工業機器人的驅動機構和驅動系統
一、工業機器人的驅動機構
工業機器人的驅動機構分為直線驅動機構和旋轉驅動機構。下面簡單介紹一下這兩種驅動機構。
1.直線驅動機構
1. 1齒輪齒條裝置
通常,齒條是固定不動的，當齒輪傳動時, 齒輪軸連同拖板沿齒條方向做直線運動, 這樣, 齒輪的旋轉運動就轉換成為拖板的直線運動, 如圖1.1所示。拖板是由導桿或導軌支承的。該裝置的回差較大。
圖1.1齒輪齒條裝置
1.2普通絲杠
普通絲杠驅動是由一個旋轉的精密絲杠驅動一個螺母沿絲杠軸向移動。由于普通絲杠的摩擦力較大, 效率低, 慣性大, 在低速時容易產生爬行現象, 而且精度低, 回差大, 因此在機器人上很少采用。
1.3滾珠絲杠
在機器人上經常采用滾珠絲杠, 這是因為滾珠絲杠的摩擦力很小且運動響應速度快。由于滾珠絲杠在絲杠螺母的螺旋槽里放置了許多滾珠,傳動過程中所受的摩擦力是滾動摩擦, 可極大地減小摩擦力,因此傳動效率高,消除了低速運動時的爬行現象。在裝配時施加一定的預緊力,可消除回差。
如圖1.2所示, 滾珠絲杠里的滾珠從鋼套管中出來, 進入經過研磨的導槽, 轉動2～3圈以后, 返回鋼套管。滾珠絲杠的傳動效率可以達到90%, 所以只需要使用極小的驅動力, 并采用較小的驅動連接件就能夠傳遞運動。
圖1.2滾球絲杠副
2.旋轉驅動機構
2.1齒輪鏈
齒輪鏈是由兩個或兩個以上的齒輪組成的區驅動機構。它不但可以傳遞運動角位移和角速度, 而且可以傳遞力和力矩。
使用齒輪鏈機構應注意兩個問題。一是齒輪鏈的引入會改變系統的等效轉動慣量, 從而使驅動電機的響應時間減小, 這樣伺服系統就更加容易控制。輸出軸轉動慣量轉換到驅動電機上, 等效轉動慣量的下降與輸入輸出齒輪齒數的平方成正比。二是在引入齒輪鏈的同時, 由于齒輪間隙誤差, 將會導致機器人手臂的定位誤差增加; 而且, 假如不采取一些補救措施, 齒隙誤差還會引起伺服系統的不穩定性。
通常， 齒輪鏈轉動有以下幾種類型， 如圖2.1所示。其中圓柱齒輪的傳動效率約為90%，因為結構簡單，傳動效率高，圓柱齒輪在機器人設計中最常見；斜齒輪傳動效率約為80%，斜齒輪可以改變輸出軸方向；錐齒輪傳動效率約為70%，錐齒輪可以使輸入軸與輸出軸不在同一個平面，傳動效率低；蝸輪蝸桿傳動效率約為70%，蝸輪蝸桿機構的傳動比大，傳動平穩，可實現自鎖，但傳動效率低，制造成本高，需要潤滑；行星輪系傳動效率約為80%，傳動比大，但結構復雜。
圖2.1齒輪鏈機構
2.2同步皮帶
同步皮帶類似于工廠的風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, 它們和同樣具有型齒的同步皮帶輪齒相嚙合。工作時, 它們相當于柔軟的齒輪, 具有柔性好, 價格便宜兩大優點。另外, 同步皮帶還被用于輸入軸和輸出軸方向不一致的情況。這時, 只要同步皮帶足夠長,使皮帶的扭角誤差不太大, 則同步皮帶仍能夠正常工作。在伺服系統中, 如果輸出軸的位置采用碼盤測量, 則輸入傳動的同步皮帶可以放在伺服環外面, 這對系統的定位精度和重復性不會有影響, 重復精度可以達到1 mm以內。此外, 同步皮帶比齒輪鏈價格低得多, 加工也容易得多。 有時, 齒輪鏈和同步皮帶結合起來使用更為方便。
2.3諧波齒輪
雖然諧波齒輪已問世多年, 但直到最近人們才開始廣泛地使用它。目前, 機器人的旋轉關節有60％～70％都使用諧波齒輪。諧波齒輪傳動機構由剛性齒輪、諧波發生器和柔性齒輪三個主要零件組成, 如圖2.2所示。工作時, 剛性齒輪固定安裝, 各齒均布于圓周, 具有外齒形的柔性齒輪沿剛性齒輪的內齒轉動。柔性齒輪比剛性齒輪少兩個齒, 所以柔性齒輪沿剛性齒輪每轉一圈就反方向轉過兩個齒的相應轉角。 諧波發生器具有橢圓形輪廓, 裝在諧波發生器上的滾珠用于支承柔性齒輪, 諧波發生器驅動柔性齒輪旋轉并使之發生塑性形。轉動時, 柔性齒輪的橢圓形端部只有少數齒與剛性齒輪嚙合, 只有這樣, 柔性齒輪才能相對于剛性齒輪自由地轉過一定的角度。
假設剛性齒輪有100個齒, 柔性齒輪比它少2個齒, 則當諧波發生器轉50圈時, 柔性齒輪轉1圈, 這樣只占用很小的空間就可得到1∶50的減速比。 由于同時嚙合的齒數較多, 因此諧波發生器的力矩傳遞能力很強。在3個零件中, 盡管任何2個都可以選為輸入元件和輸出元件, 但通常總是把諧波發生器裝在輸入軸上, 把柔性齒輪裝在輸出軸上, 以獲得較大的齒輪減速比。
圖2.2諧波齒輪驅動
二、工業機器人的驅動系統
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