工業(yè)機器人的驅動源通過傳動部件來驅動關節(jié)的移動或轉動,從而實現(xiàn)機身、手臂和手腕的運動。因此,傳動部件是構成工業(yè)機器人的重要部件。根據(jù)傳動類型的不同,傳動部件可以分為兩大類:直線傳動機構和旋轉傳動機構。

一、直線傳動機構

工業(yè)機器人常用的直線傳動機構可以直接由汽缸或液壓缸和活塞產(chǎn)生,也可以采用齒輪齒條、滾珠絲杠螺母等傳動元件由旋轉運動轉換得到。

1.移動關節(jié)導軌

在運動過程中移動關節(jié)導軌可以起到保證位置精度和導向的作用。移動關節(jié)導軌有五種:普通滑動導軌、液壓動壓滑動導軌、液壓靜壓滑動導軌、氣浮導軌和滾動導軌。

前兩種導軌具有結構簡單、成本低的優(yōu)點,但是它必須留有間隙以便潤滑,而機器人載荷的大小和方向變化很快,間隙的存在又將會引起坐標位置的變化和有效載荷的變化;另外,這種導軌的摩擦系數(shù)又隨著速度的變化而變化,在低速時容易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象等缺點。

第三種靜壓導軌結構能產(chǎn)生預載荷,能完全消除間隙,具有高剛度、低摩擦、高阻尼等優(yōu)點,但是它需要單獨的液壓系統(tǒng)和回收潤滑油的機構。

第四種氣浮導軌的缺點是剛度和阻尼較低。

目前第五種滾動導軌在工業(yè)機器人中應用最為廣泛,如圖2-15所示為包容式滾動導軌的結構,用支承座支承,可以方便地與任何平面相連,此時套筒必須是開式的,嵌入在滑枕中,既增強剛度也方便了與其他元件的連接。

2.齒輪齒條裝置

齒輪齒條裝置中(圖2-16),如果齒條固定不動,當齒輪轉動時,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拖板的直線運動。拖板是由導桿或導軌支承的,該裝置的回差較大。

3.滾珠絲杠與螺母

在工業(yè)機器人中經(jīng)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。

由于滾珠絲杠螺母的螺旋槽里放置了許多滾珠,絲杠在傳動過程中所受的是滾動摩擦力,摩擦力較小,因此傳動效率高,同時可消除低速運動時的爬行現(xiàn)象;在裝配時施加一定的預緊力,可消除回差。

如圖2-17所示滾珠絲杠螺母里的滾珠經(jīng)過研磨的導槽循環(huán)往復傳遞運動與動力。滾珠絲杠的傳動效率可以達到90%

4.液(氣)壓缸

液(氣)壓缸是將液壓泵(空壓機)輸出的壓力能轉換為機械能、做直線往復運動的執(zhí)行元件,使用液(氣)壓缸可以容易地實現(xiàn)直線運動。液(氣)壓缸主要由缸筒、缸蓋、活塞、活塞桿和密封裝置等部件構成,活塞和缸筒采用精密滑動配合,壓力油(壓縮空氣)從液(氣)壓缸的一端進入,把活塞推向液(氣)壓缸的另一端,從而實現(xiàn)直線運動。通過調節(jié)進入液(氣)壓缸液壓油(壓縮空氣)的流動方向和流量可以控制液(氣)壓缸的運動方向和速度。

二、旋轉傳動機構

一般電動機都能夠直接產(chǎn)生旋轉運動,但其輸出力矩比所要求的力矩小,轉速比要求的轉速高,因此需要采用齒輪、皮帶傳送裝置或其他運動傳動機構,把較高的轉速轉換成較低的轉速,并獲得較大的力矩。運動的傳遞和轉換必須高效率地完成。并且不能有損于機器人系統(tǒng)所需要的特性,包括定位精度、重復定位精度和可靠性等。通過下列傳動機構可以實現(xiàn)運動的傳遞和轉換。

1.齒輪副

齒輪副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,如圖2-18所示,一個齒輪裝在輸入軸上,另一個齒輪裝在輸出軸上,可以得到齒輪的齒數(shù)與其轉速成反比[式(2-1)],輸出力矩與輸入力矩之比等于輸出齒數(shù)與輸入齒數(shù)之比[式(2-2)]。

2.同步帶傳動裝置

在工業(yè)機器人中同步帶傳動主要用來傳遞平行軸間的運動。同步傳送帶和帶輪的接觸面都制成相應的齒形,靠嚙合傳遞功率,其傳動原理如圖2-19所示。齒的節(jié)距用包絡帶輪時的圓節(jié)距t表示。

式中:n1為主動輪轉速(r/min);n2為被動輪轉速(r/min);z1為主動輪齒數(shù);z2為被動輪齒數(shù)。

同步帶傳動的優(yōu)點:傳動時無滑動,傳動比準確,傳動平穩(wěn);速比范圍大;初始拉力小;軸與軸承不易過載。但是,這種傳動機構的制造及安裝要求嚴格,對帶的材料要求也較高,因而成本較高。同步帶傳動適合于電動機和高減速比減速器之間的傳動。

3.諧波齒輪

目前工業(yè)機器人的旋轉關節(jié)有60%~70%都使用諧波齒輪傳動。

諧波齒輪傳動由剛性齒輪、諧波發(fā)生器和柔性齒輪三個主要零件組成,如圖2-20所示。

工作時,剛性齒輪6固定安裝,各齒均布于圓周上,具有外齒圈2的柔性齒輪5沿剛性齒輪的內齒圈3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向轉過兩個齒的相應轉角。諧波發(fā)生器4具有橢圓形輪廓,裝在其上的滾珠用于支承柔性齒輪,諧波發(fā)生器驅動柔性齒輪旋轉并使之發(fā)生塑性變形。轉動時,柔性齒輪的橢圓形端部只有少數(shù)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。通常剛性齒輪固定,諧波發(fā)生器作為輸入端,柔性齒輪與輸出軸相連。

式中:z1為柔性齒輪的齒數(shù);z2為剛性齒輪的齒數(shù)。假設剛性齒輪有100個齒,柔性齒輪比它少兩個齒,則當諧波發(fā)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以得到1∶50的減速比。通常將諧波發(fā)生器裝在輸入軸,把柔性齒輪裝在輸出軸,以獲得較大的齒輪減速比。

4.擺線針輪傳動減速器

擺線針輪傳動是在針擺傳動基礎上發(fā)展起來的一種新型傳動方式,20世紀80年代日本研制出了用于機器人關節(jié)的擺線針輪傳動減速器,圖2-21所示為擺線針輪傳動簡圖,

它由漸開線圓柱齒輪行星減速機構和擺線針輪行星減速機構兩部分組成。漸開線行星輪6與曲柄軸5連成一體,作為擺線針輪傳動部分的輸入。如果漸開線中心輪7順時針旋轉,那么,漸開線行星齒輪在公轉的同時還逆時針自轉,并通過曲柄軸帶動擺線輪做平面運動。此時,擺線輪因受與之嚙合的針輪的約束,在其軸線繞針輪軸線公轉的同時,還將反方向自轉,即順時針轉動。同時,它通過曲柄軸推動行星架輸出機構順時針轉動。