手部的作業(yè)方向，一般需要三個(gè)自由度，這三個(gè)回轉(zhuǎn)自由度為：臂轉(zhuǎn)：指腕部繞小臂軸線方向的旋轉(zhuǎn)，也稱(chēng)作腕部旋轉(zhuǎn)；腕擺：指手部繞垂直小臂軸線方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。腕擺分為俯仰和偏轉(zhuǎn)，其中同時(shí)具有俯仰和偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的稱(chēng)作雙腕擺；手轉(zhuǎn)：指手部繞自身的軸線方向旋轉(zhuǎn)。腕部的結(jié)構(gòu)多為上述三個(gè)回轉(zhuǎn)方式的組合，組合的方式可以有多種形式，常用的腕部組合方式有臂轉(zhuǎn)—腕擺—手轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、臂轉(zhuǎn)—雙腕擺—手轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)等。2.1.3基座工業(yè)機(jī)器人的基座是整個(gè)機(jī)器人的支持部分，用于機(jī)器人的安裝和固定，也是工業(yè)機(jī)器人的電線電纜、氣管油管的輸入連接部位。固定式機(jī)器人的基座一般固定在地面上，移動(dòng)式機(jī)器人的基座安裝在移動(dòng)機(jī)構(gòu)上，常見(jiàn)的工業(yè)機(jī)器人為固定式。工業(yè)機(jī)器人的基座如圖2-10所示。圖2-10工業(yè)機(jī)器人的基座2.1.4關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人中連接運(yùn)動(dòng)部分的機(jī)構(gòu)稱(chēng)為關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)有轉(zhuǎn)動(dòng)型和移動(dòng)型，分別稱(chēng)為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和移動(dòng)關(guān)節(jié)。轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)在機(jī)器人中簡(jiǎn)稱(chēng)為關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)由回轉(zhuǎn)軸、軸承和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。它既連接各機(jī)構(gòu)，又傳遞各機(jī)構(gòu)間的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，用于基座與臂部、臂部與手部等連接部位。移動(dòng)關(guān)節(jié)由直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和在整個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)起直線導(dǎo)向作用的直線導(dǎo)軌部分組成。導(dǎo)軌部分分為滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌和磁性懸浮導(dǎo)軌等形式。通常，由于機(jī)器人在速度和精度方面的要求很高，故一般采用結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格合適的滾動(dòng)導(dǎo)軌。滾動(dòng)導(dǎo)軌按滾動(dòng)體分為球、圓柱滾子和滾針；按軌道分為圓軸式、平面式和滾道式；按滾動(dòng)體是否循環(huán)分為循環(huán)式和非循環(huán)式。這些滾動(dòng)導(dǎo)軌各有特點(diǎn)，裝有滾珠的滾動(dòng)導(dǎo)軌適用于中小載荷和小摩擦的場(chǎng)合，裝有滾柱的滾動(dòng)導(dǎo)軌適用于重載和高剛性的場(chǎng)合。受輕載滾柱的特性接近于線性彈簧，呈硬彈簧特性；而滾珠的特性則接近于非線性彈簧，剛性要求高時(shí)應(yīng)施加一定的預(yù)緊力。工業(yè)機(jī)器人中軸承起著相當(dāng)重要的作用，用于轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的軸承有多種形式，球軸承是機(jī)器人結(jié)構(gòu)中最常用的軸承。球軸承能承受徑向和軸向載荷，摩擦較小，對(duì)軸和軸承座的剛度不敏感。圖2-11（a）所示為普通向心球軸承，圖2-11（b）為向心推力球軸承。這兩種軸承的每個(gè)球和滾道之間只有兩點(diǎn)（一點(diǎn)與內(nèi)滾道，另一點(diǎn)與外滾道）接觸。為實(shí)現(xiàn)預(yù)載，這種軸承必須成對(duì)使用。圖2-11（c）所示為四點(diǎn)接觸球軸承。該軸承的滾道是尖拱式半圓，球與每個(gè)滾道兩點(diǎn)接觸，該軸承通過(guò)兩內(nèi)滾道之間適當(dāng)?shù)倪^(guò)盈量實(shí)現(xiàn)預(yù)緊。因此，四點(diǎn)接觸球軸承的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)間隙，能承受雙向軸向載荷，尺寸小，承載能力和剛度比同樣大小的一般球軸承高1.5倍。圖2-11基本耐磨球軸承2.2工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置是帶動(dòng)臂部到達(dá)指定位置的動(dòng)力源。通常動(dòng)力是直接經(jīng)電纜、齒輪箱或其他方法送至臂部。工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)常用的驅(qū)動(dòng)方式主要有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)以及電氣驅(qū)動(dòng)三種。在工業(yè)機(jī)器人出現(xiàn)的初期，由于其運(yùn)動(dòng)大多采用曲柄和導(dǎo)桿等桿件機(jī)構(gòu)，所以大多使用液壓驅(qū)動(dòng)和氣壓驅(qū)動(dòng)方式。但隨著對(duì)作業(yè)高速化要求，以及對(duì)各部分動(dòng)作要求愈來(lái)愈高，目前使用電氣驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人所占比例逐漸增加。2.2.1直接驅(qū)動(dòng)和間接驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式主要分為直接驅(qū)動(dòng)和間接驅(qū)動(dòng)。直接驅(qū)動(dòng)方式是指驅(qū)動(dòng)器的輸出軸和機(jī)器人手臂的關(guān)節(jié)軸直接相連的方式。這種方式的驅(qū)動(dòng)器和關(guān)節(jié)之間的機(jī)械系統(tǒng)較少，因而能夠減少摩擦等非線性因素的影響，控制性能比較好。直接驅(qū)動(dòng)方式的機(jī)器人通常稱(chēng)為DD機(jī)器人(directdriverobot，DDR)。DD機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)通過(guò)機(jī)械接口直接與關(guān)節(jié)連接，在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和關(guān)節(jié)之間沒(méi)有速度和轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)換。間接驅(qū)動(dòng)方式是把驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)力經(jīng)過(guò)減速器、鋼絲繩、傳送帶或平行連桿等裝置后傳遞給關(guān)節(jié)。間接驅(qū)動(dòng)方式包含帶減速器的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和遠(yuǎn)距離驅(qū)動(dòng)兩種。中小型機(jī)器人一般采用普通的直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)或步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為機(jī)器人的執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。由于電動(dòng)機(jī)速度較高，輸出轉(zhuǎn)矩又大于驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)所需要的轉(zhuǎn)矩，所以必須使用帶減速器的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。但是，間接驅(qū)動(dòng)帶來(lái)了機(jī)械傳動(dòng)中不可避免的誤差，引起沖擊振動(dòng)，影響機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性，并增加關(guān)節(jié)重量和尺寸。由于手臂通常采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，因而多自由度機(jī)器人關(guān)節(jié)上安裝減速器會(huì)使手臂根部關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載增大。遠(yuǎn)距離驅(qū)動(dòng)將驅(qū)動(dòng)器和關(guān)節(jié)分離，目的在于減少關(guān)節(jié)體積、減輕關(guān)節(jié)重量。驅(qū)動(dòng)元件是執(zhí)行裝置，就是按照信號(hào)的指令，將來(lái)自電、液壓和氣壓等各種能源的能量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、直線運(yùn)動(dòng)等方式的機(jī)械能的裝置。按照利用的能源來(lái)分，驅(qū)動(dòng)元件主要分為電動(dòng)執(zhí)行裝置、液壓執(zhí)行裝置和氣壓執(zhí)行裝置。因此，工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)方式有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和電氣驅(qū)動(dòng)。2.2.2液壓驅(qū)動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)所使用的壓力為0.5～14MPa。與其他兩種驅(qū)動(dòng)方式相比，其優(yōu)點(diǎn)為:(1)驅(qū)動(dòng)力或驅(qū)動(dòng)力矩大，即功率重量比大。(2)可以把工作液壓缸直接做成關(guān)節(jié)的一部分，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、剛度好。(3)由于液體的不可壓縮性，定位精度比氣壓驅(qū)動(dòng)高，并可實(shí)現(xiàn)任意位置的停止。(4)液壓驅(qū)動(dòng)調(diào)速比較簡(jiǎn)單，能在很大調(diào)整范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。(5)液壓驅(qū)動(dòng)平穩(wěn)，且系統(tǒng)的固有效率較高，可以實(shí)現(xiàn)頻繁而平穩(wěn)的變速與換向。(6)使用安全閥，可簡(jiǎn)單有效地防止過(guò)載現(xiàn)象發(fā)生。(7)有良好的潤(rùn)滑性能，壽命長(zhǎng)。液壓驅(qū)動(dòng)的主要缺點(diǎn):(1)油液容易泄漏，影響工作的穩(wěn)定性與定位精度，易造成環(huán)境污染。(2)油液粘度隨溫度變化，不但影響工作性能，而且在高溫與低溫條件下很難應(yīng)用。有時(shí)需要采用油溫管理措施。(3)油液中容易混入氣泡、水分等，使系統(tǒng)的剛性降低，速度響應(yīng)特性及定位不穩(wěn)定。(4)需配備壓力源及復(fù)雜的管路系統(tǒng)，因而成本較高。(5)易燃燒。液壓驅(qū)動(dòng)方式大多用于要求輸出力較大的場(chǎng)合，在低壓驅(qū)動(dòng)條件下比氣壓驅(qū)動(dòng)速度低。液壓驅(qū)動(dòng)的輸出力和功率很大，能構(gòu)成伺服機(jī)構(gòu)，常用于大型機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要設(shè)備有液壓缸和液壓閥等。液壓缸是將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的、做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)或擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)的液壓執(zhí)行元件。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠。用液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可免去減速裝置，且沒(méi)有傳動(dòng)間隙、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，因此在各種機(jī)械的液壓系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。用電磁閥控制的直線液壓缸是最簡(jiǎn)單和最便宜的開(kāi)環(huán)液壓驅(qū)動(dòng)裝置。在直線液壓缸的操作中，通過(guò)受控節(jié)流口調(diào)節(jié)流量?？梢栽谶_(dá)到運(yùn)動(dòng)終點(diǎn)時(shí)實(shí)現(xiàn)減速，使停止過(guò)程得到控制。大直徑液壓缸本身造價(jià)較高，需配備昂貴的電液伺服閥，但能得到較大的出力，工作壓力通常達(dá)14MPa。無(wú)論是直線液壓缸還是旋轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)，它們的工作原理都是基于高壓油對(duì)活塞或?qū)θ~片的作用。液壓油是經(jīng)控制閥被送到液壓缸一端的。在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，閥是由電磁鐵打開(kāi)和控制的；而在閉環(huán)系統(tǒng)中，則是用電液伺服閥或手動(dòng)閥來(lái)控制的。圖2-12給出了直線液壓缸中閥的控制示意圖。圖2-12直線液壓缸中閥的控制液壓閥又分為單向閥和換向閥。單向閥只允許油液向某一方向流動(dòng)，而反向截止，這種閥也稱(chēng)為止回閥。換向閥分為滑閥式換向閥、手動(dòng)換向閥、機(jī)動(dòng)換向閥和電磁換向閥?；y式換向閥是靠閥芯在閥體內(nèi)做軸向運(yùn)動(dòng)，使相應(yīng)的油路接通或斷開(kāi)的換向閥。手動(dòng)換向閥用于手動(dòng)換向。機(jī)動(dòng)換向閥用于機(jī)械運(yùn)動(dòng)中，作為限位裝置限位換向。電磁換向閥用于在電氣裝置或控制裝置發(fā)出換向命令時(shí)，改變流體方向，從而改變機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。美國(guó)Unimation公司生產(chǎn)的Unimate型機(jī)器人采用了直線液壓缸作為驅(qū)動(dòng)元件。Versatran機(jī)器人也使用直線液壓缸作為圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人的垂直驅(qū)動(dòng)元件和徑向驅(qū)動(dòng)元件。液壓伺服系統(tǒng)的組成如圖2-13所示。圖2-13液壓伺服系統(tǒng)的組成液壓泵將壓力油供到伺服閥，給定位置的指令值與位置傳感器的實(shí)測(cè)值之差經(jīng)過(guò)放大器放大后送到伺服閥。當(dāng)信號(hào)輸入伺服閥時(shí)，壓力油被供到驅(qū)動(dòng)器并驅(qū)動(dòng)載荷。當(dāng)反饋信號(hào)與輸入指令值相同時(shí)，驅(qū)動(dòng)器便停止工作。伺服閥在液壓伺服系統(tǒng)中是不可缺少的一部分，它利用電信號(hào)實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的能量控制。在響應(yīng)快、載荷大的伺服系統(tǒng)中往往采用液壓驅(qū)動(dòng)器，原因在于液壓驅(qū)動(dòng)器的輸出功率與重量之比最大。液壓伺服系統(tǒng)的工作特點(diǎn)：(1)在液壓伺服系統(tǒng)的輸入和輸出之間存在反饋連接，從而組成了閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋介質(zhì)可以是機(jī)械、電氣、氣動(dòng)、液壓或它們的組合形式。(2)系統(tǒng)的主反饋是負(fù)反饋，即輸入信號(hào)與反饋信號(hào)相減，用二者之間的偏差來(lái)控制液壓源。通過(guò)控制輸入液壓元件的流量，使其向減小偏差的方向移動(dòng)。通過(guò)這種方式使得系統(tǒng)的輸出值接近并等于輸入信號(hào)值。(3)系統(tǒng)輸入信號(hào)的功率很小，但系統(tǒng)的輸出功率卻可以很大，因此它是一個(gè)功率放大裝置，功率放大所需的能量由液壓源提供。液壓源提供能量的大小是根據(jù)伺服系統(tǒng)偏差大小自動(dòng)進(jìn)行控制的。2.2.3氣壓驅(qū)動(dòng)在所有的驅(qū)動(dòng)方式中，氣壓驅(qū)動(dòng)是最簡(jiǎn)單的，在工業(yè)上應(yīng)用很廣。氣壓驅(qū)動(dòng)在工業(yè)機(jī)器人中壓力通常在0.4～0.6MPa，最高可達(dá)0.8MPa。氣壓驅(qū)動(dòng)大多用于輸出力小于300N，但要求運(yùn)動(dòng)速度快的場(chǎng)合，也適于在易燃、易爆和灰塵大的場(chǎng)合工作。氣壓驅(qū)動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是：(1)快速性好。這是因?yàn)閴嚎s空氣的粘性小。(2)氣源方便，一般工廠都由壓縮空氣站供應(yīng)壓縮空氣。(3)廢氣可直接排入大氣，不會(huì)造成污染，所以比液壓驅(qū)動(dòng)清潔。(4)通過(guò)調(diào)節(jié)氣量可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。(5)由于空氣的可壓縮性，氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有緩沖作用。(6)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于保養(yǎng)，成本低。氣壓驅(qū)動(dòng)的主要缺點(diǎn)是：(1)由于工作壓力低，所以功率質(zhì)量比小，裝置體積大。(2)基于氣體的可壓縮性，氣壓驅(qū)動(dòng)很難保證較高的定位精度。(3)使用后的壓縮空氣向大氣排放時(shí)，會(huì)產(chǎn)生噪聲。(4)因壓縮空氣含冷凝水，使得氣壓系統(tǒng)易銹蝕。在低溫下由于冷凝水結(jié)冰，有可能啟動(dòng)困難。氣動(dòng)執(zhí)行元件既有直線氣缸，也有旋轉(zhuǎn)氣動(dòng)馬達(dá)。有不少機(jī)器人制造廠用氣動(dòng)系統(tǒng)制造了很靈巧的機(jī)器人。在原理上，它們很像液壓驅(qū)動(dòng)，但某些細(xì)節(jié)差別很大，它的工作介質(zhì)是高壓空氣。氣動(dòng)控制閥簡(jiǎn)單且便宜，工作壓力低。氣動(dòng)系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)之一是操作簡(jiǎn)單、易于編程，所以可以完成大量的點(diǎn)位搬運(yùn)操作任務(wù)。但是用氣壓伺服實(shí)現(xiàn)高精度很困難。不過(guò)在能滿足精度的場(chǎng)合，氣壓驅(qū)動(dòng)在所有的機(jī)器人中重量最輕，成本最低。另外，氣壓驅(qū)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)模塊化，它很容易在各個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置上增加壓縮空氣管道，利用模塊化組件形成任意一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。氣源裝置：氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的氣源裝置為氣動(dòng)系統(tǒng)提供符合使用要求的壓縮空氣，它是氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分。氣源裝置是獲得壓縮空氣的裝置，其主體部分是空氣壓縮機(jī)，它將原動(dòng)機(jī)供給的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的壓力能。由空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣必須經(jīng)過(guò)降溫、凈化、減壓、穩(wěn)壓等一系列處理后，才能供給控制元件和執(zhí)行元件使用。用過(guò)的壓縮空氣排向大氣時(shí)，會(huì)產(chǎn)生噪聲，應(yīng)采取措施，降低噪聲，改善勞動(dòng)條件和環(huán)境質(zhì)量。氣動(dòng)控制元件主要包括壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥。壓力控制閥：氣壓系統(tǒng)不同于液壓系統(tǒng)，一般每一個(gè)液壓系統(tǒng)都自帶液壓源（液壓泵）；而在氣壓系統(tǒng)中，一般來(lái)說(shuō)由空氣壓縮機(jī)先將空氣壓縮，儲(chǔ)存在貯氣罐內(nèi)，然后經(jīng)管路輸送給各個(gè)氣動(dòng)裝置使用。貯氣罐的空氣壓力往往比各臺(tái)設(shè)備實(shí)際所需要的壓力高，其壓力波動(dòng)值也較大。因此，需要用減壓閥（調(diào)壓閥）將壓力減到每臺(tái)裝置所需的壓力數(shù)值，并使減壓后的壓力穩(wěn)定在所需壓力值上。有些氣動(dòng)回路需要依靠回路中壓力的變化來(lái)控制兩個(gè)執(zhí)行元件的順序動(dòng)作，所用的閥就是順序閥。順序閥與單向閥的組合稱(chēng)為單向順序閥。為了安全起見(jiàn)，所有的氣動(dòng)回路或貯氣罐內(nèi)當(dāng)超過(guò)允許壓力值時(shí)，需要自動(dòng)向外排氣，這種壓力控制閥稱(chēng)為安全閥（溢流閥）。流量控制閥：在氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，有時(shí)需要控制氣缸的運(yùn)動(dòng)速度，有時(shí)需要控制換向閥的切換時(shí)間和氣動(dòng)信號(hào)的傳遞速度，這些都需要通過(guò)調(diào)節(jié)壓縮空氣的流量來(lái)實(shí)現(xiàn)。流量控制閥就是通過(guò)改變閥的通流截面積來(lái)實(shí)現(xiàn)流量控制的元件。流量控制閥包括節(jié)流閥、單向節(jié)流閥、排氣節(jié)流閥和快速排氣閥等。用流量控制的方法控制氣缸內(nèi)活塞的運(yùn)動(dòng)速度時(shí)，采用氣壓控制比采用液壓控制困難，特別是在極低速控制中，要按照預(yù)定行程變化來(lái)控制速度，只用氣動(dòng)很難實(shí)現(xiàn)。在外部負(fù)載變化很大時(shí)，僅用氣動(dòng)流量閥也不會(huì)得到滿意的調(diào)速效果。為提高零部件的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，建議采用氣液聯(lián)動(dòng)控制。方向控制閥：是氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)中通過(guò)改變壓縮空氣的流動(dòng)方向和氣流的通斷，來(lái)控制執(zhí)行元件起動(dòng)、停止及運(yùn)動(dòng)方向的氣動(dòng)元件。根據(jù)方向控制閥的功能、控制方式、結(jié)構(gòu)方式、閥內(nèi)氣流的方向及密封形式等，方向控制閥可以分為以下5類(lèi)：氣壓控制換向閥：是以壓縮空氣為動(dòng)力切換氣閥，使氣路換向或通斷的閥類(lèi)。氣壓控制換向閥多用于組成全氣閥控制的氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)或易燃、易爆、高凈化等場(chǎng)合。電磁控制換向閥：利用電磁力的作用來(lái)實(shí)現(xiàn)閥的切換，以控制氣流的流動(dòng)方向。常用的電磁控制換向閥有直動(dòng)式和先導(dǎo)式兩種。機(jī)械控制換向閥：又稱(chēng)為行程閥，多用于行程程序控制，作為信號(hào)閥使用。常依靠凸輪、擋塊或其他機(jī)械外力推動(dòng)閥芯，使閥換向。人力控制換向閥：有手動(dòng)和腳踏兩種操作方式。手動(dòng)閥的主體部分與氣控閥類(lèi)似，其操作方式包括按鈕式、旋鈕式、鎖式和推拉式。時(shí)間控制換向閥：是使氣流通過(guò)氣阻節(jié)流后到氣容中，經(jīng)一定的時(shí)間先使氣容內(nèi)建立起一定的壓力后，使閥芯換向的閥類(lèi)。在不允許使用時(shí)間繼電器的場(chǎng)合（易燃、易爆、粉塵大等），用氣動(dòng)時(shí)間控制就顯出其優(yōu)越性。氣動(dòng)執(zhí)行元件主要包括氣缸和氣動(dòng)電動(dòng)機(jī)。氣缸是氣動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行元件之一。除幾種特殊氣缸外，普通氣缸的種類(lèi)及結(jié)構(gòu)形式與液壓缸基本相同。目前最常用的是標(biāo)準(zhǔn)氣缸，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)都已系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化。標(biāo)準(zhǔn)氣缸通常有無(wú)緩沖普通氣缸和有緩沖普通氣缸等。較為典型的特殊氣缸有氣液阻尼缸、薄膜式氣缸和沖擊式氣缸等。普通氣缸工作時(shí)，由于氣體有壓縮性，當(dāng)外部載荷變化較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生“爬行”或“自走”現(xiàn)象，使氣缸的工作不穩(wěn)定。為了使氣缸運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，普遍采用氣液阻尼缸。氣液阻尼缸中一般將雙活塞桿缸作為液壓缸。薄膜式氣缸是一種利用壓縮空氣通過(guò)膜片推動(dòng)活塞桿做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的氣缸。它由缸體、膜片、膜盤(pán)和活塞桿等主要零件組成。其功能類(lèi)似于活塞式氣缸。沖擊式氣缸是一種體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造、耗氣功率小但能產(chǎn)生相當(dāng)大沖擊力的特殊氣缸。與普通氣缸相比，沖擊式氣缸增加了一個(gè)具有一定容積的蓄能腔和噴嘴。氣動(dòng)電動(dòng)機(jī)也是氣動(dòng)執(zhí)行元件的一種。它的作用相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)或液壓電動(dòng)機(jī)，即輸出轉(zhuǎn)矩，拖動(dòng)機(jī)構(gòu)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。氣動(dòng)電動(dòng)機(jī)是以壓縮空氣為工作介質(zhì)的原動(dòng)機(jī)。2.2.4電氣驅(qū)動(dòng)電氣驅(qū)動(dòng)是利用各種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力矩和力直接經(jīng)過(guò)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以獲得機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(steppingmotor)是一種將輸入脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸入量是脈沖序列，輸出量則為相應(yīng)的增量位移或步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。正常運(yùn)動(dòng)情況下，它每轉(zhuǎn)一周具有固定的步數(shù)，做連續(xù)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能直接接受數(shù)字量的控制，因而特別適宜采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，是位置控制中不可或缺的執(zhí)行裝置。通常步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有永磁轉(zhuǎn)子，而定子上有多個(gè)繞組。由于繞組中產(chǎn)生的熱量很容易從電動(dòng)機(jī)機(jī)體散失，且因?yàn)闆](méi)有電刷與換向器，因而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的使用壽命比較長(zhǎng)。直流電動(dòng)機(jī)：作為控制用的電動(dòng)機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)具有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、體積小、質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速容易控制、效率高等優(yōu)點(diǎn)。圖2-14所示為直流電動(dòng)機(jī)的工作原理示意圖。N和S是一對(duì)固定的磁極，可以是電磁鐵，也可以是永久磁鐵，磁極之間有一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵質(zhì)圓柱體，稱(chēng)為電樞鐵芯。鐵芯表面固定一個(gè)用絕緣導(dǎo)體構(gòu)成的電樞繞組abcd，繞組的兩端分別接到相互絕緣的兩個(gè)半圓形銅片（換向片）上，它們組合在一起稱(chēng)為換向器。在每個(gè)半圓銅片上又分別放置一個(gè)固定不動(dòng)而與之滑動(dòng)接觸的電刷A和B，繞組abcd通過(guò)換向器和電刷接通外電路。圖2-14直流電動(dòng)機(jī)的工作原理示意圖如圖2-14（a）所示，將外部直流電源加到電刷A（正極）和B（負(fù)極）上。在導(dǎo)體ab中，電流由a指向b；在導(dǎo)體cd中，電流由c指向d。導(dǎo)體ab和cd分別處于N、S極磁場(chǎng)中，受到電磁力的作用。由左手定則可知，導(dǎo)體ab和cd均受到電磁力的作用，且形成的轉(zhuǎn)矩方向一致，這個(gè)轉(zhuǎn)矩稱(chēng)為電磁轉(zhuǎn)矩，為逆時(shí)針?lè)较?。這樣，電樞就順著逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。如圖2-14（b）所示，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)180°，導(dǎo)體cd轉(zhuǎn)到N極，導(dǎo)體ab轉(zhuǎn)到S極下。由于電流仍從電刷A流入，使cd中的電流變?yōu)橛蒬流向c，而ab中的電流由b流向a，從電刷B流出。由左手定則判斷可知，電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍為逆時(shí)針?lè)较?。直流電?dòng)機(jī)由于有電刷和換向器，壽命短、噪聲大。為克服這一缺點(diǎn)，人們開(kāi)發(fā)研制出了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。在進(jìn)行位置控制和速度控制時(shí)，需要使用轉(zhuǎn)速傳感器，實(shí)現(xiàn)位置、速度負(fù)反饋的閉環(huán)控制方式。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)的混合體，雖然其結(jié)構(gòu)與交流電動(dòng)機(jī)不完全相同，但二者具有相似之處。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)工作時(shí)使用的是開(kāi)關(guān)直流波形，這一點(diǎn)和交流電相似（正弦波或梯形波），但頻率不一定是60Hz。因此，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)不像交流電動(dòng)機(jī)，它可以工作在任意速度，包括很低的速度。為了正確地運(yùn)轉(zhuǎn)，需要一個(gè)反饋信號(hào)來(lái)決定何時(shí)改變電流方向。實(shí)際上，裝在轉(zhuǎn)子上的旋轉(zhuǎn)變壓器、光學(xué)編碼器或霍爾效應(yīng)傳感器都可以向控制器輸出信號(hào)，由控制器來(lái)切換轉(zhuǎn)子中的電流。為了保證運(yùn)行平穩(wěn)、力矩穩(wěn)定，轉(zhuǎn)子通常有三相，通過(guò)利用相位差120°的三相電流給轉(zhuǎn)子供電。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)通常由控制電路控制運(yùn)行，若直接接在直流電源上，它不會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)。伺服電動(dòng)機(jī)：是指帶有反饋的直流電動(dòng)機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)、無(wú)刷電動(dòng)機(jī)或步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。伺服電動(dòng)機(jī)可精確控制速度和位置，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制，并能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件，具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高等特性，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。為實(shí)現(xiàn)伺服電動(dòng)機(jī)的控制，可以使用多種不同類(lèi)型的傳感器，包括編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、電位器和轉(zhuǎn)速計(jì)等。如果采用了位置傳感器，如電位計(jì)和編碼器等，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行微分就可以得到速度信號(hào)。電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)可分為普通交、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，交、直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。普通交、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)需要減速裝置，輸出轉(zhuǎn)矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機(jī)器人。而伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩相對(duì)較小，控制性能好，可實(shí)現(xiàn)速度和位置的精確控制，適用于中小型機(jī)器人。交、直流伺服電動(dòng)機(jī)一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)則主要用于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，一般用于對(duì)速度和位置精度要求不高的場(chǎng)合。工業(yè)機(jī)器人對(duì)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的要求有：(1)快速性。電動(dòng)機(jī)從獲得指令信號(hào)到完成指令所要求的工作狀態(tài)的時(shí)間應(yīng)盡可能短。響應(yīng)指令信號(hào)的時(shí)間越短，電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)的靈敏性越高，快速響應(yīng)性能就越好。一般是以伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)來(lái)表示伺服電動(dòng)機(jī)快速響應(yīng)的性能。(2)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩慣量比較大。在驅(qū)動(dòng)負(fù)載的情況下，要求機(jī)器人的伺服電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。(3)控制特性的連續(xù)性和直線性。隨著控制信號(hào)的變化，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速能連續(xù)變化，有時(shí)還需轉(zhuǎn)速與控制信號(hào)成正比或近似成正比。(4)調(diào)速范圍寬。能適用于1：1000～1：10000的調(diào)速范圍。(5)體積小，質(zhì)量輕，軸向尺寸短。(6)能在苛刻的運(yùn)行條件下工作，可進(jìn)行十分頻繁的正、反向和加、減速運(yùn)動(dòng)，并能在短時(shí)間內(nèi)承受過(guò)載。目前，由于高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、大轉(zhuǎn)矩、低慣量的交、直流伺服電動(dòng)機(jī)在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。一般負(fù)載在1000N以下的工業(yè)機(jī)器人大多采用電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。所采用的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)主要是交流伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和直流伺服電動(dòng)機(jī)。其中，交流伺服電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)、直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)(DD)均采用位置閉環(huán)控制，一般應(yīng)用于高精度、高速度的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)多用于對(duì)精度、速度要求不高的小型簡(jiǎn)易機(jī)器人開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中。交流伺服電動(dòng)機(jī)由于采用了電子換向，無(wú)換向火花，在易燃、易爆環(huán)境中得到了廣泛的應(yīng)用。機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率一般為0.1～10kW。一般情況下，各種機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選用原則大致如下：（1）控制方式對(duì)物料搬運(yùn)（包括上、下料）、沖壓用的有限點(diǎn)位控制的程序控制機(jī)器人，低速重負(fù)載時(shí)可選用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；中等負(fù)載時(shí)可選用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；輕負(fù)載時(shí)可選用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；輕負(fù)載、高速時(shí)可選用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，沖壓機(jī)器人手爪多選用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。（2）作業(yè)環(huán)境要求從事噴涂作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人，由于工作環(huán)境需要防爆，多采用電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和具有本征防爆的交流電動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。水下機(jī)器人、核工業(yè)專(zhuān)用機(jī)器人、空間機(jī)器人，以及在腐蝕性、易燃易爆氣體、放射性物質(zhì)環(huán)境中工作的移動(dòng)機(jī)器人，一般采用交流伺服驅(qū)動(dòng)。如要求在潔凈環(huán)境中使用，則多采用直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。（3）操作運(yùn)行速度對(duì)于裝配機(jī)器人，由于要求有較高的點(diǎn)位重復(fù)精度和較高的運(yùn)行速度，通常在運(yùn)行速度相對(duì)較低（≤4.5m/s）的情況下，可采用AC、DC或步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；在速度、精度要求均很高的條件下，多采用直接驅(qū)動(dòng)（DD）電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2.2.5工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)裝置的受控運(yùn)動(dòng)必須通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)單元帶動(dòng)機(jī)械臂產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，以保證手部的精確定位。目前工業(yè)機(jī)器人廣泛采用的機(jī)械傳動(dòng)單元是減速器。工業(yè)機(jī)器人使用的減速器是一種精密的動(dòng)力傳達(dá)機(jī)構(gòu)，利用齒輪的速度轉(zhuǎn)換器，將電機(jī)的回轉(zhuǎn)數(shù)減速到所要的回轉(zhuǎn)數(shù)，并得到較大轉(zhuǎn)矩的裝置。因此減速器能夠降低轉(zhuǎn)速、增加轉(zhuǎn)矩。工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)力源一般為交流伺服電機(jī)，因?yàn)橛擅}沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)，其伺服電機(jī)本身就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速，為什么工業(yè)機(jī)器人還需要減速電機(jī)呢？這是因?yàn)楣I(yè)機(jī)器人通常執(zhí)行重復(fù)的動(dòng)作以完成相同的工序。為保證在生產(chǎn)中能夠可靠地完成工序任務(wù)并確保工藝質(zhì)量，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的定位精度和重復(fù)定位精度要求很高。因此，提高和確保工業(yè)機(jī)器人的精度就需要采用減速器。精密減速器在工業(yè)機(jī)器人中的另一作用是傳遞更大的扭矩。當(dāng)負(fù)載較大時(shí)，單純提高伺服電機(jī)的功率是不合適的，可以在適宜的速度范圍內(nèi)通過(guò)減速器來(lái)提高輸出扭矩。伺服電機(jī)在低頻運(yùn)轉(zhuǎn)下容易發(fā)熱和出現(xiàn)低頻振動(dòng)，不利于長(zhǎng)時(shí)間和周期性的工作。精密減速電機(jī)的存在使伺服電機(jī)在一個(gè)合適的速度下運(yùn)轉(zhuǎn)，并精確地將轉(zhuǎn)速降到工業(yè)機(jī)器人各部位需要的速度，提高機(jī)械體剛性的同時(shí)輸出更大的力矩。與通用減速器相比，機(jī)器人關(guān)節(jié)減速電機(jī)要求具有傳動(dòng)鏈短、體積小、功率大、質(zhì)量輕和易控制等特點(diǎn)。大量應(yīng)用在關(guān)節(jié)型機(jī)器人上的減速器主要有兩類(lèi)：RV減速器和諧波減速器。一般將RV減速器放置在基座、腰部、大臂等重負(fù)載的位置，主要用于20kg以上的機(jī)器人關(guān)節(jié)；將諧波減速器放置在小臂、腕部或手部等輕負(fù)載的位置，主要用于20kg以下的機(jī)器關(guān)節(jié)。精密減速器制造投資大、技術(shù)難度高，有很高的壁壘。也正因此，全球工業(yè)機(jī)器人減速器的市場(chǎng)高度集中，其中日本納博特斯克在RV減速器領(lǐng)域處于壟斷地位，日本哈默納科則在諧波減速器領(lǐng)域處壟斷地位，兩家合計(jì)占全球市場(chǎng)的75%左右，另外一家日本廠商住友則占據(jù)了10%。圖2-15和2-16分別為RV減速器和諧波減速器。圖2-15RV減速器圖2-16諧波減速器2.3工業(yè)機(jī)器人的常用工具一、真空吸盤(pán)真空吸盤(pán)又稱(chēng)真空吊具及真空吸嘴，利用真空吸盤(pán)抓取制品是最廉價(jià)的一種方法。真空吸盤(pán)品種多樣，橡膠制成的吸盤(pán)可在高溫下進(jìn)行操作，由硅橡膠制成的吸盤(pán)非常適于抓住表面粗糙的制品；由聚氨酯制成的吸盤(pán)則很耐用。在實(shí)際生產(chǎn)中，如果要求吸盤(pán)具有耐油性，則可以考慮使用聚氨酯、丁腈橡膠或含乙烯基聚合物等材料來(lái)制造吸盤(pán)。為避免制品表面被劃傷，最好選擇由丁腈橡膠或硅橡膠制成的帶有波紋管的吸盤(pán)。圖2-17真空吸盤(pán)平直型真空吸盤(pán)的工作原理：首先將真空吸盤(pán)通過(guò)接管與真空設(shè)備接通，然后與待提升物如玻璃、紙張等接觸，起動(dòng)真空設(shè)備抽吸，使吸盤(pán)內(nèi)產(chǎn)生負(fù)氣壓，從而將待提升物吸牢，即可開(kāi)始搬送待提升物。當(dāng)待提升物搬送到目的地時(shí)，平穩(wěn)地充氣進(jìn)真空吸盤(pán)內(nèi)，使真空吸盤(pán)內(nèi)由負(fù)氣壓變成零氣壓或稍為正值的氣壓，真空吸盤(pán)就脫離待提升物，從而完成了提升搬送重物的任務(wù)。平直型真空吸盤(pán)的優(yōu)點(diǎn)有：1.易使用。不管被吸物體是什么材料做的，只要能密封，不漏氣，均能使用。電磁吸盤(pán)就不行，它只能用在鋼鐵等金屬性材質(zhì)上，其他材料的板材或者物體是不能被吸附的。2.無(wú)污染。真空吸盤(pán)特別環(huán)保，不會(huì)污染環(huán)境，沒(méi)有光、熱、電磁等產(chǎn)生。3.不傷工件。真空吸盤(pán)由于是橡膠材料所造，吸取或者放下工件時(shí)不會(huì)造成任何損傷。而掛鉤式吊具和鋼纜式吊具就不行。在一些行業(yè)，對(duì)工件表面的要求特別嚴(yán)格，只能用真空吸盤(pán)。4.成本低廉。真空吸盤(pán)的選型原則：1.被移送物體的質(zhì)量決定吸盤(pán)的大小和數(shù)量?？筛鶕?jù)被拾取物體的重量大小選用徑向尺寸大的吸盤(pán)或多個(gè)吸盤(pán)組合使用。2.由被移送物體的形狀和表面狀態(tài)來(lái)選定吸盤(pán)的種類(lèi)。3.由工作環(huán)境（溫度）來(lái)選擇吸盤(pán)的材質(zhì)。4.由連接方式來(lái)選擇吸盤(pán)、接頭、緩沖連接器。5.根據(jù)被移送物體的高低和緩沖距離選擇吸盤(pán)的尺寸和移動(dòng)范圍。二、焊槍焊槍是利用焊機(jī)的高電流、高電壓產(chǎn)生的熱量聚集在焊槍終端使焊絲熔化。融化的焊絲滲透到需焊接的部位，冷卻后被焊接的物體牢固地連接成