第3章3.6-机器人传动系统

2020/10/30工业机器人基础12020/10/301.1工业机器人的基本概念第3章机器人的机械结构系统3.1概述3.2机器人机身及臂部结构3.3机器人腕部结构3.4机器人手部结构3.5机器人行走结构3.6机器人传动系统22020/10/301.1工业机器人的基本概念3.6机器人传动系统3调速。工作单元往往和驱动器速度不一致，利用传动机构达到改变输出速度的目的。调转矩。调整驱动器的转矩使其适合工作单元使用。改变运动形式。驱动器的输出轴一般是等速回转运动，而工作单元要求的运动形式则是多种多样的，如直线运动、螺旋运动等，靠传动机构实现运动形式的改变。动力和运动的传递和分配。用一台驱动器带动若干个不同速度、不同负载的工作单元。功用机器人传动系统，是将驱动器输出的运动和动力传送到工作单元的一种装置。2020/10/301.1工业机器人的基本概念3.6机器人传动系统4机械传动流体(液体、气体)传动电气传动传动类型：齿轮传动•齿轮链、谐波减速器、RV减速器、齿轮齿条丝杠传动•普通丝杠、滚珠丝杠连杆传动带传动、链传动。。。。。。。。。等等传动形式：2020/10/301.1工业机器人的基本概念3.6机器人传动系统53.6.1一个永磁直流电动机在额定电压下，其空载转速不低于5000r/min；假设直接跟直径为7.5cm的车轮连接，则其空转速度是：（5000×0.075×3.14）/60=19.6m/s，适合于“机器人竞速比赛”，但不适合“机器人擂台比赛”。减速•选择功率小、转速慢的电动机•降低提供给电动机的电压减速，但同时要增大电动机输出的转矩，使用齿轮传动电动机的转速与机器人的速度2020/10/301.1工业机器人的基本概念3.6机器人传动系统63.6.11.齿轮链由两个或两个以上的齿轮组成的传动机构，它不但可以传递运动角位移和角速度，而且可以传递力和力矩。旋转旋转2020/10/301.1工业机器人的基本概念3.6机器人传动系统7齿轮传动平面齿轮传动(圆柱齿轮传动)传递平行轴间的运动空间齿轮传动传递相交轴或交错轴间的运动齿轮传动直齿圆柱齿轮传动(轮齿与轴平行)斜齿圆柱齿轮传动(轮齿与轴不平行)人字齿圆柱齿轮传动直齿圆锥齿轮传动斜齿圆锥齿轮传动曲齿圆锥齿轮传动交错轴斜齿轮传动蜗轮蜗杆传动2020/10/301.1工业机器人的基本概念3.6机器人传动系统8平面传动空间传动2020/10/301.1工业机器人的基本概念3.6机器人传动系统9二级传动（同向）一级传动（反向）齿轮链——齿轮传动形式一级传动（同向）三级传动（反向）2020/10/301.1工业机器人的基本概念3.6机器人传动系统10TNR－力矩－齿轮角位移－齿轮齿数－齿轮半径－角速度iiooiiooioioiooiTTRRNNRRNN能量关系,总功相等啮合齿轮转过的圆周距离相等齿轮的齿数与半径正比齿轮的齿数与转动角速度反比ooiiooiiooiiNTTNNNNN力矩：＝角位移：＝角速度：＝2020/10/301.1工业机器人的基本概念3.6机器人传动系统11通过动力学分析有：2iooiJNNJJ＝oiJJJ－系统总的等效转动惯量－输出轴系统的总惯量－输入轴系统的总惯量齿轮机构使用中的两个问题：齿轮链的引入会改变系统的等效转动惯量，减小驱动电机的响应时间，使伺服系统容易控制；在引入齿轮链的同时，由于齿轮间隙误差，会导致机器人的手臂定位误差增加，且引起伺服系统的不稳定性。2020/10/301.1工业机器人的基本概念3.6机器人传动系统12齿轮链传动举例：中央空调风管清洗机器人六脚步行机器人2020/10/301.1工业机器人的基本概念3.6机器人传动系统133.6.12.谐波减速器谐波减速器优点：谐波齿轮传动既可用做减速器，也可用做增速器。柔轮、刚轮、波发生器三者任何一个均可固定，其余二个一为主动，另一个为从动。传动比大，且外形轮廓小，零件数目少，传动效率高。效率高达92％~96％，单级传动比可达50~4000。承载能力较高：柔轮和刚轮之间为面接触多齿啮合，且滑动速度小，齿面摩损均匀。柔轮和刚轮的齿侧间隙是可调：当柔轮的扭转刚度较高时，可实现无侧隙的高精度啮合。谐波齿轮传动可用来由密封空间向外部或由外部向密封空间传递运动。2020/10/301.1工业机器人的基本概念3.6机器人传动系统14波发生器。波发生器与输入轴相连，对柔轮齿圈的变形起产生和控制的作用。它由一个椭圆形凸轮和一个薄壁的柔性轴承组成。柔性轴承不同于普通轴承，它的外环很薄，容易产生径向变形，在未装入凸轮之前环是圆形的，装上之后为椭圆形。柔轮。柔轮有薄壁杯形、薄壁圆筒形或平嵌式等多种。薄壁圆筒形柔轮的开口端外面有齿圈，它随波发生器的转动而变形，筒底部分与输出轴连接。刚轮。它是一个刚性的内齿轮。双波谐波传动的刚轮通常比柔轮多两齿。谐波齿轮减速器多以刚轮固定，外部与箱体连接。1)谐波减速器结构2020/10/301.1工业机器人的基本概念3.6机器人传动系统152020/10/301.1工业机器人的基本概念3.6机器人传动系统162)谐波减速器传动原理齿差：•谐波齿轮传动中，刚轮的齿数zG略大于柔轮的齿数zR，其齿数差要根据波发生器转一周柔轮变形时与刚轮同时啮合区域数目来决定。即zG-zR=u。目前多用双波和三波传动。错齿是运动产生的原因。ZGZR2020/10/301.1工业机器人的基本概念3.6机器人传动系统ZGZR17变形：•波发生器的长度比未变形的柔轮内圆直径大：当波发生器装入柔轮内圆时，迫使柔轮产生弹性变形而呈椭圆状，使其长轴处柔轮轮齿插入刚轮的轮齿槽内，成为完全啮合状态；而其短轴处两轮轮齿完全不接触，处于脱开状态。由啮合到脱开的过程之间则处于啮出或啮入状态。•当波发生器连续转动时：迫使柔轮不断产生变形，使两轮轮齿在进行啮入、啮合、啮出、脱开的过程中不断改变各自的工作状态，产生了所谓的错齿运动，从而实现了主动波发生器与柔轮的运动传递。2020/10/301.1工业机器人的基本概念3.6机器人传动系统18波发生器的旋转方向与柔轮的转动方向相反。2020/10/301.1工业机器人的基本概念3.6机器人传动系统19柔轮与刚轮齿面的啮合过程：2020/10/301.1工业机器人的基本概念3.6机器人传动系统202020/10/301.1工业机器人的基本概念3.6机器人传动系统21RGRGHRZZZi3)单级谐波齿轮常见的传动形式和应用①刚轮固定—柔轮输出•刚轮固定，以波发生器为主动件，柔轮为从动件，单级减速，结构简单，传动比范围较大，效率较高，应用极广，i=75~500。2020/10/301.1工业机器人的基本概念3.6机器人传动系统22②柔轮固定—刚轮输出•波发生器主动，单级减速，结构简单，传动比范围较大，效率较高，可用于中小型减速器。RGGRHGZZZi2020/10/301.1工业机器人的基本概念3.6机器人传动系统23③波发生器固定—刚轮输出•柔轮主动，单级微小减速，传动比准确，适用于高精度微调传动装置，i=1.002~1.015RGHRGZZi2020/10/301.1工业机器人的基本概念3.6机器人传动系统243.6.13.RV减速器世界上许多高精度机器人传动装置多采用RV减速器具有体积小、质量轻、传动比范围大、寿命长、精度保持稳定、效率高、传动平稳等一系列优点RV减速器与机器人中常用的谐波减速器相比，具有较高的疲劳强度、刚度和寿命，而且回差精度稳定2020/10/301.1工业机器人的基本概念3.6机器人传动系统252020/10/301.1工业机器人的基本概念3.6机器人传动系统26输入齿轮轴：输入齿轮轴用来传递输入功率，且与渐开线行星轮互相啮合。行星轮（正齿轮）：它与曲轴固联，两个或三个行星轮均匀分布在一个圆周上，起功率分流作用，即将输入功率分成几路传递给摆线针轮机构。RV齿轮：为了实现径向力的平衡，一般采用两个完全相同的摆线针轮。针齿：针齿与机架固联在一起成为针轮壳体。刚性盘与输出盘：输出盘是RV减速机与外界从动机相连接的构件，输出盘和刚性盘相连接成为一个整体，输出运动或动力。1)RV减速器结构2020/10/301.1工业机器人的基本概念3.6机器人传动系统272)RV减速器工作原理渐开线行星轮2与曲柄轴3连成一体，作为摆线针轮传动部分的输入。如果渐开线中心轮1顺时针方向旋转，那么渐开线行星轮2在公转的同时逆时针自转，并通过曲柄3带动摆线轮4做偏心运动，此时摆线轮4在其轴线公转的同时，还将在针齿4的作用下反向自转，即顺时针转动。同时通过曲柄轴3将摆线轮4的转动等速传给输出机构。2020/10/301.1工业机器人的基本概念3.6机器人传动系统282020/10/301.1工业机器人的基本概念3.6机器人传动系统292020/10/301.1工业机器人的基本概念3.6机器人传动系统303.6.14.齿轮齿条通常,齿条是固定不动的，当齿轮传动时,齿轮轴连同拖板沿齿条方向做直线运动,这样,齿轮的旋转运动就转换成为拖板的直线运动,如下图所示。拖板是由导杆或导轨支承的。该装置的回差较大。齿轮齿条装置旋转平移2020/10/301.1工业机器人的基本概念3.6机器人传动系统31齿轮齿条式手爪用齿轮齿条推动手指平移2020/10/301.1工业机器人的基本概念3.6机器人传动系统32ELZA直线运动单元直角坐标机器人ELZA直线运动单元是由侧装硬质圆柱钢滑轨的方形铝材结构组成的，滑块通过滑轮与滑轨耦合；小齿轮由电机驱动，使滑块沿齿条实现直线运动。小齿轮装有自润滑的球轴承。适合定位长度：按要求最长18m滑块安装：T形条板.单元安装：通过支撑板上的T型槽,或安装装置齿条类型：C45或St60h6,重复定位精度：±0.2mm模块化2020/10/301.1工业机器人的基本概念3.6机器人传动系统333.6.2丝杠1.普通丝杠旋转平移普通丝杠驱动是由一个旋转的精密丝杠驱动一个螺母沿丝杠轴向移动。由于普通丝杠的摩擦力较大，效率低，惯性大,在低速时容易产生爬行现象，而且精度低，回差大，因此在机器人上很少采用。2.滚珠丝杠在机器人上经常采用滚珠丝杠，这是因为滚珠丝杠的摩擦力很小且运动响应速度快。由于滚珠丝杠在丝杠螺母的螺旋槽里放置了许多滚珠,传动过程中所受的摩擦力是滚动摩擦,可极大地减小摩擦力,因此传动效率高,消除了低速运动时的爬行现象。在装配时施加一定的预紧力,可消除回差。2020/10/301.1工业机器人的基本概念3.6机器人传动系统34(a)螺杆转动,螺母移动(b)螺母转动,螺杆移动(c)螺母固定,螺杆转动和移动(d)螺杆固定,螺母转动和移动2020/10/301.1工业机器人的基本概念3.6机器人传动系统351-丝杠；2-.螺母；3-滚珠；4-导向槽滚珠丝杠的基本组成2020/10/301.1工业机器人的基本概念3.6机器人传动系统36外循环滚珠丝杠内循环滚珠丝杠1-凸键2、3-反向器4-丝杠5-钢珠6-螺母7-反向器2020/10/301.1工业机器人的基本概念3.2机器人机身及臂部结构37电机驱动丝杆螺母的手臂升降机构1-电动机；2-蜗杆；3-臂架；4-丝杠；5-蜗轮；6-箱体；7-花键套手臂升降:由电动机1带动蜗杆使蜗轮5回转，依靠蜗轮内孔的螺纹带动丝杠4做升降运动。为了防止丝杠的转动，在丝杠上端铣有花键与固定在箱体6上的花键套7组成导向装置。丝杠传动举例：2020/10/301.1工业机器人的基本概念3.6机器人传动系统383.6.3连杆连杆传动，是利用连杆机构传动动力的机械传动方式。按空间位置关系分平面连杆机构(连杆上各个点的运动平面相互平行)空间连杆机构连杆机架连架杆平面四杆传动2020/10/301.1工业机器人的基本概念3.6机器人传动系统39平面四杆传动机架：机构的固定件连架杆：与机架联接的构件。曲柄：能做圆周