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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 46 頁(yè) 共 46 頁(yè)
1 緒論
1.1 選題背景
機(jī)械手是在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)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(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置。近年來(lái)，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(lái)的一門(mén)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)械手越來(lái)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)[1]。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(xiāo)對(duì)路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要。而目前我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)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(kāi)發(fā)直接影響到我國(guó)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。
1.2 設(shè)計(jì)目的
本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)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(zhuān)業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實(shí)踐動(dòng)手能力以及專(zhuān)業(yè)精神和態(tài)度，具有較強(qiáng)的針對(duì)性和明確的實(shí)施目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)理論和實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。
本機(jī)械手主要與數(shù)控車(chē)床（數(shù)控銑床，加工中心等）組合最終形成生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程（上料、加工、下料）的自動(dòng)化、無(wú)人化。目前，我國(guó)的制造業(yè)正在迅速發(fā)
展，越來(lái)越多的資金流向制造業(yè)，越來(lái)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(chē)間，滿足數(shù)控機(jī)床以及加工中心的加工過(guò)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。
1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢(shì)
目前，在國(guó)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(shì)如下[2]：
(1) 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(cè)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)。
(2) 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開(kāi)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(jiàn)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。
(3) 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(jué)、力覺(jué)等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)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)。
(4) 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(jué)、力覺(jué)等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)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)。
(5) 焊接、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(lái)說(shuō)，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(duì)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(jiǎn)潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場(chǎng)化、模塊化的元件。
1.4 設(shè)計(jì)原則
這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原則是：以任務(wù)書(shū)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礎(chǔ)上，盡可能的使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guò)本次設(shè)計(jì)對(duì)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)。
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)械手總體結(jié)構(gòu)的類(lèi)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[3]。
(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(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1(a)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（μm級(jí)）。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間相對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)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(lèi)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(zhǎng)方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)器人有懸臂式，龍門(mén)式，天車(chē)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(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1(b)。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡(jiǎn)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(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1(c)。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(lèi)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。相對(duì)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(lèi)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) 直角坐標(biāo)型 (b) 圓柱坐標(biāo)型 (c) 球坐標(biāo)型 (d) 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
圖2-2 機(jī)械手工作布局圖
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(zhǎng)度達(dá)500MM，同時(shí)考慮到數(shù)控機(jī)床布局的具體形式及對(duì)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(jiǎn)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(jiǎn)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(duì)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[4]。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(duì)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)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(lái)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。
2.2.2 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(guò)減速機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，要么是通過(guò)擺動(dòng)液壓缸或液壓馬達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)，目前的趨勢(shì)是用前者。因?yàn)殡妱?dòng)方式控制的精度能夠很高，而且結(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。考慮到腰座是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對(duì)機(jī)械手的最終精度影響大，故采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[5]。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)辇X輪傳動(dòng)存在著齒側(cè)間隙，影響傳動(dòng)精度，故采用一級(jí)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，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)[6]。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(jiǎn)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(zhǎng)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(méi)有考慮機(jī)器人手腕的空間姿態(tài)要求，如果對(duì)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(méi)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(guó)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(wèn)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，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(duì)其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡，這對(duì)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[7]。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(lái)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(lái)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(kāi)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)以及電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠來(lái)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(duì)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(guò)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(jiǎn)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)榭刂坪途唧w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(guò)增大液壓缸的缸徑來(lái)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(guò)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(wèn)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)[8]。機(jī)器人手腕是機(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(lái)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(duì)對(duì)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(lái)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(wèn)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(jiǎn)單的方案[9]。
(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，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(kāi)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(guò)對(duì)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(duì)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(jiǎn)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(lái)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(jiàn)圖2-4。
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(lái)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(lèi)很多，以適應(yīng)機(jī)器人的不同作業(yè)及操作要求[10]。末端執(zhí)行器可分為搬運(yùn)用、加工用和測(cè)量用等。
搬運(yùn)用末端執(zhí)行器是指各種夾持裝置，用來(lái)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(lái)進(jìn)行相應(yīng)的加工作業(yè)。
測(cè)量用末端執(zhí)行器是裝有測(cè)量頭或傳感器的附加裝置，用來(lái)進(jìn)行測(cè)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(wèn)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(lái)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)器人新的應(yīng)用場(chǎng)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(wàn)能性與專(zhuān)用性是矛盾的。萬(wàn)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(wàn)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(jiǎn)單、萬(wàn)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(kāi)發(fā)各種專(zhuān)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)萬(wàn)能的末端執(zhí)行器去完成多種作業(yè)。因?yàn)檫@種萬(wàn)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(wàn)能性是兩個(gè)概念，萬(wàn)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)）[11]。
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)方式，可分為回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型，按夾持方式來(lái)分，有外夾式和內(nèi)撐式兩種[12]。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(lái)控制手爪的運(yùn)動(dòng)方向，用氣流調(diào)節(jié)閥來(lái)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)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(lái)實(shí)現(xiàn)手爪的松、開(kāi)，來(lái)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(guò)銷(xiāo)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(kāi)。這種手爪開(kāi)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(guò)活塞推動(dòng)齒條，齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開(kāi)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[13]。
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(guò)活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條使手指張開(kāi)或閉合。手指的最小開(kāi)度由加工工件的直徑來(lái)調(diào)定。本設(shè)計(jì)按照工件的直徑為50mm來(lái)設(shè)計(jì)。手爪的具體結(jié)構(gòu)形式如圖2-5所示：
圖2-5 手爪的結(jié)構(gòu)形式
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(wèn)題
機(jī)器人是由多級(jí)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)[14]。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(guò)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(lèi)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(wèn)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)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，盡可能提高加速能力。
(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[15]。
2.6.2 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(wèn)題
(a) 齒輪傳動(dòng)形式及其傳動(dòng)比的最佳匹配選擇。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(lái)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。
(b) 各級(jí)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(duì)各級(jí)傳動(dòng)比進(jìn)行合理的分配，原則如下：
(c) 輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則[16]。為了提高齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度，各級(jí)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(duì)輸出轉(zhuǎn)角精度的影響。設(shè)齒輪傳動(dòng)中各級(jí)齒輪的轉(zhuǎn)角誤差換算到末級(jí)輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為，則
（2-1）
式中：-----第個(gè)齒輪所具有的轉(zhuǎn)角誤差；
-----第個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)軸至n級(jí)輸出軸的傳動(dòng)比。
則四級(jí)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的各級(jí)齒輪的轉(zhuǎn)角誤差（、、...、）換算到末級(jí)輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為
（2-2）
由此可知總轉(zhuǎn)角誤差主要取決于最末級(jí)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(jí)的傳動(dòng)比應(yīng)取大一些，并盡量提高其加工精度。
(d) 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(jí)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)：
(a) 對(duì)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)慣量和總轉(zhuǎn)角誤差最小的原則來(lái)處理。
(b) 對(duì)于變負(fù)載的傳動(dòng)齒輪系統(tǒng)的各級(jí)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)。
(c) 對(duì)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(duì)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(kāi)始幾級(jí)就增速，并且要求每級(jí)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。
(d) 對(duì)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(duì)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)
諧波齒輪傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)錯(cuò)齒來(lái)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(lái)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€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)龋挥幸詡鬟f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?jìng)鲃?dòng)分為普通絲杠（滑動(dòng)摩擦）和滾珠絲杠（滾動(dòng)摩擦），前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guò)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(zhǎng)；而且同步性好，使用可靠、潤(rùn)滑簡(jiǎn)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[17]。在選用滾珠絲杠要考慮以下幾項(xiàng)指標(biāo)：
(a) 滾珠絲杠的精度等級(jí)；
(b) 滾珠絲杠的傳動(dòng)間隙允許值和預(yù)加載荷的期望值；
(c) 載荷條件（靜、動(dòng)載荷）以及載荷允許值；
(d) 滾珠絲杠的工作壽命；
(e) 滾珠絲杠的臨界轉(zhuǎn)速；
(f) 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(guò)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(guò)帶齒與輪齒作嚙合傳動(dòng)。為保證帶和帶輪作無(wú)滑動(dòng)的同步傳動(dòng)，齒形帶采用了承載后無(wú)彈性變形的高強(qiáng)力材料，無(wú)彈性滑動(dòng)，以保證節(jié)距不變。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。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(wú)間隙傳動(dòng)、摩擦阻力大，無(wú)滑動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、運(yùn)行可靠、噪聲低，驅(qū)動(dòng)力矩大、壽命長(zhǎng)，鋼帶無(wú)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)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(lái)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(jiǎn)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。
2.6.3 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(jiǎn)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(lái)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(jí)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(lèi)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(lèi)。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)[18]。這三類(lèi)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)高、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。
(2) 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
具有速度快，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(lèi)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在機(jī)器人中被大量采用。這類(lèi)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(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。
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(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[19]。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(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。
液壓系統(tǒng)在機(jī)器人中所起的作用是通過(guò)電-液轉(zhuǎn)換元件把控制信號(hào)進(jìn)行功率放大，對(duì)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(lèi)。
(1) 程序控制機(jī)器人的液壓系統(tǒng)
這類(lèi)機(jī)器人屬非伺服控制的機(jī)器人，在只有簡(jiǎn)單搬運(yùn)作業(yè)功能的機(jī)器人中，常常采用簡(jiǎn)易的邏輯控制裝置或可編程控制器對(duì)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)有限點(diǎn)位的控制。這類(lèi)機(jī)器人的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要重視以下方面：
(a) 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。
(b) 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。
(c) 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)。
(d) 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?jī)?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，電-液脈沖閥等。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（RSA-Rotary 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)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)[20]。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(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。
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(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)；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?？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(chǎng)合下可采用氣動(dòng)邏輯元件組成控制裝置[21]。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(guò)濾器等。如果沒(méi)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)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(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。
(3) 氣動(dòng)閥 氣動(dòng)閥的種類(lèi)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(lèi)。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)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(duì)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(wú)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(guò)磁感應(yīng)，使在氣缸外面安裝的非接觸磁性接近開(kāi)關(guān)動(dòng)作發(fā)訊，進(jìn)行位置檢測(cè)。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。
(5) 制動(dòng)器 氣動(dòng)機(jī)器人的定位問(wèn)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(zhǎng)應(yīng)大于這個(gè)數(shù)值。對(duì)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(zhǎng)也要相應(yīng)縮短。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(kāi)關(guān)發(fā)訊。根據(jù)要求和條件，如果選用無(wú)接觸感應(yīng)式氣缸，其限位開(kāi)關(guān)是無(wú)接觸接近開(kāi)關(guān)，這種開(kāi)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(kāi)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(lái)，針對(duì)機(jī)器人，數(shù)控機(jī)床等自動(dòng)機(jī)械而開(kāi)發(fā)的各種類(lèi)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)系統(tǒng)中應(yīng)用的電動(dòng)機(jī)大致可分為如下類(lèi)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(cè)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(cè)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(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)40-60萬(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。
(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(lèi)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(hào)[22]。有關(guān)各類(lèi)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(jiàn)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，但低速輸出力矩不大，
轉(zhuǎn)子直徑小，慣量小
適用于對(duì)快速性要求嚴(yán)格而負(fù)載力矩不大的場(chǎng)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(wú)鐵損，效率高；換向性能好，壽命長(zhǎng)；負(fù)載波動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)速影響小，輸出力矩平穩(wěn)。
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2-1 續(xù)表
反應(yīng)步進(jìn)電機(jī)
將電脈沖信號(hào)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(wú)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(kāi)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(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
(2) 機(jī)器人電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)器
(a) 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。其電源電壓為固定不變值，由大功率三極管作為開(kāi)關(guān)元件，以固定的開(kāi)關(guān)頻率動(dòng)作，但其脈沖寬度可以隨電路控制而改變，改變了脈沖寬度也就可以改變加在電機(jī)電樞兩端的平均電壓，從而改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。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。末級(jí)采用大功率三極管構(gòu)成橋式開(kāi)關(guān)電路。
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)。目前已廣泛應(yīng)用于各類(lèi)數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人及其它機(jī)電一體化產(chǎn)品中用做直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。
(b) 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。
脈沖發(fā)生器可以按照起、制動(dòng)及調(diào)速要求改變頻率、以控制步進(jìn)電機(jī)。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)。它的作用是把脈沖發(fā)生器送來(lái)的一系列脈沖信號(hào)按照一定的循環(huán)規(guī)律依次分配給各繞組，以使步進(jìn)電機(jī)按著一定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)。
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)。目前功率放大器多采用高低壓驅(qū)動(dòng)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(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。高電壓加入的時(shí)間長(zhǎng)短由控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。
2.7.6 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。機(jī)械手腰部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要一定的定位控制精度，故采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)；因?yàn)椴捎靡簤簣?zhí)行缸來(lái)做水平手臂和垂直手臂，故大小臂均采用液壓驅(qū)動(dòng)；同時(shí)考慮隨著機(jī)床加工的工件的不同，水平手臂伸出長(zhǎng)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(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
而手爪的張開(kāi)和夾緊通過(guò)液壓柱塞缸活塞與中間齒輪和扇形齒輪配合來(lái)實(shí)現(xiàn)，即手爪在柱塞缸推力作用下通過(guò)活塞桿端部齒條、中間齒輪及扇形齒輪使手指張開(kāi)和閉合。
2.8 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[23]。關(guān)節(jié)機(jī)器人手臂一般都需要平衡裝置，以減小驅(qū)動(dòng)器的負(fù)荷，同時(shí)縮短啟動(dòng)時(shí)間。
2.8.1 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：
(1) 配重平衡機(jī)構(gòu)
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。一般在機(jī)器人手臂的不平衡力矩比較小的情況下采用這種平衡機(jī)構(gòu)。
(2) 彈簧平衡機(jī)構(gòu)
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。
(3) 活塞推桿平衡機(jī)構(gòu)
活塞式平衡系統(tǒng)有液壓和氣動(dòng)兩種：液壓平衡系統(tǒng)平衡力大，體積小，有一定的阻尼作用；氣動(dòng)平衡系統(tǒng)，具有很好的阻尼作用，但體積比較大?；钊狡胶庑枰鋫溆袑?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。用于配重平衡、彈簧平衡滿足不了工作要求的場(chǎng)合。
2.8.2 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。若實(shí)際工作中平衡結(jié)果不滿足，則設(shè)置彈簧平衡機(jī)構(gòu)進(jìn)行平衡。
3 理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)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(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)。二者的特點(diǎn)及適用場(chǎng)合見(jiàn)表3-1：
表3-1
名 稱
特 點(diǎn)
適 用 場(chǎng) 合
雙活塞桿液壓缸
雙向?qū)ΨQ
雙向工作的往復(fù)場(chǎng)合
單活塞桿液壓缸
有效工作面積大、
雙向不對(duì)稱
往返不對(duì)稱的直線運(yùn)動(dòng)，差動(dòng)連接可實(shí)現(xiàn)快進(jìn)
柱塞缸
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單
單向工作，靠重力或其它外力返回
擺動(dòng)缸
單葉片式小于360
雙葉片式小于180
小于360的擺動(dòng)；
小于180的擺動(dòng)
齒輪馬達(dá)
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜
高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)
葉片馬達(dá)
體積小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小
高速低轉(zhuǎn)矩、動(dòng)作靈敏的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)
擺線齒輪馬達(dá)
體積小、輸出轉(zhuǎn)局大
低速、小功率大轉(zhuǎn)矩的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)
軸向柱塞馬達(dá)
運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速范圍寬
大轉(zhuǎn)矩的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)
徑向柱塞馬達(dá)
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(yùn)動(dòng)
本設(shè)計(jì)因?yàn)闄C(jī)械手的形式為圓柱坐標(biāo)形式，具有3個(gè)自由度，一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)移動(dòng)自由度。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)。因此，機(jī)械手的水平手臂和垂直手臂都采用單活塞桿液壓缸，來(lái)實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)[24]。
3.1.2 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。
方向控制是用換向閥或是邏輯控制單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。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。對(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)。
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)。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(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)。
3.1.3 液壓源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)完全由液壓源來(lái)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(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。容積調(diào)速系統(tǒng)多用變量泵供油，用安全閥來(lái)限定系統(tǒng)的最高壓力。
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(jìn)入系統(tǒng)的油液根據(jù)要求，通過(guò)精濾油器再次過(guò)濾。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。根據(jù)液壓設(shè)備所處的環(huán)境及對(duì)溫升的要求，還要考慮加熱、冷卻等措施。
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。為了保證液壓油的潔凈，避免液壓油帶入污染物，故在油泵的入口安裝粗過(guò)濾器，而在油泵的出口安裝精過(guò)濾器對(duì)循環(huán)的液壓油進(jìn)行凈化。
3.1.4 繪制液壓系統(tǒng)圖
本機(jī)械手的液壓系統(tǒng)圖如圖3-1所示，
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)。
其中，泵由三相交流異步電動(dòng)機(jī)M拖動(dòng)；系統(tǒng)壓力由溢流閥V1調(diào)定；1DT的得失電決定了動(dòng)力源的投入與摘除。
考慮到手爪的工作要求輕緩抓取、迅速松開(kāi)，系統(tǒng)采用了節(jié)流效果不等的兩個(gè)單向節(jié)流閥。當(dāng)5DT得電時(shí)，工作液體經(jīng)由節(jié)流閥V5進(jìn)入柱塞缸，實(shí)現(xiàn)手爪的輕緩抓緊；當(dāng)6DT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)。
另外，由于機(jī)械手垂直升降缸在工作時(shí)其下降方向與負(fù)荷重力作用方向一致，下降時(shí)有使運(yùn)動(dòng)速度加快的趨勢(shì)，為使運(yùn)動(dòng)過(guò)程的平穩(wěn)，同時(shí)盡量減小沖擊、振動(dòng)，保證系統(tǒng)的安全性，采用V2構(gòu)成的平衡回路相升降油缸下腔提供一定的排油背壓，以平衡重力負(fù)載。
圖3-1 機(jī)械手的液壓系統(tǒng)原理圖
3.1.5 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)。壓力決定于外載荷，流量取決于液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度和結(jié)構(gòu)尺寸。
(1) 計(jì)算液壓缸的總機(jī)械載荷
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