直線驅(qū)動組織

1. 齒輪齒條設(shè)備

一般,齒條是固定不動的，當(dāng)齒輪傳動時(shí), 齒輪軸連同拖板沿齒條方向做直線運(yùn)動, 這樣, 齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動就變換成為拖板的直線運(yùn)動, 如圖2.70所示。拖板是由導(dǎo)桿或?qū)к壷С械摹?該設(shè)備的回差較大。

圖 2.70 齒輪齒條設(shè)備

2. 一般絲杠  

一般絲杠驅(qū)動是由一個(gè)旋轉(zhuǎn)的精細(xì)絲杠驅(qū)動一個(gè)螺母沿絲杠軸向移動。 因?yàn)橐话憬z杠的沖突力較大, 功率低, 慣性大, 在低速時(shí)簡略發(fā)作匍匐現(xiàn)象, 并且精度低, 回差大, 因而在機(jī)器人上很少選用。

3. 滾珠絲杠

在機(jī)器人上經(jīng)常選用滾珠絲杠, 這是因?yàn)闈L珠絲杠的沖突力很小且運(yùn)動呼應(yīng)速度快。因?yàn)闈L珠絲杠在絲杠螺母的螺旋槽里放置了許多滾珠,傳動進(jìn)程中所受的沖突力是滾動沖突, 可極大地減小沖突力,因而傳動功率高,消除了低速運(yùn)動時(shí)的匍匐現(xiàn)象。在裝置時(shí)施加必定的預(yù)緊力,可消除回差。

如圖2.71所示, 滾珠絲杠里的滾珠從鋼套管中出來, 進(jìn)入經(jīng)過研磨的導(dǎo)槽, 滾動2～3圈今后, 回來鋼套管。 滾珠絲杠的傳動功率能夠到達(dá)90%, 所以只需求運(yùn)用極小的驅(qū)動力, 并選用較小的驅(qū)動連接件就能夠傳遞運(yùn)動。

圖 2.71 滾球絲杠副

2.5.2 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動組織

1. 齒輪鏈

齒輪鏈?zhǔn)怯蓛蓚€(gè)或兩個(gè)以上的齒輪組成的傳動組織。它不但能夠傳遞運(yùn)動角位移和角速度, 并且能夠傳遞力和力矩。 現(xiàn)以具有兩個(gè)齒輪的齒輪鏈為例, 闡明其傳動變換聯(lián)系。其間一個(gè)齒輪裝在輸入軸上, 另一個(gè)齒輪裝在輸出軸上, 如圖2.72所示。

圖 2.72 齒輪鏈組織

運(yùn)用齒輪鏈組織應(yīng)留意兩個(gè)問題：

一是齒輪鏈的引進(jìn)會改動體系的等效滾動慣量, 然后使驅(qū)動電機(jī)的呼應(yīng)時(shí)刻減小, 這樣伺服體系就愈加簡略操控。輸出軸滾動慣量變換到驅(qū)動電機(jī)上, 等效滾動慣量的下降與輸入輸出齒輪齒數(shù)的平方成正比。

二是在引進(jìn)齒輪鏈的一起, 因?yàn)辇X輪空隙差錯(cuò), 將會導(dǎo)致機(jī)器人手臂的定位差錯(cuò)添加; 并且, 假設(shè)不采納一些補(bǔ)救措施, 齒隙差錯(cuò)還會引起伺服體系的不穩(wěn)定性。

一般， 齒輪鏈滾動有以下幾種類型， 如圖2.73所示。

其間圓柱齒輪的傳動功率約為90%， 因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡略， 傳動功率高，圓柱齒輪在機(jī)器人規(guī)劃中最常見；

斜齒輪傳動功率約為80%， 斜齒輪能夠改動輸出軸方向； 錐齒輪傳動功率約為70%， 錐齒輪能夠使輸入軸與輸出軸不在同一個(gè)平面， 傳動功率低； 蝸輪蝸桿傳動功率約為70%，蝸輪蝸桿組織的傳動比大， 傳動平穩(wěn)， 可完成自鎖， 但傳動功率低， 制造本錢高， 需求光滑； 行星輪系傳動功率約為80%，傳動比大， 但結(jié)構(gòu)雜亂。

圖 2.73 常用的齒輪鏈

(a) 圓柱齒輪; (b) 斜齒輪; (c) 錐齒輪; (d) 蝸輪蝸桿; (e) 行星輪系

2. 同步皮帶

同步皮帶類似于工廠的風(fēng)扇皮帶和其他傳動皮帶, 所不同的是這種皮帶上具有許多型齒, 它們和相同具有型齒的同步皮帶輪齒相嚙合。

作業(yè)時(shí), 它們相當(dāng)于柔軟的齒輪, 具有柔性好, 價(jià)格便宜兩大長處。別的, 同步皮帶還被用于輸入軸和輸出軸方向不一致的狀況。

這時(shí), 只需同步皮帶滿足長,使皮帶的扭角差錯(cuò)不太大, 則同步皮帶仍能夠正常作業(yè)。在伺服體系中, 假設(shè)輸出軸的方位選用碼盤丈量, 則輸入傳動的同步皮帶能夠放在伺服環(huán)外面, 這對體系的定位精度和重復(fù)性不會有影響, 重復(fù)精度能夠到達(dá)1 mm以內(nèi)。 此外, 同步皮帶比齒輪鏈價(jià)格低得多, 加工也簡略得多。 有時(shí), 齒輪鏈和同步皮帶結(jié)合起來運(yùn)用更為便利。

3. 諧波齒輪 

盡管諧波齒輪已面世多年, 但直到最近人們才開端廣泛地運(yùn)用它。現(xiàn)在, 機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)有60％～70％都運(yùn)用諧波齒輪。

諧波齒輪傳動組織由剛性齒輪、 諧波發(fā)作器和柔性齒輪三個(gè)首要零件組成, 如圖2.74所示。 作業(yè)時(shí), 剛性齒輪固定設(shè)備, 各齒均布于圓周, 具有外齒形的柔性齒輪沿剛性齒輪的內(nèi)齒滾動。

柔性齒輪比剛性齒輪少兩個(gè)齒, 所以柔性齒輪沿剛性齒輪每轉(zhuǎn)一圈就反方向轉(zhuǎn)過兩個(gè)齒的相應(yīng)轉(zhuǎn)角。 諧波發(fā)作器具有橢圓形概括, 裝在諧波發(fā)作器上的滾珠用于支承柔性齒輪, 諧波發(fā)作器驅(qū)動柔性齒輪旋轉(zhuǎn)并使之發(fā)作塑性形。滾動時(shí), 柔性齒輪的橢圓形端部只要少量齒與剛性齒輪嚙合, 只要這樣, 柔性齒輪才干相對于剛性齒輪自由地轉(zhuǎn)過必定的視點(diǎn)。

假定剛性齒輪有100個(gè)齒, 柔性齒輪比它少2個(gè)齒, 則當(dāng)諧波發(fā)作器轉(zhuǎn)50圈時(shí), 柔性齒輪轉(zhuǎn)1圈, 這樣只占用很小的空間就可得到1∶50的減速比。

因?yàn)橐黄饑Ш系凝X數(shù)較多, 因而諧波發(fā)作器的力矩傳遞才干很強(qiáng)。在3個(gè)零件中, 盡管任何2個(gè)都能夠選為輸入元件和輸出元件, 但一般總是把諧波發(fā)作器裝在輸入軸上, 把柔性齒輪裝在輸出軸上, 以取得較大的齒輪減速比。

圖 2.74 諧波齒輪傳動

直線驅(qū)動和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的選用和制動

1. 驅(qū)動辦法的選用

在廉價(jià)的核算機(jī)面世以前, 操控旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的首要困難之一是核算量大, 所以, 其時(shí)以為選用直線驅(qū)動辦法比較好。 直流伺服電機(jī)是一種較抱負(fù)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動元件, 但需求經(jīng)過較貴重的伺服功率放大器來進(jìn)行精確的操控。例如,在1970年,尚沒有牢靠的大功率晶體管, 需求用許多大功率晶體管并聯(lián), 才干驅(qū)動一臺大功率的伺服電機(jī)。

今日, 電機(jī)驅(qū)動和操控的費(fèi)用現(xiàn)已大大地下降, 大功率晶體管現(xiàn)已廣泛運(yùn)用, 只需選用幾個(gè)晶體管就能夠驅(qū)動一臺大功率伺服電機(jī)。相同, 微型核算機(jī)的價(jià)格也越來越便宜,核算機(jī)費(fèi)用在機(jī)器人總費(fèi)用中所占的份額大大下降,有些機(jī)器人在每個(gè)關(guān)節(jié)或自由度中都選用一個(gè)微處理器。

因?yàn)樯鲜鲈?許多機(jī)器人公司在制造和規(guī)劃新機(jī)器人時(shí), 都選用了旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。但是也有許多狀況選用直線驅(qū)動更為適宜, 因而，直線氣缸仍是現(xiàn)在一切驅(qū)動設(shè)備中最廉價(jià)的動力源, 凡能夠運(yùn)用直線氣缸的當(dāng)?shù)? 仍是應(yīng)該選用它。別的，有些要求精度高的當(dāng)?shù)匾惨x用直線驅(qū)動。

2. 制動器

許多機(jī)器人的機(jī)械臂都需求在各關(guān)節(jié)處設(shè)備制動器, 其效果是: 在機(jī)器人中止作業(yè)時(shí), 堅(jiān)持機(jī)械臂的方位不變; 在電源發(fā)作毛病時(shí), 保護(hù)機(jī)械臂和它周圍的物體不發(fā)作磕碰。

假設(shè)齒輪鏈、諧波齒輪組織和滾珠絲杠等元件的質(zhì)量較高,一般其沖突力都很小, 在驅(qū)動器中止作業(yè)的時(shí)分, 它們是不能接受負(fù)載的。假設(shè)不選用某種外部固定設(shè)備, 如制動器、夾緊器或止擋設(shè)備等,一旦電源封閉, 機(jī)器人的各個(gè)部件就會在重力的效果下滑落。因而, 為機(jī)器人規(guī)劃制動設(shè)備是十分必要的。

制動器一般是按失效抱閘辦法作業(yè)的, 即要松開制動器就必須接通電源, 不然, 各關(guān)節(jié)不能發(fā)作相對運(yùn)動。

這種辦法的首要意圖是在電源出現(xiàn)毛病時(shí)起保護(hù)效果， 其缺陷是在作業(yè)期間要不斷通電使制動器松開。

假設(shè)需求的話， 也能夠選用一種省電的辦法, 其原理是: 需求各關(guān)節(jié)運(yùn)動時(shí), 先接通電源, 松開制動器, 然后接通另一電源, 驅(qū)動一個(gè)擋銷將制動器鎖在放松狀況。 這樣， 所需求的電力僅僅是把擋銷放到位所花費(fèi)的電力。

為了使關(guān)節(jié)定位精確, 制動器必須有滿足的定位精度。制動器應(yīng)當(dāng)盡可能地放在體系的驅(qū)動輸入端, 這樣使用傳動鏈速比, 能夠減小制動器的細(xì)微滑動所引起的體系振蕩, 確保在承載條件下仍具有較高的定位精度。在許多實(shí)踐使用中, 許多機(jī)器人都選用了制動器。

圖2.75為三菱裝置機(jī)器人Movemaster EX RV-M1的肩部制動閘設(shè)備圖。圖 2.75 三菱裝置機(jī)器人肩部制動閘設(shè)備圖

工業(yè)機(jī)器人的傳動

工業(yè)機(jī)器人的傳動設(shè)備與一般機(jī)械的傳動設(shè)備的選用和核算大致相同。 但工業(yè)機(jī)器人的傳動體系要求結(jié)構(gòu)緊湊、 重量輕、滾動慣量和體積小, 要求消除傳動空隙, 進(jìn)步其運(yùn)動和方位精度。工業(yè)機(jī)器人傳動設(shè)備除齒輪傳動、蝸桿傳動、 鏈傳動和行星齒輪傳動外, 還常用滾珠絲桿、 諧波齒輪、鋼帶、 同步齒形帶和繩輪傳動。表2.1為工業(yè)機(jī)器人常用傳動辦法的比較與剖析。

表2.1 工業(yè)機(jī)器人常用傳動辦法的比較與剖析

新式的驅(qū)動辦法

1. 磁致彈性驅(qū)動

鐵磁資料和亞鐵磁資料因?yàn)榇呕癄顩r的改動, 其長度和體積都要發(fā)作細(xì)小的改動, 這種現(xiàn)象稱為磁致彈性。

20世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)某些稀土元素在低溫時(shí)磁伸率達(dá)3000×10-6～10 000×10-6,人們開端重視研討有適用價(jià)值的大磁致彈性資料。

研討發(fā)現(xiàn),TbFe2(鋱鐵)、SmFe2(釤鐵)、DyFe2(鏑鐵)、 HoFe2(鈥鐵)、TbDyFe2(鋱鏑鐵)等稀土－鐵系化合物不只磁致彈性值高, 并且居里點(diǎn)高于室溫, 室溫磁致彈性值為1000×10-6～2500×10-6, 是傳統(tǒng)磁致彈性資料如鐵、鎳等的10～100倍。 這類資料被稱為稀土超磁致彈性資料(Rear Earth Giant MagnetoStrictive Materials, 縮寫為RE-GMSM)。

這一現(xiàn)象已用于制造具有微英寸量級位移才干的直線電機(jī)。為使這種驅(qū)動器作業(yè), 要將被磁性線圈掩蓋的磁致彈性小棒的兩頭固定在兩個(gè)架子上。當(dāng)磁場改動時(shí), 會導(dǎo)致小棒縮短或擴(kuò)展, 這樣其間一個(gè)架子就會相對于另一個(gè)架子發(fā)作運(yùn)動。一個(gè)與此類似的概念是用壓電晶體來制造具有毫微英寸量級位移的直線電機(jī)。

美國波士頓大學(xué)現(xiàn)已研制出了一臺運(yùn)用壓電微電機(jī)驅(qū)動的機(jī)器人——“機(jī)器螞蟻”。 “機(jī)器螞蟻”的每條腿是長1 mm或不到1 mm的硅桿， 經(jīng)過不帶傳動設(shè)備的壓電微電機(jī)來驅(qū)動各條腿運(yùn)動。這種“機(jī)器螞蟻”可用在實(shí)驗(yàn)室中收集放射性的塵埃以及從活著的病人體中收取患病的細(xì)胞。

2. 形狀回憶金屬

有一種特別的形狀回憶合金叫做Biometal(生物金屬), 它是一種專利合金, 在到達(dá)特定溫度時(shí)縮短大約4%。 經(jīng)過改動合金的成分能夠規(guī)劃合金的改變溫度, 但規(guī)范樣品都將溫度設(shè)在90℃左右。

在這個(gè)溫度鄰近, 合金的晶格結(jié)構(gòu)會從馬氏體狀況改動到奧氏體狀況,并因而變短。但是,與許多其他形狀回憶合金不同的是,它變冷時(shí)能再次回到馬氏體狀況。假設(shè)線材上負(fù)載低的話,上述進(jìn)程能夠繼續(xù)改動數(shù)十萬個(gè)循環(huán)。

完成這種改變的常用熱源來自于當(dāng)電流經(jīng)過金屬時(shí),金屬因自身的電阻而發(fā)作的熱量。結(jié)果是,來自電池或許其他電源的電流容易就能使生物金屬線縮短。

這種線的首要缺陷在于它的總應(yīng)變僅發(fā)作在一個(gè)很小的溫度范圍內(nèi),因而除了在開關(guān)狀況下以外, 要精確操控它的拉力很困難,一起也很難操控位移。

圖 2.76 形狀回憶金屬制造的結(jié)尾操作器

3. 靜電驅(qū)動器

圖2.77是一個(gè)帶有電阻器移動子的三相靜電驅(qū)動器的作業(yè)原理圖。

圖 2.77 三相靜電驅(qū)動器作業(yè)原理

這種執(zhí)行器有下列特征:

  (1) 因?yàn)橐苿幼又袥]有電極, 所以不用斷定與定子的相對方位, 定子電極的距離能夠非常小。

  (2) 因?yàn)轵?qū)動時(shí)會發(fā)作浮力,所以沖突力小,在中止時(shí)因?yàn)榇嬖谥蜎_突力, 因而能夠取得比較大的堅(jiān)持力。

  (3) 因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡略, 所以能夠完成以薄膜為基礎(chǔ)的大面積多層化結(jié)構(gòu)。

  根據(jù)上述各點(diǎn), 把這種執(zhí)行器作為完成人工筋肉的一種辦法, 受到了人們的重視。

4. 超聲波電機(jī)

超聲波電機(jī)的作業(yè)原理是用超聲波鼓勵(lì)彈性體定子，使其表面構(gòu)成橢圓運(yùn)動， 因?yàn)槠渖吓c轉(zhuǎn)子(或滑塊)觸摸， 在沖突的效果下轉(zhuǎn)子取得推力輸出。如圖2.78所示， 能夠以為定子依照角頻率ω0，進(jìn)行超聲波振蕩， 在預(yù)壓W效果下， 轉(zhuǎn)子被推進(jìn)。

超聲波電機(jī)的負(fù)載特性與DC電機(jī)類似， 相對于負(fù)載添加， 轉(zhuǎn)速有筆直下降的趨勢，將超聲波電機(jī)與DC電機(jī)進(jìn)行比較， 它的特色有： ① 可望到達(dá)低速、 高功率； ② 相同的尺度， 能得到大的轉(zhuǎn)矩； ③ 能堅(jiān)持大轉(zhuǎn)矩； ④ 無電磁噪聲； ⑤ 易操控； ⑤ 外形的自由度大等。

圖 2.78 超聲波電機(jī)的作業(yè)原理圖2.5.6 驅(qū)動傳動辦法的使用   1. Movemaster EX RV-M1的驅(qū)動傳動

圖2.79為三菱裝置機(jī)器人Movemaster EX RV-M1的驅(qū)動傳動簡圖。

該機(jī)器人選用電動辦法驅(qū)動, 有5個(gè)自由度, 分別為腰部旋轉(zhuǎn)、肩部旋轉(zhuǎn)、肘部的滾動、手腕的俯仰與翻轉(zhuǎn)。各關(guān)節(jié)均由直流伺服電機(jī)驅(qū)動,其間,腰部旋轉(zhuǎn)部分與腕關(guān)節(jié)的翻轉(zhuǎn)為直接驅(qū)動。為了減小慣性矩,肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)的俯仰都選用同步帶傳動。實(shí)驗(yàn)室常用的結(jié)尾操作器(在零件裝置時(shí)有開閉動作)選用直流電機(jī)驅(qū)動。

圖 2.79 三菱裝置機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖

1) 腰部滾動(J1軸)

(1) 腰部(J1軸)由基座內(nèi)的電機(jī)①和調(diào)諧齒輪②驅(qū)動。

(2) J1軸限位(極限)開關(guān)③裝在基座頂部。

2) 肩部(J2軸)旋轉(zhuǎn)

  (1) 肩部(J2軸)由肩關(guān)節(jié)處的調(diào)諧齒輪⑥驅(qū)動, 由連接在J2軸電機(jī)④上的同步帶⑤帶動旋轉(zhuǎn)。

  (2) 電磁制動閘⑦裝在調(diào)諧齒輪⑥的輸入軸上, 以防止斷電時(shí)肩部因?yàn)樽灾囟罗D(zhuǎn)。

(3) J2軸限位開關(guān)⑧裝在肩殼內(nèi)上臂處。

3) 肘部擴(kuò)展(J3軸)

  (1) J3軸電機(jī)⑨的滾動由同步帶B10傳送至調(diào)諧齒輪B21。

  (2) 調(diào)諧齒輪B21上J3軸輸出軸的滾動由J3軸的驅(qū)動連桿傳送至肘部的軸上,然后帶動前臂擴(kuò)展。

  (3) 電磁制動閘B12裝在調(diào)諧齒輪B21的輸入軸上。

   (4) J3軸限位開關(guān)B13設(shè)備在肩殼內(nèi)上臂處。

4) 腕部俯仰(J4軸)

  (1) J4軸的電機(jī)B14設(shè)備在前臂內(nèi)。J4軸同步帶B15將該電機(jī)的滾動傳送到調(diào)諧齒輪B16上,然后帶動腕殼旋轉(zhuǎn)。

 (2) J4軸的限位開關(guān)B17設(shè)備在前臂下側(cè)。

5) 腕部滾動(J5軸)

  (1) J5軸電機(jī)B18和J5軸調(diào)諧齒輪B19設(shè)備在腕殼內(nèi)的同一軸上, 由它們帶動手爪設(shè)備法蘭旋轉(zhuǎn)。

   (2) J5軸的限位開關(guān)B20設(shè)備在前臂下。

2. PUMA 562機(jī)器人傳動

   圖2.80為PUMA 562機(jī)器人的外形圖。 該機(jī)器人有6個(gè)自由度, 其傳動辦法如圖2.80所示。由圖可看出:

  電機(jī)1經(jīng)過兩對齒輪Z1、 Z2、 Z3、 Z4傳動帶動立柱反轉(zhuǎn)。

  電機(jī)2經(jīng)過聯(lián)軸器、 一對圓錐齒輪Z5、 Z6和一對圓柱齒輪Z7、 Z8帶動齒輪Z9, 齒輪Z9繞與立柱固聯(lián)的齒輪Z10滾動, 于是構(gòu)成了大臂相對于立柱的反轉(zhuǎn)。

  電機(jī)3經(jīng)過兩個(gè)聯(lián)軸器和一對圓錐齒輪Z1、 Z2、 兩對圓柱齒輪Z13、 Z14, Z15、 Z16(Z16固聯(lián)于小臂上)驅(qū)動小臂相對于大臂反轉(zhuǎn)。

圖 2.79 PUMA 562機(jī)器人的傳動示意圖

電機(jī)4先經(jīng)過一對圓柱齒輪Z17、 Z18、 兩個(gè)聯(lián)軸器和另一對圓柱齒輪Z19、Z20(Z20固聯(lián)于手腕的套筒上)驅(qū)動手腕相對于小臂反轉(zhuǎn)。

  電機(jī)5經(jīng)過聯(lián)軸器、 一對圓柱齒輪Z21、 Z22、一對圓錐齒輪Z23、 Z24(Z24固聯(lián)于手腕的球殼上)驅(qū)動手腕相對于小臂(亦即相對于手腕的套筒)搖擺。

  電機(jī)6經(jīng)過聯(lián)軸器、 兩對圓錐齒輪Z25、 Z26, Z27、 Z28和一對圓柱齒輪Z29、 Z30驅(qū)動機(jī)器人的機(jī)械接口(法蘭盤)相對于手腕的球殼反轉(zhuǎn)。