機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、傳動(dòng)部件設(shè)計(jì)v，傳動(dòng)部件是構(gòu)成工業(yè)機(jī)器人的重要部件。 用戶要求機(jī)器人速度高、加速度(減速度)特性好、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、精度高、承載能力大。這在很大程度上決定于傳動(dòng)部件設(shè)計(jì)的合理性和優(yōu)劣，所以，關(guān)節(jié)傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)是工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。本節(jié)將介紹工業(yè)機(jī)器人傳動(dòng)部件的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)特點(diǎn)，以幫助設(shè)計(jì)者合理選用。v一、移動(dòng)關(guān)節(jié)導(dǎo)軌及轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)軸承:v(一)移動(dòng)關(guān)節(jié)導(dǎo)軌vl. 移動(dòng)關(guān)節(jié)導(dǎo)軌的目的是在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保證位置精度和導(dǎo)向，對(duì)機(jī)器人移動(dòng)導(dǎo)軌有如下幾點(diǎn)要求：v(1)間隙小或能消除間隙；v(2)在垂直于運(yùn)動(dòng)方向上的剛度高；v(3)摩擦系數(shù)低并不隨速度變化；v(4)高阻尼；v(5)移動(dòng)導(dǎo)軌和其輔助元件尺寸小、慣量低

2、。v(6)無(wú)低速爬行現(xiàn)象v 移動(dòng)關(guān)節(jié)導(dǎo)軌有五種：前兩種具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但是它必須留有間隙以便潤(rùn)滑，而機(jī)器人載荷的大小和方向變化很快，間隙的存在又將會(huì)引起坐標(biāo)位置的變化和有效載荷的變化；另外，這種導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)又隨著速度的變化而變化，在低速時(shí)，容易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象(速度時(shí)快時(shí)慢)等缺點(diǎn)。第三種靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生預(yù)載荷，能完全消除間隙，具有高剛度、低摩擦、高阻尼等優(yōu)點(diǎn)，但是它需要單獨(dú)的液壓系統(tǒng)和回收潤(rùn)滑油的機(jī)構(gòu)。v 最近，有人在靜壓潤(rùn)滑系統(tǒng)中采用了高粘度的潤(rùn)滑劑(如油脂)，并已用到機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)中。第四種氣浮導(dǎo)軌是不需回收潤(rùn)滑油的，但是它的剛度和阻尼較低，并且對(duì)制造精度和環(huán)境的空氣條件(

3、過(guò)濾和干燥)要求較高，不過(guò)由于其摩擦系數(shù)低(大約為0.0001)，估計(jì)將來(lái)是會(huì)采用的。而目前，第五種滾動(dòng)導(dǎo)軌在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用最為廣泛，因?yàn)樗哂泻芏鄡?yōu)點(diǎn)：摩擦小，特別是不隨速度變化，尺寸小，剛度高，承載能力大；精度和精度保持性高,潤(rùn)滑簡(jiǎn)單；容易制造成標(biāo)準(zhǔn)件，滾動(dòng)導(dǎo)軌易加預(yù)載，消除間隙、增加剛度。v但是，滾動(dòng)導(dǎo)軌用在機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)中也存在著缺點(diǎn)：阻尼低，對(duì)臟物比較敏感。直線導(dǎo)軌滾珠絲杠v(二)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)軸承v 球軸承是機(jī)器人和機(jī)械手結(jié)構(gòu)中最常用的軸承。它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 (a)為普通向心球軸承；圖 (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

4、有兩點(diǎn)接觸(一點(diǎn)與內(nèi)滾道，另一點(diǎn)與外滾道)。為了預(yù)載，此種軸承必須成對(duì)使用。圖(c)為球軸承。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，此種軸承的優(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，缺點(diǎn)，是價(jià)格較高。v二、傳動(dòng)件的定位及消隙v (一)傳動(dòng)件的定位 工業(yè)機(jī)器人的重復(fù)定位精度要求較高，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體要求選擇適當(dāng)?shù)亩ㄎ环椒?。目前常用的定位方法有電氣開(kāi)關(guān)定位、機(jī)械擋塊定位和伺服定位。v l.電氣開(kāi)關(guān)定位v 電氣開(kāi)關(guān)定位是利用電氣開(kāi)關(guān)(有觸點(diǎn)或無(wú)觸點(diǎn))作行程檢測(cè)元件，當(dāng)機(jī)械手運(yùn)行到定位點(diǎn)時(shí)，行

5、程開(kāi)關(guān)發(fā)信號(hào)，從而使機(jī)械手獲得定位。液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手運(yùn)行至定位點(diǎn)時(shí)，行程開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)，電控系統(tǒng)使電磁換向閥關(guān)閉油路而實(shí)現(xiàn)定位。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手需要定位時(shí)，行程開(kāi)關(guān)發(fā)信號(hào)，電氣系統(tǒng)激勵(lì)電磁制動(dòng)器進(jìn)行制動(dòng)而定位。使用電氣開(kāi)關(guān)定位的機(jī)械手，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、維修方便，但由于受慣性力、油溫波動(dòng)和電控系統(tǒng)誤差等因素的影響，重復(fù)定位精度比較低，一般為土(35)mm。v2.機(jī)械擋塊定位v 機(jī)械擋塊定位是在行程終點(diǎn)設(shè)置機(jī)械擋塊，當(dāng)機(jī)械手減速運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)時(shí)，緊靠擋塊而定位，若定位，定位時(shí)驅(qū)動(dòng)壓力未撤除，在驅(qū)動(dòng)壓力下將運(yùn)動(dòng)件壓在機(jī)械擋塊上，或驅(qū)動(dòng)壓力將活塞壓靠在缸蓋上就能達(dá)到較高的定位精度，最高可達(dá)士0.02

6、mm。若定位時(shí)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)油路、去掉驅(qū)動(dòng)壓力，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)件不能緊靠在機(jī)械擋塊上，定位精度就會(huì)減低，其減低的程度與定位前的緩沖效果和機(jī)械手的結(jié)構(gòu)剛性等因素有關(guān)。v3.伺服定位系統(tǒng)v 電氣開(kāi)關(guān)定位與機(jī)械擋塊定位這兩種定位方法只適用于兩點(diǎn)或多點(diǎn)定位。而在任意點(diǎn)定位時(shí)，要使用伺服定位系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)可以輸入指令控制位移的變化，從而獲得良好的運(yùn)動(dòng)特性。它不僅適用于點(diǎn)位控制，而且也適用于連續(xù)軌跡控制。v 開(kāi)環(huán)伺服定位系統(tǒng)沒(méi)有行程檢測(cè)及反饋，是一種直接用脈沖頻率變化和脈沖數(shù)控制機(jī)器人速度和位移的定位方式。這種定位方式抗干擾能力差，定位精度較低。如果需要較高的定位精度(如士0.2mm)，則一定要降低機(jī)器人關(guān)節(jié)軸的平

7、均速度。v 閉環(huán)伺服定位系統(tǒng)具有反饋環(huán)節(jié)，其抗干擾能力強(qiáng)，反應(yīng)速度快，容易實(shí)現(xiàn)任意點(diǎn)定位。圖是齒條齒輪反饋式電-液閉環(huán)伺服系統(tǒng)方框圖。齒輪齒條將位移量反饋到電位器上，達(dá)到給定脈沖時(shí)，馬達(dá)及電位器觸頭停止運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)械手獲得準(zhǔn)確定位。v(二)傳動(dòng)件的消隙v傳動(dòng)的間隙，影響了機(jī)器人的重復(fù)定位精度和平穩(wěn)性。對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，傳動(dòng)間隙導(dǎo)致顯著的非線性變化、振動(dòng)和不穩(wěn)定。但是，其產(chǎn)生的主要原因有：由于制造及裝配誤差所產(chǎn)生的間隙；為適應(yīng)熱膨脹而特意留出的間隙。消除傳動(dòng)間隙的主要途徑有：1）提高制造和裝配精度；2）設(shè)計(jì)可調(diào)整傳動(dòng)間隙的機(jī)構(gòu)；3）設(shè)置彈性補(bǔ)償零件。v三、諧波傳動(dòng)v電動(dòng)機(jī)是高轉(zhuǎn)速、低力矩的驅(qū)動(dòng)器

8、,在機(jī)器人中要用減速器變成低轉(zhuǎn)速、高力矩的驅(qū)動(dòng)器。機(jī)器人對(duì)減速器的要求下 ：v(1)運(yùn)動(dòng)精度高，間隙小，以實(shí)現(xiàn)較高的重復(fù)定位精度；v(2)回轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定，無(wú)波動(dòng)，運(yùn)動(dòng)副間摩擦小,效率高v(3)體積小，重量輕，傳動(dòng)扭矩大。v在工業(yè)機(jī)器人中，比較合乎要求且常用的減速器是行星齒輪機(jī)構(gòu)和諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。行星齒輪傳動(dòng)尺寸小，慣量低；一級(jí)傳動(dòng)比大，結(jié)構(gòu)緊湊，載荷分布在若干個(gè)行星齒輪上，內(nèi)齒輪也具有較高的承載能力。v諧波傳動(dòng)在運(yùn)動(dòng)學(xué)上是一種具有柔性齒圈的行星傳動(dòng)。但是，它在機(jī)器人上獲得比行星齒更廣泛的應(yīng)用。圖所示是諧波傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。由于諧波發(fā)生器的轉(zhuǎn)動(dòng)使柔輪上的齒與圓形花鍵輪(剛輪)1上的齒2相啃合。輸入軸為

9、3，如果剛輪1固定；則軸為輸出軸，如果軸5固定，則軸1為輸出軸。v例有一諧波齒輪傳動(dòng)，剛輪齒數(shù)為200，柔輪齒數(shù)為l98，剛輪固定，柔輪輸出，求該諧波傳動(dòng)的傳動(dòng)比。v解剛輪固定，柔輪輸出，速比為v負(fù)號(hào)表示柔輪輸出轉(zhuǎn)向與發(fā)生器轉(zhuǎn)向相反。v例有一諧波齒輪傳動(dòng),剛輪齒數(shù)為200，柔輪齒數(shù)為197，柔輪固定，剛輪輸出，求該皆波傳動(dòng)的傳動(dòng)比v解柔輪固定，剛輪輸出，速比為vv正號(hào)表示剛輪輸出轉(zhuǎn)向與發(fā)生器轉(zhuǎn)向相同v諧波傳動(dòng)的速比imin=60，imax=300，傳動(dòng)效率高達(dá)80%90%，如果在柔輪和剛輪之間能夠多齒嚙合，比如任何時(shí)刻有10%30%的齒同時(shí)啃合，那么可以大大提高諧波傳動(dòng)的承載能力。v諧波傳動(dòng)的

10、優(yōu)點(diǎn)是：尺寸小、慣量低，因?yàn)檎`差均布在多個(gè)啃合點(diǎn)上，傳動(dòng)精度高，因?yàn)轭A(yù)載嚙合，傳動(dòng)側(cè)隙非常小，因?yàn)槎帻X嚙合，傳動(dòng)具有高阻尼特性。v諧波傳動(dòng)的缺點(diǎn)是：柔輪的疲勞問(wèn)題；扭轉(zhuǎn)剛度低，以輸入軸速度2、4、6倍的頻率產(chǎn)生振動(dòng)；諧波傳動(dòng)與行星傳動(dòng)相比具有較小的傳動(dòng)間隙和較輕的重量，但是剛度比行星減速器差。v四、絲杠螺母副及滾珠絲枉傳動(dòng)v傳動(dòng)部件是把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)的重要傳動(dòng)部件。由于絲杠螺母機(jī)構(gòu)量是連續(xù)的面接觸，傳動(dòng)中不會(huì)產(chǎn)生沖擊，傳動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)噪聲，并且能自鎖。因絲杠的螺旋升角較量小，所以用較小的驅(qū)動(dòng)力矩，可獲得較大的牽引力。但是，絲杠螺母的螺旋面之間的摩擦為滑動(dòng)摩擦，故傳動(dòng)效率低。滾珠絲杠傳動(dòng)效率

11、高而且傳動(dòng)精度和定位精度均很高，在傳動(dòng)時(shí)靈敏度和平穩(wěn)性亦很好；由于磨損小，使用壽命比較長(zhǎng)但絲杠及螺母的材料，熱處理和加工工藝要求很高，故成本較高，不能自鎖v五、其它傳動(dòng)v 工業(yè)機(jī)器人中常用的傳動(dòng)除諧波傳動(dòng)和絲杠傳動(dòng)外，還有其它傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，下面介紹幾種常用的機(jī)構(gòu)：v1.活塞缸和齒輪齒條機(jī)構(gòu)v齒輪齒條機(jī)構(gòu)是通過(guò)齒條的往復(fù)移動(dòng)，帶動(dòng)與手臂連接的齒輪作往復(fù)回轉(zhuǎn)，即實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。帶動(dòng)齒條往復(fù)移動(dòng)的活塞缸可以由壓力油或壓縮空氣驅(qū)動(dòng)。v 2.鏈傳動(dòng)、皮帶傳動(dòng)、繩傳動(dòng)v 它們常用在機(jī)器人采用遠(yuǎn)距離傳動(dòng)的場(chǎng)合。鏈傳動(dòng)具有高的載荷/重量比。v 與鏈傳動(dòng)相比重量輕，傳動(dòng)均勻，平穩(wěn)。v。繩傳動(dòng)廣泛應(yīng)用于機(jī)器人的手爪開(kāi)合傳動(dòng)上,特別適合有限行程的運(yùn)動(dòng)傳遞。v繩傳動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是：鋼絲繩強(qiáng)度大；各方向上的柔軟性好，當(dāng)機(jī)器人形位連續(xù)變化時(shí)，繩傳動(dòng)能夠容易地實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)；尺寸?。活A(yù)載后有可能消除傳動(dòng)間隙。v繩傳動(dòng)的主要缺點(diǎn)是：不加預(yù)載時(shí)存在傳動(dòng)間隙，因?yàn)槔K索的蠕變和索夾的松弛而使傳動(dòng)不穩(wěn)定F多層纏繞后，在內(nèi)層繩索中及支承損耗能量，效率低；易積塵垢。v3.鋼帶傳動(dòng)v它是把鋼帶