机器人传动系统设计

传动部件设计，传动部件是构成工业机器人的重要部件。用户要求机器人速度高、加速度(减速度)特性好、运动平稳、精度高、承载能力大。这在很大程度上决定于传动部件设计的合理性和优劣，所以，关节传动部件的设计是工业机器人设计的关键之一。本节将介绍工业机器人传动部件的结构和设计特点，以帮助设计者合理选用。一、移动关节导轨及转动关节轴承:(一)移动关节导轨l.移动关节导轨的目的是在运动过程中保证位置精度和导向，对机器人移动导轨有如下几点要求：(1)间隙小或能消除间隙；(2)在垂直于运动方向上的刚度高；(3)摩擦系数低并不随速度变化；(4)高阻尼；(5)移动导轨和其辅助元件尺寸小、惯量低。(6)无低速爬行现象移动关节导轨有五种：普通滑动导轨、液压动压滑动导轨、液压静压滑动导轨、气浮导轨和滚动导轨。前两种具有结构简单、成本低的优点，但是它必须留有间隙以便润滑，而机器人载荷的大小和方向变化很快，间隙的存在又将会引起坐标位置的变化和有效载荷的变化；另外，这种导轨的摩擦系数又随着速度的变化而变化，在低速时，容易产生爬行现象(速度时快时慢)等缺点。第三种静压导轨结构能产生预载荷，能完全消除间隙，具有高刚度、低摩擦、高阻尼等优点，但是它需要单独的液压系统和回收润滑油的机构。最近，有人在静压润滑系统中采用了高粘度的润滑剂(如油脂)，并已用到机器人的机械系统中。第四种气浮导轨是不需回收润滑油的，但是它的刚度和阻尼较低，并且对制造精度和环境的空气条件(过滤和干燥)要求较高，不过由于其摩擦系数低(大约为0.0001)，估计将来是会采用的（三坐标测量机）。而目前，第五种滚动导轨在工业机器人中应用最为广泛，因为它具有很多优点：①摩擦小，特别是不随速度变化，②尺寸小，③刚度高，承载能力大；④精度和精度保持性高,⑤润滑简单；⑥容易制造成标准件，⑦滚动导轨易加预载，消除间隙、增加刚度。但是，滚动导轨用在机器人机械系统中也存在着缺点：①阻尼低，②对脏物比较敏感。直线导轨滚珠丝杠(二)转动关节轴承球轴承是机器人和机械手结构中最常用的轴承。它能承受径向和轴向载荷，摩擦较小，对轴和轴承座的刚度不敏感。图(a)为普通向心球轴承；图(b)为向心推力球轴承。这两种轴承的每个球和滚道之间只有两点接触(一点与内滚道，另一点与外滚道)。为了预载，此种轴承必须成对使用。图(c)为“四点接触”球轴承。该轴承的滚道是尖拱式半圆，球与每个滚道两点接触，该轴承通过两内滚道之间适当的过盈量实现预紧。因此，此种轴承的优点是无间隙，能承受双向轴向载荷，尺寸小，承载能力和刚度比同样大小的一般球轴承高1.5倍，缺点，是价格较高。二、传动件的定位及消隙(一)传动件的定位工业机器人的重复定位精度要求较高，设计时应根据具体要求选择适当的定位方法。目前常用的定位方法有电气开关定位、机械挡块定位和伺服定位。l.电气开关定位电气开关定位是利用电气开关(有触点或无触点)作行程检测元件，当机械手运行到定位点时，行程开关发信号切断动力源或接通制动器，从而使机械手获得定位。液压驱动的机械手运行至定位点时，行程开关发出信号，电控系统使电磁换向阀关闭油路而实现定位。电动机驱动的机械手需要定位时，行程开关发信号，电气系统激励电磁制动器进行制动而定位。使用电气开关定位的机械手，其结构简单、工作可靠、维修方便，但由于受惯性力、油温波动和电控系统误差等因素的影响，重复定位精度比较低，一般为土(3~5)mm。2.机械挡块定位机械挡块定位是在行程终点设置机械挡块，当机械手减速运动到终点时，紧靠挡块而定位，若定位前缓冲较好，定位时驱动压力未撤除，在驱动压力下将运动件压在机械挡块上，或驱动压力将活塞压靠在缸盖上就能达到较高的定位精度，最高可达士0.02mm。若定位时关闭驱动油路、去掉驱动压力，机械手运动件不能紧靠在机械挡块上，定位精度就会减低，其减低的程度与定位前的缓冲效果和机械手的结构刚性等因素有关。3.伺服定位系统电气开关定位与机械挡块定位这两种定位方法只适用于两点或多点定位。而在任意点定位时，要使用伺服定位系统。伺服系统可以输入指令控制位移的变化，从而获得良好的运动特性。它不仅适用于点位控制，而且也适用于连续轨迹控制。开环伺服定位系统没有行程检测及反馈，是一种直接用脉冲频率变化和脉冲数控制机器人速度和位移的定位方式。这种定位方式抗干扰能力差，定位精度较低。如果需要较高的定位精度(如士0.2mm)，则一定要降低机器人关节轴的平均速度。闭环伺服定位系统具有反馈环节，其抗干扰能力强，反应速度快，容易实现任意点定位。图是齿条齿轮反馈式电-液闭环伺服系统方框图。齿轮齿条将位移量反馈到电位器上，达到给定脉冲时，马达及电位器触头停止运转，机械手获得准确定位。(二)传动件的消隙传动的间隙，影响了机器人的重复定位精度和平稳性。对机器人控制系统来说，传动间隙导致显著的非线性变化、振动和不稳定。但是，传动间隙是不可避免的，其产生的主要原因有：由于制造及装配误差所产生的间隙；为适应热膨胀而特意留出的间隙。消除传动间隙的主要途径有：1）提高制造和装配精度；2）设计可调整传动间隙的机构；3）设置弹性补偿零件。三、谐波传动电动机是高转速、低力矩的驱动器,在机器人中要用减速器变成低转速、高力矩的驱动器。机器人对减速器的要求下：(1)运动精度高，间隙小，以实现较高的重复定位精度；(2)回转速度稳定，无波动，运动副间摩擦小,效率高(3)体积小，重量轻，传动扭矩大。在工业机器人中，比较合乎要求且常用的减速器是行星齿轮机构和谐波传动机构。行星齿轮传动尺寸小，惯量低；一级传动比大，结构紧凑，载荷分布在若干个行星齿轮上，内齿轮也具有较高的承载能力。谐波传动在运动学上是一种具有柔性齿圈的行星传动。但是，它在机器人上获得比行星齿更广泛的应用。图所示是谐波传动的结构简图。由于谐波发生器４的转动使柔轮６上的齿７与圆形花键轮(刚轮)1上的齿2相啃合。输入轴为3，如果刚轮1固定；则轴５为输出轴，如果轴5固定，则轴1为输出轴。例有一谐波齿轮传动，刚轮齿数为200，柔轮齿数为l98，刚轮固定，柔轮输出，求该谐波传动的传动比。解刚轮固定，柔轮输出，速比为负号表示柔轮输出转向与发生器转向相反。例有一谐波齿轮传动,刚轮齿数为200，柔轮齿数为197，柔轮固定，刚轮输出，求该皆波传动的传动比解柔轮固定，刚轮输出，速比为正号表示刚轮输出转向与发生器转向相同．谐波传动的速比imin=60，imax=300，传动效率高达80%~90%，如果在柔轮和刚轮之间能够多齿啮合，比如任何时刻有10%~30%的齿同时啃合，那么可以大大提高谐波传动的承载能力。谐波传动的优点是：①尺寸小、惯量低，②因为误差均布在多个啃合点上，传动精度高，③因为预载啮合，传动侧隙非常小，④因为多齿啮合，传动具有高阻尼特性。谐波传动的缺点是：①柔轮的疲劳问题；②扭转刚度低，③以输入轴速度2、4、6倍的频率产生振动；④谐波传动与行星传动相比具有较小的传动间隙和较轻的重量，但是刚度比行星减速器差。四、丝杠螺母副及滚珠丝枉传动丝杠螺母副传动部件是把回转运动变换为直线运动的重要传动部件。由于丝杠螺母机构量是连续的面接触，传动中不会产生冲击，传动平稳，无噪声，并且能自锁。因丝杠的螺旋升角较量小，所以用较小的驱动力矩，可获得较大的牵引力。但是，丝杠螺母的螺旋面之间的摩擦为滑动摩擦，故传动效率低。滚珠丝杠传动效率高．而且传动精度和定位精度均很高，在传动时灵敏度和平稳性亦很好；由于磨损小，使用寿命比较长．但丝杠及螺母的材料，热处理和加工工艺要求很高，故成本较高，不能自锁．五、其它传动工业机器人中常用的传动除谐波传动和丝杠传动外，还有其它传动机构，下面介绍几种常用的机构：1.活塞缸和齿轮齿条机构齿轮齿条机构是通过齿条的往复移动，带动与手臂连接的齿轮作往复回转，即实现手臂的回转运动。带动齿条往复移动的活塞缸可以由压力油或压缩空气驱动。2.链传动、皮带传动、绳传动它们常用在机器人采用远距离传动的场合。链传动具有高的载荷/重量比。同步皮带传动与链传动相比重量轻，传动均匀，平稳。。绳传动广泛应用于机器人的手爪开合传动上,特别适合有限行程的运动传递。绳传动的主要优点是：①钢丝绳强度大；②各方向上的柔软性好，当机器人形位连续变化时，绳传动能够容易地实现传动；③尺寸小；④预载后有可能消除传动间隙。绳传动的主要缺点是：①不加预载时存在传动间隙，②因为绳索的蠕变和索夹的松弛而使传动不稳定F③多层缠绕后，在内层绳索中及支承损耗能量，效率低；④易积尘垢。3.钢带传动它是把钢带末端紧固在驱动轮和被驱动轮上，因此，摩擦力不是传动的重要要素。它适合于有限行程的传动。图(a)适合于等传动比，图(c)适合于变化的传动比。图(b)、(d)是一种直线传动，而图(a)、(c)是一种回转传动。钢带传动已成功应用在Adept机器人上，进行1：1速比的直接驱动。钢带传动的优点是：①传动比精确，②传动件质量小，惯量小，③传动参数稳定自④柔性好，⑤不需润滑；⑥强度高。