工业机器人腕部结构设计

工 业 机 器 人 腕 部 结 构 设 计 -驱 动 部 分 目 录一 、 工 业 机 器 人 补 充 资 料二 、 工 业 机 器 人 驱 动 机 构三 、 工 业 机 器 人 传 动 机 构 一 、 工 业 机 器 人 补 充 资 料 1、 自 由 度 2、 精 度 ： 工 业 机 器 人 精 度 是 指 定 位 精 度 和重 复 定 位 精 度 。 定 位 精 度 是 指 机 器 人 手 部实 际 到 达 位 置 与 目 标 位 置 之 间 的 差 异 。 重复 定 位 精 度 是 指 机 器 人 重 复 定 位 其 手 部 于同 一 目 标 位 置 的 能 力 ， 可 以 用 标 准 偏 差 这个 统 计 量 来 表 示 ， 它 是 衡 量 一 列 误 差 值 的密 集 度 ， 如 下 图 示 （ a） 重 复 定 位 精 度 的 测 量 （ b） 合 理 定 位 精 度 ， 良 好 重 复 定 位 精度 （ c） 良 好 定 位 精 度 ， 很 差 重 复 定 位 精 度 （ d） 很 差 定 位 精 度 ，良 好 重 复 定 位 精 度 3、 速 度 机 器 人 运 动 速 度 是 其 主 要 参 数 之 一 ， 它 反 映 了 机 器 人 的 作业 水 平 运 动 速 度 的 快 慢 与 它 的 驱 动 方 式 、 定 位 方 式 、 抓 取质 量 大 小 和 行 程 距 离 有 关 ， 作 业 机 器 人 手 部 的 运 动 速 度 应根 据 生 产 节 拍 、 生 产 过 程 的 平 稳 性 和 定 位 精 度 等 要 求 来 决定 。 目 前 ， 工 业 机 器 人 的 最 大 直 线 运 行 速 度 大 部 分 为1000mm/s左 右 。 最 大 回 转 速 度 为 120度 /秒 左 右 。 作 为 机 器 人 规 格 参 数 的 速 度 是 指 平 均 速 度 ， 实 际 使 用 速 度可 在 一 定 范 围 内 调 节 。 4、 承 载 能 力 承 载 能 力 是 指 机 器 人 在 工 作 范 围 内 的 任 何位 姿 上 所 能 承 受 的 最 大 质 量 。 承 载 能 力 不仅 决 定 于 负 载 的 质 量 ， 而 且 还 与 机 器 人 运动 的 速 度 和 加 速 度 大 小 和 方 向 有 关 。 为 了安 全 起 见 ， 承 载 能 力 这 一 指 标 是 指 高 速 运行 时 的 承 载 能 力 。 通 常 ， 承 载 能 力 不 仅 指负 载 ， 而 且 还 包 括 机 器 人 末 端 操 作 器 的 质量 。 工 业 机 器 人 的 额 定 负 载 是 指 在 规 定 范围 内 手 腕 机 械 接 口 处 所 能 承 受 的 最 大 负 载允 许 值 。 二 、 工 业 机 器 人 驱 动 方 法液 压 驱 动气 压 驱 动直 流 电 机 驱 动交 流 电 机 驱 动步 进 电 机 驱 动超 声 波 电 机 驱 动 液 压 驱 动 把 油 压 泵 产 生 的 工 作 油 的 压 力 能 转 变 成 机 械 能 的 装 置 称为 液 压 执 行 器 。 在 驱 功 液 压 执 行 器 时 ， 作 为 外 围 设 备 ， 包括 ： (1)形 成 液 压 的 液 压 泵 ； (2)供 给 工 作 油 的 导 管 ； (3)控 制 工 作 油 流 动 的 液 压 控 制 阀 ； (4)控 制 控 制 阀 的 控 制 回 路 ， 根 据 液 压 执 行 器 输 出 量 的 形 式 的 不 同 ， 大 致 可 以 把 它 们 区分 为 作 直 线 运 动 的 油 压 缸 和 作 旋 转 运 动 的 油 压 马 达 。 液 压 驱 动 系 统 功 率 重 量 比 高 ， 低 速 时 出 力 大 （ 无 论 直 线 驱 动 还 是 旋 转 驱动 ） , 适 合 微 处 理 器 及 电 子 控 制 ， 可 用 于 极 端 恶 劣 的 外 部 环 境 。 由 于 液 压 系 统 中 存 在 不 可 避 免 的 泄 漏 、 噪 声 和 低 速 不 稳 定 等 问题 ， 以 及 功 率 单 元 非 常 笨 重 和 昂 贵 ， 目 前 已 不 多 使 用 它 们 。 现 在 大 部 分 机 器 人 是 电 动 的 ， 当 然 仍 有 许 多 工 业 机 器 人 带 有 液压 驱 动 器 。 此 外 ， 对 于 一 些 需 要 巨 大 型 机 器 人 和 民 用 服 务 机 器人 的 特 殊 应 用 场 合 ， 液 压 驱 动 器 仍 可 能 是 合 适 的 选 择 。 气 压 驱 动 气 压 驱 动 器 在 原 理 上 与 液 压 驱 动 器 相 同 ； 由 于 气 动 装 置 的 工 作 压 强 低 ， 和 液 压 系 统 相 比 ， 功 率 重 量 比 低 得 多 ； 由 于 空 气 的 可 压 缩 性 ， 在 负 载 作 用 下 会 压 缩 和 变 形 ， 控 制气 缸 的 精 确 位 置 很 难 。 因 此 气 动 装 置 通 常 仅 用 于 插 入 操 作或 1/2自 由 度 关 节 上 ； 结 构 简 单 ， 安 全 可 靠 ， 价 格 便 宜 ； 液 压 驱 动 与 气 压 驱 动 之 对 比液 压 驱 动 适 于 搬 运 较 重 的 物 体 不 适 于 高 速 移 动 适 于 确 定 高 精 度 位 置 气 压 驱 动 适 于 搬 运 较 轻 的 物 体 适 于 高 速 移 动 不 适 于 确 定 高 精 度 位 置 直 流 电 机 驱 动1. 直 流 电 机 工 作 原 理 直 流 电 动 机 通 过换 向 器 将 直 流 转换 成 电 枢 绕 组 中的 交 流 ， 从 而 使电 枢 产 生 一 个 恒定 方 向 的 电 磁 转 矩 。T=BILr换 向 器电 刷 2. 矩 频 特 性 曲 线 ： 电 流 控 制 曲 线 和 电 压 控 制 曲线 。3. 直 流 电 机 的 控 制 方 式 改 变 电 压 或 电 流 控 制 转 速 和 转 距 。 其 中 ， KE为 电动 势 常 数 ， KT为 转 矩 常 数 。脉 冲 宽 度 调 制 PWM是 利 用 脉 宽 调 制 器 对 大 功 率 晶 体 管 开 关 放 大 器 的 开 关 时 间 进 行 控 制 ， 将 直 流 电 压 转 换 成 某 一 频 率 的 矩 形 波 电 压 ， 加 到 直 流 电 机 的 电 枢 两 端 ，通 过 对 矩 形 波 脉 冲 宽 度 的 控 制 ， 改 变 电 枢 两 端 的 平 均 电 压 达 到 调 节 电 机 转 速 的目 的 。 优 点 ： 调 速 方 便 （ 可 无 级 调 速 ） ， 调 速 范 围 宽 ， 低 速 性 能 好（ 启 动 转 矩 大 ， 启 动 电 流 小 ） ， 运 行 平 稳 ， 转 矩 和 转 速 容 易 控 制 。4. 直 流 电 机 的 特 点 缺 点 ： 换 相 器 需 经 常 维 护 ， 电 刷 极 易 磨 损 ， 必 须 经 常 更 换 ，噪 音 比 交 流 电 机 大 。 交 流 电 机 驱 动1. 工作原理 2.矩 频 特 性 曲 线 同 步 电 机 ： 定 子 是 永 磁 体 ， 所 谓 同 步 是 指 转 子 速 度 与 定 子磁 场 速 度 相 同 。异 步 电 机 ： 转 子 和 定 子 上 都 有 绕 组 ， 所 谓 异 步 是 指 转 子 磁场 和 定 子 间 存 在 速 度 差 （ 不 是 角 度 差 ） 。 同 步 电 机 的 特 点 ： 体 积 小 。 用 途 ： 要 求 响 应 速 度 快 的 中 等 速度 以 下 的 工 业 机 器 人 ； 机 床 领 域 。 伺 服 电 机 的 精 度 由 编 码 器 的 精 度 决 定 。3.交 流 电 机 的 特 点 4.交 流 电 机 的 控 制 方 式 改 变 定 子 绕 组 上 的 电 压 或 频 率 ， 即 电 压 控 制 或 频 率 控 制 方 式 。 特 点 ： 无 电 刷 和 换 向 器 ， 无 产 生 火 花 的 危 险 ； 比 直 流 电 机 的驱 动 电 路 复 杂 、 价 格 高 。 异 步 电 机 的 特 点 ： 转 子 惯 量 很 小 ， 响 应 速 度 很 快 。 用 途 ： 中等 功 率 以 上 的 伺 服 系 统 。 步 进 电 机 驱 动 步 进 电 机 驱 动 系 统 主 要 用 于 开 环 位 置 控 制 系 统 。 优 点 ： 控制 较 容 易 ， 维 修 也 较 方 便 ， 而 且 控 制 为 全 数 字 化 。 缺 点 ： 由 于 开环 控 制 ， 所 以 精 度 不 高 。 永 磁 式 PM（ permanent magnet） ； 反 应 式（ 也 称 可 变 磁 阻 式 ） VR（ variable reluctance） ， 在 欧 美 等 发 达国 家 80年 代 已 被 淘 汰 ； 混 合 式 HB（ hybrid） ， 混 合 式 是 指 混 合 了永 磁 式 和 反 应 式 的 优 点 ， 混 合 式 步 进 电 机 的 应 用 最 为 广 泛 。 是 一 种 将 电 脉 冲 转 化 为 角 位 移 的 执 行 机 构 。 简 单 说 ：当 步 进 驱 动 器 接 收 到 一 个 脉 冲 信 号 ， 它 就 驱 动 步 进 电 机 按 设 定 的方 向 转 动 一 个 固 定 的 角 度 （ 即 步 进 角 ） 。 可 以 通 过 控 制 脉 冲 个 数来 控 制 角 位 移 量 ， 从 而 达 到 准 确 定 位 的 目 的 ； 同 时 可 以 通 过 控 制脉 冲 频 率 来 控 制 电 机 转 动 的 速 度 和 加 速 度 ， 从 而 达 到 调 速 的 目 的。1.工作原理 PM式 步 进 电 机 转 子 是 永 磁 体 ， 定 子 是 绕 组 ， 在 定 子 电 磁 铁 和 转 子 永 磁 体 之间 的 排 斥 力 和 吸 引 力 的 作 用 下 转 动 ， 步 距 角 一 般 为 7.5o90o。 VR式 步 进 电 机 用 齿 轮 状 的 铁 心 作 转 子 ， 定 子 是 电 磁 铁 。 在 定 子 磁 场 中 ，转 子 始 终 转 向 磁 阻 最 小 的 位 置 。 步 距 角 一 般 为 0.9o15o。 HB式 步 进 电 机 是 PM式 和 VR式 的 复 合 形 式 。 在 永 磁 体 转 子 和 电 磁 铁 定 子 的 表面 上 加 工 出 许 多 轴 向 齿 槽 ， 产 生 转 矩 的 原 理 与 PM式 相 同 ， 转 子 和 定 子 的 形 状 与 VR式 相 似 ， 步 距 角 一 般 为 0.9o15o。 2. 运 行 矩 频 特 性3. 步 进 电 机 驱 动 的 特 点 控 制 系 统 简 单 可 靠 ， 成 本 低 ； 控 制 精 度 受 步 距 角 限 制 ， 高负 载 或 高 速 度 时 易 失 步 ， 低 速 运 行 时 会 产 生 步 进 运 行 现 象 。 起动曲线运行曲线在这个输出转矩区间，步进电机启动时的输入脉冲频率必须缓慢增加 实 现 了 位 置 ， 速 度 和 力 矩 的 闭 环 控 制 ； 克 服 了 步 进 电 机 失 步的 问 题 ；高 速 性 能 好 ， 一 般 额 定 转 速 能 达 到 2000 3000转 ；抗 过 载 能 力 强 ， 能 承 受 三 倍 于 额 定 转 矩 的 负 载 ， 对 有 瞬 间 负载 波 动 和 要 求 快 速 起 动 的 场 合 特 别 适 用 ；低 速 运 行 平 稳 ， 低 速 运 行 时 不 会 产 生 类 似 于 步 进 电 机 的 步 进运 行 现 象 。 适 用 于 有 高 速 响 应 要 求 的 场 合 ；电 机 加 减 速 的 动 态 相 响 应 间 短 ， 一 般 在 几 十 毫 秒 之 内 ；发 热 和 噪 音 明 显 降 低 。 伺 服 电 机 与 步 进 电 机 比 较伺服电机的优势： 直 接 驱 动 电 机优 点 ： 不 用 齿 轮 减 速 器 直 接 驱 动 ， 因 此 具 有 无 间 隙 、 摩 擦 小 、机 械 刚 度 高 等 优 点 ， 可 以 实 现 高 速 、 高 精 度 的 位 置 控 制 和 微 小 力控 制 。缺 点 ： 因 为 没 有 减 速 机 构 ， 所 以 容 易 受 载 荷 的 影 响 。种 类 ： 直 流 力 矩 电 机 、 无 刷 直 流 电 机 、 VR式 电 机 等 。 机 器 人 对 关 节 驱 动 电 机 的 要 求 1、 快 速 性 ， 电 动 机 从 获 得 指 令 信 号 到 完 成 指 令 所 要 求 的工 作 状 态 的 时 间 应 短 。 响 应 指 令 信 号 的 时 间 愈 短 ， 电 伺 服系 统 的 灵 敏 性 愈 高 ， 快 速 响 应 性 能 愈 好 ， 一 般 是 以 伺 服 电动 机 的 机 电 时 间 常 数 的 大 小 来 说 明 伺 服 电 动 机 快 速 响 应 的性 能 。 2、 调 速 范 围 宽 ， 能 使 用 于 1： 1000 10000的 调 速 范 围 。 3、 体 积 小 、 质 量 小 、 轴 向 尺 寸 短 。 4、 控 制 特 性 的 连 续 性 和 直 线 性 ， 随 着 控 制 信 号 的 变 化 ，电 动 机 的 转 速 能 连 续 变 化 ， 有 时 还 需 转 速 与 控 制 信 号 成 正比 或 近 似 成 正 比 。 5、 能 经 受 得 起 苛 刻 的 运 行 条 件 ， 可 进 行 十 分 频 繁 的 正反 向 和 加 减 速 运 行 ， 并 能 在 短 时 间 内 承 受 过 载 。 6、 起 动 转 矩 惯 量 比 大 ， 在 驱 动 负 载 的 情 况 下 ， 要 求 机器 人 的 伺 服 电 动 机 的 起 动 转 矩 大 ， 转 动 惯 量 小 。 驱 动 方 式 的 选 择 机 器 人 驱 动 器 要 求 启 动 力 矩 大 、 调 速 范 围 宽 、 惯 量 小 选 择 驱 动 方 式 ： 负 荷 为 2000N以 下 采 用 电 动 驱 动 方 式 小 功 率 点 位 控 制 采 用 气 动 驱 动 方 式 大 功 率 大 力 矩 采 用 液 压 驱 动 方 式 选 择 驱 动 器 容 量 ： 额 定 速 度 时 的 额 定 功 率 关 节 加 减 速 时 加 速 功 率 最 不 利 形 位 时 的 负 载 力 矩 三 、 机 器 人 的 传 动 机 构 1） 常 用 传 动 机 构 类 型 和 特 点(1) 齿 轮 类 传 动 ： 主 要 有 齿 轮 、 蜗 轮 蜗 杆 、 齿 轮 齿 条 优 点 ： 响 应 快 、 扭 矩 大 、 刚 性 好缺 点 ： 传 动 有 间 隙 、 故 回 差 大 ， 精 度 低 应 用 ： 腰 、 腕 关 节(2) 链 索 类 传 动 ： 主 要 有 链 条 、 齿 形 带 、 钢 带优 点 ： 无 间 隙 、 刚 度 与 张 紧 装 置 有 关 ， 力 矩 较 大缺 点 ： 速 比 小 ， 齿 形 带 和 钢 带 适 用 于 小 负 载应 用 ： 腕 关 节 2) 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 使 丝 杠 与 螺 母 之 间 由 滑 动 摩 擦 度 为 滚 动 摩 擦 的 一 种 螺 旋 转 动在 数 控 机 床 和 机 器 人 中 应 用 较 为 广 泛 。(1)结 构 组 成 ： 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 可 分 为 内 循 环 和 外 循 环 两 种 。 为 消 除 回差 ， 螺 母 分 成 两 段 ， 采 用 双 螺 母 预 紧 消 除 间 隙 的 方 式 ， 以垫 片 、 锁 紧 螺 母 、 齿 差 调 整 两 段 螺 母 的 相 对 位 置 。(2)特 点 ：摩 擦 系 数 小 且 动 静 摩 擦 系 数 差 小 ， 效 率 高 且 逆 传 动 效 率也 高 ， 灵 敏 度 高 、 传 动 平 移 、 磨 损 小 、 寿 命 长 。 3)谐 波 齿 轮 减 速 器(1) 原 理 和 结 构三 大 基 本 构 件 ： 刚 轮 、 柔 轮 、 波 发 生 器刚 轮 固 定 时 减 速 比 ： 刚 轮 固 定 时 减 速 比 ：Z b ： 柔 轮 齿 数 Zg ： 刚 轮 齿 数 bg b zz zi bg g zz zi 1 4) RV摆 线 针 轮 传 动(1)工 作 原 理 ： 由 一 级 行 星 轮 系 再 串 联 一 级 摆 线 轮减 速 器 组 合 而 成 。(2)特 点 ： 除 了 谐 波 传 动 优 点 外 ， 最 显 著 的 特 点 是刚 性 好 。 谢 谢 观 看