工業(yè)機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、工業(yè)機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) -驅(qū)動(dòng)部分 目錄目錄一、工業(yè)機(jī)器人補(bǔ)充資料一、工業(yè)機(jī)器人補(bǔ)充資料二、工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)二、工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)三、工業(yè)機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三、工業(yè)機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一一 、工業(yè)機(jī)器人補(bǔ)充資料、工業(yè)機(jī)器人補(bǔ)充資料 1、自由度 2、精度：工業(yè)機(jī)器人精度是指定位精度和重復(fù)定位精度。定位精度是指機(jī)器人手部實(shí)際到達(dá)位置與目標(biāo)位置之間的差異。重復(fù)定位精度是指機(jī)器人重復(fù)定位其手部于同一目標(biāo)位置的能力，可以用標(biāo)準(zhǔn)偏差這個(gè)統(tǒng)計(jì)量來(lái)表示，它是衡量一列誤差值的密集度，如下圖示（a）重復(fù)定位精度的測(cè)量（b）合理定位精度，良好重復(fù)定位精度（c）良好定位精度，很差重復(fù)定位精度（d）很差定位精度，良好重復(fù)定位精

2、度 3、速度 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度是其主要參數(shù)之一，它反映了機(jī)器人的作業(yè)水平運(yùn)動(dòng)速度的快慢與它的驅(qū)動(dòng)方式、定位方式、抓取質(zhì)量大小和行程距離有關(guān)，作業(yè)機(jī)器人手部的運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍、生產(chǎn)過(guò)程的平穩(wěn)性和定位精度等要求來(lái)決定。 目前，工業(yè)機(jī)器人的最大直線運(yùn)行速度大部分為1000mm/s左右。最大回轉(zhuǎn)速度為120度/秒左右。 作為機(jī)器人規(guī)格參數(shù)的速度是指平均速度，實(shí)際使用速度可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。 4、承載能力 承載能力是指機(jī)器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大質(zhì)量。承載能力不僅決定于負(fù)載的質(zhì)量，而且還與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的速度和加速度大小和方向有關(guān)。為了安全起見(jiàn)，承載能力這一指標(biāo)是指高速運(yùn)行時(shí)的承載能力。

3、通常，承載能力不僅指負(fù)載，而且還包括機(jī)器人末端操作器的質(zhì)量。工業(yè)機(jī)器人的額定負(fù)載是指在規(guī)定范圍內(nèi)手腕機(jī)械接口處所能承受的最大負(fù)載允許值。二、工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方法二、工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方法液壓驅(qū)動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)氣壓驅(qū)動(dòng)氣壓驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng) 液壓驅(qū)動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng) 把油壓泵產(chǎn)生的工作油的壓力能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的裝置稱為液壓執(zhí)行器。在驅(qū)功液壓執(zhí)行器時(shí)，作為外圍設(shè)備，包括： (1)形成液壓的液壓泵； (2)供給工作油的導(dǎo)管； (3)控制工作油流動(dòng)的液壓控制閥； (4)控制控制閥的控制回路， 根據(jù)液壓執(zhí)行器輸出量的形式的不同，大致可以把它

4、們區(qū)分為作直線運(yùn)動(dòng)的油壓缸和作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的油壓馬達(dá)。 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 功率重量比高，低速時(shí)出力大（無(wú)論直線驅(qū)動(dòng)還是旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)）, 適合微處理器及電子控制，可用于極端惡劣的外部環(huán)境。 由于液壓系統(tǒng)中存在不可避免的泄漏、噪聲和低速不穩(wěn)定等問(wèn)題，以及功率單元非常笨重和昂貴，目前已不多使用它們。 現(xiàn)在大部分機(jī)器人是電動(dòng)的，當(dāng)然仍有許多工業(yè)機(jī)器人帶有液壓驅(qū)動(dòng)器。此外，對(duì)于一些需要巨大型機(jī)器人和民用服務(wù)機(jī)器人的特殊應(yīng)用場(chǎng)合，液壓驅(qū)動(dòng)器仍可能是合適的選擇。 氣壓驅(qū)動(dòng)氣壓驅(qū)動(dòng) 氣壓驅(qū)動(dòng)器在原理上與液壓驅(qū)動(dòng)器相同； 由于氣動(dòng)裝置的工作壓強(qiáng)低，和液壓系統(tǒng)相比，功率重量比低得多； 由于空氣的可壓縮性，在負(fù)載作用下會(huì)壓縮和

5、變形，控制氣缸的精確位置很難。因此氣動(dòng)裝置通常僅用于插入操作或1/2自由度關(guān)節(jié)上； 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全可靠，價(jià)格便宜；液壓驅(qū)動(dòng)與氣壓驅(qū)動(dòng)之對(duì)比液壓驅(qū)動(dòng)與氣壓驅(qū)動(dòng)之對(duì)比液壓驅(qū)動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng) 適于搬運(yùn)較重的物體 不適于高速移動(dòng) 適于確定高精度位置氣壓驅(qū)動(dòng)氣壓驅(qū)動(dòng) 適于搬運(yùn)較輕的物體 適于高速移動(dòng) 不適于確定高精度位置直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)1. 1. 直流電機(jī)工作原理直流電機(jī)工作原理直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)換向器將直流轉(zhuǎn)換成電樞繞組中的交流，從而使電樞產(chǎn)生一個(gè)恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩。T=BILr換向器換向器電刷電刷2. 2. 矩頻特性曲線：矩頻特性曲線：電流控制曲線和電壓控制曲電流控制曲線和電壓控制曲線。線。

6、3. 3. 直流電機(jī)的控制方式直流電機(jī)的控制方式 改變電壓或電流控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)距。其中，其中，K KE E為電為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，動(dòng)勢(shì)常數(shù)， K KT T為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。脈沖寬度調(diào)制脈沖寬度調(diào)制PWMPWM是利用脈寬調(diào)制器對(duì)大功率晶體管開(kāi)關(guān)放大器的開(kāi)關(guān)時(shí)間進(jìn)行控制，將直流電壓轉(zhuǎn)換成某一頻率的矩形波電壓，加到直流電機(jī)的電樞兩端，通過(guò)對(duì)矩形波脈沖寬度的控制，改變電樞兩端的平均電壓達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速方便（可無(wú)級(jí)調(diào)速），調(diào)速范圍寬，低速性能好（啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，啟動(dòng)電流?。?，運(yùn)行平穩(wěn)，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速容易控制。4. 4. 直流電機(jī)的特點(diǎn)直流電機(jī)的特點(diǎn) 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：換相器需經(jīng)常維護(hù)，電刷極易

7、磨損，必須經(jīng)常更換，噪音比交流電機(jī)大。交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)1. 工作原理工作原理2.2.矩頻特性曲線矩頻特性曲線 同步電機(jī)：同步電機(jī)：定子是永磁體，所謂同步是指轉(zhuǎn)子速度與定子磁場(chǎng)速度相同。異步電機(jī)：異步電機(jī)：轉(zhuǎn)子和定子上都有繞組，所謂異步是指轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)和定子間存在速度差（不是角度差）。 同步電機(jī)的特點(diǎn)：同步電機(jī)的特點(diǎn)：體積小。用途：要求響應(yīng)速度快的中等速度以下的工業(yè)機(jī)器人；機(jī)床領(lǐng)域。 伺服電機(jī)的精度由編碼器的精度決定。3.3.交流電機(jī)的特點(diǎn)交流電機(jī)的特點(diǎn) 改變定子繞組上的電壓或頻率，即電壓控制或頻率控制方式。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：無(wú)電刷和換向器，無(wú)產(chǎn)生火花的危險(xiǎn)；比直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜、價(jià)格高。

8、異步電機(jī)的特點(diǎn)：異步電機(jī)的特點(diǎn)：轉(zhuǎn)子慣量很小，響應(yīng)速度很快。用途：中等功率以上的伺服系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要用于開(kāi)環(huán)位置控制系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)：控制較容易，維修也較方便，而且控制為全數(shù)字化。缺點(diǎn)：由于開(kāi)環(huán)控制，所以精度不高。 永磁式PM（permanent magnet）；反應(yīng)式（也稱可變磁阻式）VR（variable reluctance），在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家80年代已被淘汰；混合式 HB（hybrid），混合式是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)，混合式步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。 是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。簡(jiǎn)單說(shuō)：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定

9、的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（即步進(jìn)角）?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 PMPM式步進(jìn)電機(jī)式步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子是永磁體，定子是繞組，在定子電磁鐵和轉(zhuǎn)子永磁體之間的排斥力和吸引力的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，步距角一般為o90o。 VRVR式步進(jìn)電機(jī)式步進(jìn)電機(jī)用齒輪狀的鐵心作轉(zhuǎn)子，定子是電磁鐵。在定子磁場(chǎng)中，轉(zhuǎn)子始終轉(zhuǎn)向磁阻最小的位置。步距角一般為o15o。 HBHB式步進(jìn)電機(jī)式步進(jìn)電機(jī)是PM式和VR式的復(fù)合形式。在永磁體轉(zhuǎn)子和電磁鐵定子的表面上加工出許多軸向齒槽，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的原理與PM式相同，轉(zhuǎn)子和定子的形狀與VR式

10、相似，步距角一般為o15o。2. 2. 運(yùn)行矩頻特性運(yùn)行矩頻特性3. 3. 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn) 控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，成本低；控制精度受步距角限制，高負(fù)載或高速度時(shí)易失步，低速運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生步進(jìn)運(yùn)行現(xiàn)象。 起動(dòng)曲線起動(dòng)曲線運(yùn)行曲線運(yùn)行曲線在這個(gè)輸出轉(zhuǎn)矩在這個(gè)輸出轉(zhuǎn)矩區(qū)間，步進(jìn)電機(jī)區(qū)間，步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的輸入脈啟動(dòng)時(shí)的輸入脈沖頻率必須緩慢沖頻率必須緩慢增加增加實(shí)現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制；克服了步進(jìn)電機(jī)失步的問(wèn)題；高速性能好，一般額定轉(zhuǎn)速能達(dá)到20003000轉(zhuǎn)；抗過(guò)載能力強(qiáng)，能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，對(duì)有瞬間負(fù)載波動(dòng)和要求快速起動(dòng)的場(chǎng)合特別適用；低速運(yùn)行平穩(wěn)，低速運(yùn)行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生

11、類(lèi)似于步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)運(yùn)行現(xiàn)象。適用于有高速響應(yīng)要求的場(chǎng)合；電機(jī)加減速的動(dòng)態(tài)相響應(yīng)間短，一般在幾十毫秒之內(nèi)；發(fā)熱和噪音明顯降低。 伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)比較伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)比較伺服電機(jī)的優(yōu)勢(shì)：伺服電機(jī)的優(yōu)勢(shì)：直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：不用齒輪減速器直接驅(qū)動(dòng)，因此具有無(wú)間隙、摩擦小、機(jī)械剛度高等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)高速、高精度的位置控制和微小力控制。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：因?yàn)闆](méi)有減速機(jī)構(gòu)，所以容易受載荷的影響。種類(lèi)：種類(lèi)：直流力矩電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)、VR式電機(jī)等。機(jī)器人對(duì)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求機(jī)器人對(duì)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求 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)短。響應(yīng)指令信號(hào)的時(shí)間愈

12、短，電伺服系統(tǒng)的靈敏性愈高，快速響應(yīng)性能愈好，一般是以伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)的大小來(lái)說(shuō)明伺服電動(dòng)機(jī)快速響應(yīng)的性能。 2、調(diào)速范圍寬，能使用于1：100010000的調(diào)速范圍。 3、體積小、質(zhì)量小、軸向尺寸短。 4、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。 5、能經(jīng)受得起苛刻的運(yùn)行條件，可進(jìn)行十分頻繁的正反向和加減速運(yùn)行，并能在短時(shí)間內(nèi)承受過(guò)載。 6、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩慣量比大，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。 驅(qū)動(dòng)方式的選擇驅(qū)動(dòng)方式的選擇 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器要求啟動(dòng)力矩大、調(diào)速范圍寬、慣量小 選擇驅(qū)動(dòng)

13、方式：負(fù)荷為2000N以下采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式 小功率點(diǎn)位控制采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式 大功率大力矩采用液壓驅(qū)動(dòng)方式選擇驅(qū)動(dòng)器容量：額定速度時(shí)的額定功率 關(guān)節(jié)加減速時(shí)加速功率 最不利形位時(shí)的負(fù)載力矩三、三、機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 1）常用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)類(lèi)型和特點(diǎn)(1) 齒輪類(lèi)傳動(dòng)：主要有齒輪、蝸輪蝸桿、齒輪齒條 優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)快、扭矩大、剛性好缺點(diǎn)：傳動(dòng)有間隙、故回差大，精度低 應(yīng)用：腰、腕關(guān)節(jié)(2) 鏈索類(lèi)傳動(dòng)：主要有鏈條、齒形帶、鋼帶優(yōu)點(diǎn)：無(wú)間隙、剛度與張緊裝置有關(guān)，力矩較大缺點(diǎn)：速比小，齒形帶和鋼帶適用于小負(fù)載應(yīng)用：腕關(guān)節(jié)2) 滾珠絲杠螺母副 使絲杠與螺母之間由滑動(dòng)摩擦度為滾動(dòng)摩擦的一種螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)在數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人中應(yīng)用較為廣泛。(1)結(jié)構(gòu)組成： 滾珠絲杠螺母副可分為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩種。為消除回差，螺母分成兩段，采用雙螺母預(yù)緊消除間隙的方式，以墊片、鎖緊螺母、齒差調(diào)整兩段螺母的相對(duì)位置。(2)特